KR20190100837A - 격자 모양의 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임플란트의 탄성계수를 조정하는 환자맞춤형 임플란트의 탄성계수 조정방법에 관한 발명이다. 본 발명의 임플란트의 탄성계수 조정방법에 있어서, 환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하는 단계; 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하는 단계; 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계; 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계; 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계; 임플란트 형상에 대한 3차원 프린팅 성형 재료를 선택하는 단계; 및 선택된 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 임플란트는 피삽입부위의 탄성계수와 임플란트의 탄성계수가 유사하도록 조정하여 응력차폐현상(Stress Shielding)이 발생하지 않으므로, 임플란트를 장시간 재수술없이 사용할 수 있다.

Description

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

본 발명은 격자구조 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트에 관한 발명이다.

환자의 뼈 혹은 조직에 인공적으로 제작한 임플란트를 외과 수술을 이용하여 삽일 할 수 있다. 인체 조직을 인공적으로 제조하여 외과 수술에 이용하는 조직 기술 분야(Tissue engineering)에서 ‘스캐폴드’(scaffold)란 건축분야에서 사용하는 격자 모양의 비계 형상의 구조를 의미한다. 한편, '임플란트' (implant) 는 의료분야에서 인공으로 제작한 인공장기 혹은 인공관절로서 광범위하게 사용된다.

한편, 인공관절 등과 같은 임플란트는 통상 티타늄(Titanium, Ti)을 재료로 제작하고, 기존의 인체의 뼈 등의 피삽입부에 티타늄으로 제작한 임플란트를 외과수술을 이용하여 삽입하는 경우, 뼈의 탄성계수와 티타늄의 탄성계수가 상이하여 반복적인 사용 및 스트레스를 받으면 티타늄 임플란트가 삽입된 뼈가 변형하거나, 형태가 변형되어 수년 후 다시 재수술해야 하는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 응력차폐현상(Stress Shielding)이라 하고, 이 응력차폐현상으로 인하여 임플란트 수술 후 일정 시간 이후에 반드시 재수술해야 하는 번거러움이 있었다.

본 발명의 목적은 인공뼈, 인공관절, 인공치아 등과 같은 임플란트의 제작을 위하여 격자 모양의 스캐폴드 구조로 임플란트를 생성하여 장착할 때, 임플란트가 삽입되는 인체의 상대방 피삽입부와 동일한 탄성계수를 가지도록 조정하여 장기간 사용이 가능한 임플란트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 환자 맞춤형 격자 모양의 스캐폴드 구조로 임플란트를 제공하여 피삽입부의 탄성계수와 유사하도록 조절함과 동시에 임플란트의 각 부위별 탄성계수는 서로 상이하도록 하여 가장 최적의 탄성계수를 가지는 임플란트를 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 임플란트의 탄성계수 조정방법에 있어서, 환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하는 단계; 상기 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하는 단계; 상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계; 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계; 상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계; 상기 임플란트 형상에 대한 3차원 프린팅 성형 재료를 선택하는 단계; 및 상기 선택된 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 임플란트의 탄성계수 조정방법은 CT스캔 이미지를 바탕으로 임플란트의 형상을 설정하고, 피 삽입될 부위의 골밀도 정보를 바탕으로 하는 피삽입부위의 탄성계수로부터 임플란트의 목표탄성계수를 설정하고, 임플란트의 재료로부터 기초탄성계수를 얻고, 목표탄성계수와 유사한 성형 탄성계수를 가지도록 임플란트의 단위영역의 사이즈, 버팀목직경 및 임플란트의 밀도를 구하는 과정을 통하여 임플란트의 탄성계수와 임플란트가 삽입되는 피삽입부의 인체부위의 탄성계수를 유사하게 일치시킨다.

상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 임플란트와 인체의 뼈에 해당하는 부위를 통합적으로 3차원 영역에 해당하는 복셀메쉬로 3차원형상화하고, 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하여 각 영역별 목표 탄성계수를 설정한다.

상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고, 상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 임플란트의 탄성계수 조정방법은 3차원 영역의 인접 영역은 서로 연결되도록 결합한다. 대신에 버팀대의 직경 및 밀도는 서로 상이하게 설정될 수 있다.

