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"J. Korean Soc. Radiol., Vol. 11, No. 5, October 2017"

pISSN : 1976-0620, eISSN : 2384-0633

Making Human Phantom for X-ray Practice with 3D Printing

Woo Jeon Choi,1 Dong Hyun Kim2,*

1Department of Radiological Science, Busan BON Hospital2Department of Radiological Science, Catholic University of Pusan

Received: August 14, 2017. Revised: October 02, 2017. Accepted: October 31, 2017

ABSTRACT

General phantom for practical X-ray photography Practical phantom is an indispensable textbook for radiology, but it is difficult for existing commercially available phantom to be equipped with various kinds of phantom because it is an expensive import. Using 3D printing technology, I would like to make the general phantom for practical X-ray photography less expensive and easier. We would like to use a skeleton model that was produced based on CT image data using a 3D printer of FDM (Fused Deposition Modeling) method as a phantom for general X-ray imaging. 3D slicer 4.7.0 program is used to convert CT DICOM image data into STL file, convert it to G-code conversion process, output it to 3D printer, and create skeleton model. The phantom of the completed phantom was photographed by X - ray and CT, and compared with actual medical images and phantoms on the market, there was a detailed difference between actual medical images and bone density, but it could be utilized as a practical phantom. 3D phonemes that can be used for general X-ray practice can be manufactured at low cost by utilizing 3D printers which are low cost and distributed and free 3D slicer program for research. According to the future diversification and research of 3D printing technology, it will be possible to apply to various fields such as health education and medical service.

Keywords: 3D printing, Medical image, 3D modeling, Phantom

Ⅰ. INTRODUCTION

방사선사는 전리 및 비전리 방사선의 취급과 방사성 동위원소를 이용한 핵의학적 검사 및 의료영상진단기·초음파 진단기의 취급, 방사선 기기 및 부속 기자재의 선택 및 관리업무를 시행하는 의료기사이다.[1] 방사선사 취득을 위해서는 국내의 방사선학과를 졸업하고 보건복지부에서 시행하는 시험들 통과해야 한다. 일반적으로 임상에서 방사선사는 영상의학과 중 일반 X선 촬영실에서 근무하는 인원이 가장 많고 임상 검사 중 기본검사로 인식되고 있어 방사선학과에서도 이를 대비한 실습에 대한 비중이 높은 과목 중 하나이다.

방사선학과에서 일반 X선 실습은 의료용 방사선선으로 분류되지 않기 때문에 사람에 대한 직접적인 방사선 조사가 불가능하다. 이에 일반 X선 촬영

법을 교육시 일반 X선 촬영 실습용 팬텀이 사용되어지고 있고 실습용 팬텀의 구비는 방사선 교육 기관에 있어 매우 중요한 과제라 할 수 있다. 현재 대한민국에는 45개의 대학에서 방사선학과가 운영되고 있고 일반 X선 실습에 필요한 팬텀 또한 많이 필요한 실정이다.[2] 그러나 시판되는 일반 X선 촬영 실습용 팬텀은 매우 고가이며 주문 제작 혹은 수입에 의존하고 있기 때문에 구입하기 위해서는 많은 시간과 비용이 요구된다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 CT 데이터와 3D프린터를 사용하여 팬텀 연구를 진행하였다. 3D 프린팅이란 적층 기공(Additive Manufacturing; AM)이라고도 불리며, 디지털 디자인 데이터를 이용하여 액체 또는 가루 형태의 폴리머(수지), 금속 등의 재료를 쌓아 올려 3차원 물체를 제조하는 과정을 의미한다.[3] 현재 가장

