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의료 영상을 이용한 인체 골 모형 제작의 3차원 프린팅 시스템 개발

Development of 3D Printing System for Human Bone Model Manufacturing Using Medical Images

방사선기술과학 = Journal of radiological science and technology, v.40 no.3, 2017년, pp.433 - 441  

오왕균 (충청북도 청주의료원 영상의학과)

초록
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골 모델제작에 사용되는 3차원 프린팅 선택적 레이저 소결(selective laser sintering; SLS) 방식과 광 경화 조형(stereo lithography apparatus; SLA) 방식은 정밀도와 해상도는 좋으나 프린터가 고가이며 운용에 전문지식이 필요하고, 전산화단층 DICOM(digital imaging and communications in medicine)영상을 STL(stereolithography)로 변환하는 프로그램도 고가여서 3차원 프린팅 업체에서 모델을 제작하여 많은 시간과 비용이 소요되므로 일반적으로 골절수술에 사용하지 못하고 있다. 골절환자의 골 모델을 제작하려면 3차원 영상변환프로그램과 3차원 프린팅시스템의 사용이 편리하고 구입 및 운용비용이 저렴해야 하며 큰 골 모델제작이 가능하여야 수술에 사용할 수 있다. 이에 본 연구에서는 DICOM Viewer OsiriX와 와이어형태의 열가소성 재료를 사용하는 용융적층조형(Fused Deposition Modeling; FDM) 방식의 3차원 프린터를 이용하여 출력 크기에 제한이 없고 적은 비용으로 유지와 제작을 할 수 있도록 일반화하여 많은 병원에서 골절수술에 사용할 수 있도록 골절수술환자의 맞춤형 골 모델을 제작할 수 있는 3차원 프린팅 시스템을 개발하였으며 정형외과학의 교육, 연구, 진료의 전 분야에 걸쳐 광범위하게 응용될 것으로 예상되며, 대학병원뿐 아니라 일반병원에서도 편리하게 사용될 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The 3D printing selective laser sintering (SLS) and stereo lithography apparatus (SLA) method used for bone model production has good precision and resolution, but the printers are expensive and need professional knowledge for operation. The program that converts computed tomography digital imaging ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 정형외과 환자의 수술에서는 방사선 검사 장비와 투시용 장치를 사용하여 수술 진행 상황을 수시로 확인하고 있다[7]. 이에 본 연구에서는 전산화단층영상을 이용하여 정형외과 골절수술 대상 환자의 맞춤형 골 모델 제작을 위한 삼차원 프린팅 시스템을 개발하여 골절된 골의 모델을 제작하여 사전수술계획과 고정용 도구를 결정하는데 활용할 수 있도록 하였다. 또한 제안된 시스템에서는 제작 크기의 제한으로 한 번에 제작하지 못하는 크기의 골모델이 있었다.
  • 한 번에 출력할 수 있는 최대크기는 150 mm × 150 mm × 140 mm로 제한적 크기 이상의 140 mm 이상의 골 모델을 제작하는데 제안된 방법은 STL파일을 분할하고 각각 출력한 후 접합하여 완성하는 방법으로 제작하였다. 출력 크기에 제한이 없고 적은 유지비용과 제작비용으로 사용이 가능하도록 골절수술 환자의 맞춤형 골 모델제작을 위한 3차원 프린팅 시스템을 개발하여 제작한 모델을 수술 전 임상의에게 제공하여 골절의 정확한 진단과 수술계획에 활용할 수 있는지의 가능성을 알아보고 임상적 유용성을 확인하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수술의 효율성을 높이기 위한 연구 분야는 어떤 것들이 있는가? 정형외과영역에서는 수술의 효율성을 높이기 위해 수술시간과 수술 중 방사선 조사시간 단축, 수술의 안정성과 정확성 개선, 환자에 대한 수술위험 성과 고통감소 및 수술의 오류 발생에 의한 재수술을 최소화 하기 위한 다양한 수술방법들이 개발되고 있다[3]. 이에 관련된 연구 분야로 전산화단층영상을 이용한 쾌속 조형공정으로 제작된 실물형상의 골절된 골 모델을 사전 수술계획수립, 치아 보철기법연구 및 수술교육에 반영하여 환자 실제 수술시 효율을 높이는 많은 연구가 진행되고 있다[7-9,13]. 골 모델 제작의 3차원 프린팅 선택적 레이저소결(selective laser sintering; SLS) 방식은 분말재료를 접착제를 분사하거나 레이저를 조사하여 제작하는 방법으로 해상도와 정밀도는 좋으나 프린터 가격이 고가이고 운용에 전문지식이 필요하다.
3차원 프린팅이란? 3차원 프린팅은 제품을 제조하는 방식의 하나로 소재를 한층씩 쌓는 방식이다. 일반적으로 사용되는 종이 프린터가 저장된 사진과 문서에 따라서 잉크를 분사하여 출력하는 것과 같이 3차원 프린터는 디지털화된 3차원 제품디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 재료를 한 층씩 출력하면서 적층하는 방식이다. 재료를 외부에서부터 깎거나 절단하는 생산방식을 절삭제조(Subtractive manufacturing)라고 하고, 3차원 프린팅은 재료를 한 층씩 쌓아올리는 방식이기 때문에 적층제조(Additive manufacturing)라 한다[1].
3차원 프린팅이 사용되는 분야와 장점은 무엇인가? 재료를 외부에서부터 깎거나 절단하는 생산방식을 절삭제조(Subtractive manufacturing)라고 하고, 3차원 프린팅은 재료를 한 층씩 쌓아올리는 방식이기 때문에 적층제조(Additive manufacturing)라 한다[1]. 3차원 프린팅은 의료, 생명공학, 산업, 교육, 건축, 디자인 등의 다양한 분야에서 사용되고 있으며 기존의 절삭가공보다 제작과 정과 시간단축, 비용측면에서 매우 효율적이다[2,3]. 전산화 단층영상을 기반으로 쾌속조형 공정을 이용한 기법연구는 1992년 언청이(Cleft palate) 인체모델을 광 경화 조형(Stereo Lithography Apparatus, SLA) 방식으로 제작한 것부터 시작되었다[4].
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참고문헌 (15)

