Reading Deviations of Glass Rod Dosimeters Using Different Pre-processing Methods for Radiotherapeutic in-vivo Dosimetry Hosang Jeon*, Jiho Nam*, Dahl Park, Yong Ho Kim, Wontaek Kim, Dongwon Kim, Yongkan Ki, Donghyun Kim, Ju Hye Lee Department of Radiation Oncology, *Pusan National University Yangsan Hospital, Yangsan, Pusan National University Hospital, Pusan National University School of Medicine, Busan, Korea The experimental verification of treatment planning on the treatment spot is the ultimate method to assure quality of radiotherapy, so in-vivo skin dose measurement is the essential procedure to confirm treatment dose. In this study, glass rod dosimeter (GRD), which is a kind of photo-luminescent based dosimeters, was studied to produce a guideline to use GRDs in vivo dosimetry for quality assurance of radiotherapy. The pre-processing procedure is essential to use GRDs. This is a heating operation for stabilization. Two kinds of pre-processing methods are recommended by manufacturer: a heating method (70 degree, 30 minutes) and a waiting method (room temperature, 24 hours). We equally irradiated 1.0 Gy to 20 GRD elements, and then different preprocessing were performed to 10 GRDs each. In heating method, reading deviation of GRDs at same time were relatively high, but the deviation was very low as time went on. In waiting method, the deviation among GRDs was low, but the deviation was relatively high as time went on. The meaningful difference was found between mean reading values of two pre-processing methods. Both methods present mean dose deviation under 5%, but the relatively high effect by reading time was observed in waiting method. Finally, GRD is best to perform in-vivo dosimetry in the viewpoint of accuracy and efficiency, and the understanding of how pre-processing affect the accuracy is asked to perform most accurate in-vivo dosimetry. The further study is asked to acquire more stable accuracy in spite of different irradiation conditions for GRD usage. Key Words: Treatment dose verification, Glass rod dosimeter, Pre-processing method 서 고에너지방사선을이용하는방사선치료는여러가지종양의치료법들중에서도그발전속도가빠른분야인데, 특히방사선치료의정확성 (accuracy) 과정밀성 (precision) 을극대화하는방향으로다양한기술개발이이루어지고있다. 이러한방사선치료의품질을최종적으로보장하기위해서는치료현장에서의선량검증이필요한데, 일반적으로치료조사면에해당하는환자의체표면에소형선량측정기를부착하여치료선량을직접측정하는방법을사용한다. 