Development of Micrometer Resolution Dosimetry using Radiochromic Film by Raman Spectroscopy and its Application to Measuring the Radioenhancement of Gold Nanofilm

Abstract

목적: 높은 공간 분해능을 가지는 방사선량계에 대한 요구가 높아짐에 따라 방사선감광필름이 유력한 후보로 연구돼 왔지만, 평판 형광 스캐너와 같은 스캐닝 시스템에 의해 방사선감광필름의 효용성이 제한되었다. 근접방사선치료, 방사선 수술에서 높은 선량 기울기를 가진 영역의 방사선량을 측정하고, 싱크로트론 마이크로빔 방사선 치료에서 피크-대-밸리비를 측정하고, 금속 나노 입자에 의한 방사선량 증대 효과를 평가하기 위해서는 마이크로미터 해상도를 가지는 선량계가 필요하다. 본 연구에서는, 방사선감광필름을 이용한 높은 공간 분해능 측정의 대체 방법으로 현미경과 결합한 라만 분광법을 선택하였다. 또한 공 초점 라만 분광기를 사용하여 방사선감광필름에서 마이크로미터 공간 분해능으로 방사선량을 정량화할 가능성을 조사하였다. 마지막으로, 금 나노 입자와 광자의 상호작용으로 인한 방사선량 증대 효과를 정량적으로 측정하기 위해 이 기법을 적용하였다. <br/> 실험 방법: 상업용 방사선감광필름인 EBT3 그리고 EBT-XD는 50, 100, 200 및 300 kVp 및 6 MV 엑스선을 사용하여 알려진 선량으로 조사되었다. 0.3에서 30 Gy 의 선량이 본 연구에서 선택되었다. 공 초점 라만 분광기는 관심영역 (ROI) 100 × 100 μm2 에서 10 마이크로미터의 공간 분해능으로 라만 맵핑 기법을 적용하여 필름에 조사된 선량을 정량화 하는데 사용되었다. 두 종류의 방사선감광필름의 측정 가능한 공간 분해능, 임상적으로 유용한 선량 범위, 선량 감도, 선량 균일성, 방향 효과, 에너지 및 선량률 의존성 및 방사선 조사 후 필름의 안정성을 마이크로미터 분해능에서 특성화하였다. <br/> 개발된 기술은 방사선량 증대효과를 측정하기 위해 적용되었다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 기판에 순금을 증발시켜 두께 20, 30, 50, 그리고 100 nm의 금 나노 필름 (GNFs)을 제조하였다. 금 나노 필름은 금 나노 입자의 결합체로 볼 수 있다. 방사선감광필름에 부착된 금 나노 필름은 50, 220 kVp 및 6 MV 평판 필터 프리 (FFF) 엑스레이를 사용하여 조사되었다. 방사선감광필름의 반응이 일어나는 층은 금 나노 필름과 접촉한 상태로, 코팅되어 있지 않은 PET 기판은 엑스레이 선원과 마주 본 상태로 조사하였다. 금 나노 필름이 있는 경우, 없는 경우, 두 경우에서 방사선 감광필름 내에 있는 반응이 일어나는 층의 방사선량을 평판 형광 스캐너와 공 초점 라만 분광기를 사용하여 측정하였다. 금 나노 필름이 있는 경우와 없는 경우 측정한 선량 비율을 방사선량 증대 인수 (DEF)로 정의하였다. 또한 방사선량 증대 인수의 분석적 계산을 위해 몬테카를로 전선모사 를 시행하였다. <br/> 실험 결과: 방사선 조사 후 부분적으로 이루어지는 디 아세틸렌의 중합으로 C=C 그리고 C≡C 두 개의 라만 피크가 각각 1447 cm-1 과 2060 cm-1 에서 관측되었다. 관심영역 (ROI) 100 × 100 μm2 에서 10 마이크로미터의 공간 분해능으로 측정한 데이터를 얻은 결과 선량 불 균일성은 10% 미만으로 관측되었다. EBT-XD 필름은 EBT3 필름에 비해 방사선량에 대한 민감도가 낮다. 2058 cm-1의 C≡C 그리고 696 cm-1 에서의 C-C-C 밴드의 피크 비를 갖는 선량 반응도 또한 측정되었다. 