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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 영상해부학 교육에 필요한 인체 모사 조형물을 3D 프린팅으로 출력한 사례를 보고하고자 하였다.
- 본 연구에서는 영상해부학의 효율적인 교육을 위해 3D 프린팅 기술을 이용하여 인체 모사 조형물을 성공적으로 출력하였다. 기존의 산업용 인체 모사조형물보다 저렴하면서 거부감 없이 수업 기자재로 활용할 수 있었다.
- 본 연구에서는 최근 활발히 활용되고 있는 3D프린팅 기술을 이용하여 입체 인체 모사 조형물을 제작하였다. 3D 프린팅 기술은 전문 모델러 프로그램으로 필요한 조형물을 상상하여 모델링하는 데이터와 실물을 기반으로 스캔 기법을 통해 역설계방법으로 모델링된 데이터로 다양한 소재를 이용하여 적층가공(additive manufacturing, AM)방식으로 제조하는 생산기법이다.
제안 방법
- 간은 인체 장기 중 가장 큰 해부학 구조물로서 내부 충전을 10%로 설정하여 출력하였다. 경추는 5, 6, 7번을 제외한 1번부터 4번까지 몸체를 각각 분할 출력하여 각 경추별 구조적특성을 나타냈다. 요추는 1번부터 5번까지 몸체를 중심으로 좌, 우측으로 분할 출력하였다.
- 4와 같이 수평은 사각형태의 출력판의 중앙부위와 네 모서리 부위의 바닥면에 대한 노즐의 간격을 동일하게 하여 교정하였다. 그리고 노즐의 온도를 210℃, 출력판의 온도를 60℃로 가온된 후 내부 충전율에 따라 조형물을 출력하였다.
- 후두는 방패목뿔막(thyrohyoid membrane), 후두덮개(epiglottis), 갑상연골(thyroid cartilage), 후두융기(laryngeal prominence),반지연골(cricoid cartilage), 기관연골(cartilaginestracheales) 등이 얇은 판 형태로 역설계되어 있어 내부 충전을 100%하여 견고성을 강화하였다. 무릎은 대퇴골 하부와 경골(tibia), 비골(fibula)의 상부 그리고 무릎뼈(patella) 세 뼈가 조합되어 무릎관절을 구성하게 하였다. 두개골은 간과 유사하게 한 덩어리의 조형 형태를 가지고 있어 내부 충전을 10%로 설정하여 출력하였다.
- 엉덩뼈와 대퇴골은 오른쪽 부위를 출력하였으며 대퇴골은 대전자(greater trochanter)와 소전자(lesser trochanter)를 포함한 상위 부분만을 출력하여 고관절을 구성하였다. 상완골과 견갑골은 왼쪽부위를 대상으로 출력하여 어깨관절을 구성하였다. 후두는 방패목뿔막(thyrohyoid membrane), 후두덮개(epiglottis), 갑상연골(thyroid cartilage), 후두융기(laryngeal prominence),반지연골(cricoid cartilage), 기관연골(cartilaginestracheales) 등이 얇은 판 형태로 역설계되어 있어 내부 충전을 100%하여 견고성을 강화하였다.
- 심장은 내부 충전을 10%로 설정하고 좌, 우측으로 분할 출력하여 대동맥판(aorticvalue)과 폐동맥판(pulmonary value)이 묘출되게 하였다. 심장과 연결된 대동맥과 폐혈관은 내부가 비어있게 역설계가 되어 있어 서포트를 제거하는 후처리를 실시했다. 간은 인체 장기 중 가장 큰 해부학 구조물로서 내부 충전을 10%로 설정하여 출력하였다.
- [17] 본 연구에서는 임상에서 적용하던 3D 프린팅 기술을 교육현장에 적용할 수 있도록 다양한 인체 모사 조형물을 출력하였다. 심장은 내부 충전을 10%로 설정하고 좌, 우측으로 분할 출력하여 대동맥판(aorticvalue)과 폐동맥판(pulmonary value)이 묘출되게 하였다. 심장과 연결된 대동맥과 폐혈관은 내부가 비어있게 역설계가 되어 있어 서포트를 제거하는 후처리를 실시했다.
