Evaluation of Effective Dose with National Diagnostic Reference Level using Monte-Carlo Simulation

몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 국내 일반엑스선검사 진단참고수준의 유효선량 평가

Abstract

In this study, the effective dose for frequently general radiography among the diagnostic reference level (DRL) for examinations provided by the government in Korea was evaluated using the Monte Carlo N-Particle eXtended (MCNPX) simulation tool. We were selected to evaluate for a total of 5 examination sites which included head anterior-posterior, chest (posterior-anterior, lateral), abdomen anterior-posterior and pelvis anterior-posterior. Physical conditions such as tube voltage and tube current used in MCNPX simulation were used in domestic conditions of the Korea Disease Control and Prevention Agency (KDCA). To evaluate domestic medical radiation exposure, we used the HDRK-Man computerized human phantom manufactured based on the international standard ICRP 103 that was applied to the MCNPX simulation. The phantom could represent the standard body shape of Koreans. As a results, the effective dose corresponding to the DRL based on adult males of head anterior-posterior position was 0.086 mSv, chest posterior-anterior position was 0.05 mSv, chest lateral was 0.354 mSv, abdomen anterior-posterior position was 0.548 mSv, and pelvis anterior-posterior position was 0.451 mSv.

본 연구에서는 국가에서 제공하는 일반엑스선검사의 진단참고수준 중 다빈도 검사에 대한 유효선량을 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 평가하고자 하였다. 일반엑스선검사의 진단참고수준에 대한 유효선량 평가는 가장 다빈도로 검사되는 두부 전후면(Anterior-Posterior; AP), 흉부 후전면(Posterior-Anterior; PA), 흉부 측면(Lateral; LAT), 복부 AP, 골반 AP 등 총 5개의 검사 부위로 선정하였다. 몬테카를로 시뮬레이션에 사용되는 관전압과 관전류 등의 물리적 조건은 국내 조건의 대표성을 나타내기 위해 질병관리청의 자료를 사용하였다. 국내 의료방사선 피폭량 평가를 위해 사용된 인체 전산 팬텀은 한국인의 표준 체형을 대표할 수 있고 국제규격의 ICRP 103 기반으로 제작된 HDRK-Man 전산 인체팬텀을 몬테카를로 시뮬레이션에 적용하였다. 그 결과, 성인 남성을 기준으로 두부 AP의 진단참고수준에 해당되는 유효선량은 0.086 mSv, 흉부 PA는 0.05 mSv, 흉부 LAT는 0.354 mSv, 복부 AP는 0.548 mSv, 골반 AP는 0.451 mSv로 평가되었다.

Ⅰ. INTRODUCTION

최근 의료방사선 검사빈도 증가는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적으로 증가추세를 보이고 있다. 의료 영역에서 방사선 검사가 빈번해지면서 방사선 피폭 선량의 증가와 함께 방사선 노출에 대한 위험과 부작용에 대한 일반인들의 관심과 우려가 함께 증가하고 있다^[1]. 최근 질병관리청에 따르면 전체 의료방사선 사용빈도는 2016년 3.12억 건에서 2019 년 3.74억 건으로 약 19.9% 증가하였고, 2019년 일 인당 유효선량은 약 2.42 mSv로 2016년 1.96 mSv 에 비해 약 23% 증가하였다^[2]. 검사종류별 일 인당 유효 선량은 전산화단층영상검사가 약 0.94 mSv (38.7%)로 가장 높았고, 다음으로 일반엑스선검사 0.69 mSv (28.6%), 중재적 시술 0.62 mSv (25.5%), 투시검사 0.061 mSv (2.5%), 혈관엑스선검사 0.059 mSv (2.4%), 유방엑스선검사 0.037 mSv (1.5%), 치과 촬영 0.014 mSv (0.6%) 순이었다. 또한 2008년 UN 방사선영향과학위원회(United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation; UNSCAER) 보고서에 따르면 1988년의 전 세계 진단용 의료방사선 검사 횟수는 17.4억 회에서 2008 년 36.6억 회로 약 2배 이상 증가하였다고 보고하고 있다^[3].

