KR100757094B1 - 엑스-선 인체 모형 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

표준 한국인을 설정하여 방사능 피폭 시에 대비하기 위한 쾌속 조형을 이용하여 방사능 방호를 위한 실물 크기의 한국형 X-선 인체 모형 및 이를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 인체 모형의 제조는 표준 체형을 갖는 사람의 전신 CT를 촬영하고, 상기 전신 CT를 3차원 형상 데이터로 변환한다. 3차원 형상 데이터에 기초하여 폐 제품, 뼈 실제품, 및 피부 주형을 개별적으로 생성한다. 폐 제품을 상기 뼈 실제품의 내부에 삽입하여 조립하고, 상기 조립품과 피부 주형 사이에 공간을 두고 몰드를 위치시켜 조립한 다음 진공성형기에서 상기 공간에 피부용 폴리우레탄을 주입하여 폐, 뼈, 및 피부로 이루어진 인체 모형을 완성한다. 완성된 인체 모형을 슬라이싱용 지그를 제작하여 우레탄 폼을 상기 인체 모형과 지그 사이의 공간에 채운 후, 소정 폭으로 균일하게 절단한다. 각 부위별로 균일하게 절단된 인체 모형을 지그에서 해체하여 매끈하게 사상 작업을 하고, 전체적으로 소정 재료를 도포한다. 각 단면 별로 소정 간격으로 적어도 하나의 구멍을 타공하고, 엑스-선 검출 캡슐을 상기 구멍에 삽입하여 테스트용 인체 모형을 얻는다.

방사능 피폭, 인체 모형, 쾌속 조형

Description

엑스-선 인체 모형 및 그의 제조 방법{X-ray anatomical model of human body and method for manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 SLA 방식의 쾌속 조형 장치의 기본 원리를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엑스-선 인체 모형의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조된 폐 주형과 그의 단면을 나타낸 도면이다.

도 4는 슬라이싱된 단면 부분에 TDL 캡슐을 삽입하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따라 완성된 인체 모형을 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

1 ; 용기 2 ; 광경화성 수지

3 ; 플랫폼 4 ; 레이져

5 ; 고화된 수지부분 10 ; 폐 주형

11 ; 주입구

본 발명은 X-선 인체 모형 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표준 한국인을 설정하여 방사능 피폭 시에 대비하기 위한 방사능 방호를 위한 실물 크기의 한국형 X-선 인체 모형을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래에는 방사능 피폭에 대비하여 방사능 방호를 위한 X-선 인체 모형은 외국인을 기준으로 제작된 것이 수입되어 사용되고 있었다. 그러나, 이러한 X-선 인체 모형은 외국인을 기준으로 제작된 것이므로 일반적으로 외국인 보다 키가 작고 신체의 체형이 다른 한국인에 적용하여 방사능 피폭을 대비한 방사능 방호를 시험하는 경우, 얻어진 시험 데이터는 한국인에게 맞지 않는 문제점이 있다.

한편, 종래에 인체 모형은 주로 자동차의 충돌시험을 위한 용도로 제작되거나 또는 학습용으로 제작된 것이며, 한국 공개특허공보 제1999-68329호 및 실용신안등록 제293590호 등에 개시되어 있다.

그러나 이들 인체 모형은 방사능 피폭 시에 대비하기 위한 방사능 방호를 위한 인체 모형으로는 사용할 수 없는 것들이다.

한편, 종래의 쾌속 조형방법(Rapid Prototyping Method)은 액체 상태의 재료를 레이저 광선을 조사하여 경화시켜 3 차원 형상을 제조하는 경화법과, 입상 또는 층상으로 된 고체 소재를 원하는 형태로 접합시켜 만드는 방법 등 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 이러한 쾌속 조형 방법은 종이, 왁스, ABS, 및 플라스틱 등의 여러 가지 비금속, 금속 재료를 사용하여 3 차원 캐드 데이터로부터 직접 3 차원 형상의 시작품 또는 몰드를 곧바로 조형하는 방법을 일컫는 것으로서, 최근에는 이에 사용되는 재질이 금속 분말 및 금속 와이어 등으로 다양한 방법이 개발되고 있는 실정이다. 하지만, 쾌속 조형 방법을 이용하여 인체 모형의 제조에 적용한 경우가 없어 이에 대한 적용이 요구되고 있다.

