KR102181399B1 - An elastic modulus adjustment method for implants having lattice scaffolds structure and patient specific surgical implants which use the method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 임플란트의 탄성계수를 조정하는 환자맞춤형 임플란트의 탄성계수 조정방법에 관한 발명이다. 본 발명의 임플란트의 탄성계수 조정방법에 있어서, 환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하는 단계; 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하는 단계; 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계; 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계; 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계; 임플란트 형상에 대한 3차원 프린팅 성형 재료를 선택하는 단계; 및 선택된 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 임플란트는 피삽입부위의 탄성계수와 임플란트의 탄성계수가 유사하도록 조정하여 응력차폐현상(Stress Shielding)이 발생하지 않으므로, 임플란트를 장시간 재수술없이 사용할 수 있다.The present invention relates to a method for adjusting the elastic modulus of a patient-specific implant that adjusts the elastic modulus of the implant. In the method of adjusting the elastic modulus of an implant according to the present invention, the method comprising: specifying a region requiring implantation from a CT scan image of the affected region; Setting an implant shape to be inserted in the specified region; Dividing the implant shape into a plurality of three-dimensional regions; Providing a target elastic modulus (Et) for each of a plurality of divided 3D regions; Selecting any one of a plurality of grid-shaped scaffold structures for the implant shape; Selecting a 3D printed molding material for the implant shape; And a scaffold structure selected so that the elastic modulus (Eh) to be molded for each of a plurality of three-dimensional areas divided based on the basic elastic modulus (Eo) of the selected 3D printing molding material is within a predetermined error from the target elastic modulus (Et). It characterized in that it comprises the step of calculating the diameter and density of the brace. Since the implant according to the present invention does not cause stress shielding by adjusting the elastic modulus of the implant to be similar to the elastic modulus of the implant, the implant can be used for a long time without reoperation.

Description

격자 모양의 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트 {An elastic modulus adjustment method for implants having lattice scaffolds structure and patient specific surgical implants which use the method}An elastic modulus adjustment method for implants having lattice scaffolds structure and patient specific surgical implants which use the method}

본 발명은 격자구조 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트에 관한 발명이다.The present invention relates to a method for adjusting the modulus of elasticity of an implant having a lattice scaffold structure and a patient-customized surgical implant according to the method.

환자의 뼈 혹은 조직에 인공적으로 제작한 임플란트를 외과 수술을 이용하여 삽일 할 수 있다. 인체 조직을 인공적으로 제조하여 외과 수술에 이용하는 조직 기술 분야(Tissue engineering)에서 ‘스캐폴드’(scaffold)란 건축분야에서 사용하는 격자 모양의 비계 형상의 구조를 의미한다. 한편, '임플란트' (implant) 는 의료분야에서 인공으로 제작한 인공장기 혹은 인공관절로서 광범위하게 사용된다.An artificially manufactured implant can be inserted into the patient's bones or tissues using surgical procedures. In the field of tissue engineering, which artificially manufactures human tissue and uses it for surgical operation, the term'scaffold' refers to a grid-shaped scaffold-shaped structure used in the architectural field. On the other hand,'implant' is widely used in the medical field as an artificial organ or artificial joint.

한편, 인공관절 등과 같은 임플란트는 통상 티타늄(Titanium, Ti)을 재료로 제작하고, 기존의 인체의 뼈 등의 피삽입부에 티타늄으로 제작한 임플란트를 외과수술을 이용하여 삽입하는 경우, 뼈의 탄성계수와 티타늄의 탄성계수가 상이하여 반복적인 사용 및 스트레스를 받으면 티타늄 임플란트가 삽입된 뼈가 변형하거나, 형태가 변형되어 수년 후 다시 재수술해야 하는 문제점이 있었다.On the other hand, implants such as artificial joints are usually made of titanium (Ti), and when an implant made of titanium is inserted into an implanted part such as an existing human bone by surgical operation, the elasticity of the bone Since the modulus and the modulus of elasticity of titanium are different, there is a problem in that the bone in which the titanium implant is inserted is deformed or the shape is deformed, requiring reoperation several years later when subjected to repeated use and stress.

이와 같은 문제점을 응력차폐현상(Stress Shielding)이라 하고, 이 응력차폐현상으로 인하여 임플란트 수술 후 일정 시간 이후에 반드시 재수술해야 하는 번거러움이 있었다.
(선행기술문헌) 1. US 7,174,282 B2 (등록일 2007. 2. 6), 2. US 2014/0363481 A1 (공개일 2014. 12. 11)
This problem is referred to as stress shielding, and due to this stress shielding phenomenon, there is a hassle that must be reoperated after a certain time after implant surgery.
(Prior technical literature) 1.US 7,174,282 B2 (registration date 2007. 2. 6), 2. US 2014/0363481 A1 (publication date 2014. 12. 11)

본 발명의 목적은 인공뼈, 인공관절, 인공치아 등과 같은 임플란트의 제작을 위하여 격자 모양의 스캐폴드 구조로 임플란트를 생성하여 장착할 때, 임플란트가 삽입되는 인체의 상대방 피삽입부와 동일한 탄성계수를 가지도록 조정하여 장기간 사용이 가능한 임플란트를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to produce and install an implant in a grid-shaped scaffold structure for the manufacture of implants such as artificial bones, artificial joints, and artificial teeth, so that the same elastic modulus as that of the other part of the human body into which the implant is inserted. It is to provide an implant that can be used for a long time by adjusting it to have.

본 발명의 또 다른 목적은 환자 맞춤형 격자 모양의 스캐폴드 구조로 임플란트를 제공하여 피삽입부의 탄성계수와 유사하도록 조절함과 동시에 임플란트의 각 부위별 탄성계수는 서로 상이하도록 하여 가장 최적의 탄성계수를 가지는 임플란트를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an implant with a patient-customized grid-shaped scaffold structure to adjust to be similar to the elastic modulus of the inserted part, and to make the elastic modulus of each part of the implant different from each other so that the most optimal modulus of elasticity is obtained. The branch is to provide the implant.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 임플란트의 탄성계수 조정방법에 있어서, 환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하는 단계; 상기 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하는 단계; 상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계; 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계; 상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계; 상기 임플란트 형상에 대한 3차원 프린팅 성형 재료를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 임플란트의 탄성계수 조정방법은 CT스캔 이미지를 바탕으로 임플란트의 형상을 설정하고, 피 삽입될 부위의 골밀도 정보를 바탕으로 하는 피삽입부위의 탄성계수로부터 임플란트의 목표탄성계수를 설정하고, 임플란트의 재료로부터 기초탄성계수를 얻고, 목표탄성계수와 유사한 성형 탄성계수를 가지도록 임플란트의 단위영역의 사이즈, 버팀목직경 및 임플란트의 밀도를 구하는 과정을 통하여 임플란트의 탄성계수와 임플란트가 삽입되는 피삽입부의 인체부위의 탄성계수를 유사하게 일치시킨다.The present invention for achieving the object as described above, in a method for adjusting the elastic modulus of an implant, the steps of specifying a region requiring implantation from a CT scan image of the affected area; Setting an implant shape to be inserted into the specified region; Dividing the implant shape into a plurality of three-dimensional regions; Providing a target elastic modulus (Et) for each of the divided 3D regions; Selecting any one of a plurality of lattice-shaped scaffold structures for the implant shape; Selecting a three-dimensional printing molding material for the implant shape; And the elastic modulus (Eh) to be molded for each of the divided 3D regions based on the basic elastic modulus (Eo) of the selected 3D printing molding material is within a predetermined error from the target elastic modulus (Et). And calculating the diameter and density of the braces of the selected scaffold structure. In the method for adjusting the elastic modulus of an implant according to the present invention, the shape of the implant is set based on the CT scan image, and the target elastic modulus of the implant is set from the elastic modulus of the inserted site based on the bone density information of the area to be inserted. , The elastic modulus of the implant and the blood into which the implant is inserted through the process of obtaining the basic modulus of elasticity from the material of the implant and obtaining the size of the unit area of the implant, the support diameter and the density of the implant to have a molding modulus similar to the target modulus of elasticity. The elastic modulus of the body part of the insertion part is similarly matched.

