3D 프린팅을 사용한 Infill 조절에 따른 Elbow 팬텀 제작 및 유용성 평가에 관한 연구

A Study on Elbow Phantom Production and Usability Evaluation by Adjusting Infill Density using 3D Printing

Abstract

3D 프린터를 이용하여 제작되는 인체 등가 팬텀은 기존의 인체 팬텀에 비해 저렴하고 단시간에 제작이 가능하다. 다만, 3D 프린터 출력 설정 변수 중 하나인 내부채움(Infill Density)을 100 % 미만으로 하여 제작되는 팬텀이 다수이다. 따라서 본 연구는 3D 프린터를 이용하여 제작된 다섯 개의 Infill 비율을 달리한 Bone 팬텀의 CT number를 실제 인체 Bone의 CT number와 비교하였다. 또한, Infill 100 %의 팔굽 관절 팬텀을 제작하여 컴퓨터 단층촬영(CT)에서 각 조직 별 CT number 비교를 통해 Infill을 100 %로 설정하여 제작된 팬텀에 대한 유용성을 평가하였다. 그 결과 Infill 100 %로 출력한 Bone 팬텀이 실제 인체 Bone의 CT number 값과 가장 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았고, Infill 100 %로 제작된 팔굽 관절 팬텀 역시 각 조직의 CT number는 실제 인체 팔굽 관절의 각 조직의 CT number 값과 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.

Human equivalent phantoms manufactured using 3D printers are cheaper and can be manufactured in a short time than conventional human phantoms. However, many phantoms are manufactured with less than 100 % of Infill Density, one of the 3D printer output setting variables. Therefore, this study compared the Bone Phantom CT number, which differs from the ratio of five Infill Density produced using a 3D printer, to the CT number of the actual human body Bone. In addition, the usefulness of the manufactured phantom was evaluated by producing a 100 % elbow joint phantom with Infill Density and setting the Infill Density to 100 % through CT number comparison for each tissue on computed tomography (CT). As a result, the Bone Phantom printed with 100 % Infill Density did not show the most statistically significant difference from the CT number value of the actual human Bone, and the CT number of each tissue did not show a statistically significant difference from the CT number value of each tissue of the actual human elbow joint.

Ⅰ. INTRODUCTION

현대 의료분야에서의 기술혁신은 빠르게 진행되고 있다. 특히, 전산화단층촬영장치(Computed tomography, CT)는 의료분야에 많은 영향을 미치고 있다^[1].

2023년의 의료장비 통계 사이트인 KOSIS 조사에 따르면 X선을 사용한 CT의 장치 수는 2013년에 5,466대에서 2023년에 19,155대로 350 % 증가하여 CT 검사의 수요가 증가하는 추세이다^[2]. 전산화단층촬영장치는 X선과 컴퓨터를 이용한 검사로서 인체구조를 단면 영상으로 재구성하여, 3차원 입체 영상을 신속하고 정확하게 제공하므로 해부학적 구조를 정확하게 알 수 있는 장비이다^[3]. 이처럼 CT 검사의 수요가 높아짐에 따라 방사선 교육기관 및 임상에서 사용하기 위한 인체 등가 실습용 팬텀의 보급이 필요하며 그에 따라 팬텀 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다^[4]. 현재 팬텀은 의료 기기의 성능을 평가하거나 환자에게 진단 및 치료를 하기 전, 사전 연습을 위한 목적으로 사용되고 있다^[5]. 특히, 교육기관이나 임상에서 실습 교육 시, 방사선 피폭 및 윤리적인 문제로 인해 인체를 대상으로 조사하는데 제한이 있어 인체 등가 팬텀을 사용한다. 기존 인체 팬텀은 가격이 고가로 국내에서 제작이 쉽지 않아 수입에 의존해야 하기 때문에 각 부위별 팬텀을 보유하기 어려운 상황이다^[6]. 최근 인체 팬텀의 한계를 극복하기 위해 의료영상 데이터와 3D 프린터를 이용하여 제작된 팬텀의 수요가 증가하고 있다^[7]. 3D 프린터는 3D 프린팅 기법을 사용하여 출력하는 장치이다^[8]. 3D 프린터로 팬텀 제작 시 시중에 다양한 필라멘트가 있고 인체 각 조직에 적합한 필라멘트에 대한 사전 연구가 많으므로 필요한 필라멘트를 비교적 쉽게 선택할 수 있다는 장점이 있다^[9]. 경제적인 측면에서 기존 인체 위팔뼈 팬텀의 구매 비용이 약 600만 원인데 비해 3D 프린터로 제작한 위팔뼈 팬텀은 3D 프린터를 제외하고 필라멘트 비용이 약 60만 원으로 90%가량 저렴한 제작이 가능하다. 3D 프린팅 과정은 노즐 직경, 베드 온도, 필라멘트 재료, Infill 등 다양한 변수를 설정하여 출력한다. 다수의 선행 연구에서 CT 성능평가를 위한 3D 프린팅 팬텀 제작 시, 이러한 Infill 정도를 100 % 미만으로 하여 CT number 측정을 위해 설정한 관심 영역(Region of Interest) 내의 CT number 평균값이 인체 각 조직에 등가하도록 제작한다^[10]. 인체 각 조직과 CT number 값이 유사하지만, 내부구조의 차이로 인해 실제 인체 구조와 표준편차(Standard Deviation, SD) 값이 상이하여 정확한 결과값이라 볼 수 없다. 이는 3D 프린터로 제작된 팬텀이 실제 인체 CT number와는 유사하지만 영상에 격자무늬가 나타나거나 Infill 정도가 낮을 때 SD 값이 크게 증가하는 등의 한계를 보인다^[11]. 이러한 한계를 극복하기 위해 인체 직을 구현할 수 있는 3D 프린팅 팬텀에 대한 연구가 필요하다. 이에 본 연구에서는 오픈소스인 인체 Elbow CT Scan 영상에서 Bone을 모델링 하였다. 모델을 3D 프린팅하여 Infill을 달리한 5가지 팬텀을 제작하였으며 팬텀 제작의 모델이 된 인체 Elbow CT Scan 영상의 Bone CT number와 비교하여 최적의 Infill을 선정하였다. 이후 선정한 Infill로 전체 Elbow 팬텀을 3D 프린팅 하여 제작한 후, CT 스캔을 통해 각 조직의 기준 CT number와 비교하여 제작된 Elbow 팬텀의 유용성을 평가하고자 하였다.

