Ⅰ. 서 론

방사선을 이용하는 의료행위에서 환자의 움직임이나 촬 영 자세 불량으로 인한 재촬영은 불필요한 방사선 피폭의 원인이 되고 장비 가동시간의 증가와 환자의 촬영 대기시간 을 길게 하는 원인이다[1]. 의료피폭은 개인에게 의학적 이 득을 주기 때문에 선량한도를 정하지 않았지만, 최적화의 노력을 통해 환자의 방사선 피폭을 줄이기 위한 노력이 강 조된다.

세계방사선사협회(international society of radiographers and radiological technologist, ISRRT)는 방사선사의 책임 7개 분야에서 선량의 최적화를 위해 방사선 방호관리자로서 역할을 강조하며 방사선을 이용하는 검사에서 피폭선량을 줄이기 위해 환자의 촬영 자세 고정을 목적으로 부속장치와 방호장치의 필요성을 제시하였다[2]. 또한 대한방사선사협 회(Korean radiological technologists association, KRTA) 에서도 방사선 관리에 적정을 기해 환자에 대한 피폭선량 경감을 위하여 노력해야 한다고 방사선사의 윤리강령에서 명시하였다[3].

환자의 엑스선 재촬영을 줄이기 위해 촬영 자세 고정을 목적으로 활용되는 보조도구의 종류로는 모래주머니, 아크 릴(acrylic), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 목재, 알 루미늄, 폼(foam), 라텍스(latex), 스티로폼(styrofoam) 등 의 다양한 재료가 사용되고 있다. 촬영 두께가 얇은 사지의 말단 부위는 보조도구의 두께가 얇아도 충분한 촬영 자세를 유지하면서 생성된 의료영상에 영향을 최소한으로 유지되 어야 한다. 그러나 촬영 두께가 무겁고 두꺼울 경우 보조도 구의 두께가 두꺼워짐으로써 의료영상에 영향을 줄 수 있 다. 따라서 기존 보조도구의 재질과 같이 엑스선 투과도가 높으면서도 강도가 높은 보조도구의 재료 특성이 요구된다.

2000년대 초반부터 선진국을 중심으로 충격에 강하고 내 피로성과 높은 생체적합성으로 인공장기 및 의료기구의 재 료로써 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)을 적극적으로 활용하고 있다. 우리나라에 서는 작은 방사선량에도 효율적 검사가 가능하고 높은 엑스 선 투과율로 촬영 각도에 상관없이 굴절이 발생하지 않는 특징으로 전산화단층촬영(computed tomography, CT), 수 술용 테이블, 엑스선 촬영대, 방사선 치료용 고정장치, 엑스 선 디텍터(detector) 등에 사용되고 있다[4-6].

엑스선 검사에서 보조도구의 재료는 엑스선 투과성이 높 고 생성되는 의료영상에 영향을 최소한으로 유지하기 위해 얇은 두께에도 충분한 강도를 가져야 한다. 따라서 본 연구 는 엑스선 투과성이 높아서 유방촬영에서 압박대 재질로 사 용되는 PC, 아크릴의 대표적인 폴리메틸메타아크릴레이트 (poly methyl metha acrylate, PMMA), CFRP 3K를 비교 하여 엑스선 촬영 시 보조도구의 재료로써의 유용성을 확인 하고자 한다.

Ⅱ. 실험 재료 및 방법

1. 실험 재료

CFRP는 0.005∼0.01 ㎜ 굵기의 매우 가는 탄소 섬유를 재료로 3K를 사용하였고, 여기서 K는 Kilo 즉 1,000가닥을 의미한다. 엑스선 촬영 시 투과되는 선량을 측정하기 위해 PMMA, PC, CFRP 3K를 가로, 세로 100 ㎜의 정사각형, 두 께 1 ㎜ 형태로 각각 10개씩 제작하였다[Fig. 1]. 진단용 방 사선 발생 장치는 DR X-ray System(comed TITAN 2000, gemss medical, Korea)으로 엑스선 제어장치(EVA-HF 750-CT)와 고전압 발생장치(EVA-HF750-HT) 및 엑스선 관 장치(E7252X, TOSHIBA)로 구성되어 있다. 재료의 두 께별 투과 선량 측정을 위해 한국산업표준 엑스선 방호용품 류의 납 당량 시험에서 좁은 빔을 사용할 때의 조건을 참고 하여 엑스선 초점에서 재료까지 거리가 1,500 ㎜, 재료에서 detector까지 거리는 45 ㎜, 고정 조리개로 실험 도구를 제 작하였다[7][Fig. 2]. 준비된 재료의 투과 선량 측정 장비는 Magicmax Universal의 XR detector (S/N:R22-0777, 교 정일: 2022.10, 제조사: IBA dosimetry, 제조사: Germany) 를 사용하였다[Fig. 3]. 영상평가를 위해 의료영상저장 전송 시스템(picture archiving and communication system, PACS) 프로그램(Infinitt)과 Java 기반 이미지 분석 프로그 램 ImageJ를 사용하였다.

