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문제 정의
- 그러나 Hoffman 3D brain phantom의 가격은 상당히 고가이므로 의료기관과 교육기관에서 구비하기엔 어려움이 있다. 이에 3차원 구조물을 만들 수 있는 3D 프린터를 이용하여 저렴한 가격의 3D brain phantom을 제작하고 그 유용성에 대해 평가하고자 한다.
제안 방법
- 3D 프린터로 제품을 출력할 때 주의할 사항으로는 사용된 필라멘트인 PLA가 다른 물질에 비해 수축이 잘 안 되는 특징이 있으나 1㎜ 이하의 얇은 두께를 0° 이하의 추운 날씨에서 출력하게 되면 수축 현상이 발생하므로 3D 프린터가 있는 공간의 온도를 적정 수준으로 높여 출력할 필요가 있다. Hoffman 3-D brain phantom과 New 3D brain phantom의 차이를 비교·분석하기 위해 방사성동위원소인 18F을 37 MBq 넣어 15분간 교반한 뒤 양전자 방출 컴퓨터단층촬영기를 이용하여 유용성을 평가하였다(Table 2).
- Hoffman 3D brain phantom과 New 3D brain phantom 에서 전두엽, 두정엽, 측두엽, 후두엽, 소뇌에 해당하는 5 개 영역에 243 ㎟ 크기의ROI(Region of Interest)를 좌우 각각 3개씩 설정하여 신호강도(SI, Signal Intensity) 를 측정하고 그 평균값을 비교 분석하였다(Fig. 4).
- Hoffman 3D brain phantom과 동등한 Phantom을 제작하기 위하여 정확한 내부를 알기 위해 Hoffman 3D brain phantom을 CT scan 하였고(Table 1), scan 후 얻어진 DICOM영상을 치료계획시스템(TPS; Treatment planning system, eclipse 8.6, Varian Medical system, USA)을 이용하여 Phantom을 분석하였다. 그리고 3D Slicer program (SlicerRT 4.
- Hoffman 3D brain phantom을 3-D 프린터로 재현한 New brain phantom의 재현성을 검증하기 위하여 비교적 정확하게 구분되는 시상 전체에 VOI를 설정하여 오차율을 구하였다. Hoffman 3D brain phantom에서 측정한 시상의 총 볼륨은 10939.
- Hoffman 3D brain phantom의 재현성을 검증하기 위해 Vinci 2.54 (MAx-Plank-Institute for Neurological Research Cologne)를 통하여 Hoffman 3D brain phantom과 New 3D brain phantom의 시상에 VOI(Volume of Interest)를 설정하여 볼륨을 측정하고 오차율을 계산하였다(Equation 1). VOI는 횡단면상을 기준으로 시상이 나타나는 모든 단면에 VOI를 그려 측정하였다(Fig.
- 2 liter의 물을 채울 수 있게 구성하였다. New 3D brain phantome 3D 프린터의 특성을 반영하여 0.7 mm 두께의 두 슬라이스를 1.5 mm 두께 슬라이스 사이에 배치시켜 복합 슬라이스를 만들 수 있도록 출력하였으며, 출력된 슬라이스를 원형통에 적층하여 제작하였다. 적층된 슬라이드는 밀착이 잘되게 접착제를 이용하여 붙였으며, 물이 새는 것을 방지하기 위하여 파라핀으로 코팅하였다(Table 3), (Fig.
- New 3D brain phantom의 재료로 사용된 PLA와 Hoffman 3D brain phantom의 재료인 아크릴과의 유사성을 검증하기 위해 CT로 촬영한 영상의 회색질과 백색질에 88 ㎟ 크기의 ROI를 설정하여 HU(Hounsfield unit)를 측정하여 비교 분석하였다(Fig. 5).
- New 3D brain phantom의 재료로 사용된 PLA와 Hoffman 3D brain phantom의 재료인 아크릴과의 유사성을 검증하기 위해 CT로 촬영한 영상의 회색질과 백색질에 ROI를 설정하여 HU를 측정하였다. 그 결과 회색질에서는 Hoffman 3D brain phantome –1.
- 0)을 이용해 STL(Stereo lithography)로 저장하였다. STL로 저장된 파일은 3D 프린터로 출력하기 위해 Simplify 3D program(ver 4.1.1)을 사용하여 G-coding 한 후 프린터로 데이터를 전송시켜 새로운 3D brain phantom을 제작하였다. 3D 프린터로 제품을 출력할 때 주의할 사항으로는 사용된 필라멘트인 PLA가 다른 물질에 비해 수축이 잘 안 되는 특징이 있으나 1㎜ 이하의 얇은 두께를 0° 이하의 추운 날씨에서 출력하게 되면 수축 현상이 발생하므로 3D 프린터가 있는 공간의 온도를 적정 수준으로 높여 출력할 필요가 있다.
- 54 (MAx-Plank-Institute for Neurological Research Cologne)를 통하여 Hoffman 3D brain phantom과 New 3D brain phantom의 시상에 VOI(Volume of Interest)를 설정하여 볼륨을 측정하고 오차율을 계산하였다(Equation 1). VOI는 횡단면상을 기준으로 시상이 나타나는 모든 단면에 VOI를 그려 측정하였다(Fig. 3).
