Ⅰ. 서 론

3D 프린팅 기술은 3차원 스캔이나 3차원 모델링을 통하 여 획득된 디지털 데이터를 적층가공 방식으로 제작하는 가공기술이며, 현재까지 많은 파생기술이 개발되어 시제품 제작 수준에서의 활용을 넘어 각종 산업현장 및 의료분야 에서 다양하게 활용되었다[1]. 이는 디지털 데이터로부터 금형(mold)없이 직접적인 생산이 가능하고 실물 형상의 제 품을 빠른 시간 내에 제작할 수 있다는 점에서 맞춤형 소량 생산 제품 활용에 매우 효과적이며, 의료 소재 및 팬텀 등 으로 제작되어 의료분야에서 또한 다양한 용도로 활용되고 있다[2].

국내에서 대표적인 의료 분야 활용 사례로 코가 없는 어 린이의 인공 콧구멍과 기도를 만드는 수술에 이용하여 실리 콘으로 제작된 인공 기관의 이식을 성공한 사례가 있다[3]. 또한, 전산화단층촬영(computed tomography; CT)나 자기 공명영상(magnetic resonance imaging; MRI)같은 영상의 학 기술을 기반으로 3D 프린팅 기술로 제작된 골절 모델을 이용하여 수술 전 시뮬레이션을 하고, 이를 통해 수술 계획 을 세워 시간의 단축과 수술의 정확성을 높이는 등 폭넓게 활용되고 있다[4]. 이에 따라 3D 프린팅 기술과 영상의학 기술의 융합에 관련된 많은 연구가 진행되고 있는 실정이 다[5]. 방사선 치료 분야에서도 활발히 활용되고 있다. 최근 제작된 전립샘팬텀으로 생체 내 선량측정을 진행하였으며, 다양한 연구를 통해 확인되고 있다[6].

하지만 핵의학 분야에서의 활용은 현재까지 미비하 여 관련 연구가 부족할 뿐만 아니라 최근 감마카메라나 SPECT/CT와 같은 의료영상장치의 정도관리 시행여부 및 적정한 관리가 의료기관 평가 및 여러 의료관련 인증에서 평가항목 요소가 되어 중요성이 높아지고 있다. 주변 선진 국에서도 핵의학 영상기기의 정도관리를 위한 자체적 표준 구축을 위한 연구가 활발히 진행 중이며 일본, 유럽 등에서 도 지침서를 서둘러 준비하고 있다[7].

그러나 현재의 국내 사정은 이를 뒷받침하기 위한 전문가 가 절대적으로 부족할 뿐만 아니라 시간상의 제약과 정도관 리에 대한 인식 부족 등으로 정도관리가 활발히 시행되고 있지 못한 것이 현실이다[8].

이에 따라 핵의학 장비의 정도관리 측면에서 기존 핵의학 팬텀과 비교하여 3D 프린팅 기술로 제작된 팬텀(Phantom) 의 물질특성을 비교 연구한다면, 핵의학 분야에서 유용하게 활용할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 기 존 핵의학 팬텀과 3D 프린팅 기술로 제작된 팬텀의 물질 특 성을 비교하고 유용성을 평가하는데 목적을 두었다. 더 나 아가 향후 핵의학 분야에서의 활용에 기초 연구 자료로 활 용하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 팬텀제작

재질에 따른 방사선의 투과도 변화를 측정하기 위해 알루 미늄 계단쐐기(Step Wedge)를 기준으로 실측(140 mm × 62 mm × 35 mm)하여 다음 도면을 제작하였다(Fig. 1).

설계 도면을 바탕으로 PMMA(Poly Methyl Meta Acrylate) 와 ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)재질로 각각 동일한 크기의 팬텀을 제작하였다. PMMA 팬텀은 핵의학 분야에서 정도관리를 위해 사용되는 아크릴 성분의 주종으 로 팬텀 성분과 동일한 소재인 PMMA를 적용하였으며, ABS 팬텀 제작은 3D 프린팅 기술의 대표적인 FDM(Fused Deposition Modeling), SLA(Stereo Lithography Apparatus), DLP(Digital Light Processing)기법 중 액체기반형의 SLA 기법을 사용하여 제작하였다(Fig. 2).

