방사선치료 분야 방호최적화 적용을 위한 선량평가 연구 = Research on Dose Evaluation for Optimizing Radiation Protection in Radiation Therapy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent years, advancements in imaging devices and computer technology have enabled highly precise and sophisticated radiation treatment planning in the field of radiation therapy. Precision radiation therapy involves concentrating high doses of radiation on tumor tissues, making accurate localization of the treatment area essential. Consequently, image-guided radiation therapy, which involves capturing the patient's position through imaging before treatment to precisely target radiation, is employed. Image-guided radiation therapy utilizes CBCT and MVCT imaging to obtain three-dimensional images for accurate patient positioning and alignment. However, this process involves additional radiation exposure to the patient during the positioning verification, raising concerns from both radiation protection and medical radiation management perspectives. Therefore, there is a need to quantitatively assess the potential exposure during CBCT and MVCT imaging and evaluate patient safety resulting from such exposure. This study aims to quantitatively predict radiation exposure levels associated with CBCT and MVCT imaging to assess radiological safety and provide fundamental data for optimizing radiation protection in the field of radiation therapy.
In this study, we evaluated depth doses and lens doses using a linear accelerator capable of CBCT (Elekta Versa HD, Sweden) and a tomotherapy system capable of MVCT (Tomotherapy, Hi-Art system, Accuray Incorporated, USA). To assess depth doses, a Cheese phantom was employed. Thirteen glass dosimeters were positioned radially from the center to measure depth doses at various depths. Point 1 was designated as the closest point to the surface, and point 13 as the center, with doses evaluated at each point. CBCT was performed under Head, Chest, and Pelvis imaging conditions, and MVCT under Fine, Normal, and Coarse imaging conditions, with each measurement repeated five times. For lens dose evaluations, a human body model phantom was created using a 3D printer. The phantom was designed with three glass dosimeters inserted into each orbital cavity. CBCT was conducted under Head imaging conditions, and MVCT under Fine, Normal, and Coarse imaging conditions, with each measurement repeated three times.
Depth dose evaluations during a single CBCT scan showed minimum and maximum depth doses per imaging condition ranging from 0.39±0.01 mGy to 14.14±0.32 mGy. The standard deviations averaged 2.06 % in Pelvis, 3.28 % in Chest, and 3.03% in Head scans. For MVCT scans, depth dose evaluations during a single scan indicated minimum and maximum depth doses per imaging condition ranging from 6.50±0.05 mGy to 21.56±0.47 mGy. The standard deviations averaged 2.19 % in Fine, 3.13 % in Normal, and 3.82 % in Coarse scans. Regarding lens dose evaluations using a human body model phantom, during a single CBCT scan under Head imaging conditions, the average lens dose was 2.15±0.13 mGy. For MVCT scans, under Fine imaging conditions, the average lens dose was 24.77±0.70 mGy, under Normal conditions it was 13.10±0.38 mGy, and under Coarse conditions it was 9.5±0.51 mGy.
Through this study, it is determined that additional doses can be predicted based on depth variations during CBCT and MVCT imaging. By predicting additional doses to critical organs during the treatment planning phase, it is anticipated that a more precise treatment plan can be developed, thereby reducing radiation therapy-related side effects and complications.

