Ⅰ. 서 론
Cameron과 Sorenson에 의해 1963년도에 처음으로 시도 된 골밀도 측정은 척추골을 포함한 전체 골격의 골밀도 측 정을 가능하게 하였다[1]. 초고령화 사회에 근접한 우리나라 는 골밀도 검사의 수요가 매년 증가하고 있다[2]. 골밀도 검 사는 골다공증을 진단하는 기술로 요추부, 대퇴부, 전완부 등을 측정한다. 골밀도는 T-score 표준편차 단위로 계산한 골밀도를 이용하여 진단한다[3]. T-score는 나이가 젊은 정 상군의 평균과 표준편차를 기준으로 하며, 측정값이 젊은 정상군에 비해 평균에서 얼마나 떨어져 있는지를 나타내 는 척도다[4]. Z-score는 비슷한 연령과 같은 성별의 정 상군에 비해 표준편차의 몇 배가 평균에서 떨어져 있는지 나타내는 척도로 이용한다[4]. 세계보건기구(World Health Organization, WHO)의 진단기준은 정상(T-Score, -1.0 이상), 골감소증(T-Score, -1.0~-2.5), 골다공증(T-Score, -2.5 이하)이다[5]. 현재 골밀도 검사에서 가장 널리 사용되 고 있는 검사법은 이중에너지 방사선 흡수법(Dual Energy X-ray Absorptiometry, DXA)이다[6]. DXA는 골다공증을 진단함에 있어 객관적이고 정확한 영상을 의료진에게 제공 하고 정확한 진단 및 치료를 가능하게 하며, 작은 골량의 변 화로 발생하는 생물학적 변화를 가장 잘 반영하여 정확도가 높아 우수한 성능을 발휘하고 피폭이 적어 임상에서 주로 사용된다[6,7].
정확하고 정밀한 골밀도 값을 측정하기 위해서는 엄격한 품질관리가 요구된다[8]. 골밀도 검사의 정도관리는 검사를 시행하는 방사선사의 책임과 의무이다. 하지만 임상에서는 고가의 팬텀을 부위별로 구비하여 정도관리를 진행할 수 있 는 경제적, 시간적 여건이 마련되어 있지 않다[9]. 이에 따 라 장비의 정도관리가 체계적으로 이루어지지 않은 상황에 서 골밀도 검사를 진행할 경우 환자에게 불필요한 피폭과 오진이 발생할 수 있다. 기존 연구에서 연령이 증가함에 따 라 요추부, 대퇴부 전체의 골밀도는 감소하였으며[10], 통상 적으로 요추골과 대퇴골의 골밀도는 상관관계가 있어 한 부 위의 수술을 진행했거나 사고로 인해 골밀도 검사를 시행하 지 못하는 경우 다른 부위의 골밀도를 예측할 수 있다[11]. 하지만 전신적인 질환이나 골절이 없는 50대 이전, 50대, 60대, 70대 이후의 여성 718명을 실험군으로 선정하여 요추 부와 대퇴부의 골밀도를 검사한 결과 50대 이전(20%), 50 대(31%), 60대(47%), 70대 이후(42%)로 60대의 골밀도 불 일치율이 47%로 가장 높았다는 선행된 연구 결과가 있었 다[12]. 요추부의 골밀도 검사를 시행하지 못하는 경우 대퇴 부로 골밀도 검사를 시행하는 것과 폐경기 여성의 경우 요 추부와 대퇴부의 골밀도가 상이하다는 선행된 연구 결과를 통해 대퇴골팬텀을 이용한 정도관리의 중요성을 파악하였 다[12]. 따라서 환자에게 불필요한 피폭을 방지하기 위해 골 밀도 검사에서의 정도관리를 요추팬텀과 더불어 대퇴골팬 텀도 함께 진행해야 한다고 판단하였다.
