Ⅰ.서 론

소동물을 대상으로 방사선을 조사하여 방사선의 효과를 확인하는 비임상 연구가 증가하고 있으며, 비임상 연구 시 방사선 조사의 신뢰성은 방사선을 이용한 비임상 연구의 결과에 영향을 미치게 되므로 방사선을 이용한 비임상 연 구에서 소동물 선량평가의 역할은 계속적으로 증가하고 있 다¹⁾.

소동물을 대상으로 정확한 방사선 조사를 위하여 소동물 조사시스템의 개발에 관한 연구가 진행되고 있으며²⁾, 소동 물 조사시스템을 이용하여 방사선 조사 시 소동물에 흡수되 는 선량에 대한 검증 연구도 진행되었다^3,4).

소동물 선량평가에는 컴퓨터를 이용하여 방사선 조사환경 및 가상의 소동물 팬텀을 전산 모사하여 몬테칼로 시뮬레이 션을 이용한 선량평가 방법과⁵⁾ 작은 사이즈의 측정소자를 소동물 내에 직접 삽입하여 선량을 평가하는 방법이 있다⁶⁾.

전자의 경우에는 가상의 소동물 팬텀을 이용하여 전산모 사를 통하여 간접적으로 선량을 평가하는 방법이며, 후자의 방법은 직접으로 방사선 측정 소자를 삽입하는 방법으로 실 험동물 위원회의 심의 후에 연구가 가능하다.

본 연구는 앞의 방법들과 다르게 소동물을 대상으로 방사 선을 조사하는 비임상 연구에서 선량을 평가하기 위하여 최 근 들어 사용 및 연구가 진행되고 있는 3차원 프린터를 이용 하여 소동물 중 실험동물로 많이 사용되고 있는 마우스를 대상으로 팬텀을 제작하였으며, 제작된 소동물 팬텀 내에 필름계측이 가능하도록 하여 제작된 3차원 소동물 팬텀을 대상으로 감마선을 조사하여 팬텀 내 흡수되는 선량을 평가 하는 연구를 진행하였다.

Ⅱ.연구 재료 및 방법

1.연구 재료

본 연구는 3차원 소동물 팬텀을 제작하기 위하여, 프린 터 헤드를 통하여 고압의 액체 원료를 분출시키고 자외선 으로 경화 시키면서 적층하는 Polyjet 방식의 3차원 프린터 (object500connex, Stratssys, USA)를 사용하였다. 제조 사에서 제공된 프린터 재료에 대한 데이터 시트에는 선량학 적 특성 정보는 제시되어 있지 않으므로 실제 마우스의 소 화관 밀도(1.12 g/cm³)와 뼈의 밀도(1.21 g/cm³)를 고려하 여 다음과 같이 프린터 재료를 선택하였다⁷⁾. 프린터 재료 중 고무와 유사하며 유연성을 가진 Rubber-like 물질 (Material A, 1.12~1.13 g/cm³) 중 하나를 선택하여 조직을 구성하였으며, 가장 단단한 물질을 특성을 가진 Rigid opaque 물질(Material B, 1.17~1.18 g/cm³) 중 하나를 선 택하여 소동물의 뼈로 구현하였다⁸⁾. 3차원 소동물 팬텀의 대상으로는 분자 영상학 등에서 널리 사용되고 있는 4D 디 지털 Moby 마우스 팬텀으로 Mimics Software (Materialise, Leuven, Belgium)⁹⁾를 이용하여 다음과 같은 과정을 통하 여 3차원 소동물 팬텀을 제작하였다(Fig. 1).

2.연구 방법

제작된 소동물 팬텀을 대상으로 필름(Gafchromic EBT2, Wayne, NJ)을 통하여 선량평가를 하기 위해서는 선행적으 로 감마선에 대한 프린터 재질의 선행연구가 필요함으로 제 작을 위하여 사용된 두 가지 재료에 대하여 다음과 같은 실 험 조건으로 평가하였다. 방사선치료에서 조직등가물질로 사용되고 있는 bolus (super-flex bolus, 1.03 g/cm³)를 5× 5× 0.5 cm³ 크기로 시편 10개 제작하였으며 이와 동일 한 크기로 프린터 재료에 대하여 제작하였다.

