[논문]3D 프린트를 통해 제작된 손목 보조기의 유한요소해석

최현우; 강인영; 노건우; 서안나; 이종민

doi:10.7742/jksr.2019.13.7.947

3D 프린트를 통해 제작된 손목 보조기의 유한요소해석
Finite Element Analysis of Wrist Orthosis with 3D Printing 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.13 no.7, 2019년, pp.947 - 953

최현우 (경북대학교대학원 의용생체공학과) , 강인영 (경북대학교 기계공학부) , 노건우 (경북대학교 기계공학부) , 서안나 (가천대학교 의과학과) , 이종민 (경북대학교 의학전문대학원 영상의학교실)

초록
AI-Helper

임상에서 사용하는 진단 검사 장치인 전산화 단층촬영기와 자동화된 설계 소프트웨어(MediACE 3D Prog ram), 3D 프린터로 손목 보조기를 제작하고자 하였다. 전산화단층촬영기로 상지의 Dicom 파일을 획득한 후 MediACE 3D Program을 통해 손목 보조기를 디자인하여 "STL(stereolithography)"파일을 만들었고, 디자인된 손목 보조기는 3D 프린터를 이용하여 인쇄하였다. 3D 프린팅 기술로 제작된 손목보조기의 효용성 검증을 위해 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소해석으로 나타내었다. 손목 보조기를 제작할 때 유한요소해석의 결과를 가지고 뼈와 피부가 압력에 의한 손상과 보조기의 파손이 자주 일어나는 부위를 보강하여 손목 보조기를 제작할 수 있을 것이라고 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to manufacture a wrist brace using a computerized tomography system, clinical design software (MediACE 3D Program), and 3D printer. After acquiring the Dicom file of the upper limb with a computed tomography, the wrist brace was designed using the MediACE 3D Program to create a "stereolithography" file. The designed wrist brace was printed using a 3D printer. To verify the effectiveness of wrist assistive device manufactured by 3D printing technology, the stress distribution of the pressure and orthosis applied to bone and skin is represented by finite element analysis. It is expected that the wrist brace can be manufactured by reinforcing the part where the damage caused by pressure and breakage of the brace frequently occurs with the result of finite element analysis when producing the wrist brace.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. CT scan.
그림 Fig. 2. CT scan Dicom image.
그림 Fig. 3. Wrist brace Design.
그림 Fig. 4. Model used in finite element analysis.
그림 Fig. 6. Equivalent Stress Distribution and Maximum Value of Bone.
그림 Fig. 5. (a) Boundary condition and load condition 1. (b) Load condition 2 area. (c) Load condition 2 area.
표 Table 1. The number of properties and elements applied to the model
그림 Fig. 7. Equivalent Stress Distribution and Maximum Value of Orthosis.
그림 Fig. 8. x-direction Shear Stress Distributions and Maximums on Tissue Surfaces.
그림 Fig. 9. y-direction Shear Stress Distributions and Maximums on Tissue Surfaces.
그림 Fig. 9. Short arm brace Maximum stress by site.
표 Table 2. Short arm brace Maximum stress by site

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

이에 본 연구에서는 연구자의 손목 보조기를 디자인을 하고 제작하였다. 3D 프린팅 기술로 제작된 손목 보조기의 효용성 검증을 위해 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법으로 분석하고자 하며, 3D 프린터 손목 보조기 디자인 제작에 관한 기초자료로서 제시하고자 한다.

