Research and Consideration of Eco-friendly Radiation Shielding using CT Contrast Agent

CT 조영제를 이용한 친환경적인 방사선 차폐에 관한 연구 및 고찰

Abstract

CT(Computed Tomography) contrast agents are commonly used in general hospitals and university hospitals when taking radiographic examinations. The CT contrast medium contains a mixture of a substance called "Iodine", which absorbs radiation energy and makes it appear white in the CT image, further improving the image quality. In addition, the CT contrast agent, which moves like blood in the blood vessels, clearly differentiates it from muscle and water, so CT contrast agents are widely used in hospitals. These CT contrast agents absorb X-rays, but in order to absorb X-rays, they must have a high density or a high radiation absorption coefficient. Since the CT contrast agent is injected into the blood vessels, if the density is high, the blood vessels are strained and the patient is in shock. For this reason, it is necessary to match the density similar to that of water and always pay attention to side effects. In addition, the amount of CT contrast medium is adjusted according to the patient's body shape, and the remaining contrast medium is discarded. However, This study tried to find out the idea of recycling it as a radiation shielding material. Since the CT contrast medium has a high radiation absorption coefficient at a density similar to that of water, the amount to absorb radiation is adjusted, the amount of contrast medium and the amount of water are adjusted, and the amount of radiation absorbed is determined by mixing with water. In addition, a study was conducted to find out the result of the difference in radiation absorption in various ways by comparing the radiation quality coefficient and absorption coefficient with other substances or materials in an environmentally friendly method harmless to the human body by mixing CT contrast medium and water.

방사선 촬영 조영제는 특수 조영을 필요로 하는 병원에서 인체 장기 및 특정한 부위 검사를 촬영할 때 흔히 쓰이고 있다. 특히 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography CT) 조영제는 요오드(Iodine)라는 물질이 혼합되어 있는데 이것이 방사선의 에너지를 흡수하면서 방사선 영상 이미지에서 하얀색으로 보이게 되어 영상의 화질을 더욱 개선시킨다. 또한, 혈관에서 혈액과 같이 움직이는 CT 조영제는 근육 및 물과 확연히 구분을 시켜주고 있어 조영제를 병원에서 많이 사용하고 있다. 이러한 조영제는 엑스레이를 흡수하지만, 엑스레이를 흡수하기 위해서는 밀도가 높거나 방사선 흡수계수가 높아야 한다. 조영제가 혈관에 투입되기 때문에 밀도가 높으면 혈관에 무리가 가서 환자는 쇼크 상태가 오기 때문에 물과 비슷한 밀도를 맞춰야 하고 부작용에 대해 항상 신경을 써야한다. 또한, CT 조영제의 양을 환자의 체형에 따라 조절하면서 쓰고 남은 조영제를 폐기하는데 이것을 방사선 차폐재로 재활용을 할 수 있는 아이디어를 알아보고자 하였다. 조영제와 물을 혼합하는 방법에는 조영제 10%와 물 90%, 조영제 30%와 물 70%, 조영제 50%와 물 50%으로 3가지로 혼합하였다. CT 촬영은 광주광역시 U병원에서 GE사 4채널 CT를 사용하였으며 조영제와 물을 혼합하여 듀란병에 저장하였으며, 물 90%와 조영제 10% 혼합 액체의 밀도가 1.4 g/mL 정도일 때의 물질을 찾아보면 MYLAR라는 물질과 비슷한 것을 확인하였고, 물 70%와 조영제 30% 혼합 액체의 밀도가 1.76 g/mL일 때는 Polyvinylidene과 비슷한 물질인 것을 알 수 있었으며, 물 50%와 조영제 50%일 때 혼합 액체의 밀도는 2.3 g/mL일 때는 콘크리트(concrete) 밀도와 비슷한 밀도를 구성하고 있음을 알 수 있었다. 본 실험의 결과를 통해서 물 50%와 조영제 50%를 혼합한 액체는 콘크리트 차폐와 비슷한 밀도를 가지고 방사선의 차폐가 가능하였다. 따라서 콘크리트 두께와 비교하여 조영제를 50% 이상 첨가한 두께를 이용한 차폐재를 만든다면 충분한 차폐재의 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

