Ⅰ. 서 론

삼차원 프린팅은 고체, 액체, 분말 형태의 특정 물질을 쌓 아 올려 삼차원 형태의 입체물을 제조하는 것으로 구현하고 자 하는 물체를 삼차원 그래픽 설계를 통해 가상의 물체로 디지털화한 모델링 데이터, 전산화단층촬영과 자기공명영 상을 이용하여 손으로 만질 수 있는 형상으로 신속하게 제 작하는 기술을 말한다. 적층제조(additive manufacturing) 라고도 불리며 기존 제조방식인 입체형상의 재료물질을 기 계 가공 등을 통하여 절단하거나 깎아내는 절삭가공 (subtractive manufacturing) 제조방식과 반대되는 개념 으로 신속조형방식(rapid prototyping; RP)으로 분류되기 도 한다. 4차 산업혁명의 삼차원 프린팅 기술은 의학, 제조 산업, 디자인과 교육 등 산업 전반의 여러 분야에서 활용되 고 있다[1]. 정형외과 영역에서는 삼차원 프린팅 방법을 활 용하여 골절된 신체 부위를 출력하여 골절 상태의 정확한 진단과 사전 수술계획과 시뮬레이션을 시행함으로 환자에 대한 맞춤형 수술방법을 시행하여 수술 정확성 개선과 시간 단축, 오류를 줄여 성공률을 높이기 위한 다양한 수술방법 이 개발 시행되고 있다[2-7,13,14]. 골절된 뼈의 모형을 출 력하여 정형외과 수술을 위한 계획수립이나 골절된 뼈를 복 원하고 고정하는 도구의 형태와 길이를 사전 성형하여 수술 에 사용하는 방법에 대한 유용성과 효율은 다양한 연구에서 증명되었지만, 일반적으로 활용되지 못하고 있다[8,10, 15,16]. 골절환자의 전산화단층촬영 영상을 삼차원 프린터 로 출력하기 위해서는 STL(stereolithography) 파일로 변 환할 수 있는 DICOM viewer를 사용하여야 한다. 상업용으 로 판매되는 프로그램은 구매비용 문제로 일반 병원에서 사 용하지 못하고 있다. 이에 본 연구에서는 쇄골이 골절된 환 자의 전산화단층촬영검사 영상을 공개용과 상업용 DICOM STL 영상변환프로그램으로 변환 후 삼차원 프린터로 출력 하였다. 공개용은 DICOM Viewer OsiriX 오픈소스 변환프 로그램을 이용하였고[11], 상업용으로는 DICOM Viewer Terarecon 3D 프로그램을 이용하여 전산화다층 영상을 STL 파일로 변환하였다. 실험에 사용한 삼차원 프린터는 열 에 녹는 와이어 형태의 열가소성 재료를 가열된 노즐을 거 쳐 연속적으로 압출하여 한층씩 적층 조형하여 형상을 제작 하는 수지 압출 적층(fused filament fabrication; FFF) 방 식으로 ABS 수지를 재료로 사용하였다. 골절된 쇄골의 전 산화단층촬영 영상을 공개용과 상업용 영상변환프로그램으 로 변환하여 FFF방식의 삼차원 프린터로 출력된 모델의 품 질을 비교 분석하여 정밀도와 해상도의 차이를 알아보고자 하였다.

Ⅱ. 연구 방법

1. 연구대상

본 연구의 대상자는 2017년 2월 3일부터 5월 30일까지 C 종합병원의 정형외과 전문의의 협조를 받아 불안정성 쇄골 골절환자 중 수술이 결정된 6명을 대상으로 하였다. 수술이 결정된 환자의 동의를 얻은 후 골절된 쇄골 모형과 골절되기 전의 복원 모형, 각각 2개씩을 제작하여 사용하 였다.

2. 실험장치 및 프로그램

1) 삼차원 프린터

본 연구에서 쇄골 골절모형 제작에 사용한 프린터는 플라 스틱 와이어를 재료로 사용하는 오픈소스 형태로 개발된 FFF방식의 삼차원 프린터(Almond, opencreators, Korea) 를 사용하였다(Fig. 1). 사용된 플라스틱 와이어의 직경은 1.75㎜, 노즐은 0.4㎜, 적층 두께는 0.2㎜로 설정으로 실험 하였다. 노즐 온도는 재료의 색상별 특성에 맞게 235℃, 히 트베드는 105℃로 출력하였다. 재료는 와이어 형태의 1.75 ㎜ 직경의 ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene resin) 수지를 사용하였다. 골절된 쇄골 모형제작에는 0.2 ㎜와 10%의 적층간격과 밀도 값을 선택하였고, 재료는 여러 종류 의 ABS 수지 색상 중 아이보리색을 사용하여 출력하였다 (Table 1).

