논문 웹기반표준한국인장기흡수선량및유효선량평가시스템개발 박수연 *, 염연수 *, 김재현 *, 이현수 *, 한민철 *, 정종휘 **, 김찬형 * * 한양대학교원자력공학과, ** 국립암센터 203 년 2 월 일접수 / 203 년 2 월 26 일 차수정 / 203 년 2 월 30 일 2 차수정 / 204 년 월 3 일채택 최근표준한국인성인남녀복셀팬텀한쌍인 High-Definition Reference Korean-Man (HDRK-Man) 과 High- Definition Reference Korean-Woman (HDRK-Woman) 을개발한바있다. HDRK-Man 과 HDRK-Woman 은각각한국인성인남성과여성을대표하므로이들을이용하면한국인고유의유효선량을계산할수있다. 이러한한국인고유의유효선량을계산하기위해서는표준한국인팬텀을이용한몬테칼로선량계산을수행하여야한다. 하지만이러한몬테칼로선량계산은전산인체모델에대한이해와고도의몬테칼로전산모사기술이요구되기때문에몬테칼로전산모사경험이적은연구자들에게는접근성이용이하지않다. 최근 UFPE (Federal University of Pernambuco) 연구팀에서는몬테칼로선량계산온라인시스템인 CALDOSE_X 를운영하고있다. CALDOSE_X 는사용자가온라인상에서직접입력한선원조건에따라곧바로몬테칼로선량계산을수행하고계산된결과를제공해주는온라인서비스이다. 따라서 CALDOSE_X 를이용하면몬테칼로전산모사경험없이도누구나쉽게원하는선원조건에대한선량계산을수행할수있다. 하지만 CALDOSE_X 에서제공하는선량값은서양인전산팬텀을이용하기때문에, 이를한국인종사자에대한방사선방호목적으로사용하기에는여전히한계가있다. 이에본연구에서는온라인상에서사용자가입력한선원조건에따라실시간으로표준한국인에대한유효선량을계산할수있는웹기반표준한국인선량평가시스템을구축하였다. 중심어 : HDRK phantoms, 몬테칼로전산모사, Geant4, 유효선량, 웹기반선량평가시스템. 서론 ) 유효선량 [] 은방사선에의한인체의확률론적위험도를평가하기위해사용되는가장중요한방사선방호량이다. 유효선량은인체를이용하여직접적으로측정하는것이불가능하기때문에인체전산팬텀과몬테칼로전산모사기법을사용하여주로평가해왔다. 최근방사선방호위원회 (International Commission on Radiological Protection, ICRP) 는체적소모델 (voxel model) 인 ICRP 표준팬텀 을이용하여외부피폭에대한유효선량을계산하였으며, 이들을방사선방호목적으로사용할것을권고하고있다 [-3]. 하지만 ICRP 표준팬텀제작에사용된 ICRP 표준인자료 [4] 는서유럽과북미인즉, 코케이션의표준체격, 체형및생리등의자료를토대로수립되었기때문에해부학적으로서양인과차이가있는한국인을대표하는데는다소한계가있다. 최근표준한국인성인남녀복셀팬텀한쌍인 High- Definition Reference Korean-Man (HDRK-Man)[5] 과 High-Definition Reference Korean-Woman (HDRK- 교신저자 : 김찬형, chkim@hanyang.ac.kr 서울시성동구행당동 7 한양대학교원자력공학과 Woman)[6] 이개발된바있다. HDRK-Man 과 HDRK- Woman 은한국인사체의컬러해부영상을기반으로한국인의해부학적구조를반영하였으며, 이들의키, 몸무게, 장기무게들은모두표준한국인자료 [7] 에맞추어져제작되었다. 따라서 HDRK-Man 과 HDRK-Woman 은각각한국인성인남성과여성을대표할수있으며, 이들을이용하면한국인고유의유효선량을계산할수있다. 한국인고유의유효선량을계산하기위해서는 HDRK- Man 과 HDRK-Woman 을몬테칼로코드에입력하여몬테칼로선량계산을수행하여야한다. 이와같은몬테칼로기법에의한선량평가는고도의전산코드활용기술이요구되기때문에, 몬테칼로전산모사경험이적은일반연구자들에게는접근성이용이하지않다. 비록몬테칼로선량계산을직접수행하지않고전산팬텀을이용하여미리계산된선량환산계수를이용하여선량평가가가능하지만, 미리계산된선량환산계수는 AP (anterior-posterior), PA (posterior-anterior), RLAT (right lateral), LLAT (left lateral), ISO (isotropic) 등과같은일부선원조건에대해서만제공되기때문에다양한선원조건에대한선량평가를수행하기에는한계가있다. 최근 UFPE (Federal University of Pernambuco) 연구 http://dx.doi.org/.4407/jrp.204.39..030 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204 30
