[논문]치과 진료실에서 3D 프린트의 활용

김현동

doi:10.15522/jkaed.2018.27.2.82

치과 진료실에서 3D 프린트의 활용
Application of 3D printer in dental clinic 원문보기

Journal of the Korean Academy of Esthetic Dentistry = 대한심미치과학회지, v.27 no.2, 2018년, pp.82 - 96

김현동 (서울스마트치과의원)

초록
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3D 프린팅은 삼차원 이미지 정보를 이용하여 레이어로 분할한 후 선택한 소재를 적층하여 가공하는 방법을 말한다. 소재를 적층하는 방법에 따라 다양한 종류의 3D 프린팅이 존재하는데 최근 치과분야에서는 SLA방식과 DLP방식으로 광원을 이용한 경화를 통해 적층 가공하는 3D 프린팅이 널리 보급되어 사용되고 있다. 전악 범위의 3D프린팅 치과용 모델은 전통적인 인상 채득으로 제작된 스톤모델보다는 다소 정확성이 부족한 것으로 보고되었으나, 같은 STL파일을 이용하여 4분악 범위를 3D 프린팅한 모델은 밀링 방법으로 가공한 모델보다 정확하였다. 디자인 소프트웨어의 활용도에 따라 보철치료의 진단, 임시 보철물의 제작, 의치의 제작이 가능하였다. 교정에서는 투명 교정 모델과 브라켓 간접 부착을 위한 트레이 제작이 가능하였다. 임플란트 수술에 있어서 CT를 기반으로 한 정확한 위치에 임플란트를 식립하는 가이드 제작에 활용하고 있다. 출력 방식의 발전으로 인하여 3D 프린터의 출력시간이 계속적으로 단축되고 있으며, 이로 인해 치과 진료실 내에서 3D 프린터가 기존의 전통적인 가공 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

3D printing is a process of producing 3d object from a digital file in STL format by joining, bonding, sintering or polymerizing small volume elements by layer. The various type of 3d printing is classified according to the additive manufacturing strategies. Among the types of 3D printer, SLA(StereoLithography Apparatus) and DLP(Digital Light Processing) 3D printer which use polymerization by light source are widely used in dental office. In the previous study, a full-arch scale 3d printed model is less precise than a conventional stone model. However, in scale of quadrant arch, a 3d printed model is significantly precise than a five-axis milled model. Using $3^{rd}$ Party dental CAD program, full denture, provisional crowns and diagnostic wax-up model are fabricated by 3d printer in dental office. In Orthodontics, based on virtual setup model, indirect bracket bonding tray can be generated by 3d printer. And thermoforming clear aligner can be fabricated on the 3d printed model. 3D printed individual drilling guide enable the clinician to place the dental implant on the proper position. The development of layer additive technology enhance the quality of 3d printing object and shorten the operating time of 3D printing. In the near future, traditional dental laboratory process such as casting, denture curing will be replaced by digital 3D printing.

주제어

표/그림 (21)

