Ⅰ. 서 론

양전자방출단층촬영(Positron Emission Tomography, PET)과 전산화단층촬영(Computed Tomography, CT)이 결 합 된 PET/CT(Positron Emission Tomography/Computed Tomography) 검사는 방사성동위원소를 이용한 생리적· 생화학적 대사 정보와 해부학적 영상을 하나의 장비로 동시 에 촬영해 진단적 정보를 제공하는 검사이다[1]. PET는 세 포 기능 및 분자 영상을 제공하여 암을 비롯한 다양한 병의 진단에 도움을 주는 의료영상기기로서 질환에 대한 특이성 은 우수하지만, 상대적으로 영상의 해상도가 낮은 단점이 있으며 CT는 조직 내의 밀도에 따른 고해상도 해부학적 구 조 영상을 제공하는 장점이 있다. 따라서 PET/CT는 CT의 고해상도 해부학적 영상을 바탕으로 PET의 분자영상학적 정보를 제공하여 기존의 PET 영상에 비해 진단적 정확성을 높여주게 되었다[2].

특히 PET/CT 검사는 암에 대한 감별 진단, 병기 설정, 재발 평가, 치료 효과 판정 등에 유용한 검사로 알려지면서 검사의 빈도는 꾸준히 증가하고 있다[3]. 이에 따라 양질의 영상 제공을 위해 장비의 성능평가 및 정도관리 방법에 대 한 요구도가 증가하고 있으며, 각종 관련 기술이 진보하고 있어 지속적인 발전이 요구되고 있다. 또한 자체적인 기술 의 보유와 경험이 필요하며 나아가 PET/CT 영상의 표준화 (normalization), 투과스캔(transmission scan), 감쇠보정 (attenuation correction), 분해능(resolution) 등과 같은 요인에 대한 세부적인 정도관리의 중요성이 강조되고 있다 [4]. 하지만 다양한 성능평가의 효율적 검사방법과 성능을 재현할 수 있는 팬텀 개발에 대한 연구는 미비한 실정이며 이러한 상황은 장비 정도관리를 위한 다양한 형태의 팬텀을 제작하거나 유지, 보수하는데 많은 제한이 되고 있으며, 특 히 제작방식에 따른 제작소요 시간과 높은 비용 문제는 팬 텀 제작의 보편적 적용에 한계가 있다[5].

이러한 한계점에도 불구하고 핵의학 분야에서는 3D 프린 팅 기술을 기반한 팬텀을 PET/CT에 적용하기 위한 팬텀 구 성 물질의 성질을 파악하고 기존 팬텀 구성 물질과 3D 프린 팅 기술에 사용되는 물질 간 차이점을 명확하게 확인해야 할 필요성이 있으며, 이러한 기본 정보를 바탕으로 기존 물 질과 3D 프린팅 물질의 대체 가능성을 확인하여 적용한다면 PET/CT 정도관리를 위한 팬텀 적용의 폭이 넓어질 수 있다 [6]. 또한 이를 통해 PET/CT 성능평가의 다양성과 경제적 인 한계를 극복할 계기가 마련될 수 있을 것이다. 그러므로 본 연구에서는 PET/CT 성능평가를 위한 3D 프린팅 기술 적용하는데 있어서 기존의 팬텀 구성 물질과 대체 후보 물 질간의 핵의학 영상 계수치와 변동성을 분석하여 객관적인 정보를 제시하여 추후 다양한 목적에 적용될 수 있는 기초 연구로 활용하는데 목적을 두었다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 팬텀 제작

팬텀 소재의 비교를 위하여 실측(140 × 62 × 35 mm)된 계단 쐐기(step wedge)의 설계를 바탕으로 각각 아크릴로나이 트릴 뷰타다이엔 스타이렌(ABS, Acrylonitrile Butadiene Styrene) 수지와 아크릴산(ACR, Acrylic acid) 소재의 팬 텀을 동일한 크기로 제작하였다. ABS 계단 쐐기는 3가지 단 량체가 섞인 합성수지로 3D 프린팅 기술에 사용되는 가장 대표되는 소재로 제작되었고, ACR은 핵의학 분야에서 정도 관리를 위해 사용되는 팬텀과 동일한 성분의 아크릴 소재로 제작되었다(Fig. 1).

2. 영상획득

PET/CT Ingenuity TF 128(Philips, Cleveland, USA) 장비를 사용하였으며, 팬텀 제작은 NEMA(National Electrical Manufacturers Association) NU2-1994 팬텀의 내부를 제 거하고, ABS, ACR 계단 쐐기를 각각 스티로폼(styrofoam) 을 이용하여 팬텀 내부에 고정시킨 상태에서 생리식염수 (saline) 8ℓ에 ¹⁸F-FDG를 4.0 mCi(148 MBq)를 교반기로 혼합하여 팬텀 내부를 빈 공간 없이 채워 제작한 후 영상을 획득하였다(Fig. 2).

