정형외과 영역에서의 삼차원 프린팅의 응용 최승원

서 론

삼차원(three-dimensional, 3D) 프린팅 제작 기술은 기존의 제 조 방법과는 다른 방식으로 제품을 제조할 수 있는 장점이 있 으며 빅 데이터 분석, 인공지능, 로봇공학, 사물인터넷, 무인 운 송 수단, 나노 기술과 함께 4차 산업 혁명으로 여겨진다. 3D 프 린팅 기술의 성장이 가속화됨에 따라 의료 업계 역시 환자의 치 료를 위한 3D 프린팅의 도입을 추진하고 있다. 의료 분야에서 3D 프린팅은 개별 환자 치료, 연구, 교육 및 훈련 도구 등 다양 한 의료 분야에서 사용되고 있으며, 이에 따라 정형외과 영역에 서도 3D 프린팅의 사용이 급속히 증가하고 있다. 컴퓨터 단층촬 영(computed tomography, CT)이나 자기공명영상(magnetic

resonance imaging, MRI)을 촬영하여 해부학적 구조들을 재구 성하고 다양한 3D 프린팅을 이용하여 제조하면 연구자, 제조 업 체, 의사들이 3D 프린팅 기술을 보다 쉽게 사용할 수 있다. 3D 프린팅 기술을 사용하여 시뮬레이션 모델 및 의료용 임플란트를 제조함으로써 의사와 의료 회사는 술자가 제조하고자 하는 제품 을 술자가 원하는 모양으로 맞춰서 제조할 수 있다.¹⁾ 지난 10년 간 정형외과 분야에서 3D 프린팅 응용에 많은 발전이 있어 왔으 며 3D 프린팅을 이용한 정형외과적 치료에 대해 많은 과학적 연 구들이 시행되고 있다.²⁾

최근 정형외과 분야에서 3D 프린팅 기술은 4가지의 범주 안에 서 주로 사용된다. 첫째, 변형이나 골 결손이 심한 환자에서 수술 전 환자의 진단, 수술 계획 수립, 수술 시뮬레이션을 위한 골 모 델의 제작이다. 둘째, 정형외과 수술의 정확도를 높이기 위하여 환자 맞춤형 수술 기구를 제조하여 가이드나 지그(jig)로 사용하 는 분야이다. 셋째, 고관절 전치환술의 비구컵이나 척추 추간판 케이지와 같은 기존 삽입물에 표면 처리에 적용되는 3D 프린팅 인공관절 삽입물의 제조이다. 이러한 표면 처리된 3D 프린팅 인 공 관절 삽입물은 인공 관절의 표면에 골 내 성장을 최적화 할 수

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The Journal of the Korean Orthopaedic Association Volume 56 Number 2 2021 Received August 10, 2020 Revised October 22, 2020

Accepted November 9, 2020

Correspondence to: Taek-Rim Yoon, M.D., Ph.D.

Department of Orthopedic Surgery, Center for Joint Disease, Chonnam National University Hwasun Hospital, 322 Seoyang-ro, Hwasun-eup, Hwasun 58128, Korea TEL: +82-61-379-7676 FAX: +82-61-379-7681 E-mail: tryoon@chonnam.ac.kr ORCID: https://orcid.org/0000-0001-8282-1723

정형외과 영역에서의 삼차원 프린팅의 응용

최승원 • 박경순 • 윤택림

화순전남대학교병원 관절센터 정형외과

Three-Dimensional Printing Technology in Orthopedic Surgery

Seung-Won Choi, M.D., Kyung-Soon Park, M.D., Ph.D., and Taek-Rim Yoon, M.D., Ph.D.

Department of Orthopedic Surgery, Center for Joint Disease, Chonnam National University Hwasun Hospital, Hwasun, Korea

The use of 3-dimensional (3D) printing is becoming more common, and its use is increasing in the orthopedic surgery. Currently, there are four major methods of using 3D printing technology in orthopedic surgery. First, surgical planning simulation using 3D printing model;

second, patient-specific surgical instruments; third, production of customized prosthesis using 3D printing technique; fourth, patient-specific prosthesis produced by 3D printing. The areas of orthopedic surgery where 3D printing technology can be used are shoulder joint, spine, hip and pelvis, knee joints, ankle joint, and tumors. Since the diseases and characteristics handled by each area are different, the method of using 3D printing technology is also slightly different in each area. However, using 3D printing technology in all areas can increase the efficiency of surgery, shorten the surgery time, and reduce radiation exposure intraoperatively. 3D printing technology can be of great help in treating patients with particularly complex and difficult orthopedic diseases or fractures. Therefore, the orthopedic surgeon should make the most of the benefits of the 3D printing technology so that patient can be treated effectively.

Key words: three-dimensional printing, orthopedic procedures, prostheses and Implants

있게 제조할 수 있다는 장점이 있다. 넷째, 골 형태가 기존의 인 공 관절을 사용하여 수술할 경우 좋은 결과를 내지 못할 것이라 고 생각될 때 환자 맞춤형 인공관절 삽입물의 사용이다. 정형화 된 크기의 삽입물과는 달리 맞춤형 삽입물은 환자 고유의 해부학 에 맞게 재현할 수 있는 점이 큰 장점이다. 본 종설에서는 정형외 과 영역에서 견관절, 척추, 고관절 및 골반, 슬관절, 족관절, 근골 격계 종양 등 정형외과 분야에 사용되는 3D 프린팅의 최신 동향 에 대해 기술하고자 한다. 생체 3D 프린팅에 대한 내용은 여기서 는 기술하지 않는다.

본 론

1. 견관절

1) 견관절 주위 골절 환자에서의 삼차원 프린팅 모델의 응용

상지의 골절은 비교적 흔하며 많은 경우 수술적 치료가 필요하 다. 복잡한 분쇄골절의 경우 정상적인 해부학이 심하게 손상되어 정복 및 고정이 쉽지 않다. 이러한 경우, 특히 관절 내 골절에서는 골 절편과 관절 표면의 정확한 식별이 필요하기 때문에 수술 전 계획 및 수술 시뮬레이션을 위한 3D 프린팅 기술이 많은 도움이 된다. 2016년 You 등³⁾은 노인의 복잡한 근위 상완골 골절 치료 에 3D 프린팅 기술을 적용한 것을 보고하였다. 이 연구에서, 복 잡한 근위 상완골 골절이 동반된 노인 환자 66명을 각각 3D 프 린팅 기술을 사용하지 않는 그룹과 사용한 그룹 두 그룹으로 나 누었다. 술 전 계획을 수립할 때, 술자는 3D 프린팅 골절 모델을 사용하여 정복을 시뮬레이션 하였다. 3D 프린팅 모델을 이용한 시뮬레이션으로 금속판 및 나사를 미리 선택하여 실제 수술에서

골절을 고정하는 데 사용하였다. 3D 프린팅을 사용한 그룹에서 3D 프린팅 기술을 사용하지 않은 그룹에 비해 복잡한 근위 상완 골 골절의 치료에 대한 좋은 임상적 결과를 보여 주었다. 2020년 Kong 등⁴⁾은 3D 프린팅 기술을 이용한 관절 내 원위 요골 골절의 수술적 치료에 대해 보고하였다. 총 32명의 환자를 3D 프린팅 기 술을 사용한 그룹과 사용하지 않은 그룹으로 무작위로 선정하였 다. 3D 프린팅 기술을 사용한 그룹에서 수술 시간, 수술 중 출혈 량, 수술 중 영상검사 횟수를 통계학적으로 유의하게 줄일 수 있 었다. 상완골 과간 골절 및 쇄골 골절에서도, 3D 프린팅 기술은 더 정확하고 간결한 치료를 제공한다는 보고들도 있다.^5,6)

2) 견관절 전치환술에 있어서 환자 맞춤형 가이드의 이용

견관절 전치환술 및 역행성 견관절 전치환술은 그 빈도가 지속적 으로 증가하고 있다.^7-9) 견관절 전치환술 및 역행성 견관절 전치 환술에서 관절와 삽입물의 삽입은 전반적으로 30%–50%에 해당 하는 합병증인 해리, 마모, 절흔 등을 야기할 수 있어 어려운 문제 로 간주된다.¹⁰⁾ 수술 중 신뢰할 만한 지표가 없기 때문에 변형이 동반된 관절와의 이해도 및 시각화가 더욱 어려울 수밖에 없으 며, 관절와 삽입물의 삽입은 정형외과 의사의 경험에 의해 결정

된다.^11-13) 이러한 문제는 두 가지 주요 변수, 부적절한 관절와 뼈

대 및 기형, 과도한 후염전 또는 경사도 및 관절와 볼트 천공 등으 로 인한 삽입물의 잘못된 위치에 따라 달라진다.^14-17) 환자 맞춤형 삽입물(patient-specific instrument, PSI)은 견관절 영역에서 새로운 기술이며, 이 분야에서 개발로 인해 관절와 삽입물을 적 절한 위치에 잡아주기 위한 맞춤형 가이드가 만들어졌다(Fig. 1).

