최근 3D 프린팅 기술은 의료에 여러 방향으로 접목되고 있다. 이에 본 연구에서는 의료영상의 표준인 DICOM 영상을 이용하여 만든 3차원 영상을, 3D 프린팅으로 출력하여 그 형상표면의 정밀성을 검토하고자 하였다. 실험은 동물 뼈를 피사체로 의료영상을 획득하였으며, 3D 프린팅 출력을 위해 STL 파일로 변환하는 과정을 거친 후 피사체 형상을 출력하였다. 최종적으로 원본 동물 뼈 와 3D 프린팅에서 얻은 3차원 형상을 3D Scanner로 획득한 후 3차원 모델링을 서로 병합(Merge)하고 그 차이를 비교하였다. 결과분석은 시각적 형상비교, 모델링의 Scale 값에 대한 색상(Color)비교, 수치적 형상비교를 하였다. 형상표면은 시각적으로는 구분이 어려웠으며, 수치적 형상비교는 X, Y, Z 좌표가 있는 임의의 4곳에서 측정된 값으로 비교하였다. 병합된 모델링의 형상표면은 원본 피사체(동물 뼈)에 비해 평균 -0.49 mm 만큼 3D프린팅으로 출력된 형상에서 작게 나타났다. 하지만 모든 형상 표면이 균일하게 작아지진 않았으며, 실험에서는 그 차이가 -0.83 mm 내에 있었다.
최근 3D 프린팅 기술은 의료에 여러 방향으로 접목되고 있다. 이에 본 연구에서는 의료영상의 표준인 DICOM 영상을 이용하여 만든 3차원 영상을, 3D 프린팅으로 출력하여 그 형상표면의 정밀성을 검토하고자 하였다. 실험은 동물 뼈를 피사체로 의료영상을 획득하였으며, 3D 프린팅 출력을 위해 STL 파일로 변환하는 과정을 거친 후 피사체 형상을 출력하였다. 최종적으로 원본 동물 뼈 와 3D 프린팅에서 얻은 3차원 형상을 3D Scanner로 획득한 후 3차원 모델링을 서로 병합(Merge)하고 그 차이를 비교하였다. 결과분석은 시각적 형상비교, 모델링의 Scale 값에 대한 색상(Color)비교, 수치적 형상비교를 하였다. 형상표면은 시각적으로는 구분이 어려웠으며, 수치적 형상비교는 X, Y, Z 좌표가 있는 임의의 4곳에서 측정된 값으로 비교하였다. 병합된 모델링의 형상표면은 원본 피사체(동물 뼈)에 비해 평균 -0.49 mm 만큼 3D프린팅으로 출력된 형상에서 작게 나타났다. 하지만 모든 형상 표면이 균일하게 작아지진 않았으며, 실험에서는 그 차이가 -0.83 mm 내에 있었다.
Recent 3D printing technology has been grafting onto various medical practices. In light of this trend, this research is intended to examine the figuration surface's accuracy of 3D images made by using DICOM images after printing by 3D printing. The medical images were obtained from animal bone obje...
Recent 3D printing technology has been grafting onto various medical practices. In light of this trend, this research is intended to examine the figuration surface's accuracy of 3D images made by using DICOM images after printing by 3D printing. The medical images were obtained from animal bone objects, while the objects were printed after undergoing STL file conversion for 3D printing purposes. Ultimately, after the 3D figuration, which was obtained by the original animal bones and 3D printing, was scanned by 3D scanner, 3D modeling was merged each other and the differences were compared. The result analysis was conducted by visual figuration comparison, color comparison of modeling's scale value, and numerical figuration comparison. The shape surface was not visually distinguished; the numerical figuration comparison was made from the values measured from the four different points on the X, Y and Z coordinates. The shape surface of the merged modeling was smaller than the original object (the animal bone) by average of -0.49 mm in the 3D printed figuration. However, not all of the shape surface was uniformly reduced in size and the differences was within range of -0.83 mm on the experiment.
Recent 3D printing technology has been grafting onto various medical practices. In light of this trend, this research is intended to examine the figuration surface's accuracy of 3D images made by using DICOM images after printing by 3D printing. The medical images were obtained from animal bone objects, while the objects were printed after undergoing STL file conversion for 3D printing purposes. Ultimately, after the 3D figuration, which was obtained by the original animal bones and 3D printing, was scanned by 3D scanner, 3D modeling was merged each other and the differences were compared. The result analysis was conducted by visual figuration comparison, color comparison of modeling's scale value, and numerical figuration comparison. The shape surface was not visually distinguished; the numerical figuration comparison was made from the values measured from the four different points on the X, Y and Z coordinates. The shape surface of the merged modeling was smaller than the original object (the animal bone) by average of -0.49 mm in the 3D printed figuration. However, not all of the shape surface was uniformly reduced in size and the differences was within range of -0.83 mm on the experiment.
