다양한 체지방률로 구성된 메시형 소아 팬텀 세트 개발

Abstract

국제방사선방호위원회(ICRP)에서 제공하는 인체 전산 표준 팬텀은 특정 연령에 해당하는 표준 체형을 대표하여 방사선 방호와 관련된 규제 및 권고 마련과 표준 선량 계수 산출 등에 사용되고 있다. 이러한 목적 외에 환자 선량 계산 및 사고 후 선량 재구성 등의 목적으로 개인 선량을 정확히 계산하기 위해서는 방사선에 노출된 사람들의 여러 체형을 나타낼 수 있는 팬텀들이 필요하다. 이러한 필요성에 따라 최근 한양대학교 연구팀은 메시형 성인 표준 팬텀을 사용하여 다양한 체형으로 구성된 성인 팬텀 라이브러리를 개발하였다. 소아에 대해서도 최근 여러 체형으로 구성된 소아 팬텀 라이브러리가 제작된 바 있으나, 소아에 대해 충분한 수와 다양한 범위에 해당하는 체형들을 반영하지 못한다는 한계점을 갖고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 소아 팬텀 라이브러리 제작 시 여러 체형들을 반영할 수 있는 방법론을 개발하였으며 다양한 체지방률로 구성된 메시형 소아 팬텀 세트를 개발하였다. 본 연구에서는 신생아와 1-19세로 나누어 키와 몸무게 데이터를 추출하였다. 소아의 다양한 체형을 나타내기 위해, 기존에 제작된 소아 라이브러리들과는 다르게 제작할 키와 몸무게를 나타내는 그리드에서 키와 몸무게의 간격을 다르게 설정하여 키와 몸무게의 변화가 작은 연령대의 소아에 대해서도 충분한 체형이 고려될 수 있도록 하였다. 소아 팬텀 라이브러리의 키와 몸무게를 나타내는 그리드를 제작한 후에는 체형별로 상세한 외형을 나타내기 위해 1-19세에 대해 총 10개의 인체치수 데이터를 추출한 후, 키 및 몸무게에 대한 선형회귀를 사용하여 체형별 인체치수들의 목표 값을 산출해주었다. 소아 표준 팬텀으로 여러 체형에 해당하는 팬텀을 직접 제작할 경우, 근접한 장기 간 겹침과 비현실적인 외형이 발생할 수 있어, 그리드의 키와 몸무게 범위의 중앙에 가장 가까운 체형을 그리드 센터 팬텀의 체형으로 선정하여 제작해주었다. 그리드 센터 팬텀을 제작한 이후에는 각 그리드에서 최소 체지방률과 최대 체지방률을 산출하였고 두 체지방률을 양 끝단 값으로 갖도록 하여 동일한 간격으로 7개의 체지방률을 산출해주었다. 키는 그리드 센터 팬텀과 동일하게 설정한 후 연령 별로 7개의 체지방률에 해당하는 팬텀들을 제작하였다. 제작된 그리드 센터 팬텀과 다양한 체지방률로 구성된 소아 팬텀 세트의 선량을 Geant4 몬테카를로 코드를 사용하여 계산하였다. 15세 남자 팬텀들에 대해 광자를 회전(ROT) 방향으로 조사하였을 때, 대장 선량의 경우 가장 체지방률이 낮은 팬텀과 가장 체지방률이 높은 팬텀을 비교했을 때 저에너지 영역에서 체지방에 의한 차폐효과로 최대 19.3배 차이가 나는 것을 확인하였다. 또한 광자를 앞-뒤(AP) 방향으로 조사할 때 연령 별(1, 5, 10, 15세)로 체지방률이 가장 높은 팬텀과 그리드 센터 팬텀의 선량 비를 계산하였다. 연령이 높아질수록 체형의 범위가 넓어지고 그에 따라 체지방률이 증가하는 폭이 커져, 다른 연령 간 대장 선량 비의 경우 최대 8.3배까지 차이가 나는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 소아가 동일한 조건에서 방사선에 노출되는 경우에도 소아의 체형 차이로 인해 선량이 충분히 달라질 수 있음을 확인하였다. 개발된 소아 팬텀 세트는 추후 소아 팬텀 라이브러리를 제작 시 사용할 계획이다. 또한 의료 방사선을 사용하는 소아 환자를 대상으로 개인화 팬텀을 제작할 경우, 제작된 소아 팬텀 세트에 모핑기술을 적용하여 제작할 수 있을 것으로 기대한다.| Reference computational human phantoms are used to set up regulations and recommendations for radiation protection and calculate the reference dose coefficients. Phantom set with various body sizes are needed to calculate radiation dose in a personalized dosimetry such as calculation of patient dose and dose reconstruction after radiation accident. The adult phantom library based on adult mesh-type reference computational phantom was developed at Hanyang University for this purpose. In addition, pediatric phantom libraries were recently developed by some research groups. They have restrictions, however, for reflecting the wide range and sufficient numbers of body sizes. Methods to overcome these restrictions were developed in this study. In addition, the mesh-type pediatric phantom set with various body fat percentages were developed. The height and weight of newborn group and 1-19 years old group were extracted separately. The grid which represent the height and weight of pediatric phantom library was constructed by selecting different sizes of bin for height and weight. This method allows sufficient numbers of body sizes for younger pediatric phantoms which have a relatively narrow range of changes for body sizes. To better represent the typical body shapes for each targeted body size, total 10 anthropometric parameters were extracted and calculated using linear regression for the body sizes of the grid. Constructing the phantoms of pediatric phantom library by directly deforming the reference phantom can face problems such as interferences between adjacent organs/tissues and unrealistic body shapes for the target phantoms. For this reason, grid center phantoms were first selected by selecting the nearest position for center of grid in the range of height and weight. The grid center phantoms were then constructed by scaling the organs/tissues and adjusting skin surface. Then, 7 body fat percentages which have equal intervals and involve the maximum and minimum values of grids were selected to represent the various body sizes. The pediatric phantom set per age was constructed based on the 7 body fat percentages and the heights of grid center phantoms. The developed phantoms were used for some dose calculations. The difference of colon doses between the 15-year-old phantom with the highest body fat percentage and the 15-year-old phantom with the lowest body fat percentage was up to 19.3 times for external photon beams from a rotating (ROT) geometry. This result is due to the fact that the body fat functioned as a shield for the organ. In this study, the fact that the organ doses of pediatric dependent on their body sizes when they are exposed to radiation under the same conditions is confirmed. The phantom set will be used to construct a new pediatric phantom library. Personalized phantoms for pediatric who is exposed to medical radiation can be constructed by combining this phantom set with some morphing technique.