07 방사선 생물학 - 2. 방사선 선량평가

2. 방사선 선량평가

 1) 방사선량(Radiation Quantities)

 (2) 커마(Kerma, K)

▶ 커마 K는 비하전입자에 의해 물질 내 질량 dm에 생성된 모든 하전입자 운동에너지의 합 dEtr을 dm으로 나눈 몫으로서 다음과 같다.

 SI 단위는 Jkg^-1이지만 그레이(Gy)가 주로 사용된다.

 

 (3) 조사선량(Exposure Dose, R)

▶ 공기 중으로 에너지를 전달하여 전하를 생성시키는 양으로 정의된다.

 단위로는 렌트겐(R)을 사용하며 1 R은 엑스선 또는 감마선에 의해 공기 1 kg당 2.58 x 10^-4 C(쿨롱)의 전하를 생성하는 방사선의 양이다.

 

 (4) 흡수선량(Absorbed Dose, D)

▶ 방사선 생물학, 핵의학, 방사선종양학 및 방사선안전관리 분야에서 흡수선량 D는 기본 물리적 선량으로 모든 종류의 전리방사선 및 방사선 조사형태에 대해 사용된다. 전리방사선에 의해 질량 dm인 매질에 부여된 평균에너지 dε를 dm으로 나눈 몫으로 정의된다.

 SI 단위는 Jkg^-1이지만 그레이(Gy)가 주로 사용된다. 흡수선량은 측정 가능한 양이며, 측정으로 그 값을 결정할 수 있도록 1차 표준이 존재한다.

 

▶  커마 값은 질량소 dm 물질 내의 상호작용에 의해서만 결정되지만, 흡수선량은 같은 질량소 dm 주변에서 발생하여 이 질량소로 들어오는 2차 하전입자에도 의존한다는 차이가 있다.

 

▶ 인체의 여러 조직이나 장기의 흡수선량을 평균하고 이를 합산함이 낮은 선량에서 확률론적 영향의 제한에 사용하는 방호량 정의의 기초이다. 이 접근법은 문턱 없는 선형 선량-반응 관계(LNT 모델)의 가정에 근거하며, 외부와 내부 피폭 선량을 합산할 수 있게 한다.

 

 (5) 등가선량(Equivalent Dose, HT)

▶ 방호량은 확률론적 보건 영향 발생을 허용하는 수준 미만으로 유지하고 조직반응을 방지하기 위한 선량제약치 지정에 사용된다.

 

▶ 등가선량의 정의는 종류 R인 방사선으로 인한 특정 장기나 조직 T 체적의 평균 흡수선량 DT,R에 기초한다. 방사선 R은 신체에 입사하거나 체내에 있는 방사성 핵종이 방출하는 방사선의 종류와 에너지가 된다. 따라서 방호량인 장기나 조직의 등가선량 HT는 다음과 같이 정의된다.

 여기서 WR은 방사선 R의 방사선가중치이다. 관련된 모든 종류 방사선에 대해 합산한다. SI 단위는 kg^-1이지만, 시버트(Sv)가 주로 사용되며 시버트를 사용하면 흡수선량과 혼동을 피할 수 있다.

 

▶ 방사선가중치

방사선 유형	방사선 가중치, WR
알파 입자, 핵분열파편, 중이온	20

 방사선가중치 WR은 흡수선량이 같아도 방사선의 종류에 따라 생물학적 영향이 차이가 있는 것을 보정해 주기 위한 것으로 낮은 선량에서 여러 종류 방사선의 생물학적 효과비(RBE) 실험데이터에 의해 결정된다. ICRP 103에서는 개정된 WR값을 채택하고 있다.

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 (6) 유효선량(Effective Dose, E)

▶ 인체에는 여러 조직/장기가 있는데 각기 방사선 위험(감수성)이 다른다. 따라서 방사선에 피폭한 사람의 전신에 대한 위험을 나타내기 위한 잣대로서 각 조직의 등가선량에 그 조직의 상대적 위험을 가중하여 평균한 전신선량을 사용하는데 이를 유효선량이라 부른다.

 등가선량으로 인한 신체의 모든 장기와 조직의 확률적 영향이 결합된 위해를 반영하기 위해 각 장기나 조직의 등가선량에 조직가중치 WT를 곱하고 이 결과를 전신에 대해 합쳐 유효선량 E를 얻는다. 수식으로는 다음과 같이 표현된다.