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문제 정의
본 연구는 이러한 시점에 의료영상에서 획득한 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine) 파일과 3D 프린팅에서 출력된 피사체의 형상정밀도가 어느 정도인지 가늠해 보고자 하였다. 또 여러 단계를 거치면서 디지털 Data의 변환과정들과 그 과정에서 생길 수 있는 오차들이 얼마 정도인지 알아보고자 하였다. 실험에서 사용된 의료영상은 Digital 영상 표준인 DICOM 영상 파일을 사용하였다.
현재 IT 융합기술의 발달로 의료에 대한 3D 프린팅 적용이 급격히 늘어나고 있다. 본 연구는 이러한 시점에 의료영상에서 획득한 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine) 파일과 3D 프린팅에서 출력된 피사체의 형상정밀도가 어느 정도인지 가늠해 보고자 하였다. 또 여러 단계를 거치면서 디지털 Data의 변환과정들과 그 과정에서 생길 수 있는 오차들이 얼마 정도인지 알아보고자 하였다.
특히 개별성이 강하고 고도의 정밀성을 요구하는 의료분야에서의 활용은 새로운 의료산업의 블루오션으로 기대되고 있다[1]. 본 연구에서는 동물 뼈를 사용하는 형상비교 연구에 초점을 맞추다 보니 시간경과에 따른 피사체의 변형을 우려하여 실험과정을 최대한 짧게 하였으며 측정의 신뢰를 위하여 3D Scanning 과정부터 측정까지 국가 공인기관에 의뢰하여 측정 결과 값을 얻었다[14]. 피사체로 사용된 동물 뼈는 소의 갈비뼈를 사용 하였으며 전체적으로 앞, 뒤의 양쪽 면은 넓고 둥근 모양이다.
본 논문은 이러한 의료영상과 3차원 프린팅을 이용하여 인체에 활용하고자 할 때 출력된 형상의 정밀도는 매우 중요하다. 이에 3D프린팅을 통하여 실제 기대하는 형상과 원하는 형상이 얼마 정도의 차이를 보이는지 비교하고자 하였다. 실험은 동물 뼈를 Phantom으로 의료영상에서 획득한 DICOM 파일을 적용하여, 3D 프린터에 얻은 형상과 Phantom 형상을 3차원 모델링으로 병합(Merge)하여 X, Y, Z 의 좌표가 있는 임의의 지점에 측정 포인트로 측정하여 그 차이를 비교하였다.
제안 방법
3D 프린팅으로 출력된 형상과 동물 뼈 피사체는, [그림 4]와 같이 3D Scanner(Rexcan CS+, 솔루션닉스)로 동일한 환경에서 Data를 수집하고, 3D 프로그램(Geomagic ControlTM, USA)에서 각각의 모델링을 비교하고 병합(Merge)하여 측정하였다.
CT Volume Scan에서 획득한 Raw data를 Terarecon 3D 프로그램에서 Bone 만 추출하고 STL 파일로 변환하였다. STL 파일 변환 시 Export as Mesh는 Smoothness 100%, Decimate 20%, Format 은 STL ASCII File로 Export하였다.
7 mm인 소의 동물 뼈를 이용하였다. [그림 3](a)은 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine) 영상을 획득하기 위한 640-multi-slice computed tomography(640 MSCT, Aquilion ONE, TOSHIBA, JAPAN)로 0.5 mm Volume Scan으로 영상을 획득 후 Terarecon(USA) 3D 프로그램으로 STL(STereoLithography) 변환 파일을 생성 하였다.
[그림 1]은 본 연구의 전체 진행 모식도를 나타내고 있다. 동물 뼈(피사체)를 이용하여 CT Volume Scan에서 얻은 DICOM 영상을, 3D 프린터가 인식하는 STL 파일로 변환하여 피사체 형상을 출력하였다. 최종적으로 3D프린터에서 출력된 형상과 피사체(Object) 동물 뼈를 동일한 환경에서 3D Scanner로 Data를 수집하여 3차원 모델링으로 형상표면의 동일함을 비교하였다.
두 개의 모델링이 병합된 상태에서 형상표면의 차이를 확인하기 위해 볼록 부분, 오목 부분, 가장지리 능선과 능선의 불규칙부분에 X, Y, Z 값이 표시된 좌표측정값을 구하였다. 모델링 형상에서 A001(가장자리 능선), A002(볼록 부분)는 한쪽 면을 A003(가장자리 불규칙 부분), A004(오목 부분)는 그 반대편 면에 [표 1]과 같이 구분하여 측정값을 구하였다.
