KR20190103861A

KR20190103861A - 골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20190103861A
Application number: KR1020180024799A
Authority: KR
Inventors: 이경돈; 서태석; 이종원; 박기영; 김재성; 진병주; 김기주; 윤도군
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2019-09-05
Also published as: KR102055795B1; WO2019168254A1

Abstract

본 발명은 골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체에 있어서, 상기 골 결손 부위의 결손 단면에 연결되어 상기 골 결손 부위에 가해지는 하중을 받도록 제공되는 메인 지지부; 및 상기 메인 지지부의 양 단에 연결되며, 상기 골 결손 부위와 상기 메인 지지부를 결합시키는 결합 부재를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템이 제공될 수 있다.

Description

골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템{SCAFFOLD FOR BONE RECONSTRUCTION, MANUFACTURING METHOD AND SYSTEM THEREFOR}

본 발명은 골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템에 관한 것이다.

골 지지체는 질병이나 사고에 의해 손상된 인체의 뼈를 대체하기 위해 치과나 정형외과 분야에서 체내에 매식되는 부재를 말한다. 이러한 골 지지체는 골 결손 부위에 이식되어 골 결손을 보완하는 역할을 하며, 골 지지체 이식을 위한 방법으로는 크게 두 가지 방법이 있다. 하나는 환자 본인의 다른 부위에 있는 뼈를 환부에 이식하는 방식이고, 다른 하나는 인공으로 제작한 지지체를 이식하는 방법이다.

이 중, 환자 본인의 뼈를 이식하는 방식은 이식하기 위한 뼈를 추출하는 과정에서 또 다른 부위의 골 결손이 필연적으로 발생하는 바, 예상치 못한 후유증을 유발할 위험도 있고, 매우 제한적인 경우에만 가능한 방법이므로, 일반적으로는 인공으로 제작한 지지체를 결손 부위에 이식하는 방식이 주로 사용된다. 골 지지체를 인공으로 제작하여 이식하는 종래의 방법에 있어서는, 주로 티타늄이나 세라믹 등의 재료가 사용된다.

그런데, 이러한 종래의 골 지지체 제조 기술의 경우, 골 지지체 제조에 사용되는 재료가 인체의 뼈와 매우 상이한 물리적인 특성을 가지고, 환부에 이식된 골 지지체가 받을 다양한 하중 상태가 제대로 고려되기가 어려우므로, 뼈 구조체로서의 외형적 부적합, 재료의 부적합, 기계역학적인 부적합, 열적 부적합, 표면 특성 부적합 등으로 인해, 이식 후 환부에서의 신체 변형을 유발하거나, 환자가 불편함을 느끼고 심한 경우 주변 조직에 2차적인 피해를 가하게 될 수도 있다는 점에서 많은 문제점이 있다.

이에, 환자의 소실된 골의 물리적 특성이 오차 범위 내에서 유사하게 모방된 골 지지체를 제조하기 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 등록특허 제10-1070341호

본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 환자의 소실된 골의 물리적 특성이 오차 범위 내에서 유사하게 모방된 골 지지체, 이를 제조하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체에 있어서, 상기 골 결손 부위의 결손 단면에 연결되어 상기 골 결손 부위에 가해지는 하중을 받도록 제공되는 메인 지지부; 및 상기 메인 지지부의 양 단에 연결되며, 상기 골 결손 부위와 상기 메인 지지부를 결합시키는 결합 부재를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 결합 부재에는 체결공이 형성되고, 상기 골 결손 부위의 잔존하는 골에 상기 체결공을 통과한 나사가 삽입되어 상기 결합 부재가 상기 골에 결합되는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 메인 지지부는 내부에 중공을 갖고, 상기 중공을 둘러싸는 둘레면을 갖는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 메인 지지부는, 양 단에 연결된 두 개의 상기 결합 부재를 상호 연결하는 복수의 세로 지지대; 및 복수의 상기 세로 지지대를 서로 연결시키는 가로 지지대를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 메인 지지부는, 제1 지지 부재; 및 상기 제1 지지 부재와 체결되는 제2 지지 부재를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 지지 부재는, 상기 제2 지지 부재와 체결되기 위한 제1 조립공이 형성된 조립 프레임을 포함하고, 상기 제2 지지 부재에는 상기 조립 프레임에 형성된 상기 제1 조립공과 대응되는 위치에 제2 조립공이 형성되고, 상기 제1 조립공과 상기 제2 조립공에 나사가 삽입됨으로써 상기 제1 조립공과 상기 제2 조립공이 상호 체결되는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 메인 지지부는, 내부에 중공이 형성된 외측 지지 부재; 및 상기 외측 지지 부재의 내측에 제공되는 내측 지지 부재를 더 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 외측 지지 부재와 상기 내측 지지 부재를 연결하는 연결 프레임을 포함하고, 상기 연결 프레임은, 상기 내측 지지 부재의 둘레를 따라 형성되도록 제공되어 상기 내측 지지 부재와 상기 외측 지지 부재에 연결되는 가로 프레임; 및 상기 가로 프레임에 연결되고, 상기 내측 지지 부재의 둘레로부터 상기 가로 프레임이 연장되는 방향과 어긋나는 방향으로 연장 형성되는 세로 프레임을 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 가로 프레임은 복수 개로 제공되고, 상기 세로 프레임은 복수의 상기 가로 프레임을 상호 연결하도록 제공되는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 메인 지지부는, 두 개의 상기 결합 부재를 연결하고, 상기 골 결손 부위에 가해지는 하중을 지지하는 복수의 연결 기둥; 복수의 상기 연결 기둥들의 양 단부에 제공되는 제1 프레임 및 제2 프레임을 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