  여기서 WT는 조직 T의 조직가중치이며 ΣWT는 1이 된다. 합산은 인체에서 확률론적 영향 유발에 민감한 것으로 간주되는 장기와 조직 전체에 대해 이루어진다. WT값은 확률론적 영향으로 인한 존체적인 방사선 위해에 대한 개별 장기와 조직의 기여를 나타내도록 선정되었다.

 SI 단위는 Jkg^-1이지만, 시버트(Sv)가 주로 사용된다. 

 

▶  등가선량 및 유효선량은 실제로 측정할 수 있는 양이 아니며 실용량을 근거로 계산된다.

 특정 조직의 흡수선량은 물리량인 반면, 등가선량과 유효선량은 생물학적·역학적으로 파악한 내용에 기초한 가중치들이 포함된다. 따라서 유효선량의 정의와 값은 물리적 특성에만 근거하지 않는다.

 예를 들어 조직가중치 WT는 주로 일본 원폭생존자 역학연구 및 실험적 유전데이터에 기초한다. 나아가 조직가중치는 사람의 양 성별과 모든 연령에 대해 평균한 평균값을 나타낸다.

 

 (7) 예탁선량(Committed Dose)

▶ 체내에 들어온 방사선 핵종은 그 물리적 반감기와 체내 생물학적 반감기에 의해 결정되는 기간 동안 조직에 피폭을 준다. 방사성 핵종에 의한 피폭과 방사선량 누적을 장기간 조절할 필요 때문에 에탁선량이라는 양이 정의되었다. 체내 방사성 핵종으로 인한 에탁선량은 일정 기간 발생할 것으로 예상되는 총 선량이다.

 조직이나 장기 T의 예탁등가선량 HT(τ)는 다음과 같이 정의된다.

 예탁유효선량 ET(τ)는 다음과 같이 주어진다.

 

 (8) 집단선량(Collective Dose)

▶ 지금까지의 선량계측량은 기준인에 관한 것이었다. 그런데 직무로 피폭하는 개인이나 일반인 집단의 방사선 피폭을 합리적으로 최적화하기 위해 ICRP는 집단선량의 개념을 도입하여 사용하고 있는데, 이 양은 최적화 수단으로 이해되어야 한다. 이 양은 일정 기간 피폭에 대해 한 선원으로부터 피폭하는 개인 그룹을 고려한다. 이러한 양으로 조직이나 장기 T와 관련된 집단등가선량 ST와 집단유효선량 S가 정의되어 왔다. 단위는 맨-시버트(man Sv)이다.

 

▶ 집단선량을 실제에 적용하면서 직무피폭에서 최적화를 위해 사용됨을 잘 이해해야 된다. 집단유효선량을 잘못 사용하는 예가 있는데 광범위한 선량과 매우 긴 시간, 광대한 지리적 지역에 대한 방사선 피폭을 합산하고 이를 근거로 방사선 관련 위해를 계산하는 것이다. 이는 집단선량에 기여하는 모든 선량 범위에서 유해한 방사선 영향에 대한 위험계수에 대한 충분한 지식이 있을 때만 의미가 있는데, 낮은 선량 범위에서는 관련된 큰 불확실성이 있기 때문이다.

 

 (9) 실용량(Operational Quantity)

▶ 인체 관련 방호량(등가선량 및 유효선량)은 실제로 측정할 수 없다. 따라서 방사선 안전관리를 위해서는 이를 대신하여 사람이 받게 되는 선량을 측정할 수 있는 선량 도입이 필요하다. 예를 들어서 방사선관리구역 또는 제한구역을 정량화할 수 있는 실용량이 필요하고, 특정 개인에서의 피폭량 관리를 위해서는 개인이 패용하는 정량화가 가능한 실용량이 필요하다.

① 주위선량당량(ambient dose equivalent)

② 방향성선량당량(directional dose equivalent)

③ 개인선량당량

 : 개인 감시를 위한 실용량은 몸체 특정 점 아래 ICRU 조직 내 적정 깊이 d에서 선량당량인 개인선량당량(personal dose equivalent Hp (d))이다. 특정 점은 일반적으로 개인선량계를 패용한 부위이다.

 유효선량 평가를 위해 깊이 d=10 mm인 Hp(10)을 선정하며, 피부와 손발에 대한 선량 평가를 위해서는 깊이 d=0.07 mm인 개인성량당량 Hp(0.07)이 사용된다. 눈의 수정체 선량을 위해 깊이 d=3 mm가 제안되었다. 그러나 실제로 Hp(3)은 거의 감시하지 않으며, 대신 Hp(0.07)를 수정체 감시 목적으로 이용할 수 있다.

