KR102432724B1

KR102432724B1 - 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3d프린팅 방법

Info

Publication number: KR102432724B1
Application number: KR1020200108383A
Authority: KR
Inventors: 최문수
Original assignee: 주식회사 쓰리디코리아
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-08-17
Also published as: KR20220029801A

Abstract

본 발명은 뼈의 내부 구조에 대응하여 서로 다른 재료가 내장된 복수 개의 카트리지와 각각의 상기 카트리지와 연결된 재료를 출력하는 복수 개의 노즐로 구성된 3D프린터를 준비하는 단계, MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격 형상 및 골격 부위별 밀도와 뼈 내부 구조를 스캔하는 단계, 상기 스캔된 데이터를 3D모델링 CAD 데이터로 변환하여 단계, 상기 3D모델링 CAD 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계, 상기 복수 개의 상기 노즐 중에서 뼈의 내부 구조에 대응되는 재료를 출력하는 상기 노즐(N)을 선택적으로 사용하여 뼈 내부 구조를 출력하는 단계 및 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터로 출력하는 단계, 상기 출력과정을 통해 인체 골격 조형물을 생성하여 완성하는 단계를 거쳐 진행되는 것을 일 특징으로 한다.

Description

실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법{3D printing method of a dummy for simulation with skeletons similar to the skeleton human body}

본 발명은 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법에 관한 것으로, 구체적으로 인체 골격 및 인체조직과 유사 또는 동일 수준의 인체 복제품을 3D프린터로 제작하여 뼈 질환자의 치료와 자동차, 탑승용 드론과 같은 이동수단의 안전성 시험 등에 활용할 수 있는 기술 분야에 관한 것이다.

종래에는 3차원의 입체 형상을 가진 시제품을 제작하기 위해서는 설계도면에 의존하여 일일이 수작업에 의해 이루어지는 목업 제작방식과 컴퓨터 제어를 통한 CNC 밀링에 의한 제작방식 등이 있다.

이와 같은 목업 제작방식은 수작업에 의하므로 정교한 수치제어가 어렵고, 설계도면과 정확하게 일치하지 않을 뿐만 아니라 상당히 많은 시간이 소요되는 단점이 있으며, CNC 밀링에 의한 제작방식은 정교한 수치제어가 가능하지만 공구 간섭에 의하여 가공하기 어려운 형상이 많다는 단점이 있었다.

이와 같은 단점으로 인해 최근에는 3D모델링 정보로부터 3D프린팅 데이터를 생성하고 이를 적층 방식의 3D프린팅 출력과정을 통해 3차원 입체 형상의 시제품을 제작할 수 있는 3차원 프린터 방식이 등장하게 되었다.

이러한 3D프린터의 활용은 간단한 목업 제작에서부터 건축, 금속가공 등 그 분야와 영역을 넓혀 나아가고 있으며 최근 3D프린터는 인공 피부에서 치과용 인플란트, 투명교정기, 인공관절, 시험용 인체 더미 등 의료와 다양한 산업 분야에 그 영역이 확대되고 있다.

이러한 인공 관절 및 인체를 그대로 복제한 시험용 인체 더미는 실제 인체 골격과 뼈의 내부 구조 및 특성과 유사 또는 동일 수준이 요구되고 있으며, 이를 통해 환자의 수술 성공률을 높일 수 있으며, 시험용 인체 더미를 활용한 차량, 헬기, 탑승용 드론과 같은 다양한 이동수단의 충돌시험 시 실제 사고에 따른 충격이 인체에 미치는 영향력을 종래보다 정확하게 시험할 수 있다.

