Ⅰ. 서 론
인터벤션 관련 기술개발에 따라 시술빈도가 증가되고 있 으며, 이로 인한 환자의 방사선 피폭의 위험성 또한 동반하 여 증가되고 있다[1]. 인터벤션 시술은 실시간 방사선 투시 하에 이루어지며, 시술 종류에 따라 혈관조영검사까지 이루 어지므로 일반적인 X선 검사에 비해 상당히 높은 방사선 피 폭을 수반한다. 또한 같은 시술일지라도 시술의 난이도, 환 자의 병변상태, 촬영조건, 시술자의 숙련도 등의 다양한 변 수에 의해 환자는 광범위한 피폭선량을 나타낼 수 있다[2].
국제방사선방호위원회는 ICRP Publication 85를 통해 중 재적 의료절차에서의 환자 및 종사자의 방사선 상해의 예방 을 위한 사항에 대해 권고하고 있다[3]. 이처럼 인터벤션 시 술을 수행하는 피폭환경 내 방사선 방호는 필수적이며, 이에 따라 국내 식품의약품안전처에서도 중재적 시술 시 환자선 량 저감화를 위한 방사선 방어 가이드라인을 개발하는 등 종 사자와 환자의 방사선 피폭 저감화을 위해 지속적인 노력이 이뤄져 왔다[1,4]. 현재 일반적으로 인터벤션 시술 분야에서 사용되는 방사선 차폐기구는 종사자가 사용하는 방사선방어 앞치마(Apron), 갑상선보호대(Thyroid Protector), 납 안경 (Lead glass)과 검사 장비에 부착된 납 커튼(lead curtain shield), 이동형 납 유리(Mobile lead glass) 등이 있다. 이 러한 방사선 차폐기구는 환자 주변부에 위치한 종사자의 방 호 목적으로, 방사선 발생장치에서 발생된 1차선 및 환자에 의한 2차 산란선을 방호하기 위해 사용되고 있다. 그러나, 환자의 경우 검사 및 시술에 따라 인체에 노출되는 피폭범위 와 시술자의 숙련도에 따라 방사선에 대한 노출시간이 광범 위하며, 의료피폭의 경우 선량한도를 두고 규제하지 않는 특 성상 환자에 대한 부가적인 차폐나 선량에 대한 관리는 이뤄 지지 않고 있는 실정이다. 이처럼 인터벤션 시술에서 환자의 방사선 피폭선량의 증가는 결정적 또는 확률적 영향에 기인 한 장해 요인으로 작용할 수 있으며, 불필요한 방사선 피폭 선량 저감을 위한 방사선 방호에 대한 노력이 필요하다.
이에 본 연구에서는 최근 의료분야에서 활용되고 있는 3D 프린팅 기술을 접목하여 인터벤션 시술 시 환자의 방사 선 차폐기구로서의 적용 가능성을 평가하고자 몬테카를로 기법을 통한 전산모사를 수행하였다. 이를 통해 첫 번째로, 인터벤션 시술 시 환자의 인체 장기별 흡수선량 분포를 평 가하고, 두 번째로, 3D 프린팅 재료를 이용한 방사선 차폐 기구 사용 시 환자의 결정장기에 대한 선량감소효과를 산정 하고자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 몬테카를로 전산모사
1) 혈관 조영 및 중재적 시술 장치
본 연구에서는 현재 사용되는 다양한 몬테카를로 코드 중 MCNPX(Ver. 2.5.0)을 이용하였다. 중재적 방사선 시술 장 비에 대한 모의모사를 위해 Allura Xper FD-20(Philips medical, Eindhoven, Netherlands)를 이용하였으며, Table 1과 같이 장치의 기하학적 정보를 토대로 시술 테이블(table), X-ray tube, 검출기(detector)를 모의 모사했다[5].