* Corresponding Author: Dong Hyun Kim E-mail: dhkim@cup.ac.kr Tel: +82-51-510-0584 Address: Catholic Univ. of Pusan, Bugok 3-dong, Geumjeong-gu, Busan, Korea

https://doi.org/10.7742/jksr.2017.11.5.371

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대중화된 3D 프린팅 기술은 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식이다.[4] PLA(Poly Lactic Acid), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene)등의 수지로 만들어진 필라멘트를 고온의 노즐에서 적층하는 FDM방식은 원리가 단순하고 출력비용이 비교적 저렴한 장점이 있다. 본 연구에서는 CT 의료영상 데이터로 3D 프린팅을 하여 일반 X선 촬영 실습용 팬텀을 제작하고 실제 일반 X선 실습용 팬텀으로서의 활용 가능성에 대하여 연구해보고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 개요3D 프린팅을 이용해 인체 팬텀에 사용되는 골격

모형을 제작하기 위한 과정은 다음과 같다. Fig. 1은 3D slicer 4.7.0 프로그램을 이용해 CT DICOM 영상 데이터의 골 조직 농도 값에 해당하는 부분을 추출하여 3D 모델을 제작하고 대건테크사의 MyD series convent 프로그램 3.0(이후 MC프로그램)을 이용한 G-code 변환 과정을 거쳐 대건테크사의 MyD P250 3D 프린터로 출력한다.[5,6] 출력한 골격 모형을 베드에서 분리하고 골격 이외의 지지체를 제거한 뒤 폴리머 클레이로 감싸 팬텀의 형태로 빚어내 완성한다.

Fig. 1. Mimetic diagram of 3D bone model making.

2. CT 영상 데이터의 3D 모델화Fig. 2는 CT 영상의 골격 부분을 3D 모형으로 출

력하기 위해서는 의료영상의 DICOM 파일을 3D 프린팅에 가장 보편적으로 사용되는 3D 모델 포맷인 STL 파일로의 변환이 필요하다. 본 연구에서는 이 과정을 3D slicer 프로그램으로 수행하였다. CT 영상데이터의 DICOM파일을 3D slicer로 실행하고 Crop Volume 기능으로 영상을 추출하고자 하는 골 조직의 크기만큼 잘라낸 후 Threshold Effect 기능으로 골격에 해당하는 농도 값을 지정하면 대략적인 골격의 범위를 지정할 수 있으며 이 과정에서 Volume Rendering을 통해 골격 및 연부조직을 3D 형태를 미리 렌더링해 볼 수 있다. 그러나 Threshold Effect 기능은 영상의 일정 농도에 해당하는 범위를 자동으로 지정할 뿐 골 조직만을 정확히 지정할 수 없기 때문에 굳은살, 손·발톱, CT 혹은 MRI의 테이블 등 기타 원인으로 발생한 Artifact가 골 조직과 함께 지정되기 때문에 Paint Effect 도구를 사용해 X, Y, Z축의 모든 단면을 편집하였다. 세 축 모든 단면의 편집이 끝나면 Make Model Effect 도구로 지정된 부분의 3D 렌더링을 실행해 STL 형식으로 저장한다.

Fig. 2. 3D Slicer Program(Ver. 4.7.0).

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3. 3D 모델 데이터의 출력FDM 적층식 3D 프린터는 고온의 노즐로부터 용

