목 적 : 3D 프린터는 입력한 도면을 바탕으로 3차원의 입체 모델을 만들어 낼 수 있는 장비이다. 이러한 특징을 이용하여 방사선치료시 bolus 사용으로 인한 피부와 bolus 사이의 air gap을 최소화 할 수 있는 bolus 제작이 가능하다. 이에 본 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 customized bolus를 제작하여 air gap과 target 선량을 상품화된 1 cm bolus와 비교하고자 한다. 대상 및 방법 : 왼쪽 chest wall에 돌출된 종양이 있는 RANDO phantom을 CT 모의치료기를 이용하여 영상 획득 후, CT DICOM 파일을 3D 프린터에 필요한 STL 파일로 변환시켰다. 이것을 이용하여 치료부위의 체표윤곽과 일치하면서 1 cm 두께를 유지하는 customized bolus 주형틀을 3D 프린터로 제작한 후 paraffin wax를 녹여 customized bolus를 만들었다. 이렇게 만들어진 customized bolus와 상품화된 1 cm bolus의 air gap을 확인하였고, air gap으로 인한 차이를 Eclipse를 이용하여 치료계획상 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$와 $V_{95%}$를 비교하였다. 결 과 : customized bolus 제작 기간은 약 3일이 소요되었다. air gap 총 용적은 customized bolus는 평균 $3.9cm^3$, 상품화된 1 cm bolus는 평균 $29.6cm^3$이었다. 상품화된 1 cm bolus를 사용할 때보다 3D 프린터를 이용하여 제작한 customized bolus를 사용하는 것이 air gap을 최소화시켰다. 6 MV photon에서 customized bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 각각 102.8%, 88.1%, 99.1%, 95.0%, 94.4%이었고, 상품화된 1 cm bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 101.4%, 92.0%, 98.2%, 95.2%, 95.7%이었다. proton의 경우 customized bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 각각 104.1%, 84.0%, 101.2%, 95.1%, 99.8%이었고, 상품화된 1 cm bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 104.8%, 87.9%, 101.5%, 94.9%, 99.9%이었다. 이처럼 치료계획에서 customized bolus와 1 cm bolus 모두 GTV의 선량은 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 GTV에 인접한 정상조직은 customized bolus의 선량이 더 적게 나타났다. 결 론 : 3D 프린터를 이용한 customized bolus가 표면이 일정하지 않은 치료부위에 사용 할 때 air gap을 줄이는 효과를 나타냈다. 그렇지만 상품화된 bolus와 피부 사이에 생기는 air gap은 target에서의 선량의 변화를 일으킬 만큼 많은 양이 아님을 알 수 있었다. 반면 chest wall에서는 air gap이 적을수록 선량이 감소함을 확인 할 수 있었다. customized bolus 제작 기간은 3일이 걸렸고, 고가의 제작비용이 든다는 문제점이 발생하였다. 따라서 3D 프린터 customized bolus의 상용화를 위해서는 저비용이고, bolus 사용으로 적합한 3D 프린터 재료 모색의 필요성이 있다고 사료된다.
목 적 : 3D 프린터는 입력한 도면을 바탕으로 3차원의 입체 모델을 만들어 낼 수 있는 장비이다. 이러한 특징을 이용하여 방사선치료시 bolus 사용으로 인한 피부와 bolus 사이의 air gap을 최소화 할 수 있는 bolus 제작이 가능하다. 이에 본 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 customized bolus를 제작하여 air gap과 target 선량을 상품화된 1 cm bolus와 비교하고자 한다. 대상 및 방법 : 왼쪽 chest wall에 돌출된 종양이 있는 RANDO phantom을 CT 모의치료기를 이용하여 영상 획득 후, CT DICOM 파일을 3D 프린터에 필요한 STL 파일로 변환시켰다. 이것을 이용하여 치료부위의 체표윤곽과 일치하면서 1 cm 두께를 유지하는 customized bolus 주형틀을 3D 프린터로 제작한 후 paraffin wax를 녹여 customized bolus를 만들었다. 이렇게 만들어진 customized bolus와 상품화된 1 cm bolus의 air gap을 확인하였고, air gap으로 인한 차이를 Eclipse를 이용하여 치료계획상 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$와 $V_{95%}$를 비교하였다. 결 과 : customized bolus 제작 기간은 약 3일이 소요되었다. air gap 총 용적은 customized bolus는 평균 $3.9cm^3$, 상품화된 1 cm bolus는 평균 $29.6cm^3$이었다. 상품화된 1 cm bolus를 사용할 때보다 3D 프린터를 이용하여 제작한 customized bolus를 사용하는 것이 air gap을 최소화시켰다. 6 MV photon에서 customized bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 각각 102.8%, 88.1%, 99.1%, 95.0%, 94.4%이었고, 상품화된 1 cm bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 101.4%, 92.0%, 98.2%, 95.2%, 95.7%이었다. proton의 경우 customized bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 각각 104.1%, 84.0%, 101.2%, 95.1%, 99.8%이었고, 상품화된 1 cm bolus의 $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$는 104.8%, 87.9%, 101.5%, 94.9%, 99.9%이었다. 이처럼 치료계획에서 customized bolus와 1 cm bolus 모두 GTV의 선량은 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 GTV에 인접한 정상조직은 customized bolus의 선량이 더 적게 나타났다. 결 론 : 3D 프린터를 이용한 customized bolus가 표면이 일정하지 않은 치료부위에 사용 할 때 air gap을 줄이는 효과를 나타냈다. 그렇지만 상품화된 bolus와 피부 사이에 생기는 air gap은 target에서의 선량의 변화를 일으킬 만큼 많은 양이 아님을 알 수 있었다. 반면 chest wall에서는 air gap이 적을수록 선량이 감소함을 확인 할 수 있었다. customized bolus 제작 기간은 3일이 걸렸고, 고가의 제작비용이 든다는 문제점이 발생하였다. 따라서 3D 프린터 customized bolus의 상용화를 위해서는 저비용이고, bolus 사용으로 적합한 3D 프린터 재료 모색의 필요성이 있다고 사료된다.