특히 국내 일반엑스선검사의 사용 빈도는 2019 년 약 2.68억 건으로 전체 사용 빈도 중 약 71.7%로 가장 높았으며, 2016년 2.25억 건과 비교해 약 19% 증가하였다. 일반엑스선검사의 1인당 연간 유효 선량은 2019년 기준 0.69 mSv로 2016년 0.57 mSv보다 약 21% 증가하였다^[2]. 또한 UNSCAER 2008 보고서에 따르면 1988년의 전 세계 진단용 의료방사선 검사 횟수는 17.4억 회에서 2008년 36.6억 회로 약 2배 이상 증가하였다고 보고하였다^[3].

의료피폭은 방사선안전보다는 진료가 우선이 되어 임상적 목적에 부합하는 행위라면 정당하기 때문에 환자에 대하여는 개인선량한도를 정하지 않는다^[4]. 그러나 의료방사선 사용 빈도 및 선량이 지속적으로 증가하고 있기 때문에 세계보건기구 (World Health Organization; WHO) 및 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency; IAEA)등 6개 국제기구가 공동으로 의료피폭 저감화를 위하여 일반엑스선 검사 시 환자가 받는 선량의 지도 수준 (Guidance level)을 마련하였다. 이 기구들은 1996년에 Basic Safety Standards (BSS) No. 115를 권고하였다. 2008년에는 ICRP publication 103을 마련하여 의료방사선에 의한 환자방어의 최적화를 위해서 환자 선량의 진단참고수준(Diagnostic Reference Level; DRL)을 각 국가가 자국 실정에 맞게 운영하도록 권고하고 있다^{[5, 6]}.

국내 식품의약품안전처(식약처)에서는 일반엑스선 검사에 대해 2007년부터 권고해왔으며 최근에는 질병 관리청에서 진단참고수준을 마련하여 의료기관에 권고하고 있다. 하지만 진단참고수준의 단위는 흡수선량으로 인체 피폭에 대한 평가가 가능한 유효 선량이 아니다. 따라서 본 연구에서는 국가에서 제공하는 주요 일반엑스선검사 진단 참고 수준의 물리적 방사선량을 몬테카를로 시뮬레이션 툴 (Monte Carlo N-Particle eXtended 2.7.0; MCNPX, Los Alamos National Laboratory, USA)과 한국인의 표준 전산 인체팬텀을 이용하여 유효선량으로 평가하고자 하였다.

Ⅱ. MATERIALS AND METHODS

1. 일반엑스선검사의 진단참고수준 평가 대상 및 엑스선 조사조건 선정

일반엑스선검사의 진단참고수준에 대한 유효 선량평가 검사 부위는 가장 다빈도로 검사되는 대표 부위로 두부 전후면(Anterior-Posterior; AP), 흉부 후전면 (Posterior-Anterior; PA), 흉부 측면(Lateral; LAT), 복부 AP, 골반 AP 등 총 5개의 검사 부위로 선정하였고, 몬테카를로 시뮬레이션에 사용되는 관전압과 관전류는 2019년 질병관리청의 진단참고수준 가이드라인의 3사분위 값을 사용하였다^[7]. 엑스선 조사 거리 및 조사야는 2014년 식약처의 표준촬영 프로토콜 가이드라인의 조건을 사용하였다^[8].

2. 엑스선 스펙트럼 및 일반엑스선검사 장치 모사

일반엑스선검사 장치의 엑스선 스펙트럼 데이터는 Fig. 1과 같이 SRS 78 (The Institute of Physics and Engineering in Medicine; IPEM, United Kingdom)에서 제공하는 엑스선 스펙트럼 계산 프로그램을 사용하였다^[9].

Fig. 1. IPEM SRS 78 program calculating X-ray spectrum.

Fig. 2와 같이 MCNPX 시뮬레이션 프로그램에 엑스 선원을 점선원으로 모사하였다. 점선원은 등방성으로 방사선이 방출되기 때문에 벡터를 테이블 방향으로 설정하고 영상 크기에 맞게 방사각(Cos θ) 을 조절하여 불필요한 광자의 손실을 줄이고 광자의 수송 효율을 높였다. 다시 원뿔형(Cone beam)으로 조정된 엑스선을 실제의 사각뿔형태로 방사되도록 ARB 카드로 조사야를 설정하여 사각뿔을 재현하였으며, 각각의 검사별 영상 크기에 맞춰 조사야 크기를 조정하였다. 선원-영상 거리는 각 엑스선 조사조건과 동일한 조건으로 구성하고 테이블 표면에서 28 cm 되는 지점(전산 인체팬텀 박스 의표면)에 선량계를 모사하고 *F6 tally를 지정하였다.

