KR102566644B1 - 3d스캐닝과 3d프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 3D 스캐너와 하지 지지 장치를 이용하여 종아리와 발바닥을 3D 스캐닝하고, 이를 통해 획득한 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 제작하는 방법으로서, 사용자의 종아리가 상기 종아리 거치대에 위치하고, 발바닥이 상기 제2지지대에 위치한 상태에서 발바닥과 종아리가 90°각도를 이루도록 상기 제1각도조절기와 제2각도조절기를 조절하는 1단계; 상기 하지 스캔 장치를 이용하여 종아리와 발바닥을 3D 스캐닝하여, 3D 스캔 이미지를 생성하는 2단계; 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기의 표면을 생성하는 3단계; 상기 생성한 표면에서 불필요한 부위를 제거하여 단하지 보조기의 디자인을 설계하는 4단계; 상기 설계된 단하지 보조기를 3D 프린터를 통해 출력하는 5단계; 및 상기 3D프린터를 통해 출력된 단하지 보조기에 사용자의 발과 밀접하게 접촉하도록 조임부를 부착하는 6단계;를 포함하는 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법을 제공한다.

Description

3D스캐닝과 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법{process for ankle foot orthosis using 3D scanning and 3D printing}

본 발명은 족하수 방지 및 발목 근육의 불균형 해결을 위한 단하지 보조기에 관한 것이며, 구체적으로는 3D스캐닝과 3D프린팅 기술을 적용한 단하지 보조기 제조 방법에 대한 것이다.

뇌성마비(Cerebral Palsy, CP) 또는 뇌졸중(Stroke) 장애인 등과 같은 중추신경계 손상 환자의 경우 하지 마비가 발생함에 따라 발목근육의 강직(spasticity), 약화(weakness) 등에 의해 족하수 등과 같은 증상이 발생하고 이로 인해 보행에 어려움이 존재한다.

족하수(foot drop)란 보행 동안 족관절(발목관절)의 자동적 배굴 및 외번이 이루어지지 않아 발을 충분히 들어올리지 못하는 증상으로써, 환자들은 발을 제대로 들어올릴 수 없으므로 보행 시 발을 끌게 되거나 옆으로 큰 궤적을 이루면서 부자연스럽게 보행을 하게 된다. 족하수는 주로 중추 및 말초신경계의 마비로 인해 발목 주위에 있는 앞정강이근의 활동이 정상적으로 이루지지지 않아서 발생되며 특히, 경련성 마비환자들에게 자주 나타난다. 이러한 족하수는 뇌혈관과 관련된 사고나 척수 손상 혹은 발과 관련된 신경근육시스템에서 근육을 활성화시키는데 요구되는 근육과 신경의 손상, 대개 총비골신경계 손상, 중추신경계 손상 등으로 초래되는 것으로 알려져 있다.

족하수 증상을 보이는 환자들은 발이 아래로 떨어지는 경우뿐만 아니라 근육을 지배하는 신경근의 마비 또는 약화로 인해 발 주변의 근육들이 균형적으로 발을 지지하지 못하고 어느 한 쪽의 근육이 약화되거나 강직이 불균형적으로 발생하기도 한다. 이러한 상태가 지속되는 경우 발목 근육의 불균형은 심화되고, 발이 좌측 또는 우측으로 틀어지는 경우도 함께 발생할 수 있다. 이 경우 증상 치료 및 재활을 위하여 아래로 떨어지는 발을 끌어올림과 동시에 편마비에 의해 틀어진 발의 균형을 맞추는 것이 매우 중요하다.

편마비 뇌졸중 장애인은 비대칭적인 자세로 인해 일상생활에서 다양한 활동의 어려움이 존재한다. 특히 보행 시 족하수는 반장슬(Back Knee)과 같은 증상에도 영향을 미치고, 이밖에도 비장애인에 비해 느린 보행 속도, 짧은 보폭, 비대칭 보행, 마비측 통증 유발 등으로 인해 보행능력이 현저히 떨어지게 된다. 이처럼 보행에 어려움이 있는 이들의 보행을 보조하고, 발목의 추가적인 변형을 방지하기 위해 단하지 보조기(Ankle-foot-orthosis, AFO)를 사용한다.

