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Micrometer-resolution Dosimetry to Study Radiosensitization of Au-Nanofilm Using Confocal Raman Spectroscopy
공촛점 라만스펙트럼을 이용한 금나노박막의 방사선량증감을 측정하기 위한 마이크론 분해능의 선량분석

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Authors
Rodrigo Hernandez Millares
Advisor
예성준
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :융합과학기술대학원 융합과학부,2020. 2. 예성준.
Abstract
방사선 치료에서 건강한 조직에 대한 선량 축적을 피하면서 종양에 정확한 선량을 전달하는 것은 매우 중요하다. 저 에너지 X선에 높은 원자번호의 나노 입자를 적용하면 저 에너지 전자(low energy electron, LEE)의 방출을 통해 방사선 치료용 선량 창을 늘릴 수 있다. 금 나노 입자(gold nano-particle, GNP)는 종양 혈관 속에 축적되는 특성인 "투과 및 보존 강화"(enhanced permeation and retention, EPR)를 가지고 있다. 금 나노 입자를 둘러싼 조직은 세포 이하의 범위 내에서 전달 선량이 증가하는 효과를 받을 것으로 기대된다. 마이크론 범위에서 측정할 수 있는 선량 측정법의 부재로 미시적 선량 향상에 대한 실험적 측정이 제한되었다. 지금까지는 어떤 장치도 GNP가 방출하는 LEE 범위 내에서 미시적 선량 추정치를 측정할 수 없었다. 몬테카를로 시뮬레이션만이 높은 원자번호의 입자 주변에 축적되는 에너지를 측정할 수 있는 유일한 방법이었다. 라디오크로믹 필름(radiochromic films, RCF)을 이용한 마이크로미터 단위의 선량 축적의 정량 분석이 가능성 있는 해결책으로 제시된다. 이 연구의 목적은 CRS분광기가 GNP의 선량 증감효과로 인한 라디오크로믹 필름의 활성 층의 선량 프로파일 변화 측정에 적합한 장치임을 입증하는 것이다.
비적층 라디오크로믹 EBT-XD 필름들에 200kVp 빔으로 0.3Gy에서 50Gy까지 조사하였다. 라만 스펙트럼은 방사선이 앞서 조사된 RCF를 공촛점 라만분광기의 수직축과 평행하게 위치시켜 얻었다. C≡C 디아세틸렌 폴리머 스트레칭 밴드에 해당하는 라만 피크가 선택되었다. C≡C 밴드 높이는 디아세틸렌 단량체의 중합화로 인해 포화점까지 증가하는 것으로 입증되었다. 100 × 5 µm2의 ROI(region of interest)에 대해 스캔 분해능을 1 µm 로 설정했다. GNP의 방사선량증감을 조사하기 위해 100 nm 금 박막을 증착한 또 다른 EBT-XD 필름 세트에 50 kVp 빔과 120 kVp 빔으로 0.5 Gy를 조사하였다. RCF 활성 층의 선량은 표면에서 활성 층의 바닥까지 깊이 프로파일링을 통해 얻은 최대 피크 높이를 평균화하여 측정했다.
영상 획득의 공간 분해능은 변조 전달 함수 방법에 따라 정량화 하였다. 이 계산된 공간 분해능은 최소 측정 가능한 크기를 직접적으로 지시한다. 평가된 공간 분해능에 기초하여, GNF로 조사된 필름에 전달된 선량을 계산했다. 선량 증가 계수(dose enhancement factor, DEF)는 금 증착 필름과 기본 필름의 각 측정 가능한 층에 대해 선량 측정값의 비교를 통해 얻었다. 또한 위에서 설명한 실험 설정에 따라 Geant4에서 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 실험 결과와 비교하였다. 시뮬레이션에서, RCF 활성층의 선량 증가는 1μm마다 측정되었고, 그 결과 25개의 층에 대한 데이터가 생성되었다. 마지막으로, 앞서 얻은 미시적 DEF로부터 거시적 DEF를 계산하였다.
거시적 DEF 영역은RCF의 전체 체적에 해당한다. 거시적 DEF는 RCF의 매 층마다 측정된 구조적 의미의 미시적 DEF로부터 얻었다. 최종적으로 비교를 위해 필름의 거시적 DEF는 이론적인 선량 축적 방정식을 이용하여 해석적으로 계산하여 얻었다.
