3D 프린팅이란 컴퓨터로부터 전달받은 디지털 파일을 이용하여 물리적인 개체를 만드는 공정 기술을 의미하며, 1980년대 3D 프린터가 최초로 상용화된 이후 점차 제작 시간이 짧아지고 생산비용이 저렴해짐에 따라 다양한 분야에서 활용도가 높아지고 있다[1]. 프린팅 방식은 대표 소재에 따라 분류되는데, 필라멘트를 이용한 용융 적층 조형(FDM, Fused deposition modeling), 분말(Powder)을 이용한 선택적 레이저 소결 조형(SLS, Selective laser sintering), 액체를 이용한 광조 형법 조형(SLA, Stereo lithography apparatus) 등이 있다[2]. 이러한 다양한 조형 방식으로 제작된 장비가 환자 보조와 치료 등을 목적으로 의료 분야에 적용되고 있으며 병소 위치에 따른 교정, 체외 굴곡 또는 요철 등에 정교하게 대응할 수 있고 목적에 따라 다양한 소재를 활용하여 복잡한 구조까지 출력이 가능한 장점이 있다[3].

최근 방사선 치료에서 사용되는 보조용구 중 볼루스(Bolus)를 3D 프린터로 제작하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다[4-7]. 볼루스란 고에너지 광자선을 이용한 방사선 치료 시 체내 특정 깊이에서 최대선량 지점이 형성되는 최대선량깊이(D_max, Maximum dose depth)를 조정 가능하게 하며 체표면의 요철 또는 손실된 조직 부위를 보상해주는 역할을 수행하는 물질이다. 이러한 볼루스는 물, 파라핀, 쌀 등과 같은 조직등가물질로 구성되어 있으며, 두께를 달리하여 선량상승영역(Build-up region)을 조절함으로써 환자의 종양에 최대선량을 전달할 수 있도록 보조하는 결정적인 역할을 한다.

3D 프린팅 기술에 의료 영상을 접목시켜 환자 맞춤형으로 제작된 볼루스에 관련된 연구가 활발히 진행 중이며, 병소에 따른 볼루스의 형태뿐만 아니라 볼루스의 재질에 관한 방사선의 물리적 영향 평가가 보고되고 있다[8-12]. 또한 임상에서 환자 치료 시 널리 사용되는 다양한 볼루스 제품과의 비교 연구가 진행되고 있다[13,14].

하지만 눈, 코, 두피 등과 같은 두경부 또는 사지부와 같이 굴곡이 심한 부위 및 표면이 불규칙한 병소에 기존 볼루스를 적용할 경우 표면과의 완전 밀착이 어려워 일부 지점에서 공기층이 발생될 수 있으며 다양한 병소 위치에 따라 정확하게 부착시키는데 한계가 있다. 이는 성공적인 치료 목표를 달성하는데 있어 계획체적대상의 방사선량 분포와 환자 종양에 대한 최대선량깊이에 영향을 준다[5]. 이때 3D 프린터를 통해 유연성을 갖춘 필라멘트를 활용하여 볼루스를 환자맞춤형으로 제작할 경우 피부 요철면 보정뿐만 아니라 밀착도를 높여 방사선 치료 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 이에 조직등가물질인 기존 볼루스를 대체할 수 있는 다양한 필라멘트 매질의 유용성을 평가하고자 한다.

본 연구에서는 몬테카를로 전산모사 코드 중 하나인 GATE(Geant4 application for tomographic emission)를 이용하여 방사선 치료에 사용되는 다양한 광자선 에너지에 따라 3D 프린팅 필라멘트종류에 따른 최대선량깊이와 볼루스로써 활용될 때 여러 두께에 따른 방사선량 특성을 평가하고자 한다.

선량상승 현상은 이론적으로 엑스선 에너지가 400 kV를 초과했을 때 성립하며, 조사되는 X선 에너지에 따라 그 지점이 상이하다. Equation (1)과 같이 표면선량(D_s)에 대한 최대선량깊이(D_max) 비로 표현하며 에너지가 높아질수록 최대선량 깊이는 심부에서 높은 경향성을 보인다.

광자선 에너지의 경우 임상에서 많이 사용되는 6, 10, 15 MV로 설정하였으며, 몬테카를로 전산모사를 통해 모사된 선형가속기 모델은 Varian Medical Systems사의 Clinac iX이다.

GATE에서 산출된 물팬텀 내 최대선량깊이 지점을 모사된 선형가속기에서 보고된 값과 비교하여 전산모사 코드의 신뢰성을 검증하고자 하였다. 실험 시 거리는 선원과 표면까지 100 cm로 설정하고, 8가지 3D 프린팅 필라멘트 매질의 각 최대선량깊이 지점을 확인하고자 하였다.

