Development and Efficiency Evaluation of Auxiliary Shielding using Elbow Support

팔꿈치 지지대를 사용한 보조 차폐 기구의 개발 및 효용성 평가

Abstract

As the importance of intervention has recently increased, interest in the health of medical staff performing the procedure is increasing. Existing radiation shielding devices have limited the operator's movement and have not been properly used due to the risk of infection, and adequate radiation shielding of the operator's gonads and furthermore, the entire area of the procedure room has not been achieved. An auxiliary shielding device was manufactured by attaching a Bismuth to the elbow support used in the procedure, and the radiation shielding effect was measured. As a result of the measurement, the average spatial dose rate decreased by about 64.8%, and the independent sample t-test analysis showed statistically significant below the significance probability (p<0.05). The use of an auxiliary shielding device is considered to be an effective shielding method that can shield the operator's gonads and reduce the radiation spatial dose rate of the entire area of the procedure room.

최근 인터벤션의 중요성이 증가한 만큼 시술을 수행하는 의료진의 건강에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존의 방사선 차폐 기구는 시술자의 동선을 제한하고 감염의 위험으로 인해 적절하게 사용되지 못했으며 시술자의 생식선과 나아가 시술실 전체 영역의 적절한 방사선 차폐가 이루어지지 못했다. 시술 시 사용되는 팔꿈치 지지대에 차폐체(bismuth)를 부착하여 보조 차폐 기구를 제작하였고 방사선 차폐 효과를 측정하였다. 측정 결과, 평균 공간 선량률이 약 64.8% 감소하였으며 독립표본 T검정 분석 결과 유의확률 이하(p<0.05)로 통계학적으로 유의미하게 나타났다. 보조 차폐 기구의 사용은 시술자의 생식선 차폐 및 시술실 전체 영역의 방사선 공간 선량률을 감소시킬 수 있는 효과적인 차폐 방법으로 사료된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

최근 수십 년 동안 의료 분야에서 인터벤션 시술의 중요성과 가치가 크게 증가하였다^[1-3]. 이러한 변화는 의사, 방사선사, 간호사 등을 포함한 인터벤션 시술을 수행하는 의료진의 가치와 역할을 더욱 강조하고 있다^[4]. 그러나 이와 동시에, 의료진은 시술 중 1차선 (primary radiation)과 산란선 (scattered radiation)에 의한 방사선 노출이라는 위협에 직면하고 있다0^[5].

법적으로 권고된 방사선 노출 수준이 있음에도 불구하고^[6], 시술을 진행하며 권고사항을 지키기는 어려운 과정이며, 의료진들은 일차적인 차폐 외에 방사선으로부터 자신을 보호해야 하는 실정이다^[7]. 현재 사용되는 방사선 개인적 차폐 도구는 납 안경(lead glasses), 납 치마 (lead apron), 납 장갑 (lead glove) 등 다양하나, 이들은 사용상의 불편함과 높은 비용, 의료기관마다의 경제적 환경적 여건의 차이로 인해 모든 의료기관에서 최적의 보호를 제공하는 데 한계가 있다^[8]. 더욱이, 이러한 차폐 도구들이 단순한 권고사항으로 여겨지며 장시간 시술에서는 제대로 지켜지지 않는 경우가 흔하다^[9].

이처럼 Fig. 1에서 보이는 납 커튼 (table mounted radiation shield)도 본래는 시술자의 생식선을 차폐하기 위해 설치되었으나 시술자의 동선과 시야를 방해하고 감염 관리의 어려움으로 인해 필수적으로 쓰이지 않는 경우가 많다. 따라서, 테이블과 Table mounted radiation shield 사이에 차폐되지 않는 공간이 발생하게 되고 시술에 참여하는 의료진들은 더욱더 피폭에 취약한 환경에 놓이게 된다^[10].

Fig. 1. Radiation protection using the upper shielder (white square box) in this study

이 위치는 의료진들의 생식선이 위치한 곳으로써 방사선방호 (radiation protection) 원칙과 지침을 고려하는 것이 필수적이기 때문에 더 중요하다고 생각된다^[11,12].

이에 본 연구에서는 새로운 보조 차폐 기구를 제작하여 시술자의 생식선과 시술실 전체 영역의 차폐 효과를 알아보고자 하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 기존 방사선 차폐 방법 분석

본래 산란선으로 인한 시술자의 생식선 차폐를 위해 설계되고 설치된 Table mounted radiation shield의 상부 부분(upper shield)은 40 cm * 50 cm wide, 0.5 mmPb의 재질이며 Fig. 1과 같다.

