내부피폭 연구를 위한 알파선 조사장치 구축 및 선량전달특성 평가

Abstract

라돈 딸핵종이 방출하는 알파선에 의한 내부피폭 연구를 위해 알파선 조사장치를 구축하였다. 이 조사장치는 기존의 연구에서 제안한 장치들의 구조적인 문제점을 보완하여 세포에 조사되는 알파선의 에너지 영역을 개선하였다. 알파선 조사장치의 선원으로는 방사능이 각각 3.793과 0.3711 MBq인 두 Am-241 선원을 사용하였다. 알파선의 에너지 스펙트럼은 불감층 효과가 매우 작고, active area는 450 mm2인 이온 주입형 실리콘 검출기로 측정하였다. 조사함은 상?하판의 지름은 380 mm, 전체 높이는 110 mm, 내부 부피는 6.9 L인 stainless steel 조사함이며, 작은 양의 헬륨으로도 조사함 내부를 헬륨기체 환경으로 조성할 수 있도록 조사함의 구조를 최적화 시켰다. 또한 조사함의 모든 접합부에 패킹(O-링)을 사용하여 내부에 주입된 헬륨이 유출되지 않도록 하였다. 선원과 세포배양접시 사이의 거리는 선원 고정장치에 연결된 마이크로미터 헤드를 이용하여 0.01 mm 단위로 조절 가능하며, 조절 범위는 5 ~ 30 mm로 한정하였다. 알파선 조사장치의 특성을 평가하기 위하여 선원으로부터 방출되는 알파선의 에너지 스펙트럼을 원과 검출기 사이의 거리를 변화시키며 측정하였다. 측정된 스펙트럼은 AASI (Advanced Alpha spectrometric SImulation, Siiskonen and Pollanen, 2004, 2005) 몬테카를로 코드로 계산한 스펙트럼과 비교하였다. 또한 선원과 샘플 사이의 기하적인 관계 식을 이용하여 알파선속의 공간적 분포를 계산하였다. 이 결과들을 토대로 에너지 손실을 줄이면서 알파선을 균일하게 조사할 수 있는 선원과 샘플 사이의 거리를 결정하였다. Gamma-H2AX assay용의 세포배양접시는 선원으로부터 20 cm 떨어진 거리에서 5.12 MeV의 알파선이 조사 될 수 있으며, 이때 알파선속 분포의 공간적 변화는 ± 9 % 이내였다. Clonogenic assay에 사용되는 세포배양 접시를 사용할 경우 선원으로부터 30 cm 떨어진 위치에서 4.96 MeV의 알파선이 조사될 수 있으며, 알파선속 분포의 공간적 변화는 최대 19 %였다. 기존의 대표적인 두 선량평가방법으로 세포배양면적 및 선원과 샘플 사이의 거리와 같은 정보가 포함된 선량률을 계산하였다. 선량률 계산의 정확성을 높이기 위하여 새로운 보정계수를 포함한 식을 제안하였다. 그 결과 두 선량평가방법에 의해 계산된 선량의 백분율 차이가 각각 2% 와 6 %로 오차범위 이내였다. 하지만 두 선량평가 방법의 계산 효율을 비교하면, AASI 코드를 이용한 방법은 알파선의 거동을 독립적으로 추적하므로 현실적인 track length와 LET를 반영할 수 있기 때문에 보정계수를 요구하지 않는다. 따라서 알파선 조사장치의 선량평가는 최종적으로 AASI 코드를 이용한 전산모사로 수행하였으며, 계산 결과의 상대 오차가 0.1 % 이하가 되기에 충분한 시행을 하도록 하였다. 그 결과로, 알파선 조사장치는 clonogenic assay와 gamma-H2AX assay에 적합한 각각의 세포배양접시에 대하여 0.028 ~ 3.02 Gy/min과 0.031 ~ 5.66 Gy/min 선량률을 제공할 수 있음을 확인하였다. 알파선 조사장치에서 Am-241 선원에서 방출되는 감마선에 의해 세포가 받는 선량도 MCNP5 몬테카를로 전산모사로 계산하였다. 계산된 광자에 의한 선량과 알파선에 의한 선량의 비는 선원과 샘플간의 거리에 따라 최소 6.03×10-6 에서 최대 8.02×10-6 사이었다. 따라서 광자에 의해 세포에 전달되는 선량은 알파선에 의한 선량에 비해 무시할 만큼 작으며, Am-241은 라돈 딸핵종을 대신하는 선원으로 사용할 수 있다. 구축한 알파선 조사장치는 향후 알파선에 의한 세포영향평가 연구에서 다양하게 활용될 것이다. 나아가서 단층으로 배양된 세포뿐만 아니라 실제 인체조직과 유사한 상황을 재현하기 위해 3차원으로 배양된 세포(3-dimensional cell culture)에 대한 피폭 특성 평가에도 활용될 전망이다.