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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 3D 스캐너와 3차원 그래픽 설계, 3D 프린팅 기술을 적용한 보조기 제작 사례를 통해 신기술을 이용한 응용 제작방법의 임상적 사용 가능성을 살펴보고자 한다.
- 본 연구는 3D 스캐너장비를 통해 취득한 3차원 형상 이미지 데이터를 3차원 그래픽 소프트웨어에서 제어하고 최종적으로 3D 프린팅 기술을 통해 보조기를 제작하는 쾌속조형(rapid prototyping)을 실시하여 임상적으로 유용한지에 대한 기초근거를 마련하고자 했다. 뇌성마비 환자를 대상으로 4가지 종류의 보조기를 제작해봄으로써 방법과 절차에 대한 기준을 제시했다.
- 그림자 현상과 조도를 고려하여 가장 적절한 583mm를 산출한 후, 그림 3와 같이 실험조건을 세팅 후 촬영 과정을 거쳐 그림 4과 같은 파일로 저장하였다. 이러한 프레임 장치와 실험 조건을 구성한 것은 뇌성마비 실험 대상자가 촬영 시 불수의적근수축으로 인해 떨림이 지속적으로 발생하여 영상이 깨지는 현상을 막고자 함이다.
제안 방법
- 3D 스캐닝 설정은 크게 2단계로 나누어 실시하였다. 첫 번째는 이미지 기본 설정 단계로, 촬영거리 와 이에 따른 이미지의 해상도를 최적화 했다.
- 254mm 적층두께(Layering Placement)로 제작되었고, 26%의 적층밀도(Stacking Density)를 나타냈다. FDM(Fused Deposition Modeling)출력의 특징 중 하나인 다양한 색상으로 구현이 가능하다는 점을 이용해 각 보조기마다 다른 색상으로 구분하였다. 모델링에 따라 가공된 4가지의 보조기에 대한 실제 공작물을 그림 5에 제시하였다.
- NETFABB 모델링 프로그램을 통한 큰 단위의 보정작업을 완료하고 이어 픽셀(Pixel)단위의 세부적인 가공과 작은 보정작업을 위해 모델링 툴인 Catia V5 R17와 3DS Max, Maya를 이용하였다. 각 결과물의 형태적 특징에 맞추어 손쉽고 정확한 모델링을 구현하기 위해 여러 모델링 툴을 사용하였고, 이러한 모든 과정은 환자 개개인의 신체적 특징에 맞추어진 보조기를 구축(Customized 3D Reconstruction)하기 위함에 있다.
- NETFABB 프로그램으로 스캐닝한 파일을 인입하여 STL 파일을 분석하고 그 내용에 따라 그래픽 후 보정 작업을 실시하였다. 파일의 위치조정이 끝나면 불필요한 스캔면을 제거(Remove)할 수 있는데 이때는 픽셀단위의 그래픽 작업이 아니라 육안으로 확인되는 벌크(Bulk) 파트를 제거했다.
- NETFABB 모델링 프로그램을 통한 큰 단위의 보정작업을 완료하고 이어 픽셀(Pixel)단위의 세부적인 가공과 작은 보정작업을 위해 모델링 툴인 Catia V5 R17와 3DS Max, Maya를 이용하였다. 각 결과물의 형태적 특징에 맞추어 손쉽고 정확한 모델링을 구현하기 위해 여러 모델링 툴을 사용하였고, 이러한 모든 과정은 환자 개개인의 신체적 특징에 맞추어진 보조기를 구축(Customized 3D Reconstruction)하기 위함에 있다. 모든 모델링을 마치고 3D 프린터의 기종의 설정에 맞는 STL파일로 저장하였다.
- 결과물이 환자의 피부에 직접 닿아 사용되기 때문에 그림 6과 같이 후처리 공정 전용 사포와 아세톤을 이용하여 표면을 매끄럽게 했으며, 아크릴접착제와 도장재를 이용하여 부분 마감을 실시했다.
- 00m로 조정해주었다. 그리고 Volume Max Integration와 Volume Voxels Per Meter는 부피 대비 미터 당 Voxel의 개수를 의미하는 것으로 각 각 525레벨, 384레벨로 설정하여 충분한 해상도를 가질 수 있도록 설정 했다. 마지막으로 Volume Voxels Resolution은 부피대비 Voxel 해상도로 X,Y,Z 각 축 의 Voxel 수를 조정하여 모델의 해상도를 지정하는 기능으로, 각 축마다 384레벨로 조정해주어 스캐닝된 모델이 안정감과 높은 해상도를 나타낼수 있도록 했다.
