Evaluation of the Usefulness of the Transmittance of Metal Filaments Fabricated by 3D Printers in Radiation Therapy

방사선 치료에서 3D 프린터로 제작된 금속 필라멘트의 투과율에 관한 유용성 평가

Abstract

Since radiation therapy is irradiated with high-energy X-rays in a variety of at least 20 Gy to 80 Gy, a high dose is administered to the local area where the tumor is located, and various side effects of some normal tissues are expected. Currently, in clinical practice, lead, a representative material, is used as an effort to shield normal tissues, but lead is classified as a heavy metal harmful to the human body, and a large amount of skin contact can cause poisoning. Therefore, this study intends to manufacture a measurement sheet that can compensate for the limitations of lead using the materials Tungsten, Brass, and Copper of the 3D printer of the FDM (Fused Deposition Modeling) method and to investigate the penetration performance. Tungsten mixed filament transmission measurement sheet size was 70 × 70 mm and thickness 1, 2, 4 mm using a 3D printer, and a linear accelerator (TrueBeam STx, S/N: 1187) was measured by irradiating 100 MU at SSD 100 cm and 5 cm in water using a water phantom, an ion chamber (FC-65G), and an elcetrometer (PTW UNIDOSE), and the permeability was evaluated. As a result of increasing the measurement sheet of each material by 1 mm, in the case of Tungsten sheet at 3.8 to 3.9 cm in 6 MV, the thickness of the lead shielding body was thinner than 6.5 cm, and in case of Tungsten sheet at 4.5 to 4.6 cm in 15 MV. The sheet was thinner than the existing lead shielding body thickness of 7 cm, and equivalent performance was confirmed. Through this study, the transmittance measurement sheet produced using Tungsten alloy filaments confirmed the possibility of transmission shielding in the high energy region. It has been confirmed that the usability as a substitute is also excellent. It is thought that it can be provided as basic data for the production of shielding agents with 3D printing technology in the future.

방사선 치료는 고에너지 X선을 최소 20 Gy에서 80 Gy까지 다양하게 조사되기 때문에 종양이 위치하는 국소부위에 고선량을 투여하며 일부 정상조직의 여러 부작용이 예상 된다. 현재 임상에서는 정상조직의 차폐를 위한 노력으로 대표적인 재료인 납을 사용하고 있지만 납은 인체에 유해한 중금속으로 분류되고 있으며 다량의 피부접촉은 중독을 유발할 수 있다. 따라서 본 연구는 FDM(Fused Deposition Modeling)방식의 3차원 프린터의 재료 Tungsten, Brass, Copper을 이용하여 납의 한계점을 보완 할 수 있는 측정시트를 제작하고 투과성능을 알아보고자 한다. 3D 프린터를 이용해 Tungsten 혼합 필라멘트 투과측정 시트 크기는 70 × 70 mm, 두께는 1, 2, 4 mm로 제작하였으며 제작한 측정시트의 투과성능을 확인하기 위해 선형가속기 (TrueBeam STx, S/N: 1187)에서 발생된 6, 15 MV을 Water Phantom과 Ion chamber (FC-65G), elcetrometer (PTW UNIDOSE)을 사용하여 SSD 100 cm, 물 속 5 cm에서 100 MU를 조사하여 측정하고 투과성능을 평가하였다. 각 소재의 측정시트를 1 mm씩 증가시킨 결과 6 MV에서는 Tungsten 시트의 경우 3.8~3.9 cm일때의 시트는 기존 납의 차폐체 두께 6.5 cm 보다 얇으며, 15 MV에서는 Tungsten 시트의 경우 4.5~4.6 cm일 때 시트는 기존 납의 차폐체 두께 7 cm 보다 얇으며 동등한 성능을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 Tungsten 합금 필라멘트을 이용하여 제작한 투과측정 시트는 고에너지 영역에서의 투과 차폐 가능성을 확인하였으며. 대체품으로써의 사용가능성 또한 우수함을 확인하였다, 향후 3D 프린팅 기술로 차폐제 제작을 위한 기초자료로 제공할 수 있을 것으로 사료 된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