수술에 들어가기에 앞서, CT를 이용하여 만들어진 3D 관절와 재

Figure 1. Reverse total shoulder arthroplasty using a 3-dimensional printed patient specific guide.

구성 이미지를 이용하여 전용 소프트웨어로 술 전 계획을 수립한 다. 정형외과 의사와 제조업체가 술 전 계획을 확인하고, 3D 프 린팅 관절와 모델 및 맞춤형 가이드를 제작한 뒤, 정형외과 의사 에게 전달된다. 2014년 Iannotti 등¹⁸⁾은 3D 프린팅을 이용하여 술 전 계획을 수립하는 것이 관절와 골 전처지와 삽입물 위치의 정확도를 의미 있게 향상시킨다고 보고하였으며, 이와 관련된 다 른 연구들이 많이 보고되고 있다.^19,20)

2. 척추

1) 척추경 나사못 삽입에서의 삼차원 프린팅 model을 이용한 수술 시뮬 레이션

척추 수술에서 3D 프린팅 기술은 척추의 복잡한 해부학적 구조 와 세심한 주의가 필요한 주변 구조물의 특성을 정확하게 파악하 여 정형외과 의사가 수술 계획 수립 및 술기의 정확성을 높이는 데 도움을 준다. 3D 프린팅 기술은 병변을 전체적이고 입체적으 로 이해할 수 있게 하여 술기를 시뮬레이션 해 보거나 더 구체적 인 계획을 수립할 수 있게 한다. 또한 개별화 된 모델을 사용하여 시각화 할 수 있고 술 전 준비를 보다 쉽게 할 수 있으며, 이로 인 해 수술 시간과 혈액 손실을 줄이고 방사선 투시를 줄일 수 있다.

이 과정을 통해 수술 결과를 향상시킬 수 있다.²¹⁾ 2016년 Shin²²⁾ 은 3D 프린팅 기법을 통한 요추 척추경 나사 삽입의 학습 곡선 단축의 효과에 대해 보고하였다. 이 보고에서 10명의 지원자들에 게서 20개의 3D 프린팅 요추 모델을 얻어, 프리핸드 기법을 이용 한 척추경 나사 삽입술에 대한 경험이 없는 2명의 초심자들이 교 육을 받고 각각의 요추 모델에 10개의 척추경 나사를 삽입하였 다. 술기 후 CT 스캔을 시행하여 정확도를 평가하고 술기 완료까 지 걸린 시간을 측정하였다. 총 200개 나사 중 37개의 나사가 평 균 1.7 mm로 척추경 피질을 뚫고 나왔으며, 후자 10개 모델에서 전자 모델들에 비해 유의하게 손상이 적고 술기 완료 평균 시간 도 단축되었다. 실제 크기의 3D 척추 모델은 척추경 나사 삽입술 에 대한 초심자의 수련에 훌륭한 역할을 할 수 있다고 보고하였 다.

2016년 Wang 등²³⁾은 복잡한 척추 질환의 개인별 치료에 3D 프린팅을 임상적으로 적용했다고 보고하였다. 복잡한 중증 척추 질환을 가진 4명의 환자에서, 3D 프린팅 모델의 사용은 합병증 의 위험뿐만 아니라 수술 시간 및 수술 중 혈액 손실을 줄일 수 있었으며 술 후 영상 검사에서 나사못의 척추경 과삽입 또는 잘 못된 방향으로의 삽입이 발생하지 않았다. 이 연구에서, 실제 만 져 볼 수 있게 제작된 3D 프린팅 모델은 직접적인 관찰 및 측정 을 가능하게 하여 정형외과 의사로 하여금 정확한 형태학적 정보 를 얻고 환자 개개인의 수술 계획을 수립할 수 있게 하며 환자 및 의료진과 더 나은 의사 소통을 할 수 있도록 도와준다고 보고하 였다.

2) 환자 맞춤형 수술 가이드

앞서 언급한 것처럼 척추 수술은 세심한 주의가 필요하며 매우 위험한 수술 중 하나이다. 3D 프린팅을 이용해 환자 맞춤형 데 이터로 작성된 가이드는 이러한 술기와 관련된 위험성을 줄일 수 있다. 척추경 나사못 고정은 척추 수술에서 일반적으로 사용 되며, 정확하게 삽입된 경우 가장 효과적으로 척추를 안정시키 고 합병증의 위험을 낮추는 방법이다. 하지만, 기존의 기술은 치 명적인 혈관 및 신경 손상을 일으킬 가능성이 높은 척추경 침범 의 위험성이 높아 많은 문제점을 가지고 있으며, 수술 중에 보이 는 해부학적 지표를 기준으로 시행하는 척추경 나사못의 삽입은 정형외과 의사의 경험에 크게 의존할 수밖에 없다. 3D 프린팅 나 사못 가이드는 이러한 문제를 해결할 수 있다. 3D 프린팅 나사못 가이드의 제작은 다음 순으로 이루어진다. 먼저, 환자의 척추에 대해 3D CT 스캔을 시행해야 한다. 전문 소프트웨어를 이용하 여 3D 모델을 생성하고, 가장 적절한 나사못의 방향과 크기를 결 정한다. 2018년 Garg와 Mehta²⁴⁾는 척추 수술에서 3D 프린팅의 현재의 상태에 대하여 보고하였다. 이 연구에서 문헌으로 보고되 고 있는 3D 프린팅 기술은 수술 전 계획 수립 및 전공의 또는 환 자 교육을 위한 해부학적 모델 제작을 위해 사용되었으며, 나사 못 가이드와 같은 수술 도구 제작 및 맞춤형 삽입물의 제작 역시

A B

Figure 2. (A) Patient-specific spinal model using 3-dimensional (3D) printing. (B) Using 3D-printed patient specific guide in spinal surgery. Cited from the article of Garg and Mehta (J Clin Orthop Trauma.

2018;9:218-25).²⁴⁾

3D 프린팅 기술의 적용 중 일부라고 보고하였다(Fig. 2). 하지만, 척추 수술에 적용되는 응용 프로그램의 특성상 생산 시간이 길고 많은 비용이 들기 때문에 척추 영역에서 3D 프린팅 기술이 널리 사용되지는 못하고 있는 실정이며, 현재 3D 프린팅 기술의 사용 은 전적으로 소아 척추 변형, 재수술 및 종양 절제술 후 해부학적 으로 어려운 재건술이 필요한 척추 종양 수술과 같은 복잡한 정 형외과 수술의 틈새 시장으로 제한되어 있고, 일반적인 척추의 치료에는 거의 사용되지 않는다고 보고하였다. 실제로 저자의 경 험상 정상 척추 CT 를 이용한 3D 프린팅 모델을 제작하는 데는 컴퓨터 모델링 시간에 제약이 많이 따르지는 않으나, 비정상적이 고 전만 또는 후만되어 있는 척추의 CT를 축상면, 시상면, 관상 면으로 자를 경우 해당 분절의 위 또는 아래 분절이 같이 잘려, 이 를 처리하는 데 시간이 많이 소요되었다. 따라서 실제 임상 적용 에는 더 많은 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.

2016년 Deng 등²⁵⁾은 경추 나사못 고정을 위한 개별화된 3D 인쇄 나사못 삽입 템플레이팅의 정확성과 안전성에 대해 보고하 였다. 경추 척추경 나사못, 후궁 나사못 또는 외측방 나사못 고정 을 이용한 경추 후방 고정술을 시행받은 10명의 환자에 대해 조 사하였다. 모든 환자는 수술 전 CT 스캔을 시행하여 환자 개개인 의 3D 프린팅 템플릿을 제작하였다. 대부분의 나사는 수술 전 디 자인된 트랙에 삽입되었으며 나사 축은 하나의 나사만을 제외하 고 2 mm 이내에 삽입되었다. 감염, 나사못 파손, 추가 골절 또는 나사못 풀림 현상 등의 합병증은 발생하지 않았다고 보고하였다.

