Ⅰ.서 론

3차원 프린팅은 제품을 제조하는 방식의 하나로 소재를 한 층씩 쌓는 방식이다. 일반적으로 사용되는 종이 프린터가 저 장된 사진과 문서에 따라서 잉크를 분사하여 출력하는 것과 같이 3차원 프린터는 디지털화된 3차원 제품디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 재료를 한 층씩 출력하면서 적층하는 방식이다. 재료를 외부에서부터 깎거나 절단하는 생산방식을 절삭제조(Subtractive manufacturing)라고 하 고, 3차원 프린팅은 재료를 한 층씩 쌓아올리는 방식이기 때 문에 적층제조(Additive manufacturing)라 한다[1]. 3차원 프린팅은 의료, 생명공학, 산업, 교육, 건축, 디자인 등의 다 양한 분야에서 사용되고 있으며 기존의 절삭가공보다 제작과 정과 시간단축, 비용측면에서 매우 효율적이다[2,3]. 전산화 단층영상을 기반으로 쾌속조형 공정을 이용한 기법연구는 1992년 언청이(Cleft palate) 인체모델을 광 경화 조형(Stereo Lithography Apparatus, SLA) 방식으로 제작한 것부터 시 작되었다[4]. 주로 얼굴부위의 머리, 턱뼈 등의 기형과 손상, 얼굴 미용 수술용 모델 제작과 모델을 사용한 사전수술계획과 치과의 보철에 연구가 집중되어 왔다[5]. 최근에는 정형외과 골절수술에까지 활용분야를 확장하고 정형외과 골절수술을 획기적인 방법으로 변화할 수 있는 기법으로 관련 분야에 다 양한 연구가 진행되고 있다[6-12]. 정형외과영역에서는 수술 의 효율성을 높이기 위해 수술시간과 수술 중 방사선 조사시 간 단축, 수술의 안정성과 정확성 개선, 환자에 대한 수술위험 성과 고통감소 및 수술의 오류 발생에 의한 재수술을 최소화 하기 위한 다양한 수술방법들이 개발되고 있다[3]. 이에 관련 된 연구 분야로 전산화단층영상을 이용한 쾌속 조형공정으로 제작된 실물형상의 골절된 골 모델을 사전 수술계획수립, 치 아 보철기법연구 및 수술교육에 반영하여 환자 실제 수술시 효율을 높이는 많은 연구가 진행되고 있다[7-9,13]. 골 모델 제작의 3차원 프린팅 선택적 레이저소결(selective laser sintering; SLS) 방식은 분말재료를 접착제를 분사하거나 레 이저를 조사하여 제작하는 방법으로 해상도와 정밀도는 좋으 나 프린터 가격이 고가이고 운용에 전문지식이 필요하다. 전 산화단층 DICOM(digital imaging and communications in medicine) 영상을 3차원 프린팅 Stereolithography(STL) 파일로 변환하는 소프트웨어도 고가여서 3차원 전문제작업 체에 주문하여 시간과 제작비용이 많이 드는 관계로 현재 보 편적으로 골절수술에 사용하지 못하고 있다[9]. 정형외과 골 절수술환자의 골 모델을 제작하려면 영상변환 프로그램과 3 차원 프린팅 시스템의 사용상의 편리성과 시스템의 구입비용 이 부담이 없어야 한다. 또한 길이가 긴 대퇴골과 골반 같은 모델의 제작이 가능하여야 수술에 사용할 수 있다.

이에 본 연구에서는 전산화단층 영상을 DICOM viewer OsiriX를 사용하여 STL파일로 변환하였고[14], 3차원 프린터 는 용융적층조형(fused deposition modeling; FDM) 방식을 사용하였다[15]. 한 번에 출력할 수 있는 최대크기는 150mm ×150mm×140mm로 제한적 크기 이상의 140 mm 이상의 골 모델을 제작하는데 제안된 방법은 STL파일을 분할하고 각각 출력한 후 접합하여 완성하는 방법으로 제작하였다. 출력 크기에 제한이 없고 적은 유지비용과 제작비용으로 사용이 가능하도록 골절수술 환자의 맞춤형 골 모델제작을 위한 3차원 프린팅 시스템을 개발하여 제작한 모델을 수술 전 임상의에게 제공하여 골절의 정확한 진단과 수술계획에 활용할 수 있는지 의 가능성을 알아보고 임상적 유용성을 확인하고자 하였다.

