조사선량
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1. 개요
조사선량은 방사선량을 측정하는 여러 방법 중 하나로, 특히 X선 또는 감마선이 공기를 이온화시키는 정도를 나타낸다. 이는 물질이 흡수한 에너지의 양을 나타내는 흡수선량, 특정 장기나 조직의 방사선 위험을 평가하는 등가선량, 전신에 걸친 방사선 위험을 나타내는 유효선량 등과 함께 방사선 안전 관리에 중요한 지표로 활용된다. 의료 분야에서는 방사선 노출로 인한 암 발생 위험, 배아 및 태아에 대한 위험 등을 평가하는 데 사용되며, 방사선 방호 교육, 개인 보호 장비 착용, 항산화제 치료 등을 통해 방사선 노출을 줄이기 위한 노력이 이루어진다. 조사선량의 단위로는 쿨롬 매 kg(C/kg)과 뢴트겐(R)이 사용되었으며, 최근에는 공기 충돌 커마(Gy)를 사용하는 경우가 증가하고 있다.
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조사선량 | |
---|---|
측정 | |
단위 | C/kg |
다른 단위 | 뢴트겐 |
기호 | X |
기본 단위 | A⋅s/kg |
2. 방사선
방사선은 에너지의 이동 형태로, 이온화 방사선과 비이온화 방사선으로 분류된다.[5] 이온화 방사선은 다시 전자기파 방사선(물질 없음)과 입자 방사선(물질 포함)으로 세분된다.[5] 전자기파 방사선은 파동 형태로 이동하는 에너지 묶음으로 생각할 수 있는 광자로 구성된다.[5] 전자기파 방사선의 예로는 X선과 감마선이 있다.[5] 이러한 종류의 방사선은 높은 에너지 때문에 인체를 쉽게 관통할 수 있다.[5]
국제방사선방호위원회(ICRP)는 2007년에 "의료 방사선 노출"을 다음과 같이 정의했다. 개인의 진단 또는 치료 과정에서 방사선에 노출되는 경우, 직업적 노출이 아닌 사람이 환자를 돕거나 위로하기 위해 자발적으로 방사선 노출에 참여하는 경우, 그리고 생물 의학 연구 프로그램에서 방사선 노출을 받는 자원봉사자가 이에 해당한다.[2]
흡수 선량은 이온화 방사선이 물질에 얼마나 많은 에너지를 전달하는지를 나타낸다.[5] 흡수 선량은 방사선을 흡수하는 물질의 종류에 따라 달라진다.[5] 1 뢴트겐의 에너지 1 MeV의 감마선에 노출된 경우, 공기 중의 선량은 0.877 라드, 물에서의 선량은 0.975 라드, 실리콘에서의 선량은 0.877 라드, 평균 인체 조직에서의 선량은 1 라드가 된다.[6] "rad"는 방사선 흡수 선량을 의미한다.[5] 인체 조직에 대한 또 다른 일반적인 측정 단위는 그레이(Gy, 국제 또는 SI 단위)이다.[5]
이온화 방사선은 인간에게 암을 유발하는 것으로 알려져 있다.[5] 이는 원자 폭탄 생존자의 암 발생률 관찰과 생애 연구(LSS)를 통한 일본 원자 폭탄 생존자의 건강 영향 장기간 연구에서 얻은 결과이다.[5][7] 또한, 우라늄 광부에게서 암 발생률 증가가 관찰되었으며,[7] 다른 의학적, 직업적, 환경적 연구에서도 나타난다.[5][7] 여기에는 진단 또는 치료 목적으로 방사선에 노출된 환자와 자연 방사선을 포함한 환경 방사선원에 노출된 사람도 포함된다.[7]
의료 전문가들은 적절한 예방 조치를 취하지 않으면 X-선, CT 스캔, 방사선 치료 등 다양한 형태의 이온화에 노출될 수 있다.[10] 이러한 영상 기술은 진단 및 치료 목적으로 의료 분야에서 중요한 역할을 하는 신체 내부 구조의 상세한 이미지를 만들기 위해 이온 방사선을 사용한다. 노출 위험을 줄이고 의료 종사자의 안전을 보장하기 위해서는 예방 조치를 시행하는 것이 필수적이다.[11]
배경 방사선은 자연 방사성 물질과 우주에서 오는 우주 방사선에서 비롯된다.[7] 사람들은 환경으로부터 지속적으로 이러한 방사선에 노출되며, 연간 약 3 mSv의 선량을 받는다.[7] 라돈 가스는 연간 약 2mSv로 배경 방사선의 가장 큰 원인인 방사성 화학 원소이다.[16] 우주 방사선, 물에 용해된 우라늄과 토륨, 내부 방사선(인간은 출생 시부터 몸 안에 방사성 칼륨-40과 탄소-14를 가지고 있음)도 배경 방사선의 원인이다.[17]
배아와 태아는 방사선 노출에 매우 민감하다.[23] 임신 시기별 방사선 노출의 주요 위험은 다음과 같다.