또한, 기존의 차량 안전성 검사용 인체 더미는 실제 인체와 비교하여 2~4배 이상 무겁고, 실제 인체 특성과 다른 모형을 사용하고 있어 인체 더미를 사용한 시험환경이 실제 사고 시의 환경과 상당한 차이가 있어 실제 사고 시 발생되는 탑승자의 인체에 미치는 상태변화를 정확하게 측정하는 데 한계가 있으며, 구체적으로 종래에는 단순히 센서에서 입력되는 충격강도만을 측정하여 판별하므로 실제 사고 시 환자의 골절상태 등에 따른 인체에 미치는 영향력을 정확하게 알기 어려운 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예는 인체와 유사 또는 동일 수준의 인체 골격 및 인체조직의 특성을 복제할 수 있는 3D프린팅 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 인체 골격과 뼈를 출력하기 위한 3D프린팅 방법에 있어서, 뼈의 내부 구조에 대응하여 서로 다른 재료(4)가 내장된 복수 개의 카트리지(C)와 각각의 상기 카트리지(C)와 연결된 재료(4)를 출력하는 복수 개의 노즐(N)로 구성된 3D프린터(1)를 준비하는 단계(S1), MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격 형상 및 골격 부위별 밀도와 뼈 내부 구조를 스캔하는 단계(S2), 상기 스캔된 데이터를 3D모델링 CAD 데이터로 변환하여 단계(S3), 상기 3D모델링 CAD 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계(S4), 상기 복수 개의 상기 노즐(N) 중에서 뼈의 내부 구조에 대응되는 재료(4)를 출력하는 상기 노즐(N)을 선택적으로 사용하여 뼈 내부 구조를 출력하는 단계(S5) 및 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6), 상기 출력과정을 통해 인체 골격 조형물(51)을 생성하여 완성하는 단계(S7)를 거쳐 진행되는 것을 일 특징으로 한다.

여기서, 상기 뼈의 내부 구조는 연골, 골막, 골 스펀지로 나누어지고, 상기 연골, 상기 골막, 상기 골 스펀지에 대응하는 특성의 재료(4)를 사용하여 출력할 수 있다.

여기서, 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6)에 있어서, 상기 해당 골격 부위별 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 방법은 3D프린터(1)의 노즐(N)에서 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 토출되는 재료(4)의 토출량을 조절하여 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S61)를 거쳐 뼈의 밀도를 단계별로 변경하여 출력하거나, 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 출력물의 구조체 형상을 변경하여 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S62)를 통해 뼈의 밀도를 제어하여 생성되는 골격 부위별 밀도를 변경하여 출력할 수 있도록 제공될 수 있다.

또한, 상기 출력과정을 통해 인체 골격 조형물(51)을 생성하여 완성하는 단계(S7) 이후에는, 인체 외형을 3D스캐너(2)로 스캔하여 인체 외형 3D모델링 CAD 데이터의 생성하는 단계(S8) 및 인체 외형 3D모델링 CAD 데이터에 대응하는 주형 틀(3) 데이터로 변환하는 단계(S9), 상기 주형 틀(3) 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계(S10), 상기 3D프린팅 출력 데이터로 상기 주형 틀(3)을 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S11)를 더 포함하여 진행 될 수 있다.

또한, 3D프린팅 출력 데이터로 상기 주형 틀(3)을 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S11) 이후에는, 상기 인체 골격 조형물(51)에 사전에 설정된 골격 위치에 센서(5)를 부착하는 단계(S12), 상기 주형 틀(3)에 상기 센서(5) 부착된 상기 인체 골격 조형물(51)을 삽입한 다음에 상기 주형 틀(3)에 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)를 채워 경화시키는 단계(S13), 상기 과정을 통해 완성된 시뮬레이션용 인체 더미(5)를 사용하여 사전에 설정된 가상 시나리오에 따라 충격시험을 진행하는 단계(14), 상기 충격시험이 완료된 이후에는 상기 인체 더미(5)를 MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격의 변화상태를 측정하는 단계(15)를 더 포함하여 진행될 수 있다.

여기서, 위의 센서(52)는 압력 센서, 가속도 센서, 지자기 센서, 방위 센서, 유선 통신 센서, 무선 통신 센서 등으로 구성될 수 있으며, 충격시험 등 다양한 시험을 하기 위한 다른 추가적인 센서들도 포함될 수 있다.

또한, 위에서 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)는 사람의 피부와 같은 비중과 탄력을 제공하기 위하여 비중이 0.98

내지 1.04

인 재료(4)가 사용될 수 있으며, 표면층은 탄성계수가 140kPa 내지 600 kPa이고 내부층은 2kPa 내지 80kPa의 특성을 가진 재료(4)를 사용할 수도 있다.