Ⅱ.연구 방법

1.실험장치

1)3차원 프린터

스트라타시스(Stratasys, US)사가 보유하고 있는 수지를 압출하여 적층하는 3차원 프린터 기술의 표준특허 기간이 2009년에 만료되어 누구나 3차원 프린터를 제작하여 사용 할 수 있다. 본 연구에서 사용한 3차원 프린터는 열가소성 재료 플라스틱와이어를 사용하는 FDM 방식의 보급형 프린 터로 전체부품을 구매한 후 조립하여 사용하였다(Fig. 1).

노즐의 직경은 0.4 mm, 재료의 직경은 1.75 mm, 층간 적층 간격은 0.1∼0.3mm로 본 연구에서는 0.2mm 설정으 로 실험하였다. 단일제어보드를 이용하여 4축의 스텝 모터 (1/16 마이크로)를 제어하였고, 재료의 색상별 특성을 고려 하여 노즐은 230℃, 히트베드는 재료가 잘 부착되도록 10 5℃로 설정하고 제어하였다. 사용할 수 있는 재료는 와이어 형태의 직경이 1.75mm의 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene resin)수지와 PLA(Poly Lactic Acid) 수지를 사용 할 수 있다(Table 1). 실험에서 제작에 적용한 층간간격은 0.2mm와 공간 채움 밀도는 10∼20%로 설정하였고 사용재 료는 ABS 수지(아이보리색상)를 사용하여 제작하였다.

2)3차원 영상 변환 소프트웨어

골절된 부위를 1mm 간격으로 검사한 전산화단층 영상을 Mac OS 기반의 OsiriX DICOM viewer software version 5.6 32-bit (OsiriX Foundation, Geneva, Switzerland)를 사용하여 STL파일로 변환하였다[13]. 변환된 STL파일을 분 할하기 위해서는 Netfabb studio basic 4.9.5(freeware) 프 로그램을 이용하여 제작크기의 제한으로 한 번에 출력이 어 려운 골 모델은 나누어 분할하였다. 3차원 프린터로 출력하 려면 STL파일을 G-code로 코딩하는데 코드생성은 CURA 15.0.4 (Ultimaker, Netherlands) 오픈소스프로그램을 사 용하였다. 프린터를 제어하는 인터페이스는 Printrun을 사 용하여 출력하였다.

2.골 모형 제작

1)제작 순서

첫 번째로 골절부위를 1mm 간격으로 검사한 전산화단층 영상을 DICOM viewer OsiriX에서 체적 렌더링(volume rendering, ⅤR)으로 입체화하였다. 두 번째는 변환한 체적 렌더링 영상에서 출력할 부분만 남기고 그 외는 제거한 후에 표면 렌더링(shaded surface display, SSD) 기법으로 변환 하여 STL파일 품질 값을 설정하고 저장하였다. 세 번째는 출력크기를 한 번에 제작이 가능하도록 STL파일을 출력형상 을 고려하여 분할하였고, 분할된 파일을 코딩하여 G-code 를 생성하고 저장하였다. 네 번째는 프린터인터페이스에서 G-code를 3차원 프린터로 출력하였다. 마지막으로 출력이 완성되면 모델의 지지대 제거와 표면처리를 하고 전산화단 층영상과 제작된 인체 골절 모델을 비교하여 골절의 형태와 크기가 정확하게 출력되었는지 확인하였다(Fig. 2).

2)체적 렌더링 변환

골절된 부위를 수술 전 전산화단층검사로 영상을 획득한 후 OsiriX를 사용하여 체적 렌더링 기법으로 입체화하였다. 영상재구성은 3차원으로 변환된 영상을 프린터로 출력하고 자 하는 골절부분을 남기고 나머지 영상은 제거하였다. 출 력물의 형상이 피라미드형일 때 출력이 원활히 이루어지고 안정적으로 적층이 유지되므로 제작하려는 골 형상의 넓은 부위가 재료가 접착되는 베드에 위치하도록 체적 렌더링에 서 골절의 형태와 크기, 해부학적 구조를 고려하여 출력할 범위와 크기를 설정하였다. 출력물의 크기에 따라 제작에 소요되는 시간이 큰 차이가 발생하므로 필요한 부위를 적절 하게 선택하는 것이 중요하다.

