[논문]3D 프린팅 재료를 이용한 X-선 부가 여과 시 광자 스펙트럼에 대한 분석

조용인; 이상호

doi:10.7742/jksr.2022.16.1.15

3D 프린팅 재료를 이용한 X-선 부가 여과 시 광자 스펙트럼에 대한 분석
Analysis of Photon Spectrum for the use of Added Filters using 3D Printing Materials 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.16 no.1, 2022년, pp.15 - 23

조용인 (동남권 원자력의학원 영상의학과) , 이상호 (동남권 원자력의학원 핵의학과)

초록
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3D 프린팅 기술은 의료, 바이오 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 최근 소재 개발을 통해 금속 분말이 함유된 물질 등이 상용화되고 있다. 이에 본 연구에서는 모의실험을 통해 진단 X-선 검사 시 3D 프린팅 재료를 이용한 부가 여과 시 광자 스펙트럼을 분석하고자 한다. 몬테카를로 기법 중 MCNPX(ver. 2.5.0)를 이용하였으며, 첫 번째, 진단 분야에서의 X-선 스펙트럼 생성 프로그램인 SRS-78, SpekCalc를 통해 모의실험 내 발생된 광자 스펙트럼에 대한 적정성을 평가하였다. 두 번째, 금속분말이 함유된 3D 프린팅 재료에 대한 특성 평가를 위해 기존 Al, Cu 필터와 동일한 두께 내 광자 스펙트럼을 획득하였으며, 관전압 변화에 따른 광자 플루언스 및 평균 에너지 등을 비교 분석하였다. 그 결과, 동일한 여과 정도를 나타내기 위해 PLA-Al는 기존 Al 필터 대비 약 1.2 ~ 1.4배, PLA-Cu는 Cu 필터 대비 1.4 ~ 1.7배 정도의 두께가 필요한 것으로 분석되었다. 향후 본 연구를 토대로 의료분야 내 3D 프린팅 부가 필터 제작을 위한 기초 자료로서 활용될 수 있으리라 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing technology is being used in various fields such as medicine and biotechnology, and materials containing metal powder are being commercialized through recent material development. Therefore, this study intends to analyze the photon spectrum during added filtration using 3D printing material during diagnostic X-ray examination through simulation. Among the Monte Carlo techniques, MCNPX (ver. 2.5.0) was used. First, the appropriateness of the photon spectrum generated in the simulation was evaluated through SRS-78 and SpekCalc, which are X-ray spectrum generation programs in the diagnostic field. Second, photon spectrum the same thickness of Al and Cu filters were obtained for characterization of 3D printing materials containing metal powder. In addition, the total photon fluence and average energy according to changes in tube voltage were compared and analyzed. As a result, it was analyzed that PLA-Al required about 1.2 ~ 1.4 times the thickness of the existing Al filter, and PLA-Cu required about 1.4 ~ 1.7 times the thickness of the Cu filter to show the same degree of filtration. Based on this study in the future, it is judged that it can be utilized as basic data for manufacturing 3D printing additional filters in medical fields.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Specifications for simulation of x-ray tube in digital radiography devices
표 Table 2. Composition for 3D Printing materials with metal powders
그림 Fig. 1. Simulation of added filter in x-ray tube.
그림 Fig. 2. Geometry for comparative analysis of X-ray spectrum.
그림 Fig. 3. Comparison of tendency for 80 kVp photon spectrum.
표 Table 3. Accuracy evaluation of mean energy in simulations by comparison with SRS-78, Spekcalc
표 Table 4. Distribution of total fluence according to Al, PLA-Al material and thickness
표 Table 5. Distribution of X-ray mean energy according to Al, PLA-Al material and thickness
표 Table 6. Distribution of total fluence according to Cu, PLA-Cu, PLA-Bronze material and thickness
표 Table 7. Distribution of X-ray mean energy according to Cu, PLA-Cu, PLA-Bronze material and thickness
표 Table 8. Distribution of total fluence according to composite filter material and thickness
표 Table 9. Distribution of X-ray mean energy according to composite filter material and thickness

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 모의실험을 통해 기존 X-선 부가 필터와의 비교 분석을 통해 3D 프린팅 재료에 대한 부가 필터로의 적용 가능성을 평가하였다. 3D 프린팅 재료 중 PLA-Al는 기존 Al 필터 대비 약 1.