  1. Kulkarni, P., Marsan, A., & Dutta, D., "A review of process planning techniques in layered manufacturing," Rapid Prototyping Journal, Vol. 6, No. 1, pp. 18-35, 2000. 

  2. Brown, G. A., Milner, B, & Firoozbaksh, K., "Application of computer-generated stereolithography and interpositioning template in acetabular fracture a report of eight case," J Orthop Trauma, Vol. 16, No. 5, pp. 347-352, 2002. 

  3. Ahn, D. G., Lee, J. Y., Yang, D. Y., et al., "Investigation into the Development of Technology for Orthopeadic Surgery Utilizing Reverse Engineering and Rapid Prototyping Technology," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 21, No. 6, pp. 188-196, 2004. 

  4. Stocker, N. G., Mankovitch, N. J., & Valention, D., "Stereoligthographic models for surgical planning-preliminary report," Journal of Oral & Maxillofacial Surgery, Vol. 50, No. 5, pp. 446-471, 1992. 

  5. Web, P. A., "A review of rapid prototyping (RP) techniques in the medical and biomedical sector," Journal of Medical Engineering & Technology, Vol. 24, No. 4, pp. 149-153, 2009. 

  6. Sanghera, B., Naique, S., Papaharilaou Y., et al., "Preliminary study of rapid prototypes medical models," Rapid Prototyping Journal, Vol. 7, No. 5, pp. 275-284, 2001. 

  7. Sohn, H. M., Lee, J. Y., Ha, S. H., et al., "Rapid Prototyping Assisted Orthopaedic Fracture Surgery : A Case Report," Journal of the Korean Orthopedic Association, Vol. 39, No. 7, pp. 845-848, 2004. 

  8. Honiball, J. R., "The Application of 3D Printing in reconstructive surgery," Dissertation presented in fulfilment of the requirements for the degree MscIng in Industrial Engineering at the University of Stellenbosch, South Africa, 2010. 

  9. Frame, M., & Huntley, J. S., "Rapid Prototyping in Orthopaedic Surgery: A User's Guide," The Scientific World Journal, Vol. 2012, 2012. 

  10. Oh, W. K., Lim, K. S., & Lee, T. S., "Additive Manufacturing of Patient specific Femur Via 3D Printer Using Computed Tomography Images," Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 7, No. 5, pp. 359-364, 2013. 

  11. Oh, W. K., "Evaluation of Usefulness and Availability for Orthopedic Surgery using Clavicle Fracture Model Manufactured by Desktop 3D Printer," Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 37, No. 3, pp. 203-209, 2014. 

  12. Oh, W. K., "Customized Model Manufacturing for Patients with Pelvic Fracture using FDM 3D Printer," The Journal of the Korea Contents Association, Vol. 14, No. 11, pp. 370-377, 2014. 

  13. Kim, H. G., "A Novel Modeling Method for Manufacturing Hearing Aid Using 3D Medical Images," Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 39, No. 2, pp. 257-262, 2016. 

  14. http://www.osirix-viewer.com/ 

  15. Seoung, Y. H., "Comparison of Hounsfield Units by Changing in Size of Physical Area and Setting Size of Region of Interest b y Using the CT Phantom Made with a 3D Printer," Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 38, No. 4, pp. 421-427, 2015. 

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