2) Medical Internal Radiation Dose형 인체팬텀
인체가 방사선에 노출될 때 다양한 체내 조직에 대한 선 량을 직접 측정하기 어렵다. 현재 대안적인 방법으로 인체 와 유사한 구조를 갖는 모의 피폭체를 사용하거나 몬테칼로 코드를 이용한 계산법이 선량측정 방법으로 널리 쓰이고 있 다[6]. 본 연구에서는 환자의 흡수선량에 대한 분석을 위해 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)에서 개발한 Medical Internal Radiation Dose(MIRD)형 인체 혼성팬텀에 대해 모의 모사했다.
3) X선 스펙트럼
인터벤션 시술 시 방사선 발생장치에서 발생된 X선 스펙 트럼을 획득하기 위해 Institute of Physics and Engineering in Medicine(IPEM)에서 개발한 SRS-78 프로그램을 이용 하였다. Allura FD 20 장비의 C-arm Tube의 세부정보 (Target : W, degree : 11°), 필터(0.5 ㎜Cu) 등을 입력하 여, 80 kVp 에너지에 대해 0.5 eV 간격으로 X선 스펙트럼 을 획득하였으며, 이를 선원항으로 지정했다[Fig. 1].
4) 3D 프린팅 차폐기구
인터벤션 시술 분야에서의 3D 프린팅 차폐기구 사용에 대 한 적용성 평가를 위해, 현재 상용화된 FDM 필라멘트에 대해 서 조사하였다. 현재 eSun 3D 프린팅 필라멘트(Shenzhen Esun Industrial Co., China)에서 상용화되어 FDM 방식의 3D 프린터에서 사용되는 PLA(Poly lactic acid)와 금속 필라 멘트 혼합재료인 PLA+Aluminum(Al-40%), PLA+Copper (Cu-40%), PLA+Iron(Fe-40%), PLA+Stainless steel(40%) 를 이용했다[7]. 또한 GMASS (Turner MedTech, W, Orem, United States of America)라는 고밀도 3D 프린터 필라멘트 인 ABS+Bismuth(Bi-40%), ABS+Tungsten(W-40%)에 대 한 정보를 참조하였다[8]. 본 연구에서는 3D 프린트 재료에 대한 물성 정보를 토대로 인체 장기 중 방사선에 민감한 장기 인 눈, 갑상선, 유방, 생식선 등을 방호하기 위해 두경부, 유 방, 생식선에 대한 3가지 차폐기구에 대해 단순 모사했다 [Fig. 2].
2. 실험방법
1) 시술 부위별 인체 장기에 대한 흡수선량 측정
인터벤션 시술 시 부위별로 노출되는 환자의 인체 장기에 대한 선량분포를 측정하기 위해 앞서 모사한 검사장치의 테 이블 위에 환자 팬텀을 위치시켰다[Fig. 3(a)]. 시술 부위는 크게 두경부(Head & Neck), 흉부(Chest), 복부(Abdomen) 로 구분하였으며, 검사 조건은 복부 시술 시 사용 조건을 고 려하여 80 kVp, 20 mA로 고정하였고, 방사선 조사범위는 테이블 아래 X선 튜브의 중심에서 검출부 전체에 포함되도 록 방사형으로 설정하였다. 시술 부위별로 분당 방사선 투 시하에 노출되는 인체 장기별 흡수선량 분포를 평가하고자, 관심지점(Tally)는 유방(Breast), 폐(Lungs), 위(Stomach), 간(Liver), 식도(Esophagus), 갑상선(Thyroid), 정소(Testis), 대뇌(Brain), 신장(Kidney), 타액선(Salivary gland), 췌장 (Pancreas), 전립선(Prostate), 자궁/경부(Uterus/Cervix), 난소(Ovaries), 눈(Eyes)에 대해 지정하였다. Tally Specification card는 f6 tally을 이용하였으며, 팬텀의 각 장기 내 흡수된 단위 질량당 축적된 에너지 분포(MeV/g)를 획득하였으며, 보정계수(Normalization factor)를 이용하 여 흡수선량(mGy) 단위로 변환했다. 모의실험 내 반복횟수 (nps)는 108번 시행하였으며, 결과값에 대한 불확도는 3% 이내로 분석되었다.
