Ⅰ. 서 론
방사선은 인체를 투과하여 감약된 에너지를 영상화하 여 질병의 진단과 치료를 위한 정보를 제공하며 우리 생활 에 있어서 많은 이점으로 사용되고 있다. 진단에 이용되 는 방사선은 대부분 저준위에 속하지만 문턱값이 없어 반 복적, 지속적으로 방사선에 노출되는 경우 확률적 영향의 발생 위험성을 가지고 있다[1]. 이에 국제방사선방호위원회 (International Commission on Radiological Protector; ICRP)는 ALARA (As Low As Reasonably Achievable)를 권고하였으며, 불필요한 방사선 피폭 방어를 위해 시간, 거 리, 차폐의 방호 3대 원칙을 임상 현장에 적용하고 있다. 하 지만 방사선 검사 시 시간 및 거리를 이용하는 데 한계가 있 어 방사선사, 환자, 보호자 등에게까지 피폭의 영향을 주고 그 정도에 따라 심각한 장애를 초래할 수 있다[2. 3]. 현재 임상에서 방사선종사자의 피폭 감소를 위한 노력으로 가장 대표적인 예시로 차폐복을 사용하고 있으며, 이때 사용되는 납은 금속원소로 밀도가 높고 원자번호가 높으며, 광자에 대한 반응률과 차폐력이 뛰어나 방호도구로 사용되고 있 다[4]. 하지만 납은 인체에 유해한 축적독성이 강한 대표적 인 금속으로 알려져 있으며, OECD 회원국에서는 납 사용률 을 낮추기 위해 법제화하고 있을 정도로 그 유해성이 이미 널리 알려져 있다[5]. 이를 대체할 무납차폐체의 연구는 활 발하게 이루어지고 있으며 대표적으로 텅스텐의 경우 납보 다 밀도가 높아 감쇠계수가 커져 입자와 반응하지 않고 독 성이 없어 납 혼합 재료에 의한 2차 방사선을 처리하는데 탁 월하여 납보다 높은 차폐효과가 기대되고 있어 납을 대체할 수 있는 차폐 물질로 선호되고 있다[6-9]. 하지만 Tungsten 의 경우 희소 금속으로 전량 수입해 의존하고 있으며, 밀도 와 경도, 녹는점이 높아 고온에서의 변형이 쉽지 않고 단단 하기 때문에 가공이 어려운 점이 있다[10]. 이에 4차 산업 혁명 시대에 대표적으로 대두되어 나날이 발전하고 있는 3D 프린팅 기술을 이용한다면 보다 저렴한 비용으로 제조할 수 있으며, 컴퓨터로 설계한 데이터를 시간과 장소에 구애받지 않고 원하는 모형으로 출력할 수 있다는 장점이 있다[11]. 또한, 재료가 플라스틱에서 금속까지 확대되고 있어 납과 동등한 차폐율을 가진 차폐체 제작에 효율적으로 대체 가 능할 것으로 사료된다. 또한, 일반적으로 3D 프린터에 사 용되는 필라멘트라는 재료는 제조사마다 그 성분이 다르며, Tungsten이라는 이름으로 판매되는 필라멘트들도 제조사 마다 그 성능이 모두 다르다. 이에 본 연구에서는 함유율이 90.7% Tungsten 혼합 필라멘트 차폐 시트를 가공성과 경 제성이 우수한 FDM 방식의 3D 프린팅 기술로 제작하고, 인 체에 무해하며, 기존의 납과 동등한 차폐성능을 가진 차폐 체를 제작하여 X선에서의 차폐 가능성을 확인하고 진단적 가치가 있는지 알아보고자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 3D 프린터와 Tungsten 혼합 필라메트를 이용한 차폐 시트 제작
1) 3D 모델링
순도 90.7%의 Tungsten 혼합 필라멘트로 제작한 차폐 시트는 3D 설계프로그램인 Open source Free CAD 0.19를 사용하여 크기는 70×70 mm, 두께는 1 mm, 2 mm, 4 mm 로 Fig. 1과 같이 제작하였다.
2) 출력변수 설정 및 G-code 변환
STL 파일로 변환된 3D 모델을 슬라이싱 프로그램(Cura 4.9.1, Ultimaker, Nethelands)을 이용하여 Table 1과 같 이 출력 설정하고, G-code로 변환하였다.
3) 3D 프린팅 출력 및 차폐 시트 제작
전송된 G-code를 Fig. 2-(a) 3D 프린터 (Ultimaker, Netherlands)로 전송하여 Fig. 2-(b)와 같이 차폐 시트를 출력하였다.
