[논문]자동노출제어장치 평가를 위한 3D 프린팅 기반의 자체 제작 팬텀의 유용성 평가

이기백; 남기창; 김호철

doi:10.9718/jber.2020.41.4.147

자동노출제어장치 평가를 위한 3D 프린팅 기반의 자체 제작 팬텀의 유용성 평가
The Usability Assessment of Self-developed Phantom for Evaluating Automatic Exposure Control System Using Three-Dimensions Printing 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.41 no.4, 2020년, pp.147 - 153

이기백 (서울아산병원 영상의학팀) , 남기창 (동국대학교 의과대학 의공학교실) , 김호철 (을지대학교 보건과학대학 방사선학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study was to evaluate the usability of self-developed phantom for evaluating automatic exposure control (AEC) using three-dimensions (3D) printer. 3D printer of fused deposition modeling (FDM) type was utilized to make the self-developed AEC phantom and image acquisitions were conducted by two different type of scanners. The self-developed AEC phantom consisted of four different size of portions. As a result, two types of phantom (pyramid and pentagon shape) were created according to the combination of the layers. For evaluating the radiation dose with the two types of phantom, the values of tube current, computed tomography dose index volume (CTDIvol), and dose length product (DLP) were compared. As a result, it was confirmed that the values of tube current were properly reflected according to the thickness, and the CTDIvol and DLP were not significantly changed regardless of AEC functions of different scanners. In conclusion, the self-developed phantom by using 3D printer could assess whether the AEC function works well. So, we confirmed the possibility that a self-made phantom could replace the commercially expensive AEC performance evaluation phantom.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. TEVO Tornado 3D 프린터 Fig. 1. TEVO Tornado 3D Printer
그림 그림 2. 팬텀 제작의 4단계 (모델링, 분할, 출력, 조립) Fig. 2. Four steps of phantom production (Modelling, Segmentation, Printing, Assembling)
표 표 1. 자체제작 팬텀의 치수 Table 1. The specific dimension of the self-developed AEC phantom (unit: mm)
그림 그림 3. 두 가지 형태의 팬텀 모형 (a) 피라미드형 (b) 펜타곤형 Fig. 3. Two types of self-developed phantom (a) Pyramid shape (b) Pentagon shape
표 표 2. 영상 획득 파라메터 Table 2. Scan and image acquisition parameters
그림 그림 4. 피라미드형 팬텀과 두 가지 AEC 기능을 이용한 관전류 변화. Fig. 4. The graph of tube current (mA) with the two different AEC function by using the pyramid shape self-developed phantom.
표 표 3. 피라미드형과 펜타곤형 팬텀을 이용한 관전류 결과 수치 Table 3. The results of tube current (mA) with the two different AEC function by using the pyramid and pentagon shape phantom
그림 그림 5. 펜타곤형 팬텀과 두 가지 AEC 기능을 이용한 관전류 변화. Fig. 5. The graph of tube current (mA) with the two different AEC function by using the pentagon shape self-developed phantom.

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

특히, 3D 프린팅을 이용하여 팬텀 제작에 관하여 이미 과거에 우리나라의 CT 정도관리 시 쓰이는 AAPM (American Association Physicists in Medicine) 표준 팬텀을 기존보다 더 저렴한 비용으로 개발한 전례를 들어[16], AEC 팬텀 제작도 가능할 것이라 판단이 되어 본 연구를 진행하게 되었다. 따라서 본 연구의 목적은 CT의 정도관리를 위해 3D 프린터를 이용하여 원뿔형태의 AEC 팬텀을 자체 제작 및 평가하여 임상에서의 활용 가능성을 알아보고자 하였다.

