Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 4 pp. 1871-1876, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.4.1871 피폭선량저감섬유의개발과 검사시산란선차폐효과 김성환 1*, 김용진 2, 곽종석 3 1 청주대학교방사선학과, 2 계명대학교경주동산병원, 3 버팔로 Development and Radiation Shield effects of Dose Reduction Fiber for Scatter ray in Exams Sunghwan Kim 1*, Yong Jin Kim 2 and Jong Suk Kwak 3 1 Department of Radiologic Science, Cheongju University 2 Department of Radiology, Kyungju Dongsan Hospital 3 Buffalo Company Ltd 요약본연구에서는평균입자의크기가 1 ~500μm인산화비스무스 (Bi 2O 3) 와평균입자의크기가 5 ~50nm인나노황산바륨 (BaSO 4) 을사용하여선량저감섬유 (DRF; dose reduction fiber, 버팔로 ) 를개발하였다. 개발된섬유를시트형태로제작한후 검사시발생한산란선에대한차폐특성을조사하였다. 특성평가는전리조와인체펜텀을이용한팬텀실험과유리선량계를이용한임상실험을병행하여진행하였다. 임상실험에서는 3개종합병원 60명의환자에대한흉부및두부 검사시선량저감섬유를사용하였을때와사용하지않았을때안구, 흉부, 복부및생식선의피부및심부선량을비교하여차폐효과를평가하였다. 본연구를통하여개발된선량저감섬유는산란선에의한두부및흉부에불필요한피폭선량을 20~50% 정도저감할수있는것으로확인되었으며, 검사시본섬유를활용한다면환자피폭선량을포함한국민총피폭선량경감에기여할수있을것이다. Abstract In this study, we developed and characterized the shielding properties of dose reduction fiber (DRF, Buffalo Co.) sheet during brain and chest examinations. The DRF sheet was composed of 1 ~ 500 μm oxide Bismuth (Bi 2O 3) and 5 ~ 50 nm nano-barium sulfate (BaSO 4). Phantom and clinical studies were performed for characterization of the DRF shielding properties. In clinical study, we measured doses of eye, chest, abdomen and reproductive system of 60 patients in 3 hospitals during brain and chest examinations. We could determined the shielding effect of the DRF by comparing the doses when we used the DRF sheet or not. When we used the sheet during examination, the scattered dose were reduced about 20 ~ 50%. So, we suggest that the fiber should be used in radiological examinations for reducing patients doses. Key Words :, Dose reduction fiber, Patient dose, Scatter ray, Shield 1. 서론 1895년뢴트겐에의해 X선이발견된이래, 의료용 X 선은질병의진단과치료에중요한역할을수행하여왔으며, 현대의학의발전과더불어인류의생명보호와의학발전에있어서 X선의활용과중요도는더욱증가하고있다. 하지만 X선의사용량이증가함에따라환자나보 호자및방사선작업종사자의불필요한방사선에의한피폭또한증가하고있다. 2007년 ICRP 신권고안에서는의료피폭에서방사선방어의원리에대하여규정하고있으며, 의료방사선을안전하게사용하기위해서의학적검사의정당성확보, 의료피폭에서방어의최적화, 선량한도를정하고있다 [1]. 의료방사선은방사선피폭에의한위해보다환자가얻을수있는이익이더크기때문에 * Corresponding Author : Sunghwan Kim(Cheongju Univ.) Tel: +82-43-229-7992 email: kimsh@cju.ac.kr Received December 11, 2012 Revised (1st February 27, 2013, 2nd March 25, 2013) Accepted April 11, 2013 1871
