KR102254055B1 - 방사선 선량저감화를 위한 나노 텅스텐 차폐체 및 이의 제조방법 - Google Patents

방사선 선량저감화를 위한 나노 텅스텐 차폐체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 밀링볼(milling ball)로 건식 밀링 처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하는 단계; (b) 고분자 용융 혼합기를 이용하여 상기 파우더를 고분자 기재와 용융 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)의 혼합물을 압축 성형하는 단계를 포함하는, 보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체의 제조방법; 상기 제조방법으로 제조된 나노 차폐체에 관한 것이다.

Description

방사선 선량저감화를 위한 나노 텅스텐 차폐체 및 이의 제조방법 {Nano tungsten shield for reducing radiation dose and method for manufacturing the same}
본 발명은 (a) 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 밀링볼(milling ball)로 건식 밀링 처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하는 단계; (b) 고분자 용융 혼합기를 이용하여 상기 파우더를 고분자 기재와 용융 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)의 혼합물을 압축 성형하는 단계를 포함하는, 보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체의 제조방법; 상기 제조방법으로 제조된 나노 차폐체에 관한 것이다.
1895년 W.C Roentgen(뢴트겐)에 의해 X선이 발견된 이후, 방사선은 의료 기술과 인류의 보건 복지에 많은 기여를 해왔으며, 필름이나 검출기를 통해 인체 내 정보를 영상화할 수 있어 질병 진단에 가장 강력한 도구로써 사용되고 있다. 2000년대부터는 PACS(Picture Achieving and Communication System)의 도입으로 F/S(Film/Screen) 시스템을 사용하던 시대가 급속도로 막을 내리며 CR(Computed Radiography)과 DR(Digital Radiography)등 디지털 방사선장비가 널리 사용되고 있다. 이러한 변화로 인해 동일한 시간에 많은 환자들을 검사할 수 있게 되었고 영상의 질적 향상과 더불어 환자 피폭선량 감소 효과를 기대하였으나, Dose Creep 현상으로 피폭선량이 증가되는 현상이 발생하고 있다. 환자의 피폭선량은 검사부위와 의료기관 및 국가마다 차이가 있는데, UN방사선영향과학위원회 2000 보고서에 따르면 유럽연합(EC)이나 OECD 국가의 경우 동일한 영상의학 검사를 받았다 하더라도 의료기관에 따라 환자의 피폭선량이 10 ∼ 100배의 큰 차이를 나타내고 있으며, 이러한 과다 피폭선량은 탈모나 암 발생 등 여러 가지 부작용을 가져올 수 있다.
진단적 검사를 위해 받게 되는 저선량 의료피폭은 암 발생이 유발되는지에 대해서 논란이 있지만 문턱 선량이 없어, 암 발생의 위험을 증가시킬 수 있다는 전제하에 의료피폭을 최소화하려는 노력이 필요하다. 특히 성인과는 달리 소아는 신체 내 세포들이 활발하게 분열을 하고 있기 때문에 방사선 감수성이 높고, 남은 생애 동안 방사선 노출의 영향을 오래 받을 수 있으므로, 불필요한 피폭을 줄이는 것이 매우 중요하다. 특히 소아의 민감한 장기인 갑상선, 골수 및 생식선은 X선 검사 시 차폐를 꼭 시행해야 하는데, 소아 복부(Abdomen) 및 골반(Pelvis) 일반촬영 X선 검사 시 생식선 차폐체의 중요성은 매우 높다.
