KR101450394B1 - 방사선 선량반응성과 조직등가성이 우수한 중합체 겔 조성물 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계로 이용할 수 있는 선량민감도(dose sensitivity)와 인체 연부조직등가성(soft tissue equivalence)이 우수한 새로운 중합체 겔 조성물이 개시된다. 본 발명은 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계(dosimeter)로 이용되는 중합체 겔(gel) 조성물로서, 증류수, 이당류, 젤라틴(gelatin), 하이드로퀴논(hydroquinone), 메타크릴산(methacrylic acid), 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate)로 구성된 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제공한다.
Description
본 발명은 치료용 방사선 영역에서 선량계로 이용할 수 있는 중합체 겔 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 방사선 선량반응성과 조직등가성이 우수한 3차원 중합체 겔 조성물 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 2009년 한국연구재단에서 지원하는 방사선기술개발사업의 일환으로 수행된 연구로부터 도출된 것이다.
[과제관리번호: 2011-0030597, 과제명: 치료용 방사선의 3차원적 선량평가 기술 개발]
방사선치료의 궁극적인 목표는 치료하고자 하는 병소에는 충분한 방사선량을 조사하여 치료효과를 높이고 정상조직에 대한 방사선량은 최소화하여 정상조직은 최대한 보호하는데 있다. 따라서, 치료 부위에 대한 정확한 선량의 전달과 정상조직에 대한 선량 측정 및 평가는 매우 중요한 문제라고 할 수 있다.
최근에는 세기조절방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy; IMRT)와 영상유도방사선치료(Image Guided Radiation Therapy; IGRT) 등과 같은 최신 장비를 이용한 치료에서는 환자 치료 계획 시 종양체적에 분포한 3차원 공간 선량분포의 검증이 더욱 더 중요하다고 할 수 있다.
현재 임상에서 주로 이용하고 있는 선량 측정방법은 물 팬텀 내에 점 선량계(이온전리함, 반도체 검출기, 다이아몬드 검출기) 등을 연결하여 국소적인 방법으로 3차원 선량분포를 얻어내고 있다. 이러한 선량계들은 축적 선량분포를 검증할 수 없기 때문에 다중 방사선 중첩에 의한 복잡한 선량분포를 구현하기에는 한계가 있다. 또한 인체 팬텀 내에 열형광선량계(Thermoluminescence Dosimeter; TLD)나 필름 등을 이용하여 축적 선량을 측정할 수 있는 방법이 있기는 하지만, 이 방법 또한 3차원 공간 선량분포를 측정하는 것은 한계가 있다.
마리안스키(Maryanski, M. J., Gore, J. C., Kennan, R. P., Schulz, R. J., NMR relaxation enhancement in gels polymerized and cross-linked by ionizing radiation: a new approach to 3D dosimetry by MRI, Magn Reson Imag 11. 253-258, (1993)) 등에 의해 발표된 최초의 중합체 겔은 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide)를 이용한 겔로서 주로 방사선량을 측정하는 선량계로서 상업적인 겔 생산의 발판을 가져왔다. 이후에 여러 단량체들과 다양한 조성비에 따른 겔 선량계들이 개발되었으며, 퐁(Fong, P. M., Keil, D. C., Mark, D. D., Gore, J. C., Polymer gels for magnetic resonance imaging of radiation dose distribution at normal room atmosphere, Phys Med Biol 46, 3105-3113, (2001)) 등에 의해 항산화제를 이용하여 정상산소 상태에서 보다 쉽게 겔을 제조할 수 있는 겔 선량계가 발표되었다. 하지만, 기존의 여러 겔 선량계들은 높은 선량 분해능을 가진 반면에 높은 선량의존성이 있고, 인체 연부조직과 등가성이 떨어지며, 낮은 선량민감도를 가지고 있어 임상에서 다양하게 이용되기 위해서는 보다 향상된 겔 선량계의 개발이 요구된다.