제안 방법

팬텀을 이용한 AEC 기능의 평가를 위해 사용된 CT 장비는 128 slice의 다절편 전산화단층촬영장치(Multi-Detector CT, MDCT)인 SOMATOM Definition Edge(Siemens healthineer, Erlangen, Germany)와 Discovery 750HD(GE Healthcare, Waukesha, USA) 장비였다. 검사방법은 나선형 스캔을 하였으며, SOMATOM Definition Edge 장비는 자사의 AEC 기능인 Caredose 4D(X-Y-Z축 조절)를 이용하였고, GE사 장비도 X, Y, Z축의 선량을 모두 함께 조절하기 위해 Auto mA(Z축 선량조절)와 Smart mA(X-Y축 선량조절)의 AEC 기능을 함께 적용시켰다. 그 외의 스캔 파라메터들은 두 장비 모두 동일하게 적용하였다(Table 2).
먼저, 각 단면에 들어간 관전류(Tube current) 수치를 측정 평가하였는데, 총 4개의 팬텀의 각 단면의 수치의 평균 값을 비교하였으며 전체적인 그래프 패턴도 확인하였다. 그리고 장비사에서 제공되는 Dose Report의 CT 선량값인 CTDIvol(CT Dose Index Volume)과 DLP(Dose Length Product) 값으로 전체 조합하여 구성한 피라미드형과 펜타곤형 팬텀의 평균 선량 수치를 비교하였다.
기존의 AEC 팬텀은 총 11개의 일정한 두께 차이를 가진 원형의 부속품들이 순차적으로 결합되어 있는데 본 연구에서는 크게 4개의 두께 차이로 구분하였다. 또한, 기존 팬텀 모양은 원형이지만, 본 연구에서는 환자의 단면을 더 정밀하게 고려해 Y축보다 X축이 더 넓게 한 타원의 형태(X, Y, Z축은 3차원적으로 보았을 때, Z축은 검사의 전체 길이에 해당되며, 영상의 각 단면에서 위/아래 방향이 Y축, 좌/우 측면방향이 X축)로 Autodesk 123D Design을 이용하여 제작하였고(Fig. 2), Autodesk Meshmixer를 이용하여 3D 모델링된 데이터의 표준형식인 STL(Stereolithography) 파일로 각각 분할하였다. 제작된 총 4개의 다른 단면 크기의 팬텀의 세부 수치는 Table 1에 나타내었다.

대상 데이터

AEC 팬텀 제작은 폴리락틴산(Poly Lactic Acid, PLA) 소재의 필라멘트를 재료로 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 TEVO Tornado 3D 프린터(TEVO 3D electronic technology, Mazhang Zhanjiang, China)를 사용하였다(Fig. 1). 모델링은 Autodesk 123D Design(version 2.
, Utrecht, Netherlands)를 이용하여 프로그래밍하였다. 팬텀의 내부를 채울 물질은 기존 표준 팬텀의 재질인 1.18 g/cm³의 밀도의 PMMA(Poly methyl methacrylate)와 가장 유사하도록 프로필렌글리콜(Propylene glycol)과 식물성 글리세린(Glycerin)의 1:2 혼합물을 이용하였다.

데이터처리

4개의 서로 다른 크기의 각 팬텀의 단면에서 관전류(mA)의 증가 또는 감소 수치 비교를 위해 SPSS(Version. 18, Chicago, IL, USA)를 사용하여, 비모수 기법인 Kruskal-Wallis H test를 진행하였고, 사후분석을 위해서 Mann-Whitney U test를 이용하였다. P-value는 0.

이론/모형

1). 모델링은 Autodesk 123D Design(version 2.2.14; Autodesk, California, USA)과 Autodesk Meshmixer(Autodesk, California, USA)를 이용하여 제작하였고, 출력물은 Ultimaker CURA(Ultimaker B.V., Utrecht, Netherlands)를 이용하여 프로그래밍하였다. 팬텀의 내부를 채울 물질은 기존 표준 팬텀의 재질인 1.
그 외의 스캔 파라메터들은 두 장비 모두 동일하게 적용하였다(Table 2). 자체 제작한 팬텀을 이용한 선량 측정은 의료영상저장전송시스템(Picture Archiving and Communication System, PACS) 프로그램을 이용하여 진행하였다. 먼저, 각 단면에 들어간 관전류(Tube current) 수치를 측정 평가하였는데, 총 4개의 팬텀의 각 단면의 수치의 평균 값을 비교하였으며 전체적인 그래프 패턴도 확인하였다.

성능/효과

본 연구에서 3D 프린팅을 이용한 CT의 AEC 평가용 자체 제작 팬텀이 두께별로 유의미하게 선량이 달라지는 것을 확인하였고, 시중의 고가 AEC 성능평가 팬텀을 대신하여 장비의 성능을 평가할 수 있을 뿐만 아니라 임상에서의 활용 가능성을 확인할 수 있었다.
결과적으로 추후 팬텀 제작과 평가면에서 위에 언급한 대로 한계점과 함께 개선점이 잘 이루어 진다면 더 좋은 자체 제작 팬텀을 만들 수 있을 것이라 생각된다. 이렇게 더 정교하고 정밀한 방법들의 고안과 연구가 필요하지만, 본 연구는 비용 측면에 있어서 경제적인 3D 프린터를 이용해서도 자체 AEC 팬텀의 제작과 이를 이용한 AEC 기능의 평가가 가능함을 보여주었고, 의료현장에서의 활용가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
결과적으로 3D 프린터를 이용한 자체 제작된 두 형태(피라미드형과 펜타곤형)의 AEC 팬텀은 두께에 따라 관전류 수치가 적절히 반영되는 것을 확인할 수 있었고, CTDIvol과 DLP 수치는 크게 달라지지 않았다. 즉, 이는 본 연구의 팬텀이 AEC 기능을 충분히 평가할 수 있음을 나타낸 결과라고 할 수 있겠다.