3D 프린팅기술은 적층 가공방식으로 원하는 형태로 제작 이 가능하며, 시간 및 비용 측면에서도 매우 효율적이다[13]. 가장 대중적으로 사용되고 있는 용융 적층 방식(Fused Deposition Modeling, FDM)은 여러 가지 재료를 일정한 온도로 녹여 설정한 간격으로 적층시켜 형상을 만들어내는 방식이다[14]. 선행된 연구들을 통해 FDM 방식으로 의료용 팬텀을 개발할 경우 기존의 의료용 팬텀보다 상대적으로 저 렴한 비용으로 기존 팬텀의 대체 가능성을 확인하였다[14,15]. 따라서 비교적 저렴하고 제작 시간을 단축할 수 있는 3D 프 린팅의 장점을 활용한 대퇴골팬텀을 제작하여 기존의 정도 관리용 팬텀을 대체할 수 있는지 판단하고자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
골밀도 검사에서 정도관리용 대퇴골팬텀을 제작하기 위 해 사용한 CT 영상은 ‘Google’에서 운영하는 ‘Kaggle’ 사이 트를 통해 공개된 영상을 사용하였으며, 환자 개인정보가 삭제된 고관절의 CT 영상을 사용하였다.
1. 3D 프린팅을 이용한 팬텀 제작
3D 프린팅을 이용한 팬텀 제작은 CT 영상분할, 모델 링, 슬라이싱, 출력 단계의 순으로 진행된다. 연구에 사용 된 프린터는 FDM 방식의 3D 프린터인, ‘Ultimaker’사의 Ultimaker S3이며 열가소성 플라스틱인 필라멘트를 녹여 적층하는 방식으로 작동한다[14]. 3D 프린터에 사용한 노즐 은 AA 0.8 ㎜이고, 필라멘트는 선행된 연구에서 X선을 이 용한 검사에서의 팬텀으로 적합하다는 연구 결과를 토대로 PLA(Poly Lactic Acid) 원료와 야광 원료를 혼합한 GlowFill 필라멘트를 사용했다[15]. 이번 실험에서는 경제성과 가공 성이 우수한 용융 적층 방식으로 대퇴골팬텀을 출력하였다. Fig. 1 (A)는 본 연구에서 사용한 3D 프린터이며, Fig. 1 (B) 는 ‘ColorFabb’사의 GlowFill 필라멘트이다.
고관절 CT 영상 중 대퇴골만을 추출하여 3D 모델링 한 후 슬 라이싱 프로그램에서 사용할 수 있는 STL(StereoLithography) 파일로 변환하였다. Fig. 2 (A)는 고관절 CT 영상이고, (B) 는 출력된 대퇴골의 표면을 매끄럽게 표현하기 위해 3D 모 델링 프로그램(A-VIEW, Coreline soft, Seoul, Korea)을 이용해 Ball morphing 작업을 진행하였다. (C)는 모델링된 영상을 출력하기 위한 작업을 위해, 3D 슬라이서 프로그램 (Ultimaker Cura 3.1, Geldermalsen, The Netherlands) 을 이용하여 지지대 역할을 하는 supporter를 설정하고, 대 퇴골의 높이와 각도를 조절한 영상이다. 출력조건은 출력온 도 210℃, 층높이 0.3 ㎜, 출력속도 45 ㎜/s, 빌드플레이트 온도 60℃, 내부채움 100%로 설정하여 출력을 진행했다.
2. 장비의 정도관리 평가
‘GE Healthcare’사의 Lunar(DPX BRAVO) 장비를 이용 하여 대퇴골팬텀의 골밀도를 측정하였고, 장비의 신뢰도를 판단하기 위한 반복정밀도 평가를 위해 요추팬텀도 함께 측 정하였다.
1) DXA Daily QA
장비의 사용 가능 유무를 평가하기 위해 Fig. 3 (A) QA Block을 사용해 Daily QA를 5주간의 연구 기간 동안 주 3 회씩 측정하였다[9].