하지만 기존의 의료기관에서 쓰이고 있는 소아 생식선 차폐체는 납(Pb)으로 만들어져 있고 육안으로만 확인하여 차폐함으로써 진단에 필요한 부위를 가리게 되며, 차폐가 반드시 필요한 생식선 부위는 차폐를 못하는 경우가 발생하여 불필요한 재촬영으로 이어지고 있는 실정이다. 또한, 소아 생식선 차폐체로 쓰이고 있는 납은 높은 온도(300°C)에서 액체 상태로 유독가스를 발생시키고, 납으로 인해 오염된 토양에서 자라난 식물이나 동물 그리고 빗물로 오염된 지하수는 섭취하는 과정에서 납이 인체에 축척되어 납 중독(Lead poisoning)으로 인하여 치명적인 질병을 일으킬 수 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 친환경 X선 차폐체의 개발이 시급한 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0143052호 한국 공개특허공보 제10-2006-0128987호
본 발명은 (a) 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 밀링볼(milling ball)로 건식 밀링 처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하는 단계; (b) 고분자 용융 혼합기를 이용하여 상기 파우더를 고분자 기재와 용융 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)의 혼합물을 압축 성형하는 단계를 포함하는, 보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 방사선 나노 차폐체의 제조방법으로 제조된, 방사선 나노 차폐체를 제공하고자 한다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, (a) 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 밀링볼(milling ball)로 건식 밀링 처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하는 단계; (b) 고분자 용융 혼합기를 이용하여 상기 파우더를 고분자 기재와 용융 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)의 혼합물을 압축 성형하는 단계를 포함하는, 보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체의 제조방법에 의해 달성될 수 있다.
구체적으로, 상기 상기 고분자 기재는 LDPE, HDPE, PVA, PET, EPM, 폴리 우레탄, 실리콘 레진 및 에폭시 레진으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자 기재인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 (c) 단계 이후 방사선 나노 차폐체에 0.5 내지 1.5cm 두께의 스폰지를 부착하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 보론 및 텅스텐을 포함하는 방사선 나노 차폐쳬의 구성 입자는 50 내지 100nm의 크기를 갖는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 (a) 단계는 황산바륨(BaSO4), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 백금(Pt), 아연(Zn), 탈륨(TI), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru) 및 몰리브덴(Mo) 분말을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노 텅스텐 차폐체는 친환경 차폐물질로 구성되어, 소아 복부 및 골반 X선 검사 시 감수성이 민감한 소아의 복부 내 장기들과 생식선을 보호할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 시트의 전체 생산 공정을 보여주는 개략도이다.
도 2는 SRS-78 X-ray 스펙트럼 시뮬레이터에 관한 것이다.
도 3은 아크릴 팬텀과 나노 텅스텐 차폐층에 대한 사진이다.
도 4는 Image J를 사용한 이미지 품질 분석에 관한 것이다.
도 5는 ROI를 지정한 Sample 영상에 관한 것이다.
도 6은 (a) 나노 크기 및 (b) 마이크로 크기에 대한 투과 전자 현미경 이미지이다.
도 7은 에너지 스펙트럼 분석 그래프에 관한 것이다.
도 8은 소아 골반 검사시 나노 텅스텐 차폐층 사용 여부에 따른 선량 그래프이다.
도 9는 소아 골반 검사에서 나노 텅스텐 차폐층 사용 여부에 따른 장기 유효 선량 그래프이다.
도 10은 소아 복부 검사시 나노 텅스텐 차폐층 사용 여부에 따른 선량 그래프이다.
도 11은 소아 복부 검사에서 나노 텅스텐 차폐층 사용 여부에 따른 장기 유효 선량 그래프이다.
도 12는 소아 골반 및 복부 검사에서 나노 텅스텐 차폐층 사용에 따른 SNR 그래프이다.
도 13은 소아 골반 및 복부 검사에서 나노 텅스텐 차폐층 사용에 따른 PSNR 그래프이다.
도 14는 소아 골반 및 복부 검사에서 나노 텅스텐 차폐층 사용에 따른 RMSE 그래프이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 ‘포함한다’, ‘갖는다’, ‘이루어진다’ 등이 사용되는 경우 ‘~만’이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, ‘~상에’, ‘~상부에’, ‘~하부에’, ‘~옆에’ 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, ‘바로’ 또는 ‘직접’이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본원의 일 측면은, (a) 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 밀링볼(milling ball)로 건식 밀링 처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하는 단계; (b) 고분자 용융 혼합기를 이용하여 상기 파우더를 고분자 기재와 용융 혼합하는 단계; (c) 상기 (b)의 혼합물을 압축 성형하는 단계를 포함하는, 보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체의 제조방법을 제공한다.
