[논문]유방 X선 검사 시 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 3D 프린팅 차폐재료의 효용성 평가

조용인

doi:10.7742/jksr.2020.14.3.295

유방 X선 검사 시 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 3D 프린팅 차폐재료의 효용성 평가
Evaluation of the Usefulness of 3D Printed Shielding Materials Using Monte Carlo Simulation during Mammography 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.14 no.3, 2020년, pp.295 - 301

조용인 (동남권 원자력의학원 영상의학과)

초록
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유방암의 조기 검진를 위해 시행되는 유방 X선 검사 시 노출되는 방사선 피폭은 과거 발암의 원인으로도 제기되었으며, 검사 시 발생되는 산란선은 주변 장기에 불필요한 방사선 피폭을 유발할 수 있다. 이에 본 연구에서는 몬테카를로 방법을 통해 일반적인 유방 X선 검사 시 노출되는 인체 장기 선량을 평가하고, 산란선에 의한 방사선 방호를 위한 3D 프린팅 재료 사용 시 장기별 선량감소효과에 대해 산정하였다. 장기별 선량평가 결과, 유방 상하방향 검사 시 검사 반대측 유방은 검사측 유방의 약 22.0%, 눈의 경우 약 58.6%으로 산란선에 의해 높은 영향을 보였다. 이를 방호하기 위한 3D 프린팅 차폐기구 사용 시 검사 반대측 유방의 경우, 1 mm 이상의 두께에서 유효한 선량감소효과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Radiation exposure exposed during mammography, which is performed for early examination of breast cancer, has also been suggested as a cause of carcinogenesis in the past, and scattered rays generated during examination may cause unnecessary radiation exposure to surrounding organs. In this study, the Monte Carlo simulation was used to evaluate the human organ doses exposed during conventional mammography, and to estimate the dose reduction effect for each organ when using 3D printing materials for radiation protection by scattered rays. As a result of organ dose evaluation, the breast on the opposite side of the examination was about 22.0% of the breast on the test side and about 58.6% on the eye, which was highly influenced by the scattering-ray. When using the 3D printing shield to protect it, the breast on the opposite side of the test showed an effective dose reduction effect at a thickness of 1 mm.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. Distribution of 28 kVp photon spectra generated by SRS-78 program.
그림 Fig. 2. Simulation model for dose assessment during Lt. breast cranio-caudal(CC) examination.
표 Table 1. Information of FDM 3D printing materials
그림 Fig 3. Absorbed dose distribution according to human organs during cranio-caudal(CC) projection examination.
그림 Fig 4. Dose reduction effect of right breast dose by using 3D printing shield.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 모의실험을 통해 의료분야 내 일반적으로 시행되는 유방 X선 검사 시 환자의 인체 장기별 흡수선량을 평가하고, 3D 프린팅 재료를 이용한 유방 차폐기구 사용에 따른 선량감소효과에 대해 분석하였다. 검사 반대 측 유방의 경우, 플라스틱 계열의 프린팅 재료의 경우 약 5 mm 이상, 혼합재질의 경우 1 mm 이상의 두께 사용 시 유효한 차폐효 과를 나타낸다는 것을 확인하였다.
앞서 평가한 유방 상하방향 검사 시 발생하는 1 차선 및 산란선에 의한 인체 장기선량을 저감하기 위해, 범용으로 사용되는 FDM 3D 프린팅 재료에 대한 적용성을 평가하고자 하였다.
첫 번째로, 일반적으로 시행되는 유방 상하방향 검사 시 검사 부위를 포함한 주변 장기에 대한 흡수선량을 평가하고, 두 번째로, 검사 시 발생되는 2차적인 산란선에 의한 주변 장기선량 저감화를 위해 3D 프린팅 차폐재료 사용 시 장기별 선량감소효과를 산정하고자 한다. 이를 통해 유방 X선 검사 시 3D 프린팅 차폐기구의 제작 및 활용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
, 3D CAD 모델링을 통해 원하는 형태의 제작물의 출력이 가능한 장점이 있다. 이에 본 연구에서는 유방 X선 검사 시 3D 프린팅 기술을 이용한 환자 맞춤형 방사선 차폐기구의 제작 및 적용 가능성을 평가하기 위해 몬테카를로 기법을 이용한 전산모사를 수행하고자 한다. 첫 번째로, 일반적으로 시행되는 유방 상하방향 검사 시 검사 부위를 포함한 주변 장기에 대한 흡수선량을 평가하고, 두 번째로, 검사 시 발생되는 2차적인 산란선에 의한 주변 장기선량 저감화를 위해 3D 프린팅 차폐재료 사용 시 장기별 선량감소효과를 산정하고자 한다.
현재 FDM 방식의 3D 프린터에서 제작 가능한 여러 가지 재료를 대상으로 유방 X선 검사 시 반대 측 유방 및 주변 장기에 대한 방사선 차폐효과에 대해 평가하고자 모의실험을 수행하였다. 모사한 유방 차폐기구의 프린팅 재료 및 두께(1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25 mm)에 따른 각 장기별 흡수선량을 산정한 후 차폐기구 미사용 시 흡수선량을 기준으로 각 장기별 선량감소효과(%)를 산정하였다.

