[논문]CT Dicom 파일을 이용하여 제작한 3D Print 손목보호대용 Velcro band 고정위치의 유한요소해석(FEM)

최현우; 서안나; 이종민

doi:10.7742/jksr.2021.15.5.585

CT Dicom 파일을 이용하여 제작한 3D Print 손목보호대용 Velcro band 고정위치의 유한요소해석(FEM)
Finite Element Analysis(fem) of The Fixed Position of the Velcro Band for the 3D Print Wrist Brace made using the Dicom File 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.15 no.5, 2021년, pp.585 - 590

최현우 (경북대학교병원) , 서안나 ((주)시안솔루션) , 이종민 (경북대학교병원)

초록
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손목 보조기(Wrist brace)는 손목 외상 환자들에게 사용이 되고 있다. 최근 맞춤형 손목 보조기를 3D 프린팅 기술을 활용하여 제작하는 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 3D 프린팅 맞춤형 보조기는 개인마다 다른 형태 반영, 통기성 확보 등의 다양한 요소를 반영할 수 있는 장점이 있다. 본 논문에서는 3D 프린팅 맞춤형 손목 보조기 제작 시 고려되어야 하는 벨크로 밴드 숫자와 위치가 보조기에 미치는 스트레스를 분석하였다. 맞춤형 보조기를 위해 CT 영상 기반으로 자동설계 소프트웨어(Reconeasy 3D, Seeann Solution)를 사용하여 뼈, 피부 영역 3D 모델링을 수행하였다. 3D 피부 영역을 기반으로, 각 치료 목적에 맞도록 손목 보조기 디자인을 적용하였다. 그리고, 보조기의 탄성을 위해 TPU 소재를 사용하여 FDM 방식 3D 프린터로 손목 보조기를 제작하였다. 맞춤형 3D 프린팅 손목 보조기의 벨크로 밴드의 숫자와 위치에 따른 효용성 평가를 위해 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법(FEM)으로 분석하였다. 본 연구에서 수행한 손목 보조기 유한요소 해석을 통해 보조기의 스트레스 분포를 확인하였고 보조기 제작과 벨크로 밴드의 숫자와 위치를 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 환자에게 양질의 치료를 제공하는데 도움이 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wrist braces are being used for patients with wrist trauma. Recently, many studies have been conducted to manufacture custom wrist braces using 3D printing technology. Such 3D printing customized orthosis has the advantage of reflecting various factors such as reflecting different shapes for each individual and securing breathability. In this paper, the stress on the orthosis by the number and position of Velcro bands that should be considered when manufacturing a 3D printing custom wrist brace was analyzed. For customized orthosis, 3D modeling of the bone and skin regions was performed using an automatic design software (Reconeasy 3D, Seeann Solution) based on CT images. Based on the 3D skin area, a wrist orthosis design was applied to suit each treatment purpose. And, for the elasticity of the brace, a wrist brace was manufactured with an FDM-type 3D printer using TPU material. To evaluate the effectiveness according to the number and position of the Velcro band of the custom 3D printed wrist brace, the stress distribution of the brace was analyzed by the finite element method (FEM). Through the finite element analysis of the wrist orthosis performed in this study, the stress distribution of the orthosis was confirmed, and the number and position of the orthosis production and Velcro bands could be confirmed. These experimental results will help provide quality treatment to patients.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. CT Scan.
그림 Fig. 2. Wrist Brace Design.
그림 Fig. 3. Wrist Brace Wearing Image.
그림 Fig. 4. 3D Print Wrist Orthosis Velcro Band Numbers and Attachments.
그림 Fig. 5. Velcro Band 1,2 Maximum Equivalent Stress of the Wrist Brace.
표 Table 1. The Number of Properties and Elements applied to the Model
표 Table 2. Maximum Value of Stress by Velcro Position of Each Wrist Braces
그림 Fig. 6. Velcro Band 1,3 Maximum Equivalent Stress of the Wrist Brace.
그림 Fig. 7. Velcro Band 1, 2, 3 Maximum Equivalent Stress of the Wrist Brace.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인체의 상지를 이용하여 손목 보조기를 디자인하였다. 3D 프린터를 사용하여 프린터 하였다.