따라서, 본 발명은 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계로 이용할 수 있는 선량민감도(dose sensitivity)와 인체 연부조직등가성(soft tissue equivalence)이 우수한 새로운 중합체 겔 조성물과 이를 최적 조건으로 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
또한, 자기공명영상장치(MRI)를 기반으로 한 중합체 겔 선량계에 대해 최적의 평가를 위한 영상 변수 조건을 제시하고자 한다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은, 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계(dosimeter)로 이용되는 중합체 겔(gel) 조성물로서, 증류수, 이당류, 젤라틴(gelatin), 하이드로퀴논(hydroquinone), 메타크릴산(methacrylic acid), 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate)로 구성된 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제공한다.
또한, 상기 이당류는 수크로스(sucrose)인 것을 특징으로 하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제공한다.
또한, 상기 조성물 함량은 상기 증류수 47.8~77.8중량%, 상기 이당류 5~35중량%, 상기 젤라틴(gelatin) 5~15중량%, 상기 하이드로퀴논(hydroquinone) 0.05~0.5중량%, 상기 메타크릴산(methacrylic acid) 5~15중량%, 상기 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 0.01~0.1중량% 및 상기 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate) 0.0005~0.005중량%로 구성된 것을 특징으로 하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제공한다.
또한, 상기 조성물을 이용한 3차원 선량계는 최대 50그레이(Gy)의 방사선 선량 범위에서 사용 가능한 것을 특징으로 하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제공한다.
상기 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계(dosimeter)로 이용되는 중합체 겔(gel) 조성물을 제조하는 방법으로, (a) 증류수가 담긴 반응 용기에 이당류를 투입 및 용해하는 단계; (b) 상기 이당류 용해 후 젤라틴(gelatin)을 투입하고 상기 반응 용기를 가열 교반하여 상기 젤라틴(gelatin)을 용해하는 단계; (c) 상기 젤라틴(gelatin) 용해 후 하이드로퀴논(hydroquinone)을 투입하고 상기 반응 용기를 냉각 교반하는 단계; 및 (d) 상기 냉각된 반응 용기에 메타크릴산(methacrylic acid), 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate)를 순차 투입 및 교반하는 단계;를 포함하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 (a) 단계의 용해는 실온에서 수행되고, 상기 (b) 단계의 가열 온도는 50~55℃이고, 상기 (c) 단계의 냉각 온도는 37~43℃이고, 상기 (d) 단계의 교반은 상기 냉각 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물 제조방법을 제공한다.
상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 상기 중합체 겔 조성물로 이루어진 겔 선량계에 대하여 방사선 조사 후 하기 표에 제시된 자기공명영상장치(MRI)의 스캔 조건으로 MRI 영상을 획득하는 방법을 제공한다.
[표]
본 발명에 따르면, 중합체 겔 조성물을 구성하는 성분 중 방사선에 의해 연쇄중합 반응을 일으키는 아크릴 단량체로서 메타크릴산을 선택하고, 인체 연부조직과 유사한 화학성분을 가진 이당류를 이용하여 중합체 겔을 합성함으로써, 연부조직과 등가물질이면서, 넓은 치료방사선 선량 범위에서도 우수한 선량민감도를 갖는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 이당류를 포함하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물 제조에 있어, 최적의 성분 투입 프로세스 및 합성 온도를 설정하여, 조직증가성 및 방사선 선량반응성이 우수한 중합체 겔 조성물의 최적 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물의 제조 프로세스를 요약한 모식도,
도 2는 교반기와 중탕가열기를 이용하여 본 발명에 따른 중합체 겔을 합성하는 모습을 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 합성 후 완성된 중합체 겔의 모습을 나타낸 사진,
도 4는 실시예 5에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대하여 각 선량 조사에 따라 변화된 겔 선량계의 모습을 나타낸 사진,
도 5는 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대한 각 선량 조사에 따른 선량민감도를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대한 각 선량 조사에 따른 선량민감도 기울기(slope)를 나타낸 그래프,
도 7은 도 4의 방사선 조사한 겔을 자기공명영상장치를 이용하여 스캔하는 모습(a), 자기공명영상장치의 에코시간에 따라 획득한 영상(b) 및 잡음에 따라 획득한 영상(c)을 나타낸 사진.
