Additive Manufacturing of Patient-specific Femur Via 3D Printer Using Computed Tomography Images

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“Journal of the Korean Society of Radiology, Volume 7, Number 5”

Additive Manufacturing of Patient-specific Femur Via 3D Printer Using Computed Tomography Images

Wang Kyun Oh, Ki Seon Lim, Tea Soo Lee Chungbuk National University

CT 영상을 이용한 3D 프린팅으로 환자 맞춤형 대퇴골 첨삭가공

오왕균, 임기선, 이태수 충북대학교

Abstract

Femur is the largest bone in the human body which supports the weight of body. A long pipeline shape of femur has little cancellous bone, so that regeneration is difficult when fracture happens. The fracture caused by an accident most frequently occurs at diaphysis. IM Nailing is the surgical method that implants an IM Nail into a medullary cavity for the fixation of fracture parts. However, a secondary fracture may happen if an IM Nail does not penetrate at the center of femur. In this study, a patient-specific femur was manufactured by a 3D printer using the computed tomography images scanned before surgery, which was used for the simulation of IM Nailing. It is expected that this result may prevent the secondary damage, reduce surgical operation time, and increase the precision.

Key Words : Femur fracture, CT image, 3d printer, IM nail, Patient-specific, Additive Manufacturing

요 약

대퇴골은 사람의 뼈 중 가장 길며 체중을 지탱하는 골격체로 대퇴골간은 긴 파이프 모양이면서 안에 해면골이 거 의 없어서 골절이 발생되면 재생이 어렵다. 사고로 인하여 발생되는 대퇴골의 골절은 골간부가 가장 높은 빈도로 발 생한다. 골절의 수술방법은 골수강에 IM Nail을 삽입하여 골절부위를 고정하는 IM Nailing이다. 수술 시 대퇴골의 중 심으로 진입하지 못하면 2차 골절 등의 피해가 발생하기도 한다. 본 연구에서는 수술 전 대퇴골의 CT IMAGE을 이용 하여 3D 프린터로 환자 맞춤형 대퇴골을 제작하여 골수강으로 IM Nailing 시뮬레이션을 할 수 있도록 하였다. 수술 중 발생할 수 있는 2차적 손상을 방지 하고 시간 단축, 정밀한 수술을 할 수 있을 것이다.

중심단어: 대퇴골 골절, 컴퓨터 단층 영상, 3D 프린터, IM Nail, 맞춤형 제작, 첨삭가공

Ⅰ. 서 론

대퇴골(Femur)이란 사람의 뼈 중 가장 크고 긴

뼈로 대퇴골 몸통은 앞쪽으로 약간 볼록하게 나와 있 으며 체중을 지탱하는 가장 큰 골격 체이다. 정상 한 국인들의 경우에는 대게 40 cm에서 50 cm정도 길이의 단단한 골 조직이다. 대퇴골의 양측 말단부에는 단단 http://dx.doi.org/10.7742/jksr.2013.7.5.359

Corresponding Author: Tea Soo Lee E-mail:[email protected] Tel: +82-43-269-6332

이면서 안에 해면골이 거의 없다. 따라서 양측 말단부 에 골절이 생기면 비교적 수월하게 뼈가 다시 붙을 수 있지만 가운데 몸통 부위가 골절되면 상당수에서 뼈 가 잘 붙지 않는다^[1].

대퇴골 간부 골절은 상당히 강한 외력이 가해지기 때문에 분쇄 골절 이외에도 주변 연부조직의 손상 등 이 수반되는 경우가 많다. 대퇴골 골절부위는 중간부 가 가장 높은 빈도를 보이는데 다양한 치료 방법이 개 발되고 있지만, 가장 보편적이며, 좋은 방법이라 여겨 지고 있는 것이 골수강 내 금속정 고정술이다. 협부 골절 시 주된 치료방법으로 알려져 있으며, 특히 횡 골절의 경우 가장 이상적인 방법으로 알려져 있다[1].

대퇴골 간부 골절 중 변형되어 휘어진 고령의 골절 환 자와 복합 골절 환자의 대퇴골에 IM Nail(Intramedullary Nail)을 삽입하게 되는데 이때 대퇴골의 중심으로 진입 하지 못하면 2차 골절 등의 피해가 발생하기도 한다^[2]. 따라서 수술 전 삼차원 컴퓨터 단층촬영 영상으로 환자 대퇴부의 휘어진 정도나 변형도, 골절상태 확인 후 수술에 사용할 IM Nail을 선택하여 수술계획을 세 운다. 그러나 이 방법은 골수강 내부의 정확한 중심 부위를 확인하기가 어렵고 외부에서 보이는 형태만을 보고 확인하는 한계가 있다.