2) 삼차원 영상 변환 프로그램

쇄골 골절을 검사한 전산화단층촬영 영상을 STL 파일로 변환하는데 사용한 공개용 프로그램은 매킨토시 기반 운영체 제 DICOM Viewer OsiriX 32-bit version 5.7.1 (OsiriX Foundation, Geneva, Switzerland)을 사용하였고[11], 상업 용은 3D Workstation Terarecon- 3D print pack (Aquarius iNtuition Edition ver4.4, terarecon, USA)을 사용하여 STL 파일로 변환하였다.

3. 쇄골 모형 제작

1) 제작 방법

쇄골골절 부위를 전산화단층촬영으로 획득한 영상을 DICOM viewer OsiriX와 Terarecon 에서 체적 렌더링 영상으로 변환 한 후 출력할 부분을 남기고 모두 제거하였다. 두 번째는 표면 렌더링 기법으로 변환하여 품질 값을 설정하고, STL 파일로 저장하였다. 세 번째는 STL 파일을 코딩하여 G-code를 생성하 였다. 마지막으로 생성된 G-code를 삼차원 프린터에서 출력하 였다. 제작된 출력물의 지지대 제거와 표면처리를 하고 전산화 단층촬영의 골절 영상과 제작된 쇄골 모형을 평가하여 정확하게 출력되었는지 확인하였다.

2) 체적 렌더링 변환

환자의 골절된 쇄골 부위를 전산화단층촬영 한 영상을 공 개용과 상업용 프로그램으로 각각 영상변환을 하였다. 공개 용 DICOM 파일 변환소프트웨어는 OsiriX를 사용하여 변환 하였고, 상업용 소프트웨어는 3D Workstation Terarecon 을 사용하여 변환하였다.

3) 표면 렌더링 변환

제작할 쇄골의 크기와 두께, 골절부위의 범위와 형태를 확인하여 출력에 맞는 영상 품질 값을 선택하고 출력모형이 손상된 쇄골과 동일하게 출력되도록 표면 렌더링으로 변환 하였다. 공개용 소프트웨어 OsiriX와 상업용 소프트웨어 파 일변환 품질 설정 값은 Table 2에 나타내었다.

4) G-code 생성

삼차원 영상파일을 프린터에서 어떻게 모형을 제작할지를 명령하는데 사용되는 언어로 노즐이 어디로 움직일지, 어떤 속도로 움직이는지의 이동 경로와 순서 등 프린터가 출력물을 제작하는데 필요한 정보가 포함된 코드를 G-code라 한다. 오픈소스프로그램 CURA 15.0.4 (Ultimaker, Netherlands) 로 코딩하였다. 골절되지 않은 쇄골 STL 파일을 CURA 15.0.4 에서 Mirror 기법을 사용하여 Fig. 2(좌측은 mirroring 파일, 우측은 골절파일)와 같이 인체의 좌우 대칭을 이용한 파일 변환으로 골절된 쇄골의 손상되기 전을 복원한 후 동일한 방법 으로 G-code를 코딩하였다.

5) 쇄골 모형 출력

출력할 쇄골은 회전하여 바닥 면과의 간격을 최소화하고 안정한 형태로 G-code를 생성해야 오류의 발생이 감소하고 출력시간이 단축되며, 출력물이 접지 불량으로 넘어지는 제 작실패가 발생하지 않는다. 재료는 ABS수지 중 색상과 질 감이 뼈와 유사한 아이보리색을 사용하였고, 노즐온도는 235℃, 히트베드는 105℃로 하여 출력하였고, 재료가 안정 적으로 안착될 수 있도록 셀로판테이프를 베드에 붙이고 출 력하였다. 노즐에 냉각팬이 장착되어 재료가 적층되면서 바 로 굳어 흘러내리거나 형태의 일그러짐의 변화 없이 모형이 출력되었고, 출력물은 지지대를 제거하고 표면처리를 한 후 품질 비교를 실시하였다.

6) 통계적 분석

두 개의 프로그램으로 변환하여 출력된 쇄골 모형의 크기 와 골절 형태 등 정확성과 해상도에 대한 척도 평균의 유의한 차이를 비교 평가하기 위하여 SPSS software (SPSS 20.0 for Windows, SPSS, Chicago, IL USA)를 이용하여 독립표 본 t-test 검정을 하였다.

Ⅲ. 결 과

쇄골의 골절상태가 전산화단층촬영 검사 영상과 출력모 형이 동일하게 표현되었음을 Fig. 3의 일반촬영 영상과 체 적 렌더링 영상, 아래의 출력된 제작모형에서 확인할 수 있 다. 공개용과 상업용의 두 가지 영상변환방법으로 제작된 쇄골모형은 Fig. 5와 같이 출력되었다.