이를위해재연성이높고에너지의존성이낮은열형 본연구는 2011년도양산부산대학교병원임상연구비및교육과학기술부의일반연구자지원사업 (2012-004920) 의지원으로이루어졌음. 이논문은 2012년 12월 12일접수하여 2013년 4월 23일채택되었음. 책임저자 : 박달, (602-739) 부산시서구아미동 1가 10번지부산대학교병원방사선종양학과 Tel: 051)240-7924, Fax: 051)248-5747 E-mail: dpark411@gmail.com 론 광선량계 (TLD, Thermoluminescent dosimeter) 가 1,2) 오랫동안사용되어왔으나복잡하고정교한보정및판독과정을필요로하기때문에상당한시간과비용이소요된다는단점을가지고있다. 2000년대들어 TLD를대체할수있는몇가지측정소자들이소개되었는데, 다이오드나 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister) 와같은반도체기반측정소자들과유리선량계 (GRD, Glass rod dosimeter) 나광자극형광선량계 (OSLD, Optically stimulated luminenscent dosimeter) 와같은형광물질기반소자들로나누어볼수있으며, 이러한소자들의특성및응용에관한연구들은국내외적으로활발히이루어지고있다. 3-8) 특히 Mizunoa 등은 9) 다기관연구를통해 GRD가표준편차 1.3% 의높은재연성을가지며, 에너지의존성 (Energy dependence) 은거의없음을보고한바있다. 일반적으로형광물질기반소자들은방사선조사후판독하기전에전처리 (Pre-processing) 과정을필요로하는데, - 92 -
이는형광물질의특성상판독과정에서충분한형광반응을나타내기위해서반드시필요한절차이다. 이때전처리방법에따라일정한시간이소요되거나별도의가열장비등이필요할수있으므로, 각치료기관의여건에맞는선택이필요하다. 특히 GRD의경우에는방사선조사후일정시간열처리를하는전처리과정이필요한데, 제조사에서는가열방식또는대기방식의전처리를권고하고있다. 10) 가열방식은 GRD를 70 o C로유지되는오븐등의가열장치에삽입하여 30분간가열한후판독하는방법이며, 대기방식은 GRD를상온에 24시간보관한후판독하는방법이다. 본연구의목적은현재국내에서도점차그사용이늘어나고있는 GRD의두가지전처리조건들이측정정확도에미치는영향을실험을통해비교분석하고, 이를근거로유리선량계사용자들에게유용한참고자료를제시하는것이다. GRD의전처리조건이측정결과에미치는영향에관한연구는세계적으로아직보고된바없다. 또한본연구에서는다수의방사선치료환자들을대상으로실제치료중체표면선량측정을통해전처리방법이측정결과에미치는영향을실험적으로검증하였다. 재료및방법 1. 유리선량계제원및사용방법본연구에사용된유리선량계 (GD-302M, Asahi Techno Glass, Shizuoka, Japan) 의형광물질은 P 31.55%, O 51.16%, Al 6.12%, Na 11.0%, 그리고 Ag 0.17% 로이루어진은활성인산염이며, 직경이 1.5 mm, 길이가 12 mm의소형실린더형태로소조사면 (small field) 의선량측정도가능하다. 일단방사선에조사된 GRD의내부에는전자및정공이생성되며, 유리구조내에서이전자들을포획한 Ag 이온및분자들을 RPL (Radio-Photo Luminescence) center라고부른다. 이 RPL center들이전처리과정을통해안정화된후에질소레이저를이용한판독기 (FGD-1000SE, Asahi Techno Glass, Shizuoka, Japan) 를이용하여여기시키면주황색의형광방출현상이일어나는데, 피폭선량에비례하는이형광량을측정하여최종적으로선량을판독하게된다. GRD를이용한선량측정절차는 Fig. 1에나타나있는데, 먼저 GRD 소자를 400 o C에서 1시간동안가열하면모든 RPL center들이소멸되면서초기화가이루어진다. 그후정해진선량을 GRD 소자에조사하고전처리를수행하는데, 이때비교를위해가열방식과대기방식을각각사용하였다. 전처리과 Fig. 1. (a) The dose measurement procedure, (b) a GRD element, (c) a GRD reader, and (d) inner structure of the reader. - 93 -
