[논문]일반영상 검사 시 몬테칼로 시뮬레이션을 이용한 3D 프린팅 차폐기구의 효용성 평가

조용인; 김정훈

doi:10.7742/jksr.2020.14.3.303

일반영상 검사 시 몬테칼로 시뮬레이션을 이용한 3D 프린팅 차폐기구의 효용성 평가
Evaluation of the Effectiveness of 3D Printing Shielding Devices using Monte Carlo Simulation in Plain Radiography 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.14 no.3, 2020년, pp.303 - 311

조용인 (동남권 원자력의학원 영상의학과) , 김정훈 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
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일반영상 검사 시 발생되는 산란선은 검사목적 부위 외 다른 장기 및 조직에 대해 2차적인 피폭을 유발할 수 있다. 현재 방사선 피폭을 저감하기 위해 사용되는 차폐기구는 종사자들의 방사선 방호 목적으로 대부분 사용되며, 환자의 방사선 방호는 거의 이뤄지지 않고 있다. 이에 본 연구에서는 모의실험을 통해 일반 영상 검사 시 산란선에 의한 장기 선량과 3D 프린팅 재료를 통한 방사선 차폐기구로의 효용성을 평가하고자 한다. 그 결과, 검사 시 장기별 흡수선량은 선원과의 거리가 인접하고, 피부표면에 근접한 장기일수록 2차 산란선에 의해 높은 영향을 나타내었다. 이를 방호하기 위한 3D 프린팅 차폐기구 사용에 따른 선량감소효과는 플라스틱 계열에 비해 혼합 프린팅 재료의 경우 더 높은 차폐효과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Scattering-ray generated during plain radiography can cause secondary exposure to organs and tissues other than the target area. Currently, Shielding devices used to reduce radiation exposure are mostly used for radiation protection of workers, and radiation protection of patients is rarely performed. Therefore, this study intends to evaluate the organ dose by scattered-rays and the effectiveness 3D printing materials as a radiation shielding device during plain radiography through simulation. As a result, the absorbed dose for each organ at the time of examination showed a high effect due to the secondary scattering-ray as the distance from the source was close and the organ closer to the skin surface. The dose reduction effect due to the use of 3D printing shielding devices to protect this showed a higher shielding effect in the case of mixed printing materials compared to plastics.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Distribution of 80 & 110 kVp photon spectrum generated by SRS-78 program.
그림 Fig. 2. Simulation model for dose assessment during thoracic and abdominal X-ray examination.
표 Table 1. Information of 3D Printing materials in FDM type
그림 Fig. 3. Simplified simulations of radiation shielding devices during X-ray examination.
그림 Fig. 4. Absorbed dose distribution according to human organs during abdominal and thoracic X-ray examination.
표 Table. 2. Dose reduction effect according to thickness(5∼25 mm) of 3D printing material in abdominal X-ray examination
표 Table. 3. Dose reduction effect according to thickness(5∼25 mm) of 3D printing material in thoracic X-ray examination

AI 본문요약
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문제 정의

두 번째로, 피폭환경 내 3D 프린팅 재료를 이용한 방사선 차폐기구 사용 시 선량감소효과에 대해 산정하고자 하며, 이를 통해 3D 프린팅 기술을 이용한 방사선 차폐기구의 제작 및 활용을 위한 기초자료로서 제시하고자 한다.
본 연구는 모의실험을 통해 의료 방사선 검사 중 복부 · 흉부 X선 검사 시 환자의 인체 장기별 흡수선량을 평가하고, 3D 프린팅 재료를 통한 방사선차폐기구 적용에 따른 선량감소효과에 대해 분석하였다.
본 연구에서는 현재 일반적으로 시행되는 복부 · 흉부 X선 검사 시 발생되는 1차선 및 산란선에 의해 노출되는 장기 선량분포를 평가하고자, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 전산모사를 수행하였다.
이에 본 연구에서는 3D 프린팅 기술 중 범용으로 사용되는 3D 프린터에서 이용 가능한 재료를 통해 방사선 차폐기구로의 효용성을 평가하고자 한다.
이에 본 연구에서는 모의실험을 통해 의료분야 내 일반적으로 시행되는 복부, 흉부 X선 검사 시 환자의 인체 장기에 대한 선량평가를 수행하고, 환자의 피폭선량 최적화를 위해 3D 프린팅 차폐기구 사용에 대한 효용성을 평가하고자 하였다.