제안 방법

3D 프린팅 재료를 이용한 X-선 부가 필터로의 적용 가능성을 평가하고자, LISTEM DR 장치를 기준으로 기존 필터로 사용되는 Al, Cu, Al + Cu 혼합 필터와 동일한 두께에서 3D 프린팅 재료별 광자 스펙트럼 분포를 획득하였으며, 관심지점 내 도달하는 총 광자의 수와 평균 에너지를 산정하였다. 그 결과, 검출기 내 도달하는 총 광자수는 Table 4 와 같이 모든 조건에서 관전압이 높아짐에 따라 점차 증가되었으며, 필터 두께 증가에 따른 총 광자 수는 저에너지 X-선의 여과로 인해 점차 낮아지는 결과를 나타내었다.
본 연구에서는 첫 번째, 모사한 X-선관을 위치시킨 후 전자의 가속전압은 진단 영역에서 사용하는 관 전압 범위(40, 60, 80, 100, 120 kVp)를 사용하였으며, Fig. 2와 같이 타겟과의 충돌지점으로부터 100 cm 지점에서 광자 스펙트럼을 획득하였다.

대상 데이터

3 mmCu) 필터를 대상으로 관 전압에 따른 광자 스펙트럼 분포를 획득하였다. 기존 부가 필터의 재료 및 두께에 대한 비교 분석을 위해 3D 프린팅 재료 중 PLA-Al는 기존 Al와 동일한 두께로 구성하였고, PLA-Cu와 PLA-Bronze는 Cu 와 동일한 두께로 설정한 후 광자 스펙트럼을 획득하였다. 동일한 조건에서 획득한 광자 스펙트럼 분포에 대한 경향성을 비교하였으며, 관전압에 따라발생된 총 광자 플루언스(total fluence)와 평균 에너지(mean energy) 등을 산정하였다.
두 번째, 3D 프린팅 재료에 대한 부가 필터로의 적용 가능성을 평가하고자, 기존의 부가 필터로서 사용되는 Al(1, 2 mm), Cu(0.1, 0.2, 0.3 mm), Al – Cu 혼합(1 mmAl + 0.1 mmCu, 1 mmAl + 0.2 mmCu, 1 mmAl + 0.3 mmCu) 필터를 대상으로 관 전압에 따른 광자 스펙트럼 분포를 획득하였다
0)을 이용하였다. 본연구에서는 현재 임상적으로 사용되고 있는 LISTEM, PHILIPS 사의 2가지의 디지털 방사선 영상 장치를 선정하였으며, Table 1과 같이 장치 내 X-선관에 대한 세부 정보를 토대로 전산 모사하였다.

데이터처리

기존 부가 필터의 재료 및 두께에 대한 비교 분석을 위해 3D 프린팅 재료 중 PLA-Al는 기존 Al와 동일한 두께로 구성하였고, PLA-Cu와 PLA-Bronze는 Cu 와 동일한 두께로 설정한 후 광자 스펙트럼을 획득하였다. 동일한 조건에서 획득한 광자 스펙트럼 분포에 대한 경향성을 비교하였으며, 관전압에 따라발생된 총 광자 플루언스(total fluence)와 평균 에너지(mean energy) 등을 산정하였다.
현재 임상적으로 사용되는 디지털 방사선 영상 장치에서 사용하는 관전압 범위에 따른 X-선 스펙트럼 분포를 평가하였으며, 모의실험과 스펙트럼 생성 프로그램 간 비교 분석을 위해 정규화 (normalization) 과정을 수행하였다.