하지만 시술 중 오염의 위험과 시술자 팔의 움직임과 동선을 제한하기에 실제 시술 시 잘 쓰이지 않는 경우가 많아 테이블과 Table mounted radiation shield 사이의 차폐되지 않는 공간이 발생하게 되고 Fig. 2와 같이 Table mounted radiation shield를 내려서 사용하는 경우가 발생한다. 이는 시술자의 생식선이 산란선에 직접적으로 노출되게 되는 결과를 만든다.

Fig. 2. Radiation protection not using the upper shielder (white square box) in this study.

2. 보조 차폐 기구 모델링(modeling)

이에 Fig. 3과 같이 시술 시 시술자의 생식선이 산란선에 노출되게 되는 Target Measurement Area를 파악하였다. 또한 C-arm Tube와 Phantom에서 발생하는 산란선에 대해서 시뮬레이션하고, 이를 차폐할 수 있는 보조 차폐 기구를 Modeling 하였다. 이는 Fig. 4와 같다.

Fig. 3. Picture illustrating target measurement area (white square box) in this study.

Fig. 4. Schematic illustrating newly developed shield’s appearance and application from different angle.

보조 차폐 기구는 가볍고 사용하기 편리하며, 감염 위험을 최소화하고 시술자의 동선 및 시야에 방해가 되지 않는 것을 최우선으로 제작하였다. 시술시 환자의 편의를 위해 사용하는 팔꿈치 지지대(elbow support) 두 개를 이어 붙이고 상단에 가로 50 cm, 세로 60 cm, 두께 0.25 mm Pb의 Bismuth (SungKwang Meditech)를 부착하여 제작하였다. 차폐체의 무게는 1.16kg이며 이는 Fig. 5과 같다. 이는 기존의 Upper shield의 선량 차폐 설계 목적에서 벗어나지 않도록 고려하여 설계하였다.

Fig. 5. Actual production photo of the new shielding body used in this study.

3. 실험장비 및 도구

본 연구에 사용된 C-arm 장비는 Philips Azurion Release 2.2 (Philips medical system, Nederland B.V.)이며 C-arm의 Tube가 하단에 있는 Under tube 형식이다.

3.1. 공간선량 측정기 및 인체 팬텀

공간 선량계는 교정을 끝마친 Ion chamber로 RaySafe 452 Radiation Survey Meter(FLUKE Biomedical, U.S.A)를 사용하였다. 이는 Flat energy response의 특성이 있으며 저선량 장비에서부터 높은 에너지를 갖는 치료기나 원전에서도 사용되는 측정기이다. 이러한 특성으로 연구에 적합하기에 사용하였다. 측정 범위는 0 µsv/hr~1 sv/hr 이며 에너지 범위로는 16 keV~ 7 MeV 이다. 이는 Fig. 6와 같다.

Fig. 6. RaySafe 452 Radiation Survey Meter (FLUKE Biomedical, U.S.A) used in this study.

실험의 사용된 팬텀은 Pelvis Phantom Transparent RS-113T (MXR Imaging, U.S.A)으로 평균 키 5피트, 9 인치(175 cm), 체중 162 파운드(74 kg)인 인체 모형 팬텀을 사용하였다. 이는 Fig. 7과 같다. Neuro, Thorax 팬텀 등 이외에도 여러 팬텀이 있지만, General 인터벤션 시술의 특성상 가장 시술 건수가 많고, 시술 시간이 길어 피폭에 영향을 많이 받는 Part는 Abdomen 부분이기에, 이에 적합한 Pelvis Phantom을 사용하였다.

Fig. 7. Pelvis Phantom Transparent RS-113T (MXR Imaging, U.S.A) used in this study.

4. 실험방법

실험실은 아래 Fig. 8과 같이 구성하고 측정을 진행하였다. 테이블에 Phantom을 위치시키고 새로 제작한 차폐 기구를 설치하였다. Survey meter는 Fig. 3과 같이 Target Measurement Area에 위치시키고 높이를 유지하며 각 포인트에 이동하여 측정하였다.

Fig. 8. Description of the conditions of the experiment being dose-measured in this study.