도 2는 교반기와 중탕가열기를 이용하여 본 발명에 따른 중합체 겔을 합성하는 모습을 나타낸 사진,
도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 합성 후 완성된 중합체 겔의 모습을 나타낸 사진,
도 4는 실시예 5에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대하여 각 선량 조사에 따라 변화된 겔 선량계의 모습을 나타낸 사진,
도 5는 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대한 각 선량 조사에 따른 선량민감도를 측정한 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대한 각 선량 조사에 따른 선량민감도 기울기(slope)를 나타낸 그래프,
도 7은 도 4의 방사선 조사한 겔을 자기공명영상장치를 이용하여 스캔하는 모습(a), 자기공명영상장치의 에코시간에 따라 획득한 영상(b) 및 잡음에 따라 획득한 영상(c)을 나타낸 사진.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
치료용 방사선 영역에서 중합체 겔(gel) 선량계(dosimeter)의 가장 중요한 성능은 방사선 흡수선량(absorbed dose)에 비례하여 중합반응이 넓은 선량범위에 걸쳐서 민감하게 일어나야 하며, 가능한 인체 연부조직(soft tissue)과 등가물질(equivalent materials)이어야 한다. 이러한 특성은 겔을 화학적으로 구성하는 단량체의 종류와 각 성분들의 조성비, 그리고 겔 합성 조건에 따라서 영향을 받는다. 본 발명자들은 기존의 겔 선량계들이 선량의존성이 높고 인체 연부조직과의 등가성이 낮으며, 선량민감도가 낮은 문제를 직시하고 예의 연구를 거듭한 결과, 인체 연부조직과 유사한 화학성분을 가진 물질을 이용하여 중합체 겔을 합성함으로써, 연부조직과 등가물질이면서, 넓은 치료방사선 선량 범위인 0~50그레이(Gy)에서도 우수한 선량민감도를 갖는 중합체 겔 선량계 물질을 제공할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명은 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계(dosimeter)로 이용되는 중합체 겔(gel) 조성물로서, 증류수, 이당류, 젤라틴(gelatin), 하이드로퀴논(hydroquinone), 메타크릴산(methacrylic acid), 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate)로 구성된 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 개시한다.
본 발명에 따른 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물은 화학 선량계의 일종으로, 현재 3차원적 선량계로 활용하고 있는 겔 선량계는 수용성 겔 내에 균일하게 분포되어 있는 아크릴 단량체가 방사선 선량에 비례하여 중합체로 변화된 양을 자기공명영상장치(MRI)로 측정하므로, 방사선량의 크기와 더불어 공간적 선량분포에 관한 값을 아는 것이 가능하다.
이러한 중합체 겔 선량계의 장점은 선량계 자체를 원하는 형태의 팬텀(phantom)으로 제작하여 치료 위치에 따른 정확도, 흡수선량 및 선량분포를 동시에 얻을수 있으며, 화학적 변화량을 이용함으로써 높은 공간분해능(1㎜ 이하)을 갖는 것이다. 따라서, 사이버나이프(CyberKnife), 감마나이프(GammaKnife) 등의 좁은 영역(small field)에서 선량 경사가 크고 복잡한 선량분포를 가지고 있는 최신 방사선 치료 및 수술기법에 다양하게 활용될 수 있다.
