3D 프린팅 기술의 발전과 대중화에 따라 여러 산업분야에서 활용되고 있다. 특히 의료분야에서는 3D 프린팅 기술의 장점인 다품종 소량생산이 가능하다라는 점을 살려 맞춤형 의료기기 및 삽입 보형물을 제작할 수 있게 되었다. 의료 3D 프린팅 적용은 크게 시뮬레이터, 수술가이드, 삽입 보형물로 나눌 수 있다. 시뮬레이터는 특정 질환의 해부학 구조를 환자 영상을 기반으로 제작하여 환자 교육용, 수술 전 모이수술용, 혈류계 모사 실험용 등으로 활용되며, 수술가이드는 외과수술에 앞서 미리 맞춤형으로 제작된 수술가이드를 통하여 절개, 절단, 삽입, 표기 등을 가능하게 한다. 이는 수술정확도와 편의성을 높여주며 경부조직뿐만 아니라 연부조직에서도 사용이 되면서 폭넓게 사용되고 있다. 삽입 보형물의 경우에 3D 프린터가 인체 삽입이 가능한 재료인 Titanium이나 ...
3D 프린팅 기술의 발전과 대중화에 따라 여러 산업분야에서 활용되고 있다. 특히 의료분야에서는 3D 프린팅 기술의 장점인 다품종 소량생산이 가능하다라는 점을 살려 맞춤형 의료기기 및 삽입 보형물을 제작할 수 있게 되었다. 의료 3D 프린팅 적용은 크게 시뮬레이터, 수술가이드, 삽입 보형물로 나눌 수 있다. 시뮬레이터는 특정 질환의 해부학 구조를 환자 영상을 기반으로 제작하여 환자 교육용, 수술 전 모이수술용, 혈류계 모사 실험용 등으로 활용되며, 수술가이드는 외과수술에 앞서 미리 맞춤형으로 제작된 수술가이드를 통하여 절개, 절단, 삽입, 표기 등을 가능하게 한다. 이는 수술정확도와 편의성을 높여주며 경부조직뿐만 아니라 연부조직에서도 사용이 되면서 폭넓게 사용되고 있다. 삽입 보형물의 경우에 3D 프린터가 인체 삽입이 가능한 재료인 Titanium이나 PEEK 등과 같은 재료를 출력 가능해지면서 환자의 해부학적 구조를 반영한 맞춤형 삽입 보형물을 제작 할 수 있게 되었다. 3D프린팅 기술을 의료에 적용하기 위해서는 의료영상을 기반으로 영상 분할을 수행하게 되는데 이는 기본적으로 의료영상 및 해부학적 지식이 요구되며, 임상적 수요를 이해하면서 그 수요에 맞게 적절한 3D 프린팅 기술 및 재료를 선정할 수 있는 판단력이 있는 전문인력이 필요하다. 특허 만료 이후 대중화가 많이 일어났다고는 하나 아직 일반적으로 사용하기에는 충분히 쉽지 않고, 비용도 저렴하지 못한 것이 현실이다. 따라서, 3D 프린팅 기술의 의료적용을 위해서는 보다 효과적이고 합리적으로 적용 될 수 있는 workflow를 확립할 필요가 있다. 본 연구에서는 맞춤형 수술가이드에 초점을 맞추었으며, 수술가이드를 적용하기 위한 workflow를 설계 및 확립하고, 맞춤형 수술가이드를 제작하기 위하여 고려해야 할 factor들을 정의하고 이를 기반으로 네 가지 세부 연구들을 통해 의료영상 및 3D 데이터를 기반으로 임상적 수요를 반영한 맞춤형 수술가이드를 개발, 적용하여 그 효용성과 개선점을 평가하고자 하였다. 첫 번째 세부연구는 유방암 부분절제술을 위한 환자 맞춤형 수술가이드를 개발 및 적용되었다. 유방암 환자의 Magnetic Resonance Imaging(MRI)를 기반으로 병변과 유방 형상을 분할하고 safety margin을 포함한 병변의 영역을 피부 표면 표시와 체내 염료 주입이 가능하도록 모델링 되어 3D 프린팅 된 후 후처리 이후 소독/멸균되어 임상에 적용되었다. 임상적 수요에 맞추어 기능 및 설계 방식이 개선되었다. 또한 팬텀 연구를 추가적으로 수행했으며, 네 명의 지원자에 의하여 수술가이드를 적용했고 이에 대한 분석을 통해 최적화된 수술가이드의 정확성을 평가했다. 팬텀 연구의 결과는 평균 진입 점 간의 거리는 4.856±3.488mm였고, 삽입각 간의 코사인 유사도는 0.993±0.014 였다. 2015년부터 2018년까지 적용된 임상 사례는 총 150사례가 적용되었으며 11건에서 양성마진을 보였고 나머지 모든 사례에서는 성공적으로 병변이 제거되었다. 