Evaluation of Applicability of Customized Bolus According to 3D Printer Material Characteristics

3D 프린터 소재 특성에 따른 맞춤형 볼루스의 적용성 평가

Abstract

Bolus is used in radiation therapy to prescribe an even dose to the tumor when the skin surface is inclined or has irregularities. At this time, the dose to the skin surface increases. Due to the patient's unique body structure and irregular skin, voids may occur between the bolus and the skin, which may reduce the accuracy of treatment. Therefore, in this study, the existing bolus and the self-produced bolus through 3D printing were applied to the nasal area, and the difference between the surface dose after treatment plan and the dose directly measured with an Optically Stimulated luminescence(OSL) dosimeter was compared to the existing bolus. The bolus rate was 97%, PLA 100.33%, ePETELA 75A 100.53%, and ePETELA 85A 100.36%. It was confirmed that there was little error in the measurement values and treatment plan values for each material. In addition, compared to when applying a conventional bolus, a difference of -3% to +0.5% for a 3D printed bolus can be confirmed, so a customized bolus produced through 3D printing can complement the shortcomings of the existing bolus. It is believed that there will be.

볼루스는 방사선치료에서 피부면이 경사지거나 요철이 있는 경우 종양에 균등한 선량을 처방 시 사용된다. 이때, 피부면에 선량은 증가하게 나타난다. 환자의 고유한 신체 구조와 불규칙한 피부로 인해 볼루스와 피부 사이 공극이 발생할 수 있어 치료의 정확성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 기존 볼루스와 3D 프린팅으로 자체 제작된 볼루스를 비강 부위에 적용하여 치료계획 후 표면선량과 광자극발광선량계(Optically Stimulated Luminescence, OSL)로 직접 측정한 선량과 차이는 기존의 볼루스 97%, PLA 100.33%, ePETELA 75A의 경우 100.53%, ePETELA 85A는 100.36%의 비율로 나타났다. 재질별 측정값과 치료계획값이 오차가 적다는 걸 확인할 수 있었다. 또한, 기존 볼루스를 적용하였을 때와 비교 시 -3%에서 3D 프린팅 볼루스는 +0.5% 이내의 차이를 확인할 수 있어 3D 프린팅을 통해 제작된 맞춤형 볼루스는 기존 볼루스의 단점을 보완할 수 있을 것으로 사료된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

현대 의료 분야에서 기술의 급격한 발전은 진단 및 치료 접근 방식을 혁신적으로 변화시키고 있다^[1]. 방사선치료는 타깃에서 피부와의 거리를 정확하게 설정하고, 처방된 방사선량을 투여하여야 한다. 특히, 요철이 심한 표재성 종양의 경우 일반적인 방사선치료보다 더 정밀한 계획과 세심한 주의가 요구된다. 따라서, 표재성 종양의 경우 피부가 경사지거나 요철 부위에 볼루스를 사용하여 방사선 선량 분포를 피부 표면으로 이동시켜 치료 효과를 개선할 수 있다. 이러한 접근은 피부 표면에서 선량을 증가시키며, 심부에 위치한 정상 조직에는 선량의 감소 효과를 가져온다. 또한, 코 두피 등 환자의 고유한 신체 구조와 불규칙한 피부 사이에 볼루스 사용으로 인해 공극이 발생할 수 있다. 이러한 공극으로 원하는 치료 결과를 달성하기 위해 치료계획용적(Planning Target Volume, PTV)에 방사선량의 예상 분포를 얻는데 부정적인 영향을 미칠 수 있다^[2-4]. 이러한 제한점을 극복하기 위해 3D 프린팅 기술을 적용하여 환자의 개별적인 해부학과 종양의 형태를 고려한 정확한 볼루스를 제작할 수 있다. 3D 프린팅 기술은 의료 분야에서 혁명적인 변화를 일으키고 있으며, 이를 통해 제작된 맞춤형 볼루스는 환자의 피부 표면과 정확하게 일치하여 공기층을 줄이고, 방사선 빔의 투과성을 최적화하여 주변 조직을 최소한으로 손상시키면서 종양 치료의 효과를 극대화할 수 있을 것이다^[5]. 이를 통해 환자의 치료 효과를 향상시키고 부작용을 최소화할 수 있는 치료 접근 방법이 가능할 것으로 사료된다. 이에 본 연구에서는 기존 볼루스와 3D 프린팅으로 제작된 볼루스를 적용하여 치료계획 후 표면선량을 평가함으로서 임상에서 재현성과 적용 가능성을 확인하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험재료 및 장비