상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 임플란트와 인체의 뼈에 해당하는 부위를 통합적으로 3차원 영역에 해당하는 복셀메쉬로 3차원형상화하고, 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하여 각 영역별 목표 탄성계수를 설정한다.The plurality of divided 3D regions are composed of a plurality of 3D voxel meshes, and the step of assigning a target elastic modulus for each of the divided 3D regions may include Bone density for each of the plurality of 3D voxel meshes. It characterized in that it comprises the step of extracting information. The implant and the body's bone are integrated into a voxel mesh corresponding to a three-dimensional region, and bone density information is extracted for each voxel mesh, and a target elastic modulus for each region is set.

상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고, 상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 임플란트의 탄성계수 조정방법은 3차원 영역의 인접 영역은 서로 연결되도록 결합한다. 대신에 버팀대의 직경 및 밀도는 서로 상이하게 설정될 수 있다.Some adjacent regions of the divided 3D regions have different target modulus of elasticity, and the adjacent partial regions are connected to each other in a state in which the diameter and the density of the brace are different from each other. In the method for adjusting the elastic modulus of an implant according to the present invention, adjacent regions of a three-dimensional region are coupled to be connected to each other. Instead, the diameter and density of the braces can be set differently from each other.

상기 목적은 본 발명의 다른 측면인, 환자 맞춤형 외과용 임플란트에 있어서, 환자의 특정 부위에 삽입할 삽입부와 비삽입부로 이루어지고 3차원 성형용 재료로 성형되는 임플란트를 포함하고, 상기 임플란트는, 상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계, 상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계, 및 상기 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하여 임플란트의 탄성계수를 조정한 후, 상기 임플란트를 상기 선택된 스캐폴드 구조의 상기 조정된 버팀대의 직경 및 상기 밀도를 이용하여 3차원 성형으로 제작하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트를 통해서도 달성된다. 본 발명의 환자 맞춤형 외과용 임플란트는 실제 환자의 환부에 대하여 CT 스캔 이미지를 획득하고, 이 CT스캔 이미지를 3차원화 시킨 후, 특정부위에 대한 임플란트 형상을 설계하고, 인체에 삽일될 임플란트와 임플란트가 삽입되는 피삽입부의 인체의 탄성계수가 유사하도록 조절한 후 임플란트를 3D프린팅 공정으로 제작한다. 따라서, 본 발명에 따른 임플란트는 환자 맞춤형으로 제작이 가능하고, 임플란트의 탄성계수와 임플란트가 삽입되는 피삽입부의 뼈의 탄성계수가 유사하여 응력차폐현상(Stress Shielding)이 발생하지 않으므로, 장시간 임플란트를 사용할 수 있다.The object is another aspect of the present invention, in a patient-tailored surgical implant, comprising an implant formed of an insertion portion and a non-insertion portion to be inserted into a specific portion of the patient and formed of a three-dimensional molding material, the implant, Any one of the steps of partitioning the implant shape into a plurality of three-dimensional regions, providing a target elastic modulus (Et) for each of the divided three-dimensional regions, and a plurality of grid-shaped scaffold structures for the implant shape. And a predetermined error between the target elastic modulus (Et) and the elastic modulus (Eh) to be molded for each of the divided 3D regions based on the basic elastic modulus (Eo) of the 3D printing molding material. After adjusting the modulus of elasticity of the implant including calculating the diameter and density of the brace of the selected scaffold structure to be within the range, the implant uses the adjusted diameter and the density of the brace of the selected scaffold structure. It is also achieved through patient-specific surgical implants characterized in that it is manufactured by three-dimensional molding. The patient-customized surgical implant of the present invention acquires a CT scan image of an actual patient's affected area, makes the CT scan image three-dimensional, and then designs an implant shape for a specific area, and the implant and the implant to be inserted into the human body After adjusting so that the elastic modulus of the human body of the inserted part is similar, the implant is manufactured by 3D printing process. Therefore, the implant according to the present invention can be manufactured tailored to the patient, and since the elastic modulus of the implant and the elastic modulus of the bone of the implant into which the implant is inserted are similar, stress shielding does not occur. Can be used.

상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. The plurality of divided 3D regions are composed of a plurality of 3D voxel meshes, and the step of assigning a target elastic modulus for each of the divided 3D regions may include Bone density for each of the plurality of 3D voxel meshes. It characterized in that it comprises the step of extracting information.

상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고, 상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 한다.Some adjacent regions of the divided 3D regions have different target modulus of elasticity, and the adjacent partial regions are connected to each other in a state in which the diameter and the density of the brace are different from each other.

이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 격자 모양의 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트는 피삽입부의 탄성계수와 임플란트의 탄성계수가 유사하도록 조절하여 응력차폐현상(Stress Shielding)이 발생하지 않으므로, 임플란트를 장시간 사용할 수 있다. 따라서, 종래의 빈번한 재수술로 인한 환자의 고통을 경감시켜주는 효과가 있다.The method for adjusting the elastic modulus of an implant having a grid-shaped scaffold structure according to the present invention having the above configuration and a patient-specific surgical implant according to the present invention are stress shielded by adjusting the elastic modulus of the inserted part to be similar to the elastic modulus of the implant. Since stress shielding does not occur, the implant can be used for a long time. Therefore, there is an effect of reducing the pain of the patient due to the conventional frequent reoperation.

도 1은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 보여주는 플로우챠트이다.
도 2는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 도형으로 형상화한 단계를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 제1실시예에 따른 플로우챠트이다.
도 4는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 변형실시예에 따른 플로우챠트이다.
도 5는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트의 단위 3차원 복셀메쉬의 단위격자구조 종류를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 대퇴골(Femur)에 대하여 적용한 임플란트의 설계를 보여주는 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 척추고정술에 사용하는 척추용 임플란트(Lumbar Interbody Fusion)의 설계를 보여주는 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 고관절의 스템(Hip Stem) 부분의 설계를 보여주는 실시예이다.
도 9는 본 발명에 따른 격자크기, 밀도 및 정규화된 탄성계수 값에 따른 메타모델의 상관관계 그래프를 보여준다.
1 is a flow chart showing the steps of manufacturing a patient-specific implant according to the present invention.
2 is a conceptual diagram showing a step of manufacturing a patient-customized implant according to the present invention into a shape.
3 is a flow chart according to the first embodiment showing a process according to an algorithm for designing a step of manufacturing a patient-customized implant according to the present invention based on a predetermined unit 3D voxel mesh.
4 is a flow chart according to a modified embodiment showing a process according to an algorithm for designing a step of manufacturing a patient-customized implant according to the present invention based on a predetermined unit 3D voxel mesh.
5 is a conceptual diagram showing the type of a unit grid structure of a unit 3D voxel mesh of a patient-customized implant according to the present invention.
6 is an embodiment showing the design of an implant applied to a femur (Femur) among patient-specific implants according to the present invention.
7 is an embodiment showing the design of a spinal implant (Lumbar Interbody Fusion) used for spinal fixation among patient-specific implants according to the present invention.
Figure 8 is an embodiment showing the design of the stem (Hip Stem) portion of the hip joint of the patient-specific implant according to the present invention.
9 shows a graph of the correlation of the metamodel according to the grid size, density, and normalized elastic modulus values according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 바람직한 실시예에 의한 설명으로 더욱 명백해진다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Features and advantages of the present invention become more apparent from the description of the preferred embodiments based on the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 보여주는 플로우챠트이다.1 is a flow chart showing the steps of manufacturing a patient-specific implant according to the present invention.

