3D 프린팅 원료를 이용한 방사선 차폐기구의 설계방안에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: The use of radiation is increasing every year due to the improvement of the medical level of the people through development of industrial technology and medical advancement. These radiation exposures have potential hazards such as cancer induction. Accordingly, the use of appropriate radiation protection devices is necessary to optimize the radiation dose. However, Patients are exposed to secondary scattering radiation, which is generated outside the target site for study in the medical field and shielding devices are generally not used for radiation protection. Radiation workers show a significant difference in the use of shielding devices depending on the environment in which they perform their work. Occupational exposure dose for each individual has a wide distribution. Lead, which is used as a conventional radiation shielding device, is avoiding its use due to human toxicity such as heavy metal poisoning and environmental problems. Recently, 3D printing technology using additive manu- facturing has been widely used in medical and biotechnology fields because it can produce various kinds of small quantity and customized production. However, there is no research on the design and fabrication of radiation shielding devices that incorporate 3D printing technology. The purpose of this study is to analyze the radiological characteristics of raw materials according to the 3D printing output method and to evaluate the applicability of 3D printing shielding device by analyzing the dose of organs in the exposed environment. We also present 3D CAD modeling method for radiation shielding design. Through these studies, we will provide basic data for fabrication and design of radiation shielding device using 3D printing materials in the future.

Material and Methods: Monte carlo simulation was performed using MCNPX(Ver.2.5.0) code to evaluate the radiological characteristics of 3D printing materials and the applicability of shielding devices in each radiation field. First, we simulated based on the information of ICRU slab phantom, FDM and SLS printing materials to analyze the radiological characteristics of 3D printing materials. The particle fluences according to the type, energy and thickness of radiation were evaluated and the attenuation efficiency of the flux was calculated. Secondly, we have simulated various radiation exposure environments in the medical and industrial fields to evaluate the applicability of the previously proven 3D printing materials to field radiation shielding devices. Organ dose distribution of the human body was evaluated using the MIRD phantom and the dose reduction effect was calculated by using the shielding device using the 3D printing material. Thirdly, we propose 3D CAD modeling method based on human body standard survey and design method of shielding device using medical image for designing radiation shielding system of patients and workers using 3D printer.

Results: Monte carlo simulation was performed to analyze the radiological characteristics of 3D printing materials and to evaluate their applicability to radiation shielding device. First, As a result of analyzing the radiological characteristics of raw materials of FDM and SLS, the PLA / ABS composites and SLS materials in the range of photon beam energy (10 ～ 120 keV) used in the diagnostic field show a high attenuation effect in proportion to the effective atomic number and specific gravity, but tend to decrease gradually with increasing photon energy. On the other hand, in the case of plastic series among FDM materials, it is analyzed that attenuation efficiency is effective only at 40 keV or less with low effective atomic number and specific gravity. In the case of electron beam, the attenuation effect was more than 97% in all printing materials at 0.5 MeV energy, but the attenuation efficiency tended to decrease gradually due to the increase in surface fluence with increasing electron range. Also, neutron beams showed effective attenuation efficiency at neutron energies lower than 100 keV, but fast neutrons of 2 MeV or higher showed little attenuation effect due to increased fluence. Secondly, as a result of applicability to 3D printing shielding devices in each field, dose reduction effect of human organ was slightly different according to type and characteristics of various radiological examinations in patients in medical field. It was analyzed that the dose reduction effect was effective for the human organs such as eyes, thyroid, breast, and gonads. The dose reduction effect of 3D printing materials showed high dose reduction in proportion to the effective atomic number and density in the order of ABS+W, ABS+Bi, PLA+SS, PLA+Cu, PLA+Fe and PLA+Al. In the case of the radiation workers, the use of the shielding device using ABS+W showed a dose reduction effect on the hands and eyes of the interventional practitioner and the nuclear medicine practitioner as compared with the conventional lead. However, it is necessary to use the shielding devices with improved shielding efficiency due to the work characteristics accompanied by the high exposure dose. In addition, the use of 3D printing shielding device in non-destructive testing was evaluated to be effective for reduction of exposure dose of workers' eyes and gonads by secondary scattering ray generated from inspection source.

Conclusion: In this study, the database was constructed through the analysis of radiological characteristics of 3D printing materials and the evaluation of applicability in medical and industrial fields using 3D printing shielding device through monte carlo simulation. Based on this database, it can be used as basic data for the design and fabrication of radiation shielding device using 3D printing material. By developing 3D printing materials and improving the competitiveness of printing technology, it is possible to design and fabrication a human body customized shielding device desired by the customer.