이 외에도 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 가이드의 사용에 대 해 좋은 결과를 보이는 많은 보고들이 있다.^26-28) 척추경 나사를 안전하게 삽입하기 위한 가이드는 척추체의 크기가 매우 적은 경 추나 비교적 위쪽의 흉추에서 그 필요성이 높을 것으로 생각된 다.

3) 환자 맞춤형 interbody cage

2019년 Mobbs 등²⁹⁾은 전방 요추 간 유합술을 위한 맞춤형 삽입 물의 사용에 대해 보고했다. 술자는 맞춤형 3D 프린팅 디자인 기 능으로 요추 전만증 복원을 위한 교정 각도, 환자의 골 단판 해부 학과 모양이 일치하도록 디자인된 골 단판 장치를 포함하였다.

PSI를 사용하여 술기를 위한 술 전 계획을 수립하는 데 시간을 들 여 실제 수술 시간을 의미 있게 줄였다.

3. 고관절과 골반 1) 수술 전 계획 및 시뮬레이션

고관절 및 골반 수술은 3D 프린팅이 많이 쓰이는 영역으로, 앞 에서 언급한 4가지의 방법으로 사용되고 있다.³⁰⁾ 2017년 Zheng 등³¹⁾은 대퇴골 전자 간 골절의 치료에서 3D 프린팅을 이용한 경 피적 나사못 고정술의 적용에 대해 보고했다. 이 연구에서, 19명 의 환자는 CT 스캔을 시행한 후 3D 프린팅을 이용하여 근위 대

퇴골 금속강 고정술을 시행받았으며, 다른 20명의 환자는 통상 적인 근위 대퇴골 금속강 고정술을 시행받았다. 사용된 삽입물과 수술 전 계획 추정치 사이의 평균 금속강의 크기에는 차이가 없 었다. 또한, 수술 시간, 수술 중 및 수술 후 혈액 손실은 기존 수술 과 비교하여 3D 프린팅을 이용한 그룹에서 크게 감소했다. 2019 년 Chen 등³²⁾은 컴퓨터를 이용한 가상 수술과 3D 프린팅을 이용 하여 환자 맞춤형 전처치 금속판을 사용한 비구 양주 골절의 치 료에 대해 보고하였다. 이 연구에서 52명의 환자를 2개의 그룹 으로 나누었으며, 그룹 A는 컴퓨터를 이용한 가상 수술을 시행하 고 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 전처치 금속판을 사용하였 으며, 그룹 B는 통상적인 방법으로 치료하였다. 컴퓨터를 이용하 여 골절된 비구 모양의 3D 모델을 제작하고, 각각의 골절편에 다 른 색이 칠해지게 제작되었다. 골반 모델은 가상 수술에서 모든 방향으로 돌릴 수 있게 하였으며, 온전한 반-골반을 거울상으로 만들어, 골편의 가상 정복이나 정복을 위한 템플레이팅에 사용할 수 있어, 가상으로 정복과 금속판 고정술을 시행할 수 있다. 또한, polyactic acid를 이용하여 골절된 환자 맞춤형 3D 프린팅 반- 골반과 거울상의 정상 골반을 제작하고, 거울상의 반-골반을 이 용하여 재건된 골반에 미리 윤곽을 맞춘 금속판을 만들 수 있다.

그룹 A에서 모든 환자의 실제 수술 절차는 수술 전 가상 수술과 거의 동일했다. 수술 시간과 수술 중 혈액 손실은 그룹 B보다 그 룹 A에서 크게 감소한 반면, 수술 후 골절 및 고관절 기능의 감소 는 그룹 A에서 약간 더 높은 만족도를 보였다.

2) 환자 맞춤형 가이드

3D 프린팅을 이용한 PSI를 제작하여 관혈적 정복술 및 압박고 나사를 이용한 내고정술, 대퇴 비구 충돌, 대퇴 골두 무혈성 괴 사의 고관절 보존술 및 고관절 전치환술에 사용할 수 있다. 캠형 병변의 대퇴 비구 충돌에서 대퇴 골두 경부 이행부의 충돌을 야 기하는 과도한 골을 제거하는 골연골 성형술로 치료할 수 있다.

2018년 Verma 등³³⁾은 캠형 병변의 대퇴 비구 충돌 수술에서 3D 프린팅의 적용에 대해 보고했다. 3D 프린팅으로 디자인 된 대퇴 골두 경부의 지그는 CT를 기반으로 하여 가상의 수술 및 계획을 가능하게 했으며, 실제 수술장에서 대퇴 골두 경부 이행부의 골 을 절제하기 위한 가장 적절하고 최적화된 가이드로 사용되었다.

대퇴 골두 무혈성 괴사 역시 3D 프린팅을 통해 보다 간단하 고 정확한 수술이 가능하다. 회복 가능한 단계(Ficat stage I, II osteonecrosis of femoral head)의 대퇴 골두 무혈성 괴사에서, 핵심 감압술은 골 내 압력을 감소시키고 재관류를 증가시킬 수 있는 치료법이며, 골 이식편 또는 다공성 생체 세라믹 막대 삽입 이 추가될 수 있다. 이 때 감압은 괴사 부위에서 정확하게 수행되 어야 한다. 하지만, 기존의 수술 중 영상 투시하에서의 기술은 괴 사 부위의 위치를 찾기가 어려우며, 따라서 수술 시간은 길어지 고 여러 차례의 영상 검사를 해야 한다. 3D 프린팅 기술은 이러

한 문제를 해결할 수 있다. 2018년 Li 등³⁴⁾은 초기 대퇴 골두 무 혈성 괴사의 치료를 위한 핵심 감압술 및 다공성 생체 세라믹 막 대 삽입술에서 3D 프린팅 가이드의 임상적 가치에 대해 보고하 였다. 20명의 환자에서 3D 프린팅 가이드 금속판을 이용한 수 술을 시행받고, 다른 20명의 환자는 대조군으로 C-arm을 이용 한 영상 투시를 이용하여 수술을 시행받았다. 핵심 감압 및 다공 성 생체 세라믹 막대 삽입술의 정확도에 통계적으로 유의성은 없 었지만, 3D 프린팅 기술을 이용한 그룹의 수술 시간, 형광 투시 시간 및 수술 중 혈액 손실은 대조군에 비해 의미 있게 낮았으며, Harris hip score 점수는 대조군에 비해 의미 있게 높았다(Fig. 3).

대퇴 골두 무혈성 괴사 Ficat stage III, IV 환자, 일차성 또는 이차성 골관절염 환자에서 고관절 전치환술은 일차 치료로 고려 된다. 비구컵 위치의 정확도는 성공적인 고관절 전치환술을 시행 하기 위한 가장 중요한 요소로서, 비구컵의 부정확한 위치는 술 후 불안정성, 관절면 마모, 삽입물 충돌 등을 야기할 수 있다.³⁵⁾ 이상적인 비구컵의 위치는 전염각 5°에서 25°, 외전각 30°에서 50° 사이이며, 이 적절한 위치를 잡기 위해 기존의 인 고관절 전 치환술에서는 술자의 경험에만 의존하였다. 하지만 PSI는 고관절 전치환술에서 삽입물의 위치를 가이드 해 줄 수 있다. CT와 MRI 를 이용하여 3D 환경에서 수술을 계획할 수 있다. 삽입물의 방 향, 위치와 크기를 계획하고 수술 중 PSI를 이용하여 수술을 진행 한다.³⁶⁾ Small 등³⁷⁾은 PSI와 기존의 표준 수술 기구를 사용한 비 구컵의 위치를 비교한 내용을 보고하였다. PSI 기술을 이용한 고 관절 전치환술과 기존의 고관절 전치환술을 각각 18명의 환자에 게 시행하였으며, CT 스캔을 사용하여 계획한 것과 수술 후 실제

결과를 비교하였다. 계획된 전염각과 실제 수술 결과의 차이값은 두 방법 간에 의미 있게 달랐으며 PSI 기술을 이용한 고관절 전치 환술 환자에서 더 정확하였다.

3) 3D 적층 제조로 표면 처리된 삽입물

3D 프린팅 기술 대부분의 응용 분야는 고도의 맞춤화 또는 환자 맞춤형 제조에 중점을 두었으며, 재료가 진화함에 따라 3D 프린 팅 기술도 발전했다. 다공성 티타늄은 인체의 해면골과 유사한 구조를 가지고 있으며 기계적 안정성이 있고 골 융합을 촉진하는 생체 적합성인 고품질 첨가제 제조 기술로만 재현할 수 있다.

