Ⅰ. 서 론

산업체에서 기술 환경의 변화로 발생하는 기술애로를 해 결하는 것은 쉽지 않은 일이다. 많은 기술 개발 비용과 사 용자의 요구 사항을 구체화하는 것이 어렵기 때문이다. 그 러나 이를 해결할 수 있는 기술로 3차원(3D) 프린팅 기술 (printing technology)이 많은 주목을 받고 있다. 3D 프린 팅 기술의 장점은 기존 절삭 가공기술로 제작이 어려울 수 있는 제작품을 어떤 형태든 쉽게 구현할 수 있으며, 완제품 생산 시 제조공정이 간소화돼 비용 절감과 시간 단축에 도 움이 된다는 점이다[1].

특히, 의료분야는 환자 특성이 상이하기 때문에 범용성이 적고 고도의 기술이 적용되기 때문에 발생되는 기술애로를 바로 대응하는 데 어려움이 있다. 최근 방사선학 분야에서 는 3D 프린팅 기술을 활용하여 의료진과 환자에게 편리성을 제공하고 방사선안전관리를 대중화하는데 일조를 하고 있 다[2,3]. 혁신적인 의료기술은 환자서비스 측면 등의 세밀 한 부분까지는 고려하지 못하는 한계점이 있어서 임상 현장 에서 즉흥적으로 대응하는 경우가 종종 있다. 또한 대응 기 술이 있더라도 대중적이지 못한 의료기술의 특성상 시판되 는 보조기구들은 고가일 뿐 아니라 특수한 고정기구를 생산 하는 데 많은 시간이 소요된다[4].

최근 전산화단층영상(computed tomography, CT) 기술 의 발전은 실시간으로 흉부 내 조직을 생검할 수 있게 되었 다. CT 조직 생검은 혈관 및 신경 등의 중요한 해부학적 구 조를 피해 조직검사 침이 목표물에 안전하게 도달하여 병변 조직을 채취해야 한다[5]. 이때 생검 바늘은 최단 경로로 생 검 조직에 수직을 유지할 때 기흉 발생을 최소화할 수 있다 [6]. 이를 위해서 병변 위치에 따라 환자자세를 변형해야 하 며, 시술자는 장애물과 중요한 해부학적 구조물을 고려하고 가장 적합한 생검 바늘 주입 경로를 선택해야 한다. 또한 환 자는 변형된 자세를 생검 동안 고정 자세로 유지하고 있어 야 한다. 일반적으로 흉부 CT를 기반으로 생검 시 조직의 위치가 앞쪽에 있으면 앙와위 자세 그리고 뒤쪽에 있으면 복와위 자세 및 측와위, 사위 자세 등 여러 자세를 취하는데 앙와위 자세와 복와위 자세를 제외한 다른 자세는 환자 스 스로가 자세를 취하기 힘든 기술애로가 발생한다[7]. 대부 분 의료기관에서 범용적인 스펀지 쿠션과 베개, 샌드백 등 을 사용하고 있지만, 3D 프린팅 기술은 환자와 장비에 최적 화할 수 있는 맞춤 설계 및 제작을 기대할 수 있다.

따라서 본 연구에서는 CT 조직 생검 시 발생하는 환자 자 세 고정의 기술애로를 해결하기 위해 3D 프린팅 기술로 보 조기구를 개발하고자 하였다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 재료

본 연구에서는 보조기구 모델링을 위해 3D 모델러(Fusion 360, autodesk, USA)를 사용하여 설계하였다. 보조기구 제 작에 사용된 3D 프린터(Sindo, 2X, Korea)는 적층융합방식 (fused deposition modeling, FDM)의 듀얼 노즐이 장착되 어 있으며, 최대 출력 크기(W ×D ×H)는 228 ×200 × 300 mm이다. 3D 프린터의 소재는 식물성 플라스틱 소재인 Poly Lactic Acid(PLA)로 직경 1.75 mm의 가느다란 필라멘 트 형태로 구성되어 있다. 생검 시 사용된 장비는 128채널의 다중검출기(multi-detector, MD)가 장착된 CT(Discovery 750 HD, GE Healthcare, USA)를 이용하였다.