본 연구의 실험을 진행하기 위해 볼루스 3D 프린팅의 소재 PLA (Poly Lactic Acid)와 PBT (Polybutylene Terephthalate)소재의 ePETELA 75A, 85A 필라멘트 총 3가지를 선정하여 3D 프린터 장비(S3, Ultimaker, Nethelands)를 통해 비강 부위의 모형 볼루스를 각각 출력하였다. 치료기는 선형가속기(TrueBeamTM, Varian, USA)의 6 MV 에너지를 사용하였다.

2. 물리적 특성 평가

볼루스의 물리적 특성을 평가하기 위해 RW3 slab phantom(RW3, PTW, Germany)위에 SSD 100 cm, 조사면 10 × 10 cm², 100 MU로 조사하였으며, 이후 slab phantom을 1 mm 단위로 추가하여 20 mm까지 증가시켜 선량을 Fig. 1-(a)와 같이 측정하였다.

Fig. 1. Methods for assessing physical properties.

3D 프린터 소재인 PLA (Poly Lactic Acid)와 PBT (Polybutylene Terephthalate)소재의 75A, 85A 필라멘트를 20 × 20 cm², 5 mm 두께의 각 Sheet로 제작하여 Fig.1-(b)와 같이 표면에 위치시키고 표면선량을 측정하기 위해 이온챔버(IBA dosimetry, PPC05), 광자극발광선량계(Optically Stimulated Luminescence, OSL)를 사용하여 측정하였다.

3. 치료계획 및 선량 전달

두경부 인체모형 팬텀(Model RS-108T, Radiological Support Services, USA)의 비강 부위에 볼루스를 종류별로 Fig. 2-(a)와 같이 적용하여 전산화단층촬영(Discovery CT 590 RT, GE, USA) 영상을 각각 획득하였다. 제작된 볼루스는 PLA, ePETELA 75A, 85A 필라멘트를 사용하여 Fig. 3과 같이 출력하였다. 그 중 PLA는 환경 친화적이며 생분해성이 뛰어나 3D 프린팅의 기본 재료 중 하나로 사용되고 있으며, ePETELA 75, 85A 필라멘트의 경우에는 PBT (Polybutylene Terephthalate)를 기반으로 하는 열가소성 고분자 소재로 강도와 내열성이 뛰어난 필라멘트이다. 획득한 영상에 전산화치료계획시스템(Eclipse v. 15.6, Varian, USA)을 이용하여 각 비강 부위 PTV에 2 Gy 선량이 전달되도록 치료계획하였으며 6 MV의 에너지, 선량율 600 MU/min, 강도변조회전조사(Intensity Modulated Arc Therapy, IMAT) 계획으로 동일한 조건을 통해 최적화하여 PTV 95%가 100% 커버할 수 있도록 Fig. 2-(c)와 같이 처방하였다. 또한, 볼루스 적용 없이 획득된 영상에 볼루스 미적용과 적용하여 치료계획하고, 동일한 CT 영상에 3D 볼루스를 추가 적용하여 총 5개의 치료계획을 수립하였다. 치료계획에 대한 평가를 위해 치료계획시스템에서 DVH(Dose Volume Histogram)와 등선량분포를 이용하여 평가하였다. 첫번째 Conformity Index (CI)는 ICRU report 62를 참고하여 treated volume과 PTV volume의 비율로 Eq. (1)를 이용하여 구하였으며, Homogeneity Index는 PTV의 5% 최소선량과 PTV의 95% 최소선량의 비율로 Eq. (2)를 통해 구하였다. D₅는 PTV내의 maximum dose를 의미하고 D₉₅는 PTV내의 minimum dose를 의미한다. CI는 1에 가까울수록 이상적인 값을 뜻하고 HI는 낮은 값일수록 PTV내의 선량 균일도가 우수함을 나타낸다.