제안 방법

3D 프린팅 기술을 사용하여 손목 보조기를 제작하기 위해 연구자의 왼쪽 상지를 컴퓨터 단층촬영(CT)으로 Fig. 1처럼 촬영하였고, 손목 Dicom 이미지를 Fig. 2와 같이 획득하였다. 손목 보조기 디자인은 해부학적 경계표의 지점의 두 번째 및 다섯 번째 수근관절부위(Metacarpophalangeal joints) 선을 결정하였다.
조직의 물성은 초음파로 측정한 영률을 사용하였다.^[10] 뼈는 모든 부분이 이어진 하나의 모델을 사용하였고, 전체에 노뼈(Radius)와 자뼈(Ulna)에 해당하는 물성을 적용하였다. 보조기 모델에는 TPU(Thermoplastic polyurethane) 중에서도 휘기 쉬운(flexible) 형태의 물성을 사용하였다.
5에 도식화되어 있다. 보조기 고정을 위해 외부 표면 사이에 스프링을 적용하고 하중을 가하였다. 벨크로의 스프링 상수는 실험을 통해 측정하였다.
뼈와 조직 사이에는 상대운동을 제한하도록 매듭(Tie) 조건을 적용하였다. 보조기 외부의 표면에는 네 개의 기준점이 있어 벨크로를 부착하는 표면과 기구학적 커플링(Kinematic coupling) 조건을 적용하였다.
본 연구는 연구자의 왼쪽 상지를 전산화단층촬영(CT)으로 Dicom file을 획득한 후 이 파일로 디자인 프로그램(MediACE3D®, SolidEng Corp.)으로 디자인하여 손목 보조기를 제작하였다.
본 연구는 전산화 단층촬영기(CT)와 자동화된 설계 소프트웨어(MediACE3D), 3D 프린팅 기술로 제작된 손목 보조기(Wrist brace)의 효용성 검증을 위해 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법(FEM)으로 해석하였다.
설계된 3D 모델링 파일을 획득한 후, 맞춤형 소프트웨어 (MediACE3D®)로 이 모델링 파일을 업로드하고 손목 보조기 준비를 위한 "STL"파일을 만들었다.
요골조면(Radial tuberosity) 위치에서 팔꿈치 둘레로 두 번째 선을 결정하였다. 세 번째 선은 엄지 두등근(Thenar muscles)이 나올 수 있도록 하고, 첫 번째 손바닥뼈 관절(Carpometacarpal articulation) 둘레를 관절이 충분히 움직일 수 있도록 선을 결정하였다. 이렇게 디자인 된 손목 보조기의 3D 모델링을 Fig.
2와 같이 획득하였다. 손목 보조기 디자인은 해부학적 경계표의 지점의 두 번째 및 다섯 번째 수근관절부위(Metacarpophalangeal joints) 선을 결정하였다. 요골조면(Radial tuberosity) 위치에서 팔꿈치 둘레로 두 번째 선을 결정하였다.
벨크로의 스프링 상수는 실험을 통해 측정하였다. 실생활에서 손바닥으로 바닥을 짚는 행동이 뼈에 끼치는 영향을 분석하기 위해 손바닥 표면의 일부에 하중을 가하였고 뼈와 조직의 끝단은 모든 축에 대해 고정시켰다.
손목 보조기 디자인은 해부학적 경계표의 지점의 두 번째 및 다섯 번째 수근관절부위(Metacarpophalangeal joints) 선을 결정하였다. 요골조면(Radial tuberosity) 위치에서 팔꿈치 둘레로 두 번째 선을 결정하였다. 세 번째 선은 엄지 두등근(Thenar muscles)이 나올 수 있도록 하고, 첫 번째 손바닥뼈 관절(Carpometacarpal articulation) 둘레를 관절이 충분히 움직일 수 있도록 선을 결정하였다.
이에 본 연구에서는 연구자의 손목 보조기를 디자인을 하고 제작하였다. 3D 프린팅 기술로 제작된 손목 보조기의 효용성 검증을 위해 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법으로 분석하고자 하며, 3D 프린터 손목 보조기 디자인 제작에 관한 기초자료로서 제시하고자 한다.
유한요소해석에 사용된 모델은 조직(Tissue), 뼈(Bone), 보조기(Brace)로 구성되어 있다. 조직의 물성은 초음파로 측정한 영률을 사용하였다.^[10] 뼈는 모든 부분이 이어진 하나의 모델을 사용하였고, 전체에 노뼈(Radius)와 자뼈(Ulna)에 해당하는 물성을 적용하였다.