의료분야에서 방사선 관련 의료기기는 질병의 진단 및 치료에 있어서 많은 이점으로 활용되고 있다. 점차 사용량이 증가함에 따라 피폭의 위험성이 중시되고 있다. 이에 국제방사선방호위원회 ICRP (International Commission on Radiological Protector) 는 ALARA (As Low As Reasonably Achievable)를권고하였으며, 불필요한 방사선 피폭 방어를 위해 시간, 거리, 차폐의 방호 3대 원칙을 임상 현장에 적용하고 있다. 하지만 치료영역에서는 고선량 고에너지를 사용함에 따라 심각한 장해를 야기 할 수 있어 차폐 중요성이 강조되고 있다^{[1, 2]}. 또한, 암 발생률 통계자료에 의하면 2015년 발생률 21만 건에서 2018년 24만 건으로 4년간 약 3% 씩 증가하고 있는 추세이다^[3]. 방사선 치료는 가속 기술의 발달과 더불어 선형가속기(Linear accelerator, LINAC) 가많이 사용되어지고 있다. 점점 고 에너지의 사용이 증가하고 있으며, 이로 인해 심부에 위치한 종양의 치료효율을 높이고 있다^[4]. 방사선 치료는 고에너지 X선을 종양에 따라 다양하게 선량을 처방하여 치료한다. 최소 20 Gy에서 80 Gy까지 조사되기 때문에 종양이 위치하는 국소부위에 고선량을 투여하며 일부 정상조직의 여러 부작용이 예상이 된다 ^[5]. 현재 임상에서는 정상조직의 차폐를 위한 노력으로 대표적인 재료인 납(density, 11.34g/cm³)을 사용하고 있다. 납은 높은 밀도와 원자번호 그리고 차폐율이 우수하여 유용하게 이용되고 있다. 하지만 납은 인체에 유해한 중금속으로 분류되고 있으며 다량의 피부접촉은 중독을 유발할 수 있다^[6]. 또한, 납은 높은 용융점으로 인해 쉽게 제작하는데 어려움이 있다. 따라서 대체품으로 cerrobend를 이용하여 중요장기의 보호 및 불필요한 피폭을 경감하는 역할을 하고 있지만 cerrobend는 bismuth, lead, tin, cadmium 등이 구성되어 있어 인체의 유해한 독성을 가지고 있다. 이에 이를 대체할 무납 차폐체나 혼합 차페체 연구는 Tungsten, Bismuth, BaSO₄, Antimony 등으로 차폐 효율을 높일 수 있는 물질로 활발하게 연구가 진행되고 있다^{[7, 8]}. 현재 산업 분야에서 주목 받고 있는 3D 프린팅 기술은 재료공학의 발전과 더불어 출력할 수 있는 재질이 계속 늘어나고 있다. 그 중 경제적으로 가장 접근이 쉬운 FDM (Fused Deposition Modeling) 타입의 3D 프린터에서는 원하는 모양 출력할 수 있으며 다양한 금속 혼합 필라멘트들이 개발되고 있어 방사선 분야에 이용될 수 있는 텅스텐, 비스무스, 황동 등 고밀도의 재료를 플라스틱 등과 혼합되어 용융점을 낮추어 3D 프린터에서 손쉽게 출력할 수 있도록 개발 되었다. 이에 가공성과 경제성이 우수한 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D Printing 기술을 활용하여^[11] 본 연구에서는 금속 혼합 필라멘트인 Tungsten, Brass. Copper를 3D Printer 기술에 적용해 제작된 금속 필라멘트 투과율 측정 시트가 고에너지 영역에서의 투과율을 확인하여 투과 가능성을 확인하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHOD

1. 3D 프린터와 필라멘트를 이용한 투과율 측정 시트 제작

1.1. 3D 모델링

3D 프린팅 기술에 사용되는 필라멘트 Tungsten, Brass, Copper을 활용하여 투과율 측정 시트를 자체 제작하였다. 측정시트는 3D 설계프로그램인 Open source Free CAD 0.19를 사용하여 크기는 70 × 70 mm, 두께는 1, 2, 4 mm 로 저장하였으며 Fig. 1과같이 출력하였다.