두 번째 세부연구는 유방암 수술가이드를 제작한 경험을 토대로 피부암 부분절제술을 위한 환자 맞춤형 수술가이드가 개발 및 적용되었다. 피부암 환자의 Computed Tomography(CT)와 3D scan 데이터를 기반으로 병변과 안면을 분할하고, safety margin을 포함한 병변의 영역에 맞게 피부 표면 표시와 체내 염료주입이 가능하도록 모델링 되어 3D 프린팅 된 후 후처리 이후 CIDEX에 5분간 담구어 멸균되어 임상에 적용되었다. 임상적 수요에 맞추어 기능 및 설계 방식이 개선되었다. 2018년부터 현재까지 총 30케이스가 적용되었으며 세 건에서 양성마진을 보였고 나머지 모든 사례는 성공적으로 병변이 제거되었다. 세 번째 세부연구는 특수 목적으로 개발된 장치를 비글의 두개골에 미리 계획된 궤적으로 삽입될 수 있도록 위치시키면서 두개골에 구멍을 낼 수 있는 비글 맞춤형 수술가이드가 개발 및 적용되었다. 해마에 줄기세포를 반복투여하기 위한 비글 맞춤형 수술가이드는 MRI를 기반으로 해마와 두개골을 분할하고 두개골에서 해마까지 특수목적으로 설계된 Intra-Brain Injector(IBI)가 설계된 궤도에 맞춰 삽입될 수 있도록 모델링 되어 3D 프린팅 되었고, 후처리 이후 EO gas 멸균되어 적용되었다. 2016년부터 2017년까지 7마리의 비글에 적용되었고 시술 이후 MRI 스캔된 결과로 궤적을 코사인 유사도로 분석했을 때 0.99±0.001의 정확도를 보였다. 진입점 간의 거리는 1.04±0.56mm 의 차이를 보였으나 해마에 반복투여에 문제가 발생되지는 않았다. 마지막 세부연구는 마취가 되지 않은 깨어 있는 상태의 생쥐의 눈을 관찰할 수 있도록 생쥐 맞춤형 stereotactic 수술가이드가 개발 및 적용되었다. 생쥐 맞춤형 stereotaxic 수술가이드는 성인 생쥐의 Micro CT를 기반으로 두개골과 머리의 피부영역을 분할하고, 마취가 필수인 기존의 stereotactic 장치와는 달리 마취를 하지 않은 상태로 생쥐 눈을 관찰하기 위하여 헬멧형태로 생쥐의 머리에 장착되고 관측을 위한 광케이블을 고정해주도록 설계되어 3D 프린팅 후 후처리 이후 IPA로 살균되어 적용되었다. stereotaxic 수술가이드를 착용했을 때 생쥐의 고통과 불편함을 Mouse grimace scale(MGS)로 평가했을 때 0에서 1정도로 큰 불편함을 느끼지 않음이 확인되었다. 그리고 적용된 stereotactic 가이드를 통해서 성공적으로 마취를 적용하지 않은 상태의 생쥐 눈의 혈관을 관찰할 수 있었다. 결론적으로 맞춤형 수술가이드는 의료영상 및 3D 데이터를 기반으로 임상적 수요에 맞추어 선정된 landmark를 기준으로 표적영역을 표시하거나 기존에 계획된 대로 절개하거나 특정 장치를 위치시킬 수 있었다. 각 세부연구의 결과와 같이 임상적 수요에 맞게 환자와 시술자 맞춤형으로 제작되어 수술 정확도와 편의성을 향상시킬 수 있고 수술에 충분한 경험이 없는 의사나 시술자도 보다 쉽게 수술 계획에 따라 적용 할 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해 확립된 workflow와 factor들을 토대로 다양한 임상적 수요에 따라 3D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 수술가이드를 적용 할 수 있을 것으로 사료되며, 3D 프린팅 기술은 디지털 데이터로 관리되기 때문에 원격진료를 가능하게 하고, 직관적이기 때문에 맞춤의료기술을 실현 할 수 있어 의료 질의 상향 평준화를 가능하게 할 것으로 기대된다.