표 Table 1. 3D 프린터의 원리에 따른 분류
그림 Fig. 1. (A) FDM 방식 3D 프린터의 원리 (B) FDM 방식으로 3D 프린팅한 결과물
그림 Fig. 2. (A) Polyjet 방식 3D 프린터의 원리 (B) Polyjet 방식으로 3D 프린팅한 결과물
그림 Fig. 3. (A) SLA 방식 3D 프린터의 원리 (B) SLA 방식으로 3D 프린팅한 결과물 (cited on https://www.3dnatives.com/en/stereolithography-explained100420174/)
그림 Fig. 4. (A) DLP 방식 3D 프린터의 원리 (B) DLP 방식으로 3D 프린팅한 결과물 (cited on http://www.zenith3d.co.kr/content/01products/01_07.php#none)
그림 Fig. 5. (A) SLS 방식 3D 프린터의 원리 (B) SLS 방식으로 3D 프린팅한 결과물 (cited on https://3dprintingindustry.com/news/graphite-additive-manufacturing-tell-3d-printing-invest-sls-3d-printer-126826/)
그림 Fig. 6. Direct Metal Printing 방식으로 3D 프린팅한 (A) denture metal framework (B) Crown and Bridge metal coping (cited on http://www.machiningnews.com)
표 Table 2. 치과용 3D printing 소재(cited on www.nextdent.com, www.formlabs.com, www.zenithd.co.kr, www.springray.com)
그림 Fig. 8. Milling방식과 프린터 출력방식의 정확성 비교 (A) Milling 가공물의 중첩 결과 (B) 3D 프린터의 출력 결과
그림 Fig. 7. (a) Stone model by Conventional method (b) digital model (c) 3D printed model
그림 Fig. 9. 지르코니아 또는 메탈 abrader를 이용하여 (왼쪽)3D 프린터 레진 (가운데) 밀링된 레진 (오른쪽) 자가중합형 레진의 wear volume loss의 비교
그림 Fig. 10. (왼쪽) 최소 출력 가능한 단위를 10㎛부터 200㎛까지 디자인한 모델을 (오른쪽) 클리어 레진 블록 형태로 출력하여 XY 해상도를 확인한다.(cited on www.formlabs.com)
그림 Fig. 11. (A) X, Y, Z축 제원을 가진 cube design (B) 보정작업을 위해 출력된 cube의 실제 측정 (cited on www.all3dp.com)
그림 Fig. 12. (A) 최종보철물 형태를 소프트웨어 상에서 디자인 (B) mock-up 가이드를 디자인함 (C) 탄성이 있는 출력소재로 mock-up 가이드 출력
그림 Fig. 13. (A) mesh형태의 치아형성 전, 치아형성 후 디지털 모델을 중첩하여 (B) 두 mesh의 차이부분을 상쇄하게 되면, 임시치아 디자인 생성됨 (C) 광경화 레진으로 출력 후 구강내에 시적한 모습
그림 Fig. 14. (A) 상하악 인상체와 상하악 악관관계를 스캔 (B) Exocad 소프트웨어 상에서 치은형성 및 인공치 배열 (C) 치은 베이스만 구분해서 출력하기 위한 디지털 모델 파일 (D) 인공치부분을 별도로 출력하여 베이스 출력 부분과 결합 (cited on www.exocad.com)
그림 Fig. 15. (왼쪽) DICAO(Dentis) 소프트웨어를 이용하여 Virtual Setup을 하는 과정 (오른쪽) 단계별로 제작된 모델을 출력하여 진공성형기로 투명교정장치를 제작한 모습
그림 Fig. 16. (A) Suresmile(Densply Sirona) 소프트웨어를 이용하여 IDB tray를 디자인하는 과정 (B) 기성 브라켓을 IDB tray상에 고정하여 환자에게 부착하기 위해 준비된 모습 (cited on www.suresmile.com)
그림 Fig. 17. Dentiq guide(Dentis) 소프트웨어를 이용하여 (A) 스캔데이터와 CT데이터를 정합 (B) 임플란트 위치 선정 (C) 드릴링 키트와 호환되도록 가이드 디자인 (D) 치아지지가 아닌 연조직지지 완전무치악의 경우 필요한 별도의 고정 anchor 모식도
그림 Fig. 18. (A) 골결손부에 환자맞춤형으로 bone scaffold를 3D 프린팅 (B) 치조골 이식을 위해 환자맞춤형 타이타늄 mesh 3D 프린팅
그림 Fig. 19. (A) Carbon 3D사의 CLIP 방식 3D 프린터 (B) CLIP 출력 방식의 개념

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

3D 프린터를 출시하고 있는 회사에서는 치과 임상에 사용 가능한 광경화성 레진 소재들을 다양한 용도 목적에 맞춰 공급하고 있다. 치과 임상에서 요구되는 물리적인 성질(굴곡 강도, 경도 등)의 최소 요구사항을 충족하고 있는 각 업체의 용도별 3D 프린터용 소재를 표로 정리해보았다.
현재 치과 클리닉에서 응용 가능한 3D 프린팅의 활용 사례 및 방안을 정리해보고, 앞으로의 발전 방향에 대해 이야기해보고자 한다.

