액체섬광검출용액은 기본용매 (base solvent)에 기름을 혼합해 희석하고 빛을 내기 위하여 섬광체 (fluor) 가루를 넣고 방출된 빛은 광증폭관 (photomultiplier tube, PMT)에 의해 측정된다. 하지만, 기존의 물기반 액체섬광용액 (water-based liquid scintillator)은 물과 기름이 섞이지 않기 때문에 계면활성제를 사용해야 했지만, 알코올을 기반으로 한 액체섬광용액 (alcohol-based liquid scintillator) 은 계면활성제를 사용하지 않고 형광체를 바로 녹일 수 있으며, 물과 혼합이 비교적 잘 된다 [1].

본 연구는 액체섬광검출용액을 구성하는 성분들의 배합비율을 달리함으로써 물리 광학적 성질, 빛 방출량 및 비정 (beam-path-length, range, R_p) 등을 자유롭게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다. 하나의 예로 의학물리학 분야 의료형 선형가속기에서 사용하는 전자선을 알코올 기반 액체섬광검출용액에 입사하여 비정을 측정하였다. 전자선은 고에너지 선형가속기에서 발생하는 입자 전리방사선으로 종양을 치료하기 위하여 많이 사용하고 있다. 전자선 에너지는 4 MeV에서 22 MeV로 다양하게 발생시킬 수 있지만, 보통 6, 9, 12 MeV을 많이 사용한다. 더 높은 에너지를 사용하면 선량 깊이에 따른 백분률 (percentage depth dose, PDD)이 높아지고 비정이 늘어난다. 이런 상황에서는 피부 종양 치료가 어려우며, 비정 또한 깊어져 과도한 방사선 선량이 주사되어 정상세포도 괴사할 수 있기 때문에 통상 16 MeV 이상의 전자선은 사용하지 않는다. 본 연구에서는 알코올 기반 액체섬광검출용액을 제조 한 후 전자선을 입사해 촬영한 사진들의 이미지를 분석하여 비정을 측정하였다. 그리고, 인체와 비슷한 밀도를 가진 phantom을 이용하여 시뮬레이션 후 비정 측정값을 얻었다. 또한, 컴퓨터 단층촬영 (Computer Tomography, CT)을 이용해 사각 아크릴 용기에 물과 알코올 기반 액체섬광검출용액을 넣어 직접 촬영하여 이미지를 얻은 후 고에너지 선형가속기의 전산치료계획 시스템 (Varian eclipse treatment planning system)에 적용하여 비정을 측정하였다 [2]. 하지만, 이러한 측정들은 실제로 고에너지 방사선 치료기기가 필요할 뿐만 아니라 알코올 기반 액체섬광검출용액도 직접 제조해야 하는 어려움이 있다. 고에너지 방사선 치료기기인 의료용 선형가속기와 CT는 고가의 장비이다. 이러한 장비는 일반 유저가 쉽게 사용할 수 있는 것이 아니기 때문에 숙련이 되지 않으면 여러 위험성이 존재할 수 있어 사용 시에 매우 주의하여야 한다.

한편, 전자선을 이용한 알코올 기반 액체섬광검출용액의 비정 측정 결과 비교를 위해 Geant4를 기반으로 한 몬테카를로 시뮬레이션 (Monte Carlo simulation, 전산모사) 을 하였다. Geant4는 핵, 입자물리학 및 의학물리학 등 다양한 분야에 널리 이용되고 있다. Geant4는 임의의 물질을 통과하는 입자들의 경로, 진행 궤적, 에너지 등을 알 수 있는 하나의 플랫폼으로 구성되어 있다. 본 연구는 Genat4에서 제공하는 툴킷 (toolkit) 을 이용하였다. 이것은 사용자가 특정 기기나 응용에 사용할 프로그램 또는 루틴의 세트를 말하며, 툴킷에는 기하학적인 시스템, 물질에 대한 정보들, 기본 입자의 상호작용, 기본 이벤트의 활성, 물질과 전자기파를 통한 입자 추적, 물리학적 입자 상호작용의 과정들, 이벤트 데이터 생성, 검출기와 입자 궤도 시각화 등이 있다. 분석을 위하여 root 프로그램을 설치하였는데 이는 많은 양의 데이터를 매우 효율적으로 분석하는 방법과 빠르게 분석하고 C++ 언어를 기반으로 하여 좋은 환경을 제공하고 있다 [3]. 최종적으로 컴퓨터 단층촬영 이미지와 전산치료계획 시스템을 이용한 비정 측정 결과값, 의료용 방사선 치료기기인 Novalis Tx를 이용한 알코올 기반 액체섬광검출용액 비정 측정 결과값, solid water phantom을 이용한 비정 측정 결과값과 Geant4를 이용한 전산모사 비정 측정 결과값들을 비교 분석하였고, 이는 다양한 물질 및 기기들을 이용하여 비정을 측정할 수 있는 아주 큰 장점을 준다.

