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  • 2024년 11월호
    [Med Phys .] Feasibility study for the development of multilayered solar cells for proton linear energy transfer depth profile measurement양성자 선에너지 전달 깊이 분포 측정을 위한 다층 태양전지 개발에 대한 타당성 연구

    국립암센터 / 정성훈, 이세병*

  • 출처
    Med Phys .
  • 등재일
    2024 Jun 3. doi: 10.1002/mp.17234.
  • 저널이슈번호
  • 내용

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    Abstract
    Background: Previous study proposed a method to measure linear energy transfer (LET) at specific points using the quenching magnitude of thin film solar cells. This study was conducted to propose a more advanced method for measuring the LET distribution.

    Purpose: This study focuses on evaluating the feasibility of estimating the proton LET distribution in proton therapy. The feasibility of measuring the proton LET and dose distribution simultaneously using a single-channel configuration comprising two solar cells with distinct quenching constants is investigated with the objective of paving the way for enhanced proton therapy dosimetry.

    Methods: Two solar cells with different quenching constants were used to estimate the proton LET distribution. Detector characteristics (e.g., dose linearity and dose-rate dependency) of the solar cells were evaluated to assess their suitability for dosimetry applications. First, using a reference beam condition, the quenching constants of the two solar cells were determined according to the modified Birks equation. The signal ratios of the two solar cells were then evaluated according to proton LET in relation to the estimated quenching constants. The proton LET distributions of six test beams were obtained by measuring the signal ratios of the two solar cells at each depth, and the ratios were evaluated by comparing them with those calculated by Monte Carlo simulation.

    Results: The detector characterization of the two solar cells including dose linearity and dose-rate dependence affirmed their suitability for use in dosimetry applications. The maximum difference between the LET measured using the two solar cells and that calculated by Monte Carlo simulation was 2.34 keV/µm. In the case of the dose distribution measured using the method proposed in this study, the maximum difference between range measured using the proposed method and that measured using a multilayered ionization chamber was 0.7 mm. The expected accuracy of simultaneous LET and dose distribution measurement using the method proposed in this study were estimated to be 3.82%. The signal ratios of the two solar cells, which are related to quenching constants, demonstrated the feasibility of measuring LET and dose distribution simultaneously.

    Conclusion: The feasibility of measuring proton LET and dose distribution simultaneously using two solar cells with different quenching constants was demonstrated. Although the method proposed in this study was evaluated using a single channel by varying the measuring depth, the results suggest that the proton LET and dose distribution can be simultaneously measured if the detector is configured in a multichannel form. We believe that the results presented in this study provide the envisioned transition to a multichannel configuration, with the promise of substantially advancing proton therapy's accuracy and efficacy in cancer treatment.

     

     

    위 그림은 본 연구에서 고안한 박막 태양전지 기반 검출기의 단일채널을 이용하여 여러 깊이에서의 LET와 선량을 동시에 측정하여 기존의 검출기인 MLIC (Multi-layered ionization chamber)으로 측정한 Bragg peak와 몬테카를로로 계산한 양성자 LET 깊이와 비교한 결과입니다. 위 그림을 통해 박막 태양전지 기반의 검출기가 몬테카를로로 계산된 깊이에 따른 양성자 LET 분포와 기존의 Bragg peak를 측정할 수 있는 상용화된 장비인 MLIC으로 측정한 Bragg peak과 비교하였을 때 큰 차이 없이 양성자 LET와 방사선량 분포를 동시에 정확하게 측정할 수 있음을 보여줍니다.

     

     

    Affiliations

    Seonghoon Jeong 1, Chae-Eon Kim 2 3, Chankyu Kim 2, Sang-Il Pak 2, Seohyeon An 2 4, Wonjoong Cheon 5, Dongho Shin 2, Young Kyung Lim 2, Jong Hwi Jeong 2, Haksoo Kim 2, Yoonsun Chung 3, Sang Hyoun Choi 6, Se Byeong Lee 2
    1Department of Neurosurgery, College of Medicine, Ilsan Paik Hospital, Inje University, Goyang, Republic of Korea.
    2Proton Therapy Center, National Cancer Center, Goyang, Republic of Korea.
    3Department of Nuclear Engineering, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
    4Department of Physics, Hanyang University, Seoul, Republic of Korea.
    5Department of Radiation Oncology, Seoul St. Mary's Hospital, College of Medicine, The Catholic University of Korea, Seoul, Republic of Korea.
    6Radiation Therapy Technology and Standards, Korea Institute of Radiological & Medical Sciences, Seoul, Republic of Korea.

  • 키워드
    LET distribution; proton beam therapy; thin film solar cell.
  • 연구소개
    입자 방사선치료는 브래그피크라는 특성으로 인해 X-선 기반 치료에 비해 주변 정상조직에는 방사선량을 줄이고 종양에 보다 집중적으로 방사선량을 전달할 수 있는 장점이 있는 치료법입니다. 양성자치료에서는 X-선에 비해 약 1.1배의 RBE (Relative biological effectiveness, 상대생물학적 효과)가 나타나게 되는데, RBE는 주로 양성자 LET (Linear energy transfer, 선에너지 전달)에 의해 영향을 받습니다. 양성자 LET는 가속된 양성자가 매질에 입사한 깊이에 따라 변화하기 때문에 RBE 또한 깊이에 따라 달라지지만, 방사선량에 대한 품질관리와 같이 LET에 대한 검증할 수 있는 방법이 정립되지 않아서 실제로는 상수 1.1을 사용하는 경우가 많습니다. 지난 연구에서는 박막 태양전지가 양성자 LET에 따라 퀜칭 (Quenching) 효과가 일어나며 이를 통해 박막 태양전지의 퀜칭을 측정하여 양성자 LET를 역추정할 수 있는 방법론을 정립하여 그 내용이 논문에 게재된 바가 있었습니다. 본 연구에서는 서로 다른 퀜칭 효과가 일어나는 박막 태양전지 두 장의 신호비율을 이용하여 양성자 LET와 방사선량을 동시에 추정할 수 있는 방법을 개발하고 검증하여 그 결과를 논문으로 게재하게 되었습니다. 이전 연구에서는 박막태양전지의 퀜칭 효과를 파악하기 위해 상대적으로 부피가 큰 이온함을 사용하여야 했는데, 본 연구에서는 얇은 박막태양전지만을 사용함으로써 양성자 LET와 방사선량을 깊이에 따라 고해상도로 검출할 수 있는 장비를 저렴하게 구축할 수 있는 가능성이 열리게 되었습니다. 향후 연구를 통해 다층 박막태양전지가 개발된다면, 양성자의 RBE가 고려된 치료를 환자에게 제공함으로써 보다 효과적인 환자치료가 이루어질 수 있을 것이라고 기대됩니다.
  • 편집위원

    Solar Cell을 이용한 검출기 대체 연구는 지속적으로 발전해 왔으며 특히 Proton LET 측정에까지 범위를 확장하고 있다는 점에서 흥미롭습니다.

    덧글달기2024-10-18 16:15:38

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