Ⅰ. 서 론

의료에서 방사선분야는 영상진단과 치료영역에서 큰 비 중을 가지고 의료장비 및 기술의 발달로 방사선의 이용은 매년 증가하고 있으며[1,2], 의료 방사선의 사용량이 매년 증가함에 따라 국민 1인당 유효선량도 연평균 7.2%씩 증가 하는 추세이다[3]. 의료 방사선은 다양한 질병의 정보를 시 각적으로 획득할 수 있고 인체 외상없이 종양을 치료할 수 있는 장점이 있지만, 진단 및 치료에 있어서 방사선 피폭에 관한 문제를 항상 고려할 필요가 있다. 현재 의료방사선은 국제방사선방호위원회의 권고에 따라 의료피폭에 대한 선 량한도의 기준을 적용하고 있지 않지만[4], 돌발상황이나 반복적인 방사선 피폭 시 생화학적 변화로 인해 백내장, 암, 대사 이상 등 신체적, 유전적 영향으로 다양한 인체 장애가 유발될 수 있다[5].

특히 소아의 경우 성인과 비교했을 때, 세포분열이 활발 하여 방사선 감수성이 높고, 긴 잔여수명으로 방사선에 대 한 위험도가 높으며, 작은 체구로 인해 유효선량이 높아 방 사선 피폭의 위험성이 더 크고 작은 체구로 성인보다 유효 선량이 높아 방사선 피폭의 위험성이 더 크다[6]. 이에 소아 환자의 경우 가능한 방사선 노출을 피하거나 검사 시 부위 별 제시된 권고 선량에 따라 성인 대비 조사조건을 최소화 하며 갑상선, 생식선 등 민감한 장기 부분은 반드시 차폐해 야 한다. 현재 임상에서 피폭선량을 최소화하기 위해 일반 적으로 알려진 차폐 물질 중 납(Pb) 재질을 주로 사용하고 있다. 원자번호 82인 납은 밀도 또한 11.34로 높아 X선 차 폐율이 뛰어나며, 경제적 측면에서도 물질의 가공성이 우수 해 방사선 차폐체로 가장 많이 상용화되어 있다[7]. 그러나 납을 이용한 개인용 방호 장비는 물리적인 중량이 크기 때 문에 장시간 착용에 불편함이 있고 인체에 축적되는 유해한 중금속으로 분류되어 있어 과다 접촉 시 체내 흡수, 납중독 으로 인한 근신경계, 뇌 증상 등 다양한 질병과 후유증을 야 기할 수 있다[8]. 이에 납을 대체하기 위한 차폐체 연구가 지속해서 진행되고 있으며, 그중 무납 차폐체의 복잡한 제 작 과정과 높은 제작비용을 대체하기 위한 기술로 3D 프린 팅 기술을 제시하고자 한다[9].

3D 프린팅 기술은 재료를 가공하여 적층하는 방식으로, 원하는 재료를 이용하여 3차원 조형물을 제조하는 기술이다. 3D 프린팅은 사용자가 제작 시간과 비용을 조절할 수 있으며, 특히 의료에 있어서 각 질병이나 인체의 특성에 맞춰 필요한 형태로 제작할 수 있는 장점이 있다[10]. 또한, 3D 프린팅 기술 방식뿐만 아니라 재료 또한 플라스틱에서 금속까지 다양 해짐에 따라 납 차폐체의 대체재 제작을 위한 연구가 지속되고 있다[11]. 3D 프린팅 출력 기술은 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식, PolyJet(Photopolymer Jetting) 방식, SLA(Stereolithography Apparatus) 방식 등이 주로 사용되 고 있으며, 특히 현재 FDM 3D 프린팅 기술을 이용하여 다양한 의료분야에서 많은 연구가 이루어지고 있는데[12] 이는 타 방식에 비해 재료의 가공 및 성형이 쉽고, 유지보수 비용이 낮아 차폐체 제작에도 대중적으로 연구가 수행되고 있다[13]. 하지만 아크릴을 주재료로 갖는 필라멘트의 특성상 단일재료 로써 차폐 성능을 갖기 어렵고, 금속분말이나 타 재료와의 혼합 등이 부수적으로 필요한 경우가 많아 임상 적용에 한계가 있었다[14-16].