상기 목적은 본 발명의 다른 측면인, 환자 맞춤형 외과용 임플란트에 있어서, 환자의 특정 부위에 삽입할 삽입부와 비삽입부로 이루어지고 3차원 성형용 재료로 성형되는 임플란트를 포함하고, 상기 임플란트는, 상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계, 상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계, 및 상기 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하여 임플란트의 탄성계수를 조정한 후, 상기 임플란트를 상기 선택된 스캐폴드 구조의 상기 조정된 버팀대의 직경 및 상기 밀도를 이용하여 3차원 성형으로 제작하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트를 통해서도 달성된다. 본 발명의 환자 맞춤형 외과용 임플란트는 실제 환자의 환부에 대하여 CT 스캔 이미지를 획득하고, 이 CT스캔 이미지를 3차원화 시킨 후, 특정부위에 대한 임플란트 형상을 설계하고, 인체에 삽일될 임플란트와 임플란트가 삽입되는 피삽입부의 인체의 탄성계수가 유사하도록 조절한 후 임플란트를 3D프린팅 공정으로 제작한다. 따라서, 본 발명에 따른 임플란트는 환자 맞춤형으로 제작이 가능하고, 임플란트의 탄성계수와 임플란트가 삽입되는 피삽입부의 뼈의 탄성계수가 유사하여 응력차폐현상(Stress Shielding)이 발생하지 않으므로, 장시간 임플란트를 사용할 수 있다.

상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고, 상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 격자 모양의 스캐폴드 구조를 가지는 임플란트의 탄성계수 조정방법 및 이에 따른 환자 맞춤형 외과용 임플란트는 피삽입부의 탄성계수와 임플란트의 탄성계수가 유사하도록 조절하여 응력차폐현상(Stress Shielding)이 발생하지 않으므로, 임플란트를 장시간 사용할 수 있다. 따라서, 종래의 빈번한 재수술로 인한 환자의 고통을 경감시켜주는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 보여주는 플로우챠트이다.
도 2는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 도형으로 형상화한 단계를 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 제1실시예에 따른 플로우챠트이다.
도 4는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 변형실시예에 따른 플로우챠트이다.
도 5는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트의 단위 3차원 복셀메쉬의 단위격자구조 종류를 나타내는 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 대퇴골(Femur)에 대하여 적용한 임플란트의 설계를 보여주는 실시예이다.
도 7은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 척추고정술에 사용하는 척추용 임플란트(Lumbar Interbody Fusion)의 설계를 보여주는 실시예이다.
도 8은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 고관절의 스템(Hip Stem) 부분의 설계를 보여주는 실시예이다.
도 9는 본 발명에 따른 격자크기, 밀도 및 정규화된 탄성계수 값에 따른 메타모델의 상관관계 그래프를 보여준다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 바람직한 실시예에 의한 설명으로 더욱 명백해진다.

도 1은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 보여주는 플로우챠트이다.

과학기술문명의 발달로 인간의 수명이 연장됨에 따라, 스트레스, 비만, 암, 각종사고 등으로 부터 신체의 뼈, 관절, 치아 손상이 발생되고 있어, 이를 회복시키기 위한 인공뼈, 인공관절, 인공치아와 같은 임플란트(Implant)에 관하여 연구가 급속도로 진행하고 있다.

임플란트(Implant)는 독성이 없어야 하며 임플란트가 삽입되는 피삽입부 생체조직과 조화를 이루면서 본래의 기능을 유지할 수 있어야 한다. 우수한 임플란트 용 생체 재료를 개발하기 위한 노력이 계속되어 왔지만, 현재 임플란트에 응용되고 있는 생체 재료들의 탄성계수는 뼈 등의 피삽입부 생체조직의 탄성계수값과 상당히 많은 차이 (대략 3~10배)가 있어 이식 시술 후, 2~4년 후에는 생체 내에서 응력차폐 현상이 발생하여, 이에 따른 부작용으로 인한 재수술을 고려하게 된다.

임플란트가 삽입되는 피삽입부 생체조직의 뼈와 임플란트의 탄성계수 차이가 클 경우, 높은 탄성계수를 가진 임플란트가 뼈에 전달되는 대부분의 응력을 지지하게 되고, 피삽입부 생체조직인 인체의 뼈가 장기적으로 인장, 압축, 굽힘모멘트 (bending moment) 등을 받지 않게 되면, 인체조직은 자동적으로 뼈의 역할이 필요 없다고 인지하게 되어, 뼈의 두께, 무게 등을 줄여나가게 되어 임플란트 주위에 골다공증이 발생하게 된다.

