KR102239033B1 - 3D printer and 3D model printing method based on material jetting type - Google Patents

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Abstract

본 발명 재료분사 방식의 3D 프린터에 있어서, 액체 상태의 재료A와, 상기 액체 상태의 재료A에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하여, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 재료B를 구비한 다수의 구조물용 재료와, 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지; 상기 카트리지를 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 카트리지 엑츄에이터; 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 재료분사 헤드; 상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하는 UV 경화램프; 및 외부로부터 3D 모델 형성을 위한 3D 프린트 정보가 입력되면, 상기 카트리지 엑츄에이터를 구동함과 동시에 상기 3D 프린트 정보에 따라 재료분사 헤드 및 UV 경화램프를 제어하여 상기 3D 모델을 형성하는 제어장치;를 포함하는 재료분사 방식의 3D 프린터를 제공한다.In the material spray type 3D printer of the present invention, a liquid material A and a liquid material A are mixed with metal nanoparticles in a predetermined ratio, and the mixing ratio of the metal nanoparticles is adjusted to reduce the absorption of X-rays. A cartridge having a plurality of structural materials including material B manufactured so that the absorption degree of the adjusted X-rays is set according to the absorption degree of each part of the human body, and a receiving portion for accommodating the material for forming a support body; A cartridge actuator for providing movement of the cartridge in a predetermined direction at a predetermined period; A material spraying head receiving the support material and a plurality of structural materials contained in the cartridge and simultaneously or selectively spraying the support material and the materials A and B; A UV curing lamp for UV curing the material for the support and the material A or the material B sprayed by the material spraying head; And a control device configured to form the 3D model by controlling the material injection head and the UV curing lamp according to the 3D print information while driving the cartridge actuator when 3D print information for forming the 3D model is input from the outside. It provides a 3D printer of the material spraying method.

Description

재료분사방식의 3D 프린터 및 이를 이용한 3D 모델 프린팅 방법{3D printer and 3D model printing method based on material jetting type}3D printer and 3D model printing method based on material jetting type}

본 발명은 3D 프린팅 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자를 혼합하여 생성한 재료로 3D 프린팅을 이행하는 재료분사방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a 3D printing technology, and more particularly, to a 3D printer of a material injection method and a 3D model printing method for performing 3D printing with a material produced by mixing metal nanoparticles to have a difference in radiation attenuation rate. will be.

3D 프린팅 기술은 현재 의료분야에서 수술의 시뮬레이션을 위한 인체 모형 제작 및 의료진이나 의학도들의 교육을 위한 모형 제작, 수술을 돕기 위한 수술 가이드 및 수술 도구의 제작, 직접적인 치료물의 제작 등에 다양하게 활용되고 있다. 3D printing technology is currently being used in a variety of ways in the medical field to produce human body models for simulation of surgery, model production for education of medical staff and medical students, production of surgical guides and surgical tools to aid surgery, and production of direct treatment products.

특히 3D 프린팅 기술은 어려운 수술을 사전에 계획하고 연습하기 위한 목적의 인체 모형 제작과 단순한 표준 모형이 아닌 실제 사례를 재현하여 의학적으로 유의미한 사례들을 반영해 교육이나 실습용 모형의 제작 등에도 많이 활용되고 있는 추세이다. In particular, 3D printing technology is widely used in the production of models for education and practice by reflecting medically meaningful cases by reproducing real cases, not simple standard models, and making human body models for the purpose of planning and practicing difficult surgery in advance. It is a trend.

도 1은 3D 프린팅으로 제작된 인체 장치의 모형을 예시한 것으로 인체 조형의 외형적인 형상을 모사하거나 색상을 반영해서 가시화하는 수단으로는 우수하며, 개별적인 병증 사례까지 정밀한 시각화가 가능하다. 그러나 방사선 촬영이나 MRI 촬영에서는 균일한 소재 특성으로 인해 조직별 대조도 변화가 거의 없기 때문에 시뮬레이션이나 실습 모형으로 활용하기는 어려운 문제가 있었다. FIG. 1 is an illustration of a model of a human body device manufactured by 3D printing, which is excellent as a means for visualizing the external shape of a human body shape or reflecting color, and precise visualization of individual disease cases is possible. However, in radiography or MRI, there is a problem that it is difficult to use it as a simulation or practice model because there is little change in the contrast for each tissue due to the uniform material characteristics.

이와 같이 현재의 3D 프린팅 소재와 장비기술들은 인체의 조직별 또는 부위별 외형적인 형태를 모사하거나, 시인성을 좋게 하기 위해 조직별로 색상을 구분하여 제작하거나, 조직별로 물리적인 성질(연성, 경도)을 서로 다르게 표현할 수 있었다. As described above, the current 3D printing materials and equipment technologies simulate the external shape of each tissue or part of the human body, or manufacture it by dividing the color by tissue to improve visibility, or to determine the physical properties (softness, hardness) for each tissue. It could be expressed differently.

그러나 하나의 3D 프린터에서 사용 가능한 소재의 평균 원자량이나 밀도 차이는 크게 없어 X-선 등의 방사선에 대한 단위 체적당 감쇠율 특성에 차이가 거의 없으므로, 의료영상으로 촬영할 경우에는 두께에 의한 감쇠율의 차이 이외에는 조직별 감쇠율 특성 차이에 의한 대조도 효과가 없는 한계가 있었다. 이에 따라 인체 조직별 감쇠율 특성까지 반영이 필요한 의료영상 분야에서의 시뮬레이션이나 실습용 모형으로 활용되기는 어려웠다. However, there is little difference in the attenuation rate characteristics per unit volume for radiation such as X-rays as there is no significant difference in the average atomic weight or density of materials that can be used in one 3D printer. There was a limitation in that there was no effect of contrast due to the difference in attenuation rate characteristics by tissue. Accordingly, it was difficult to be used as a model for simulation or practice in the medical imaging field that needs to reflect the characteristics of attenuation rate for each human body tissue.

또한 자기 공명 방식을 이용하는 MRI 의료영상의 교육이나 시뮬레이션 모형으로도 활용도 어려운 상황이었다. In addition, it was difficult to use it as a simulation model or education for MRI medical images using magnetic resonance methods.

도 2 및 도 3은 종래의 인체 모형을 예시한 것이다. 상기 도 2는 표준 인체 모형을 예시한 것으로 특정 환자나 특수 병증에 대한 사례가 반영된 것이 아닌 표준화된 획일적 모형 형태로만 제작되며, 사출이나 몰딩 방식 등 전통적인 방식으로 제작되고 있다. 2 and 3 illustrate a conventional human body model. 2 is an illustration of a standard human body model, and is manufactured only in a standardized uniform model form, not reflecting the case of a specific patient or special condition, and is manufactured in a conventional manner such as injection or molding method.

상기 도 3은 표준 인체 모형의 의료영상 촬영 이미지를 예시한 것으로, 조직별 대조도가 뚜렷하지 않아 조직의 세밀한 구분을 하기가 어려웠다. 3 is an illustration of a medical imaging image of a standard human body model, and since the contrast for each tissue was not clear, it was difficult to divide the tissue in detail.

이에 종래에는 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있는 3D 프린팅 기술의 개발이 절실하게 요망되었다. Accordingly, there has been an urgent need to develop a 3D printing technology capable of simulating the difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body.

게다가, 인체 모형의 제작에 있어서 재료분사 방식의 3D 프린터를 사용하는 경우 인체의 주요 조직별 방사선 감쇠율과 유사하게 필요한 조직의 종류별로 재료분사(MKJ) 방식의 재료를 제조하여 인체 모형 제작에 활용할 필요가 있다.In addition, in the case of using a 3D printer with a material spraying method in the manufacture of a human body model, it is necessary to manufacture a material of the material spraying (MKJ) method for each type of tissue required, similar to the radiation attenuation rate for each major tissue of the human body, and use it for the production of a human body model. There is.

대한민국 특허공개 제1020170047550호Korean Patent Publication No. 1020170047550 대한민국 특허공개 제1020170118387호Korean Patent Publication No. 1020170118387 대한민국 특허공개 제1020180032155호Korean Patent Publication No. 1020180032155 대한민국 특허공개 제1020170074059호Korean Patent Publication No. 1020170074059

본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 재료분사방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention implements 3D printing using materials mixed with metal nanoparticles to have a difference in radiation attenuation rate, thereby simulating the difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body, and 3D printer and 3D model printing. It aims to provide a method.

또한 본 발명의 다른 목적은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 분사방식으로 혼합하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 하는 재료분사방식의 3D 프린터 및 3D 모델 프린팅 방법을 제공하는 것이다. In addition, another object of the present invention is a material injection method capable of simulating the difference in radiation attenuation rates by tissues of the human body by performing 3D printing by mixing materials mixed with metal nanoparticles by a spray method to have a difference in radiation attenuation rate. It is to provide a 3D printer and a 3D model printing method.