제안 방법

검사 시 1차선 및 산란선에 의한 인체 장기 선량평가를 위해 좌 · 우측 유방(Breast), 좌 · 우측 폐 (Lung), 심벽(Heart wall), 갑상선(Thyroid), 식도 (Esophagus), 난소(ovaries), 눈(Eyes)에 대해 관심지점(tally)을 지정하였고, Tally specification card는 f6 tally를 이용하여 선정된 장기의 단위 질량당 축척된 에너지 분포(MeV/g)를 획득했다. MCNPX 코드 에서 산출된 결과값 환산을 위해 계산된 환산인자를 보정하여 장기별 흡수선량(mGy)으로 환산했다. 모의실험에 대한 신뢰성 확보를 위해 반복횟수 (nps)는 10⁸ 번 이상 추정하였고, 통계적 불확도 (uncertainty)는 3% 이내로 평가되었다.
검사 시 1차선 및 산란선에 의한 인체 장기 선량평가를 위해 좌 · 우측 유방(Breast), 좌 · 우측 폐 (Lung), 심벽(Heart wall), 갑상선(Thyroid), 식도 (Esophagus), 난소(ovaries), 눈(Eyes)에 대해 관심지점(tally)을 지정하였고, Tally specification card는 f6 tally를 이용하여 선정된 장기의 단위 질량당 축척된 에너지 분포(MeV/g)를 획득했다.
다음은 실험에 대한 모델링으로 유방 상하방향 검사에 대한 기하학적 모사를 위해 현재 임상적으로 사용되는 유방 촬영장치(HOLOGIC DR Mammography)를 참조하였다. 먼저 MIRD 팬텀의 유방 아랫부분에 검출기를 포함한 지지대를 구성하였고, 윗부분에는 압박대(H 5.566%, C 79.25%, O 15.09%, density : 1.2 g/cm³ )를 모사했다. 상하방향촬영을 위해 선원은 유방으로부터 높이 60.
현재 FDM 방식의 3D 프린터에서 제작 가능한 여러 가지 재료를 대상으로 유방 X선 검사 시 반대 측 유방 및 주변 장기에 대한 방사선 차폐효과에 대해 평가하고자 모의실험을 수행하였다. 모사한 유방 차폐기구의 프린팅 재료 및 두께(1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 25 mm)에 따른 각 장기별 흡수선량을 산정한 후 차폐기구 미사용 시 흡수선량을 기준으로 각 장기별 선량감소효과(%)를 산정하였다.
2 g/cm³ )를 모사했다. 상하방향촬영을 위해 선원은 유방으로부터 높이 60.5 cm(SID : 60.5 cm)로 설정하였고, 유방 부위를 포함하는 조사야 (Field size)를 고려하여 Fig. 2-(a)와 같이 방사형으로 X-ray를 조사했다.
이를 통해 유방 X선 검사 조건에 맞는 광자 스펙트럼을 Fig. 1과 같이 획득한 후 선원항(Source specification)으로 지정했다.
Breast)을 덮는 구의 형태로 구성하였으며, 3D 프린팅 재료 및 두께에 따른 선량감소효과를 평가하고자, 프린팅 재료별로 각각의 유방 차폐기구를 구성한 후 두께를 1, 2, 3, 4, 5, 10, 10, 20, 25 mm 까지 증가시켜 주위 장기별 흡수선량 분포를 획득하였다. 차폐기구 미사용 시 평가한 장기별 흡수선량 분포를 기준으로 3D 프린팅 재료 및 두께별 선량감소효과(%)를 산정하였다.
차폐기구에 대한 모델링은 Fig. 2-(b)와 같이 검사부위(Lt. breast) 반대 측 유방(Rt. Breast)을 덮는 구의 형태로 구성하였으며, 3D 프린팅 재료 및 두께에 따른 선량감소효과를 평가하고자, 프린팅 재료별로 각각의 유방 차폐기구를 구성한 후 두께를 1, 2, 3, 4, 5, 10, 10, 20, 25 mm 까지 증가시켜 주위 장기별 흡수선량 분포를 획득하였다. 차폐기구 미사용 시 평가한 장기별 흡수선량 분포를 기준으로 3D 프린팅 재료 및 두께별 선량감소효과(%)를 산정하였다.
이에 본 연구에서는 유방 X선 검사 시 3D 프린팅 기술을 이용한 환자 맞춤형 방사선 차폐기구의 제작 및 적용 가능성을 평가하기 위해 몬테카를로 기법을 이용한 전산모사를 수행하고자 한다. 첫 번째로, 일반적으로 시행되는 유방 상하방향 검사 시 검사 부위를 포함한 주변 장기에 대한 흡수선량을 평가하고, 두 번째로, 검사 시 발생되는 2차적인 산란선에 의한 주변 장기선량 저감화를 위해 3D 프린팅 차폐재료 사용 시 장기별 선량감소효과를 산정하고자 한다. 이를 통해 유방 X선 검사 시 3D 프린팅 차폐기구의 제작 및 활용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
현재 일반적으로 시행되는 유방 상하방향 검사 시 발생되는 1차선 및 산란선에 의해 노출되는 검사 목적 장기를 포함한 주변 장기에 대한 선량분포를 평가하고자 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 전산모사를 수행하였다. 그 결과, 좌측 유방 검사 시 장기별 흡수선량 평가 결과, Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 유방검사 시 일반적으로 시행되고 있는 상하방향 검사(Cranio-Caudal, CC)을 선정 하였다. 인체 장기에 대한 흡수선량 평가를 위해 과거 ORNL(Oak ridge national laboratory)에서 개발한 UF-revised MIRD형 혼성팬텀을 사용하여 환자를 모사했다.
본 연구에서는 유방검사 시 일반적으로 시행되고 있는 상하방향 검사(Cranio-Caudal, CC)을 선정 하였다. 인체 장기에 대한 흡수선량 평가를 위해 과거 ORNL(Oak ridge national laboratory)에서 개발한 UF-revised MIRD형 혼성팬텀을 사용하여 환자를 모사했다. 유방검사 시 촬영조건은 식품의약품안전처에서 발간한 “유방 X선 검사에서의 환자선량 권고량 가이드라인”에 근거하여 임상에서 일반적으로 사용하는 촬영조건(28 kVp, 63 mAs)과 실제촬영에 적용되는 target-filter 조합 중 Mo target(13°)/ Mo filter (0.

