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문제 정의
- 또한 삼차원프린터 재료 중 표준팬텀의 재질인 아크릴과 밀도가 유사한 폴리락틱산 (Polylactid Acid, PLA)을 이용하면 유사한 팬텀이 제작 될 것이라 사료된다[14]. 따라서 본 연구는 삼차원프린터와 폴리 락틱산을 이용하여 기존의 AAPM CT팬텀과 유사한 팬텀을 제작하고 측정한 데이터를 비교분석을 통해 삼차원프린터로 제작한 팬텀의 가능성을 확인하고자 한다.
- 하지만 AAPM CT팬텀처럼 정도관리를 위한 팬텀의 연구는 미미한 실정이 다[17,18]. 따라서, 본 연구에서 삼차원프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 AAPM CT팬텀과 유사한 팬텀을 제작하여 비교 분석하고 유용성을 평가하였다. 삼차원프린터로 제작 한 품질관리 팬텀은 기존 표준팬텀을 구성하고 있는 아크릴과 밀도가 유사한 폴리락틱산을 사용하였고, 기하학적 구조 인 팬텀의 지름을 216 ㎜로 동일하게 설정하였다.
- 그러므로 임상에서 CT장비의 고장 등으로 인하여 품질관리가 필요할 경우에도 자체적으로 수시 정도관리를 시행하기에는 어려운 실정이다. 이렇듯 낮은 보급률을 보완 할 수 있는 방법으로 동등한 성능을 가진 저가형 대체 팬텀을 제작 하고자 하였다. 최근 4차 산업혁명에 대표기술로 제시되는 삼차원프린터는 첨삭 가공하여 적층하는 방식으로서, 저렴한 비용으로 제작이 가능하다[13].
제안 방법
- STL파일을 슬라이서 프로그램 CURA (3.04, Ultimaker, Netherlands)를 이용하여, 각 측정부위별로 출력온도, 베 드온도, 벽두께, 내부 채움 등 출력설정을 하였으며, 출력크 기에 따라 알맞은 장비를 선정하였고, 재료와 출력시간 절감을 위해 팬텀을 지지하는 부위와 측정부위의 설정 값을 다르게 하여 G-coding을 하고 프린터로 전송시켜 팬텀을 출력하였다[Table 1].
- 삼차원프린터로 제작 한 품질관리 팬텀은 기존 표준팬텀을 구성하고 있는 아크릴과 밀도가 유사한 폴리락틱산을 사용하였고, 기하학적 구조 인 팬텀의 지름을 216 ㎜로 동일하게 설정하였다. 가장 보 편화 된 FFF방식의 삼차원프린터를 사용하였고, 표준팬텀을 CT 스캔하고 얻어진 DICOM 데이터를 분석하여, CAD로 역 설계하고 제작하였다. 모든 부위는 출력 후 설계도에 따 라 조립하여 팬텀제작을 완성하였다.
- 팬텀 검사조건은 250 mAs의 관전류, 120 kVp의 관전압을 적용하고 25 cm 이상의 SFOV (Scan Field of View)와 25 cm의 DFOV (Display Field of View)를 사용하였다. 그리고 single slice scan을 시행하며, 영상재구성은 standard reconstruction algorithm을 이용하고, 장비의 구비 조건상 기본 검사 조건을 정확히 준수할 수 없는 경우 가장 근접한 조건으로 검사하 였다. 부위 별로 10회씩 스캔하고, 측정된 데이터를 이용하여 균일도와 노이즈, 단면두께 측정, 영상에서의 측정치와 실측 정치, 직선성을 비교 분석하였으며, 공간분해능과 대조도 분 해능은 임상경력 5년 이상의 방사선사 10명에게 정성적 평가를 시행하여 유의성을 검증하였다[Fig.
- 기존의 표준팬텀을 CT 스캔하고 얻어진 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)영상을 OsiriX (Lite, Pixmeo SARL, Swiss)를 이용하여 Volume rendering (VR)기법을 통해 삼차원으로 재구성하고, 팬텀의 길이 및 두께 등 내부 형태를 분석하였다.
- 뚜껑에 있는 구멍은 중심선 정렬을 위한 알루미늄 핀과 실리콘마개와 결합하여 삽입하였다. 대조도 분해능 측정 부위는 각 구멍에 조영제와 증류수를 혼합한 용액을 채우고 구멍안과 주변부의 CT number가 10 HU (Hounsfield Unit) 이내로 조정한 후 구멍 사이즈에 맞는 실리콘 마개로 막아 누수를 방지하였다[Fig. 5].
