Characterization of Physical Processes and Secondary Particle Generation in Radiation Dose Enhancement for Megavoltage X-rays

Chulhwan Hwang(황철환),JungHoon Kim(김정훈) 한국방사선학회 2019 한국방사선학회 논문지 Vol.13 No.5

선량 증강 현상에서 발생하는 물리적 특성과 증강 물질과의 상호 작용으로부터 발생하는 이차입자 생성을 평가하였다. Geant4, MIRD 두부 팬텀을 이용한 몬테카를로 전산 모사를 진행하였으며, 선형가속기에서 발생되는 4, 6, 10, 15, 18, 25 MV X선을 선원으로 적용하였다. 10, 20, 30 mg/g의 금(aurum), 가돌리늄(gadolinium) 증강 물질을 팬텀 내부 종양에 모사하였으며, 물리적 상호작용의 변화와 이차입자 발생에 따른 입자 플루언스와 초기 에너지로부터 방사선가중인자를 고려하여 등가선량을 평가하였다. 방사선 선량 증강 물질에 의한 상호작용은 고 원자번호에서 기인하여 광전효과에 의한 에너지 흡수를 높이는 것으로 나타났으며, 10 MV 이상의 에너지에서는 광핵반응의 증가를 나타내었다. 이로 인해, 팬텀 내부에서 양성자, 중성자와 같은 이차입자 발생의 증가를 보였으며, 중성자에 의한 등가선량이 최대 424.2배 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구는 선량 증강 현상에서의 에너지 전달, 흡수의 물리적 과정을 모사하여, 증강 현상에서 발생하는 물리적 특성을 분석하고자 하였다. 이러한 결과는 향후 in-vivo, in-vitro 선량 증강 실험을 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. We evaluated the physical properties that occur to dose enhancement and changes from secondary particle production resulting from the interaction between enhancement material. Geant4 was used to perform a Monte Carlo simulation, and the medical internal radiation dose (MIRD) head phantom were employed. X-rays of 4, 6, 10, 15, 18, and 25 MV were used. Aurum (Au) and gadolinium (Gd) were applied within the tumor volume at 10, 20, and 30 mg/g, and an experiment using soft tissue exclusively was concomitantly performed for comparison. Also, particle fluence and initial kinetic energy of secondary particle of interaction were measured to calculate equivalent doses using the radiation weight factor. The properties of physical interaction by the radiation enhancement material showed the great increased in photoelectric effect as compared to the compton scattering and pair production, occurred with the highest, in aurum and gadolinium it is shown in common. The photonuclear effect frequency increased as the energy increased, thereby increasing secondary particle production, including alpha particles, protons, and neutrons. During dose enhancement using aurum, a maximum 424.25-fold increase in the equivalent dose due to neutrons was observed. This study was Monte Carlo simulation corresponds to the physical process of energy transmission in dose enhancement. Its results may be used as a basis for future in vivo and in vitro experiments aiming to improve effects of dose enhancement.

코로나바이러스감염증-19로 인한 전면적 원격수업이강의만족도에 미치는 영향 : 방사선학 전공자를 중심으로

황철환(Chulhwan Hwang),양성희(Sung Hee Yang),구효근(Hyo Geun Koo) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.3

코로나바이러스감염증-19로 인한 전면적 원격수업에서 방사선학 전공자들의 강의만족도를 확인하고, 그에 따른 영향 요인을 분석하고자 하였다. 영남권 소재 3, 4년제 방사선(학) 전공자 458명을 대상으로 강의만족도, 교수실재감, 학습동기, 자기효능감, 행동조절능력, 원격수업의 용이성에 대해 2020년 9월 1일부터 11월 15일까지 온라인 설문조사를 시행하였다. 강의만족도는 학년, 자가 복습시간, 선호하는 수업 방식에 따라 유의한 차이를 보였으며, 교수실재감, 원격수업의 용이성과 뚜렷한 양적 상관관계를 나타내었다. 다중회귀모형에서 강의만족도는 원격수업의 용이성, 교수실재감, 자기효능감, 학습동기를 통해 45.7%의 유의한 설명력을 나타내었다. 본 연구는 포스트 코로나 시대에 확대가 예상되는 대학의 원격수업의 효과를 높이는데 기초자료로 제공하고자 시도되었으며, 이를 바탕으로 실질적인 만족도 향상을 위한 개선방안이 논의되기를 기대한다. The purpose of this study was to examine the lecture satisfaction of radiological science majors in total remote classes due to coronavirus disease 2019, and influencing factors were analyzed. An online survey was conducted from September 1, 2020 to November 15, 2020, lecture satisfaction, teaching presence, academic motivation, self efficacy, behavior regulation and usage simplicity of remote classes for 458 3 and 4-year radiological science majors located in the Yeongnam area. Lecture satisfaction was significantly different according to grade, self-review time, and preferred teaching method. In addition, lecture satisfaction showed a significant positive corrleation with the teaching presence and usage simplicity of remote classes. In the multiple regression model, lecture satisfaction showed a significant explanatory power of 45.7% through usage simplicity, teaching presence, self efficacy and academic motivation. This study was attempted to provide basic data to increase the effect of remote classes at universities that are expected to expand in the post-corona.