2. 선량 측정
1) X선에서의 선량 측정
순도 90.7%의 Tungsten 혼합 필라멘트를 사용하여 제작 한 차폐 시트의 차폐 성능을 확인하기 위해 X선원과 차폐 시트의 거리는 1,000 mm, 차폐 시트와 선량 측정용 전리함 중심과의 거리는 50mm로 위치하였다. Brass, Copper, Tungsten 혼합 필라멘트로 제작한 차폐 시트들을 각각 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm로 변화를 주며, X선 발생 장치(DR System, GX-650H, Dong Kang Korea)와 선량 측정용 전리함 (06-526, Fluke, USA)을 Fig. 3과 같이 위 치시켜 선량을 검출하였다. 조사조건은 Table 2와 같으며 선량을 각 10회 측정하여 평균 선량을 산출하였다.
2) 차폐율 측정
차폐율은 Eq. 1과 같이 적용하여 계산하였다.
이때, W는 차폐체가 있을 경우의 조사선량이며, WO는 차 폐체가 없을 경우의 조사선량이다.
-
* W: radiation dose and dose rate as measured at the shielding
-
W0: radiation dose and dose rate as measured at the non-shielding
3) 납 방호도구의 선량측정
Tungsten으로 제작한 차폐 시트와 기존의 납 방호도구 의 차이를 비교하기 위해 X선 실험에서는 추가적으로 Apron 0.175mmPb, 0.25mmPb, 0.35mmPb, Thyroid protector의 조사선량 및 차폐율을 측정하고, 차폐 시트의 차폐율과 비교·분석하였다.
Ⅲ. 결 과
1. X선에서의 선량 측정
1) X선에서의 선량 측정 및 차폐율 평가
X선에서의 선량 및 차폐율 결과는 120 kVp, 20 mAs에서 차폐 시트가 없을 때 133.67 mR, Tungsten 1mm는 7.33 mR로 94.52%, Brass 1 mm는 51.33 mR로 66.09%, Copper 1 mm는 45.33 mR로 61.6%를 확인할 수 있었다.
120 kVp, 40 mAs에서 차폐 시트가 없을 때, 274.33 mR, Tungsten 5 mm는 0 mR로 100%, Brass 5 mm는 28.33 mR로 92.1%, Copper 5 mm는 21.67 mR로 89.67%의 차폐 율을 Table 3과 같이 확인하였다.
모든 조건에서 Tungsten과 Brass, Copper 1mm부터 5 mm까지 비교하였을 때, Tungsten이 가장 우수한 차폐효 과를 보였고, Tungsten, Brass, Copper 순으로 차폐율이 높음을 Fig. 4와 같이 확인하였다.
2) 납 방호도구와 차폐 시트의 차폐율 비교
납 방호도구의 선량 및 차폐율 결과는 120 kVp, 20 mAs 에서 차폐 시트가 없을 때 133.67 mR, 0.175 mmPb는 32.33 mR로 75.81%, 0.25 mmPb는 19.33 mR로 85.54%, 0.35 mmPb와 Thyroid protector는 14.33 mR로 89.28% 를 확인할 수 있었다.
120 kVp, 40 mAs에서 차폐 시트가 없을 때 274.33 mR, 0.175 mmPb는 63.67 mR로 76.79%, 0.25 mmPb는 19.33 mR로 86.03%, 0.35 mmPb는 28.67 mR로 89.55%, Thyroid protector는 27.67 mR로 89.91%의 차폐율을 확인할 수 있 었다. 이를 Tungsten 차폐 시트와 비교하였을 때 120 kVp, 20 mAs에서 Tungsten 1 mm는 7.33 mR로 94.52%, 2 mm 는 1.67 mR로 98.75%, 3 mm는 0.33 mR로 99.78%, 4 mm 와 5 mm는 0 mR로 100%를 Table 4와 같이 확인할 수 있었 다. 또한, 120 kVp, 40 mAs에서 Tungsten 1 mm는 13.67 mR로 95.00%, 2 mm는 3.67 mR로 98.66%, 3 mm는 0.67 mR로 99.78%, 4 mm는 0.33 mR로 99.88%, 5 mm는 0 mR 100%의 차폐율이 나온 것으로 보아 납 방호도구보다 우수한 차폐효과가 있음을 Fig. 5와 같이 확인할 수 있었다.