출되어 나온 필라멘트 형 수지로, 그려진 2D 이미지를 바닥부터 쌓아 올려 3D 모델을 구현해내는 방식이기 때문에 3D 모델 데이터뿐만 아니라 노즐의 이동 경로, 레이어 두께, 채우기 밀도, 출력 중의 붕괴를 막기 위한 지지체 등의 추가 정보를 지닌 G-code 포맷이 필요하다. MC 프로그램을 비롯한 G-code 변환 프로그램은 3D 프린터를 제작하는 회사에 따라 다양하기 때문에 본 연구에서는 대건테크 MyD P250 3D 프린터 Fig. 3과 대건테크 MyD MC 프로그램 Fig. 4를 사용하였다. MC 프로그램을 실행하면 직육면체 형상의 공간이 나타나는데 이는 3D 프린터의 내부 공간을 의미하는 것으로 노즐의 최대 동작 범위, 즉 출력물의 최대 크기를 나타낸다. 이 범위 내에 배치하는 것이 불가능한 대형 구조물의 경우 크기를 줄이거나 STL 파일 단계에서 나누어 출력하여야 한다. MC 프로그램으로는 레이어 두께, 채우기 밀도, 서포트 등의 출력 옵션을 지정할 수도 있다. 레이어 두께는 CT 영상의 슬라이드 두께와 같은 개념으로 출력물을 몇 개의 슬라이스로 나누어 출력 할 것인지를 정하는 옵션이다. 레이어 두께가 얇을수록 출력물의 종 방향 표현력이 우수해지며 매끄러운 표면을 얻을 수 있다. 반대로 레이어 두께가 지나치게 두꺼우면 표면의 계단 현상이 도드라지게 나타난다. 채우기 밀도는 출력물의 강도와 무게를 결정한다. Fig. 5는 출력물의 X선 촬영 팬텀으로서의 활용 방안도 고려하여 모두 100% 밀도로 출력하였다. 서포트는 출력물이 출력 중에 중력의 영향으로 붕괴 하는 것을 방지하기 위해 출력물 하부 혹은 내부에 배치하는 지지체이다. Touching Build Plate 방식의 서포트는 출력물과 베드사이에만 지지체를 배치하는 형식으로 출력물 사이에 빈공간이 있는 경우에는 지지체를 배치하지 않는다. Everywhere 방식은 출력물과 베드, 출력물과 출력물 사이에 전부 지지체를 배치하는 방식으로 복잡한 형태를 표현하는데 필수적이다. 옵션을 지정 한 후 3D slicer로 제작한 골격 모형을 베드 범위 내에 배치하면 자동으로 노즐 경로, 출력 시간, 출력물 무게, 필요 필라멘트 길이 등이 계

산되고 G-code 파일로 저장 할 수 있게 된다. USB, SD card 등을 이용해 3D 프린터로 G-code 파일을 옮겨 출력한 후 서포트를 제거하면 골격 모형이 완성된다.

Fig. 3. MyD P250 3D printer.

Fig. 4. STL file convert G-code.

Fig. 5. 3D Bone model of whole foot with support.

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4. 인체 팬텀 제작완성된 골격 모형을 일반 X선 촬영 실습용 팬텀

으로써 활용하기 위해서는 PLA 수지로 이루어진 골격 모형보다 원자번호나 밀도가 낮아 투과성이 높은 연부 조직으로 골격의 외부를 감싸 인체의 형태를 갖출 필요가 있다. 본 연구에서는 공작재료로 판매되고 있는 아모스 사의 아이클레이 폴리머 점토를 연부조직의 재료로 활용하였다. Fig. 6은 골격과 연부조직 사이에 빈 공간이 생기지 않도록 골격 사이의 빈 공간에 폴리머 점토를 채워 넣고 골격 사이에 빈 공간이 전부 채워지면 폴리머 점토를 넓게 펴 골격 모형을 감싸 인체와 같은 형태로 빚어낸다.

Fig. 6. Foot phantom made with 3D printed bone model.

5. 영상 평가 방법실험재료- X-ray : AccuRay 650R(DK medical, Korea)

- CT : Somatom perspective(Siemens, Germany)

- 3D Rendering : Sygovia(Siemesn, Germany)

5.1 정성적 평가팬텀으로서 활용가능성을 평가하기 위해 정성적

평가와 정량적 평가를 하여 비교하였다. 3D프린팅 팬텀, 기존 실습 팬텀의 손과 발을 후전촬영, 사 방향 촬영, 측 방향촬영 하였다. 촬영 조건은 55 kV, 6 mAs로 설정하였다. 정성적 평가 방법은 영상에 대한평가 기준은 청구문화사의 TEXTBOOK of Radiographic Positioning and Clinical Diagnosis의 X-선상의 평가기준항목을 이용하여 각 항목의 기준을 점수로 계산하였다.