과학기술문명의 발달로 인간의 수명이 연장됨에 따라, 스트레스, 비만, 암, 각종사고 등으로 부터 신체의 뼈, 관절, 치아 손상이 발생되고 있어, 이를 회복시키기 위한 인공뼈, 인공관절, 인공치아와 같은 임플란트(Implant)에 관하여 연구가 급속도로 진행하고 있다.As the life span of humans is prolonged due to the development of scientific and technological civilization, damage to the bones, joints and teeth of the body is occurring due to stress, obesity, cancer, and various accidents. Artificial bones, artificial joints, and artificial teeth to recover them Research on implants such as these is progressing rapidly.

임플란트(Implant)는 독성이 없어야 하며 임플란트가 삽입되는 피삽입부 생체조직과 조화를 이루면서 본래의 기능을 유지할 수 있어야 한다. 우수한 임플란트 용 생체 재료를 개발하기 위한 노력이 계속되어 왔지만, 현재 임플란트에 응용되고 있는 생체 재료들의 탄성계수는 뼈 등의 피삽입부 생체조직의 탄성계수값과 상당히 많은 차이 (대략 3~10배)가 있어 이식 시술 후, 2~4년 후에는 생체 내에서 응력차폐 현상이 발생하여, 이에 따른 부작용으로 인한 재수술을 고려하게 된다.The implant must be non-toxic and must be able to maintain its original function while harmonizing with the biological tissue of the implanted part into which the implant is inserted. Efforts have been made to develop excellent biomaterials for implants, but the modulus of elasticity of biomaterials currently applied to implants differs considerably from the elastic modulus of biological tissues of the implanted part such as bone (approximately 3-10 times). Therefore, 2 to 4 years after the transplantation procedure, stress shielding occurs in vivo, and a reoperation due to the side effects is considered.

임플란트가 삽입되는 피삽입부 생체조직의 뼈와 임플란트의 탄성계수 차이가 클 경우, 높은 탄성계수를 가진 임플란트가 뼈에 전달되는 대부분의 응력을 지지하게 되고, 피삽입부 생체조직인 인체의 뼈가 장기적으로 인장, 압축, 굽힘모멘트 (bending moment) 등을 받지 않게 되면, 인체조직은 자동적으로 뼈의 역할이 필요 없다고 인지하게 되어, 뼈의 두께, 무게 등을 줄여나가게 되어 임플란트 주위에 골다공증이 발생하게 된다.If the difference in elastic modulus between the bone and the implant in the biological tissue where the implant is inserted is large, the implant with a high modulus of elasticity supports most of the stress transmitted to the bone, and the bone of the human body, the biological tissue in the implant, is long-term. As a result, when tension, compression, bending moment, etc. are not received, the human tissue automatically recognizes that the role of bone is not necessary, and the thickness and weight of the bone are reduced, resulting in osteoporosis around the implant. .

결국 임플란트와 피삽입부 뼈의 결합이 약화되어 재 시술이 요구되는 문제점이 임플란트의 응력차폐(Stress Shielding) 현상으로 나타난다. 따라서 응력 차폐 현상이 발생하면, 임플란트 주변 부위의 골밀도가 줄어들어 시간경과에 따라 임플란트가 이식부위에서 쉽게 분리되는 문제점이 있고, 금속재료를 이용한 임플란트의 경우 강도가 뼈보다 상당히 커서 주변 부위의 뼈 조직을 파괴하기도 한다.Eventually, a problem that requires a re-operation due to the weakening of the coupling between the implant and the bone of the implanted portion appears as the stress shielding phenomenon of the implant. Therefore, when a stress shielding phenomenon occurs, the bone density around the implant decreases and the implant is easily separated from the implant site over time.In the case of an implant using a metal material, the strength is considerably higher than that of the bone, so that the bone tissue in the surrounding region is reduced. It also destroys.

오늘날 사용되는 대표적인 임플란트 재료인 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 비롯하여 탄탈륨, 팔라듐, 지르코늄, 니오븀 등을 조합한 티타늄 합금 등도 임플란트용 재료로 사용되고 있다.Titanium alloy (Ti-6Al-4V), a representative implant material used today, as well as titanium alloys that combine tantalum, palladium, zirconium, and niobium, are also used as implant materials.

본 발명은 임플란트 재료의 종류와 관계없이 임플란트가 삽입되는 피삽입 인체조직(뼈)의 탄성계수값과 임플란트의 탄성계수를 일치시키는 조정 방법으로서 기존 개발된 임플란트 재료뿐만 아니라 앞으로 개발되는 임플란트 재료들에도 적용할수 있다.The present invention is a method of adjusting the elastic modulus value of the inserted human tissue (bone) into which the implant is inserted and the elastic modulus of the implant, irrespective of the type of implant material, as well as the previously developed implant materials as well as implant materials developed in the future. Applicable.

본 발명은 먼저, 환자의 환부에 대하여 CT 촬영을 통해 CT 스캔 이미지를 얻고 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정한다. (S100)In the present invention, first, a CT scan image is obtained through a CT scan of an affected part of a patient, and a region requiring an implant procedure is specified. (S100)

본 발명은 환자의 환부를 CT 스캔 이미지를 얻어 환자에 대한 맞춤형 임플란트의 제작이 가능하다.In the present invention, it is possible to manufacture a customized implant for a patient by obtaining a CT scan image of a patient's affected area.

CT 스캔 이미지는 2차원 이미지이며, 이 2차원 CT스캔 이미지를 적층하면 환부에 대한 3차원 뼈 모델 이미지를 생성 가능하고, 이 3차원 뼈 모델 이미지로부터 삽입할 임플란트의 형상 및 임플란트가 삽입 될 피삽입 인체조직(뼈)에 대하여서도 형상적인 설계가 가능하다. 또한, 임플란트의 형상 설계를 위하여 3차원 뼈 모델 이미지로부터 각 위치에 대응하는 단위 3차원 복셀메쉬를 생성하고 각 복셀메쉬 별 골밀도 정보를 추출한다. (S200) The CT scan image is a two-dimensional image, and by stacking this two-dimensional CT scan image, it is possible to create a three-dimensional bone model image for the affected area, and the shape of the implant to be inserted and the implant to be inserted from the three-dimensional bone model image It is possible to design a shape for human tissue (bone). In addition, to design the shape of the implant, a unit 3D voxel mesh corresponding to each position is generated from the 3D bone model image, and bone density information for each voxel mesh is extracted. (S200)

단위 3차원 복셀 메쉬(Voxel Mesh)는 3차원 뼈 모델 이미지로부터 설정되는 임플란트 형상의 바탕이 되며, 이러한 임플란트 형상에 대응하여 3차원 뼈 모델 이미지를 복수의 3차원 영역으로 분할한 각 위치에 대응하는 단위 분할 영역에 해당한다.The unit 3D voxel mesh is the basis of the implant shape set from the 3D bone model image, and in response to the implant shape, the 3D bone model image is divided into a plurality of 3D regions. It corresponds to the unit division area.

피삽입부 인체조직(뼈) 전체에 분포되는 각 위치에 대한 골밀도 정보는 3차원 뼈 모델 이미지로부터 추출한다. 결국, 임플란트가 삽입될 피삽입 인체조직의 골밀도 정보를 바탕으로 각 위치별로 임플란트의 기계적 특성 또는 탄성계수가 조정된다.Bone density information for each location distributed throughout the human tissue (bone) of the inserted part is extracted from the 3D bone model image. As a result, the mechanical properties or elastic modulus of the implant are adjusted for each location based on the bone density information of the human tissue to be inserted into the implant.

통상 뼈의 탄성계수는 5 GPa 정도 이고, 하중을 많이 받는 부위는 10-40 GPa 정도이며, 임플란트 재료로 많이 사용하는 티타늄의 탄성계수는 110 GPa 정도로서 대략 3 ~ 10배의 탄성계수 차이가 있다.In general, the elastic modulus of bone is about 5 GPa, the area that receives a lot of load is about 10-40 GPa, and the elastic modulus of titanium, which is widely used as an implant material, is about 110 GPa, which is approximately 3 to 10 times the difference in elastic modulus.