1. 의료용 선형가속기

고에너지 입자 물리학에서는 기본 입자들 사이의 상호작용 (interaction)을 연구한다. 그러나 입자들 사이가 매우 가까운 거리에서 일어나는 약한 (weak) 상호작용과 강한 (strong) 상호작용을 관찰하기 위해서는 입자의 운동 에너지를 크게 하여 입자들이 가까운 거리로 근접하게 할 필요가 있다. 고에너지 입자 물리학에서 뿐만 아니라 의학물리학 분야에서도 치료용 방사선 가속기는 국내 대부분의 대학 병원에 설치되어 임상과 기초 연구 분야에서 활용되고 있다. 고에너지 입자 실험물리학 연구에서 사용되는 입자 가속기는 원리에 따라 크게 두 종류로 분류될 수 있다. 첫째로 의료용 선형가속기는 음극과 양극 사이의 전하를 띤 입자가 전하에 따라 음극 또는 양극을 향해 정전기력을 받게 되고, 이 힘에 의해 가속된다. 둘째, 원형 가속기의 경우 자기장 속에서 가속기에 걸리는 전압의 부호를 바꾸어 줌으로써 하나의 가속기로 입자를 계속 가속 시키는 방법을 사용한다.

보통 의료용인 방사선치료기기를 “선형가속기”라고 명명하고 있으며, 치료 방법에는 3 dimensional conformal radiotherapy (3D CRT), intensity modulated radiotherapy (IMRT), volumetric modulated arc therapy (VMAT)와 같은 방법들이 있다. 이 중에 최신 기법인 VMAT는 기존 방사선치료법의 정적인 치료 한계를 벗어나 회전치료기술을 활용, 종양 부위에 방사선을 보다 빠르고 입체적으로 집중시킬 수 있도록 개선되었다. 특히, VMAT은 종양 전체 부위를 한꺼번에 인식하여 방사선을 조사하며, 또한 360도 전체가 아닌 일부분의 각도 내에서만 선형가속기가 회전하기 때문에 환자가 받아들이는 전체 선량은 상대적으로 적게 되어 부작용 가능성을 줄일 수 있다. 또한, 가장 앞선 방사선 치료법인 VMAT를 가장 정밀하게 수행할 수 있는 능력을 지닌 최첨단 방사선치료기기로는 본 연구에 쓰이는 의료용 방사선 종양 치료기기인 Novalis Tx (Varian, Palo Alto, USA)가 있는데 Fig. 1에 나타나 있다. Novalis Tx는 최근 개발 된 고속 원형 회전 방사선 치료 (rapid arc radiation therapy) 장비이다. 최대 선량률 (dose rate)은 flattening filter free (FFF)에서 1400 MU/min이고, X-선은 6과 10 MeV에서는 600 MU/min을 사용하고 있으며, 전사선 빔은 6, 9, 12, 15, 18 MeV에서도 최대 1000 MU/min를 사용할 수 있다. 보통 100 Monitor Unit (MU)는 방사선량으로 1 Gy를 의미한다. 의학물리학에서 X-ray의 에너지 단위를 MeV 대신 MV로 표기하기도 하는데 이는 전자선과 혼돈을 피하기 위함이다. 또한, cone beam computed tomography (CBCT)는 keV 에너지를 사용하여 3D 이미지 정보를 수집하는 데 사용하고 있다.

Figure 1. (Color online) Electron beam setting for Novalis Tx instrument for range measurement of a rectangular acrylic box filled with alcohol-based liquid scintillator.