- 케이스 내부에 각 측정 부위들이 삽입 되도록 제작되었으며, 대조도 분해능은 케이스 바닥 부에 접착제를 사용하여 결합하였고. 또한 누수방지를 위해 삼차원프린터로 제작한 너트를 볼트와 결합하여 조립하였다[Fig. 7].
- 무 측정을 위한 부위 와 단면두께 측정부위, 직선성 측정부위, 공간분해능 측정부 위, 대조도 분해능 측정 부위로 나누어 설계하였고, 출력 후 조립을 쉽게 할 수 있도록 설계하였다. 또한 케이스 뚜껑 부분에는 중심선 정렬 알루미늄 핀을 삽입할 수 있는 구멍과 증류 수를 넣기 위한 작은 구멍 2개를 설계하였다. 설계한 파일을 삼차원프린터에 쓰이는 확장자인 STL (Stereolithography) 방식으로 변환하여 저장하였다[Fig.
- 출력물을 삼차원 설계에 따라 접착제를 이용하여 하나의 팬텀으로 조립하였으며, 실험 시 증류수의 누수를 방지하기 위해 방수제를 도포하고 건조하였다. 뚜껑과 팬텀 사이도 누수방지를 위해 실리콘 7 T를 팬텀 크기에 맞춰 제단 하여, 뚜껑과 케이스결합 부위에 위치시킨 후 증류수를 채우고 뚜 껑을 결합하였다. 뚜껑에 있는 구멍은 중심선 정렬을 위한 알루미늄 핀과 실리콘마개와 결합하여 삽입하였다.
- 다양한 측정을 위해 복잡한 구조를 가진 표준팬텀과 유사하게 제작하기 위해 팬텀 케이스, 균일도, 노이즈, 인공물 유.무 측정을 위한 부위 와 단면두께 측정부위, 직선성 측정부위, 공간분해능 측정부 위, 대조도 분해능 측정 부위로 나누어 설계하였고, 출력 후 조립을 쉽게 할 수 있도록 설계하였다. 또한 케이스 뚜껑 부분에는 중심선 정렬 알루미늄 핀을 삽입할 수 있는 구멍과 증류 수를 넣기 위한 작은 구멍 2개를 설계하였다.
- 그리고 single slice scan을 시행하며, 영상재구성은 standard reconstruction algorithm을 이용하고, 장비의 구비 조건상 기본 검사 조건을 정확히 준수할 수 없는 경우 가장 근접한 조건으로 검사하 였다. 부위 별로 10회씩 스캔하고, 측정된 데이터를 이용하여 균일도와 노이즈, 단면두께 측정, 영상에서의 측정치와 실측 정치, 직선성을 비교 분석하였으며, 공간분해능과 대조도 분 해능은 임상경력 5년 이상의 방사선사 10명에게 정성적 평가를 시행하여 유의성을 검증하였다[Fig. 6].
- 삼차원프린터로 영상 품질 측정용 팬텀 제작은 표준팬텀과 동등한 팬텀제작을 위하여 순 설계과 역 설계를 이용하였으며, Fig. 3과 같은 순서로 진행하였다.
- 삼차원프린터로 제작된 영상품질 측정용 팬텀과 표준팬텀 과의 비교를 위해 의료법 제38조에 고시된 팬텀 검사조건 기준에 따라 동일한 조건으로 CT 스캔하였다. 팬텀 검사조건은 250 mAs의 관전류, 120 kVp의 관전압을 적용하고 25 cm 이상의 SFOV (Scan Field of View)와 25 cm의 DFOV (Display Field of View)를 사용하였다.
- 또한 케이스 뚜껑 부분에는 중심선 정렬 알루미늄 핀을 삽입할 수 있는 구멍과 증류 수를 넣기 위한 작은 구멍 2개를 설계하였다. 설계한 파일을 삼차원프린터에 쓰이는 확장자인 STL (Stereolithography) 방식으로 변환하여 저장하였다[Fig. 4].