결국 임플란트와 피삽입부 뼈의 결합이 약화되어 재 시술이 요구되는 문제점이 임플란트의 응력차폐(Stress Shielding) 현상으로 나타난다. 따라서 응력 차폐 현상이 발생하면, 임플란트 주변 부위의 골밀도가 줄어들어 시간경과에 따라 임플란트가 이식부위에서 쉽게 분리되는 문제점이 있고, 금속재료를 이용한 임플란트의 경우 강도가 뼈보다 상당히 커서 주변 부위의 뼈 조직을 파괴하기도 한다.

오늘날 사용되는 대표적인 임플란트 재료인 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 비롯하여 탄탈륨, 팔라듐, 지르코늄, 니오븀 등을 조합한 티타늄 합금 등도 임플란트용 재료로 사용되고 있다.

본 발명은 임플란트 재료의 종류와 관계없이 임플란트가 삽입되는 피삽입 인체조직(뼈)의 탄성계수값과 임플란트의 탄성계수를 일치시키는 조정 방법으로서 기존 개발된 임플란트 재료뿐만 아니라 앞으로 개발되는 임플란트 재료들에도 적용할수 있다.

본 발명은 먼저, 환자의 환부에 대하여 CT 촬영을 통해 CT 스캔 이미지를 얻고 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정한다. (S100)

본 발명은 환자의 환부를 CT 스캔 이미지를 얻어 환자에 대한 맞춤형 임플란트의 제작이 가능하다.

CT 스캔 이미지는 2차원 이미지이며, 이 2차원 CT스캔 이미지를 적층하면 환부에 대한 3차원 뼈 모델 이미지를 생성 가능하고, 이 3차원 뼈 모델 이미지로부터 삽입할 임플란트의 형상 및 임플란트가 삽입 될 피삽입 인체조직(뼈)에 대하여서도 형상적인 설계가 가능하다. 또한, 임플란트의 형상 설계를 위하여 3차원 뼈 모델 이미지로부터 각 위치에 대응하는 단위 3차원 복셀메쉬를 생성하고 각 복셀메쉬 별 골밀도 정보를 추출한다. (S200)

단위 3차원 복셀 메쉬(Voxel Mesh)는 3차원 뼈 모델 이미지로부터 설정되는 임플란트 형상의 바탕이 되며, 이러한 임플란트 형상에 대응하여 3차원 뼈 모델 이미지를 복수의 3차원 영역으로 분할한 각 위치에 대응하는 단위 분할 영역에 해당한다.

피삽입부 인체조직(뼈) 전체에 분포되는 각 위치에 대한 골밀도 정보는 3차원 뼈 모델 이미지로부터 추출한다. 결국, 임플란트가 삽입될 피삽입 인체조직의 골밀도 정보를 바탕으로 각 위치별로 임플란트의 기계적 특성 또는 탄성계수가 조정된다.

통상 뼈의 탄성계수는 5 GPa 정도 이고, 하중을 많이 받는 부위는 10-40 GPa 정도이며, 임플란트 재료로 많이 사용하는 티타늄의 탄성계수는 110 GPa 정도로서 대략 3 ~ 10배의 탄성계수 차이가 있다.

추출된 골밀도 정보를 기초로 각 복셀 메쉬 별로 목표 탄성계수를 부여한다. (S300)

목표 탄성계수는 각 복셀 메쉬별로 골밀도 정보를 바탕으로 그와 상관관계가 높은 기계적 특성을 나타내는 탄성계수를 부여한다. 골밀도와 뼈의 기계적 특성의 상관관계와, 골밀도를 이용한 탄성계수를 계산하는 수식은 본 발명의 우선권 출원 (US 62/626,749)에 개시된 공지 자료(Reference 9, 10)를 참조할 수 있다.

다음 단계에서는 복셀메쉬 각각의 크기조정 및 격자 모양 스캐폴드의 종류를 선택하고 격자 모양의 스캐폴드를 생성한다. (S400) 이에 대한 구체적인 내용은 후술한다.

격자 모양의 스캐폴드란 건축물에 사용하는 비계와 같은 구조를 의미하고 후술하는 복수 종류의 격자모양의 스캐폴드 구조를 가진다. 이 중 어느 하나의 격자모양의 스캐폴드를 선택하고 이 격자모양의 스캐폴드는 단위 복셀메쉬를 3차원 프린터로 성형하는 단위 구조에 해당한다. 이때 3차원 프린팅된 단위 스캐폴드는 목표 탄성계수와 유사한 탄성계수를 가지도록 세부 구조를 생성한다.

