[논문]금속 3D 프린팅을 통한 맞춤형 차폐블록 제작에 사용되는 차폐 재료 검증

정경환; 한동희; 김장오; 최현준; 백철하

doi:10.7742/jksr.2023.17.1.25

[국내논문] 금속 3D 프린팅을 통한 맞춤형 차폐블록 제작에 사용되는 차폐 재료 검증
Verification of Shielding Materials for Customized Block on Metal 3D Printing 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.17 no.1, 2023년, pp.25 - 30

정경환 (강원대학교 보건의료과학과) , 한동희 (강원대학교 보건의료과학과) , 김장오 (강원대학교 방사선학과) , 최현준 (연세대학교 원주세브란스기독병원 방사선종양학과) , 백철하 (강원대학교 보건의료과학과)

초록
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의료분야에 3D 프린팅 기술이 활용됨에 따라 금속 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 방사선종양학과에서는 전자선 치료 시 환자의 정상조직에 대한 불필요한 피폭을 차폐하기 위해 차폐블록을 사용하고 있다. 하지만, 납(Lead)과 카드뮴(Cadmium) 같은 중금속 물질의 취급, 숙련도에 따른 재현성과 배치의 불확실성 등에 대한 문제점이 보고되고 있다. 본 연구에서는 금속 3D 프린팅에 사용될 수 있는 재료별 물리적 특성 및 방사선량을 분석하여 전자선 치료 시 활용할 수 있는 맞춤형 차폐블록을 개발하고자 한다. 후보 재료는 알루미늄 합금(d = 2.68 g/cm³), 티타늄 합금(d = 4.42 g/cm³), 코발트 크롬 합금(d = 8.3 g/cm³)을 선별하였다. 10 × 10 cm² 조사면, 6, 9, 12, 16 Me V 에너지로 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 차폐율 95% 지점의 두께를 도출하였다. 시뮬레이션 결과, 금속 3D 프린팅 재료 중 코발트 크롬 합금(d = 8.35 g/cm³)이 에너지별 차폐두께에서 기존 차폐블록(d = 9.4 g/cm³)과 유사하였다. 향후 금속 3D 프린팅으로 제작한 맞춤형 차폐블록을 이용하여 임상에서의 유용성 검증 평가 및 다양한 방사선 치료계획 조건 등을 통한 실험 검증이 필요할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

As 3D printing technology is used in the medical field, interest in metal materials is increasing. The Department of Radiation Oncology uses a shielding block to shield the patient's normal tissue from unnecessary exposure during electron beam therapy. However, problems such as handling of heavy metal materials such as lead and cadmium, reproducibility according to skill level and uncertainty of arrangement have been reported. In this study, candidate materials that can be used for metal 3D printing are selected, and the physical properties and radiation dose of each material are analyzed to develop a customized shielding block that can be used in electron beam therapy. As candidate materials, aluminum alloy (d = 2.68 g/cm3), titanium alloy (d = 4.42 g/cm3), and cobalt chromium alloy (d = 8.3 g/cm3) were selected. The thickness of the 95% shielding rate point was derived using the Monte Carlo Simulation with the irradiation surface and 6, 9, 12, and 16 energies. As a result of the simulation, among the metal 3D printing materials, cobalt chromium alloy (d = 8.3 g/cm3) was similar to the existing shielding block (d = 9.4 g/cm3) in shielding thickness for each energy. In a follow-on study, it is necessary to evaluate the usefulness in clinical practice using customized shielding blocks made by metal 3D printing and to verify experiments through various radiation treatment plan conditions.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Penetration geometry using Monte Carlo Simulation.
표 Table 1. Information according to metal material compositions and density
그림 Fig. 2. Thickness in Lipowitz's metal with Theory and Monte Carlo Simulation.
표 Table 2. The thickness and error rate for a penetration rate of 5% based on each material in 6 MeV
표 Table 3. The thickness and error rate for a penetration rate of 5% based on each material in 9 MeV
표 Table 4. The thickness and error rate for a penetration rate of 5% based on each material in 12 MeV
표 Table 5. The thickness and error rate for a penetration rate of 5% based on each material in 16 MeV

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션 툴을 이용하여 방사선 치료 시 전자선 차폐블록을 대체하기 위한 다양한 금속 3D 프린팅 재료에 대한 물리적 특성 분석 및 방사선 차폐 성능평가를 시행하였다.