따라서, 본 연구에서는 다양한 3D 프린팅 방식과 각 재료 의 차폐 성능을 확인하고, 차폐 효율이 가장 높은 재료를 이 용해 소아 생식선의 방사선 차폐를 위한 차폐체를 제작하여 유용성을 평가하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 재료의 차폐 성능 평가

소아 생식기용 차폐체 제작에 앞서 3D 프린팅 방식에 따 른 재료의 차폐 성능을 평가하기 위해 각각의 재료 샘플을 제작하여 실험을 진행하였다. 재료 샘플은 선량계를 이용해 측정할 수 있는 가장 최소의 사이즈인 50×20×10 ㎜로 제작 하였으며, 사용된 재료는 총 12가지이다(Table 1)(Fig. 1).

측정을 위한 장비는 방사선 선량계(Magic Max, Iba Dosimetry GdlfmbH, Germany)와 진단용 디지털 X선 장치(GRX-68S X-RAY UNIT, DRGEM, Korea)를 이용하였으며 식품의약 품안전청의 소아 일반 영상의학 검사의 표준촬영 가이드라인 에 기초하여 촬영조건은 100 ㎃, 0.1 sec로 고정하고 50 ㎸, 60 ㎸, 70 ㎸로 ㎸ 변수를 두었다[17]. 조사야는 100×100 ㎜ 는 선원과 소아팬텀 측정을 위한 측정기 간의 거리를 100 ㎝ 로 설정하였다(Fig. 2).

환자 테이블 중심에 맞춰 선량계를 위치시키고 그 위에 재료 샘플을 올려 50 ㎸, 60 ㎸, 70 ㎸로 변수를 적용하여 각 3회씩 반복 촬영 후 선량의 평균값을 구하여 차폐율을 계 산하였다(Fig. 3)(Eq. 1). 추가적으로 1 ㎜ 순수 납의 선량 및 차폐율을 측정하여 재료 샘플과 비교하였다. 차폐율은 다음과 같은 식으로 산출할 수 있다.

2. 결합제 분사 방식의 VisiJet PXL-Pastel 재료를 이용한 차폐체 제작

재료실험 결과 결합제 분사 방식이라 불리는 Color-jet 3D printing(CJP)의 VisiJet PXL-Pastel에서 가장 높은 차폐율이 측정되었으며, 본 재료를 이용하여 소아 차폐체를 제작하고자 하였다. 소아 차폐체는 10세 여아의 평균 골반 크기(103.1mm × 69.9 mm) 를 기준으로 소아용 생식선 차 폐체를 제작하였다[17,18].

1) 3D 모델링

SolidWorks(Waltham, MA) 프로그램을 이용하여 70×100×10 ㎜의 차폐체를 모델링 하였으며 STL 파일로 변환하여 저장 하였다(Fig. 4).

2) 3D 프린터 출력 및 후가공

출력에 사용한 3D 프린터는 Projet 660 Pro(3D Systems, USA)이며 출력 시간은 약 32분이 소요되었으며, 쿨링 등의 후처리 공정을 포함하여 최종적으로 약 60분이 소요되었다 (Fig. 5).

