Evaluation of Detection Performance of TlBr Materials for the Development of Electron Beam Quality Assurance Dosimeters

전자선 Quality Assurance 선량계 개발을 위한 TlBr 물질의 검출성능 평가

Abstract

Electron beam quality assurance (QA) should be done regularly for accurate radiation therapy. However, QA tools used in clinical practice are designed mainly for X-rays. So, a dosimeter for electron beam QA is required. Therefore, in this study, the electron beam detection performance was measured by using a thorium bromide material as an electron beam sensor. In addition, it was evaluated whether it could be applied with an electron beam QA dosimeter. Reproducibility, linearity, and dose rate dependence were evaluated at 6 MeV and 9 MeV energies. As a result of reproducibility, it showed a maximum output change of 0.92% at 6 MeV and 1.15% at 9 MeV. The linearity result evaluation and determination coefficient were presented as 0.9998. As a result of dose rate dependence evaluation, relative standard deviation 0.51% at 6 MeV and relative standard deviation 1.07% at 9 MeV were presented. The manufactured TlBr sensor shows the ability to detect radiation that meets the criteria for evaluation of reproducibility, linearity, and dose rate dependence. These results mean that the TlBr dosimeter is applicable as an electron beam QA dosimeter.

전자선의 정도관리(quality assurance, QA)는 정확한 방사선 치료를 위해 정기적으로 이루어져야한다. 하지만 임상에서 사용되는 QA도구는 X선 위주로 설계되어 있어서 전자선 전용의 QA 선량계가 요구된다. 이에 본 연구에서는 방사선 검출 효율이 뛰어난 브롬화탐륨 물질을 전자선 센서로 활용하여 전자선 검출성능을 측정하고 전자선 전용의 QA 선량계로 적용가능할지를 평가하였다. 평가항목은 재현성, 선형성, 선량률 의존성이며, 선형가속기의 6 MeV, 9 MeV 에너지에서 평가하였다. 재현성 결과, 6 MeV에서는 최대 0.92%, 9 MeV에서는 최대 1.15%의 출력변화를 보여주었다. 선형성 결과평가, 결정계수 R²이 0.9998로 제시되었다. 선량률 의존성 평가 결과, 6 MeV에서는 상대표준편차 0.51%, 9 MeV에서는 상대표준편차 1.07%의 선량률 의존성이 제시되었다. 본 연구에서 제작한 TlBr 센서는 재현성, 선형성, 선량률 의존성의 모든 평가기준을 만족하는 검출성능을 보여준다. 이러한 결과들은 TlBr 선량계가 전자선 전용 QA 선량계로 적용 가능한 것을 의미한다.

Ⅰ. INTRODUCTION

의료용 선형가속기는 X선과 전자선을 조사하여 환자를 치료하는데 사용된다. 이중 전자선은 짧은 비정으로 인하여 인체에 조사되는 대부분의 에너지를 피부표면에 전달하게 된다. 방사선 치료 영역에서는 이러한 성질을 이용하여 피부암, 유방암, 두경부암 등과 같은 표재성 종양에 전자선을 조사하면서도 내부에 있는 정상 장기에는 피해를 최소화하는 치료방법을 사용하고 있다^[1].

이러한 전자선 치료는 방사선을 이용하는 만큼 정확한 선량 전달을 통한 치료의 안정성이 필요하기 때문에 지속적인 정도 관리(Quality Assurance; QA)가 요구된다. 임상에서는 3D 물 팬텀, 평행판이온함(plane parallel ionization chamber), 다이오드 (diode), 2D 어레이 검출기(2D array detector), 갭크롬필름(gafchromic film)등의 다양한 도구가 전자선 QA를 위하여 선량 측정에 사용되고 있다.

하지만 현재 상용화된 전자선 QA 선량계는 각각의 취약점이 존재하기에 효율적인 전자선 QA를 수행하기에는 부족하다고 보고되었다^[2]. 3D 물 팬텀의 경우에는 연간 QA와 월간 QA에 사용되고 있으나, 그 부피가 매우 크기 때문에 월간 QA로 자주 사용하기에는 번거롭고 비실용적이다^[2-4]. 또 다른 QA 도구인 평행판이온함의 경우에는 전자선의 출력을 측정할 수 있지만 이온화된 전하를 선량으로 바꾸는 데에는 복잡한 변환이 필요하며, 다이오드는 기계적 취약성과 고에너지 방사선으로 인한 손상으로 성능변화가 발생할 수 있다^[2-6]. 2D 어레이검출기의 경우에는 깊이선량분포를 확인할 수 없으며, 갭크롬필름에서는 각각의 전자선에 대하여 필름을 교체하여야 한다는 문제점이 존재한다^[2-6].