및유효선량을실시간으로평가할수있는웹기반시스템을구축하였다. 2. 재료및방법 2.. 표준한국인성인남녀복셀팬텀본연구에서는선량계산을위해한양대학교에서제작한한국인남녀복셀팬텀 HDRK-Man[5] 과 HDRK- Woman[6] 을이용하였다 [ 그림 ]. 이들은한국과학기술정보연구원 (KISTI) 에서제공하는해상도 0.2 mm 급의고해상도컬러해부영상을기반으로제작되었으며, 방사선에민감한모든장기와조직들이정밀하게표현되어있다. 뿐만아니라키, 몸무게, 장기무게가모두표준한국인자료 [7] 에맞추어져있기때문에서양인을기준으로제작된여러모델들과는차별된표준한국인모델이다. Fig.. Reference Korean male and female phantoms: HDRK-Man (left) and HDRK-Woman (right). 팀에서는몬테칼로선량계산온라인시스템인 CALDOSE_ X(www.caldose.org) 를운영하고있다. CALDOSE_X 를이용하면누구나쉽게원하는선원조건에대한선량계산을수행할수있다. 하지만 CALDOSE_X 에서제공하는선량값은서양인을기준으로 UFPE 에서자체개발한전산팬텀을이용하기때문에, 이를한국인종사자에대한방사선방호목적으로사용하기에는여전히한계가있다. 이에본연구에서는표준한국인에대한장기흡수선량 2.2. 웹기반선량평가시스템구축본연구에서는선량계산을수행하기위해사용자가온라인상에접속하기위한웹기반선량평가시스템을구축하였다. 먼저여러사용자가동시에선량계산을수행할수있도록클러스터를구축하였다. 클러스터는 Intel Core 2 Quad Processor Q6600 (4 CPUs) 와 4GB RAM 이탑재된컴퓨터 6 대로총 24 개의 CPU 로구성되어있다 [ 그림 2]. 컴퓨터들사이의빠른정보교환을위하여기가비트전송이가능한 NETGEAR R 의 JGS524 스위칭허브와 Marvell R 의 88E8056 LAN 카드를 CAT.6 UTP 케이블로연결하였다. 연결을완료한후클러스터전용리눅스운영체제인 ROCKS R 5.4 (Cent OS 5.8 (Final)) 을설치하였다. 그림 3 은 ROCKS R 5.4 이제공하는 Ganglia Cluster Tookit 이실행된모습이며 6 대컴퓨터즉, 총 24 개의 CPU 의사용현황을보여주고있다. Fig. 2. Linux-based cluster server computer constructed in the present study for Monte Carlo simulation. 3 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204
Fig. 3. View of running Ganglia Cluster Toolkit provided in ROCKS @ 5.4. Fig. 4. Scheme for linking web sever to cluster sever by using PHP and LIBSSH2. 다음으로, 사용자가온라인상에서선원조건을입력하고이를클러스터에전송할수있는클러스터통신용웹사이트를개발하였다. 웹사이트서버는리눅스시스템인 Ubuntu 기반으로구축하였으며, 웹서버구축에필요한 Apache2 는 2.2.22 버전을, 웹서버운영시에필요한 DB 관리프로그램인 MySQL 은 4.4 버전을설치하였다. 사용자가웹사이트에서선원조건을입력할수있도록 GUI 기반의웹사이트를 HTML (Hyper Text Markup Language) 을이용하여제작하였다. 그리고 PHP5 (Personal Hypertext Preprocessor 5) 프로그래밍을이용하여웹서버에서클러스터로접속하여사용자가입력한 파라메터를클러스터로넘겨주는프로그램을제작하였다. 이를위해, 본연구에서는 PHP 플러그인중하나인 LIBSSH2 를이용하였다 [ 그림 4]. 마지막으로사용자가계산된선량결과를확인할수있는결과전송프로그램을개발하였다. 선량결과를확인하기위해사용자가직접클러스터에접근하는것은보안상으로도위험할뿐만아니라사용자입장에서도매우불편하다. 따라서계산이완료된후자동으로사용자가입력한이메일주소로선량결과를전송하는프로그램을개발하였다. 이를위해본연구에서는메일전송프로토콜중하나인 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) 를통해사 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204 32