3. 선량 측정

1) X선에서의 선량 및 차폐율 측정

제작한 차폐체의 차폐 성능을 평가하기 위해 진단용 디지 털 X선 장치(GRX-68S X-RAY UNIT, DRGEM, Korea)와 인체등가물질로 제작된 소아팬텀(Model 706-G, CIRS, USA)을 사용하였으며, 선량계(Magic Max, Iba Dosimetry GdlfmbH, Germany)를 통해 표면입사선량을 측정하였다. 소아팬텀의 생식선 위에 선량계를 위치시키고 그 위에 차폐 체를 올렸으며, KUB(kidney ureter bladder)촬영을 위해 선원과 소아팬텀 측정을 위한 측정기 간의 거리를 100 ㎝, 조사야는 iliac crest를 중심선으로 상복부와 pubic symphysis 를 포함하여 350×450 ㎜로 설정하였다(Fig. 6). 촬영조건 은 식품의약품안전청의 소아 일반 영상의학 검사의 표준촬 영 가이드라인에 기초하여 첫 번째 50㎸, 100㎃, 40 mAs, 두 번째 60㎸, 100㎃, 32 mAs, 세 번째 70㎸, 100㎃, 20 mAs로 설정하여 보고자 하는 부위의 해상도를 균일하게 하 고자 하였으며, 차폐체 유무에 따라 각 3회씩 반복 촬영하 여 평균 선량을 측정하였다. 측정된 평균 선량은 차폐율 공 식을 적용하여 차폐율을 계산하였다(Eq. 1).

2) 납 방호도구의 선량 및 차폐율 측정

CJP 방식의 VisiJet PXL-Pastel로 제작한 차폐체와 기 존 납 방호도구의 성능을 비교하기 위해 임상에서 쓰이는 Apron1, Apron2, Apron3을 3D 프린팅 재료 샘플 실험과 동일한 촬영 조건에서 각 3회씩 반복 촬영하여 선량 및 차폐 율을 측정하였다(Table 2).

Ⅲ. 결 과

1. 각 3D 프린팅 재료의 차폐율

다양한 3D 프린팅 방식에 따라 12가지 재료로 제작된 샘 플의 선량 및 차폐율을 측정하기 위해 촬영 조건을 10 mAs 로 고정하고 ㎸ 값을 50 ㎸, 60 ㎸, 70 ㎸로 증가시켜 실험 을 진행한 결과는 다음과 같다.

50 ㎸, 10 mAs 촬영조건에서 1㎜ 순수 납은 0.01 μGy로 차폐율 99.99%로 측정되었다. 3D 프린팅 재료 샘플 중 CJP 방식의 VisiJet PXL-Pastel이 40.21 μGy로 차폐율 84.37% 의 가장 높은 차폐율로 측정되었고 FDM 방식의 Bone이 129.40 μGy로 차폐율 49.72%, Bone lab이 141.50 μGy로 차폐율 45.02% 순으로 높은 차폐율이 측정되었다(Table 3).

60 ㎸, 10 mAs 촬영조건에서 1㎜ 순수 납이 0.26 μGy 로 차폐율 99.93%가 측정되었으며, CJP 방식의 VisiJet PXL-Pastel이 80.60 μGy로 차폐율 78.53%, FDM 방식의 Bone이 204.10 μGy로 차폐율 45.64% 순으로 높은 차폐율 이 측정되었다(Table 4).

70 ㎸, 10 mAs 촬영조건에서 1㎜ 순수 납이 1.79 μGy 로 차폐율 99.67%이 측정되었으며, CJP 방식의 VisiJet PXL-Pastel이 146.00 μGy로 차폐율 73.56%, FDM 방식의 Bone이 307.10 μGy로 차폐율 44.38% 순으로 높은 차폐율 이 측정되었다(Table 5).

50 ㎸, 10 mAs 에서 모든 3D 프린팅 재료 샘플들이 최대 차폐율을 나타내었으며 ㎸ 값이 증가함에 따라 차폐율은 감 소함을 확인하였다. 또한, 모든 조건에서 순수 납을 제외하 면 CJP 방식의 VisiJet PXL-Pastel이 가장 높은 차폐율을 나타냄을 확인하였다(Fig. 7).

2. 차폐체의 선량 및 차폐율 측정 결과

VisiJet PXL-Pastel을 이용하여 제작한 소아 생식기용 차폐체의 표면입사선량 및 차폐율을 측정한 결과는 다음과 같다.