2. 알코올 기반 액체섬광검출용액 비정 이미지

Figure 1과 Fig. 2 (a) 와 같이 Novalis Tx 장비를 세팅하였고 알코올 기반 액체섬광검출용액을 사각 아크릴(acrylic) 용기 (box) 에 채운 후 전자선 6, 9, 12 MeV을 입사하였다. 빛 방출을 확인하기 위하여 치료실 내부를 최대한 어둡게 한 후 스마트폰 카메라로 동영상과 사진 촬영을 하였다. Figure 2 (b), (c), (d) 처럼 알코올 기반 액체섬광검출용액이 담기 용기에 에너지가 다른 전자선을 입사하였더니 파란 (blue) 빛을 방출하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 알코올 기반 액체섬광검출용액에 용해된 형광체인 2,5-diphenyloxazole (C15H11NO, PPO)와 1,4-bis(2-methylstyryl)benzene (C24H22, bis-MSB)의 방출 영역에 해당하는 파장과 관계가 있기 때문이다. 각 에너지 별로 전자선이 진행하는 깊이는 달랐으며, 전자선의 에너지가 높을수록 빛이 방출되는 깊이는 더욱 깊었다. 이것을 분석한 결과 전자선 에너지 6, 9, 12 MeV에서는 3.2, 5.0, 6.5 cm가 측정되었다. 또한, 밀도측정기를 사용하여 측정한 알코올 기반 액체섬광검출용액의 밀도는 0.945 ± 0.010 g/cm³이었고 [4], 이 값을 전산모사에 입력값으로 사용하였다.

Figure 2. (Color online) (a) Electron beam setting for the range measurement with acrylic box filled with alcoholbased liquid scintillator. Range images of sample: (b) 6 MeV, (c) 9 MeV, (d) 12 MeV. The electron beam was injected from top to bottom using medical linear accelerator.

3. 팬텀 (phantom)

Geant4와 비교하기 위하여 물 (water)의 밀도가 1 g/cm³으로 유사한 solid water phantom을 사용하였다 [5]. Figure 3 (a)는 의료용 선형가속기에 사용되는 phantom이다. 이 phantom은 가운데 부분에 이온 챔버를 넣고 실제 방사선 선량을 측정하는 것이 목적이다. Figure 3 (b)는 phantom에 전자선을 입사하기 전 컴퓨터 단층촬영 이미지인데, 픽셀 값의 크기는 Housefield Unit (HU) 값으로 나타낸다. HU 값 (-1021 – 3071)을 알면 어떤 종류의 물질인지를 파악할 수 있다. 예로, 공기는 -1024로 검정으로 나타나며, 물은 HU 값이 거의 0에 가깝고, 신체 중 뼈나 치아 등은 3071에 가까운 값이다. 팬텀의 HU값이 0, – 2로 거의 0에 가까운 것을 알 수 있으며, 이것은 solid water phantom이 물과 같은 밀도를 가지는 것을 알 수 있다. Figure 3 (c)에서는 전산치료계획 시스템을 이용하여 6 MeV의 전자선을 입사하여 얻은 비정 값이며, Fig. 3 (d) 는 12 MeV에서 얻은 전자선의 비정을 보여주고 있다.

Figure 3. (Color online) (a) Range measurement using solid water phantom. (b) CT image is equal to that of water because HU is about 0. (c) 6 MeV electron beam. (d) 12 MeV electron beam.

4. 컴퓨터 단층촬영 이미지 (CT image)

물과 알코올 기반 액체섬광검출용액의 밀도와 비정을 분석하기 위해서, 컴퓨터 단층촬영을 촬영하여 이미지를 획득하였다. 의료용 선형가속기의 전산치료계획 시스템을 이용하면 사각 아크릴 용기 안에 있는 물의 HU 값을 알 수 있고, 이를 통하여 선형가속기의 전자선을 용기에 직접 입사하지 않고 비정을 알 수 있는 장점이 있다. Figure 4(a) 은 CT 이미지를 얻기 위한 사각 아크릴 용기 안에 물 또는 알코올 기반 액체섬광검출용액을 채우고 컴퓨터 단층촬영 이미지를 얻기 위해 설치하였으며, 먼저 물을 채운 후 촬영을 하였고 Fig. 4 (b)와 같은 이미지를 얻을 수 있다. 위와 같이 사각 아크릴 용기의 컴퓨터 단층 촬영 이미지를 살펴보면 양 옆면은 석영으로 되어 있어 HU 값이 926으로 아주 높게 나타나고 있으며, 바닥 부분은 아크릴으로 구성되어 있어 약 110 정도의 HU 값을 보여주고 있다. 사각 아크릴 용기의 중앙에 있는 물 같은 경우는 HU 값이 거의 0으로 물이라는 것을 알 수 있었고, Fig. 4 (c), (d)는 사각 아크릴 용기에 가상의 전자선 6, 12 MeV를 입사하여 얻은 비정 값들이며, 물을 사용해 측정한 값들이다. 본 연구에 쓰이는 알코올 기반 액체섬광검출용액도 컴퓨터 단층 이미지를 촬영하였고, HU값은 -87로 측정되었다. 따라서, 컴퓨터 단층촬영을 통하여 알코올 기반 액체섬광검출용액은 물보다 낮은 밀도를 가지고 있기 때문에, 물보다 알코올 기반 액체섬광검출용액이 좀 더 큰 비정 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