Fig. 1. Shielding sheet output for dosimetric measurement.

1.2. 3D Printing 출력 및 차폐 시트 제작

STL 파일로 변환된 3D 모델을 슬라이싱 프로그램(Cura 4.9.1, Ultimaker, Nethelands)을 이용하여 출력 설정하고, G-code로 변환하였다. 전송된 G-code 를 이용하여 3D 프린터로 출력하여 투과율 측정 시트를 제작하였다.

Table 1. The output parameters of 3D printing

2. 투과율 측정

제작한 투과율 측정 시트의 투과성능을 확인하기 위해 선형가속기 (TrueBeam STx, S/N: 1187)에서 발생된 6, 15 MV을 Water Phantom과 Ion chamber (FC-65G), elcetrometer (PTW UNIDOSE)을사용하였다. 그리고 SSD 100 cm에서 물 속 5 cm 에 각각 100 MU를 조사하여 Fig. 2와 같이 투과율을 평가하였다. chamber의 경우 2021년 5월 4일 검교정 받은 것을 사용하였다(chamber calibration factor, N_{D, W, Co} = 4.787 cGy/nC). 투과율 측정 시트가 없는 경우의 선량을 측정하고, 1 ㎜ 씩 투과율 측정 시트를 10 ㎜ 까지 두께를 증가시키며 투과율을 측정하였다. 조사조건은 Table 2와 같으며 선량은 각 5 회 측정하였다. 평균 선량을 산출하여 투과율을 계산하였다.

\(\text { Transmission rate }(\%)=\frac{W}{W_{0}} X 100\)       (1)

W : radiation dose and dose rate as measured at the Transmission

W₀ : radiation dose and dose rate as measured at the non-Transmission

\(\text { absorbed dose }=\mathrm{D}_{\mathrm{x}}=\mathrm{D}_{\mathrm{a}}-\frac{(D a-D b)}{(a-b)}(a-x)\)       (2)

Da_x : absorbed dose to know

D_a : absorbed dose of the irradiated surface that is one step larger han the irradiated surface area you want to know

D_b : absorbed dose of one smaller irradiated surface

Table 2. Parameter for dose measurement

Fig. 2. Dosimetry on a linear accelerator.

Ⅲ. RESULT

1. 투과율 측정 시트 출력

실험을 진행하기 위해 투과율 측정 시트를 Fig. 3 과 같이 출력하였다.

Fig. 3. Transmission measurement sheet.

2. X선 6 MV에서의 투과율 측정

6 MV를 사용하여 Fig. 2와 같이 측정한 결과는 투과율 측정 시트가 없을 때의 선량은 17.1 nC이며 Tungsten 1 mm의 평균선량은 16.63 nC로 투과율은 0.968%, Brass 1 mm의 평균선량은 16.94 nC으로 0.9828%, Copper 1 mm의 평균선량은 16.99 nC으로 0.987%로 측정되었다. Tungsten 5 mm의 평균 선량은 14.79 nC으로 0.861%, Brass 5 mm의 평균선량은 15.83 nC으로 0.918%, Copper 5 mm의 평균선량은 16.06 nC으로 0.933%로 측정되었다. Tungsten 10 mm의 평균선량은 12.94 nC으로 0.753%, Brass 10 mm의 평균선량은 14.56 nC으로 0.844%, Copper 10 mm의 평균선량은 14.99 nC로 0.871%로 측정되었다. 따라서 Tungsten의 경우 5% 투과율인 4.32 HVL 을 Eq. 1과 Eq. 2에 따라 Table 3을 이용해 계산해보면 약 3.8 cm와 3.9 cm, Brass는 6.1 cm와 6.2 cm, Copper는 7.3 cm와 7.4 cm로 나타났다.