- 6, Varian Medical system, USA)을 이용하여 Phantom을 분석하였다. 그리고 3D Slicer program (SlicerRT 4.4.0)을 이용해 STL(Stereo lithography)로 저장하였다. STL로 저장된 파일은 3D 프린터로 출력하기 위해 Simplify 3D program(ver 4.
- Hoffman 3D brain phantome 18F-FDG를 사용하여 양전자 방출 컴퓨터 단층 촬영을 하여 3차원 이미지를 획득할 수 있다. 산란 감쇠의 양적 및 질적 연구가 가능하며, 회색질과 백색 질에서 4 : 1 섭취 비율을 시뮬레이션한다. 방사성 물질이 정상적으로 존재하지 않는 심실이 존재한다.
- 이러한 문제점을 개선하고자 보급형인 FFF 방식의 3D 프린터로 기존의 Hoffman 3D brain phantom과 동등한 Phantom을 저 비용으로 제작하고 그 유용성을 평가하였다. 제작된 New 3D brain phantom에 방사성동위원소를 주입한 후 양전자 방출 컴퓨터 단층촬영을 하여 뇌실질의 신호강도를 측정한 결과 5개의 영역 모두에서 유의한 차이를 보이지 않았다.
- 그러나 이러한 품질관리용 phantome 뇌의 해부학적 구조를 반영하지 않기에 전 임상 단계에서의 연구나 교육용으로 사용하긴 어려움이 있다[11]. 핵의학 분야에서 사용되는 Hoffman 3D brain phantome 백질과 회백질의 표현뿐만 아니라 뇌실 및 시상 등 뇌의 해부학적 구조를 반영하여 제작되었다. 이러한 Phantome 핵의학 영상시스템의 재구성 알고리즘과 감쇠 지도 모델링, 영상의 SNR 측정 등 다양한 연구를 수행할 수 있다[16, 17].
대상 데이터
- 본 연구에서는 저렴한 가격으로 Phantom을 제작하는 것이 목적이므로 가정용으로 구입 가격이 저렴한 보급형 적층 제조형(Fused Filament Fabrication; FFF) 방식의 3D 프린터인 CR-10S4(Creality, China)를 사용하였으며(Fig. 1), 필라멘트의 재료는 PLA(PolyLactic Acid)를 사용하였다.
데이터처리
- Social Sciences(version 24; Chicago, IL, USA)가 이용되었다. Hoffman 3-D brain phantom과 New brain phantom에서 측정한 신호강도 및 HU의 평균값을 비교하기 위하여 독립표본 t 검정을 하였다.
- 000으로 영가설을 기각하므로 두 집단의 분산은 다르다고 할 수 있다. 그러므로 백색질의 HU의 평균 비교는 Welch-Aspin 검정방법으로 실시하였으며 그 결과는 Table 7과 같다. 유의확률은 0.
이론/모형
- 기존 Hoffman 3D brain phantom을 분석하고 3D 모델링하기 위해 사용된 전산화 단층촬영장치(Computed Tomography; CT, Light speed RT16, General Electric, USA)를 사용하였으며, 만들어진 Brain phantom의 유용성을 평가하기 위하여 양전자 방출 전산화 단층촬영기인 Biograph 6(Siemens Healthcare, Erlangen, Germany)를 사용하였다.
- 자료처리 방법은 통계프로그램 Statistical Package for the Social Sciences(version 24; Chicago, IL, USA)가 이용되었다. Hoffman 3-D brain phantom과 New brain phantom에서 측정한 신호강도 및 HU의 평균값을 비교하기 위하여 독립표본 t 검정을 하였다.
성능/효과
- 측정한 결과는 Table 4와 같다. Hoffman 3-D brain phantom의 전두엽, 두정엽, 측두엽에서 측정한 신호강도가 각각 17963.68 ± 1238.92, 18751.51 ± 1184.28, 20561.93 ± 703.94로 나타나 New 3D brain phantom의 신호강도 보다 높게 측정되었으며, 표준편차도 작게 측정되었다. 반면 New 3D brain phantom의 후두엽과 소뇌에서의 신호강도는 각각 18316.
- CT로 촬영한 영상의 회색질과 백색질에 ROI를 설정하여 HU를 측정하였다. 그 결과 회색질에서는 Hoffman 3D brain phantome –1.53 ± 2.27, New 3-D brain phantom 은 1.57 ± 2.75로 나타났다. 백색질에서는 Hoffman 3D brain phantom과 New 3D brain phantom 각각 69.
- 2%로 나타나 기존의 Hoffman 3-D brain phantom의 재현이 잘 이루어졌다. 그러나 회색질과 백색질에서 측정한 HU는 기존의 Hoffman 3D brain phantom보다 다르게 측정되었으며, 통계적으로도 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p>.05). 이는 Phantom의 재질이 달라 나타나는 현상이며, 다양한 재질의 추가 연구의 필요성이 있음을 보여준다.
