Ⅰ. 서 론

인체는 크고 작은 206개의 뼈로 이루어져 있다. 그중 손 은 면적은 작으면서 27개의 뼈와 많은 관절의 입체적 구조로 이루어졌다. 손가락뼈 14개와 손허리뼈 5개는 연속된 관절 로 이루어져 있고, 8개의 손목뼈는 가까이 붙어 있어서 질병 의 진단을 위한 엑스선 검사에서 다양한 촬영법이 사용된다. 기본적인 손 엑스선 검사는 후·전 방향 촬영(posterior anterior projection)과 사방향 촬영(oblique projection) 이 있다. 손의 후·전 사방향 촬영은 손가락 및 손허리뼈의 골절과 변형 및 병변 유무의 확인을 위해 45⁰ 업침 자세로 검사되고, 손허리손가락관절과 끝마디뼈 사이 관절이 열려 보여야 한다[1]. 5개의 손가락이 각각 일정한 간격으로 겹침 이 없어야 하지만 의식이 없거나 질병으로 자세 협조가 어 려운 경우 올바른 검사 자세를 유지하기 위해 보조도구의 활용이 필요하다.

엑스선 검사 시 환자의 올바른 촬영 자세를 유지하고 의 료영상의 재현성 향상을 위해 다양한 형태의 보조도구가 사 용되고 있다[2-6]. 보조도구의 재료 중 스펀지(sponge)는 방사선 투과성이 높고 다양한 형태로 제작이 간편하여 엑스 선 검사의 손 후·전 사방향 촬영을 비롯하여 많은 검사에 서 자세를 유지할 목적으로 사용되고 있다. 스펀지를 계단형태로 쌓아 올리면서 손가락을 하나씩 올리는 형태로 제작 하면 엄지와 집게손가락 위치는 두꺼워지고, 반대로 새끼손 가락 위치로 갈수록 얇아진다. 인체의 엑스선 검사 목적 부 위를 두께가 다른 보조도구로 고정하면 엑스선 투과도의 차 이가 발생하여 불균질한 영상이 생성되고, 인공물(artifact) 로 인식되어 진단에 영향을 줄 수 있다[7,8]. 또한 스펀지 재질의 특성으로 환자의 체액이나 상처로 인한 혈액 등이 스펀지 내부로 스며들면 세척이나 소독의 어려움으로 다른 환자에게 감염병 위험이 발생할 수 있다[9,10]. 따라서 손 엑스선 검사에서 기존 스펀지 재료를 대신하여 감염병 위험 을 줄이고 의료영상에 영향을 낮출 수 있는 보조도구의 제 작이 요구된다.

의료산업에서 3D 프린팅 기술은 개인 맞춤형 의료보형물 분야에서부터 의료용 지지체 제작 등 폭넓은 분야에서 활발 히 적용되고 있다[11-16]. 특히 제품의 디자인을 간단하게 수정하고 별도의 금형 제작이 필요 없는 3D 프린팅은 다품 종 소량 생산 및 개인 맞춤형 제작이 가능하여 엑스선 촬영 시 다양한 보조도구 제작에 적합하다[17].

따라서 본 연구는 3D 프린팅으로 손의 사방향 촬영을 위 한 보조도구를 제작하여 기존 스펀지 보조도구와 비교를 통 해 엑스선 투과도와 영상을 평가하여 보조도구로써의 유용 성을 평가하고자 하였다.

Ⅱ. 실험 재료 및 방법

1. 3D 모델링

손 엑스선 검사 보조도구 제작을 위해 3D computer aided design(CAD) Inventor 프로그램(Autodesk, USA)을 사용 하였다. 설계한 보조도구는 손 사방향 촬영이 가능한 형태 로 전체 크기는 300×260×60 mm, 두께는 1.5 mm 이다. 각각의 손가락이 위치하는 계단은 수평과 수직 두께를 일정 하게 유지하도록 각 계단의 수직 방향 경사는 50⁰, 수평 방 향 경사는 10⁰로 설계하였다. 3D 프린팅은 Moment M350 (Moment, Korea)을 이용하여 FFF(fused filament fabrication) 방식으로 Slicing 하였고, 원료는 폴리젖산(polylactic acid, PLA)과 carbon fiber를 혼합한 carbon fiber PLA filament 를 사용하였다. 제작된 손 엑스선 검사 보조도구는 대한민 국 특허청에 특허출원(출원번호 10-2023-0133362) 되었 다[Fig. 1].