제안 방법

3Shape사의 구강 스캐너를 이용하여 디지털 인상을 채득한 후 그 3D 모델상에 치료하고자 하는 목표의 진단 모형을 디자인한 후 이를 바탕으로 3Shape CAD 프로그램상의 “appliance position guide” 기능을 이용하여 guide를 디자인하였다.
Maestro 3D, SureSmile 및 DICAO 등의 프로그램을 이용한 투명교정 장치 디자인 방법과 동일하게 디지털 셋업 모델을 계획한 뒤 이에 적합하게 브라켓을 배열한다. 계획한 그대로 구강 내에서 브라켓을 부착할 수 있는 간접 부착 트레이를 제작 디자인할 수 있다.
3D 프린터의 출력과정은 다음과 같다. 구강 정보를 스캐닝하여 디지털 형태의 모델로 제작한 후 이를 3rd party CAD 소프트웨어를 이용하여 제작하고자 하는 형태(크라운, 의치, surgical stent)로 디자인한다. CAD로 디자인한 파일을 3D프린터로 출력하기 위해서는 입체의 정보를 출력 단면으로 나누어 변환하는 것이 필요한데, 이를 슬라이싱이라고 한다.
기존의 방법대로 석고 모델을 제작한 것(Honigum Light Body, Heavy Body, DMG)과 디지털 인상(CS3500, Carestream Dental)을 통해 채득한 디지털 모델과 3D 프린팅(3Dent, EnvisionTEC, DLP방식)으로 제작한 레진 모델의 정확성을 비교하였다. 원 모형을 스캐닝(Comet L3D, Carl Zeiss)하여 세가지 방법의 모델을 디지털상에 각각 중첩(Geomagic Verify, 3D systems)하여 일치도를 비교하였다.
기존의 레이어별로 적층이 이루어지기 위해 Z축으로 플랫폼이 수차례 이동을 반복해야하는 과정을 생략한 것이 특징이다. 기존의 방법으로 3시간 정도 소요되는 출력물을 동일 품질로 6분여 시간으로 출력하는 성과를 이루어냈다. 서포터 제거 등의 출력 후 처리 과정을 간편하게 만든 것도 전체 출력 시간의 단축에 기여하고 있다.
정합된 데이터를 바탕으로 신경관 등의 해부학적인 위험 요소들을 고려하여 최종 식립하고자 하는 임플란트의 위치를 결정한다. 사용하고자 하는 가이드 드릴의 호환성을 고려하여 가이드 슬리브의 위치 및 형태를 결정하여 최종적으로 가이드를 디자인하고, 이를 3D 프린터로 출력 가능한 파일로 변환하여 3D프린터로 출력한다. 광경화 레진으로만 출력된 출력물에 별도의 메탈슬리브를 접착하여 가이드 드릴의 안정성을 높이기도 한다.
인상을 채득한 트레이를 이용 기존의 왁스림 제작 방법대로 수직 고경을 설정하여 상하악 악관관계를 채득하고, 추가적으로 고딕아치를 이용하여 수평적인 악간 관계 채득하기도 한다. 상, 하악 인상체와 상하악 악관관계 정보를 모델 스캐닝을 이용하여 디지털 무치악 모델을 만든 후 Exocad, 3Shape CAD 등의 소프트웨어 상에서 인공치의 배열, 치은부의 형성을 디자인한다. 의치의 기저부와 인공치부분은 각각의 소재로 출력하여 후가공 후 치아와 치은부를 접착하거나, 또는 치아색으로 의치 전체를 출력한 후 치은부 협면을 Cutback하고 치은색의 레진으로 커버하여 제작 완성하기도 한다.
기존의 방법대로 석고 모델을 제작한 것(Honigum Light Body, Heavy Body, DMG)과 디지털 인상(CS3500, Carestream Dental)을 통해 채득한 디지털 모델과 3D 프린팅(3Dent, EnvisionTEC, DLP방식)으로 제작한 레진 모델의 정확성을 비교하였다. 원 모형을 스캐닝(Comet L3D, Carl Zeiss)하여 세가지 방법의 모델을 디지털상에 각각 중첩(Geomagic Verify, 3D systems)하여 일치도를 비교하였다. 본 실험의 결과로는 아직 기존 방법과 디지털 인상에 비해 그 정확도가 유의적인 범위에서 부족한 것으로 나타났다.
3Shape사의 구강 스캐너를 이용하여 디지털 인상을 채득한 후 그 3D 모델상에 치료하고자 하는 목표의 진단 모형을 디자인한 후 이를 바탕으로 3Shape CAD 프로그램상의 “appliance position guide” 기능을 이용하여 guide를 디자인하였다. 이를 DLP방식의 3D 프린터(Form 2 Printer, Formlab)에서 flexible한 광경합성 레진 소재 (FLFLGR02 resin, black, black color, Formlab)을 이용하여 mock up guide를 출력하였다.
무치악의 디지털 인상은 아직까지 한계점이 있으므로, 기존의 방법대로 무치악 개인트레이를 이용하여 인상을 채득한다. 인상을 채득한 트레이를 이용 기존의 왁스림 제작 방법대로 수직 고경을 설정하여 상하악 악관관계를 채득하고, 추가적으로 고딕아치를 이용하여 수평적인 악간 관계 채득하기도 한다. 상, 하악 인상체와 상하악 악관관계 정보를 모델 스캐닝을 이용하여 디지털 무치악 모델을 만든 후 Exocad, 3Shape CAD 등의 소프트웨어 상에서 인공치의 배열, 치은부의 형성을 디자인한다.