본 발명을 통해 인체와 유사 또는 동일 수준의 인체 골격 및 인체조직의 특성을 복제할 수 있는 3D프린팅 방법을 제공하여, 실제 뼈를 복제한 수준의 인공 관절을 통한 뼈 질환자의 정밀수술과 수술 후 재활 효과를 높이고, 실제 수술 이전에 실제 수술환경과 동일 수준의 가상수술을 진행하여 수술 정확도와 성공률을 높일 수 있다.

한편, 차량, 헬기, 탑승용 드론과 같은 다양한 이동수단의 안전성 테스트에 활용하여 실제 인체와 유사 또는 동일 수준으로 복제된 인체 더미를 사용하여 시험함으로써 시험환경의 정확도를 높이고, 충격시험 이후에 MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격의 변화상태를 측정하는 과정을 통해 실제 사고 상황별 인체에 미치는 영향을 의학적으로 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 골격 부위별 밀도 차이에 관한 설명을 보조하기 위한 주요관절 부위별 명칭을 도시한 예시도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예의 뼈 내부 구조에 관한 설명을 보조하기 위한 주요 뼈 내부 구조를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법에 관한 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 시뮬레이션용 인체 더미를 출력할 수 있는 3D프린터의 구성부와 출력장면을 예시한 사시도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 실제 사람의 인체골격 밀도에 대응하여 3D프린터로 인체 골밀도를 제어하여 출력하는 방법에 관한 과정을 설명하는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 인체 뼈와 골격을 출력할 수 있는 3D프린터로 인체 뼈를 출력한 후 이를 절개한 샘플 사진으로써, 토출량 또는 구조체 형상 제어에 따라 골 밀도를 다르게 제어하여 출력한 출력물의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 인체 외형을 3D스캐너로 스캔하여 3D프린터로 인체 외형에 대응되는 주형 틀을 출력하는 방법에 관한 과정을 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 인체 외형을 3D스캐너로 스캔하여 3D 모델링을 생성하는 과정의 예시도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따라 인체 외형에 대응되는 주형 틀을 출력하는 3D프린터 및 출력장면을 예시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D프린터로 출력된 인체 골격 조형물에 센서를 부착하고 주물 공정을 통해 시뮬레이션용 인체 더미를 완성한 다음 이를 사용해 충격시험을 진행한 후 이를 MRI, CT촬영을 통해 변화상태를 측정하는 과정을 예시적으로 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 방법의 3D프린팅 과정을 통해 완성된 인체 골격 조형물에 센서가 부착된 상태를 예시한 예시도이다.
도 12은 본 발명의 일 실시예에 따라 주물 공정통해 시뮬레이션용 인체 더미를 제작하기 위해 센서가 부착된 인체 골격 조형물을 주형 틀에 삽입한 상태를 예시한 사시도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예를 통해 완성된 시뮬레이션용 인체 더미를 예시한 샘플이다.

본 발명은 실제 뼈와 동일한 수준의 인체 뼈 또는 골격을 3D프린터로 출력하여, 골절, 연골질환 등 다양한 뼈 질환 환자의 인공 뼈를 제작하여 치료하거나, 실제 수술 단계에서 수술의 정확도와 성공률을 높이기 위해 실제 뼈 수술 이전에 해당 환자의 인체 뼈 및 골격과 같은 뼈 복제품을 사용하여 실제와 유사한 수준의 가상수술환경에서 수술 시뮬레이션을 진행하거나, 차량, 헬기, 탑승용 드론과 같은 다양한 이동수단의 충돌시험과 같이 다양한 사고상황별 시나리오에 따라 실제 사고에 따른 충격이 인체에 미치는 영향력을 검사할 수 있도록 인체와 인체 골격과 조직을 특성을 복제한 바이오 클론 더미(bio Clone dummy)를 제작하는 3D프린팅 방법에 관하여 설명한다,

여기서, 바이오 클론 더미(bio Clone dummy)란 인체 골격 및 조직과 유사 또는 동일 수준의 복제품으로써, 치료목적의 의료 분야에서 이동수단의 탑승자 안전성 실험, 가상의 인체실험 등의 연구 분야에 다양하게 활용될 수 있는 인체 복제품을 의미한다.