2) 3D 프린팅 차폐기구 사용 시 인체 결정장기별 선 량감소효과 평가
다양한 인체 장기 중 결정장기에 대한 방사선 방호를 위 해 눈과 갑상선을 포함하고 있는 두경부, 유방, 생식선 등에 방사선 차폐기구를 Fig. 3[b]와 같이 환자와 시술 테이블 사 이에 직육면체 크기로 단순 모사한 후 3D 프린팅 재료 및 두께(5, 10, 15, 20, 25 ㎜)에 따른 흡수선량을 평가하였다. 앞서 평가한 인체 장기별 흡수선량을 기준으로 각 장기별 선량감소효과를 산정하였다. 시술 범위에 포함되는 인체 결 정장기에 대한 방사선 방호는 인터벤션 시술 시 방해요소로 작용될 수 있으므로, 시술 필드(field of view; FOV)에 포 함되는 결정장기는 방호하지 않은 상태에서 선량평가를 수 행하였다. 모사한 3D 프린팅 차폐기구에 대한 차폐효율에 대한 비교 분석을 위해 동일한 조건 내 현재 일반적인 차폐 물질로 사용되는 납(Pb, density : 11.34 g/cm3)에 대한 추 가적인 평가를 수행하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 시술 부위별 환자의 인체 장기별 흡수선량 분포
인터벤션 시술 시 방사선 투시 하에 노출되는 환자의 인 체 장기별 흡수선량 분포를 측정하고자 몬테카를로 기법을 기반으로 한 전산모사를 수행하였으며, 각 시술 부위별로 평가한 장기별 흡수선량은 Table 2와 같다.
첫 번째, 방사선 투시 하에 분당 시술 부위에 따른 인체 장기별 흡수선량 분석 결과, 두경부 시술 시 방사선 조사 범 위 내 포함되는 대뇌의 경우 75.63 mGy, 갑상선 53.88 mGy, 타액선 45.27 mGy, 눈 10.42 mGy의 흡수선량 분포 를 보였다. 시술 시 관심 범위에 근접한 폐와 식도의 경우 각각 15.79 mGy, 12.09 mGy의 선량분포를 보였으며, 유방 은 2.28 mGy로 상대적으로 낮은 결과를 보였다. 상복부 장 기인 간의 경우 4.41 mGy, 위는 2.14 mGy, 췌장 3.49 mGy의 흡수선량 분포를 나타내었으며, 후복막장기인 신장 의 경우 11.76 mGy 다른 복부 장기 중 상당히 높은 선량분 포를 보였다. 하복부에 위치한 자궁/경부의 경우 0.91 mGy, 난소 1.25 mGy, 전립선 0.49 mGy, 정소 0.20 mGy 의 흡수선량 분포를 나타내었다.
두 번째, 흉부 시술 시 방사선 조사 범위 내 포함되는 폐 의 경우 84.46 mGy, 식도 47.97 mGy, 유방 13.70 mGy의 흡수선량 분포를 보였다. 시술 시 관심 범위에 인접한 상복 부 장기인 간의 경우 26.68 mGy, 위 14.11 mGy, 췌장 25.45 mGy의 선량분포를 보였으며, 신장은 46.80 mGy으 로 상당히 높은 선량분포를 나타내었다. 두경부에 위치한 갑상선의 경우 9.40 mGy, 대뇌 7.01 mGy, 타액선 5.70 mGy, 눈 1.20 mGy 를 보였으며, 그 외 하복부 장기인 자궁 /경부의 경우 3.47 mGy, 난소 4.87 mGy, 전립선 2.16 mGy, 정소 0.67 mGy 의 흡수선량 분포를 나타내었다.