각기 다른 6명의 쇄골 영상을 이용하여 같은 환자의 영상 을 두 개의 프로그램으로 변환하고 1 대의 삼차원 프린터로 출력하여, 공개용과 상업용 두 종류로 나누어 정형외과 전문 의 2명과 영상의학과 전문의 2명, 임상경력 10년 이상의 방 사선사 2명, 총 10명에게 블라인드 테스트를 통하여 품질분 석을 실행하였다. 평가방법은 Fig. 4와 같이 리커트(Likert) 5점 척도로 실시하였으며, 척도의 점수가 높을수록 프로그램 에 따른 차이가 없는 것을 의미한다.

출력모형의 크기와 골절의 형태 등 정확성 평가는 공개용 과 상업용을 비교하여 10명이 모두 5점으로 평가하여 동일 한 것으로 평가되었고, 해상도는 9명이 5점, 1명이 4점으로 척도 평균의 유의한 차이를 비교 평가하기 위하여 독립표본 t-test 검정으로 분석하였다. 그 결과 Table 3과 같이 공개 용과 상업용으로 파일 변환 후 출력한 모형의 품질 평균비 교는 유의한 차이를 보이지 않았다(p >0.05).

전산화단층촬영 영상을 삼차원 프린팅 파일로 변환하는 과정과 G-code로 코딩작업과 후처리 과정까지 출력물을 완 성하는 모든 단계를 포함하여 한쪽 쇄골을 제작하는데 소요 시간은 크기와 골절의 형태별로 차이는 있지만 보통 2시간 에서 3시간 정도 소요되었다. 상업용 DICOM 프로그램이 파일변환 과정에서 사용하기 편리하였고 시간도 적게 소요 되었다. 그러나 두 방법으로 변환한 파일의 출력시간은 동 일하였고, 출력물을 비교했을 때에는 차이점을 찾을 수 없 었다(Fig. 5).

Ⅳ. 고 찰

골절의 진단방법은 현재 방사선을 이용한 일반영상 검사와 전산화단층촬영의 단면 영상과 다면 재구성 영상(multiplanar reconstruction; MPR), 체적 렌더링(volume rendering; VR) 영상으로 골절의 위치와 크기의 상태 정도를 분석하는 영상진단법이 주로 사용되고 있다. 영상으로 골절을 진단하고 수술을 위한 절개 부위의 위치와 범위, 절개 방향과 길이를 정하고, 어떤 방법으로 골절된 뼈의 해부학적 구조를 복원할지 와 고정에 사용할 도구의 크기와 길이를 영상으로 확인하고 결정하여 수술한다[3,12]. 최근 삼차원 프린팅 기술의 발전으 로 골절된 뼈의 모형을 실제와 같이 환자 맞춤형으로 제작하여 진단과 수술에 활용하는 임상적인 유용성에 대한 검증은 많은 선행연구에서 증명되었다[4-10,17]. 그러나 선행연구에 사용 된 삼차원 프린터는 산업용으로 정밀도와 해상도가 좋은 장비 로 일반적으로 병원에서 직접 설치하여 제작에 활용하지 못하 였고, 사용된 소프트웨어도 상업용 의료영상 변환프로그램을 사용하였다. 또한, 전문 업체에 제작을 의뢰하여 비용과 시간이 많이 소요되어[7] 보편적으로 정형외과 수술에 활용하지 못하 고 있는 실정이다. 쇄골 골절환자 중 수술 대상자의 전산화단층 촬영 영상을 공개용과 상업용 의료영상 변환 소프트웨어를 사용하여 각각 삼차원 프린팅 STL 파일로 변환한 후 FFF방식 의 삼차원 프린터로 출력하였고, 출력된 쇄골 골절모델의 품질, 정밀도, 해상도를 비교 분석하였다. 분석결과 프로그램의 차이 에 의한 출력 모델의 정밀도나 해상도 등의 큰 차이점은 찾지 못하였다. 다만 상업용의 DICOM viewer는 VR영상에서 출력 부위를 남기고 나머지 부분을 제거하거나 뼈를 분리해 내는 방법이 비교적 간단하고 시간이 적게 소요되었으나, STL 파일 변환 과정이나 출력에 소요되는 시간은 큰 차이점을 찾지 못하 였다.

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 의료영상으로 삼차원 프린팅할 때는 어떤 프로그램으로 영상을 변환하는가보다는 환자의 골절상태 즉, 환자의 신체적 크기와 연령 그리고 골절의 위치와 형 태, 골절의 길이 정도에 따라 STL 파일변환 설정 값을 출력 물에 맞게 정밀하게 조정하여 출력하는 것이 모델의 품질 을 결정하였다. 이 연구를 통하여 공개용 DICOM STL 파일 변환 프로그램을 사용한 삼차원 프린팅 출력모형도 임상적 으로 사용 가능하여 골절의 정밀진단과 사전수술계획, 고 정도구의 결정과 시뮬레이션에 유용하게 활용될 것으로 기 대된다.