 실용량은 측정 가능한 양이며, 방사선 감시 측정기는 이 양으로 교정된다. 일상감시의 경우, 이러한 실용량 값은 특히 그 값이 방호 한도 미만일 경우 각각 유효선량과 피부선량을 충분히 정확하게 평가하는 것으로 간주할 수 있다.

④ 내부 피폭을 위한 실용량

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예상문제

집단유효선량을 광범위한 선량과 매우 긴 시간, 광대한 지리적 지역에 대한 방사선 피폭을 합산하고 이를 근거로 방사선 관련 위해를 계산하는 것이 옳은지 유무와 그 이유를 기술하시오. 

집단선량을 실제에 적용하면서 직무피폭에서 최적화를 위해 사용됨을 잘 이해해야 된다.

이는 집단선량에 기여하는 모든 선량 범위에서 유해한 방사선 영향에 대한 위험계수에 대한 충분한 지식이 있을 때만 의미가 있는데, 낮은 선량 범위에서는 관련된 큰 불확실성이 있기 때문이다.

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 2) 외부 피폭에 대한 선량 평가

 (1) 감마선 외부 피폭 선량 평가

▶ ICRP 권고에서는 직무피폭 평가를 위해서는 선량계를 착용하는 개인을 사용한 개인 모니터링으로, 또는 예를 들어 계획적 평가의 경우 H*(10)을 측정하거나 추정하고 해당 변환 계수를 적용하는 것으로 이루어진다.

 개인 모니터링에 대한 실용량은 Hp(10)과 Hp(0.07)이다. 개인용 선량계를 피폭의 대표적인 신체 부위에 착용한 경우 Hp(10)의 값은 전신이 골고루 피폭되었다고 가정할 경우 방사선 방호 행위에 충분히 정밀한 유효선량 값을 나타낸다.

 

 (2) 베타선 피폭에 대한 선량평가

▶ 베타방출체의 경우 공기에 의한 감쇠효과 때문에 역자승 법칙을 적용할 수는 없다. 베타선은 비교적 얇은 흡수물질에 의해서도 그들의 에너지를 잃어버리므로 비투과성 방사선이라 할 수 있다. 저에너지 베타선과 달리 고에너지 베타선은 가까이 있는 물체에 매우 높은 선량을 전달하게 되므로, 예를 들면 피부오염 시 살아있는 생피층의 흡수선량은 매우 높다.

 

▶ 핵의학에서 사용하는 방사성의약품은 대부분 비밀봉액상의 형태로 저장용기로 차폐가 되어 있다. 따라서 베타선 방출하는 의약품의 선량평가는 피부오염 시 가장 필요하다. 

 

 3) 내부선량 평가

▶ ICRP에서는 각 방사성의약품에 대한 체내 역동 모델을 설정하여 이에 따른 내부선량 평가를 하고 있다.

 

 (1) MIRD

▶ MIRD법이란, 방사능 물질의 체내 축적에 의한 인체내 기관 및 조직의 방사선량을 평가하기 위해서 미국 핵의학회의 의료용 내부선량위원회(Medical Internal Radiation Dose Committe)가 제안한 평균 흡수선량 계산 방식을 말한다.

 

▶ 그러나 이 방법은 몇 가지 제한점이 있으므로 적용시에 이를 잘 이해해야 한다.

- 체중 70 kg의 표준 인체 모형에 근거하여 S-value를 결정하였기 때문에 적용하고자 하는 개인의 신체적인 조건에 따른 차이를 재평가해야 할 수 있다.

- 또한 방사성의약품이 해당 장기에 고르게 분포한다고 가정하고 있으므로 병적인 상황으로 인해 장기 내 방사성의약품의 분포가 고르지 못한 경우 실제의 선량과 달라질 수 있다.

- 특히 오제전자를 방출하는 경우 자가흡수선량을 산출하는 것이 부정확해진다. 평균 흡수선량을 산출하고 있으므로 최대, 최소 선량을 알 수 없고, 또한 종양에 전달되는 선량을 구할 수 없다는 등의 제한점이 있다.

- 이러한 제한점들을 극복하기 위하여 종양을 모델링하거나 voxel에 근거한 환자 개별 선량평가법들이 제시되고 있다. Multimodality imaging과 registration 기법이 발전하고 있으므로 각 개인에 특화된 선량평가는 더욱 발전하리라 기대된다.