이에 본 발명은 표준 한국인을 선정하여 전신 CT 촬영을 실시하여 표준 한국인에 대한 전신 데이터를 얻은 후, 쾌속 조형을 이용하여 방사능 피폭 시에 대비하기 위한 방사능 방호를 위한 실물 크기의 한국형 X-선 인체 모형 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 표준 체형을 갖는 사람의 전신 CT를 촬영하고, 상기 전신 CT를 3차원 형상 데이터로 변환하는 단계; (b) 상기 3차원 형상 데이터를 기초로 하여 광 경화성 수지로 쾌속 조형(RP) 방법에 의해 폐 주형, 뼈 실제품, 및 피부 주형을 개별적으로 생성하는 단계; (c) 상기 폐 주형을 이용하여 폐와 근접한 물성을 갖는 재료로 폐 제품을 성형하는 단계와; (d) 상기 폐 제품을 상기 뼈 실제품의 내부에 삽입하여 조립하고, 상기 조립품을 피부 주형 사이에 공간을 갖도록 피부 주형 내부에 위치시켜 조립 모형을 완성하는 단계; (e) 진공 성형방식으로 상기 조립 모형의 공간에 피부용 폴리우레탄을 주입하여 폐, 뼈, 및 피부로 이루어진 인체 모형을 완성하는 단계; (f) 상기 인체 모형을 슬라이싱하기 위한 지그의 내부에 실장한 후, 우레탄 폼을 상기 인체 모형과 지그 사이의 공간에 채운 상태에서 소정 폭으로 균일하게 인체 모형을 절단하는 단계; (g) 각 부위별로 균일하게 절단된 인체 모형을 지그에서 해체하여 매끈하게 사상 작업을 하고, 외표면에 소정 재료를 도포하는 단계; 및 (h) 상기 절단된 인체 모형의 각 단면 별로 소정 간격으로 적어도 하나의 구멍을 타공하고, 엑스-선 피폭을 검출하기 위한 엑스-선 검출 캡슐을 상기 구멍에 삽입하여 엑스-선 인체 모형을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형의 제조 방법을 제공한다.

이 경우, 상기 폐 제품은 상기 광 경화성 수지에 선택적으로 레이저 빔을 조사하여 조사된 영역 만을 경화시키고, 이를 누적 적층하여 폐 외부로 소정 두께로 균일한 형상을 갖는 폐 주형을 제작하는 단계; 상기 제작된 폐 모형의 내부에 밀도 0.28의 우레탄 폼을 주입하여 폐 모양을 생성하는 단계; 및 우레탄 폼 주입 후 경화 공정을 거쳐 외부를 감싸고 있는 폐 주형을 해체하여 상기 폐 제품을 완성하는 단계에 의해 제작된다.

상기 단계 (b)에서, 상기 뼈 실제품는 다수개 섹션으로 제작한 후, 상기 뼈 실제품과 동일한 수지를 접착제로 사용하여 레이저를 조사함에 의해 접착된다.

또한, 상기 단계 (b)에서, 상기 피부 주형은 인체 외형을 생성하기 위하여 STL 장비를 이용하여 피부 외부에 소정 두께를 갖는 형상으로 제작된다.

더욱이, 상기 단계 (e)는 쾌속 조형을 이용하여 제작된 조립 모형에 피부용 폴리우레탄 수지를 진공 성형기에서 주입하여 형체를 완성하는 단계; 및 진공 성형기에서 주입된 모형을 경화시켜 주형 작업을 완성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 단계 (f)는 상기 인체 모형을 슬라이싱하기 위한 지그의 내부에 실장하는 단계; 우레탄 폼을 상기 인체 모형과 지그 사이의 공간에 빈틈없이 채워서 절단 작업을 준비하는 단계; 및 상기 경화된 형체를 자동 톱 기계에 세팅하여 다수의 일정한 폭으로 균일하게 절단하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 제조방법에 따라 제조되는 엑스-선 인체 모형은 우레탄 폼으로 이루어진 폐와, 그 내부에 상기 폐를 수용하며 인체의 골격을 형성하도록 광경화성 수지로 성형된 뼈와, 상기 폐와 뼈의 내/외부 공간을 둘러싸도록 폴리우레탄으로 성형되어 인체의 외형을 이루는 피부를 포함하며, 수평방향으로 일정한 다수의 폭으로 슬라이싱되어 각 절단편마다 그 내부에 다수의 엑스-선 피폭을 검출하기 위한 엑스-선 검출 캡슐이 매입되어 있는 것을 특징으로 한다.