조영제(Contrast agent)는 영상진단 검사나 시술시 특정 조직이나 혈관이 잘 보일 수 있도록 인체에 투여하는 약물이다. 영상진단에 사용하는 조영제는 크게 3가지 정도로 나눌 수 있는데, 하나는 엑스선을 이용한 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography, CT)에 쓰이고 있다. 이 CT 촬영에 사용하는 조영제는 요오드화 조영제라고 하여 요오드(Iodine)가 포함되어 있다. 두 번째로는 위장을 보기 위한 바륨 조영제를 경구로 투입하여 영상을 진단하는 방법이다^[1]. 마지막 세번째 조영제는 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)에 사용하는 가돌리늄 조영제가 있다. 이러한 조영제 투여 시에는 반드시 환자의 과민반응과 신장 관련 부작용 등에 대해 주의를 꼭 하여야 한다. 이 연구에서 사용할 조영제는 CT 촬영에 쓰일 요오드화 조영제이다^[2]. 요오드화 조영제는 엑스선을 통과시키지 않고 엑스선을 흡수하는 요오드를 함유하고 있다. 질환 병변이 있는 조직과 정상 조직에 요오드가 분포되는 정도가 다르기 때문에 엑스선 촬영이나 엑스선을 사용한 CT 검사 등에서 엑스선 흡수 차이를 크게 나타나게 만들어서 조직이나 병변의 상태를 명확하게 대조시키고 있다^[3]. 조영제의 가격은 물과 비교하여 매우 고가로 조영제와 물을 일정하게 혼합하여 차폐의 성질을 알아보고자 하였고 100% 조영제를 사용하는 차폐재보다 효율적으로 물과 혼합하여 최대의 차폐 효과를 보고자 하였다. 물을 혼합하여 조영제의 양을 조절할 수 있으며, 물과 혼합한 조영제는 차폐재로 인체에 유해하지 않아 보통 엑스선을 차폐한 납(Pb)같이 유해한 물질이나 콘크리트와 같은 무겁고 두께가 두꺼운 물질을 대신하여 사용하고자 하였다^[4]. 물과 혼합한 조영제는 친환경적이라 할 수 있으며, 보통 일반 병원에서 환자에게 투여하고 남은 조영제를 모아서 사용할 수 있어 경제적으로도 효율적이라 할 수 있다. 물과 혼합한 조영제는 비율에 따라 어느 정도 세기에서 엑스선을 흡수할 수 있는지 알 수 있으며, 납이나 납유리처럼 무게의 차이가 나며 가격도 많은 차이가 날 수 있다. 이러한 X선의 대조도를 형성한 성질을 이용하여 콘크리트 밀도에 상응하는 요오드와 물의 혼합비율을 찾고자 하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. Experiment Material

Fig. 1은 일반 병원에서 CT 촬영 시 사용하는 아스헥솔주300(Ashexol inj. 300) 이라는 CT 조영제를 사용하였다. 이 조영제는 환자에게 투여하고 남은 조영제를 모아서 조영제 병에 보관하였으며, 일반적인 CT 조영제의 특징으로 끊는점과 어는점 등이 표시되어 있고 밀도는 물과 비슷한 1.078 g/mL로 구성되어 있다. Fig. 2는 3차 증류수와 조영제를 사용하여 실험을 하였으며, 조영제와 물을 혼합하는 방법에는 조영제 10%와 물 90%, 조영제 30%와 물 70%, 조영제 50%와 물 50%로 3가지로 혼합하였다. CT 촬영은 광주광역시 U병원에서 GE사 4채널 CT를 사용하였으며 조영제와 물을 혼합하여 일반 유리병보다 두꺼운 실험용 듀란병에 혼합하였다.

Fig. 1. CT contrast agents and characteristics.

Fig. 2. Proportions of three mixtures of contrast agent and water.