[그림 6](a) 는 STL로 변환된 파일을 이용하여 광조 사형 방식에 의한 3D 프린터 출력물과 원본 동물 뼈 피사체를 나타내고 있다. 두 개의 정밀한 형상 비교를 위해 [그림 4]와 같이 3D Scanner로 각각 Sanning 하여 모델링을 만들었다. [그림 6](b)는 3D Scanning 한 후의 모델링 그림을 나타내고 있으며, 각각 획득한 모델링을 병합(Merge)하여 표면형상의 차이를 비교를 하였다.
[그림 3](b)는 실험의 형상을 출력하기 위한 3D 프린팅 (Objet30 Pro - Desktop 3D Printer, Stratasys, USA)이다. 본 실험에서는 액상의 광 경화성 수지에 광선을 조사해서 굳혀 가면서 만드는 광조사형 방법으로 출력하였다. 출력 베드의 크기는 300 mm x 200 mm x 150 mm이고 최대 출력 조형 크기는 294 mm × 192 mm × 148.
이에 3D프린팅을 통하여 실제 기대하는 형상과 원하는 형상이 얼마 정도의 차이를 보이는지 비교하고자 하였다. 실험은 동물 뼈를 Phantom으로 의료영상에서 획득한 DICOM 파일을 적용하여, 3D 프린터에 얻은 형상과 Phantom 형상을 3차원 모델링으로 병합(Merge)하여 X, Y, Z 의 좌표가 있는 임의의 지점에 측정 포인트로 측정하여 그 차이를 비교하였다.
1 mm, 적층 두께는 28 μm(최소 16 μm)까지의 정밀도를 가지고 있다. 원료로는 액체 상태인 광 경화성수지(Photo Sensitive Liquid Polymer)에 광을 조사시켜 한 층씩 적층시켜 3 차원 형상의 구조물(Structure)을 만드는 기술을 적용하였다[12].
의료 영상인 DICOM 파일을 이용하여 3D 프린팅 된 3차원 형상과 동물 뼈 형상표면 차이를 비교하기 위한 실험연구에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험에서 사용된 의료영상은 Digital 영상 표준인 DICOM 영상 파일을 사용하였다. 의료영상 출력물은 3D 모델링된 데이터를 표준 형식의 파일로 저장하는데 제공되는 STL (STereo-Lithography) 파일을 3D 프린터 장치에 적용하여 형상을 출력하였다[13]. 형상의 정밀도는 외형 크기에 의한 시각적 형상비교와 두 형상의 모델링을 병합 후 형상표면의 차이를 정밀하게 비교 측정하고자 하였다.
동물 뼈(피사체)를 이용하여 CT Volume Scan에서 얻은 DICOM 영상을, 3D 프린터가 인식하는 STL 파일로 변환하여 피사체 형상을 출력하였다. 최종적으로 3D프린터에서 출력된 형상과 피사체(Object) 동물 뼈를 동일한 환경에서 3D Scanner로 Data를 수집하여 3차원 모델링으로 형상표면의 동일함을 비교하였다.
의료영상 출력물은 3D 모델링된 데이터를 표준 형식의 파일로 저장하는데 제공되는 STL (STereo-Lithography) 파일을 3D 프린터 장치에 적용하여 형상을 출력하였다[13]. 형상의 정밀도는 외형 크기에 의한 시각적 형상비교와 두 형상의 모델링을 병합 후 형상표면의 차이를 정밀하게 비교 측정하고자 하였다. 앞으로 이러한 형상비교는 인체를 대상으로 하는 것이기에 사용재료의 선택과 더불어 외형의 정밀성은 매우 중요하리라 판단된다.
대상 데이터
[그림 2]는 실험에 사용된 피사체로 그 형상은 앞, 뒤의 넓고 둥근 모양, 장축으로 길게 오목과 둥근 볼록 형태를 가지고 있으며 아래쪽 장축 능선은 불규칙한 형태의 모양으로 되어있다. 그 크기는 91.1 mm x 34.9 mm x 14.7 mm인 소의 동물 뼈를 이용하였다. [그림 3](a)은 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine) 영상을 획득하기 위한 640-multi-slice computed tomography(640 MSCT, Aquilion ONE, TOSHIBA, JAPAN)로 0.