2. 영상획득

본 연구는 SPECT/CT BrightView XCT(Philips Health Care, Cleveland, USA)를 이용하였다. 영상의 획득은 장선 원 Rectangular Flood Phantom(Biodex, New York, USA) ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), 6 mCi (222MBq)와 ⁵⁷Co Flood Phantom(Radqual, New Hampshire, USA) 20 mCi(740 MBq)로 제작 된 것으로 실험 기준 8.5 mCi(314.5 MBq)을 적용하였다. 장선원 위에 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀을 각각 위치시킨 후 60분간 영상을 획득하였다(Fig. 3).

3. 영상분석

1) 관심영역의 설정

획득한 영상의 정확한 비교와 분석을 위해 각각의 물질별 로 1단계에서 11단계까지 동일하게 관심영역(region of interest; ROI)을 설정하여 각 단계의 두께에 따른 투과계 수를 측정하였고, 동일한 크기의 관심영역을 백그라운드 (background)영역에 설정하여 투과 전 실제계수를 측정하 여 각 결과값에 반영하였다(Fig. 4).

2) 방사성동위원소에 따른 물질별 계수 변화 비교

사용된 방사성동위원소는 Rectangular Flood Phantom ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), 6 mCi (222MBq)와 ⁵⁷Co Flood phantom으로 각각 다른 방사성동위원소를 사용함으로써 획득된 영상을 바탕으로 계수변화 차이와 그 추이를 비교 평가하였다.

3) 물질 간 계수 차이 비교

물질에 따른 계수의 차이를 비교하기 위하여 Aluminum 팬텀을 기준으로 각 물질별 계수변화 차이와 그 추이를 비 교 평가하였다.

4) 물질별 선감약계수 비교

수식[1]을 이용하여 백그라운드 영역에서 측정된 계수 (count)를 감쇠 전 실제계수(I₀ )로 두고, 각 팬텀의 계단쐐 기별 재질의 두께(x )에 따라 11단계까지 투과된 투과계수 (I )를 측정하여 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀의 물질별 선 감약계수(Linear attenuation coefficient, μ)를 산출하여 비교 평가하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 방사성동위원소에 따른 물질별 계수치 변화

1) Rectangular Flood Phantom ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq) 에 대한 물질별 계수치 비교

계단쐐기 1단계에서의 계수치는 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀 순으로 26347, 28469, 27747의 값이 계수되었 다. 단계가 증가함에 따라 계수치는 선형적으로 감소하였으 며 11단계에서의 계수치는 1단계에서의 계수치에 비해 Aluminum, PMMA, ABS 순으로 50.4%, 28.5%, 27.2%가 감소하였다(Fig. 5).

2) Rectangular Flood Phantom ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq) 에 대한 물질별 계수치 비교

계단쐐기 1단계에서의 계수치는 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀 순으로 52876, 57668, 56759의 값이 계수되었다. 단계 가 증가함에 따라 계수치는 선형적으로 감소하였으며 11단 계에서의 계수치는 1단계에서의 계수치에 비해 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀 순으로 50.1%, 27.3%, 28.6%가 감소하 였다(Fig. 6).

3) ⁵⁷Co Flood Phantom에 대한 물질별 계수치 비교

계단쐐기 1단계에서의 계수치는 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀 순으로 75266, 78305, 76683의 값이 계수되었다. 단계 가 증가함에 따라 계수치는 선형적으로 감소하였으며 11단 계에서의 계수치는 1단계에서의 계수치에 비해 Aluminum, PMMA, ABS 팬텀 순으로 44.2%, 22.8%, 24.0%가 감소하 였다(Fig. 7).