2) 요추팬텀의 반복정밀도 평가
장비를 처음 설치하거나 이동하였을 경우 장비의 성능 및 반복정밀도를 판단하기 위해 팬텀을 사용하여 위치 변화 없 이 20회 반복 촬영하여 정도관리를 실시한다[16]. 반복정밀 도란 짧은 시간 내에 하나의 장비, 하나의 팬텀, 한 명의 검 사자가 반복하여 측정한 값의 표준편차로 측정하는 것이다. 이때 편차가 작으면 정밀도가 좋다고 판단한다. 정밀도는 정확도와는 무관하다. 본 연구에서는 장비의 반복정밀도를 판단하기 위해 요추팬텀(The GE Lunar Aluminum Spine Phantom, ASP)을 사용하여 정도관리를 실시했다. Fig. 3 (B) 는 장비 회사에서 지급한 요추팬텀이다.
요추팬텀 측정에서의 설정 조건은 제조사의 권고 조건인 170 ㎝, 70 ㎏, White male로 설정한 후 위치 변화 없이 20 회 반복 촬영을 실시하였다. 측정된 요추팬텀 ROI(Region Of Interest) 설정은 L-1부터 L-4까지 각각 2.5 ㎝, 3 ㎝, 3.5 ㎝, 4 ㎝의 영역으로 측정한다. 요추팬텀의 BMD는 L-2부터 L-4의 영역으로 평가하였다[17].
3) 3D프린팅 대퇴골팬텀의 반복정밀도 평가
요추부와 대퇴부의 골밀도 불일치율이 가장 높은 60대 폐 경 여성의 골밀도를 표현하기 위해 환자의 조건을 65세 여 성으로 선정하였고, 우리나라 60대 여성의 평균 신장과 체 중인 154 ㎝, 58 ㎏으로 환자의 조건을 설정하여 제작한 대 퇴골팬텀의 반복정밀도 실험을 진행하였다[18]. 세계보건기 구 WHO에서 선정한 골다공증의 판정 기준인 T-score –2.5 를 기준값으로 설정하였고[5], 신체 두께와 유사한 수치를 만들기 위해 제작한 대퇴골팬텀을 수조에 담긴 물의 높이 변화 실험과 조직 등가 물질인 아크릴 판(1 ㎝)을 쌓아 둔부 와 복부의 두께 변화 실험을 진행한 결과 둔부 12 ㎝, 복부 4 ㎝의 아크릴 판 조합이 적절하다고 판단하여 위 조건으로 요추팬텀과 대퇴골팬텀의 반복정밀도 실험을 진행하였다 (Fig. 4). 대퇴골팬텀으로 측정한 골밀도 값 중 세계보건기 구 WHO에서 제시한 골다공증의 기준값과 가장 근접한 대 퇴경 부위의 T-score –3.1을 본 실험의 기준값으로 설정하 였다. 3D 프린터로 제작한 대퇴골팬텀이 기존의 골밀도 측 정 장비 회사에서 지급하는 정도관리용 요추팬텀과 동일하 게 반복정밀도를 평가할 수 있는지 판단하기 위해 동일한 조건에서 대퇴골팬텀을 위치 변화 없이 20회 반복 측정하여 실험을 진행했다. 요추팬텀과 제작한 대퇴골팬텀에 대한 변 동계수율이 허용되는 최소 반복정밀도 오차 범위 안에 포함 되어야 한다. Table 1은 질병관리청에서 규정한 부위별 허 용되는 최소 반복정밀도 오차 범위를 나타내었다[20]. 반복 정밀도는 다음과 같은 식1, 2로 산출할 수 있다.