Purpose : 3D Printers are used to create three-dimensional models based on blueprints. Based on this characteristic, it is feasible to develop a bolus that can minimize the air gap between skin and bolus in radiotherapy. This study aims to compare and analyze air gap and target dose at the branded 1...
Purpose : 3D Printers are used to create three-dimensional models based on blueprints. Based on this characteristic, it is feasible to develop a bolus that can minimize the air gap between skin and bolus in radiotherapy. This study aims to compare and analyze air gap and target dose at the branded 1 cm bolus with the developed customized bolus using 3D printers. Materials and Methods : RANDO phantom with a protruded tumor was used to procure images using CT simulator. CT DICOM file was transferred into the STL file, equivalent to 3D printers. Using this, customized bolus molding box (maintaining the 1 cm width) was created by processing 3D printers, and paraffin was melted to develop the customized bolus. The air gap of customized bolus and the branded 1 cm bolus was checked, and the differences in air gap was used to compare $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$ and $V_{95%}$ in treatment plan through Eclipse. Results : Customized bolus production period took about 3 days. The total volume of air gap was average $3.9cm^3$ at the customized bolus. And it was average $29.6cm^3$ at the branded 1 cm bolus. The customized bolus developed by the 3D printer was more useful in minimizing the air gap than the branded 1 cm bolus. In the 6 MV photon, at the customized bolus, $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of GTV were 102.8%, 88.1%, 99.1%, 95.0%, 94.4% and the $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of branded 1cm bolus were 101.4%, 92.0%, 98.2%, 95.2%, 95.7%, respectively. In the proton, at the customized bolus, $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of GTV were 104.1%, 84.0%, 101.2%, 95.1%, 99.8% and the $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of branded 1cm bolus were 104.8%, 87.9%, 101.5%, 94.9%, 99.9%, respectively. Thus, in treatment plan, there was no significant difference between the customized bolus and 1 cm bolus. However, the normal tissue nearby the GTV showed relatively lower radiation dose. Conclusion : The customized bolus developed by 3D printers was effective in minimizing the air gap, especially when it is used against the treatment area with irregular surface. However, the air gap between branded bolus and skin was not enough to cause a change in target dose. On the other hand, in the chest wall could confirm that dose decrease for small the air gap. Customized bolus production period took about 3 days and the development cost was quite expensive. Therefore, the commercialization of customized bolus developed by 3D printers requires low-cost 3D printer materials, adequate for the use of bolus.