본원의 다른 일 측면은, 상기 제조방법으로 제조된 보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체를 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 방사선 나노 차폐체 제조방법에서 상기 (a) 단계는 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 100nm 이하, 또는 50 내지 100nm 이하의 입자 크기, 직경을 갖는 나노 입자로 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
본원에서 나노 입자란 10-9 m인 나노미터 단위에 근접한 원자 정도의 작은 크기 단위의 물질을 말한다. 이렇게 매우 작기 때문에 높은 표면적을 갖고 입자 크기가 작아짐에 따라 표면에 위치하는 원자의 비율도 증가하여 내부에 위치한 원자들보다 높은 에너지를 갖는 특성을 보인다.
구체적으로, 본 발명의 방사선 나노 차폐체 제조방법에서 상기 (b) 단계는 170 내지 190℃의 온도 및/또는 30 내지 35 rpm의 회전 속도로 이루어지는 것일 수 있다. 상기 온도 및 회전 속도를 벗어날 경우 적절한 분산성과 입자, 기공 크기를 갖기 어려울 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 고분자 기재는 LDPE, HDPE, PVA, PET, EPM, 폴리 우레탄, 실리콘 레진 및 에폭시 레진으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자 기재인 것일 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 방사선 나노 차폐체 제조방법에서 상기 (c) 단계는 180 내지 200℃의 온도, 4 내지 6분, 및/또는 5 내지 7MPa의 압력 조건으로 이루어지는 것일 수 있다. 상기 온도 및 압력 조건을 벗어날 경우 적절한 분산성과 입자, 기공 크기를 갖기 어려울 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 방사선 나노 차폐체 제조방법으로 제조된 나노 차폐체는 0.05 내지 0.2, 0.09 내지 0.11, 또는 0.1mm의 나노 보론 및 나노 텅스텐 혼합층으로 구성된 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 방사선 나노 차폐체 제조방법으로 제조된 나노 차폐체는 입자의 기공이 1 내지 5 nm의 크기를 갖는 것일 수 있다. 나노 차폐체를 구성하는 나노 입자의 적절한 기공 크기를 통해, 방사선 나노 차폐체의 안전성과 차폐능을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (c) 단계 이후 방사선 나노 차폐체에 0.5 내지 1.5cm, 또는 0.9 내지 1.1cm 두께의 스폰지를 부착하는 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 보론 및 텅스텐을 포함하는 방사선 나노 차폐쳬의 구성 입자는 30 내지 100nm, 50 내지 100nm, 또는 50 내지 80nm의 크기를 갖는 것일 수 있다. 이러한 입자 크기는 나노 사이즈의 매우 작은 크기로서, 마이크로 크기 이상의 입자로 구성된 차폐체보다 방사선의 평균 자유 경로를 단축시켜 차폐효과의 효율이 우수하며, 기존의 차폐체보다 경량화가 가능하고, 차폐물질 내의 공극률을 최소화함으로써 차폐 능력 저하 방지, 예방할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 (a) 단계는 황산바륨(BaSO4), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 백금(Pt), 아연(Zn), 탈륨(TI), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru) 및/또는 몰리브덴(Mo) 분말을 추가하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. 보론(B) 및 텅스텐(W) 이외에 추가적인 금속 분말을 혼합함으로써, 차폐효과의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명 및 본 실시예에서 사용되는 금속분말의 크기는 평균입도가 50 내지 60㎛ 범위를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1: 연구 재료
1-1. 투과 전자 현미경
입자 크기를 영상으로 확인하기 위하여 고분해능 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, Model; JEM-2100F, Rigaku JEOL, Japan)을 이용하였다. 투과 전자 현미경은 전자빔을 투과시켜 시료 내부의 미세 구조와 결정구조, 원자들의 배열등을 분석할 수 있으며, 동시에 화학분석도 가능한 전자현미경이다. 전자빔을 사용하여 시료를 투과시킨 전자빔을 전자렌즈로 확대하여 관찰할 수 있는데 배율의 범위가 100 ~ 1,000,000배 정도의 고배율 관찰이 가능하다.
