Effect of Passive Layer to Improve Performance of Digital Dosimeter in Brachytherapy

방사선 근접치료 디지털 선량계의 성능 개선을 위한 Passive Layer의 효과

Abstract

In radiation brachytherapy, the wrong source location may cause excessive dose to normal tissue. Therefore, research on digital dosimeters is being made to replace the analog detection method. Therefore, in this study, a lead (II) oxide (PbO) dosimeter applied with a passive layer (PL) was fabricated as a basic study to improve the dosimeter performance. Afterwards, reproducibility, linearity, and distance dependence were evaluated to analyze the performance of the Ir-192 source under irradiation conditions. The reproducibility of the PL-PbO dosimeter was 0.40%, which satisfies the evaluation criteria of 1.5%, and showed improved results compared to the PbO dosimeter. Linear function R2 showed excellent results as 0.9995, and slope analysis through regression analysis of the linear function was excellent in PL-PbO. The distance dependence of the PL-PbO dosimeter was +0.599 higher than that of PbO when the slope obtained through regression analysis of the power function was compared with the inverse square value. This study presents the effects and measurement variables according to the measurement configuration of the solid-state dosimeter, and can be used in various radiation detection fields.

방사선 근접치료에서 잘못된 선원의 위치는 정상조직에 과도한 선량을 유발할 수 있다. 그러므로 아날로그 검출방식을 대체하기 위해 디지털 선량계에 대한 연구가 이루어지고 있다. 이에 본 연구는 선량계 성능 개선을 위한 기초연구로써 passive layer (PL)를 적용한 lead (II) oxide (PbO) 선량계를 제작하였다. 이후 Ir-192 선원의 조사조건에 대한 성능을 분석하기 위해 재현성, 선형성, 거리의존성을 평가하였다. 재현성은 PL-PbO 선량계에서 상대표준편차가 0.40%로 평가 기준 1.5% 이내를 만족하였고, PbO 선량계보다 개선된 결과를 보였다. 선형성은 선형함수 R²이 0.9995로 우수한 결과를 보였고, 선형함수의 회귀분석을 통한 기울기 분석은 PL-PbO에서 우수하였다. 거리 의존성은 거듭제곱함수의 회귀분석을 통해 얻은 기울기를 inverse square value와 비교하였을 때, PL-PbO 선량계는 PbO에 비해 +0.599 높게 나타났다. 본 연구는 고체선량계의 계측 구성에 따른 효과와 측정 변수를 제시하고 있고, 다양한 방사선 검출 분야에서 활용될 수 있다.

Ⅰ. INTRODUCTION

고선량률 (High dose rate; HDR) 근접 방사선 치료에서 잘못된 선원의 위치는 정상조직에 과도한 선량을 유발하기 때문에 선원 위치와 체류시간 검증은 정도관리 항목 중 필수적이다^{[1, 2]}. 현재 선원위치 정확성 평가는 가늠자, 필름 등을 조합하여 수행하지만, 점검자의 육안으로 결정하기 때문에 정확성이 떨어지며 정량적인 오차를 제시할 수 없다^[3-5].

그러므로 정량적인 오차를 제시할 수 있는 디지털 정도관리(quality assurance; QA) 시스템이 필요하다.

방사선 검출기 분야는 방사선 손상을 야기하는 실리콘 다이오드를 대체하기 위해^{[6, 7]}, CdZnTe, CZT, HgI₂, TlBr, HgO, PbO 등 다양한 후보물질에 대한 연구가 이루어져 왔다^{[8, 9]}.

Lead (Ⅱ) oxide (PbO)는 높은 유효원자번호 (Zeff = (82+8)/2 = 45)와 밀도 (ρ = 9.53 g/cm³)를 가지며, 밴드갭 에너지가 2.68 eV로 방사선에 대한 흡수효율이 높은 물리적 특성을 가진다^{[10, 11]}. 이에 방사선 근접 치료의 디지털 QA 선량계로 적용하기 위해 PbO 물질에 대한 평가가 이루어졌다^[8].