PET의 영상획득은 90초간 1 bed로 설정하여 방출(emission) 영상을 획득하였으며, CT의 영상획득은 매트릭스(matrix) 를 512 × 512로 설정하여 CTAC(Computed Tomography Attenuation Correction)을 적용하였다.

3. 영상 분석 및 평가

1) 관심영역(ROI, Region of Interest) 설정

획득 영상의 분석을 위한 관심영역은 팬텀 내부 열소(hot region)는 팬텀 중심부의 MR(Mid Region: 팬텀 증심영역), 계단 쐐기 주변의 PM(Periperal Mid: 계단 쐐기 측면영역), PR(Periperal Right: 계단 쐐기 우측영역), PL(Periperal Left: 계단쐐기 좌측영역)로 설정하였다.

팬텀 내부 냉소(cold region)는 계단쐐기 내부의 EM(Edge Mid: 계단쐐기 중심영역), ER(Edge Right:계단쐐기 우측 영역), EL(Edge Left: 계단 쐐기 좌측영역)으로 설정하였 다. 팬텀 외부 냉소로 BKG(Background: 배후방사능)를 설 정하였으며, 각 관심영역의 크기는 20±0.1 ㎟로 적용하였 다(Fig. 3, 4).

2) 계수치 측정

관심영역을 설정하여 각각의 계수치를 5회씩 계단 쐐기 의 단계별로 측정하였다. 계단 쐐기의 종축방향에서 양쪽 단계를 제외한 총 8단계를 측정하였다. 이는 고정을 위해 사용된 스티로폼의 간섭과 NEMA팬텀의 외형구조물 등에 의한 산란선의 영향으로 값이 유효하지 않음을 확인하고 제 외하였다.

3) 변동률(variation rate) 비교

계단 쐐기의 단계에 따라 PM과 MR에 해당하는 위치의 계수치와 CNR(Contrast Noise Ratio)의 변동률을 산출하 고 계단 쐐기의 물질과 두께 변화에 따른 영향을 확인하였 다(Fig. 5).

계수치 변동율(%)은 각 계단 쐐기의 단계별 두께 변화에 따른 변동성을 평가하기 위해 가장 두께가 얇은 계단 쐐기 2단계의 두께를 기준으로 계단의 두께 변화에 따른 상대적 변동성(%)을 확인하였다.

CNR 변동율(%)은 각 계단 쐐기의 단계별 두께 변화에 따 른 CNR의 변화를 분석하기 위해 다음의 공식을 사용하였다 (Eq. 1.).

4) 통계 분석

통계분석을 위해 SPSS ver 27.0을 사용하였으며, ABS, ACR 계단쐐기의 소재에 따른 영역을 분류하여 유의성을 확 인하였으며, 교차분석을 활용하여 검정하고 결과치를 제시 하였다.

Ⅲ. 결 과

1. ABS 단계별 계수치 비교

ABS 계단쐐기의 계수치 측정을 위해 단계별 영상 적용하 였다(Fig. 6)

1) ABS 열소 단계별 계수치 비교

ABS 계단 쐐기의 열소의 계수치는 설정한 관심영역에 따 라 일정한 경향성을 나타내지 않았다. 세부적으로 PR와 PL 간의 큰 차이가 없었으며, MR과 PM 간의 큰 차이가 없었 다. 각 단계별 차이는 P-value 0.05 이하로 통계적으로 유 의하였다(Table 1).

2) ABS 냉소 영역별 계수치 비교

ABS 계단 쐐기의 냉소의 계수치는 설정한 관심영역에 따 라 계단 쐐기의 두께가 두꺼워질수록 감소 추세를 나타냈 다. 세부적으로 ER과 EL 영역의 계단 쐐기 2, 3단계에서는 상대적으로 계수치가 높았지만, 4∼9단계에서는 두께에 따 라 일정하게 감소하였다. BKG 영역에서는 18.6∼33.8의 계 수치를 나타냈고 각 단계별 차이는 P-value 0.05 이하로 통계적으로 유의하였다(Table 2).

2. ACR 단계별 계수치 비교

ACR 계단 쐐기의 계수치 측정을 위해 단계별 영상 적용 하였다(Fig. 7)

1) ACR 열소 단계별 계수치 비교

ACR 계단 쐐기의 열소의 계수치는 설정한 관심영역에 따 라 일정한 경향성을 나타내지 않았으며 PR, PL, MR, PM 간의 차이가 발생하지 않았다. 각 단계별 차이는 P-value 0.05 이하로 통계적으로 유의하였다(Table 3).