추출된 골밀도 정보를 기초로 각 복셀 메쉬 별로 목표 탄성계수를 부여한다. (S300)Based on the extracted bone density information, a target elastic modulus is assigned for each voxel mesh. (S300)

목표 탄성계수는 각 복셀 메쉬별로 골밀도 정보를 바탕으로 그와 상관관계가 높은 기계적 특성을 나타내는 탄성계수를 부여한다. 골밀도와 뼈의 기계적 특성의 상관관계와, 골밀도를 이용한 탄성계수를 계산하는 수식은 본 발명의 우선권 출원 (US 62/626,749)에 개시된 공지 자료(Reference 9, 10)를 참조할 수 있다.The target modulus of elasticity is given to each voxel mesh, based on bone density information, which shows a highly correlated mechanical property. For the correlation between the bone density and the mechanical properties of the bone, and the formula for calculating the elastic modulus using bone density, reference may be made to publicly known data (References 9 and 10) disclosed in the priority application (US 62/626,749) of the present invention.

다음 단계에서는 복셀메쉬 각각의 크기조정 및 격자 모양 스캐폴드의 종류를 선택하고 격자 모양의 스캐폴드를 생성한다. (S400) 이에 대한 구체적인 내용은 후술한다.The next step is to resize each voxel mesh and select the type of grid-shaped scaffold, and create a grid-shaped scaffold. (S400) Detailed information about this will be described later.

격자 모양의 스캐폴드란 건축물에 사용하는 비계와 같은 구조를 의미하고 후술하는 복수 종류의 격자모양의 스캐폴드 구조를 가진다. 이 중 어느 하나의 격자모양의 스캐폴드를 선택하고 이 격자모양의 스캐폴드는 단위 복셀메쉬를 3차원 프린터로 성형하는 단위 구조에 해당한다. 이때 3차원 프린팅된 단위 스캐폴드는 목표 탄성계수와 유사한 탄성계수를 가지도록 세부 구조를 생성한다.The lattice-shaped scaffold means a scaffold-like structure used in buildings, and has a plurality of types of lattice-shaped scaffold structures described later. One of these scaffolds with a lattice shape is selected, and this lattice-shaped scaffold corresponds to a unit structure in which a unit voxel mesh is formed by a 3D printer. At this time, the 3D printed unit scaffold creates a detailed structure to have an elastic modulus similar to the target elastic modulus.

마지막 단계에서, 생성된 격자 모양 스캐폴드를 이용하여 맞춤형 임플란트의 설계를 완성하고, 이 임플란트 설계대로 제조한다. (S500)In the final step, the design of the customized implant is completed using the generated grid-shaped scaffold, and the implant is manufactured according to the design. (S500)

격자모양의 스캐폴드는 3차원물체의 단위 형상에 관한 구조이며, 이 복수의 단위형상이 3차원적으로 서로 적층 결합하여 설정된 임플란트 형상에 대응하는 물체를 완성한다.The lattice-shaped scaffold is a structure related to the unit shape of a three-dimensional object, and the plurality of unit shapes are stacked and bonded to each other in three dimensions to complete an object corresponding to the set implant shape.

도 2는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 도형으로 형상화한 단계를 보여주는 개념도이다.2 is a conceptual diagram showing a step of manufacturing a patient-customized implant according to the present invention into a shape.

도 2는 도 1의 플로우챠트를 도형으로 형상화하여 더욱 쉽게 설명한다. FIG. 2 is described more easily by forming the flowchart of FIG. 1 into a figure.

도 2의 (a)에서는 대퇴골 부위에 대한 환자의 CT 스캔 이미지는 2D 상태이지만, 이를 적층하여 3차원 뼈 모델 이미지를 생성하고, 3차원 뼈 모델 이미지를 바탕으로 시술부위에 해당하는 영역에 대응하여 복수개의 3차원 단위 이미지인 복셀 메쉬(Voxel Mesh)를 생성하는 도면을 보여준다. 또한, 3차원 복셀 메쉬로 표현된 해당 영역의 CT 이미지의 그레이 스케일 (Gray Scale) 정보로 부터 각 복셀의 골밀도 값을 추출한다. 각 복셀은 골밀도가 높을수록 흰색으로 표현되고, 골밀도가 낮으면 회색 혹은 짙은 색으로 표시된다. 각 골밀도로부터 뼈의 탄성계수를 이용하여 임플란트의 복셀 메쉬별 목표 탄성계수를 설정한다.In (a) of FIG. 2, the patient's CT scan image of the femur is in a 2D state, but the 3D bone model image is created by stacking it, and corresponding to the area corresponding to the treatment site based on the 3D bone model image. It shows a drawing that generates a voxel mesh, which is a plurality of three-dimensional unit images. In addition, a bone density value of each voxel is extracted from gray scale information of a CT image of a corresponding region represented by a 3D voxel mesh. Each voxel is expressed in white as the bone density is higher, and gray or darker if the bone density is low. The target elastic modulus for each voxel mesh of the implant is set by using the elastic modulus of the bone from each bone density.

도 2의 (b)에서는 (1)초기 복셀 메쉬를, (2) 복셀 메쉬의 크기를 조정하고, (3) 격자 모양 스캐폴드를 생성하고, (4) 격자 모양 스캐폴드를 조정하는 과정을 보여준다.Figure 2(b) shows the process of (1) adjusting the initial voxel mesh, (2) adjusting the size of the voxel mesh, (3) creating the grid-shaped scaffold, and (4) adjusting the grid-shaped scaffold. .

초기 복셀 메쉬의 경우 골밀도 값을 나타내는 이미지 데이터를 그대로 따르지만 각 단위 복셀 메쉬의 크기가 작아 실제 임플란트 용 스캐폴드로 제작할 수 없는 경우가 많으므로, 기본적으로 크기 재조정 과정이 필요하다.In the case of the initial voxel mesh, the image data representing the bone density value is followed as it is, but since the size of each unit voxel mesh is small, it is often not possible to fabricate it as an actual implant scaffold, so a resize process is basically required.

기본적인 복셀 메쉬의 크기는 2mm 내지 6 mm로 재조정하는 것이 3차원 성형을 위하여 필요하다. 복셀 메쉬의 크기 재조정 후 복수의 스캐폴드 종류 중 하나를 선택하여 스캐폴드를 생성하게 된다. 본 발명에서는 복셀크기 재조정 시 구조적 유사 인덱스 (Structural Similarity Index) 방식을 이용하여 이미지 데이타의 손실을 최소화하면서 크기를 조정할 수 있다.It is necessary to readjust the size of the basic voxel mesh to 2mm to 6mm for 3D molding. After resizing the voxel mesh, a scaffold is created by selecting one of a plurality of scaffold types. In the present invention, the size can be adjusted while minimizing loss of image data by using a structural similarity index method when resizing the voxel.

스캐폴드 생성 후에는 본 발명의 알고리즘을 이용하여 각 격자 모양 스캐폴드의 종류, 밀도, 버팀대 (Strut) 의 직경을 조정해가며 원하는 기계적 특성, 즉 각 복셀 메쉬에 대응하는 격자별로 목표 탄성계수를 얻을 수 있다.After the scaffold is created, the type, density, and strut diameter of each grid-shaped scaffold are adjusted using the algorithm of the present invention to obtain the desired mechanical properties, that is, the target elastic modulus for each grid corresponding to each voxel mesh. I can.

도 2 (b)(3)의 경우는, 격자 모양 버팀대의 직경이 영역 전체에 일정하지만, 도 2 (b)(4)의 경우는 각 격자별로 목표 탄성계수가 반영되어 버팀대 직경이 변화하는 경우를 보여준다. 이에 따라 골밀도가 상대적으로 높은 복셀 메쉬 영역(가령, 흰색 영역)의 격자별 버팀대 들이 골밀도가 상대적으로 낮은 복셀 메쉬 영역(가령, 회색 또는 검정색 영역) 보다 더 굵은 직경으로 설정될 수 있다.In the case of Fig. 2 (b) (3), the diameter of the grid-shaped brace is constant throughout the region, but in the case of Fig. 2 (b) (4), the target elastic modulus is reflected for each grid, and the brace diameter changes. Show Accordingly, the braces for each grid of a voxel mesh region having a relatively high bone density (eg, a white region) may be set to have a larger diameter than a voxel mesh region having a relatively low bone density (eg, a gray or black region).