종래의 단하지 보조기는 대부분 철, 알루미늄과 같은 금속재질로 제작되었지만, 최근에는 플라스틱 재질의 단하지 보조기가 계속해서 개발되고 있다. 하지만 플라스틱 단하지 보조기는 단단하기 때문에 보행 시 형상이 변하지 않아 관절의 운동범위가 제한된다. 더불어 플라스틱 단하지 보조기를 계속해서 착용하면 피부에 욕창(Pressure Sore)이 발생하는 등 착용성이 저하되고, 단하지 보조기를 착용하는 마비측 하지는 기존에 환자가 사용하던 신발보다 더 크게 신발을 착용해야 하는 불편함이 존재한다. 이러한 단점들로 인해 뇌졸중 장애인은 단하지 보조기의 착용을 꺼려한다.

공개특허공보 제10-2021-0132365호 : 3D 스캔 수단을 이용한 발목의 휨 정도를 판정하는 방법 및 이를 이용하여 제작된 발목 보조기기

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사용성과 착용감을 개선하고 심미성을 향상시키는 3D 스캐닝-3D프린팅 기반의 수동형 단하지 보조기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 하지 지지 장치(100)를 이용하여 종아리와 발바닥이 90°각도를 이루게 한 상태에서 3D 스캐닝하고, 이를 통해 획득한 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 제작하는 방법으로서,

상기 하지 지지 장치(100)는, 베이스부(110)에 기립하여 배치되는 수직부재(120); 일단이 상기 수직부재에 횡방향으로 결합되되, 각도조절이 가능하도록 결합지점에서 제1각도조절기(A1)를 매개로 결합되는 제1지지대(130); 상기 제1지지대의 타단에 결합되어 발바닥을 지지하는 것으로, 각도조절이 가능하도록 제1지지대와의 결합지점에서 제2각도조절기(A2)를 매개로 결합되는 제2지지대(140); 및 상기 수직부재의 상단에는 구비되는 종아리 거치대(170);로 이루어지고,

사용자의 종아리가 상기 종아리 거치대에 위치하고, 발바닥이 상기 제2지지대에 위치한 상태에서 발바닥과 종아리가 90°각도를 이루도록 상기 제1각도조절기와 제2각도조절기를 조절하는 1단계; 상기 하지 지지 장치를 이용하여 종아리와 발바닥을 3D 스캐닝하여, 3D 스캔 이미지를 생성하는 2단계; 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기의 표면을 생성하는 3단계; 상기 생성한 표면에서 불필요한 부위를 제거하여 단하지 보조기의 디자인을 설계하는 4단계; 상기 설계된 단하지 보조기를 3D프린터를 통해 출력하는 5단계; 상기 3D프린터를 통해 출력된 단하지 보조기에 사용자의 발과 밀접하게 접촉하도록 조임부를 부착하는 6단계;를 포함하는 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법을 제공한다.

상기 3단계는, 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 생성할 부분까지 경계를 정하고, 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 표면에 2 mm 두께의 면을 양각기능(Embossing)을 통해 생성하는 과정을 포함한다.

상기 4단계는, 상기 3단계에서 생성된 일정 두께(ex: 2mm)의 면에서 내측과 외측의 복사뼈(Malleolus), 발의 뒤꿈치 및 앞꿈치에서 중족지절관절(Metatarsophalangeal Articulation) 부분을 음각기능(Intaglio)을 통해 제거하는 과정을 포함한다.

상기 4단계는, 상기 3단계에서 생성된 일정 두께의 면에서 단하지 보조기의 고무밴드가 들어갈 구멍 부분을 제거하는 과정을 포함한다.

본 발명은 또한, 베이스부(110); 상기 베이스부에 기립하여 배치되는 수직부재(120); 일단이 상기 수직부재에 횡방향으로 결합되되, 각도조절이 가능하도록 결합지점에서 제1각도조절기(A1)를 매개로 결합되는 제1지지대(130); 상기 제1지지대의 타단에 결합되어 발바닥을 지지하는 것으로, 각도조절이 가능하도록 제1지지대와의 결합지점에서 제2각도조절기(A2)를 매개로 결합되는 제2지지대(140); 및 상기 수직부재의 상단에는 구비되는 종아리 거치대(170);를 포함하는 하지 지지 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 수동형 단하지 보조기는 뇌졸중 장애인의 발목 형상을 반영하여 설계하였고, 유연한 재질을 이용하는 3D프린팅을 통해 출력하여 제조한 결과, 기존의 플라스틱 재질의 단하지 보조기와 다르게 보행 시 형상이 변형가능하므로 발목의 관절 가동 범위를 어느정도 허용 가능하며, 부드러운 재질로 제작함으로 욕창을 예방할 수 있고, 탄성이 존재하므로 착용감이 향상되는 이점이 있다. 더불어 단하지 보조기를 착용하더라도 마비측과 비마비측 모두 같은 크기의 신발을 착용이 가능한 이점이 있다.