Fig. 5. Conceptual view of voxel description by G4VNestedParameterisation class. 용자의이메일로전송되도록프로그래밍하였다. 이는 C++ 기반으로작성되었으며, 메일전송에필요한프로토콜을지원하는 curl 라이브러리를이용하였다. curl 라이브러리는메일전송에사용되는여러프로토콜 (SMTP, POP3, IMAP 등 ) 을사용할수있으며, HTML 기반의메일도전송이가능하다. 본연구에서개발한결과전송프로그램은사용자가편하게볼수있도록일반 Text 문서가아닌 HTML 형태로변환후메일로전송하게끔제작되었다. 일반 Text 문서로결과를보게될경우에는사용자의운영체제 (Windows, Linux, Mac 등 ), 사용하는메일서비스 (Naver, Daum, G-mail 등 ), 웹브라우저 (Explore, Chrome, Firefox 등 ) 에따라결과가제각기다르게정렬되기때문에, 사용자의 PC 환경에따라정렬이안되어있는결과를볼수있다. 하지만 HTML 표를이용하는경우, 사용자는 PC 환경과상관없이정렬된결과를볼수있다. 2.3. Geant4 몬테칼로전산코드를이용한선량평가모듈개발본연구에서는앞서구축한웹기반시스템을통해표준한국인선량계산을수행하기위한선량평가모듈을개발하였다. 먼저, 표준한국인남녀복셀팬텀 (HDRK-Man, HDRK-Woman) 을클러스터서버에설치된 Geant4 몬테칼로코드에입력하였다. 본연구에서는복셀데이터를입력하기위한여러 Geant4 클래스들 [8] 중 G4VNested- Parameterisation 클래스를이용하여 HDRK-Man 과 HDRK-Woman 복셀팬텀을 Geant4 코드에입력하였다. G4VNestedParameterisation 클래스를사용하면 Geant4 에서그림 5 와같이직육면체형태의 3 차원공간을 x 축, y 축, z 축에대해일정한간격으로나누어복셀을표현할수있다. 또한, G4VNestedParameterisation 클래스를이용하여팬텀과같은다수의복셀을표현할경우, 다른지오메트리관련클래스들에비해메모리사용량이적고, 빠른계산이가능하다는장점이있다. 입력된복셀팬텀의장기선량및유효선량을계산하는방법은다음과같다. 먼저입자를수송하면서발생하는축적에너지를 G4PSEnergyDeposit 스코어클래스를사용하여각각의복셀에저장한다. 이와같은방식으로전체입자수송을모사하고, 입자수송이끝난후 G4UserRun- Action 클래스를이용하여각복셀별로축적된에너지를장기별로합산시킨다. 최종적으로합산된결과를바탕으로장기선량및유효선량을계산하게된다. 마지막으로클러스터로전송된선원조건에따라선량계산을수행하도록하였다. Geant4 에서선원조건을정의하기위해서는기본적으로 G4VUserPrimaryGenerator- Action 클래스에서사용자가직접프로그래밍을해야한 A B C Fig. 6. Main webpage of the developed online dose calculation system: (Fig. 6A) single mode, (Fig. 6B) batch mode, and (Fig. 6C) view in a smart phone. 33 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204
Fig. 7. Example of dose calculation results for point source sent by email. 다. 하지만이러한방식은선원조건이바뀔때마다컴파일을해야되며, 이는시간이오래걸릴뿐만아니라두명이상동시에사용할경우충돌이일어날수도있다. Geant4 에서는새로컴파일하지않고선원을변경할수있는매크로 (Macro) 형태의입력을제공한다. 따라서선원조건에맞는매크로파일만제작하면다시컴파일을하지않아도선원조건을새롭게정의할수있다. 이에본연구에서는클러스터서버로전송된선원조건을 Geant4 에맞는매크로파일로변경해주는프로그램을제작하였고, 이를이용하여선량계산이수행되도록하였다. 3. 결과및논의 3.. 웹기반표준한국인선량평가시스템개발본연구에서는웹기반표준한국인선량평가시스템을개발하였다. 그림 6 은개발된온라인시스템의웹사이트 (http://hurel.hanyang.ac.kr/) 를보여주고있다. 참고로웹사이트는사용자의편의를위해스마트폰에서도보기편한형태로제작되었으며 [ 그림 6C], 하나의선원조건만 입력할수있는싱글모드 [ 그림 6A] 와여러선원조건을한번에입력할수있는배치모드 (batch mode)[ 그림 6B] 를제공한다. 개발된온라인시스템은점선원과빔선원에대한선량계산을수행할수있도록제작되었으며, 이용가능한입자의에너지는 0.02- MeV 사이의에너지이다. 참고로현재개발된선량평가온라인시스템은광자에대한선량계산만가능하다. 그림 7 과 8 은이메일로전송된선량계산결과를보여준다. 결과에는사용자가입력한선원조건, 유효선량, 장기선량을차례로보여주고있으며동시에계산된값들의정확성을나타내는상대오차를보여준다. 3.2. 웹기반표준한국인선량평가시스템검증본연구에서개발한웹기반선량평가시스템을검증하기위하여 MCNPX 몬테칼로코드를이용한유효선량평가결과와비교하였다. 선량비교를위해 AP (anteriorposterior), PA (posterior-anterior), LLAT (left lateral) 방향에대한 0.03- MeV 의에너지를갖는광자빔에대한유효선량을계산하였다. 사용한초기입자의수는 7-9 개로계산결과가모두 % 이내가되도록하였다. 본 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204 34