2. 실험 도구

엑스선 검사 장치는 DR X-ray System(Accuray-650R, 동강의료기, Korea)를 사용하였고 촬영조건은 50 kVp, 100 mA, 0.05 sec였다. 3D 프린터로 제작된 보조도구의 투과 선량 측정은 Magicmax Universal XR detector(IBA dosimetry, S/N: R22-0777, 교정일: 2022.10, 독일)를 사 용하였다[Fig. 2]. 팬텀은 PBU-50 hand (Kyotokagaku, Japan)을 사용하였고, 획득된 영상의 평가는 ImageJ(미국 국립보건원, USA) 프로그램을 사용하였다.

3. 실험방법

1) 투과도 평가

손 사방향 촬영 보조도구의 투과도 측정을 위해 엑스선 초점에서 촬영 테이블까지 거리 1,100 mm, 조사야 17×17″, 촬영조건(50 kVp, 100 mA, 0.05 sec)에서 측정하였다. 반 도체 선량계인 XR detector를 이용하여 보조도구가 없을 때 측정된 선량을 기준으로 기존 스펀지 보조도구와 3D 프 린팅 보조도구를 투과한 선량을 비교하였다[Fig. 2]. 투과 도는 식(1)을 사용하였다. 투과도 측정은 보조도구의 손가락 위치 5개의 계단에서 각각 7회를 측정하여 최댓값과 최솟값 을 제외하고 5회 평균값을 평가하였다.

2) 영상평가

보조도구에 따른 영상평가를 위해 보조도구를 촬영하여 생성된 의료용 디지털 영상 및 통신(digital imaging and communications in medicine, DICOM) 영상을 ImageJ 프 로그램으로 평가하였다. 보조도구에서 손가락이 위치하 는 각 계단에 102×102 pixel 크기의 관심 영역(region of interest, ROI)을 설정하여 동일 좌표에서 pixel 정보값을 비교하였다[Fig. 3].

3) 손 팬텀 영상평가

손 팬텀과 보조도구를 함께 사용했을 때 신호 대 잡음비 (signal to noise ratio, SNR)와 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio, CNR) 비교를 위해 5개의 손가락 첫마디뼈 (proximal phalanges)와 보조도구 겹침이 없는 곳에서 background ROI를 설정하였다. ROI 크기는 손가락뼈 크기 를 고려하여 지름 62 pixel 원형으로 설정 설정하여 ImageJ 프로그램으로 분석하였다<Fig. 4>. CNR은 식(2), SNR은 식 (3)를 사용하였다[18].

4) 통계 분석

엑스선 투과도와 영상평가 데이터는 평균과 표준편차 를 사용하였다. 보조도구에 따른 엑스선 투과도와 pixel 정보값 차이의 유의성을 확인을 위해 비모수 검정법인 Mann-Whitney 검정법을 실시했고, 통계 프로그램은 IBM SPSS (ver.25.0.1.0, USA) 프로그램을 이용하여 95% 신뢰 수준에서 p-value가 0.05보다 작은 경우 유의한 차이가 있 는 것으로 판단하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 보조도구에 따른 투과도 평가

손 엑스선 촬영조건(50 kVp, 100 mA, 0.05 sec)에서 보 조도구가 없을 때 테이블에서 측정된 선량은 131.57 μGy 이 었다. 기존 스펀지 재질 도구에서 각 계단에서 측정된 선량 은 111.52 μGy, 115.94 μGy, 121.04 μGy, 126.40 μGy, 131.78 μGy로 평균 121.33 μGy이었다. 3D 프린팅된 도구 는 126.68 μGy, 126.06 μGy, 125.60 μGy, 126.18 μGy, 126.10 μGy로 평균 126.12 μGy이었다.

보조도구가 없을 때 기준으로 스펀지 도구의 각 계단에서 측정된 투과도는 84.76~100.15%이었고, 계단의 두께가 증 가할 투과도는 감소하여 최대 15.39% 차이를 보였다. 3D 프린팅 도구는 약 95.46∼96.28%로 최대 0.82% 차이를 보 였다. 투과도의 평균은 3D 프린팅 도구가 스펀지 보조도구 보다 평균 3.94% 높게 측정되었다. 보조도구에 따른 투과도 는 손가락 1∼3, 5번 위치에서는 95% 신뢰구간에서 유의한 차이를 보였고, 4번 위치에서는 유의한 차이가 없었다 <Table 1>.

2. 보조도구에 따른 영상평가

투과도 측정과 동일 촬영조건에서 보조도구가 없을 때 생 성된 영상의 중심에서 pixel 정보값은 평균 233.71이었다. 스펀지 도구에서 각 계단의 ROI에서 측정된 pixel 정보값은 289.91, 274.88, 261.41, 249.75, 241.73으로 평균 263.54 이었다. 3D 프린팅 도구는 243.34, 246.31, 250.24, 248.33, 256.57로 평균 248.96이었다.