한편 parylene C-type을 사용한 passive layer (PL) 는 leakage current와 물질 산화에 대한 문제점을 낮출 수 있어 다양한 물질에 적용되어 평가되었다^[12]. 본 연구는 HDR iridium (Ir-192) 선원에 대해 PL의 효과를 제시하기 위해 PbO와 PL-PbO 선량계를 제작하였다.

본 연구에서는 대면적 증착에 용이한 입자침전법 증착 방식을 이용하였다^[8]. 본 연구는 기존 아날로그 정도관리 기술을 개선시키기 위한 line 선량계의 선행연구로써, PL이 적용된 PbO 선량계의 기초성능을 평가하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. Fabrication of PbO dosimeter

본 연구에서는 PL-PbO 선량계의 성능 평가를 위해 unit cell 선량계를 제작하였다. Fig. 1은 unit cell 선량계의 제작 모식도를 보여준다.

Fig. 1. Fabrication Schematic Diagram of Unit Cell Dosimeter.

제작에 사용된 원료는 순도 99.999%의 PbO (Kojundo Chemical Laboratory Inc., Japan) 물질을 사용하였고, PIB 증착을 위한 바인더 용액은 폴리머 바인더 (polyvinyl butyral, PVB)를 사용하였다.

Unit cell 선량계의 하부전극층은 indium tin oxide (ITO) glass를 활용하였으며 이물질 제거를 위해 30 분간 초음파 공정을 수행하였다. 광도전체층 제작은 three roll mil 공정을 통해 물질과 바인더를 3:1 비율로 혼합하였다. 이후 1 cm ⅹ 1 cm 크기와 150 μm 두께로 형성된 틀에 screen printing 증착 방법으로 물질을 도포하였다. 표면 균일도는 ±5%를 만족하기 위해 30분간 석정반 상에 균일하게 유지하였고, 70 ℃에서 8시간 동안 오븐 공정을 수행하였다.

이후 PL 형성은 parylene coater (OBT-PC850)를 사용하여 화학기상증착법 (Chemical vapor deposition; CVD)으로 15 μm의 두께의 parylene C-type 층을 형성하였다.

상부전극은 순도 99.999% 금 (Au wire, Sigma Aldrich Inc., U.S.A.)을 사용하였으며, 물리기상증착법 (Physical vapor deposition; PVD)으로 0.8 cm ⅹ 0.8 cm 크기로 증착하였다. 이후 형성된 상부 전극의 wire는 은 (Ag paste)을 사용하였다.

2. Measurement setup

본 연구에서는 HDR 근접치료 장비 (Nucletron microSelectron, Sweden)를 사용하였으며, 치료계획시스템 (PLATO 14.26, Sweden)을 사용하여 이리듐 (Iridium; Ir-192) 선원의 조사조건을 설정하였다. Fig. 2는 측정 설정의 모식도를 보여준다.

Fig. 2. Measurement Setup Schematic Diagram of Unit Cell Dosimeter.

제작된 선량계는 일렉트로미터 (Keithley, 6517A, U.S.A.)를 사용하여 1 V/μm 전압을 인가하였다. 이후 오실로스코프 (LeCroy 62Xi, U.S.A.)를 사용하여 방사선 신호의 파형을 획득하였으며, ACQ 소프트웨어 (Biopac, Acqknowledge 4.2, Canada)를 사용하여 획득된 파형의 전하량을 산출하였다. Table 1은 측정 시 설정된 조사조건을 보여준다.

Table 1 Measurement Condition

3. Evaluation

본 연구에서는 PL-PbO 선량계의 성능을 평가하기 위해 재현성, 선형성, 거리의존성을 측정하고 이를 PbO 선량계와 비교하였다.