2019년 Castagnini 등³⁸⁾은 무시멘트성 고관절 전치환술에서 다량의 다공성 티타늄 컵에 대해 보고하였다. 이 연구에서 다공 성 티타늄 컵을 이용한 그룹은 대조군과 비교하여 통계적으로 높 은 생존율과 컵의 무균성 해리의 발생률이 통계적으로 낮았다.

대퇴골 스템과 관련하여, 2017년 Arabnejad 등³⁹⁾은 3D 프린팅 으로 제작된 광범위 다공성 표면 처리된 대퇴 스템이 기존의 삽 입물에 비해 응력 방패 현장에 따른 이차적인 골 손실량을 75%

줄일 수 있다고 보고했다.

4) 환자 맞춤형 삽입물

특수한 질환별 상황에 따른 환자의 뼈 모양 또는 삽입물의 크기 가 통상적인 삽입물의 적용 범위를 벗어나는 경우 삽입물과 환 자의 해부학적 구조 간 더 잘 fitting됨으로써 더 나은 수술 결과 를 기대할 수 있는 맞춤형 삽입물이다. 특히 고관절 재치환술에 서 비구의 골 결손이 동반된 경우 술자에게 해결하기 매우 어려

R

A

B

Figure 3. (A) Patient-specefic hip model using 3-dimensional (3D) printing. (B) Postoperative X-ray and intraoperative figure using 3D printed patient- specific guide in core decompression for osteonecrosis of femoral head. Cited from the article of Li et al. (J Orthop Surg Res. 2018;13:130).³⁴⁾

운 문제로 여겨진다. 심한 비구의 골 결손의 경우 jumbo ace- tabular cup, 시멘트 컵과 압박 골 이식술, 구조적 동종골 이식 술, oblong acetabular cup, antiprotrusio cage 등을 사용하여 결손 부위를 재건하게 되고, CTAC (custom-flanted triflanged acetabular components)를 사용하여 극심한 비구 골 결손의 경 우에도 고관절의 역학을 회복하고 안정성을 유지할 수 있다고 알 려져 있다. CTAC 임플란트는 CT 검사 이후 설계된 3D 모델로 디자인하고, 환자별 골 상태를 평가하고 이를 기반으로 생체 역 학 평가를 통한 PSI의 계획된 위치를 안내할 수 있는 드릴 가이

드와 골 상태를 고려한 나사 위치를 결정하는 데 도움을 줄 수 있 다. 현재 연구에 따르면 아직까지는 CTAC에서 합병증의 발생률 이 높은 것으로 보고되고 있으나, 대부분의 경우 심각한 비구 골 결손 또는 골반 불연속이 동반된 환자군에서 사용되어 나타난 결 과로 생각되며, 이러한 환자군에서 사용된 것을 감안하였을 때 우수한 치료 결과를 나타냄과 동시에 앞으로의 발전 역시 기대해 볼 수 있을 것으로 생각된다(Fig. 4).

A

B

C

D

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L L

R

Figure 4. (A) Postoperative X-ray of a patient required revision total hip arthroplasty with severe acetabular bone defect. (B) Patient- specific implant using 3-dimensional (3D) printing. (C) Intraoperative figure using patient-specific implant using 3D printing.

(D) Postoperative X-ray.

4. 슬관절

1) 근위 경골 절골술에서 삼차원 프린팅의 활용

근위 경골 절골술은 내측 슬관절 골관절염이 있는 환자에서 비교 적 관절을 보존하는 수술적 치료 방법이다. 근위 경골 절골술에 서 관상면에서의 각도 교정의 정도는 수술의 장기적인 성공에 결 정적인 것으로 간주된다. 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 가 이드를 이용하면, 근위 경골 절골술의 계획 및 실행, 특히 아직 숙 련되지 않은 정형외과 의사의 정확성과 성공률을 향상시킬 수 있 다. 3D CT 및 MRI를 이용하여 환자의 슬관절 이미지를 제작한 후 3D 근위 경골 절골술을 위한 소프트웨어를 사용하여 근위 경 골에서 가상의 절골술을 시행할 위치를 계획한 뒤 이에 맞는 가 이드를 3D 프린팅으로 제작할 수 있다. 이를 이용해 계획된 각도 만큼 절골술을 정확하게 해낼 수 있다. 2018년 Yang 등⁴⁰⁾은 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 기구를 이용한 내측 개방형 근위 경골 절골술의 임상적 경험에 대해 보고하였다. 10명의 근위 경 골 절골술을 시행받을 환자에게 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤 형 가이드를 설계, 제작하여 수술을 시행하였다. 술 후 3개월째 추시 결과 관절 운동 범위의 증가와 통증 및 불편감의 감소를 보 였으며, 방사선학적 검사상에서도 술 전 계획한 만큼의 만족스러 운 결과를 확인하였다. 2018년 Kim 등⁴¹⁾은 개방형 근위 경골 절 골술에서 3D 프린팅을 이용하여 수술의 정확성을 높일 수 있다 고 보고하였다. Picture Archiving and Communication Sys- tem (PACS) 이미지를 사용하여 근위 경골 절골술을 시행한 환자 20명과 3D 프린팅 모델을 사용하여 근위 경골 절골술을 시행한 환자 20명에 대해 수술 후 1년째 추시 결과를 비교하였다. 3D 그 룹에서 PACS 그룹에 비해 방사선학적 검사상 수술 전 계획과 실 제 수술 후 목표 지점의 차이값이 의미 있게 낮았으며, 허용 범위 내로 수술이 시행된 환자 수가 3D 그룹에서 더 많았다고 보고하 였다.

2) 슬관절 전치환술에서의 삼차원 프린팅의 활용

하지의 역학적 축의 적절한 회복을 이루는 것은 슬관절 전치환 술(total knee arthroplasty, TKA)의 성공 여부를 판단하는 핵 심 요소 중 하나이다. 이러한 정렬을 더욱 정교하게 교정하기 위 해 navigation 혹은 robot assisted TKA가 사용되어 왔으나, 이 방법들은 비용이 비싸고 사용하기가 복잡하며, 술자가 직접 골 의 지표를 표시해야 한다는 점, 핀 삽입 시의 골절의 위험성, 수 술 시간이 일반적인 TKA에 비해 15–20분 정도 더 소요되는 등 의 단점이 있다.⁴²⁾ PSI는 컴퓨터 보조 수술의 차세대 방법으로 PSI는 슬관절의 골관절염 환자에서 3D 모델을 통해 환자 맞춤형 으로 경골과 대퇴골을 guide하는 데 사용함으로써, 정확한 역학 적 축을 회복시킬 수 있으며, 수술시간, 혈액 손실 감소 및 지방 색전증 등의 합병증 발생 위험을 줄일 수 있다. PSI는 CT를 이용 하여 환자 맞춤형 설계를 통해 질병 전 슬관절 상태를 디자인 할