확산된 피크의 양성자에서 선량 증강 현상에 대한 분석

황철환(Chulhwan Hwang),김정훈(JungHoon Kim) 한국방사선학회 2019 한국방사선학회 논문지 Vol.13 No.2

방사선 선량 증강은 물질과의 상호작용 단면적을 높여 국소 부위에 대한 선량을 증가시키는 방법으로 선에너지부여 및 상대적 생물학적 효과비 증가로 치료가능비 향상에 기여할 수 있다. 선량 증강에 대한 선행 연구는 X, γ선에 대한 보고가 주를 이루고 있으나, 본 연구에서는 MCNP6를 이용한 몬테칼로 시뮬레이 션을 바탕으로 양성자 선원에 대해 선량 증강 현상을 분석하였다. 수학적 모델 방법에 따라 확산된 피크의 양성자 선원에 대한 에너지 분포와 상대적 강도를 산출하였으며, 금, 아이오딘, 가돌리늄의 선량 증강 물질에 대한 선량증강비와 깊이 변화에 따른 에너지 분포를 평가하였다. 금을 이용한 증강 현상에서 1.085-1.120배, 가돌리늄에서는 1.047-1.091배의 선량증강비를 나타내었다. 또한 깊이에 따른 흡수에너지 변화로 인해 실질 비정과 95% 선량 구간의 감소를 나타내었으며, 이는 선량 증강 현상과 더불어 종양 조직에 불확실한 선량 전달로 이어질 수 있으므로 증강 물질의 질량 저지능으로부터 확산된 피크 구간의 적절한 보정이 필요할 것으로 사료된다. 본 연구에서 모의모사를 통한 선량 증강 현상의 분석은 실질적인 증강 효과 확인을 위한 체내·외 실험의 기초자료로써 활용될 것으로 기대한다. Radiation dose enhancement is a method of increasing the cross section of interaction, thus increasing the deposited dose. This can contribute to linear energy transfer, LET and relative biological effectiveness, RBE. Previous studies on dose enhancement have been mainly focused on X, γ-rays, but in this study, the dose enhancement was analyzed for proton using Monte Carlo simulation using MCNP6. Based on the mathematical modeling method, energy spectrum and relative intensity of spread out Bragg-peak were calculated, and evaluated dose enhancement factor and dose distribution of dose enhancement material, such as aurum and gadolinium. Dose enhancement factor of 1.085-1.120 folds in aurum, 1.047-1.091 folds in gadolinium was shown. In addition, it showed a decrease of 95% modulation range and practical range. This may lead to an uncertain dose in the tumor tissue as well as dose enhancement. Therefore, it is necessary to make appropriate corrections for spread out Bragg-peak and practical range from mass stopping power. It is expected that Monte Carlo simulation for dose enhancement will be used as basic data for in-vivo and in-vitro experiments.

식도암의 방사선치료에서 부분 각도에 의한 회전 치료를 이용한 조사체적의 감소

황철환(Chulhwan Hwang),김성후(Seong Hu Kim),구재흥(Jae Heung Koo),손종기(Jong Ki So) 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.5