필라멘트는 조직등가물질인 기존 볼루스를 대체하기 위해 각 매질의 밀도, 유효원자번호, 강도, 유연성, 내구성 등과 같은 물리적 특성이 고려된 것이며 종류 및 물성 정보는 Table 1과 같다.

Table 1 Characteristic and Physical Properties of 3D-printed Filament Materials.

Filament materials	Chemical formula	Effective atomic number	Density [g/cm3]	Melting point[°C]
PP	C3H6	5.44	0.90	160
HIPS	C8H8	5.70	1.03	150–180
ABS	(C8H8·C4H6·C3H3N)n	5.76	1.04	200
TPU	C4H4O4	7.10	1.21	146
PLA	(C3H4O2)n	6.82	1.24	170–180
PETG	C10H8O4	6.64	1.27	260
PC	C16H18O5	6.44	1.30	265
Nylon	C10H20(CO)2(NH)2	6.12	1.52	269

이러한 필라멘트 매질로 구성된 볼루스 형태를 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 cm 두께로 제작하여 사용했을 경우 발생되는 최대선량깊이 지점의 변동을 0.1 cm 간격으로 분석하였다. 또한 비교군인 볼루스 대비 각 필라면트 종류 별 성능을 평가하였고, Fig. 1과 같이 볼루스가 부착된 물팬텀과 선원과의 거리는 100 cm이며 조사야 크기가 10 × 10 cm²이고 물팬텀의 크기는 50 × 50 × 30 cm³이다.

Figure 1. (Color online) (a) Linear Accelerator Structure and (b) Maximum Dose Depth Simulated by GATE.

선형가속기의 최대선량깊이는 6, 10, 15 MV에 대해 각각 1.6 ± 0.15, 2.4 ± 0.15, 2.9 ± 0.15 cm로 이론적으로 보고되며[15] GATE 환경에 선형가속기를 동일하게 모사한 후 사전 검증한 결과, Fig. 2와 같이 각 광자선 에너지에 대해 1.5, 2.6, 3.3 cm로 거의 차이가 없는 결과값을 바탕으로 전산모사 도구의 활용 가능성을 확인하였다.

Figure 2. Maximum Dose Depth in Water Phantom with Theory and Monte Carlo Simulation.

GATE를 통해 기존 볼루스를 제외한 총 8가지 필라멘트 매질에 대한 최대선량깊이 지점을 확인하였다. Table 2와 같이 각 매질 내 형성되는 지점은 발생되는 광자선 에너지에 비례하여 깊어지며, 각 매질의 밀도에 반비례한 결과를 보였다. 따라서 밀도가 0.90 g/cm³로 가장 낮은 PP의 경우 6, 10, 15 MV에서 각각 1.7, 2.8, 3.7 cm의 최대선량깊이 지점을 나타냈으며, 밀도가 1.52 g/cm³로 가장 높은 Nylon에서는 1.1, 1.7, 2.4 cm에서 확인되었다.

Table 2 Maximum Dose Depth for Each 3D-printed Filament Materials [cm].

Energy [MV]	6	10	15
Materials
Water (Theory)	1.6 ± 0.15	2.4 ± 0.15	2.9 ± 0.15
Water (GATE)	1.5	2.6	3.3
PP	1.7	2.8	3.7
HIPS	1.7	2.6	3.5
ABS	1.6	2.7	3.4
TPU	1.4	2.4	3.2
PLA	1.5	2.4	3.1
PETG	1.5	2.4	3.0
PC	1.5	2.2	2.9
Nylon	1.1	1.7	2.4

물팬텀 내 형성된 최대선량깊이와 가장 유사하게 나온 물질은 각 에너지에서 1.4, 2.4, 3.2 cm로 형성된 TPU와 1.5, 2.4, 3.1 cm에서의 PLA, 1.5, 2.4, 3.0 cm에서의 PETG로 확인되었다. 이러한 각 필라멘트 매질로 구성된 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 cm 두께의 볼루스 형태로 활용하였을 때, 광자선 에너지에 따른 최대선량깊이 지점 변동은 Table 3–5와 같이 나타났다.

Table 3 Mobility of Maximum Dose Depth according to 3D-printed Filament Thickness in 6 MV.

Materials	PP	HIPS	ABS	TPU	PLA	PETG	PC	Nylon
Thickness [cm]
0.5	1.5	1.1	1.1	1.0	1.1	1.0	1.1	1.2
1.0	0.9	0.8	0.6	0.4	0.4	0.4	0.4	0.4
1.5	0.4	0.4	0.4	-	-	0.2	-	0.2

Table 4 Mobility of Maximum Dose Depth according to 3D-printed Filament Thickness in 10 MV.