보조도구가 없을 때 pixel 정보값을 기준으로 스펀지 도 구는 103.43∼124.04%로 측정되었고, 각 계단의 두께가 증 가할수록 정보값은 감소하여 20.61%의 차이가 있었다. 3D 프린팅 도구는 104.12∼109.78%로 측정되었고, 각 계단에 서 5.66% 차이를 보였다. pixel 정보값은 스펀지 도구가 3D 프린팅 도구 보다 평균 5.85% 높게 측정되었다. 보조도구에 따른 pixel 정보값은 손가락 1~3, 5번 위치에서는 유의한 차이를 보였고, 4번 위치에서는 유의한 차이가 없었다 <Table 2>.

3. 손 팬텀 영상평가

손 팬텀을 각각의 보조도구와 함께 사용하여 CNR과 SNR을 비교하였다. 손 팬텀을 사용했을 때 스펀지에서 background는 249.60 ±2.07, 3D 프린팅에서 247.4 ±2.30이었다. 스펀지 도구와 손 팬텀을 사용했을 때 각 손가락 첫마디뼈에서 측정된 CNR은 80.28, 78.81, 81.14, 69.42, 66.04로 평균 75.13이었 다. 3D 프린팅 도구는 89.47, 90.23, 101.28, 84.41로 평균 90.1이었다. CNR은 3D 프린팅 도구가 스펀지보다 평균 20.03% 높았다.

스펀지 도구와 손 팬텀을 사용했을 때 SNR은 82.26, 80.38, 82.52, 70.55, 67.63으로 평균 76.66이었다. 3D 프 린팅 도구는 93.44, 93.08, 105.49, 88.48, 88.76으로 평 균 93.85이었다. SNR은 3D 프린팅 도구가 스펀지보다 평 균 22.42% 높았다<Table 3>.

Ⅳ. 고 찰

엑스선 검사 시 촬영 자세를 일정하게 유지하여 재현성을 높이고 환자의 움직임 방지를 위해 보조도구를 사용하고 있 다[2-6]. 보조도구는 엑스선의 투과도가 높은 재질로 의료 영상에 영향이 낮아야 하지만 투과도가 낮거나 두께가 증가 할수록 인공물로 인식되어 질병의 진단에 오류를 나타낼 수 있다.

이전 연구에서 엑스선 검사 시 보조도구의 재질로써 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics)은 기존 아크릴(acrylic), 폴리카보네이트(polycarbonate)와 비교하여 얇은 두께에서도 엑스선 투과도가 높은 특성이 확 인되었다[18].

3D 프린팅은 복잡한 구조물을 맞춤형으로 제작하고 다양 한 필라멘트 재질을 활용하여 의료영상 분야에서도 많이 사 용되고 있다[7,8]. 본 연구에서는 3D 프린팅으로 손 엑스선 검사 보조도구 제작을 위해 carbon fiber와 PLA가 혼합된 carbon fiber PLA 필라멘트를 재료로 사용하였다. 3D 프린 팅한 도구는 기존 sponge 소재 보조도구와 엑스선 투과도 와 영상의 pixel 정보값을 비교하여 평가하였다.

촬영 테이블 중심에서 보조도구가 없을 때 측정된 선량을 기준으로 스펀지 도구의 투과도는 84.76∼100.15%로 계단 이 두꺼워질수록 투과도는 감소하여 15.52% 차이가 있었고, 3D 프린팅은 95.46∼96.28 %로 계단에 따라 0.95% 범위로 일정하게 측정되었다. 스펀지 재료는 밀도가 낮고 엑스선 투과도가 높아서 엑스선 검사 시 보조도구 재료로 많이 사 용되고 있지만 강도가 낮아서 특정 형태나 무게를 지지하기 위해 두께를 증가시켜야 한다. 그러나 하나의 구조물에 다 른 두께를 적용하면 스펀지 두께가 균일하지 않아서 투과도 가 달라지면 균일도(uniformity)가 낮아질 수 있다. 또한 강도가 높고 방사선 투과성이 좋은 PVC 재료를 수직 형태 로 사용하면 수평부와 수직부의 두께가 달라져서 스펀지와 마찬가지로 불균질한 영상의 원인이 된다. 반면에 3D 프린 팅은 복잡한 구조물이라도 수직 구조를 경사 구조로 설계하 면 두께를 일정하게 유지하고, 투과도가 높은 재질의 필라 멘트를 활용함으로써 강도가 높으면서 각 계단에서 균질한 엑스선 투과도를 얻을 수 있었다[Fig 5].