중합체 겔 선량계의 흡수선량(absorbed dose)을 결정하는 중합반응은 겔을 구성하는 단량체의 종류와 조성비, 그리고, 다양한 구성 성분 등에 의해 영향을 받는 것으로 알려져 있어, 다양한 겔 선량계를 용도에 맞게 개발하는 것이 가능하다. 본 발명에서는 이러한 단량체로 방사선에 의해 민감한 중합반응을 일으키도록 하는 메타크릴산(methacrylic acid)을 선택하였고, 이당류를 중합반응 촉진제 역할과 더불어 연부조직등가성을 맞추기 위해 첨가하여 선량반응성과 조직등가성이 개선된 겔 선량체를 제시하고 있다.
본 발명에서 상기 이당류는 수크로스(sucrose), 말토스(maltose), 락토스(lactose) 등이 사용될 수 있으나, 상기 단량체의 자유기 중합반응 가속 성능이 우수하고, 조직등가물질(유효원자번호=6.92)이며, 무독성, 넓은 선량 영역에서의 선량 안정성, 낮은 선량 의존성 및 입수가 용이하고, 또한, 방사선에 민감한 특징을 가지고 있기 때문에 겔 선량계에 첨가했을 때 선량민감도 성능을 크게 향상시킬 수 있는 수크로스를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 상기 수크로스는 일당류인 글루코스(glucose)와 프룩토스(fructose)로 구성되어 있으며, 하나의 산소 원자에 연결된 당과 카보닐의 탄소 라디칼의 하이드록시 그룹(hydroxyl group)에 글루코시딕(glucosidic)의 결합으로 되어 있다. 한편, 글루코스와 같은 단당류를 사용할 경우에도 본 발명에 가까운 중합체 겔 선량계를 구현할 수도 있을 것이나, 단당류는 이당류에 비해 방사선에 의해 반응하는 메틸(CH3) 라디칼의 양이 상대적으로 적기 때문에 이당류인 수크로스에 비해 낮은 선량반응을 내며, 따라서, 본 발명에서는 중합체 겔 성능의 극적인 향상을 위해 이당류를 선택하고 있다.
본 발명에서 상기 메타크릴산과 수크로스 함량은 중합체 겔 조성물 총 중량에 대하여 각각 5~15중량% 및 5~35중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 메타크릴산 6~9중량%, 수크로스 15~35중량% 포함될 수 있다. 상기 메타크릴산 함량이 5중량% 미만일 경우에는 선량민감도가 떨어져 낮은 선량 반응이 나타날 수 있고, 15중량%를 초과할 경우에는 중합체 겔 내에 노이즈 발생이 증가하여 선량 분석 시 오류를 일으킬 수 있다. 또한, 상기 수크로스 함량이 5중량% 미만일 경우 수크로스가 전혀 첨가되지 않은 기존 중합체 겔(MAGIC 겔)과 선량 반응에서 확연한 차이를 나타내지 않아, 최소 5중량% 이상 첨가할 경우에 기존 중합체 겔의 성능을 개선할 수 있는 물질로 이용 가치가 있으며, 35중량%를 초과하더라도 선량민감도의 증가를 더 이상 기대하기 어려우므로, 본 발명에서 상기 수크로스 함량은 5~35중량%로 포함되는 것이 최적이라 할 수 있다.
본 발명에서 상기 증류수는 유동양성자를 함유한 것으로 예를 들어, 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)용 고순도 증류수가 사용될 수 있다. 상기 증류수 함량은 상기 수크로스 함량에 반비례하여 조절할 수 있는데, 중합체 겔 조성물 총 중량에 대하여 47.8~77.8중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 47.8~67.8중량% 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 젤라틴(gelatin)은 중합체 겔의 매트릭스를 형성시켜 겔 내 중합체 및 선량계의 형태를 유지시키는 역할을 한다. 상기 젤라틴 함량은 중합체 겔 조성물 총 중량에 대하여 5~15중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 6~10중량% 포함될 수 잇다.