마지막 단계에서, 생성된 격자 모양 스캐폴드를 이용하여 맞춤형 임플란트의 설계를 완성하고, 이 임플란트 설계대로 제조한다. (S500)

격자모양의 스캐폴드는 3차원물체의 단위 형상에 관한 구조이며, 이 복수의 단위형상이 3차원적으로 서로 적층 결합하여 설정된 임플란트 형상에 대응하는 물체를 완성한다.

도 2는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트를 제조하는 단계를 도형으로 형상화한 단계를 보여주는 개념도이다.

도 2는 도 1의 플로우챠트를 도형으로 형상화하여 더욱 쉽게 설명한다.

도 2의 (a)에서는 대퇴골 부위에 대한 환자의 CT 스캔 이미지는 2D 상태이지만, 이를 적층하여 3차원 뼈 모델 이미지를 생성하고, 3차원 뼈 모델 이미지를 바탕으로 시술부위에 해당하는 영역에 대응하여 복수개의 3차원 단위 이미지인 복셀 메쉬(Voxel Mesh)를 생성하는 도면을 보여준다. 또한, 3차원 복셀 메쉬로 표현된 해당 영역의 CT 이미지의 그레이 스케일 (Gray Scale) 정보로 부터 각 복셀의 골밀도 값을 추출한다. 각 복셀은 골밀도가 높을수록 흰색으로 표현되고, 골밀도가 낮으면 회색 혹은 짙은 색으로 표시된다. 각 골밀도로부터 뼈의 탄성계수를 이용하여 임플란트의 복셀 메쉬별 목표 탄성계수를 설정한다.

도 2의 (b)에서는 (1)초기 복셀 메쉬를, (2) 복셀 메쉬의 크기를 조정하고, (3) 격자 모양 스캐폴드를 생성하고, (4) 격자 모양 스캐폴드를 조정하는 과정을 보여준다.

초기 복셀 메쉬의 경우 골밀도 값을 나타내는 이미지 데이터를 그대로 따르지만 각 단위 복셀 메쉬의 크기가 작아 실제 임플란트 용 스캐폴드로 제작할 수 없는 경우가 많으므로, 기본적으로 크기 재조정 과정이 필요하다.

기본적인 복셀 메쉬의 크기는 2mm 내지 6 mm로 재조정하는 것이 3차원 성형을 위하여 필요하다. 복셀 메쉬의 크기 재조정 후 복수의 스캐폴드 종류 중 하나를 선택하여 스캐폴드를 생성하게 된다. 본 발명에서는 복셀크기 재조정 시 구조적 유사 인덱스 (Structural Similarity Index) 방식을 이용하여 이미지 데이타의 손실을 최소화하면서 크기를 조정할 수 있다.

스캐폴드 생성 후에는 본 발명의 알고리즘을 이용하여 각 격자 모양 스캐폴드의 종류, 밀도, 버팀대 (Strut) 의 직경을 조정해가며 원하는 기계적 특성, 즉 각 복셀 메쉬에 대응하는 격자별로 목표 탄성계수를 얻을 수 있다.

도 2 (b)(3)의 경우는, 격자 모양 버팀대의 직경이 영역 전체에 일정하지만, 도 2 (b)(4)의 경우는 각 격자별로 목표 탄성계수가 반영되어 버팀대 직경이 변화하는 경우를 보여준다. 이에 따라 골밀도가 상대적으로 높은 복셀 메쉬 영역(가령, 흰색 영역)의 격자별 버팀대 들이 골밀도가 상대적으로 낮은 복셀 메쉬 영역(가령, 회색 또는 검정색 영역) 보다 더 굵은 직경으로 설정될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 제1실시예에 따른 플로우챠트이다.

본 발명의 임플란트의 형상에 대응하여 복수의 3차원 영역으로 구획하고, 이 구획된 3차원 단위 형상은 3차원 복셀메쉬에 해당한다.

본 발명의 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계는, 시술부위에 대한 CT 스캔 이미지로부터 설정한 영역에 대응하는 임플란트의 형상을 설계하고, 설계된 임플란트의 형상에 대하여 3차원 복셀 메쉬별로 목표 탄성계수(Et)를 부여한다. (S10)

목표 탄성계수(Et)는 상술한 바와 같이 CT 스캔 이미지의 골밀도 정보에 따라 복셀 메쉬별로 설정된 값을 이용하거나 환자의 성별, 연령, 환부의 특성에 따라 가장 적합한 탄성계수를, 가령, 소정의 구축된 데이터베이스를 바탕으로, 입력하는 것도 가능하다.