- 두 번째, 3D 프린터에 사용된 재질인 PLA는 추운 날씨에 수축 현상이 나타날 수 있으며 아크릴 보다 밀도가 낮다. 인체의 연부조직과는 비슷한 밀도를 보이고 있으나 인체 뼈와는 상당한 차이가 있다.
- 또한, 재현성을 검증하기 위해 시상에 VOI를 설정하여 볼륨을 측정한 결과 그 차이는 348.88 mm3로 오차율이 3.2%로 나타나 기존의 Hoffman 3-D brain phantom의 재현이 잘 이루어졌다. 그러나 회색질과 백색질에서 측정한 HU는 기존의 Hoffman 3D brain phantom보다 다르게 측정되었으며, 통계적으로도 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p>.
- 782로 나타났다. 모든 영역에서 측정한 평균의 유의확률이 0.05보다 커 평균의 차이가 없는 것으로 분석되었다(Table 5).
- 반면 New 3D brain phantom의 재질인 PLA와 Hoffman 3D brain phantom 재질인 아크릴과의 유사성을 보기 위해 회색질과 백색질의 HU를 측정한 결과에서는 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 이는 아크릴보다 PLA가 밀도가 낮으며, FFF 방식의 3D 프린터의 한계점인 표면이 고르게 출력되지 않는 문제점으로 나타난 현상으로 볼 수 있다.
- 75로 나타났다. 백색질에서는 Hoffman 3D brain phantom과 New 3D brain phantom 각각 69.23 ± 4.68, 58.30 ± 11.23으로 나타났다(Table 6).
- 본 연구에서 저렴한 가격의 FFF방식의 3D 프린터로 제작한 New 3-D brain phantom의 핵의학 분야에서의 유용성을 평가하기 위해 신호강도를 측정한 결과 Hoffman 3D brain phantom과의 유의한 차이를 보이지 않았다. 또한, 재현성을 검증하기 위해 시상에 VOI를 설정하여 볼륨을 측정한 결과 그 차이는 348.
- 이는 FFF방식의 3D 프린터 출력물의 표면이 매끈하지 않아 생긴 현상이다. 시상에 VOI를 설정하여 phantom의 주요 구조물의 볼륨 검증한 결과 오차율 3.2% 로 기존의 Hoffman 3D brain phantom의 재현이 잘 이루어진 것을 알 수 있었다.
- 그러므로 백색질의 HU의 평균 비교는 Welch-Aspin 검정방법으로 실시하였으며 그 결과는 Table 7과 같다. 유의확률은 0.000으로서 유의수준 0.05에서 회색질과 백색질의 HU 평균값이 모두 유의한 차이가 있는 것으로 분석되었다(Table 7).
- 이러한 문제점을 개선하고자 보급형인 FFF 방식의 3D 프린터로 기존의 Hoffman 3D brain phantom과 동등한 Phantom을 저 비용으로 제작하고 그 유용성을 평가하였다. 제작된 New 3D brain phantom에 방사성동위원소를 주입한 후 양전자 방출 컴퓨터 단층촬영을 하여 뇌실질의 신호강도를 측정한 결과 5개의 영역 모두에서 유의한 차이를 보이지 않았다. 그러나 전두엽과 두정엽, 측두엽에서 측정한 신호강도의 표준편차에서 New 3D brain phantom이 높게 나왔다.
- 첫 번째, FFF방식의 3D프린터는 표면이 고르지 못하고 정밀도가 떨어져 1 mm 이하의 슬라이스를 표현하는데 어려움이 있었다. 실제 얇은 두께의 슬라이스는 0.
후속연구
- 핵 의학에서 장비의 성능과 소프트웨어를 평가하며, 전 임상단계에서 연구를 수행할 수 있는 Hoffman 3D brain phantome 높은 가격으로 기관에서 구비하기에 어려움이 있었다. 그러나 3D 프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 Phantom 제작이 가능하여 Brain phantom의 보급률이 높아질 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 본 연구가 3D 프린터와 핵의학 및 분자 영상 분야의 기초자료로 활용되고 3D brain phantom의 보급률이 높아지는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
- 그러나 3D 프린터를 이용하여 저렴한 비용으로 Phantom 제작이 가능하여 Brain phantom의 보급률이 높아질 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 본 연구가 3D 프린터와 핵의학 및 분자 영상 분야의 기초자료로 활용되고 3D brain phantom의 보급률이 높아지는데 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
- 위에 언급한 것처럼 FFF 방식의 3D 프린터보다 정교한 방식의 3D 프린터와 다양한 재질을 이용하여 추가적인 연구가 이루어진다면 보다 정밀한 Phantom을 제작할 수 있을 것이다.
- 05). 이는 Phantom의 재질이 달라 나타나는 현상이며, 다양한 재질의 추가 연구의 필요성이 있음을 보여준다. 핵 의학에서 장비의 성능과 소프트웨어를 평가하며, 전 임상단계에서 연구를 수행할 수 있는 Hoffman 3D brain phantome 높은 가격으로 기관에서 구비하기에 어려움이 있었다.
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