도 3은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 제1실시예에 따른 플로우챠트이다.3 is a flow chart according to the first embodiment showing a process according to an algorithm for designing a step of manufacturing a patient-customized implant according to the present invention based on a predetermined unit 3D voxel mesh.

본 발명의 임플란트의 형상에 대응하여 복수의 3차원 영역으로 구획하고, 이 구획된 3차원 단위 형상은 3차원 복셀메쉬에 해당한다.It is divided into a plurality of three-dimensional regions corresponding to the shape of the implant of the present invention, and the divided three-dimensional unit shape corresponds to a three-dimensional voxel mesh.

본 발명의 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계는, 시술부위에 대한 CT 스캔 이미지로부터 설정한 영역에 대응하는 임플란트의 형상을 설계하고, 설계된 임플란트의 형상에 대하여 3차원 복셀 메쉬별로 목표 탄성계수(Et)를 부여한다. (S10) In the step of manufacturing a patient-specific implant of the present invention, the shape of the implant corresponding to the area set from the CT scan image of the treatment site is designed, and a target elastic modulus (Et) is calculated for each 3D voxel mesh for the shape of the designed implant. Grant. (S10)

목표 탄성계수(Et)는 상술한 바와 같이 CT 스캔 이미지의 골밀도 정보에 따라 복셀 메쉬별로 설정된 값을 이용하거나 환자의 성별, 연령, 환부의 특성에 따라 가장 적합한 탄성계수를, 가령, 소정의 구축된 데이터베이스를 바탕으로, 입력하는 것도 가능하다.The target elastic modulus (Et) is a value set for each voxel mesh according to the bone density information of the CT scan image as described above, or the most appropriate elastic modulus according to the patient's gender, age, and characteristics of the affected area, for example, a predetermined constructed Based on the database, it is also possible to enter.

복수의 격자 모양 스캐폴드 형상 중 어느 하나를 선택한다. (S20)Select any one of a plurality of lattice scaffold shapes. (S20)

복수의 스캐폴드 모양에 대하여는 도면 5를 이용하여 후술한다.The shape of a plurality of scaffolds will be described later with reference to FIG. 5.

스캐폴드의 밀도(ρ)에 관하여 다양한 격자구조를 생성한다. (S30)Various lattice structures are created with respect to the scaffold density (ρ). (S30)

스캐폴드의 밀도(ρ)란 단위 사이즈에 대하여 성형이 되는 부분의 전체 부피에 대한 비율을 의미하는 것이므로, 밀도가 1.0 이란 것은 솔리드에게 단위 부피 내에 가득 채우는 것이고, 밀도가 0.0 인 것은 단위 부피 내에 성형이 되지 않은 부분으로만 채워지는 것을 의미한다.Since the density (ρ) of the scaffold is the ratio of the unit size to the total volume of the part to be molded, a density of 1.0 means that the solid is filled within a unit volume, and a density of 0.0 means that the unit is molded within the unit volume. It means that it is filled with only the parts that are not.

각 밀도별로 버팀대 직경(D)를 계산한다. (S40) Calculate the brace diameter (D) for each density. (S40)

밀도가 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 등으로 변화하는 경우, 단위 복셀 메쉬 당 버팀대의 직경과 이때의 밀도를 각각 계산식으로 도출 가능하다.When the density changes to 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, etc., the diameter of the brace per unit voxel mesh and the density at this time can be derived by calculation formulas, respectively.

버팀대 직경(D)과 임플란트 탄성계수의 상관관계 메타모델을 생성한다. (S50)A meta-model of the correlation between the brace diameter (D) and the elastic modulus of the implant is created. (S50)

격자 모양의 버팀대직경(D)과 매칭 하고자 하는 성형된 임플란트의 균질 탄성계수(Eh)값에 기초한 임플란트 탄성계수와의 상관관계 메타모델을 생성한다.A meta-model of the correlation between the elastic modulus of the implant based on the homogeneous modulus of elasticity (Eh) of the molded implant to be matched with the brace diameter (D) in the grid shape is generated.

각 격자 구조별 버팀대 직경과 밀도를 이용하여 멀티 스케일 모델링 방법을 이용하여 임플란트 탄성계수를 계산한다. (S60)The implant elastic modulus is calculated using the multi-scale modeling method using the brace diameter and density for each grid structure. (S60)

임플란트 탄성계수는 임플란트의 재료를 이용하여 생성된 균질 탄성계수 (Homogeneous Elastic Modulus) 값으로 정규화 된 탄성계수 값에 해당하고, 멀티스케일 모델링 (Multiscale Modeling) 방법을 이용하여 구할 수 있다. 일단 정규화 된 탄성계수값과 격자 구조의 종류, 크기, 버팀대 지름의 메타 모델을 생성한 후에는 추가적인 계산 없이, 사용자가 목표 탄성계수값을 선택하게 되면 이에 해당되는 격자 모양의 종류, 크기, 버팀대 지름 등을 메타모델을 이용하여 구할 수 있다. 이 메타모델에 의한 격자 크기, 밀도와 정규화된 탄성계수값 등의 상관관계들은 다차원 그래프로 표현될 수 있다. (도 9 (a), (b) 참조). 도 9는 본 발명에 따른 격자크기(L), 밀도(ρ) 및 정규화된 탄성계수값(Eh/Eo)에 따른 메타모델의 상관관계 그래프를 보여준다. The implant modulus corresponds to the value of the modulus of elasticity normalized to the value of the homogeneous elastic modulus generated using the material of the implant, and can be obtained using the multiscale modeling method. Once the normalized elastic modulus value and meta-model of the type, size, and brace diameter of the grid structure are created, the user selects the target elastic modulus value without additional calculations, and the corresponding grid shape type, size, and brace diameter Etc. can be obtained using a meta model. The correlations such as grid size, density and normalized elastic modulus values, etc., by this metamodel can be expressed as a multidimensional graph. (See Fig. 9 (a), (b)). 9 is a graph showing the correlation graph of the metamodel according to the grid size (L), density (ρ), and normalized elastic modulus value (Eh/Eo) according to the present invention.

정규화된 탄성계수값은 균질 탄성계수(Eh)를 임플란트 성형재료의 기초탄성계수(Eo)를 나누어서 산출된 값 즉, Eh/Eo 로 나타낸다. 따라서, 각 격자구조별 버팀대 직경과 밀도를 구할 수 있으며, 이때의 성형재료의 기초탄성계수(Eo)를 이용하여 성형된 임플란트의 탄성계수(Eh)가 목표탄성계수(Et)에 근접하는 지 확인 가능하다. 이것은 실험적으로 데이터 베이스를 구축함으로써 임플란트 성형 재료별로 주어지는 기초탄성계수(Eo)에 따라서 쉽게 선택이 가능하다. The normalized elastic modulus value is expressed as a value calculated by dividing the homogeneous modulus of elasticity (Eh) by the basic modulus of elasticity (Eo) of the implant molding material, that is, Eh/Eo. Therefore, it is possible to obtain the brace diameter and density for each grid structure, and check whether the elastic modulus (Eh) of the molded implant is close to the target modulus of elasticity (Et) using the basic modulus of elasticity (Eo) of the molding material at this time. It is possible. This can be easily selected according to the basic modulus of elasticity (Eo) given for each implant molding material by building a database experimentally.

메타모델을 이용하여 목표 탄성계수(Et) 매칭을 위한 버팀대 직경을 찾는다. (S70)Find the brace diameter for matching the target elastic modulus (Et) using the meta model. (S70)

상술한 상관관계 메타모델을 그대로 이용하여 임플란트 성형 재료마다 달리 주어지는 기초탄성계수(Eo)에 따른 정규화된 탄성계수값(Eh/Eo)과 목표 탄성계수(Et)을 매칭하여 그에 상응하는 격자 구조의 버팀대 직경(D)을 구할 수 있다.Using the above-described correlation meta-model as it is, by matching the normalized elastic modulus value (Eh/Eo) according to the basic elastic modulus (Eo) given differently for each implant molding material, and the target elastic modulus (Et), The brace diameter (D) can be obtained.