- 그림자 현상과 조도를 고려하여 가장 적절한 583mm를 산출한 후, 그림 3와 같이 실험조건을 세팅 후 촬영 과정을 거쳐 그림 4과 같은 파일로 저장하였다. 이러한 프레임 장치와 실험 조건을 구성한 것은 뇌성마비 실험 대상자가 촬영 시 불수의적근수축으로 인해 떨림이 지속적으로 발생하여 영상이 깨지는 현상을 막고자 함이다.
- 본 연구는 3D 스캐너장비를 통해 취득한 3차원 형상 이미지 데이터를 3차원 그래픽 소프트웨어에서 제어하고 최종적으로 3D 프린팅 기술을 통해 보조기를 제작하는 쾌속조형(rapid prototyping)을 실시하여 임상적으로 유용한지에 대한 기초근거를 마련하고자 했다. 뇌성마비 환자를 대상으로 4가지 종류의 보조기를 제작해봄으로써 방법과 절차에 대한 기준을 제시했다. 실험 결과 기존의 보조기와 비교하여 보조기 자체 평가에서 높은 점수를 얻어 차후 3D 프린팅 소재의 가격이 낮아지고 성능이 향상된다면 기존 제작 방법을 대체하여 정확한 보조기 제작이 신속하게 이루어 질 것으로 판단된다.
- 모델링이 완료된 보조기 STL 파일을 Catalyst Ex프로그램으로 불러와 출력물의 크기와 방향, 적층 및 내부밀도, 경로 설정을 실시한 뒤 3D프린터로 전송하였다.
- 각 결과물의 형태적 특징에 맞추어 손쉽고 정확한 모델링을 구현하기 위해 여러 모델링 툴을 사용하였고, 이러한 모든 과정은 환자 개개인의 신체적 특징에 맞추어진 보조기를 구축(Customized 3D Reconstruction)하기 위함에 있다. 모든 모델링을 마치고 3D 프린터의 기종의 설정에 맞는 STL파일로 저장하였다.
- 본 연구에서는 3D 프린팅을 이용하여 4가지의 보장구를 제작하였으며 모두 같은 방식으로 제작되었다. 이루어진 제작 방법과 기존의 방법을 도식화하여 그림2에 나타냈다.
- 보조기와 같은 섬세한 형상을 다루는 모델링에서 발생할 가능성이 있는 문제점으로 패치에 구멍 난 부분이 있을 경우, 형상두께가 0으로 인식되어 3D 프린팅 가공처리 시 전처리 프로그램이 인식 하지 못하여 조형이 불가능 하기 때문이다. 사용한 프로그램들은 STL파일을 수정하는 기능이 없기 때문에 STL저장 전 파일을 불러오기 하여 수정하고 STL파일로 재 저장 하였다.
- 인장강도의 경우 각 제작 방식에 따른 재료를 참고하였다. 소재의 기존의 열가소성수지를 직접 손으로 녹여 만든 방법에 의한 보조기와 방법자체가 상이하고 공작 세부 절차가 1:1 대응이 안 되는 관계로 정확한 정량비교는 불가하였으나 가장 중요한 지표인 보조기 평가와 제작 시간, 강도를 비교하여 유용성을 파악하였다.
- 파일의 위치조정이 끝나면 불필요한 스캔면을 제거(Remove)할 수 있는데 이때는 픽셀단위의 그래픽 작업이 아니라 육안으로 확인되는 벌크(Bulk) 파트를 제거했다. 스캔이 미처 이루어지지 못한 부분에 대한 복구는 자동수정(Automatic Repair)기능을 통해 기본 값으로 선택하여 그래픽 상 결손 된 부분을 자동으로 계산하여 완성해 주었다. 후 보정 작업은 마무리 단계에서 이루어졌다.
- 두 번째 단계는 이미지 모드(Image Mode)의 단계로, 피사체 3D 스캐닝 시 스캔거리의 디폴트값(Default Value)을 설정한다. 신체를 측정하는 본 연구의 목적에 맞도록 인물모드(Portrait Mode)를 선택하여 스캔거리의 디폴트값을 0.8m~1.65m으로 설정하였다.
- 이미지 옵션 부분의 ‘Display Surface Normals’ 기능을 이용해 피사체와 배경 사이의 구분을 강조하였고 ‘Depth Threshold’의 설정치 중 Min 0.40m와 Max 8.50m로 설정 해주어 스캔 거리를 최소 0.40m, 최대 8.00m로 조정해주었다.