본 발명을 설명하기에 앞서 인체의 뼈의 총 개수는 206에서 270개로 구성되어 있으나, 도 1에 도시된 바와 같이 인체의 뼈는 뼈의 밀도에 차이에 따라 크게 ‘두개골, 턱관절, 견관절, 늑골, 주관절, 고관절, 대퇴골로 7개의 골격 파트로 크게 나누어질 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이 인체 뼈의 내부 구조별 요소는 크게 인체 뼈의 내부 구조는 크게 관절과 관절 사이를 이어주는 연골과 뼈의 표면을 덮는 밀도가 높은 골막과 골 내부의 연성의 골 스펀지로 이루어져 있다. 실제 뼈와 동일한 수준의 뼈 시뮬레이터를 3D프린터로 출력하기 위해서는 위에서 설명한 연골, 골막, 골 스펀지 3가지의 소재로 구성되어야 한다,

이러한, 바이오 클론 더미(bio Clone dummy)를 3D프린터로 제작하기 위해서는 위에서 언급한 내용과 같이 각 골격 부위별로 밀도를 다르게 출력해야 하고, 뼈 내부 구조별(연골, 골막, 골 스펀지)로 유사한 소재를 사용하여 뼈를 출력하는 과정과 3D프린터로 주형 틀(mould)을 제작한 다음에 완성된 인체 골격에 센서를 붙인 부착한 다음에 주형 틀에 피부와 유사한 소재의 액상 재료(4)를 부은 후 이를 경화시켜 완전히 굳혀지면 주형 틀에서 완성된 인체 더미를 떼어내어 완성하는 단계를 거치게 된다.

위에서 완성된 인체 더미를 사용하여 뼈 치료목적의 사전 모의 수술용 시뮬레이터로 활용 하거나, 전기차, 드론택시 등 다양한 이동수단의 안전성 검사를 위한 충격시험, 그 외 각종 과학 시험용도 활용될 수 있는데 충격시험의 경우에 완성된 인체 더미를 사용하여 사전에 기획된 가상의 시나리오에 따라 충격시험을 완료한 후 충격으로 파손된 인체 더미를 MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격의 변화상태를 측정함으로써, 안전성 검사와 사고, 충격 등으로 인한 인체의 손상 정도를 실제와 동일한 환경에서 분석할 수 있으며 향후, 이러한 정보를 지속적으로 수집하여 빅데이터화하면 인공지능을 통해 실제 시험을 하지 않고도 실제 각종 안전사고 등으로 인한 충격 시 발생되는 인체 손상의 여부를 정확히 예측할 수 있는 자료로도 활용될 수 있다.

이하, 본 발명의 인체 골격과 뼈를 출력하기 위한 3D프린팅 방법에 관하여 도 3과 도4를 참조하여 설명하면,

인체 골격과 뼈를 출력하기 위한 3D프린팅 방법에 있어서,

뼈의 내부 구조에 대응하여 서로 다른 재료(4)가 내장된 복수 개의 카트리지(C)와 각각의 상기 카트리지(C)와 연결된 재료(4)를 출력하는 복수 개의 노즐(N)로 구성된 3D프린터(1)를 준비하는 단계(S1), MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격 형상 및 골격 부위별 밀도와 뼈 내부 구조를 스캔하는 단계(S2), 상기 스캔된 데이터를 3D모델링 CAD 데이터로 변환하여 단계(S3), 상기 3D모델링 CAD 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계(S4), 상기 복수 개의 상기 노즐(N) 중에서 뼈의 내부 구조에 대응되는 재료(4)를 출력하는 상기 노즐(N)을 선택적으로 사용하여 뼈 내부 구조를 출력하는 단계(S5) 및 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6), 상기 출력과정을 통해 인체 골격 조형물(51)을 생성하여 완성하는 단계(S7)를 거쳐 진행되는 것을 일 특징으로 한다.