 

 (2) 기준인(Reference man)

▶ 기준인이란, 1975년 ICRP가 제안한 인체의 해부생리학적 특성과 그 구성성분에 대한 자료로서 성인남자를 기준으로 한다. 해부적 특성은 성인 남자와 성인 여자를 구별하였다. 기준인의 자료를 이용한 내부선량 평가는 방사성 동위원소 및 화합물의 이용 가능성과 그 적용 방식을 설정하는데 유용한 자료를 제공한다. 최근 ICRP에서는 Voxel Phantom을 개발하였고, 이로 대체 중이다.

 

 4) 핵의학 진료행위와 방사선량

 (1) 핵의학 진료행위의 유효선량, 외부선량률

▶ 소아에게 방사성의약품이 투여되는 경우 부모 또는 간병인에게 발생하는 피폭량은 다른 핵의학 검사 시 일반인에게 발생하는 피폭에 비해 높을 수 있다.

 

 5) 사고 시 선량평가

 (1) 물리적 선량평가

▶ 방사선인 인체에 피폭되는 형태는 인체에 방사선이 직접 조사되거나 그 오염에 의하여 피폭을 직접 받는 외부 피폭과 호흡, 섭취, 상처부위를 통해 인체 내부에 축적되는 방사성 물질에서 발생하는 방사선에 의해 피폭되는 내부 피폭이 있다.

▶ 외부 피폭은 감마선 또는 엑스선이나 중성자선과 같이 투과력이 큰 방사선이 문제가 되며, 내부 피폭은 알파선 및 베타선과 같이 투과력이 낮지만 LET가 높은 방사선이 문제가 된다.

▶ 외부 피폭선량은 TLD, 필름배지, EPD, ADR, Alarm Dosimeter, PD 등의 개인 피폭선량게를 이용하여 측정하며, 내부 피폭선량은 전신계측기(Whole Body Counder, WBC)를 이용한 직접측정법(in vivo)과 배설물 중의 방사성 핵종을 측정하는 간접측정법(in vitro, bio-assay) 및 작업장 공기 중 방사성 물질 농도측정에 의한 평가법 등이 있다.

 

① 외부 피폭선량 평가

가. 개인선량계

 : 개인선량계는 방사선작업종사자가 착용해야 하고 많은 수의 개인 종사자에게 지급되어 있으므로 사고 시 선량평가에 유용하게 이용될 수 있다.

 현재 실용되고 있는 개인선량계로는 필름, TLD, OSL 등의 검출물질을 내장한 배지, 소형 전리함을 내장한 포켓 선량계, 실리콘 다이오드처럼 작은 검출기를 갖춘 능동형 전자선량계 등이 있다.

나. 대체물질을 이용한 선량평가(Opportunistic dosimetry)

 : 방사선 상해자가 개인선량계를 미착용하거나 훼손된 경우에는 사고현장에서 방사선에 피폭된 대체물질을 이용하여 피폭방사선량을 평가할 수 있다. 이러한 선량평가법에는 방사화분석법, 열형광분석법, 광자극형광분석법, 전자스핀공명법 등이 있다. 대체물질을 이용한 선량평가법은 선량에 따른 각각의 반응 특성에 따라 시스템 교정이 수행되어야 하며, 피폭자와 대체물질이 근접할수록 정확도가 높기 때문에 가능한 피폭자가 소지하거나 착용한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.

- 방사화 분석법은 특히 중성자 피폭이 발생한 경우 피폭자가 보유하고 있던 대체물질이 중성자 포획으로 방사화되는 원리를 통해 피폭방사선량을 평가한다. 대체물질로는 혈액과 같은 생체시료를 주로 이용하며, 반지, 열쇠, 동전, 휴대폰 등의 금속물질로도 사용 가능하다. 특히 체내에 거의 균일하게 분포하고 있는 23Na은 중성자 포획반응을 통해 고에너지 감마선을 방출하는 24Na로 변환되어 쉽게 측정이 가능하기 때문에 중성자 피폭선량 평가에 주로 사용된다.

- 형광분석법은 개인선량계로 이미 사용 중인 선량평가법으로 최근에는 대체물질로 휴대폰이나 메모리 칩 등을 사용하여 선량반응 특성을 연구하고 있다.

- 전자스핀공명법은 인체의 손톱, 모발, 치아 등과 같이 수용액에 녹지 않는 유리물이 방사선에 피폭되면 유기물 내부에 유리기(free radical)가 생성되는데, 생성된 유리기의 양은 조사된 방사선량에 비례하게 된다. 이와 같은 원리에 따라 전자스핀공명의 흡수세기와 피폭방사선량의 상관관계를 통해 대체물질이 받게 된 피폭방사선량을 정량적으로 평가할 수 있다.