복수의 격자 모양 스캐폴드 형상 중 어느 하나를 선택한다. (S20)

복수의 스캐폴드 모양에 대하여는 도면 5를 이용하여 후술한다.

스캐폴드의 밀도(ρ)에 관하여 다양한 격자구조를 생성한다. (S30)

스캐폴드의 밀도(ρ)란 단위 사이즈에 대하여 성형이 되는 부분의 전체 부피에 대한 비율을 의미하는 것이므로, 밀도가 1.0 이란 것은 솔리드에게 단위 부피 내에 가득 채우는 것이고, 밀도가 0.0 인 것은 단위 부피 내에 성형이 되지 않은 부분으로만 채워지는 것을 의미한다.

각 밀도별로 버팀대 직경(D)를 계산한다. (S40)

밀도가 0.2, 0.3, 0.4, 0.5 등으로 변화하는 경우, 단위 복셀 메쉬 당 버팀대의 직경과 이때의 밀도를 각각 계산식으로 도출 가능하다.

버팀대 직경(D)과 임플란트 탄성계수의 상관관계 메타모델을 생성한다. (S50)

격자 모양의 버팀대직경(D)과 매칭 하고자 하는 성형된 임플란트의 균질 탄성계수(Eh)값에 기초한 임플란트 탄성계수와의 상관관계 메타모델을 생성한다.

각 격자 구조별 버팀대 직경과 밀도를 이용하여 멀티 스케일 모델링 방법을 이용하여 임플란트 탄성계수를 계산한다. (S60)

임플란트 탄성계수는 임플란트의 재료를 이용하여 생성된 균질 탄성계수 (Homogeneous Elastic Modulus) 값으로 정규화 된 탄성계수 값에 해당하고, 멀티스케일 모델링 (Multiscale Modeling) 방법을 이용하여 구할 수 있다. 일단 정규화 된 탄성계수값과 격자 구조의 종류, 크기, 버팀대 지름의 메타 모델을 생성한 후에는 추가적인 계산 없이, 사용자가 목표 탄성계수값을 선택하게 되면 이에 해당되는 격자 모양의 종류, 크기, 버팀대 지름 등을 메타모델을 이용하여 구할 수 있다. 이 메타모델에 의한 격자 크기, 밀도와 정규화된 탄성계수값 등의 상관관계들은 다차원 그래프로 표현될 수 있다. (도 9 (a), (b) 참조). 도 9는 본 발명에 따른 격자크기(L), 밀도(ρ) 및 정규화된 탄성계수값(Eh/Eo)에 따른 메타모델의 상관관계 그래프를 보여준다.

정규화된 탄성계수값은 균질 탄성계수(Eh)를 임플란트 성형재료의 기초탄성계수(Eo)를 나누어서 산출된 값 즉, Eh/Eo 로 나타낸다. 따라서, 각 격자구조별 버팀대 직경과 밀도를 구할 수 있으며, 이때의 성형재료의 기초탄성계수(Eo)를 이용하여 성형된 임플란트의 탄성계수(Eh)가 목표탄성계수(Et)에 근접하는 지 확인 가능하다. 이것은 실험적으로 데이터 베이스를 구축함으로써 임플란트 성형 재료별로 주어지는 기초탄성계수(Eo)에 따라서 쉽게 선택이 가능하다.

메타모델을 이용하여 목표 탄성계수(Et) 매칭을 위한 버팀대 직경을 찾는다. (S70)

상술한 상관관계 메타모델을 그대로 이용하여 임플란트 성형 재료마다 달리 주어지는 기초탄성계수(Eo)에 따른 정규화된 탄성계수값(Eh/Eo)과 목표 탄성계수(Et)을 매칭하여 그에 상응하는 격자 구조의 버팀대 직경(D)을 구할 수 있다.

매칭된 설계값(버팀대 직경과 밀도) 획득한다. (S80)

도 4는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계를 소정의 단위 3차원 복셀메쉬를 기준으로 설계하는 알고리즘에 따른 과정을 보여주는 변형 실시예에 따른 플로우챠트이다.