3D 프린팅 기술의 발전과 대중화에 따라 여러 산업분야에서 활용되고 있다. 특히 의료분야에서는 3D 프린팅 기술의 장점인 다품종 소량생산이 가능하다라는 점을 살려 맞춤형 의료기기 및 삽입 보형물을 제작할 수 있게 되었다. 의료 3D 프린팅 적용은 크게 시뮬레이터, 수술가이드, 삽입 보형물로 나눌 수 있다. 시뮬레이터는 특정 질환의 해부학 구조를 환자 영상을 기반으로 제작하여 환자 교육용, 수술 전 모이수술용, 혈류계 모사 실험용 등으로 활용되며, 수술가이드는 외과수술에 앞서 미리 맞춤형으로 제작된 수술가이드를 통하여 절개, 절단, 삽입, 표기 등을 가능하게 한다. 이는 수술정확도와 편의성을 높여주며 경부조직뿐만 아니라 연부조직에서도 사용이 되면서 폭넓게 사용되고 있다. 삽입 보형물의 경우에 3D 프린터가 인체 삽입이 가능한 재료인 Titanium이나 PEEK 등과 같은 재료를 출력 가능해지면서 환자의 해부학적 구조를 반영한 맞춤형 삽입 보형물을 제작 할 수 있게 되었다. 3D프린팅 기술을 의료에 적용하기 위해서는 의료영상을 기반으로 영상 분할을 수행하게 되는데 이는 기본적으로 의료영상 및 해부학적 지식이 요구되며, 임상적 수요를 이해하면서 그 수요에 맞게 적절한 3D 프린팅 기술 및 재료를 선정할 수 있는 판단력이 있는 전문인력이 필요하다. 특허 만료 이후 대중화가 많이 일어났다고는 하나 아직 일반적으로 사용하기에는 충분히 쉽지 않고, 비용도 저렴하지 못한 것이 현실이다. 따라서, 3D 프린팅 기술의 의료적용을 위해서는 보다 효과적이고 합리적으로 적용 될 수 있는 workflow를 확립할 필요가 있다. 본 연구에서는 맞춤형 수술가이드에 초점을 맞추었으며, 수술가이드를 적용하기 위한 workflow를 설계 및 확립하고, 맞춤형 수술가이드를 제작하기 위하여 고려해야 할 factor들을 정의하고 이를 기반으로 네 가지 세부 연구들을 통해 의료영상 및 3D 데이터를 기반으로 임상적 수요를 반영한 맞춤형 수술가이드를 개발, 적용하여 그 효용성과 개선점을 평가하고자 하였다. 첫 번째 세부연구는 유방암 부분절제술을 위한 환자 맞춤형 수술가이드를 개발 및 적용되었다. 유방암 환자의 Magnetic Resonance Imaging(MRI)를 기반으로 병변과 유방 형상을 분할하고 safety margin을 포함한 병변의 영역을 피부 표면 표시와 체내 염료 주입이 가능하도록 모델링 되어 3D 프린팅 된 후 후처리 이후 소독/멸균되어 임상에 적용되었다. 임상적 수요에 맞추어 기능 및 설계 방식이 개선되었다. 또한 팬텀 연구를 추가적으로 수행했으며, 네 명의 지원자에 의하여 수술가이드를 적용했고 이에 대한 분석을 통해 최적화된 수술가이드의 정확성을 평가했다. 팬텀 연구의 결과는 평균 진입 점 간의 거리는 4.856±3.488mm였고, 삽입각 간의 코사인 유사도는 0.993±0.014 였다. 2015년부터 2018년까지 적용된 임상 사례는 총 150사례가 적용되었으며 11건에서 양성마진을 보였고 나머지 모든 사례에서는 성공적으로 병변이 제거되었다. 두 번째 세부연구는 유방암 수술가이드를 제작한 경험을 토대로 피부암 부분절제술을 위한 환자 맞춤형 수술가이드가 개발 및 적용되었다. 