수 있으며, 최근에는 X-ray와 CT, MRI에 기반한 기계적 및 해 부학적 정렬을 회복시킬 수 있는 PSI 시스템이 라이센스를 획득 하였다. MRI 혹은 CT를 촬영한 이후 3개의 연속된 이미지로 구 성된 프로토콜로, Mimics (Materialise, Leuven, Belgium)라는 software를 이용하여 환자의 시상면을 모아 3D 모델을 만들며 대퇴골 및 경골 삽입물은 역학적 축에 맞춰 정렬시켜 각각의 모 양을 match 시킨다. 핀의 위치는 다음의 세 가지, (i) 원위 대퇴골 cutting guide, (ii) 전후면 cutting guide와 상과축을 기초로 하 는 회전 정렬, (iii) 경골 cutting guide의 위치를 결정함으로 결 정하며, PSI는 관절염 환자의 무릎에 맞게 생체 적합성 플라스틱 을 사용하여 가공한다. 2016년 Seon 등⁴³⁾은 TKA에서 환자 맞춤 형 가이드의 정확성에 대해 보고하였다. 이 연구에 따르면, 38명 의 환자에서 환자 맞춤형 가이드를 이용하여 TKA을 하였으며, 수술 중 대퇴골 피팅은 35명에서, 경골 피팅은 33명에서 안정적 인 것을 확인하였다. PSI 지그의 평균 관상면 정렬은 대퇴골에서 0.5°, 경골에서 0.1°, 평균 시상면 정렬은 대퇴골에서 0.6°, 경골에 서 5.5°였으며, 비정상 수치를 보이는 경우는 관상면 정렬에서는 대퇴골에서 2개, 경골에서 3개였으며, 시상면 정렬에서는 대퇴골 에서 3개, 경골에서 5개를 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 환자 맞춤형 가이드를 이용하는 것은 효과적이고 안전할 뿐 아니 라 요철(凹凸)과 같은 거의 완벽한 fit을 이룰 수 있을 것으로 생각 된다. 하지만 이러한 PSI를 이용한 TKA에 대해 회의적인 보고도 있다. 2018년 Stone 등⁴⁴⁾은 TKA 환자에서 PSI의 기능적 결과와 정확성에 대해 보고하였다. 85명의 환자에서 PSI를 이용한 TKA 를, 다른 85명의 환자에서는 표준화된 기구를 이용한 TKA를 이 용하여 수술을 시행하였으며, PSI 그룹에서 hematocrit (Hct)의 감소를 보였다. 이 외에 역학적 정렬, 관상면 정렬, 수술 시간 등 에서 두 그룹 간의 차이는 보이지 않았다고 보고하였다. 2016년 Szczech 등⁴⁵⁾은 PSI를 이용한 TKA 환자의 결과에 대한 보고들 을 검토하였으며, 삽입물 정렬의 정확성을 향상시킬 수 있는 도 구가 될 수 있으나, 술 후 hemoglobin과 Hct의 변화는 기존의 TKA와 크게 차이가 없으며, 임상 결과 및 비용적인 측면 역시 크 게 차이가 없음을 보고하였다. 하지만 아직 PSI를 이용한 TKA 환자의 장기 추시 결과가 없으며 재치환술을 시행하는 빈도가 낮 을 경우 결과가 달라질 수 있어 장기적인 결과 분석이 필요하며, PSI를 이용한 TKA을 시행한 환자들의 술 전 무릎 상태가 더 좋 지 않았음을 감안해야 한다고 보고하였다.

3) 슬관절 재치환술에서의 삼차원 프린팅의 활용

슬관절 재치환술에서 골간단부의 고정은 매우 중요하지만, 골 결 손으로 인해 기존의 삽입물을 사용하여 수술을 시행하는 것은 매 우 어렵다. 현재는 골 시멘트, 골 이식이나 metal block 등을 사 용하여 이를 해결하는 방법이 있으나 수술이 익숙하지 않은 정형 외과 의사에게는 쉽지 않은 방법이며, 술자의 경험에 따라 수술

의 결과가 크게 달라지는 경향이 있다. 3D 프린팅으로 제작한 삽 입물을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다. CT 및 MRI 를 이용하여 골 결손의 크기와 해부학적 형태를 확인하고, 해부 학적 형태에 맞는 삽입물을 제작하여 수술을 순조롭게 시행할 수 있다. 2020년 Tetreault 등⁴⁶⁾은 3D 프린팅으로 제작한 골간단부 cone을 사용하여 슬관절 재치환술을 시행한 결과에 대해 보고하 였다. 142예의 슬관절 재치환술 환자에서 134개의 경골 cone을, 68개의 대퇴 cone을 이용하여 수술을 시행하였다. 총 202개의 cone을 사용한 슬관절 재치환술에서 재수술을 시행한 경우는 5 예였으며, 술 후 Knee Society score가 호전된 것을 확인하였다.

5. 족관절

1) 족관절 주위 골절 환자에서의 삼차원 프린팅 모델의 응용

족관절 주위 골절 환자에서 3D 프린팅 기술은 골절 부위의 재건 및 인공관절 치환술에 사용된다. 사지 구제술에 해당하는 골절 부위의 재건은 외상 후 큰 골 결함이 있는 경우에 지지체 또는 쐐 기 모양의 기계적 지지가 필요하며, 이러한 경우 복잡한 변형의 교정을 위해 미리 윤곽을 맞춘 해부학적 모양의 기구는 수술 시 간을 단축시킬 수 있다. 경골 간부 골절, 주상골의 외상 및 무혈성 괴사, 종골의 외상 및 종양 또는 경골-거골-종골 관절 유합술 시 에, 3D 프린팅 기술을 이용하여 티타늄 지지체를 맞춤 제작할 수 있다. 모든 환자의 뼈는 해부학적으로 다르며, 3D 프린팅 모델은 실제 크기의 환자 개개인의 뼈 모델을 재현해 낼 수 있다. 이 모델 을 사용하여, 술자는 수술 전에 미리 금속판의 윤곽을 맞춰 볼 수 있으며, 원위 경골 골절, 족관절 골절, 양과 골절에서 술 전 계획 을 쉽게 수립할 수 있다(Fig. 5).

2) 족관절 전치환술에서 삼차원 프린팅 모델의 응용

족관절 전치환술은 3D 프린팅 기술이 사용되는 또 다른 분야이 다. 최근 족관절 골관절염의 치료로서 족관절 전치환술의 빈도는 족관절 유합술에 비해 꾸준히 증가하고 있다.⁴⁷⁾ 족관절 전치환술 은 말기 족관절 골관절염의 일차 치료이며, 거골의 무혈성 괴사 나 외상으로 인한 골관절염에서는 일반 족관절의 골관절염과는 다르게 충분한 뼈대가 필요하다. 족관절의 경우 뼈의 표면적이 작고 전후방 및 내외측 오차들로 인하여 해부학적 구조물을 식별 하기 어렵다. 하지만 3D 프린팅 삽입물은 이러한 문제를 해결할 수 있으며, 이를 통해 족관절의 기능을 회복시킬 수 있다.

6. 종양

1) 해부학적 모델을 이용한 수술 전 계획

2018년 Punyaratabandhu 등⁴⁸⁾은 정형외과의 종양 영역에서 3D 모델의 사용에 대해 보고하였다. 이 연구에서 복잡한 4명의 환자를 선택하여 이미지를 재구성하고 3D 프린팅 모델을 제작하 였다. 제작된 해부학적 모델은 다음의 세 가지 옵션으로 수술을 위해 사용되었다. (i) 수술 중 주요 혈관의 위치, (ii) 수술 전 삽입 물 삽입 위치와 모양을 결정할 골 결함의 정도, (iii) 피질골의 윤 곽을 보여주는 골외부 종양이다. 3D 모델을 사용함으로써 혈액 손실, 수술 시간 및 수술 절개 길이가 감소되었으며, 복잡한 비구 결손에서 적절하게 비구를 지지하는 제품을 선택하는 데 도움이 되었다.

2) 환자 맞춤형 수술 가이드

Park 등⁴⁹⁾은 2018년에 사지 구제술 수술에서 뼈 종양 절제술을

A B

C D

17.39 22.04

333.48 357.42 339.15

17.39 22.04

333.48 357.42 339.15

Figure 5. (A) Postoperative X-ray of a patient with proximal tibia bowing. (B) Preoperative planning using 3-dimensional (3D) printing software. (C) Using a 3D printing model to match the outline of a plate. (D) Postoperative X-ray.

위한 3D 프린팅 모델 가이드에 대해 발표하였다. 이 연구에서, 3D 프린팅으로 제작된 가이드를 사용하여 사지 구제술을 시행한 12명의 환자에 대해 보고하였으며, 3가지의 범주로 3D 프린팅으 로 제작된 가이드를 사용하였다. (i) 광범위 절제술, (ii) 광범위 절 제술과 함께 3D 프린팅으로 제작된 가이드를 따라 구조 동종 골 이식술을 시행한 생물학적 재건술, (iii) 광범위 절제술과 3D 프 린팅으로 제작된 PSI를 이용한 재건술이다. 술자는 절단을 시행 하였을 때 계획된 것과 실제 절단된 부분의 오차는 3 mm 이내였 다고 보고하였다.

3) 환자 맞춤형 삽입물

2019년에 Lu 등⁵⁰⁾은 악성 종양 절제술 후 하지에서 큰 골 결손 의 재건을 위한 새로운 3D 프린팅 인공 삽입물에 대해 보고하였 다. 이 연구에서, 악성으로 생각되는 5개의 대퇴골 및 5개의 경골 종양 환자에서 종양 절제술을 시행하였으며, 3D 프린팅으로 제 작된 삽입물, 베타-3가 칼슘 인산염(β-tricalcium phosphate) 생체적합성 세라믹, 혈관부착 비골 등으로 재건술을 시행하였다.