후속연구

그렇지만 원래 AEC 기능 평가 자체가 그 팬텀 영상을 가지고 하는 것이 아니고, 결국 두께의 차이에 따른 선량 차이가 잘 드러나는지를 보는 것이고, 이는 본 연구 결과에서 잘 보여졌기에 효율적이고 경제적인 CT 정도관리 팬텀 제작의 가능성은 충분히 확인되었다고 판단된다. 결과적으로 추후 팬텀 제작과 평가면에서 위에 언급한 대로 한계점과 함께 개선점이 잘 이루어 진다면 더 좋은 자체 제작 팬텀을 만들 수 있을 것이라 생각된다. 이렇게 더 정교하고 정밀한 방법들의 고안과 연구가 필요하지만, 본 연구는 비용 측면에 있어서 경제적인 3D 프린터를 이용해서도 자체 AEC 팬텀의 제작과 이를 이용한 AEC 기능의 평가가 가능함을 보여주었고, 의료현장에서의 활용가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 좀 더 다양한 선량 비교를 확인하기 위하여 4개 이상의 크기를 갖는 단면으로 구성된 팬텀을 3D 프린터로 제작하여 AEC 기능을 평가해야만 좋을 것으로 사료된다. 예를 들어, 인체의 흉부의 경우는 밀도 차이가 구조나 장기들(뼈, 종격동, 폐실질, 혈관 등)로 이루어져 다른 부위(복부와 경부)보다 상대적으로 밀도변동 차이가 큰데 이런 부분의 두께 차이는 4개의 단면으로 평가하기에는 부족할 것으로 판단되며 이를 반영한 추후 연구를 진행할 것이다. 마지막으로, 원래 새로운 팬텀을 제작했으면 기존에 사용되고 있는 팬텀과의 비교를 더욱 정밀히 진행했어야만 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전산화 단층촬영 검사의 단점은?	현대 의료에서 환자의 질병유무 또는 병변을 신속하게 파악하고, 수술 전후에 환자의 출혈 및 상태를 확인하는데 유용한 전산화 단층촬영(Computed Tomography, CT) 검사는 방사선 피폭량이 일반 X선 검사보다 높다는 단점에도 불구하고 많이 사용되고 있다[1,2]. 이런 상황에서 환자의 CT 검사 시 부여되는 방사선 선량에 대해 ALARA(As low as reasonably achievable) 원칙을 지키기 위한 다양한 기술들이 개발되어 이용되고 있으며[3-6], 종사자나 보호자를 불필요한 방사선으로부터 보호하기 위한 노력들도 같이 이루어지고 있다[7].
	전산화 단층촬영 검사는 어디에 유용한가?	현대 의료에서 환자의 질병유무 또는 병변을 신속하게 파악하고, 수술 전후에 환자의 출혈 및 상태를 확인하는데 유용한 전산화 단층촬영(Computed Tomography, CT) 검사는 방사선 피폭량이 일반 X선 검사보다 높다는 단점에도 불구하고 많이 사용되고 있다[1,2]. 이런 상황에서 환자의 CT 검사 시 부여되는 방사선 선량에 대해 ALARA(As low as reasonably achievable) 원칙을 지키기 위한 다양한 기술들이 개발되어 이용되고 있으며[3-6], 종사자나 보호자를 불필요한 방사선으로부터 보호하기 위한 노력들도 같이 이루어지고 있다[7].
	CT 장비의 관리 상의 문제점은?	CT 장비는 특수의료장비로서 주기적으로 표준 팬텀을 이용한 정도관리 또는 기능평가를 수행해야만 하며[10,11], 환자에게 최적의 방사선을 부여하는 기능인 AEC 또한 그 기능이 잘 작동되는지 주기적인 확인이 필요하다. 그러나 정도관리 시 사용되는 팬텀들은 고가이며, 수입에 의존하기 때문에 각 병원마다 모든 종류의 팬텀을 보유하기 힘들어 대부분 위탁업체를 통해서 정도관리를 수행하고 있다. 특히, AEC 기능과 같은 방사선이 두께에 따라 조절되는지를 평가할 경우에는 원뿔형의 표준 팬텀만 있으면 기능을 쉽게 확인이 가능하지만, 이 또한 매우 고가여서 대부분 중소형 병원에서 자체적으로 시행하기에도 어려운 실정이다.