Fig. 2. Geometry of X-ray generator simulated by MCNPX.

측정된 Tally 값의 단위는 Jerk/g (10⁹ J/g) 이며 광자 한 개당 단위질량 당 흡수된 에너지를 나타낸다. 다시 이 값은 같은 엑스선 조사조건에서 측정된 에어 커마 값을 시뮬레이션으로 산출된 값으로 나눠 주게 되면 목표물로 조사된 정규화 된 광자의 개수(Normalized Factor; NF)를 Eq. 1을 통하여 구할 수 있다. 여기서 Kair-M은 각 엑스선 조사조건에 따라 측정된 팬텀 표면 위치에서의 공기 커마 값이며, Kair-S는 MCNPX로 모사한 팬텀표면 위치에서의 공기 커마 값이다. 해당값은 실제 시뮬레이션 된 광자 하나당 확률값에 대한 양적개념이 들어간 실 측정값의 비이다. 최종적으로 시뮬레이션으로 나온 장기별 흡수선량 값에 각 장기별 ICRP 103의 조직가중계수값을 적용하여 유효선량을 산출하였다.

\(N F=\frac{K_{\text {air }-M}}{K_{\text {air }-S}}\)       (1)

3. 전산 인체 모의체(Phantom) 선정

국내 의료방사선 피폭량 평가를 위해 MCNPX 시뮬레이션에 사용되는 전산 인체 모의체(Phantom)의신체 크기, 인체 장기 및 조직 정보 등이 한국인을 대표할 수 있어야 하며 장기의 구조 및 형상을 뚜렷하게 구별할 수 있고 국제규격의 ICRP 103 기반으로 제작되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 한국성인 남, 여를 대표할 수 있고 MCNPX 모사에 적용 가능한 Fig. 3과 같이 HDRK-Man^[10] 전산 인체 팬텀을 MCNPX 시뮬레이션에 적용하였다.

Fig. 3. 3D whole-body frontal view with semitransparent skin (left) and major organs and tissues (right) of HDRK-Man (Kim et al, 2008).

Ⅲ. RESULTS

국내 일반엑스선검사의 진단참고수준 중 성인의 흉부 검사 및 복부 검사 등 5개 검사에 대한 유효 선량을 MCNPX 시뮬레이션 툴과 HDRK 한국형 전산 팬텀을 이용하여 Table 1과 같이 평가하였다. 그 결과, 두부 AP의 유효선량은 0.086 mSv, 흉부 PA는 0.05 mSv, 흉부 LAT은 0.354 mSv, 복부 AP는 0.548 mSv, 골반 AP는 0.451 mSv로 평가되었다.

Table 1. Summary of mean effective dose of general radiography calculated in this study

각 부위별로 평가된 장기선량에 ICRP 103의 조직 가중계수를 적용하여 유효선량은 산출하였다.

Table 2에서 두부 AP 검사에 따른 장기선량은 뇌 (1.11 mGy), 침샘 (1.07 mGy), 뼈 (0.45 mGy), 구강 점막 (0.37 mGy) 등 순이었다.

Table 2. Organ dose and effective dose of head AP projection

Table 3에서 흉부 PA 검사에 따른 장기선량은 폐 (0.12 mGy), 식도 (0.09 mGy), 림프절 (0.08 mGy), 심장 (0.07 mGy) 등 순이었다.

Table 3. Organ dose and effective dose of chest AP projection

Table 4에서 흉부 LAT 검사에 따른 장기 선량 은폐 (0.88 mGy), 갑상선 (0.74 mGy), 유방 (0.7 mGy), 심장 (0.66 mGy) 등 순이었다.

Table 4. Organ dose and effective dose of chest LAT projection

Table 5에서 복부 AP 검사에 따른 장기선량은 소장 (1.56 mGy), 위 (1.56 mGy), 담낭 (1.49 mGy), 췌장 (1.26 mGy) 등 순이었다.

Table 5. Organ dose and effective dose of abdomen AP projection.