Fig. 2. Acquisition of head and neck human model phantom images and treatment planning system.

\(\begin{aligned}Conformity \; Index=\frac{T V_{(\text {treated volume })}}{P T V_{(\text {planning target volume })}}\end{aligned}\)       (1)

\(\begin{aligned}Homogeneity \; Index=\frac{D_{5(\text { dose in } 5 \% \text { of PTV })}}{D_{95(\text { dose in } 95 \% \text { of PTV })}}\end{aligned}\)       (2)

이와 같이 치료계획 후 각 치료계획에 따른 선량을 평가하였다.

Fig. 3 Bolus model print using filament of various materials

Ⅲ. RESULT

1. 물리적 특성

Slab phantom을 통해 측정한 결과 표면에서의 선량은 53.84%, 5 mm 깊이에서의 선량 89.55%, 10 mm는 98.52%, 15 mm에서는 100%의 선량 비율을 보였으며, 20 mm에서는 99.25%의 선량으로 Table 1과 같이 측정값으로 나타났다. 5 mm를 사용한 Filament sheet 별 물리적 특성 결과는 ePETELA 75A는 평균 90.42%, ePETELA 85A의 경우 88.38%, PLA의 경우 92.06%의 선량으로 Table 2와 같이 측정값으로 나타났다.

Table 1. Results of dose measurements (Unit: cGy %)

Table 2. Physical characteristics of each filament (Unit : cGy %)

2. 표면선량 평가

각 Filament 별 출력된 볼루스에 따른 표면선량은 광자극발광선량계(Optically Stimulated Luminescence, OSL)로 측정한 결과 PLA의 경우 187.70 cGy, ePETELA 75A의 경우 189.31 cGy로 측정되었으며, ePETELA 85A는 188.95 cGy로 Table 3과 같이 측정되었다. 또한, 치료 계획에 따른 Filament 별 볼루스를 사용한 경우와 제외한 경우로 나누어 표면선량에 따른 측정된 선량과 계획된 선량은 일반 볼루스 미적용 시 182.64 cGy, 적용의 경우 188.07 cGy, PLA로 제작한 볼루스를 적용하였을때의 선량은 187.07 cGy, ePETELA 75A는 188.30 cGy, ePETELA 85A는 188.27 cGy, 볼루스를 제외 하였을때의 측정선량은 208.55 cGy, PLA로 제작한 볼루스를 적용하였을때의 측정선량은 187.70 cGy, ePETELA 75A는 189.31 cGy, ePETELA 85A는 188.95 cGy로 Table 4와 같이 측정되었다. 따라서, 일반 볼루스 5 mm에 해당하는 선량 89.55%의 가장 근접하는 재질로는 ePETELA 75A임을 알 수 있었다.