이를 위해, 본 발명은 재료분사 방식의 3D 프린터에 있어서, 액체 상태의 재료A와, 상기 액체 상태의 재료A에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 재료B를 구비한 다수의 구조물용 재료와, 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지; 상기 카트리지를 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 카트리지 엑츄에이터; 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 재료분사 헤드; 상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하는 UV 경화램프; 및 외부로부터 3D 모델 형성을 위한 3D 프린트 정보가 입력되면, 상기 카트리지 엑츄에이터를 구동함과 동시에 상기 3D 프린트 정보에 따라 재료분사 헤드 및 UV 경화램프를 제어하여 상기 3D 모델을 형성하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.To this end, the present invention in a 3D printer of a material spraying method, by mixing a liquid material A and metal nanoparticles with the liquid material A in a predetermined ratio, and adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles to X It controls the absorption of the rays, and the absorption of the adjusted X-rays is set according to the absorption of each part of the human body. cartridge; A cartridge actuator for providing movement of the cartridge in a predetermined direction at a predetermined period; A material spraying head receiving the support material and a plurality of structural materials contained in the cartridge and simultaneously or selectively spraying the support material and the materials A and B; A UV curing lamp for UV curing the material for the support and the material A or the material B sprayed by the material spraying head; And a control device configured to form the 3D model by controlling the material injection head and the UV curing lamp according to the 3D print information while driving the cartridge actuator when 3D print information for forming the 3D model is input from the outside. Characterized in that.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 3D 모델 프린팅 방법에 있어서, 액체 상태의 재료A와, 상기 액체 상태의 재료A에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 재료B를 다수의 구조물용 재료와 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지를 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 단계; 재료분사 헤드가 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 단계; 및 상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하여 3D 모델을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, in a 3D model printing method, a liquid material A and a liquid material A are mixed with metal nanoparticles in a predetermined ratio, and the mixing ratio of the metal nanoparticles is adjusted to The absorbance of the rays is adjusted, and the absorbance of the adjusted X-rays is set according to the absorption of each part of the human body. Providing movement in a predetermined direction at a periodic time; Receiving, by a material spraying head, a support material and a plurality of structural materials accommodated in the cartridge, and simultaneously or selectively spraying the support material and the materials A and B; And forming a 3D model by UV curing the material for the support and the material A or the material B sprayed by the material spraying head.

여기서, 상기 액체 상태의 재료는, 광중합 폴리머 또는 PC 계열 폴리머이고,Here, the liquid material is a photopolymerization polymer or a PC-based polymer,

상기 액체 상태의 재료에 상기 금속 나노입자가 소정 비율로 혼합되어 제조됨을 특징으로 한다.It is characterized in that it is produced by mixing the metal nanoparticles in the liquid material in a predetermined ratio.

또한, 상기 금속 나노입자는 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 중 어느 하나의 나노입자임을 특징으로 한다.In addition, the metal nanoparticles are characterized in that they are any one of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide.

또한, 상기 광중합성 폴리머인 경우에는,In addition, in the case of the photopolymerizable polymer,

확장된 폐의 경우에는 전체 중량에서 산화철 또는 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, In the case of enlarged lungs, the composition ratio of iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight is mixed within a range of 0.16% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, mixed within a range of 4% by weight or more and 16% by weight or less,

확장된 폐의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.003 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.082 중량% 이상 0.3 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 한다.In the case of enlarged lungs, the composition ratio of tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material is mixed within the range of 0.003% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, the mixture is in the range of 0.082% by weight or more and 0.3% by weight or less. It is characterized by that.

또한, 상기 PC 계열 폴리머인 경우에는,In addition, in the case of the PC-based polymer,

확장된 폐의 경우에는 전체중량에서 산화철 또는 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.48 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, In the case of enlarged lungs, the composition ratio of iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight is mixed in a range of 0.48% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, mixed in a range of 4% by weight or more and 16% by weight or less,

확장장된 폐의 경우에는 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.01 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.088 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 한다.In the case of enlarged lungs, the composition ratio of tungsten trioxide nanoparticles to the total weight is mixed within the range of 0.01% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, the mixture is mixed in the range of 0.088% by weight or more and 0.31% by weight or less. It is done.

상기한 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다. The present invention described above makes it possible to simulate a difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body by performing 3D printing using materials mixed with metal nanoparticles to have a difference in radiation attenuation rate.

또한, 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 분사방식으로 혼합하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다. In addition, the present invention performs 3D printing by mixing materials mixed with metal nanoparticles by spraying so as to have a difference in radiation attenuation rate, so that a difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body can be simulated.

이러한 본 발명은 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사하여 인체 모형의 의료영상 촬영시에 조직별 대조가 뚜렷하게 드러나게 하여 조직의 세밀한 구분을 가능하게 한다.The present invention simulates the difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body so that the contrast for each tissue is clearly revealed when taking a medical image of a human body model, thereby enabling detailed classification of the tissue.

또한, 방사선 의료영상장비 실습용 표준모형이 아닌 실제 병증 모델을 재현한 모형으로 제작가능하고, 수술 시뮬레이션용 모델(C-ARM 시술 등) 제작가능하며, 방사선 치료시 선량 조절 가이드 제작에도 활용 가능한 장점이 있다.. In addition, it is possible to produce a model that reproduces an actual disease model rather than a standard model for practicing radiological medical imaging equipment, and it is possible to produce a model for surgery simulation (C-ARM procedure, etc.), and it can be used to produce a dose control guide during radiation treatment. have..

도 1은 3D 프린팅으로 제작된 인체 모형을 예시한 도면.
도 2은 종래의 인체 모형을 예시한 도면.
도 3은 종래의 표준 인체 모형의 의료 영상 촬영 이미지를 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료 분사 방식의 3D 프린터의 구조도.
도 5는 도 4의 재료 분사 방식의 3D 프린터에서 액체 입자 분사를 통해 원하는 형상을 적층해가는 과정을 예시한 도면.
도 6은 도 4의 재료 분사 방식의 3D 프린터에서 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 계획된 위치에 분사하여 3D 모델을 형성하는 과정을 예시한 도면.
도 7은 도 4의 재료 분사 방식의 3D 프린터에서 일반 액체 재료에 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료를 혼합해서 새로운 액체 재료를 제조하는 과정을 예시한 도면.
도 8은 도 7에서 금속 나노입자를 포함한 액체 재료를 분사한 경우의 입자를 예시한 도면.
도 9는 도 7에서 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료와 일반 액체 재료의 상대적 비율을 조절하면서 혼합 분사하는 과정을 예시한 도면.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 나노입자를 혼합한 재료분사 방식의 3D 프린터용 재료에서 X선 감쇠 또는 투과 과정을 예시한 도면.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속 나노입자의 혼합 비율에 따른 X선 감쇠량의 단계별 변화에 대한 예를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터를 위한 카트리지와 액츄에이터를 예시한 도면.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터의 구조를 도시한 도면.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터로 제작한 인체모형을 예시한 도면.
도 15는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터로 제작한 인체모형을 촬영한 의료영상의 특성을 예시한 도면.
도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 재료분사 방식의 3D 프린터로 제작한 선량 조절용 가이드의 특성을 예시한 도면.
1 is a diagram illustrating a human body model produced by 3D printing.
2 is a diagram illustrating a conventional human body model.
3 is a diagram illustrating a medical imaging image of a conventional standard human body model.
4 is a structural diagram of a 3D printer of a material spraying method according to a preferred embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a process of laminating a desired shape through liquid particle spraying in the 3D printer of the material spraying method of FIG. 4.
FIG. 6 is a diagram illustrating a process of forming a 3D model by spraying structural materials and support materials at a planned position in the 3D printer of the material spraying method of FIG. 4.
FIG. 7 is a diagram illustrating a process of manufacturing a new liquid material by mixing a liquid material obtained by mixing metal nanoparticles with a general liquid material in the 3D printer of the material spraying method of FIG. 4.
FIG. 8 is a diagram illustrating particles when a liquid material including metal nanoparticles is sprayed in FIG. 7.
9 is a view illustrating a process of mixing and spraying while controlling a relative ratio of a liquid material mixed with metal nanoparticles and a general liquid material in FIG. 7.
10 is a diagram illustrating a process of attenuation or transmission of X-rays in a material for a 3D printer of a material spraying method in which metal nanoparticles are mixed according to a preferred embodiment of the present invention.
11 is a diagram showing an example of a stepwise change in an amount of X-ray attenuation according to a mixing ratio of metal nanoparticles according to a preferred embodiment of the present invention.
12 is a diagram illustrating a cartridge and an actuator for a 3D printer of a material injection method according to a preferred embodiment of the present invention.
13 is a view showing the structure of a 3D printer of a material injection method according to a preferred embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating a human body model produced by a 3D printer of a material spraying method according to a preferred embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating the characteristics of a medical image taken of a human body model produced by a 3D printer of a material injection method according to a preferred embodiment of the present invention.
16 is a view illustrating the characteristics of a guide for controlling dose produced by a 3D printer of a material injection method according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 이용하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다. The present invention makes it possible to simulate a difference in radiation attenuation rates for each tissue of a human body by performing 3D printing using materials mixed with metal nanoparticles to have a difference in radiation attenuation rate.

또한, 본 발명은 방사선 감쇠율에 차등성을 가지도록 금속 나노 입자가 혼합된 재료들을 분사방식으로 혼합하여 3D 프린팅을 이행하여 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사할 수 있게 한다. In addition, the present invention performs 3D printing by mixing materials mixed with metal nanoparticles by spraying so as to have a difference in radiation attenuation rate, so that a difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body can be simulated.

이러한 본 발명은 인체의 조직별 방사선 감쇠율의 차이를 모사하여 인체 모형의 의료영상 촬영시에 조직별 대조가 뚜렷하게 드러나게 하여 조직의 세밀한 구분을 가능하게 한다. The present invention simulates the difference in radiation attenuation rates for each tissue of the human body so that the contrast for each tissue is clearly revealed when taking a medical image of a human body model, thereby enabling detailed classification of the tissue.