본 발명의 변형 실시예에 의한, 환자 맞춤형 임플란트 제조하는 단계는, 시술부위에 대한 CT 스캔 이미지로부터 설정한 영역에 대응하는 임플란트의 형상을 설계하고, 설계된 임플란트의 형상에 대하여 3차원 복셀 메쉬별로 목표 탄성계수(Et)를 부여한다. (S15)

목표 탄성계수(Et)는 상술한 바와 같이 CT 스캔 이미지의 골밀도 정보에 따라 복셀 메쉬별로 설정된 값을 이용하거나 환자의 성별, 연령, 환부의 특성에 따라 가장 적합한 탄성계수를, 가령, 소정의 구축된 데이터베이스를 바탕으로, 입력하는 것도 가능하다.

복수의 격자 모양 스캐폴드 형상 중 어느 하나를 선택한다. (S25)

복수의 스캐폴드 모양에 대해서는 도 5를 이용하여 후술한다.

격자모양 후보군의 초기 밀도(ρ)를 선정한다. (S35)

스캐폴드의 밀도(ρ)란 단위 사이즈에 대하여 성형이 되는 부분이 전체 부피에 대한 포션을 의미하는 것이므로, 밀도가 1.0 이란 것은 솔리드에게 단위 부피 내에 가득 채우는 것이고, 밀도가 0.0 인 것은 단위 부피 내에 성형이 되지 않은 구멍을 형성하는 것을 의미한다.

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값 즉 균질 탄성계수값(Eh) 차이를 최소화하기 위한 최적설계 방법을 수행한다. (S45)

즉 도 3의 실시예와 달리 격자 구조와 탄성계수 간의 상관관계 메타 모델을 생성하지 않는다.

멀티스케일 모델링 방법을 이용하여 임플란트 탄성계수에 상응하는 균질 탄성계수값(Eh)를 계산한다. (S55)

멀티스케일 모델링 방법은 도 3의 실시예와 마찬가지이다. 목표 탄성계수값(Et)을 정하면, 임의의 격자 구조를 생성하여 이에 상응하는 밀도와 버팀대 직경을 구하고 균질 탄성계수값(Eh)를 얻을 수 있다.

스캐폴드 버팀대 직경(D)를 계산한다. (S65)

최적설계 방법에 따라 목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값 즉 균질 탄성계수값(Eh)의 차이를 최소화하는 버팀대 직경(D)을 구할 수 있다.

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이값이 소정의 오차 범위 이내인지를 판단한다. (S75)

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이값이 소정의 오차 범위 이내라면 임플란트의 설계 변수값(버팀대 직경과 밀도) 획득한다. (S95)

목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이값이 소정의 오차 범위 이내가 아니라면, 다시 피드백하여 목표탄성계수값(Et)과 설계 탄성계수값(Eh) 차이 최소화를 위한 최적설계 방법을 반복하여 수행한다. (S85)

이에 따라 본 실시예의 최적설계 방법을 통하여 버팀대 직경(D), 밀도를 비롯하여 격자구조의 종류, 크기 등의 다양한 설계변수값을 변경하는 과정을 반복하여 수행할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트의 단위 3차원 복셀메쉬의 단위격자구조 종류를 나타내는 개념도이다.

본 발명에 따른 3차원 복셀 메쉬의 단위 형상에 대하여 복수개가 제시되고, 이 중 어느 하나의 형상을 선택한다.

도 5는 각각의 복수의 복셀 메쉬 영역에 대응하는 단위 격자구조 중 (a) Crossed, (b) Cantley, (c) Octet, (d) Paramount1, (e) Diagonal, (f) Paramount2, (g) Midpoint 형을 각각 보여준다. 본 발명은 단위 격자구조의 형상과 상관없이 모든 격자구조에 적용될 수 있은 방법으로 도 5에 예시되어 있는 단위격자구조 외에도 다른 형상에도 적용 할 수 있다. 상술한 도 2의 실시예는 체심입방구조(Body-Centered Cubic; BCC)의 단위 격자구조를 이용한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 대퇴골(Femur)에 대하여 적용한 임플란트의 설계를 보여주는 실시예이다.

예를 들어, 환자의 환부는 대퇴골(Femur)이고, 대퇴골의 일부 영역에 골암이 발생한 경우, 골암이 발생한 병변에 해당하는 부위를 인공적인 임플란트를 대체하도록 삽입하는 시술하는 경우를 보여준다.

대퇴골 임플란트(100)는 대퇴골에서 골암이 발생한 골암 영역을 대체하여 삽입되는 인공 대퇴골로 삽입한다. 도면상의 기호 150은 대퇴골 임플란트 피삽입부(150)에 해당한다.