제안 방법

Fig. 2와 같이 손목 Dicom file 이미지를 획득하고, 획득된 이미지를 자동설계소프트웨어(Recon easy 3D, Seeann Solution)를 사용하여 뼈, 피부 영역 3D 모델링을 수행하였다. 3D 피부 영역을 기반으로, 각 치료 목적에 맞도록 손목 보조기를 Fig.
본 연구에서는 인체의 상지를 이용하여 손목 보조기를 디자인하였다. 3D 프린터를 사용하여 프린터 하였다. 보조기를 손목 고정 치료 시 고정 벨크로 밴드(Velcro band)의 숫자와 위치에 의한 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법(FEM)으로 해석하였다.
보조기의 탄성을 위해 TPU 소재를 사용하여 차분법(FDM)으로 3D 프린터로 손목 보조기를 제작하였다. 맞춤형 3D 프린팅 손목 보조기의 벨크로 밴드의 숫자와 위치에 따른 효용성 평가를 위해 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법(FEM)으로 분석하였다.
3D 프린터를 사용하여 프린터 하였다. 보조기를 손목 고정 치료 시 고정 벨크로 밴드(Velcro band)의 숫자와 위치에 의한 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법(FEM)으로 해석하였다. 치료를 위해 필요한 고정 벨크로 밴드의 위치와 수를 분석하여 임상에 적용할 수 있길 바란다.
3D 프린터 손목 보조기를 밸크로 밴드를 사용하여 손목에 고정 착용하였다. 보조기의 원위부에 2 개의 벨크로 밴드(Velcro 1, 2), 보조기 원위부와 근위부에 두개의 벨크로 밴드(Velcro 1, 3), 보조기 원위부, 중간부, 근위부에 3개의 벨크로 밴드(Velcro 1, 2, 3)를 위치와 숫자를 바꾸어 가며 실험을 하였고, 부착 위치와 숫자 의한 보조기의 스트레스 분포를 유한 요소법(FEM)으로 해석하였다.
보조기의 탄성을 위해 TPU 소재를 사용하여 차분법(FDM)으로 3D 프린터로 손목 보조기를 제작하였다. 맞춤형 3D 프린팅 손목 보조기의 벨크로 밴드의 숫자와 위치에 따른 효용성 평가를 위해 뼈와 피부에 가해지는 압력 및 보조기의 스트레스 분포를 유한요소법(FEM)으로 분석하였다.
본 논문은 CT 검사의 스캔 기법을 이용하여 피실험자의 손목 자료를 획득하고, 획득된 자료로 자동설계 소프트웨어(Reconeasy 3D, Korea)를 사용하여 뼈, 피부 영역 3D 모델링을 수행하였다. 3D 피부 영역을 기반으로, 각 치료 목적에 맞도록 손목 보조기 디자인을 적용하였다.
본인의 왼쪽 상지를 컴퓨터 단층 촬영(Computer tomography, CT)으로 CT Dicom file을 획득한 후 디자인 프로그램으로 손목 보조기를 디자인하고 3D 프린터로 3D 프린터 손목 보조기(3D print wrist brace)를 프린팅하여 제작하였다.

대상 데이터

디자인된 파일을 "STL(Stereolithgraphy)" 파일로 변환시켰다. 3D 프린터로 인쇄하여 환자 맞춤형 3D 프린터 손목 보조기를 제작하였다.

데이터처리

범용 유한요소해석 프로그램 ABAQUS(ABAQUS v.6.4, France)를 이용하여 근육과 뼈와 보조기의 벨크로 밴드 숫자와 위치 영향 분석으로 축력, 전단력, 휨모멘트 등을 동적 해석을 수행하여 주요 위치의 응력을 분석하여 강도를 측정하였다. 힘 및 경계 조건은 보조기의 연결 부분과 벨크로 밴드 부착 부위 부분과 손바닥 방향으로 부하 조건(load condition)으로 두 곳을 설정하였다.
그리고, 보조기의 탄성을 위해 TPU 소재를 사용하여 차분법(FDM)으로 3D 프린트 손목 보조기를 제작하였다. 손목 보조기와 조직, 뼈를 유한요소 해석을 위해 사용하였고, 유한요소해석 프로그램 ABAQUS를 이용하여 근육과 뼈와 보조기의 벨크로 밴드 숫자와 위치 영향분석으로 축력, 전단력, 휨모멘트 등을 동적 해석을 수행하여 주요 위치의 응력을 분석하여 강도를 측정하였다.

이론/모형

벨크로 밴드의 Fig. 4처럼 숫자와 위치에 따라 손목 보조기의 응력 분포를 알아보기 위해 삼차원 유한요소 분석법을 사용하였다. 본 실험 결과는 Table 2와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
3D 피부 영역을 기반으로, 각 치료 목적에 맞도록 손목 보조기 디자인을 적용하였다. 그리고, 보조기의 탄성을 위해 TPU 소재를 사용하여 차분법(FDM)으로 3D 프린트 손목 보조기를 제작하였다. 손목 보조기와 조직, 뼈를 유한요소 해석을 위해 사용하였고, 유한요소해석 프로그램 ABAQUS를 이용하여 근육과 뼈와 보조기의 벨크로 밴드 숫자와 위치 영향분석으로 축력, 전단력, 휨모멘트 등을 동적 해석을 수행하여 주요 위치의 응력을 분석하여 강도를 측정하였다.