일반적으로 재료분사(MJ; material jetting) 방식의 3D 프린터에 사용하는 재료는 액체(liquid) 형상의 재질을 분사한 후에, 자외선(UV)을 조사하였을 때에 경화가 되는 특성을 가지는 소재를 이용한다. 이러한 재료분사(MJ) 방식의 3D 프린터의 구조는 도 4에 예시한 바와 같다. 상기 도 4를 참조하면 상기 3D 프린터는 3차원 구조물을 형성하기 위한 구조물용 재료들(build material)로 구조물 형상을 만들고, 지지체용 재료(support material)로 3차원 구조물이 만들어지는 과정에서 변형이 발생하지 않도록 지지해주기 위한 지지물 형상을 만드는 것이다. 상기한 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 한층씩 분사해서 출력한 다음 자외선 경화램프로 자외선을 조사해서 분사된 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 경화시킨다. In general, a material used in a material jetting (MJ) type 3D printer is a material that has a property of curing when irradiated with ultraviolet (UV) light after spraying a liquid material. The structure of such a material injection (MJ) type 3D printer is as illustrated in FIG. 4. Referring to FIG. 4, the 3D printer makes a structure shape with build materials for forming a three-dimensional structure, and deformation occurs in the process of making a three-dimensional structure with a support material. It is to make the shape of the support to support it so that it does not. The above-described structural materials and support materials are sprayed one by one and output, and then the sprayed structure materials and support materials are cured by irradiating ultraviolet rays with an ultraviolet curing lamp.

도 5는 재료분사 방식의 3D 프린터에서 액체 입자 분사를 통해 원하는 3D 모델을 형성하기 위해 적층해가는 모습을 미시적인 관점에서 보여주는 예시도이며, 실제 재료 분사 방식 3D 프린터에서는 분사된 액체 재료의 입자가 둥근 구형을 그대로 유지하지 않고 인접한 재료 입자와 결합하여 공극을 거의 형성하지 않도록 적층이 이루어진다.FIG. 5 is an exemplary diagram showing a stacking process from a microscopic point of view to form a desired 3D model by spraying liquid particles in a 3D printer of a material spraying method.In a 3D printer of an actual material spraying method, particles of the sprayed liquid material are Lamination is made so as not to maintain the rounded sphere as it is, but to form almost no voids by bonding with adjacent material particles.

도 6은 재료분사 방식 3D 프린터로 구조물용 재료들과 지지체용 재료를 계획된 위치에 분사하여 원하는 3차원 형상을 만들어가는 과정을 보여주는 예시도이며, 최종 단계에서 지지체(support material)는 제거되어 원하는 구조물의 형상만이 남게 된다. 6 is an exemplary view showing the process of creating a desired three-dimensional shape by spraying structural materials and support materials at a planned position with a material spraying type 3D printer, and a desired structure by removing the support material in the final step. Only the shape of is left.

<본 발명에 따르는 3D 프린팅 재료><3D printing material according to the present invention>

본 발명에서 제안하는 금속 나노입자를 포함하는 재료분사(MJ) 방식의 3D 프린터에 사용하는 액체 재료는 순수 액체(liquid) 상태의 원재료A와 원재료A에 금속 나노입자를 소정 비율로 혼합하여 제조된 재료B를 포함하여 구성된다. The liquid material used in the material spray (MJ) type 3D printer containing metal nanoparticles proposed in the present invention is prepared by mixing metal nanoparticles with raw material A and raw material A in a pure liquid state at a predetermined ratio. Consists of material B.

도 7은 본 발명에 따른 금속 나노입자를 포함하는 재료분사 방식의 3D 프린터에 사용하는 액체재료는 일반 액체 재료A에 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료B를 혼합해서 새로운 액체 재료C를 제조하는 과정을 예시한 도면이고, 도 8은 도 7에서 본 발명에 따라 제작된 금속 나노입자를 포함하는 액체 재료를 분사한 경우의 입자를 예시한 것이다. 7 is a process of preparing a new liquid material C by mixing a liquid material B in which metal nanoparticles are mixed with a general liquid material A as a liquid material used in a 3D printer of a material spraying method including metal nanoparticles according to the present invention. FIG. 8 is a diagram illustrating particles in the case of spraying a liquid material including metal nanoparticles manufactured according to the present invention in FIG. 7.

도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 금속 나노입자의 크기는 직경이 수nm에서 수백nm 정도의 크기를 가지며, 재료분사 3D 프린터를 통해 분사되는 액체 입자의 직경은 수십 um에 이르기 때문에 상대적으로 매우 작은 입자크기를 가지므로 액체 재료 내에 뭉치지 않고 고르게 분포하기에 충분히 작다. 가령, 도 8에서 20um 내외의 잉크젯 분사 액체에 분포된 나노입자를 확인할 수 있다.7 and 8, the size of the metal nanoparticles has a size of several nm to several hundreds nm, and the diameter of the liquid particles sprayed through the material injection 3D printer ranges to several tens of um. As it has a small particle size, it is small enough to distribute evenly without clumping in the liquid material. For example, in FIG. 8, nanoparticles distributed in the inkjet spraying liquid of about 20 μm can be confirmed.

이처럼 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 3D 프린팅 재료는 재료분사 3D 프린터용 원재료 내에 금속 나노입자들이 일정한 농도로 고르게 분포되게 배합될 필요가 있고 이를 위해서는 배합조를 상하좌우로 흔들어 재료분사 3D 프린터용 재료들을 교반할 필요가 있다. As described above, the 3D printing material according to the preferred embodiment of the present invention needs to be mixed so that the metal nanoparticles are evenly distributed at a certain concentration in the raw material for the material injection 3D printer. Need to stir.

도 9는 순수 액체 A(build material A)와 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료(build material B)의 상대적 비율을 조절하며 혼합 분사하는 미시적 관점의 예시도를 도시한 것으로, 도 9a는 순수 액체만 분사되거나 도 9b는 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료 B만 선택적으로 분사된 것을 나타낸다.FIG. 9 shows an exemplary view from a microscopic point of view of mixing and spraying while controlling the relative ratio of a build material B in which a pure liquid A (build material A) and a metal nanoparticle are mixed, and FIG. 9A is only a pure liquid. 9B shows that only liquid material B in which metal nanoparticles are mixed is selectively sprayed.

또한, 도 9c 및 도 9d는 순수 액체 A(build material A)와 금속 나노입자를 혼합한 액체 재료(build material B)의 상대적 비율을 조절하며 선택적 또는 동시에 혼합 분사하는데, 수십 um 크기의 입자로 잉크젯 분사 액체들의 비율을 정밀하게 조절한다. In addition, FIGS. 9C and 9D control the relative ratio of the pure liquid A (build material A) and the liquid material (build material B) in which the metal nanoparticles are mixed, and selectively or simultaneously spray the ink jet with particles having a size of several tens of um. Precise control of the proportion of sprayed liquids.

표 1은 인체의 조직별 질량밀도, 흡수계수 A 및 그에 따른 X선 에너지 흡수량(감쇠량)의 특성을 나타낸 것이다.Table 1 shows the characteristics of the mass density, absorption coefficient A, and the amount of X-ray energy absorption (attenuation) for each tissue of the human body.

구분division Mass Density
(kg/m3)
Mass Density
(kg/m3)
흡수계수 AAbsorption coefficient A 투과도(P)Transmittance (P) 공기를 기준으로 환산한 흡수도(X)Absorptivity converted to air (X)
근육muscle 10901090 1.361.36 0.0002350.000235 13021302 지방Fat 911911 1.361.36 0.0002820.000282 10881088 lungs 10501050 1.3671.367 0.0002430.000243 12631263 확장된 폐Dilated lungs 394394 1.3671.367 0.0006470.000647 474474 공기air 1.21.2 1One 0.3065660.306566 1One bone 19081908 1.5681.568 0.0001090.000109 28062806 산화철 나노분말
(Fe3O4 )
Iron oxide nanopowder
(Fe 3 O 4 )
51705170 2.292.29 1.96E-051.96E-05 1565115651

실제 물질은 그 조성에 따라서 질량 밀도가 다르기 때문에 물질에 따른 고유의 흡수계수를 고려하지 않고, 고유의 질량 밀도를 고려해서 실질적인 흡수도를 산정할 필요가 있다. 이에, 구해진 값에 질량 밀도를 나누어 최종 감쇄된 후의 단위면적당 투과도를 추정한다. 가령, P=I/Density, I=I0 ·exp(-A·T), 여기서 I: 투과된 에너지량을 말하고, I0: 입사 에너지량을 말한다.Since the mass density of an actual substance differs according to its composition, it is necessary to calculate the actual absorption by considering the inherent mass density without considering the inherent absorption coefficient of the substance. Accordingly, the obtained value is divided by the mass density to estimate the transmittance per unit area after the final attenuation. For example, P=I/Density, I=I 0 exp(-A·T), where I: refers to the amount of transmitted energy, and I 0 : refers to the amount of incident energy.

따라서, 투과된 총 에너지량을 주요 물질별로 계산한 후, 공기를 기준으로 상대적인 수치로 에너지 X-선 에너지 흡수도를 에너지 흡수도X로 정의한다.Therefore, after calculating the total amount of transmitted energy for each major substance, energy X-ray energy absorption is defined as energy absorption X as a value relative to air.