-
* X : Average
-
* n : Count of scan
-
* SD(Standard Deviation) : A measurements indicating how spread around the mean
-
* CV(Coefficient of Variation) : Standard deviation of coefficient of variation divided by mean
4) 검사자 간의 재현성 평가
DXA를 이용하여 골밀도를 측정하는 데 있어 검사자의 부 정확한 측정은 환자에게 불필요한 피폭이 발생할 수 있기에 정확한 측정이 매우 중요하다. 검사자 간의 오차는 재현성 으로 평가하였다. 재현성은 하나의 장비로 하나의 팬텀을 다수의 검사자가 동일한 과정으로 측정했을 때, 다수의 검 사자 간의 변동계수의 오차를 확인하는 것이다. 검사자 간 의 오차 측정 시 가장 중요한 것은 검사 테이블에서 팬텀을 내렸다가 올려 포지션을 재조정한 후 골밀도를 측정하는 것 이다[21]. 일반적으로 검사자 간의 오차를 측정할 때는 2회 당 한 번씩 팬텀을 재조정하여 30번 검사하는 방법과 3회당 한 번씩 팬텀을 재조정하여 15번 검사하는 방법을 권고하고 있다[16]. 본 연구에서는 7명의 검사자를 설정한 후, 각 검 사자가 3회당 한 번씩 팬텀을 테이블에서 내렸다가 올려 포 지션을 재조정한 후 실험을 진행했다. 측정된 대퇴경 부위 의 T-score 값을 통해 평균(X)을 산출한 후, 각각의 검사 자의 표준편차(SD), 변동계수(CV), 변동계수율(％CV)을 산 출하였다. 이 측정은 한 명의 검사자가 가능한 하루에 측정 을 끝내야 한다[16]. X선 장비에서의 재현성은 변동계수 (CV) 값이 0.05 이하여야 한다[19]. 통계학적으로 수용 가 능한 오차 범위는 5%이며, 오차가 5% 미만(신뢰수준 95%) 인 통계자료인 경우, 유의미한 값으로 만일 변동계수(CV)가 0.05 이상인 경우에는 교육 후 재측정해야 한다[16].
Ⅲ. 결 과
1. 3D프린팅 대퇴골팬텀
3D프린팅으로 출력한 대퇴골팬텀은 Fig. 5 (A)이고, 이 를 DXA로 스캔한 영상은 Fig. 5 (B)이다.
2. 장비의 정도관리 평가
1) DXA Daily QA
실험을 진행한 5주간 주 3회 Daily QA를 실시했다. 중간 측정값인 0.998 g/cm2을 기준으로 주 3회씩 총 15회 측정 하였을 때 최저 0.992 g/cm2, 최고 1.000 g/cm2의 값이 측 정되었다. 총 15회 Daily QA 측정값의 평균은 0.9958 g/cm2 으로 측정되었으며, 중간측정값인 0.998 g/cm2을 기준으로 0.009%의 오차를 나타내었다. 따라서 본 실험에서 사용한 장비는 사용 가능한 것으로 판단하였다.
2) 요추팬텀의 반복정밀도 평가
측정된 BMD 수치를 기록하여 Shewart Control Chart 로 나타내었다. 요추팬텀을 이용해 동일한 위치에서 20회 반복 측정한[22] 값의 평균은 1.274 g/cm2이며, 표준편차는 0.004 g/cm2, 변동계수는 0.003이다. 변동계수율은 0.3% 로 질병관리청에서 제시한 요추골의 허용된 최소 반복정밀 도 오차 범위인 1.9% 이내에 포함되어[20], 장비의 정도관 리 기준에 적합하다고 판단하였다. Fig. 6은 요추팬텀으로 반복정밀도 검사를 시행하였을 때 측정된 BMD(g/cm2) 수 치이다.
3) 3D프린팅 대퇴골팬텀의 반복정밀도 평가
3D프린팅으로 출력한 대퇴골팬텀을 이용해 측정된 BMD 수치를 기록하여 Shewart Control Chart로 나타내었다. 측정된 BMD 값의 평균값은 0.573 g/cm2이며, 표준편차는 0.012 g/cm2, 변동계수는 0.02이다. 변동계수율은 2%로 질 병관리청에서 제시한 대퇴골 경부의 허용된 최소 반복정밀 도 오차 범위인 2.5% 이내에 포함되어[20], 장비의 정도관 리 기준에 적합하다고 판단하였다. Fig. 7은 3D프린팅 대퇴 골팬텀으로 반복정밀도 검사를 시행하였을 때 측정된 BMD(g/cm2) 수치이다.