Ⅱ. MATERIALS AND METHODS

1. 실험 재료

1.1. 실험 장치

Fig. 1과 같이 CT number 측정을 위해 HITACHI사의 CT 장치를 사용하였으며 팬텀 출력을 위해 FDM (Fused Deposition Modeling) 방식의 프린터를 사용하였다. CT number 측정 및 평가를 위한 프로그램은 AVIEW (Colleline Soft, Korea)를 사용하였다.

Fig. 1. Equipment used for phantom production and usability evaluation.

Infill 비교 팬텀의 필라멘트는 Fig. 2-(a)의 Bone filament를 사용하였다. Bone filament는 FDM 방식의 3D 프린터 사용 시 인체 뼈의 CT Number와 유사한 특징이 있다.

Fig. 2. Filament materials for printing 3D models.

Elbow 팬텀의 경우, Bone을 표현하기 위해 Infill 비교 팬텀과 동일한 Bone filament를 사용하였다. Skin을 표현하기 위해 Fig. 2-(b)의 Tough PLA (Ultimaker, Netherlands)를 사용하였다. Tough PLA는 충격 강도가 좋으며 이중 압출 출력이 가능하며 Skin의 ct number와 유사한 재료이다. Soft tissue, Medullary space를 표현하기 위해 Fig. 2-(c)의 Nylon filament (Ultimaker, Netherlands)를 사용하였으며 이는 시중의 나일론에 비해 주변 습도 저항력이 뛰어 나고 연부조직의 CT Number 값과 유사한 재료이다.

지방의 경우, HIPS라는 지방과 유사한 CT number를 갖는 필라멘트가 있으나 3D프린터의 이중 노즐 방식으로 뼈와 연부조직을 출력하였기 때문에 지방을 함께 출력하는데 제한이 있다. 이에 대한 대안으로 지방과 유사한 CT number를 가지는 파라핀 왁스를 녹여서 사용하였다^[12]. Paraffin Wax를 녹이기 위해 Fig. 3의 Melting Machine을 사용하였다.

Fig. 3. Melting machine for melting Paraffin Wax. (EGS, 1 Liter Melting Machine, Korea)

1.2. 3D 모델링 소프트웨어

Infill 비교 팬텀과 Elbow 팬텀의 모델링을 위해 AVIEW를 사용하였다. Fig. 4와 같이 Elbow 팬텀의 모델은 Harvard Dataverse의 Normal Left Arm 오픈 소스를 사용하였다.

Fig. 4. View of Open source arm model for modeling.

2 실험 방법

2.1. 3D 모델링 및 출력 과정

팬텀 제작을 위해 AVIEW Modeler를 이용하여 Harvard Dataverse의 Normal Left Arm 모델을 Skin, Soft tissue, Medullary space, Cortical bone으로 분리하는 모델링을 Fig. 5와 같이 진행하였다. Infill 비교 팬텀 모델의 경우, Cortical bone과 Bone marrow 영역을 추출하여 사용하였으며 Elbow 팬텀의 경우, 분리한 전체 영역을 모델링하였다. 이후 Fig. 6과 같이 모델링한 파일을 STL 파일로 변환하여 저장 후 3D 프린터로 보내 G-code 파일로 변환한 후 출력하였다.

