PHWR 질병관리청 공식학술지
주간 건강과 질병(Public Health Weekly Report)

현대 의학의 진단영역에서 방사선은 필수적인 요소이며 그 중요도가 증가하는 추세이다. 그러나, 방사선은 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있으며, 이를 방지하기 위해 다양한 방사선방어시설이 사용된다. 방사선방어시설이란 환자, 방사선작업종사자 등 의료기관 내 존재하는 사람에 대한 방사선 피폭을 방지하기 위해 차폐를 목적으로 구축된 시설 및 장비이고, 방사선방어벽, 천장, 바닥, 환자보기창, 납치마 등이 있으며, 주 재료로는 콘크리트, 납, 납유리 등으로 이루어져 있다[1,2].

의료법 제37조에 따라 국내 의료기관에서 방사선을 사용하기 위해서는 필수적으로 방사선방어시설이 구축되어야 하며 방사선 발생장치의 안전관리에 관한 규칙 별표2를 기준으로 방사선 방어시설을 검사하고 세부 사항은 관련 지침을 참고하고 있다[3]. 방사선방어시설은 해당 재료의 방사선에 대한 반가층을 고려하여 두께를 결정하며 방사선발생장치의 최고 관전압에 따라 그 값이 달라지지만, 현행 지침은 이를 반영하지 못한 획일적인 두께를 제시하고 있다. 국내 의료법에서는 방사선방어벽의 두께를 관전압에 따라 그 기준을 달리하고 있으며, 관전압이 100 kV 이상인 경우 방사선방어벽의 납 당량을 1.5 mm 이상, 관전압이 100 kV 이하인 경우 납 당량 1 mm 이상으로 규제하고 있다.

표 2PNNL에서 제공하는 포틀랜트 시멘트와 납의 제원

제원	납		포틀랜드 시멘트
구성 원소 및 비율	Pb	1	H	0.010000
			C	0.001000
			O	0.529107
			Na	0.016000
			Mg	0.002000
			Al	0.033872
			Si	0.337021
			K	0.013000
			Ca	0.044000
			Fe	0.014000
밀도(g/cm3)	11.34		2.3

PNNL=Pacific Northwest National Laboratory..

Lee 등[4]에 따르면, Monte Carlo N-Particle6 (MCNP6)를 활용해 최고 관전압 80, 100, 120, 140 kVp에서 납의 95% 차폐율을 보이는 두께를 산출한 결과 0.33, 0.5, 0.56, 0.61 mm로 확인되었다. 해당 두께를 바탕으로 실측 실험을 진행한 결과 시뮬레이션과 매우 유사한 차폐율을 보였으며, 이는 산출한 두께가 국내 현행 의료법에서 제시하는 납 당량 1 mm 또는 1.5 mm와 큰 차이가 있음을 확인하였다.

Lee 등[5]에서는, 방사선방어시설의 노후화 상황을 구성 성분 비율의 변화와 균열 생성으로 가정하고 이에 따른 차폐율을 산출하였다. 방사선방어시설의 주 재료인 납과 납유리에 대해, 납 박판의 산화와 균열 그리고 납 유리 내 산화납의 구성 비율 변화로 노후화를 가정하였으며, 이에 따른 차폐율을 산출한 결과, 납의 산화로 인해 생성된 산화납이 증가할수록, 납 판에 생성된 균열의 크기가 클수록 차폐율이 저하됨을 확인하였다. 또한, 납유리의 구성 성분 중 차폐의 주 역할을 하는 산화납이 감소할수록 차폐율이 저하됨을 확인하였으며, 해당 연구 결과를 통해 노후화가 차폐율에 큰 영향을 주는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 실제 구조를 모사하지 않고 재료에 대한 차폐율을 평가했던 사전연구와 달리 실제 방사선방어벽의 구조를 고려한 방사선방어벽을 MCNP6를 통해 모사하고 해당 구조물에서의 적정 차폐 두께를 산출하고자 한다. 또한, 해당 방사선방어벽의 노후화가 차폐율에 미치는 영향을 분석해 방사선방어시설의 주기적 검사 수행의 필요성을 위한 근거를 마련하고자 한다.