본 논문에서는 방사선영상만을 이용하여 수술 방법 과 도구를 결정하지 않고, 3D 프린터로 수술 환자 대 퇴부를 실제 크기로, 변형되고 골절된 상태를 환자 맞 춤형 형상으로 제작하여 수술 전에 직접 손으로 확인 하고 골수강 내로 금속정을 정확한 위치로 삽입해 볼 수 있도록 대퇴골을 제작, 수술 시뮬레이션을 통하여 수술 중 발생할 수 있는 오차를 감소하여 2차 골절의 손상을 방지하고, 수술 시간을 단축하여 보다 세밀하 고 정확한 수술을 할 수 있도록 하고 수술 후 합병증 이나 후유증 등 기타 문제가 발생할 소지를 줄일 수 있고 수술계획을 환자에게 설명하는데 큰 도움이 될 수 있도록 하였다^[4][9][10].

Ⅱ. 재료 및 방법

1. CT 영상

퇴행성 질환으로 무릎 인공관절 치환술을 시행할 환자의 동의를 구한 후 고관절에서 무릎관절 까지 전 체 대퇴부를 컴퓨터 단층촬영 하여 1mm 간격의 영상 을 획득하였다[Fig. 1]. 환자의 CT DICOM영상을 3D Workstation 삼차원 영상 재구성 방법인 VR(Volume Rendering)기법을 이용하여 관절부위를 제거하고 왼쪽 과 오른쪽 대퇴골을 각각 분리하여 삼차원 입체영상 으로 변환하고, SSD(Shaded Surface Display)기법으로 영 상을 재구성하였다^[7][8][Fig. 2].

Fig. 1. Femur CT Image

Fig. 2. Femur MPR, VR Image　

재구성된 SSD영상은 STL(STereoLithography) file로 변환 후 Export 하였다.

2. G-Code파일 변환

제작에 사용된 3D 프린터 제원상의 최대 출력물 크 기는 140×140×160 mm 로 길이가 40 cm 이상인 Femur 를 한 번에 제작할 수가 없었다. STL파일을 세부분으 로 분할하여 모델을 프린트하기 위해 G-code 로 변환 해주는 Slicer Program 중에 Free Software CURA 12.12A[Fig. 3]에서 3D 프린터에서 모델 출력을 위해 원료를 쌓기 위한 경로와 속도, 압출량, 제작물의 밀도

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등을 계산하여 하여 G-code를 생성하여 삼차원 프린터 에서 출력하였다.

Fig. 3. CURA 12.12 G-code 3. 3D 프린터

본 연구의 환자 맞춤형 대퇴골제작에 사용한 3D 프 린터는 여러 가지 조형 방식 중에 얇은 층을 쌓는 재 료가 열경화성 플라스틱을 실처럼 만든 재료로, 플라 스틱 와이어(Wire)가 노즐을 통하여 분출되어 나오면 서 녹아 한 겹 한 겹 쌓아 올려 형상을 만드는 FDM방 식을 이용한 와이어 적층 방식을 이용하였다^[6]. 각각 의 부품을 제작하여 판매하는 것을 구입, 구조물을 만 들고 구동 모터와 보드를 조립하여 제작하였다[Fig. 4].

Fig. 4. 3D Printer component

재료의 색상은 뼈를 잘 표현하기 위하여 아이보리 색상을 사용하였고 노즐의 크기는 0.4mm, 적층 밀도는 20%, 적층 두께는 0.2mm 로 설정하여 출력 되도록 하 였고 프린터의 노즐 온도는 재료의 특성에 맞는 230 도, 히트베드의 온도는 100도로 출력하였다. 히트베드 의 수평과 영점을 조절하였고 베드와 노즐의 간격을 조절하여 배출되는 재료가 뒤틀림 없이 척층 되도록 하여 구조물이 출력 되도록 하였다^[3](NP-MENDEL).

Fig. 5. 3D Printer

프린터를 PC에 연결하여 출력 할 때 PC에 호스트 프로그램인 Printrun[Fig. 6]을 설치하여 프린터와 직렬 포트로 연결하고 수동으로 노즐과 히트베드의 온도, X, Y, Z축의 모터를 제어 하여 프린터의 구동을 테스 트 할 수 있고 G-code를 전송해서 프린터가 실제로 출 력을 할 수 있도록 하였다. 출력 중에는 총 제작시간, 진행시간, 적층수와 두께, 온도를 확인할 수 있다.

Fig. 6. Printrun Program

Ⅲ. 결 과

1. 출력된 대퇴골

출력된 대퇴골 3D Model이 실제 환자의 원위 대퇴 부인 무릎 관절부위의 퇴행성 변화에 의해 변형된 관 절면이 그대로 표현되어 출력되었고 내측상과와 외측 상과, 슬개골면, 과간와, 근위부의 소전자도 대퇴부와

중심부 골수강의 빈 공간도 실제와 같은 직경과 형 태를 이루고 있고 대퇴골의 두께도 실제 두께와 같은 크기인 것을 확인할 수 있었으며 뼈의 강도와 같게 하 기 위하여 내부 채움을 20%로 설정하여 출력된 것을 확인할 수 있었다[Fig. 7].