1-2. X-선 회절 분석기
나노 텅스텐 결정 크기를 확인하기 위하여 X선 회절 분석기(X-ray Diffractometer, Rigaku, Japan)를 이용하여 측정하였다. X선 회절(X-ray Diffraction, XRD)은 물질의 입자 크기 및 미세구조를 밝히는데 매우 유용한 수단으로 알려져 있어 화학, 생물학, 물리학, 재료공학, 광물학 등에서 널리 활용되어지고 있다.
1-3. 디지털 X-선 발생 장치
본 발명에서 사용된 X선 발생 장치는 간접방식(Indirect Radiography)의 디지털 영상 진단 장치(Digital Radiography)인 Philips Diagnost VR(IR-1100-150)를 사용하였고 소아 환자를 Acryl phantom으로 대체하였다. 실험의 정확한 측정값을 얻기 위해 최종실험 전 진단용 방사선 발생장치의 선질관리(QC)를 시행하여 얻은 결과는 다음과 같다.
관전압의 백분율평균오차(PAE: Percent Average Error)는 1.31 %로 나와 ±10 ％미만으로 설정치에 적합하게 나타났다. 조사선량에 대한 재현성 평가에서 변동계수(Coefficient of variation; CV)는 기준치인 0.05 이하인 0.0008로 측정되었고, X선관 초점의 크기는 focal spot test tool bar의 형태가 대초점, 소초점 모두 13그룹으로 적합하게 나타났으며, 반가층 시험에서는 최소 반가층 두께인 2.3 ㎜Al보다 높은 3.78 ㎜Al의 반가층이 측정되어 적합하게 나타났다.
항 목 기준값 결과값
관전압 백분율평균오차 ±10 % 1.31 %
조사선량 재현성 평가 CV : 0.05 이하 0.0008
Focal spot test 대초점:11, 소초점:13 그룹 대초점:13, 소초점:13
반가층 80kV일때 2.3mm이상 3.78 mmAl
(진단용 방사선 발생 장치의 선질 관리 시험 결과)
와 같이 진단용 방사선 발생 장치의 영상 선질 관리(QC) 시험 결과, 모든 조건에서 오차 범위 이내로 본 발명의 실험 결과에 대한 객관성과 타당성을 확인하여 연구가 이루어졌다.
1-4. 선량 측정 장비 및 사용프로그램
본 발명에서 사용된 선량 측정 장비로는 VICTOREEN NERO mAx 8000와 PCXMC Program을 사용하였다. 그리고 X선의 선질 변화를 알아보기 위해 SRS-78 프로그램을 사용하였다. 영상평가에서 Image J(v.1.52v) 프로그램을 사용하였고, 통계학적 수치의 분석은 Statistical Package for Social Science 18.0(SPSS Inc, Chicago, IL, U.S.A.) 프로그램을 사용하였다.
실험예 2: 실험 방법
2-1. 나노 입자 크기의 텅스텐 차폐체 제작
소아의 복부 및 골반 X선 검사 시 골반강 내의 생식선등 감수성이 높은 장기를 보호하기 위한 목적으로 보론(B)이 함유된 나노 크기의 텅스텐(W) 입자로 이루어진 차폐체 시트를 제작하였다.
차폐시트의 제작은 먼저 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 나노 크기의 입자로 만들기 위해 밀링볼(milling ball)과 함께 건식 밀링처리하여 보론(B)과 텅스텐(W)을 나노 입자 크기의 파우더로 제조하고 이를 고분자 용융 혼합기(high polymer hot mixing machine)를 이용하여 고분자 기재와 용융 혼합한 후 압축 성형하는 과정을 통하여 시트 형태로 제작하였다. 차폐에 따른 아티펙트를 고려하여 1 cm 두께의 스폰지 재질을 부착하였다 (도 1)(실시예 1).