매칭된 설계값(버팀대 직경과 밀도) 획득한다. (S80)Acquire the matched design values (brace diameter and density). (S80)

도 4는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 변형 실시예에 따른 플로우챠트이다.4 is a flowchart according to a modified embodiment showing a process according to an algorithm for designing a step of manufacturing a patient-customized implant according to the present invention based on a predetermined unit 3D voxel mesh.

본 발명의 변형 실시예에 의한, 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계는, 시술부위에 대한 CT 스캔 이미지로부터 설정한 영역에 대응하는 임플란트의 형상을 설계하고, 설계된 임플란트의 형상에 대하여 3차원 복셀 메쉬별로 목표 탄성계수(Et)를 부여한다. (S15)In the step of manufacturing a patient-specific implant according to a modified embodiment of the present invention, the shape of the implant corresponding to the region set from the CT scan image of the treatment site is designed, and the shape of the designed implant is targeted for each 3D voxel mesh. It gives the modulus of elasticity (Et). (S15)

목표 탄성계수(Et)는 상술한 바와 같이 CT 스캔 이미지의 골밀도 정보에 따라 복셀 메쉬별로 설정된 값을 이용하거나 환자의 성별, 연령, 환부의 특성에 따라 가장 적합한 탄성계수를, 가령, 소정의 구축된 데이터베이스를 바탕으로, 입력하는 것도 가능하다.The target elastic modulus (Et) is a value set for each voxel mesh according to the bone density information of the CT scan image as described above, or the most appropriate elastic modulus according to the patient's gender, age, and characteristics of the affected area, for example, a predetermined constructed Based on the database, it is also possible to enter.

복수의 격자 모양 스캐폴드 형상 중 어느 하나를 선택한다. (S25)Select any one of a plurality of lattice scaffold shapes. (S25)

복수의 스캐폴드 모양에 대해서는 도 5를 이용하여 후술한다.The shape of a plurality of scaffolds will be described later with reference to FIG. 5.

격자모양 후보군의 초기 밀도(ρ)를 선정한다. (S35)Select the initial density (ρ) of the lattice-shaped candidate group. (S35)

스캐폴드의 밀도(ρ)란 단위 사이즈에 대하여 성형이 되는 부분이 전체 부피에 대한 포션을 의미하는 것이므로, 밀도가 1.0 이란 것은 솔리드에게 단위 부피 내에 가득 채우는 것이고, 밀도가 0.0 인 것은 단위 부피 내에 성형이 되지 않은 구멍을 형성하는 것을 의미한다. Since the density of the scaffold (ρ) refers to a portion of the total volume that is molded per unit size, a density of 1.0 means that the solid is filled within a unit volume, and a density of 0.0 means that the unit is molded within a unit volume. It means to form a hole that is not.

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값 즉 균질 탄성계수값(Eh) 차이를 최소화하기 위한 최적설계 방법을 수행한다. (S45)An optimal design method is performed to minimize the difference between the target elastic modulus value (Et) and the design elastic modulus value, that is, the homogeneous elastic modulus value (Eh). (S45)

즉 도 3의 실시예와 달리 격자 구조와 탄성계수 간의 상관관계 메타 모델을 생성하지 않는다.In other words, unlike the embodiment of FIG. 3, the meta-model of the correlation between the lattice structure and the elastic modulus is not generated.

멀티스케일 모델링 방법을 이용하여 임플란트 탄성계수에 상응하는 균질 탄성계수값(Eh)를 계산한다. (S55)A homogeneous modulus value (Eh) corresponding to the implant modulus is calculated using the multiscale modeling method. (S55)

멀티스케일 모델링 방법은 도 3의 실시예와 마찬가지이다. 목표 탄성계수값(Et)을 정하면, 임의의 격자 구조를 생성하여 이에 상응하는 밀도와 버팀대 직경을 구하고 균질 탄성계수값(Eh)를 얻을 수 있다.The multiscale modeling method is the same as in the embodiment of FIG. 3. If the target elastic modulus value Et is determined, an arbitrary lattice structure is generated, the corresponding density and brace diameter are obtained, and a homogeneous elastic modulus value Eh can be obtained.

스캐폴드 버팀대 직경(D)를 계산한다. (S65) Calculate the scaffold brace diameter (D). (S65)

최적설계 방법에 따라 목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값 즉 균질 탄성계수값(Eh)의 차이를 최소화하는 버팀대 직경(D)을 구할 수 있다.According to the optimal design method, the brace diameter (D) that minimizes the difference between the target modulus value (Et) and the design modulus value, that is, the homogeneous modulus value (Eh) can be obtained.

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이값이 소정의 오차 범위 이내인지를 판단한다. (S75)It is determined whether the difference between the target elastic modulus value Et and the design elastic modulus value Eh is within a predetermined error range. (S75)

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이값이 소정의 오차 범위 이내라면 임플란트의 설계 변수값(버팀대 직경과 밀도) 획득한다. (S95)If the difference between the target elastic modulus value (Et) and the design elastic modulus value (Eh) is within a predetermined error range, the design variable values (brace diameter and density) of the implant are obtained. (S95)

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이값이 소정의 오차 범위 이내가 아니라면, 다시 피드백하여 목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이 최소화를 위한 최적설계 방법을 반복하여 수행한다. (S85)Optimal design to minimize the difference between the target elastic modulus value (Et) and the design elastic modulus value (Eh) by feeding back again if the difference between the target elastic modulus value (Et) and the design elastic modulus value (Eh) is not within a predetermined error range Repeat the method. (S85)

이에 따라 본 실시예의 최적설계 방법을 통하여 버팀대 직경(D), 밀도를 비롯하여 격자구조의 종류, 크기 등의 다양한 설계변수값을 변경하는 과정을 반복하여 수행할 수 있다.Accordingly, through the optimal design method of the present embodiment, the process of changing various design variable values such as the brace diameter (D), the density, the type and size of the lattice structure can be repeatedly performed.

도 5는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트의 단위 3차원 복셀메쉬의 단위격자구조 종류를 나타내는 개념도이다.5 is a conceptual diagram showing the type of a unit grid structure of a unit 3D voxel mesh of a patient-customized implant according to the present invention.

본 발명에 따른 3차원 복셀 메쉬의 단위 형상에 대하여 복수개가 제시되고, 이 중 어느 하나의 형상을 선택한다. A plurality of unit shapes of the 3D voxel mesh according to the present invention are presented, and any one shape is selected.

도 5는 각각의 복수의 복셀 메쉬 영역에 대응하는 단위 격자구조 중 (a) Crossed, (b) Cantley, (c) Octet, (d) Paramount1, (e) Diagonal, (f) Paramount2, (g) Midpoint 형을 각각 보여준다. 본 발명은 단위 격자구조의 형상과 상관없이 모든 격자구조에 적용될 수 있은 방법으로 도 5에 예시되어 있는 단위격자구조 외에도 다른 형상에도 적용 할 수 있다. 상술한 도 2의 실시예는 체심입방구조(Body-Centered Cubic; BCC)의 단위 격자구조를 이용한 것이다.5 shows (a) Crossed, (b) Cantley, (c) Octet, (d) Paramount1, (e) Diagonal, (f) Paramount2, (g) among the unit grid structures corresponding to the plurality of voxel mesh regions. Each of the midpoint types is shown. The present invention is a method that can be applied to all grid structures regardless of the shape of the unit grid structure, and may be applied to other shapes in addition to the unit grid structure illustrated in FIG. 5. The above-described embodiment of FIG. 2 uses a unit lattice structure of a body-centered cubic (BCC) structure.