상기 표 1을 참조하면, 인체 조직의 경우에는 조직별 분자 조합에 따른 평균 원자량의 차이 외에도, 조직의 단위 체적당 질량 밀도가 조직별로 다르며, X선 흡수도도 조직별로 다르다. 또한, 연부 조직도 세부적인 조직에 따라서 에너지 흡수 정도는 차이가 날 수 있다. 이는 조직 내부에 공극들이 존재할 경우에는 혈액이나 체액으로 채워져 있는 부분도 존재하기 때문에 평균 원자 번호가 비슷하더라도 실제 X선의 흡수도에서 차이가 큰 경우도 있다. Referring to Table 1, in the case of a human tissue, in addition to the difference in the average atomic weight according to the molecular combination of each tissue, the mass density per unit volume of the tissue is different for each tissue, and the X-ray absorption is also different for each tissue. Also, the degree of energy absorption may vary depending on the detailed tissue of the soft tissue. This is because when there are voids inside the tissue, there are also parts filled with blood or body fluids, so even though the average atomic number is similar, the difference in the actual absorption of X-rays may be large.

가령, X선 흡수도에서 근육 1302, 지방은 1088, 폐는 1263, 뼈는 2806에 해당되어, 인체 조직 중에서 뼈가 X선 흡수율이 가장 높고 근육, 폐, 지방 등의 순서로 조직별로 차이를 가진다. 또한, 이러한 X선 흡수도는 CT와 같은 의료영상에서는 HU Value(하운스 필드 유닛 값)라 칭하며 정량화되어 활용되고 있다. For example, in X-ray absorption, muscle 1302, fat 1088, lung 1263, and bone 2806 correspond to, among human tissues, bone has the highest X-ray absorption rate and differs by tissue in the order of muscle, lung, and fat. . In addition, this X-ray absorbance is called HU Value (houns field unit value) in medical images such as CT, and is quantified and utilized.

한편, 도 4 내지 도 6에서 살펴본 바와 같이, 3D 프린터에 사용하는 소재는 특별히 격자구조로 출력하는 경우를 제외하고는 그 밀도가 항상 균일하기 때문에 소재 밀도에 따른 편차는 거의 없어, 3D 프린팅으로 제작한 인체 모형의 경우에는 조직별 X선 에너지 흡수율(감쇠율)에 큰 편차가 존재하지 않는다.On the other hand, as shown in Figs. 4 to 6, since the density of the material used for the 3D printer is always uniform, except for the case of outputting in a special lattice structure, there is little variation according to the material density, and it is produced by 3D printing. In the case of one human body model, there is no significant deviation in the rate of absorption of X-ray energy (attenuation rate) by tissue.

그러나, 본 발명에서는 3D 모델 형성시에 금속 나노입자 혼합 비율을 3D 모델을 인체의 부위별 및 위치별로 정밀하게 조절할 필요가 있다.However, in the present invention, it is necessary to precisely control the mixing ratio of metal nanoparticles for each part and location of the human body when forming the 3D model.

이에, 수학식 1을 통해 두 종류 이상 원소를 함유한 물질의 질량 흡수계수 산정법을 살펴본다. 이러한 수학식 1에 따라, 기존의 3D 프린터에 사용되는 플라스틱, 아크릴 등의 3D 프린팅 원재료에 비해 훨씬 높은 원자량을 가진 금속 나노입자를 혼합할 경우 그 혼합비에 따라서 X선의 흡수계수(감쇠율)의 변화를 줄 수 있다. Accordingly, a method of calculating the mass absorption coefficient of a substance containing two or more kinds of elements will be described through Equation 1. According to Equation 1, when metal nanoparticles having a much higher atomic weight compared to 3D printing raw materials such as plastics and acrylics used in conventional 3D printers are mixed, the change in the absorption coefficient (attenuation rate) of X-rays is changed according to the mixing ratio. Can give.

다음 수학식 1을 참조하면, 두 종류 이상 원소 함유한 혼합된 소재의 흡수계수(μ/ρ)는 각 혼합물의 흡수계수와 질량의 곱의 합을 전체 질량으로 나눈 것과 같다.Referring to Equation 1 below, the absorption coefficient (μ/ρ) of a mixed material containing two or more kinds of elements is equal to the sum of the product of the absorption coefficient and the mass of each mixture divided by the total mass.

Figure 112019078897845-pat00001
Figure 112019078897845-pat00001

이에, 실제 물질의 조성에 따라 질량밀도가 서로 다르기 때문에 이를 반영해 혼합물의 에너지 흡수 정도를 구할 필요가 있으며, 질량밀도를 곱한 실질적인 물체의 최종적인 에너지 흡수 정도를 계산할 때도 아래와 같이 계산할 수 있다.Therefore, since the mass density is different according to the composition of the actual material, it is necessary to calculate the energy absorption degree of the mixture by reflecting this, and when calculating the final energy absorption degree of the actual object multiplied by the mass density, it can be calculated as follows.

흡수계수 A = (A1 x w1 + A2 * w2) / (w1 + w2) Absorption coefficient A = (A1 x w1 + A2 * w2) / (w1 + w2)

(여기서 A1, A2는 각 소재의 에너지 흡수율, w1, w2는 각 소재의 질량) (Where A1, A2 are the energy absorption rates of each material, w1, w2 are the mass of each material)

본 발명에서는 3D 프린팅으로 제작한 인체 모형의 경우에는 조직별 X선 에너지 흡수율(감쇠율)을 반영하기 위해 금속 나노입자 혼합 비율을 3D 모델을 인체의 부위별 및 위치별로 정밀하게 조절한다.In the present invention, in the case of a human body model produced by 3D printing, the mixing ratio of metal nanoparticles is precisely adjusted for each part and location of the human body in order to reflect the X-ray energy absorption rate (attenuation rate) for each tissue.

표 1에서와 같이, 연부조직(피부/근육 등)의 평균 에너지 흡수는 1302, 뼈의 에너지 흡수는 2806, 지방의 에너지 흡수는 1088 등으로 제시되고 있다. As shown in Table 1, the average energy absorption of soft tissue (skin/muscle, etc.) is 1302, energy absorption of bone is 2806, energy absorption of fat is 1088, and so on.

가령, 금속나노입자로 Fe3O4(산화철)를 적용한다고 하면, 나노파티클의 에너지 흡수치는 15651로 추정된다. For example, if Fe 3 O 4 (iron oxide) is applied as metal nanoparticles, the energy absorption value of the nanoparticles is estimated to be 15651.

또한, 표 2는 산화철 나노입자 이외에 나일론 계열 폴리머, 아크릴 계열 폴리머, TPU, 황산바륨 나노입자, 삼산화 텡스텐 나노입자 등을 적용한 경우에, 에너지 흡수치(공기대비 상대흡수도)는 각각, 237, 309, 407, 15674, 782707로 추정된다.In addition, Table 2 shows that in the case of applying nylon-based polymers, acrylic-based polymers, TPU, barium sulfate nanoparticles, tungsten trioxide nanoparticles, etc., in addition to iron oxide nanoparticles, energy absorption values (relative absorption to air) are respectively, 237, It is estimated to be 309, 407, 15674, and 782707.

구분division 공기를 기준으로 환산한 흡수도(X)Absorptivity converted to air (X) 황산바륨(BaSO4) Barium sulfate (BaSO 4 ) 15,67415,674 삼산화텡스텐(WO3)Tungsten trioxide (WO 3 ) 782,707782,707 TPUTPU 407407 나일론 계열Nylon series 237237 아크릴 계열Acrylic 309309

이는 NIST 사이트에 있는 주요 물질별 질량 흡수 계수의 예시 데이터를 통해 알 수 있고, 다음 링크를 통해 확인할 수 있다(https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html, https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab4.html).This can be seen through example data of mass absorption coefficients for each major substance on the NIST site, and can be confirmed through the following link (https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html, https:// physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab4.html).

먼저, 기존의 재료분사 방식의 원소재인 순수 액체 재료A에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합한 액체 재료B를 혼합하여 금속나노입자가 균일하게 혼합된 새로운 액체 재료 C를 제조한다. 이때, 상기 액체 재료 B 또는 상기 새로운 액체 재료C는 원재료 내에 상기 금속 나노입자들이 일정한 농도로 고르게 분포되도록 교반기로 잘 저어준다. First, a new liquid material C in which metal nanoparticles are uniformly mixed is prepared by mixing a liquid material B in which metal nanoparticles are mixed in a predetermined ratio with a pure liquid material A, which is a raw material of the conventional material spraying method. At this time, the liquid material B or the new liquid material C is stirred well with a stirrer so that the metal nanoparticles are evenly distributed at a constant concentration in the raw material.

아래 표 3 내지 표 8에서 나타낸 바와 같이, 산화철, 황산바륨, 삼산화텡스텐의 혼합비율을 높일수록 X선 흡수도가 증가함을 확인할 수 있고, 이처럼 금속나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선 흡수도를 조절할 수 있다. As shown in Tables 3 to 8 below, it can be seen that X-ray absorption increases as the mixing ratio of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide increases. The degree can be adjusted.

즉, 에너지 흡수도 450인 연질의 광중합 폴리머 소재를 이용할 경우를 가정하고, 에너지 흡수도 15651의 산화철 나노파티클을 혼합할 경우를 예로 들면, 그 상대적 비율에 따라 표 3과 같이 에너지 흡수도를 얻을 수 있다. That is, assuming the case of using a soft photopolymerizable polymer material with an energy absorption of 450, and mixing iron oxide nanoparticles with an energy absorption of 15651 as an example, the energy absorption can be obtained as shown in Table 3 according to the relative ratio. have.

표 3 내지 표 8에서, 예시로 든 경우는 각각 지방(1088), 뼈(2806)의 에너지 흡수치에 근사한 것을 알 수 있다.In Tables 3 to 8, it can be seen that the energy absorption values of the fat 1088 and the bone 2806 are respectively approximated in the case of an example.

