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3D 프린팅 기술을 이용한 원료에 대한 방사선 차폐능 평가: FDM 방식의 3D 프린팅 기술을 중심으로
Assessment of Radiation Shielding Ability of Printing Materials Using 3D Printing Technology: FDM 3D Printing Technology 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.12 no.7, 2018년, pp.909 - 917  

이홍연 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과) ,  김동현 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
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3D 프린팅 기술4차산업 혁명 중 제조업의 혁신적인 기술로서 전망되고 있으며, 현재 바이오 의료 분야를 포함한 다양한 분야에서 활용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 3D 프린팅 기술을 이용한 제작 원료에 대한 방사선 차폐능을 평가하고자 몬테카를로 전산모사를 통해 프린팅 원료에 대한 검증을 수행하였다. 현재 범용으로 사용되는 FDM 방식의 3D 프린터에서 이용 가능한 원료들을 대상으로 하였으며, ICRU phan tom과 차폐체를 모의 모사한 후 방사선의 종류 및 에너지에 따른 입자 플루언스 평가를 통해 차폐 효과에 대해 분석하였다. 그 결과, 광자선의 경우 에너지 증가에 따라 차폐 효과는 점차 감소되는 경향을 보였고, 원료별 차폐 효과는 TPU, PLA, PVA, Nylon, ABS 순서로 점차적으로 낮아지는 결과를 나타냈다. 중성자선의 경우, 5~10 mm의 낮은 두께에서 반대로 선속이 증가되는 현상을 보였으나, 일정 두께 이상에서는 유효한 차폐 효과를 나타내었으며, 프린팅 원료별 차폐 효과는 Nylon, PVA, ABS, PLA, TPU 순서로 점차 낮아지는 결과를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

3D printing technology is expected to be an innovative technology of the manufacturing industry during the 4th industrial revolution, and it is being used in various fields including biotechnology and medical field. In this study, we verified the printing materials through Monte Carlo simulation to ...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 오왕균은 FDM 방식의 3D 프린트를 이용한 쇄골 골절 모델 제작을 통해 정형외과적 수술에 대한 유용성에 대해서 평가하였고, 방사선 치료 분야에 관련하여 정상민 등은 방사선 치료 시 Customized한 Bolus의 제작, 오동렬은 방사선량 검증을 위한 팬텀 제작에 대한 연구 등이 이루어져 왔으며, 진단 분야에서도 김형균 등은 3D 프린트를 이용하여 의료영상 검사를 위한 상지 보조기구 제작 등 다양하게 적용되고 있다.[10,11,12,13] 이에 따라 본 연구에서도 현재 일반적으로 제품화된 방사선 차폐기구가 아닌 3D 프린트를 이용한 방사선 차폐 기구의 제작 가능성을 평가하고자 몬테카를로 시뮬레이션 기반의 전산모사를 통한 원료 검증을 수행하고자 하였다. FDM 방식에서 사용 가능한 열가소성 플라스틱 재질의 경우 차폐두께가 증가할수록 차폐 효과는 점차적으로 향상되었으나, 납에 비해 실효원자번호와 비중이 낮아 광전효과, 컴프턴 산란 등의 상호작용 발생 확률이 감소되어 차폐 효과가 떨어지는 결과를 보였고, 광자선의 에너지 증가에 따라 동일한 차폐 효과를 얻기 위해 상당한 두께가 필요할 것으로 생각된다.
  • [9] 본 연구에서는 압출 적층 조형의 3D 프린팅 방식을 이용한 원료의 차폐 효과를 평가하고자 현재 범용으로 사용되는 3D 프린터 중 상용화된 제품(MyD, P250, 대건테크)은 Fig. 1과 같으며, 이에 대한 세부정보를 수집하였다.
  • 본 연구는 몬테카를로 시뮬레이션 기반의 전산 모사를 통해 현재 범용으로 사용되는 FDM 방식의 3D 프린터에서 사용 가능한 원료에 대한 방사선 차폐 효과를 분석하였다. 평가한 3D 프린팅 원료 중 진단 X선 영역 내 광자 에너지에서 TPU 재질이 가장 높은 차폐 효과를 나타내었으며, PLA, PVA, Nylon, ABS 순으로 낮은 차폐 효과를 보였다.
  • 이를 사전적으로 검증하고자 몬테카를로 시뮬레이션 기반의 전산모사를 통해 FDM 방식의 3D 프린트에서 사용 가능한 원료에 대한 차폐효과를 평가하여, 3D 프린팅 기술을 이용한 차폐기구 제작 연구에 관한 기초자료를 제공하고자 한다.
  • 현재 국내에서도 이러한 3D 프린트를 이용한 의료 분야 내 활용에 관한 연구가 많이 이루어지고 있는 추세이며, 본 연구에서는 FDM 방식의 범용 3D 프린터를 이용하여 의료 분야에서 활용할 수 있는 방사선 차폐기구로의 제작 가능성을 평가하고자 하는 것에 목표가 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3D 프린팅 기술은 무엇인가? 3D 프린트 기술은 제작하고자 하는 형상을 얇은 단면으로 나누고 이 단면을 한 층씩 순차적으로 적층하여 3차원 형상을 제작하는 기술이다.[5]
의료 분야 내 일반적인 차폐물질로 납이 주로 사용되는 이유는 무엇인가? 이러한 방사선을 이용함에 있어 방사선 방호는 필수적이며, 사용하는 방사선의 종류 및 특성에 따라 적절한 차폐물질의 사용이 필요하다. 현재 의료 분야 내 일반적으로 알려진 차폐물질 중 납은 원자번호와 밀도가 높고 가공성이 좋으며 경제적인 이유로 과거에서부터 많이 이용되어 왔다.[1]
방사선의 이용이 초래하는 위험성은 무엇인가? 그러나 이러한 방사선의 이용은 다양한 이점이 있는 반면, 방사선 피폭이라는 큰 문제를 항상 수반하고 있다. 방사선의 피폭은 결정적 혹은 확률적 영향을 통해 인체 장애를 일으킬 가능성이 존재하며, 사용하는 방사선의 종류 및 에너지에 따라 그 위험도는 다르다.
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참고문헌 (16)