Fig. 2와 같이 60-Co 조사기(Theratron 780, AECL and Kanta, Canada)를 대상으로 최대선량 깊이 지점에 필 름을 위치시켜 1 Gy의 선량을 조사하여 bolus 및 프린터 재 료에 대한 필름의 감도의 차이를 확인하였으며, 동일한 위 치에서 0.5 Gy에서 6 Gy까지 일정한 간격으로 선량을 조사 하여 3가지 재질에서 선량에 따른 필름의 반응의 관계식을 획득하여 비교하였다.

Fig. 3은 3차원 프린터를 이용하여 제작한 소동물 팬텀을 대상으로 60-Co 감마선을 이용하여 조사하는 그림을 나타 내고 있다. 방사선 조사는 Fig. 3에서 확인할 수 있듯이 소 동물 팬텀의 폐를 제외시킨 상태에서 소동물의 복부 중심으 로 선량이 들어가도록 하였다.

소동물 팬텀에 조사된 선량과 소동물 팬텀에 삽입된 필름 을 통하여 계산한 선량을 비교 분석하기 위하여 소동물 팬 텀을 대상으로 5 Gy의 선량으로 조사하였으며, 필름계측을 통하여 계산된 선량과 조사된 선량과의 차이를 다음 식을 이용하였다.식(1)

Ⅲ.결 과

60-Co 감마선의 최대선량 깊이인 0.5 cm에서 두 가지의 3차원 프린터 재료와 bolus에 대하여 0.5 Gy의 선량에서부 터 6 Gy의 선량까지 조사하였을 때 측정된 Optical density 를 비교하였다(Table 1).

1 Gy의 선량을 조사하였을 때, 물질에 따른 필름의 반응 정도는 Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 1% 이내의 차이를 확 인할 수 있었으며, 다른 선량의 경우에도 0.5 Gy의 선량을 제외하고 bolus를 기준으로 두 가지 재료에 대하여 약 1%의 이내를 차이가 나타는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5부터 Fig. 7까지 60-Co 감마선을 이용하여 bolus 및 3차원 프린터 재료에서 선량에 따른 필름의 반응도를 보 여주고 있으며, 관계식은 3차 다항함수에 곡선 적합한 결과 이다.

Fig. 5에서 볼 수 있듯이, 조직등가물질인 bolus에서 선 량에 따른 필름의 반응 관계식은 Y= 99.6X³ -1540.5X² +9473x +26082 (r²= 0.99)이며, 3차원 소동물 팬텀에서 조직과 유사한 물질을 제작하기 위하여 사용된 프린터 재료 를 대상으로 선량에 따른 필름의 반응정도를 평가한 결과는 Y= 121.3X³ -1776.7X² +10232x +25225 (r²= 0.99)이었다 (Fig. 6). 마지막으로 3차원 소동물 팬텀의 뼈로 구현하기 위하여 만든 3차원 프린터 재료에서 관계식은 Y= 93.0X³ -1471.0X² +10232x +25225 (r²= 0.99)이었다(Fig. 7).

3차원 소동물 팬텀 내에 Fig. 8와 같이 필름을 삽입한 후 5 Gy의 선량을 조사하여 변한 필름의 농도 값을 소동물 팬 텀의 조직을 구성한 물질에서 필름과 선량과의 반응관계식 을 이용하여, 선량을 계산하였을 때, 계산된 선량 값은 약 5.08 Gy로 조사된 선량(5 Gy)와 비교하였을 때, 2% 이내의 차이가 있음을 확인하였다.