영상평가를 위해 ROI를 설정하여 측정된 pixel 정보값은 도구가 없을 때를 기준으로 스펀지에서 측정값은 103.43∼ 124.04%로 두께가 증가할수록 정보값은 증가하여 20.61% 차이었다. 3D 프린팅 도구는 104.12∼109.78%로 계단 위치 에 따라 5.66% 차이였다. 엑스선 투과도와 마찬가지로 3D 프린팅 도구에서 pixel 정보값 변동 폭이 작은 것은 균일한 두께로 인해 영향을 낮추었기 때문이다. 그러나 각 손가락 위치에서 표준편차의 평균은 스펀지 4.37, 3D 프린팅 5.27 로 3D 프린팅이 스펀지보다 잡음(noise)이 증가하였다.

스펀지 도구는 계단이 증가할수록 투과도는 감소하고 pixel 정보값은 증가했지만 3D 프린팅은 각 계단에서 투과 도와 pixel 정보값은 균일한 값을 나타냈고, 스펀지 1층의 4 번째 손가락 위치에서 보조도구 간의 유의한 차이가 없었 다. 이것은 3D 프린팅으로 손 보조도구를 제작하면 스펀지 와 같이 계단 형태로 적층하지 않고, 손 전체를 동일한 두께 로 제작하여 스펀지 1층과 같은 투과도와 pixel 정보값을 나 타낼 것으로 판단할 수 있다.

손 팬텀을 보조도구와 함께 사용하여 CNR과 SNR을 비 교했을 때 3D 프린팅에서 스펀지 도구보다 CNR은 20.03%, SNR은 22.421% 높게 나타났다. 기존 두께가 변하는 스펀 지 도구보다 탄소섬유가 함유된 재료로 균일하게 제작된 3D 프린팅 도구에서 높은 엑스선 투과도로 인접 신호를 구분하 는 CNR이 증가하고, 신호에 동반하는 잡음이 감소하여 SNR이 증가했기 때문으로 볼 수 있다.

다양한 엑스선 검사에서 3D 프린팅 기술을 이용한 보조 도구의 사용은 시도되었고, 촬영 자세를 일정하게 유지하여 의료영상의 재현성을 높일 수 있다고 하였다[11-14]. 그러 나 보조도구의 사용은 엑스선 투과도를 떨어뜨리고, 불균질 한 음영이 발생시키는 인공물로 인식될 수 있으므로 의료영 상에 영향을 가능한 낮추는 것을 전제로 해야 한다.

본 연구에서는 손 엑스선 검사를 위한 보조도구 제작 시 3D 프린팅 기술을 사용하여 균일한 두께로 설계하고 엑스선 투과도가 높은 carbon fiber PLA filament를 사용함으로써 투과도와 영상의 pixel 정보값을 일정하게 유지하였다. 또한 코로나19로 인해 감염병 관리의 관심 증가로 기존 스펀지 재료 와 같이 환자의 혈액이나 체액 등이 스며들지 않고 강도가 높은 filament를 사용하면 환자 간 감염 예방에 유용하다. 연구의 제한점으로 컴퓨터 단층촬영(computed tomography) 의 영상평가는 물의 감약계수(attenuation coefficient), 잡 음, 고대조도 분해능(high contrast resolution), 저대조도 분해능(low contrast resolution), 균일도, 직진성(linearity) 등 다양한 평가를 하지만 본 연구에서는 단순 엑스선 영상에서 pixel 정보값으로 CNR과 SNR만을 평가하여 영상평가에 한계 가 있다. 또한 손과 같이 비교적 크기가 작은 스펀지 도구를 비교하였기 때문에 머리, 복부, 다리 등의 두꺼운 부위 보조도 구의 제작 방법, 형태, 크기 등을 적용하여 다양한 촬영조건에 서 실제 의료영상 평가에 대한 추가연구가 필요하다.

Ⅴ. 결 론

엑스선 검사 시 올바른 자세 유지를 위한 보조도구는 정 확한 진단과 높은 재현성에 도움이 되지만 의료영상에 영향 을 최소한으로 하는 것이 전제되어야 한다. 손 후·전 사방 향 검사 시 3D 프린팅으로 보조도구 두께를 균일하게 유지 하고, 투과도와 강도가 높은 탄소섬유 재료를 사용하면 높 은 엑스선 투과율과 의료영상에 영향을 최소한으로 유지하 여 손 엑스선 검사를 위한 보조도구로 유용하게 사용될 수 있다.