3. 의료 방사선 노출
2012년 기준으로 의료 영상에서 사용되는 저선량 방사선의 위험성은 명확하게 밝혀지지 않았다.[9] 저선량 방사선과 관련된 위험을 정확히 규명하기 어려운 이유는 여러 가지가 있다.[9] 우선, 방사선 노출 후 암 발생까지 오랜 시간이 걸릴 수 있다.[9] 또한, 자연적으로 발생하는 암 발생률이 존재하기 때문에, 인구 집단에서 관찰되는 암 증가가 저선량 방사선에 의한 것인지 판단하기 어렵다.[9] 더불어, 화학 물질, 오염 물질, 담배 연기 등 다른 강력한 발암 물질이 연구 결과에 영향을 줄 수 있는 환경에 우리가 살고 있다는 점도 고려해야 한다.[9]
일반적인 의료 진단 영상 검사에서 발생하는 유효 선량은 아래 표와 같다.[9]검사 유형 유효 선량 동일한 유효 선량을 발생시키는 흉부 X-ray 수 두개골 방사선 촬영(X-ray) 0.015 mSv 1 흉부 X-ray 0.013 mSv 1 요추 X-ray 0.44 mSv 30 복부 X-ray 0.46 mSv 35 골반 X-ray 0.48 mSv 35 유방 촬영술(4개 뷰) 0.2 mSv 15 치과 X-ray (구강 내) 0.013 mSv 1 진단 투시: 바륨 연하 검사 1 mSv 70 심장 혈관 조영술 7 mSv 500 머리 CT 2 mSv 150 흉부 CT 10 mSv 750 복부 CT 10 mSv 750 골반 CT 7 mSv 500
4. 흡수선량, 등가선량, 유효선량
방사선이 인체 조직에 미치는 생물학적 영향을 측정하기 위해 유효 선량 또는 등가 선량이 사용된다.[5] 등가 선량은 특정 장기 또는 조직의 유효 방사선 선량을 측정한다.[5] 등가 선량은 다음 방정식으로 계산된다.[5]
: 등가 선량 = 흡수 선량 x 조직 가중 인자
조직 가중 인자는 각 장기의 방사선에 대한 상대적인 민감도를 반영한다.[5]
유효 선량은 전신에 걸쳐 평균된 방사선 위험을 나타낸다.[5] 이는 노출된 모든 장기 또는 조직의 등가 선량의 합이다.[5] 등가 선량과 유효 선량은 시버트(Sv)로 측정된다.[5]
예를 들어, 한 사람의 소장과 위가 모두 별도로 방사선에 노출되었다고 가정해 보자.[2] 소장의 흡수 선량은 100mSv이고 위의 흡수 선량은 70mSv이다. 다양한 장기의 조직 가중 인자는 다음 표에 나열되어 있다.[2]
소장의 등가 선량은 다음과 같다.
: 등가 선량 = 100mSv x 0.12 = 12mSv
위의 등가 선량은 다음과 같다.
: 등가 선량 = 70mSv x 0.04 = 2.8mSv
그러면 유효 선량은 등가 선량(소장) + 등가 선량(위) = 12mSv + 2.8mSv = 14.8mSv가 된다. 이 방사선으로 인한 유해한 영향의 위험은 전신에 걸쳐 균일하게 받은 14.8mSv와 같다.