본 발명에 따른 장치를 사용하여 제작한 수동형 단하지 보조기를 사용하여 임상시험한 결과를 보면 아래와 같았다.

뇌졸중 환자 3명을 대상으로 임상시험 후 보행운동학 분석한 결과, 평탄한 지면에서 기존 플라스틱 단하지 보조기와 개발한 수동형 단하지 보조기를 착용하고 보행한 결과 walking speed, temporal symmetry, step length, step time, spatial symmetry 등이 유사하게 나타났고, 평탄하지 않은 지면(울퉁불퉁한 지면)에서 보행 시 개발한 수동형 단하지 보조기를 착용했을때 step width, step length, paretic step time이 가장 높은 효과가 나타났다.

도 1는 본 발명에 따른 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법의 개략적인 순서를 나타낸 순서도이며,
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 3D스캐닝 3D프린팅을 할 때 사용하는 하지 지지 장치이며,
도 4는 도 2의 장치를 이용하여 발과 다리를 스캐닝하는 이미지이며,
도 5는 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 설계하는 과정을 도식화한 이미지이며,
도 6은 본 발명에 따라 제조된 단하지 보조기의 하나의 예시적인 모습이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들이며 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1는 본 발명에 따른 3D 스캐너와 3D 프린터를 이용한 단하지 보조기 제조방법의 개략적인 순서를 나타낸 순서도이며, 도 2와 도 3은 본 발명에 따른 스캐닝을 하기 위해 보조하는 장치이며, 도 4는 도 2의 장치를 이용하여 발과 다리를 스캐닝하는 이미지이며, 도 5는 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 설계하는 과정을 도식화한 이미지이며, 도 6은 본 발명에 따라 제조된 단하지 보조기의 하나의 예시적인 모습이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명은, 뇌졸증 편마비 환자의 보행보조를 위한 단하지 보조기와 이를 제작하기 위한 장치 및 방법으로서, 발목의 동작의 허용 움직임 범위를 보장하면서 안정적으로 동작하는 단하지 보조기를 본 발명에 따른 3D 스캐너를 이용하여 스캔 후 이를 통해 생성된 3D 스캔 이미지에서 불필요한 부분을 제거한 후 3D 프린팅 과정을 거쳐서 개인 맞춤형 단하지 보조기를 제작할 수 있도록 하였다. 이를 통해, 발목의 다자유도 움직임을 허용하여 보행 시 자연스러운 보행을 가능하게 된다.

도 1 내지 도 3을 참고하여, 본 발명에 대해 설명한다.

본 발명은, 하지 지지 장치를 이용하여 종아리와 발바닥을 3D 스캔을 하게 되는데, 다리의 종아리 아래 부분 즉 종아리와 발 부분에 대해 스캔을 하게 된다. 본 발명에서는 종아리와 발바닥이 90°각도를 이루도록 한 상태에서 스캔을 하여 발목 구조에 최적화된 단하지 보조기를 제작하도록 하였다.

본 발명의 하지 지지 장치(100)는, 베이스부(110)에 기립하여 배치되는 수직부재(120)와, 일단이 상기 수직부재에 횡방향으로 결합되고, 각도조절이 가능하도록 결합지점에서 제1각도조절기(A1)를 매개로 결합되는 제1지지대(130)와, 상기 제1지지대의 타단에 결합되어 발바닥을 지지하는 것으로, 각도조절이 가능하도록 제1지지대와의 결합지점에서 제2각도조절기(A2)를 매개로 결합되는 제2지지대(140)와, 상기 수직부재(120)의 상단에는 구비되는 종아리 거치대(170)로 이루어진다.