한국산학기술학회논문지제 14 권제 4 호, 2013 환자피폭에대한선량한도가적용되지않지만, 비록의료방사선이더라도과다피폭을받게되면여러가지장해가발생할수있다. 따라서세계여러나라에서는진료의이득을손상하지않는범위내에서가능한피폭선량을최소화하여환자와방사선종사자들의확률적영향을최소화하기위한여러가지노력들을강구하고있다 [2-4]. 현재방사선피폭을줄이기위하여납성분을고무 (rubber) 에분산시킨후압출하여성형한시트상의가운을일반적으로많이사용하고있으나, 이방법으로제조된차폐복은방사선차폐효과는높지만, 무게가 5~ 10kg 정도로매우무거워착용감이불량하며, 주성분인납에의한환경오염등의문제가있다. 따라서방사선피폭위험을차단함과동시에간접적인피폭위험도충분히차단할수있으며, 착용감이우수하고가벼우면서인체에무해한방사선차폐용직물을개발하려는연구가지속되어왔다. 미국특허제2004/0245484 A1호에는방사선차폐를위하여합금으로된와이어를이용하여방사선흡수성섬유를제조하는방법 [5] 이개시되어있으나, 이는유연성및방사선차폐성이불량하다는문제점이있다. 또한, 러시아특허 01020874호에는금속입자를분산시켜혼합물형태로제조하여섬유표면에결합시키는방법 [6] 이개시되어있으나, 이방법은방사선차폐효과는우수하나내구성이불량하다는단점이있다. 그밖에도한전기공주식회사 [7] 에서는방사선차폐복원단제조방법 ( 특허 1019940001934) 특허를통하여납 50%, 비스무스 20%, 주석 30% 를섞어서합성수지에혼합시켜코팅하는방법을제시하였으나, 이역시납을사용하기때문에환경오염의문제점을가지고있다. 본연구에서는방사선진료시환자나보호자가산란선등에의한불필요한방사선피폭을줄이기위하여방사선차폐효율이높은바륨과비스무스를사용한친환경적인선량저감섬유 (DRF; dose reduction fabric) 를개발하였으며, 개발된섬유의진단용방사선에대한차폐특성을조사하였다. 개발된섬유는두께를얇게만들어침대시트, 가운등의소재로사용하여직접선및 2차산란선에의한피폭을저감할수있고, 섬유의두께를증가하면방사선차폐에사용하는납치마등을대체할수있으며, 납에비하여친환경적인장점이있다. 개발된선량저감섬유의효과를확인하기위하여팬텀및임상실험을실시하였다. 두부및흉부 검사시선량저감섬유를사용하지않을때와 0.15 mm(drf15) 및 0.25 mm(drf25) 의선량저감섬유를사용하였을때인체의각주요부위에미치는산란선량을유리선량계로측정 비교하였다. 2. 연구방법 2.1 선량저감섬유의개발 의료용방사선진료시환자나방사선작업종사자의방사선피폭선량을저감하기위한차폐체로원자번호와밀도가높은원소중에서인체에무해한원소인비스무스와바륨을선정하였다. 황산바륨은영상의학과에서조영검사시환자가복용하는물질로인체에무해한물질이며, 산화비스무스는화학적으로매우안정한물질이기때문에섬유의코팅제로사용하였을때인체에무해한것으로알려져있다. 기초실험을통하여코팅된섬유에서차폐체의입자밀도를높이고, 코팅효율을높이기위하여평균입자의크기가 1 ~ 500 μm인산화비스무스 (Bi 2O 3) 와평균입자의크기가 5 ~50nm인나노황산바륨 (BaSO 4) 을사용하여방사선피폭저감섬유를제작하였다. 황산바륨나노입자는입자크기가큰산화비스무스입자의공극을채워줌으로써방사선차폐효과를높인다. Fig. 1은바륨과비스무스의 X선의에너지에대한질량흡수계수이다 [8]. 그림에서보는바와같이비스무스는원자번호가 83으로바륨 (Z=56) 보다높아서진단용 X선에대한광전효과가발생확률이훨씬크기때문에진단용방사선의차폐효과가훨씬크지만, 비스무스광전효과의 K-에지가진단용 X선의에너지영역에겹치므로, 오히려 K-에지의에너지에해당하는 X선에대한차폐효과가감소한다. 그림 1에서보는바와같이첨가된나노바륨입자는비스무스의 K-에지에해당하는에너지의 X선에대하여비스무스의차폐효과를보완함으로써저감섬유의효과를높일수있었다. μ/ρ (cm 2 /g) 10 4 10 3 10 2 10 1 10 0 10-1 10-2 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 Photon Energy (MeV) Bi Ba [Fig. 1] Mass absorption coefficients of Barium and Bismuth[8]. 나노황산바륨과산화비스무스를 50,000 ppm 이상혼합분산하여콜로이드용액으로제작하고, 실리콘베이스 1872
피폭선량저감섬유의개발과 검사시산란선차폐효과 고무와콜로이드용액의중량비를 2 : 1 내지 1000 : 1로혼합한후차폐체코팅층을 0.15 mm 및 0.25 mm 두께인선량저감섬유를제작한후시트형태로제작하였으며, 이섬유는 2011년특허등록하였다 [9]. (GD-450) 로측정하였다. 조사된유리선량계는전문판독기관에의뢰하였으며, FGD 650GD 시스템으로표면및심부선량을평가하였다. 2.2 X선에에너지에따른선량저감섬유의방사선차폐특성개발된선량저감섬유 (DRF; dose reduction fiber) 중차폐체코팅두께가각각 0.15 mm 및 0.25 mm 인섬유에대하여진단용 X선의유효에너지에따른차폐효과를조사하였다. X선발생장치로는 MIS X선발생장치 (150 kv, 500 ma) 를사용하였으며, 선량측정은교정된 6cc (10X5-6) 및 1800 cc (10X5-1800) 이온챔버와일렉트로메터 (Mo. 5015, Radical Corp.) 를사용하였다. 2.3 선량저감섬유의산란선차폐특성평가영상의학과에서 1차선은환자의질병을진단하기위하여직접환자에게조사되는방사선으로서 1차선이감소하면, 영상의화질이나빠져올바른진단을할수없게된다. 