Hosang Jeon, et al:reading Deviations of GRDs Using Different Pre-processing Methods Fig. 2. (a) Experimental setup of GRD elements and an ion chamber for radiation exposure and (b) its actual figure. 정이모두끝나면마지막으로레이저판독기를이용하여형광량을측정한후이를최종선량값으로변환하였다. 2. 조사실험본실험에는 20개의 GRD 소자들이사용되었으며, 각각의소자에같은양의방사선량을조사하기위하여 Fig. 2 와같은조건에서조사실험을수행하였다. GRD는 PMMA 로제작된두께 0.5 cm의홀더를이용하여조사면중심축상에고정되며, Build-up를위하여 1.3 cm 두께의고체물팬톰 (SP34, IBA dosimetry) 를사용하였다. GRD 후방에는충분한후방산란 (Back scattering) 효과를위해 10 cm 두께의 SP34를사용하였고, 그아래에는 GRD 소자간선량차이를보정하기위하여이온전리함 (FG-65G, IBA dosimetry) 을설치하였다. 소자간선량보정은 20개의 GRD에방사선을조사할때마다동시에이온전리함으로측정하여그값들을기록한후첫번째값을기준으로정규화 (Normalization) 하는방법으로수행하였다. 실험에사용한선형가속기는 Varian 사의 Clinac ix이며, 6MV 에너지와 10 cm 10 cm의조사면을사용하였다. 선원표면거리 (SSD, Source to Surface Distance) 는 100 cm이며, 100 MU (Monitor Units) 을사용하여각 GRD 마다 1.0 Gy의선량을균일하게조사하였다. 실제방사선치료시동일한치료선량의반복측정은근본적으로불가능하므로, 본실험에서도 GRD 당선량조사는 1회로한정하였다. 3. 전처리및판독 GRD의방사선조사를마친후에는즉시전처리과정을수행하였으며, 10개는가열방식전처리를수행하고, 나머지 10개는대기방식의전처리를수행하였다. 단, 가열방식의경우 30분의가열후자연냉각을위해상온에서 30분의추가지연후판독하였다. 또한치료현장의상황에따라즉시판독이이루어지지못할가능성이있으므로시간의흐름에따른판독값의변화를알아보기위하여선량조사후 24시간이되는시각을시작으로 48, 72, 96, 240시간이경과할때마다판독과정을반복하였다. GRD 판독기내에는 1 20번까지의 GRD 삽입공간이있어서 20개의 GRD를동시에판독할수있으나, 삽입위치에따른편차를제거하기위하여 1번삽입공간만을사용하였다. 또한가열방식과대기방식상호간의판독절대값을정확히비교하기위해전처리방식에따른별도의선량보정은수행하지않았다. 4. 결과통계분석조사실험결과는전처리과정이끝난직후에판독한자료와일정시간지연후판독한자료의두가지이다. 전자의경우각전처리방식을적용한후의판독값들의평균과소자간표준편차를계산하여서로비교하였으며, 후자의경우전처리이후지연시간의증가에따른개별소자의판독값편차를분석하였다. - 94 -
5. 임상측정평가본연구에서는실제방사선치료환자들을대상으로위에서언급된두가지전처리방법들을이용한체표면선량측정및판독을수행하였다. 본측정은 IMRT를제외한 3차원입체방사선치료환자들을대상으로하였으며, 각치료마다여러개의치료빔들중 GRD 설치가용이하면서도갠트리각도가 0도에가장가까운빔을선정하여수행하였다. 치료에너지는 6 MV와 15 MV이므로 build-up을위하여각각두께 1.5 cm와 3.0 cm의 bolus를이용하였다. GRD 측정선량값과비교할기준선량값은치료계획시스템내환자 CT 영상에서 GRD 부착위치를찾은후 bolus 두께만큼의깊이에서의선량값을사용하였으며, bolus 추가로인한 SSD의차이는무시하였다. 본연구에서는먼저대기방식을이용하여 GRD를교정한후다양한치료부위를가진 125명의환자들을대상으로약 6개월간체표면선량측정을수행하였으며, 이어서가열방식으로 GRD를교정한후 126명의환자들을대상으로약 6개월간체표면선량측정을수행하였다. 단, 판독시점은현장상황에따라조사후 1 5일사이에이루어졌으므로 GRD 교정때와동일한판독시점을사용하였다고볼수는없다. 임상측정대상환자들의치료부위별분포는 Table 1에나타나있는데, Head 와 Chest를제외한나머지부위들의숫자는비교적균일하도록하였으며전처리방식별환자수는서로거의같다. 결과 1. 전처리방식에따른판독영향 높은것으로나타났다. 또한모든소자에동일한선량을조사하였음에도불구하고, 가열방식의경우보정전판독평균값이대기방식의그것보다 4.1% 높게측정되었다. 전처리방식별판독결과는 Table 2에자세히나타나있다. 2. 시간경과에따른판독영향 가열방식의경우개별소자들의전처리후시간지연에따른개별소자의판독값편차는 0.13 0.79% 범위로나타났고, 특정시간에서소자간편차는 1.35 1.85% 로나타났다. 