추가적으로, 나노 차폐체의 성능 향상 여부를 확인하기 위해, 황산바륨(BaSO4), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 백금(Pt), 아연(Zn), 탈륨(TI), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru), 및 몰리브덴(Mo) 분말을 추가하여 상기와 동일한 방법으로 시트를 제조하였다(실시예 2).
2-2. 입자 크기 분석
나노 입자 크기 텅스텐 분말의 결정을 확인하기 위하여 X-선 회절분석기(X-Ray Diffractometer, Model : D/MAX-2500 POWDER, D/MAX-2500/PC THIN, Rigaku, Japan)를 이용하여 측정하였다. 입자의 크기를 영상으로 확인하기 위하여 한양대학교 산학협력단공동기기원에 있는 투과 전자 현미경(Transmission Electron Microscope, Model : JEM-2100F, Rigaku JEOL, Japan)을 이용하였다.
2-3. SRS-78을 이용한 에너지 스펙트럼 분석
대부분의 의료기관에서는 진단용 방사선 발생 장치로 X선을 이용하여 얻어진 영상을 통해 좀 더 정확한 진단을 할 수 있게 되었다. X선 검사가 많은 일반촬영 X선 검사에서는 그 종류에 따라 발생하는 피폭선량이 다르게 나타난다. 일반 X선 검사의 종류마다 환자와 선원인 X선 튜브의 거리가 다르고, 관전압 및 관전류등 X선 조건이 달라지기 때문이다. 그리고 검사 종류에 따라 부가필터 사용 유·무에 따라서 달라지는데 이는 X선의 선질 변화로 인하여 피폭선량을 결정하는데 중요한 요소 중 하나이다.
본 발명에서는 소아 복부 및 골반 X선 검사 시 Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따라 X선 선질의 변화를 알아보고자 SRS-78 프로그램을 사용하여 X선 에너지 스펙트럼을 구하였다. 선질 분석 전 초기 설정은 Target Material은 Tungsten(W)으로 설정하였고, Tube Voltage은 66 kVp로 설정하였다. Anode angle은 13°이고 Voltage ripple은 0 %, Attenuation materials에서는 None일 때 고유여과인 Aluminium 2.5 mm로 설정하였고 Nano Tungsten 사용 시 교유여과 Aluminium 2.5 mm + Tungsten 0.1 mm를 추가하여 설정하였다(표 2) (도 2)
Parameter None Nano Tungsten
Target Anode angle (°) 13 13
Filter Thickness (mm) × 0.1
Intrinsic filtration (mmAl) 2.5 2.5
2-4. 선량평가
소아 복부 및 골반 검사 부위를 Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따라 선량값의 오차가 있는지 확인하기 위해 각 10회씩 반복 검사하여 실험하였다(도 3). 노출 조건은 식약처에서 발간한 “소아 일반 영상의학검사의 표준촬영 가이드 라인”에서 발표된 131개 의료기관에서 쓰이는 평균노출 조건인 66 kVp에 12.5 mAs로 조사하였다. SID는 110 cm, 조사야는 30 cm × 25 cm으로 하였다. 선량 측정 장비인 VICTOREEN NERO mAx 8000으로 ESD 값을 구하였다. 획득된 ESD 값을 PCXMC Program에서 ICRP 103의 조직가중계수를 적용하여 복부 및 골반 검사 부위를 Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따라 주요 장기 유효선량(Organ Effective dose)과 총 유효선량의 결과 값을 비교 분석하였다. 자료처리 및 분석은 Statistical Package for Social Science 18.0(SPSS Inc, Chicago, IL, U.S.A.)프로그램을 사용하였으며, 실험 결과를 기술통계치인 평균과 표준편차(Mean±SD)로 표시하였다. Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따른 차이값은 독립 T검정으로 분석하였다. 모든 자료의 통계학적 유의성은 (p<0.05)의 범위로 하였다.