참고문헌 (19)

Smith-Bindman R, Lipson J, Marcus R, et al. Radiation Dose Associated with Common Computed Tomography Examinations and the Associated Lifetime Attributable Risk of Cancer. Arch Intern Med. 2015;169(22):2078-86.
Brenner DJ, Hall EJ. Computed tomography-an increasing source of radiation exposure. N Engl J. Med. 2007;357(22):2277-84.

상세보기
Goo HW. CT radiation dose optimization and estimation: an update for radiologists. Korean J Radiol. 2012;13(1):1-11.

상세보기
Gunn ML, Kohr JR. State of the art: technologies for computed tomography dose reduction. Emerg Radiol. 2010;17(3):209-18.

상세보기
Lee KB, Goo HW. Quantitative Image Quality and Histogram-Based Evaluations of an Iterative Reconstruction Algorithm at Low-to-Ultralow Radiation Dose Levels: A Phantom Study in Chest CT. Korean J Radiol. 2018;19(1):119-29.

상세보기
Lee KB, Lee WH, Lee JH, et al. Dose reduction and image quality assessment in MDCT using AEC (D-DOM& Z-DOM) and In-plane Bismuth shielding. Radiat Prot Dosimetry. 2010;141(2):162-7.

상세보기
Choi MH, Jang JS, Lee KB. A Study on the Indirect Radiation Exposure of the Medical Personnel Who is Responsible for Patient Safety in CT Examination. Journal of Radiological Science and Technology. 2019;42(2):105-11.

원문보기 상세보기
Lechel U, Becker C, Langenfeld-jager G, et al. Dose reduction by automatic exposure control in multidetector computed tomography: comparison between measurement and calculation. Eur Radiology. 2009;19(4):1027-34.

상세보기
Kong HG, Lee KB. Radiation Dose Comparison according to Different Organ Characteristics at Same Scan Parameters Using CareDose 4D: An Adult and Pediatric Phantom Evaluation. Journal of Radiological Science and Technology. 2019;42(4):271-7.

원문보기 상세보기
Ministry of Health and Welfare. Rules for the installation and operation of special medical equipment. Ministry of Health and Welfare law. 2015;339.
Lee KB, Cho YB, Jeong HK, et al. The study on quantitative assessment method of CT image in quality control: focusing on spatial and low contrast resolution. Journal of the institute of electronics and information engineers. 2017;54(12):186-94.

상세보기
Lawrence EM. Frontiers of 3D Printing/Additive Manufacturing: from Human Organs to Aircraft Fabrication. J Mater Sci Technol. 2016;32:987-95.

상세보기
Park SH, Park JH, Lee HJ, Lee NK. Current Status of Biomedical Applications using 3D Printing Technology. Korean Society for Precision Engineering. 2014;31(12):1067-76.

원문보기 상세보기
Kim SH, Yoon JS, Yoo SK. Optimization Research of 3D Printer Associated with Properties of Photocurable Resins for Ocular Prosthesis Producing. J Biomed Eng Res. 2019;40(2):55-61.
He Y, Xue GH, Fu JZ. Fabrication of low cost soft tissue prostheses with the desktop 3D printer. Sci Rep. 2015;4:6973.

상세보기
Yoon MS, Hong SM, Heo YC, Han DK. A Study on the Fabrication and Comparison of the Phantom for Computed Tomography Image Quality Measurements Using Three-Dimensions Printing Technology. Journal of Radiological Science and Technology. 2018;41(6):595-602.

원문보기 상세보기
Kalra MK, Maher MM, Togh TL. Techniques and applications of automatic tube current modulation for CT. Radiology. 2004;233(3):649-57.

상세보기
Lee GB, Kim JH. The Effect of Radiation Dose and Image Quality using AEC (Automatic Exposure Control) with Inappropriate Scout images: A Chest Phantom Experiment with Two Different AEC Modes. Journal of Korean Society of Computed Tomographic Technology. 2016;18(1):47-56.
Kalra MK, Dang P, Singh S. In-Plane Shielding for CT: Effect of Off-Centering, Automatic Exposure Control and Shield-to- Surface Distance. Korean J Radiol. 2009;10(2):156-63.

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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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