공간선량률 측정은 보조 차폐 기구 사용 유, 무로 나누어 측정하였다. 시술자의 생식선 차폐를 주요한 목적으로 보조 차폐 기구를 제작하여 연구를 시작하였으나, 그 외의 모든 시술 참가자에게 주는 영향 또한 알아보기 위해 총 4개의 구역으로 나누어서 측정 위치를 정하였다. 이는 Fig. 9에서의 구역과 같이 나타내었다.

Fig. 9. Schematic diagram classified of measurement points by distance and zone.

방사선 노출 측정을 위해 명확하게 구분된 네 가지 구역을 설정했다. "Main Operating Zone"은 C-arm에서 y축으로 50 cm 떨어진 위치에 설정되었으며, 시술자가 주로 시술하는 위치를 나타낸다.

이 구역은 좌우로 30 cm, 60 cm, 90 cm 지점을 포함한다. "Operating Zone"은 C-arm에서 y축으로 100 cm 떨어진 위치에 설정되었고, 여기에도 좌우 30 cm, 60 cm, 90 cm 지점이 포함된다.

"Supporting Zone 1"은 시술 참여자가 위치하는 C-arm에서 y축으로 150 cm 떨어진 지점을 기준으로 하며, 좌우 30 cm, 60 cm, 90 cm 지점을 포함한다.

"Supporting Zone 2"는 C-arm에서 y축으로 200 cm 떨어진 위치를 기준으로 설정되었으며, 이 구역에도 좌우 30 cm, 60 cm, 90 cm 지점이 포함된다.

각 포인트마다 3회씩 측정하였으며 평균값을 얻었다. 측정시간은 측정마다 1분간 측정하였으며 측정 단위는 µsv/hr이다.

4.1. 실험 조건

테이블의 높이는 90 cm(시술이 시행되는 일반적인 높이)로 설정하였다. Rotation 0° Angle 0° SID 110 cm, FD 48 cm에서 진행하였다. 또한 Frame rate는 3 Fps, Fluorscopy intensity는 medium으로 설정하였다. 제조사에서 제공한 DSA (Digital Subtraction Angiography) mode의 Abdomen Clarity Protocol로 실험을 진행하였다. 이는 Table 1과 같다.

Table 1. The physical conditions of the experiment

4.2. 통계적 검증 방법

SPSS Ver 29.0 프로그램을 이용하여 통계분석을 하였다. 보조 차폐 기구의 방사선 차폐 효과를 알아보기 위해 독립표본 T-test를 하였고 방사선 차폐에 가장 큰 영향을 미치는 변수를 알기 위해 다변량 회귀 분석을 시행하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 측정 결과

실험 결과, 보조 차폐 기구의 사용은 방사선 노출을 통계적으로 유의미하게 감소시켰다. 보조 차폐 기구가 있는 경우와 없는 경우의 평균 공간선량률은 각각 499.939 µsv/hr와 1420.357 µsv/hr이다. 이는 Table 2. Table 3. 에서의 각각의 측정 포인트에서의 측정된 공간 선량률의 평균을 나타낸 것이다. 보조 차폐 기구가 있는 경우의 평균 차폐율은 보조 차폐 기구가 없는 경우보다 약 64.8 % 높게 나타났다.

Table 2. Space dose rate when Auxiliary Shielding is used

Table 3. Space dose rate when new Auxiliary Shielding is not used

Table 2, 3의 결과를 바탕으로 Table 4와 같이 기본 통계분석을 진행하였으며 이를 이용하여 통계적 검증 방법을 진행하였다. 여기서 Mean은 평균값, Std는 표준편차를 의미하며 분위 표시는 Percentile로써 이 논문에서 방사선 측정값의 통계적 분포를 보여준다. 이 지표들은 측정 데이터의 중심 경향, 변동 범위 및 극단적인 측정값의 존재를 이해하는 데 도움을 준다. 예를 들어, 25%, 50%, 75% 분위 수는 측정값이 얼마나 균일하게 분포하는지, 또는 특정 경향이나 이상치가 있는지를 나타낸다.

Table 4. Basic Statistical Analysis Results of experimental value

2. T-검정

보조 차폐 기구의 차폐 효과에 대한 통계적 유의성을 알아보기 위해 독립표본 t 검정을 시행하였다. 그 결과, t=-2.698, p=0.005로 유의확률(p)이 0.05 이하로 통계적으로 유의미하게 나타났다. 따라서 보조 차폐 기구 사용은 효과적인 방사선 차폐의 방법이라고 할 수 있다.

