역공학과 쾌속조형공정을 이용한 정형외과 외상 수술 기법 개발에 관한 연구Study on development of technology for orthopeadic trauma surgery utilizing reverse engineering and rapid prototyping
최근 의학 분야에서는 수술효율(수술시간, 방사선 투사시간 등)의 개선 및 환자에 대한 위험성/고통 감소를 목적으로 하는 새로운 수술기법들이 개발되고 있다. CAS(Computer-Assisted Surgery)는 CT 데이터를 이용하여 컴퓨터 상에서 인체 형상과 동일 3차원 데이터를 생성하고, 이 데이터를 이용하여 사전 수술계획을 수립함으로써 수술현장에서 발생할 수 있는 문제점을 사전에 시뮬레이션 할 수 있어 실제 수술시 효율과 환자의 안정성 극대화 및 최소 침습적 피하 금속판 골유합술(Minimal Invasive Precutaneous Plate Osteosnthesis : MIPO)를 가능하게 한다.
본 연구에서는 역공학기법을 이용하여 CT 데이터로부터 인체에 대한 3차원 입체 형상을 복원한 후 입체 형상 데이터를 이용하여 쾌속조형공정에서 3차원 실물 형상의 제품을 제작하고, 이 실물 형상을 이용하여 정형외과 외상 사전 수술계획을 수립하여 수술시 MIPO가 가능하도록 하는 역공학과 쾌속조형공정을 이용한 정형외과 외상 수술기법을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 Fig. 1과 같이 족관절 주위 골절중의 하나인 경골 원위부 골절의 건측을 CT 데이터를 2nm 간격으로 측정하여 DICOM 파일로 저장한 후, 이 데이터를 MIMICS 프로그램에서 형상복원 (Shape reconstruction) 하여 건측의 . stl 파일을 생성하였다. 인체골절의 대칭성 특성을 이용하여 건측의 .stl 파일을 대칭 변환하여 파손측의 .stl 파일을 생성하고, 이 데이터를 쾌속조형공정인 Object 공정을 이용하여 경골 원위부 골절의 파손전 골절을 복원하였다. 쾌속조형장치는 Object Tempo를 사용하였고 슬라이싱 간격은 0.02 mm이며, 총 제작시간은 8시간이 소요되었다. 사전 수술 계획 수립시 Fig. 2와 같이 제작된 쾌속조형모델을 이용하여 파손전 골절을 이용한 사전 학습을 통하여 환자의 골절 특성을 파악하여 환자 특성에 수술 절차를 수립하였으며, 보철 (prosthesis) 의 환자 골절 형상적응성을 높이기 위한 사전 굽힘/비틀림 가공 및 보철 고정점 선정을 수행하였고, 수술시 최소 절개를 위한 위치선정을 하였다. 사전 수술 계획에 따라 경골 원위부 골절 파손부에 대한 수술을 수행하여, 일반적인 경골 원위부 골절 파손부 수술결과와 비교/분석 하였다.
실제 수술 결과 Fig. 2와 같이 보철물이 환자의 골절에 정확히 위치하였고 수술 시간은 일반적인 경골 원위부 골절 수술 시간에 비해 약 50%정도 단축되었으며, 보철위치 확인을 위한 X-RAY 촬영 횟수가 감소하여 환자에게 투입되는 방사선량이 감소되었고 환자 절개부위가 일반수술의 30% 이하로 현저히 감소하였다. 또한 환자 골절 특성에 적합한 정확한 수술에 의하여 조직 박리가 최소화되고 보철의 인체 적응성이 높아 골절에 부가되는 잔류 응력이 최소화되어 환자의 재활속도가 현저히 향상됨을 확인할 수 있었다.