피부암 환자의 Computed Tomography(CT)와 3D scan 데이터를 기반으로 병변과 안면을 분할하고, safety margin을 포함한 병변의 영역에 맞게 피부 표면 표시와 체내 염료주입이 가능하도록 모델링 되어 3D 프린팅 된 후 후처리 이후 CIDEX에 5분간 담구어 멸균되어 임상에 적용되었다. 임상적 수요에 맞추어 기능 및 설계 방식이 개선되었다. 2018년부터 현재까지 총 30케이스가 적용되었으며 세 건에서 양성마진을 보였고 나머지 모든 사례는 성공적으로 병변이 제거되었다. 세 번째 세부연구는 특수 목적으로 개발된 장치를 비글의 두개골에 미리 계획된 궤적으로 삽입될 수 있도록 위치시키면서 두개골에 구멍을 낼 수 있는 비글 맞춤형 수술가이드가 개발 및 적용되었다. 해마에 줄기세포를 반복투여하기 위한 비글 맞춤형 수술가이드는 MRI를 기반으로 해마와 두개골을 분할하고 두개골에서 해마까지 특수목적으로 설계된 Intra-Brain Injector(IBI)가 설계된 궤도에 맞춰 삽입될 수 있도록 모델링 되어 3D 프린팅 되었고, 후처리 이후 EO gas 멸균되어 적용되었다. 2016년부터 2017년까지 7마리의 비글에 적용되었고 시술 이후 MRI 스캔된 결과로 궤적을 코사인 유사도로 분석했을 때 0.99±0.001의 정확도를 보였다. 진입점 간의 거리는 1.04±0.56mm 의 차이를 보였으나 해마에 반복투여에 문제가 발생되지는 않았다. 마지막 세부연구는 마취가 되지 않은 깨어 있는 상태의 생쥐의 눈을 관찰할 수 있도록 생쥐 맞춤형 stereotactic 수술가이드가 개발 및 적용되었다. 생쥐 맞춤형 stereotaxic 수술가이드는 성인 생쥐의 Micro CT를 기반으로 두개골과 머리의 피부영역을 분할하고, 마취가 필수인 기존의 stereotactic 장치와는 달리 마취를 하지 않은 상태로 생쥐 눈을 관찰하기 위하여 헬멧형태로 생쥐의 머리에 장착되고 관측을 위한 광케이블을 고정해주도록 설계되어 3D 프린팅 후 후처리 이후 IPA로 살균되어 적용되었다. stereotaxic 수술가이드를 착용했을 때 생쥐의 고통과 불편함을 Mouse grimace scale(MGS)로 평가했을 때 0에서 1정도로 큰 불편함을 느끼지 않음이 확인되었다. 그리고 적용된 stereotactic 가이드를 통해서 성공적으로 마취를 적용하지 않은 상태의 생쥐 눈의 혈관을 관찰할 수 있었다. 결론적으로 맞춤형 수술가이드는 의료영상 및 3D 데이터를 기반으로 임상적 수요에 맞추어 선정된 landmark를 기준으로 표적영역을 표시하거나 기존에 계획된 대로 절개하거나 특정 장치를 위치시킬 수 있었다. 각 세부연구의 결과와 같이 임상적 수요에 맞게 환자와 시술자 맞춤형으로 제작되어 수술 정확도와 편의성을 향상시킬 수 있고 수술에 충분한 경험이 없는 의사나 시술자도 보다 쉽게 수술 계획에 따라 적용 할 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해 확립된 workflow와 factor들을 토대로 다양한 임상적 수요에 따라 3D 프린팅 기술을 활용한 맞춤형 수술가이드를 적용 할 수 있을 것으로 사료되며, 3D 프린팅 기술은 디지털 데이터로 관리되기 때문에 원격진료를 가능하게 하고, 직관적이기 때문에 맞춤의료기술을 실현 할 수 있어 의료 질의 상향 평준화를 가능하게 할 것으로 기대된다.