국문 초록 (Abstract)

최근 방사선치료 분야는 영상장치 및 컴퓨터 기술의 발전에 힘입어 매우 정밀하고 세분화된 고도의 방사선 치료계획이 가능해졌다. 정밀 방사선치료는 종양 조직에 고선량의 방사선을 집중적으로 조사하기 때문에 치료 부위에 대한 정확한 위치 확인 작업이 필수적이다. 이에 방사선치료를 시행하기 전 환자의 자세를 촬영하여 치료 부위에 대한 정확한 위치를 파악한 후 방사선을 조사하는 영상유도 방사선치료를 시행하고 있다. 최근 영상유도 방사선치료는 콘빔 전산화 단층촬영(Cone Beam Computed Tomography, CBCT)과 메가볼트 전산화 단층촬영(Megavoltage Computed Tomography, MVCT)을 통해 3차원 영상을 획득하여 정밀하게 환자의 자세를 검·교정하고 있다. 하지만 이로 인해 환자 자세를 확인하는 과정에서 환자에게 추가적인 피폭을 일으키기 때문에 방사선방호의 관점 그리고 의료 방사선 관리 측면에서 문제가 될 소지가 충분히 있다. 따라서, CBCT와 MVCT 촬영 시 발생할 수 있는 피폭에 대하여 정량적으로 평가한 후 피폭으로 인한 환자 안정성을 평가할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 CBCT와 MVCT 촬영에 따른 피폭선량을 정량적으로 분석하여 방사선학적 안정성을 평가함과 동시에 방사선치료 분야에 방사선 방호최적화 적용을 위한 기초적인 자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 CBCT 촬영이 가능한 선형가속기(Elekta Versa HD, Sweden)와 MVCT 촬영이 가능한 토모테라피(Tomotherapy, Hi-Art system, Accuray Incorporated, USA)를 대상으로 심부선량 및 수정체 선량을 평가하였다. 심부선량을 평가하기 위해 Cheese phantom이 사용되었으며 중심으로부터 13개의 유리선량계를 사용해 깊이에 따른 심부선량을 측정하였다. 표면에서 가장 가까운 지점을 1번으로 지정하고 중심부를 13번으로 지정하여 각 지점의 선량을 평가하였다. CBCT는 Head, Chest, Pelvis 촬영 조건으로, MVCT는 Fine, Normal, Coarse 촬영 조건으로 각 5회씩 반복 측정하였다. 수정체 선량을 평가하기 위해 3D 프린터를 활용해 인체모형팬텀을 자체 제작하였다. 인체모형팬텀은 양측 안와부에 3개씩 유리선량계가 삽입되도록 제작하였으며 CBCT는 Head 촬영 조건으로, MVCT는 Fine, Normal, Coarse 촬영 조건으로 각 3회 반복 측정하였다.
연구 결과는 CBCT 1회 촬영 시 깊이에 따른 심부 선량평가에서 촬영 조건별 최소 0.39±0.01 mGy에서 최대 14.14±0.32 mGy로 나타났으며, 표준편차는 Pelvis에서 평균 2.06 %, Chest에서 평균 3.28 %, Head에서 평균 3.03 %로 나타났다. MVCT 1회 촬영 시 깊이에 따른 심부 선량평가에서 촬영 조건별 최소 6.50±0.05 mGy에서 최대 21.56±0.47 mGy로 나타났으며, 표준편차는 Fine에서 평균 2.19 %, Normal에서 평균 3.13 %, Coarse에서 평균 3.82 %로 나타났다. 인체모형 팬텀을 활용한 수정체 선량평가에서 CBCT 1회 촬영 시 Head 촬영 조건에서 평균선량은 2.15±0.13 mGy로 나타났으며, MVCT 1회 촬영 시 Fine 조건에서 평균 24.77±0.70 mGy, Normal 조건에서 평균 13.10±0.38 mGy, Coarse 조건에서 평균 9.5±0.51 mGy로 나타났다.
본 연구를 통해 촬영 조건별 깊이 변화에 따른 추가적인 선량을 예측할 수 있을 것으로 판단되며, 치료계획의 단계에서 주요 결정 장기에 대한 추가적인 선량 예측을 통해 치료계획을 진행 함으로써 방사선치료로 인한 부작용 및 합병증을 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 i
• 표 목 차 v
• 그림목차 vi
• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 1. 방사선치료 3
• 2. 방사선과 물질과의 상호작용 6
• 3. 방사선치료 장비 15
• 4. 방사선치료 발전 24
• 5. 영상유도 방사선치료 28
• 6. 의료방사선 방호 32
• Ⅲ. 재료 및 연구 방법 34
• 1. 실험 재료 34
• 2. 실험 방법 39
• Ⅳ. 연구 결과 43
• 1. 깊이변화에 따른 Cheese phantom 측정 결과 43
• 2. 인체모형팬텀 선량 측정 결과 52
• Ⅴ. 고 찰 57
• Ⅵ. 결 론 56
• 참고문헌 60
• Abstract 67