구체적인 예로 들어 설명하면 도 4에서 도시된 바와 같이 인체 골격 전신 또는 일부를 출력할 수 있는 상기 3D프린터(1)는 연골, 골막, 골 스펀지와 동일 또는 유사한 재료(4)가 1개 이상 선택적으로 내장된 복수 개의 카트리지(C)가 탑재되어 있으며, 카트리지(C)와 1대1로 하나씩 연결되어진 노즐(N)에서 카트리지(C)에 내장된 재료(4)를 사용해서 출력하고 이를 적층 및 경화시킴으로써 출력하였다.

이때 MRI, CT 촬영을 통해 실제 골격 형상과 골격 부위별 밀도를 촬영하고, 이를 3D 모델링 데이터 변환과정과 3D프린팅 출력데이터 변환과정을 거쳐 생성된 골격 부위별 밀도에 따라 뼈 내부 구조를 예측할 수 있는 프로그램 사용하여 골격 부위별 뼈 내부 구조에 대한 데이터를 생성하는 과정을 거치게 된다. 다음으로 위에서 생성된 뼈 내부 구조에 대한 데이터에 대응하여 연골, 골막, 골 스펀지로 나누어진 구성요소에 따라 해당하는 재료(4)를 출력할 수 있는 노즐(N)을 사용해서 출력하여 실제 뼈와 유사한 조형물을 생성할 수 있다, 또한, MRI, CT 촬영을 통해 스캔 된 실제 사람의 골격 부위별 밀도에 대응하여 3D프린터(1)를 사용해 해당 부위별 밀도와 동일 또는 유사한 수준의 뼈 및 골격 조형물을 출력하였다.

이러한, 위의 전체 과정을 통해 실제 사람의 인체 골격 및 뼈 내부 구조와 동일 또는 유사 수준의 뼈 조형물을 최종적으로 생성함으로써, 뼈와 관련한 의료 분야 및 시험, 연구 분야에 활용할 수 있다.

여기서, 상기 3D프린터(1)는 열가소성 필라멘트를 카트리지(C) 재료(4)로 사용하여 이를 노즐(N)에서 용융하여 출력하는 FDM 타입의 3D프린터가 사용될 수도 있고, UV광에 의해 경화되는 광경화 레진을 카트리지(C) 재료(4)로 사용하여 출력하는 DLP/SLA 타입의 3D프린터가 사용될 수 있다. 그 외도 다양한 방식으로 출력되는 3D프린터를 포함할 수 있다.

이러한, 과정을 통해 실제 뼈와 동일한 수준의 인체 뼈와 일부 또는 전신의 골격을 제작할 수 있어, 폐쇄골절, 개방골절, 분쇄골절, 분절골절, 종골절, 횡골절, 사골절, 나선골절, 유아골절 등 뼈 골절환자와 반월상 연골 파열, 십자인대 파열, 슬개골 연골 연화증, 재발성 견관절 탈구, 급성 외상성 견관절 전방 탈구, 회전근개 건파열 등 연골 및 관절 질환자를 치료하는 목적으로 사용할 수 있다. 위의 과정으로 생성된 인공관절 및 인공연골을 사용해 기존의 인체 뼈를 대체삽입함으로써 수술하는 직접적인 치료목적으로도 활용 될 수 있으며, 복잡골절과 같이 수술 난이도가 높은 경우, 실제 환자의 관절 상태와 동일한 뼈를 출력하여 수술 방법의 연구 및 실제 환자 상태와 동일한 특성의 인공관절을 3D프린터로 출력해서 실제 수술에 들어가기 전에 가상의 모의 수술을 먼저 진행함으로써, 수술의 정밀성과 성공률을 높일 수 있다.

여기서, 도 5를 참조하여 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6)에 있어서, 상기 해당 골격 부위별 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 방법은 3D프린터(1)의 노즐(N)에서 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 토출되는 재료(4)의 토출량을 조절하여 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S61)를 거쳐 뼈의 밀도를 단계별로 변경하여 출력하거나, 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응되는 출력물의 구조체 형상을 변경하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S62)를 통해 뼈의 밀도를 제어하여 생성되는 골격 부위별 밀도를 다르게 출력할 수 있도록 제공될 수 있다.