- 저장된 STL파일의 품질확인 및 수정단계로, 패치가 보조기 형상을 구성할 때 전체를 완벽하게 덮었는지 확인하였다. 보조기와 같은 섬세한 형상을 다루는 모델링에서 발생할 가능성이 있는 문제점으로 패치에 구멍 난 부분이 있을 경우, 형상두께가 0으로 인식되어 3D 프린팅 가공처리 시 전처리 프로그램이 인식 하지 못하여 조형이 불가능 하기 때문이다.
- 출력물 도출이 완료된 후 주제물과 서포트를 분리하였고, 이때 보조기가 훼손되지 않도록 주의해야 했다. 접합부분 처리와 제품의 완성도를 높이기 위해 표면 후처리 공정을 실시했다.
- 3D 스캐닝 설정은 크게 2단계로 나누어 실시하였다. 첫 번째는 이미지 기본 설정 단계로, 촬영거리 와 이에 따른 이미지의 해상도를 최적화 했다. 이미지 옵션 부분의 ‘Display Surface Normals’ 기능을 이용해 피사체와 배경 사이의 구분을 강조하였고 ‘Depth Threshold’의 설정치 중 Min 0.
- 후처리 공정이 끝난 후 일정시간 동안 그늘에 방치하여 소재를 충분히 안정화시킨 후 최종적으로 필요한 부가적인 소재를 추가하여 제품을 완성하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 3D 프린팅을 위한 제작 재료로써, ABS수지(Acrylonitile, Poly-Butadiene, Styrene)와 PLA수지(Poly Lactic Acid)의 필라멘트를 사용하였다. 본 연구에 사용된 ABS수지는 Acrylonitile(아크릴로니트릴), Poly-Butadiene(폴리-부타디엔), Styrene(스틸렌)의 3가지 성분을 목적에 맞도록 배합 및 합성하여 이루어진 스타이렌수지(Styrene Resin)의 한 종류이다. 이 재료는 가공이 용이하고 내구성이 높아 금속대용의 상품으로 사용된다.
- 본 연구에서는 3D 프린팅을 위한 제작 재료로써, ABS수지(Acrylonitile, Poly-Butadiene, Styrene)와 PLA수지(Poly Lactic Acid)의 필라멘트를 사용하였다. 본 연구에 사용된 ABS수지는 Acrylonitile(아크릴로니트릴), Poly-Butadiene(폴리-부타디엔), Styrene(스틸렌)의 3가지 성분을 목적에 맞도록 배합 및 합성하여 이루어진 스타이렌수지(Styrene Resin)의 한 종류이다.
- 본 연구에서는 3D프린팅을 위해 그림 1에 제시된 Stratasys사의 Stratasys Objet Connex350를 이용하였다. 350 × 350 × 200mm (13.
- 최종 공작물에 대한 소요시간과 인장강도를 정리하여 표 2에 제시하였다. 인장강도의 경우 각 제작 방식에 따른 재료를 참고하였다. 소재의 기존의 열가소성수지를 직접 손으로 녹여 만든 방법에 의한 보조기와 방법자체가 상이하고 공작 세부 절차가 1:1 대응이 안 되는 관계로 정확한 정량비교는 불가하였으나 가장 중요한 지표인 보조기 평가와 제작 시간, 강도를 비교하여 유용성을 파악하였다.
- 최종 가공물의 형태(Structure)유지를 위해 지지대(Support)로 PLA수지가 사용되었고, 주 제물 성형에 ABS가 사용되었다. 최종적으로 각 보조기 들은 0.
이론/모형
- 3D 스캐닝을 위해 본 연구에서는 표 1에 제시된 Microsoft사의 키넥트(KINECT)모델을 사용하였으며, 구조형 광(Structured Light) 방식원의[11] 구동원리를 가진다. 키넥트는 수직 각도 42˚, 수평각도 56˚ 범위의 0.
- 파일 저장은 3D프린팅 출력 시 주로 사용되는 확장자인 STL(STereoLithography) 파일의 형식으로 설정했다. 두 번째 단계는 이미지 모드(Image Mode)의 단계로, 피사체 3D 스캐닝 시 스캔거리의 디폴트값(Default Value)을 설정한다.
성능/효과
- 그리고 Volume Max Integration와 Volume Voxels Per Meter는 부피 대비 미터 당 Voxel의 개수를 의미하는 것으로 각 각 525레벨, 384레벨로 설정하여 충분한 해상도를 가질 수 있도록 설정 했다. 마지막으로 Volume Voxels Resolution은 부피대비 Voxel 해상도로 X,Y,Z 각 축 의 Voxel 수를 조정하여 모델의 해상도를 지정하는 기능으로, 각 축마다 384레벨로 조정해주어 스캐닝된 모델이 안정감과 높은 해상도를 나타낼수 있도록 했다.
