Next-generation ICRP Pediatric Mesh-type Reference Computational Phantoms

Abstract

국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)에서는 2007년 발행한 신권고에 따라 전 인구집단을 포괄하기 위한 성인 및 소아(신생아, 1살, 5살, 10살, 15살) 남녀 전산팬텀을 개발하고 ICRP-110 및 ICRP-143 간행물을 통해 표준 전산팬텀으로 채택하였다. ICPR 표준 전산팬텀은 실제 인체의 CT 영상을 ICRP-89 간행물의 표준 데이터에 맞추어 제작한 복셀형 전산팬텀이기 때문에 이전 형태인 수학적 팬텀에 비해 인체의 해부학적 구조를 더욱 사실적으로 나타낸다. 그러나 복셀형 전산팬텀은 복셀의 제한적인 해상도와 복셀 구조의 본질적인 한계로 인해 장기를 계단 형태로 나타내고 있을 뿐만 아니라 작거나 얇은 장기를 정밀하게 표현하지 못하므로 투과력이 약한 방사선에 대한 피폭상황을 포함한 ICRP 방호체계에서 고려하는 일부 피폭상황에 대해 부정확한 선량결과를 제공할 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 이에 ICRP에서는 일부 피폭상황에 대해 복셀형 전산팬텀과 함께 소화기 장기, 호흡기 장기, 눈, 피부, 방광에 대한 수학적 모델을 사용함으로써 선량결과의 정확성을 제고하기 위한 노력을 하고 있지만 이는 근본적인 해결방안이 아니기 때문에 복셀형 전산팬텀의 문제점을 해결해야 할 필요가 있다. ICRP에서는 복셀형 전산팬텀의 문제점을 해결하기 위해 2016년에 새로운 작업그룹(Task Group 103)을 결성하여 복셀형 표준 전산팬텀의 변환 및 개선 과정을 통해 고품질의 메시형 전산팬텀을 개발하기로 하였다. 최근 Task Group 103에서는 메시형 표준성인 전산팬텀의 개발을 완료하고 ICRP-145 간행물을 통해 공식적으로 배포하기 시작하였다. 본 연구에서는 메시형 표준소아 전산팬텀을 개발함으로써 메시형 표준 전산팬텀 세트를 완성하였다. 개발한 메시형 표준소아 전산팬텀은 작거나 얇은 장기를 정밀하게 표현할 뿐만 아니라 소화기 장기, 호흡기 장기, 눈, 피부, 방광에 위치한 마이크로미터 두께의 얇은 방사선민감층까지 정의하고 있기 때문에 별도의 수학적 모델을 사용하지 않아도 ICRP 방호체계에서 고려하는 대부분의 피폭상황에 대해 일관성 있고 정확한 선량계산을 가능하게 한다. 또한, 메시형 표준소아 전산팬텀은 Geant4, PHITS, MCNP6와 같은 범용 몬테칼로 방사선 수송 코드에 복셀화 과정없이 그 정교한 구조가 그대로 입력될 수 있으며 그럼에도 불구하고 복셀형 표준소아 전산팬텀과 비교하여도 경쟁력 있는 계산속도를 제공하는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 메시형 표준소아 전산팬텀을 Geant4 코드에 입력하여 외부피폭에 대한 장기선량계수 및 유효선량계수와 내부피폭에 대한 고유흡수분율을 계산하고 이를 복셀형 표준소아 전산팬텀 및 수학적 모델을 이용하여 계산한 선량값과 비교하였다. 비교 결과 메시형 표준소아 전산팬텀은 광자나 중성자와 같이 투과력이 높은 방사선에 대해서는 크게 개선된 장기(적색골수, 대장 등)를 제외하고는 유사한 선량을 제공하는 반면, 전자나 알파선과 같이 투과력이 낮은 방사선에 대해서는 모델링 형식과 해부학적 구조의 개선으로 인해 수만 배까지의 큰 선량 차이를 보이는 것을 확인하였다. ICRP에서는 본 연구에서 개발한 메시형 표준소아 전산팬텀을 메시형 표준성인 전산팬텀과 함께 앞으로의 ICRP 방호체계에서 고려하는 피폭상황에 대한 표준 선량계수를 계산하는데 활용할 계획이다. 본 논문은 추후 ICRP 본위원회의 검토 및 공공의견수렴 등의 과정을 거쳐 ICRP 간행물로 발간될 예정이다. |The International Commission on Radiological Protection (ICRP), following the issuance of the 2007 Recommendations in ICRP Publication 103, released the adult (male and female) and pediatric (newborn, 1-, 5-, 10-, and 15-year-old male and female) reference computational phantoms in ICRP Publications 110 and 143, respectively, for use in effective dose calculations. These phantoms are voxel models represented in the form of a 3D array of cuboidal voxels, which were constructed from computed tomography images of people and adjusted to be consistent with the reference anatomical parameters given in ICRP Publication 89. The voxel phantoms provide anatomical improvements over the mathematical equation-based stylized phantoms used for the previous dose coefficient (DC) calculations prior to the 2007 Recommendations. Nevertheless, the voxel phantoms, due to the nature of voxel geometry and finite voxel resolutions, have limitations in representing small and thin organs and tissues, necessitating additional supplementary stylized models such as those defined for the respiratory tract airways, the alimentary tract organ walls and stem cell layers, the eye lens, and the skin basal layer. To address the limitations of the voxel phantoms, the ICRP launched Task Group 103 with the aim of developing mesh-type reference computational phantoms (MRCPs) by converting the voxel phantoms into a high-quality/fidelity mesh format with anatomical improvement for the complex organs and tissues which were not fully represented in the voxel phantoms. The MRCPs for adult male and female were then developed and recently released in ICRP Publication 145. Following the release of the adult MRCPs, the present study constructed the pediatric MRCPs, the counterparts of the ICRP Publication 143 voxel phantoms. The pediatric MRCPs, like the adult MRCPs, were developed to have all the source and target tissues required for calculation of effective dose, including the micrometer-scale regions, assimilating the supplementary stylized models. These phantoms can be directly used in general-purpose Monte Carlo codes such as Geant4, PHITS, and MCNP6, fully maintaining the high fidelity of the mesh geometry in Monte Carlo dose calculations. To investigate the impact of the pediatric MRCPs, the DCs of organ dose and effective dose and specific absorbed fractions (SAFs) for some selected external and internal exposures were calculated and compared with the values calculated using the ICRP Publication 143 phantoms and the ICRP Publications 66 and 100 mathematical models for the respiratory and alimentary tracts and the reference values being prepared by ICRP Task Group 96. While some differences in the DCs and SAFs were observed for anatomically improved organs and weakly penetrating radiations, they were found not to be much different, indicating that the reference DCs obtained from the ICRP Publication 143 voxel phantoms for both external and internal exposures remain valid in the current ICRP dosimetry system. The ICRP Publication 143 voxel phantoms remain the reference models for calculation of ICRP-Publication-103-based reference dose coefficients. The pediatric MRCPs will be used in all other future calculations and provide a resource for wider use in radiological protection applications. It should be noted that this dissertation will be published as the ICRP publication with minor updates and modifications.