또 여러 단계를 거치면서 디지털 Data의 변환과정들과 그 과정에서 생길 수 있는 오차들이 얼마 정도인지 알아보고자 하였다. 실험에서 사용된 의료영상은 Digital 영상 표준인 DICOM 영상 파일을 사용하였다. 의료영상 출력물은 3D 모델링된 데이터를 표준 형식의 파일로 저장하는데 제공되는 STL (STereo-Lithography) 파일을 3D 프린터 장치에 적용하여 형상을 출력하였다[13].
본 연구에서는 동물 뼈를 사용하는 형상비교 연구에 초점을 맞추다 보니 시간경과에 따른 피사체의 변형을 우려하여 실험과정을 최대한 짧게 하였으며 측정의 신뢰를 위하여 3D Scanning 과정부터 측정까지 국가 공인기관에 의뢰하여 측정 결과 값을 얻었다[14]. 피사체로 사용된 동물 뼈는 소의 갈비뼈를 사용 하였으며 전체적으로 앞, 뒤의 양쪽 면은 넓고 둥근 모양이다. 한 면의 일부는 장축으로 길게 오목형태가 있고 그 반대편 면은 둥근 볼록 형태를 가지고 있었다.
이론/모형
이는 3D 프린터가 광 조사형 방식으로 끝 부분을 적층 융합하는데서 오는 미세한 차이인지, 영상파일 변환관정에서 오는 Data의 오류인지 구분은 어렵지만 본 실험에서는 복합 적인 결과로 추정한다. 또한 측정 포인트에 대한 결과 값[표 1] 으로 한쪽 면에서 상대적으로 더 높은 형상차 이를 나타내는 것 역시, 3D Sanner에서 3차원 Data를 읽어 들이면서 발생한 차이인지, 3D 프린팅 출력과정 또는 영상획득과정에서 오는 차이인지 본 실험에서는 구분이 어렵지만, 연구자는 3D Sanner의 광학식 스캐너에 의한 비접촉식 측정방법(non-contact method)으로[15], Data를 획득하는 과정에서 빛의 분산에서 오는 미세차이로 추정된다. 여하튼 본 실험에서 여러 단계를 거쳐 실험결과를 얻었지만 결과적으로 평균 0.
성능/효과
1. DICOM 파일을 이용한 3D 프린팅 출력물에서 형상표면 차이에 대해 시각적 구분은 어려웠다. 하지만 모델링을 이용한 비교에서는 양쪽 끝단의 중심에서 상대적으로 미세한 차이가 있었다.
2. 3D 프린팅 출력물과 동물 뼈를 동일한 환경에서 얻은 모델링으로 서로 병합하여 임의의 표면에 X, Y, Z 좌표 값으로 측정했을 때 두 형상의 표면 차이는 평균 –0.49 mm 이며, 최대 –0.83 mm 이내에 있었다.
3. 3D 프린팅 출력물의 3차원 형상에서 앞면과 뒷면의 형상표면은 피사체 원본에 비해 균일한 차이가 나타나지 않았는데 이것 역시 3D Sanner에서 3차원 Data를 읽어 들이면서 발생한 차이인지, 3D 프린팅 출력과정 또는 영상획득과정에서 오는 차이 인지 본 실험에서는 구분이 어렵지만, 연구자는 3D Sanner에서 360° Data를 획득하는 과정에서 오는 미세한 차이로 추정한다.
그림에서 보듯이 전체가 동일하게 차이를 나타내지는 않았으며 A001, A002 의 측정 표면보다 그 반대쪽 형상표면에서 더 많은 차이가 나타났다. 또한 표면형상에서 볼록, 가장자리 능선, 가장자리 불규칙 부분, 오목형상의 순으로 차이가 크게 나타났다. 그러나 측정된 4곳의 위치는 최대 0.
또한 측정 포인트에 대한 결과 값[표 1] 으로 한쪽 면에서 상대적으로 더 높은 형상차 이를 나타내는 것 역시, 3D Sanner에서 3차원 Data를 읽어 들이면서 발생한 차이인지, 3D 프린팅 출력과정 또는 영상획득과정에서 오는 차이인지 본 실험에서는 구분이 어렵지만, 연구자는 3D Sanner의 광학식 스캐너에 의한 비접촉식 측정방법(non-contact method)으로[15], Data를 획득하는 과정에서 빛의 분산에서 오는 미세차이로 추정된다. 여하튼 본 실험에서 여러 단계를 거쳐 실험결과를 얻었지만 결과적으로 평균 0.49 mm 이하의 형상표면 차이를 알 수 있었다. 이는 의료 DICOM 영상을 이용한 3D프린터의 출력물에 대한 신뢰성의 판단기준이 될 수 있으며 앞으로 의료영상을 이용한 3D 프린터의 활용 및 적용에 참고자료가 될 수 있으리라 본다.