2. 실험 방법

1) 투과도 평가

엑스선 투과도 측정을 위해 제작된 실험 도구를 사용하였 을 때 고정 조리개 두께는 5 ㎜Pb, 엑스선 초점에서 재료까 지 거리는 1,500 ㎜, 재료에서 조사야는 지름 20 ㎜의 원형 이다. PMMA, PC, CFRP 3K 재료를 1장씩 적층해가며 1∼ 10 ㎜까지 두께별 투과 선량을 측정하였다[Fig. 4]. 촬영조 건은 팔과 다리에서 가장 많이 사용되는 촬영 보조도구임을 고려하여 동일한 촬영조건(50 kVp, 100 ㎃, 0.1 sec)에서 각각 4회씩 촬영하여 극단값을 제거하기 위해 가장 차이가 큰 1회를 제거하고 3회의 평균값을 도출하여 재료가 없을 때 선량과 비교하였다[Fig. 2].

2) 영상평가

촬영 테이블에 재료가 없을 때와 2 ㎜ 두께의 3가지 재료 를 같은 촬영조건(50 kVp, 100 ㎃, 0.1 sec)에서 초점과 이 미지 카세트 간 거리를 1,100 ㎜, 조사야 17×17"로 각각 4회 씩 촬영하여 극단값을 제거하기 위해 가장 차이가 큰 1회를 제거하고 3회 측정값을 사용하였다. 생성된 영상은 PACS 프로그램을 활용하여 의료용 디지털 영상 및 통신(digital imaging and communications in medicine, DICOM )파일 형식을 추출하여 ImageJ 프로그램을 사용하여 영상 정중 앙에 가로, 세로 300 pixel의 관심영역(region of interest, ROI)를 설정하고 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio, CNR)와 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 비교하 였다. 재료가 없을 때 영상의 ROI pixel 값을 background로 하였고, CNR은 식(1), SNR은 식(2)를 통해 비교하였다[8]. CNR과 SNR 식에서 pixel 정보 값은 재료를 사용한 ROI average가 재료가 없는 background average보다 항상 큰 값으로 ROI average에서 background average를 빼주어 절대값을 생략하였다.

3) 통계 분석

투과도와 영상평가에 사용된 데이터는 평균과 표준편차로 나타냈고, 재료가 없을 때와 3가지 재료를 사용했을 때를 비 교하였다. 두께의 증가와 각 재료의 투과도의 유의한 상관을 확인하기 위해 Pearson 상관분석을 실시하였고, 각 재료의 차이에 따른 투과율의 차이와 영상 정보 값의 차이의 유의성 을 판단하기 위해서 비모수 검정법인 Kruskal-Wallis 검정 법을 실시하였다. 또한, 사후검정으로 쌍대비교(pairwise comparison)를 시행하여 재료의 차이에 따른 투과도와 영상 정보 값의 차이의 유의성을 검정하였다. 통계 프로그램은 IBM SPSS Statistics(ver.29.0.1.0, USA)를 이용하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 투과도 평가

한국산업표준 엑스선 방호용품류의 납 당량 시험에서 좁은 빔을 사용할 때의 조건 기준으로 3개 재질을 두께 1∼10 ㎜까 지 적층하며 같은 촬영조건에서 투과도를 측정하였다. 재료 가 없을 때 측정된 선량은 68.45 μGy이었고, 각 재질에 따라 1∼10 ㎜까지 측정된 선량은 PMMA 66.0∼45.36 μGy, PC는 65.04∼46.71 μGy, CFRP 3K는 65.71∼43.21 μGy로 측정 되었다. 방사선 투과도를 비교하면 PMMA는 96.42∼66.26%, PC는 95.01∼68.23%, CFRP 3K는 95.99∼63.12%가 측정되 었다.