(실시예)

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 엑스-선 인체 모형의 제조 방법에 적용되는 쾌속 조형에 대하여 아래에 설명한다.

쾌속 조형(rapid prototyping)은 부품의 형상 모델을 생산하기 위해서 사용되는 방법이다. 비록 쾌속조형에서는 다양한 프로세스가 존재하기는 하지만 모두 복합 재료를 한 층, 한 층 쌓아서 시작품을 만들어 낸다. 쾌속 조형의 가장 큰 장점은 제작하고자 하는 시작품을 직접 형상 모델로부터 단 한번에 만들어 낸다는 것이다. 따라서 공정 계획, 소재를 다루기 위한 특정장치, 가공 작업장 사이의 운반 등과 같은 것이 필요 없다. 쾌속조형공정을 통해서 만들어진 제품은 주로 시작품이나 다른 제조 공정을 위한 마스터 패턴으로 사용되는 것이 대부분이다.

1970년대 들어 솔리드 모델링 시스템을 이용할 수 있게 됨에 따라 전통적인 도구를 사용하지 않고 형상 데이터로부터 직접 물체를 만들어 내고자 하는 시도가 있었다. 이 새로운 기술은 쾌속조형(rapid prototyping, RP) 또는 다른 용어로 적층 제조(layer manufacturing), 탁상 제조(desktop manufacturing), 솔리드 자유 형상 제조(solid freeform manufacturing) 등으로 불리어졌다(Jacobs,P.F., Rapid Prototyping and Manufacturing, 1992). 이 기술이 발전하여 시작품 제작의 범위를 넘어 많은 제조 분야까지 포함하게 되었기 때문에 쾌속 조형 및 제조(rapid prototyping & manufacturing, RP&M)란 용어가 사용되고 있다.

RP&M을 위한 공정은 기본적으로, 제조 대상 물체의 단면을 만들고, 단면을 한 층씩 쌓고, 이 층들을 결합시키는 3단계로 구성되어 있다. 따라서 RP&M 공정은 물체를 만들기 위해 단면 데이터만을 요구하며, 그럼으로써 다른 제조공정에서는 흔히 경험하는 다음과 같은 문제를 없앨 수 있다.

① 특징형상(feature) 정보를 필요로 하는 공정계획이 없어도 되기 때문에 특징형상기반설계(feature-base design)나 특징형상인식(feature recognition)이 필요없다. 또한 설계 특징 형상을 제조 특징형상으로 변환시키는 과정도 필요 없다. 단면 데이터를 생성시킬 수 있는 3차원 곡면이나 솔리드 모델만 있으면 충분하다.

② RP&M 공정은 재료를 제거하는 것이 아니라 재료를 더해 나가는 공정이기 때문에 소재의 형상을 정의할 필요가 없다.

③ 부품이 한 번의 작업으로 제작되기 때문에 여러 가지 세트 업이나 소재를 취급하는 복잡한 과정을 정의할 필요가 없다.

④ 클램프, 지그, 또는 고정구를 고려 할 필요가 없다.

⑤ RP&M 공정은 어떤 도구를 필요로 하는 공정이 아니기 때문에 금형의 설계와 제조가 필요 없다.

위에서 설명한 것과 같이 RP&M 공정은 다른 도구 없이 대상 물체를 만들 수 있기 때문에 중간의 공정계획 없이 설계와 제조를 통합시키는 데 적합하다.

단면의 각 층을 만들어 결합시키는 공정은 다음과 같은 물리적인 원리 가운데 하나에 바탕을 두고 있다.

① 레이저 또는 다른 광선이나 램프에 의한 적합한 수지의 고분자화

② 레이저 광선에 의한 고체 입자들 또는 분말의 선택적인 응결

③ 접착제나 용접에 의한 액체 또는 고체 입자들의 접합

④ 얇은 재료의 절단 및 적층

⑤ 용융 및 재 응결

위와 같은 원리를 적용하여 상용화된 RP 방식은 SL(Stereo Lithography), SGC(Solid Ground Curing), SLS(Selective Laser Sintering), 3D 프린팅(Printing), LOM(Laminated Object Manufacturing), FDM(Fused-Deposition Modeling) 등이 있다. 이와 같은 주요한 RP 방식의 종류와 원리는 다음과 같다.