- 요추는 1번부터 5번까지 몸체를 중심으로 좌, 우측으로 분할 출력하였다. 엉덩뼈와 대퇴골은 오른쪽 부위를 출력하였으며 대퇴골은 대전자(greater trochanter)와 소전자(lesser trochanter)를 포함한 상위 부분만을 출력하여 고관절을 구성하였다. 상완골과 견갑골은 왼쪽부위를 대상으로 출력하여 어깨관절을 구성하였다.
- 두 번째 단계는 모델링 데이터를 3D 프린터 출력 크기에 맞게 조형물의 크기를 조절하고 입체 모델링을 아주 얇은 단층면으로 평면화 작업(slicingprocessing)과 출력노즐의 경로화 설계를 위한G-code 변환단계이다. 이를 위해서 아래 Fig. 3과같이 Ultimaker사의 오픈소스 Cura 엔진을 기반으로 개발된 3D 프린터 제조사의 전용 소프트웨어를 사용하였다.
- 인체 장기 조형물의 입체 출력은 용융적층방식(fuseddeposition modeling, FDM)의 개인용 3D 프린터(Sindoh, DP 200, Korea) 장비를 이용하였다. FDM방식은 가느다란 실형태의 필라멘트 고체소재를 녹여서 쌓는 3D 프린팅 기술로 소재는 폴리락트산(polylacticacid, PLA)을 사용하였다.
- 뇌혈관의 후교통동맥(posteriorcommunicating artery, P-COM)의 경우는 매우 얇은 혈관두께를 가지고 있어 100%로 내부 충전하여 출력하였다. 폐동맥도 마차가지로 끝단으로 분지될수록 혈관의 굵기는 얇아져 후처리 시 끊어지는 사례가 있기 때문에 내구성을 강화시키기 위해 100%충전하여 출력하였다. 안구는 구조물이 작아서 혈관과 동일하게 100%로 내부 충전하였다.
대상 데이터
- 안구는 구조물이 작아서 혈관과 동일하게 100%로 내부 충전하였다. 골미로(bony labyrinth)는 전정(vestibule), 골반규관(bonysemicircular canal) 및 와우(cochlea)의 세부분으로 구성되었으며 이 중 와우는 얇은 구조로 되어 있어 내부를 100% 충전하여 출력하였다. 대동맥은 대동맥판을 시작으로 대동맥궁에 분지되는 오른빗장밑동맥(right subclavian artery), 오른온목동맥(right commoncarotid artery), 왼온목동맥(left common carotidartery), 왼빗장밑동맥(left subclavian artery)을 포함하여 복부대동맥의 복강동맥(celiac trunk), 콩팥동맥(renal artery), 위창자간막동맥(superior mesentericartery, SMA)까지 구성되었으며 동맥류(aneurysm)질환이 묘출되어 출력되었다.
- 본 연구에서 출력된 인체 모사 조형물은 [Fig. 6]과 같이 뼈 모사 조형물인 경추(cervical spine), 요추(lumbar spine), 엉덩뼈(ischium), 대퇴골(femur), 상완골(humerus), 견갑골(scapula), 후두(larynx), 무릎(knee), 두개골(skull), 발(foot), 발목(ankle), 천골(sacrum), 접형골(sphenoid), 골미로(bony labyrinth) 등14 종류와 내부 연부조직 모사 조형물인 심장(cardiac), 간(liver), 안구(eye ball) 등 3 종류, 그리고 혈관 모사 조형물인 폐동맥(pulmonary artery), 뇌혈관(cerebrovascular), 대동맥(great vessels) 등 3 종류로 총 20 가지를 성공적으로 출력하였다. Table 2와 같이 인체 모사 조형물 중 대형 단일 덩어리 형태인간과 심장 그리고 큰 뼈들은 내부 충전을 10%, 소형조형물인 안구와 골미로 그리고 혈관 모사 조형물인 경우에는 얇은 조형물의 특성을 고려하여 100% 내부 충전으로 출력하였다.