하지 스캐닝을 하는 피험자(사용자)의 종아리를 상기 종아리 거치대(170)에 위치시킨 상태에서 상기 제1각도조절기(A1)와 제2지지대(140)를 조절하여 피험자의 종아리와 발바닥이 90°각도를 이루도록 조절하고 이 상태에서 3D 스캔을 하도록 하였다.

본 발명의 수동형 단하지 보조기는 개별적인 뇌졸중 장애인의 발목 형상에 따라 맞춤형으로 제작하기 때문에 피험자의 하지 스캔은 필수적이다. 이때 발등 및 발바닥을 균등하게 스캔하기 위해 자체 제작한 하지 지지장치(100)를 사용한 것이다. 피험자가 앉은 자세에서 마비측 발바닥이 거치대에 평평하게 닿은 상태로 스캔하여 3차원 스캔 이미지를 생성한다.

본 발명의 설계 과정은 도 5에 도시되어 있는 순서에 따라 진행된다. 피험자의 3D 스캔 이미지(STL)를 불러온다. 불러온 하지 스캔 이미지 표면에 3D 곡선 스케치를 이용하여 단하지 보조기를 생성할 부분까지 선을 긋고, 선 아래로 표면을 따라 일정한 두께의 면을 양각기능(Embossing)을 통해 생성한다. 생성한 표면에서 3D 곡선 기능을 사용해 내측과 외측의 복사뼈(Malleolus), 발의 뒤꿈치, 앞꿈치에서 중족지절관절(Metatarsophalangeal Articulation) 부분을 스케치하여 음각기능(Intaglio)을 통해 제거한다. 환자의 발의 형태를 따라 기본적인 단하지 보조기의 형상을 완성하면 기존의 하지 스캔 이미지를 삭제한다.

본 발명의 단하지보조기는 고무 밴드를 이용하여 피험자의 발에 밀착시키므로 고무 밴드가 들어갈 구멍을 설계한다. 마지막으로 모델링 전체를 평활화 기능(Smoothing)을 사용하여 수동형 단하지 보조기의 표면을 매끄럽게 한다.

제작에 사용된 필라멘트는 열가소성 폴리에스테르 엘라스토머(Thermoplastic Polyester Elastomer)로서 층간 접착력이 뛰어나고 치수공차가 ±0.02 mm 미만으로 정밀하다는 장점이 있다. 또한 고무 재질과 같이 신축성이 있어 파손되지 않은 특징이 있다.

3D 프린터로 출력 시 불필요한 지지대(Support) 등이 남아있으므로 이를 제거하고, 기타 후처리 작업을 한다. 마지막으로 수동형 단하지 보조기의 중심을 절단하여 절단선 양측에 설계된 구멍을 통해 와이어 또는 벨크로 등을 연결하여 단하지 보조기가 사용자의 인체와 잘 밀착되도록 조임부를 부착한다(도 6 참조).

조임부가 단하지 보조기에 부착되어 사용자의 발목과 밀착함으로써 발목을 잡아주는 역할과 함께 족하수를 예방하게 된다.

본 발명의 단하지 보조기는 뇌졸중 장애인의 발목 형상을 반영하여 설계하였고, 유연한 재질을 이용하는 3D 프린팅을 통해 출력하는 것으로 이는 기존의 플라스틱 재질의 단하지 보조기와 다르게 보행 시 형상이 변하므로 발목의 관절 가동 범위를 일정 정도 허용할 수 있어서 편리하다.

본 발명의 단하지 보조기 제작과정을 정리하면, 사용자의 종아리가 상기 종아리 거치대(170)에 위치하고, 발바닥이 상기 제2지지대(140)에 위치한 상태에서 발바닥과 종아리가 90°각도를 이루도록 상기 제1각도조절기(A1)와 제2각도조절기(A2)를 조절하는 1단계; 상기 하지 지지 장치를 이용하여 종아리와 발바닥을 3D 스캐닝하여, 3D 스캔 이미지를 생성하는 2단계; 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기의 표면을 생성하는 3단계; 상기 생성한 표면에서 불필요한 부위를 제거하여 단하지 보조기의 디자인을 설계하는 4단계; 상기 설계된 단하지 보조기를 3D프린터를 통해 출력하는 5단계; 상기 3D프린터를 통해 출력된 단하지 보조기에 사용자의 발과 밀접하게 접촉하도록 조임부를 부착하는 6단계;로 이루어진다.