(1) SLA(Stereo Lithography Apparatus)

상기 입체 조형장치는 광경화성 수지에 레이저 광선을 주사하면 주사된 부분이 경화되는 원리를 이용한 장치이다. 레이저 광선을 이용하기 때문에 성형속도가 빠르며 성형정밀도가 높은 장점이 있으나, 수지의 경화처리가 필요하다.

(2) FDM(Fused Deposition Modeling)

필라멘트 선으로 된 열가소성 물질(ABS, 폴리아미드)을 노즐 안에서 녹이며 얇게 필름 형태로 고화시키면서 적층시키는 방법이다. 레이저를 사용하지 않기 때문에 기계 장치는 간단하나 성형 속도는 SLA에 비해 떨어진다. 장비 가격과 유지보수비가 저렴하다.

(c) SLS(Selective Laser Sintering)

SLA에서의 광경화성 수지 대신에 기능성 고분자 또는 금속 분말을 사용하며 레이저 광선을 주사하여 소결시켜 성형하는 원리이다. 어느 정도 강도를 가지고 있기 때문에 의장 부품이 아닌 기능 부품으로서 시험을 할 수 있는 시제품을 만들 수 있다. 성형속도는 가장 빠르고 재료가 다양하나 장비가격이 비싸고 고가의 부대 장비가 필요하다.

(d) LOM(Laminated Object Manufacturing)

접착제가 칠해져 있는 종이를 원하는 단면으로 레이져 광선을 이용하여 절단하여 한층씩 적층하여 성형한다. 성형 정밀도가 떨어지므로 가늘고 작은 모양보다는 크고 두꺼운 형태의 부품 제작에 적합하다.

이하에 본 발명에서 사용된 입체 조형(SL) 방식에 대하여 자세히 알아보겠다. 입체 조형은 1970년대 중반과 1980년대 초반에 광경화성 수지의 표면층을 선택적으로 경화시켜 이것을 연속적으로 쌓아 3차원 물체를 생성시키는 것을 바탕으로 하는 쾌속시작의 개념을 연구하였다. 3D Systems사의 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 장비는 다음과 같은 단계를 거쳐 부품을 만들어 낸다.

도 1에는 본 발명에 적용될 수 있는 SLA 방식의 RP의 기본 원리가 도시되어 있다.

① 광원에 노출되었을 때 고화되는 광경화성 수지(2)를 도 1에 나타난 것처럼 액체 상태로 용기(1)에 담는다.

② 높이를 조절할 수 있는 플랫폼(3)을 액체 수지의 표면으로부터 밑으로 원하는 층 두께만큼 내려간 곳에 위치시킨다.

③ UV 레이저(4)를 플랫폼(3) 위에 있는 수지 층에 조사하여 해당 단면의 형상을 갖도록 수지를 고화시킨다.

④ 플랫폼을 수지 용기 안쪽으로 층 두께 만큼 내려 보내 수지 용액이 고화된 수지부분(5)을 덮어 다음 층을 쌓을 수 있도록 해준다.

⑤ 고화된 수지부분(5)의 맨 위층이 만들어질 때까지 단계 ③ 및 ④를 반복한다.

⑥ 고화된 수지부분(5)을 완전하게 고화시키기 위해서 후 경화 처리(post-curing)를 수행한다.

일반적으로 3 차원 물체의 형상 모델은 사용되는 솔리드나 표면 모델링 시스템에 따라 다양한 포맷으로 저장된다. 따라서, SLA 또는 다른 RP&M 장비들은 모델 데이터를 STL 포맷(*.stl 확장자를 갖는 파일)이라는 하나의 고정된 포맷으로 받아들이도록 설계되어 있다. STL 파일 포맷(file format)은 Albert Consulting Group에 의해 개발되어 1987년 3D 시스템 사에 의해 확립되었다. STL 파일은 삼각형들이 연결되어있는 메시로 물체를 표현한다. 삼각형들의 메시로 표현된 물체를 모자이크 물체(tessellated object) 또는 다면체 물체(faceted object)라고 부른다. 현재 STL 파일은 모든 방식의 RP&M 시스템의 입력형식에 대한 업계의 사실상의 표준이다. 사실상의 대부분의 솔리드 모델링 시스템들은 STL 파일을 만들어 주는 기능들을 제공하고 있다.