3)표면 렌더링 변환

출력할 인체 골의 크기와 형태, 부위별 두께, 골밀도, 골 절된 상태를 체적 렌더링에서 확인하여, 출력해상도를 최적 화하기 위한 3차원 영상품질 값을 정확히 설정하고 출력모 델이 실제 골의 상태와 형상이 동일하게 출력되도록 체적 렌더링영상을 표면 렌더링으로 변환하였다. OsiriX의 표면 렌더링 입체영상 기법의 품질 설정 값은 <Table 2>에 나타 내었다.

변환된 표면 렌더링을 STL파일로 전환하여 저장하였다. [Figure 3]에서 좌측은 CT영상이고 중앙은 체적 렌더링영 상, 우측은 표면 렌더링영상이다.

4)STL 파일 변환

연구에 이용한 조립형 3차원 프린터는 한 번에 출력할 수 있는 골 모델의 최대 크기는 150 mm×150mm×140mm 로 대퇴골과 척추, 골반과 같은 크기가 140mm 이상의 모 델은 분할출력 하였다. 출력하려는 골의 전산화단층영상을 OsiriX에서 STL파일로 변환하고, Netfabb Studio Basic에 서 [Figure 4]와 같은 방법으로 이 파일을 자르기 기법으로 출력크기를 프린터에 맞게 분할하였다. STL파일로 변환하 고, 이 파일을 분할한 것은 출력된 골 모델의 각각의 부위들 을 접합할 때 발생하는 오차를 방지하여 정확한 모델의 제 작을 위하여 파일을 변환하고 분할하였다. STL파일을 분할 하지 않고 전산화단층촬영 영상파일을 나누어 체적 렌더링 과 파일전환하고, 출력한 각 부분을 접합하면 출력물의 해 부학적 구조의 변형으로 오차가 발생하였다. STL파일로 변 환한 후 분할하고, 각각 출력하여 지지대 제거 등의 표면 후 처리를 완벽하게 한 뒤 해부학적 구조와 형태에 맞게 정밀 하게 접합하는 분할 접합방법으로 제작을 완성하였다.

5)G-code 생성(Slicer)

3차원 프린터에서 모델을 출력하기 위해서는 STL 파일을 프린터가 인식할 수 있도록 코딩을 해야 한다. 노즐과 히트 베드의 온도, 재료의 압출량과 속도, 적층의 방향과 순서, 스텝 모터의 속도, 층간 적층 높이, 외벽과 내벽의 두께와 밀도 등의 프린팅에 관한 정보가 모두 포함되어 있는 파일 을 G-code라 한다. G-code 생성을 위해 [Figure 4]와 같 이 오픈소스 CURA 15.0.4 프로그램을 사용하였다.

CURA의 코딩설정 값은 복잡하고 불규칙한 골절 모델을 출력하기 위해서는 골절의 정도를 정확하게 출력할 수 있도 록 설정 값을 변경하면서 출력하여 골절 모델제작에 필요한 최적의 값을 찾았다. 인체 골 모델제작에 사용된 모델출력 의 최적화 품질 값은 [Figure 5]에 표시된 것과 같다.

6)프린터 인터페이스

프린터 인터페이스는 오픈소스 PrintRun(Fig. 5) 프로그 램을 이용하여 컴퓨터에서 3차원 프린터의 각축 스텝 모터 와 재료를 압출하는 익스트루더 모터, 베드의 움직임, 베드 와 노즐의 온도 등, 프린터의 동작을 제어하고 프린팅의 진 행 과정과 정도를 모니터링 하면서 진행할 수 있었다. 프린 터의 베드와 노즐의 온도, 현재 진행 과정과 상태를 확인할 수 있어서 프린팅의 제작소요 시간과 진행 상황을 확인할 수 있었다.

7)골 모델 제작

Netfabb Studio Basic에서 STL파일을 분할할 때 출력모 델의 전체크기를 측정한 후 접합을 고려하여 2∼3등분으로 분할하였다. 모델의 해부학적구조와 크기 및 골절의 형태를 감안하여 분할 위치와 개수를 결정하여야 안정적으로 출력 이 완료되었다. 분할된 STL파일은 CURA에서 피라미드 형 태로 회전하여 바닥에 안착하고, G-code를 생성해야 출력 물이 베드에서 이탈하여 넘어지는 오류 없이 출력을 완료할 수 있었다. 사용된 재료는 골과 유사한 색상의 아이보리색 ABS수지를 선택하였고, 히트베드는 105℃, 노즐은 230℃ 로 설정하였고, 출력되는 재료가 베드에 안착할 수 있도록 종이테이프를 베드에 붙이고 출력하였다(Fig. 6).