2) ACR 냉소 단계별 계수치 비교

ACR 계단 쐐기의 냉소의 계수치는 설정한 관심영역에 따 라 계단 쐐기의 두께가 두꺼워질수록 감소 추세를 나타냈 다. 세부적으로 EL, EM, ER영역은 전체적으로 단계별로 두께에 따라 감소하였다. BKG 영역에서는 3.8∼15.0의 계 수치를 나타냈고 각 단계별 차이는 P-value 0.05 이하로 통계적으로 유의하였다(Table 4).

3. ABS, ACR 단계별 계수치 비교

1) ABS, ACR 열소 단계별 계수치 비교

ABS 계단 쐐기를 기준으로 ACR 계단 쐐기의 열소의 계 수치를 비교한 결과, 각 단계별 291.0∼417.8의 계수치 범 위에서 ABS 계단 쐐기가 높았으며, 단계별 차이는 발생하 지 않았다. 각 단계별 차이는 P-value 0.05 이하로 통계적 으로 유의하였다(Table 5).

2) ABS, ACR 냉소 단계별 계수치 비교

ABS 계단쐐기를 기준으로 ACR 계단 쐐기의 열소의 계수 치를 비교한 결과 각 단계별 27.4~381.2의 계수치 범위에 서 ABS 계단 쐐기가 높았으며, 단계별 차이는 발생하지 않 았다. 각 단계별 차이는 P-value 0.05 이하로 통계적으로 유의하였다(Table 6).

4. 계수치와 CNR 변동률(%) 비교

1) ABS, ACR 단계별 계수치 변동률(%)

계단 쐐기의 두께가 가장 얇은 2단계를 기준으로 각 단계 별 계수치의 변화를 평가한 결과, ABS MR에서 2.7∼7.7%, PM에서 3.1∼7.6%의 변동률(%)을 보였고, ACR MR에서는 0.5∼8.8%, PM에서 0.6∼6.0%의 변동률을 보였다. 계단 쐐기의 두께에 따른 계수치 변동률이 5% 미만인 단계는 ABS MR에서 2, 3, 4, 5, 8단계였고, ABS PM에서 2, 3, 4, 5, 8단계였다. 또한 ACR MR에서는 2, 3, 4, 5단계, PM에 서 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8단계였다. ABS와 ACR에서 공통적으 로 계수치 변동률이 5%미만인 영역은 2∼5단계였고, 가장 유사한 변동률을 보인 단계는 5단계로 나타났다(Table 7).

2) ABS, ACR 단계별 CNR 변동률(%)

계단 쐐기의 두께가 영상 품질에 미치는 영향을 알아보고 자 CNR을 산출하였고, 각 계단 쐐기의 두께에 따른 CNR 변 동률은 ABS에서 –4.3∼-1.7%였고, ACR에서는 –2.7∼1.9% 였다. ABS와 ACR에서 계단 쐐기의 두께 변화에 의한 CNR 의 변동률은 모두 5% 미만이었으며, ABS와 ACR 모두 가장 적은 변동률을 보인 단계는 4단계로 나타났다(Table 8).

Ⅳ. 고 찰

최근 미국, 유럽, 일본 등 제조산업 선진국을 중심으로 제 조업 혁신을 위한 3D 프린팅 기반 기술 및 응용기술 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 생체·의공학 분야에 있어 2000년을 전후로 하여 FDM 기술에 열가소성 생체적합 고 분자를 적용하여 조직공학용 인공지지체를 직접 제작함에 따라 3D 프린팅의 바이오 조형 기술 활용이 시작되었다[7]. 현재는 단순한 제작을 넘어서 현재 의료·바이오 산업과 연 관됨에 따라 고부가가치 미래형 융복합 산업으로 인지되어 생체적합성 물질 및 유전 정보 등을 포함한 영역의 확대가 이뤄지고 있다[8]. 향후 생물학적 기능성이 강화되어 실제 조직과 유사한 수준으로 활용되거나 전기적 기능성을 추가 하여 신체기능을 보완하는 응용기술이 개발됨에 따라 단순 조직 치환 및 재생을 넘어서는 활용이 이루어질 것으로 보 여진다[9. 10]. 따라서 3D 프린팅 기술이 의료산업에 상당 한 영향을 미칠 것으로 전망되며, 특히 의료장비 분야에 있 어서는 더욱 관심도가 높다[11]. 많은 기업과 기관은 3D 프 린팅의 잠재력을 인식함에 따라 기술의 도입도 증가할 것이 며, 관련 산업은 3D 프린팅 기술의 도입에 따른 의료 장비 시장에서 일어난 빠른 변화에 3D 프린팅 기술에 대한 다양 한 접근이 예상된다[12].