4) 검사자 간의 재현성 평가
3D프린팅 대퇴골팬텀을 이용해 7명의 검사자가 3회 당 한 번씩 팬텀의 위치를 재조정하여 5번 실험을 진행한 결과 는 다음과 같다. 검사자 1의 평균은 –3.21이며, 표준편차는 0.1187이고, 변동계수는 0.037이다. 검사자 2의 평균은 – 3.02이며, 표준편차는 0.1082이고, 변동계수는 0.036이다. 검사자 3의 평균은 –3.09이며, 표준편차는 0.0639이고, 변 동계수는 0.021이다. 검사자 4의 평균은 –3.07이며, 표준편 차는 0.0798이고, 변동계수는 0.026이다. 검사자 5의 평균 은 –3.12이며, 표준편차는 0.0861이고, 변동계수는 0.028 이다. 검사자 6의 평균은 –3.11이며, 표준편차는 0.1060이 고, 변동계수는 0.034이다. 검사자 7의 평균은 –3.06이며, 표준편차는 0.1055이고, 변동계수는 0.034이다. 검사자 각 각의 평균, 표준편차, 변동계수는 Table 2로 나타내었다. 검사자 각각의 측정값의 변동계수는 재현성 기준치인 0.05 이하의 수치가 나왔으므로 기준에 적합하였다[19]. 하지만 검사자 간의 변동계수는 차이가 있었으며 그 인자로는 ROI 측정 영역의 오차, 대퇴골팬텀의 위치 재조정에서의 오차 등이 있다[23, 24]. 전체 검사자의 변동계수 평균은 0.031 로 최소 반복정밀도 오차 범위 기준에 적합한 것으로 나타 났다. 검사자 각각의 변동계수는 Fig. 8로 나타내었다.
Ⅳ. 고 찰
골밀도 검사의 수요 증가로 인해 환자가 받는 의료 피폭 선량은 꾸준히 증가하고 있는 추세이다[2]. 방사선사는 환 자에게 최소한의 피폭으로 가장 정확하고 많은 정보를 얻어 야 한다. 정확한 검사를 시행하기 위해서는 주기적으로 장 비와 검사자의 정도관리가 필요하다[20]. DXA 장비는 우수 한 해상력과 빠른 촬영 시간이 장점이며, 방사선 피폭선량 이 적고 대퇴골 근위부를 포함하여 신체 여러 부위를 측정 할 수 있다[22]. DXA 검사는 여러 인자에 의해 영향을 받을 수 있기에 장비와 검사자의 정도관리가 더욱 중요시되고 있 다[25]. 하지만 DXA 장비 회사에서 지급하는 대퇴골팬텀은 구입 경로의 어려움과 비용 문제로 실제 구비되어있는 병원 이 많지 않은 실정이다[9]. 따라서 본 연구에서는 3D 프린 팅기술을 의료에 접목시켜 제작이 용이하고 가격이 비교적 저렴한 정도관리용 대퇴골팬텀을 제작하고[14], 팬텀의 유 용성을 평가하였다.
선행된 연구에서 요추부와 대퇴부의 골밀도 상관관계를 조사한 결과 60대의 골밀도 불일치율이 47%로 가장 높았기 때문에 본 연구에서는 폐경 후 60대 여성을 실험 연령대로 선정하였으며, 우리나라 60대 여성의 평균 신장과 체중을 설정한 후 제작한 대퇴골팬텀을 사용해 골밀도 검사를 진행 했다. 위 연구 결과는 선행된 연구 결과를 바탕으로 실험군 을 선정한 후 실험을 진행했기 때문에 오차가 그대로 반영 되어 있을 수 있으며, 요추부와 대퇴부 사이의 상이한 관계 증명 과정에서의 실험적 오류를 배제할 수 없다[12, 26]. 또 한, 우리나라 여성의 평균 폐경 연령은 49.7세이고, 정상 폐 경은 48~52세에 일어나는 경우가 대부분이다. 따라서 60대 이외에 다른 연령대에서도 요추부와 대퇴부의 골밀도가 상 이하기에[12] 다양한 성별과 연령대별 골밀도의 상관관계에 관해 향후에 연구한다면 골밀도 검사에 있어서 체계적인 정 도관리가 가능할 것이라 판단된다.