다. 선량재구성(Dose reconstruction)

 : 몬테칼로 전산모사 등의 방사선수송 해석코드를 이용해 피폭방사선량을 계산할 수도 있는데 피폭조건에 대한 정보가 정확할 경우에는 단순한 수학적 계산보다 더욱 정확하게 조직이나 장기별 피폭 방사선량을 평가할 수 있다.

 실제 일본 도카이무라 임계사고 당시에 피폭방사선량 평가에 사용되었으며, 현재 선량평가결과에 대한 검증이나 교차분석용으로 많이 활용되고 있다.

 

② 내부 피폭선량 평가

▶ 전신계측법

 : 전신계측법은 전신계측기(WBC)를 이용하여 직접 인체 내부의 피폭선량을 평가하는 방법이므로 감마선을 방출하는 방사성 핵종을 대상으로 하며, 비정이 짧은 알파, 베타 핵종은 측정할 수 없다. 인체 내부선량을 평가하기 위해서는 반드시 방사선의 에너지 및 인체 내부에 축적된 방사능량을 알아야 하므로 방사성 핵종을 판별해내는 측정 시스템을 사용해야 한다. 따라서 전신계측기는 방사성 핵종을 판별할 수 있는 반도체검출기 또는 검광계수기와 다중파고분석기의 조합으로 이루어진다.

 

▶ Bio-assay법

 235U, 239Pu와 같은 알파핵종과 3H, 14C, 89Sr, 90Sr 같은 순수 베타핵종은 Bio-assay법을 이용하여 내부 피폭선량을 평가하며, 핵종의 에너지 및 방사능량 측정에 액체섬광계수기 등이 사용된다. 배설, 분비물들의 형태에 따라 측정에 적합한 여러 방법을 이용하여 전 처리를 해야 한다.

 

▶ 전신계측법이나 bio-assay법으로 내부 피폭선량을 평가할 수 없는 상황인 경우 air sampler로 공기 중 방사성 물질을 채집한 다음 HPGe 감마핵종 분석기 등으로 핵종 및 방사능을 측정하고 선량변환 인자를 이용하여 내부 피폭선량으로 환산할 수 있다. 이 방법은 선량평가 결과의 신뢰도가 낮다.

 

 (2) 생물학적 선량 평가

▶ 방사선 사고 시 어느 정도  피폭되었는지를 평가할 때에는 인체로부터 얻을 수 있는 가능한 모든 생체시료(혈액, 오줌, 치아, 정자 등)를 이용하는데, 이것을 생물학적 선량평가라고 한다.

 

① 불안정형 염색체이상 분석법

▶ 염색체이상 가운데, 2동원체염색체(dicentric)와 환상염색체(ring)가 생물학적 선량평가에서 널리 사용된다.

 말초혈액 림파구의 염색체이상에 의한 피폭선량 추정은 감도가 좋기 때문에 관찰 세포수를 늘리는 방법으로 0.1 Gy까지 피폭량을 추정할 수 있다.

 

② 안정형 염색체이상 분석법(형광 염색체 착색법, FISH)

▶ 방사선 피폭 직후에 생기는 이동원체염색체나 환상염색체 등의 불안정형 염색체이상은 ,현미경 아래에서 용이하게 검출이 가능한 것에 반해서, 전좌 등의 안정형 염색체이상의 검출에는 시간과 경비가 필요하다.

 이 방법은 전좌의 출현빈도를 관찰하고 전체 염색체에 대한 특정 염색체가 차지하는 유전학적 비율을 지표로 0.25 Gy까지 피폭량을 추정할 수 있다.

 

③ 미소핵 분석법

▶ 전리방사선에 있어서는, 앞에서와 같이 염색체 그 자체의 이상을 관찰하는 방법과 염색체이상 때문에 출현하는 미소핵을 관찰하는 방법이 있다.

- 미소핵 시험법의 장점은 1) 핵형에 관게없이 검사가 가능하고, 2) 검사가 간단하기 때문에 특수한 훈련이 필요 없으며, 3) 단시간에 많은 세포를 관찰할 수 있고, 4) 장시간이 지난 후 염색체이상의 검출이 가능하다는 것이다.

- 단점으로는, 염색체이상 종류의 판정은 불가능하며 유사 미소핵의 출현 가능성이 있다는 것이다.

- 염색체형의 이상이 방사선에 특유한 것이라는 것과는 다르게, 미소핵 형성 그 자체가 꼭 방사선에 특이적인 현상만은 아니라는 본질적인 문제가 남아있다.