본 발명에서 상기 하이드로퀴논(hydroquinone)은 빛이나 열에 의한 사전중합반응을 방지하는 역할을 한다. 상기 하이드로퀴논 함량은 중합체 겔 조성물 총 중량에 대하여 0.05~0.5중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.1~0.3중량% 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid)은 정상산소 상태에서 겔을 합성할 수 있도록 항산화제 역할을 하는 것으로, 종래 글로브 박스 등을 이용하여 겔 내의 산소를 제거하는 대신 사용하여, 겔을 합성하는데 있어 보다 효과적이기 때문에 임상적용에 보다 용이하다. 상기 엘-아스코르빅산 함량은 중합체 겔 조성물 총 중량에 대하여 0.01~0.1중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.02~0.05중량% 포함될 수 있다.
본 발명에서 상기 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate)는 상기 엘-아스코르빅산의 항산화제 역할을 보다 촉진시키는 촉매 역할을 한다. 상기 황산구리(Ⅱ) 함량은 중합체 겔 조성물 총 중량에 대하여 0.0005~0.005중량% 포함될 수 있고, 바람직하게는 0.001~0.003중량% 포함될 수 있다.
이상의 성분 조성으로 구성된 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물은 치료방사선의 정도관리용 선량계로서 3차원적인 선량분포를 나타낼 수 있는 큰 장점을 가지게 되며, 이당류인 수크로스를 첨가함으로써 인체 조직등가물질 판단 기준이 되는 유효원자번호를 연부조직이나 근육과 같은 인체 조직 등과 비슷한 유효원자번호를 얻을 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물은 3차원적인 선량분포를 측정하는 방사선치료분야에서 유용하게 사용될 수 있으며, 50그레이(Gy)의 고 선량(high dose) 영역까지 우수한 선량민감도와 낮은 선량 의존성을 가지고 있어, 고 선량을 이용하는 방사선수술분야에서도 3차원 선량계로 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물의 제조 프로세스를 요약한 모식도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물은 상기 성분들을 특정 순서대로 투입함으로써 제조될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물 제조방법은 (a) 증류수가 담긴 반응 용기에 이당류를 투입 및 용해하는 단계; (b) 상기 이당류 용해 후 젤라틴(gelatin)을 투입하고 상기 반응 용기를 가열 교반하여 상기 젤라틴(gelatin)을 용해하는 단계; (c) 상기 젤라틴(gelatin) 용해 후 하이드로퀴논(hydroquinone)을 투입하고 상기 반응 용기를 냉각 교반하는 단계; 및 (d) 상기 냉각된 반응 용기에 메타크릴산(methacrylic acid), 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate)를 순차 투입 및 교반하는 단계;를 포함한다. 도 2에서는 교반기와 중탕가열기를 이용하여 중합체 겔을 합성하는 모습을 나타내고 있고, 도 3에서는 상기 제조방법에 따라 합성 후 완성된 중합체 겔의 모습을 나타내고 있다.
중합체 겔 선량계는 합성할 때 온도에 의해 선량 반응, 선량 민감도, 선량 안정성 특성에 영향을 미치기 때문에 겔 합성 온도 조건이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 상기 (a) 단계의 용해는 실온에서, 상기 (b) 단계의 가열은 50~55℃ 온도에서, 상기 (c) 단계의 냉각은 37~43℃ 온도에서, 상기 (d) 단계의 교반은 상기 냉각 온도에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 (b) 단계의 가열 온도가 50℃ 미만일 경우에는 젤라틴이 완전히 용해되지 않고 덩어리를 형성할 수 있어 겔 분석 시 오류를 발생시킬 수 있고, 55℃를 초과할 경우에는 빛이나 열에 의해 반응하는 겔이 높은 가열에 의해 중합반응을 일으킬 수 있다. 또한, 상기 냉각 온도는 본 발명에 따른 성분 조성에서 겔 형성에 최적 온도 범위로서, 37℃ 미만일 경우에는 겔이 빠르게 굳어 투입된 성분을 충분히 용해시키기 어려울 수 있다.