피크 비율을 이용한 방법은 선량 불 균일성을 3% 정도까지 줄일 수 있었다. 두 종류의 방사선감광필름에서 모두 가로 (landscape) 방향이 세로 (Portrait)에 비해 C≡C 밴드 높이 반응도가 모든 선량에서 더 민감하게 관측되었다. 또한 EBT3, EBT-XD 두 필름 모두에서 낮은 에너지 의존성을 보였다. 두 필름 모두에서 선량률에 독립적이고 조사 24시간 후에 안정적인 반응을 보였다. EBT3 필름은 0에서 6 Gy의 낮은 선량에, EBT-XD 필름은 2에서 20 Gy의 높은 선량에 적합하였다. <br/> 50, 220 kVp 엑스선에서 20에서 100 나노미터 두께의 금 나노 필름에 대해 광학 스캐너로 측정한 방사선량 증대 인자 (DEF)는 각각 2.13 (± 0.33) 에서 6.11 (± 0.38) 그리고 1.63 (± 0.59) 에서 4.88 (± 0.36)로 측정되었다. 비슷하게 라만 분광장치를 이용하여 측정한 방사선량 증대인자는 50, 220 kVp 엑스선에서 각각 2.55 (± 0.59)에서 4.60 (± 1.04) 그리고 2.21 (± 0.53) 에서 4.76 (± 0.82)로 측정되었다. 몬테카를로 전산모사를 이용한 분석적인 방법으로 계산한 방사선량 증대효과는 금 나노 필름이 20에서 100 나노미터로 증가함에 따라 50 kVp에서 2.04에서 6.16, 220 kVp에서 1.74에서 4.86로 측정되었다. 하지만 분석적 계산, 실험에서 측정된 방법 모두에서 고 에너지 X 선에서는 방사선량 증대효과는 관찰되지 않았다. 분석적 계산을 통해 얻은 방사선량 증대 인자는 실험에서 얻은 값과 일치하는 경향을 보였다. 일반적으로 방사선량 증대효과는 금 나노 필름의 두께가 증가함에 따라 증가하였고, 엑스선 에너지를 증가함에 따라 감소하였다. <br/> 결론: 방사선량이 증가함에 따라 디 아세틸렌 중합양이 증가하면서, C=C 그리고 C≡C 라만 피크의 세기는 증가한다. 본 연구는 수 마이크로 미터의 높은 공간 분해능을 가진 절대 선량 측정의 검증의 대안으로 라만 분광법의 잠재성을 보여주었다. 본 연구에서 개발된 라만 선량측정법은 마이크로 선량 측정 목적을 위해서 추가적인 검증이 필요하다. EBT3, EBT-XD 두 필름 모두 공 초점 라만 분광장치로 볼 때 마이크로 미터 해상도 선량 측정에 적합하다. 선량 측정 결과 EBT3 필름은 0에서 6 Gy의 저 선량의 범위에서, EBT-XD 필름은 2에서 20 Gy의 고 선량의 범위에서 적합했다. 마지막으로 금 나노 입자와 저 에너지 엑스선의 상호작용으로 인한 방사선량 증대 효과는 광학 밀도의 변화와 방사선감광필름의 라만 스펙트럼 위치 변화를 측정함으로써 정량적으로 검증되었다. 본 연구에서 개발된 실험적, 분석적 접근법은 나노 입자의 진단 및 치료 응용분야에서 관심을 불러일으킨 저 에너지 엑스선에 의한 높은 원자번호를 가진 금속 나노입자의 방사선 민감도를 정량적으로 평가하는데 유용할 것이다. 본 연구는 금 나노 필름의 특성이 조직의 금 나노 입자 특성과 저 에너지 전자의 자기 흡수 및 후방 산란의 차이를 가질 수 있다는 점에서 한계를 가진다. 이후, 라만 분광장치 선량계는 두 개의 피크 비율 방법을 사용하여 높은 선량 균일성을 얻기 위해 확장 될 것이다. 라만 선량 측정을 위한 잠재적인 후보로 새로운 고분자 물질에 대한 연구가 진행될 필요가 있다. <br/>