3가지 재료 모두 2 ㎜ 두께까지 투과도는 90% 이상이었 고, 두께 3 ㎜ 이상부터 모든 재료가 90% 미만으로 측정되 었다. 2 ㎜ 두께에서 투과도는 PMMA, CFRP 3K, PC 순이 었지만 차이는 0.45%로 이내로 매우 작았다. 두께가 10 ㎜ 에 가까울수록 투과도는 PC, PMMA, CFRP 3K 순이었다 <Table 1>.

1) 두께와 투과율의 상관관계 분석

두께의 증가와 각 재료의 투과도가 유의한 상관이 있는지 확인하기 위해 Pearson 상관분석을 실시하였다. 그 결과, 두께와 CFRP의 투과도 사이의 상관관계 r=-0.996, p<0.001 로 가장 높은 부(-)의 상관을 보였다. 반대로, 두께와 PC의 투과도 사이의 상관관계 r=-0.993, p<0.001로 가장 작은 부(-)의 상관관계를 가졌다. PMMA와 PC의 상관관계, PC 와 CFRP의 상관관계, CFRP와 PMMA의 상관관계는 모 두 r=0.995, p<0.001로 높은 정(+)의 상관관계를 가졌다 <Table 2>. 3가지 재료 모두 두께에 따른 투과도는 상관계 수가 –1에 가까웠고, 재료에 따른 상관계수는 1에 가까워서 동일한 특성을 가지는 것으로 판단되었다.

2) 재료의 투과율의 Kruskal-Wallis 검정

각 두께에서의 투과율의 평균이 재료에 따라 유의한 차이 가 있는지 확인하기 위해서 ANOVA의 비모수 검정법인 Kruskal-Wallis 검정을 이용하여 시행하였다. 그 결과, 1 ∼4, 6, 7 ㎜ 두께에서는 투과율의 평균이 재료에 따라 유의 한 차이가 있음을 확인할 수 없었다. 그러나, 5, 8, 9, 10 ㎜ 두께에서는 95% 신뢰구간에서 투과율의 평균이 재료에 따 라 유의하게 차이를 보였다.

투과율의 평균이 재료에 따라 유의하게 차이가 있는 경우 에는 다중비교(pairwise comparison)를 통해, 어떤 재료의 투과도와 다른 재료의 투과도의 차이가 유의한지 확인하였 다. 그 결과 5, 8, 9, 10 mm 두께에서 CFRP 3K의 투과도는 95% 신뢰구간에서 PMMA의 투과도는 유의한 차이를 보이 지 않았지만, PC의 투과도와는 유의한 차이를 보이는 것을 확인하였다<Table 3>.

2. 영상 평가

촬영 테이블에서 재료 유무에 따라 생성된 DICOM 영상을 PACS 프로그램에서 추출하여 ImageJ 프로그램으로 분석하 였다. 재료가 없을 때 ROI pixel 정보 값은 1702.41, 투과율 이 90% 이상이었던 2 ㎜ PMMA는 1791.29, PC는 1836.64, CFRP 3K는 1786.76이었다<Table 4>. 재료가 없을 때 ROI pixel 값을 background로 설정하여 측정된 CNR은 CNR_PMMA 0.85, CNR_PC 1.28, CNR_CFRP 0.80이었다. SNR은 SNR_PMMA 1.18, SNR_PC 1.79, SNR_CFRP 1.12이었다. CNR과 SNR 모두 PC, PMMA, CFRP 순으로 높게 나타났다<Table 5>.

1) Kruskal-Wallis 검정

재료가 없을 때 생성된 영상과 2 ㎜ 두께에서 생성된 영상 의 ROI pixel 정보 값의 정도를 비교하고, 그 값을 토대로 재료의 차이에 따라 ROI pixel 정보 값이 유의한 차이를 보 이는지 확인하기 위해 Kruskal-Wallis 검정을 시행하였다. 그 결과, 재료가 없을 때와 재료가 있을 때의 ROI pixel 값 의 평균은 95% 신뢰구간에서 유의하게 차이가 있는 것으로 판단되었다.