- 모든 부위는 출력 후 설계도에 따 라 조립하여 팬텀제작을 완성하였다. 이후 제작된 팬텀에 증류수를 채워 팬텀영상검사기준에 따라 CT 스캔을 하고 균일도, 노이즈, 단면두께, 영상에서의 측정치와 실측정치, 공간분해능, 대조도 분해능을 측정하였다. 측정결과, 균일 도는 중심부와 주변부간 5HU 이내 측정이 되어야 하며 표 준팬텀과 자체 제작팬텀 모두기준에 적합 하였으며, 또한 6 HU 이내로 측정되어야 하는 노이즈 역시 기준에 적합하였다.
- 출력물을 삼차원 설계에 따라 접착제를 이용하여 하나의 팬텀으로 조립하였으며, 실험 시 증류수의 누수를 방지하기 위해 방수제를 도포하고 건조하였다. 뚜껑과 팬텀 사이도 누수방지를 위해 실리콘 7 T를 팬텀 크기에 맞춰 제단 하여, 뚜껑과 케이스결합 부위에 위치시킨 후 증류수를 채우고 뚜 껑을 결합하였다.
- 3 ㎜이며, 폭은 216 ㎜으로 제작되었다. 케이스 내부에 각 측정 부위들이 삽입 되도록 제작되었으며, 대조도 분해능은 케이스 바닥 부에 접착제를 사용하여 결합하였고. 또한 누수방지를 위해 삼차원프린터로 제작한 너트를 볼트와 결합하여 조립하였다[Fig.
- 삼차원프린터로 제작된 영상품질 측정용 팬텀과 표준팬텀 과의 비교를 위해 의료법 제38조에 고시된 팬텀 검사조건 기준에 따라 동일한 조건으로 CT 스캔하였다. 팬텀 검사조건은 250 mAs의 관전류, 120 kVp의 관전압을 적용하고 25 cm 이상의 SFOV (Scan Field of View)와 25 cm의 DFOV (Display Field of View)를 사용하였다. 그리고 single slice scan을 시행하며, 영상재구성은 standard reconstruction algorithm을 이용하고, 장비의 구비 조건상 기본 검사 조건을 정확히 준수할 수 없는 경우 가장 근접한 조건으로 검사하 였다.
- 우리나라에서 CT장비는 특수의료장비에 속하며 의료법 제38조에 따라 시·군·구청장에 게 등록해야 하고, 보건복지부장관에게 정기적 품질검사를 받아야 하고, 부적합 시에는 장비를 사용할 수 없도록 제정되어 있다[10]. 품질검사는 팬텀 영상평가로 하며, 표준팬텀은 AAPM(American Association of Physicists in Medicine) CT Performance팬텀(76-410, Fluke, USA)및 보건복지부장 관이 정하는 바에 따라 이와 동등함이 검증된 팬텀으로 6개월에 한번 씩 시행해야 한다[11]. 표준팬텀인 AAPM CT팬텀은 하나 의 팬텀으로 CT number의 균일도, 노이즈, 단면두께, 직선성, 영상에서의 측정치와 실측정치의 비교평가, 공간분해능, 대조도 분해능측정을 할 수 있어 CT장비의 정도관리가 가능하지만 팬텀 가격이 고가이고, 수입에 의존하기 때문에 각 병원마다 팬텀을 보유하고 있지 않으며, 대부분 위탁업체를 통해 정도관리를 하고 있다[12].
대상 데이터
- 본 연구에서는 보급형 FFF (Fused Filment Fabrication) 방식의 삼차원프린터가 4대를 사용하였으며, 출력물의 형태 및 모형에 따라 프린터를 선택하여 팬텀을 제작하였다 [Fig. 1].
- 본 연구에서는 성능 객관성을 위해 의료법 제38조 특수의 료장비 설치 운용에 관한 규정에 적합판정을 받은 64 MDCT (Aculion CX, Toshiba, JAPAN)와, 표준팬텀으로 고시된 AAPM (American Association of Physicists in Medicine) CT performance팬텀(76-410, Fluke, USA)을 사용하였다[Fig. 2].
- 따라서, 본 연구에서 삼차원프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 AAPM CT팬텀과 유사한 팬텀을 제작하여 비교 분석하고 유용성을 평가하였다. 삼차원프린터로 제작 한 품질관리 팬텀은 기존 표준팬텀을 구성하고 있는 아크릴과 밀도가 유사한 폴리락틱산을 사용하였고, 기하학적 구조 인 팬텀의 지름을 216 ㎜로 동일하게 설정하였다. 가장 보 편화 된 FFF방식의 삼차원프린터를 사용하였고, 표준팬텀을 CT 스캔하고 얻어진 DICOM 데이터를 분석하여, CAD로 역 설계하고 제작하였다.