Table 6에서 복부 AP 검사에 따른 장기선량은 소장 (1.85 mGy), 방광 (1.80 mGy), 생식선 (1.58 mGy), 대장 (1.41 mGy) 등 순이었다.

Table 6. Organ dose and effective dose of pelvis AP projection

Ⅳ. DISCUSSIONS

본 연구에서는 국가에서 권고하는 진단참고 수준의 물리량을 유효선량으로 평가하기 위해 MCNPX 시뮬레이션과 한국인의 전산팬텀, 그리고 국가기관에서 제공하는 엑스선 조사조건을 이용하여 연구 결과의 신뢰성을 높이고자 하였다. 다만 해당 평가에서 사용된 검사조건은 2019년 질병 관리청에서 진단참고 수준을 마련하기 위해 조사된 의료기관의 자료로서 국내 모든 의료기관에서 사용하는 검사조건을 대표할 수 없으며, MCNPX 시뮬레이션 툴과 전산팬텀, 그리고 연구자의 모사방법에 따라 달라질 수 있다.

또한 의료피폭은 선량한도를 적용받지 않는 정당한 방사선 사용이고 검사 시에 참고로만 사용되는 권고 수치이기에 진단참고수준을 유효 선량으로 평가하는 것이 적절하지 않을 수 있다. 하지만 임상에서 사용자나 환자들이 진단참고수준의 양이 각 검사마다 단위도 다르고 물리량으로 제시되기에 피폭의 정도를 가늠하기 어려움이 있기에 일반적으로 잘 알려진 유효선량으로 평가하는 방법론을 본 연구를 통해 제시하고 검사에 따른 장기별 피폭량을 객관적 지표를 통해 평가해보고자 했다.

최종 연구 결과에서는 두부 AP와 흉부 LAT의 입사 표면 선량은 각각 2.85 mGy, 1.26 mGy로, 두부 AP가 2배 이상 높았지만, 이를 유효선량으로 평가한 결과 각각 0.086 mSv, 0.354 mSv로 흉부 LAT이 4배 이상 높았다. 이는 두부 AP는 두개골을 투과하기 위해 높은 조건이 적용되지만 검사범위에 직접적으로 조사되는 장기 중 폐나 대장 등의 조직 가중계수가 높은 장기가 없었기 때문으로 판단된다. 또한 검사별 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 나타내는 Error 값은 nps를 10⁹ 이상으로 적용하였기에 모두 3% 미만으로 나왔고, 이는 통상적으로 결과값에신뢰가 있다고 할 수 있다. 이중 두부 AP의 유효 선량이 다른 검사보다 높은 것은 상대적으로 인체의 상단 부분에 집중된 촬영이기에 장기가 다수 분포된 복부 등 하부의 장기에 광자가 도달되는 수가 적기 때문으로 판단된다.

Ⅴ. CONCLUSIONS

최근 국내 권고되는 진단참고수준 중 다빈도 5개 부위의 일반엑스선검사에 대한 유효선량을 한국인의 전산팬텀과 MCNPX 시뮬레이션 툴로 평가한 결과, 두부 AP의 유효선량은 0.086 mSv, 흉부 PA는 0.05 mSv, 흉부 LAT는 0.354 mSv, 복부 AP는 0.548 mSv, 골반 AP는 0.451 mSv로 평가되었다. 두부 AP 검사의 장기선량은 뇌조직이 가장 높았고 유효 선량 기여도는 적골수가 가장 높았다. 흉부 PA와 LAT의 장기선량과 유효선량 기여도는 폐가 가장 높았다. 복부 AP와 골반 AP의 장기선량은 두 검사 모두 소장이 가장 높았고, 유효선량 기여도는 각각 위와 대장이 가장 높았다.

본 연구를 통해 의료기관에 권고되는 물리량의 진단 참고 수준을 방호량인 유효선량으로 평가하여 임상 종사자나 환자가 주요 일반엑스선검사에 따른 피폭방사선량을 참고하고 방사선피폭을 최소화하는데 도움이 되고자 하였다. 향후 연구에서는 일반엑스선 검사 이외의 검사에 대한 유효선량 평가와 다양한 연령 별 평가에 관한 연구도 필요할 것으로 판단된다.