실험을 통한 각 층의 미시적 DEF는 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 비교하였고, 거시적 DEF는 실험 결과, 몬테카를로 시뮬레이션, 해석적 계산들과 비교하였다. 공촛점 라만분광기를 이용하여 라디오크로믹 필름 EBT-XD는 6μm의 공간 분해능을 얻었다. 50kVp와 120kVp에 대한 실험적 DEF는 GNP다음 첫 6μm에서 각각 17.86, 14.68이었으며 다음 층에서부터 감소하였다. 50kVp 빔에 대하여 거시적 DEF는 실험적, 몬테칼로 시뮬레이션, 해석적 접근을 통해 각각 각각 6.5, 6.8, 5.1로 계산되었다. 120kVp에 대해서는 거시적 DEF가 각각 5.4, 5.3, 4.9였다.
금 나노 나노필름으로부터의 거리 측정으로 얻은 DEF의 실험적 결과는 이전 연구 및 MC 시뮬레이션과 일관성이 있어 EBT-XD 시스템과 연계한 공촛점 라만분광기가 실현 가능한 마이크로미터 분해능 선량계임을 시사했다.
In radiotherapy, delivering accurate doses to tumors while avoiding dose deposition to healthy tissues is of great importance. The application of high Z nanoparticles to low-energy X-rays might increase this therapeutic dose window through the emission of low-energy electrons (LEE). Gold nanoparticles (GNP) present “enhanced permeation and retention” (EPR), a property in which they accumulate in the tumor vasculature. The cells surrounding the GNPs will experience an increase in dose deposition within the subcellular range. Experimental measurement of this microscopic dose enhancement has been limited due to the lack of a dosimeter that can measure doses in a micrometer range. Currently, no experimental device can measure microscopic dose estimation within the range of the LEE emitted by GNPs. Monte Carlo (MC) simulations are the only available method to estimate the energy deposited around high Z particles. Exploring quantification of dose deposition at the micro-level with a radio chromic film appears as a promising solution. The purpose of this study is to demonstrate that confocal Raman Spectroscopy (CRS) is feasible to measure dose profile changes due to the radiosensitization of GNPs in the micrometer range on the radiochromic film.
Unlaminated radiochromic films (RCF) EBT-XD were irradiated from 0.3 to 50 Gy with a 200 kVp beam to obtain a calibration curve. The Raman spectra were obtained by positioning the post-irradiated RCF parallel to the vertical axis of the CRS microscope. The Raman peak corresponding to the C≡C diacetylene polymer stretching band was selected. The C≡C band height has proven to increase up to a saturation point due to the polymerization of diacetylene monomers. The scan resolution was set to 1 µm for a region of interest (ROI) of 100 × 5 µm2. To investigate the radiosensitization of GNPs, another set of EBT-XD films in contact with a 100 nm gold nanofilm was irradiated at 0.5 Gy with 50 and 120 kVp beams. The dose in the active layer of the RCF was measured by averaging the C≡C peak maximum height obtained through a depth profiling from the surface to the bottom of the active layer.
The spatial resolution of the image acquisition was quantified by the modulation transfer function (MTF) method. This calculated spatial resolution implies the minimum measurable size directly. The dose deposited on the films was evaluated in the evaluated spatial resolution. The dose enhancement factor (DEF) was obtained by comparing the doses in the films with and without gold for each measurable layer. Besides, a MC simulation for the experimental setup described above, was performed using Geant4 and compared to the experimental results. In the simulation, the dose deposition in the active layer of the RCF was measured for every 1 µm resulting in 25 segments. Furthermore, an estimation of the macroscopic DEF was made from the microscopic DEF previously obtained.
The macroscopic DEF region corresponds to the total radiochromic film volume. The macroscopic DEF was obtained by the geometric mean of the microscopic DEF measured in every layer of the RCF. Finally, for comparison, the macroscopic DEF on the film was calculated analytically using theoretical equations for dose deposition.
The experimental microscopic DEF on each segment was compared to the MC simulations, whereas the macroscopic DEF was compared amongst the experimental results, MC simulations, and analytical calculations. Together with confocal Raman spectroscopy, the radiochromic film EBT-XD obtained a spatial of ~6 µm. An experimental DEF for 50 and 120 kVp within the first 6 µm after the GNF was found to be 17.86 and 14.68, respectively and decreasing within the next layers. The macroscopic DEF for a 50 kVp beam of was 6.5, 6.8, and 5.1 for the experimental, MC, and analytical approaches, respectively. For the 120 kVp beam, macroscopic DEF of was 5.4, 5.3, 4.9, respectively.
The experimental results of the DEF obtained as a function of the distance from Au-nanofilm were consistent with data from the previous studies and our MC simulations, supporting that CRS, in conjunction with the EBT-XD system is a feasible micrometer-resolution dosimeter.
Language
eng
URI
http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000160303
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Graduate School of Convergence Science and Technology (융합과학기술대학원)Dept. of Transdisciplinary Studies(융합과학부)Theses (Master's Degree_융합과학부)
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