광중합 폴리머(450)
조성비(%)
Photopolymerization polymer (450)
Composition ratio (%)
100.0100.0 00 99.8499.84 95.895.8 94.494.4 84.584.5
Fe3O4(15651)
조성비(%)
Fe 3 O 4 (15651)
Composition ratio (%)
00 100.0100.0 0.160.16 4.24.2 5.65.6 15.515.5
혼합소재 상대흡수도(X)Mixed material relative absorption (X) 450450 1565115651 474.3474.3 1088.41088.4 1301.81301.8 2806.22806.2

광중합 폴리머(450)
조성비(%)
Photopolymerization polymer (450)
Composition ratio (%)
100.0100.0 00 99.5699.56 95.5495.54 94.1494.14 84.3084.30
BaSO4(15674)
조성비(%)
BaSO 4 (15674)
Composition ratio (%)
00 100.0100.0 0.160.16 4.194.19 5.65.6 15.4915.49
혼합소재 상대흡수도(X)Mixed material relative absorption (X) 450450 1567415674 474.4474.4 1087.91087.9 1302.61302.6 2808.22808.2

광중합 폴리머(450)
조성비(%)
Photopolymerization polymer (450)
Composition ratio (%)
100.0100.0 00 99.99799.997 99.91899.918 99.8999.89 99.799.7
WO3(782707)
조성비(%)
WO 3 (782707)
Composition ratio (%)
00 100.0100.0 0.0030.003 0.0820.082 0.110.11 0.30.3
혼합소재 상대흡수도(X)Mixed material relative absorption (X) 450450 782707782707 473.5473.5 1091.51091.5 1310.51310.5 2796.82796.8

PC Like 계열(400)
조성비(%)
PC Like series (400)
Composition ratio (%)
100.0100.0 00 99.5299.52 95.595.5 94.0894.08 84.2284.22
Fe3O4(15651)
조성비(%)
Fe 3 O 4 (15651)
Composition ratio (%)
00 100.0100.0 0.480.48 4.54.5 5.925.92 15.7815.78
혼합소재 상대흡수도(X)Mixed material relative absorption (X) 400400 1565115651 473.2473.2 1086.31086.3 1302.91302.9 2806.62806.6

PC Like 계열(400)
조성비(%)
PC Like series (400)
Composition ratio (%)
100.0100.0 00 99.5299.52 95.595.5 94.0894.08 84.2284.22
BaSO4(15674)
조성비(%)
BaSO 4 (15674)
Composition ratio (%)
00 100.0100.0 0.480.48 4.54.5 5.95.9 15.7515.75
혼합소재 상대흡수도(X)Mixed material relative absorption (X) 400400 1567415674 473.3473.3 1087.31087.3 1301.21301.2 2805.72805.7

PC Like 계열(400)
조성비(%)
PC Like series (400)
Composition ratio (%)
100.0100.0 00 99.9999.99 99.91299.912 99.88499.884 99.6999.69
WO3(782707)
조성비(%)
WO 3 (782707)
Composition ratio (%)
00 100.0100.0 0.010.01 0.0880.088 0.1160.116 0.310.31
혼합소재 상대흡수도(X)Mixed material relative absorption (X) 400400 78270717827071 478.2478.2 1088.41088.4 1307.51307.5 2825.22825.2

가령, 광중합성 폴리머 원재료(상대 흡수도 450)인 경우에, 표 3에서, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 산화철 나노입자의 조성비는 0.16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 4.2 중량% 이상 15.5 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.For example, in the case of a photopolymerizable polymer raw material (relative absorption of 450), in Table 3, in the case of the expanded waste 474, the composition ratio of iron oxide nanoparticles in the total weight of the mixed material is mixed in the range of 0.16% by weight or less. , In the case of the contracted lungs 1263 and the muscles 1303, an approximate value of energy absorption may be obtained by mixing in a range of 4.2% by weight or more and 15.5% by weight or less.

또한, 표 4에서, 광중합성 폴리머 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 4.19 중량% 이상 15.5 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 4, in the case of the photopolymerizable polymer raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.16% by weight or less, and the contracted lung ( 1263) and muscles 1303 may be mixed in a range of 4.19 wt% or more and 15.5 wt% or less to obtain an approximate value of energy absorption.

또한, 표 5에서, 광중합성 폴리머 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.003 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 0.082 중량% 이상 0.3 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 5, in the case of the photopolymerizable polymer raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.003% by weight or less, and the contracted lung ( 1263) and muscles 1303 may be mixed in a range of 0.082% by weight or more and 0.3% by weight or less to obtain an approximate value for energy absorption.

한편, PC(폴리카보네이트) 계열 원재료에 적용하면, 표 6에서, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 산화철 나노입자의 조성비는 0.48 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 4.5 중량% 이상 15.78 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.On the other hand, when applied to PC (polycarbonate)-based raw materials, in Table 6, in the case of the expanded waste 474, the composition ratio of iron oxide nanoparticles in the total weight of the mixed material is mixed in a range of 0.48% by weight or less, In the case of the lungs 1263 and the muscles 1303, an approximate value of energy absorption may be obtained by mixing in a range of 4.5% by weight or more and 15.78% by weight or less.

또한, 표 7에서, PC 계열 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.48 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 4.5 중량% 이상 15.75 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 7, in the case of the PC-based raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the barium sulfate nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.48% by weight or less, and the contracted lung 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 4.5% by weight or more and 15.75% by weight or less to obtain an approximate value of energy absorption.

또한, 표 8에서, PC 계열 원재료인 경우에, 확장된 폐(474)의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.01 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐(1263) 및 근육(1303)의 경우에는 0.088 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하여 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있다.In addition, in Table 8, in the case of the PC-based raw material, in the case of the expanded lung 474, the composition ratio of the tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material was mixed in a range of 0.01% by weight or less, and the contracted lung 1263 ) And muscles 1303 may be mixed in a range of 0.088% by weight or more and 0.31% by weight or less to obtain an approximate value for energy absorption.

이와 같이, 순수 액체 재료A와 액체 재료A에 금속나노입자(산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐)을 소정 비율로 혼합한 재료B에서 적용한다. 즉, 재료 B는 표 3 내지 표 8에서 광중합 폴리머와 산화철, 황산바륨 등의 금속나노입자의 혼합비율을 84.5% 내외 대비 15.5%로 혼합할 경우 흡수도가 인체의 뼈와 유사하게 얻을 수 있다. 이때, 광중합성 폴리머와 삼산화텅스텐의 금속나노입자의 혼합비율을 99.7% 내외 대비 0.3%로 혼합할 경우 흡수도가 인체의 뼈와 유사하게 얻을 수 있다. In this way, the pure liquid material A and the liquid material A are applied to material B in which metal nanoparticles (iron oxide, barium sulfate, tungsten trioxide) are mixed in a predetermined ratio. That is, when the mixing ratio of the photopolymerizable polymer and metal nanoparticles such as iron oxide and barium sulfate in Tables 3 to 8 is 15.5% compared to about 84.5%, absorption can be obtained similar to that of human bones. At this time, when the mixing ratio of the photopolymerizable polymer and the metal nanoparticles of tungsten trioxide is mixed at 0.3% compared to 99.7%, absorption can be obtained similar to that of human bones.

또한, PC 계열 폴리머와 산화철, 황산바륨 등의 금속나노입자의 혼합비율을 84.2% 내외 대비 15.8%로 혼합할 경우 흡수도가 인체의 뼈와 유사하게 얻을 수 있다. 때, PC 계열 폴리머와 삼산화텅스텐의 금속나노입자의 혼합비율을 99.69% 내외 대비 0.31%로 혼합할 경우 흡수도가 인체의 뼈와 유사하게 얻을 수 있다. In addition, when the mixing ratio of PC-based polymer and metal nanoparticles such as iron oxide and barium sulfate is mixed at around 84.2% to 15.8%, absorption can be obtained similar to that of human bones. When the mixing ratio of the PC-based polymer and the metal nanoparticles of tungsten trioxide is mixed at 0.31% compared to 99.69%, absorption can be obtained similar to that of human bones.

이를 통해 원재료 폴리머의 재질적 특성에 크게 영향없이 산화철과 황산바륨은 거의 유사한 특성을 보이고, 삼산화텅스텐의 보다 작은 양의 혼합비율로도 흡수도가 인체의 뼈와 유사한 특성을 얻을 수 있다.Through this, iron oxide and barium sulfate exhibit almost similar properties without significantly affecting the material properties of the raw material polymer, and absorption properties similar to those of human bones can be obtained even with a smaller mixing ratio of tungsten trioxide.

이에 따라, 뼈와 유사한 흡수도를 가지는 기본 혼합물(폴리머+산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 나노입자)의 재료B를 조성한 후, 기본 폴리머 재료 A와 함께 혼합하여 조성비를 조절하면, 혼합한 비율에 에너지 흡수 변화는 아래 표9와 같이 인체의 X-선 흡수도와 유사한 여러 단계의 조성을 모사해 낼 수 있다. Accordingly, after preparing material B of a basic mixture (polymer + iron oxide, barium sulfate, tungsten trioxide nanoparticles) having an absorption rate similar to that of bone, mixing it with the basic polymer material A to adjust the composition ratio, the energy in the mixed ratio The absorption change can simulate the composition of several stages similar to the human body's X-ray absorption, as shown in Table 9 below.