Table 3. The result of the radiation shielding sheet tests in High energy X-ray (6, 15 MV) (unit : nC)

3. X선 15 MV에서의 투과율 측정

15 MV에서의 동등한 실험의 측정 결과는 투과율 측정 시트가 없을 때의 평균선량은 19.3 nC이며 Tungsten 1 mm의 평균선량은 18.74 nC로 0.974%, Brass 1 mm의 평균선량은 19.06 nC로 0.987%, Copper 1 mm의 평균선량은 19.07 nC로 0.989%로 측정되었다. Tungsten 5 mm의 평균선량은 17.03 nC 로 0.885% Brass 5 mm의 평균선량은 18.11 nC로 0.938%, Copper 5 mm의 평균선량은 18.30 nC로 0.949%로 측정되었다. Tungsten 10 mm의 평균 선량은 15..22 nC로 0.791%, Brass 10 mm의 평균 선량은 17.00 nC로 0.881%, Copper 10 mm의 평균 선량은 17.40 nC로 0.902%로 측정되었다. 따라서 Tungsten의 경우 5% 투과율인 4.32 HVL을 Eq. 1과 Eq, 2에 따라 Table 3을 이용해 계산해보면 약 4.5 cm와 4.6 cm, Brass는 7.9 cm와 8.0 cm, Copper는 9.7 cm와 9.8 cm로 나타났다.

