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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 다품종 소량생산에 적합한 3D프린터 기법을 이용하여 환자의 전립샘과 직장 풍선이 삽입된 구조를 정확히 구현해 낼 수 있는 팬텀을 제작해 보고자 하였으며, 환자의 치료계획을 제작한 팬텀에 적용하여 전립샘 주변 조직에 대한 생체내선량측정(In-vivo dosimetry) 평가를 통해 그 유용성을 평가해 보고자 한다.
제안 방법
- 광자선 10 MV에서 MOSFET의 검출 재현성을 측정하기 위해 TrueBeam STx(VarianTM , USA)을 이용하여 10, 30, 50, 100, 200, 300 cGy의 선량을 전달하여 MOSFET에 측정되는 값을 알아보았다. 방사선의 후방 산란(Back scatter)을 막기 위해 20 x 20 x 1 cm3 고체 팬텀(Solid Phantom) 5장 쌓아 올리고 그 위에 MOSFET을 4개 위치시켰다.
- 5 cm3 크기로 전립샘과 직장내 풍선카테터가 포함되도록 설계하였다. 또한 선량검출기를 삽입하기 용이하도록 시상면 (Sagittal)방향으로 팬텀이 이등분 되도록 설계하였으며 이를 3D 프린터 에디슨(3DISON+, Rokit, KOREA)을 이용하여 팬텀을 제작하였다.[Fig. 1] 팬텀은 노즐사이즈 0.
- 본 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 전립샘 부위에 대한 팬텀을 제작하여 환자와 비교해보고 치료계획된 선량과 측정선량간의 차이를 비교해 보는 실험을 수행하였다.
- 제작된 팬텀을 120 KV, 200 mA, 2.5 mm Thickness 조건으로 팬텀 내 직장풍선 안에 매질을 공기로 채우고 전립샘 부위에는 TX 151을 채워 넣어 전립샘 PTV target을 유지시켜 CT Image를 획득하였다. 치료계획은 전산화치료계획시스템(Eclipse version 10.
- 0, Varian, USA)을 이용하여 그 구조를 획득하였다. 팬텀 제작을 위해 필요한 전립샘과 직장 내 삽입된 직장풍선의 구조를 디지털 의료 영상 전송장치(Digital Imaging and COmmunication in Medicine,DICOM) 파일로 만들어 3D 프린팅 설계 프로그램인 크리에이터 케이(Creator K, Rokit, KOREA)에서 인식할 수 있는 형태로 파일을 변환시켰다. Creator K에 환자의 장기윤곽을 가져온 후 6 x 9.
- 팬텀제작을 위해 필요한 환자의 골반부의 윤곽을 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography)을 통해 획득하였다. 전 처치로 촬영 1시간 전 소변을 비우고 200 cc의 물을 섭취였으며 촬영 시 직장에 직장풍선을 삽입하여 60 cc의 공기를 삽입후 부풀어진 직장풍선에 의해 전립샘의 움직임을 최소화시켰다.
대상 데이터
- 4 mm, 적층 두께 1 mm, 온도 220도 조건을 가지고 설계에 맞추어 2차원의 층을 아래에서부터 쌓아 제조하는 적층제조법 (Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 제작되었다. 팬텀은 환자의 전립샘과 직장풍선의 모형을 음각의 형태로 제작되었으며 팬텀의 외부제작에 사용한 물질은 옥수수 전분에서 추출한 PLA(Polylactic acid, density 1.25 g/cm3)소 재로 만들었고, 팬텀 내부는 물(density 1.00 g/cm3)로 채웠다. 제작된 팬텀의 전립샘 부위에는 인체등가조직물질 TX 151 Solidifying powder (Oil center research Intl, USA)를 채워 넣어 전립샘의 형태를 만들었다.
이론/모형
- [Fig. 1] 팬텀은 노즐사이즈 0.4 mm, 적층 두께 1 mm, 온도 220도 조건을 가지고 설계에 맞추어 2차원의 층을 아래에서부터 쌓아 제조하는 적층제조법 (Fused Deposition Modeling, FDM) 방식으로 제작되었다. 팬텀은 환자의 전립샘과 직장풍선의 모형을 음각의 형태로 제작되었으며 팬텀의 외부제작에 사용한 물질은 옥수수 전분에서 추출한 PLA(Polylactic acid, density 1.