반면대기방식의경우에는개별소자의전처리후시간지연에따른판독편차는 1.71 2.12% 로, 특정시간에서소 Table 2. Comparison of GRD reading values with two different pre-processing methods. GRD Heating Reading (arbitrary unit) GRD Waiting Reading (arbitrary unit) 01 1410962 11 1367930 02 1425323 12 1369126 03 1414552 13 1381044 04 1414552 14 1387027 05 1456415 15 1367879 06 1443262 16 1370322 07 1450436 17 1379888 08 1440869 18 1368503 09 1430699 19 1373909 10 1419938 20 1378077 Average 1430701 Average 1374370 Standard deviation 1.13% Standard deviation 0.49% 실험결과두가지전처리방식모두에서 GRD 소자간측정편차가 2% 이내로나타났으나, 가열방식의소자간편차는 1.13% 로대기방식의그것 (0.49%) 에비해 2배이상 Table 1. Patient numbers of different pre-processing methods and different sites. Site Heating Patient number Waiting Head 4 16 Neck 29 25 Breast 23 26 Chest 9 3 Abdomen 36 25 Pelvis 25 30 Total 126 125 Fig. 3. Mean reading deviations of GRDs according to time delay between pre-processing and reading. - 95 -
Hosang Jeon, et al:reading Deviations of GRDs Using Different Pre-processing Methods 자간편차는 0.56 0.71% 로나타났다. 즉, 가열방식의전처리를사용한경우에는판독전시간의지연에따른영향은상대적으로작았으나특정시각에서의소자간편차가두드러졌고, 대기방식의전처리를사용한경우에는특정시각에서의소자간판독편차는작았지만시간의지연에따른개별소자의판독편차는상대적으로크게나타났는데, 이는 Fig. 3에잘나타나있다. 3. 임상측정평가 총 251명의환자들을대상으로두가지전처리방법을사용하여수행한체표면선량측정및판독결과는 Table 3 과같다. 가열방식의경우 3.46% 의평균오차와 2.69% 의표준편차를나타내었고, 대기방식의경우 4.10% 의평균오차와 3.79% 의표준편차를나타내었다. 두방법간평균오차의차이는 0.64% 이나표준편차의차이는그보다큰 1.10% 이므로, 전처리방식의영향은평균오차보다는표준 Table 3. Mean errors and deviations of different preprocessing methods and different sites. Site Mean error (%)±Standard deviation (%) Heating Waiting Head 3.26±3.40 3.98±3.22 Neck 2.84±2.28 2.71±2.71 Breast 5.23±2.22 4.28±3.66 Chest 2.70±2.09 5.49±3.83 Abdomen 3.42±2.56 4.83±3.76 Pelvis 2.93±3.28 2.04±1.78 Mean 3.46±2.69 4.10±3.79 편차에서다소두드러지게나타났다고볼수있다. 통계적으로유의한 20건이상의측정이이루어진부위를대상으로본평균측정오차는가열방식의경우 Breast와 Neck에서각각최대및최소값을나타내었으며, 대기방식의경우 Abdomen와 Pelvis에서최대및최소값을나타내었다. 가열방식과대기방식을이용한측정오차의히스토그램은각각 Fig. 4와 Fig. 5에나타나있다. 대기방식의경우상대적으로넓은오차분포를보이고있는데, 특히 10% 를초과하는경우가 12건에달하였다. 가열방식의경우에는상대적으로좁은오차분포를보였으며, 10% 를초과하는경우는 3건이었다. 고찰및결론유리선량계는방사선에너지및선량의존율이작고, 선량의누적및보존이가능하다. 또한 MOSFET 등과같은반도체기반측정기들과는달리주변기기없이단독사용이가능하므로방사선치료현장에서많은환자들의선량측정을효율적으로수행하는데적합한선량측정방법이다. 다만형광량을안정시키기위하여방사선조사후전처리과정이필수적인데, 이때전처리시간이나방법등에따라측정결과의정확도가달라질수있으므로주의를요한다. 본연구에서는가열방식과대기방식의전처리가선량판독에미치는영향을비교분석함으로써유리선량계사용자들에게유용한참고자료를제시하였다. Fig. 4. The histogram of in-vivo dose readings with the heating method. Fig. 5. The histogram of in-vivo dose readings with the waiting method. - 96 -