2-5. 화질 평가
소아 복부 및 골반 검사 부위를 Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따라 Sample 영상을 획득한 후 DICOM image processing software인 Image J를 이용하였다. 각 영상에 ROI를 설정한 다음 화질의 차이를 정량적으로 분석 가능한 SNR, PSNR, RMSE등을 구하여 결과값을 비교하였다(도 4, 5).
실시예 3: 실험 결과
3-1. 입자 크기 분석
실시예 1 및 2의 Nano Tungsten 차폐 시트의 구조 및 입자 크기를 확인하기 위해 고분해능 투과 전자 현미경을 이용하여 확인하였다. 나노 크기의 텅스텐 입자의 결정을 영상으로 확인한 결과 텅스텐의 입자 크기는 밀링 전 1 μm 이상으로 이루어진 입자와 밀링 후 30 내지 100 nm 미만으로 이루어진 입자들로 구성되어진 것으로 나타났다. 그리고 밀링 후 나노 크기로 이루어진 입자의 경우 상대적으로 분산성이 높고 입자의 기공이 1 내지 5 nm 정도로 작게 나타남을 알 수 있다(도 6).
3-2. 에너지 스펙트럼 분석
SRS-78 프로그램을 이용하여 실시예 1의 Nano Tungsten 차폐 시트 사용 유·무에 따른 에너지 스펙트럼의 Simulation한 결과 아래와 같이 나타났다. 먼저 Photon Energy는 None 일 때 38.1 keV, Nano Tungsten 사용 시 48.8 keV로 나타났다. Air Kerma 값은 None 일 때 100.5 μGy/mAs로 나타났고, Nano Tungsten 사용 시 Air Kerma 값은 9.793 μGy/mAs로 나타났다. 1stHVL은 None 일 때 2.547 mmAl, Nona Tungsten 사용 시 5.822 mmAl으로 나타났다(표 3) (도 7).
Parameter None Nano Tungsten
Mean Photon Energy (keV) 38.1 48.8
Air Kerma(μGy/mAsat 750mm) 100.5 9.793
1stHVL (mmAl) 2.547 5.822
이는 Nano Tungsten 사용 시 평균 에너지가 올라감으로써 Air kerma 값이 떨어져 피폭선량이 낮아진 것을 알 수 있었다.
3-3. 선량평가 (소아 골반 X선)
첫 번째 소아 골반 X선 검사 시 실시예 1의 Nano Tungsten 차폐 시트 사용 유·무에 따라 선량차이를 분석해 본 결과 None일 때 EI값은 200, Nano Tungsten 차폐 시트 사용 시 800으로 나타났고 ESD 값은 None 일 때 0.609 ±0.001 mGy, Nano Tungsten 사용 시 0.243 ±0.001 mGy로 나타났다. 총 유효선량 값은 0.150 mSv, 0.107 mSv로 나타났다(표 4), (도 8). 이는 통계적으로 유의한 차이가 있었다.
Shield N kVp mAs EI ESD(mGy)
mean±SD		 p*
Effective
Dose
(mSv)
None 10 66 12.5 200 0.609±0.001 <0.001 0.150
Nano Tungsten 10
 800 0.243±0.001
 0.107
* By independent t-test, α<0.05
각 장기에 따라 받는 유효선량은 Urinary bladder, Stomach, Prostate, Colon, Liver, Weighted remainder 등의 순으로 높게 나타났다(표 5, 도 9).