냉각 팬을 압출모터위에 장착하여 노즐에서 녹아나오는 액상의 재료가 적층된 후 바로 굳어 형태의 변화가 일어나 지 않도록 하였고, 완성된 출력물은 접합면과 표면처리를 한 뒤 각각 출력된 부분을 접착제를 이용하여 정확하게 해 부학적 구조와 골절면을 맞추어 접착하였다. 접합에 사용한 접착제는 아세톤 용액에 출력에 사용한 재료를 3 : 1 비율로 녹여서 사용하였다.

Ⅲ.결 과

제안된 방법으로 총 16건의 전산화단층영상을 사용하여 제작된 대퇴골, 골반, 어깨, 손목, 팔꿈치, 경골, 거골, 종 골, 척추, 상완골, 쇄골 등의 16개(접합 방식의 제작 모델 8 개 포함)의 모델을 정형외과 의사에게 제공하여 수술 전․후 에 분석 및 검토하였으며, 임상적 관점에서의 장점과 활용 여부를 판단하고자 하였다.

1.대퇴골 모델

대퇴골은 길이가 380mm로 한 번에 출력할 수 없어서 3 부분으로 나누어 출력한 후, 접합하는 방식을 사용하여 제 작하였다. 제작된 대퇴골 모델의 실제 크기와 두께, 정확한 길이로 출력되었는지 확인하기 위하여 정확도를 측정하였 다(Fig. 7).

2.골반 골절 모델

[Figure 8]은 골절된 좌측 골반을 출력한 모델로 한 번에 출력할 수 없어서 분할 접합방식으로 3등분으로 파일을 나 누어 출력하고, 접합하여 제작한 골반골절 모델이다. 골절 의 형태와 출력 크기에 따라 분할 위치를 결정하여 제작하 였고 복합골절상태가 실제와 동일하게 제작되었다.

제작된 모델을 이용하여 수술방법과 해부학적 구조의 복 원방법과 순서를 미리 계획할 수 있었다. [Figure 9]와 같이 제작된 모델로 골절부위의 절개 위치와 복원방법, 고정용 금속판의 고정위치와 방향을 결정하고, 길이와 각도를 사전 성형하여 환자의 골절 형태에 맞게 성형된 금속판을 실제 수술에 사용하였다.

3.경골 골절 모델

발목 관절의 경골과 거골은 관절강의 공간으로 인접한 두 개의 골을 연결하여 한 번에 조형할 수 없어 각각 제작하였 다(Fig. 10). 임상적으로 하나로 출력하는 것보다 관절면의 손상을 정확하게 확인하기 위해서는 두 개의 골을 각각 제 작하는 것이 효과적이었다.

4.상완골 골절 모델

상완골두의 복합골절 환자로 골절의 범위가 넓고 어깨관 절을 이루고 있는 부분의 골절로 고정용 나사못의 길이가 정확하지 않으면 관절을 손상 시킬 수 있으므로 골절모델을 이용하여 길이와 방향을 결정하여 안정된 수술을 할 수 있 었다(Fig. 11).

5.쇄골 골절 모델

제작한 쇄골모델을 이용하여 표재성 골에 유용한 최소한의 수술적 절개로 골유합의 확률을 높이는 최소침습적 경피적 금속판 삽입술(Minimal Invasive Plate Osteosynthesis, MIPO)을 수술 전 계획하여 사용가능성을 확인하였다(Fig. 12).

6.종골 골절 모델

[Figure 13]은 종골의 복합골절 모델로 골절의 상태를 확 인하고 해부학적 구조의 정확한 복원과 고정을 위한 수술방 법을 결정하였다.

7.척추 모델

접합방식으로 3부분으로 나누어 제작하였고 구조가 복잡 하고 크기가 커서 연구 중에 제작한 모델 중 가장 긴 48시간 이상의 제작 시간이 소요되었다(Fig. 14).