사후분석으로 다중비교를 한 결과, PC를 사용했을 때의 영상 정보 값은 재료를 사용하지 않았을 때와 95% 유의수준 에서 유의한 차이를 보였지만, PMMA와 CFRP 3K를 재료 로 이용했을 때의 영상 정보 값과는 유의한 차이를 보이지 않았다. 또한, PMMA와 CFRP 3K의 영상 정보 값은 재료를 사용하지 않았을 때의 영상 정보 값과 유의한 차이를 보이 지 않았다<Table 6>.

2) CNR과 SNR의 Kruskal-Wallis 검정

재료에 따른 CNR과 SNR의 차이가 유의한 차이가 있는 지 확인하기 위해서 Kruskal Wallis 검정을 시행하였다. 그 결과, CNR과 SNR 모두 재료에 의한 차이는 유의하지 않은 것으로 판단되었다<Table 7>.

Ⅳ. 고 찰

질병관리청 조사에 따르면 진단용 의료방사선 검사의 증가로 피폭선량은 2016년 101,000 man·Sv에서 2019년 125,000 man·Sv로 연평균 약 7.6% 증가하였고, 의료방사 선 검사별 건수는 2019년 일반 엑스선 촬영이 71.6%로 가장 높게 나타났다[9].

엑스선을 이용하는 검사에서 다양한 원인으로 재촬영이 발생하고 불필요한 반복 검사는 환자에게 방사선 피폭이 증가하는 원인이 된다. 엑스선 재촬영 원인분석에서 전체 촬영 건수의 7%가 환자의 자세 불량, 움직임 등으로 나타 났고[1], 방사선 발생장치의 구조적 한계로 인한 방사선 피 폭을 경감하고, 환자의 올바른 촬영 자세를 위한 보조기구 의 사용은 재촬영을 감소시켜 피폭선량을 줄일 수 있다 [10,11]. 또한, 보조기구 사용으로 진단 또는 치료의 신속성 과 촬영 자세를 일정하게 유지하여 생성된 의료영상의 재현 성을 높이고 화질의 손상을 낮출 수 있다[12-14].

엑스선 촬영에서 환자 자세를 유지하기 위한 보조도구는 의료영상과 겹침으로 인해 artifact의 원인이 되기도 한다. 따라서 보조도구 사용 시 의료영상에 영향을 낮추기 위해 엑스선 투과성이 높고 두께가 얇으면서도 충분한 강도를 가 지는 재료의 특성이 요구된다. CFRP는 다양한 분야에서 활 용되고 있으며 PMMA, PC와 비교했을 때 비슷한 비중 (specific gravity)에서 높은 인장강도(tensile strength)와 굽힙강도(flexural strength)를 가진 특성과 방사선 투과도가 높아서 의료기 부품 시장에서 많이 활용되고 있다[15,16]. 대표적인 의료분야의 CFRP 재료는 높은 강도와 높은 투과 율로 다양한 의료기 테이블 제작과[5] 재활 의료기 재활 분 야에서 활용되고[17], 재료의 높은 안정성으로 생체조직으 로 활용되고 있다[18].

지의규 등의 연구[19]에서 방사선 에너지가 큰 치료 분야 의 보조도구로써 탄소 섬유는 PMMA보다 1%가량 투과도가 낮았지만 얇으면서 높은 경도로 고정기구로써의 재질로 적 합하다고 하였다. 본 연구의 진단 엑스선 영역에서 90% 이 상 투과했던 두께 2 ㎜에서 3가지 재료는 모두 유의한 차이 가 없었다. 두께 2 ㎜의 영상평가에서 PC는 재료가 없을 때 와 pixel 정보 값이 유의한 차이가 있었고, PMMA와 CFRP 3K는 재료가 없을 때와 유의한 차이가 없어서 기존의 PMMA를 대체하여 CFRP 3K를 사용할 수 있다.

홍동희 등의 연구[20]에서 28 kVp, 80 mAs의 유방 촬영 조건에서 Carbon은 기존 유방촬영 압박대 재질인 PC와 PMMA보다 10% 이상 높은 투과율을 나타냈다. 본 연구의 50 kVp, 10 mAs 촬영조건에서 CFRP 3K의 투과도는 5 ㎜ 까지 PMMA, PC와 비교하여 1% 이내의 차이를 보였다. 따 라서 Carbon 재질은 낮은 kVp와 높은 mAs에서 PMMA와 PC보다 높은 투과도를 가지고 일반 엑스선 촬영조건에서는 PMMA, PC와 유의한 차이를 보이지 않음을 알 수 있다.

