ICRP Pregnant-female Mesh-type Reference Computational Phantoms

Abstract

Following the issuance of the 2007 Recommendations in ICRP Publication 103, the ICRP released the adult and pediatric voxel-type reference computational phantoms in ICRP Publications 110 and 143, respectively, to be used for the calculation of reference dose coefficients. While providing anatomically improved representation of the internal anatomy over the older-type mathematical equation-based stylized phantoms, the voxel phantoms still have limitations in representing small and thin organs, due mainly to the finite voxel resolution. Therefore, additional supplementary stylized models had to be again utilized to estimate the doses for the micrometer-thick source and target layers of the alimentary and respiratory tracts, skin, eye lens, and urinary bladder. Acknowledging the limitations of the voxel geometry, ICRP established Task Group 103 with the aim of developing mesh-type reference computational phantoms (MRCPs). The adult and pediatric MRCPs were developed and released in ICRP Publications 145 and 156, respectively. Following the development of the adult and pediatric MRCPs, the present study developed the pregnant-female MRCPs representing the pregnant women with the male or female fetus at fetal ages of 8, 10, 15, 20, 25, 30, 35, and 38 weeks. These phantoms faithfully reflect the maternal anatomy such as changes in rib cage morphology, spinal curvature, pelvic inclination, breast morphology, and the circumferences of chest, waist, arms, and legs and the fetal anatomy such as crown-rump length, biparietal diameter, head circumference, femur length, and foot length and developing organ systems. Like the adult and pediatric MRCPs, the pregnant-female MRCPs include the necessary source and target tissues defined by ICRP for equivalent dose calculations including the micrometer-thick source and target layers. These phantoms were developed in the tetrahedral mesh format and can be directly implemented in Monte Carlo codes such as Geant4, PHITS, MCNP6, and EGSnrc without voxelization, fully maintaining the high fidelity of the mesh geometry. The specific absorbed fractions (SAFs) were calculated using three selected fetal ages (i.e., 8, 25, and 38 weeks) of the pregnant-female MRCPs for fetus and/or individual fetal organs as target regions. The photons, electrons, alpha particles, and fission-spectrum neutron associated with radionuclides which decay by spontaneous fission were internally emitted from some selected maternal and fetal organs. The fetal SAFs were found to show fetal-age-dependent dose trends (i.e., consistent increase or decrease with the fetal age), depending on the particle type, energy, and target-source distance. The pregnant-female MRCPs, unlike the adult and pediatric MRCPs, are the first reference computational phantoms for pregnant females and therefore will also be used in the calculation of ICRP Publication 103-based dose coefficients, in addition to all the future calculations of reference dose coefficients following the next set of ICRP general recommendations. It should be noted that after the minor modifications and the calculation of full set of fetal SAFs using the pregnant-female MRCPs for three selected fetal ages (i.e., 8, 25, and 38 weeks), this dissertation will be published as the ICRP Publication.|국제방사선방호위원회(ICRP)에서는 2007년 발행한 신권고 이후, 표준 선량계수 산출을 목적으로 복셀형 성인 및 소아남녀 전산모델을 개발하고, ICRP 110 및 143 간행물을 통해 이를 표준 전산팬텀으로 채택하였다. 이들은 기존의 수학적 팬텀에 비해 인체의 해부학적 구조를 더욱 정밀하게 표현하지만, 복셀 구조의 본질적인 한계와 제한적인 해상도로 인해 복셀 크기보다 작거나 얇은 장기를 표현하지 못한다. 이에 소화기 및 호흡기 장기, 피부, 눈 및 방광에 존재하는 마이크로미터 두께의 선원 및 표적층에 대하여 선량을 평가하기 위해서는 복셀형 표준 전산팬텀이 아닌 추가의 수학적 모델을 사용해야 하는 한계가 있다. 이러한 복셀 구조의 한계점을 인지하여, ICRP에서는 과업그룹(Task Group) 103을 설립하여 고품질의 메시형 표준 전산팬텀을 개발하기로 결정하였다. 과업그룹 103은 메시형 성인남녀 및 소아남녀 표준 전산팬텀을 개발 완료하였고 이를 각각 ICRP 145 및 156 간행물을 통해 배포하고 있다. 성인 및 소아에 이어, 본 연구에서는 ICRP 메시형 임신부 표준 전산모델을 개발하였다. 메시형 임신부 표준 전산모델은 태아나이 8, 10, 15, 20, 25, 30, 35 및 38주에 대하여 각각 모체 및 태아남녀로 이루어져 있다. 본 연구에서 개발한 팬텀은 모체 해부학뿐만 아니라 태아 해부학 또한 정밀하게 반영하고 있다. 개발한 메시형 임신부 표준 전산팬텀은 유효선량 계산에 필요한 장기들이 포함되어 있을 뿐만 아니라 소화기 및 호흡기 장기, 피부, 눈 및 방광에 존재하는 마이크로미터 두께의 선원층 및 표적층 또한 정의하고 있다. 즉, 별도의 수학적 모델을 사용하지 않아도 ICRP에서 정의한 방호체계에서 고려하는 대부분의 피폭상황에 대한 일관성 있고 정확한 선량평가를 수행할 수 있다. 메시형 임신부 표준 전산팬텀은 사면체 메시로 개발되어 별도의 복셀화 과정 없이 Geant4, PHITS, MCNP6, EGSnrc와 같은 몬테칼로 방사선 수송 코드에 입력될 수 있어 정교한 구조의 이점을 그대로 유지할 수 있다. 개발한 메시형 임신부 표준 전산팬텀 중 태아나이 8, 25, 38주 팬텀을 이용하여 전체 태아 혹은 태아 장기가 표적인 상황에 대한 고유흡수분율을 계산하였다. 계산을 위해 일부 선정한 모체 및 남성태아 장기가 균질하게 오염되어 광자, 전자, 중성자, 알파 입자가 방출되는 상황을 선원으로 간주하였다. 그 결과, 계산한 고유흡수흡수분율이 입자 종류, 에너지, 선원-표적 거리에 따라 태아 나이가 증가함에 따라 고유흡수분율 값이 일관적으로 증가하거나 감소하는 등 해부학적 요소가 적절하게 반영된 선량 경향을 보이는 것을 확인하였다. 메시형 임신부 표준 전산팬텀은 성인 및 소아와는 달리 ICRP에서 채택한 임신부에 대한 첫 표준 전산팬텀으로 추후 발간될 새로운 ICRP 권고에 따른 모든 표준 선량계수 산출에 사용될 뿐만 아니라, 현재 발간된 2007년 권고에 따른 표준 선량계수 산출에도 이용될 예정이다.