Fig. 7. 3D Printing Femur bone marrow cavity

정확도를 측정하기 위하여 DICOM Viewer에서 CT Image의 길이와 두께를 측정하였고 Vernier calipers를 사용하여 3D Model을 측정하였다^[5][Fig. 8].

Fig. 8. Direct Measurements

Table 1. Accuracy

Femur CT Model 3D Model % Difference

length 38.00 37.92 - 0.21

Middle 2.38 2.41 1.24

Internal 1.32 1.33 0.75

External 2.62 2.61 - 0.38

Head 4.02 4.03 0.25

Neck 2.95 2.96 0.34

condyle 7.22 7.25 0.41

전체길이와 대퇴골두, 대퇴경, 양측과간와, 내경의 지름과 외경의 지름을 측정하여 대응표본 T-test를 통 하여 통계적으로 유의한 차이를 분석하였다(Table 1).

제작된 3D Model과 CT Image가 유의한 차이가 없 었고 같은 크기로 제작되었음을 확인하였다.

전체 출력된 대퇴골은 근위부의 대퇴골두, 대퇴경, 대전자, 소전자, 전자간선과 대퇴골간 원위부 무릎관 절 부위를 포함하여 실제 길이와 형태가 일치하였다.

대퇴경부가 대퇴골두와 대퇴골간과 이루는 각도도 정확하게 표현되었다[Fig. 9].

Fig. 9. 3D Printing Femur 2. IM Nailing 시뮬레이션

대퇴골 골절의 치료방법인 골수강 내 금속정 고정 술은 대퇴골의 골수강안으로 IM nail(Intra medulla nail) 을 삽입하게 되는데 이때 대퇴골의 중심으로 진입하 지 못하면 2차 골절 등의 피해가 발생할 수 있어 환자 의 대퇴골과 같은 골수강의 크기와 강도가 같는 환자 맞춤형 모형을 가지고 수술 전 미리 골수강에 IM Nail 을 삽입해 보는 시뮬레이션을 하였다[Fig. 10, 11].

실제 청주의 C 대학병원의 정형외과 수술실에서 제 작한 모형을 이용하여 시뮬레이션을 하여 유용성 검 증을 실시하였다.

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Fig. 10. IM Nailing Simulation

Fig. 11. IM Nailing Simulation X-ray Image

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 고가의 3D Printer장비와 전문 인력 을 통하여 주문 제작되는 인체 3D Model을 CT Image 를 이용하여 영상의학과에서 FDM제작 방식을 통하여 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 방법에 대하여 연구 하여 환자 맞춤형 대퇴골을 제작하였다.

현재 제작 크기가 40 cm 정도를 제작할 수 있는 장 치는 많지 않다. 파일을 분할 출력하여 접합하는 방식

을 사용한다면 병원에서도 정형외과 환자의 수술 전 3D Model을 영상의학과에서 제작하여 제공할 수 있을 것이다.

검사 영상으로 환자의 뼈 상태를 진단하는 방법 이 외의 새로운 진단 방법이 될 것이다.

물론 이방법이 수술의 성공과 실패를 좌우하는 직 접적인 영향을 줄 수는 없어도 CT 영상과 같이 활용 하면 정확한 수술을 할 수 있을 것이다.

환자의 대퇴골과 똑같이 변형되어 휘어진 정도, 골 절된 상태를 3D 프린터를 이용하여 환자 맞춤형 대퇴 골을 제작하여 IM Nailing 시뮬레이션을 실시하였다.

연구결과 수술 전에 직접 손으로 확인하고 골수강 내로 금속정을 정확한 위치로 삽입해 볼 수 있도록 대 퇴골을 제작, 수술 시뮬레이션을 통하여 수술 중 발 생할 수 있는 오차를 감소하여 2차 골절의 손상을 방 지하고, 수술 시간을 단축하여 보다 세밀하고 정확한 수술을 할 수 있고 수술 후 합병증이나 후유증 등 기 타 문제가 발생할 소지를 줄일 수 있고 수술계획을 환 자에게 설명하는데 큰 도움이 될 수 있을 것이라고 정 형외과 수술의에게 유용성 검증을 받았다.

향후 대퇴골골절이외의 인체 다른 부위의 수술을 필요로 하는 골절에도 골절 환자의 손상된 뼈를 출력 하여 수술시 절개부위와 정도를 결정하고 수술방법과 사용할 도구를 미리 선택하여 수술계획을 세우는데 도움이 될 수 있도록 연구를 해야 할 것이며 나아가서 는 인체의 조직과 장기도 줄기세포와 배양액을 섞은 바이오잉크를 이용하여 3D 프린터로 매우 얇고 작은 세포를 적층하여 만든 구조물로 인공장기를 생성할 수 있도록 바이오 3D 프린터의 연구도 필요할 것이다.

감사의 글

이 연구는 2012년 한국연구재단의 프로젝트(No.

2012-010951)를 지원 받아 수행하였음.

참고문헌

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