본 발명에서는 광경화성 수지에 레이저 빔을 조사하여 원하는 부위만을 경화하는 방식인 SLA RP(Stereo Lithography Apparatus Rapid Prototyping)를 활용하여 3차원 입체 모형을 제작하였다.

본 발명의 실시예에서는 RP를 이용하여 팬텀(phantom)의 뼈의 기본 골격과 피부와 폐에 대한 모형을 제작하기 위한 주형을 제작하였다. 제작에 사용된 장비는 미국 3D Systems 사의 SLA type의 RP 장비로 모델은 SLA 3500이다. 표 1에는 SLA 장비의 주요 특성이 설명되어 있다.

항 목			내 용	비고
모델 및 제작사		모델명	SLA 3500
		제작사	3D-Systems	미국
주요 제원	레이저	Type	Solid State Nd:YVO4
		Recoating System	354.7 nm
	Recoating 시스템	Process	Zephyr Recoater
	Elevator	Vertical Resolution	0.00177 mm
		Etc	0.005mm
		Maximum part weight	56.8 kg
	Vat	Maximum build envelope	350×50×400(H)
	Etc	Dimension Resolution	0.05 mm
		Build thickness	0.05 ~ 0.15 mm

본 발명의 실시예에서는 0.15mm의 적층 두께를 적용하여 작업하였다. 또한 SLA RP 장비를 구동하기 위하여 BuildStation version 5.1의 소프트웨어를 사용할 수 있다. SLA RP는 상기한 도 1을 참고로 설명한 바와 같이 광경화성 수지를 선택적으로 레이저 빔을 조사하여 조사된 영역만을 경화시키고, 이를 누적 적층하여 원하는 3차원 형상을 얻을 수 있다. 본 발명의 실시예에 사용된 수지의 물성을 다음 표 2와 같다.

항 목		내 용	비 고
제 조 사		VANTICO
모 델		SL 5510
경화된 수지의 주요 사양	밀 도	1.23 g/㎤	@25℃
	인장 강도	77 MPa
	연신율	5.4%	파괴 연신
	열화 온도	87℃	2 시간 후경화 후 66 PSI 적용 시

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엑스-선 인체 모형의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.

표준 한국인, 즉, 키가 172cm, 몸무게가 68kg인 성인 남자의 전신 CT를 촬영한 후, V-웍스(V-Works) 프로그램을 이용하여 CT 전신 데이터로부터 STL 데이터를 생성한다(단계 S210).

상기 V-웍스는 CyberMED 사에서 개발한 PC 기반의 실시간 3차원 의료 영상 소프트웨어로서, 병증의 진단, 진료 계획, 및 가상 시술을 할 수 있도록 하는 프로그램이다. 이와 같은 V-웍스를 이용한 STL 데이터의 생성 작업 과정은 우선 CT 장비로부터 얻어진 CT 전신 데이터(즉, DICOM 3.0)를 V-웍스에 로딩, SOD 생성 및 편집, 3D 오브젝트 생성, 및 STL 포맷으로의 변환 과정을 순차적으로 거친다. 상기 과정으로 CT 촬영 데이터에서 쾌속 조형 작업이 가능한 STL 데이터로의 변환이 이루어진다.

본 발명의 실시예에 의하면, 전신 CT 데이터를 이용하여 3차원 영상 소프트웨어인 CyberMED사의 V-Works version 4.0을 이용하여 폐, 뼈, 및 피부에 해당하는 STL 데이터를 각각 생성한다.

구체적으로는, 폐에 대하여는 CT 데이터를 활용하여 폐의 표면 데이터를 이용하여, 폐 표면의 바깥쪽으로 두께 2~3mm 정도로 솔리드 형태를 이루고 내부가 중공상태를 형성하는 폐 부분 STL 데이터를 생성한다.

뼈에 대하여는 뼈의 내부를 고형화하도록 설계된 뼈 부분 STL 데이터 생성한다.

피부에 대하여는 상기 폐와 마찬가지로, 피부의 표면 데이터를 활용하여, 피부 표면에서 두께 3~4mm 정도로 솔리드 형태를 이루고 내부가 중공상태를 형성하는 피부 부분 STL 데이터를 생성한다.

