Material selection for a 3D-printed tissue-equivalent cost-effective phantom for radiotherapy quality assurance

방사선 치료는 고에너지 빔을 사용하여 주변의 건강한 조직은 보존하면서 종양을 파괴하는 강력한 암 치료 도구입니다. 이 빔은 눈에 보이지 않고 그 효과가 아주 미세한 에너지 단위로 측정되기 때문에, 의사들은 환자를 치료하기 전에 엄격한 점검에 의존합니다. 그들은 환자의 신체가 방사선을 어떻게 흡수할지를 시뮬레이션하기 위해 팬텀(phantom)이라 불리는 모델을 사용합니다. 전통적으로 이러한 모델은 일반적인 인체 모양을 가진 표준 플라스틱 블록으로 만들어집니다. 이 표준 블록들은 신뢰할 수 있지만, 개별 환자의 고유한 형태나 내부의 복잡한 조직 혼합을 포착할 수는 없습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 환자의 정확한 해부학적 구조와 일치하는 맞춤형 모델을 만들기 위해, 물체를 층층이 쌓아 올리는 기술인 3D 프린팅을 활용해 왔습니다. 그러나 큰 난관이 남아 있습니다. 3D 프린터에 사용되는 플라스틱은 방사선이 닿았을 때 자연적으로 인간의 살과 똑같이 행동하지 않는다는 점입니다. 만약 플라스가 실제 조직에 비해 에너지를 너무 많이 또는 너무 적게 흡수한다면, 안전 점검이 잘못될 수 있으며, 이는 잠재적으로 잘못된 치료 계획으로 이어질 수 있습니다.

연구팀은 이러한 맞춤형 3D 프린팅 모델을 위한 적절한 재료를 찾는 문제를 해결하기 위해 연구를 시작했습니다. 그들은 단순히 외형뿐만 아니라 두 가지 매우 다른 에너지 수준에서 방사선과 상호작용하는 방식까지 인간의 연부 조직을 모사할 수 있는 플라스틱을 식별해야 했습니다. 첫 번째 단계는 환자의 신체 지도를 만드는 표준 CT 스캔과 같은 의료 영상용 저에너지 단계입니다. 두 두 번째 단계는 신체 깊숙이 침투하여 실제로 암을 치료하는 데 사용되는 고에너지 단계입니다. 연구진은 스캔 시 올바르게 보이고 치료 중에 정확한 방사선량을 전달하면서도, 병원에서 정기적으로 사용할 수 있을 만큼 비용을 낮게 유지할 수 있는 모델을 출력할 수 있는지 알고 싶었습니다.

답을 찾기 위해 연구팀은 3D 프린팅에 흔히 사용되는 약 30가지 유형의 재료를 나타내는 60개 이상의 작은 플라스틱 큐브를 제작했습니다. 그들은 두 종류의 플라스틱 실을 녹여서 놓는 방식의 프린터와, 빛으로 액체 레진을 경화시키는 방식의 프린터, 총 세 가지의 서로 다른 프린팅 기계를 사용했습니다. 연구진은 재료의 특성을 조절할 수 있는지 확인하기 위해 일부 큐브는 완전히 단단하게 출력하고, 다른 큐브들은 내부에 빈 공간을 포함하는 '인필 밀도(infill density)'를 달리하여 출력했습니다. 출력 후에는 모든 큐브를 임상용 CT 스캐너로 스캔하여 하운스필드 단위(Hounsfield Unit)로 기록된 값이 이미상에서 어떻게 나타나는지 측정했습니다. 또한 큐브의 질량을 결정하기 위해 무게를 달았으며, 방사선이 물질을 통과하는 데 중요한 요소인 전자 밀도를 계산했습니다. 마지막으로, 실제 암 치료에 사용되는 고에너지 빔 아래에서 재료가 어떻게 행동하는지 테스트하기 위해 더 큰 큐브 중앙의 구멍 안에 미세 센서를 배치하고 전달된 에너지를 측정했습니다.

결과에 따르면 몇몇 흔한 플라스틱들이 인간의 연부 조직을 매우 밀접하게 모사할 수 있음이 밝혀졌습니다. 100% 밀도로 출력했을 때, 이 재료들은 다양한 특성을 보여주었습니다. 어떤 플라스틱은 CT 스캔에서 지방처럼 매우 어둡게 나타났고, 어떤 것들은 밀도가 높은 장기처럼 밝게 나타났습니다. 이 단단한 큐브들의 질량 밀도는 물보다 약간 가벼운 수준부터 약 20% 더 무거운 수준까지 다양했습니다. 결정적으로, 연구진이 고에너지 치료 빔 아래에서 이 재료들을 테스트했을 때, 흡수된 방사선량은 컴퓨터 예측값과 거의 완벽하게 일치했습니다. 기계가 예측한 값과 센서가 측정한 값 사이의 차이는 매우 작았으며, 1.3%를 넘지 않았습니다. 이러한 높은 일치도는 이 출력된 재료들이 방사선 치료의 표준 참조물인 물과 거의 똑같이 행동한다는 것을 시사합니다.

연구는 또한 출력된 물체 내부의 빈 공간을 조절함으로써 재료를 더욱 미세하게 조정할 수 있다는 사실을 발견했습니다. 인필 밀도를 10%에서 90%까지 조절함으로써, 단일 플라스틱 유형의 특성을 광범위한 스펙트럼에 걸쳐 변화시킬 수 있었습니다. 예를 들어, 단단하게 출력했을 때 지방을 모사하기에는 너무 밀도가 높았던 플라스틱을 큰 간극을 두어 출력하면 공기가 가득 찬 폐의 낮은 밀도를 모사할 수 있었습니다. 이러한 유연성 덕분에 단일 재료를 출력 설정을 변경하는 것만으로 신체의 서로 다른 부위를 나타내는 데 사용할 수 있었습니다. 연구진은 특정 플라스키 유형과 인필 밀도의 조합이 간, 심장 또는 유방 조직과 같은 특정 인체 조직의 방사선학적 특성을 밀접하게 맞출 수 있다는 것을 발견했습니다.

이러한 결과가 유망하기는 하지만, 연구진은 몇 가지 한계점도 언급했습니다. 액체 레진을 사용하는 고성능 기계는 우수한 결과를 냈지만, 플라스틱 실을 사용하는 기계보다 훨씬 더 비쌌습니다. 또한, 액체 레진 샘플은 몇 달간 보관한 후 변형의 징후를 보였으나, 플라스틱 실 샘플은 안정적으로 유지되었습니다. 이번 연구는 연부 조직에만 집중되었으므로, 향에 대한 과제로 뼈를 모사할 수 있는 재료를 찾는 문제가 남아 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 연구는 비용 효율적인 환자 맞춤형 모델을 제작하는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 적절한 플라스틱을 선택하고 내부 구조를 조정함으로써, 병원은 저렴하면서도 정확한 팬텀을 생산할 수 있으며, 이를 통해 환자에게 전달되는 방사선량이 안전하고 정밀하도록 보장할 수 있습니다.