50 ㎸, 40 mAs에서 차폐체가 없을 때 1558.00 μGy, 차 폐체가 있을 때 241.00μGy로 차폐율이 84.53%가 측정되었 으며, 60 ㎸, 32 mAs에서 차폐체가 없을 때 1969.00 μGy, 차폐체가 있을 때 400.1 μGy로 차폐율은 79.68%로 측정되 었고, 70 ㎸, 20 mAs에서 차폐체가 없을 때 1700.00 μGy, 차폐체가 있을 때 427.10 μGy로 차폐율 74.87%가 측정되 어 50 ㎸일 때 84.53%로 가장 높은 차폐율이 측정됨을 확인 할 수 있었다.

3. 납 방호도구의 선량 및 차폐율 측정 결과와 3D printing 제작 차폐체와의 차폐율 비교

50 ㎸, 10 mAs에서 Apron1은 36.69 μGy, Apron2는 0.03 μGy, Apron3이 2.45 μGy로 Apron1을 제외한 Apron2와 Apron3의 차폐율이 99%가 초과함을 확인하였다(Table 6).

60 ㎸, 10 mAs에서 Apron1은 62.32 μGy, Apron2는 0.68 μGy, Apron3은 10.12 μGy로 Apron1을 제외한 Apron2와 Apron3의 차폐율이 95%가 초과함을 확인하였다(Table 7).

70 ㎸, 10 mAs에서 Apron1은 101.40 μGy, Apron2는 3.43 μGy, Apron3은 27.33 μGy로 Apron1을 제외한 Apron2와 Apron3의 차폐율이 95%가 초과함을 확인하였다(Table 8).

각각의 동일한 ㎸ 값에서 VisiJet PXL-Pastel 샘플과 제 작 차폐체의 차폐율 오차가 1.5% 미만으로 비슷한 수치로 측정되었다. 이에 기존 납 방호도구와 비교한 결과, 제작 차 폐체와 납 방호도구 모두 ㎸ 값이 증가할수록 차폐율은 감 소하였으며, 50 ㎸에서 제작 차폐체는 84.53%, Apron1은 85.74%, Apron2는 99.98%, Apron3은 99.04%로 모두 최 대 차폐율이 측정되었다. 비교적 가벼운 중량의 Apron1과 비교하면 제작 차폐체의 차폐율이 기존 납 방호도구보다 1.21% 떨어지지만 거의 동일한 차폐율을 나타냄을 확인하 였다.

Ⅳ. 고 찰

의학의 발달과 개인의 건강에 관한 수요가 증가함에 따라 의료 방사선의 이용도 증가하고 있는 추세이며 대부분 진단 영역의 방사선 에너지 준위는 비교적 낮지만, 검사 시 불필 요한 피폭으로 인체의 여러 장애를 일으킬 수 있어 방사선 방호는 필수적이다. 특히 소아의 경우 성인보다 방사선 위 험도가 더 크기 때문에 올바른 기술 인자를 적용하고 차폐 체를 이용하여 소아의 방사선 방호는 더 중요하게 관리되어 야 한다. 현재 일반적으로 쓰이는 납 차폐체는 무게가 무겁 고 인체에 유해한 영향을 일으킬 수 있다. 이에 납을 대체하 기 위한 3D 프린팅 기반 차폐체 연구가 진행되고 있으나 대 부분 FDM 방식으로 한정되어 있어 다양한 3D 프린팅 방식 에 따른 재료의 차폐 성능 평가 결과가 부족한 실정이다 [19,20]. 따라서 본 연구는 다양한 3D 프린팅 방식과 각 재 료의 차폐 성능을 평가하여 제작이 용이하고 인체에 무해하 며, 무게가 비교적 가벼운 소아 생식기용 차폐체를 제작하 고 그 유용성을 평가하였다.