세 번째, 복부 시술 시 방사선 조사 범위 내 포함되는 하 복부 장기인 난소의 경우 62.06 mGy, 자궁/경부 52.82 mGy, 전립선 46.35 mGy, 신장 34.07 mGy, 정소 13.86 mGy의 흡수선량 분포를 나타내었다. 이에 비해 상복부 장 기 중 신장의 경우 34.07 mGy, 간의 경우 7.67 mGy, 위 5.06 mGy, 췌장 7.53 mGy의 선량분포를 보였다. 시술 시 관심 범위에 근접한 폐의 경우 7.64 mGy, 식도 3.35 mGy, 유방 0.99 mGy의 흡수선량 분포를 나타내었으며, 그 외 두경부에 위치한 갑상선의 경우 1.11 mGy, 대뇌 1.32 mGy, 타액선 0.79 mGy, 눈 0.21 mGy의 선량분포를 보였다[Fig. 4].
2. 3D 프린팅 차폐기구 사용 시 주변 결정장기에 대한 선량감소효과
인터벤션 시술 시 노출되는 인체 장기별 흡수선량을 기준 으로 3D 프린팅 재료 및 두께에 따른 선량감소효과를 산정 하였다. 그 결과 첫 번째, 두경부 시술 시 3D 프린팅 차폐기 구 사용에 따른 결정장기의 선량감소효과에 대한 평가 결 과, 일반적인 FDM 방식에서 사용되는 PLA 재료의 경우, 유방에서 1.9 ∼ 8.3%, 정소 5.2 ∼ 27.9%로 가장 낮은 선 량감소효과를 보였고, 난소에서는 -10.3 ∼ -4.2%로 오히 려 선량이 증가되는 경향을 나타내었다. 이에 비해 혼합재 료 중 ABS+W의 경우, 유방에서 22.5 ∼ 23.7%, 정소 24.7 ∼ 49.0%, 난소 4.4 ∼ 8.2%로 재료 중 가장 높은 선량감소 효과를 보였다. 그 외 프린팅 재료에 대한 평가결과, ABS+Bi, PLA+SS, PLA+Cu, PLA+Fe, PLA+Al의 순서로 재료의 실효원자번호와 밀도에 비례하여 높은 선량감소효과를 나 타내었다(Table 3).
흉부 시술 시 프린팅 차폐기구 사용에 따른 결정장기에 대한 선량감소효과 평가 결과, PLA 재료의 경우, 눈에서 7.5 ∼ 23.2%, 갑상선 1.5 ∼ 5.8%, 정소 5.0 ∼ 23.1, 난소 0.6 ∼ 2.9%로 가장 낮은 선량감소효과를 보였다. 이에 비 해 혼합재료 중 ABS+W의 경우, 눈에서 27.3 ∼ 50.3%, 갑 상선 14.2 ∼ 25.1%, 정소 48.0 ∼ 68.1, 난소 8.9 ∼ 25.3% 로 가장 높은 선량감소효과를 보였다. 그 외 프린팅 재료에 대한 평가결과, 두경부 시술 시와 거의 유사한 경향을 보였 으며, ABS+Bi, PLA+SS, PLA+Cu, PLA+Fe, PLA+Al 순 서로 높은 선량감소효과를 나타내었다(Table 4).