Shield
 kVp
 mAs
 Organ Effective dose(mSv)
Colon
 Liver
 Stomach
 Urinary bladder Prostate
 Active bone marrow Weighted remainder
None 66 12.5 0.260 0.227 0.327 0.398 0.290 0.045 0.148
Nano Tungsten 0.211 0.167 0.231 0.271 0.253 0.041 0.095
이를 종합하면, 골반 검사 시 ESD와 총 유효선량은 사용 전 일 때 0.609 mGy, 0.150 mSy로 나타났고, 사용 후 0.243 mGy, 0.107 mSv 나타나 평균적으로 ESD는 사용 전·후로 60 % 감소가 있었고, 총 유효선량 값에서는 34 %의 피폭선량 감소가 있었다.
또한 장기에 따라 받는 유효선량의 경우, 사용 전·후 각 장기별 피폭선량이 평균적으로 32% 감소가 있었다.
3-4. 선량평가 (소아 복부 X선)
두 번째 소아 복부 X선 검사 시 실시예 1의 Nano Tungsten 차폐 시트 사용 유·무에 따라 선량 차이를 분석해 본 결과 None 일 때, EI값은 100, Nano Tungsten 차폐 시트 사용 시 250으로 나타났고, ESD 값은 None 일 때 0.583 ±0.002 mGy, Nano Tungsten 사용 시 0.238 ±0.002 mGy로 나타났으며, 총 유효선량 값은 None 일 때 0.250 mSv, Nano Tungsten 사용 시 0.179 mSv로 나타났다(표 6), (도 10). 이는 통계적으로 유의한 차이가 있었다.
Shield N kVp mAs EI ESD(mGy)
mean±SD		 p*
Effective
Dose
(mSv)
None 10 66 12.5 100 0.583±0.002 <0.001 0.250
Nano Tungsten 10
 250 0.238±0.002 0.179
* By independent t-test, α<0.05
각 장기에 따라 받는 유효선량은 Stomach, Urinary bladder, Liver, Colon, Prostate, Lungs, Weighted remainder 등의 순으로 높게 나타났다(표 7, 도 11).
Shield
 kVp
 mAs
 Organ Effective dose(mSv)
Colon
 Liver
 Stomach
 Lungs
 Urinary bladder
 Pros tate
 Active bone marrow Weighted remainder
None 66 12.5 0.252 0.298 0.375 0.169 0.337 0.182 0.063 0.169
Nano Tungsten 0.212 0.222 0.241 0.113 0.247 0.125 0.042 0.103
이를 종합하면, bdomen에서 검사 시 ESD와 총 유효선량은 사용 전 일 때 0.583 mGy, 0.250 mSv로 나타났고, 사용 후 0.238mGy, 0.179 mSv 나타나 평균적으로 ESD는 사용 전·후로 60 % 감소하였으며, 총 유효선량 값에서는 32 %으로 피폭선량이 감소하였다.
또한 각 장기에 따라 받는 유효선량은 평균적으로 사용 전·후 약 36 %의 피폭선량 감소가 이루어졌다.
3-5. 화질평가 - 신호 대 잡음 비(SNR)
Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따른 영상의 차이를 신호 대 잡음비로 원영상과 실험 영상을 비교하여 두 영상의 화질이 얼마나 비슷한가를 수치(dB)로 알아본 결과 소아 Pelvis X선 검사 시 21.50 dB로 나타났고, Abdomen에서는 17.70 dB로 나타났다(도 12).
3-6. 화질평가 - 최대 신호 대 잡음 비(PSNR)
Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따른 영상의 차이를 50 dB를 원영상으로 설정해 놓은 화질측정 단위로 평가한 결과 소아 Pelvis X선 검사 시 22.17 dB로 나타났고, Abdomen에서는 18.33 dB로 나타났다(도 13).
3-7. 화질평가 - 평균 제곱근 오차(RMSE)
Nano Tungsten 차폐체 사용 유·무에 따른 영상의 차이를 평균을 제곱근 오차로 평가한 결과 소아 Pelvis X선 검사 시 64.33 로 나타났고, Abdomen에서는 98.21 로 나타났다(도 14).