세기변조방사선치료와 입체적세기조절회전치료 시 조사체적과 선량 퍼짐 현상을 줄이기 위한 방법으로 조사 각도를 제한하는 부분 각도에 의한 회전치료 기능을 적용하여 표적체적과 주변 정상장기의 선량에 대해 입체조형방사선치료와 비교 분석하였다. 치료계획에 따른 표적체적의 선량분포는 통계적으로 유의한 차이를 확인할 수 없었으며, 폐의 5 Gy(V5) 체적에서 입체조형방사선치료 56.53%, 세기변조방사선치료 52. 03%, 입체적세기조절회전치료 47.84%를 나타내어 유의한 차이를 나타내었다(CRT-IMRT p=0.035, CRT-VMAT p<0. 001, IMRT-VMAT p<0.001). 10 Gy 체적(V10)에서는 입체조형방사선치료 35.12%, 세기변조방사선치료 34.04%, 입체적세기조절회전치료 33.28%를 보여, 입체조형방사선치료와 세기변조방사선치료(p=0.018), 입체적세기 조절회전치료(p=0.035)에서 유의한 차이를 나타내었으나 20 Gy 체적(V20)에서는 유의한 선량 차이를 확인할 수 없었다. 심장의 평균선량과 20 Gy 체적은 치료계획에 따라 유의한 차이를 확인할 수 없었으나, 30, 40 Gy 체적은 입체적세기조절회전치료에서 37.16%, 22.46%를 나타내어 입체조형방사선치료와 비교에서 유의한 차이(p=0.028)를 보였다. 이와 같이 조사체적 감소에 따른 폐의 저 선량 체적(V5, V10)의 감소를 확인할 수 있었으며, 세기변조방사선치료와 입체적세기조절회전치료 시 조사 각도를 일부 제한함으로써 표적체적의 선량분포는 동일하게 유지함과 동시에 조사체적을 줄일 수 있었다. 이로 인해 폐의 선량 퍼짐 현상의 감소로부터 폐의 독성을 낮추는데 기여할 수 있을 것으로 사료된다. In this study, plans to apply 3D conformal radiotherapy, intensity modulated radiotherapy, and volumetric intensity modulated arc radiotherapy to esophageal cancer radiotherapy were compared. In particular, arc therapy was applied to reduce irradiated volume and spread of low-dose during intensity modulated radiation therapy and volumetric intensity modulated arc radiotherapy by limiting part of irradiated angle, in order to compare target doses and dose for surrounding normal tissues of the two methods and those of 3D conformal radiotherapy. No significant difference in target dose was found among the three methods. The 5 Gy volume(V5) of the lung showed 56.53% of conformal radiotherapy, 52.03% of intensity modulated radiotherapy, and 47.84% of volumetric modulated arc therapy(CRT-IMRT p=0.035, CRT-VMAT p<0.001, IMRT-VMAT p<0.001). The 10 Gy volume(V10) showed a significant difference in conformal radiotherapy 35.12%, intensity modulated radiotherapy 34.04%, and volumetric modulated arc radiotherapy 33.28%, showing significant difference in intensity modulated radiotherapy(p=0.018), volumetric modulated arc therapy(p=0.035), no significant difference in dose was found at 20 Gy volume. The mean dose and 20 Gy volume of the heart were not significantly different according to the treatment plan, but the 30 and 40 Gy volumes were 37.16% and 22.46% in the volumetric modulated arc radiotherapy, showing significant differences(p=0.028) in comparison with conformal radiotherapy. It is believed that, by limiting part of the irradiated angle during intensity modulated radiotherapy and volumetric intensity modulated arc radiotherapy, the irradiated volume and, thereby, the 5-10 Gy area and toxicity of the lung can be reduced while maintaining dose distribution of the target dose.

금 나노입자를 활용한 두부 모의피폭체에서의 선량증가 효과 평가

황철환(Chulhwan Hwang),박은태(Eun-Tae Park),김정훈(Jung-Hoon Kim) 한국콘텐츠학회 2016 한국콘텐츠학회논문지 Vol.16 No.8

두부 모의피폭체를 활용하여 MV X, γ선에서의 선량증가 효과와 금 나노입자의 크기, 물질의 농도에 대한 의존성을 평가하였다. MCNPX code를 이용하여 Monte Carlo 시뮬레이션 기법을 적용하였으며, 입사에너지는 4, 6, 10, 15 MV X선, Co-60 γ선을 사용하였다. 두부 모의피폭체 내에 종양을 묘사하고 내부에 25, 75, 125 nm 직경의 금 나노입자를 삽입하였다. 나노입자의 농도는 5, 15, 25 mg/g을 적용하였으며, 선량증가 물질이 없을 때를 기준으로 하여 선량증가비를 산출하였다. 입사 에너지가 낮을수록, 선량증가 물질의 농도가 높을수록 높은 선량증가비를 나타내었다. 나노입자의 크기는 입사 에너지가 낮고, 물질의 농도가 높을수록 상대적으로 높은 의존성을 보였다. 금 나노입자를 이용한 선량증가 효과를 나타내는데 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다. The effect of dose enhancement was evaluated using Snyder head phantom, dependence on size of gold nanoparticle and material concentration in megavoltage X, γ-ray. Monte Carlo simulation using MCNPX was used for 4, 6, 10, 15 MV and Co-60 γ-ray. Described the tumor in Snyder head phantom, gold nanoparticle of 25, 75, 125nm diameter was inserted inside tumor. Concentration of dose enhancement material was used for 5, 15, 25 mg/g and dose enhancement factor was calculated on the basis of the no dose enhancement material. The lower incident energy and the higher concentration of material were that high dose enhancement factor is indicated. The size of gold nanoparticle had relatively high dependence on lower incident energy and higher concentration of material. It will increase dose inside the tumor, and be additional effect of use of gold nanoparticles in radiation therapy.