복부 시술 시 프린팅 차폐기구 사용에 따른 결정장기에 대한 선량감소효과 평가 결과, 일반적인 FDM 방식인 PLA 재료의 경우 눈에서 -18.6 ∼ 20.5%, 갑상선 -7.7 ∼ 9.5%, 유방 3.4 ∼ 9.6%로 낮은 두께에서 눈과 갑상선의 선 량이 오히려 증가되는 경향을 보였으나, 이후 두께 증가에 따라 선량이 감소되는 양상을 띄었다. 이에 비해 혼합재료 중 ABS+W의 경우 눈에서 -4.0 ∼ 26.5%, 갑상선 18.1 ∼ 34.5%, 유방 21.0 ∼ 34.9%로 가장 높은 선량감소효과를 보였다. 그러나, 눈의 경우 PLA 재료와 동일하게 낮은 두께 에서는 오히려 선량이 증가되는 경향을 나타내었으나, 두께 증가에 따라 유의한 선량감소효과를 보였다. 그 외 프린팅 재료에 대한 평가결과, 두경부와 흉부 시술 시 평가결과와 유사한 경향을 보였다(Table 5).
위 결과에 따라서 인터벤션 시술 시 3D 프린팅 차폐기구 사용을 통한 결정장기에 대한 선량감소효과는 생식선 중 정 소가 가장 높은 효과를 보였고, 그 외 장기의 경우 눈, 갑상 선, 유방, 난소의 순서로 점차 선량감소효과가 낮아지는 결 과를 나타내었다.
또한 3D 프린팅 재료에 대한 방사선 차폐효과에 대한 비 교를 위해 동일한 조건 내 납 5 ㎜ 두께에서 추가적으로 비 교한 결과, ABS+W의 경우 두경부 시술 시 결정 장기별로 납 대비 최소 81.2 ∼ 최대 87.9%, 흉부 시술 시 최소 84.0 ∼ 88.1%의 정도의 차폐효과를 나타내었다. 그러나, 복부 시술 시에는 눈의 경우 납 대비 -18.6%, 갑상선은 89.5%, 유방의 경우 111.8%으로, 눈의 경우 납이 우수한 차폐효과 를 보였으나, 유방의 경우 더 높은 차폐효과를 나타내었다 [Fig. 5].
Ⅳ. 고 찰
뇌혈관, 심혈관, 말초혈관질환, 출혈 및 간암의 치료 등 시급을 요하는 질환에서 최소한의 침습적인 기술인 인터벤 션 시술(Intervention Radiology; IR)의 빈도는 가파르게 증가하고 있다[9,10]. 그러나 방사선 투시 유도 하에 이루어 지는 특성상 불가피한 방사선 피폭의 증가는 환자의 결정적 또는 확률적 장해를 일으킬 수 있는 위험 요인으로 작용할 수 있다[11]. 과거 인터벤션 분야 내 종사자에 대한 방사선 피폭에 관한 연구 등은 다양하게 이뤄져 왔지만[12], 현재 인터벤션 시술 시 수반되는 환자의 의료피폭은 진단 및 치 료의 목적을 위한 정당성이 확보된다는 이유로 관리가 다소 소홀한 실정이다[13]. 이에 따라 현재 시술을 시행하는 의사 및 시술보조자는 환자에 대한 선량 수준을 명확히 인지하고 과도하게 노출되는 방사선 피폭을 최대한 줄이는 노력이 필 요하다. 과거 연구에서는 인터벤션 시술 시 환자 선량에 대 한 기준 권고안을 만들고자 하는 연구가 있었으나[14], 시술 시 환자의 피폭선량은 다양한 요인에 의해 정확하게 규정하 기는 어렵다[15,16].