Materials	PP	HIPS	ABS	TPU	PLA	PETG	PC	Nylon
Thickness [cm]
0.5	2.2	1.9	2.0	1.9	1.8	2.2	1.9	1.9
1.0	1.7	1.7	1.5	1.5	1.3	1.3	1.3	1.1
1.5	1.1	0.8	0.8	0.4	0.7	0.4	0.4	0.4
2.0	0.7	0.4	0.7	-	0.4	0.2	-	-

Table 5 Mobility of Maximum Dose Depth according to 3D-printed Filament Thickness in 15 MV.

Materials	PP	HIPS	ABS	TPU	PLA	PETG	PC	Nylon
Thickness [cm]
0.5	3.3	2.7	2.8	2.9	2.8	2.7	2.8	2.7
1.0	2.6	2.6	2.6	2.2	2.0	2.1	2.0	1.9
1.5	1.9	2.0	1.9	1.6	1.7	1.3	1.6	1.1
2.0	1.7	1.2	1.5	1.0	0.7	1.0	0.7	0.4

3D 프린팅 필라멘트로 제작된 볼루스를 활용하기 위해서는 볼루스의 두께가 광자선 에너지에 대한 각 필라멘트 매질의 최대선량깊이보다 얇아야 하며, 이때 선량상승 효과를 통해 환자 체내에 위치한 종양을 치료할 수 있다. 모든 변수에서 필라멘트의 두께가 두꺼워지고 광자선의 에너지가 낮아질수록 최대선량지점은 물팬텀 표면에 가까워지는 경향성을 보였다. 첫째, 6 MV의 경우, 모든 필라멘트 매질에서 형성된 최대선량깊이가 2.0 cm 미만인 점을 고려하여 두께 1.5 cm까지 시뮬레이션을 진행하였으며 TPU, PLA, PC가 1.5 cm 두께로 제작되어 사용될 때 최대선량깊이 지점은 확인되지 않았다. 둘째, 10 MV의 경우, 각 매질의 두께를 증가시켰을 때 물팬텀 내 형성되는 최대선량깊이의 지점은 상대적으로 길어졌으며 필라멘트 두께 2.0 cm에서는 TPU, PC, Nylon의 최대선량깊이가 확인되지 않았다. 광자선 에너지 15 MV에서도 마찬가지로 최대선량깊이 지점이 길어졌고, 밀도가 높을수록 필라멘트 두께 증가에 따른 최대선량깊이 지점의 감소폭이 밀도가 가장 낮은 PP에 비해 다소 증가하는 경향성을 보였다. 이는 Fig. 3과 같이 최대선량깊이 지점(Nylon’s D_max and HIPS’s D_max)에 도달하는 과정에서 발생되는 단위 길이당 광자선 감쇠 비율 차이(기울기)가 영향을 미친 것으로 사료된다. 향후 선형가속기 장비와 본 논문을 통해 제시한 8가지 각 필라멘트 매질로 제작된 볼루스의 두께에 따른 심부선량 백분율을 실제 방사선 치료와 유사한 조건 하에서 측정하여 검증을 진행할 것이다.

Figure 3. (Color online) An Example of Comparison of Dosimetric Characteristics Between Different 3D-printed Filaments with Thickness of 1 cm in 15 MV photon energy.

방사선 치료 시 요철면을 제거하면서 환자 체내에 위치한 종양에 정확히 최대선량을 전달하기 위해 볼루스가 사용되고 있다. 최근 조직등가물질인 기존 볼루스를 대체하기 위한 다양한 3D 프린팅 필라멘트가 연구되고 있다. 본 연구에서는 8가지의 3D 프린팅 필라멘트 매질이 볼루스로 활용되었을 때 발생되는 최대선량깊이 지점의 방사선량 특성 영향을 몬테카를로 전산모사 코드를 통해 두께와 광자선 에너지에 따라 평가하였다. GATE의 신뢰성을 확보하기 위해 전산모사를 통해 산출된 최대선량깊이 지점을 모사된 선형가속기의 이론 최대선량깊이 지점과 비교한 결과 매우 유사한 결과값을 획득하였다.

또한 다양한 매질의 최대선량깊이를 각각 평가하였으며 이때 유효원자번호보다 밀도에 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였으며 3D 프린팅 필라멘트가 볼루스로 활용되었을 때의 영향에 대해 평가하였다. 향후 실제 제작된 다양한 두께의 볼루스와 선형가속기를 이용하여 각 매질이 고에너지 조사에 노출되었을 때 야기될 수 있는 구조적 형태 변형, 선량상승 영역의 변동 등을 확인하기 위한 실험 검증이 필요할 것으로 사료된다.

이 논문은 2022년도 정부(과학기술정보통신부) 재원으로 한국연구재단 지원을 받아 수행된 연구입니다(No. NRF-2020M2D6A2093776).