제안 방법

3D 프린팅 재료의 종류 및 차폐기구 두께에 따른 선량감소효과를 산정하고자, 프린팅 재료별로 각각의 차폐기구를 구성한 후 두께 변화(5, 10, 10, 20, 25 mm)에 따른 장기별 흡수선량 분포를 획득하였다.
이 프로그램은 X선 관전압(30~150 kVp)의 모사가 가능하며, 다양한 타깃 재질(텅스텐, 몰리브덴, 로듐 등)과 필터(알루미늄, 구리, 철 등)에 따라 X선 스펙트럼의 모사가 가능하다(IPEM 1997).^[7] 본 연구에서는 양극 타깃의 각도, 관전압, 필터에 따른 광자 스펙트럼을 Fig. 1과 같이 획득한 후 선원항(Source specification)으로 지정했다.
MCNPX 코드에서 산출된 결과값은 방사선 입자 1개에 대한 확률값으로, 실제 장기선량을 결정하기 위해서 환산과정이 필요하다.^[8] 이를 위해 X선관 내부에서 발생되는 실제 X선 발생효율 고려하여 계산된 환산 인자(Normalization factor)를 보정하여 장기별 흡수선량(mGy)으로 환산했다. 모의실험에 대한 신뢰성 확보를 위해 반복횟수(nps)는 10⁸번 이상 추정하였고, 통계적 불확도(uncertainty)는 3% 이내로 평가되었다.
검사 시 1차선 및 산란선에 의한 인체 장기별 선량 평가를 위해 대뇌(Brain), 눈(Eye), 갑상선(Thyroid), 유방(Breast), 폐(Lung), 위(Stomach), 간(Liver), 식(Esophagus), 콩팥(Kidney), 타액선(Salivary gland), 이자(Pancreas), 전립선(Prostate), 자궁/경부(Uterus/Cervix), 생식선(Gonad; testis, ovary)에 대해 관심지점(tally)를 지정하였고, Tally specifi- cation card는 f6 tally를 이용하여 지정한 장기의 단위 질량당 축척된 에너지(MeV/g) 분포를 획득했다.
검사 시 장기에 대한 흡수선량 평가를 위해 과거 ORNL(Oakridge national laboratory)에서 개발한 MIRD형 인체혼성팬텀(UF-revised phantom)을 사용하여 환자를 모사했다.
다음은 실험에 대한 모델링으로 복부검사의 경우, SID(source to image-receptor distance)는 팬텀 전면부로부터 100 cm 거리에 설정하였고, 전후(AP)방향으로 40 x 40 cm 크기의 복부 조사야(field size)를 고려하여 방사형으로 X선을 조사했다. 두 번째로, 흉부검사의 경우, Fig.
다음은 실험에 대한 모델링으로 복부검사의 경우, SID(source to image-receptor distance)는 팬텀 전면부로부터 100 cm 거리에 설정하였고, 전후(AP)방향으로 40 x 40 cm 크기의 복부 조사야(field size)를 고려하여 방사형으로 X선을 조사했다. 두 번째로, 흉부검사의 경우, Fig. 2와 같이 팬텀 후면부로부터 약 180 cm 거리(SID : 180 cm)에 선원발생지점을 설정한 후, 후전(PA)방향으로 40 x 40 cm 크기의 흉부 조사야를 고려하여 방사형으로 X선을 조사했다.
모의실험을 통해 식약처에서 제시하는 표준촬영조건을 적용하여 검사 시 발생되는 1차선 및 2차 산란선에 기인한 인체 장기별 흡수선량에 대해서 사전적으로 평가한 후 3D 프린팅 재료의 종류 및 두께에 따른 차폐분석을 수행하였다.
앞선 실험에서 평가한 복부 · 흉부 X선 검사 시 발생하는 1차선 및 산란선에 의한 인체 내 장기 흡수선량을 저감하기 위해 3D 프린팅 기술 중 FDM(Fused Deposition Model) 방식의 원료에 대해 사전 조사했다.
영상 검사에 대한 촬영조건은 영상의학 검사에서의 표준촬영기법에서 제시하고 있는 표준촬영조건(Abdomen : 80 kVp, 20 mAs, 2.0 mmAl filter / Chest : 110 kVp, 8 mAs, 2.5 mmAl filter)을 참조하였으며,[6] 1차선에 의한 주변 장기선량의 영향평가를 위해 그리드(grid)에 대한 것은 베제하였다.
이를 위해, 첫 번째, 몬테카를로 기법을 이용한 모의실험을 통해 영상의학 검사 중 흉 · 복부 X선 검사에 대한 피폭환경에 모사하고, 검사 시 발생되는 인체 장기별 흡수선량을 평가하고자 한다.
차폐기구 미사용 시 평가한 장기별 흡수선량 분포를 기준으로 각 차폐원료 및 두께별 선량 감소효과(%)를 산정하여 비교 분석하였다.
현재 범용으로 사용되는 FDM 방식의 3D 프린팅 재료를 대상으로 한 방사선 차폐기구의 선량감소 효과를 평가하고자 모사한 차폐기구의 재료 및 두께(5, 10, 15, 20, 25 mm)에 따른 각 장기별 흡수선량을 산정한 후 차폐기구 미사용 시 흡수선량을 기준으로 각 장기별 선량감소효과(%)를 산정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 X선 검사 시 가장 일반적으로 시행되고 있는 복부 전후방향(Abdomen AP), 흉부 후전방향(Chest PA)검사를 선정하였다. 검사 시 장기에 대한 흡수선량 평가를 위해 과거 ORNL(Oakridge national laboratory)에서 개발한 MIRD형 인체혼성팬텀(UF-revised phantom)을 사용하여 환자를 모사했다.