성능/효과

본 연구에서 수행한 손목 보조기 유한요소 해석을 통해 신체와 보조기의 스트레스 분포를 확인하였고 보조기 제작과 벨크로 밴드의 적절한 위치와 수를 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 보조기 제작 방법과 환자 치료에 도움이 될 것이다.
본 연구의 결과에서 알 수 있듯이 벨크로 밴드 1, 3에서 최대응력이 제일 낮게 나타남으로 보조기의 원위부와 근위부만을 고정하여 보조기가 받는 응력을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 연구의 제한점으로 벨크로 밴드가 부착되는 보조기의 부위별 종류가 많음으로 신체 부위별로 보조기를 제작하여 벨크로 밴드 숫자와 위치를 유한 분석할 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

후속연구

3D 프린터로 손목 보조기 제작 시 벨크로 밴드의 숫자와 위치를 보조기 최대 응력 부위를 알고 제작한다면 보조기 파손 등의 문제점을 파악하여 제작할 수 있을 것으로 본다.
본 연구의 결과에서 알 수 있듯이 벨크로 밴드 1, 3에서 최대응력이 제일 낮게 나타남으로 보조기의 원위부와 근위부만을 고정하여 보조기가 받는 응력을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 연구의 제한점으로 벨크로 밴드가 부착되는 보조기의 부위별 종류가 많음으로 신체 부위별로 보조기를 제작하여 벨크로 밴드 숫자와 위치를 유한 분석할 수 있는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
본 연구에서 수행한 손목 보조기 유한요소 해석을 통해 신체와 보조기의 스트레스 분포를 확인하였고 보조기 제작과 벨크로 밴드의 적절한 위치와 수를 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 보조기 제작 방법과 환자 치료에 도움이 될 것이다.

참고문헌 (12)

S. H. Baek, "Introduction of 3D Printing Technology & Applications", Journal of Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 18, No. 1, pp. 2-10. 2015.
D. H. Lim, S. K. Cho, W. P. Park, S. R. Sohn, Y. H. Kim, H. S. Kim, "The Evaluation of Biomechanical Effects of the Arthritis Knee Brace Using Finite Element Methods", Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference, pp. 257-258, 2008.
D. S. Koo, J. R. Lee, "The Development of a Wrist Brace using 3D Scanner and 3D Printer", Fashion & Textile Research Journal, Vol. 19, No. 3, pp. 312-319, 2017. https://doi.org/10.5805/SFTI.2017.19.3.312

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S. J. Kim, Y. H. Cha, K. H. Lee, J. Y. Kwon, "Effect of personalized wrist brace for wrist pain with 3D scanning and printing technique: A preliminary, randomized, controlled, open-label study", Annals of Physical and Rehabilitation Medicine, Vol. 61, pp. 466-467, 2018. http://dx.doi.org/10.1016/j.rehab.2018.05.1089

상세보기
A. M. Paterson, E. Donnison, R. J. Bibb, R. I. Campbell, et. al., "Computer-aided design to support fabrication of wrist splints using 3D printing: A feasibility study", Hand Therapy, Vol. 19, No. 4, pp. 102-113, 2014. http://dx.doi.org/10.1177/1758998314544802

상세보기
Yanan Zheng, Gongliang Liu, Long Yu, Yanmin Wang, Yuan Fang, Yikang Shen, Xiuling Huang, Lei Qiao, Jianzhong Yang, Ying Zhang, Zikai Hua, "Effects of a 3D-printed orthosis compared to a low-temperature thermoplastic plate orthosis on wrist flexor spasticity in chronic hemiparetic stroke patients: a randomized controlled trial", Clinical Rehabilitation, Vol. 34, No. 2, pp. 194-204, 2020. http://dx.doi.org/10.1177/0269215519885174

상세보기
T. H. Bergh, T. Lindau, S. V. Bernardshaw, M. Behzadi, L. A. Soldal, K. Steen, C. Brudvik, "A new definition of wrist sprain necessary after findings in a prospective MRI study", Injury, Vol. 43, No. 10, pp. 1732-1742, 2012. https://doi.org/10.1016/j.injury.2012.06.028

상세보기
Markellos Ntagios, Habib Nassar, Abhilash Pullanchiyodan, William Taube Navaraj, Ravinder Dahiya, "Robotic Hands with Intrinsic Tactile Sensing via 3D Printed Soft Pressure Sensors", Advanced Intelligent Systems, Vol. 2, No. 6, 2019. https://doi.org/10.1002/aisy.201900080

상세보기
Li Tian, Nadia Magnenat-Thalmann, Daniel Thalmann, Jianmin Zheng, "A methodology to model and simulate customized realistic anthropomorphic robotic hands", In Proceedings of Computer Graphics International, pp. 153-162, 2018. https://doi.org/10.1145/3208159.3208182
Xu Guisheng, Gao Liang, Tao Ke, Wan Shengxiang, Lin Yuning, Xiong Ao, Kang Bin, Zeng Hui, "Three-dimensional-printed upper limb prosthesis for a child with traumatic amputation of right wrist", Medicine, Vol. 96, No. 52, 2017. http://dx.doi.org/10.1097/MD.0000000000009426

상세보기
E. J. Chen, J. Novakofski, W. K. Jenkins, W. D. O'Brien Jr, "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. http://dx.doi.org/10.1109/58.484478

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Hongjian Li, Wenguo Fan, Xiao Zhu, "Three- dimensional printing: The potential technology widely used in medical fields", Journal of Biomedical Materials Research Part A, Vol. 108, No. 11, pp. 2217-2229, 2020. http://dx.doi.org/10.1002/jbm.a.36979

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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].

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