1. 몬테칼로 시뮬레이션 및 에너지 스펙트럼

몬테칼로 시뮬레이션은 반복된 무작위적 추출을 통해 불확실한 결과를 확률적으로 추정하는 기법인 몬테칼로 기법을 활용한다. 방사선은 발생부터 인체에 미치는 영향까지 확률적으로 발생하며, 이를 추정하기 위해서는 몬테칼로 시뮬레이션의 수행은 필수적이며, 세계적으로 다수의 연구팀에서 활발히 활용 중이다[6]. 본 연구에서는 몬테칼로 시뮬레이션 중 하나인 MCNP6를 활용해 연구를 진행하였다.

MCNP6 내 모사된 실험 구조도는 그림 1과 같다. 선원으로부터 방사선방어벽과의 거리는 100 cm로 설정하였으며 조사야 크기는 10×10 cm²이다. 각 관전압에서 F4 Tally를 활용해 입사한 X선 대비 투과된 X선의 비율을 통해 차폐율을 산출하였다.

그림 1. 몬테칼로 시뮬레이션 내 모사한 실험 구조
선원과 방사선방어벽까지의 거리 100 cm, 조사야 크기 10×10 cm², 콘크리트-납-콘크리트 3층 구조로 구성된 방사선방어벽

몬테칼로 시뮬레이션 내 선원항 정의를 위해 최고관전압은 임상에서 사용 빈도수가 높은 80, 100, 120, 140 kVp로 설정하였다. 선원항은 수송할 입자의 개수, 에너지 스펙트럼, 물리모델에 대한 정보를 포함한다. 최고관전압 별 에너지 스펙트럼은 SRS-78 프로그램(Institute of Medical Physics and Engineering)을 사용하였으며, 해당 프로그램은 영국 요크 의학물리학 및 공학 연구소에서 개발되어 다수의 인용을 통해 신뢰성이 검증된 프로그램이다[7]. 그림 2와 같이 각 최고관전압 별 에너지 스펙트럼을 산출한 후 이를 MCNP6 내 선원항을 정의하였다.

그림 2. SRS-78 프로그램을 사용해 산출한 80, 100, 120, 140 kVp의 에너지스펙트럼
(A) 최고관전압 80 kVp의 에너지 스펙트럼. (B) 최고관전압 100 kVp의 에너지 스펙트럼. (C) 최고관전압 120 kVp의 에너지 스펙트럼. (D) 최고관전압 80 kVp 에너지 스펙트럼

2. 몬테칼로 시뮬레이션을 활용한 실제 방사선방어벽과 유사한 구조에서의 적정 차폐 두께 산출

실제 임상 현장에서의 방사선방어벽 구조는 콘크리트-납-콘크리트인 3층 구조로 구성되어 있으며 본 연구에서는 해당 구조를 가진 방사선방어벽의 적정 차폐 두께를 산출하고자 하였다. Pacific Northwest National Laboratory에서 제공하는 제원표 중 일반적인 시멘트인 포틀랜드 시멘트와 순수 납을 적용하였으며, MCNP6 내 밀도와 구성 원소 등 제원을 입력해 모사하였고 해당 제원표는 표 1과 같다[8]. 방사선방어벽의 구조는 그림 1에서의 구조와 같으며 적정 차폐 두께는 보수적 평가와 무게를 고려해 산출하였다.

표 1최고관전압 별 콘크리트-납-콘크리트 3층 구조의 방사선방어벽의 적정 차폐 두께

물질	최고 관전압(kVp)
	80	100	120	140
납(mm)	0.04	0.06	0.08	0.08
콘크리트(cm)	1.4	1.6	1.2	1.4

3. 방사선방어벽의 노후화 상황 가정 및 노후화 발생 시 차폐율 변화

방사선방어벽의 주 재료인 콘크리트와 납은 충격, 누수 등으로 인해 노후화가 발생해 균열, 풍화, 박리, 탈락 등이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 콘크리트와 납의 노후화 원인을 고려해 방사선방어벽의 노후화 상황을 3가지로 분류해 가정하였다.

첫째, 방사선방어벽 내 콘크리트 층의 충격, 부식 등으로 인한 두께 감소이다. 시간의 경과, 충격, 누수 그리고 부식 등으로 인해 콘크리트 내 층의 박리, 탈락 등이 발생할 수 있으며 나아가 콘크리트 벽의 두께가 감소할 수 있다. 콘크리트 벽의 두께는 산출한 적정 차폐 두께에서 일정한 두께를 감소시켜 차폐율을 산출하였다.