- CT를 통해 얻은 영상으로 환자의 전립샘과 직장 내 삽입한 직장풍선의 윤곽을 그린 뒤 전산화치료계획시스템 (Eclipse version 10.0, Varian, USA) 이용하여 체적 (Volume)과 상당구형지름(Equivalent Spherical Diameter, ESD)을 측정하였다. 또한 만들어진 팬텀도 동일한 방식으로 촬영하여 전립샘과 직장풍선의 체적과 ESD를 측정하여 비교하였다.
- TrueBeam STx(VarianTM, USA) 10 MV beam을 이용하여 회전각 0도에서 180도까지 시계방향 (Clockwise, CW)과 반 시계방향(Counterclockwise, CCW) 의 두 방향으로 설정하여 계획하였다. 선량률은 600 MU/min으로 설정하고 선량계산 알고리즘은 Anisotropic Analytic Algorithm(AAA)를 이용하였다. 처방선량은 66 Gy / 30 Fx으로 하고 주변의 직장과 방광선량을 고려하여 치료 계획하였다.
- 5 mm Thickness 조건으로 팬텀 내 직장풍선 안에 매질을 공기로 채우고 전립샘 부위에는 TX 151을 채워 넣어 전립샘 PTV target을 유지시켜 CT Image를 획득하였다. 치료계획은 전산화치료계획시스템(Eclipse version 10.0, Varian, USA)을 이용하여 용적변 조회전치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT) 계획을 계산하였다. TrueBeam STx(VarianTM, USA) 10 MV beam을 이용하여 회전각 0도에서 180도까지 시계방향 (Clockwise, CW)과 반 시계방향(Counterclockwise, CCW) 의 두 방향으로 설정하여 계획하였다.
성능/효과
- 따라서 환자마다 형태가 다른 골반부 장기를 개개인의 환자에 특화된 모형으로 팬텀에 모사 할 수 있게 되었으며 3D 프린터를 이용하여 전립샘 부위에 대한 팬텀제작 및 Invivo dosimetry가 유용하다고 판단된다. 하지만 팬텀 제작과 치료계획이 한가지였다는 한계가 있었고 현재 팬텀제작 소요시간이 팬텀의 크기와 제작과정에 따라 길어진다는 단점이 있다.
- 이를 바탕으로 전립샘 모형 팬텀에 실제 전립샘 환자의 치료계획을 적용하여 측정할 수 있었으며 네 곳의 측정지점 중에서 선량의 기울기가 가장 급격한 직장위벽에서의 선량변화가 가장 크게 나타났다. 또한 MOSFET을 이용하여 치료계획된 선량과 팬텀에 대한 선량측정은 5%이내에서 수행 할 수 있었다.
- 환자의 CT 영상을 통해 얻은 전립샘과 직장풍선의 체적은 3D 프린터를 이용해 팬텀으로 제작이 가능해졌으며 3% 이내에서 장기 체적을 재현하였다. 이를 바탕으로 전립샘 모형 팬텀에 실제 전립샘 환자의 치료계획을 적용하여 측정할 수 있었으며 네 곳의 측정지점 중에서 선량의 기울기가 가장 급격한 직장위벽에서의 선량변화가 가장 크게 나타났다. 또한 MOSFET을 이용하여 치료계획된 선량과 팬텀에 대한 선량측정은 5%이내에서 수행 할 수 있었다.
- 환자의 CT 영상을 통해 얻은 전립샘과 직장풍선의 체적은 3D 프린터를 이용해 팬텀으로 제작이 가능해졌으며 3% 이내에서 장기 체적을 재현하였다. 이를 바탕으로 전립샘 모형 팬텀에 실제 전립샘 환자의 치료계획을 적용하여 측정할 수 있었으며 네 곳의 측정지점 중에서 선량의 기울기가 가장 급격한 직장위벽에서의 선량변화가 가장 크게 나타났다.
후속연구
- 하지만 팬텀 제작과 치료계획이 한가지였다는 한계가 있었고 현재 팬텀제작 소요시간이 팬텀의 크기와 제작과정에 따라 길어진다는 단점이 있다. 이러한 한계점을 보안 하여 향 후 In-vivo dosimetry가 어려운 부위에서 환자에게 맞춤형 3D 프린팅 팬텀을 제작하고 다양한 치료계획을 수립한다면 팬텀에 대한 보다 더 나은 선량측정 및 지속적인 유용성 평가가 가능하다고 사료된다.
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