Purpose : 3D Printers are used to create three-dimensional models based on blueprints. Based on this characteristic, it is feasible to develop a bolus that can minimize the air gap between skin and bolus in radiotherapy. This study aims to compare and analyze air gap and target dose at the branded 1 cm bolus with the developed customized bolus using 3D printers. Materials and Methods : RANDO phantom with a protruded tumor was used to procure images using CT simulator. CT DICOM file was transferred into the STL file, equivalent to 3D printers. Using this, customized bolus molding box (maintaining the 1 cm width) was created by processing 3D printers, and paraffin was melted to develop the customized bolus. The air gap of customized bolus and the branded 1 cm bolus was checked, and the differences in air gap was used to compare $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$ and $V_{95%}$ in treatment plan through Eclipse. Results : Customized bolus production period took about 3 days. The total volume of air gap was average $3.9cm^3$ at the customized bolus. And it was average $29.6cm^3$ at the branded 1 cm bolus. The customized bolus developed by the 3D printer was more useful in minimizing the air gap than the branded 1 cm bolus. In the 6 MV photon, at the customized bolus, $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of GTV were 102.8%, 88.1%, 99.1%, 95.0%, 94.4% and the $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of branded 1cm bolus were 101.4%, 92.0%, 98.2%, 95.2%, 95.7%, respectively. In the proton, at the customized bolus, $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of GTV were 104.1%, 84.0%, 101.2%, 95.1%, 99.8% and the $D_{max}$, $D_{min}$, $D_{mean}$, $D_{95%}$, $V_{95%}$ of branded 1cm bolus were 104.8%, 87.9%, 101.5%, 94.9%, 99.9%, respectively. Thus, in treatment plan, there was no significant difference between the customized bolus and 1 cm bolus. However, the normal tissue nearby the GTV showed relatively lower radiation dose. Conclusion : The customized bolus developed by 3D printers was effective in minimizing the air gap, especially when it is used against the treatment area with irregular surface. However, the air gap between branded bolus and skin was not enough to cause a change in target dose. On the other hand, in the chest wall could confirm that dose decrease for small the air gap. Customized bolus production period took about 3 days and the development cost was quite expensive. Therefore, the commercialization of customized bolus developed by 3D printers requires low-cost 3D printer materials, adequate for the use of bolus.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
11∼12) 이에 본 연구에서는 3D 프린터 출력물을 이용한 customized bolus를 제작하고, 이렇게 제작한 customized bolus와 기존 상품화된 bolus 사용 시 생기는 air gap과 선량을 비교하여 보고자 한다.
제안 방법
customized bolus를 위한 3D 프린터 제작을 위해 CT 모의치료기로 영상을 획득 하여 DICOM 파일로 변환하여 업체에 제작 의뢰를 하였다. 3D 프린터 출력을 위하여DICOM 파일을 3D 데이터인 STL 파일로 변환하고, 종양 모양과 피부를 따라 1 cm 두께를 유지하는 주형틀 모양으로 편집하여 3D 프린터로 주형틀을 제작하였다. 이 주형틀에 녹인 paraffin wax를 부어 customized bolus를 완성하였다.
customized bolus를 위한 3D 프린터 제작을 위해 CT 모의치료기로 영상을 획득 하여 DICOM 파일로 변환하여 업체에 제작 의뢰를 하였다. 3D 프린터 출력을 위하여DICOM 파일을 3D 데이터인 STL 파일로 변환하고, 종양 모양과 피부를 따라 1 cm 두께를 유지하는 주형틀 모양으로 편집하여 3D 프린터로 주형틀을 제작하였다.
customized bolus와 상품화된 1 cm bolus의 선량 비교는 Eclipse를 활용한 plan 비교로 하였다. plan은 6 MV photon과 235 MeV proton beam으로 하였고 종양을 GTV로 설정하여 GTV에 1 cm margin을 주고 daily dose 180cGy, 총 4500 cGy로 주었다.
photon과 proton plan에서 customized bolus와 상품화된 1 cm bolus 각각 GTV의 Dose Volume Histogram(DVH), Dmax, Dmin, Dmean, D95%와 V95%를 비교하였다.
customized bolus와 상품화된 1 cm bolus의 선량 비교는 Eclipse를 활용한 plan 비교로 하였다. plan은 6 MV photon과 235 MeV proton beam으로 하였고 종양을 GTV로 설정하여 GTV에 1 cm margin을 주고 daily dose 180cGy, 총 4500 cGy로 주었다. plan parameter는 photon plan은 gantry angle 20°, field size 12×12 cm2, SSD 100cm, proton plan은 gantry angle 20°, snout size 180으로 설정하였다.
ProJetⓇ 360은 customized bolus 재질로 사용한 조직등가물질인 paraffin wax 재질의 제작 재료가 호환되지 않기 때문에 체표 윤곽과 일치하는 customized bolus를 바로 출력하지 못하는 문제가 있다. 따라서 본 연구에서는 3D 프린터를 사용하여 bolus 주형틀을 만들고 paraffin wax를 녹여 부어서 customized bolus를 제작하였다. [Figure 5]
앞서 제작한 customized bolus와 상품화된 1 cm bolus를 사용한 상태에서 CT 모의치료기로 각각 5회 촬영 후 치료계획 시스템인 Eclipse(Eclipse 10.1, Varian medical system, USA)를 이용하여 피부와 bolus 사이에 생기는 air gap의 총 용적을 확인하였다.
