Development of a Mesh Phantom Library and Dose Coefficient Calculations by Monte Carlo Simulations

Abstract

국제방사선방호위원회(ICRP)에서는 기존의 복셀형 ICRP 표준팬텀이 가지는 한계점을 극복하는 새로운 형태의 메시형 표준 팬텀을 성인 남녀에 대해서 개발하였고, 이러한 메시형 표준 팬텀은 변형이 용이하여 피폭자의 자세와 체형에 맞게 쉽게 변형할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점을 활용하여, 본 연구에서는 메시형 성인 표준 팬텀을 바탕으로 개인의 다양한 체형을 고려할 수 있는 팬텀 라이브러리를 108개의 성인 남성과 104개의 성인 여성의 체형을 포함하는 목표 그리드에 맞게 새롭게 개발하였다. 기존의 팬텀 라이브러리의 한계점을 극복하고자, 목표 체형별 장기 무게를 제지방량을 고려하여 해부학적으로 사실적이게 결정하였고, 다양한 신체 치수(앉은키, 머리 높이, 머리 길이, 머리 너비, 시상 복부 직경, 상박 둘레, 허리둘레, 엉덩이둘레, 허벅지둘레, 종아리둘레)를 목표 체형별로 각각 산출하여 맞추었다. 더욱이, 본 연구에서는, 체지방률에 따라 제작된 앵커 팬텀을 라이브러리 제작의 시발점으로 사용할 뿐만 아니라 팬텀 제작을 자동화함으로써 라이브러리 제작에 소요되는 작업 소요와 시간을 최소화하였고, 또한 체지방률에 따라 팬텀의 외형을 일관성 있게 제작하였다. 그 후에, 체형이 선량에 미치는 영향을 알아보고자, 제작된 팬텀 라이브러리를 활용한 몬테카를로 전산모사를 통해 다양한 피폭 상황별 선량 계수를 산출 및 비교하였다. 그 결과, 몸무게의 경우에는 대부분의 피폭 상황에서 선량에 영향을 미쳤지만, 키의 경우에는 일부 피폭 상황에서만 선량에 영향을 미쳤다. 하지만, 장기별로 체형이 선량에 미치는 영향이 다르기 때문에, 보다 정확한 장기 선량을 산출하기 위해서는 키와 몸무게를 모두 고려한 선량 계산이 필요하다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 제작된 새로운 팬텀 라이브러리는 방사선 방호 및 의료 분야에서 개인의 체형을 반영하여 보다 정확한 선량을 평가하기 위해서 사용될 것으로 기대된다.; Recently, the International Commission on Radiological Protection (ICRP) has developed new mesh-type reference computational phantoms (MRCPs) for adult male and female. When compared to the current voxel-type reference computational phantoms in ICRP Publication 110, the MRCPs have several advantages, including deformability which makes it possible to create phantoms in different body sizes or postures. In the present study, the new phantom library which can accommodate the body size of individuals is developed for the newly derived target grid containing 108 adult male and 104 adult female body sizes, based on the MRCPs. In the development of the phantom library, organ masses are anatomically appropriately determined with the lean body mass, and various anthropometric parameters (i.e., sitting height; head height, length, and breadth; sagittal abdominal diameter; and upper arm, waist, buttock, thigh, and calf circumferences) are matched to target anthropometric parameters. In addition, in the present study, by using the anchor phantoms as well as by the automatic deformation, it can be possible to not only reduce the labor-intensive work required for the development of the phantom library, but also make the appearance consistent of the phantom library according to the fat percentage. Then, in order to see dosimetric effects of the body sizes, the phantom library is implemented in Geant4 Monte Carlo code to calculate and compare organ doses for various radiation exposure scenarios. The results show that standing height meaningfully influences dose values only in some cases, whereas body weight significantly influences dose values in most cases. However, considering that the effects of the body size are different for each organ, it is necessary to consider both standing height and body weight for more accurate organ dose calculations. For this purpose, it is expected that the new phantom library will be used in radiation protection and medical field to consider the body size of individuals, providing more accurate dose than the reference phantoms.