Ⅰ. 서 론
3D 프린팅 기술은 의료, 전자, 자동차, 항공·우주 등 다양 한 분야에서 폭넓게 활용되고 있으며, 시장 규모는 전 세계 적으로 증가 추세를 보이고 있다[1]. 국내 3D 프린팅 시장은 주요 선진국에 비해 미비한 수준이지만, 뒤늦은 기술 도입 과 개발을 통해 시장 규모를 점층적으로 넓히고 있다[2]. 3D 프린팅을 활용한 의료 산업은 기존에 할 수 없었던 일을 가능하게 하고 있으며, 그 예로 인공관절, 인공장기, 뼈, 치 아 등과 같은 다양한 부분에서 적용되고 있다[3]. 다품종 소 량생산은 3D 프린팅의 가장 큰 장점으로 특히, 순수 티타늄 (Titanium) 소재로 제작된 인공 두개골을 이용한 두개골 수 술은 환자 개인의 맞춤형 서비스를 제공하였다. 태아의 심 장과 같이 정밀성이 요구되는 수술 역시 맞춤형 모형을 통 한 모의 수술이 가능하게 되었다. 치아, 의족, 의수와 같은 비수술 분야도 마찬가지이다[4].
이러한 3D 프린팅 기술은 3D 스캔, CAD(Computer aided design)와 같은 프로그램을 이용하여 모델링 등의 과정을 거치고, 삼차원 설계도면이 만들어진다. 그 다음 플라스틱, 금속 등의 재료를 이용하여 3차원으로 물품을 생산하는 기 술이다[5]. 3D system(USA)에서 첫 개발을 시작한 이후 계속 적인 연구와 발전을 거듭하여 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer)나 PLA(Polylactic acid)같은 플라스 틱 재료를 녹인 후 분출하여 단면을 쌓아가는 FDM(Fused deposition modeling)방식이 개발되었다[6]. 이 방식은 기 존의 방식보다 비교적 저렴하고 단순하여 대중에게도 3D 프 린팅 기술이 보편화되는 계기가 되었다.
그 후, 3D 프린팅 기술은 빠르게 발전하였으며 현재는 다 양한 잉크소재들을 활용하여 단순 물건을 제조해 내는 것을 넘어 많은 분야에 적용되고 있다. 제조업에서는 가구디자인 분야에 이용되기도 하며, 건축 분야에서는 건축 전 모형의 제작을 넘어 직접 건물을 짓는 방식도 개발되고 있다[7, 8]. 또한 2014년 NASA에서는 금속 3D 프린팅 기술로 로켓엔진 부품의 연소 테스트에 성공하기도 하였다[9].
이처럼 3D 프린팅 기술은 다양한 분야에서 활용 가능성을 보여주고 있으며, 특히 의학 분야에서는 인공 뼈, 인공 관절 등 인체에서 맞춤 제작이 필요한 보형물을 제작하는 연구도 진행되고 있다[10]. 영상의학 분야에서는 3D 프린팅의 주재 료인 ABS와 PLA를 팬텀의 재료로 제작되기도 하였으며, 기 존에 이용되는 PMMA(Polymethylmethacrylate) 팬텀 재 료와 X선의 에너지 감약계수를 비교하였으며, 이를 통해 기 존의 팬텀을 대체할 수 있는 가능성이 확인되었다[11].
이러한 활용과 함께 핵의학 분야에서도 3D 프린팅으로 제작된 팬텀에 대해서 감마카메라에 적용 가능성에 대한 연 구가 진행된 바 있다[12]. 하지만 핵의학 분야에서는 방사성 동위원소를 사용하여 팬텀을 활용해야하는 제한점으로 다 양한 연구가 미비한 실정이다. 일부 3D 프린팅을 활용한 동 적심장팬텀, 정도관리 팬텀 등에 적용하고 있지만 다른 분 야에 비해 활발한 연구가 진행되지 못하고 있다.
