의료용 선형가속기 미로에서 중성자 선량 준위 평가를 위한 새로운 실험식

Abstract

With the trend of using medical accelerators of higher energy in radiation therapy, neutron dose rates at the treatment room facilities, particularly at the doorways to the maze entrance, get more attention since photoneutron production increases significantly above around 10 MV. This paper derives an easily applicable empirical formula for the photoneutron dose potential at the maze entrance of a 15 MV medical accelerator treatment. Firstly, the photoneutron energy fluences and doses around accelerator heads were simulated with a geometry model fully describing the details of the Varian accelerator head by use of the Monte Carlo particle transport code MCNPX. The simulation process was validated by comparing the calculated neutron dose equivalent with dose measured by the bubble detectors at 10 positions around the head operating at 10 MV and 15 MV. The majority of the calculated results based on the same dose equivalent conversion factors as those of bubble detectors agreed within the standard deviations of the measurements. The maximum dose equivalent rates were observed in case of 20 × 20 cm² field size so that further transport calculation can be done with the source term based on this field size. At this field size, the average neutron energies at the isocenter were 0.58 MeV for 10 MV and 0.74 MeV for 15 MV. Then, for an accelerator operating at 15 MV with 20 × 20 cm² field, neutron dose equivalent rates at the outer maze entrances were estimated by extending neutron transport calculations down to maze doorways in the typical treatment rooms having a single-leg maze of various configurations. Two modes of gantry rotational planes were considered: parallel and perpendicular to the maze walls. Higher neutron doses at the doorway, in most cases, were found when the gantry rotational plane was parallel to the maze walls and the beams were directing to the wall facing the door and further calculations were made for this rotational mode. Repeated calculations of dose rates at the doorways were made for 697 different treatment room configurations which were generated by step changing the geometry parameters within the range observed in the running treatment rooms. Finally, the empirical formula was yielded by a multiple regression fit to the neutron dose equivalents at the doorway for the above 697 configurations: where is the neutron dose equivalent at the maze entrance in mSv per Gy of photon dose at the isocenter and width of the maze entrance, maze wall thickness, distance from the isocenter to the maze wall, cross-sectional area of the inner maze entrance, depth of the maze less 120 cm. All lengths are in centimeters. The goodness of the empirical formula developed in this work was evaluated for 7 operating treatment facilities with the different makers of accelerators. The formula of this work yielded neutron dose equivalents at the doorway significantly lower than the Kersey method but maintained conservatism over the doses computed by MCNPX and the measured values with neutron survey meters. It was concluded that this formula is suitable for use in the design of maze for 15 MV medical linear accelerators with one bend maze.; 방사선 치료에 고에너지 의료용 가속기를 사용하는 추세에서 광중성자 생성이10 MV 를 초과할 때 유의한 수준으로 증가하기 때문에 치료실 출입구에서의 중성자 선량률은 관심의 대상이 더욱 되고 있다. 본 연구에서는 15 MV 의료용 선형가속기 시설 입구에서의 광중성자 선량 당량을 평가하는 데에 쉽게 적용할 수 있도록 미로 외형 구조 요소만의 함수로만 구성된 실험식을 개발하였다. 이를 위해 먼저 Varian사 가속기 헤드를 대상으로 기하학적 구조를 근사한 모델링을 기반으로 가속기 헤드 주변의 광중성자 에너지 플루언스와 선량을 MCNPX 코드를 이용하여 해석하였다. 이 모사 과정은 10 MV, 15 MV로 운영되고 있는 가속기 주변 10개 지점에 대하여 bubble 검출기로 측정한 선량과 계산한 선량을 비교함으로써 검증하였다. Bubble 검출기와 동일한 선량환산인자를 기반으로 계산한 대부분의 선량들이 측정치들의 표준편차의 범위 내에서 일치하였다. 중성자 최대 선량은 20ㄴ20 cm2 광자 필드에서 관찰되었으며 이 필드 크기일 때 중성자 평균 에너지는 10 MV, 15 MV 경우에 대하여 각각 0.58 MeV, 0.74 MeV로 평가되었다. 상기의 15 MV 광자 20×20 cm2 필드에서 생성된 중성자 선원항을 MCNPX 코드를 이용하여 모델링된 가속기 시설 출입구로 입자 수송함으로서 가속기 입구에서의 중성자 선량 당량을 평가하였다. 가속기 표적의 회전면은 그 회전이 미로벽에 평행하는 경우와 수직인 경우, 두 가지를 고려하였다. 가속기 표적의 회전면이 미로벽에 평행하고 빔방향이 내부의 미로 출입구를 향할 때 출입구에서의 최대 중성자 선량이 나타났다. 이런 최대 선량을 초래하는 광자 조사 조건하에서 가동 중인 가속기 시설의 기학학적 외형 구성으로부터 생성시킨 697개 가속기 시설 구조에 대해서 선량 평가를 수행하였다. 최종적으로 출입구에서의 중성자 평가 실험식을 697개 가속기 시설 입구에서 평가한 중성자 선량 당량들에 대한 multiple regression fit를 통해 도출하였다. 여기서 는 isocenter의 광자 (Gy) 당 미로 출입구에서의 중성자 선량 당량 (Sv), 는 미로 바깥쪽 출입구의 넓이, 는 미로벽의 두께, 는 isocenter에서 미로벽까지의 거리, 는 미로 안쪽 출입구의 단면적, 는 120 cm를 줄인 미로 깊이이다. 모든 길이는 cm 기준이다. 본 연구에서 개발한 실험식의 정확성을 다른 제작사의 가속기로 운영되는 7개 시설에 대해 적용하여 평가하였다. Kersey 방법이 MCNPX 코드로 계산한 출입구에서의 중성자 선량을 과대 평가하는 것보다 본 연구의 실험식에 의한 평가는 가속기의 기종에 상관없이 보수적이지 않은 결과를 보였고 중성자 측정기에 의한 측정한 수치도 과소평가하지 않는 것으로 나타났다. 결론적으로 본 평가식은 한번 구부러진 미로 구조의 15 MV 의료용 선형가속기의 출입문 차폐 설계에 적합하게 적용이 가능한 것으로 확인되었다.