Table 3. Surface dose assessment for each filament (Unit: cGy)

Table 4. Surface dose assessment by filament in accordance with the treatment plan (Unit : cGy)

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구는 3D 프린터 소재를 통해 기존 볼루스와 비교하여 얼마나 공극 없이 재현성 있게 적용되는지 확인하고자 하였다. 그 결과 각 재질 별 출력한 볼루스의 물리적인 특성은 PLA로 출력한 볼루스가 92.06%, ePETELA 75A의 경우 90.42%, ePETELA 85A는 88.38%의 선량으로 나타나 다양한 재질로 출력한 볼루스의 특성이 서로 다르다는 것을 확인할 수 있었으며, 볼루스를 제외하여 측정된 선량 또한 기존 볼루스를 적용하였을 때와 비교하였을 때 3% 이내의 차이를 확인할 수 있었다. 그 중 PLA을 적용하였을때 계획과 측정값의 비율은 100.33%로 가장 근접한 것을 알 수 있다. 볼루스를 활용하여 과도한 선량(MU) 값을 피하고 줄이는 것은 방사선 치료에서 중요한 문제 해결 방법 중 하나이다. 과도한 선량은 환자에게 불필요한 방사선 투여를 의미하며, 이는 주변 정상 조직에 손상을 초래할 수 있다. 강도변조회전조사(IMAT)나 체적변조 회전조사(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)는 방사선치료 계획을 최적화하여 종양 주변에 방사선을 효과적으로 적용하고 주변 정상 조직에 미치는 영향을 최소화하는 방법이다^[6,7]. 그러나 때로 종양이나 환자의 해부학적 특성으로 인해 피부에 많은 선량을 투여하기 위해 볼루스를 사용하게 되는데 맞춤형 볼루스를 적용한다면 피부 표면에 최적화하여 주변 조직을 손상시키지 않고도 원하는 선량 분포를 얻을 수 있을 것이다. 선행연구 의하면 PTV의 원위 윤곽을 사용한 전자 방사선치료 최적화를 위한 3D 볼루스의 변조가 상업용 볼루스에 비해 가변성이 적어 원치 않는 선량 증가 영역을 줄이고 위험에 처한 장기를 보호할 것이라 보고하였다^[8]. 이로써 과도한 선량을 줄일 수 있고, 환자에게 불필요한 방사선 투여를 최소화하며 동시에 종양을 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 보고된 연구에 의하면 3D 프린터 소재를 조직등가 물질로 적용한 결과, 전자선의 경우 볼루스 10 mm와 동일한 효과를 나타내는 두께는 ABS 10 mm, PC, 9 mm, PLA 9 mm로 나타났다고 보고하였다^[9]. 하지만 기존 볼루스의 단점인 공극 발생에 따른 표면선량의 감소를 원인으로 지적하고 있어, 이를 해결하기 위한 연구는 다양하게 이루어지고 있지만 많은 제한점이 존재한다^[10,11]. 3D 프린팅은 소재의 품질과 성능에 크게 의존하기에, 공극을 최소화하고 정밀성을 요구하는 경우 레이어를 얇게 출력 속도를 낮추어 설정해야 하기 때문에 출력시간이 증가 될 수 있다는 제한점을 가지고 있다. PLA, ePETELA 75A, 그리고 85A는 각각 다른 물리적 특성을 가지고 있으며 밀도, 조성, 구조 등의 차이는 방사선의 흡수나 투과에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 3D 프린터는 출력물의 기하학적인 구조와 관련하여 출력 시 재료에 대한 압출 오차가 발생할 수 있으며, 프린터의 컨디션이나 출력설정에 따라 내부 채움의 재현성이 떨어질 수 있어 결과의 정확성에 영향을 미칠 수 있다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구는 비강 부위를 대상으로 기존 볼루스와 3D 프린팅으로 자체 제작된 볼루스를 사용하여 표면 선량을 비교하였다. 그 결과 다양한 재질로 출력한 볼루스의 특성이 각기 다르지만 기존 볼루스와 비교하였을 때 1% 이내의 차이를 확인할 수 있었으며 맞춤형 제작을 통해 기존 볼루스의 단점인 공극을 보완할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 본 연구를 바탕으로 방사선치료에 적용한다면, 맞춤형 볼루스 제작은 환자의 치료 효과를 향상시키며, 보다 더 효과적인 솔루션을 제공할 수 있을 것으로 사료된다.