단일광자방출 컴퓨터단층촬영(SPECT : Single photon emission computed tomography)에서 사용되고 있는 뇌 팬텀의 경우, 1990년 Hoffman 등에 의해 고안되어 뇌의 혈 류와 신진대사를 재현하기 위한 목적으로 제작되었다. 본 연구에서는 현재 PET과 SPECT를 이용한 다양한 연구를 위 해 이용되고 있는 뇌팬텀을 3D 프린트를 적용하여 제작하였 다. 보다 구체적으로는 CT를 이용하여 SPECT 뇌 팬텀을 3D 프린팅 기술을 적용하였으며, 팬텀의 유용성을 평가하 고자 하였다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 팬텀 제작
기존 팬텀의 주재료인 PMMA소재의 Hoffman 뇌 팬텀 (Hoffman brain phantom)내부 형태에 대한 정보를 얻기 위해서 CT(Definition AS, SIEMENS, Germany)촬영을 시 행하였다. 촬영조건은 120 kV, 35 mA, 2.7 s, 0.6 mm 단 면두께로 스캔(scan)하였으며, DICOM(Digital imaging and communications in medicine)파일을 얻었다(Fig. 1).
획득한 DICOM파일은 CT값의 차이를 이용하여 3D slicer(4.10.1 Version)를 통해 3D 프린팅이 가능한 형식인 STL(Stereolithography)파일로 변환하였다(Fig. 2).
파일 변환 후 거칠게 나타나는 표면을 후처리를 위하여 Meshmixer(Autodesk, San Rafael, USA)를 사용하였으 며, 부드럽게 다듬어 준 후 모델링을 완성하였다(Fig. 3).
수정한 STL파일은 ABS소재를 이용하여 3D 프린팅의 SLA(Stereo lithography apparatus)방식으로 위, 아랫면 으로 나누어 출력한 후 결합하였다(Fig. 4).
2. 영상 획득
SPECT/CT Discovery NM/CT670(GE Healthcare, USA)를 적용하여 영상을 획득하였다(Fig. 5).
영상획득 과정은 물 1 L에 99mTcO4 1 mCi를 동일하게 Hoffman 뇌 팬텀과 3D 프린팅 제작 팬텀에 가득 채운 후, 각각 Brain SPECT 검사절차에 따라 검사 테이블 높이는 95 cm, 20 sec/frame로 23분간 획득하였다(Fig. 6).
3. 영상 분석 및 평가
1) SNR(Signal to Noise Ratio)비교
핵의학단층촬영 영상에서 잡음(noise)은 배후방사능이나 산란선 혹은 영상을 왜곡시키는 모든 요인을 포함하기 때문에 산란선을 평가하는 지표인 SNR을 비교하여 평가하였다. Hoffman 뇌 팬텀과 3D 프린팅 제작 팬텀의 영상을 Image J(LOCI, University of Wisconsin, Madison, USA)를 통하여 다음의 식(1)을 이용한 방식으로 각 단면(slice)별 SNR을 구하 였다[10]. 기준영상은 잡음을 제거하는 AC(Attenuation correction)영상을 적용하였다.
2) Intensity Value 비교
Hoffman 뇌 팬텀은 뇌의 백질(White matte)과 회백질 (Gray matter) 부분에서 일정한 비율의 방사성동위원소의 분포가 나타나도록 설계되었다. 따라서 획득한 영상의 분석 을 위하여 백질과 회백질 부분에 10 × 10 mm2의 ROI (Region of interest)을 설정한 후, ROI내의 평균 농도값을 비교하였다(Fig. 7). 또한 통계적 유의성을 확인하기 위하 여 SPSS(20.0 Version)을 사용하였다.
Ⅲ. 결 과
1. SNR 비교
Hoffman 뇌 팬텀의 SNR은 슬라이스(Slice) 10에서 최대 값 5.45, 슬라이스 12에서 최소값 5.00, 평균 5.32였으며, 3D 프린팅 제작 팬텀은 슬라이스 2에서 최대값 5.72, 슬라 이스 1에서 최소값 5.00, 평균 5.43으로 나타났다(Table 1). 각 단면의 SNR에 대한 변동계수는 Hoffman 뇌 팬텀이 2.10%, 3D 프린팅 제작 팬텀이 3.00%였다.