기본 폴리머 A(%)Base polymer A (%) 100100 00 9999 65.565.5 63.863.8 72.972.9 혼합물 B(%)Mixture B (%) 00 100100 1One 34.534.5 36.236.2 27.127.1 흡수도(X)Absorption (X) 450450 2806
(뼈)
2806
(bone)
474
(확장된 폐)
474
(Dilated lung)
1263
(수축된 폐)
1263
(Constricted lungs)
1303
(근육)
1303
(muscle)
1088
(지방)
1088
(Fat)

표 9에서, 예시로 든 경우는 각각 지방(1088), 뼈(2806), 확장된 폐(474), 수축된 폐(1263), 근육(1303)의 에너지 흡수치에 근사한 것을 알 수 있고, 제작하는 3D 인체 모델의 각 조직(부위) 별로 X선 흡수율을 고려하여 각 부위 또는 조직별 모형에 따라 사용할 필라멘트 소재를 다르게 적용하여 3D 프린팅할 수 있다. 따라서, 기본적으로 금속나노입자 혼합 폴리머의 혼합 비율은 그 에너지 흡수도가 인체의 조직 중에서 뼈와 유사한 수준(2806)을 갖도록 하여 뼈보다 더 에너지 흡수도가 낮은 인체의 조직을 원하는 단계별로 조합해 낼 수 있다.In Table 9, in the case of an example, it can be seen that the energy absorption values of the fat (1088), bone (2806), expanded lung 474, contracted lung (1263), and muscle (1303) are respectively approximated. In consideration of the X-ray absorption rate for each tissue (part) of the 3D human body model, 3D printing can be performed by applying different filament materials to be used according to each part or tissue-specific model. Therefore, basically, the mixing ratio of the metal nanoparticle-mixed polymer is such that its energy absorption is at a level similar to that of bone (2806) among the tissues of the human body. I can.

가령, 산화철 나노입자(분자량 33.08)는 이미 인체에 무해한 물질로서 다양하게 이용되고 있으며 가격 또한 상대적으로 낮은 물질로서 많이 활용되고 있다. 그 외 더 높은 평균 원자량을 가지는 금속 나노입자들, 가령, 요오드(분자량 53), 바륨(분자량 56), 텅스텐 등을 적용하였다. For example, iron oxide nanoparticles (molecular weight 33.08) are already widely used as materials that are harmless to the human body and are widely used as materials with relatively low cost. In addition, metal nanoparticles having a higher average atomic weight, such as iodine (molecular weight 53), barium (molecular weight 56), and tungsten, were applied.

그 결과, TPU와 아크릴계 필라멘트 원재료에 적용한 경우에, 산화철과 황산바륨은 거의 유사한 에너지 흡수율 패턴을 보여주고 있다. 반면에, 삼산화텅스텐의 나노분말은 산화철과 황산바륨에 비교하여 극히 소량의 첨가비로도 에너지 흡수치에 근사값을 얻을 수 있어, 삼산화텅스텐의 나노입자의 경우 방사선 흡수도가 매우 높아 매우 유용함을 확인할 수 있다.As a result, when applied to TPU and acrylic filament raw materials, iron oxide and barium sulfate show almost similar energy absorption patterns. On the other hand, compared to iron oxide and barium sulfate, the nanopowder of tungsten trioxide can approximate the energy absorption value even with a very small amount of addition, so it can be confirmed that the tungsten trioxide nanoparticles have a very high radiation absorption and are very useful. have.

또한, 인체 조직을 모사하기 위한 범위의 혼합비로 사용하는 경우를 본 발명에서는 예시로 들고 있으며, 원하는 흡수율이 더 높을 경우에는 금속나노입자의 조성비를 더 높게 할 수도 있다.In addition, in the present invention, the case of using the mixture ratio in a range for simulating human tissue is given as an example, and when the desired absorption rate is higher, the composition ratio of the metal nanoparticles may be made higher.

또한, 각 조직에 따라 금속나노입자를 다르게 사용하는 것이 아니라, 한 종류의 금속나노입자 (예를 들면 산화철 나노입자)를 선정하면 그 나노입자를 혼합한 폴리머 혼합물의 프린팅 시 조성 비율을 조절하는 것만으로 전체적인 에너지 흡수 정도를 조절할 수 있게 한다.In addition, the metal nanoparticles are not used differently for each tissue, but when one type of metal nanoparticles (for example, iron oxide nanoparticles) is selected, only adjusting the composition ratio when printing the polymer mixture containing the nanoparticles. It makes it possible to control the overall energy absorption.

또한, 본 발명은 재료분사 방식의 3D프린터에서 금속 나노입자를 포함하지 않는 액체 재료A와 금속 나노입자를 포함하는 액체 재료B와의 상대적인 혼합 비율을 정밀하게 제어하여 최종적인 형상 제작물의 금속 나노입자의 혼합 비율을 정밀 제어한다. In addition, the present invention precisely controls the relative mixing ratio of the liquid material A not containing metal nanoparticles and the liquid material B containing metal nanoparticles in a 3D printer of a material spraying method, The mixing ratio is precisely controlled.

도 10은 금속 나노입자를 혼합한 재료분사 방식 3D 프린터용 재료에서의 X선 감쇠 또는 투과 과정을 간략하게 보여주는 예시도이고, 도 11은 금속 나노입자의 혼합 비율에 따른 X선 감쇠량의 단계별 변화에 대한 예를 도시한 것이다. 상기 도 10 및 도 11에 예시한 바와 같이 동일한 두께를 가지는 형상물이라도 금속 나노입자의 혼합비율이 높을수록 X선의 감쇠율은 더 높아지게 되며, 형상물의 두께가 두꺼워지는 것에 비례해서 X선의 감쇠율은 높아진다. 이에 본 발명은 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 감쇠율을 조절한다. FIG. 10 is an exemplary view schematically showing a process of X-ray attenuation or transmission in a material for a 3D printer with a material spraying method in which metal nanoparticles are mixed, and FIG. 11 is It shows an example. As illustrated in FIGS. 10 and 11, even for a shape having the same thickness, the higher the mixing ratio of the metal nanoparticles, the higher the attenuation rate of X-rays becomes, and in proportion to the thickening of the shape, the attenuation rate of X-rays increases. Accordingly, the present invention controls the attenuation rate of X-rays by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles.

이와 같이 본 발명에서 제안하는 금속 나노입자를 포함하는 재료분사 방식 3D 프린터용 액체재료는 기본적으로 액체(liquid)로 된 소재 내에 금속 나노입자들이 분포하고 있기 때문에, 정적인 상태로 장시간 방치될 경우에는 중력 방향으로 금속 나노입자들의 침전이 발생할 수 있다. 이에 본 발명은 항상 균일한 입자의 분포를 유지하기 위해 액체 재료를 담고 있는 카트리지를 상하좌우로 주기적으로 흔들어주도록 하는 3축 제어가 가능한 액츄에이터(actuator)를 추가하며, 이는 도 12에 예시한 바와 같다. As described above, in the liquid material for a material spray type 3D printer including metal nanoparticles proposed in the present invention, since metal nanoparticles are basically distributed in a liquid material, when left in a static state for a long time, Sedimentation of metal nanoparticles may occur in the direction of gravity. Accordingly, the present invention adds an actuator capable of 3-axis control to periodically shake a cartridge containing a liquid material in order to maintain a uniform distribution of particles, as illustrated in FIG. 12. .

<재료분사 방식의 3D 프린터><Material injection method 3D printer>

도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 재료분사 방식의 3D 프린터의구조를 도시한 것이다.13 shows the structure of a 3D printer of a material injection method according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 재료분사 방식의 3D 프린터는, 카트리지(100)와, 카트리지 액츄에이터(108)와, 재료분사 헤드(200)와, UV 경화램프(202)와, 제어장치(300)와, 메모리부(302)와, 통신모듈(304)과, 빌딩 플레이트(400)로 구성된다.The material injection type 3D printer includes a cartridge 100, a cartridge actuator 108, a material injection head 200, a UV curing lamp 202, a control device 300, and a memory unit 302. Wow, it is composed of a communication module 304, and a building plate (400).

상기 카트리지(100)는 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 수용하는 수용부들을 구비하고, 상기 수용부들에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)는 공급라인들을 통해 재료분사 헤드(200)로 공급된다. 상기 제1 및 제2구조물용 재료(104,106) 중 하나 이상은 재료분사 방식의 3D 프린터를 위한 액체 상태의 원재료에 금속 나노입자를 미리 정해둔 비율로 혼합하고 고르게 분포되게 섞어 제조한 것이며, 3D 프린터의 헤드를 통해 분사되는 액체의 입자 직경이 수십 um이고, 상기 금속 나노입자의 직경은 수 nm에서 수백 nm 정도의 크기이므로, 상기 금속 나노입자는 상기 액체 상태의 원재료 내에 고르게 확산되어 분포된다. 또한 상기 금속 나노입자는 산화철 나노입자가 채용될 수 있다.The cartridge 100 includes receiving portions for accommodating a support material 102 and a material for the first and second structures 104 and 106, and the support material 102 and the first and second structures accommodated in the accommodating portions. The structural materials 104 and 106 are supplied to the material spraying head 200 through supply lines. At least one of the first and second structural materials 104 and 106 is prepared by mixing metal nanoparticles in a liquid raw material for a material-spraying 3D printer at a predetermined ratio and mixing evenly distributed, 3D printer Since the particle diameter of the liquid sprayed through the head of the liquid is several tens of um, and the diameter of the metal nanoparticles is about several to hundreds of nm, the metal nanoparticles are evenly diffused and distributed in the liquid raw material. In addition, iron oxide nanoparticles may be employed as the metal nanoparticles.