Medical 3D printing applications can classify into simulators, surgical guides, and implants. The simulator is the anatomy model of a specific disease based on the medical images. It is used for patient education, preoperative rehearse, and simulate blood flow. The surgical guide is used as a patien...
Medical 3D printing applications can classify into simulators, surgical guides, and implants. The simulator is the anatomy model of a specific disease based on the medical images. It is used for patient education, preoperative rehearse, and simulate blood flow. The surgical guide is used as a patient-specific medical device for guiding incision, resection, insertion, and marking. As 3D printers can output materials that can be inserted into the human body, the patient-specific implant device that reflects the patient’s anatomy and medical plan could be of relevance. In addition, patient-specific aids, including gibs, splints, prostheses, and epitheses, could be used for a better outcome. Finally, bio-printing is also used to cultivate cells to produce functional artificial tissues. On medical 3D printing, segmentation is based on medical images, which require medical imaging and anatomical knowledge. Besides, expert knowledge of 3D printing technology is needed to select appropriate technologies and materials according to clinical demand. Therefore, it is necessary to establish a workflow that can be applied more effectively and reasonably. This study focused on customized surgical guides, based on these four sub-studies, developed and applied customized surgical guides reflecting clinical demands based on medical images and evaluate their utility and improvements. In the first sub-study, the patient-specific surgical guide for breast-conserving surgery was applied to marking cancer of patients from MRI. It applied to a total of 150 people from 2015 to 2018. Besides, evaluated the accuracy of the surgical guide by in-vitro phantom experiments. The trajectory evaluation conducted by the analysis of the insertion angle with the distance between the entry points and the cosine similarity. As a result of the in-vitro phantom experiment, the average distance between the entry points was 4.856± 3.488mm, and the cosine similarity between the insertion angles was 0.993± 0.014. A total of 150 cases were applied to the clinical application, 11 cases were positive margin, and all other cases were clean margin. In the second sub-study, the patient-specific surgical guide for difficult skin cancer excision surgery was applied for marking cancer of patients. It applied to a total of 30 people from 2018 to recent. Patient-specific surgical guides for incision of skin cancer were designed based on CT and 3D scans of patients. Positive margins were in 3 out of the 16 cases in which pathologic evaluation performed. In the Third sub-study, the Beagle-specific surgical guide for repeatedly injecting stem cells into the hippocampus was applied for positioning the custom device. The repeated administration is necessary to increase the therapeutic efficacy of mesenchymal stem cells (MSC) in the previous phase I clinical studies. To develop a stereotactic surgical guide for placing the accurate trajectory of an intra-brain injector (IBI) to repeatedly inject stem cells on the hippocampus of beagles using 3D printing and MRI images and to evaluate its accuracy of IBI trajectory with the surgical guide. The 3D printed surgical guide was modeled so that IBI could be placed in a planned trajectory. Here, two screws in the sagittal crests and one screw in left parietal bone were inserted to be landmarks for tailored guidance in MRI and operation room. Surgeries for placing IBI devices in seven beagles were performed using these surgical guides. The average distance of entry points and the average of cosine similarity between two trajectories were 1.04 ± 0.56 mm and 0.990 ± 0.001, respectively. Finally, in the fourth sub-study, the mice-specific stereotaxic surgical guide was applied for observing eye of awake mice. The mice-specific stereotaxic surgical guide was designed based on computer-aided design (CAD) models of the mouse head, which were acquired using CT scans of an adult mouse. The mouse grimace scale (MGS) was used to determine the level of pain and discomfort of mice during the donning process. As the bars were tightened, the mice expressed small amounts of discomfort, ranging from 0 to 1 in the orbital tightening and ear position metrics of the MGS, and remained at 0 in the check bulge metric. In addition, the blood vessels of the mouse eyes without anesthesia successfully observed. A patient-and-surgeon-specific surgical guide by 3d printing technology based on the medical image could be marked or cut the tissue like a tumor. Also, another medical device could be positioned or mounted. In conclusion, by defining the elements of clinical and design demand needed to produce customized surgical guides, it is possible to produce easier and more effective surgical guides.