측정결과 최저 –0.27 mm, 최고 –0.83 mm 의 차이를 나타냈으며, 4개 지점 평균은 –0.49 mm 로 피사체 원본과 3D 프린팅에서 얻은 형상의 평균적 차이는 0.49 mm 이내에 있음을 알 수 있었다.
후속연구
이는 의료 DICOM 영상을 이용한 3D프린터의 출력물에 대한 신뢰성의 판단기준이 될 수 있으며 앞으로 의료영상을 이용한 3D 프린터의 활용 및 적용에 참고자료가 될 수 있으리라 본다. 그러나 본 실험은 사용된 장비의 성능에 따라 다른 결과를 줄 수 있는 여지가 충분하기에 형상 표면 차이에 대한 전체연구를 대변할 수는 없다. 앞으로 좀 더 정교한 Phantom을 이용하여 실험한다면 보다 나은 형상비교 연구가 될 수 있으리라 판단한다.
앞으로 이러한 형상비교는 인체를 대상으로 하는 것이기에 사용재료의 선택과 더불어 외형의 정밀성은 매우 중요하리라 판단된다. 또한 기존의 의료용 3D 프로그램들은 진단에 초점이 맞춰져 있기에 공학용 프로그램들과의 연계성이 아직은 약하나, IT 융합기술 발전에 발맞춰 S/W(Soft Ware)의 호환성을 높이는 Upgrade 가된다면 그 시너지 효과는 매우 높으리라 판단된다. 현재 의료의 임상적용에 있어서 3D 프린터를 활용한 시뮬레이션을 통한 수술 가이드의 제시나 인체장기의 교체 내지 대체에 대한 수요는 필연적으로 높아지리라 생각되며 이 경우에 진단과 동시에 치료를 하는데 역할을 할 수 있는 의료용 3D 프로그램의 발전이 기대된다.
그러나 본 실험은 사용된 장비의 성능에 따라 다른 결과를 줄 수 있는 여지가 충분하기에 형상 표면 차이에 대한 전체연구를 대변할 수는 없다. 앞으로 좀 더 정교한 Phantom을 이용하여 실험한다면 보다 나은 형상비교 연구가 될 수 있으리라 판단한다.
49 mm 이하의 형상표면 차이를 알 수 있었다. 이는 의료 DICOM 영상을 이용한 3D프린터의 출력물에 대한 신뢰성의 판단기준이 될 수 있으며 앞으로 의료영상을 이용한 3D 프린터의 활용 및 적용에 참고자료가 될 수 있으리라 본다. 그러나 본 실험은 사용된 장비의 성능에 따라 다른 결과를 줄 수 있는 여지가 충분하기에 형상 표면 차이에 대한 전체연구를 대변할 수는 없다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
3D 프린터의 장점은?
최근 차세대 기술로 주목 받고 있는 3차원(dimension, D) 프린터는 시제품의 제작비용 및 시간 절감, 다품종 소량생산 및 개인 맞춤형 제작용이, 인건비 및 조립 비용 절감의 장점을 가지고 있다[1]. 3D 프린터는 설계도면에 따라 액체 또는 가루 형태의 폴리머 (수지), 금속 등의 재료를 가공 및 적층 방식으로 쌓아 입체물을 만드는 장비이다[2].
3D 프린터란?
최근 차세대 기술로 주목 받고 있는 3차원(dimension, D) 프린터는 시제품의 제작비용 및 시간 절감, 다품종 소량생산 및 개인 맞춤형 제작용이, 인건비 및 조립 비용 절감의 장점을 가지고 있다[1]. 3D 프린터는 설계도면에 따라 액체 또는 가루 형태의 폴리머 (수지), 금속 등의 재료를 가공 및 적층 방식으로 쌓아 입체물을 만드는 장비이다[2]. 3D 프린팅 기술은 디지털 데이터로부터 직접적인 생산이 가능하기 때문에 맞춤형 소량생산 제품 활용에 매우 효과적이다[3].
3D 프린팅 기술이 갖는 특징은?
3D 프린터는 설계도면에 따라 액체 또는 가루 형태의 폴리머 (수지), 금속 등의 재료를 가공 및 적층 방식으로 쌓아 입체물을 만드는 장비이다[2]. 3D 프린팅 기술은 디지털 데이터로부터 직접적인 생산이 가능하기 때문에 맞춤형 소량생산 제품 활용에 매우 효과적이다[3]. 이러한 3D 프린팅은 산업의 여러 분야에 응용되면서 그 기술이 날로 발전되고 있으며, 인체의 진단에 이용되는 의료영상과 융합하여 그 시너지를 높여가고 있다.
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