2. 보조기구 출력과정

CT 조직 생검 보조기구를 출력한 과정은 Fig. 1과 같다. 첫째로 CT 테이블 및 환자 크기 등을 계측하고 자세변위가 가능할 수 있도록 3D 모델러를 이용하여 순설계한 후 3D 프 린터가 인식할 수 있도록 STL 파일로 변환시켰다. 둘째로 3D 프린터 제조사의 자체 개발 슬라이싱 프로그램 3DWOX 2X Desktop (Sindoh, Korea)을 사용하여 모델링을 적층화 시키고, 노즐 경로화를 위한 G-code를 생성하였다. 이때 설계 시 객체 현실화 3차원의 오류 여부를 확인하고, 발생 된 오류는 재수정하여 3D 모델링을 최적화하였다. 셋째로 3D 프린터로 모델링을 출력시켰으며, 출력 설정 조건은 Table 1과 같다. 그리고 출력된 모형의 지지대 제거 및 거친 표면을 부드럽게 처리하였다.

3. 보조기구 모델링 시 고려사항

본 연구의 CT 조직 생검 보조기구는 4가지의 애로사항을 고려하여 설계하였다.

첫째, CT 조직 생검 시 환자 몸통의 회전 자세가 변위될 수 있도록 각도 설정이 되도록 하였다. 이때 각도는 임상에 서 방사선사들의 정성적 경험을 반영하여 15°, 25°, 35°의 3단계로 설계하였다.

둘째, CT 조직 생검 보조기구의 구조물에 의한 선속경화 현상이 최소화되도록 설계하였다. 이를 위해 선속경화현상 을 야기시키는 보조기구의 바닥면을 제거하고 Fig. 2와 같 이 환자 받침대 부분의 내부 채움을 5%로 축소하고 보조기 구 기둥부분은 채움을 높이는 이중 출력 기술을 이용하였다.

또한 상기 보조기구 출력과정을 통해 출력된 보조기구를 CT 장비에 반복 스캔하고 보조기구에서 주로 발생되는 줄 무늬 인공물(Stripe artifact) 영역을 Fig. 3과 같이 8구역 의 관심영역(region of interest, ROI)에서 CT 값의 표준편 차 값을 구하여 노이즈(noise)로 측정하였으며 초기 출력물 과 최종 출력물을 독립표본 t-test로 통계적 유의성을 평가 하였다. 이때 CT 스캔 조사조건은 100 kVp, 150 mA, 회전 조사시간 0.5 sec, 단면두께 2.5 mm, 스캔 간격은 2.5 mm 로 나사형(Helical) 방식으로 스캔하였다.

셋째, 보조기구의 고정화 설계이다. CT 테이블 바닥은 환 자 체형을 고려하여 도랑과 같이 비평탄화되어 있다. 따라서 CT 테이블 바닥과 일치되도록 보조기구를 곡면화하였다. 또 한 환자 몸통 무게의 중력에 의하여 보조기구가 고정될 수 있도록 Fig. 4와 같이 삽 형태로 밑 받침대를 구현하였다.

마지막으로 효율적인 3D 프린팅 출력이다. 본 보조기구 는 환자 몸통의 하중을 견딜 수 있는 충분한 강도를 유지해 야 한다. 그러기 위해서는 내부 밀도를 높여서 출력하면 되 지만 출력시간과 재료가 많이 소모되는 단점이 있다. 이를 위해서 보조기구 기둥부분의 내부 채움(infill)은 20%, 40%, 60%, 80%로 나누어 출력하고 평가하여 높은 가성비를 구 현하고자 하였다. 이때 구조물의 강도 평가는 내부 채움 별 로 웨이트 기구(Smith, DRAX, Korea)를 이용하여 기구의 무게를 60 kg에서 140 kg까지 10 kg씩 증가시켜 파손 유무 를 평가하였다. 또한 출력 시 발생되는 서포터를 최소화하 기 위해 구조물을 환자 받침대를 분리하여 조립 형태로 설 계하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 최종 보조기구

본 연구에서 개발된 CT 조직 생검 보조기구는 Fig. 5와 같이 수정 및 보완을 반복하여 제작되었다.