Fig. 5. Modeling Process for Phantom Production.

Fig. 6. Sequence of 3D printing process.

Infill 비교 팬텀을 출력하기 위해 노즐 온도 210 ℃, 베드 온도 60 ℃, 노즐 크기 0.8 mm, 레이어 높이 0.4 mm의 프린터 조건으로 출력하였고, Infill을 20, 40, 60, 80, 100 %로 조정하였다. Elbow 팬텀의 경우, 출력을 위해 Infill을 100 %로 노즐 온도 240 ℃, 베드온도 60 ℃, 노즐 크기 0.6 mm, 레이어 높이 0.8 mm의 매개변수를 설정하여 Fig. 7과 같이 출력하였다.

Fig. 7. 3D Printed Infill comparison Elbow phantom including soft tissue.

2.2. CT number 측정 및 분석

CT number 측정을 위하여 Infill 비교 팬텀과 Elbow 팬텀을 120 kVp, 200 mAs, Standard algorithm으로 CT 스캔하였다. Elbow 팬텀의 경우, 피부구조까지 제작하였으므로 팬텀 자체를 CT 스캔하였으며 Infill 비교 팬텀의 경우, 인체 조직과 유사한 환경을 조성하기 위해 Fig. 8-(a)과 같이 물이 채워진 수조에 넣어 CT 스캔하였다. Elbow 팬텀의 경우 Fig. 8-(b)와 같이 스캔하였다. 이후 CT number 값 및 SD를 측정하기 위해 Infill 비교 팬텀은 내부 격자구조에 지름 20 mm의 원형 ROI를 설정하였으며 Elbow 팬텀은 각 조직 구조에 맞는 크기의 원형 ROI를 설정하였다. CT number 측정 시 Eq. (1)의 공식을 사용하였다.

Fig. 8. CT scan process.

\(\begin{aligned}C T Number=\frac{\mu_{x}-\mu_{w}}{\mu_{w}} \cdot K\end{aligned}\)       (1)

μ_w : Linear attenuation coefficients of water

μ_x : Linear attenuation coefficients of measured tissue

3. 통계

통계적 수치의 분석을 위해 SPSS (Version 29.0.1.0, SPSS, Chicago, IL, USA)의 Mann-Whitney U-test를 사용하였으며, p-value는 0.05를 이용해 통계적 분석을 하였고, p-value 0.05 이하에서 유의한 차이가 있다고 판단하였다.

Ⅲ. RESULT

1. Infill 비교 측정

Infill에 따른 팬텀의 유용성을 평가하기 위해 20, 40, 60, 80, 100 %의 Infill 비교 팬텀을 출력하였다. 출력된 Infill 비교 팬텀의 CT 스캔 결과는 Fig. 9와 같다. 제작한 Infill 비교 팬텀을 지름 15 mm의 원형 ROI로 CT number 값과 SD(Standard Deviation)를 30장의 slice에서 측정하였다^[13].

Fig. 9. CT scan of Infill comparison phantom.

Table 1과 같이 Infill 100 %의 SD 값이 가장 낮았다. 또한, 오픈소스 환자 위팔뼈 데이터와 Infill 비교 팬텀의 CT number의 비교 결과, Infill 100 %의 팬텀이 유일하게 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다(p>0.05).

Table 1. CT number and SD values in 3D-printing Infill comparison phantom slices

2. Elbow 팬텀의 유용성 평가

Elbow 팬텀 출력 시 Infill 비교 결과에 따라서 Infill 100 %로 제작하여 출력하였다. 듀얼 노즐을 사용하여 치밀골과 연부조직을 동시에 출력하였으며 피부조직은 단일 필라멘트로 출력하였다. Fig. 10과 같이 각 부위별 ROI를 지정하여 CT number 값과 SD를 30장의 slice에서 측정하였다. Table 2와 같이 Fat, Soft tissue, Medullary space, Cortical bone에서 인체조직의 CT number 값과 유사하였다. 본래 환자 데이터와 Elbow 팬텀을 비교한 결과, Fat, Soft tissue, Medullary space, Cortical bone의 4가지 조직에서 통계적으로 유의한 차이를 나타내지 않았다(p>0.05).

Fig. 10. ROI setting of Elbow phantom.