2. Aluminum 팬텀을 기준으로 한 물질별 계수치 차이 비교

1) Aluminum 팬텀과 PMMA 팬텀의 계수치 차이 비교

Aluminum 팬텀의 계단쐐기 1단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 26,347, 52,876, 75,266의 값이 계수되었으며, PMMA 팬텀의 1단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom순으로 28,469, 57,668, 78,035의 값이 계수되었다.

Aluminum 팬텀의 계단쐐기 11단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi, ^99mTcO₄ 6 mCi, ⁵⁷Co phantom 순으로 13,084, 26,426, 42,064의 값이 계수되었으며, PMMA 팬텀의 11단 계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 20,382, 41,879, 60,321의 값 이 계수되었다(Fig. 8).

Aluminum 팬텀과 PMMA 팬텀의 계단쐐기 1단계 계수치 차이는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 2,122, 4,792, 2,769이었으며, 계단 쐐기 11단계 계수치의 차이는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 7,298, 15,453, 18,257이었다(Table 1).

2) Aluminum 팬텀과 ABS 팬텀의 계수치 차이 비교

Aluminum 팬텀의 계단쐐기 1단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 26,347, 52,876, 75,266의 값이 계수되었으며, ABS 팬텀의 계단쐐기 1단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 27,747, 56,759, 76,683의 값이 계수되었다.

또한 Aluminum 팬텀의 계단쐐기 11단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 13,084, 26,426, 42,064의 값이 계수되 었으며, ABS 팬텀의 계단쐐기 11단계 계수치는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 20,211, 40,482, 58,345의 값이 계수되었다(Fig. 9).

Aluminum 팬텀과 ABS 팬텀의 계단쐐기 1단계 계수치 차이는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 1,400, 3,883, 1,417이었으 며, 계단쐐기 11단계 계수치 차이는 ^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq), ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq), ⁵⁷Co phantom 순으로 7,127, 14,056, 16,281이었다(Table 2).

3. 물질별 선감약계수(μ) 비교

^99mTcO₄ 3 mCi(111 MBq)에서의 선감약계수 평균값은 Aluminum 0.26, PMMA 0.09, ABS 0.10으로 측정되었다. ^99mTcO₄ 6 mCi(222 MBq)에서의 선감약계수 평균값은 Aluminum 0.33, PMMA 0.16, ABS 0.17로 측정되었다. ⁵⁷Co phantom에서의 선감약계수 평균값은 Aluminum 0.21, PMMA 0.09, ABS 0.11로 측정되었다(Fig. 10).

각 선원에서 Aluminum의 선감약계수 평균값은 다른 두 물질에 비해 확연히 큰 값을 나타내었고, PMMA와 ABS팬 텀의 경우 0.01∼0.02의 오차를 확인하였다(Table 3).

Ⅳ. 고 찰

1987년부터 2012년까지 3D프린팅 기술은 연평균 25.4% 의 성장세를 보이며, 의료 분야, 특히 외과 수술의 사전 계 획 수립 및 실제 연습 도구로써 효율적으로 활용되고 있 다[9]. 실제로 2002년 미국 UCLA 병원에서 시행되었던 삼 쌍둥이 분리수술은 3D프린팅 기술과 CT, MRI 등의 의료영 상 기술을 활용하여 수술시간을 대폭 줄이고 수술을 성공적 으로 완료한 사례이다[10]. 이러한 3D프린팅 기술과 의료영 상 기술의 융합은 현재까지도 복잡한 외과 수술에 있어, 실 수로 인한 의료 사고 등을 예방하고 수술 효율을 증대시키 는 데에 유용하게 활용되고 있으며[11], 3D프린팅 기술과 영상의학 장비와의 기술 융합에 대한 선행연구 또한 활발히 진행되고 있다[5,12].

