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[연재기고]3D프린팅 시장 창출 열쇠 DfAM(적층제조특화설계) 국내외 실증사례와 발전 방향(4) - 주승환 인하대 교수/메탈3D(주) CTO/한국적층제조사용자협회 회장
  • 기사등록 2021-01-08 10:58:43
  • 수정 2021-01-08 13:53:57
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■연재순서
(1)DfAM 정의 및 적용사례
(2)AM 시뮬레이션 종류①
(3)AM 시뮬레이션 종류②
(4)AM 환자 맞춤형 두개골 임플란트 열변형 해석 연구①
(5)AM 환자 맞춤형 두개골 임플란트 열변형 해석 연구②
(6)AM 활용 자동차 디퍼런셜 기어 케이스 경량화 연구



(1)환자 맞춤형 두개골 임플란트 제작

두개골 복원 및 두개골 결함 대체는 두개골의 건강하지 않거나 손상된 부위를 복원하는 의학적 절차로 정의할 수 있다. 주요 목표는 환자의 정신적 안정을 달성하기 위해 두개골 내 조직과 신경의 차폐와 신체 모양을 실현하는 것이다.

두개골 복원은 일반적으로 부상, 사고, 감염 또는 선천적 기형으로 인한 두부 외상으로 고통받는 환자에서 수행된다. 두개골 결손은 외상성 뼈 파괴, 두개 종 종양, 선천성 결손으로 인해 발생하며, 기능 및 심미적 결함을 초래한다.

두개 안면 재건은 제한된 공간 내에서 뇌, 눈 및 기타 감각 기관을 포함하는 신체 부위를 작동시키는 것을 포함하기 때문에 복잡한 수술 과정이다. 두개골 손상이나 기형은 전 세계의 많은 인구에 영향을 미치며, 가장 중요하고 걱정되는 건강 문제로 간주된다.

더욱이 두개골 이상의 복구는 경험이 많은 외과의사들에게 조차도 어려운 도전이다. 왜냐하면 수술을 받는 신체 부위는 제한된 구역 내부의 신경, 연조직 또는 기타 섬세한 기관으로 구성되어 있기 때문이다. 두개골 결함을 치료하는 가장 좋은 방법은 다른 뼈의 임플란트와 비교할 때 감염의 합병증이 적기 때문에 자가 골 이식을 사용하는 것이다.

하지만, 적절한 공여자 부위, 특히 크고 복잡한 결함, 조직 수확 문제, 공여자 부위 이환율 및 고가의 수술에 대한 이용이 제한되어 있기 때문에 이들의 사용이 제한된다. 이러한 이유로, 최근에는 이러한 접근법의 적용은 그 강력한 단점으로 인해 최소화되었다. 또한 다른 재료로부터의 임플란트가 요구되고 있다.

예를 들어, 자가 뼈 이식 기술은 복잡한 수술 방법, 혈액 손실 및 환자의 통증 등을 포함한다. 이와 유사하게, 환자의 뼈 윤곽에 맞게 물리적 굽힘 또는 재배열이 필요한 규칙적인 임플란트를 사용하는 것은 시간이 오래 걸리고 부정확하며 힘든 방법이다. 또한, 불일치로 인해 임플란트 실패 및 수정으로 인해, 환자의 마음에 많은 심리적 스트레스를 발생시킨다.

따라서 불균형을 최소화하고, 뼈 윤곽을 맞추고, 출력물을 향상시키려면 맞춤형 임플란트 디자인의 개념을 사용해야한다. 임플란트의 맞춤 설계로 표준 플레이트와 달리 피팅 정확도를 크게 향상시키고 작동 시간을 줄일 수 있다.

두개골 뼈 재건의 궁극적 인 목표는 뇌를 보호하고 뼈 결함으로 인한 심리적 고통을 완화하고 환자의 외양과 심리적 안정성을 회복시키는 것이다. 두개골 재건의 성공 여부는 임플란트 디자인, 재료 및 제작, 외과 의사의 기술 등 수술 전 결함 평가에 달려 있다.

다공성 표면이 있는 임플란트는 거친 코팅보다 효과적이다. 다공성 임플란트는 뼈와의 계면 접착력을 제공하여 효과적인 고정 및 짧은 치유 시간을 제공한다. 세포 접착 및 유체 수송을 위한 충분한 공간과 함께 높은 다공성을 가져야 한다. 뼈 성장에 이상적인 기공 크기는 500~1500μm의 범위에 있다. 다양한 연구자들은 다공성이 50% 인 다공성 티타늄이 뼈 조직 성장에 이상적이라고 밝혔다.