Carbon은 PMMA, PC와 비교하여 비중은 약 1.5배이고 인장강도는 28배 이상, 굽힘강도는 16배 이상 높은 특성이 있다[20]. 따라서 세 가지 재료 모두 두께 2 ㎜에서 90% 이 상 엑스선 투과율을 보였지만, PMMA와 PC 재료 2 ㎜의 두 께 강도를 carbon으로 대체하면 약 0.2 ㎜ 이하의 두께로 얇아져서 투과도는 더욱 높아진다. 마찬가지로 PMMA와 PC는 신체의 몸통과 같이 두껍고 무거운 체중을 지지하기 위해 10 ㎜ 이상의 두께를 사용하면 엑스선 투과율은 45% 미만으로 작아져서 촬영조건을 높여야 하지만, carbon 재 료는 2 ㎜ 이내로 유지하더라도 PMMA나 PC의 10 ㎜ 두께 강도를 대신하여 90% 이상의 투과율로 기존의 촬영조건을 유지할 수 있게 된다. 따라서 carbon 소재를 이용한 CFRP 3K 재료는 기존의 PMMA와 PC에 비교하여 얇은 두께에서 도 높은 강도를 가지는 특성으로 진단영역에서의 보조도구 로써의 적합성을 높다고 할 수 있다.

의료영상의 품질을 평가하는 매개변수로 CNR과 SNR이 클수록 정량적 평가는 높게 평가된다. 인접한 신호를 구분 하는 능력인 CNR과 신호와 잡음의 차이를 나타내는 SNR은 높은 값일수록 영상의 background와 신호의 명확한 구분 이 가능하다. 본 연구에서 두께 2 ㎜ 보조도구의 재료를 촬 영하여 얻은 영상을 평가했을 때 CNR과 SNR 모두 PC, PMMA, CFRP 3K 순으로 높게 나타났지만 3가지 재료에서 유의한 차이는 없었다. 투과율과 마찬가지로 두께 2 ㎜ PMMA와 PC를 대신하여 16∼28배 강도가 높은 carbon 소 재의 CFRP 3K를 0.2 ㎜ 이하로 사용하면 재료가 없을 때의 pixel 정보 값인 background와 가깝게 되어 CNR과 SNR은 낮아질 것으로 예상할 수 있다. 엑스선 촬영에서 인체를 투 과한 정보는 의료영상으로 표현되지만, 보조도구를 투과하 여 생성된 정보는 의료영상의 질을 떨어뜨리게 된다. 따라 서 엑스선은 보조도구를 투과하여 측정된 CNR과 SNR 값이 낮을수록 의료영상에 미치는 영향이 작은 것으로 판단 할 수 있다.

엑스선 촬영에 사용되는 보조도구는 촬영 자세를 일정하 게 유지하고 재현성을 좋게 하지만 환자의 의료영상정보에 영향을 주면 artifact의 원인이 된다. CFRP 3K 재료는 기 존 PMMA와 PC와 비교하여 같은 두께에서 엑스선 투과도 는 유의한 차이가 없지만 높은 강도를 가지는 재료 특성으 로 인해 얇은 형태로 사용하여 엑스선 촬영 시 보조도구의 재료로써 유용하다고 여겨진다. 연구의 제한점으로는 실제 신체를 대상으로 촬영 후 생성된 영상을 평가하지 않았기 때문에 촬영 부위, 촬영 방법, 환자 자세, 두께 등의 다양한 변수가 있으므로 CFRP 3K를 활용한 다양한 형태의 보조도 구를 사용하여 실제 영상평가에 대한 추가연구가 필요하다.

Ⅴ. 결 론

엑스선 촬영 시 환자의 촬영 자세를 고정하기 위해 보조 도구를 사용하는 것은 재촬영을 줄여주어 환자에게 불필요 한 피폭을 감소시키고 의료영상의 재현성을 높여주는 장점 이 있다. 보조도구의 재료로써 PMMA, PC, CFRP 3K 재료 의 엑스선 투과도와 획득된 영상의 CNR과 SNR을 비교한 결과 CFRP 3K 재료를 2 ㎜ 이내로 사용하면 90% 이상의 높은 엑스선 투과도와 획득된 영상에 영향을 최소로 유지하 여 보조도구의 재질로써의 유용하게 사용될 수 있다.