평가는 우수(5점), 아주 좋음(4점), 좋은(3점), 보통(2점), 나쁨(1점)의 5점척도로 점수화 하여 평가하였다. 영상분석은 5년이상 근무한 방사선사 5명이 평가하였다.

Table 1. Image evlauation list

평가항목손 1.지절골간 간격이 일정하게 분리되어 있는가?

손 2. 지절골 14개와 중수골 5개, 수근골 8개를 모두 관찰할 수 있는가?

손 3. 말절골과 수근골의 농도는 적정한가?

손 4. 연부조직과 골의 주상골 구조를 관찰할 수 있는가?

발 1. 제2중족골에서 제5중족골까자의 서로 인접한 중족골체 사이의 간격이 일정한가?

발 2. 제2~제5 중족골저부가 겹쳤는가?

발 3. 중족골과 같이 거골에서 원위부의 족근골과 지절골이 진단유효 농도 범위 내에 있는가?

5.2 정량적 평가정량적 평가방법으로는 130kV, 100mAs CT스캔

후 팬텀 스캔 데이터를 토대로 관심영역(Region of Interest, ROI)를 설정하여 HU(Hounsfield)값을 측정하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 일반 X선 촬영에 대한 정성적 평가Table 2는 3D 프린팅한 팬텀과 기존 팬텀의 X-선

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영상의 정성적 평가 결과이다. 손 팬텀으로서는 지절골 간격의 결과 기존팬텀에서는 4.26 ± 0.26, 3D 프린팅 팬텀은 4.15 ± 0.67, 골의 관찰 유무는 기존 팬텀 4.5 ± 0.5, 3D 프린팅 4.42 ± 0.5, 골의 농도는 기존 팬텀 4.84 ± 0.2, 3D 프린팅 4.07 ± 0.78, 연부조직과 주상골 관찰은 기존팬텀 4.42 ± 0.58, 3D 프린팅 4.03 ± 0.67으로 평가되었다. 발 팬텀으로서 중족골사이의 간격으로서는 기존팬텀 4.26 ± 0.57, 3D 프린팅 4.19 ± 0.55, 중족골 저부의 겹칩에 대한 평가는 기존팬텀 4.42 ± 0.5, 3D 프린팅 4.23 ± 0.69, 거골과 지절골의 진단유효 농도범위는 기존 팬텀 4.42 ± 0.5, 3D 프린팅 3.84 ± 0.72으로 평가 되었다.

Fig. 7. 3D Printing Phantom VS Phantom.

2. 컴퓨터 단층 촬영에 대한 정량적 평가2.1 HU측정Table 2. CT HU nember

130 kV/100 mAs

3D printing phantom phantom

bone tissue bone tissue

hand 66.8 30 408.6 15.1

foot 90 32.2 1434.7 46.2

CT스캔 후 팬텀 스캔 데이터를 토대로 관심영의 HU은 Table 1과 같다. 3D 프린팅 된 팬텀의 경우 bone 66.8 tissue 30으로 기존 팬텀과 인체의 값보다 작은 HU값을 나타냈다.

2.2 3D VRT image

Fig. 9는 CT 데이터를 사용한 3D VRT(Volume Rendering Technique) 이미지이다.

Fig. 8. CT 3D VRT image.

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3.프린팅 시간 및 재료 비용골격 모형을 출력하는데 Foot의 경우 42시간 동

안 124m의 필라멘트가 사용되었고 서포트를 포함해서 370g의 출력물이 완성되었다. Hand는 17시간 동안 55m의 필라멘트가 사용되었고 서포트를 포함해서 164g의 출력물이 완성되었다. 시중에 판매되는 가장 저렴한 PLA필라멘트 제품군을 기준으로 제작비용을 계산하면 Foot 팬텀 제작에 7,550원, Hand 팬텀 제작에 4,460원이 사용되었다.