Fig. 8. Example of dose calculation results for beam source sent by email. 계산에사용된물리모델 (physics model) 은 Geant4 의경우 G4EMLivermorePhysics 이고 MCNPX 의경우 MCPLIB ( 광자 ) 및 EL( 전자 ) 라이브러리이다. Geant4 및 MCNPX 코드를이용한각각의유효선량평가결과를비교하여그림 9 에제시하였다. 그결과모든방향및에너지에대해서대부분 % 이내로유의한차이를보이지않았다. 이러한약간의차이는사용된물리모델의차이및통계오차등에의한것으로판단된다. 이와같이본연구에서개발한온라인 ( 또는웹기반 ) 시스템이제공하는선량평가결과의유효성을확인할수있었다. 추가적으로본연구에서계산한표준한국인유효선량을 ICRP 6 보고서 [3] 에제시된유효선량과비교하였다 [ 그림 ]. 광자의에너지가 0.08 MeV 이상인경우모든방향및에너지에서 % 이내로유의한차이를보이지않았다. 반면에 0.08 MeV 미만인경우대부분 % 이상의차이를보였으며, 특히 PA 방향과 LLAT 방향각각 0.03 MeV 에대해서 7%, 8% 의차이를보였다. 결과적으로인종간의해부학적차이는고에너지광자에대한선 량에는영향을미치지않는반면에저에너지광자에대한선량에유의한영향을미치는것을확인하였다. 따라서투과력이낮은저에너지광자또는하전입자에대한선량평가를수행할경우인종간의해부학적차이를고려해야한다. 4. 결론 본연구에서는웹기반표준한국인선량평가시스템을개발하였다. 개발된시스템은사용자가온라인에접속하여입력한선원조건에따라실시간으로몬테칼로선량계산을수행할수있는높은접근성을제공함과동시에표준한국인팬텀을이용하므로한국인고유의방사선방호량을계산할수있다. 따라서개발된웹기반시스템을이용하면몬테칼로전산모사기술이없이도누구나원하는한국인선량을쉽게계산할수있기때문에특히국내방사선작업자들에대한방호연구발전에큰기여를할것으로기대된다. 참고로현재개발된시스템은광자에 35 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204
0 0. AP direction 0.0 0.0 0. MCNPX This study 0 0. AP direction 0.0 0.0 0. HDRK phantoms ICRP phantoms 0 0. PA direction 0.0 0.0 0. MCNPX This study 0 0. PA direction 0.0 0.0 0. HDRK phantoms ICRP phantoms 0 0. LLAT direction 0.0 0.0 0. MCNPX This study Fig. 9. Comparison of effective dose values calculated by the developed system and MCNPX for AP, PA, and LLAT directions. 의한외부피폭선량계산만가능하다. 차후에는다른입자들 ( 예, 전자, 중성자, 양성자등 ) 뿐만아니라내부피폭선량계산도가능하도록지속적인업데이트를진행할예정이다. 감사의글이논문은정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된일반연구자지원사업 (No. 20-0025496), 및글로벌박사펠로우십사업임 (No. 20-000738, 20 0030970). 0 0. LLAT direction 0.0 0.0 0. HDRK phantoms ICRP phantoms Fig.. Comparison of effective dose values between HDRK phantoms and ICRP phantoms for AP, PA, and LLAT directions. 참고문헌. International Commission on Radiological Protection. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 3. Oxford; ELSEVIER Press. 2008. 2. International Commission on Radiological Protection. Adult Reference Computational Phantoms. ICRP Publication. Oxford; ELSEVIER Press. 2009. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204 36