Ⅳ. 고 찰
현대의학의 발전과 의료서비스의 향상으로 진단 및 치료 를 위한 방사선 사용량이 증가하였고, 그에 따라 피폭에 대 한 위험성과 방사선 방어에 관한 관심이 급증하였다. 영상 의학의 방사선에너지 영역은 저에너지 영역이지만 장기적 인 피폭을 받아 생기는 문제를 무시할 수 없으며, 이를 위해 현재 임상에서는 피폭 감소를 위한 노력으로 가장 대표적인 예시로 차폐복을 사용하고 있다. 이때 사용되는 납은 금속 원소로 밀도가 높고 원자번호가 높으며 광자에 대한 반응률 과 차폐력이 뛰어나 방호도구로 사용되고 있다[4]. 하지만, 납은 인체의 혈액에 들어가면 적혈구와 결합하는 납중독의 위험성 등이 있어 납을 대체할 수 있는 차폐 재료의 연구가 활발하게 진행 중이다[12]. 이처럼 납의 한계점을 고려한 무 납 차폐체에 관한 연구가 지속해서 이루어지고 있지만, 경 제성과 가공성 측면에서의 제한점이 있다. 이에 납중독의 위험성이 없으며 밀도가 7.5 g/cm3인 Tungsten 혼합 필라 멘트와 3D 프린팅 기술을 이용하여 Tungsten 혼합 필라멘 트 차폐 시트를 제작하고 X선을 투과하였을 때의 선량과 차 폐율을 확인해 보았다[13]. 차폐율의 비교를 위해 X선 실험 에서는 Tungsten을 비롯해 Brass, Copper 혼합 필라멘트 차폐 시트와 Apron 0.175, 0.25, 0.35 mmPb, Thyroid protector를 이용하여 실험을 진행하였다. X선 실험에서는 선행 연구를 참고하여 관전압은 60, 80, 100, 120 kVp로 관 전류량은 20, 40 mAs로 변경하며 진행을 하였다[14]. X선 에서의 실험에서 쓰인 차폐 시트와 납 방호도구 중 차폐율 이 가장 높은 것은 Tungsten 혼합 필라멘트로 제작한 차폐 시트였으며, 1 mm일 때부터 90% 이상의 차폐율을 보였다. 기존 납 방호도구와도 비교하였을 때 0.175 mmPb, 0.25 mmPb, 0.35 mmPb, Thyroid protector 모두 Tungsten 혼합 차폐 시트보다 낮은 차폐율을 나타내었고, 이를 통 해 납 대체 가능성을 확인하였다. 3D 프린팅 기술을 이용 하여 납 대체 차폐체를 만들기 위해 Aluminium, Barium, Brass, Bismuth, Tungsten과 PLA 및 ABS의 혼합물 등을 사용한 무납 차폐체 연구가 활발하게 진행되었다[15,16]. 하 지만 Tungsten과 PLA 및 ABS를 혼합하여 제작한 차폐체 연구의 경우는 Tungsten의 적은 함유량으로 인해 본 연구 보다 낮은 차폐율을 확인할 수 있었다[10]. 일반적으로 3D 프린터에 사용되는 필라멘트라는 재료는 제조사마다 그 성 분이 다르며, Tungsten이라는 이름으로 판매되는 필라멘트 들도 제조사마다 그 성능이 모두 다르며 선행 연구에 제시 되었던 필라멘트보다 차폐율이 월등한 것을 확인하였다. 3D 프린팅은 적층 시 필요한 서포터나 굴곡의 적층은 재료 성질에 따라 출력 제품의 질을 좌우할 것으로 사료된다. Tungsten 혼합 필라멘트를 사용하여 차폐체를 제작한 실험 은 부족한 실정이며, 기존 연구들은 대부분 시뮬레이션으로 실험을 진행하였다. 이에 본 연구에 사용한 필라멘트는 함 유율이 90.7에 다다르며 Tungsten 혼합 필라멘트를 사용하 여 실질적으로 임상에서 사용하고 있는 납 방호도구와의 비 교평가를 통해 성능이 떨어지지 않다는 것을 확인하였다. 차폐 시트의 소재인 Tungsten은 유연하지 않기 때문에 다 른 물질과 적절하게 혼합하여 유연한 차폐 시트에 관한 연 구를 한다면 납 방호도구로 제작하여 일반촬영과 핵의학, 더 나아가 방사선치료분야에도 사용될 수 있을 것이라 사료 된다.
Ⅴ. 결 론
Tungsten 혼합 필라멘트를 3D 프린팅 기술을 통해 차폐 시트를 제작하여, 진단영역에서도 차폐 가능성을 확인하여 진단적 가치를 확인하였다. 제작된 Tungsten 차폐 시트는 임상에서 사용되는 방호도구를 대신할 수 있을 것으로 판단 되며 추후 연구를 통해 핵의학, 치료분야에서도 적용될 수 있을 것이라 사료된다.