상기 카트리지 액츄에이터(108)는 3축 제어가 가능한 것으로, 제어장치(300)의 제어에 따라 상기 카트리지(100)를 소정 주기로 상하좌우로 흔들어 상기 카트리지(100)의 수용부들에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 교반하여 액체 상태의 원재료 내에 금속 나노입자가 고르게 확산되어 분포되게 한다. 이러한 카트리지 액츄에이터(108)는 금속 나노입자의 침전을 방지하며 일부 침전되었다 하더라고 3D 인쇄전에 교반을 이행하여 침전된 입자들이 다시 액체 재료내에 고르게 분포되게 한다. The cartridge actuator 108 is capable of 3-axis control, and under the control of the control device 300, the cartridge 100 is shaken vertically, left, and right at a predetermined period to form a support material 102 accommodated in the receiving portions of the cartridge 100. ) And the first and second structural materials 104 and 106 are stirred so that the metal nanoparticles are evenly diffused and distributed in the liquid raw material. The cartridge actuator 108 prevents precipitation of metal nanoparticles and performs agitation before 3D printing even if some of the metal nanoparticles are precipitated, so that the precipitated particles are evenly distributed in the liquid material again.

상기 카트리지 액츄에이터(108)는 3축 제어가 가능하도록 구성하여 상하좌우의 흔들림 또는 원형 운동, 직교 운동을 이행하여 교반동작을 이행한다. The cartridge actuator 108 is configured to be capable of 3-axis control, and performs an agitation operation by performing vertical movement, circular movement, orthogonal movement.

상기 재료분사 헤드(200)는 상기 카트리지(100)에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 공급받아 제어장치(300)의 제어에 따라 선택적으로 분사하여 빌딩 플레이트(400)상에 구조물 및 지지체를 형성하여 3D 모델을 형성한다. 상기 재료분사 헤드(200)에 부착된 UV 경화 램프(202)는 상기 재료분사 헤드(200)가 분사하는 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106) 중 선택된 재료를 경화시켜 빌딩 플레이트(400)상에 구조물 및 지지체를 형성하여 3D 모델을 형성한다.The material injection head 200 receives the support material 102 and the first and second structure materials 104 and 106 accommodated in the cartridge 100 and selectively sprays the building according to the control of the control device 300. A structure and a support are formed on the plate 400 to form a 3D model. The UV curing lamp 202 attached to the material spraying head 200 cures a material selected from the support material 102 and the first and second structure materials 104 and 106 sprayed by the material spraying head 200 To form a structure and a support on the building plate 400 to form a 3D model.

상기 제어장치(300)는 외부로부터의 3D 프린팅 명령에 따라 카트리지 액츄에이터(108)를 구동하여 카트리지(100)에 수용된 제1 및 제2구조물용 재료(104,106)를 교반하여 금속 나노입자의 침전을 방지하며 일부 침전되었다 하더라고 침전된 입자들이 다시 액체 재료내에 고르게 분포되게 한다. The control device 300 drives the cartridge actuator 108 according to an external 3D printing command to stir the first and second structure materials 104 and 106 accommodated in the cartridge 100 to prevent precipitation of metal nanoparticles. Even if it is partially precipitated, the precipitated particles are distributed evenly in the liquid material.

이후 상기 제어장치(300)는 상기 카트리지(100)에 수용된 지지체용 재료(102)와 제1 및 제2구조물용 재료(104,106) 중 선택된 재료를 분사함과 아울러 UV 경화램프(202)를 구동하여 3D 모델을 형성하여 3D 프린팅을 수행한다. Thereafter, the control device 300 sprays a selected material from among the support material 102 and the first and second structure materials 104 and 106 accommodated in the cartridge 100 and drives the UV curing lamp 202 3D printing is performed by forming a 3D model.

상기 메모리부(302)는 상기 제어장치(300)의 처리 프로그램을 포함하는 다양한 정보를 저장한다. The memory unit 302 stores various information including a processing program of the control device 300.

상기 통신모듈(304)은 상기 제어장치(300)와 외부의 사용자 단말기, 예를 들어 퍼스널 컴퓨터 등 사이의 통신을 담당한다. The communication module 304 is responsible for communication between the control device 300 and an external user terminal, for example, a personal computer.

이러한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 재료분사 방식의 3D 프린터는 금속 나노입자의 배합 비율을 조절한 액체 재료를 활용해서 정밀하게 금속 나노입자의 조성비를 조절한 3차원 모형을 제작할 수 있다. 이에따라 본 발명은 인체 조직별로 서로 다른 X선의 에너지 흡수율 또는 감쇠율을 보다 정교하게 모사할 수가 있게 하여, 인체 조직의 외형적인 형태만 모사하는 것에 지나지 않고 의료영상 장비에서 촬영할 경우에도 더욱 인체와 유사한 영상의 대조비 특성을 가질 수 있도록 제작할 수 있게 한다. The 3D printer of the material spraying method according to the preferred embodiment of the present invention can produce a 3D model in which the composition ratio of the metal nanoparticles is precisely controlled by using a liquid material in which the mixing ratio of the metal nanoparticles is adjusted. Accordingly, the present invention makes it possible to more accurately simulate the energy absorption rate or attenuation rate of different X-rays for each human body tissue, so that only the external shape of the human body tissue is simulated, and even when photographed on a medical imaging device, an image similar to the human body can be obtained. It can be manufactured to have a contrast ratio characteristic.

또한 본 발명에서 제안하는 금속 나노입자를 포함한 액체 재료와 재료분사 방식 3D 프린터로 인체 모형을 제작하는 예상도는 도 14와 같다. In addition, a predicted view of manufacturing a human body model using a liquid material including metal nanoparticles and a material injection type 3D printer proposed by the present invention is shown in FIG. 14.

상기한 본 발명에 따르는 금속 나노입자는 산화철 나노입자가 채용될 수 있으며, 상기 산화철 나노입자는 자기공명영상장치(MRI)의 영상품질 향상을 위한 대비도 향상 소재(agent)로 이용가능하여, X선이나 CT 등과 같은 방사선 촬영 이외에도 MRI 영상에서도 조직 부위별 영상 대조비가 다르게 3D 인체 모형을 제작하는 것을 가능하게 한다. The metal nanoparticles according to the present invention may be iron oxide nanoparticles, and the iron oxide nanoparticles can be used as an agent for improving image quality of a magnetic resonance imaging apparatus (MRI). In addition to radiographs such as lines or CT, it is possible to produce 3D human body models with different image contrast ratios for each tissue part in MRI images.

상기한 본 발명에서 제안하는 재료분사 방식 3D 프린터용 액체 재료는 원재료가 가지는 연성, 경도, 색상의 차이를 가지는 다양한 물리적인 성질의 표현에 더하여, 금속 나노입자를 포함하게 제작하고, 금속 나노입자가 포함되지 않은 액체 재료와 분사 비율을 조절함으로써 매우 정밀한 단계로 금속 나노입자의 조성비를 실현할 수 있다. In addition to the expression of various physical properties having differences in ductility, hardness, and color of the raw material, the liquid material for a material spray type 3D printer proposed in the present invention is manufactured to contain metal nanoparticles, and the metal nanoparticles are It is possible to realize the composition ratio of metal nanoparticles in very precise steps by controlling the spray ratio with the liquid material that is not included.

이를 통해 제작되는 인체의 3차원 모형은 외형적으로 인체를 모사하는 것과 함께 의료영상 촬영 시에도 인체의 조직과 유사한 영상 특성인 대조비 등까지 가질 수 있도록 하는 것이 가능하며 이는 도 15에 예시한 바와 같다. 예를 들면 인체장기의 특정 병증 모델을 3차원 모형으로 정밀하게 제작하고자 할 때 병증 부위와 그 주변부의 미세한 형상의 모사와 함께 X선 감쇠율의 부위별 변화 등을 보다 정밀하게 표현할 수 있다.The 3D model of the human body produced through this can not only externally simulate the human body, but also have a contrast ratio, which is an image characteristic similar to the tissue of the human body, even when taking a medical image, as illustrated in FIG. 15. . For example, when a specific disease model of a human organ is to be precisely manufactured as a 3D model, it is possible to more accurately express the change of the X-ray attenuation rate by region, along with the simulation of the microscopic shape of the disease area and its periphery.

또한 본 발명에 따르는 금속 나노입자를 포함한 3D 프린팅을 이용하면 금속 나노입자의 혼합 비율을 원하는 위치에 원하는 비율 및 농도로 세밀하게 조절이 가능하므로, 정해진 몇 단계의 농도로만 사용할 수 있는 재료 압출 방식에 비해서 큰 장점을 가진다. In addition, when 3D printing including metal nanoparticles according to the present invention is used, the mixing ratio of metal nanoparticles can be precisely controlled at a desired location and at a desired ratio and concentration. Compared to this, it has a big advantage.

또한 본 발명에 따르는 재료와 3D 프린팅 기술을 활용하면 수술계획 및 시뮬레이션용 인체 모형이나 수술교육 모형, 의료영상 실습용 모형을 제작하는 것 외에도, 원하는 3차원 형상을 자유롭게 제작할 수 있는 장점과 방사선의 감쇠율 및 투과율을 조절할 수 있는 장점을 이용해 방사선 치료 시 표적이 되는 환부에만 방사선 또는 양성자선이 집중적으로 조사되고 정상적인 인체조직에는 방사선 조사 선량을 최소화할 수 있도록 하는 선량 조절용 가이드를 제작하는 데 이용할 수도 있으며, 도 16은 선량 조절용 가이드를 제작한 예를 도시한 것이다. In addition, by using the materials and 3D printing technology according to the present invention, in addition to producing a human body model for operation planning and simulation, a model for surgery education, and a model for practicing medical imaging, the advantage of being able to freely produce a desired three-dimensional shape, attenuation rate of radiation, and Using the advantage of controlling the transmittance, during radiation treatment, radiation or proton rays are intensively irradiated only to the target affected area, and it may be used to manufacture a guide for dose adjustment that minimizes the radiation dose to normal human tissues.FIG. 16 Shows an example of manufacturing a guide for controlling the dose.