실시예
1
반응 플라스크에 HPLC(high performance liquid chromatography) 고순도 증류수(J.T. Baker, 미국) 778g을 투입한 후 수크로스(99.5%, Sigma-Aldrich, 미국) 50g을 넣고 실온 상태에서 완전히 용해시킨다. 수크로스가 완전히 용해되면 젤라틴(300bloom, type A, Sigma-Aldrich, 미국) 80g을 넣고 부풀린다. 젤라틴이 완전히 부풀어 오르면 교반기를 50~55℃까지 가열하면서 젤라틴을 용해시킨다. 교반 시 교반속도를 과도하게 올릴 경우 겔 내에 많은 거품을 만들어 내고, 이는 겔을 굳힌 후 불순물 형태로 남아 차후에 겔 분석 시 오류로 작용할 수 있기 때문에 교반속도에 주의해야 한다. 젤라틴이 완전히 용해되어 맑은 용액이 되면 하이드로퀴논(99%, Sigma-Aldrich, 미국) 1.6g을 넣고 교반한 후 교반기의 온도를 37~43℃까지 낮춘다. 교반기의 온도가 37~43℃가 되면 단량체인 메타크릴산(99%, Sigma-Aldrich, 미국) 90g을 마이크로 피펫을 이용하여 정확한 양을 측정한 후에 플라스크에 첨가하여 교반한다. 이후, 글로브 박스 등을 이용하여 겔 내의 산소를 제거하는 대신, 항산화제인 엘-아스코르빅산(Sigma-Aldrich, 미국) 0.38g과 항산화제의 촉진제 역할을 하는 황산구리(Ⅱ)(Sigma-Aldrich, 미국) 0.02g을 첨가하고 교반한다. 합성된 겔 용액은 빛에 의한 사전중합반응을 방지하기 위해 알루미늄 호일 등을 이용하여 완전히 차단한다. 이후, 겔 유리병에 담아 실온에서 약 한 시간 정도 온도 평형을 맞춘 후 4℃ 냉장고에 넣어 냉장 보관시켜 중합체 겔을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 증류수 728g 및 수크로스 100g을 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
실시예
3
실시예 1에서 증류수 678g 및 수크로스 150g을 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
실시예
4
실시예 1에서 증류수 628g 및 수크로스 200g을 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
실시예
5
실시예 1에서 증류수 578g 및 수크로스 250g을 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
실시예
6
실시예 1에서 증류수 528g 및 수크로스 300g을 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
실시예
7
실시예 1에서 증류수 478g 및 수크로스 350g을 투입한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
비교예
실시예 1에서 증류수 828g 및 수크로스를 투입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 중합체 겔을 제조하였다.
이상의 실시예 및 비교예에 따른 성분 조성(단위: 중량%)을 하기 표 1에 나타내었다.
실험예
1
본 발명에 따라 제조되는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물의 인체 조직등가성을 평가하기 위해 상기 실시예 2 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대하여 성분조성비 측정 및 하기 수학식 1에 따라 유효원자번호(Zeff)를 계산하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
(여기서, ωk는 각 구성원자의 함량, Zk는 각 구성원자의 원자번호)
상기 표 2를 참조하면, 첨가된 수크로스 함량에 따라 중합체 겔 선량계의 성분조성비가 변화하고, 유효원자번호가 인체 연부조직과 유사하여, 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물이 인체 조직등가성이 우수한 것을 확인할 수 있다.
실험예
2
본 발명에 따라 제조되는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물의 선량반응성을 평가하기 위해 상기 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대하여 방사선 선량범위를 0~50그레이(Gy)까지 다양하게 조절하여 하기 방법으로 겔 용액에 조사한 후 겔 용액의 선량반응을 관찰하였다. 실시예 5에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대하여 각 선량 조사에 따라 변화된 겔 선량계의 모습을 도 4에, 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대한 각 선량 조사에 따른 선량민감도를 측정한 결과를 도 5에, 실시예 1 내지 7, 비교예에 따라 제조된 중합체 겔 조성물에 대한 각 선량 조사에 따른 선량민감도 기울기(slope)를 하기 표 3 및 도 6에 나타내었다. 도 4에서 각 바이알(vial) 상단에 기재된 숫자는 조사된 선량(Gy)을 의미한다.