이에비하여 2차산란선은진단에전혀불필요한방사선으로영상의화질을악화시키고, 불필요한피폭선량을증가시키는요인이된다. 본연구에서는개발된선량저감섬유에대하여팬텀실험과임상실험을통하여 2 차산란선에대한차폐효과를검증하였다. 팬텀실험에서는다중검출기전산화단층촬영장치 (4-ch MD, Marconi Mx8000, Philips) 를사용하여인체팬텀 (PBU-50) 에두부및흉부 검사를실시하였을때, 선량저감섬유유무에따라흉부, 복부, 생식선및안구의피폭선량을측정함으로써선량저감섬유에의해산란선피폭저감효과를평가하였다. 선량측정은전리함 (Ref. No-22378, Radical Co.) 과전위계 (Mo. 9015 & 9060, Radical Co.) 를사용하였다. Fig. 2는팬텀실험에서두부 검사를시행할때복부에산란선량과선량저감섬유의효과를평가하기위하여팬텀, 검출기, 및선량저감섬유를배치한그림이다. 산란선량은환자의자세와체형의차이, 각병원마다검사프로토콜등에따라차이가있기때문에, 검사시차폐효과를평가하기위하여임상실험을실시하였다. 경상북도내 3개종합병원의 MD(GE Hi-Speed DXI, Siemens Emotion과 Siemens Somatom Emotion) 를사용하여연구의목적에대한설명을듣고자발적으로연구참여에동의한환자 60명에대하여두부 MD 및흉부 MD를실시하였고, 이때선량저감섬유의사용유무에따른흉부, 복부, 생식선, 안구의피폭선량을유리선량계 (a) (b) [Fig. 2] Set up of DRF fiber and measurement of abdomen dose during brain examination. (a) without DRF fiber (b) with DRF fiber 3. 결과및고찰 3.1 X선의에너지에따른선량저감섬유의방사선차폐효과 Fig. 3은섬유에코팅된차폐제의두께가각각 0.15 mm(drf15), 0.25 mm(drf25) 인선량저감섬유의진단용 X선의유효에너지에따른방사선차폐효과를측정한 1873
한국산학기술학회논문지제 14 권제 4 호, 2013 그림이다. 그림에서보는바와같이 X선의유효에너지가증가함에따라차폐효과가감소함을확인할수있으며, DRF25( 차폐체두께 0.25 mm) 의경우유효 X선의에너지가약 60 kev일때약42%, 유효에너지 27.7 kev X선에대하여 84% 의차폐효과를나타내었다. DRF15 (0.15mm) 에대한방사선차폐효과는 60 kev X선에대하여약 55% 정도차폐하였으며, 27.7 kev X선에대해서는약96% 정도의차폐특성을보였다. 두께 0.25 mm 선량저감섬유는종사자옷감의내외부의소재로사용하였을때두꺼워서착용감이불량하며, 직접선이아닌산란선에대하여옷감의내외소재로적합한차폐체의두께는 0.15mm인것으로판단된다. 27.6% 감소하였고, 안구선량은각각 57.5%, 69.2% 감소하였다 [Table 1]. [Table 1] Average Dose reduction effects of eye, chest and abdomen during brain and chest MD examinations in phantom study. Average Average exam body part DRF Dose (μsv) shielding (%) None 23.6 - chest 0.15 11.7 50.7 Brain 0.25 9.5 59.9 None 6.0 - umbilicus 0.15 2.4 60.1 0.25 1.64 72.7 Chest eye umbilicus None 9.7-0.15 4.1 17.6 0.25 3.0 27.6 None 20.5-0.15 16.9 57.5 0.25 14.9 69.2 [Fig. 3] Shielding effect of DRF15 and DRF25 fibers as a function of effective energy of diagnostic X-ray units. 3.2 팬텀실험 팬텀실험에서두부 검사시산란선량과선량저감섬유의산란선에대한차폐효과를평가하기위하여촬영조건을관전압 120 kv, 관전류량을 250 mas, 스캔시간은 14.1초로하였으며, 스캔깊이는 10 mm이었다. 4ch MD 두부검사시흉부와복부의산란선량은각각 6.01 μsv 및 23.6 μsv 이었으며, 선량저감섬유 0.15 mm 및 0.25 mm 사용하였을때복부선량은각각 60.1% 및 72.7% 감소하였고, 흉부선량은각각 50.7%, 59.9% 감소하였다 [Table 1]. 팬텀에대하여흉부 검사시산란선량과선량저감섬유의산란선에대한차폐효과를평가하기위하여촬영조건을관전압 120 kv, 관전류량을 60 mas, 스캔시간은 13.8초로하였으며, 이때스캔깊이는 5mm이었다. 4ch MD 흉부검사시안구와배꼽의산란선량은각각 9.7 μsv 및 20.5 μsv 이었으며, 선량저감섬유 0.15 mm 및 0.25 mm 사용하였을때복부선량은각각 17.6% 및 3.3 임상실험 경북지역 3개종합병원의환자 60명에대하여두부 및흉부 를실시하였다. 