2. Experiment Method

실험은 Fig. 3과 같이 CT를 위한 환경을 설정 하였고 잘 구분하기 위하여 듀란병 위에 10원 크기 코인(물 70% + 조영제 30% 듀란병)과 50원 크기 코인(물 90% + 조영제 10%)을 올려놓았고 다른 하나인 물 50%와 조영제 50%에는 아무것도 올려놓지 않았다. Fig. 4는 CT 촬영의 Scout View로 (A)는 Top View, (B)는 Side View 이다. W는 물을 의미하고 C는 조영제를 의미하며 조영제와 물의 비율을 말하고 있다. 또한, Scout View 에서는 10원 크기와 50원 크기가 잘 보이는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3. Duran disease mixed with water and contrast agent and CT scan settings.

Fig. 4. CT Scout Images.

Ⅲ. RESULT

Fig. 5는 물 90%와 조영제 10%를 혼합하였을 때 CT 영상이며, 듀란병 중심부의 HU를 측정하였고, 따로 50원 크기 코인과 듀란병의 HU 값을 측정하였다. 각 HU 값들은 50원 크기 코인은 10207의 HU 값을 가졌으며, 듀란병은 1428의 HU를 가졌고, 물 90%와 조영제 10%를 혼합한 액체의 HU 값은 728이 나오는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. CT image of a liquid mixed with 90% water and 10% contrast agent.

Fig. 6은 물 70%와 조영제 30%를 혼합한 액체의 CT 영상이다. 이 듀란병 위에는 10원 크기 코인과 같이 HU 값을 측정하였다. 10원 크기 동전에는 6492의 HU 값을 가지고 있었다. 듀란병은 Fig. 5보다 높은 2070의 HU 값이 측정되었으며, 물 70%와 조영제 30%를 측정하였을 때 1233 HU 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6. CT image of a liquid mixed with 70% water and 30% contrast agent.

Fig. 7에서 물 50%와 조영제 50%일 때 HU 값을 측정한 CT 영상이다. 물 50%와 조영제 50%의 HU 값은 1933이며, 듀란병은 1739 HU 값을 나타내고 있다. 이 듀란병에는 코인을 올려놓지 않았다.

Fig. 7. CT image of a liquid mixed with 50% water and 50% contrast agent.

Fig. 8은 Fig. 5 - 7에서 HU 값을 5곳 지정하여 측정하였고, 이것을 평균으로 오차 범위를 계산하였다. 물 90%와 조영제 10%의 왼쪽 상위는 796 HU 값이 측정되었고, 오른쪽 상위는 787 HU 값이 측정되었으며, 중심부는 704의 HU 값이 측정되었다. 왼쪽 아래 지점은 824 HU 값이 측정되었고 오른쪽 아래 지점은 787 HU 값이 측정되었고 평균은 약 764 HU 값이 측정되었으며, 오차값은 HU 값이 60정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 물 70%와 조영제 30%의 왼쪽 상위는 1357 HU 값이 측정되었고, 오른쪽 상위는 1324 HU 값이 측정되었으며, 중심부는 1233의 HU 값이 측정되었다. 왼쪽 아래 지점은 1349 HU 값이 측정되었고 오른쪽 아래 지점은 1342 HU 값이 측정되었고 평균은 약 1295 HU 값이 측정되었으며, 오차값은 HU 값이 62 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 물 50%와 조영제 50%의 왼쪽 상위는 2262 HU 값이 측정되었고, 오른쪽 상위는 2291 HU 값이 측정되었으며, 중심부는 1993의 HU 값이 측정되었다. 왼쪽 아래 지점은 2224 HU 값이 측정되었고 오른쪽 아래 지점은 1993 HU 값이 측정되었고 평균은 약 2142 HU 값이 측정되었으며, 오차값은 HU값이 149 정도 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 물과 조영제의 혼합 중 조영제가 비중이 많아 질수록 HU 값이 높아지는 것을 알 수 있다.

Fig. 8. Average value measured at 5 points in a mixture of water and contrast agent.