[방사선 조사 방법]
실험예 2에서 방사선 조사장치는 Biobeam 8000(STS, Braunschweig, Germany, Cesium 137, 81.4TBq)를 사용하였고, 이는 최소 0.2Gy 이상의 선량 설정이 가능한 고선량 감마선 조사장치로서, Cs-137 방사 선원을 이용한다. 중합체 겔 선량계는 선량의 균일성의 오차를 줄이기 위해 조사장치 내 컨테이너 중심축을 기준으로 각각 위와 아랫면에서 30㎜ 이상 떨어진 중간부분에 중합체 겔 선량계를 배치한 후 방사선을 조사하였다.
먼저 도 4를 참조하면, 0~50그레이(Gy)까지 선량 조사 후 중합반응으로 색상이 우유 빛으로 변한 바이알(vial)에 담긴 겔 선량계의 모습을 관찰할 수 있다. 이로부터, 수용성 겔 내에 균일하게 분포되어 있는 아크릴 단량체가 방사선 선량에 비례하여 우유 빛 색깔의 중합체로 변화되며, 그 색깔의 정도로 가시적으로도 조사선량을 확인할 수 있다.
다음으로 도 5를 참조하면, 메타크릴산을 기반으로 한 중합체 겔 선량계에 5~35중량% 함량의 수크로스를 첨가한 후 수크로스 함량에 따른 선량반응 특성을 조사한 결과, 수크로스 함량이 증가할수록 선량민감도가 증가하며, 절편 값도 감소하여 이상적인 특성을 나타낸 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 표 3 및 도 6을 참조하면, 수크로스 함량이 증가할수록 기울기(slope) 값도 증가하지만, 35중량% 함량 부근에서는 더 이상 증가하지 않고 약간 감소한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 중합체 겔 조성물은 수크로스 함량이 무조건 증가한다고 하여 우수한 성능의 중합체 겔 조성물이라고는 할 수 없으며, 최적 함량의 수크로스를 함유한 중합체 겔 조성물이 바람직한 것을 확인할 수 있다.
실험예
3
본 발명에서는 자기공명영상장치(MRI)를 기반으로 한 중합체 겔 선량계에 대해 최적의 평가를 위해 조성물의 조성비와 다양한 영상 변수 조건을 획득하는 것이 중요하다. 자기공명영상장치를 이용하여 적절한 영상 변수에 의해 획득한 영상은 차후에 선량반응에 영향을 미치기 때문에 중합체 겔 선량계를 분석할 때 가장 중요한 요인이라 할 수 있다. 본 실험예 3에서는 상기 실험예 2와 같이 방사선 조사된 중합체 겔 선량계에 대하여 자기공명영상장치(3T, MAGNETOM Trio a Tim, Siemens, Germany)를 이용하여 하기 표 4에 제시된 MRI 스캔 조건으로 스캔한 후 영상을 획득하고, 획득한 영상을 이용하여 중합체 겔 선량계를 분석하였다. 도 7에서는 방사선 조사한 겔을 자기공명영상장치를 이용하여 스캔하는 모습(a), 자기공명영상장치의 에코시간에 따라 획득한 영상(b) 및 잡음에 따라 획득한 영상(c)을 나타내고 있다.