Table 2. CT values (mean ± standard deviation in CT number) for the considered tissues in 3D-printing Elbow phantom slices as well as typical ranges observed in humans

Ⅳ. DISCUSSION

기존의 팬텀 제작은 Infill 정도를 조절하여 CT number 값을 조절하는 경우가 다수였다. 실제로 일부 문헌에서 팬텀 제작 시 인체 조직의 CT number 값과 등가하게 표현하기 위해 Infill을 100 % 미만의 값을 사용하여 출력한다^[18]. 하지만 이는 CT 영상에서 필라멘트 뼈대 구조로 인한 격자무늬가 발생하며 그에 따라 빈 공간이 발생하여 실제 인체 조직 CT 이미지와 유사하지 못하며 이로 인해 CT 데이터 검증을 위한 ROI 설정 시, 공기가 포함된 ROI 내의 평균 CT number 값은 인체 조직의 CT number 값과 표준편차 값이 상이한 결과를 나타낸다. 따라서 본 연구에서는 Infill을 달리함에 따라 팬텀 유용성의 변화를 보여주기 위해 20, 40, 60, 80, 100 % Infill 팬텀을 인체 뼈조직을 기준으로 출력하여 인체 뼈의 CT number와 비교 평가하였다. 통계적 분석을 위해 Mann-Whitney U test를 진행하였다. 이는 집단의 표본 수가 비교적 적거나 자료의 수치가 정규성을 만족하지 못할 때, 두 집단 차이를 분석하는 방법이다^[19]. 본 논문은 이 방법을 사용하여 확률 값인 p-value (Probability Value)가 설정한 유의수준 0.05를 넘었을 때, 두 비교분이 유의한 차이가 없다고 평가하였다. 결과적으로, Infill 100 %의 팬텀이 유일하게 인체 뼈조직의 CT number와 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p>0.05). 이는 infill 100% 팬텀의 내부 구조 내에 격자무늬가 최소한으로 발생하여 공기층이 최소화되어 인체 치밀뼈 조직과 유사함을 의미한다.

반면 Infill을 낮게 하였을 때, 필라멘트 재료 비용 감축 및 제작 소요 시간 단축 등의 장점이 있지만 실험 결과, Infill 100 % 미만의 팬텀이 유의한 차이를 보여 Infill 값이 낮은 팬텀은 인체 등가 팬텀 용도로 적합하지 않은 결과를 보인다. 따라서 Infill을 낮게 하여도 우수한 결과를 도출할 수 있는 재료나 기술 등의 연구개발이 진행되어야 할 것이다.

선행연구에서 폐, 갑상샘 등의 다양한 기관을 3D 프린터를 사용하여 단독으로 출력하려는 연구가 진행되어왔다^[20,21]. 그러나 본 연구는 한 신체 부위의 전체 조직을 출력하기 위해 지방, 연부조직, 치밀뼈, 골수공간을 포함한 Elbow를 출력하고자 한다. 제작된 Elbow 팬텀을 CT scan을 하여 인체 조직별 CT number와 역시 Mann-Whitney U test로 비교 분석한 결과, 통계적으로 유의한 차이가 없었다(p>0.05). 따라서 본 팬텀은 임상 및 교육환경에서 인체 및 기존 팬텀을 대신해 유용하게 사용할 수 있음을 보여준다. 본 연구는 실체 인체 조직과 제작된 Elbow 팬텀의 비교 인자로써 CT number 값으로 평가하였다. 다만 CT number 외에 영상 평가 인자 중 공간분해능, 대조도 분해능 등과 같이 여러 인자가 존재하기 때문에 추후 다양한 인자를 고려하여 평가한 연구가 필요할 것이다. 추가적으로 국내(Republic of Korea)에서 주로 사용되는 120 kVp 관전압 조건에서 인체와 등가 한 CT number 값을 가지는 필라멘트를 사용하였으며 이는 단일 에너지에서의 값이기 때문에 추후 연구는 80 ~ 140 kVp에서 인체 조직과 등가 한 필라멘트의 연구 및 개발을 목표로 진행되어야 할 것이다.

Ⅴ. CONCLUSIONS

본 연구에서는 오픈소스로 얻은 위팔뼈 영상 데이터를 활용하여 각 조직에 적합한 필라멘트 선정과 Infill 변화에 따른 유용성을 Mann-Whitney U-test를 활용하여 비교 후 3D 프린터로 위팔뼈 팬텀을 출력하여 CT number 값의 결과를 확인하였다. 이를 통해 Infill 비교 팬텀 5가지를 출력하여 인체조직과 비교해 본 결과 100 % Infill 팬텀이 통계적으로 유의미한 차이를 보이지 않았다(p>0.05). 이 결과에 따라 Elbow 팬텀 출력을 하였고, 실제 인체의 각 조직별 CT number 값과 비교하였을 때, 제작된 팬텀은 인체조직과 통계적 유의미한 차이를 보이지 않았다(p>0.05). 따라서 본 논문의 연구 결과를 통해 추후 인체 조직과 등가 한 CT 팬텀 제작 시 Infill을 100 %로 설정하여 출력하는 방식이 필요하고, 3D 프린터로 출력된 팬텀이 의학 교육 및 훈련에 보다 현실적이고, 실용적인 접근방식을 제공하여 인체팬텀을 대체할 수 있을 것으로 사료된다.