이론/모형

다음은 실험에 대한 모델링으로 유방 상하방향 검사에 대한 기하학적 모사를 위해 현재 임상적으로 사용되는 유방 촬영장치(HOLOGIC DR Mammography)를 참조하였다. 먼저 MIRD 팬텀의 유방 아랫부분에 검출기를 포함한 지지대를 구성하였고, 윗부분에는 압박대(H 5.
유방 X선 검사 시 발생하는 1차선 및 산란선에 의해 노출되는 인체장기에 대한 선량평가를 수행 하고자, 몬테카를로 방법 중 LANL(Los Alamos national laboratory)에서 개발한 MCNPX(Monte Carlo N-Particle eXtened, ver 2.5.0) 프로그램을 사용하였다.
유방검사 시 촬영조건은 식품의약품안전처에서 발간한 “유방 X선 검사에서의 환자선량 권고량 가이드라인”에 근거하여 임상에서 일반적으로 사용하는 촬영조건(28 kVp, 63 mAs)과 실제촬영에 적용되는 target-filter 조합 중 Mo target(13°)/ Mo filter (0.03 mm)을 참조하였으며, IPEM(Institute of Physics and Engineering in Medicine, York, United Kingdom)에서 제공하는 X선 스펙트럼 생성 프로그램인 SRS-78을 사용하였다.