대상 데이터

^[10] 뼈는 모든 부분이 이어진 하나의 모델을 사용하였고, 전체에 노뼈(Radius)와 자뼈(Ulna)에 해당하는 물성을 적용하였다. 보조기 모델에는 TPU(Thermoplastic polyurethane) 중에서도 휘기 쉬운(flexible) 형태의 물성을 사용하였다. 모든 모델은 4절점 4면체 선형요소를 통해 근사 되었고 각 모델의 물성과 요소(element)의 수는 Table 1에 나타내었다.
유한요소해석에 사용된 모델은 조직(Tissue), 뼈(Bone), 보조기(Brace)로 구성되어 있다. 조직의 물성은 초음파로 측정한 영률을 사용하였다.
주로 손목을 삐거나 손목 인대가 늘어난 것을 이야기한다. 증상으로는 부종, 열감, 염증에 의한 발적과 통증이다. 피하출혈 및 관절의 경직 등 운동 저하가 올 수가 있다.

데이터처리

보조기를 착용한 채 실생활을 하는 것이 뼈와 보조기에 끼치는 영향을 분석하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램 ABAQUS를 사용해 해석을 수행하였다. 힘 및 경계 조건은 Fig.

이론/모형

상지 보조기(Short arm brace)를 착용을 했을 때 상지 뼈와 조직과 상지 보조기의 응력 분포를 알아보기 위해 삼차원 유한요소 분석법을 이용하였다. 본 실험 결과는 Table 2와 같은 표로 나타내었다.

성능/효과

설계된 3D 모델링 파일을 한번 저장하면 손목 보조기 제작을 쉽게 반복할수 있고, 보조기 디자인을 위한 자동화된 소프트웨어 프로그램의 사전 프로그래밍 된 보조기 템플릿 디자인을 사용하면, 보조기 제작이 쉽게 이루어지며 환자 스스로 수정할 수 있다.^[2] 3D 프린팅 기술로 만들어진 보조기는 열가소성 소재를 성형하여 기존의 제조된 보조기에 비해 제조가 쉽고, 재현 어려운 기술과 노력이 적다는 장점이 있다.^[3]
6처럼 그림과 같은 결과가 나타났다. 첫 번째 중수골관절(First through metacarpo-phalangerl joints) 연결 보조기 라인의 등가응력이 0.270으로 Fig. 7처럼 그림과 같이 가장 크게 나타났다.

후속연구

손목 보조기를 3D 프린터를 이용하여 제작 시 뼈와, 인대 및 상지 보조기 자체에 대한 최대 응력부위를 알고 제작한다면 임상적으로 환자에게 양질의 보조기를 제작하고 보조기 파손으로 인한 불편함을 줄여 줄 수 있을 것이다.
향후 3D프린터를 이용한 손목 보조기를 제작 시 뼈와 피부가 압력에 의한 손상과 보조기의 파손이 자주 일어나는 부위를 보강할 수 있을 것이며, 석고붕대 고정술 및 금속 부목 고정의 보존적 치료를 대처할 수 있을 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보존적 치료 중 가장 흔히 사용되는 설탕집게부목의 한계점을 3D 프린팅 기술의 어떠한 특징으로 보완할 수 있는가?	3D 프린팅 기술은 몰딩 없이 수정 가능하여 개체를 쉽게 생성할 수 있다. 설계된 3D 모델링 파일을 한번 저장하면 손목 보조기 제작을 쉽게 반복할 수 있고, 보조기 디자인을 위한 자동화된 소프트웨어 프로그램의 사전 프로그래밍 된 보조기 템플릿 디자인을 사용하면, 보조기 제작이 쉽게 이루어지며 환자 스스로 수정할 수 있다.[2] 3D 프린팅 기술로 만들어진 보조기는 열가소성 소재를 성형하여 기존의 제조된 보조기에 비해 제조가 쉽고, 재현 어려운 기술과 노력이 적다는 장점이 있다.
	전산화 단층촬영기는 무엇인가?	임상에서 사용하는 진단 검사 장치인 전산화 단층촬영기와 자동화된 설계 소프트웨어(MediACE 3D Prog ram), 3D 프린터로 손목 보조기를 제작하고자 하였다. 전산화단층촬영기로 상지의 Dicom 파일을 획득한 후 MediACE 3D Program을 통해 손목 보조기를 디자인하여 "STL(stereolithography)"파일을 만들었고, 디자인된 손목 보조기는 3D 프린터를 이용하여 인쇄하였다.
	3D 프린팅 기술로 만들어진 보조기의 장점은 무엇인가?	설계된 3D 모델링 파일을 한번 저장하면 손목 보조기 제작을 쉽게 반복할 수 있고, 보조기 디자인을 위한 자동화된 소프트웨어 프로그램의 사전 프로그래밍 된 보조기 템플릿 디자인을 사용하면, 보조기 제작이 쉽게 이루어지며 환자 스스로 수정할 수 있다.[2] 3D 프린팅 기술로 만들어진 보조기는 열가소성 소재를 성형하여 기존의 제조된 보조기에 비해 제조가 쉽고, 재현 어려운 기술과 노력이 적다는 장점이 있다.[3]