Ⅳ. DISCUSSION

현대 방사선 치료기술은 체내의 존재하고 있는 종양세포에는 집중적으로 방사선을 조사하는 반면에 정상세포에는 최소한의 선량을 조사하여 치료의 완치율을 높이는데 그 목적이 있다^[12]. 방사선치료는 종양이 위치하는 국소부위에 20~80 Gy의 고선량을 투여하며 주위 정상조직에도 상당한 피폭이 예상된다. IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) 등과 같은 최신 기술로써 정밀한 방사선치료로 종양에 많은 선량의 투여와 정상조직의 선량 최소화가 가능하지만, 일반적인 방사선 치료는 주변 조직에 높은 수준의 산란선과 누설선 등으로 인한 2차 방사선 피폭으로 손상위험장기(Organ at risk, OAR)에 대한 피폭선량이 증가할 수 있어 추가적인 차폐가 필요한 경우가 있다^[13]. 방사선의 종류에 따라 직, 간접적인 DNA 손상에 의해 암조직에서는 암세포의 괴사나 사멸이 발생하는 반면, 정상조직에서는 비록 빈도는 낮지만 돌연변이가 발생될 수도 있다. 그 결과로 방사선은 종양의 크기를 줄이거나 소실되도록 하여 완치율을 향상시킬수 있다, 반면에 암과 방사선 숙취, 백내장, 기형아, 불임, 탈모, 피부 홍반과 잠재적인 치사유전자증을유발시킬 수도 있다. 그러므로 방사선치료를 받는 환자와 작업종사자는 고선량의 방사선으로부터 방호되 어야 할 필요가 있다^[14]. 치료영역에서의 Shielding block은 1차선 Transmission이 5% 이하가 되도록 권고하고 있으며 6 MV에서는 6.5 cm의 납 두께가 필요하며 10 MV 이상에서는 7.0 cm 이상의 납 두께가 요구되고 있다. 이에 본 연구는 Tungsten 혼합 필라멘트을 이용하여 차폐 시트를 가공성과경제 성이 우수한 FDM 방식의 3D 프린팅 기술로 제작하여 각 소재의 따른 6, 15 MV의 실험에서는 각 차폐시트 1 mm 씩 증가하여 실험을 Fig. 2와 같이 진행하였다. 결과 6 MV의 실험에서는 Tungsten 1 mm의 평균선량은 16.63 nC로 0.968%, Brass 1 mm의 평균선량은 16.94 nC로 0.9828%, Copper 1 mm의 평균선량은 16.99 nC로 0.987%로 측정되었다. 식에 따라 5%의 transmission은 6 MV에서 Tungsten 차폐시트의 경우 3.8~3.9cm가 됨을 알 수 있었다. 이는 기존 납의 두께 6.5 cm 보다 얇으며 동등한 성능을 확인할 수 있었다. 또한, Brass의 경우 6.1~6.2 cm일 때, Copper의 경우 7.3~7.4 cm에서부터 납과 동등한 차폐체로서 성능을 확인할 수 있었다. 15 MV에서는 Tungsten 차폐시트의 경우 4.5~4.6 cm일 때 기존 납의 두께 7 cm 보다 얇으며, Brass의 경우 7.9~8.0 cm일 때 Copper의 경우 9.7~9.8 cm에서부터 납과 동등한 차폐체로서 성능을 확인할 수 있었다. 조용인의 연구에 의하면 시중에 판매되고 있는 금속이 함유된 필라멘트인 97 -ABS+Bi, PLA+Al등을 이용하여 차폐기구를 제작할 경우, 눈과 생식샘과 같은 결정장기에 대해 유효한 차폐 효과가 있다고 보고하였다^[15]. 이승훈 외등의 연구에 의하면 텅스텐의 경우 kV-CBCT 에너지 영역에 따른 높은 흡수 확률로 인해 차폐 효과가 훨씬 큰 것으로 판단된다고 보고하였다^[16]. 또한, 다른 선행연구에 의하면 Brass filament 4~6 mm 정도의 두께에서 진단용 X선의 90% 이상 차폐할 수 있다고 보고되었다^[17]. 3D 프린터를 통해 제작한 차폐체의 연구는 다양하게 이루어지고 있지만 많은 제한점이 존재한다. 선행연구의 따르면 3D 프린터의 컨디션이나 출력설정에 따라 내부 채움의 재현성이 떨어질 수 있어 밀도 등 조성이 변하므로 결과 값 변동 가능성이 있을 수 있다고 보고된 점이 있다^[18]. 또한, 실험에 필요한 차폐시트를 1 cm 까지 밖에 제작을 못하였다. 이는 주재료인 Filament의 재료 비용이 고가의 형성되어 있어 다양한 두께를 출력하지 못한 제한점이 있었다. 한국산업기술평가관리원에 따르면, 현재 3D 프린트 제작을 위해 비용적으로 해결해야 될 사안들이 많다고 언급하고 있다 ^[19]. 실험결과의 Transmission의 경우 1 mm에서 10 mm 까지의 측정한 결과를 토대로 표준편차를 정하여 투과율의 추정치를 구하였다. 본 연구는 고에너지 영역에서의 Tungsten 합금 필라멘트를 이용한 차폐 시트의 차폐효과를 치료영역에서 사용 가능함을 확인하였으며 기초연구로써 기존 연구를 통하여 7, 8 cm 정도 출력하여 직접 납과의 비교가 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구를 통하여 금속 혼합 필라멘트를 이용하여 제작한 차폐시트는 6 MV에서 6.5 cm 납 두께와 동등한 체폐 효과를 갖는 Tungsten 두께는 3.8~3.9 cm 이었으며 Brass, Copper의 비해 투과율 또한 우수함을 확인하였다. 15 MV에서의 Tungsten 투과율측정 시트의 경우 4.5~4.6 cm일 때 기존 납의 두께 7 cm 보다 얇으며 납과 동등한 차폐체로서 성능을 확인할 수 있었다. 이에 금속 혼합 필라멘트를 이용하여 제작한 투과율 측정 시트가 고에너지 영역에서의 차폐 가능성을 확인하였으며 대체품으로써의 사용가능성 또한 우수함을 확인하였다. 향후 3D 프린팅 기술로 차폐체 제작을 위한 기초자료로 제공할 수 있을 것으로 사료 된다.