성능/효과

본 연구에서는 모의실험을 통해 기존 X-선 부가 필터와의 비교 분석을 통해 3D 프린팅 재료에 대한 부가 필터로의 적용 가능성을 평가하였다. 3D 프린팅 재료 중 PLA-Al는 기존 Al 필터 대비 약 1.2 ~ 1.4배, PLA-Cu와 PLA-Bronze는 Cu 필터 대비 1.4 ~ 1.7배 정도의 두께가 필요한 것으로 분석되었다. 이처럼 X-선 부가 필터의 사용은 불필요한 저에너지 X-선 여과로 피검자의 피폭선량을 저감하고 영상 화질 개선에 도움될 수 있을 것으로 사료된다.
3D 프린팅 재료를 이용한 X-선 부가 필터로의 적용 가능성을 평가하고자, LISTEM DR 장치를 기준으로 기존 필터로 사용되는 Al, Cu, Al + Cu 혼합 필터와 동일한 두께에서 3D 프린팅 재료별 광자 스펙트럼 분포를 획득하였으며, 관심지점 내 도달하는 총 광자의 수와 평균 에너지를 산정하였다. 그 결과, 검출기 내 도달하는 총 광자수는 Table 4 와 같이 모든 조건에서 관전압이 높아짐에 따라 점차 증가되었으며, 필터 두께 증가에 따른 총 광자 수는 저에너지 X-선의 여과로 인해 점차 낮아지는 결과를 나타내었다. 또한 광자 스펙트럼 분포를 통해 산정한 X-선 평균 에너지는 PLA-Al 재료의 경우, Table 5와 같이 1 ∼ 2 mm 두께에서는 관 전압별로 필터가 없는 경우 대비 최소 4.
본 연구의 결과에 따르면, 첫 번째, 디지털 X-선영상장치별 스펙트럼의 비교 분석을 통해 방사선원에 대한 신뢰성을 확보하였으며, X-선 장치 내부가 필터가 없는 경우 X-선관 내 고유 여과 두께에 비례하여 X-선 평균 에너지가 증가된 것으로 분석되었다. 두 번째, 부가 필터 재료인 Al, Cu, Al + Cu 필터와 동일한 두께의 3D 프린팅 재료 사용 시발생되는 총 광자 플루언스의 경우, 기존 재료 대비 관전압에 따라 검출기 내 도달하는 광자수가 더 높은 결과를 보였으며, 이를 통해 기존 필터의 경우 더 높은 여과 효과를 나타낸 것으로 분석되었다. 또한 각 조건에 따른 X-선 스펙트럼 분석을 통해 평균 에너지를 산정한 결과, 기존 필터 대비 상대적으로 낮은 결과를 나타내었다.
두 번째, 부가 필터 재료인 Al, Cu, Al + Cu 필터와 동일한 두께의 3D 프린팅 재료 사용 시발생되는 총 광자 플루언스의 경우, 기존 재료 대비 관전압에 따라 검출기 내 도달하는 광자수가 더 높은 결과를 보였으며, 이를 통해 기존 필터의 경우 더 높은 여과 효과를 나타낸 것으로 분석되었다. 또한 각 조건에 따른 X-선 스펙트럼 분석을 통해 평균 에너지를 산정한 결과, 기존 필터 대비 상대적으로 낮은 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 3D 프린팅 재료의 경우, 기존 필터로 구성된 단일물질에 비해 밀도와 실효 원자번호가 상대적으로 낮은 이유인 것으로 생각되며, 평가한 3D 프린팅 재료 중 PLA-Cu에서 가장 높은 평균 에너지 분포를 나타낸 것으로 사료된다.
또한 광자 스펙트럼 분포를 통해 산정한 X-선 평균 에너지는 PLA-Al 재료의 경우, Table 5와 같이 1 ∼ 2 mm 두께에서는 관 전압별로 필터가 없는 경우 대비 최소 4.0 ∼ 최대 7.0% 정도의 평균 에너지 증가 효과를 나타내었으며, 기존 Al 단일 필터 대비 최소 2.0 ∼ 최대 4.1% 정도 낮은 증가 효과를 보였다.
본 연구의 결과에 따르면, 첫 번째, 디지털 X-선영상장치별 스펙트럼의 비교 분석을 통해 방사선원에 대한 신뢰성을 확보하였으며, X-선 장치 내부가 필터가 없는 경우 X-선관 내 고유 여과 두께에 비례하여 X-선 평균 에너지가 증가된 것으로 분석되었다. 두 번째, 부가 필터 재료인 Al, Cu, Al + Cu 필터와 동일한 두께의 3D 프린팅 재료 사용 시발생되는 총 광자 플루언스의 경우, 기존 재료 대비 관전압에 따라 검출기 내 도달하는 광자수가 더 높은 결과를 보였으며, 이를 통해 기존 필터의 경우 더 높은 여과 효과를 나타낸 것으로 분석되었다.
또한 각 조건에 따른 X-선 스펙트럼 분석을 통해 평균 에너지를 산정한 결과, 기존 필터 대비 상대적으로 낮은 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 3D 프린팅 재료의 경우, 기존 필터로 구성된 단일물질에 비해 밀도와 실효 원자번호가 상대적으로 낮은 이유인 것으로 생각되며, 평가한 3D 프린팅 재료 중 PLA-Cu에서 가장 높은 평균 에너지 분포를 나타낸 것으로 사료된다.

후속연구

7배 정도의 두께가 필요한 것으로 분석되었다. 이처럼 X-선 부가 필터의 사용은 불필요한 저에너지 X-선 여과로 피검자의 피폭선량을 저감하고 영상 화질 개선에 도움될 수 있을 것으로 사료된다. 향후 각 의료기관에 따라 진단 X-선 검사 시 진단 참고 수준을 고려한 검사 조건의 설정과 함께 디지털 방사선 영상 장치에 적합한 부가필터의 활용을 통해 선량 저감화를 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.
이처럼 X-선 부가 필터의 사용은 불필요한 저에너지 X-선 여과로 피검자의 피폭선량을 저감하고 영상 화질 개선에 도움될 수 있을 것으로 사료된다. 향후 각 의료기관에 따라 진단 X-선 검사 시 진단 참고 수준을 고려한 검사 조건의 설정과 함께 디지털 방사선 영상 장치에 적합한 부가필터의 활용을 통해 선량 저감화를 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다.

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O. W. Hamer, C. B. Sirlin, M. Strotzer, I. Borisch, N. Zorger, S. Feuerbach, M. Volk, "Chest radiography with a flat-panel detector: image quality with dose reduction after copper filtration", Radiology, Vol. 237, No. 2, pp. 691-700. 2005. https://doi.org/10.1148/radiol.2372041738

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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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