[논문]3D 프린팅을 사용한 Infill 조절에 따른 Elbow 팬텀 제작 및 유용성 평가에 관한 연구

김명인; 지승호; 위현섭; 이대원; 장희민; 윤명성; 한동균

doi:10.7742/jksr.2023.17.6.929

[국내논문] 3D 프린팅을 사용한 Infill 조절에 따른 Elbow 팬텀 제작 및 유용성 평가에 관한 연구
A Study on Elbow Phantom Production and Usability Evaluation by Adjusting Infill Density using 3D Printing 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.17 no.6, 2023년, pp.929 - 937

김명인 (을지대학교 보건과학대학 방사선학과) , 지승호 (을지대학교 보건과학대학 방사선학과) , 위현섭 (을지대학교 보건과학대학 방사선학과) , 이대원 (을지대학교 보건과학대학 방사선학과) , 장희민 (남천병원 영상의학과) , 윤명성 (한양대학교 의료데이터 머신러닝 연구센터) , 한동균 (을지대학교 보건과학대학 방사선학과)

초록
AI-Helper

3D 프린터를 이용하여 제작되는 인체 등가 팬텀은 기존의 인체 팬텀에 비해 저렴하고 단시간에 제작이 가능하다. 다만, 3D 프린터 출력 설정 변수 중 하나인 내부채움(Infill Density)을 100 % 미만으로 하여 제작되는 팬텀이 다수이다. 따라서 본 연구는 3D 프린터를 이용하여 제작된 다섯 개의 Infill 비율을 달리한 Bone 팬텀의 CT number를 실제 인체 Bone의 CT number와 비교하였다. 또한, Infill 100 %의 팔굽 관절 팬텀을 제작하여 컴퓨터 단층촬영(CT)에서 각 조직 별 CT number 비교를 통해 Infill을 100 %로 설정하여 제작된 팬텀에 대한 유용성을 평가하였다. 그 결과 Infill 100 %로 출력한 Bone 팬텀이 실제 인체 Bone의 CT number 값과 가장 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았고, Infill 100 %로 제작된 팔굽 관절 팬텀 역시 각 조직의 CT number는 실제 인체 팔굽 관절의 각 조직의 CT number 값과 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Human equivalent phantoms manufactured using 3D printers are cheaper and can be manufactured in a short time than conventional human phantoms. However, many phantoms are manufactured with less than 100 % of Infill Density, one of the 3D printer output setting variables. Therefore, this study compared the Bone Phantom CT number, which differs from the ratio of five Infill Density produced using a 3D printer, to the CT number of the actual human body Bone. In addition, the usefulness of the manufactured phantom was evaluated by producing a 100 % elbow joint phantom with Infill Density and setting the Infill Density to 100 % through CT number comparison for each tissue on computed tomography (CT). As a result, the Bone Phantom printed with 100 % Infill Density did not show the most statistically significant difference from the CT number value of the actual human Bone, and the CT number of each tissue did not show a statistically significant difference from the CT number value of each tissue of the actual human elbow joint.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Equipment used for phantom production and usability evaluation.
그림 Fig. 2. Filament materials for printing 3D models.
그림 Fig. 3. Melting machine for melting Paraffin Wax. (EGS, 1 Liter Melting Machine, Korea)
그림 Fig. 4. View of Open source arm model for modeling.
그림 Fig. 5. Modeling Process for Phantom Production.
그림 Fig. 6. Sequence of 3D printing process.
그림 Fig. 7. 3D Printed Infill comparison Elbow phantom including soft tissue.
그림 Fig. 8. CT scan process.
그림 Fig. 9. CT scan of Infill comparison phantom.
그림 Fig. 10. ROI setting of Elbow phantom.
표 Table 1. CT number and SD values in 3D-printing Infill comparison phantom slices
표 Table 2. CT values (mean ± standard deviation in CT number) for the considered tissues in 3D-printing Elbow phantom slices as well as typical ranges observed in humans