골밀도 검사에서 대퇴골의 골밀도를 측정할 때는 보조장 비를 사용해 피검사자 다리를 15~20°내전(adduction)하 여 소전자부(lesser trochanter)가 약간 보일 정도가 되어 야 하며[27], 영상에서 대퇴골이 일직선으로 곧게 위치해야 한다[23]. 하지만 60대 여성의 둔부와 복부 두께를 표현하 기 위해 조직 등가 물질인 아크릴 판(1㎝)을 제작한 대퇴골 팬텀 위, 아래로 위치시켰기 때문에 다리의 내전을 표현하 기에 어려움이 있었다. 제작한 대퇴골팬텀의 내전을 위한 아크릴판 고정 및 고정부품 제작을 통해 해결할 수 있을 것 이다.
GlowFill 필라멘트를 사용해 제작한 팬텀은 CT 검사 시 사용되는 X-선 에너지보다 낮은 에너지를 사용하는 일반 X-선 영상에서 SNR(Signal to Noise Ratio) 및 SI(Signal Intensity) 측정결과 뼈와 유사하게 측정되고, 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않아 X-선 팬텀으로 활용이 가능 할 것이라는 선행된 연구 결과가 있었다[15]. 하지만 골밀도 검사에서의 정도관리용 팬텀을 제작하였을 때 CT Number 가 350~403 HU로 뼈의 CT Number인 1000 HU보다 상대 적으로 낮아 이에 상응하는 밀도 또한 낮기 때문에[15] 후속 연구에서는 뼈와 유사한 밀도를 나타낼 수 있는 필라멘트가 요구되어야 한다. 끝으로 본 연구에서는 대퇴골팬텀을 사용 해 골밀도 검사를 진행했을 때의 측정오차를 대퇴골팬텀의 위치 선정 및 검사자 간의 표준 관심영역(ROI)의 선정에서 의 오차로 판단하였다. 검사자 간의 오차를 확인하기 위한 실험에서 변동계수 0.031로 허용 가능한 범위이지만, 검사 에 있어 다양한 인자들에 의해 영향을 받기 때문에 골밀도 검사 결과의 기준과 조건에 관한 검사자들의 주기적인 교육 이 필요하다고 판단된다. 동시에 대퇴골팬텀을 정확하게 위 치시켜야 균일한 골밀도 결과가 측정되고, 정확한 ROI 선정 에 기여할 수 있을 뿐만 아니라 검사 간의 오차 또한 줄일 수 있다[28-30]. 향후에 본 연구를 기초자료로 활용하여 3D프린팅을 이용한 DXA 정도관리용 대퇴골팬텀이 보편화 되고, 지속적인 교육이 이루어진다면 보다 정확한 골밀도 정도관리가 이루어질 것이라 사료된다.
Ⅴ. 결 론
골밀도 검사는 골절의 진단 및 치료에 있어 중요한 역할 을 담당하므로 정확한 측정이 필요하다. 따라서 DXA 검사 에 있어 장비와 검사자의 정도관리는 필연적 요소이다. 일 반적으로 요추부와 대퇴부는 골밀도의 상관관계가 있지만, 폐경기 여성의 경우는 요추부와 대퇴부의 골밀도는 유의미 한 차이가 발생하므로 차별화된 정도관리가 필요하다고 판 단하였다. 이에 따라 본 연구에서는 3D프린터로 제작된 대 퇴골팬텀을 사용한 DXA 검사 성능 실험을 통해 기존 팬텀 의 평가 관리 기준에 적합성을 확인하였다. 기존의 보편화 된 요추팬텀에 비해 골밀도 값은 낮게 측정되었지만 실제와 동일한 해부학적 구조를 반영한 대퇴골팬텀이기 때문에 정 확한 ROI 선정에 기여하여 검사자의 숙련도와 정확도가 증 가함으로써 검사 간의 불필요한 피폭과 오진 감소를 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 필라멘트의 종류나 재질의 특성을 고려하여 후속적인 연구가 지속된다면 시간적, 경제 적인 부분의 이점을 활용해 DXA의 정도관리용 대퇴골팬텀 을 상용화할 수 있을 것이고, 임상에서 팬텀의 유용성과 전 향적 태도를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.