이론/모형

검사 시 발생되는 X선은 IPEM(Institute of Physics and Engineering in Medicine)에서 제공하는 스펙트럼 생성 프로그램인 SRS-78을 사용하였다.

성능/효과

그 결과, 복부 검사 시, Fig. 4와 같이 검사 부위에 포함되는 장기인 정소의 경우 5.91 mGy, 위 4.17 mGy, 간 3.16 mGy, 전립선 3.41 mGy, 난소 2.62 mGy로 팬텀 내 상대적으로 피부표면에 가장 근접한 정소가 가장 높은 선량분포를 보였고, 그 외 주변장기의 경우 유방 3.93 mGy, 폐 2.44 mGy, 눈 3.28 mGy, 갑상선 2.68 mGy로 평가되었다.
두 번째로, FDM 방식의 3D 프린터에서 사용 가능한 재료별로 인체 장기에 따른 선량감소효과 분석을 통해 플라스틱 계열(PLA, ABS, TPU, Nylon, PVA)의 경우 저 원자번호 구성 물질과 낮은 비중으로 미미한 차폐효과를 나타내었으며, PLA, ABS 금속혼합물의 경우, 구성물의 높은 실효원자번호와 상대적으로 높은 비중으로 유효한 차폐효과를 나타낸 것으로 분석된다.
두 번째로, 흉부 검사 시 플라스틱 계열(PLA, ABS, Nylon, PVA, TPU)의 경우, Table 3과 같이 두께 증가에 따라 유방에서 최소 5.5~최대 37.8%, 정소 -0.4~30.2%, 폐 4.5~23.7%, 갑상선 5.0~20.4%, 눈 -2.9~28.6%, 난소 -2.9~-0.2%로 최대 40% 이내 낮은 선량감소효과를 보였다.
위 결과에 따라 흉부검사는 상대적으로 복부 검사에 비해 장기별 흡수선량은 전반적으로 낮은 수치를 보였으며, 이는 흉부 검사 시 높은 관전압의 사용과 원거리 촬영으로 인해 연속 X선의 저 에너지 광자의 감쇠를 통한 평균에너지의 증가현상에 기인한 것으로 보인다.
이에 반해 흉부 검사 시 장기별 흡수선량 평가 결과, Fig. 4와 같이 검사 부위에 포함되는 폐의 경우, 0.32 mGy, 식도 0.18 mGy, 유방 0.06 mGy로 폐가 가장 높은 선량분포를 보였다. 그 외 주변장기의 경우 콩팥 0.
이처럼 모의실험을 이용한 방법을 통해 평가한 결과 유사한 경향을 보였으며, 이는 간접적으로 인체 장기 선량평가를 위해 유용한 도구로서 사용될 수 있을 것으로 생각된다.
이처럼 복부 검사 시 ABS+W을 이용한 차폐기구 사용 시, 검사 부위를 제외한 유방의 경우 76.5~91.1%, 갑상선 49.9~60.7%, 대뇌 20.6~31.5%, 눈 37.2~42.0 %으로 가장 높은 선량감소효과를 나타낸 것으로 분석되었다.
이처럼 흉부 검사 시 PLA+Stainless steel를 이용한 차폐기구 사용 시 검사부위를 제외한 대뇌의 경우 59.5~85.0%, 눈의 경우 36.5~66.8%, 갑상선 32.3~53.3%, 정소 45.6~72.5%의 선량감소효과를 나타내어 가장 높은 결과를 보였다.