대퇴골 임플란트(100)는 단위 격자 사이즈에 따라 제1대퇴골 임플란트(100-1) 및 제2대퇴골 임플란트(100-2)로 나눌 수 있고, 제1대퇴골 임플란트(100-1) 단위 격자 사이즈가 2mm 이고, 제2대퇴골 임플란트(100-2)는 단위 격자 사이즈가 4mm의 경우이다.

제1대퇴골 임플란트(100-1)는 제1사이즈 단위격자(100-1-1)가 복수개 적층되어 형성되고 이때 제1사이즈 단위격자(100-1-1)는 2mm의 단위 사이즈를 가진다.

제2대퇴골 임플란트(100-2)는 제2사이즈 단위격자(100-2-1)가 복수개 적층되어 형성되고 이때 제2사이즈 단위격자(100-2-1)는 4mm의 단위 사이즈를 가진다.

도 6에서 특정된 환부의 목표탄성계수(Et)는 15 GPa 가 적합한 것으로 판단되었고, 상업적으로 이용되는 임플란트 재료인 티타늄합금(Ti6Al4V) 의 탄성계수는 110 GPa (Eo = 110 GPa)이지만, 도 6의 (b)와 같이 최종적으로 조정된 격자모양의 스캐폴드 구조는 동일한 티타늄합금을 이용하더라도 단위격자구조(가령 BCC 단위 격자구조)의 단위격자 크기가 2mm 와 4mm 인 두 설계안에서 목표탄성계수값과 일치하는 설계 탄성계수값(Eh)으로 15 GPa 를 얻어냈음을 보여주고 있고, 이때의 밀도 및 버팀대 직경은 각각 밀도(ρ)=0.3662, D = 0.6090 mm (사이즈 2 mm의 경우), 밀도(ρ)=0.4375, D = 1.3620 mm (사이즈 4 mm의 경우)에 해당한다.

도 7은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 척추고정술에 사용하는 척추용 임플란트(Lumbar Interbody Fusion)의 설계를 보여주는 실시예이다.

도 7의 척추 임플란트(300)는 BCC 단위 격자구조 형태를 이용하여 단위 격자의 사이즈가 4mm인 척추 임플란트 단위격자(300-1)를 가로로 5개, 세로로 2개, 높이 2개를 적층한 형태로 8 x 8 x 20 mm의 크기로 제작한 실시예에 해당한다.

척추용 임플란트 (Lumbar Interbody Fusion)도 뼈와 임플란트 재료간의 탄성계수 차이로 인해 인공관절의 응력차폐 현상으로 동일한 부작용이 발생한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 척추 부위의 목표탄성계수(Et)를 3GPa 로 설정하고, 기초 탄성계수(Eo) 110 GPa 인 티타늄 합금을 재료로 척추 임플란트(300)를 만드는 경우에 탄성계수는 밀도와 버팀대의 직경을 이용하여 동일하게 조정한다.

도 7(b)에는 격자 사이즈 4mm의 경우에 목표탄성계수값(Et = 3GPa)과 매칭되는 설계 탄성계수(Eh), 밀도 ρ = 0.2263, 버팀대 직경 D = 0.9155로 제작한 척추용 임플란트의 실시예의 경우를 보여준다.

도 8은 본 발명에 따른 환자 맞춤형 임플란트 중 고관절의 스템(Hip Stem) 부분의 설계를 보여주는 실시예이다.

본 발명을 이용한 인공의 고관절 임플란트(200)는 인체의 생체조직인 고관절 임플란트 피삽입부(250)에 삽입된다.

본 발명에 따른 고관절 임플란트(200)는 각 영역별로, 고관절 임플란트 제1영역(210), 고관절 임플란트 제2영역(220) 및 고관절 임플란트 제3영역(230)으로 이루어진다. 제1영역 내지 제3영역은 각각의 임플란트의 사이즈, 깊이 및 상대적인 피삽입부의 골밀도 등에 따라 각각 상이한 버팀대 직경 및 밀도를 가지도록 설계한다.

본 발명에 따른 고관절 임플란트(200)는 각 영역별로 환자의 시술부위 뼈의 탄성계수값 분포에 맞게 전체 영역에 일치시킨 예제를 보여준다. 도 6, 7의 BCC 단위 격자구조를 갖는 실시예와 달리, 본 실시예는 사면체 단위 격자구조를 전체 영역에 걸쳐 분포시킨 것이다.