5. 암 발생 위험, 수명 연구, 선형 비역치 가설
LSS는 1958년부터 1998년까지 105,427명의 개인(약 325,000명의 민간인 생존자 중)을 추적했다.[8] 이 기간 동안 17,448건의 암이 진단되었는데,[8] 기준 예측 암 발생 건수는 약 7,000건이다.[8] 이 중 850건의 암은 0.005 Gy 이상의 추정 선량을 받은 개인에게서 진단되었으며,[8] 이는 원자 폭탄 방사선 노출로 인한 것으로, 진단된 암의 11% (10명 중 1명)에 해당한다.[9] 이 집단은 히로시마와 나가사키에 등록된 세 주요 집단으로 정의되었다.
# 폭탄 투하 시(ATB) 진앙지에서 2.5km 이내에 있었던 원자 폭탄 생존자
# 폭탄 투하 시 진앙지에서 2.5km에서 10km 사이에 있었던 생존자(저선량 또는 무선량군)
# 폭탄 투하 시 히로시마 또는 나가사키에 일시적으로 없었거나 두 도시 중 한 곳의 진앙지에서 10km 이상 떨어져 있었던 거주자(비노출군)[8]
개인은 광범위한 선량 범위 (0.005 Gy 미만에서 4 Gy까지)에 노출되었고,[9] 나이도 다양했다.[9] 약 45,000명이 0.005 Gy 또는 5mSv에 노출되었다.[8] 이 연구는 모든 고형 종양에 대해 선형 선량 반응을 보여주는데,[8] 이는 선량과 인체 반응 사이의 관계가 직선임을 의미한다.[8] (선형 그래프는 예시를 보여준다.) 선형 선량 반응은 인체 반응의 변화율이 모든 선량에서 동일하다는 것을 의미한다.[9]
국제 방사선 방호 위원회(ICRP)는 결정론적 효과, 즉 유해한 조직 반응이 발생하는 방식과 방사선 노출 후 암 발생 과정을 설명한다.[7] 신체의 세포에 임상적 방사선 손상을 일으키는 역치 선량이 있으며,[7] 선량이 증가함에 따라 부상의 심각성도 증가하고,[7] 이는 조직 회복을 손상시킨다.[7] 방사선 노출 후 암 발생은 DNA 손상 반응 과정을 통해 발생한다.[7] 최근 수십 년 동안 이러한 관점을 뒷받침하는 세포 및 동물 데이터가 증가했다.[7] 그러나 100 mSv 이하의 선량에서는 불확실성이 있다.[7] 관련 장기 및 조직에서 등가 선량에 따라 암 발생률이 증가한다고 가정할 수 있으며,[7] 위원회는 이 가정을 바탕으로 100 mSv 미만의 선량이 암 발생 확률을 직접적으로 증가시킬 것이라는 권고 사항을 제시한다.[7] 이 선량 반응 모델은 '선형 무역치' (LNT)로 알려져 있다. (위 이미지는 선형 무역치 모델의 선량 반응 곡선을 보여준다.) 낮은 선량에서의 불확실성 때문에 위원회는 가상 암 발생 건수를 계산하지 않는다.[7]
6. 의료 분야에서의 방사선 노출 방지
의료 분야에서 방사선 노출 위험을 줄이기 위한 중요한 조치 중 하나는 방사선 관련 다양한 작업 분야에서 근무하는 모든 직원을 대상으로 안전 교육을 실시하는 것이다.[12] 이러한 교육은 직원들이 이러한 장비를 적절하게 취급할 수 있는 올바른 지식을 갖도록 보장한다. 또한 개인 보호 장비의 사용을 다루며, 직원들이 적절한 앞치마/가운, 방호복/마스크, 고글, 장갑 등을 착용하도록 보장하며, 개인 보호 장비를 올바르게 착용하고 제거하는 것도 중요하다.[12] 직원의 안전을 더욱 강화하기 위해 의료 시설에는 통제 구역과 구역이 있다. 이러한 구역은 승인된 직원만 접근할 수 있도록 표지판과 장벽으로 제한된다.[13]
환자에게 방사선 노출 전에 항산화제 치료를 제공했을 때, 말초 혈액 림프구에서 이중 가닥 절단으로 측정된 DNA 손상은 감소했다.[14] 따라서 항산화제 치료는 방사선 노출 전에 예방 조치로 제안되었다.[3] 또한 쥐에서 항산화제 치료는 고용량 이온화 방사선에 의해 유도된 생식 세포 세포 자멸사를 개선했다.[15]
7. 배경 방사선
의료 영상 외에도 건축 및 도로 건설 자재[18], 가스 및 석탄을 포함한 가연성 연료, 텔레비전, 연기 감지기, 야광 시계, 담배, 일부 세라믹 등에서 인공 방사선이 발생한다.[19]