Ⅳ.고 찰

방사선조사 시 필름을 이용하여 선량을 평가하는 연구들 이 많이 진행되어 왔다^4,10). 본 연구는 3차원 프린터를 이용 하여 소동물 팬텀을 제작하였으며, 이를 대상으로 60-Co 감마선에서 팬텀 내 흡수되는 선량을 필름을 통하여 평가하 였다.

3차원 프린터를 활용한 방사선 연구는 최근 들어 많이 진 행되어 왔다. 예를 들어 Perks et al⁷⁾은 3차원 프린터를 이 용하여 소동물 팬텀을 제작하여 6 MV, 9 MeV의 방사선에 서 MOSEFT 등을 이용하여 선량평가를 진행하였다. 방사선 치료에서 Laycock et al¹¹⁾은 3차원 프린터를 이용하여 방사 선 치료 시 환자를 고정하는 마스크를 맞춤 제작하였으며, Jung et al¹²⁾은 사이버 나이프를 이용한 종양 추적 방사선 치료에서 3차원 프린터를 이용하여 폐 내부의 종양을 제작 하였다. 그리고 Kim et al¹³⁾은 방사선치료 시 조직등가물질 로 사용되고 있는 bolus에 대하여 환자 맞춤형으로 3차원 프린터를 이용하여 제작하였다. 이 밖에 Bache et al^Ref)의 경우에는 쥐를 대상으로 하는 마이크로 체부정위적 방사선 조사(MicroSBRT)에서 쥐의 뼈를 3차원 프린터를 통하여 제작하였다. 방사선을 이용하는 비임상 연구 및 방사선치료 에서 조사되는 선량에 대한 검증 및 방사선조사에 대한 신 뢰성을 높이기 위하여 팬텀 등을 3차원 프린터를 이용하여 제작해왔다.

Table 2은 3차원 프린터를 이용한 방사선 관련 선행 연구 에서 사용된 3차원 프린터 재료와 본 연구에서 사용된 재료 의 밀도를 비교한 결과를 보여주고 있다. 서로 다른 3차원 프린터 재료를 이용하여 팬텀을 제작하였으며, 조직 및 뼈 에 대하여 밀도의 범위는 1.04～1.25 g/cm³임을 확인할 수 있었다.

본 연구는 3차원 프린터 재료에 대한 필름의 반응관계식 을 획득하여 조직과 재료간의 차이에서 생길 수 있는 오차 를 줄여, 선량평가를 하였다.

3차원 프린터 재료와 bolus 사이에서 필름의 반응관계식 의 차이가 작게 나타나므로 조사된 선량과 계산된 선량의 차이가 2% 이내의 차이가 있음을 확인하였다.

하지만 본 연구에서 소동물의 뼈와 조직을 다른 재료로 구현하여 실제 소동물과 유사한 팬텀을 구현하는 부분에 대 해서는 한계성을 가지고 있다. 추후 더 현실적인 3차원 프 린터 재료를 선택하여 MeV 에너지의 방사선이 아닌 KeV 에너지의 방사선에서 3차원 프린터 재료에 대한 평가 및 실 제 소동물과 유사한 팬텀을 구현할 예정이다.

Ⅴ.결 론

본 연구는 방사선을 이용한 비임상 연구에서 조사된 선량 평가를 위하여 3차원 프린터를 이용하여 소동물 팬텀을 제 작하였다. 3차원 프린터 재료에서 선량에 따른 필름의 반응 관계식을 선행적으로 평가한 후 선량 평가를 진행하였으며, 선량평가 시 3차원 프린터 재료로부터 발생하는 선량평가에 대한 오차를 감소시킬 수 있었다. 본 연구를 기반으로 실제 소동물을 대상으로 3차원 프린터를 이용하여 팬텀을 제작하 여, 소동물을 대상으로 방사선 조사하는 비임상 연구에서 조사되는 선량에 대한 신뢰성을 높여 줄 수 있을 것이라 사 료된다.