1. 전처리방식에따른영향가열방식으로전처리한직후에판독한 GRD 소자들간편차는 1.13% 로대기방식에비해상대적으로높게나타났으며, 판독전시간지연이증가할수록그편차는더욱증가하는경향을보였다. 이것은인위적으로열을가하여 RPL center의안정화를가속화할때각소자가경험하는온도조건이정확히같지않기때문으로생각된다. 이현상은온도가높을수록 RPL center의밀도변화의폭이큰 GRD 의특성으로설명될수있다. 10) 그러나판독전시간지연에따른개별소자의판독값변화는거의없는것으로나타났는데, 전처리후판독전까지 240시간이지연될때까지개별소자의판독값편차는 0.3% 로매우높은안정성을보였다. 따라서가열방식으로 GRD 소자를조기에안정화할경우개별소자의안정성을극대화할수있을것으로생각된다. 한편대기방식으로전처리한직후에판독한 GRD 소자들간판독편차는 0.49% 로, 가열방식의그것에비해 2배정도낮은편차를보였다. 또한이편차는판독전시간지연이존재해도증가하지않고거의비슷하게유지되었다. 이는가열방식에비하여모든소자에비교적균일한온도조건을제공하는것이용이하기때문이다. 또한낮은온도에서온도변화에따른 RPL center의밀도변화는높은온도에서의그것에비해덜민감하기때문이으로생각된다. 그러나개별소자의경우판독전시간지연에따른판독값의편차는약 1.9% 로가열방식의그것에비해 6배정도크다. 따라서대기방식을사용하면개별 GRD 소자의안정성은상대적으로낮아진다고볼수있다. 환자체표면선량측정을통해방사선치료선량을평가할때치료선량의분할 (Fractionation) 수가적거나 1회치료선량이큰경우에는신속한판독결과확인이필요한경우가존재한다. 이때에는빠른전처리가가능한가열방식을선택하는것이필요할것이나, 가열처리를위해서는오븐등열처리를위한별도의장비가필요하며소자간판독편차도상대적으로크기때문에판독오차가다소증가할가능성이있음을염두에두어야한다. 일반적인경우에는즉각적인판독결과의확인이요구되지는않으므로대기방식의전처리를사용하여판독오차를최소화할수있다. 다만대기방식의경우판독전시간지연이있을경우판독값의편차가상대적으로크기때문에판독시각에유의해야한다. 두가지전처리방법을이용한임상측정평가의결과 모두 5% 이내의평균오차를나타내었으므로, GRD는방사선치료선량의측정평가에사용되기에적합한신뢰도를보였으며, 이는이미발표된연구결과들과도부합한다. 3,5,7) 또한미리계획된지정위치에 GRD를정확히부착하기만하면되므로치료소요시간의증가가거의발생하지않는데, 실제로본기관에서도체표면선량측정의여부가치료소요시간에거의영향을주지않는것으로나타났다. 단, 동일한선량을조사했음에도불구하고보정을거치지않은가열방식과대기방식간판독초기값들간에 4.1% 정도의차이가발생하였는데, 이는명백히전처리방식의차이에서기인한것이므로 GRD의임상사용시사용하게될전처리방식과판독시점은판독시스템보정시에사용했던전처리방식및판독시점과반드시일치해야한다. 2. 임상적용결과분석임상측정평가결과는전체적으로볼때 Neck이나 Pelvis에서측정오차가작은것으로나타났는데, 본기관에서이부위들을대상으로하는치료계획의경우갠트리각도가 0도인치료빔을포함하는경우가대부분이므로고체물팬톰을사용하는 GRD 교정조건과가장유사할뿐아니라 GRD를설치하기에도가장용이하다. 반대로큰오차를보인 Breast나 Abdomen의경우에는비스듬한각도를가지는치료빔이대부분이었고, GRD 설치가까다로운경우도다른부위들에비해상대적으로더많았기때문으로생각된다. 또한대기방식의경우상대적으로넓은오차의분포가나타나는것은판독시점의영향으로생각된다. 열처리여부와함께 GRD 전처리과정의주요요소인판독시점은가열방식보다대기방식에서더큰영향을미치는데, 치료현장에서는상황이나여건에따라정확한판독시점을지키지못하는경우가종종발생한다. 특히 Fig. 3에나타난바와같이대기방식의경우판독값은판독시점의영향을많이받는데, 5일이경과할경우에는 3% 이상변하는것으로나타났다. 3. 결론결론적으로환자의체표면선량측정시 GRD는기존의 TLD와비슷한정확성을가지면서도매우간편한교정및판독환경을제공하며, 실제치료와측정이이루어지는치료실에서도추가적인시간과노력을거의요구하지않으므로치료현장에서사용하기에가장적합하다고할수있다. - 97 -
Hosang Jeon, et al:reading Deviations of GRDs Using Different Pre-processing Methods 다만 GRD 고유의전처리과정에서열처리와판독시점이판독정확성에미치는영향을고려할때신속한판독이요구되는경우에는가열방식을사용하고그렇지않은경우에는대기방식의전처리가적합하되, 판독시점을잘지켜야한다. 또한치료부위에따라 GRD 측정의정확성이서로상당한차이를나타내었는데, 향후 GRD의활용도를보다높이기위해서는갠트리각도나치료부위등다양한조건하에서도안정적인측정신뢰도를유지할수있는측정방법혹은도구에대한연구가필요할것으로생각된다. 