데이터처리

대게 녹색이 두 스캔 데이터 상의 차이가 거의 없음을 나타내는 것이고 파란색은 함몰, 빨간색은 돌출을 의미한다. 또한 통계분석적으로는 기준좌표에서의 일치도를 비교하는 RMS(Root Mean Square)값을 계산하여 사용한다. 통계적으로 RMS 값이 작을수록 거의 원본과 일치함을 의미한다.

성능/효과

3D 프린터로 출력된 레진을 지르코니아 대합치 또는 메탈 대합치로 설정하여 마모도를 측정한 시험에서 같은 조건일 때 milling 방법으로 제작된 레진과 자가 중합형 레진의 마모도와는 유의적인 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 임시치아 또는 스플린트 등의 구강 내에 장착되는 장치로서의 내구성부분은 양호할 것으로 사료된다.
STL 형식의 같은 디지털 모델 정보를 PMMA 블록을 이용하여 5축 밀링기로 가공한 모델과 SLA방식의 3D 프린터로 출력한 모델을 데스크탑 스캐너를 이용하여 다시 디지털 인상 채득하여 소프트웨어 상에서 중첩 비교시에 디지털 인상 후 Milling 방법보다 3D 프린터 출력이 유의미한 범위에서 더 적은 오차를 나타내었다.
원 모형을 스캐닝(Comet L3D, Carl Zeiss)하여 세가지 방법의 모델을 디지털상에 각각 중첩(Geomagic Verify, 3D systems)하여 일치도를 비교하였다. 본 실험의 결과로는 아직 기존 방법과 디지털 인상에 비해 그 정확도가 유의적인 범위에서 부족한 것으로 나타났다.

후속연구

이미 bone scaffold를 환자의 골결손부에 맞춤형으로 제작하여 이식하는 방법이 제안되어 상용화를 앞두고 있다. 또한 타이타늄 메쉬도 환자의 치조골 형태에 맞게 3D 프린팅이 가능해 졌으며, 이를 통해 치조골 재생술을 보다 용이하게 시행할 수 있을 것으로 기대된다.
서포터 제거 등의 출력 후 처리 과정을 간편하게 만든 것도 전체 출력 시간의 단축에 기여하고 있다. 아직은 고가의 비용으로 상용화되기 어려운 측면이 있지만 조만간 비용적인 부분의 문제를 극복할 것으로 기대해본다.
앞서 살펴본 바와 같이 3D 프린팅 기술은 소재의 다양성을 기반으로 앞으로 치과 임상 분야의 여러 영역에서 널리 활용될 것으로 기대된다. 이미 보철, 교정, 외과 영역에서 활용도 높게 사용되고 있으며, 앞으로도 더 많은 응용 사례가 있을 것으로 기대된다.
앞으로 3D 프린팅이 임상적으로 적극 활용될려면, 출력물 디자인에 필요한 소프트웨어의 접근 용이성, 출력물의 정확성 향상, 출력 후 처리 과정의 간편화 등을 포함한 전체 출력 시간의 단축이 필요할 것으로 생각된다.
이미 세라믹 또는 메탈 소재의 출력 방법은 제안되어져 있으나, 임상적으로 활용하기에는 아직까지는 고가의 제작 비용이 부담되는 편이다. 이를 상용 대중화할 수 있는 프린팅 기술이 개발될 것으로 기대해본다.
앞서 살펴본 바와 같이 3D 프린팅 기술은 소재의 다양성을 기반으로 앞으로 치과 임상 분야의 여러 영역에서 널리 활용될 것으로 기대된다. 이미 보철, 교정, 외과 영역에서 활용도 높게 사용되고 있으며, 앞으로도 더 많은 응용 사례가 있을 것으로 기대된다. 특히나 보철 치료 및 임플란트 치료 계획의 수립에 있어서 술자가 디지털을 기반으로 적극적으로 디자인하고, 또한 디자인한 결과물을 3D 프린팅으로 빠른 시간내에 출력하여 임상에 활용할 수 있다면, 앞으로의 임상 술식과정의 필수요소로 자리매김할 것으로 기대해본다.
이미 보철, 교정, 외과 영역에서 활용도 높게 사용되고 있으며, 앞으로도 더 많은 응용 사례가 있을 것으로 기대된다. 특히나 보철 치료 및 임플란트 치료 계획의 수립에 있어서 술자가 디지털을 기반으로 적극적으로 디자인하고, 또한 디자인한 결과물을 3D 프린팅으로 빠른 시간내에 출력하여 임상에 활용할 수 있다면, 앞으로의 임상 술식과정의 필수요소로 자리매김할 것으로 기대해본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D 프린팅이란?	3D 프린팅이란 3D 스캐너 또는 CAD 디자인 프로그램을 이용해 삼차원 입체 모델을 디자인한 후 이를 레이어 형태로 변환하여 각 층마다 물질을 분사하거나 또는 적층하는 방식으로 물체를 제조하는 방법을 일컫는다.
	치과분야에서 사용하는 대표적인 3D 프린팅은?	3D 프린팅은 삼차원 이미지 정보를 이용하여 레이어로 분할한 후 선택한 소재를 적층하여 가공하는 방법을 말한다. 소재를 적층하는 방법에 따라 다양한 종류의 3D 프린팅이 존재하는데 최근 치과분야에서는 SLA방식과 DLP방식으로 광원을 이용한 경화를 통해 적층 가공하는 3D 프린팅이 널리 보급되어 사용되고 있다. 전악 범위의 3D프린팅 치과용 모델은 전통적인 인상 채득으로 제작된 스톤모델보다는 다소 정확성이 부족한 것으로 보고되었으나, 같은 STL파일을 이용하여 4분악 범위를 3D 프린팅한 모델은 밀링 방법으로 가공한 모델보다 정확하였다.
	치과에서 사용되는 3D 프린팅의 활용 분야는?	전악 범위의 3D프린팅 치과용 모델은 전통적인 인상 채득으로 제작된 스톤모델보다는 다소 정확성이 부족한 것으로 보고되었으나, 같은 STL파일을 이용하여 4분악 범위를 3D 프린팅한 모델은 밀링 방법으로 가공한 모델보다 정확하였다. 디자인 소프트웨어의 활용도에 따라 보철치료의 진단, 임시 보철물의 제작, 의치의 제작이 가능하였다. 교정에서는 투명 교정 모델과 브라켓 간접 부착을 위한 트레이 제작이 가능하였다. 임플란트 수술에 있어서 CT를 기반으로 한 정확한 위치에 임플란트를 식립하는 가이드 제작에 활용하고 있다. 출력 방식의 발전으로 인하여 3D 프린터의 출력시간이 계속적으로 단축되고 있으며, 이로 인해 치과 진료실 내에서 3D 프린터가 기존의 전통적인 가공 방법을 대체할 수 있을 것으로 기대한다.