3. 다변량 회귀분석

R값은 640으로 전체 변동성의 약 64 %를 설명했으며, 조정된 R 제곱 값은. 410으로 데이터의 약 41%를 설명한다.

이 모델은 F-통계량 12.047과 p-값<0.001로 통계적으로 유의하다. Table 5에 나타난 결과를 볼 때 'Shield_recode' 변수의 회귀 계수는 920.418(p =0.002)로, 방사선 차폐율에 유의미한 영향을 미치며, ‘Y축 변수’는 회귀 계수 -12.417(p <0.001)로 방사선 차폐에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

Table 5. Multivariate regression analysis result values.

a: Dependent Variable: Radiation, b: Standardized coefficients

반면 ‘X축 변수’는 -3.236의 회귀 계수(p =0.178)로 방사선 차폐에 유의미한 영향을 미치지 않았다. 이는 보조 차폐 기구의 존재와 Y 위치가 방사선 차폐율에 매우 큰 영향을 미침을 나타내며, 특히 Y축의 위치가 방사선 차폐율 감소에 결정적인 역할을 하는 것으로 사료된다.

4. 지점별 차폐율 비교 히트맵 및 등고선

각 지점에서의 차폐율을 감쇠 공식에 따라 계산한 결과를 히트맵과 등고선 형식을 통해 나타내면 아래 Fig. 10, Fig. 11과 같다.

Fig. 10. Visualization data demonstrating difference of shielding rate percentage.

Fig. 11. Contour plot demonstrating difference of shielding rate.

시술자가 가장 많이 위치하는 Main operating zone의 좌, 우 30 cm 지점에 가장 차폐 효과가 높았다. 반대로 보조 차폐 기구에서 멀리 떨어진 60 cm, 90 cm 지점의 차폐율은 저하되는 것으로 나타났다.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구의 실험 결과는 특정 위치에서 새로 개발된 보조 차폐 기구가 방사선 노출을 감소시키는 데 유의미한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 특히 시술이 주로 진행되는 Main Operating Zone에서는 X축 기준 R-1, L-1 부분에서, Operating Zone에서는 C-arm에서 가장 멀리 떨어진 지점인 R-3, L-3를 제외한 모든 지점에서 유의미한 차폐 효과가 있음을 알 수 있다. 이는 시술자의 가장 효과적인 생식선 차폐를 위한 시술 위치를 나타내어 준다.

인터벤션 시술 시 차폐체의 적절한 사용은 의료진의 방사선 노출을 줄이는 데 중요한 역할을 한다. 특히 생식선과 같은 민감한 부위의 보호는 장기적인 건강 관리 측면에서 중요하다. ICRP(International Commission on Radiological Protection)의 권고에 따르면, 의료 종사자의 연간 유효선량 한도는 20 mSv로 제한되어 있으며, 이는 평균적인 배경 방사선에 노출되는 일반인의 연간 한도의 약 10배에 해당한다. 본 연구는 이러한 기준을 고려하여, 특히 생식선 부위의 방사선 노출을 최소화하는 차폐 전략의 중요성을 강조한다.

다만 이번 연구는 실제 임상 환경에서의 실험이 아니라는 한계가 있다. 임상 시에는 일차적으로 Lead apron을 착용하는데, 보조 차폐 기구가 있고 없을 때 시술자의 Lead apron 뒤에서는 측정이 이루어지지는 못했다. 보조 차폐 기구가 분명 특정 위치와 전체적인 공간 선량률의 저감효과를 불러 오지만, 이러한 수치가 Lead apron 착용 시에도 생식선 보호에 영향을 미칠 수 있는 차폐 효과를 불러일으킬 수치인지는 확인하지 못했기에 추후 연구가 필요한 부분으로 사료되어진다.

실험에서 관찰된 위치 의존성은 보조 차폐 기구 설계와 배치 전략에 관한 추가적인 연구가 필요함을 알 수 있다. 이는 의료진의 방사선 노출을 더욱 효과적으로 감소시키는 방법을 제시할 수 있으며, 특히 X축 기준 0 cm와 30 cm 부근에서의 시술 상황을 고려한 차폐 전략이 필요하다. 이는 실제 의료진이 시술을 많이 진행하는 위치이고 생식선 부위에 직접적으로 영향을 미치는 위치이기 때문이다. 또한 앞으로 추가적인 연구가 필요하겠지만 측정 당시에 발견으로써는 특정한 곳에서 차폐율 저하 현상이 나타나기도 하였다.