- 첫 번째 단계는 인체 장기를 컴퓨터단층영상(computedtomography, CT)나 자기공명영상(magnetic resonanceimaging, MRI) 등으로 획득된 데이터를 역설계하여 모델링하는 단계이다. 본 연구에서는 인테넷에서 공개된 무료 사이트를 통해 stereolithography (STL)파일의 모델링 데이터를 수집하였다.[10-12]
- 인체 모사 조형물을 활용한 수업은 영상해부학을 기본으로 하는 방사선영상학 및 3차원 의료영상학이었다. 학습만족도 조사대상은 이 두 과목을 수강한 모든 남, 여 대학생 36명 (남: 16명, 여: 20명)을 전수 대상으로 설문 조사하였다. 설문 조사내용은 해부학 인지도의 3개 문항(Q1.
데이터처리
- )에 대해서 매우 불만족 1점, 매우 만족 5점 순의 리커트 5점 척도로 조사하였다. 설문을 통해 수집된 자료는 Microsoft office excel 2007을 사용하여 대상자들의 해부학 인지도와 수업흥미도에 대해 기술통계 및 빈도분석을 실시하였다.
성능/효과
- 3D 프린팅 기술은 적층방식으로 기존의 절삭가공(subtractive manufacturing, SM) 방식보다는 제작 시간이 많이 소요되는 단점이 있지만 대동맥에서 묘출된 불규칙적인 동맥류를 보여준 것처럼 개별화된 다양한 형태에 맞게 출력할 수 장점을 가지고 있다. 또한 총 소모된 재료량은 2,390.2g로 재생 필라멘트(700g)가 약 3.4개 소모되었다. 본 연구에서 사용된 3D 프린터 장비를 기준으로 약 15만원의 재료비가 지출되어 경제적으로 매우 비교우위에 있다고 판단된다.
- 4개 소모되었다. 본 연구에서 사용된 3D 프린터 장비를 기준으로 약 15만원의 재료비가 지출되어 경제적으로 매우 비교우위에 있다고 판단된다. 그러나 이는 수치상의 계산이며 실제 출력 시에는 필라멘트가 미량으로 남은 경우 연속적으로 사용 못하는 제한점이 실 사용량을 증가시키지만 기존 상업용 해부학 구조물에 비해서는 월등히 저렴한 비용이다.
- 그러나 같은 뼈 조직인 접형골은 얇은 판 형태로 100% 내부충전으로 출력하였다. 일반적으로 3D 프린팅을 할때 내부 충전을 30~40% 정도로 충전하지만 본 연구에서는 단일 큰 덩어리 형태의 구조물들은 10%로 채워 소재의 소비와 출력시간을 최소화하였다. 출력된 인체 모사 조형물들은 기능적인 활용보다는 육안적인 관찰용으로 활용할 목적이기 때문에 큰 문제없이 성공적으로 출력할 수 있었다.
- 본 연구에서도 대퇴골의 경우 실제 크기를 온전히 출력하지 못하고 상위 부위만 출력하였다. 최종 출력된 인체 모사 조형물을 이용하여 방사선영상학 및 3차원 의료영상학 수업에 활용한 결과 인체 구조물에 대한 거부감 없이 형태학적 이해도를 증가시켰으며 3D 프린터 출력물에 대한 흥미 유발로 인해 학습 참여도를 높일 수 있었다. 그러나 단색으로 출력되는 한계점은 도색기술 등을 적용하여 극복해야 할 점이다.
- 해부학 구조물에 대한 인지도 3개 문항의 리커트5점 척도 결과는 평균 4.6 점, 수업흥미도는 평균4.5 점으로 조사되어 인체 모사 조형물 활용 만족도는 높은 것으로 나타났다.
후속연구
- 그러나 단색으로 출력되는 한계점은 도색기술 등을 적용하여 극복해야 할 점이다. 그럼에도 불구하고 3D 프린팅은 상대적으로 저렴한 재료비용과 맞춤형 출력이 가능하여 다양한 인체 해부학 구조물을 제작할 수 있어 영상해부학을 교육하는데 매우 유용한 기술로 활용될 수 있으리라 기대한다.
- 기존의 산업용 인체 모사조형물보다 저렴하면서 거부감 없이 수업 기자재로 활용할 수 있었다. 앞으로 3D 프린팅의 맞춤형 출력은 다양한 질환에 대한 구조물을 제작하여 심도 있는 교육에 활용할 수 있으리라 기대한다.
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