참고문헌 (12)

Revilla-Leon M, Sanchez-Rubio JL, Besne-Torre A, Ozcan M. A report on a diagnostic digital workflow for esthetic dental rehabilitation using additive manufacturing technologies. Int J Esthet Dent. 2018;13(2):184-196.
Sim JY, Jang Y, Kim WC, Kim HY, Lee DH, Kim JH. Comparing the accuracy (trueness and precision) of models of fixed dental prostheses fabricated by digital and conventional workflows. J Prosthodont Res. 2018 Mar 31. pii: S1883-1958(18)30010-0.
Park JM, Ahn JS, Cha HS, Lee JH. Wear Resistance of 3D Printing Resin Material Opposing Zirconia and Metal Antagonists. Materials (Basel). 2018 Jun 20;11(6). pii: E1043.

상세보기
Jeong YG, Lee WS, Lee KB. Accuracy evaluation of dental models manufactured by CAD/CAM milling method and 3D printing method. J Adv Prosthodont. 2018 Jun;10(3):245-251.

원문보기 상세보기
Marta Revilla-Leon. Additive Manufacturing Technologies Used for 3D Metal Printing in Dentistry. Curr Oral Health Rep 2017.
Zhangwei Chen. 3D printing of ceramics: A review. Journal of the European Ceramic Society.
Hemant Sawhney. 3D Printing in Dentistry - Sculpting the Way It Is. Journal of Scientific and Technical Research 8(1), June 2018.
Martins AV, Albuquerque RC, Santos TR, Silveira LM, Silveira RR, Silva GC, Silva NRFA. Esthetic planning with a digital tool: A clinical report. J Prosthet Dent. 2017 Dec;118(6):698-702.

상세보기
Joda T, Ferrari M, Gallucci GO, Wittneben JG, Bragger U. Digital technology in fixed implant prosthodontics. Periodontol 2000. 2017 Feb;73(1):178-192.
Gaviria L, Pearson JJ, Montelongo SA, Guda T, Ong JL. Three-dimensional printing for craniomaxillofacial regeneration. J Korean Assoc Oral Maxillofac Surg. 2017 Oct;43(5):288-298.

원문보기 상세보기
Sangho Lee. Prospect for 3D Printing Technology in Medical, Dental, and Pediatric Dental Field. J Korean Acad Pediatr Dent 43(1) 2016
백상흠. 3D 프린팅의 다양한 신공정 기술 및 특징 소개. 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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