(비 표준 치료방사선 물 흡수선량 절대측정기술 개발) 치료방사선량 절대측정기술 개발 현황 (비 표준 치료방사선 물 흡수선량 절대측정기술 개발) 2018. 05. 23 고려대학교 세종캠퍼스 가속기과학과 전 국 진

전리방사선에 의한 세포사멸 Ionization of atom Destruction of molecular bonding Cancer cells are more sensitive to radiation damage compared to healthy cells Destruction of molecular bonding Damage to DNA Cell death

Radiotherapy 원리 Repair Repopulation Reoxygenation Redistribution 정상세포 보호 종양세포 사멸 Fractionated Radiation Therapy

Radiotherapy vs Radiosurgery Vnormal Vtarget >> 1.0 Use 4R’s Vnormal Vtarget << 1.0

Radiosurgery - requirements 100 병소: 최대선량 (처방선량) 병소 주변 정상세포: 최소선량 Highly accurate Steep dose gradient

Radiosurgery, How? 입자빔: 양성자, 헬륨, 탄소 감마선, 고 에너지 X-선 Bragg peak Come from many directions 감마나이프 LINAC

측정 물리량-물 흡수선량, 정밀측정 장비-열량계 흡수선량 (D ) : Absorbed Dose 매질에 입사한 방사선 (직접, 간접)에 의하여 매질의 단위질량 당 부여된 평균에너지 : 미소질량 내에 부여된 평균에너지 열량계를 이용한 흡수선량 측정 (Calorimetric Measurement) 흑연 (물) 열량계와 Wheatstone Bridge를 이용하여 방사선 조사에 의하여 매질에 흡수되는 에너지를 매질의 온도변화로 직접 측정하여 흡수선량 결정 (C) E : 체적에 흡수된 에너지  : Thermal Defect Meff: 체적의 유효질량 C : 체적의 비열 (specific heat)

가장 정확한 흡수선량 측정법 = 열량계를 이용 온도변화 직접 측정 열량계를 이용한 물 흡수선량 측정 물 흡수선량 (Absorbed Dose to Water) : 방사선 조사 시 물에 흡수되는 선량 인체 흡수선량 평가 첨단방사선치료 기기 : 인체 대상, 1회 고 선량 (20~60 Gy) 정확한 물 흡수선량 측정이 매우 중요 흑연 열량계 물 열량계 흑연 흡수선량 절대측정 물 흡수선량 절대측정 물- 흑연 환산인자 물 흡수선량, Dw 가장 정확한 흡수선량 측정법 = 열량계를 이용 온도변화 직접 측정

열량계 개발 현황 및 물 흡수선량 국가표준 현황 국가 국가표준장비 (표준기관) 미 보유 국제도량형국 (BIPM) 이온전리함 (흑연열량계로 전환 : 2010) 미 국 (NIST) 물 열량계 호 주 (ARPANSA) 흑연열량계 영 국 (NPL) 네덜란드 (Nmi) 벨기에 (LSDG) 오스트리아 (BEV) 캐나다 (NRCC) 이탈리아 (ENEA) 독 일 (PTB) (화학선량계) 프랑스 (BHN-LNHB) 스위스 (METAS) 러시아 (VNIIFTRI) 아시아 국가 (NMIJ, BARC, NIM) 미 보유

물 흡수선량 절대측정 및 보급 현황 (감마나이프) DW 물 흡수선량 절대측정 물 흡수선량 교정 및 보급체계 : 이온전리함을 기준방사선장에서 교정 이온전리함의 NDw 값 제공 NDw 를 적용하여 감마나이프 빔에 대한 물 흡수선량 측정 IAEA TRS-398 프로토콜을 준용하여 선량 측정 기존 물 흡수선량 교정 체계의 문제점 빔 방향, 개수 등 방사선치료장비 치료환경이 교정조건과 상이 이온전리함: 물 열량계보다 부정확 빔 크기 10 x 10 cm2 에서의 NDw : 작은 크기의 치료빔에서 부정확 물 흡수선량 측정/교정 기준조건 ≠ 첨단방사선치료/수술 치료환경

첨단 방사선치료기기 물 흡수선량 측정의 문제점 표준선장 (standard field) : IAEA code of practice 적용 방사선장 첨단 방사선치료 환경에서의 선장: 비 표준선장 (nonstandard field) IAEA TRS 398 Novalis CyberKnife Gamma Knife Calibration water air/water Beam single 192/201 SSD 100 cm 80 cm ~ 40 cm Field size 100x100 mm (min. 3 mm) 60mm circle (min. 5 mm) 16/18 mm (min. 4 mm) Phantom plastic Depth 5 g/cm2 8 g/cm2 주된 문제점 IAEA+AAPM working group 제안 열량계의 소형화 표준선장에서 교정된 이온전리함의 교정정수를 이용한 비 표준선장에서의 흡수선량 측정: 선장의 크기가 작을수록 dosimetric error가 급격하게 증가 방사선치료장비의 비 표준선장이나 IMRT 치료기법의 small field의 선량 평가 시 새로운 개념의 장비 특성 보정인자 및 치료빔 특성 보정인자 적용 제시 Small field 물 흡수선량 측정용 소형 열량계 개발 11