10명의 환자 모두에서 종양의 재발 없이 생존하였으며, 모든 삽 입물은 손상이나 파손 없이 온전하고 안정적으로 유지되었다. 수 술 후 심각한 합병증은 없었다고 보고하였다. 2019년 Lu 등⁵¹⁾은 근위 경골의 연골하골에 발생한 거대세포종의 소파술 후 골 이식 을 동반한 3D 프린팅으로 제작된 다공성 삽입물의 삽입에 대해 보고하였다. 이 연구에서 근위 경골에 거대세포종이 발생한 42세 환자에서 소파술을 시행하였으며, 구조 골이식술과 함께 3D 프

린팅으로 제작된 다공성 삽입물을 삽입하였다. 수술 후 29개월 째, 환자의 이환된 사지 기능은 만족스러웠으며, 관절면이나 연 골하골에 추가적인 손상은 없었다(Fig. 6).

악성 골종양의 치료 방법이 발전되면서, 종양 분야에서는 사지 절단술보다 사지 구제술을 우선적으로 생각하게 되었으며, 광범 위 절제술 후 삽입물 치환술이 표준 재건술로 자리잡게 되었다.

모듈 타입의 종양 대치물 재건술을 이용한 사지 구제술의 장점은 다음과 같은 것들이 있다. (i) 수술 도중 연부조직을 제거한 양에 맞춰가면서 삽입물을 선택할 수 있다. (ii) 수술 시간을 줄일 수 있 다. (iii) 빠른 관절 운동과 전체 중부하와 같은 강도 있는 재활 프 로그램을 수술 직후에 바로 시작할 수 있다. (iv) 동종골 이식술을 함으로서 발생할 수 있는 심부 감염 등의 위험성이 낮고, 불유합 의 걱정이 적으며, 면역 반응이나 질환 매개 감염 등의 위험성을 피할 수 있다.⁵²⁾ 하지만 상업적으로 가능한 종양 대치물은 대퇴 골, 경골, 상완골 부위만 가능하며, 다른 부위는 PSI만이 가능하 다. 하지만 이러한 PSI는 제작하고 준비하는 기간이 길고 예산이 매우 많이 소요된다는 단점이 있다. 3D 프린팅 삽입물은 기존의 PSI에 비해서 비교적 짧은 제작 시간과 비용이 싸다는 장점이 있 을 수 있다.

결 론

PSI를 사용하여 술자는 정확한 수술 전 계획을 수립함과 동시에 수술 중 정확도까지 얻을 수 있으며, 장비의 멸균 및 보관 비용을

A B C

Figure 6. (A) Patient-specific model using 3-dimensional (3D) printing for giant cell tumor patient. (B) Intraoperative finding using 3D-printed patient-specific implant. (C) Postoperative X-ray. Cited from the article of Lu et al. (BMC Surg.

2019;19:29).⁵¹⁾

절감하고 수술을 간소화하므로 수술실에 필요한 장비 수를 줄여 줄 수 있을 뿐 아니라 수술 과정을 간소화하여 수술 시간 역시 줄 일 수 있다. 이처럼 3D 프린팅 기술은 정형외과 수술에 적용할 수 있는 매우 많은 장점들을 가지고 있으며, 많은 정형외과 의사 들은 3D 프린팅 기술이 많이 보급되어 사용되기를 기다리고 있 다. 하지만 실제로는 많은 제한점들이 있다. 첫째, 해상도 및 정확 성이 더 입증되어야 한다. 연부조직 및 연골은 일반적으로 CT 이 미지를 처리하면서 제거되지만, 연부조직 및 연골의 완전히 제거 되지 않을 경우 술자가 계획한 수술에 영향을 미칠 수 있다. 둘째, 3D 프린팅 모델이나 PSI를 제작할 때 혈관이나 신경, 건과 같은 구조물은 고려되지 않기 때문에 수술 중 예상하지 못한 문제가 발생할 수 있다. 셋째, 3D 프린팅 과정은 인공적인 요인에 영향 을 많이 받을 수 있다. 넷째, 3D 프린팅의 비용이 비교적 비싸다.

현재 고관절 및 반골반의 3D 모델 비용은 사용된 재료, 제작된 모델의 크기, 사용된 프린터 유형과 같은 요인에 따라 $200에서

$1,000까지 다양하다.⁵³⁾ TKA를 위해 사용되는 CT나 MRI 촬영 및 guide의 제작비용은 각각 CT의 경우 약 $3,000, MRI의 경우 약 $6,000, 가이드의 제작에 $8,000 정도로 생각된다. 다섯째, 술자가 1–2시간 내에 계획을 수립한다고 해도, 가이드의 제작 및 납품과정에 4–5주 정도 소요될 수 있어 수술 날짜가 지연될 가능 성이 있다. 여섯째, 방사선 피폭의 문제이다. 슬관절의 단순 방사 선 검사의 경우 피폭 수치는 0.005 mSV지만, CT의 경우 그 양은 0.16 mSV 정도이다.⁵⁴⁾ 마지막으로, 높은 learning curve를 가지 고 있다는 점이다.^55,56)

불과 몇년 전까지만 하더라도 해부학적 모델 및 PSI를 만들기 위한 3D 프린팅 모델 제작에는 플라스틱만이 사용되었다. 생체 재료의 발전으로 인해 티타늄 또는 코발트-크롬과 같은 금속 분 말을 사용하여 맞춤형 삽입물을 3D 프린팅을 이용하여 제작하게 되었다.⁵⁷⁾ 이렇듯 생체 재료의 발전은 환자 맞춤형 정형외과 수술 에 적용되는 3D 프린팅 기술의 발전을 위한 중요한 역할을 한다.

생체 재료는 수술 중 사용되기 위해 생체에 적합하고 멸균 가능 해야 한다.⁵⁸⁾ 개선된 생체 적합성, 골융합성, 생분해성 및 충분한 하중을 견디는 특성을 지닌 광범위한 재료를 사용하여 3D 프린 팅의 새로운 시대를 열어야 한다.

정형외과 의사가 CT 및 MRI 이미지의 처리, 중점적으로 보아 야 하는 부분의 3D 이미지를 제작하는 것, 다양한 reconstruc- tion option들을 이용하여 수술을 계획하는 것, reconstruction 방법이나 삽입물의 모양을 수술 전에 생체역학적으로 평가하는 것 등과 같은 작업 과정을 완벽하게 습득하기는 어려울 수 있다.

정형외과 영역에서 3D 프린팅 기술의 사용을 높이려면, 통합된 일체형 컴퓨터 플랫폼을 개발하여 다른 의료 제공자(방사선사, 정형외과 의사, 엔지니어, 의료기기 업체) 간의 손쉬운 계획 및 원 활한 의사 소통이 가능해야 한다.

정형외과적 영역에서 3D 프린팅 기술을 적극적으로 적용하

고 시장을 확대하기 위해서는 의료 보험 비용을 개선해야 한 다. 3D 프린팅 기술이 앞서가는 나라들을 살펴보면, 미국 Food and Drug Administration (FDA)는 3D 프린팅 관련 의료 기술 이 FDA 지침을 기반으로 하지는 않지만, 그 효과와 안전성이 입 증된 경우 승인 절차를 면제하는 예외를 적용한다. 일본에서는 2016년부터 국가 의료 보험이 3D 프린팅 시뮬레이션 모델 기술 에 적용되어, 3D 프린팅 기술을 사용한 수술 전 계획 및 시뮬레 이션 수술이 고관절 및 골반 수술을 포함한 다양한 정형외과 수 술을 시행하는 데 사용되고 있다.

반면, 국내에서는 3D 프린팅 기술의 잠재력과 유용성을 높이 평가하는 일부 의사들이 수술에 3D 프린팅 기술을 적용하고자 하나, 정부의 정책이 아직 선진국 수준에 도달하지 못하였다. 특 히 정형외과 수술의 경우, 3D 프린팅 기술은 많은 응용이 가능하 고 특정 경우에는 가장 적합한 옵션일 수 있음에도 불구하고 정 부 지원이 부족한 실정이다. 따라서 식품의약품안전처는 3D 응 용 프로그램에 대한 표준 지침이 3D 프린팅으로 제작된 정형외 과 기기의 안전하고 효과적인 사용을 보장할 수 있도록 보다 적 극적으로 지원하여야 한다.