참고문헌 (11)

J. H. Lee, S. H. Hong, Y. J. Kim, J. H. Back, J. S. Lee, "Effect of Different Splints on Displacement after Closed Reduction of the Distal Radius Fractures: A Comparison of Short Arm Double Splint and Sugar-Tong Splint," J. Korean Society for Surgery of the Hand, Vol. 20, No 3, pp. 104-109, 2015.

상세보기
Y. H. Cha, K. H. Lee, H. J. Ryu, I. W. Joo, A. Seo, D. H. Kim, S. J. Kim, "Ankle-foot orthosis made by 3D printing technique and automated design software," Applied bionics and biomechanics, Vol. 2017, pp. 1-6, 2017.
C. E. Dombroski, M. E. Balsdon, A. Froats, "The use of alow cost 3D scanning and printing tool in the manufacture of custom-made foot orthoses: a preliminary study," BMC Research Notes, Vol. 10, No. 7, pp. 1-4, 2014.
F. Rengier, A. Mehndiratta, H. T. K. Von, C. M. Zechmann, R. Unterhinninghofen, H.. U. Kauczor, F. L. Giesel, "3D printing based on imaging data: review of medical applications," International journal of computer assisted radiology and surgery, Vol. 5, No. 4, pp. 335-341, 2010.

상세보기
S. J. Kim, S. J. Kim, Y. H. Cha, K. H. Lee, J. Y. Kwon, "Effect of personalized wrist orthosis for wrist pain with three-dimensional scanning and printing technique: A preliminary, randomized, controlled, open-label study," Prosthetics and orthotics international, Vol. 42, No. 6, pp, 636-643. 2018.

상세보기
D. Palousek, J. Rosicky, D. Koutny, P. Stoklasek, T. Navrat, "Pilot study of the wrist orthosis design process," Rapid Prototyping Journal, Vol. 20, No. 1, pp. 27-32, 2014.

상세보기
C. S. Lovchik, M. A. Diftler, "The robonaut hand: A dexterous robot hand for space," In Proceedings 1999 IEEE international conference on robotics and automation, Vol. 2, No. 99, pp. 907-912, 1999.
K. F. Gretsch1, H. D Lather, K. V. Peddada, C. R. Deeken, L. B. Wall, C. A. Goldfarb, "Development of novel 3D-printed robotic prosthetic for transradial amputees," Prosthetics and orthotics international, Vol. 40, No. 3, pp. 400-403, 2016.

상세보기
K. S. Tanaka, N. Lightdale-Miric, "Advances in 3D-printed pediatric prostheses for upper extremity differences," JBJS, Vol. 98, No. 15, pp. 1320-1326, 2016.

상세보기
E. J. Chen, J. Novakofski, W. K. Jenkins, W. D. O'Brien, "Young's modulus measurements of soft tissues with application to elasticity imaging," IEEE Transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, Vol. 43, No. 1, pp. 191-194. 1996.

상세보기
B. S. Wook, K. H. Yoon, S. B. Yong, A. Y. Ju., "Treatment with external fixation device or K-wire reinforced external fixation device for distal radius fracture," Journal of the Korean Fracture Society, Vol. 18, No. 3, pp. 311-316. 2005.

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증