이어서, 부위별, 즉 폐, 뼈, 및 피부 RP 부분을 생성한다 (단계 S220).

먼저, 획득한 STL 데이터를 SLA 3500 장비에서 작업이 가능한 부분 크기인 350×350×400(H)mm 이내의 크기의 부분이 되도록 다수 파트로 절단하여 제작한다. 이 경우 STL 데이터 절단은 예를들어, SolidView 소프트웨어를 사용할 수 있다. 즉, 폐는 3개 파트로 나누고, 뼈는 4개, 피부는 16개로 분할하여 제작한다. 그러나, 상기한 분할 제작하는 개수는 필요에 따라 더 세밀하게 나누어서 제작하는 것도 가능하고, 상기한 RP 장비가 작업 가능한 크기가 충분하게 주어지는 경우 분할 파트의 수를 적게 설계하는 것도 가능하다.

우선, 폐에 대한 RP 주형 제작은 광 경화성 수지, 예를들어, SL5510 수지를 폐 주형에 해당하는 부분에만 선택적으로 레이저 빔을 조사하여 조사된 영역만을 경화시키는 방식으로 0.1 내지 0.15 mm의 층 두께로 적층시킨다.

즉, 도 1과 같이, 높이를 조절할 수 있는 플랫폼(3)을 액체 수지의 표면으로부터 밑으로 원하는 층 두께만큼 내려간 곳에 위치시킨 다음, UV 레이저(4)를 플랫폼(3) 위에 있는 수지 층에 주사하여 해당 단면의 형상을 갖도록 수지를 고화시킨다. 그후, 상기 플랫폼(3)을 수지 용기(1) 안쪽으로 층 두께 만큼 내려 보내 수지 용액이 고화된 수지부분(5)을 덮어 다음 층을 쌓을 수 있도록 해준다.

상기한 방식으로 경화된 수지부분(5)을 누적 적층하여 폐 외부에 3mm 두께로 균일하게 폐에 대한 3차원 형상, 즉, 폐 주형을 제작한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 폐 주형은 주형 작업이 용이하게 이루어지도록 좌측 및 우측 폐와 연결부분을 상하방향으로 3개의 부분으로 절단하여 제작한 후, 동일 수지를 접착제로 이용하여 레이저로 접합부분을 상호 연결하여 도 3a에 도시된 바와 같은 폐 주형(10)을 얻는다. 상기 폐 주형(10)은 도 3b와 같이 내부가 중공으로 이루어져 있다.

그후, 쾌속 조형을 이용하여 제작된 폐 주형(10)은 상부에 위치한 주입구(11)를 통하여 주형 내부에 인체의 폐와 유사한 물성을 갖는 밀도 0.28의 우레탄 폼을 진공 상태로 주입하여 폐 모양을 생성한다. 우레탄 폼 주입 후 8 시간의 경화 공정을 거친 후, 외부를 감싸고 있는 폐 주형(10)을 해체하여 우레탄 폼으로 이루어진 폐 제품을 완성한다. 하기 표 3에는 제작된 폐의 시험 성적표가 표시되어 있다.

품목	비중 (g/㎤)	경도(A)	인장강도 (㎏f/㎤)	신장율 (%)	내열온도 (℃)	비고
우레탄 폼	0.28	90	35	55	80	폐

한편, 뼈는 사람의 뼈와 동일하거나 유사한 비중을 갖는 재료로서, ABS 수지 계열에 속하는 SLA 5510을 이용하여 상기 SLA 3500 장비에서 제작한다. 상기 뼈는 실제 삽입되는 제품(뼈 실제품)이므로, 조립이 용이하도록 4개의 섹션으로 제작한 후, 레이저를 이용하여 접착한다. 쾌속 조형 장치가 작업 가능한 제품 성형 크기가 35 내지 50 cm이므로, 부분 작업하여 얻어진 것을 조립한 후, 동일 수지를 접착제로 이용하여 레이저로 접착하여 완성한다.

상세하게는, RP 작업의 효율을 위하여 머리 부분과 골반 부분을 별도의 작업으로 제작하였고, 또한 갈비뼈 내부에 폐를 삽입할 수 있도록 하기 위하여 갈비뼈를 상하로 분리하도록 절단하여 폐의 조립이 용이하도록 하였다. 표 4에는 뼈의 시험 성적표가 설명되어 있다.