시멘트, 콘크리트, 벽돌, 천연석, 석고, 화강암, 점토와 같은 건축 제품은 자연 방사선을 방출할 가능성이 높다. 모든 EU 국가는 방사선 방호 측면에서 우려되는 건축 제품 내 라듐-226, 토륨-232, 칼륨-40의 방사능 농도를 확인하고, 시장 출시 전 방사선 노출을 평가해야 한다. 유럽 지침 2013/59/Euratom 제75조는 활동 농도 지수(ACI, I)를 정의하며, 이는 유럽에서 우려 물질 식별을 위한 스크리닝 도구로 활용된다.[20][21]
다음은 미국 원자력 규제 위원회가 제공하는 식품별 자연 방사능 함유량 예시이다.[22] 방사선원은 방사성 칼륨-40(40K), 라듐-226(226Ra) 등이다.[22]식품의 자연 방사능 식품 40K (pCi/kg) 226Ra (pCi/kg) 바나나 3,520 1 당근 3,400 0.6 – 2 흰 감자 3,400 1 – 2.5 리마콩 (생) 4,640 2 – 5 붉은 고기 3,000 0.5 브라질 너트 5,600 1,000 – 7,000 맥주 390 --- 음용수 --- 0 – 0.17
8. 배아 및 태아에 대한 위험
대부분의 X선 검사는 임신 후기에 이루어지지만, 임신 초기의 방사선 노출에 대한 정보는 부족하다.[23] 그러나, 데이터에 따르면 임신 초기의 암 발생 상대 위험도는 2.7로, 후기보다 2.7배 높다.[23] 유엔 원자력 영향 과학 위원회는 임신 초기의 과잉 상대 위험도를 mGy당 0.28로 계산했는데, 이는 임신 초기의 방사선 조사로 인한 암 발생 위험이 후기보다 28% 더 높다는 것을 의미한다.[25]
9. 의료 영상 및 치료에서의 방사선의 이점
의료 영상에서 방사선을 사용하는 데에는 여러 가지 이점이 있다.[26] 선별검사 영상 검사는 암을 조기에 발견하여 사망 위험을 줄이는 데 사용된다.[26] 또한 심각한 생명을 제한하는 질병에 걸릴 위험을 줄이고 수술을 피할 수 있다.[26] 이러한 검사에는 폐암 검진, 유방암 검진 등이 포함된다.[26][27] 방사선은 또한 다양한 유형의 암 치료에도 사용된다.[28] 모든 암 환자의 약 50%가 방사선 치료를 받는다.[28] 방사선 치료는 암세포를 파괴하여 성장을 멈춘다.[28] 암 외에도 많은 유형의 의료 영상이 진단을 위해 사용되어 심근 경색, 폐색전증, 폐렴과 같은 생명을 위협하는 질병을 진단한다.[29][30][31]
일반적인 의료 진단 영상 검사의 유효 선량은 다음과 같다.[9]
검사 유형 | 유효 선량 (mSv) | 동일한 유효 선량을 발생시키는 흉부 X-ray 수 |
---|---|---|
두개골 방사선 촬영(X-ray) | 0.015mSv | 1 |
흉부 X-ray | 0.013mSv | 1 |
요추 X-ray | 0.44mSv | 30 |
복부 X-ray | 0.46mSv | 35 |
골반 X-ray | 0.48mSv | 35 |
유방 촬영술(4개 뷰) | 0.2mSv | 15 |
치과 X-ray (구강 내) | 0.013mSv | 1 |
진단 투시: 바륨 연하 검사 | 1mSv | 70 |
심장 혈관 조영술 | 7mSv | 500 |
머리 CT | 2mSv | 150 |
흉부 CT | 10mSv | 750 |
복부 CT | 10mSv | 750 |
골반 CT | 7mSv | 500 |
10. 노출률 상수
감마선장은 노출률(예: 시간당 뢴트겐)로 나타낼 수 있다. 점 선원(point source)의 경우 노출률은 선원의 방사능에 선형적으로 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.[32]
:F = Γ×α / r2
여기서 ''F''는 노출률, ''r''은 거리, ''α''는 선원의 방사능, ''Γ''는 노출률 상수이며, 감마선원으로 사용되는 특정 방사성 핵종에 따라 달라진다.