도 6의 실시예를 통해 구체적으로 살펴보면, 도 6은 실제 뼈 내부별로 서로 다른 재료(4)를 사용하여 실제 뼈와 동일한 뼈 구조물을 한번에 출력할 수 있는 3D프린터를 제작하여 연골, 골막, 골 스펀지 구성요소별로 다른 소재로 뼈 관절 부위를 출력한 후 단면을 절개한 사진이다,

도 6에서 살펴보면 골막 부위는 상기 노즐(N)에서 출력되는 상기 재료(4)의 토출량을 변경 및 제어하여 골막의 밀도를 조절하여 출력하였는데, 이는 골 스펀지와 달리 해면 일정한 간격으로 구멍이 뚫린 해면 구조가 없이 조밀한 구조로 되어있어서 구조체 형상의 변경을 통해 뼈의 밀도를 조절하게 되면 실제 뼈의 구조와 달라지므로 토출량만을 제어하여 밀도를 조절하였으며, 골 스펀지 부위의 경우에는 도 6에서 보는 바와 같이 일정한 간격으로 조밀한 해면 구멍을 가지고 있어 이러한 해면 구조체의 크기 및 간격 등 형상을 제어하여 뼈의 밀도를 제어하였다.

또한, 도 7를 참조하여 상기 출력과정을 통해 인체 골격 조형물(51)을 생성하여 완성하는 단계(S7) 이후에는, 인체 외형을 3D스캐너(2)로 스캔하여 인체 외형 3D모델링 CAD 데이터의 생성하는 단계(S8) 및 인체 외형 3D모델링 CAD 데이터에 대응하는 주형 틀(3) 데이터로 변환하는 단계(S9), 상기 주형 틀(3) 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계(S10), 상기 3D프린팅 출력 데이터로 상기 주형 틀(3)을 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S11)를 더 포함하여 진행 될 수 있다.

구체적인 실시예로써, 도 8에서 인체 전신의 외형(체형)을 3D스캐너(2)로 스캔하는 과정을 거쳐 3D스캐너(2)로 인체 외형을 스캔이 완료되어 3D모델링 CAD 데이터가 생성되면, 3D모델링 CAD 데이터의 인체 외부 형태를 따라 경화성 액체를 거푸집 형틀(mould)에 부어 물체를 제작할 수 있는 주형 틀(3)을 3D CAD로 재설계한 다음에 이를 표준 3D프린팅 출력 데이터로 변환하여 도 9에서 도시되 바와 같이 3D프린터(1)로 주형 틀(3)을 출력하여 제작하였다.

또한, 도 10를 참조하여 상기 3D프린팅 출력 데이터로 상기 주형 틀(3)을 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S11) 이후에는,

상기 인체 골격 조형물(51)에 사전에 설정된 골격 위치에 센서(5)를 부착하는 단계(S12);

상기 주형 틀(3)에 상기 센서(5) 부착된 상기 인체 골격 조형물(51)을 삽입한 다음에 상기 주형 틀(3)에 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)를 채워 경화시키는 단계(S13), 상기 과정을 통해 완성된 시뮬레이션용 인체 더미(5)를 사용하여 사전에 설정된 가상 시나리오에 따라 충격시험을 진행하는 단계(14), 상기 충격시험이 완료된 이후에는 상기 인체 더미(5)를 MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격의 변화상태를 측정하는 단계(15)를 더 포함하여 진행될 수 있다.

여기서, 위의 센서(52)는 압력 센서, 가속도 센서, 지자기 센서, 방위 센서, 유선 통신 센서, 무선 통신 센서 등으로 구성될 수 있으며, 충격시험 등 다양한 시험을 하기 위한 추가적인 다른 센서들도 포함될 수 있다.