Ⅳ. DISCUSSION

지금까지 3D 프린트를 통하여 영상의학과에서 활용할 수 있는 많은 연구가 진행됐다. 3D 프린트로 프린팅 된 인체구조물을 통하여 수술 전 시뮬레이션을 시행할 방법이 연구됐으며, CT 데이터를 이용하여 골절환자를 위한 부목을 제작하는 가 진행되었으며, 소동물 팬텀등을 제작하여 방사선 선량검출 등의 연구가 꾸준히 진행되어왔다.[7-10] 스티로폼을 사용하여 심장혈계 검사의 시술장비를 제작한 적은 있지만 아직은 3D 프린트로 제작된 X-선 실습 팬텀에 대한 연구는 미미한 실정이다.[11]

따라서 본 연구는 기존 일반 X선 실습 팬텀들은 수입에 의존하고 있고 구입에 큰 비용과 많은 시간 드는 단점들을 보완하고자 본 연구를 수행하였다. 골형태에 대한 해부학적 특징들이 정성적 평가는 기존 팬텀과 비교하여 각 해부학적 특징들이 유사한 형태를 보였으며 3D VRT 이미지 또한 기존팬텀과 유사하게 만들어짐을 확인할 수 있었다. CT검사의 HU값은 기존팬텀의 재료와 3D 프린트의 필라멘트의 밀도 차이로 인해 차이를 보여 3D 프린팅 된 팬텀 조사시 기존 팬텀에 조사된 조건보다 작은 조건을 조사되어야지 적정한 농도의 결과물이 얻을 수 있었다.

Ⅴ. CONCLUSION

CT 데이터와 3D 프린트를 활용하여 X선 실습용 팬텀의 제작 결과 기존 팬텀과의 성능과 유사한 결과가 나타났으며, 이것을 토대로 교육기관에서는 저렴한 비용으로 영상처리학, 영상 진단학의 수업

보조 자료로 활용할 수 있어 학생들에게 더욱 수준 높은 교육을 할 수 있는 도구로 활용될 수 있을 것이라 생각된다.

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"J. Korean Soc. Radiol., Vol. 11, No. 5, October 2017"

pISSN : 1976-0620, eISSN : 2384-0633

3D 프린팅을 활용한 일반 X선 촬영 실습용 인체 팬텀 제작

최우전,1 김동현2,*

1부산본병원 영상의학과2부산가톨릭대학교 방사선학과

요 약

일반 X선 촬영 실습용 팬텀은 방사선학과에 없어서는 안 되는 중요한 교재나 기존의 시판되는 팬텀은 고가의 수입품이기에 다양한 종류의 팬텀을 갖추는 것이 어렵다. 3D 프린팅 기술을 활용해 일반 X선 촬영 실습용 팬텀을 더욱 저렴하고 간편하게 제작해 보고자 한다. CT 영상 데이터를 기반으로 제작한 골격 모형을 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D printer를 이용해 출력한 골격 모형을 일반 X선 촬영 실습용 팬텀으로써 사용해 보고자 한다. 3D slicer 4.7.0 프로그램을 이용해 CT DICOM 영상 데이터를 STL 파일로 변환하고 G-code 변환 과정을 거쳐 3D 프린터로 출력하여 골격 모형을 제작한다. 완성된 팬텀을 X선 촬영, CT 촬영하여 실제 의료 영상, 시판되는 팬텀과 비교해 본 결과 실제 의료영상과 골 밀도 등의 세부적인 차이가 존재하였으나 실습용 팬텀으로써 활용할 수 있다고 판단되었다. 저가화되어 보급된 3D 프린터와 연구용으로 무료 배포된 3D slicer 프로그램을 활용하여 저렴하면서도 일반 X선 촬영 실습에 사용하는 것이 가능한 팬텀을 제작할 수 있었다. 앞으로의 3D 프린팅 기술의 다양화와 연구에 따라 보건 교육, 의료 서비스 등 여러 분야에 적용하는 것이 가능할 것이다.

중심단어: 3D 프린터, 의료영상, 3D 모델링, 팬텀