이때선량저감섬유의사용유무에따른흉부, 복부, 생식선, 안구의피폭선량을유리선량계 (GD-450) 로측정하였으며, Table 2는 60명환자에대하여측정한평균값으로선량저감섬유의산란선차폐효과를평가하였다. Table 2는경북의 3개종합병원에서두부검사를실시할때선량저감섬유를사용하지않았을때, DRF15 및 DRF25섬유를사용하였을때흉부, 배꼽, 생식선에미치는산란선량을유리선량계로측정한각병원별평균값이다. 표에서보는바와같이동일한검사부위이더라도각병원의검사프로토콜과조건에따라많은차이가남을확인하였다. [Table 2] Scatter Dose in Brain exams each Hospitals. Hospital A B C body part Scatter Dose (μsv) none DRF15 DRF25 chest 34 29 22.5 umbilicus 13.5 7 5 reproductive system 6.5 4.5 1.5 chest 52 29 24 umbilicus 11.5 5 5 reproductive system 6.5 3 2.5 chest 104.5 66 33.5 umbilicus 64.5 41.5 33.5 reproductive system 54 34.5 27.5 1874
피폭선량저감섬유의개발과 검사시산란선차폐효과 (a) (b) [Fig. 4] Equivalent dose of each body parts during brain & chest exam (a) during brain ning (b) during chest ning. [Table 3] Dose reduction effects of each body part during brain & chest examination (n=60). exam Brain Chest body part chest umbilicus reprodu-c tive system eye umbilicus reprodu-c tive system DRF Dose (μsv) shielding (%) skin tissue skin tissue None 55.1 42.3 - - 0.15 31.4 27.6 43.0% 34.8% 0.25 23.2 21.1 57.9% 50.1% None 39.4 19.9 - - 0.15 11.9 11.9 69.8% 40.2% 0.25 9.4 9.7 76.1% 51.3% None 15.3 14.9 - - 0.15 8.8 9.3 42.5% 37.6% 0.25 6.9 7.0 54.9% 53.0% None 311.2 276.8 - - 0.15 280.2 254.1 10.0% 8.2% 0.25 144.6 218.6 53.5% 21.0% None 474.3 400.7 - - 0.15 364.6 355.6 23.1% 11.3% 0.25 254.8 289.3 46.3% 27.8% None 353.7 281.2 - - 0.15 262.7 237.6 25.7% 22.8% 0.25 252.2 217.2 28.7% 15.5% Table 3은 3개종합병원의총60명의환자에두부및흉부 검사시산란선량과선량저감섬유를사용하였을때전량저감효과를유리선량계로측정한평균값이다. 두부 검사시흉부, 복부, 생식선의피부선량은각각 55.1 μsv, 39.4 μsv 및 15.3 μsv 이었으며, 심부선량은각각 42.3 μsv, 19.9 μsv 및 14.9 μsv 이었다. 선량저감섬유 (DRF25, 두께 0.25 mm) 를사용하여산란선을차폐하였을때, 피부선량이각각 57.9%, 76.1% 및 55.1% 감소하였으며, 심부선량은 50.1%, 51.4% 및 53.0% 감소하였다 [Fig. 3, Table 3]. 한편흉부 검사시안구, 복부, 생식선의피부선량은각각 311.2 μsv, 474.3 μsv 및 353.7 μsv 이었으며, 심부선량은각각 276.8 μsv, 400.7 μsv 및 281.2 μsv 이었다. 선량저감섬유 (DRF25, 두께 0.25 mm) 를사용하여산란선을차폐하였을때, 피부선량이각각 47.9%, 57.8% 및 28.7% 감소하였으며, 심부선량은 29.8%, 46.3% 및 22.8% 감소하였다 [Fig. 4, Table 3]. 현재식품의약품안전청에서권고하는흉부 ( 후전촬영 /PA) 촬영시환자선량은 340 μsv 이며 [10,11], 1996년 IAEA 등 6개의국제기구가공동으로제안한안전기준은흉부전후촬영시 400 μsv이다 [12]. 이로볼때 검사시직접선이외의산란선에의해상당량의불필요한피폭을받고있음을확인하였다. 직접선은 영상을구성하는데사용되는 X선으로이에대한정당성은확보할수있으나. 산란선은비록직접선에비하여양은적지만, 촬영부위와무관한방사선피폭으로정당성이없다. 팬텀과환자의체형차이, 검사프로토콜의차이등으로인하여팬텀실험결과와임상실험결과에서심부선량의차이는상당히나타나지만, 선량저감섬유에의해 50% 이상의차폐효과를나타내었다. 2007년국내의 검사건수는두부검사 63만여건, 흉부검사 13만여건, 척추검사 32만건등총 130만건이상 [11] 으로직접선이외산란선에의한방사선피폭이상당량으로판단되며, 검사시선량저감섬유를사용함으로써산란선에의한표면선량및심부선량을저감하여국민총피폭선량감소에기여할수있을것으로생각된다. 4. 결론 검사시환자는직접선과산란선에의해방사선피폭이이루어지며, 직접선은의료영상형성에기여하는반면, 산란선은진료에방해만되는불필요한방사선으로서검사부위, 환자의체형, 검사프로토콜, 종류등에따라차이가있다. 본연구에서개발된선량저감섬유는 검사시시트 1875