도 6은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 대퇴골(Femur)에 대하여 적용한 임플란트의 설계를 보여주는 실시예이다.6 is an embodiment showing the design of an implant applied to a femur (Femur) among patient-specific implants according to the present invention.

예를 들어, 환자의 환부는 대퇴골(Femur)이고, 대퇴골의 일부 영역에 골암이 발생한 경우, 골암이 발생한 병변에 해당하는 부위를 인공적인 임플란트를 대체하도록 삽입하는 시술하는 경우를 보여준다.For example, the patient's affected part is the femur, and when bone cancer occurs in a partial area of the femur, a procedure in which the area corresponding to the lesion where the bone cancer has occurred is inserted to replace an artificial implant.

대퇴골 임플란트(100)는 대퇴골에서 골암이 발생한 골암 영역을 대체하여 삽입되는 인공 대퇴골로 삽입한다. 도면상의 기호 150은 대퇴골 임플란트 피삽입부(150)에 해당한다.The femur implant 100 is inserted into an artificial femur to be inserted by replacing the bone cancer region in which bone cancer has occurred in the femur. Symbol 150 in the drawing corresponds to the femoral implant to be inserted 150.

대퇴골 임플란트(100)는 단위 격자 사이즈에 따라 제1대퇴골 임플란트(100-1) 및 제2대퇴골 임플란트(100-2)로 나눌 수 있고, 제1대퇴골 임플란트(100-1) 단위 격자 사이즈가 2mm 이고, 제2대퇴골 임플란트(100-2)는 단위 격자 사이즈가 4mm의 경우이다.The femur implant 100 can be divided into a first femur implant 100-1 and a second femur implant 100-2 according to the unit grid size, and the first femur implant 100-1 has a unit grid size of 2 mm. , The second femur implant 100-2 is a case where the unit grid size is 4mm.

제1대퇴골 임플란트(100-1)는 제1사이즈 단위격자(100-1-1)가 복수개 적층되어 형성되고 이때 제1사이즈 단위격자(100-1-1)는 2mm의 단위 사이즈를 가진다.The first femur implant 100-1 is formed by stacking a plurality of first size unit grids 100-1-1, and the first size unit grid 100-1-1 has a unit size of 2mm.

제2대퇴골 임플란트(100-2)는 제2사이즈 단위격자(100-2-1)가 복수개 적층되어 형성되고 이때 제2사이즈 단위격자(100-2-1)는 4mm의 단위 사이즈를 가진다.The second femur implant 100-2 is formed by stacking a plurality of second size unit grids 100-2-1, and at this time, the second size unit grid 100-2-1 has a unit size of 4mm.

도 6에서 특정된 환부의 목표탄성계수(Et)는 15 GPa 가 적합한 것으로 판단되었고, 상업적으로 이용되는 임플란트 재료인 티타늄합금(Ti6Al4V) 의 탄성계수는 110 GPa (Eo = 110 GPa)이지만, 도 6의 (b)와 같이 최종적으로 조정된 격자모양의 스캐폴드 구조는 동일한 티타늄합금을 이용하더라도 단위격자구조(가령 BCC 단위 격자구조)의 단위격자 크기가 2mm 와 4mm 인 두 설계안에서 목표탄성계수값과 일치하는 설계 탄성계수값(Eh)으로 15 GPa 를 얻어냈음을 보여주고 있고, 이때의 밀도 및 버팀대 직경은 각각 밀도(ρ)=0.3662, D = 0.6090 mm (사이즈 2 mm의 경우), 밀도(ρ)=0.4375, D = 1.3620 mm (사이즈 4 mm의 경우)에 해당한다.The target elastic modulus (Et) of the affected area specified in FIG. 6 was determined to be suitable for 15 GPa, and the elastic modulus of the titanium alloy (Ti6Al4V), which is a commercially used implant material, is 110 GPa (Eo = 110 GPa), but FIG. 6 The final adjusted grid-shaped scaffold structure as shown in (b) of above is the target modulus value and the target modulus value in two designs with unit grid sizes of 2mm and 4mm of the unit grid structure (eg, BCC unit grid structure) even if the same titanium alloy is used. It shows that 15 GPa was obtained with the matching design modulus value (Eh), and the density and brace diameter at this time were density (ρ) = 0.3662, D = 0.6090 mm (for size 2 mm), and density (ρ )=0.4375, D = 1.3620 mm (for size 4 mm).

도 7은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 척추고정술에 사용하는 척추용 임플란트(Lumbar Interbody Fusion)의 설계를 보여주는 실시예이다.7 is an embodiment showing the design of a spinal implant (Lumbar Interbody Fusion) used for spinal fixation among patient-specific implants according to the present invention.

도 7의 척추 임플란트(300)는 BCC 단위 격자구조 형태를 이용하여 단위 격자의 사이즈가 4mm인 척추 임플란트 단위격자(300-1)를 가로로 5개, 세로로 2개, 높이 2개를 적층한 형태로 8 x 8 x 20 mm의 크기로 제작한 실시예에 해당한다.The spinal implant 300 of FIG. 7 uses a BCC unit grid structure in which five spinal implant unit grids 300-1 having a size of 4 mm are stacked horizontally, two vertically, and two heights. It corresponds to an example manufactured in a size of 8 x 8 x 20 mm in shape.

척추용 임플란트 (Lumbar Interbody Fusion)도 뼈와 임플란트 재료간의 탄성계수 차이로 인해 인공관절의 응력차폐 현상으로 동일한 부작용이 발생한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 척추 부위의 목표탄성계수(Et)를 3GPa 로 설정하고, 기초 탄성계수(Eo) 110 GPa 인 티타늄 합금을 재료로 척추 임플란트(300)를 만드는 경우에 탄성계수는 밀도와 버팀대의 직경을 이용하여 동일하게 조정한다.Spinal implants (Lumbar Interbody Fusion) also have the same side effects due to the stress shielding of artificial joints due to the difference in elastic modulus between bone and implant material. Therefore, in the embodiment of the present invention, when the target elastic modulus (Et) of the spine is set to 3 GPa, and the spinal implant 300 is made of a titanium alloy having a basic elastic modulus (Eo) of 110 GPa, the elastic modulus is Adjust the same using the density and the diameter of the brace.

도 7(b)에는 격자 사이즈 4mm의 경우에 목표탄성계수값(Et = 3GPa)과 매칭되는 설계 탄성계수(Eh), 밀도 ρ = 0.2263, 버팀대 직경 D = 0.9155로 제작한 척추용 임플란트의 실시예의 경우를 보여준다.7(b) shows an embodiment of a spinal implant manufactured with a design elastic modulus (Eh), a density ρ = 0.2263, and a brace diameter D = 0.9155 matching the target elastic modulus value (Et = 3GPa) in the case of a grid size of 4 mm. Show the case.

도 8은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 고관절의 스템(Hip Stem) 부분의 설계를 보여주는 실시예이다.Figure 8 is an embodiment showing the design of the stem (Hip Stem) portion of the hip joint of the patient-specific implant according to the present invention.

본 발명을 이용한 인공의 고관절 임플란트(200)는 인체의 생체조직인 고관절 임플란트 피삽입부(250)에 삽입된다.The artificial hip joint implant 200 using the present invention is inserted into the hip joint implant insertion part 250, which is a living body tissue of the human body.

본 발명에 따른 고관절 임플란트(200)는 각 영역별로, 고관절 임플란트 제1영역(210), 고관절 임플란트 제2영역(220) 및 고관절 임플란트 제3영역(230)으로 이루어진다. 제1영역 내지 제3영역은 각각의 임플란트의 사이즈, 깊이 및 상대적인 피삽입부의 골밀도 등에 따라 각각 상이한 버팀대 직경 및 밀도를 가지도록 설계한다.The hip implant 200 according to the present invention includes a first hip implant region 210, a second hip implant region 220, and a third hip implant region 230 for each region. The first to third regions are designed to have different brace diameters and densities according to the size, depth, and relative bone density of the implanted portion of each implant.