Fig. 9에서는 조영제와 물을 혼합하였지만, 약간의 밀도차를 고려해야 하므로 2주 후에 다시 CT 영상을 촬영하였고 위⋅아래 2포인트를 다시 측정하여 비교하였다. 결과 값은 오히려 위 부분의 HU 값이 높게 나왔다.

Fig. 9. CT HU value of water and contrast medium mixture after 2 weeks.

Fig. 10은 각 HU 값일 때 밀도를 비교 분석을 하였다. 물과 조영제를 혼합하였을 때는 밀도가 대략 1에 아주 가깝지만, 물의 HU 값은 0이어야 한다. 하지만 HU 값으로 변환하였을 때는 물 10%와 조영제 90%일 때는 밀도가 1.3 - 1.4 g/mL로 추측할 수 있으며, 물 70%와 조영제 30%일 때는 밀도가 1.7 - 1.8 g/mL를 추측할 수 있고, 물 50%와 조영제 50% 일 때는 밀도가 2.25 - 2.35 g/mL를 추정할 수 있었다.

Fig. 10. Comparison of density values according to each HU value.

Ⅳ. DISCUSSION

Fig. 11은 물 90%와 조영제 10% 혼합 액체의 밀도가 1.4 g/mL 정도일 때의 물질을 찾아보면 MYLAR라는 물질과 비슷한 것을 확인하였고^[5], 물 70%와 조영제 30% 혼합 액체의 밀도가 1.76 g/mL일 때는 Polyvinylidene과 비슷한 물질인 것을 알 수 있었다^[6.7]. 또한, 물 50%와 조영제 50%일 때 혼합 액체의 밀도는 2.3 g/mL일 때는 콘크리트(concrete) 밀도와 비슷한 밀도를 구성하고 있었으며, 물의 혼합비율의 차가 가장 클 때 밀도 차이가 약 1g/mL가 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다. 최근 차폐재로 흔히 납 차폐와 콘크리트 차폐를 많이 사용하고 있는 이유에 대해 알 수 있었다.

Fig. 11. Materials at a density similar to the ratio of water to contrast liquid mixture.

Fig. 12는 CT 에너지와 비슷한 kvp의 방사선을 조사한 Geant4 시뮬레이션이다. 10 × 10cm 박스 안에 각 MYLAR와 Polyvinylidene 그리고 콘크리트의 재질을 Geant4에서 구성한 이미지와 결과 값을 Root를 이용해 나타내었다. MYLAR 같은 경우 엑스선이 많이 투과되는 것을 확인할 수 있었으며, 오른쪽 위의 그림처럼 Polyvinylidene 같은 경우는 MYLAR보다 덜 투과된 것을 확인할 수 있었다. Fig. 12에서 콘크리트의 경우 절반 정도까지만 투과되고 나머지는 흡수한 것을 확인할 수 있었다. 이것을 Root로 나타낸 오른쪽 아래 그림은 C는 콘크리트인데 입사 방향에서 흡수가 잘되는 것을 확인하였고, Polyvinylidene과 MYLAR 순으로 흡수가 된 것을 확인하였다.

Fig. 12. Geant4 simulation for each material of kvp radiation beam.

Ⅴ. CONCLUSION

본 실험의 결과를 통해서 물 50%와 조영제 50%를 혼합한 액체는 콘크리트 차폐와 비슷한 밀도를 가지고 방사선의 차폐가 가능하였다. 따라서 콘크리트 두께와 비교하여 조영제를 50% 이상 첨가한 차폐재를 만든다면 충분한 역할을 할 수 있을 것으로 사료 되며, 조영제 50% 이상일 때 5cm 이상일 경우 kVp 에서는 대다수의 방사선을 흡수함을 알 수 있었다. 따라서, 병원에서 사용하고 남은 조영제를 모은 후 5cm 이상의 두께를 이용해 조영제와 물을 50 : 50으로 혼합한 후 사지 촬영과 같은 낮은 kVp에서는 충분한 차폐 효과를 지닐 수 있을 것으로 실험 결과를 통해 알 수 있었다.