Ⅳ.고 찰

골절의 수술계획은 절개범위와 위치 및 방향, 절개 크기 를 정하고 골절의 해부학적 구조의 복원과 어떤 방법으로 골절된 부분을 고정 할지를 의료영상으로 판단하고 결정하 게 된다[7,9-10]. 영상프로그램의 발달로 단면과 다면영 상, 3차원 재구성영상에서 골절의 크기와 각도를 측정할 수 있으며, 이를 통해 골절된 골을 고정하는 나사못과 금속 판을 선택하여 수술에 사용한다[11-12]. 수술 시 절개부위 를 통하여 확인되는 부분은 골절된 골의 전체가 아닌 일부 분으로 전체적인 골절의 형태를 확인하기에는 상당한 어려 움이 있다[6,8]. 정형외과 환자의 수술에서는 방사선 검사 장비와 투시용 장치를 사용하여 수술 진행 상황을 수시로 확인하고 있다[7]. 이에 본 연구에서는 전산화단층영상을 이용하여 정형외과 골절수술 대상 환자의 맞춤형 골 모델 제작을 위한 삼차원 프린팅 시스템을 개발하여 골절된 골 의 모델을 제작하여 사전수술계획과 고정용 도구를 결정하 는데 활용할 수 있도록 하였다. 또한 제안된 시스템에서는 제작 크기의 제한으로 한 번에 제작하지 못하는 크기의 골 모델이 있었다. 크기가 큰 골 모델은 분할 출력 후 접합하 여 제작을 완성하는 분할 접합방법으로 출력물의 크기제한 이 없이 모델을 제작할 수 있었다. 제작모델을 수술 전 임 상의에게 제공하여 임상적 유용성을 검증하고 활용여부를 판단하였다. 이를 평가하기 위하여 16개의 모델을 제작하 였으며, 4명의 정형외과 의사에게 제공하여 이들의 임상 유용성 검증을 진행하였다. 개발된 시스템으로 제작된 골 절된 인체의 골과 같은 크기와 형태의 모델을 손으로 만져 보고 골절된 위치와 상태를 확인하고, 수술방법과 골절된 골의 복원과 고정에 사용할 재료의 형태와 크기를 미리 결 정하여 더욱 세밀한 수술계획을 세울 수 있었다. 제작된 모 델을 이용하여 수술 전 시뮬레이션을 할 수 있어서 환자의 안전과 부작용을 방지할 수 있었고, 수술의 오차를 줄일 수 있어 안정되고 정확한 골절수술을 할 수 있었으며, 이는 수 술 후 발생할 수 있는 후유증이나 합병증 등 기타 여러 문 제의 발생소지를 줄일 수 있을 것이다. 수술계획을 환자에 게 설명할 때에도 본인의 골절 상태와 동일한 골 모델을 집 도의와 함께 보면서 들을 수 있어서 큰 도움이 되었으며 수 술방법에 대한 이해를 높일 수 있어서 집도의에 대한 신뢰 도가 향상되었다. 인체 골 모델을 환자별, 증례별로 제작하 여 의료기록과 연구 자료로 활용할 수 있으며, 골절수술에 대한 전공의와 학생들의 교육목적으로도 유용하게 활용할 수 있을 것이다. 골 모델제작에 사용된 프로그램은 모두 공 개용 소프트웨어를 이용하였으며 이를 통해 전산화단층 영 상파일을 STL파일로 변환하였고, 3차원 프린터 출력용 G-code를 생성할 수 있었다.

본 연구에서는 1대의 프린터로 실험을 진행하여 많은 시 간이 소요되었으며 전체 골반을 제작하는데 18시간 이상이 소요되었다. 향후 실험에서는 분할된 3차원 파일을 여러 대 의 프린터를 사용하여 출력한 후 접합하여 제작 시간을 단 축하는 방법과 서로 다른 프린터에서 출력된 것을 접합하였 을 때 완성된 모델의 정확성에 대한 연구를 진행하여야 할 것으로 사료된다.

Ⅴ.결 론

출력물의 크기가 프린터에 따라 정해져 있는데, 공개용 프로그램으로 STL파일을 분할 출력하여 접합하여 완성하는 방법으로 작은 프린터로 큰 모델을 제작할 수 있었다. 골 모 델의 주문제작에 사용되는 비용과 시간을 혁신적으로 줄일 수 있으며 병원에서 직접 제작하여 응급수술에도 충분히 적 용할 수 있었고, 골절의 증례별 모델을 제작하여 학생 수술 실습용으로도 사용이 가능하였다. 따라서 본 연구에서 구현 된 3D 프린팅 기술은 이러한 장점을 바탕으로 정형외과학의 교육, 연구, 진료와 수술의 전 분야에 걸쳐 광범위하게 응용 될 것으로 예상되며, 대학병원뿐 아니라 일반병원에서도 편 리하게 사용될 것으로 기대된다.