둘째, 방사선방어벽 내 납 박판의 두께 감소이다. 시간의 경과, 충격, 누수 그리고 부식 등으로 인해 납 박판이 산화되어 두께가 감소할 수 있다. 앞선 가정과 동일하게 적정 차폐 두께에서 일정한 두께를 감소시켜 차폐율을 산출하였다.

셋째, 시간의 경과, 지진 그리고 충격 등으로 인한 방사선방어벽 내 균열 발생이다. 콘크리트 내 균열의 크기에 따라 미세균열, 중간균열, 대형균열로 구분할 수 있다. 균열은 wedge 모양으로 설정했으며 밑변의 길이를 일정하게 증가시켜 균열 크기에 따른 차폐율을 각 최고관전압에 따라 산출하였다.

1. 몬테칼로 시뮬레이션을 통해 모사한 실제 방사선방어벽 구조에서의 적정 차폐 두께

각 최고관전압에서의 적정 차폐 두께는 방사선방어벽의 차폐 성능에 대해 보수적 평가를 위해 99% 차폐율을 만족시키면서 방사선방어벽의 두께, 무게 등을 고려해 산출하였다. 콘크리트-납-콘크리트, 3층 구조의 방사선방어벽의 적정 차폐 두께를 산출한 결과는 표 2와 같다. 최고관전압 80 kVp에서의 적정 차폐 두께는 콘크리트 1.4 cm, 납 0.04 mm; 최고관전압 100 kVp의 적정 차폐 두께는 콘크리트 1.6 cm, 납 0.06 mm; 최고관전압 120 kVp의 적정 차폐 두께는 콘크리트 1.2 cm, 납 0.08 mm이며 최고관전압이 140 kVp일 때는 콘크리트 1.4 cm, 납 0.08 mm가 적정 차폐 두께이다. 모든 최고관전압에서의 99% 차폐율을 만족하는 차폐 두께는 140 kVp에서의 차폐 두께인 콘크리트 1.4 cm, 납 0.08 mm이며, 전체 방사선방어벽의 두께는 콘크리트 층 2개와 납 층 1개의 두께를 합한 2.808 cm, 약 3 cm로 확인되었다.

2. 가정한 방사선방어벽의 노후화에 따른 차폐율 산출

모든 최고관전압에서의 적정 차폐 두께인 콘크리트 1.4 cm 층 2개와 납 0.08 mm 층 1개를 기준으로 방사선방어벽의 노후화를 구현하였다. 각 최고관전압 80, 100, 120, 140 kVp에서 방사선방어벽 중 콘크리트 층의 두께가 0.2 cm씩 감소해 두께가 0이 될 때까지의 차폐율과 납 층의 두께가 0.01 mm씩 감소해 두께가 0이 될 때까지의 차폐율은 표 3과 같다. 콘크리트의 두께가 감소했을 때의 차폐율은 80 kVp에서 최대 99.8%에서 99.6%, 100 kVp에서는 최대 99.3%에서 98.7%, 120 kVp에서 최대 99.1%에서 98.3%, 140 kVp에서 최대 98.9%에서 98.0%로 큰 변화가 없었다. 그러나, 납 층의 두께가 감소했을 때의 각 관전압에서의 차폐율은 80 kVp에서 최대 99.8%에서 최소 86.6%, 100 kVp에서 최대 99.3%에서 최소 81.2%로, 120 kVp에서 최대 99.1%에서 최소 77.3%로, 140 kVp에서 최대 98.9%에서 최소 74.4%로 차폐율의 변화가 큰 것을 확인하였다.

표 3최고관전압 별 방사선방어벽의 콘크리트 층 및 납 층의 두께 감소에 따른 차폐율

종류	두께(cm)	최고관전압(kVp)
		80	100	120	140
콘크리트 층	1.4	99.80	99.38	99.15	98.94
	1.2	99.79	99.32	99.07	98.85
	1	99.77	99.25	98.99	98.76
	0.8	99.75	99.17	98.90	98.65
	0.6	99.72	99.09	98.79	98.53
	0.4	99.69	98.99	98.66	98.40
	0.2	99.66	98.88	98.52	98.23
	0	99.62	98.75	98.35	98.03
납 층	0.08	99.80	99.38	99.15	98.94
	0.06	99.56	98.74	98.34	97.95
	0.04	98.90	97.41	96.54	95.80
	0.02	96.78	93.94	92.06	90.47
	0	86.60	81.20	77.30	74.40

단위: %..