2. Intensity Value 비교
Hoffman 뇌 팬텀에서는 백질에서는 9.59, 회백질에서는 32.64의 Intensity Value가 나타났다. 3D 프린팅 제작 팬 텀에서는 백질에서는 13.32, 회백질에서는 42.98의 Intensity Value가 나타났다(Table 2), (Fig. 8). 또한 통계적 유의성 을 확인하기 위하여 SPSS(20.0 Version)을 사용하였다. 통 계적으로 P-value가 0.05 이하로 유의하였다.
Ⅳ. 고 찰
정보통신산업진흥원이 발표한 2018년 3D 프린팅 산업 실 태조사 보고서에 따르면, 3D 프린팅 시장규모는 전년대비 2017년에는 19.4%, 2018년에는 16.2% 성장하여 3,958.4억 원 을 기록하며 꾸준히 성장하고 있다. 핵의학 분야에서도 이 러한 3D 프린팅 기술을 정도관리 등에 활용되는 팬텀 제작 에 활용할 수 있을 것으로 보고 연구가 진행된 바 있다[13].
본 연구에서는 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작한 핵의 학 팬텀의 유용성을 영상에서 나타나는 SNR과 Intensity Value를 이용하여 평가하였으며, 결과에서 SNR의 경우, 3D 프린팅 제작 팬텀이 Hoffman 뇌 팬텀보다 0.1 높았다. Intensity Value의 경우, Hoffman 뇌 팬텀과 3D 프린팅 제작 팬텀이 차이가 있었지만 백질과 회백질에서 나타나는 Intensity Value의 비가 Hoffman 뇌 팬텀은 1 : 3.4, 3D 프린팅 제작 팬텀은 1 : 3.2의 비율로 근사치를 나타냈다. 따라서 추후 보정치를 산출하여 적용한다면 Hoffman 뇌 팬 텀을 대체하여 3D 프린팅 제작 팬텀의 활용이 가능할 것으 로 생각된다.
본 연구를 통해 핵의학 정도관리분야에서 확장된 적용이 가능하며, 현재 임상에서는 팬텀을 이용한 장비 성능 및 영 상 화질 평가에 있어 해외 팬텀 구입에 어려움이 있고, 표준 화된 팬텀의 경우 가격적인 부담이 되는 애로사항을 가지고 있기에 본 연구가 국내에서 안정화된 팬텀에 대한 평가방법 정착에 도움이 되리라 여겨진다. 또한 세계적으로 3D 프린 팅 기반 팬텀의 제작 및 활용이 미비하고, 영상의 품질관리 에 대한 세계적인 표준이 정해지지 않은 분야로 이와 관련 된 지속적인 연구는 국가적으로 최신기술을 선점할 수 있는 기회를 가질 수 있다고 생각된다.
그러나, 본 연구에서는 3D 프린팅에서는 가장 보편적인 ABS 소재만을 적용하였기에 보다 다양한 소재의 적용이 필 요하리라 사료된다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 핵의학 분야에서 3D 프린팅 기술의 적용 가능성을 확인하고자 연구를 진행하였으며 기존 핵의학 분 야에서 사용하는 Hoffman 뇌 팬텀과 3D 프린팅 제작 팬텀 을 비교한 결과, 각 슬라이스에서 SNR값은 근사치로 나타 났고 백질과 회백질의 ROI에 따른 Intensity Value 비율도 일정했다.
따라서 본 연구를 바탕으로 3D 프린팅 기술이 핵의학 분 야에서 유용하게 사용될 수 있는 가능성이 확인되었다. 향 후 발전된 3D 프린팅 기술이 핵의학 분야에 다양하게 적용 된다면, 정도관리의 효율적 검사와 비용감소에도 기여할 수 있을 것이라 생각된다.