본 발명에 따른 고관절 임플란트(200)는 각 영역별로 환자의 시술부위 뼈의 탄성계수값 분포에 맞게 전체 영역에 일치시킨 예제를 보여준다. 도 6, 7의 BCC 단위 격자구조를 갖는 실시예와 달리, 본 실시예는 사면체 단위 격자구조를 전체 영역에 걸쳐 분포시킨 것이다.The hip implant 200 according to the present invention shows an example in which the entire region is matched according to the distribution of the elastic modulus value of the bone of the patient's treatment site for each region. Unlike the embodiment having the BCC unit lattice structure of Figs. 6 and 7, this embodiment distributes the tetrahedral unit lattice structure over the entire area.

본 발명에 따른 고관절 임플란트(200)는 환자의 CT 이미지에서 골밀도추출과정을 적용하고, 인공의 고관절 임플란트(200)가 시술되는 부위의 CAD 모델을 바탕으로 인공고관절의 스템은 뼈에 깊숙히 삽입되므로 이 환자의 CT 스캔 이미지로부터 목표 탄성계수값이 전체영역에 걸쳐 9GPa ~ 124MPa 으로 다양한 탄성계수값을 갖도록 설계한다.The hip implant 200 according to the present invention applies the bone density extraction process from the patient's CT image, and the stem of the artificial hip joint is inserted deeply into the bone based on the CAD model of the site where the artificial hip implant 200 is being treated. From the CT scan image of the patient, the target elastic modulus is designed to have various elastic modulus values ranging from 9 GPa to 124 MPa over the entire area.

그림 8(b)에 도시한 바와 같이 골밀도가 높은 부위인 고관절 임플란트 제2영역(220)은 격자 모양의 밀도가 높고 버팀대의 직경이 굵게 생성되었으며, 고관절 임플란트 제1영역(210) 및 고관절 임플란트 제3영역(230)은 고관절 임플란트 제2영역(220)에 비하여 밀도가 낮고 버팀대의 직경이 가늘게 생성된 것이다.As shown in Fig. 8(b), the hip joint implant second region 220, which is a region with high bone density, has a high grid-like density and has a thick brace diameter, and the hip joint implant first region 210 and the hip joint implant are made. The third region 230 has a lower density than the second hip implant region 220 and has a thinner diameter of the brace.

본 발명의 예시 및 실시예들은 임플란트 재료가 티타늄합금의 경우를 예시로 탄성계수 110 GPa 인 경우를 예를 들어 버팀대 직경 및 밀도를 계산하였으나, 다른 임플란트의 재료의 경우에도 동일한 방법으로 적용 가능하다. 다만, 3차원 임플란트의 형상을 결정하고, 단위 격자구조를 선택하며, 단위격자구조의 모양, 크기, 밀도, 재료 등의 선택에 따른 서로 다른 밀도 및 버팀대의 직경을 선정하는 것이 가능하고, 이것 들은 전부 본 발명에 포함된다.Examples and embodiments of the present invention have calculated the brace diameter and density, for example, when the implant material is a titanium alloy as an example and the elastic modulus is 110 GPa, but the same method can be applied to other implant materials. However, it is possible to determine the shape of the 3D implant, select the unit grid structure, and select different densities and diameters of the braces according to the selection of the shape, size, density, and material of the unit grid structure. All are included in the present invention.

100 : 대퇴골 임플란트
100-1 : 제1대퇴골 임플란트
100-1-1 : 제1사이즈 단위격자
100-2 : 제2대퇴골 임플란트
100-2-1 : 제2사이즈 단위격자
150 : 대퇴골 임플란트 피삽입부
200 : 고관절 임플란트
210 : 고관절 임플란트 제1영역
220 : 고관절 임플란트 제2영역
230 : 고관절 임플란트 제3영역
250 : 고관절 임플란트 피삽입부
300 : 척추 임플란트
300-1 : 척추 임플란트 단위격자
100: femur implant
100-1: first femur implant
100-1-1: 1st size unit grid
100-2: 2nd femur implant
100-2-1: 2nd size unit grid
150: femur implant to be inserted
200: hip joint implant
210: hip joint implant first region
220: hip joint implant second area
230: hip joint implant third area
250: hip joint implant to be inserted
300: spinal implant
300-1: spinal implant unit grid

Claims (6)

임플란트의 탄성계수 조정방법에 있어서,
환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하는 단계;
상기 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하는 단계;
상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계;
상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계;
상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계;
상기 임플란트 형상에 대한 3차원 프린팅 성형 재료를 선택하는 단계; 및
상기 선택된 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트의 탄성계수 조정방법.
In the method of adjusting the elastic modulus of an implant,
Specifying a region requiring implantation from the CT scan image of the affected region;
Setting an implant shape to be inserted into the specified region;
Dividing the implant shape into a plurality of three-dimensional regions;
Providing a target elastic modulus (Et) for each of the divided 3D regions;
Selecting any one of a plurality of lattice-shaped scaffold structures for the implant shape;
Selecting a three-dimensional printing molding material for the implant shape; And
Based on the basic elastic modulus (Eo) of the selected 3D printing molding material, the selected elastic modulus (Eh) to be formed for each of the divided 3D regions is within a predetermined error from the target elastic modulus (Et). Comprising the step of calculating the diameter and density of the brace of the scaffold structure, the method of adjusting the modulus of elasticity of the implant.
제1항에 있어서,
상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고,
상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임플란트의 탄성계수 조정방법.
The method of claim 1,
The plurality of divided 3D regions are made of a plurality of 3D voxel meshes,
The step of providing the target elastic modulus for each of the divided 3D regions comprises extracting bone density information for each of the plurality of 3D voxel meshes.
제1항에 있어서,
상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고,
상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 하는 임플란트의 탄성계수 조정방법.
The method of claim 1,
Some of the adjacent regions among the divided three-dimensional regions have different target elastic modulus,
Wherein the adjacent partial regions are connected to each other in a state in which the diameter and the density of the brace are set differently from each other.
환자 맞춤형 외과용 임플란트에 있어서,
환자의 특정 부위에 삽입할 삽입부와 비삽입부로 이루어지고 3차원 프린팅 성형재료로 성형되는 임플란트를 포함하고,
상기 임플란트는,
환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하여, 상기 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하고,
상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계, 상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계, 및 상기 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하여 임플란트의 탄성계수를 조정한 후,
상기 임플란트를 상기 선택된 스캐폴드 구조의 상기 조정된 버팀대의 직경 및 상기 밀도를 이용하여 3차원 성형으로 제작하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트.
In the patient-specific surgical implant,
Including an implant formed of a three-dimensional printing molding material consisting of an insertion portion and a non-insertion portion to be inserted into a specific area of the patient,
The implant,
From the CT scan image of the affected area, the area requiring implantation is specified, and the shape of the implant to be inserted into the specified area is set,
Any one of the steps of partitioning the implant shape into a plurality of three-dimensional regions, providing a target elastic modulus (Et) for each of the divided three-dimensional regions, and a plurality of grid-shaped scaffold structures for the implant shape. And a predetermined error between the target elastic modulus (Et) and the elastic modulus (Eh) to be molded for each of the divided 3D regions based on the basic elastic modulus (Eo) of the 3D printing molding material. After adjusting the elastic modulus of the implant, including calculating the diameter and density of the brace of the selected scaffold structure to be within the range,
A patient-specific surgical implant, characterized in that the implant is manufactured by three-dimensional molding using the adjusted diameter and the density of the brace of the selected scaffold structure.
제4항에 있어서,
상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고,
상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트.
The method of claim 4,
The plurality of divided 3D regions are made of a plurality of 3D voxel meshes,
The step of providing the target elastic modulus for each of the divided 3D regions includes extracting bone density information for each of the plurality of 3D voxel meshes.
제4항에 있어서,
상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고,
상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트.
The method of claim 4,
Some of the adjacent regions among the divided three-dimensional regions have different target elastic modulus,
The adjacent portion of the surgical implant, characterized in that connected to each other in a state in which the diameter and the density of the brace are set differently from each other.
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