먼저, 도 7(b)를 참조하면, 횡이완시간 계산을 위해 획득한 일련의 에코시간(TE)에 따른 영상에서 정상산소 중합체 겔에 흡수된 선량에 따라 영상의 밝기 변화가 다른 것을 확인할 수 있다. MRI 신호 강도 변화가 크면 TE 시간에 따른 영상신호 강도의 급격한 감쇠로 인해 검은 영상으로 변하는 것을 확인하였으며, 다만, TE 시간이 너무 커지면 영상신호 강도가 급격히 감소하여 잡음과 같은 결과를 얻기 때문에 적절한 TE 시간을 선택할 경우 MRI로 겔 선량계의 영상 분석 시 신뢰성이 향상됨을 알 수 있다.
또한, 도 7(c)를 참조하면, MRI로 영상을 스캔 후 영상의 노이즈(NOISE)를 제거한 후 재구성된 영상으로부터, 'NOISE 0' 영상에서는 노이즈가 제거되지 않았기 때문에 영상분석 시 이용할 수 없고, 'NOISE 600' 영상에서는 안쪽에 위치한 겔 선량계의 영상이 잡음으로 확인되기 때문에 본 발명에서는 'NOISE 300'을 이용하여 영상을 재구성할 경우 가장 바람직한 것을 알 수 있다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (7)
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계(dosimeter)로 이용되는 중합체 겔(gel) 조성물로서,
증류수 47.8~77.8중량%, 수크로스(sucrose) 5~35중량%, 젤라틴(gelatin) 5~15중량%, 하이드로퀴논(hydroquinone) 0.05~0.5중량%, 메타크릴산(methacrylic acid) 5~15중량%, 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 0.01~0.1중량% 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate) 0.0005~0.005중량%로 구성되고,
상기 중합체 겔 조성물의 선량민감도가 0~50그레이(Gy) 선량범위에서 1s-1Gy-1 이상인 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물. - 치료용 방사선 영역에서 3차원 선량계(dosimeter)로 이용되는 중합체 겔(gel) 조성물을 제조하는 방법으로,
(a) 증류수 47.8~77.8중량%가 담긴 반응 용기에 수크로스(sucrose)를 5~35중량% 투입 및 용해하는 단계;
(b) 상기 수크로스 용해 후 젤라틴(gelatin)을 5~15중량% 투입하고 상기 반응 용기를 가열 교반하여 상기 젤라틴(gelatin)을 용해하는 단계;
(c) 상기 젤라틴(gelatin) 용해 후 하이드로퀴논(hydroquinone)을 0.05~0.5중량% 투입하고 상기 반응 용기를 냉각 교반하는 단계; 및
(d) 상기 냉각된 반응 용기에 메타크릴산(methacrylic acid) 5~15중량%, 엘-아스코르빅산(L-ascorbic acid) 0.01~0.1중량% 및 황산구리(Ⅱ)(copper(Ⅱ) sulfate) 0.0005~0.005중량%를 순차 투입 및 교반하는 단계;
를 포함하여,
상기 중합체 겔 조성물의 선량민감도가 0~50그레이(Gy) 선량범위에서 1s-1Gy-1 이상인 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제조하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 (a) 단계의 용해는 실온에서 수행되고, 상기 (b) 단계의 가열 온도는 50~55℃이고, 상기 (c) 단계의 냉각 온도는 37~43℃이고, 상기 (d) 단계의 교반은 상기 냉각 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 3차원 선량계용 중합체 겔 조성물을 제조하는 방법. - 제4항의 중합체 겔 조성물로 이루어진 겔 선량계에 대하여 방사선 조사 후 하기 표에 제시된 자기공명영상장치(MRI)의 스캔 조건으로 MRI 영상을 획득하는 방법.
[표]
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| KR1020120098245A KR101450394B1 (ko) | 2012-09-05 | 2012-09-05 | 방사선 선량반응성과 조직등가성이 우수한 중합체 겔 조성물 및 그 제조방법 |
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| Journal of Physics: Conference Series, 250, 2010. * |
| Journal of Physics: Conference Series, 250, 2010.* |
| NPL(Natural Physical Laboratory) Report IR1, 2007.10. * |
| NPL(Natural Physical Laboratory) Report IR1, 2007.10.* |
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