Medical 3D printing applications can classify into simulators, surgical guides, and implants. The simulator is the anatomy model of a specific disease based on the medical images. It is used for patient education, preoperative rehearse, and simulate blood flow. The surgical guide is used as a patient-specific medical device for guiding incision, resection, insertion, and marking. As 3D printers can output materials that can be inserted into the human body, the patient-specific implant device that reflects the patient’s anatomy and medical plan could be of relevance. In addition, patient-specific aids, including gibs, splints, prostheses, and epitheses, could be used for a better outcome. Finally, bio-printing is also used to cultivate cells to produce functional artificial tissues. On medical 3D printing, segmentation is based on medical images, which require medical imaging and anatomical knowledge. Besides, expert knowledge of 3D printing technology is needed to select appropriate technologies and materials according to clinical demand. Therefore, it is necessary to establish a workflow that can be applied more effectively and reasonably. This study focused on customized surgical guides, based on these four sub-studies, developed and applied customized surgical guides reflecting clinical demands based on medical images and evaluate their utility and improvements. In the first sub-study, the patient-specific surgical guide for breast-conserving surgery was applied to marking cancer of patients from MRI. It applied to a total of 150 people from 2015 to 2018. Besides, evaluated the accuracy of the surgical guide by in-vitro phantom experiments. The trajectory evaluation conducted by the analysis of the insertion angle with the distance between the entry points and the cosine similarity. As a result of the in-vitro phantom experiment, the average distance between the entry points was 4.856± 3.488mm, and the cosine similarity between the insertion angles was 0.993± 0.014. A total of 150 cases were applied to the clinical application, 11 cases were positive margin, and all other cases were clean margin. In the second sub-study, the patient-specific surgical guide for difficult skin cancer excision surgery was applied for marking cancer of patients. It applied to a total of 30 people from 2018 to recent. Patient-specific surgical guides for incision of skin cancer were designed based on CT and 3D scans of patients. Positive margins were in 3 out of the 16 cases in which pathologic evaluation performed. In the Third sub-study, the Beagle-specific surgical guide for repeatedly injecting stem cells into the hippocampus was applied for positioning the custom device. The repeated administration is necessary to increase the therapeutic efficacy of mesenchymal stem cells (MSC) in the previous phase I clinical studies. To develop a stereotactic surgical guide for placing the accurate trajectory of an intra-brain injector (IBI) to repeatedly inject stem cells on the hippocampus of beagles using 3D printing and MRI images and to evaluate its accuracy of IBI trajectory with the surgical guide. The 3D printed surgical guide was modeled so that IBI could be placed in a planned trajectory. Here, two screws in the sagittal crests and one screw in left parietal bone were inserted to be landmarks for tailored guidance in MRI and operation room. Surgeries for placing IBI devices in seven beagles were performed using these surgical guides. The average distance of entry points and the average of cosine similarity between two trajectories were 1.04 ± 0.56 mm and 0.990 ± 0.001, respectively. Finally, in the fourth sub-study, the mice-specific stereotaxic surgical guide was applied for observing eye of awake mice. The mice-specific stereotaxic surgical guide was designed based on computer-aided design (CAD) models of the mouse head, which were acquired using CT scans of an adult mouse. The mouse grimace scale (MGS) was used to determine the level of pain and discomfort of mice during the donning process. As the bars were tightened, the mice expressed small amounts of discomfort, ranging from 0 to 1 in the orbital tightening and ear position metrics of the MGS, and remained at 0 in the check bulge metric. In addition, the blood vessels of the mouse eyes without anesthesia successfully observed. A patient-and-surgeon-specific surgical guide by 3d printing technology based on the medical image could be marked or cut the tissue like a tumor. Also, another medical device could be positioned or mounted. In conclusion, by defining the elements of clinical and design demand needed to produce customized surgical guides, it is possible to produce easier and more effective surgical guides.
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