각 최고관전압에서 방사선방어벽에 생성된 균열로 인한 차폐율은 그림 3과 같이 나타났다. 80 kVp에서 균열의 크기가 0.1 mm에서 10배씩 증가해 최대 크기인 10 cm일 시 차폐율은 최대 96.8%에서 51.1%로 감소하였다. 최고관전압 100 kVp에서도 균열의 크기가 10 cm로 증가할 때 차폐율이 94.0%에서 50.1%로 감소하였다. 최고관전압이 120, 140 kVp일 때에도 동일하게 균열 크기가 10 cm 도달 시 차폐율이 각각 92.2%, 90.6%에서 49.4%, 48.9%로 감소한 것을 확인하였다.

그림 3. 최고관전압 별 방사선방어벽의 발생한 균열 밑변 길이 증가에 따른 차폐율

본 연구에서는 실제 임상 현장에 구축된 콘크리트-납-콘크리트 3층 구조인 방사선방어벽을 몬테칼로 시뮬레이션을 활용해 99% 차폐율을 만족하면서 방사선방어벽의 크기, 무게 등을 고려해 적정 차폐 두께를 산출하였으며, 방사선방어벽의 노후화가 차폐율에 미치는 영향을 평가하였다.

먼저, 3층 구조의 방사선방어벽의 콘크리트와 납의 적정 차폐 두께는 모든 관전압을 만족하는 콘크리트와 납의 두께로 각각 1.4 cm와 0.08 mm이다. 해당 방사선방어벽 두께를 기준으로 노후화가 차폐 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 콘크리트 층 두께가 감소할 시에는 각 관전압에서 차폐 성능에 큰 변화가 없었으나 납 층 두께가 감소했을 시에는 모든 관전압에서 차폐 성능에 큰 변화가 나타났다. 이를 통해 납이 방사선 차폐에 주요한 역할을 수행하는 것을 확인하였다. 또한, 방사선방어벽에 균열이 발생할 시 모든 관전압에서 평균적으로 차폐 성능이 약 19% 저하됨을 확인하였다.

본 연구를 통해 실제 임상 현장에 구축된 구조와 유사한 방사선방어벽의 적정 차폐 두께를 산출하였으며, 해당 두께가 현행 의료법에서 제시하는 방사선방어벽보다 얇음에도 효율적인 차폐가 가능함을 확인하였다. 또한, 본 연구에서 가정한 방사선방어벽의 노후화에 따른 차폐율에서 콘크리트의 노후화보다 납의 노후화가 차폐율에 큰 영향을 미치는 것과 균열 발생 시 차폐 성능에 치명적인 것을 확인하였다. 그러나, 본 연구에서 설정한 노후화 시나리오는 실제 시간의 경과에 따른 노후화를 반영하기에 한계가 있다.

본 연구의 결과는 향후 방사선방어시설의 주기적 검사에 대한 근거로 활용될 수 있을 것으로 생각되며, 추후 다양한 방사선방어시설에 대해서도 차폐 성능 평가를 진행할 예정이다.

Ethics Statement: Not applicable.

Funding Source: This study was supported by the 2023 project from the Korea Disease Control and Prevention Agency (KDCA) for investigating the current status and developing improvement plans for radiation shielding facilities (Policy research, 202303840001).

Acknowledgments: None.

Conflict of Interest: The authors have no conflicts of interest to declare.

Author Contributions: Conceptualization: KYL. Data curation: KYL, KHJ. Formal analysis: KYL, KHJ. Funding acquisition: CHB. Investigation: KYL, KHJ, JOK, CHB. Methodology: KYL, CHB. Project administration: CHB. Supervision: CHB. Validation: JOK, CHB. Visualization: KYL, KHJ. Writing – original draft: KYL. Writing – review & editing: JOK, JWG, YJM, CHB.