본 발명에 따른 고관절 임플란트(200)는 환자의 CT 이미지에서 골밀도추출과정을 적용하고, 인공의 고관절 임플란트(200)가 시술되는 부위의 CAD 모델을 바탕으로 인공고관절의 스템은 뼈에 깊숙히 삽입되므로 이 환자의 CT 스캔 이미지로부터 목표 탄성계수값이 전체영역에 걸쳐 9GPa ~ 124MPa 으로 다양한 탄성계수값을 갖도록 설계한다.

그림 8(b)에 도시한 바와 같이 골밀도가 높은 부위인 고관절 임플란트 제2영역(220)은 격자 모양의 밀도가 높고 버팀대의 직경이 굵게 생성되었으며, 고관절 임플란트 제1영역(210) 및 고관절 임플란트 제3영역(230)은 고관절 임플란트 제2영역(220)에 비하여 밀도가 낮고 버팀대의 직경이 가늘게 생성된 것이다.

본 발명의 예시 및 실시예들은 임플란트 재료가 티타늄합금의 경우를 예시로 탄성계수 110 GPa 인 경우를 예를 들어 버팀대 직경 및 밀도를 계산하였으나, 다른 임플란트의 재료의 경우에도 동일한 방법으로 적용 가능하다. 다만, 3차원 임플란트의 형상을 결정하고, 단위 격자구조를 선택하며, 단위격자구조의 모양, 크기, 밀도, 재료 등의 선택에 따른 서로 다른 밀도 및 버팀대의 직경을 선정하는 것이 가능하고, 이것 들은 전부 본 발명에 포함된다.

100 : 대퇴골 임플란트
100-1 : 제1대퇴골 임플란트
100-1-1 : 제1사이즈 단위격자
100-2 : 제2대퇴골 임플란트
100-2-1 : 제2사이즈 단위격자
150 : 대퇴골 임플란트 피삽입부
200 : 고관절 임플란트
210 : 고관절 임플란트 제1영역
220 : 고관절 임플란트 제2영역
230 : 고관절 임플란트 제3영역
250 : 고관절 임플란트 피삽입부
300 : 척추 임플란트
300-1 : 척추 임플란트 단위격자

Claims (6)

1. 임플란트의 탄성계수 조정방법에 있어서,
   환부에 대한 CT 스캔 이미지로부터 임플란트 시술을 요하는 부위를 특정하는 단계;
   상기 특정된 부위에 삽입할 임플란트 형상을 설정하는 단계;
   상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계;
   상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계;
   상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계;
   상기 임플란트 형상에 대한 3차원 프린팅 성형 재료를 선택하는 단계; 및
   상기 선택된 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 임플란트의 탄성계수 조정방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고,
   상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 임플란트의 탄성계수 조정방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고,
   상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 하는 임플란트의 탄성계수 조정방법.
   
4. 환자 맞춤형 외과용 임플란트에 있어서,
   환자의 특정 부위에 삽입할 삽입부와 비삽입부로 이루어지고 3차원 성형용 재료로 성형되는 임플란트를 포함하고,
   상기 임플란트는,
   상기 임플란트 형상을 복수의 3차원 영역으로 구획하는 단계, 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수(Et)를 부여하는 단계, 상기 임플란트 형상에 대하여 복수의 격자 모양의 스캐폴드 구조 중 어느 하나를 선택하는 단계, 및 상기 3차원 프린팅 성형재료의 기초 탄성계수(Eo)를 바탕으로 상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 성형될 탄성계수(Eh)가 상기 목표 탄성계수(Et)와 소정의 오차 이내가 되도록 상기 선택된 스캐폴드 구조의 버팀대의 직경 및 밀도를 계산하는 단계를 포함하여 임플란트의 탄성계수를 조정한 후,
   상기 임플란트를 상기 선택된 스캐폴드 구조의 상기 조정된 버팀대의 직경 및 상기 밀도를 이용하여 3차원 성형으로 제작하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 구획된 복수의 3차원 영역은 복수의 3차원 복셀메쉬(Voxel Mesh)로 이루어지고,
   상기 구획된 복수의 3차원 영역별로 목표 탄성계수를 부여하는 단계는, 상기 복수의 3차원 복셀메쉬 별로 골밀도 정보를 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 구획된 복수의 3차원 영역 중 인접한 일부의 영역은 서로 다른 상기 목표탄성계수를 가지고,
   상기 인접한 일부의 영역은 상기 버팀대의 직경 및 상기 밀도가 서로 다르게 설정된 상태로 서로 연결된 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 외과용 임플란트.
   

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