이에, 도 16의 선량 조절용 가이드는 방사선 치료를 위한 에너지 흡수체로 사용할 수 있어 표 1의 뼈의 2806의 흡수도 보다 더 높게 설정하여 활용할 수 있다.Accordingly, since the guide for adjusting the dose of FIG. 16 can be used as an energy absorber for radiation treatment, it can be used by setting higher than the absorption of 2806 of the bone in Table 1.

100 : 카트리지
108 : 카트리지 액츄에이터
200 : 재료분사 헤드
202 : UV 경화램프
300 : 제어장치
302 : 메모리부
304 : 통신모듈
400 : 빌딩 플레이트
100: cartridge
108: cartridge actuator
200: material injection head
202: UV curing lamp
300: control device
302: memory unit
304: communication module
400: building plate

Claims (12)

재료분사 방식의 3D 프린터에 있어서,
액체 상태의 재료A와, 상기 액체 상태의 재료A에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 재료B를 구비한 다수의 구조물용 재료와, 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지;
상기 카트리지를 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 카트리지 엑츄에이터;
상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 재료분사 헤드;
상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하는 UV 경화램프; 및
외부로부터 3D 모델 형성을 위한 3D 프린트 정보가 입력되면, 상기 카트리지 엑츄에이터를 구동함과 동시에 상기 3D 프린트 정보에 따라 상기 재료분사 헤드 및 UV 경화램프를 제어하여 상기 3D 모델을 형성하는 제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
In the material injection type 3D printer,
The liquid material A and the liquid material A are mixed with metal nanoparticles in a predetermined ratio, and the absorption of X-rays is adjusted by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles, and the adjusted absorption of X-rays is determined by the human body. A cartridge including a plurality of structural materials including a material B manufactured to be set according to the absorbency of each portion of the device, and a receiving portion for accommodating the material for forming a support;
A cartridge actuator for providing movement of the cartridge in a predetermined direction at a predetermined period;
A material spraying head receiving the support material and a plurality of structural materials contained in the cartridge and simultaneously or selectively spraying the support material and the materials A and B;
A UV curing lamp for UV curing the material for the support and the material A or the material B sprayed by the material spraying head; And
When 3D print information for forming a 3D model is input from the outside, a control device for forming the 3D model by driving the cartridge actuator and controlling the material spraying head and the UV curing lamp according to the 3D print information; Material injection type 3D printer, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 액체 상태의 재료는, 광중합성 폴리머 또는 PC 계열 폴리머이고,
상기 액체 상태의 재료에 상기 금속 나노입자가 소정 비율로 혼합되어 제조됨을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
The method of claim 1,
The liquid material is a photopolymerizable polymer or a PC-based polymer,
3D printer of a material spraying method, characterized in that the metal nanoparticles are mixed with the liquid material in a predetermined ratio.
제2항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 중 어느 하나의 나노입자임을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
The method of claim 2,
The metal nanoparticles are 3D printers of a material spraying method, characterized in that the metal nanoparticles are nanoparticles of any one of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide.
제3항에 있어서,
상기 광중합성 폴리머인 경우에는,
확장된 폐의 경우에는 전체 중량에서 산화철 또는 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
확장된 폐의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.003 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.082 중량% 이상 0.3 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
The method of claim 3,
In the case of the photopolymerizable polymer,
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight is mixed within a range of 0.16% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, mixed within a range of 4% by weight or more and 16% by weight or less,
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material is mixed within the range of 0.003% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, the mixture is in the range of 0.082% by weight or more and 0.3% by weight or less. Material injection type 3D printer, characterized in that.
제3항에 있어서,
상기 PC 계열 폴리머인 경우에는
확장된 폐의 경우에는 전체중량에서 산화철 또는 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.48 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
확장장된 폐의 경우에는 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.01 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.088 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
The method of claim 3,
In the case of the above PC-based polymer
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight is mixed in a range of 0.48% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, mixed in a range of 4% by weight or more and 16% by weight or less,
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of tungsten trioxide nanoparticles to the total weight is mixed within the range of 0.01% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, the mixture is mixed in the range of 0.088% by weight or more and 0.31% by weight or less. 3D printer with material spraying method.
제1항에 있어서,
상기 카트리지 엑츄에이터는, 3축 제어가 가능한 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 프린터.
The method of claim 1,
The cartridge actuator, a material injection method 3D printer, characterized in that the three-axis control.
3D 모델 프린팅 방법에 있어서,
액체 상태의 재료A와, 상기 액체 상태의 재료A에 금속나노입자를 소정 비율로 혼합하고, 상기 금속 나노입자의 혼합비율을 조절하여 X선의 흡수도를 조절하며, 조절된 X선의 흡수도는 인체의 각 부위별 흡수도에 맞게 설정되도록 제조한 재료B를 다수의 구조물용 재료와 지지체 형성용 재료를 수용하는 수용부를 구비하는 카트리지를 소정 주기로 소정 방향의 움직임을 제공하는 단계;
재료분사 헤드가 상기 카트리지에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 공급받아 상기 지지체용 재료와 상기 재료A와 재료B를 동시 또는 선택적으로 분사하는 단계; 및
상기 재료분사 헤드에 의해 분사되는 상기 지지체용 재료와 상기 재료 A 또는 재료 B를 UV 경화하여 3D 모델을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 모델 프린팅 방법.
In the 3D model printing method,
The liquid material A and the liquid material A are mixed with metal nanoparticles in a predetermined ratio, and the absorption of X-rays is adjusted by adjusting the mixing ratio of the metal nanoparticles, and the adjusted absorption of X-rays is determined by the human body. Providing a movement in a predetermined direction at a predetermined period in a cartridge having a receiving portion for accommodating a plurality of materials for a structure and a material for forming a support with a material B manufactured to be set to suit the absorption of each portion of the cartridge;
Receiving, by a material spraying head, a support material and a plurality of structural materials accommodated in the cartridge, and simultaneously or selectively spraying the support material and the materials A and B; And
And forming a 3D model by UV curing the material for the support and the material A or the material B sprayed by the material spraying head to form a 3D model.
제7항에 있어서,
상기 액체 상태의 재료는, 광중합성 폴리머 또는 PC 계열 폴리머이고,
상기 액체 상태의 재료에 상기 금속 나노입자가 소정 비율로 혼합되어 제조됨을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 모델 프린팅 방법.
The method of claim 7,
The liquid material is a photopolymerizable polymer or a PC-based polymer,
3D model printing method of a material spray method, characterized in that the metal nanoparticles are mixed with the liquid material in a predetermined ratio.
제8항에 있어서,
상기 금속 나노입자는 산화철, 황산바륨, 삼산화텅스텐 중 어느 하나의 나노입자임을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 모델 프린팅 방법.
The method of claim 8,
The metal nanoparticles are 3D model printing method of a material spray method, characterized in that the nanoparticles are any one of iron oxide, barium sulfate, and tungsten trioxide.
제9항에 있어서,
상기 광중합성 폴리머인 경우에는,
확장된 폐의 경우에는 전체 중량에서 산화철 또는 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
확장된 폐의 경우에는 혼합소재의 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.003 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.082 중량% 이상 0.3 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 모델 프린팅 방법.
The method of claim 9,
In the case of the photopolymerizable polymer,
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight is mixed within a range of 0.16% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, mixed within a range of 4% by weight or more and 16% by weight or less,
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of tungsten trioxide nanoparticles in the total weight of the mixed material is mixed within the range of 0.003% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, the mixture is in the range of 0.082% by weight or more and 0.3% by weight or less. 3D model printing method of a material spray method, characterized in that.
제9항에 있어서,
상기 PC 계열 폴리머인 경우에는
확장된 폐의 경우에는 전체중량에서 산화철 또는 황산바륨 나노입자의 조성비는 0.48 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 4 중량% 이상 16 중량% 이하의 범위에서 혼합하고,
확장장된 폐의 경우에는 전체중량에서 삼산화텅스텐 나노입자의 조성비는 0.01 중량% 이하의 범위에서 혼합하고, 수축된 폐 및 근육의 경우에는 0.088 중량% 이상 0.31 중량% 이하의 범위에서 혼합하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 모델 프린팅 방법.
The method of claim 9,
In the case of the above PC-based polymer
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of iron oxide or barium sulfate nanoparticles in the total weight is mixed in a range of 0.48% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, mixed in a range of 4% by weight or more and 16% by weight or less,
In the case of enlarged lungs, the composition ratio of tungsten trioxide nanoparticles to the total weight is mixed within the range of 0.01% by weight or less, and in the case of contracted lungs and muscles, the mixture is mixed in the range of 0.088% by weight or more and 0.31% by weight or less. 3D model printing method using the material spraying method.
제7항에 있어서,
3축 제어가 가능한 카트리지 액츄에이터를 더 구비하고,
상기 카트리지 액츄에이터가 상기 카트리지를 소정 주기로 흔들어 상기 카트리지의 수용부에 수용된 지지체용 재료와 다수의 구조물용 재료를 교반하는 것을 특징으로 하는 재료분사 방식의 3D 모델 프린팅 방법.
The method of claim 7,
Further provided with a cartridge actuator capable of 3-axis control,
The 3D model printing method of the material injection method, characterized in that the cartridge actuator shakes the cartridge at a predetermined period to agitate the support material and a plurality of structural materials accommodated in the receiving portion of the cartridge.
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