본 연구에서는 인터벤션 시술 시 방사선 투시 하에 노출 되는 인체 장기에 대한 선량을 평가하고, 선량 저감화를 위 한 3D 프린팅 차폐기구에 대한 적용성을 평가하고자 몬테 카를로 전산모사를 수행하였다. 시술 부위에 따른 장기선량 의 경우, X선 발생지점과의 거리가 원거리에 위치한 장기 일수록 낮은 선량 분포를 나타내었으며, 이는 거리 역자승 법칙에 따른 결과일 것으로 생각된다. 또한 인체 후면부에 위치한 신장과 같은 장기 선량의 경우, 1차적으로 발생된 X 선과 시술 테이블과 상호작용으로 발생된 2차적인 산란선 의해 상대적으로 높은 선량분포를 나타낸 것으로 사료되며, 방사선이 입사되는 인체 후면부에 근접한 표재성 장기일수 록 그 영향이 더 높은 것으로 분석되었다. 인터벤션 시술 시 환자의 결정장기에 대한 피폭선량 저감화를 위해 시술 범위 이외 3D 프린팅 차폐기구 사용에 따른 선량감소효과 에 대한 분석 결과, 재료의 원자번호 및 밀도에 비례하여 높은 선량감소효과를 나타내었으며, 이는 광자와 물질과의 상호작용 비율이 증가된 요인으로 생각된다. 또한 기존에 사용되고 있는 납 차폐체의 추가적인 분석을 통해 ABS+W 의 경우, 납 대비 최소 81% 이상의 선량감소효과를 나타내 었으나, 원거리에 위치한 눈과 같은 장기에서 선량이 오히 려 다소 증가되는 결과를 보였다. 이는 불규칙한 산란선 영 향에 의한 것으로 생각되며, 적절한 차폐재료를 이용한 방 사선 방호는 환자의 장기선량 저감화에 도움 될 수 있을 것 으로 사료된다.
과거 백 등의 연구에서는 간동맥화학색전술에 대해 시술 범위 외 0.35 ㎜Pb 차폐체를 통해 생식선에서 48%, 좌측 수 정체에서 86% 감소효과를 나타낸다는 보고가 있으며[17], 본 연구에서도 ABS+W 사용 시 생식선에서 그에 상응한 결 과를 나타내었다. 이처럼 인터벤션 시술 시 방사선 투시 하 에 선량을 줄이기 위해 차폐기구를 사용하는 것은 인체 장 기별로 선량감소에 도움을 줄 수 있으나, 시술 부위 내 방사 선 차폐기구가 포함되었을 경우, 검사 장비의 자동노출조절 (Auto Exposure Control; AEC)을 통해 동일한 투시영상의 화질을 유지하기 위해, 관전압, 관전류 등이 증가되어 환자 에게 더 많은 피폭선량을 수반할 수 있다. 이에 따라 임상적 으로 시행되는 시술 종류에 따라 실시간 방사선 투시 및 혈 관조영을 위한 검사 범위를 사전에 선정하고, 불필요하게 노출되는 환자 부위에 대해서는 산란선에 의한 주변 장기 피폭에 대한 영향을 인지하여야 할 것이다. 이를 감소시키 기 위해 적절한 부위별 환자의 차폐기구 사용이 이뤄진다면 환자로 하여금 불필요한 의료피폭 최적화에 도움될 것이라 사료된다. 또한 환자의 피폭선량 저감화는 동시에 방사선 관계 종사자인 의사 및 시술보조자의 피폭선량을 저감할 수 있는 방안이므로 적극적인 방호를 위한 노력을 기울여야 할 것으로 판단된다.
Ⅴ. 결 론
인터벤션 시술 시 인체 장기선량 분석을 통해 시술 부위 에 따른 선량분포는 각기 다른 양상을 보였으며, 2차적인 산란선에 의해 시술 범위 이외 주변 표재성 장기에도 높은 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한 중재적 시술 시 3D 프린팅 재료를 이용한 차폐분석을 통해 ABS+W의 경우, 납 대비 최소 81% 이상의 감소효과를 나타내었으며, 시술 부위 주변 결정장기에 대한 선량 저감화를 위해 충분히 활용 가 능할 것으로 사료된다. 이에 따라 의료분야 내 인터벤션 시 술을 수행하는 시술자 및 시술보조자는 환자선량에 대해 간 과해서는 안될 것이며, 최적화된 검사 조건의 사용뿐만 아 니라 방사선 차폐를 통해 의료피폭을 최소화하기 위한 노력 이 필요할 것으로 판단된다.