국문 초록 (Abstract)

목적: 산업 기술의 발달과 의료의 선진화를 통한 국민의 의료수준 향상으로 매년 방사선의 이용은 증가하고 있는 추세이다. 이러한 방사선 피폭은 암 유발 등의 잠재적인 위험요소를 내재하고 있으므로 피폭선량의 최적화를 위해 적절한 방사선 방호기구의 사용이 필요하다. 그러나, 의료분야 내 방사선학적 검사 시 환자의 경우 검사 목적 부위 이외 발생되는 2차적인 산란선에 의한 피폭에 노출되고 있으며, 이를 방호하기 위한 차폐기구는 사용하지 않는 것이 일반적이다. 또한 방사선 관계 및 작업종사자는 업무를 수행하는 환경에 따라 차폐기구의 사용률은 큰 차이를 보이며 개개인에 따라 직업상 피폭선량은 광범위한 분포를 나타낸다. 기존의 방사선 차폐기구로서 사용되는 납은 중금속 중독 등의 인체 유해성과 환경적인 문제로 사용을 기피하고 있으며, 대체물질에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 최근 적층제조방식을 이용한 3D 프린팅 기술은 다품종 소량생산과 맞춤형 제작이 가능한 장점으로 의료·바이오 분야에서 많이 활용되고 있다. 하지만, 현재 국내·외 3D 프린팅 기술을 접목한 방사선 차폐기구에 대한 설계 및 제작 관련 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 3D 프린팅 출력방식에 따른 원료의 방사선학적 특성을 분석하고, 방사선 이용분야별 피폭환경 내 인체 장기의 선량분석을 통해 3D 프린팅 차폐기구의 적용 가능성을 평가하고자 하며, 방사선 차폐기구 설계를 위한 3D CAD 모델링 방법에 대해 제시하고자 한다. 이를 통해 향후 3D 프린팅 원료를 이용한 방사선 차폐기구 설계 및 제작 시스템 구축을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

재료 및 방법: 3D 프린팅 원료에 대한 방사선학적 특성 및 분야별 방사선 차폐기구로의 적용 가능성 평가를 수행하고자 MCNPX(Ver.2.5.0) code를 이용하여 모의실험을 수행하였다. 첫 번째로, 3D 프린팅 원료에 대한 방사선학적 특성을 분석하기 위해 ICRU slab 팬텀과 FDM, SLS 방식의 프린팅 원료에 대한 정보를 토대로 차폐체를 모사한 후 방사선의 종류, 에너지, 두께에 따른 입자 플루언스를 평가한 후 선속의 감쇠효율을 산정하였다. 두 번째로, 앞서 검증된 3D 프린팅 원료에 대해 분야별 방사선 차폐기구로의 적용 가능성을 평가하기 위해 의료 및 산업분야 내 다양한 방사선 피폭환경에 대해 모사하였다. MIRD 팬텀을 이용하여 인체 장기별 선량평가를 수행하였으며, 3D 프린팅 원료를 이용한 차폐기구 사용에 따른 선량감소효과를 산정하였다. 세 번째로, 3D 프린터를 이용한 환자 및 종사자의 방사선 차폐기구 설계를 위해 인체 표준인 조사에 따른 3D CAD 모델링 방법과 의료영상을 활용한 차폐기구 설계 방법에 대해 제시하고자 한다.

