일반촬영 X선 검사 시 선량저감화를 위한 나노 텅스텐 차폐체 개발에 관한 연구

Abstract

In order to protect organs and gonads in the pediatric abdomen and pelvis with sensitive susceptibility during the X-ray examination, a Nano Tungsten(W) shielding sheet containing boron(B), an eco-friendly material, was produced to evaluate the usefulness. First of all, shielding material, Tungsten which is harmless to the human body, was produced in Nano-size. It has excellent shielding efficiency and has proven radiation shielding efficiency and particle dispersibility. In order to confirm the crystal size of the particles, crystal structure and dispersibility were analyzed by image using an X-ray diffraction analyzer(XRD) and a transmission electron microscope (TEM). The energy spectrum was analyzed with or without the use of a Nano Tungsten shield. The entrance surface dose(ESD) and effective dose were determined and compared for dose evaluation. As an image evaluation method, Signal to Noise Ratio(SNR), Peak Signal to Noise Ratio(PSNR) and Root Mean Square Error(RMSE) were obtained and evaluated by using Image J(1.52v) program that can compare and analyze differences in images depending on whether or not a Nano Tungsten shield. For the manufacture of the shield, to make the boron(B) and tungsten(W) powder into Nano-sized particles, dry milling is performed with a milling ball to produce Nano-sized powders. Moreover, high polymer hot mixing machine was performed to prepare a sheet through melt mixing, compression, and molding with a polymer substrate. Sponge material with a thickness of 1 cm was attached in consideration of artifacts according to the shielding. The particle size of tungsten was found to consist of particles of more than 1 µm before milling and particles of less than 100 µm after milling. After milling, Nano-sized particles showed relatively high dispersibility and small pores. As a result of simulation of energy spectrum with or without the use of Nano Tungsten shielding sheet using SRS-78 program, Photon Energy was 38.1 keV when None and 48.8 keV when using Nano Tungsten. Air Kerma values are 100.5 μGy/mAs and 9.793 μGy/mAs. As the average energy increases, the scattering line decreases and the exposure dose decreases. 1stHVL was 2.547 mmAl when None, and 5.822 mmAl when Nona Tungsten was used. In the dose evaluation, ESD and total effective dose(ED) were 0.609 ±0.001 mGy and 0.150 mSv when Pelvis was examined before using the shield, and 0.243 ±0.001 mGy and 0.107 mSv after use. The result of Abdomen examination showed 0.583 ±0.002 mGy,0.250 mSv before use and 0.238 ±0.002 mGy after use, 0.179 mSv, resulting in about 60 % dose reduction in ESD and about 30% dose reduction in total effective dose. As a result of analyzing the SNR, PSNR, and RMSE in the image evaluation, the result of Pelvis examination showed 21.50 dB, 22.17 dB, and 64.33, and the Abdomen examination showed results of 17.70 dB, 18.33 dB, and 98.21 As such, in this study, various studies have been conducted on tungsten shields made of Nano-sized particles made of eco-friendly materials for the purpose of protecting organs and gonads in the abdomen of children, which are sensitive to X-rays in the abdomen and pelvis of children and the usefulness has been proven. In conclusion, it is considered that, if the Nano Tungsten shield is commercially used, it will be possible to reduce the exposure dose during radiation-related tests such as general X-ray imaging, CT examination, and fluoroscopic examination of pediatric patients.| 소아 복부 및 골반 X선 검사 시 감수성이 민감한 소아의 복부 내 장기와 생식선을 보호하기 위해 친환경 물질인 보론(B)이 함유된 Nano Tungsten(W) 차폐 시트를 제작하여 이에 대한 유용성 평가를 하였다. 먼저 제작된 차폐물질 Tungsten은 인체에 무해하고 차폐 효율이 우수하며 방사선의 차폐 효율과 입자의 분산성이 증명된 나노 크기로 제작하였다. 입자의 결정크기를 확인하기 위해 X선 회절분석기(X-Ray Diffraction, XRD)와 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope, TEM)을 이용하여 결정 구조 및 분산성 등을 영상으로 분석하였다. Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따라 에너지 스펙트럼을 분석하였고, 선량평가로는 입사표면선량(Entrance Surface Dose, ESD)과 유효선량을 구하여 비교하였다. 영상평가 방법으로는 Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따라 영상의 차이를 비교 분석 할 수 있는 Image J(1.52v)프로그램을 이용하여 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR), 최대 신호 대 잡음 비(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR), 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)를 구하여 평가하였다. 차폐시트의 제작은 먼저 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 나노 크기의 입자로 만들기 위해 밀링볼(milling ball)과 함께 건식 밀링처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하고 이를 고분자 용융 혼합기(high polymer hot mixing machine)를 이용하여 고분자 기재와 용융 혼합, 압축, 성형하는 과정을 통하여 시트 형태로 제작하였다. 차폐에 따른 아티펙트를 고려하여 1 cm두께의 스폰지 재질을 부착하였다. 텅스텐의 입자 크기는 밀링 전 1 µm 이상으로 이루어진 입자와 밀링 후 100 µm 미만으로 이루어진 입자들로 구성되어진 것으로 나타났다. 그리고 밀링 후 나노 크기로 이루어진 입자의 경우 상대적으로 분산성이 높고 기공이 작게 나타났다. SRS-78 프로그램을 이용하여 Nano Tungsten 차폐 시트 사용 유·무에 따른 에너지 스펙트럼의 Simulation한 결과 Photon Energy는 None 일 때 38.1 keV, Nano Tungsten 사용 시 48.8 keV로 나타났다. Air Kerma 값은 100.5 μGy/mAs, 9.793 μGy/mAs로 나타나 평균에너지가 높아지면서 산란선이 줄어들어 피폭선량이 낮아지는 것을 알 수 있었다. 1stHVL은 None 일 때 2.547 mmAl, Nona Tungsten 사용 시 5.822 mmAl으로 나타났다. 선량평가에서는 차폐체 사용 전 Pelvis 검사 시 ESD와 총 유효선량(Effective Dose, ED)은 0.609 ±0.001 mGy, 0.150 mSv였고, 사용 후에는 0.243 ±0.001 mGy, 0.107 mSv로 나타났다. Abdomen 검사에서는 사용 전 0.583 ±0.002 mGy,0.250 mSv였고 사용 후 0.238 ±0.002 mGy, 0.179 mSv로 나타남으로써 ESD에서 피폭선량이 약 60%, 총 유효선량에서는 약 30% 선량 감소가 있었다. 영상평가에서는 SNR, PSNR, RMSE를 분석한 결과 Pelvis 검사에서는 21.50 dB, 22.17dB, 64.33으로 나타났고 Abdomen에서는 17.70 dB, 18.33 dB, 98.21로 결과를 나태내었다. 이와 같이 본 연구에서는 소아 복부 및 골반 X선 검사 시 감수성이 민감한 소아의 복부 내 장기들과 생식선을 보호하기 위한 목적으로 친환경 물질로 제작한 나노 크기 입자로 이루어진 텅스텐 차폐체를 여러 가지 연구를 통하여 이에 대한 유용성을 증명하였다. Nano Tungsten 차폐체가 상용화되어 사용된다면 소아 환자들의 일반 X선 촬영, CT 검사, 투시 조영 검사 등의 방사선에 관련된 검사 시 피폭선량을 저감화 할 수 있을 것이며, 친환경 물질로 이루어진 차폐체 연구의 기초자료로 활용될 것으로 사료 된다.