구체적인 예로써, 도 11은 완성된 인체 골격 조형물(51)에 센서(52)를 부착된 예시도이다. 도 11에서 다양한 측정시험 시나리오에 맞게 측정하고자 하는 위치에 요구되는 센서(52)를 부착함으로써 속도, 방향, 충격량 등이 인체에 미치는 영향을 측정할 수 있는 시뮬레이션용 인체 더미(5)를 제작할 수 있다.

다음으로 도 12에서 완성된 주형 틀(3)에 센서(52)가 부착된 인체 골격 조형물(51)을 넣은 후 경화성 액체를 부어 경화시키는 주물 공정을 통해 최종적으로 도 13의 시뮬레이션용 인체 더미(5)를 완성하였다.

내지 1.04

인 재료(4)가 사용될 수 있으며, 인체 피부를 형성하는 표면층의 경우 탄성계수가 140kPa 내지 600 kPa이고 내부층은 2kPa 내지 80kPa의 특성을 가진 재료(4)를 사용할 수도 있다.

구체적인 예로써, 시뮬레이션용 인체 더미(5)의 인체 내부의 조직을 형성하는 재료(4)로는 젤라틴 계열(비중: 0.6~0.7

)의 소재에 비중이 1

보다 높은 필러 첨가물을 일정 비율로 혼합하여 사용하여 비중을 인체조직의 비중과 탄성체를 가진 소재를 제조할 수 있다.

보다 구체적인 실시 예로 인체 조직의 비중은 평균적으로 1,.02

±0.2 의 비중을 가지고 있으며, 해당 비중과 동일한 비중을 맞추기 위해서 0.68

비중의 젤라틴(gelatin) 함량비율 77%에 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene) 분말을 함량비율 23%로 혼합하여 1.02

비중의 인체조직과 유사한 비중과 탄성을 가진 소재를 제조하여 사용하였다.

또한, 시뮬레이션용 인체 더미(5)의 표면의 얇은 피부조직을 형성하는 재료(4)로는 실리콘에 실록산 빌딩 블록을 혼합한 액상 재료(4)를 사용하거나, 실리콘에 ePTFE(expanded-polyte trafluoroe thylene)재료(4)를 혼합한 실리콘 소재가 사용될 수 있다.

이러한, 인체 피부 및 인체조직과 유사한 재료(4)를 사용해야 하는 이유는 시뮬레이션용 인체 더미(5)를 사용하여 다양한 이동수단에서 사고 및 충돌시험, 안전성 시험 시 인체조직과 유사한 탄성과 강도를 가지고 있어야 실제 사람으로 실험한 것과 같은 효과를 가질 수 있으며, 시험이 완료된 이후에 MRI, CT 촬영을 통해 인체 조직 및 골격의 파손 상태를 검사하는 과정에서 인체 조직의 평균적인 비중인 1.02

(오차범위±0.02

)의 재료(4)를 사용하여야만 방사선이 정상적으로 투과하여 정확한 진단이 가능하기 때문이다.

결론적으로, 상기의 방법을 통해 인체 뼈와 유사 또는 동일한 수준의 인체 뼈를 3D프린터로 출력하여 기존의 파손된 인체 뼈를 대체하는 인공 뼈로도 사용할 수도 있으며, 이를 실제 뼈 수술환경과 동일한 수준의 모의 수술용 시뮬레이터로 활용하여 수술 전에 가상의 수술을 시행함으로써 수술의 정확도와 성공률을 높일 수 있으며, 차량, 헬기, 탑승용 드론 등 다양한 이동수단의 충돌사고의 안전성 시험에도 활용할 수 있다.

1: 3D프린터
2: 3D스캐너
3: 주형 틀
4: 재료
5: 시뮬레이션용 인체 더미
51: 인체 골격 조형물
52: 센서
C: 카트리지
N: 노즐