이는 종양의 모양이 울퉁불퉁하여 불규칙적으로 생기는 경우가 많고 방사선치료시 bolus를 사용함으로 피부 선량을 증가시키는 방법을 사용하기 때문이다. 이렇게 chest wall에 돌출된 종양을 가장하여 RANDO phantom(Radiology Support Devices, Long Beach, CA)의 왼쪽 가슴에 종양조직 모형을 만들었다. [Figure 1] 이 종양 모양에 맞도록 3D 프린터를 이용하여 customized bolus를 제작하여 실험을 진행하였다.
정상조직의 방사선량 비교를 위하여 GTV에 접한 chest wall에서 각각의 DVH에서 Min Dose, Max Dose, Mean Dose를 확인하였다.
3D 프린트 제작을 위해서는 Stereolithography(STL) 파일 형식이사용되어지는데, CT 영상은 STL 파일로 직접 변환이 불가능하기 때문에 다음 단계를 추가로 진행하였다. 촬영한 CT영 상 을 Digital Imaging and Communications in Medicine(DICOM) 형식으로 받은 후, 이 DICOM 파일을 Mimics(MimicsⓇ. Materialise NV, Belgian)를 이용하여 STL 파일로 변환하였다. [Figure 2] 이렇게 STL로 변환한 파일은 다시 Magics(Magics18, Materialise NV, Belgian)라는 프로그램을 이용하여 customized bolus 제작을 위한 주형틀로 편집하여 3D 프린터로 출력하였다.
대상 데이터
[Figure 3] 출력에 사용한 3D 프린터는 ProJetⓇ660Pro(ProJetⓇ x60, 3D Systems, USA)을 사용하였고, [Figure 4] 제작 재료는 석고소재인 VisiJetⓇ PXL™이 사용되었다.
본 연구는 chest wall 밖으로 돌출된 종양을 대상으로 실험하였다. 이는 종양의 모양이 울퉁불퉁하여 불규칙적으로 생기는 경우가 많고 방사선치료시 bolus를 사용함으로 피부 선량을 증가시키는 방법을 사용하기 때문이다.
이론/모형
연구를 위한 customized bolus의 제작은 RANDO phantom의 CT 영상를 기초로 하였다. 이를 위해 CT 모의치료기(Light Speed VCT, GE, USA)가 사용되었다.
성능/효과
7%의 값을 보였다. [Table 2] customized bolus를 사용 한 proton plan에서 Dmax는 104.1%, Dmin은 84.0%, Dmean은 101.2%, D95%는 95.1%, V95%는 99.8%, 상품화된 1 cm bolus는 Dmax 104.8%, Dmin은 87.9%, Dmean은 101.5%, D95%는 94.9%, V95%는 99.9%로 나타났다. [Table 3]
이는 air gap에 의한 re-build up의 영향 때문이라고 생각되어진다. 따라서 customized bolus를 사용 하였을 때 정상조직의 선량이 감소되었고, 이것은 종양조직에는 최대 선량을 정상조직에는 최소 선량을 주고자 하는 방사선 치료 목적에 더욱 부합하다고 할 수 있다.
4%였다. 상품화된 1 cm bolus의 6 MV photon plan의 Dmax는 101.4%, Dmin은 92.0%, Dmean은 98.2%,D95%는 95.2%, V95%는 95.7%의 값을 보였다. [Table 2] customized bolus를 사용 한 proton plan에서 Dmax는 104.
위 실험 결과 3D 프린터를 이용하여 customized bolus 사용 할 때의 최대 장점은 체표윤곽과 customized bolus를 밀착을 시킬 수 있다는 것이다. 즉, 피부와 bolus 사이 air gap을 최소화 할 수 있다고 할 수 있다.
후속연구
그렇기 때문에 열가소성 플라스틱 재료를 방사선 치료에 사용하기 위해서는 상용화된 bolus 두께에 해당하는 두께를 측정하여 사용 가능성을 확인하는 연구가 반드시 이어져야 한다. 더 나아가 customized bolus로 사용가능한 저렴한 3D 프린터 제작 재료를 찾아내는 연구가 필요하고, 추후 저가이면서 보급형 3D 프린터에 호환 가능한 조직등가물질 재료 개발도 필요할 것이다.