그리고, 상기 1단계와 2단계 사이에는 아래와 같은 3D 스캔 이미지의 격자재구성 과정이 진행된다.

격자재구성 방법은 아래와 같은 과정으로 이루어진다.

(1) MeshLab 프로그램을 이용하여 3D 스캔 이미지를 import

(2) 프로그램상에서 3D 스캔 이미지의 면(face)의 개수(N)를 확인

(3) Simplification:Quadric Edge Collapse Decimation 기능을 통해 면의 개수를 축소, 이때, 축소된 면의 개수 = N/200, Threshold = 0.3으로 지정

(4) 면의 개수가 줄어들면서, 꼭지점(vertex)의 수도 함께 감소

이를 통해, 결과적으로 면의 개수가 줄어들면 파일의 용량이 줄어들고, 추후 모델링 할 때 설계 시간이 감소, 부드러운 곡면 데이터를 얻을 수 있다.

또한 상기 3단계에서는, 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 생성할 부분까지 경계를 정하고, 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 표면에 일정한 두께의 면을 양각기능(Embossing)을 통해 생성한다.

상기 4단계에서는, 상기 3단계에서 생성된 일정한 두께의 면에서 내측과 외측의 복사뼈(Malleolus), 발의 뒤꿈치 및 앞꿈치에서 중족지절관절(Metatarsophalangeal Articulation) 부분을 음각기능(Intaglio)을 통해 제거하여 사용 편리성을 향상시키도록 하였다. 그리고, 상기 3단계에서 생성된 일정 두께(2 mm)의 면에서 단하지 보조기의 고무밴드가 들어갈 구멍 부분을 제거하게 되는 등은 위에서 설명한 바와 같다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

1. 종아리와 발바닥을 지지하는 하지 지지 장치(100)를 이용하여 종아리와 발바닥을 지지한 상태에서 3D 스캐닝하고, 이를 통해 획득한 3D 스캐닝 데이터를 이용하여 단하지 보조기를 제작하는 방법으로서,
   상기 하지 지지 장치(100)는,
   베이스부(110)에 기립하여 배치되는 수직부재(120); 일단이 상기 수직부재에 횡방향으로 결합되되, 각도조절이 가능하도록 결합지점에서 제1각도조절기(A1)를 매개로 결합되는 제1지지대(130); 상기 제1지지대의 타단에 결합되어 발바닥을 지지하는 것으로, 각도조절이 가능하도록 제1지지대와의 결합지점에서 제2각도조절기(A2)를 매개로 결합되는 제2지지대(140); 및 상기 수직부재(120)의 상단에 구비되는 종아리 거치대(170);로 이루어지고,
   사용자의 종아리가 상기 종아리 거치대에 위치하고, 발바닥이 상기 제2지지대에 위치한 상태에서 발바닥과 종아리가 90°각도를 이룬 상태에서, 컴퓨팅 장치에 의해 종아리와 발바닥을 3D 스캐닝하여, 3D 스캔 이미지를 생성하는 2단계;가 수행되고,
   상기 컴퓨팅 장치에 의해,
   상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기의 표면을 생성하는 3단계; 상기 생성한 표면에서 불필요한 부위를 제거하여 단하지 보조기의 디자인을 설계하는 4단계; 및 상기 설계된 단하지 보조기를 3D프린터를 통해 출력하는 5단계;가 수행되며,
   상기 3단계는, 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 단하지 보조기를 생성할 부분까지 경계를 정하고, 상기 3D 스캔 이미지를 이용하여 표면에 일정한 두께의 면을 양각기능(Embossing)을 통해 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 4단계는,
   상기 3단계에서 생성된 일정 두께의 면에서 내측과 외측의 복사뼈(Malleolus), 발의 뒤꿈치 및 앞꿈치에서 중족지절관절(Metatarsophalangeal Articulation) 부분을 음각기능(Intaglio)을 통해 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 4단계는,
   상기 3단계에서 생성된 일정 두께의 면에서 단하지 보조기의 고무밴드가 들어갈 구멍 부분을 제거하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D프린팅을 이용한 단하지 보조기 제조방법.
   
5. 삭제
6. 삭제

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