Monte Carlo Simulation and 3D Printing for the Development of Customized Compensators to Reduce the Heel Effect

• 영문명: Monte Carlo Simulation 및 3D프린팅을 이용한 Heel effect 저감용 맞춤형 보상체
• 발행기관: 대한방사선과학회(구 대한방사선기술학회)
• 저자명: 임한나(Hanna Lim) 함민정(Minjeong Ham) 김운민(Unmin Kim) 김지우(Jiwoo Kim) 임재영(Jaeyoung Lim) 김태우(Taewoo Kim) 최낙균(Nakkyun Choi) 조윤영(Yunyoung Cho) 배우진(Woojin Bae) 이재윤(Jaeyun Lee) 박채연(Chaeyeon Park) 박기홍(Kihong Pak) 김성철(Sungchul Kim)
• 간행물 정보: 『방사선기술과학』제48권 제5호, 481~488쪽, 전체 8쪽
• 주제분류: 의약학 > 방사선과학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2025.10.30

국문 초록

진단용 X선 영상에서 Heel effect는 X선관의 경사형 타깃 구조로 인해 발생하는 선량의 불균일한 분포 현상으로, 영상 품질을 저하시키는 주요 요인 중 하나이다. 이러한 영향을 줄이기 위해 쐐기형보상체 등을 사용하였지만 X관에 따른 차이 때문에 제한적으로 사용되어 왔다. 본 연구는 Heel effect로 인한 영상 내 선량 불균형 문제를 해결하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(MCNPX 2.7.0)을 활용하여 X선장치 맞춤형보상체를 설계한 후 3D 프린팅 기술을 접목한 보상체를 개발하고, 그 유효성을 실험적으로 평가하였다. 실제 X선 장비를 이용하여 조사야 내 선량 분포를 측정하였으며, 동일한 조건으로 구성한 MCNPX 시뮬레이션과의 비교를 통해 전산모사 기반 설계의 정확성을 확인하였다. MCNPX 시뮬레이션을 통하여 기존 쐐기형보상체와 맞춤형보상체 두 가지 형태를 설계하였으며, 그 후 3D 프린팅으로 PLA 소재의 보상체를 제작하여 비교 실험을 수행하였다. 맞춤형보상체는 기존 쐐기형보상체보다 음극-양극 간 선량 균일성을 더욱 효과적으로 향상시키는 것으로 나타났으며, 인체 팬톰을 활용한 영상 화질 평가 지표인 SNR과 CNR 또한 모두 개선된 값을 나타내었다. 본 연구는 전산모사와 3D 프린팅 기술의 융합을 통해 임상에서 적용 가능한 맞춤형 보상체 설계 가능성을 제시하였으며, 향후 환자 맞춤형 영상 품질 향상 및 피폭 최소화에 기여할 수 있는 기반 자료로 활용될 수 있다.

영문 초록

In diagnostic X-ray imaging, the heel effect is a phenomenon of dose inhomogeneity caused by a sloped target structure within the X-ray tube, which can significantly degrade image quality. This study aimed to address the dose im- balance caused by the heel effect by designing customized compensators through Monte Carlo simulations (MCNPX 2.7.0) and fabricating them using 3D printing technology, followed by experimental validation. Dose distribution across the irradiation field was measured using an actual X-ray system and compared with Monte Carlo simulations under identical conditions to validate the simulation accuracy. Two types of compensators, a conventional wedge-type and customized trapezoidal compensator, were designed through MCNPX simulations and then fabricated using Polylactic Acid via 3D printing for comparative evaluation. The customized compensator demonstrated more effective dose uniformity between the cathode and anode sides than the wedge-type compensator. Furthermore, image quality indicators, such as Signal-to-Noise Ratio and Contrast-to-Noise, also improved. This study demonstrated the feasibility of designing clinically applicable customized compensators by integrating computational modeling and 3D printing, thereby offering foundational data for improving personalized image quality and minimizing radiation exposure.

목차

Ⅰ. Introduction

Ⅱ. Subjects and Methods

Ⅲ. Results

Ⅳ. Discussion

Ⅴ. Conclusions

REFERENCES

키워드

몬테카를로 시뮬레이션 3D 프린팅 양극경사효과 보상체 화질 Monte Carlo Simulation 3D Printing Heel Effect Compensator Image Quality