이미 치과에서는 치아 교정과 치료에 3D 프린터가 상용화되어지고 있다. 이처럼 방사선치료 분야에서도 customized bolus 제작뿐만 아니라 기타 여러 보상체, 환자 고정 기구 등에서 3D 프린터를 활용한 맞춤형 방사선치료가 가능하도록 더 많은 연구가 이어져야 할 것으로 사료되어진다.
이때 3D 프린터를 이용한 customized bolus의 제작이 air gap을 줄이는 역할을 훌륭히 할 수 있다고 생각되어 진다고 사료된다. 추후 중요 결정 장기가 많은 두경부에서 추가적인 customized bolus 사용에 관한 연구가 계속 되어져야 할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
bolus로 사용 가능한 것은 무엇이 있는가?
bolus로 사용 가능한 것으로는 조직등가물질인 Paraffin wax, Polystyrene, Lucite, Superstuff, Superflab등이 있다.7) 이러한 조직등가물질과 다양한 방법으로 air gap 없이 bolus를 사용하기 위해 끊임없이 연구를 이어왔다.
bolus 사용 시 기본 되는 원칙은 무엇인가?
bolus 사용 시 기본 되는 원칙은 환자의 체표에 확실히 밀착을 시켜 위치해야 한다.1) 그러나 인체의 구조 또는 병변 및 수술로 인한 돌출과 함몰 부분이 생기는 등 환자의 일정하지 않은 체표면 때문에 상품화된 bolus를 사용하면 피부와 bolus 사이에 불필요한 공기층(air gap)이 생기게 된다.
bolus 사이에 불필요한 공기층이 생기면 어떻게 되는가?
1) 그러나 인체의 구조 또는 병변 및 수술로 인한 돌출과 함몰 부분이 생기는 등 환자의 일정하지 않은 체표면 때문에 상품화된 bolus를 사용하면 피부와 bolus 사이에 불필요한 공기층(air gap)이 생기게 된다. 이러한 air gap은 표면선량과 중심축심부선량(central axis depth dose) 감소의 원인이 된다.2∼4) 또한 air gap에 의한 표면선량은 gantry 각도증가에 따라 감소하는 경향이 있다.5∼6)
참고문헌 (12)
F. M. Khan, "The Physics of Radiation Therapy"3rd ed. 259
Sharma S. C, Johnson M. W : Surface dose perturbation due to air gap between patient and bolus for electron beams, Medical physics, 1993 ; 20, 377-378
M. Kong, L. Holloway : An investigation of central axis depth dose distribution perturbation due to an air gap between patient and bolus for electron beams, Australasian Physical & Engineering Sciences in Medicine, 2007 ; 30, 111-119
Yousaf Khan, J. Eduardo Villarreal-Barajas, Mona Udowicz, Richie Sinha, Wazir Muhammad, et al. : Clinical and Dosimetric Implications of Air Gaps between Bolus and Skin Surface during Radiation Therapy, Journal of Cancer Therapy, 2013 ; 4, 1251-1255
Martin J. Butson, Tsang Cheung, Peter Yu, Peter Metcalfe : Effects on skin dose from unwanted air gaps under bolus in photon beam radiotherapy, Radiation Measurements, 2000 ; 32, 201-204
안승권, 이원주, 신동봉, 전병철, 이석, 조정희, 박재일 : Bolus 사용 시 환자와의 Air Gap에 의한 피부선량 변화에 관한 고찰, 대한방사선치료학회, 2001 ; 13, 51-58
F. M. Khan, "The Physics of Radiation Therapy"3rd ed. 327
박효국, 김주호, 이상규, 윤종원, 조정희, 김동욱 : 조직결손이 큰 환자에서 물 볼루스의 적용에 관한 고찰, 대한방사선치료학회, 2006 ; 제18권 제2호, 105-112
안승권, 김용배, 이익재, 송태수, 손동민, 장영재, 조정희, 김주호, 김동욱, 조재호, 서창옥 : 사지에 발병한 카포시육종의 방사선치료를 위한 물 볼루스 기구의 유용성 고찰, 대한방사선종양학회, 2008 ; 26(3), 189-194
송용민, 김종식, 홍채선, 주상규, 박주영, 박수연 : Total Scalp의 방사선 치료 시 Helmet Bolus 제작방법에 관한 연구, 대한방사선치료학회, 2012 ; 제24권 제1호, 31-37
S. M. Fuller, D. R. Butz, C. B. Vevang, M. V. Makhlouf : Application of 3-dimensional printing in hand surgery for production of a novel bone reduction clamp, J Hand Surg Am, 2014 ; 39, 1840-1845
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.