Figure 4. (Color online) (a) CT image setting. (b) HU value of sample after taking (General Electric) CT image. (c) A simulated image of sample with 6 MeV electron beam from Varian Novalis Tx. (d) 12 MeV. The vertical yellow lines represent the line of the cone used to prevent electron beams from spreading outward.

1. 몬테카를로 시뮬레이션 환경

윈도우 (window) 10 버전에서는 우분투 (ubuntu) 리눅스 (linux) 를 쉽게 설치할 수 있고, 명령 프롬프트 (cmd)에서 실행이 아주 간단하며, bash 명령어를 사용하여 ID를 생성하고 실행하면 우분투 리눅스를 사용할 수 있다. 우분투 리눅스 프로그램이 설치되었다면 Geant4.cern.ch를 접속한 후 소스 파일을 전송 받아 Geant4를 설치하면 된다. 또한, Geant4를 이용하기 위해서는 root라는 프로그램이 필수이기 때문에 같이 설치해 주어야 데이터 분석을 쉽게 할 수 있다. 모든 필요한 프로그램이 설치되었다면 Geant4를 실행 후 테스트해 볼 수 있다.

본 연구에서는, 예제 중 하나의 폴더를 본 실험의 목적에 맞게 코드를 변경하여 세팅하였다. 전자선의 에너지는 6, 9, 12 MeV로 코드를 이용해 생성하였고, 알코올 기반 액체섬 광검출용액을 담을 사각형 아크릴 용기도 실제 제작 사용한 크기와 모형을 동일하게 코드에 입력해 주었다. 코드를 변경시킨 후 최종적으로 Geant4를 실행하는 파일에서 gmake 또는 make를 수행해 변경된 코드를 확인하였다 [6].

2. Geant4 비정 이미지

몬테카를로 시뮬레이션 환경 설정을 통하여, 실제 실험용 아크릴 모형으로 적절히 코드를 변경시켜주었다. Figure 5(a)는 실제 고에너지 가속기에 쓰일 아크릴 용기이고, Fig. 5 (b)는 Geant4에서 코드를 변경하여 만든 용기이다. 아크릴 용기의 옆면과 앞면 그리고 바닥면이 다르기 때문에 각각 알맞은 물질로 변경하였고, 용기 안에 있는 물질은 코드를 통해 여러 가지 물질로 채울 수 있고 그림의 물질은 polyethylene으로 만들었다. Figure 5 (c)는 6 MeV의 전자선을 입사하였고, 이벤트 100개를 생성 후 입력해 만든 화면이다. 빨간 (red) 선이 전자선이며, 초록 (green) 선은 전자선과 상호작용으로 발생한 감마선을 나타내고 있다. 또한, Fig. 5 (d) 는 파란 (blue) 선은 양성자이고 전자선 대신 100 MeV의 에너지를 가진 양성자 이벤트 300개를 입사하였다. 이처럼 만들고자 하는 형태를 Geant4를 이용하면 실제 실험에 사용할 물체를 쉽게 만들 수 있다 [7].

Figure 5. (Color online) (a) Rectangular acrylic box for filling alcohol-based liquid scintillator. (b) Geant4 rectangular acrylic box. (c) Event display of beam-path-length of 6 MeV electron beam. The red line represents the electron beam, and the green line represents the gamma ray generated by the interaction with the electron beams. (d) The blue line is a proton, 300 proton events with an energy of 100 MeV were incident on rectangular acrylic box from the left to the right.