우수한 상호 연결된 기공을 가진 다공성 구조는 상당한 뼈 성장 형성과 더 나은 임플란트 고정을 초래한다. 높은 기공률 및 기공 크기는 뼈 형성에 유리하지만, 이의 실질적인 증가는 임플란트의 강도를 감소시킬 수 있다.

따라서, 설계 및 제작을 통해 다공성을 제어하는 다공성 구조를 생산하는 능력은 향후 임상 성공의 중요한 요소이다. 과거에는 주조, 섬유 증착 및 분말 소결을 포함하는 다공성 티타늄 및 그 합금을 제조하는 데 여러 종류의 기술이 사용돼왔다.

고령화, 전 세계 인구 확대 등으로 인해 의료 수요가 급격히 증가함에 따라 의료 분야에서 혁신적인 기술의 중요성이 강조되고 있다. 의료 데이터 이미지, 이미지 처리 소프트웨어 및 적층가공(AM)의 통합은 뼈 윤곽과 일치하여 정돈된 외관을 만들 수 있는 완벽한 구조로 복잡한 구조의 맞춤형 임플란트를 생성할 수 있다. 통합 기술의 구현은 많은 인구의 삶의 질을 향상시키는 것 외에도 건강 시스템에 대한 막대한 비용을 절약할 수 있다. 임플란트 재건은 재료 특성, 임플란트 설계, 제작 방법 및 의사의 기술과 같은 여러 요인에 따라 달라진다.

맞춤형 임플란트의 디자인은 임플란트의 크기, 모양 및 기계적 특성을 포함하여 개별 환자의 요구에 부합해야한다. 독특한 인체 해부학의 결과로 AM은 뼈 윤곽을 완벽하게 맞추는 환자 별 임플란트를 달성하는 데 매우 유용하다.

AM은 기존의 가공 방법에 비해 정밀한 복잡한 기하학적 구조를 제조하는 능력을 크게 향상시켰다. AM 기술의 발전으로 의료 이미지의 데이터를 사용하여 정확한 형상으로 부품을 준비하는 기능이 크게 향상되었다. 정확성과 공정 적응성을 갖춰서 등급이 매겨진 구조물을 잘 포장하여 생산할 수 있다. 특히, 의료 부문에서의 AM 응용은 매우 빠르게 증가하고 있으며, 의료 부문에 혁명을 일으킬 것으로 예상된다.

제품 사용자 정의, 효율적이고 비용 효율적인 생산, 짧은 배송 시간 등의 측면에서 의료 기기의 요구 사항을 성공적으로 관리할 수 있다. 적절한 제작 방법 외에도 맞춤형 임플란트의 정확하고 관련성있는 요구 사항에도 관련 생체 재료의 구현이 필요하다. 티타늄 합금(Ti6Al4V)을 사용할 수 있는 금속 재료 중에서 맞춤형 임플란트에 가장 선호되는 것으로 간주된다. 이는 생물학적 호환성, 높은 중량 대 중량 비율, 높은 내식성, 비자 성, 높은 인성 및 기계적 저항성 등으로 인한 것일 수 있다.

이 논문에서는 맞춤형 두개골 임플란트의 설계, 제작 및 검증을 위한 포괄적인 접근 방식이 개발되었다. 이 연구의 주요 목표는 두개골의 결함 부분을 재설계하고 제작하는 간단한 방법을 도입하는 것이다. CT의 DICOM(의학에서의 디지털 이미지 및 통신:Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일을 특정 소프트웨어(Mimics)로 가져와서 세분화 방식을 사용하여 관심영역을 줄이고 3D 모델을 제작하였다.

설계된 두개골 임플란트를 3D프린터로 출력하기이전 AM Simulation을 통해 제품의 변형 및 응력 검증을 통해 수많은 시행착오로 인한 상당한 시간 및 비용을 최소화시켰다. 이어서, 티타늄 두개골 임플란트는 PBF(Powder Bed Fusion) 방식을 이용하여 Ti6Al4V ELI 분말로 제작되었다. 외관, 정확성, 기계적 성질 및 재료조성에 대해 최종적으로 검증되고 조사되었다.


▲ 맞춤형 두개골 임플란트를 위한 3D프린팅 흐름도


(2) 맞춤형 두개골 임플란트를 위한 3D프린팅 방법 및 소재
맞춤형 두개골 임플란트를 획득하기 위해 제안된 방법론은 데이터 수집, 3D 모델링 제작, 3D 프린팅 출력, 시제품 검증과정 포함한 주요 4개의 주요 기능을 거치게 된다. 데이터 수집에서 최종 테스트까지의 작업 흐름은 △세분화(Segmentation) △Standard Tessellation Language (STL) 오류 수정 △두께 감소 등을 포함한다.