몬테칼로 기법을 이용한 kV, MV X선에서의 선량증가 효과 비교 평가

황철환(ChulHwan Hwang),임인철(In-Chul Im),김정훈(Jung-Hoon Kim) 한국방사선학회 2017 한국방사선학회 논문지 Vol.11 No.2

Monte Carlo 기법을 활용하여 60, 90, 120, 150 kV와 6, 15 MV X선에서의 선량증가 효과를 평가하였다. MCNPX code를 이용하여 ICRU slab 모의피폭체를 전산모사하였으며, 금, 가돌리늄, 산화철의 선량증가 물질을 사용하였다. 입사에너지의 전자평형 지점을 고려하여 모의피폭체의 표면 및 5 cm 깊이에 5, 10, 15, 20 mg/g 농도의 물질을 삽입하였으며, 선량증가 물질이 없을 때를 바탕으로 하여 깊이에 따른 흡수에너지 변화와 선량증가효과비를 통하여 정량적 평가를 시행하였다. 선량증가 물질의 농도가 높을수록, 금, 가돌리늄, 산화철 순으로 높은 선량증가 효과를 보였으며, kV X선에서는 입사에너지가 낮을수록, 물질의 원자 내전리 퍼텐셜에 가까울수록 높은 선량증가 효과를 보였다. MV X선에서는 15 MV에 비해 6 MV에서 높은 선량증가 현상을 나타내었으며, kV X선에 비해서는 현저히 낮은 결과를 확인할 수 있었다. Monte Carlo simulations were used to assess dose enhancement effects for 60-, 90-, 120-, and 150-kV X-rays, and for 6- and 15-MV X-rays. The MCNPX code was used for a computer simulation of the ICRU slab phantom, and gold, gadolinium, and iron oxide (Fe2O3) were employed as dose enhancement agents. In consideration of the buildup region of the incident energy, agent concentrations of 5, 10, 15, and 20 mg/g were inserted on the surface of the phantom at a depth of 5 cm. Based on baseline values obtained in the absence of dose enhancement agents, a quantitative analysis was performed by evaluating depth-dependent changes in the absorbed energy and the dose enhancement factor (DEF). A higher concentration of dose enhancement agents led to a greater dose enhancement effect with iron oxide, gadolinium, and gold in descending order. For kilovoltage (kV) X-rays, as the incident energy was decreased and as the energy became closer to the ionization potential of the atoms in the enhancement agent, the dose enhancement effect increased. In the megavoltage (MV) X-ray range, dose enhancement was higher at 6 MV compared with 15 MV. However, the overall dose enhancements were significantly lower compared to the results obtained with kV X-rays.

의료기관 방사선작업종사자들의 방사선/능 방어에 대한 인식도 및 수행도 분석: 부산지역 의료기관을 중심으로

박철구(CheolKoo Park),황철환(ChulHwan Hwang),김동현(DongHyun Kim) 대한방사선과학회(구 대한방사선기술학회) 2017 방사선기술과학 Vol.40 No.1

