메시형 기준 성인 남녀 인체 전산 팬텀 개발

Abstract

국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)는 ICRP 110 간행물을 통해 기준 성인 남녀 전산 팬텀을 발표하였다. ICRP 기준 팬텀은 환자의 CT 영상을 기반으로 제작된 복셀(voxel) 팬텀이며, 이전 형태인 수학적 팬텀 보다 인체 내 해부학적 구조를 더욱 사실적으로 표현한다. 하지만, 기준 팬텀은 복셀 크기의 한계로 인해 수정체, 피부, 소화기 장기들과 같이 얇은 구조물을 정밀하게 표현하지 못하므로, 특히 투과력이 낮은 방사선에 대한 선량을 합리적으로 계산하지 못한다는 한계가 있다. 더욱이, 기준 팬텀은 호흡기 및 소화기 계통에 존재하는 8-40 마이크로미터 두께의 매우 얇은 방사선 민감층들을 표현하지 못하므로, ICRP에서는 기준 팬텀 대신에 별도로 수학적 모델을 이용하여 호흡기 및 소화기 계통에 대한 선량을 계산하고 있는 실정이다. 이러한 복셀형 ICRP 기준 팬텀의 문제점들을 해결하기 위해 본 연구에서는 새로운 형태인 메시형 기준 성인 남녀 전산 팬텀을 개발하였다. 새로운 메시 팬텀은 기존 복셀 팬텀을 고품질의 메시 모델로 변환하여 개발되었으며, 개발 과정에서 기준 복셀 팬텀이 지닌 여러 해부학적 문제점들을 개선하였다. 뿐만 아니라, 호흡기 및 소화기 계통에 존재하는 얇은 민감층들을 포함하여 유효 선량 계산에 필요한 모든 타겟(target) 및 선원(source) 영역을 팬텀에 정의하였다. 더욱이 새로운 팬텀은 혈액을 포함하는 ICRP 기준 장기 무게에 조정된 세계최초의 팬텀이다. 본 연구에서는 메시 팬텀을 Geant4 몬테칼로 방사선 수송 코드에 입력하여 외부 피폭 및 내부 피폭에 대한 선량 계수를 계산하고, 계산된 결과를 기존 기준 복셀 팬텀 및 수학적 모델을 이용하여 계산된 값과 비교하였다. 비교 결과, 메시 팬텀은 광자에 대해서 복셀 팬텀과 매우 유사한 선량을 제공하였으며, 유효 선량 차이는 외부 피폭 및 내부 피폭에 대하여 각각 대부분 3% 및 5% 이내였다. 반면에 전자에 대해서는 메시 팬텀은 기준 복셀 팬텀 및 수학적 모델과 매우 다른 선량 결과를 제공하였으며, 이러한 차이의 주된 요인은 메시 팬텀이 복셀 팬텀 및 수학적 모델의 한계점들을 극복하였기 때문이다. 이러한 결과를 비추어 볼 때, 새로운 메시 팬텀은 광자와 중성자와 같은 투과력이 좋은 방사선에 대해서는 기존 복셀형 기준 팬텀과 매우 유사한 선량 값을 제공하고, 베타선이나 알파선과 같은 투과력이 낮은 방사선에 대해서는 더욱 합리적이거나 알맞은 선량 값을 제공할 것으로 보인다. ICRP에서는 이미 본 연구 결과의 중요성을 인지하고, 본 연구에서 개발한 메시 팬텀을 차세대 ICRP 기준 성인 남녀 전산 팬텀으로 채택하기 위한 새로운 Task Group (즉, Task Group 103)을 결성하였다. 따라서, 본 연구 결과는 방사선량 측정 분야에서의 전산 팬텀에 대한 패러다임이 복셀 팬텀에서 메시 팬텀으로 변하는데 있어서 중요한 시발점이 될 것으로 기대된다.