  1. K. T. Kim, S. S. Kang, S. C. Noh, B. J. Jung, C. H. Cho, Y. J. Heo, J. K. Park, "Absorbed Spectrum Comparison of Lead and Tungsten in Continuous X-ray Energy using Monte Carlo Simulation," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 6, No. 6, pp. 483-487, 2012. 

  2. M. J. Bae, H. M. Lee, "A Study on Radiation Shielding Materials for Protective Garments using Monte Carlo Simulation," Journal of the Korean Society for Quality Management, Vol. 43, No. 3, pp.239-252, 2015. 

  3. K. T. Kim, S. S. Kang, S. C. Noh, B. J. Jung, J. K. Park, "The Study on Design of Customized Radiation Protective Layer for Medical Radiation Dose Reduction," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 8, No. 6, pp. 333-338, 2014. 

  4. H. W. Park, "3D Printing Technology Status and Applications," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 54, No. 4, pp. 32-35, 2014. 

  5. D. S. Koo, The Developmant of Wrist Brace used 3D Printer and 3D Scanner, Department of Clothing & Textiles, The Graduate School Pusan National University, Master thesis, 2016. 

  6. http://en.wikipedia.org/wiki/3D_printing 

  7. S. Mattsson, M. Soderberg, "Dose Quantities and Units for Radiation Protection," In Radiation Protection in Nuclear Medicine, Springer, Berlin, Heidelberg, pp. 7-18, 2013. 

  8. J. Valentin, "Relative Biological Effectiveness (RBE), Quality Factor (Q), and Radiation Weighting Factor (wR): ICRP Publication 92," Annals of the ICRP, Vol. 33, No. 4, pp. 1-121, 2003. 

  9. S. B. Choi, "Development of Application Indicators for the Fabrication of Radiotherapy Auxiliary Devices," Department of Medical imaging engineering, The Graduate School of Bio-Medical Science, Korea University, Master thesis, 2014. 

  10. W. K. Oh, "Evaluation of Usefulness and Availability for Orthopedic Surgery using Clavicle Fracture Model Manufactured by Desktop 3D Printer," Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 37, No. 3, pp. 203-209, 2014. 

  11. S. M. Jung, J. H. Yang, S. H. Lee, J. U. Kim, D. S. Yeom, "A Study on Developing Customized Bolus using 3D Printers," Korean Society for Radiation Therapy, Vol. 27. No. 1. pp. 61-71, 2015. 

  12. M. S. Kim, "Development of 3D Printing Patient-specific Phantoms for Dose Verification of Stereotactic Body Radiation Therapy Planning in Patients with Spinal Metastasis," The Graduate School of Bio-Medical Science, Korea University, Master thesis, 2016. 

  13. H. G. Kim, J. H. Yoon, S. D. Choi, "Study on 3D Printer Production of Auxiliary Device for Upper Limb for Medical Imaging Test," Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 38. No. 4. pp. 389-394, 2015. 

  14. K. Y. Jeon, J. D. Lee, S. C. Kang, "3D Printing Industry Status and Market Trend," Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, PD Issue Report, Vol. 16, No. 6, 2016. 

  15. J. Ceh, T. Youd, Z. Mastrovich, C. Peterson, S. Khan, T. A. Sasser, I. M. Sander, J. Doney, C. Turner, W. M. Leevy, "Bismuth Infusion of ABS Enables Additive Manufacturing of Complex Radiological Phantoms and Shielding Equipment," Sensors, Vol. 17, No. 3, pp. 459, 2016. 

  16. C. M. Shemelya, A. Rivera, A. T. Perez, C. Rocha, M. Liang, X. YU, C. Kief, D. Alexander, J. Stegeman, H. XIN, R. B. Wicker, E. Macdonald, D. A. Roberson, "Mechanical, Electromagnetic, and X-ray Shielding Characterization of a 3D Printable Tungsten-Polycarbonate Polymer Matrix Composite for Space-Based Applications," Journal of Electronic Materials, Vol. 44, No. 8, pp. 2598-2607, 2015. 

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