□데이터 수집
새로운 모델을 만들어 내는 제조업 분야에서는 CAD 등의 소프트웨어를 이용하여 새로운 제품에 대한 디자인을 하는 경우도 있다. 그러나 의료 분야에서는 흔히 환자의 데이터를 이용하여 적절히 가공함으로써 3D 설계도를 디자인하기 때문에 환자의 단층 영상 자료(CT:Computed Tomography), Magnetic Resonance Imaging(MRI)를 DICOM 형식으로 저장한 것을 기본으로 한다.

□3D모델링 제작
환자의 이미지를 토대로 재구성하고자 하는 부분을 분절화(Segmentation)하고 가공하여 출력하고자 하는 제품을 3D모델링을 한다. 이 과정에서 가장 흔히 사용되는 소프트웨어는 머티리얼라이즈의 MIMICS(Materialise’s Interactive Medical Image Control System)이다. 이렇게 만들어진 3D모델링은 표면 데이터만으로 재구성되어 출력될 준비를 마치게 된다.

□3D프린팅출력
앞서 설명한 다양한 방식 중에서 출력 품질, 출력할 재료 등을 고려하여 적합한 방식으로 출력하는 과정이다. 저장된 STL 파일은 3D프린팅 기술을 이용하여 3D 구조물로 제작된다.

□시제품 검증
3D스캐너를 이용하여, 출력물의 외부표면을 STL 파일로 스캔을 하게 된다.실제 출력한 스캔STL파일과 설계한 파일을 Merge기능을 이용하여, 설계 데이터와 측정 데이터의 비교 편차 분석을 진행한다.



▲ 두개골 임플란트 최적의 디자인 설계(Mesh 8종)


(2-1)Image Processing
DICOM 파일을 이용하여, 환자의 컴퓨터 단층 촬영(CT) 스캔 데이터를 획득한다. 그런 다음 MIMICS® 소프트웨어를 사용하여, CT 데이터를 처리하여 필요한 해부학적 구조에 대한 CAD 모델을 생성한다. 2D 슬라이스 이미지 분할은 관심영역 내에서 특정 이미지 강도(Hounsfield units)를 선택하여 수행한다. HU는 CT 스캔 이미지에서 조직의 감쇠 계수를 측정하는 시스템으로 CT 번호라고 한다.

CT 번호 & Hounsfield 장치를 사용하면 조직의 특성을 알 수 있다. 뼈, 피부 및 근육과 같은 특정 조직은 Hounsfield units로 식별된다. 그런 다음 이미지 강도의 상한 및 하한 임계값을 선택하여 임계값을 수행한다. 또한, 병리학적 영역도 묘사가 된다. 뼈는 대부분의 방사선을 흡수하므로 피부 및 연조직과 비교할 때 Hounsfield 값이 더 높다.


(2-2)Customized implant design
본 연구에서 환자 맞춤형 두개골 임플란트 제작 과정은 다음과 같다.

□3차원 CT & MRI데이터 획득
DICOM 파일을 이용하여, CT 스캔 데이터를 획득한다. 그런 다음 MIMICS® 소프트웨어를 사용하여, CT 데이터를 처리하여 필요한 해부학적 구조에 대한 CAD 모델을 생성한다.

□환자 맞춤형 두개골 임플란트 디자인
3D CAD 모델을 3-Mactic® 소프트웨어를 이용하여, 환자의 결손 부위의 맞게 시술부위의 맞춤형 임플란트를 설계를 한다. 집도의의 요청서 의견에 따라 나사 삽입 고정부,다공성 부분,접합 구멍 등을 설계를 한다.

□3D프린팅 출력을 위한 서포터 생성
맞춤형 두개골 임플란트를 기하학적인 변화가 일어나지 않도록 MAGICS® 소프트웨어를 사용하여, 서포터를 생성한다.

□3D프린팅 출력
Powder Bed Fusion(PBF)방식인 Metalsys 150장비를 이용하여 맞춤형 두개골 임플란트를 출력하였다.

□맞춤형 두개골 임플란트 출력물 후 공정
열처리/Support 제거/블러스터(Shot Peening) 표면처리/최종 연마/세척 등 후처리 공정을 진행한다.

□맞춤형 두개골 임플란트 제품 검증 및 완성
3D 스캐너를 이용하여, 설계 데이터와 측정 데이터의 비교 편자 분석/형상 분석/치수 측정 등 최종적으로 검증 과정을 거친다.


-작성자: 주승환 인하대 교수/메탈3D(주) CTO/한국적층제조사용자협회 회장

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