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

Infill 비교 팬텀을 출력하기 위해 노즐 온도 210 ℃, 베드 온도 60 ℃, 노즐 크기 0.8 mm, 레이어 높이 0.4 mm의 프린터 조건으로 출력하였고, Infill을 20, 40, 60, 80, 100 %로 조정하였다. Elbow 팬텀의 경우, 출력을 위해 Infill을 100 %로 노즐 온도 240 ℃, 베드온도 60 ℃, 노즐 크기 0.
본 연구에서는 오픈소스로 얻은 위팔뼈 영상 데이터를 활용하여 각 조직에 적합한 필라멘트 선정과 Infill 변화에 따른 유용성을 Mann-Whitney U-test를 활용하여 비교 후 3D 프린터로 위팔뼈 팬텀을 출력하여 CT number 값의 결과를 확인하였다. 이를 통해 Infill 비교 팬텀 5가지를 출력하여 인체조직과 비교해 본 결과 100 % Infill 팬텀이 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다(p>0.
8-(b)와 같이 스캔하였다. 이후 CT number 값 및 SD를 측정하기 위해 Infill 비교 팬텀은 내부 격자구조에 지름 20 mm의 원형 ROI를 설정하였으며 Elbow 팬텀은 각 조직 구조에 맞는 크기의 원형 ROI를 설정하였다. CT number 측정 시 Eq.

대상 데이터

Elbow 팬텀의 경우, Bone을 표현하기 위해 Infill 비교 팬텀과 동일한 Bone filament를 사용하였다. Skin을 표현하기 위해 Fig.
5와 같이 진행하였다. Infill 비교 팬텀 모델의 경우, Cortical bone과 Bone marrow 영역을 추출하여 사용하였으며 Elbow 팬텀의 경우, 분리한 전체 영역을 모델링하였다. 이후 Fig.

데이터처리

통계적 수치의 분석을 위해 SPSS (Version 29.0.1.0, SPSS, Chicago, IL, USA)의 Mann-Whitney U-test를 사용하였으며, p-value는 0.05를 이용해 통계적 분석을 하였고, p-value 0.05 이하에서 유의한 차이가 있다고 판단하였다.

이론/모형

Fig. 1과 같이 CT number 측정을 위해 HITACHI사의 CT 장치를 사용하였으며 팬텀 출력을 위해 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식의 프린터를 사용하였다. CT number 측정 및 평가를 위한 프로그램은 AVIEW (Colleline Soft, Korea)를 사용하였다.
Fig. 4와 같이 Elbow 팬텀의 모델은 Harvard Dataverse의 Normal Left Arm 오픈 소스를 사용하였다.
1과 같이 CT number 측정을 위해 HITACHI사의 CT 장치를 사용하였으며 팬텀 출력을 위해 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식의 프린터를 사용하였다. CT number 측정 및 평가를 위한 프로그램은 AVIEW (Colleline Soft, Korea)를 사용하였다.
Infill 비교 팬텀과 Elbow 팬텀의 모델링을 위해 AVIEW를 사용하였다. Fig.
팬텀 제작을 위해 AVIEW Modeler를 이용하여 Harvard Dataverse의 Normal Left Arm 모델을 Skin, Soft tissue, Medullary space, Cortical bone으로 분리하는 모델링을 Fig. 5와 같이 진행하였다.