3. 전산모사 결과

Figure 6은 밀도가 1 g/cm³ (물)일 때 비정 측정 그래프인데, 6, 9, 12 MeV에서 – 3.00 cm, – 4.50 cm, – 6.00 cm의 결과값을 얻었다. Ethyl alcohol의 비정은 6, 9, 12 MeV에서 – 3.70 cm, – 5.50 cm, – 7.50 cm 이고, 알코올 기반 액체섬광검출용액와 비슷한 밀도를 가진 그래프의 비정은 6, 9, 12 MeV에서 – 3.26 cm, – 4.80 cm, – 6.40 cm 결과값을 얻었다. 오차 범위는 ± 0.050 cm이며, 이를 Table 1에 정리하였다.

Table 1 Range measurement results with MC simulation for water, ethyl alcohol, and alcohol-based liquid scintillator with electron energy of 6, 9, and 12 MeV.

Material	Density [g/cm3]	6 MeV	9 MeV	12 MeV
Water	1.00	3.00 cm	4.50 cm	6.00 cm
Ethyl alcohol	0.79	3.70 cm	5.50 cm	7.50 cm
AbLS	0.94	3.20 cm	4.80 cm	6.40 cm

Figure 6. (Color online) Geant4 range measurements using water densities. In each case, 1,000,000 electron events were generated.

4. Phantom & CT & 샘플 측정결과 비교

Solid water phantom에서 비정값을 구한 결과 6 MeV에서 2.99 cm, 9 MeV 일 때는 4.50 cm, 12 MeV일 때는 6.01 cm가 나오는 것을 확인하였다. 컴퓨터 단층촬영 이미지를 통한 물의 비정 값은 6 MeV일 때 3.00 cm, 9 MeV일 때는 4.51 cm, 그리고 12 MeV일 때 6.00 cm으로 solid water phantom 경우와 거의 일치하였고, 알코올 기반 액체섬광검출용액의 비정은 6 MeV일 때 3.20 cm, 9 MeV는 5.00 cm, 12 MeV일 때 6.50 cm의 비정 값을 얻었고 오차 범위는 ±0.050 cm이다. 이것을 종합적으로 Table 2에 정리하였다.

Table 2 Range measurement results of phantom, CT, and alcohol-based liquid scintillator with electron energy of 6, 9, and 12 MeV.

	Energy
Material		6 MeV	9 MeV	12 MeV
Solid water phantom		2.99 cm	4.50 cm	6.01 cm
CT		3.00 cm	4.51 cm	6.00 cm
AbLS		3.20 cm	5.00 cm	6.50 cm

Geant4는 물리학뿐만 아니라 의료계나 생물학에서도 활용할 수 있는 프로그램이다. 특히, 이전과 다르게 우분투 리눅스와 같은 프로그램은 접근하기 어렵고 설치하기가 용이하지 않아 사용하기 힘들었지만, Window 10 버전에서는 쉽게 우분투 리눅스를 설치할 수 있으며 cmd 명령어로 매우 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 특히, root와 같은 분석 프로그램도 웹상에서 쉽게 접근하고 설치하여 용이하게 분석할 수 있게 되었다.

본 실험에서는 cmd 명령어를 통하여 Geant4의 예제 코드를 변경하여 실험에 사용할 사각 아크릴 모형과 물질들로 대체하였고, 구동이 잘 되었음을 확인하였으며, root 프로그램으로 분석하여 비정 값들을 구하였다. Geant4에 물, 알콜, 그리고 알코올 기반 액체섬광검출용액의 밀도를 입력값으로 주어 비정을 조사하였다. 또한, Genat4값과 비교하기 위하여 의료용 선형가속기인 Novalis Tx를 이용하여 알코올 기반 액체섬광검출용액의 비정과 solid water phantom의 비정을 측정하였고, 컴퓨터 단층촬영 이미지를 이용하여 물의 비정을 전산화 계획 시스템으로 구하였다. Geant4와 의료용 선형가속기에서 측정한 물의 비정 값과 컴퓨터 단층촬영 이미지를 이용한 비정 값들이 오차 범위내에서 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 오차 분석에 대한 것은 향후 자세히 연구할 예정이다. Geant4를 이용한 전산모사를 통하면 여러 물체의 비정 값들뿐만 아니라 다양한 정보에 대한 데이터 값들도 얻을 수 있으며 값비싼 고가 장비를 반복적으로 이용하지 않고 비교 분석할 수 있는 장점을 가진다.

이 논문은 2021 년도 정부 (과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 (NRF-2019R1A2B5B01070451) 과 전남대학교 C-STAR 사업의 지원을 받아 수행된 연구입니다.