정형외과 영역에서 플라스틱 뼈 모델은 정상 모양에서 변형되 거나 결손이 심한 골절 및 관절염 등 어려운 수술을 계획하는 데 매우 유용하며, 이를 이용한 가이드나 지그는 특히 견관절 전치 환술이나 척추경 나사못 고정술에서 유용하게 사용될 수 있다.

PSI는 통상적인 인공관절 치환술에는 사용하는 데 제한점이 있 지만, 복잡한 골 종양의 절제나 재건술 등에서 매우 유용할 수 있 다. 3D 프린팅으로 제작된 금속 삽입물은 많은 국가에서 복잡한 고관절 재치환술 및 종양 절제술 후 재건술에 사용되고 있다. 대 한민국의 정형외과 의사들은 3D 프린팅을 이용한 정형외과적 치 료에 있어서 더 많은 임상적 적용 및 연구를 하고자 하지만 현실 적인 여건상 제한이 많다. 그럼에도 불구하고 머지않아 3D 프린 팅 기술을 의료 분야에 적용하고자 하는 시도가 점차 증가할 것 이다. 정형외과 의사는 각기 다른 국가에서 부과하는 다양한 규 제 요구 사항을 알고 맞춤형 도구와 삽입물을 사용할 때 필요한 검증 및 품질 보증 단계를 구현해야 한다. 정형외과 의사는 정부 및 엔지니어링 그룹과의 토론 및 협력을 통해 환자의 혜택을 높 이는 지침을 개발해야 한다.

CONFLICTS OF INTEREST

The authors have nothing to disclose.

ORCID

Seung-Won Choi, https://orcid.org/0000-0002-6565-8466 Kyung-Soon Park, https://orcid.org/0000-0002-5036-1803

Taek-Rim Yoon, https://orcid.org/0000-0001-8282-1723

REFERENCES

1. Global Market Insights, Inc. Healthcare 3D printing market 2018 prominent players - Aprecia Pharmaceuticals, Aspect Biosystems, Bio 3D Technologies, BioBots, Cyfuse Biomed- ical, Digilab, 3Dynamics Systems, Envision TEC, Luxexcel, Materialise NV, Nano3D Biosciences, Oceanz, Organovo Ho [Internet]. Hannover: openPR; 2018 Aug 3 [cited 2020 Aug 10]. Available from: https://www.openpr.com/news/1160692/

healthcare-3d-printing-market-2018-prominent-play- ers-aprecia-pharmaceuticals-aspect-biosystemsbio-3d-tech- nologies-biobots-cyfuse-biomedical-digilab-3dynamics-sys- tems-envision-tec-luxexcel-materialise-nvnano3d-bioscienc- es-oceanz-organovo-ho.html.

2. Xia RZ, Zhai ZJ, Chang YY, Li HW. Clinical applications of 3-dimensional printing technology in hip joint. Orthop Surg.

2019;11:533-44.

3. You W, Liu LJ, Chen HX, et al. Application of 3D printing technology on the treatment of complex proximal humeral fractures (Neer3-part and 4-part) in old people. Orthop Traumatol Surg Res. 2016;102:897-903.

4. Kong L, Yang G, Yu J, et al. Surgical treatment of intra-artic- ular distal radius fractures with the assistance of three-di- mensional printing technique. Medicine (Baltimore).

2020;99:e19259.

5. Zheng W, Su J, Cai L, et al. Application of 3D-printing tech- nology in the treatment of humeral intercondylar fractures.

Orthop Traumatol Surg Res. 2018;104:83-8.

6. Beliën H, Biesmans H, Steenwerckx A, Bijnens E, Dierickx C.

Prebending of osteosynthesis plate using 3D printed models to treat symptomatic os acromiale and acromial fracture. J Exp Orthop. 2017;4:34.

7. Kim SH, Wise BL, Zhang Y, Szabo RM. Increasing incidence of shoulder arthroplasty in the United States. J Bone Joint Surg Am. 2011;93:2249-54.

8. Lübbeke A, Rees JL, Barea C, Combescure C, Carr AJ, Silman AJ. International variation in shoulder arthroplasty. Acta Or- thop. 2017;88:592-9.

9. Oppermann J, Celik E, Bredow J, et al. Shoulder arthro- plasty in Germany: 2005-2012. Arch Orthop Trauma Surg.

2016;136:723-9.

10. Bohsali KI, Bois AJ, Wirth MA. Complications of shoulder

arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 2017;99:256-69.

11. Hsu JE, Hackett DJ Jr, Vo KV, Matsen FA 3rd. What can be learned from an analysis of 215 glenoid component failures?

J Shoulder Elbow Surg. 2018;27:478-86.

12. Suero EM, Citak M, Lo D, Krych AJ, Craig EV, Pearle AD.

Use of a custom alignment guide to improve glenoid compo- nent position in total shoulder arthroplasty. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2013;21:2860-6.

13. Iannotti JP, Frangiamore SJ. Fate of large structural allograft for treatment of severe uncontained glenoid bone deficiency.

J Shoulder Elbow Surg. 2012;21:765-71.

14. Walch G, Badet R, Boulahia A, Khoury A. Morphologic study of the glenoid in primary glenohumeral osteoarthritis.

J Arthroplasty. 1999;14:756-60.

15. Iannotti JP, Jun BJ, Patterson TE, Ricchetti ET. Quantitative measurement of osseous pathology in advanced glenohumer- al osteoarthritis. J Bone Joint Surg Am. 2017;99:1460-8.

16. Gregory T, Hansen U, Emery R, et al. Total shoulder arthro- plasty does not correct the orientation of the eroded glenoid.

Acta Orthop. 2012;83:529-35.

17. Gregory TM, Sankey A, Augereau B, et al. Accuracy of gle- noid component placement in total shoulder arthroplasty and its effect on clinical and radiological outcome in a retro- spective, longitudinal, monocentric open study. PLoS One.

2013;8:e75791.

18. Iannotti J, Baker J, Rodriguez E, et al. Three-dimensional pre- operative planning software and a novel information transfer technology improve glenoid component positioning. J Bone Joint Surg Am. 2014;96:e71.

19. Gauci MO, Boileau P, Baba M, Chaoui J, Walch G. Pa- tient-specific glenoid guides provide accuracy and reproduc- ibility in total shoulder arthroplasty. Bone Joint J. 2016;98- B:1080-5.

20. Dallalana RJ, McMahon RA, East B, Geraghty L. Accuracy of patient-specific instrumentation in anatomic and reverse to- tal shoulder arthroplasty. Int J Shoulder Surg. 2016;10:59-66.

21. Wilcox B, Mobbs RJ, Wu AM, Phan K. Systematic review of 3D printing in spinal surgery: the current state of play. J Spine Surg. 2017;3:433-43.

22. Shin JH. The effect of 3D printing techniques in shortening of the learning curve in lumbar pedicle screw insertion [the- sis]. Chuncheon: Hallym University; 2016.

23. Wang YT, Yang XJ, Yan B, Zeng TH, Qiu YY, Chen SJ. Clini- cal application of three-dimensional printing in the person-

alized treatment of complex spinal disorders. Chin J Trauma- tol. 2016;19:31-4.

24. Garg B, Mehta N. Current status of 3D printing in spine sur- gery. J Clin Orthop Trauma. 2018;9:218-25.

25. Deng T, Jiang M, Lei Q, Cai L, Chen L. The accuracy and the safety of individualized 3D printing screws insertion templates for cervical screw insertion. Comput Assist Surg (Abingdon). 2016;21:143-9.

26. Chen PC, Chang CC, Chen HT, et al. The accuracy of 3D printing assistance in the spinal deformity surgery. Biomed Res Int. 2019;2019:7196528.

27. Garg B, Gupta M, Singh M, Kalyanasundaram D. Outcome and safety analysis of 3D-printed patient-specific pedicle screw jigs for complex spinal deformities: a comparative study. Spine J. 2019;19:56-64.

28. Luo M, Wang W, Yang N, Xia L. Does three-dimensional printing plus pedicle guider technology in severe congenital scoliosis facilitate accurate and efficient pedicle screw place- ment? Clin Orthop Relat Res. 2019;477:1904-12.

29. Mobbs RJ, Parr WCH, Choy WJ, McEvoy A, Walsh WR, Phan K. Anterior lumbar interbody fusion using a personalized approach: is custom the future of implants for anterior lum- bar interbody fusion surgery? World Neurosurg. Published online January 8, 2019; doi:10.1016/j.wneu.2018.12.144.