본 연구에서는 FDM, SLA, CJP 방식의 다양한 3D 프린 팅 기술을 이용한 12가지의 차폐체 재료로 제작된 각각의 샘플을 가지고 50 ㎸, 60 ㎸, 70 ㎸로 ㎸ 변수를 주어 차폐 성능을 평가하였다. 그 결과 CJP 방식을 이용한 VisiJet PXL-Pastel이 50 ㎸, 10 mAs에서 84.53%의 최대 차폐율 이 측정되어 이에 VisiJet PXL-Pastel을 이용하여 10세 여 아 생식기용 차폐체를 제작하여 차폐 성능 검사를 진행했 다. 위 연구 결과는 선량을 측정하는 과정에서 주변 산란선 이나 차폐체로부터 발생하는 2차선으로 인한 오차와 검사자 간의 실험적 오차가 반영되어 있을 수 있다. 또한 10세 여아 표준체형을 기준으로 하여 소아 생식기용 차폐체를 제작하 여 실험했기 때문에 이외에 다양한 체형의 연령대와 성별에 대한 후속 연구가 이루어진다면 효과적인 소아 차폐관리가 가능할 것으로 판단된다.

제작한 소아 생식기용 차폐체는 ㎸ 와 mAs 변수를 적용 하여 차폐율을 측정하고 기존 납 방호도구와 비교하였다. 제작 차폐체와 납 방호도구의 비교에 앞서 제작 차폐체 실 험에서 팬텀의 제조업체와 영상에 따라 mAs 값이 유동적이 기에 ㎸ 값은 3D 프린팅재료 샘플 실험과 동일하게 ㎸ 변수 를 적용하였으나 mAs 값은 촬영된 영상에 따라 설정하였 다. 제작 차폐체와 비슷한 차폐율이 측정된 Apron1과 차폐 율 비교를 진행하였을 때 50 ㎸에서 제작 차폐체의 차폐율 은 84.53%로 측정되었고 Apron1은 85.74%로 측정되어 Apron1보다 차폐율이 낮긴 하였으나 거의 동일한 차폐율이 측정됨을 확인하였다. 위 연구 결과, 제작 차폐체가 납 방호 도구의 단점을 보완할 수 있고 비교적 가벼운 무게로 검사 자와 피검사자 모두 사용에 있어 용이할 것을 예상할 수 있 었다.

제작한 차폐체와 기존 납 방호도구의 차폐율을 측정한 결과 ㎸ 값이 증가할수록 차폐율의 표준편차가 Apron1이 1.13인 것에 비해 제작 차폐체는 4.06으로 ㎸ 값이 증가함 에 따른 차폐율 변동이 크다는 것을 확인하였다. 다만, 제 작한 차폐체와 동일한 사이즈의 납 방호도구를 제작하여 측 정한 것이 아니므로 정확한 비교에 어려움이 있었다. 따라 서 향후 VisiJet PXL-Pastel의 차폐 성능에 관한 추가적인 연구와 동일한 형태와 사이즈의 납 방호도구 및 상용화된 생식선 보호대와의 비교가 이루어진다면 보다 정확한 결과 를 도출할 수 있을 것으로 사료된다. 뿐만 아니라, 기존의 납 차폐체의 중량 대비 다소 낮은 27.4g의 차폐체를 제작함 으로써 실제 환자가 느끼는 차폐체의 무게 및 불편함을 줄 일 수 있었다.

본 연구에서 차폐 성능이 가장 높은 것으로 확인된 CJP 방식을 이용한 VisiJet PXL-Pastel에 관한 후속 연구가 진 행된다면 기존 납 차폐체의 단점을 극복할 수 있는 3D printing 차폐체 제작이 상용화될 수 있을 것으로 판단된다.

Ⅴ. 결 론

의료피폭에 대한 제한은 없으나 최소한의 피폭선량을 위 한 방사선 방호는 모든 의료용 방사선 사용에 궁극적인 목 표이다. 특히 소아는 성인보다 피폭에 대한 위험성이 크기 에 적극적인 방사선 방호도구의 사용이 필요하다.

따라서, 결합제 분사 방식의 3D프린팅 기술인 VisiJet PXL-Pastel을 이용하여 높은 소아 생식선 차폐율을 확인 하였으며, 기존의 납 차폐체가 갖는 문제점을 극복하고 대 체할 수 있는 방안이 될 것으로 기대된다.