상기 실험예 3-5 내지 3-7의 결과를 종합해보면, 화질평가에서 PSNR 값이 30 dB 이상일 경우 사람의 눈으로 영상 화질에 있어 질적 차이를 구분할 수 없고 11 dB 이상이 되면 상당히 유사한 영상으로 볼 수 있으므로, 두 실험군 간에 영상의 질적차이가 거의 없다는 것을 알 수 있었다.
3-8. 금속 분말이 복합된 방사선 나노 차폐체의 성능 확인
상기 제조한 실시예 2의 Nano Tungsten 차폐체를 사용한 경우 소아 골반 X선 선량 평가에 있어서 각 장기가 받는 유효선량을 기준으로 실시예 1의 차폐체와 비교하였다. X선 선량 평가는 동일한 방법을 사용하였다.
그 결과, 표 8과 같이 실시예 2의 Nano Tungsten 차폐체의 사용 전·후 각 장기별 피폭선량이 35% 내지 38% 정도의 추가적인 감소가 있었으며, 금속 분말이 혼합되어 방사선 차폐 효율이 향상될 수 있음을 확인하였다.
Shield
 kVp
 mAs
 Organ Effective dose(mSv)
Colon
 Liver
 Stomach
 Urinary bladder Prostate
 Active bone marrow Weighted remainder
None 66 12.5 0.260 0.227 0.327 0.398 0.290 0.045 0.148
Nano Tungsten
(실시예2)		 0.195 0.146 0.211 0.223 0.213 0.038 0.087
상기 실시예의 결과를 종합하면, 본 발명의 차폐층은 나노 크기의 차폐물질로 구성되어 마이크로 크기 이상의 입자로 구성된 차폐체보다 방사선의 평균 자유 경로를 단축시켜 차폐효과의 효율이 우수할 뿐만 아니라, 기존의 차폐체보다 경량화되었고, 차폐물질 내 공극률을 최소화함으로써 차폐 능력 저하가 방지될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 다양한 금속 분말을 나노 파우더 제조 단계에서 혼합함으로써 차폐체의 효능을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (3)

  1. (a) 보론(B)과 텅스텐(W) 분말을 밀링볼(milling ball)로 건식 밀링 처리하여 나노 입자 크기의 파우더로 제조하는 단계;
    (b) 170 내지 190℃의 온도 및 30 내지 35 rpm의 회전 속도로 고분자 용융 혼합기를 이용하여 상기 파우더를 고분자 기재와 용융 혼합하는 단계;
    (c) 상기 (b)의 혼합물을 180 내지 200℃의 온도 및 5 내지 7MPa의 압력 조건으로 4 내지 6분 동안 압축 성형하는 단계를 포함하는,
    보론(B) 및 텅스텐(W)을 포함하는 방사선 나노 차폐체의 제조방법으로서,
    상기 (a) 단계의 보론 및 텅스텐을 포함하는 방사선 나노 차폐쳬의 구성 나노 입자는 50 내지 80nm의 크기를 갖는 나노 입자인 것이며,
    상기 (a) 단계는 황산바륨(BaSO4), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 백금(Pt), 아연(Zn), 탈륨(TI), 오스뮴(Os), 루테늄(Ru) 및 몰리브덴(Mo) 분말을 추가하는 것을 포함하며, 상기 분말은 평균입도가 50 내지 60㎛인 것이고,
    상기 방사선 나노 차폐체는 0.1mm의 나노 보론 및 나노 텅스텐 혼합층으로 구성된 것이고,
    상기 방사선 나노 차폐체를 구성하는 나노 입자는 1 내지 5 nm 크기의 기공을 갖는 것이고,
    상기 (c) 단계 이후 방사선 나노 차폐체에 0.9 내지 1.1cm 두께의 스폰지를 부착하는 단계를 추가로 포함하는, 방사선 나노 차폐체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고분자 기재는 LDPE, HDPE, PVA, PET, EPM, 폴리 우레탄, 실리콘 레진 및 에폭시 레진으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 고분자 기재인 것인, 방사선 나노 차폐체의 제조방법.
  3. 삭제
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