- 기존의 열가소성 수지가 제작자 마다 다르지만 wrist orthosis의 경우 평균2-3시간이 걸리는 것을 감안하면[12] 비교적 2배 이상의 긴 시간이 소요 된다. 인장강도는 기존의 방법이 2,500kgf/㎠ 임에 비해 PLA소재로 제작된 경우 7,100kgf/㎠, ABS소재로 제작된 경우 3,500kgf/㎠의 인장강도를 가져, 월등히 높은 강성을 나타냈다. 비용은 각 기관의 책정금액과 재료마다 상이하여 비교가 불가능 하였지만 대체적으로 3D 프린팅 기술을 사용할 때 더 많은 비용이 요구되었다.
- 이 센서들을 통해 깊이 영상과 컬러 영상을 동시에 수집할 수 있으며, 두 영상의 교합을 통해 색 정보를 갖는 3차원 이미지 데이터를 얻을 수 있다. 자체적으로 내장된 점 군집에 의한 다중 프레임 알고리즘을 적용하여 3D 스캐너에서의 취약점으로 인식되어 왔던 노이즈 현상(Noise)을 기술적으로 대폭 개선할 수 있었다.
- 최종 가공물의 형태(Structure)유지를 위해 지지대(Support)로 PLA수지가 사용되었고, 주 제물 성형에 ABS가 사용되었다. 최종적으로 각 보조기 들은 0.254mm 적층두께(Layering Placement)로 제작되었고, 26%의 적층밀도(Stacking Density)를 나타냈다. FDM(Fused Deposition Modeling)출력의 특징 중 하나인 다양한 색상으로 구현이 가능하다는 점을 이용해 각 보조기마다 다른 색상으로 구분하였다.
후속연구
- 실험 결과 기존의 보조기와 비교하여 보조기 자체 평가에서 높은 점수를 얻어 차후 3D 프린팅 소재의 가격이 낮아지고 성능이 향상된다면 기존 제작 방법을 대체하여 정확한 보조기 제작이 신속하게 이루어 질 것으로 판단된다. 또한 천편일률적인 보조기의디자인이나 색상을 환자의 기호에 따라 조정 할 수 있고 의료기기의 이미지 보다 일반적인 일상생활도구처럼 보이도록 하는 효과가 있을 것이다. 사람이 직접 제작했을 시 실패하는 확률, 후처리가 균일하게 이루어지지 않는 점과 같은 제작부분에서는 물론 분실이나 파손 시 새로이 제작할 때 드는 비용을 감안 하면 3D 프린팅으로 제작하는 방법이 더 효율적일 것이다.
- 뇌성마비 환자를 대상으로 4가지 종류의 보조기를 제작해봄으로써 방법과 절차에 대한 기준을 제시했다. 실험 결과 기존의 보조기와 비교하여 보조기 자체 평가에서 높은 점수를 얻어 차후 3D 프린팅 소재의 가격이 낮아지고 성능이 향상된다면 기존 제작 방법을 대체하여 정확한 보조기 제작이 신속하게 이루어 질 것으로 판단된다. 또한 천편일률적인 보조기의디자인이나 색상을 환자의 기호에 따라 조정 할 수 있고 의료기기의 이미지 보다 일반적인 일상생활도구처럼 보이도록 하는 효과가 있을 것이다.
- 이는 국내 3D 보조기를 만들어 제작하는 후속 연구들에게 제작의 근거를 제공하는 자료가 될 수 있을 것으로 기대한다.
- 제작시간은 순수 3D 프린팅 출력과정에서 대부분의 시간이 소요되므로 상대적으로 제작자가 직접 만드는 시간은 적다고 할 수 있다. 이러한 3D 프린팅을 통한 보조기 제작 프로세스가 임상적으로 적용된다면 디자인의 향상, 재제작의 간편성이 증가되어 큰 유익성을 가져다 줄 것으로 예상된다. 추후 객관적인 근거를 더하기 위해 개발된 프로세스를 이용한 다양한 구조의 보조기 제작 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 이러한 3D 프린팅을 통한 보조기 제작 프로세스가 임상적으로 적용된다면 디자인의 향상, 재제작의 간편성이 증가되어 큰 유익성을 가져다 줄 것으로 예상된다. 추후 객관적인 근거를 더하기 위해 개발된 프로세스를 이용한 다양한 구조의 보조기 제작 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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