- 재료는 표준팬텀의 주 재질인 아크릴 (밀도: 1.19 g/cm3)과 밀도가 유사하며 친환경 소재인 폴리락틱산 (밀도: 1.24 g/cm3) 을 사용하였다. 폴리락틱산의 출력 후 물성은 인장 탄성률은 2346.
- 제작된 팬텀은 총 길이가 315.3 ㎜이며, 폭은 216 ㎜으로 제작되었다. 케이스 내부에 각 측정 부위들이 삽입 되도록 제작되었으며, 대조도 분해능은 케이스 바닥 부에 접착제를 사용하여 결합하였고.
데이터처리
- 분석한 데이터를 바탕으로 영상품질 측정용 팬텀 제작을 위하여 삼차원 설계 프로그램 SolidWorks (Premium 2017, Solidworks, USA)를 이용하여 설계하였다. 다양한 측정을 위해 복잡한 구조를 가진 표준팬텀과 유사하게 제작하기 위해 팬텀 케이스, 균일도, 노이즈, 인공물 유.
- 측정된 데이터에서 기존의 AAPM CT팬텀과 삼차원프린터를 이용하여 제작된 영상 품질측정 팬텀의 데이터중 균일도와 노이즈, 단면두께 측정, 직선성, 영상에서의 측정치와 실측정치를 SPSS (V.22.0, SPSS, IL, USA)프로그램의 Mann-Whitney U test를 이용하여 분석하였으며, p값은 0.05 이하일 경우 유의성이 있는 것으로 판단하였다(p<0.05).
성능/효과
- 1 mm 이하까지 식별할 수 있어야 하는 공간분해능 측정 부위와 6.4 mm 이하까지 식 별 가능해야 하는 대조도 분해능 측정 부위의 정성적 평가 결과, 합격기준인 1 mm 이하와 6.4 mm 이하까지 측정된다 고 평가되었으며, 영상에서의 측정치와 실측정치 비교에서는 합격수치인 각도 ± 3 °와 거리 ± 3 cm안에 측정되어 표 준팬텀과의 차이가 미비한 정도였다.
- 6 mm 측정에서는 표준 팬텀과 자체제작 팬텀 모두 6 mm로 측정되었으며, 12 mm (p=0.623)와 6 mm 부위 모두 통계적으로 유의한 차이가 없 었다(p>0.05).
- CT number calibration 부위를 스캔한 영상에서, 4 cm × 4 cm의 ROI를 6시 방향, 12시 방향, 3시 방향, 9시 방향에서 CT number를 측정하고, 균일도를 측정한 결과, 표준 팬텀에서 평균 1.96±1.72 HU (Hounsfield Unit)이 측정되었으며, 자체제작 팬텀에서는 평균 1.98±0.69 HU이 측정 되었고, 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p=0.595).
- 05). 결과적으로 표준팬텀 대신, 영상의 질을 저하시킬 수 있는 요인을 평가하여 양질의 영상정보 획득 및 피폭선량 감소를 위해 장비를 관리 및 유지할 수 있는 새로운 방안이 될 수 있음을 확인하였다. 또한 삼차원프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 팬텀을 제작이 가능하여 정도관리 팬텀의 보급률도 높아져 임상에서 필요 시 수시로 정도관리가 가능할 것 이라 사료된다.
- 단면두께 측정부위에 서도 검사 기준인 ± 1 mm 미만으로 측정되었으며, 직선성 측정 부위에서도 5개의 각기 다른 물질의 핀들의 측정치가 표준팬텀과 자체 제작한 영상 품질측정팬텀을 비교한 결과, 통계적으로 유의한 차이가 없다고 검증되었다(p>0.05).
- 대조도 분해능 판독결과, 표준팬텀은 6.4 ㎜까지 보인다고 한 응답자는 2명, 3.2 ㎜ 8명으로 나타났다. 자제제작 팬텀은 6.