이러한 특정한 값과 효과들은 X축 변수 기준 우측에서(R-2, 60 cm) 부근에서 나타났는데, 이는 Fig. 12과 같은 테이블 자체의 Clamp나 Lamp가 위치한 곳에서 Accessory 구조들에 의한 추가 산란선의 영향으로 추측된다.

Fig. 12. Table accessory rail clamps used in this study

또 방사선 차폐 전략의 다양성을 고려할 때, 폴리머 복합 재료와 같은 다른 재료의 사용 가능성에 관한 연구도 중요함을 알 수 있다^[13]. 폴리머 복합 재료는 납과 같은 전통적인 차폐 재료의 무게와 유연성 문제를 해결할 수 있는 잠재적 대안으로, 이는 방사선 노출 감소와 의료 직원의 편의성 향상에 이바지할 수 있다. 따라서, 차폐 재료의 선택과 실험방법에 있어 특성과 그 효과를 추가로 고려하는 것이 향후 연구의 방향성에 큰 영향을 미칠 수 있음을 지적한다.

지금까지 시술 중에 발생하는 Scattered radiation 차폐를 위해 더 나은 물질을 개발하고 더 나은 여러 가지 노력이 있었다. 기존 연구에서도 Elbow support를 이용하여 차폐하고자 노력을 해왔음을 알 수 있었다^[14].

기존에는 Elbow support에 차폐체를 감싸서 환자에게서 발생하는 산란선을 차폐하고자 하였다. 하지만 차폐 영역이 팔꿈치 지지대 크기로 제한되어 있었다.

이에 본 연구는 팔꿈치 지지대 2개를 연결하여 50cmX60cm 크기의 차폐체를 커튼처럼 부착하여 중력의 방향으로 늘어뜨렸다. 그 결과, 위 연구에서 차폐할 수 없었던 시술자의 생식선 위치를 차폐할 수 있었고 더욱 커진 차폐체로 인해 시술실 전체 영역의 공간선량률을 감소시킬 수 있었다.

이번 연구를 통해 누구든 시술 시 환자의 팔을 지지하게 위해 사용하는 가볍고 편리한 Elbow support에 차폐 재료를 덧붙임으로써 어렵지 않게 자신을 보호할 수 있는 효과적인 새로운 보조 차폐 기구를 제작할 수 있음을 알 수 있었다. 이 보조 차폐 기구의 장점은 설치가 쉽고 시술 시에 언제든지 부착과 제거를 할 수 있었다. 기존의 보조 차폐 기구보다 크기가 작기에 시술자의 동선 및 팔의 움직임을 제한하지 않았으며, 시술 멸균 포 밑에 위치할 수 있어서 시술 중 오염의 위험이 적었다. 또한, 시술자의 생식샘 위치에 정확하게 위치시킬 수 있어 효과적인 방사선 차폐를 수행할 수 있다. 하지만 Elbow support에 부착할 수 있는 차폐체의 크기가 제한적이라 광범위한 부위의 차폐에는 한계점이 있었다. 향후 추가적인 연구를 통해 다양한 기구 및 재료를 이용한 차폐 시스템 연구도 진행해 보면 좋을 것으로 생각된다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구를 통해 고가의 차폐 기구를 추가로 구매하지 않고도 기존에 환자의 팔 지지를 위해 사용하는 Elbow support와 차폐 원단(bismuth)의 리폼(reform)만으로 시술자의 생식선을 효과적으로 차폐하고 시술실 모든 지점에서의 공간선량 비율을 저감시켰다. 기존의 차폐와 비교 시 시술자의 동선 및 팔의 움직임에 제한을 주지 않아 효율적인 시술을 수행할 수 있었다. 환자의 팔을 효과적으로 지지하고 설치와 제거가 용이하였으며 시술 시 오염에도 영향을 주지 않았다. 새로운 차폐 방법을 제안함으로써 의료 분야의 방사선 안전 관리에 중요한 이바지를 할 것으로 기대된다. 실제 시술 환경에서 의료진의 피폭을 줄이는 데 간편하고 효율적인 측면에서도 만족도가 높을 것으로 기대된다. 새로 개발한 보조 차폐 기구는 환자의 팔을 지지하는 Elbow support 역할을 충실히 수행하는 동시에 효과적인 차폐체의 역할도 할 수 있음을 알 수 있었다.