1990년대부터 미국 및 유럽에서는 방사선학회 및 핵의학 회를 중심으로 의료영상 기기의 품질에 대한 관심이 높아져 각종 규약의 제정이 이루어졌고, 현재 학회 산하에는 의료 영상품질인증기관이 설립되어 활동하고 있다[13]. 의료 영 상 검사 건수의 증가와 건강검진 등의 의료영상비용의 지출 이 전체 의료예산에서 비중이 커져 정부에서도 의료영상에 대한 품질관리를 중요한 의료정책으로 다루고 있다. 이는 국민에 대한 양질의 의료를 제공하기 위한 중요한 일이기도 하다[14,15].

하지만 의료영상 정도관리를 위한 기존 핵의학 팬텀은 제 작 시 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 제한적인 형태만 가능 하다는 한계를 가졌고, 이에 따라 3D 프린팅 기술을 팬텀 제작에 활용한다면 언급한 문제점을 해결할 수 있을 것이라 사료하였다. 또한, 비용적 측면에서 매우 고가의 해외 제작 팬텀이 국내에서 적용되고 있어 각 병원 및 기관에서는 비 용에 대한 부담이 크기에 다양한 측면의 활용에 한계를 가 져왔다. 이에 따라 기존 핵의학 팬텀과 비교하여 3D 프린터 로 제작된 팬텀의 물질특성에 대한 연구가 이루어진다면, 핵의학 분야에서 3D 프린팅 기술이 유용하게 활용될 수 있 을 것으로 판단하였다.

따라서 본 연구에서는 기존 핵의학 분야에서 사용되는 PMMA 팬텀과 3D 프린터로 제작된 ABS 팬텀의 방사선 투 과도 및 선감약계수의 비교평가에 목적을 두었다. 본 연구 의 결과에서는 두께, 선원 및 선량 등의 변화에서 ABS 팬텀 의 계수치는 PMMA 팬텀의 계수치와 유사한 값을 가지며 동시에 선형적으로 감소하였고, Aluminum 팬텀의 계수치 를 기준으로 PMMA, ABS 팬텀의 계수 차이정도가 유사한 값을 가짐을 확인하였다. 또한, Aluminum, PMMA, ABS 팬텀의 선감약계수를 비교했을 때, Aluminum 팬텀의 선감 약계수는 나머지 두 팬텀보다 확연히 큰 값을 가졌고, 나머 지 두 팬텀에서 근사치의 선감약계수(약 0.01~0.02의 차 이)를 확인하였다.

하지만 본 연구에서는 3D 프린팅 기술의 비용적인 문제 점과 기술적인 한계 때문에 ABS 팬텀만을 비교대상으로 하 여 연구를 진행하였고, 현재 3D 프린터의 소재로 많이 사용 되고 있는 PVA(Polyvinyl Alcohol)와 PLA(Poly Lactic Acid) 소재에 대한 연구를 진행하는데 한계를 가졌다[9]. 추 후 3D 프린팅 기술의 비용적, 기술적인 문제점이 해결된다 면 더 다양한 소재에 대한 후행 연구가 진행될 수 있을 것이 라 사료된다.

이에 따라 근사치에 대한 교정치를 산출하여 적용한다면 제작의 편의성과 다양성 등의 측면을 고려하였을 때, 3D 프 린터로 제작된 정도관리 팬텀은 기존 핵의학 분야에서 사용 됐던 팬텀의 보완용 또는 더 나아가 대체용으로 사용될 수 있을 것이라 생각된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구의 결과에 따르면 3D 프린팅 기술로 제작된 ABS 팬텀의 두께가 증가함에 따라 계수치는 선형적으로 감소하 였고 선감약계수 또한 기존 핵의학 분야에서 사용되는 PMMA 팬텀의 선감약계수와 근사치를 나타내었다. 이에 따 라 3D 프린팅 기술이 핵의학 분야 정도관리 측면에서 유용 하게 사용될 수 있음을 확인하였다. 본 연구를 바탕으로 3D 프린팅 기술의 발전과 다양한 소재에 대한 유사연구가 진행 된다면 국내 의료용 팬텀 시장이 해외에만 의존하는 상황에 서 긍정적인 접근이 가능할 것으로 사료된다.