- 본 연구에서 삼차원프린터로 자체 제작한 CT영상 품질측 정팬텀과 표준팬텀인 AAPM CT팬텀을 CT장비를 이용하여 영상 품질측정을 하고, 비교 분석한 결과, 모든 측정 부위에서 통계적으로 유의한 차이가 없다고 검증되었다(p>0.05).
- 이후 제작된 팬텀에 증류수를 채워 팬텀영상검사기준에 따라 CT 스캔을 하고 균일도, 노이즈, 단면두께, 영상에서의 측정치와 실측정치, 공간분해능, 대조도 분해능을 측정하였다. 측정결과, 균일 도는 중심부와 주변부간 5HU 이내 측정이 되어야 하며 표 준팬텀과 자체 제작팬텀 모두기준에 적합 하였으며, 또한 6 HU 이내로 측정되어야 하는 노이즈 역시 기준에 적합하였다. CT number calibration 부위에서 물의 CT number는 0 ± 6 HU 이내로 측정되었다.
- 평균 각도는 표준팬텀에서 138.2±0.73°, 자체제작 팬텀에 서는 138.6±0.86°가 측정되었으며, 평균거리는 139.6±0.49 ㎜으로 측정되었고, 자제제작 팬텀에서는 139.7±0.32 ㎜로 측정되었다.
후속연구
- 하지만 이제 기초적인 연구 개발 단계로 추가 연구를 통해 개선해야 할 한계점도 확인 하였다. 따라서 본 연구가 삼차원 프린팅 기술과 영상의학 분야의 기초자료로 활용되어 CT장비를 비롯한 의료삼차원프린팅 융합연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
- 결과적으로 표준팬텀 대신, 영상의 질을 저하시킬 수 있는 요인을 평가하여 양질의 영상정보 획득 및 피폭선량 감소를 위해 장비를 관리 및 유지할 수 있는 새로운 방안이 될 수 있음을 확인하였다. 또한 삼차원프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 팬텀을 제작이 가능하여 정도관리 팬텀의 보급률도 높아져 임상에서 필요 시 수시로 정도관리가 가능할 것 이라 사료된다. 하지만 이제 기초적인 연구 개발 단계로 추가 연구를 통해 개선해야 할 한계점도 확인 하였다.
- 본 연구를 진행하는데 있어서 몇 가지 제한점은 STL 확장자의 구조상 원통형의 출력물에 미세한 각이 생기는 현상 과, 팬텀 내에 공기 없이 증류수를 채우는 작업등이 제작 시 제한되었다. 또한 현재 보급형 삼차원프린터는 출력크기가 대체적으로 200 mm × 200 mm × 200 mm을 넘지 않아, 216 mm의 직경을 갖춘 팬텀의 케이스를 한 번에 출력하기가 어려웠다.
- 마지막으로 표준팬텀에서는 대조도 분해능 측정 부위는 아크릴로 가득 채워져 있지만 삼차원프린터에서 는 격자형태로 적층하기 때문에 내부구성에 한계가 있었다. 이러한 제한점들에 대해서는 추가 연구가 필요할 것이라 사료된다.
- 장비의 노후화, X선의 물리적 특성, S/W의 오류 등으로 인하여 병변을 놓치거나 인공물에 의해 거짓병변을 만들어 낼 수 있어, 판독 시 오진율이 증가할 수 있고, 재검사 및 중복검사로 인하여 환자의 방사선 피폭을 증가시킬 수 있다[8,9]. 이에 장비의 정도관리는 CT의 정확성을 높이고 인체의 미세한 구조를 명료하고 정확한 영상을 만들기 위해 우선적으로 행해져야 할 것이다. 우리나라에서 CT장비는 특수의료장비에 속하며 의료법 제38조에 따라 시·군·구청장에 게 등록해야 하고, 보건복지부장관에게 정기적 품질검사를 받아야 하고, 부적합 시에는 장비를 사용할 수 없도록 제정되어 있다[10].
- 또한 삼차원프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 팬텀을 제작이 가능하여 정도관리 팬텀의 보급률도 높아져 임상에서 필요 시 수시로 정도관리가 가능할 것 이라 사료된다. 하지만 이제 기초적인 연구 개발 단계로 추가 연구를 통해 개선해야 할 한계점도 확인 하였다. 따라서 본 연구가 삼차원 프린팅 기술과 영상의학 분야의 기초자료로 활용되어 CT장비를 비롯한 의료삼차원프린팅 융합연구에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
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