성능/효과

본 연구는 모의실험을 통해 의료분야 내 일반적으로 시행되는 유방 X선 검사 시 환자의 인체 장기별 흡수선량을 평가하고, 3D 프린팅 재료를 이용한 유방 차폐기구 사용에 따른 선량감소효과에 대해 분석하였다. 검사 반대 측 유방의 경우, 플라스틱 계열의 프린팅 재료의 경우 약 5 mm 이상, 혼합재질의 경우 1 mm 이상의 두께 사용 시 유효한 차폐효 과를 나타낸다는 것을 확인하였다. 또한 눈의 경우, X선 발생지점과 근접해 있는 특성상 수정체에 대한 방사선 방호를 위해 추가적인 방사선 차폐방안이 필요할 것으로 사료된다.
현재 일반적으로 시행되는 유방 상하방향 검사 시 발생되는 1차선 및 산란선에 의해 노출되는 검사 목적 장기를 포함한 주변 장기에 대한 선량분포를 평가하고자 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 전산모사를 수행하였다. 그 결과, 좌측 유방 검사 시 장기별 흡수선량 평가 결과, Fig. 3와 같이 검사목적부위인 좌측 유방의 경우, 1.3026 mGy으로 가장 높은 선량을 나타내었고, 우측 유방은 0.2872 mGy으로 검사 측 유방 선량의 약 22.0% 정도의 흡수선량을 나타내었으며, 검사부위에 인접한 좌측폐의 경우, 0.0292 mGy, 우측 폐는 0.0003 mGy으로 측정되었고, 그 외 장기의 경우 좌우 눈의 경우 0.7639 mGy으로 X선 발생지점과의 거리가 인접한 이유로 검사 측 유방의 흡수선량의 약 58.6%의 흡수선량을 보였다.
그 외 기관별 선량은 타액선 0.0038 mGy, 갑상선 0.0033 mGy, 심벽은 0.0006 mGy, 식도 0.0002 mGy, 난소는 검사 시 산란선의 영향이 거의 나타내지 않는 것으로 평가되었다.
다음은 유방 X선 검사 시 좌, 우측 폐의 흡수선량 평가 결과, 좌측 폐의 경우, 검사 부위와 인접하여 낮은 두께에서는 오히려 선량이 반대로 증가하는 경향을 보였으며, 프린팅 재료에 따라 다소 불규칙한 결과를 나타내었다. 반대로 우측 폐의 경우, 차폐기구를 사용하지 않는 경우에도 0에 근접한 흡수선량을 나타내어 차폐기구 사용 시에도 큰 선량변화를 나타내지 않았다.
본 연구에서는 유방촬영 시 2차적으로 발생된 산란선에 의한 주변 장기의 흡수선량 분석을 통해 X선 발생지점에 근접한 눈과 검사 부위에 근접한 반대 측 유방의 경우, 산란선에 영향이 가장 높은 것으로 분석되었다. 이러한 산란선 방호를 위해 3D 프린팅 차폐기구 사용에 따른 선량감소효과는 검사부위에 인접한 우측 유방의 경우, 검사 측의 유방에 의해 발생된 산란선의 영향이 3D 프린팅 재료와의 상호작용을 통해 대부분 차폐가 이루어져 유효한 선량감소효과를 나타낸 것으로 생각되며, 우측 폐의 경우 산란선의 영향이 피부 근처에서 폐지점까지 도달하지 못해 거의 0에 근접한 선량을 나타낸 것으로 분석된다.
이는 시뮬레이션에 있어서 X선 발생에 기여하는 물리적 요인들의 차이에 의한 것으로 생각된다. 본연구의 결과를 통해 일반적으로 시행되는 유방촬영 횟수를 고려하여 한쪽 유방에 2번 이상 검사를 한다고 가정하더라도 규정 선량수준을 초과하지 않는 것을 확인하였다. 또한 박 등^[11] 의 연구에서는 유방의 유선조직의 증가에 따라 저에너지의 광자의 흡수가 증가하여 평균 유선선량도 증가한다고 보고하였다.
0002 mGy, 난소는 검사 시 산란선의 영향이 거의 나타내지 않는 것으로 평가되었다. 위 결과에 따라 유방 상하 방향 검사 시 1차선 및 산란선의 영향은 선원발생지점에 근접한 눈의 경우 가장 높은 영향을 나타내었고, 그 다음은 검사 반대 측 유방, 검사 측 폐의 순서로 높은 영향을 보이는 것으로 평가되었다.
이에 비해 검사 반대 측인 우측 유방의 경우에는, 플라스틱 계열(PLA, ABS, Nylon, PVA, TPU)의 프린팅 재료를 이용한 차폐기구 사용 시 Fig. 4와 같이 두께 증가에 따라 최소 -11.11 ~ 최대 77.34 %의 효과를 나타내었으며, 5 mm 이하의 낮은 차폐두께 에서 오히려 3D 프린팅 재료와의 상호작용으로 발생된 산란선으로 인해 오히려 선량이 증가하는 결과를 보였으나, 이후 증가된 두께에서는 점차 선량이 감소되는 양상을 나타내었다. 이에 비해 혼합원료(PLA + Al, Cu, Fe, Stainless steel)의 경우 최소 33.
34 %의 효과를 나타내었으며, 5 mm 이하의 낮은 차폐두께 에서 오히려 3D 프린팅 재료와의 상호작용으로 발생된 산란선으로 인해 오히려 선량이 증가하는 결과를 보였으나, 이후 증가된 두께에서는 점차 선량이 감소되는 양상을 나타내었다. 이에 비해 혼합원료(PLA + Al, Cu, Fe, Stainless steel)의 경우 최소 33.86 ~ 최대 100.0 %에 근접한 선량감소효과를 나타내었으며, PLA+ Al 재질을 제외하고 1 mm 차폐 두께에서도 약 90% 이상의 선량감소효과를 나타내어, 산란선에 의한 검사 반대 측 유방선량 저감에 유효한 것으로 평가되었다.