Claims

인체 골격과 뼈를 출력하기 위한 3D프린팅 방법에 있어서,
뼈의 내부 구조에 대응하여 서로 다른 재료(4)가 내장된 복수 개의 카트리지(C)와 각각의 상기 카트리지(C)와 연결된 재료(4)를 출력하는 복수 개의 노즐(N)로 구성된 3D프린터(1)를 준비하는 단계(S1);
MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격 형상 및 골격 부위별 밀도와 뼈 내부 구조를 스캔하는 단계(S2);
상기 스캔된 데이터를 3D모델링 CAD 데이터로 변환하여 단계(S3);
상기 3D모델링 CAD 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계(S4);
상기 복수 개의 상기 노즐(N) 중에서 뼈의 내부 구조에 대응되는 재료(4)를 출력하는 상기 노즐(N)을 선택적으로 사용하여 뼈 내부 구조를 출력하는 단계(S5); 및
인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6);
상기 출력과정을 통해 인체 골격 조형물(51)을 생성하여 완성하는 단계(S7);
인체 외형을 3D스캐너(2)로 스캔하여 인체 외형 3D모델링 CAD 데이터의 생성하는 단계(S8); 및
인체 외형 3D모델링 CAD 데이터에 대응하는 주형 틀(3) 데이터로 변환하는 단계(S9);
상기 주형 틀(3) 데이터를 3D프린팅 출력 데이터로 변환하는 단계(S10);
상기 3D프린팅 출력 데이터로 상기 주형 틀(3)을 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S11);
상기 인체 골격 조형물(51)에 사전에 설정된 골격 위치에 센서(5)를 부착하는 단계(S12);
상기 센서(5)는 압력 센서, 가속도 센서, 지자기 센서, 방위 센서, 유선 통신 센서, 무선 통신 센서 중 1 이상 선택되어 부착되어지고
상기 주형 틀(3)에 상기 센서(5) 부착된 상기 인체 골격 조형물(51)을 삽입한 다음에 상기 주형 틀(3)에 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)를 채워 경화시키는 단계(S13);
로 진행되는 것을 특징으로 하는 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
제 1항에 있어서,
상기 복수 개의 상기 노즐(N) 중에서 뼈의 내부 구조에 대응되는 재료(4)를 출력하는 상기 노즐(N)을 선택적으로 사용하여 뼈 내부 구조를 출력하는 단계(S5)에 있어서,
상기 뼈의 내부 구조는 연골, 골막, 골 스펀지로 나누어지고, 상기 연골, 상기 골막, 상기 골 스펀지에 대응하는 특성의 재료(4)를 사용하여 출력하는 것을 특징으로 하는
실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
제 1항에 있어서,
상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6)에 있어서,
상기 해당 골격 부위별 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 방법은
3D프린터(1)의 노즐(N)에서 상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 토출되는 재료(4)의 토출량을 조절하여 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S61)
로 진행되는 것을 특징으로 하는 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
제 1항에 있어서,
상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응하여 해당 골격 부위별로 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S6)에 있어서,
상기 해당 골격 부위별 밀도를 제어하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 방법은
상기 인체 골격 부위별 밀도에 대응되는 출력물의 구조체 형상을 변경하여 상기 3D프린터(1)로 출력하는 단계(S62)
로 진행되는 것을 특징으로 하는 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
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삭제
제 1항에 있어서,
상기 주형 틀(3)에 상기 센서(5) 부착된 상기 인체 골격 조형물(51)을 삽입한 다음에 상기 주형 틀(3)에 상기 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)를 채워 경화시키는 단계(S13) 이후에는,
완성된 시뮬레이션용 인체 더미(5)를 사용하여 사전에 설정된 가상 시나리오에 따라 충격시험을 진행하는 단계(14);
상기 충격시험이 완료된 이후에는 상기 인체 더미(5)를 MRI, CT 촬영을 통해 인체 골격의 변화상태를 측정하는 단계(15);
더 포함하여 진행되는 것을 특징으로 하는 실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
제 1항에 있어서,
상기 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)는 비중이 0.98
내지 1.04
인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는
실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
제 1항에 있어서,
상기 인체 피부 및 인체조직과 유사한 특성을 가진 경화성 액상 재료(4)는 탄성계수가 140kPa 내지 600 kPa이고 내부층은 2kPa 내지 80kPa인 것을 특징으로 하는
실제 인체와 유사한 골격을 포함한 시뮬레이션용 인체 더미의 3D프린팅 방법.
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