제안 방법

그 결과 Fig. 2와 같이 각 전자선 에너지에 대해 3 mm, 5 mm, 7 mm, 9 mm의 결괏값을 통해 전산모사 도구의 활용 가능성을 확인하였다.
최근 의료분야에서는 금속 3D 프린팅이 활용됨에 따라 금속 재료에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 금속 3D 프린팅에 사용되는 금속 재료들의 물리적 특성을 분석하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 방사선 차폐성능평가를 진행하였다.
금속 3D 프린팅에 사용되는 금속 재료별 물리적 특성을 분석하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 투과율 5% 이내의 방사선 차폐 성능평가를 실시하였다. 전자선 에너지 6, 9, 12, 16 MeV에 대해 저용융점 납합금의 이론적인 두께는 각각 3.6, 5.4, 7.2, 9.6 mm로 보고되며 GATE와 MCNP 환경에서 기하학적 구조를 설계하여 시뮬레이션을 실시하였다. 그 결과 Fig.

대상 데이터

시뮬레이션 도구의 신뢰성을 확보하기 위해 산출된 투과율 5% 이내 지점을 저용융점 납합금의 이론적 필요두께와 비교한 결과 매우 유사한 결괏값을 획득하였다. 또한, 밀도에 따른 3가지 금속 재료의 투과율 5% 이내 두께를 각각 평가하였으며, 이때 밀도가 높아질수록 차폐 두께 감소 및 차폐효과가 향상됨을 확인하였다.
Table 2는 6 MeV에 대한 금속 재료의 투과율 5% 이내 두께를 나타내었다. 전자선 차폐를 위해서는 알루미늄 합금, 티타늄 합금, 코발트 크롬 합금 순으로 12.1, 7.2, 3.8 mm의 두께가 필요하며, 두 시뮬레이션의 오차는 3.3%, 3.4%, 3.0%로 나타났다.

데이터처리

금속 3D 프린팅에 사용되는 금속 재료별 물리적 특성을 분석하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 투과율 5% 이내의 방사선 차폐 성능평가를 실시하였다. 전자선 에너지 6, 9, 12, 16 MeV에 대해 저용융점 납합금의 이론적인 두께는 각각 3.

성능/효과

시뮬레이션 도구의 신뢰성을 확보하기 위해 산출된 투과율 5% 이내 지점을 저용융점 납합금의 이론적 필요두께와 비교한 결과 매우 유사한 결괏값을 획득하였다. 또한, 밀도에 따른 3가지 금속 재료의 투과율 5% 이내 두께를 각각 평가하였으며, 이때 밀도가 높아질수록 차폐 두께 감소 및 차폐효과가 향상됨을 확인하였다. 본 결과를 통해 전자선치료에서의 금속 3D 프린팅 재료의 기초자료를 확보하였고 활용 가능성을 제시하였다.
또한, 밀도에 따른 3가지 금속 재료의 투과율 5% 이내 두께를 각각 평가하였으며, 이때 밀도가 높아질수록 차폐 두께 감소 및 차폐효과가 향상됨을 확인하였다. 본 결과를 통해 전자선치료에서의 금속 3D 프린팅 재료의 기초자료를 확보하였고 활용 가능성을 제시하였다.
이러한 결괏값을 통해 방사선 차폐의 물리적 이론에 따라 금속 재료의 밀도가 높아질수록 차폐 두께가 감소하며 차폐효과가 향상됨을 확인하였으며, 각 에너지에 따른 평균오차는 3.2%, 3.2%, 3.2%, 3.0%로 두 시뮬레이션의 정량적인 상호검증을 통해 전산 도구의 신뢰성을 높일 수 있었다.

후속연구

본 연구 결괏값을 토대로 다양한 3D 프린팅 금속 재료를 선정하여 실제 실험을 바탕으로 임상에서의 유용성 검증 평가 및 금속 재료로 인한 2차 산란선 평가를 확인하기 위한 실험적 검증을 실시할 예정이다.
향후 후속 연구를 통해 금속 3D 프린팅을 이용한 차폐블록을 제작하여 작업종사자의 안전 확보 및 전자선 치료 과정에 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.

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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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