재현성 평가의 경우 1 Gy 선량을 10회 반복 조사하였고, 첫 번째 조사에서 얻은 신호를 기준으로 정규화 하였다. 평가기준은 IAEA Technical Report Series No. 398 (TRS 398)에서 권고하고 있는 95% 신뢰구간에서 표준편차 1.5% 이내를 기준으로 평가하였다^[13-15].

본 연구에서는 상대표준편차 (Relative Standard Deviation; RSD)를 산출하였으며, 사용된 Eq. (1) 은다음과 같다.

\(R S D(\%)=\left[\left\{\sum\left(X_{i}-X_{a v e}\right)^{2} / n\right\}^{0.5} / X_{a v c}\right] \times 100\)       (1)

여기서 Xi는 측정값, Xave는 산술 평균값, n은 측정 횟수를 나타낸다.

선형성 평가의 경우, 선량을 0.1 ~ 10 Gy로 점차적으로 증가시켜 조사하였고, 1 Gy를 기준으로 정규화 하였다. 이후 선형회귀분석 결과로부터 나타나는 결정계수 (R²)를 비교하였고, 평가 기준은 0.9990 이상으로 설정하였다. 이러한 선형함수는 다음과 같은 Eq. (2)을 가진다.

Q = aD + b       (2)

이는 단위 선량 (D) 당 생성되는 전하량 (Q) 의크기를 가진다. 이에 본 연구에서는 선형함수의 기울기 (a)를 통해 민감도를 비교하였다.

거리의존성 평가의 경우, 선원표면간거리 (source to surface distance; SSD)를 1 ~ 12 cm까지 0.25 cm 단위로 증가시켜 1 Gy 선량을 조사하였다. 측정 결과는 최소거리 1 cm을 기준으로 정규화하였다. 방사선원의 세기는 거리에 따라 거리역자승법에 비례하여 감소되는 경향을 보인다. 그러므로 Ir-192의 세기는 다음과 Eq. (3)을 가진다.

Q = 100d^a       (3)

이는 백분율 세기 100%를 기준으로 정규화된 세기 (Q)는 거리 (d)에 따라 거듭제곱함수의 기울기 (a)로 나타난다. 거리역자승 법칙에 따른 Ir-192 세기 변화의 이론적 수치는 a가 -2에 가까워야 한다 ^[16]. 그러므로 본 연구는 거듭제곱회귀분석 결과로써 a를 통해 경향성을 분석하고, R²를 제시하였다.

Ⅲ. RESULT

1. Reproducibility

본 연구는 PL-PbO 선량계의 구동 안정성을 제시하기 위해 재현성을 평가하였다. Fig. 3은 PL-PbO 와 PbO 선량계의 재현성 결과를 보여준다.

Fig. 3. Reproducibility of PL-PbO and PbO Dosimeter at Irradiation Ir-192 Source.

재현성 결과 RSD는 PL-PbO에서 0.40%, PbO에서 0.85%를 보임으로써 RSD 1.5% 이내를 모두 만족하였다. PL-PbO는 PbO에 비해 약 0.45% 낮은 RSD를 보였다.

2. Linearity

본 연구는 조사선량에 따른 정확성을 확인하기 위해 선형성을 평가하였다. Fig. 4는 점차적으로 높아지는 조사선량에 따른 선형성 결과를 보여준다.

Fig. 4. Linearity of PL-PbO and PbO Dosimeter at Irradiation Ir-192 Source.

선형성 결과 PL-PbO와 PbO는 R²이 0.9990 이상으로 우수한 성능을 보였다. 선형 함수 기울기 a를 통해 민감도를 비교하였을 때, PL-PbO에서 0.0108, PbO에서 0.0093으로 PL-PbO에서 높은 결과를 보였다.

3. Distance dependence

본 연구는 거리의존성을 평가하기 위해 SSD를점차적으로 증가시켜 조사하여 거리에 따른 반응 특성을 평가하였다. Fig. 5는 거리에 따른 반응 특성을 보여준다.