참고문헌 1. Mobit PN, Nahum AE, Mayles P: A MonteCarlo study of quality dependence factors of common TLD materials in photon and electron beams. Phys Med Biol 43:2015-2032 (1998) 2. Kirby TH, Hanson WF, Johnston DA: Uncertainty analysis of absorbed dose calculations from thermoluminescence dosimeters. Med Phys 19:1427-1433 (1992) 3. Rah JE, Kim SY, Cheong KH, et al: Feasibility study of radiophotoluminescent glass rod dosimeter postal dose intercomparison for high energy photon beam. Appl Radiat Isotopes 67:324-328 (2009) 4. Rah JE, Suh WS, Shin DO, et al: Determination of output factors for the gamma knife using a radiophotoluminescent glass rod detector. Korean J Med Phys 18:13-19 (2007) 5. Ko YE, Park SH, Choi BJ, et al: Comparison of skin dose measurement using glass rod dosimeter and diode for breast cancer patients. Korean J Med Phys 19:9-13 (2008) 6. Raj V, John M, Brenden G, Michael W: In vivo prostate IMRT dosimetry with MOSFET detectors using brass buildup caps. J App Cli Med Phys 7:22-32 (2006) 7. Shih H, Chien Y, Tien Y, et al: Clinical application of radiophotoluminescent glass dosimeter for dose verification of prostate HDR procedure. Med Phys 35:5558-5564 (2008) 8. Arakia F, Moribe N, Shimonobou T, Yamashita Y: Dosimetric properties of radiophotoluminescent glass rod dosimeter in high-energy photon beams from a linear accelerator and cyber-knife. Med Phys 31:1980-1986 (2004) 9. Mizunoa H, Kanaia T, Kusanob Y, et al: Feasibility study of glass dosimeter postal dosimetry audit of high-energy radiotherapy photon beams. Radiother Oncol 86:258-263 (2007) 10. Technical Report: Explanation material of RPL glass dosimeter. Small Element System. Asahi Techno Glass Corporation, Tokyo, Japan (2000) 유리선량계의전처리방법이방사선치료선량측정에미치는영향 * 양산부산대학교병원방사선종양학과, 부산대학교병원방사선종양학과, 부산대학교의학전문대학원방사선종양학교실 전호상 * ㆍ남지호 * ㆍ박달 ㆍ김용호 ㆍ김원택 ㆍ김동원 ㆍ기용간 ㆍ김동현 ㆍ이주혜 여러치료선량측정기들중치료현장에서의사용이간편한형광물질기반측정기인유리선량계 (Glass Rod Dosimeter, GRD) 는방사선조사후측정소자의안정화를위한전처리 (Pre-processing) 과정이필수적이며, 가열방식 (70 o C, 30분 ) 과대기방식 (20 o C, 24시간 ) 의두가지의전처리방식이사용되고있다. 본연구에서는각각의전처리조건이측정결과에미치는영향을분석하여사용자들에게유용한참고자료를제시하고자한다. 20개의 GRD 소자들모두에같은선량을조사한후, 10개씩나누어각각다른전처리방식을사용하여판독함으로써각전처리방식의특징들을상호비교하였다. 가열방식의경우소자간판독편차는 1.13%, 시간에따른평균판독값의편차는최대 5.33% 였다. 대기방식의경우에는소자간판독편차가 0.49%, 시간에따른평균판독값의편차는최대 1.28% 로나타났다. 또한동일한선량을주었을때전처리방식에따라판독절대값은 4.1% 의차이를보였다. 또한 251명의환자들을대상으로한임상측정평가결과부위에따라다르지만평균적으로 5% 이내의측정오차를보였으나, 대기방식의경우판독시점에따른영향이상대적으로크게나타났다. 결론적으로 GRD는치료현장에서사용하기에적합하나신속한판독이요구되지않는다면대기방식의전처리가보다적합하며정해진판독시점을지켜야한다. 또한치료부위등조사조건의변화에관계없이안정적인정확성을기대할수있는측정방법에대한연구가향후필요하다고생각된다. 중심단어 : 치료선량확인, 유리선량계, 전처리방법 - 98 -