다음은 다양한 방사성 핵종에 대한 노출률 상수를 나타낸 표이다. 이 값은 밀리큐리 단위의 특정 방사능에 대한 센티미터 단위 거리에서의 시간당 뢴트겐 단위 노출률을 제공한다.[33]
방사성 핵종 | 노출률 상수 |
---|---|
코발트-60 | 12.838 |
몰리브덴-99 | 1.03 |
테크네튬-99m (6시간) | 0.720 |
팔라듐-103 (필터 없음) | 1.48[34] |
은-110m (250일) | 14.9 |
세슘-137 | 3.400 |
아이오딘-125 (필터 없음) | 1.46[34] |
이리듐-192 (필터 없음) | 4.69[34] |
라듐-226 | 8.25 |
11. 방사선 측정 단위
방사선량 측정에는 다양한 단위가 사용된다. 베크렐(Bq), 큐리(Ci), 뢴트겐(R), 그레이(Gy), 시버트(Sv) 등이 대표적이다.
국제단위계(SI)에서는 베크렐(Bq), 그레이(Gy), 시버트(Sv), 쿨롬 매 킬로그램(C/kg)을 사용한다. 비 SI 단위로는 큐리(Ci), 래드(rad), 렘(rem), 뢴트겐(R)이 있다.
미국 원자력 규제 위원회는 SI 단위와 함께 큐리, 래드, 렘 단위 사용을 허용한다.[35] 반면 유럽 연합은 1985년 12월 31일까지 이들 단위를 단계적으로 중단하도록 했다.[36]
일본 계량법에서는 국제단위계(SI) 단위인 쿨롬 매 kg (C/kg)를 사용하며 다음과 같이 정의한다.[38]
: X선 또는 감마선 1 kg의 공기 조사에 의해 방출되는 전자 또는 양전자에 의해 공기중에 생기는 이온군이 가지는 전기량이 각각 양 및 음의 1 C이 되는 조사선량
비SI 단위인 CGS 정전 단위계에서의 단위는 esu/cm³와 같은 뢴트겐(R)이다. 1 R = 2.58×10⁻⁴ C/kg[39] 이므로, 1 C/kg = 약 3875.969 R로 환산된다.
최근에는 조사선량 대신 공기 충돌 커마(collision air kerma, 단위 그레이(Gy))를 사용하는 경우가 늘고 있다.
다음 표는 SI 단위 및 비 SI 단위의 방사선량을 나타낸다.
수량 | 단위 | 기호 | 유도 | 연도 | SI 해당 단위 |
---|---|---|---|---|---|
방사능 (A) | 베크렐 | Bq | s⁻¹ | 1974 | |
큐리 | Ci | 3.7×10¹⁰ s⁻¹ | 1953 | ||
러더퍼드 | Rd | 10⁶ s⁻¹ | 1946 | ||
노출량 (X) | 쿨롬 매 킬로그램 | C/kg | 공기의 C⋅kg⁻¹ | 1974 | |
뢴트겐 | R | esu / 0.001293 g 공기 | 1928 | 2.58×10⁻⁴ C/kg | |
흡수선량 (D) | 그레이 | Gy | J⋅kg⁻¹ | 1974 | |
에르그/그램 | erg/g | erg⋅g⁻¹ | 1950 | 1.0×10⁻⁴ Gy | |
래드 | rad | 100 erg⋅g⁻¹ | 1953 | ||
등가선량 (H) | 시버트 | Sv | J⋅kg⁻¹ × WR | 1977 | |
뢴트겐 상당 매 | rem | 100 erg⋅g⁻¹ × WR | 1971 | ||
유효선량 (E) | 시버트 | Sv | J⋅kg⁻¹ × WR × WT | 1977 | |
뢴트겐 상당 매 | rem | 100 erg⋅g⁻¹ × WR × WT | 1971 | ||
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