성능/효과

또한, 오픈소스 환자 위팔뼈 데이터와 Infill 비교 팬텀의 CT number의 비교 결과, Infill 100 %의 팬텀이 유일하게 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다(p>0.05).
반면 Infill을 낮게 하였을 때, 필라멘트 재료 비용 감축 및 제작 소요 시간 단축 등의 장점이 있지만 실험 결과, Infill 100 % 미만의 팬텀이 유의한 차이를 보여 Infill 값이 낮은 팬텀은 인체 등가 팬텀 용도로 적합하지 않은 결과를 보인다. 따라서 Infill을 낮게 하여도 우수한 결과를 도출할 수 있는 재료나 기술 등의 연구개발이 진행되어야 할 것이다.
이 결과에 따라 Elbow 팬텀 출력을 하였고, 실제 인체의 각 조직별 CT number 값과 비교하였을 때, 제작된 팬텀은 인체조직과 통계적 유의미한 차이를 보이지 않았다(p>0.05)

후속연구

반면 Infill을 낮게 하였을 때, 필라멘트 재료 비용 감축 및 제작 소요 시간 단축 등의 장점이 있지만 실험 결과, Infill 100 % 미만의 팬텀이 유의한 차이를 보여 Infill 값이 낮은 팬텀은 인체 등가 팬텀 용도로 적합하지 않은 결과를 보인다. 따라서 Infill을 낮게 하여도 우수한 결과를 도출할 수 있는 재료나 기술 등의 연구개발이 진행되어야 할 것이다.
05). 따라서 본 논문의 연구 결과를 통해 추후 인체 조직과 등가 한 CT 팬텀 제작 시 Infill을 100 %로 설정하여 출력하는 방식이 필요하고, 3D 프린터로 출력된 팬텀이 의학 교육 및 훈련에 보다 현실적이고, 실용적인 접근방식을 제공하여 인체팬텀을 대체할 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (21)

J. S. Kim, S. M. Kwon, P. K. Cho, S. W. Yoon, J.？H. Kim, J. W. Gil, B. Y. Lee, "Policy planning for？patient dose registry system for computed tomography？examination", Public Health Weekly Report, Vol. 16,？No. 15, pp. 1057-1068, 2022.
National Health Insurance Corporation of Korea,？Health Insurance Review and Assessment Service,？「Health Insurance Statistics」, 2023. 1/4,？2023.10.02, Status of medical equipment by type of？medical institution, From URL;？https://kosis.kr/statHtml/statHtml.do?orgId354&tblIdDT_HIRA48_1&conn_pathI2
D. W. Kim, H, S. Kim, S. O. Park, Textbook of？Computed Tomography, Dae-hak Publishing Co. 2010.
W. J. Choi, D. H. Kim, "Production of a human？body phantom for general X-ray imaging practice？using 3D printing", Journal of the Korean Society of？Radiology, Vol. 11, No. 5, pp. 371-377, 2017. http://dx.doi.org/10.7742/jksr.2017.11.5.371

원문보기 상세보기
M. S. Yoon, D. K. Han, Y. M. Kim, J. Yoon, "A？study on the production of a bone model X-ray？phantom using CT data and 3D printing technology",？Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 12,？No. 7, pp. 879-886, 2018.？http://dx.doi.org/10.7742/jksr.2018.12.7.879

원문보기 상세보기
M. S. Yoon, S. h. Kang, S. M. Hong, Y. Lee, D.？K. Han, "A study on the fabrication and comparison？of the phantom for CT dose measurements using 3D？printer", Journal of the Korean Society of Radiology,？Vol. 12, No. 6, pp. 737-743, 2018.？https://doi.org/10.7742/jksr.2018.12.6.737

원문보기 상세보기
S. Hatamikia, I. Gulyas, W. Birkfellner, G. Kronreif,？A. Unger, G. Oberoi, A. Lorenz, E. Unger, J.？Kettenbach, M. Figl, J. Patsch, A. Strassl, D. Georg,？A. Renner, "Realistic 3D printed CT imaging tumor？phantoms for validation of image processing？algorithms", Physica Medica, Vol. 105, pp. 102512,？2018. http://dx.doi.org/10.1016/j.ejmp.2022.102512

상세보기
S. J. Choi, Y. H. Bae, I. H. Lee, H. C. Kim,？"Latest Research Trends of 3D Printing in Korea",？Journal of the Korean Society for Precision？Engineering, Vol. 35, No. 9, pp. 829-834, 2018.？http://dx.doi.org/10.7736/KSPE.2018.35.9.829