한편, 브롬화탈륨(Thallium bromide, TlBr)은 높은 유효원자번호(Z_eff = 58)와 밀도(7.56 g/cm³)로 방사선에 대한 높은 흡수효율과 열적 누설전류를 감소 시키기에 충분히 넓은 밴드 갭(2.68 eV)을 가지고 있는 물질이다^[7]. 그러면서도 다른 광도전체에 비하여 단가가 저렴하다는 다양한 장점을 가지고 있기 때문에 방사선에 대한 반응특성 연구가 활발히 진행되고 있는 물질이다^[8].

본 연구는 효율적이면서도 간편하게 전자선 QA가 가능한 선량계를 개발하기 위한 선행 연구로써 방사선 검출효율이 뛰어난 TlBr을 입자침전법을 통한 상대선량계로 제작하고 전자선에 대한 전기적 특성을 분석하여 전자선 전용 QA 선량계로 적용할 수 있는 물질인지를 평가하고자 하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

본 연구에서는 TlBr(Kojundo chemical laboratory Inc., Japan)물질에 입자침전법을 적용하여 센서를 제작하였다. 입자 침전법은 바인더를 사용한 센서 제작 방법으로 기능성 물질 제작과 대면적 제작이 용이하면서도 제작 단가가 낮은 장점을 가지고 있다. 그리고 제작된 센서는 재현성, 선형성, 선량률 의존성에 따라 전자선 검출성능을 평가하였다.

1. Fabrication sensor

하부전극은 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 유리를 사용하였으며, 이물질 제거를 위해 30분간 초음파 세척을 수행하였다. 이후 방사선 흡수층을 제작하기 위하여 99.99% 순도를 가지는 TlBr 분말과 폴리비닐부테랄(Polyvinylbutyral, PVB) 바인더를 사용하여 4:1 비율로 혼합하였다. 혼합 시에는 3단 롤밀을 10회 이상 사용하여 TlBr 분말과 바인더가 고루 혼합될 수 있도록 하였다. 그리고 혼합된 물질은 1 × 1 cm² 면적에 250 μm 깊이를 가진틀에 도포하고 70℃에서 8시간 동안 건조하였다. 이때 전하를 수집하기 위한 상부 전극은 순도 99.999%인 금(Au, Sigma Aldrich Inc. U.S.A.)을 물리기상 증착(physical vapor deposition) 방법을 사용하여 0.8 × 0.8 cm²에 면적으로 형성하였다. Fig. 1.은 센서 제작 방법을 나타내고 있다.

Fig. 1. Fabrication sensor flowchart.

2. Experimental Set-up

센서의 전자선 검출성능을 테스트하기 위하여 LINAC(Vital Beam, Varian, USA)장치를 사용하여 방사선치료영역에서 주로 사용되는 6 MeV와 9 MeV에서의 반응 신호값을 측정하였다. 선량 증가 영역 (build-up)은 물 등가물질인 판상 팬텀(slab phantom, PTW, RW3, Germany)을 사용하여 6 MeV에서는 1.3 cm, 9 MeV에서는 2.0 cm로 설정하였으며, 선원-표면간 거리는 100 cm로 설정하였다. 방사선이 조사되었을 때, 방사선 흡수층에서 생성되는 전하량을 수집하기 위하여 일렉트로미터(Keithley, 6517A, USA)로 1 V/μm의 vias voltage를 인가하고 오실로스코프 (WaveSurfer 510, Teledyne LeCroy, USA)로 신호를 수집하였다. 수집된 전하량은 ACQ 프로그램(Biopac, Acq knowledge 4.2, CANADA)을 사용하여 조사시간 동안의 누적된 전하량을 측정하였다. Fig. 2.는 실험측정 방식을 나타낸 모식도이다.

Fig. 2. The schematic diagram of measurement setup.

3. Dosimeter Parameter Evaluation

출력 신호의 안정성을 평가하기 위하여 400 MU/min 선량률에 100 MU 선량으로 10번 조사하였을 때의 측정되는 신호값들을 분석하여 재현성을 평가하였다. 이때, 신호의 변동 정도를 분석하기 위하여 평균값을 기준으로 백분율에 맞추어서 신호를 정규화하였다. 전자선 출력 변동의 평가기준은 미국의학물리학회 Task group 142(TG-142) 리포트의 연간 QA 기준을 준용하여 ± 2% 이하를 기준으로 하였다^[9].

선형성은 결정계수(Coefficient of Determination, R²)로 신호가 분석되는 선형회귀분석으로 평가하였다^[8]. 이때, 실험조건은 400 MU/min 선량률에서 선량을 3, 10, 50, 100, 300, 500, 1000 MU으로 점차 증가시켜갔다^[8].

선량률 의존성은 200, 400, 600 MU/min의 각각의 선량률에서 3, 10, 50, 100, 200, 300, 500, 1000 MU 선량을 증가시켜가며 조사하였을 때의 신호를 측정하여 분석하였다. 이때 측정된 신호들을 200 MU에서 정규화하고 100 MU에서의 신호들 간에 변동을 상대 표준 편차(relative standard deviation, RSD)로 나타내어 분석하였다^[8].