Dosimetry of Small Static Fields Used IN External Beam Radiotherapy 1) For conventional radiotherapy, dosimetry is based on widely adopted codes of practice (COPs) such as IAEA TRS-398 (Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water), the American Association of Physicists in Medicine (AAPM) publication titled AAPM’s TG-51 Protocol for Clinical Reference Dosimetry of High-Energy Photon and Electron Beams. 2) These and other dosimetry protocols are based on measurements using an ionization chamber with a calibration coefficient in terms of absorbed dose to water, traceable to a primary standards dosimetry laboratory (PSDL) for reference conditions, such as a conventional field size of 10 cm × 10 cm. Departure from reference conditions, such as the determination of absorbed dose to water in beams of different field sizes, were considered in less detail, or not included at all. 3) However, in radiotherapy there has been an escalation in the use of small static fields that has been facilitated by the generalized availability of standard and add-on multileaf collimators (MLCs) and a variety of treatment machines of new design. 4) This has increased the uncertainty of clinical dosimetry and weakened its traceability to reference dosimetry based on conventional COPs. At the same time, dosimetric errors have become considerably larger than with conventional beams, mostly for two reasons: (a) The reference conditions recommended by conventional COPs cannot be realized in some machines; (b) The measurement procedures for determination of absorbed dose to water in small and composite fields are not standardized. In some cases accidents have occurred owing to the use of methods and procedures that are appropriate for large fields but not for small fields. 5) In 2008 this working group published a formalism for the dosimetry of small and composite fields. 6) This formalism introduced the concept of two new intermediate calibration fields: (i) a static machine specific reference (msr) field for those modalities that cannot establish conventional reference conditions and (ii) a plan class specific reference field that is closer to the patient specific clinical fields and thereby facilitates standardization of composite field dosimetry. 12

Small field 물 흡수선량 정밀측정 기술 현황 이온전리함 (Pin-Point), Diamond detector, Diode Detector 등을 이용한 측정기술  작은 수집체적 (sensitive volume) 측정장비 제작기술의 발전으로 100 % 상용화 예: PTW 31014 (0.015 cm3), Exradin A16 (0.007 cm3), PTW type 60003 (1.9 cm3)  Field size가 2×2 cm2 이하에서 측정장비 별 측정값의 차이가 급격히 증가  측정되는 물리량 (전하량 또는 전류)을 선량으로 전환하기 위한 small field에서의 정확한 NDW 값의 결정이 필요  소형 측정장비의 측정반복성에 대한 안정도 (long term stability)가 낮아서 측정값의 신뢰도 미흡  Small field에서 물 흡수선량을 정확하게 측정할 수 있는 절대측정장치 개발이 필수적임

Small field 물 흡수선량 정밀측정 기술 현황 물 흡수선량 절대측정용 소형 열량계 개발 현황 단면적이 2×2 cm2인 흑연열량계 개발 (prototype)에 관한 소수의 논문 발표  환산인자 (물-흑연) 적용 필요 기계적 가공의 한계 (dmin > 5 mm)  여전히 치료빔 사이즈보다 큰 크기 6mm 10 mm Renaud et al., Medical Physics, 2013 6 mm diameter x 10 mm long Duane et al, 2012 5 mm diameter

열량계 소형화 핵심기술: 미세유체 기반 초소형 열량계 개발 Parylene 박막 미세 물 채널 개략도 Wang et al. J. Micro. Sys. 2008 미세유체 초소형 열량계 핵심기술 미세유체 (microfluidic) 기반 물 열량계  Parylene 박막 (~ 5 μm) 미세 물 채널 진공 박막 구조 + 고감도 thermistor 온도센서  미세 물 채널 외부의 진공 단열  정밀 열량측정 (ΔT < 10-4 ℃) Membrane

입자빔 방사선장 (small field) 물 흡수선량 정밀측정 기술 소 조사야 입자빔 방사선장 물 흡수선량 측정으로의 초소형 열량계 적용기술 평행평판형 이온전리함 (Markus, Roos 등)을 이용한 입자빔 방사선장 측정  선량측정은 여전히 교정기관의 기준 물 팬텀을 이용하여 NDW 값 결정 입자빔 방사선장에 대한 물리적 현상은 전자기파 방사선장과는 전혀 다르며 고 에너지 입자선의 물과 고분자에 조사 시 일어날 핵반응 등을 고려한 선량측정 기술은 아직 연구가 수행되고 있지 않음. 최근에 개발되는 입자빔 가속기는 pulsed accelerator 기반임.  Pulse의 반복성과 각 pulse 당 dose의 정확한 측정은 매우 중요한 사안임.  Pulse 당 전달선량의 불확도를 1 %로 달성하고 pulse에 따른 선량값의 차이를 정확하게 평가할 수 있는 정밀측정기술 개발 (pulse 당 선량값이 20 배까지 차이가 날 수 있다고 보고됨)이 요구됨. Beam scanning 시 depth 방향과 transverse 방향으로의 선량분포 측정기술 개발이 필수적임.

감사합니다