한국산학기술학회논문지제 14 권제 4 호, 2013 로사용하였을때, 산란선에의한불필요한두부및흉부피폭선량을 20 ~ 50% 정도저감할수있는것으로확인되었다. 검사를포함한방사선학적검사에서본섬유를활용하여정상조직을가려준다면종사자피폭선량과환자피폭선량을포함한국민총피폭선량경감에기여할수있을것으로사려된다. References 김성환 (Sunghwan Kim) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 경북대학교대학원물리학과 ( 핵물리학석사 ) 2003 년 8 월 : 경북대학교대학원물리학과 ( 핵물리학박사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 청주대학교방사선학과교수 [1] ICRP, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, Pub. 103, 2007. [2] ICRP, Radiological Protection and Safety in Medicine, (73), Pergamon Press, Oxford, 1996. [3] ICRP, Recommendations of International Commission on Radiological Pretection, (60), Pergamon Press, Oxford, 1991. [4] ICRP, Protection of the patients in Diagnostic Radiology, Pub.34, Pergamon Press, Oxford, 1982. [5] Chang Shu Chen, Radiation shield sheet, US 2004/0245484 A1, 2004. [6] Igor Sepanovich, X-ray absorbing material and variants, 01020874, 2005. [7] S.C. Seo, A method manufacture shield clothing radiation, Korea Intellectual Property Office, Patient No. 1019940001934, 1998. [8] J. H. Hubbell and S. M. Seltzer, Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 kev to 20 MeV for Elements Z=1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest, National Institute of Standards and Technology, http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm, 2011. [9] J. S. Kwak, Y. J. Kim., Manufacturing Method Of Fabric For Shielding Radiation, Fabric For Shielding Radiation And The Clothes Including The Same, Korea Intellectual Property Office, Patient No. 1010893230000, 2011. [10] Korea Food and Drug Adminstration, Guideline of Patients Eose in Chest X-ray Examination, Series of Radiation Safety (17), pp.20-23, 2008. [11] Korea Food and Drug Adminstration, Guideline of Patients Eose in Examination, Series of Radiation Safety (19), pp.8-9, 2009. [12] IAEA, International Basic Safety Standards for Protection Against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources, Safety Series, No.115, 1996. < 관심분야 > 방사선물리학, 방사선치료 김용진 (Yong Jim Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 방사선, 보건학 1992 년 2 월 : 대구보건대학방사선과졸업 1997 년 2 월 : 계명대학교자연과학대학공중보건학과졸업 ( 공중보건학학사 ) 1995 년 4 월 ~ 현재 : 계명대학교경주동산병원영상의학과 곽종석 (Jong Suk Kwak) [ 정회원 ] < 관심분야 > 방사선, 경영학 1984 년 2 월 : 영남대학교법정대학정치외교학과 ( 정치외교학학사 ) 1995 년 1 월 ~ 현재 : 버팔로대표이사 1876