재료명	비중 (g/㎤)	경도(A)	인장강도 (㎏f/㎤)	신장율 (%)	내열온도 (℃)	비고
SLA 5510	1.23	86 (LSHORED)	77(Mpa)	5.4	68(Tg)	뼈

그후, 인체 외형을 생성하기 위하여, SLA 장비와 광경화성 수지인 SL5510을 이용하여 인체의 피부 외부에 2mm 두께로 균일하게 내부가 중공상태로 비어 있는 피부 주형을 분할하여 제작한다. 상기 피부 주형은 16개로 분리 제작 후, 사상 작업을 거쳐 하나의 형태로 접착한다. 상세하게는, 획득한 STL 데이터를 SLA 3500 장비에서 작업이 가능한 부분 크기인 350×350×400(H)mm 이내의 부분이 되도록 16개로 절단하여 인체 피부, 즉 외형 제작에 대한 3차원 형상 부분을 제작한다.

제작된 피부에 대한 3차원 형상 부분은 표면에 묻어있는 액상 수지를 제거하기 위한 메탄올을 이용한 세척 공정을 수행한 후, UV 광선을 이용하여 3시간의 후 경화를 수행한다.

이어서, 우레탄 폼으로 제작된 폐 제품을 광경화성 수지로 RP 제작된 뼈 내부에 삽입, 조립하여 조립품을 얻는다. 그후, 상기 폐와 뼈의 조립품과 피부 주형과의 사이에 공간을 갖도록 몰드를 위치시켜 상기 공간에 폴리우레탄을 주입할 수 있도록 조립 모형을 완성한다(단계 S230). 상기 피부를 형성하기 위하여 주입되는 폴리우레탄은 통상적인 폴리우레탄 제품의 비중(1.1~1.23)에서 사람의 피부와 거의 근접한 물성을 갖도록 비중을 1.03으로 낮춘 것을 사용하였다.

그후, 상기 조립 모형의 공간에 폴리우레탄 수지를 진공 성형기에서 주입하여 형체를 완성한 후, 80℃에서 24시간 경화하여 주형 작업을 완성한다(단계 S240). 그후 경화 공정을 완료한 후, 외부를 감싸고 있는 피부 주형을 해체하여 피부가 폴리우레탄으로 이루어진 인체 모형 제품을 얻는다. 표 5에는 피부 시험 성적표가 도시되어 있다.

품목	비중(g/㎤)	경도(A)	인장강도 (㎏f/㎤)	신장율(%)	내열온도 (℃)	비고
폴리우레탄	1.03	89	386	520	130	피부

그후, CNC 절단기로 상기 완성된 인체 모형을 절단하기 위하여 예를들어, 사각통 형상의 슬라이싱용 지그를 제작한 후, 우레탄 폼을 이용하여 인체 모형과 지그 사이의 공간을 빈틈없이 채워서 절단 준비 작업을 수행하고, 자동 톱 기계에 세팅하여 20ｍ/ｍ 폭으로 균일하게 절단한다(단계 S250).

이어서, 각 부위별로 균일하게 절단된 인체 모형 부분품을 지그에서 해체하여 부위별로 매끈하게 사상 작업을 한다. 그 후, 부분적인 기포 및 절단면을 메우고 전체적으로 우레탄 페인트를 도포하고(단계 S260), 각 부위별로 완성된 제품을 파이프 또는 와이어를 이용하여 받침대에 조립함으로써 인체 모형을 완성한다(단계 S270).

한편, 완성된 인체 모형을 엑스-선 피폭을 테스트하기 위하여 각 단면 별로 간격 2cm, 직경 7mm의 구멍을 다수개 타공하고, X-선 피폭을 센싱하기 위한 TLD( Thermoluminescence Dosimeter;열형광선량계) 캡슐을 상기 구멍에 삽입하여 테스트용 인체 모형을 얻는다(단계 S280). 도 4는 TLD 캡슐을 삽입하는 과정을 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따라 완성된 인체 모형을 나타낸 도면이다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따라 얻어지는 엑스-선 인체 모형은 방사능 방호를 위한 한국형 X-선 인체 모형으로서 표준 한국인을 설정하여 제작된 것이므로 이를 통하여 얻어지는 시험 데이터는 한국인의 방사능 피폭에 대비한 높은 신뢰성을 확보할 수 있게 되며, 또한 본 발명에서는 광경화성 수지를 RP 방식으로 주형을 제작하여 인체 모형을 제작하므로 저렴한 비용으로 엑스-선 인체 모형을 제조할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (7)