Ⅲ. RESULT

1. 재현성

본 연구는 TlBr 센서의 전자선 검출성능을 평가하여 TlBr 물질의 전자선 QA 선량계 적용할 수 있는지를 확인하고자 하였다. Fig. 3은 센서의 재현성 결과를 보여준다. 재현성 측정 결과 6 MeV에서 최대 0.92%의 변화를 보였으며, 9 MeV에서 최대 1.15%의 변화를 보였다.

Fig. 3. Reproducibility of sensor at 6 MeV and 9 MeV.

2. 선형성

TlBr 센서에 조사된 조사선량에 따른 신호 반응성을 확인하기 위하여 선형성을 평가하였다. Fig. 4는 조사선량에 따른 TlBr 센서의 신호 반응성과 선형성 결과를 보여준다.

Fig. 4. Linearity of sensor 6 MeV and 9 MeV.

선형성 평가 결과 6 MeV와 9 MeV에서 모든 센서는 0.9998의 R² 이 제시되었다

3. 선량률 의존성

TlBr 센서에 대한 선량률 의존성을 평가하기 위하여 선량률에 따른 선형성을 평가하였다. Fig. 5은 각 선량률에서 점차적으로 증가하는 선량에 대한 센서의 반응 특성과 그에 따른 선량률 의존성을 보여준다.

Fig. 5. Linearity according to dose-rate at 6 MeV and 9 MeV.

100 MU를 기준으로 한 선량률 의존성 평가 결과 6 MeV에서는 0.86%, 9 MeV에서는 0.74%의 상대표준편차를 제시하였다

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서는 입자침천법 방식으로 제작된 TlBr 센서의 전자선 QA 선량계 적용 가능성을 제시하기 위하여 재현성과 선형성, 선량률 의존성을 평가하였다.

재현성 결과는 6 MeV에서는 최대 0.92%, 9 MeV에서는 최대 1.15%의 변화 정도를 나타내었다. TG 142에 따르면 전자선 출력에 관한 변동을 최대 ± 2% 이내로 권고하고 있다. 하드웨어적인 연결에서 발생하는 Noise로 인하여 7 ~ 10 번 신호에서 출력변화가 발생하였지만, 출력되는 신호 모두 ± 2% 이내의 변화만을 보여준다. 이러한 결과는 TlBr 물질이 안정적인 전자선 검출이 가능한 것을 나타내며, 제작된 센서가 전자선 QA 선량계로 사용하기에 적합한 정밀성을 가진 것을 나타낸다^[9].

선형성 평가 결과, 결정계수 R²이 0.9998로 나타났다. 선형회귀분석은 결정계수가 1에 가까울수록 설정된 독립변수와 종속변수가 비례함을 나타낸다. ‘Katsunori Yogo’ 등의 연구에서는 선형성 평가 기준을 0.99 < R²으로 제시하였다. TlBr 센서는 그보다 더 높은 0.9998의 R²으로 선형적인 전자선 검출이 가능함을 나타낸다^[2]. 이는 TlBr을 사용한 센서가 QA 선량계로 사용하기에 적합한 정확성을 가진 것을 나타낸다.

선량률 의존성 평가 결과, 6 MeV에서는 0.51%, 9 MeV에서는 1.07%의 상대표준편차가 제시되었다. ‘Oh K’등의 연구에 따르면 동일 조건에서 X선에 대한 diode의 성능은 약 1.1%의 상대표준편차를 가진 것으로 보고되었다. TlBr 센서는 그보다 낮은 상대표준편차를 나타내어 전자선을 검출하기에 적합한 선량률 의존성을 보여준다^[7].

본 연구에서 평가한 TlBr 센서는 안정적인 전자선 검출성능을 보여준다. 하지만 본 연구에서는 제작된 센서의 특성상 물 팬텀이 아닌 솔리드 팬텀을 활용하였기에 갭의 공기에 대한 영향이 고려되지 않은 한계가 존재한다. 이에 대한 영향을 고려하여 추가적으로 TlBr 물질에 대한 에너지 의존성, 깊이 선량분포, 빔 프로파일 분석 등의 평가가 이루어진다면, TlBr 물질을 사용한 QA용 전자선 선량계 제작이 가능할 것으로 판단된다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 TlBr 물질의 전자선 검출성능을 평가하여, 전자선용 QA 선량계로 적용할 수 있는 물질인지를 평가하였다. 평가결과, 입자침전법으로 제작된 TlBr 물질은 ± 2% 이내의 출력 재현성, R² 0.99 이상의 선형성, 상대표준편차 1.1% 이내의 선량률 의존성으로 전자선용 QA선량계로 적용하기에 적합한 전자선 검출성능을 가진 것으로 평가되었다.