그 결과 Fig. 6과 같이 최종 CT 조직 생검 보조기구를 개 발하였다. 개발된 보조기구는 200 ×220 ×94 mm의 크기 로 외형 기능적으로 환자 몸통의 회전 자세가 변위될 수 있 도록 3단계의 각도를 조절할 수 있었다.

2. 선속경화현상의 감소효과

초기 설계된 보조기구와 최종 설계된 보조기구를 3D 프 린팅 하여 CT 스캔한 결과, Fig. 7과 같이 육안적으로도 선 속경화현상에 의한 줄무늬 인공물이 사라졌으며, Table 2와 같이 측정 ROI 내 노이즈(표준편차)도 7.1 ±0.1 HU에서 3.3 ±0.5 HU로 유의하게 감소하였다(p < 0.01).

3. 보조기구의 고정화 설계

보조기구의 고정화도 Fig. 8과 같이 CT 테이블 바닥과 일 치되는 바닥면이 곡면화되었으며, 삽 형태로 밑 받침대도 구현되었다.

4. 보조기구의 내부 채움 별 강도 실험

CT 조직 생검 보조기구의 강도 실험을 위해 내부 채움 대비 무게를 60 kg에서 140 kg까지 10 kg씩 증가시킨 결과, 내부 채움 60%부터 140 kg까지 강도를 유지하였다. 따라서 최적 의 내부 채움은 60%가 적절하다고 판단된다. 그러나150 kg부 터는 Fig. 9와 같이 주로 바닥 받침대와 기둥이 파손되었다.

5. 분리 출력에 따른 시간 및 재료 소모 결과

최종 모델링된 CT 조직 생검 보조기구의 3D 프린팅 시간 과 재료 소모를 최소화하기 위해 환자 받침대를 분리하여 출력한 결과, Fig. 10과 같이 출력 시간은 24시간 32분에서 17시간 8분으로 7시간 25분이 감소하였고, 재료는 228.3 g 에서 157.5 g으로 70.8 g 절약할 수 있었다.

Ⅳ. 고 찰

본 연구에서는 CT 조직 생검 시 발생하는 기술애로를 3D 프린팅 기술로 해결하고자 하였다. 이를 위해서는 CT 조직 생검 시 환자자세에 맞는 유연한 각도조절 기능과 CT 스캔 시 발생할 수 있는 선속경화현상의 최소화, 보조기구의 고 정화 설계 그리고 효율적인 3D 프린팅 출력 기술이 필요하 였다[8,9]. 환자자세에 맞는 유연한 각도는 임상의 방사선 사들의 경험을 정성적으로 평가하여 15°, 25°, 35° 3단계의 각도로 변형할 수 있도록 초기에 설계하였다. 그러나 초기 설계 보조기구는 다색 에너지로 구성된 엑스선이 회전조사 하면서 엑스선 빔이 보조기구의 두께에 의해 높은 에너지 광자만 남는 선속경화현상을 유발하여 높은 투과력에 의한 검은 띠의 인공물을 발생시켰다[10]. 따라서 추가 설계에서 는 양측 보조기구 기둥을 이어주는 상단부분과 바닥면을 제 거하여 엑스선이 보조기구에 의해 선속이 경화되는 현상을 최소화시켰다. 또한 환자 받침대 부분의 내부 채움을 5%로 축소하고 보조기구 기둥부분은 60%로 출력하였다. 내부 채 움 밀도 변화는 슬라이서 프로그램에서 변경할 수 있는 가 장 일반적이고 중요한 매개 변수 중 하나다[11]. 고밀도의 보조기구는 산란 또는 인공물을 유발한다. 따라서 충전 비 율과 모양을 변경하면 인쇄된 모델의 물리적 측면, 특히 광 자 방사선의 선형 감쇠 계수와 직접 상관되는 밀도를 수정 할 수 있다[12]. 강도 실험에서 60%와 80%로 내부를 채운 보조기구가 150 kg에서 파손되었다. 140 kg까지 하중을 견 디어 고도 비만의 환자에게도 적용할 수 있도록 하였다. 따 라서 60%의 내부 채움 밀도를 설정하여 출력한다면 가장 효율적일 것으로 판단된다. 그 결과, 초기 보조기구의 노이 즈는 7.1 ± 0.1 HU를 나타냈는데, 최종 보조기구에서는 3.3 ± 0.5 HU로 개선되었다. 그러나 본 연구에서는 하중 지속시간에 대한 연구는 배제되었기 때문에 최선의 환자 안 전을 위해서는 내부 채움을 100%로 설정하여 최상의 강도 를 유지할 필요가 있다고 판단된다.