1. (a) 표준 체형을 갖는 사람의 전신 CT를 촬영하고, 상기 전신 CT를 3차원 형상 데이터로 변환하는 단계;

   (b) 상기 3차원 형상 데이터를 기초로 하여 광 경화성 수지로 쾌속 조형(RP) 방법에 의해 폐 주형, 뼈 실제품, 및 피부 주형을 개별적으로 생성하는 단계;

   (c) 상기 폐 주형을 이용하여 폐와 근접한 물성을 갖는 재료로 폐 제품을 성형하는 단계와;

   (d) 상기 폐 제품을 상기 뼈 실제품의 내부에 삽입하여 조립하고, 상기 조립품을 피부 주형 사이에 공간을 갖도록 피부 주형 내부에 위치시켜 조립 모형을 완성하는 단계;

   (e) 진공 성형방식으로 상기 조립 모형의 공간에 피부용 폴리우레탄을 주입하여 폐, 뼈, 및 피부로 이루어진 인체 모형을 완성하는 단계;

   (f) 상기 인체 모형을 슬라이싱하기 위한 지그의 내부에 실장한 후, 우레탄 폼을 상기 인체 모형과 지그 사이의 공간에 채운 상태에서 소정 폭으로 균일하게 인체 모형을 절단하는 단계;

   (g) 각 부위별로 균일하게 절단된 인체 모형을 지그에서 해체하여 매끈하게 사상 작업을 하고, 외표면에 소정 재료를 도포하는 단계; 및

   (h) 상기 절단된 인체 모형의 각 단면 별로 소정 간격으로 적어도 하나의 구멍을 타공하고, 엑스-선 피폭을 검출하기 위한 엑스-선 검출 캡슐을 상기 구멍에 삽입하여 엑스-선 인체 모형을 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형의 제조 방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 (c) 단계의 폐 제품을 성형하는 단계는,

   상기 광 경화성 수지에 선택적으로 레이저 빔을 조사하여 조사된 영역 만을 경화시키고, 이를 누적 적층하여 폐 외부로 소정 두께로 균일한 형상을 갖는 폐 주형을 제작하는 단계;

   상기 제작된 폐 모형의 내부에 밀도 0.28의 우레탄 폼을 주입하여 폐 모양을 생성하는 단계; 및

   상기 우레탄 폼 주입 후 경화 공정을 거쳐 외부를 감싸고 있는 폐 주형을 해체하여 상기 폐 제품을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형의 제조 방법.
3. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (b)에서, 상기 뼈 실제품는 다수개 섹션으로 제작한 후, 상기 뼈 실제품과 동일한 수지를 접착제로 사용하여 레이저를 조사함에 의해 접착하는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형의 제조 방법.
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (e)는

   쾌속 조형을 이용하여 제작된 조립 모형에 피부용 폴리우레탄 수지를 진공 성형기에서 주입하여 형체를 완성하는 단계; 및

   진공 성형기에서 주입된 모형을 경화시켜 주형 작업을 완성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형의 제조 방법.
6. 제1 항에 있어서, 상기 단계 (f)는

   상기 인체 모형을 슬라이싱하기 위한 지그의 내부에 실장하는 단계;

   우레탄 폼을 상기 인체 모형과 지그 사이의 공간에 빈틈없이 채워서 절단 작업을 준비하는 단계; 및

   상기 경화된 형체를 자동 톱 기계에 세팅하여 다수의 일정한 폭으로 균일하게 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형의 제조 방법.
7. 우레탄 폼으로 이루어진 폐와,

   그 내부에 상기 폐를 수용하며 인체의 골격을 형성하도록 광경화성 수지로 성형된 뼈와,

   상기 폐와 뼈의 내/외부 공간을 둘러싸도록 폴리우레탄으로 성형되어 인체의 외형을 이루는 피부를 포함하며,

   수평방향으로 일정한 다수의 폭으로 슬라이싱되어 각 절단편마다 그 내부에 다수의 엑스-선 피폭을 검출하기 위한 엑스-선 검출 캡슐이 매입되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스-선 인체 모형.

Images