3. International Commission on Radiological Protection. Conversion Coefficients for Radiological Protection Quantities for External Radiation Exposures. ICRP Publication 6. Oxford; ELSEVIER Press. 20. 4. International Commission on Radiological Protection. Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection: Reference Values. ICRP Publication 89. Oxford; Pergamon Press. 2002. 5. Kim CH, Choi SH, Jeong JH, Lee C, Chung MS. HDRK-Man: a whole-body voxel model based on high-resolution color slice images of a Korean adult male cadaver. Phys. Med. Biol. 2008;53:4093-46. 6. 함보경, 조건우, 염연수, 정종휘, 김찬형, 한민철. 한국인기준여성체적소형모의체개발. 방사선방어학회. 202;37:4-49. 7. Park S, Lee J, Kim JI, Lee YJ, Lim YK, Kim CS, Lee C. In vivo organ mass of Korean adults obtained from whole-body magnetic resonance data. Radiat. Prot. Dosim. 2005;8:275-279. 8. Schümann J, Paganetti H, Shin J, Faddegon B, Perl J. Efficient voxel navigation for proton therapy dose calculation in TOPAS and Geant4. Phys. Med. Biol. 202;57:328-3293. Development of Reference Korean Organ and Effective Dose Calculation Online System Sooyeun Park *, Yeon Soo Yeom *, Jae Hyeon Kim *, Hyun Su Lee *, Min Cheol Han *, Jong Hwi Jeong, and Chan Hyeong Kim * * Department of Nuclear Engineering, Hanyang University, National Cancer Center at Korea Abstract - Recently High-Definition Reference Korean-Man (HDRK-Man) and High-Definition Reference Korean-Woman (HDRK-Woman) were constructed in Korea. The HDRK phantoms were designed to represent respectively reference Korean male and female to calculate effective doses for Korean by performing Monte Carlo dose calculation. However, the Monte Carlo dose calculation requires detailed knowledge on computational human phantoms and Monte Carlo simulation technique which regular researchers in radiation protection dosimetry and practicing health physicists do not have. Recently the UFPE (Federal University of Pernambuco) research group has developed, and opened to public, an online Monte Carlo dose calculation system called CALDOSE_X(www.caldose.org). By using the CALDOSE_X, one can easily perform Monte Carlo dose calculations. However, the CALDOSE_X used caucasian phantoms to calculate organ doses or effective doses which are limited for Korean. The present study developed an online reference Korean dose calculation system which can be used to calculate effective doses for Korean. Keywords : HDRK phantoms, Monte Carlo simulation, Geant4, Effective dose, Dose evaluation online system 37 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.39 NO. MARCH 204