상세보기
N. Okkalidis, "3D printing methods for radiological？anthropomorphic phantoms", Physics in Medicine &？Biology, Vol. 67, No. 15, 2022. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6560/ac80e7

상세보기
N. Okkalidis, "A novel 3D printing method for？accurate anatomy replication in patient-specific？phantoms", Medical Physics, Vol. 45, No. 10, pp.？4600-4606, 2018. http://dx.doi.org/10.1002/mp.13154

상세보기
T. Kairn, S. B. Crowe, T. Markwell, "Use of 3D？printed materials as tissue-equivalent phantoms",？World Congress on Medical Physics and Biomedical？Engineerin, Vol. 51, pp. 728-731, 2015. https://doi.org/10.1007/978-3-319-19387-8_179
F. Zhang, H. Zhang, H. Zhao, Z. He, L. Shi, Y.？He, N. Ju, Y. Rong, J. Qiu, "Design and fabrication？of a personalized anthropomorphic phantom using？3D printing and tissue equivalent materials",？Quantitative imaging in medicine and surgery, Vol.？9, No. 1, pp. 94-100, 2019. http://dx.doi.org/10.21037/qims.2018.08.01

상세보기
G. Hilgers, T. Nuver, A. Minken, "The CT number？accuracy of a novel commercial metal artifact？reduction algorithm for large orthopedic implants",？Journal of Applied Clinical Medical Physics, Vol.？15, No. 1, pp. 274-278, 2014.？http://dx.doi.org/10.1120/jacmp.v15i1.4597

상세보기
T. Vehmas, K. J. Kairemo, M. J. Taavitsainen,？"Measuring visceral adipose tissue content from？contrast enhanced computed tomography",？International Journal of Obesity and Related？Metabolic Disorders, Vol. 20, No. 6, pp. 570-573,？1996.
B. H. Goodpaster, F. L. Thaete, D. E. Kelley,？"Composition of skeletal muscle evaluated with？computed tomography", Annals of the New York？Academy of Sciences, Vol. 904, No. 1, pp. 18-24, 2000.？http://dx.doi.org/10.1111/j.1749-6632.2000.tb06416.x

상세보기
R. Tino, A. Yeo, M. Brandt, M. Leary, T. Kron,？"The interlace deposition method of bone equivalent？material extrusion 3D printing for imaging in？radiotherapy", Materials & Design, Vol. 199, No. 1,？pp. 109439, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109439

상세보기
A. Kalra, Developing FE human models from medical images, Basic Finite Element Method as？Applied to Injury Biomechanics, pp. 389-415, 2018. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-809831-8.00009-X
G. P. Fonseca, B. Rezaeifar, N. Lackner, B. Haanen,？B. Reniers, F. Verhaegen, "Dual-energy CT？evaluation of 3D printed materials for radiotherapy？applications", Physics in Medicine & Biology, Vol.？68, No. 3, pp. 35005, 2023. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6560/acaf4a

상세보기
P. R. Hinton, "Mann-whitney u test", Encyclopedia？of Research Design, pp. 748-750, 2010. From URL;？https://methods.sagepub.com/reference/encyc-of-research-design/n228.xml
I. Hernandez-Giron, J. M. den Harder, G. J.？Streekstra, J. Geleijns, W. J. H. Veldkamp,？"Development of a 3D printed anthropomorphic lung？phantom for image quality assessment in CT",？Physica Medica, Vol. 57, pp. 47-57, 2019. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2018.11.015

상세보기
M. Alssabbagh, A. A. Tajuddin, M. Abdulmanap, R.？Zainon, "Evaluation of 3D printing materials for？fabrication of a novel multi-functional 3D thyroid？phantom for medical dosimetry and image quality",？Radiation Physics and Chemistry, Vol. 135, pp.？106-112, 2017. https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2017.02.009

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증