30. Woo SH, Sung MJ, Park KS, Yoon TR. Three-dimension- al-printing technology in hip and pelvic surgery: current landscape. Hip Pelvis. 2020;32:1-10.

31. Zheng SN, Yao QQ, Mao FY, et al. Application of 3D print- ing rapid prototyping-assisted percutaneous fixation in the treatment of intertrochanteric fracture. Exp Ther Med.

2017;14:3644-50.

32. Chen K, Yang F, Yao S, et al. Application of computer-assisted virtual surgical procedures and three-dimensional print- ing of patient-specific pre-contoured plates in bicolumnar acetabular fracture fixation. Orthop Traumatol Surg Res.

2019;105:877-84.

33. Verma T, Mishra A, Agarwal G, Maini L. Application of three dimensional printing in surgery for cam type of femoro-ace- tabular impingement. J Clin Orthop Trauma. 2018;9:241-6.

34. Li B, Lei P, Liu H, et al. Clinical value of 3D printing guide plate in core decompression plus porous bioceramics rod placement for the treatment of early osteonecrosis of the fem- oral head. J Orthop Surg Res. 2018;13:130.

35. Biedermann R, Tonin A, Krismer M, Rachbauer F, Eibl G,

Stöckl B. Reducing the risk of dislocation after total hip ar- throplasty: the effect of orientation of the acetabular compo- nent. J Bone Joint Surg Br. 2005;87:762-9.

36. Henckel J, Holme TJ, Radford W, Skinner JA, Hart AJ.

3D-printed patient-specific guides for hip arthroplasty. J Am Acad Orthop Surg. 2018;26:e342-8.

37. Small T, Krebs V, Molloy R, Bryan J, Klika AK, Barsoum WK.

Comparison of acetabular shell position using patient specific instruments vs. standard surgical instruments: a randomized clinical trial. J Arthroplasty. 2014;29:1030-7.

38. Castagnini F, Bordini B, Stea S, Calderoni PP, Masetti C, Busanelli L. Highly porous titanium cup in cementless total hip arthroplasty: registry results at eight years. Int Orthop.

2019;43:1815-21.

39. Arabnejad S, Johnston B, Tanzer M, Pasini D. Fully porous 3D printed titanium femoral stem to reduce stress-shielding following total hip arthroplasty. J Orthop Res. 2017;35:1774- 83.

40. Yang JC, Chen CF, Luo CA, et al. Clinical experience us- ing a 3D-printed patient-specific instrument for medial opening wedge high tibial osteotomy. Biomed Res Int.

2018;2018:9246529.

41. Kim HJ, Park J, Shin JY, Park IH, Park KH, Kyung HS. More accurate correction can be obtained using a three-dimen- sional printed model in open-wedge high tibial osteotomy.

Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2018;26:3452-8.

42. Lombardi AV Jr, Berend KR, Adams JB. Patient-specific ap- proach in total knee arthroplasty. Orthopedics. 2008;31:927- 30.

43. Seon JK, Park HW, Yoo SH, Song EK. Assessing the accuracy of patient-specific guides for total knee arthroplasty. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2016;24:3678-83.

44. Stone AH, Sibia US, MacDonald JH. Functional outcomes and accuracy of patient-specific instruments for total knee arthroplasty. Surg Innov. 2018;25:470-5.

45. Szczech B, McDermott JD, Issa K, et al. Patient-specific instrumentation in total knee arthroplasty: what is the evi- dence? J Knee Surg. 2016;29:341-5.

46. Tetreault MW, Perry KI, Pagnano MW, Hanssen AD, Abdel MP. Excellent two-year survivorship of 3D-printed metaph- yseal cones in revision total knee arthroplasty. Bone Joint J.

2020;102-B(6_Supple_A):107-15.

47. Vakhshori V, Sabour AF, Alluri RK, Hatch GF 3rd, Tan EW.

Patient and practice trends in total ankle replacement and

tibiotalar arthrodesis in the United States from 2007 to 2013.

J Am Acad Orthop Surg. 2019;27:e77-84.

48. Punyaratabandhu T, Liacouras PC, Pairojboriboon S. Using 3D models in orthopedic oncology: presenting personalized advantages in surgical planning and intraoperative outcomes.

3D Print Med. 2018;4:12.

49. Park JW, Kang HG, Lim KM, Park DW, Kim JH, Kim HS.

Bone tumor resection guide using three-dimensional print- ing for limb salvage surgery. J Surg Oncol. 2018;118:898-905.

50. Lu Y, Chen G, Long Z, et al. Novel 3D-printed prosthetic composite for reconstruction of massive bone defects in low- er extremities after malignant tumor resection. J Bone Oncol.

2019;16:100220.

51. Lu M, Wang J, Tang F, et al. A three-dimensional printed po- rous implant combined with bone grafting following curet- tage of a subchondral giant cell tumour of the proximal tibia:

a case report. BMC Surg. 2019;19:29.

52. Bradish CF, Kemp HB, Scales JT, Wilson JN. Distal femoral replacement by custom-made prostheses. Clinical follow-up and survivorship analysis. J Bone Joint Surg Br. 1987;69:276- 84.

53. Li CS, Vannabouathong C, Sprague S, Bhandari M. The use of carbon-fiber-reinforced (CFR) PEEK material in orthope- dic implants: a systematic review. Clin Med Insights Arthritis Musculoskelet Disord. 2015;8:33-45.

54. Biswas D, Bible JE, Bohan M, Simpson AK, Whang PG, Grauer JN. Radiation exposure from musculoskeletal computerized tomographic scans. J Bone Joint Surg Am.

2009;91:1882-9.

55. Slover JD, Rubash HE, Malchau H, Bosco JA. Cost-effective- ness analysis of custom total knee cutting blocks. J Arthro- plasty. 2012;27:180-5.

56. Harrysson OL, Hosni YA, Nayfeh JF. Custom-designed or- thopedic implants evaluated using finite element analysis of patient-specific computed tomography data: femoral-compo- nent case study. BMC Musculoskelet Disord. 2007;8:91.

57. Kersten RF, van Gaalen SM, de Gast A, Öner FC. Poly- etheretherketone (PEEK) cages in cervical applications: a systematic review. Spine J. 2015;15:1446-60.

58. Wong KC. 3D-printed patient-specific applications in ortho- pedics. Orthop Res Rev. 2016;8:57-66.

정형외과 영역에서의 삼차원 프린팅의 응용

최승원 • 박경순 • 윤택림

화순전남대학교병원 관절센터 정형외과

삼차원(three-dimensional, 3D) 프린팅의 사용은 점차 보편화되고 있으며 정형외과 영역에서도 그 활용이 늘어나고 있다. 현재 정형외과에서 3D 프린팅 기술을 사용하는 방법은 크게 네 가지로 첫째, 3D 프린팅 모델을 이용한 수술 계획 수립 및 수술 시뮬레 이션, 둘째, 환자 맞춤형 수술 기구, 셋째, 3D 적층 기법을 이용한 인공 삽입물의 생산, 넷째, 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 삽 입물이다. 3D 프린팅 기술을 사용할 수 있는 정형외과의 영역은 견관절, 척추, 고관절 및 골반, 슬관절, 족관절, 종양 분야 등으로, 각각의 영역마다 다루는 질환 및 특성이 다르기 때문에 3D 프린팅 기술을 사용하는 방법 역시 각각의 영역에 따라 약간의 차이가 있다. 하지만 모든 영역에서 3D 프린팅 기술을 이용하는 것은 수술의 효율을 높여 주고, 수술 시간을 단축시키며 수술 중 방사선 노출을 줄여 준다. 3D 프린팅 기술은 특히 복잡하고 어려운 질환이나 골절 환자의 치료에 큰 도움을 줄 수 있다. 따라서 정형외과 의사는 이러한 3D 프린팅 기술의 장점을 이해하고 임상에 최대한 적용하여 효율적인 환자의 치료가 이루어질 수 있도록 해야 한 다.

색인단어: 삼차원 프린팅, 정형외과 수술, 삽입물

접수일 2020년 8월 10일 수정일 2020년 10월 22일 게재확정일 2020년 11월 9일 책임저자 윤택림

58128, 화순군 화순읍 서양로 322, 화순전남대학교병원 관절센터 정형외과

TEL 061-379-7676, FAX 061-379-7681, E-mail tryoon@chonnam.ac.kr, ORCID https://orcid.org/0000-0001-8282-1723

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“This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.”

대한정형외과학회지：제 56권 제 2호 2021