후속연구

추후 유방 두께에 따른 산란선 영향에 대한 추가적인 분석 또한 필요할 것으로 사료된다.
과거 홍 등의 연구^[12] 에 의하면 유방촬영 시 Al face block 사용 시 60～65%의 갑상선의 피폭선량이 감소한다고 보고하고 있으며, 추후 모의실험을 통해 눈과 갑상선에 대한 방호를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 구 등의 연구^[13] 에서는 측정을 통해 유방촬영 시 방사선 방호 앞치마(Apron)를 변형한 검사 부위 외 산란선 차폐 효과에 대해 제시하고 있으며, 이처럼 산란선 방호를 위한 차폐기구의 사용은 불필요한 피폭선량 저감화에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
검사 반대 측 유방의 경우, 플라스틱 계열의 프린팅 재료의 경우 약 5 mm 이상, 혼합재질의 경우 1 mm 이상의 두께 사용 시 유효한 차폐효 과를 나타낸다는 것을 확인하였다. 또한 눈의 경우, X선 발생지점과 근접해 있는 특성상 수정체에 대한 방사선 방호를 위해 추가적인 방사선 차폐방안이 필요할 것으로 사료된다. 이에 따라 각 의료기관별로 진단참고준위에 근거한 적절한 프로토콜의사용뿐만 아니라 차폐기구 사용을 통한 적극적인 방사선 방호를 통해 피검자의 의료피폭을 최적화하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
또한 구 등의 연구^[13] 에서는 측정을 통해 유방촬영 시 방사선 방호 앞치마(Apron)를 변형한 검사 부위 외 산란선 차폐 효과에 대해 제시하고 있으며, 이처럼 산란선 방호를 위한 차폐기구의 사용은 불필요한 피폭선량 저감화에 기여할 수 있을 것으로 사료된다. 본 연구의 한 가지 제한점으로는 몬테카를로 모사 환경 내 유방촬영 시 팬텀의 유방 압박에 대한 부분을 고려하지 못한 점으로 실제 압박된 유방에 비해서 산란선의 영향이 보수적으로 평가된 것으로 생각된다. 추후 유방 두께에 따른 산란선 영향에 대한 추가적인 분석 또한 필요할 것으로 사료된다.
또한 눈의 경우, X선 발생지점과 근접해 있는 특성상 수정체에 대한 방사선 방호를 위해 추가적인 방사선 차폐방안이 필요할 것으로 사료된다. 이에 따라 각 의료기관별로 진단참고준위에 근거한 적절한 프로토콜의사용뿐만 아니라 차폐기구 사용을 통한 적극적인 방사선 방호를 통해 피검자의 의료피폭을 최적화하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
향후 본 연구를 기초자료로 하여 3D 프린팅 기술을 통해 환자의 유방에 적합한 개인 맞춤형 차폐 기구를 제작한다면 검사 시 환자들의 방사선 피폭에 대한 인식 개선 및 불안감 해소에 도움 될 것으로 판단된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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