본 연구는 의료기관에 종사하는 방사선작업종사자들의 방사선/능 방어에 대한 안전관리 인식과 행동조사에 관한 연구를 시행하였다. 자료 수집은 구조화된 설문지를 사용하여 의료기관에 근무하는 방사선작업종사자 267명을 대상으로 하였다. 그 결과, 40대, 50대 그룹과, 고학력 그룹에서 방사선 안전관리 인식도와 수행도가 높은 것으로 분석되었다. 방사선 안전관리 지식에 따른 분석은 “매우 잘 알고 있다” 그룹에서 인식도와 수행도 점수가 높은 것으로 분석되었다. 안전관리 노력 정도에 따른 분석은 “다양한 교육을 받거나 책을 통해 안전관리 내용을 공부하고 있다” 그룹에서 높은 인식척도와 수행척도를 나타냈다. 하부요인들간 상관관계의 경우 종사자 개인측면의 인식도 와 환자 및 환자보호자 측면의 인식도에서 가장 높은 정적상관을 나타냈다. 따라서 의료기관에 근무하는 방사선작 업종사자들의 다양한 경로를 통한 지속적인 방사선 안전관리 교육 습득을 통해 종사자 및 환자 그리고 환자보호자에 대한 방사선 안전관리가 이루어져야 할 것으로 사료된다. The purpose of this study was to investigate safety management awareness and behavioral investigation of radiation/radioactivity performance defenses of radiation workers in medical institutions. Data collection consisted of 267 radiation workers working in medical institutions using structured questionnaires. As a result, it was analyzed that radiation safety management awareness and performance were high in 40s, 50s group and higher education group. The analysis according to the radiation safety management knowledge was analyzed that the Know very well group had higher scores on awareness and performance scores. The analysis according to the degree of safety management effort showed the high awareness scale and the performance scale in the group Receiving various education or studying the safety management contents through book . The correlations between the sub-factors showed the highest positive correlation between perceived practician and personal perspective and perceived by patient and patient s caretaker perspective. Therefore, radiation safety management for workers, patients, and patient s caretaker should be conducted through continuous education of radiation safety management through various routes of radiation workers working at medical institutions.

몬테칼로 기법을 이용한 방사선 선량증가 물질에 따른 선량증가 효과 평가

김정훈(JungHoon Kim),김창수(ChangSoo Kim),황철환(Chulhwan Hwang) 대한방사선과학회(구 대한방사선기술학회) 2017 방사선기술과학 Vol.40 No.1

Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 MV X, γ선에서의 선량증가 효과를 평가하였다. MCNPX code를 이용하여 ICRU 평판형(Slab) 모의피폭체를 전산모사하였으며, 입사 광자의 에너지, 선량증가 물질의 종류 및 농도에 따른 영향을 분석하였다. 선량증가 물질은 금(aurum), 가돌리늄(gadolinium), 요오드(iodine), 산화철(iron oxide)에 대해 비교 평가하였으며, 입사에너지는 선형가속기에서 발생된 4, 6, 10, 15 MV X선의 스펙트럼과 Co 60의 γ선원을 사용하였다. 모의피폭체 내에 7, 18, 30 mg/g 농도의 물질을 삽입하였으며, 선량증가 효과의 정량적 평가를 위해 선량증가비를 산출하였다. X선의 입사에너지가 낮을수록, 선량증가 물질의 농도가 높을수록 높은 선량증가비를 나타내었으며, 최대 선량증가비는 금 1.079, 가돌리늄 1.062, 요오드 1.049, 산화철 1.035를 보여 금, 가돌리늄, 요오드, 산화철 입자 순으로 높은 선량증가 효과를 보였다. 이러한 결과는 In-vivo, vitro 연구의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다. Dose enhancement effects at megavoltage (MV) X and γ-ray energies, and the effects of different energy levels on incident energy, dose enhancement agents, and concentrations were analyzed using Monte Carlo simulations. Gold, gadolinium, Iodine, and iron oxide (Fe2O3) were compared as dose enhancement agents. For incident energy, 4, 6, 10 and 15 MV X-ray spectra produced by a linear accelerator and a Co60 γ-ray were used. The dose enhancement factor (DEF) was calculated using an ICRU Slab phantom for concentrations of 7, 18, and 30 mg/g. The DEF was higher at higher concentrations of dose enhancement agents and at lower incident energies. The calculated DEF ranged from 1.035 to 1.079, and dose enhancement effects were highest for iron oxide, followed by iodine, gadolinium, and gold. Thus, this study contributes to improving the therapeutic ratio by delivering larger doses of radiation to tumor volume, and provides data to support further in vivo and in vitro studies.

EfficientNet을 활용한 식용 버섯 분류

함영권(Youngkwon Ham),전재진(Jaejin Jeon),황철환(ChulHwan Hwang),이광희(Kwanghee Lee),박준범(Junbeom Park),강태원(Taewon Kang) 한국정보기술학회 2023 Proceedings of KIIT Conference Vol.2023 No.6