결과: 모의실험을 통해 3D 프린팅 원료에 대한 방사선학적 특성분석 및 방사선 차폐기구로의 적용 가능성 평가를 수행하였다. 첫 번째로, FDM, SLS 방식의 원료에 대한 방사선학적 특성을 분석한 결과, 진단 분야에서 사용되는 광자선 에너지(10 ∼ 120 keV) 범위 내 PLA·ABS 혼합원료와 SLS 원료는 실효원자번호와 비중에 비례하여 높은 감쇠효과를 보였으나, 광자 에너지 증가에 따라 점차 감소되는 경향을 나타내었다. 이에 반해 FDM 원료 중 플라스틱 계열의 경우, 낮은 실효원자번호 및 비중으로 40 keV 이하에서만 유효한 차폐효과를 나타낸 것으로 분석된다. 전자선의 경우, 0.5 MeV에서는 평가한 두께 내 모든 원료에서 97% 이상의 감쇠효과를 보였고, 전자 에너지 증가에 따른 비정의 증가로 표면부의 선속이 증가되어 감쇠효율이 점차 감소하는 현상을 나타내었다. 중성자선에 대해서는 100 keV 이하 낮은 중성자 에너지에서 유효한 감쇠효과를 보였으나, 2 MeV 이상 고속 중성자에서는 오히려 선속이 증가되어 감쇠효과가 거의 없는 것으로 분석되었다.
두 번째로, 분야별 3D 프린팅 차폐기구에 대한 적용 가능성 평가 결과, 의료분야 내 환자의 경우 다양한 방사선학적 검사의 종류 및 특성에 따라 인체장기별 선량감소효과는 다소 상이한 결과를 보였으나, 검사 부위 외 인체 결정장기인 눈, 갑상샘, 유방, 생식샘 등에 대해서 유효한 선량감소효과를 나타내었다. 3D 프린팅 원료별 차폐효과는 ABS+W, ABS+Bi, PLA+SS, PLA+Cu, PLA+Fe, PLA+Al의 순서로 실효원자번호와 밀도에 비례하여 높은 선량감소효과를 보였다. 또한 종사자의 경우, ABS+W을 이용한 차폐기구 적용 시 기존의 납과 대비하여 중재적 시술자 및 핵의학 종사자의 손과 눈에 대해 유효한 선량감소효과를 나타내었으나, 높은 피폭선량을 수반하는 업무 특성상 향상된 차폐효율을 갖춘 차폐기구의 활용이 필요할 것으로 분석된다. 또한 산업분야 내 비파괴 검사 시 3D 프린팅 차폐기구 사용은 검사 선원에서 발생되는 2차적인 산란선에 기인한 종사자의 눈과 생식샘의 피폭선량감소에 유효한 것으로 평가되었다.

결론: 본 연구에서는 모의실험을 통해 3D 프린팅 원료에 대한 방사선학적 특성 분석과 3D 프린팅 차폐기구를 이용한 의료, 산업분야 내 적용 가능성 평가를 통한 데이터베이스를 구축하였다. 이러한 데이터베이스를 기반으로 3D 프린팅 원료를 이용한 방사선 차폐기구 설계 및 제작을 위한 시스템 구축 시 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. 향후 지속적인 3D 프린팅 원료의 개발과 경쟁력 향상을 통해 3D 프린팅 기술을 이용한 수요자 중심의 인체 맞춤형 차폐기구의 설계 및 제작이 가능할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 4
• 1. 방사선과 물질과의 상호작용 4
• 2. 방사선 방호 이론 15
• 3. 3D Printing Technology 32
• 4. Monte Carlo Simulation 39
• Ⅲ. 기술현황 분석 42
• 1. 선량평가 및 방사선 차폐관련 연구 42
• 2. 3D 프린팅 기술 관련 연구 52
• Ⅳ. 재료 및 방법 58
• 1. 3D 프린팅 원료에 대한 방사선학적 특성 분석 58
• 가. 3D 프린터 출력방식에 따른 원료에 대한 검증 58
• 2. 방사선 이용분야별 3D 프린팅 차폐기구의 적용 가능성 평가 62
• 가. 의료분야 내 환자 및 종사자의 선량평가를 통한 차폐분석 65
• 나. 산업분야 내 종사자의 선량평가를 통한 차폐분석 85
• 다. 3D CAD modeling을 이용한 차폐기구 설계 87
• Ⅴ. 결 과 89
• 1. 3D 프린팅 원료에 대한 방사선학적 특성 분석 89
• 2. 분야별 3D 프린팅 차폐기구의 적용 가능성 평가 98
• 3. 3D CAD modeling을 통한 방사선 차폐기구 설계 151
• Ⅵ. 고 찰 156
• Ⅶ. 결 론 166
• 참고문헌 167
• Abstract 180

참고문헌 (Reference)

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74 성열훈, "3D 프린터로 제작된 CT 팬톰을 이용한 물리적 관심영역과 설정 관 심영역의 크기에 따른 하운스필드의 비교", 한국방사선기술연구회지, 38(4), 421-427, 2015

75 강상식, 허예지, 조창훈, 정봉재, 노시철, 김교태, "등 몬테카를로 시뮬레이션 을 통한 연속 엑스선 에너지에서 납(Pb)과 텅스텐(W)의 흡수 스펙트럼 비교 연구", 한국방사선학회, 6(6), 483-487, 2012

76 한채연, "골밀도 검사 시 산란선에 의한 유방의 피폭선량을 경감시키기 위하 여 제작한 차폐체(Breast shield)의 유용성 평가", 고려대학교 방사선학과 석사 학위논문, 2014

77 박규태, "국내 방사성물질 수송위험도 평가를 위한 지역별 건축물 방사선 차 폐계수 산출 및 몬테카를로 방법론에 의한 검증", 경희대학교 원자력공학과 석 사학위논문, 2012