첫 번째로, 복부 촬영 시 1차선 및 산란선에 의한 인체장기의 흡수선량은 선원과의 거리가 인접하고, 피부표면에 근접한 장기일수록 산란선 영향이 높은 것으로 생각된다.
첫 번째로, 복부검사 시 Table 2와 같이 플라스틱 계열(PLA, ABS, Nylon, PVA, TPU)의 경우, 두께 증가에 따라 유방에서 최소 5.2~최대 27.4%, 정소 3.9~23.7%, 폐 4.4~20.0%, 갑상선 4.2~18.7%, 눈 3.7~8.0%, 난소 2.4~5.8%로 최대 30% 이하의 낮은 효과를 나타내었다.
플라스틱 계열 내 차폐효과는 Nylon과 PVA가 상대적으로 높은 차폐효과를 보였고, PLA, TPU, ABS 순서로 차폐효과가 떨어지는 양상을 나타내었다.
플라스틱 계열 내 차폐효과는 복부검사와 유사한 경향을 보였으며, Nylon, PVA, PLA, ABS, TPU 순서로 차폐효과가 감소되는 양상을 나타내었다.
혼합재료 내 차폐효과는 ABS+W, PLA+Stainless steel, ABS+Bi의 경우 가장 높은 차폐효과를 나타내었으며, 그 외 재질의 경우, PLA+Cu, PLA+Fe, PLA+Al 순서로 차폐효과가 낮아지는 경향을 보였다.

후속연구

이처럼 의료 방사선 검사 시 적극적인 방사선 방호는 잠재적인 암 발생확률을 저하시키고, 환자의 의료 피폭 최적화에 도움 될 것으로 사료된다. 나아가 의료기관 내 종사자들로 하여금 방사선 피폭에 대한 정기적인 교육과 피폭선량 저감화를 위한 노력을 하는 등 피검자의 방호측면에 대해서도 지속적인 관심을 기울여야 할 것으로 판단된다.
또한 제작된 3D 프린팅 차폐기구를 실제 임상적으로 환자에게 적용하기 위해서는 사용 시 거부감이 없어야 하고, 인체에 적합한 형태의 차폐기구 제작을 위한 3D CAD 기반의 모델링에 대해서도 논의가 필요할 것으로 사료된다.
이에 본 연구에서는 3D 프린팅 기술을 통한 방사선 차폐기구로서의 적용 가능성을 평가하고자 하였으며, 범용으로 활용되고 있는 FDM 방식의 3D 프린팅 재료를 이용한 차폐기구 제작 시, 혼합원료의 사용을 통해 환자의 피폭선량 최적화에 도움 될 수 있을 것으로 사료된다.
추후 의료분야로의 활용을 위해서는 진단 X선 검사 이외 다양한 영상의학 검사 시 적용성 평가에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다.
추후 환자의 의료피폭의 최적화를 위한 3D 프린팅 방사선 차폐기구의 제작 및 적용을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

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저자의 다른 논문 :

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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