핵의학 분야의 PET/CT도 분자 영상을 기반으로 종양학, 심장학 등 여러 분야에서 널리 활용되면서 3D 프린팅 기술 을 이용한 팬텀 제작의 연구 빈도 또한 증가하고 있다[13]. 따라서 이러한 3D 프린팅 기술의 적용에 따른 시스템의 신 뢰도와 정확도가 요구되고 있으며, 이를 기초로 한 표준화된 정도관리의 중요성이 대두되고 있다[14]. 하지만 PET/CT의 장비별 특성이 조금씩 다르고 제조사별 점검 항목의 차이가 있기 때문에 관련 기술 개발에 대한 지속적인 추가 연구가 필요하다[15].

현재 3D 프린팅 기술에 다양한 소재의 적용이 시도되고 있지만 본 연구에서는 3D 프린팅 기술에서 가장 대표적으로 사용되는 ABS 소재를 적용하여 계단 쐐기를 제작하였고, 기존의 의료기기 성능평가용 팬텀에서 보편적으로 적용하 고 있는 ACR 소재와 비교 평가하였다.

제작한 팬텀의 ABS, ACR 계단 쐐기에 대해 열소와 냉소 영역에 관심영역을 설정하여 계수치를 비교하였으며, 각 열 소영역에서 단계별로 계수치는 경향성을 보이지 않았지만, 냉소 영역은 단계가 증가하여 계단 쐐기의 두께가 증가할수 록 계수치는 감소하는 공통된 경향을 나타냈다. 또한 ABS 계단쐐기를 기준으로 ACR 계단 쐐기 영역별 계수치를 비교 한 경우 열소영역에는 단계별로 의미 있는 차이 또는 경향 성은 없었지만, 냉소영역에서는 계단 쐐기의 단계, 즉 두께 가 두꺼워질수록 ABS, ACR과의 차이가 커짐에 따라 소재 에 따른 고려가 필요하다고 여겨진다.

ABS, ACR 계단 쐐기의 소재와 두께가 계수치에 미치는 영향을 확인하고자 두께서 가장 얇은 2단계를 기준으로 각 단계별 계수치의 변화를 평가한 결과, 공통적으로 계수치의 변동율이 5% 미만인 영역은 2∼5 단계로 계수치의 영향을 최소화하여 적용하기 위해서는 일정 두께 이하의 팬텀의 적 용이 필요한 것으로 확인하였다. ABS, ACR 계단 쐐기의 물 질과 두께가 CNR에 미치는 영향을 확인한 결과, ABS와 ACR 모두 변동률에는 차이를 보이지 않았으나 4단계에서 가장 적은 변동율을 나타냈고, 계수치와 CNR의 변동율을 통한 ABS와 ACR의 비교에서 ABS 계단 쐐기 4∼5단계 수 준의 두께 설정이 우선적으로 고려된다면 3D 프린팅 기반으 로 제작한 팬텀에 정량적, 정성적 변화를 최소화하고, 기존 의 ACR 팬텀과의 유사성을 가장 잘 반영한 적정 두께로 사 료된다.

PET/CT에 3D 프린팅을 기반으로 향후 다양한 형태의 팬 텀 제작이 예상되며 이에 대한 적용에 있어 본 연구와 같은 기초연구를 통해 소재별 특성을 고려하여 적용한다면 3D 프 린팅을 통해 제작한 팬텀의 성능평가 결과의 신뢰도와 정확 도 면에서 의미를 부여할 수 있으며, 활용 범위 또한 보다 넓어질 수 있을 것으로 생각된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 PET/CT 성능평가를 위한 3D 프린팅 기술 을 기반으로 적용할 수 있는 팬텀의 소재에 따른 차이를 확 인하고자 ABS, ACR 소재의 계단 쐐기로 팬텀을 제작하여 PET/CT에서 영상획득을 통해 관심영역 별 계수치를 분석 하고, 계수치 및 CNR의 변동율을 확인하여 평가하였다. 계 수치 분석에서 두께에 따른 영향이 발생하고 있으며, 변동 률 분석에서 계단 쐐기 4∼5단계 수준의 두께 설정이 우선 적 고려되어야 3D 프린팅 기반으로 제작한 팬텀에 정량적, 정성적 변화를 최소화할 수 있을 것이라 여겨진다.

PET/CT에 3D 프린팅 기반한 팬텀을 적용하기 위해서는 구성 물질의 성질을 파악하고 차이점을 명확하게 확인한다 면 보다, 안정적인 정도관리를 위한 팬텀 적용의 폭이 넓어 질 수 있고 팬텀의 다양성과 경제적인 한계를 극복할 계기 가 마련될 수 있을 것으로 사료된다.