Fig. 5. Distance Dependence of PL-PbO and PbO Dosimeter Ir-192 Source.

거리 의존성 결과, inverse square value 5%를 기준으로 1 ~ 5 cm 거리에 대하여 회귀분석을 통해 a와 R²을 산출하였다. 그 결과 a는 PL-PbO에서 –1.599 와 PbO –1의 수치를 보였고, R²은 각 각 0.9855, 0.9995를 보였다.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구는 HDR 선원의 위치 정확성 평가를 위한 기초연구로써 PL을 적용한 PbO 선량계의 재현성, 선형성, 거리의존성을 평가하였다.

그 결과, 재현성은 평가 기준 1.5% 이내를 모두 만족하였고, PL-PbO 선량계에서 비교적 우수한 특성을 보였다. 이는 절연 기능을 가지는 PL로부터 전계가 안정화됨으로써 노설전류 또는 전하 트래핑에 대한 영향이 줄어든 것으로 사료된다.

선형성 평가결과는 두 선량계에서 R²이 0.9990 이상으로 평가 기준을 만족하였다. 단위 선량 당 계측되는 전하량의 선형 기울기로 비교한 민감도는 PL-PbO 선량계에서 높은 특성을 보였다. 이는 선량계의 계측범위에서 선량 변화에 따른 세기 분석이 우수하다는 것을 의미한다. 이에 추후 line 선량계에 PL이 적용된다면, 측정되는 선량의 세기 차이를 높일 수 있어, 보다 정밀한 분석이 가능할 것이다.

거리의존성 평가 결과는 Ir-192 선원이 가지는 거리 역 자승 세기 변화에 대한 이론적 수치와 비교해봤을 때, 유사한 경향을 보였다. 하지만 PL-PbO는 PbO 비해 거리에 따른 상대적 선량이 크게 작용하는 것으로 나타났다. 이는 보호층으로써 작용되는 PL과 물질간의 흡수선량 차이로 발생될 수 있고, 산란으로 인한 물질 내 검출기전의 변화 요인으로 예상할 수 있다. 본 결과는 어레이 선량계 적용 시교정시스템을 포함하는 소프트웨어 기술을 통해 해결할 수 있을 것으로 사료된다. 하지만 어레이 적용 시 위치 정확성을 위해 적절한 픽셀 크기가 고려되어야 할 것이다. 이러한 측정 결과는 profile 을 통해 선량계 검증에 이용될 수 있지만, PL이 형성된 선량계의 경우 다른 특성을 가질 수 있다.

본 연구는 TRS 398 보고서 권고되는 기준에 맞춰 PL-PbO와 PbO 선량계의 성능을 평가하였다^[15]. 또한 간단한 제조공정을 가지기 때문에 상업적으로 단가를 낮출 수 있는 장점을 가지기 때문에 임상 방사선치료의 선량계로써 높은 활용성을 가진다. 또한 PbO 산화물질의 보호층 효과로 aging에 따른 성능 평가가 이루어진다면 독성문제에 대한 개선 가능성도 제시될 수 있을 것이다.

하지만 이를 상업화하기 위해서는 빔의 종류와 다양한 에너지대역에서 고체 선량계가 가지는 에너지 의존성, 선량률 의존성, 또는 pixel resolution에 대한 평가가 이루어져야 할 것이다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구는 HDR 근접치료의 디지털 QA를 위한 line 선량계의 기초연구로써, PL층 형성을 통해 개선되는 unit cell 선량계의 성능을 제시하였다. 본 연구에서 제시하고 있는 PL은 선량계의 안정적 구동을 가능하게 하지만, 선량계 구성에서 계층 간 흡수 선량 변화가 발생되는 것으로 사료된다. 이는 추후 표준 고체 선량계 구성에 대한 변수 자료로 활용될 수 있다.