Fig. 11은 CT 조직 생검 시 보조기구가 환자 몸통을 받치 고 획득한 CT 투영상(Scout view)이다. 이 그림에서 빨간 색 화살표는 양측 보조기구 기둥이며 그 사이에 종양 조직 을 위치시켜 생검할 수 있다. 환자가 보조기구 위에서 몸통 을 돌려서 누웠을 때 보조기구가 이탈될 수 있는 점을 방지 하기 위해 CT 테이블과 밀착되도록 보조기구 바닥부분을 테이블의 곡선과 일치하도록 설계하였고, 환자 받침대 부분 을 삽 형태로 구성하여 환자가 깔고 누웠을 때 환자의 몸통 무게로 고정될 수 있도록 유도하였다. 이때 보조기구를 머 리, 허리, 다리 등에 추가적으로 설치한다면 환자의 안정성 과 시술의 정확성을 확보할 수 있다. 또한 이러한 고정성 향 상은 환자들의 심리상태를 편안하게 한다[13].

3D 프린팅 기술은 적층하는 방식이기 때문에 기존 절삭 방식과 다르게 많은 시간과 재료가 소요되는 단점이 있다 [14]. 특히, FDM 방식은 출력 시 조형물이 허공에 뜬 부분 을 세우기 위해 서포터를 세우면서 출력이 된다. 서포터는 출력 이후에는 제거해야 하는 구조물이기 때문에 이를 최소 화한다면 출력 시간과 재료의 소모를 줄일 수 있다. 따라서 본 보조기구에서는 하중에 의해 파손이 되지 않았던 환자 받침대를 분리하여 출력하여 출력 시간을 7시간 25분을 감 소시켰고, 재료는 70.8 g를 절약하는 효과를 볼 수 있었다.

기존 3D 프린터를 이용한 방사선기술과학분야의 연구는 3D 프린터 자체의 특성을 이용해 팬텀을 제작하거나, 의료 영상을 기반을 둔 역설계에 의한 환자별 해부학적 모델을 만드는데 집중되어있다[15-18]. 그러나 본 연구에서는 임상 의 기술애로를 해결할 수 있는 보조기구를 3D 프린팅 기술 을 기반으로 순설계하여 최적화했다는데 연구의 차별성과 진보성이 있다고 판단된다. 특히, 본 연구에서 진행된 3D 순설계의 역량이 방사선 물리와 임상 기술 등과 융합한다면 3D 프린팅 기술을 임상에 정착시킬 수 있는 방사선사들의 차별화된 직무 역량으로 발전할 수 있으리라 기대한다.

본 연구의 제한점은 전임상단계 연구로써 실제 환자의 하 중강도와 시술자 및 환자만족도에 대한 임상적 평가가 이루 어지지 못한 점이 있어 추후 CT 조직 생검 시 활용하여 도 출된 문제점에 대한 추가 연구가 필요하다.

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 CT 조직 생검 시 발생하는 기술애로를 3D 프린팅 기술으로 해결하고자 하기 CT 조직생검 보조기구를 개발하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.