또한, 상기 메인 지지부는, 복수의 상기 연결 기둥을 감싸도록 형성되는 보강대를 더 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체가 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체를 제조하는 방법에 있어서, 인체의 각 부위에 대한 물성 데이터를 측정하여 저장부에 저장하는 단계; 상기 골 결손 부위의 스캔 데이터를 입수하는 단계; 상기 스캔 데이터를 이용하여 상기 골 결손 부위의 재생성 이미지를 얻는 단계; 상기 재생성 이미지를 통해 단면 데이터를 생성하는 단계; 상기 단면 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계; 상기 골 지지체의 상기 단면 형상 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계; 및 상기 골 지지체의 전체 형상 데이터를 기반으로 상기 골 지지체를 제작하는 단계를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

또한, 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계는, 상기 골 지지체 및 상기 골 결손 부위의 물성치에 대한 설계 변수를 선정하는 단계; 및 상기 골 결손 부위에 대한 상기 설계 변수의 값의 기 설정된 오차 범위 내에 속하도록 상기 골 지지체의 상기 설계 변수의 값을 설정하는 단계를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체의 제조 방법이 제공될 수 있다.

또한. 상기 설계 변수는, 단면적, 허용 강도, 무게 중심, 단면 이차 모멘트의 주축 방향(principal axes of moment of inertia) 및 상기 무게 중심과 상기 주축에서의 단면 이차 모멘트(principal moment of inertia) 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체의 제조 방법 이 제공될 수 있다..

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체를 제조하는 시스템에 있어서, 인체의 각 부위에 대하여 측정된 물성 데이터 및 상기 골 결손 부위의 스캔 데이터를 입수하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부에 의해 수집된 데이터를 저장하는 저장부; 상기 스캔 데이터를 이용하여 상기 골 결손 부위의 재생성 이미지를 얻고, 상기 재생성 이미지를 통해 단면 데이터를 생성하는 단면 데이터 생성부; 상기 단면 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하고, 상기 단면 형상 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터를 생성하는 형상 생성부; 및 상기 골 지지체의 전체 형상 데이터를 기반으로 상기 골 지지체를 제작하는 제작부를 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체의 제조 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 골 지지체 및 상기 골 결손 부위의 물성치에 대한 설계 변수를 선정하는 변수 선정부를 더 포함하고, 상기 형상 생성부는 상기 골 결손 부위에 대한 상기 설계 변수의 값의 기 설정된 오차 범위 내에 속하도록 상기 골 지지체의 상기 설계 변수의 값을 설정하여 상기 단면 형상 데이터를 생성하는, 골 재건을 위한 골 지지체의 제조 시스템이 제공될 수 있다.

또한, 상기 변수 선정부에서 선정하는 상기 설계 변수는, 단면적, 허용 강도, 무게 중심, 단면 이차 모멘트의 주축 위치(principal axes of moment of inertia) 및 상기 무게 중심과 상기 주축에서의 단면 이차 모멘트(moment of inertia) 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 골 재건을 위한 골 지지체의 제조 시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 환자의 소실된 골의 물리적 특성이 오차 범위 내에서 유사하게 모방된 골 지지체를 제조 및 이식할 수 있어, 환자가 일상 생활에서 골 지지체가 받게 될 하중의 영향에도 불구하고 골 결손 이전의 상태와 유사한 결과를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 골 지지체를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 골 지지체를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 골 지지체를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 골 지지체를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제5 실시예에 따른 골 지지체를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에 도시된 골 지지체를 제조하기 위한 제조 시스템을 도시한 블록도이다.
도 7은 도 6의 제조 시스템을 이용하여 골 지지체를 제조하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 8은 도 7의 제조 방법에 있어서 골 결손 부위의 스캔 이미지를 이용하여 재생성 이미지를 얻는 과정을 나타내는 개념도이다.
도 9는 도 7의 제조 방법에 있어서 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 과정을 나타내는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 실시예들에 따른 골 지지체는 골절 사고, 수술 등의 요인으로 인해 골 결손을 당한 환자의 골 결손 부위에 이식되어 골 결손을 보상함과 동시에 골 결손 부위의 재건을 돕기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따른 골 지지체의 제조 시스템 및 방법은 환자의 골 결손된 신체 특성과 회복 후의 일상 생활에서의 동작들로부터 야기되는 압축, 인장, 전단, 굽힘, 좌굴 등의 다양한 하중을 견딜 수 있는 골 지지체를 설계 및 제작하기 위해 제공된다.

이를 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 골 지지체의 제조 시스템 및 방법은 기계 역학적인 주요 구조 강도 변수들을 정의하고 환자의 골 결손 부위의 신체 특성에 따라 오차 범위 안에서 유사한 구조 강도 변수들을 갖도록 골 지지체의 구체적인 형상 및 재질을 설계하고, 이를 기반으로 환자 맞춤형 골 지지체를 제작하는데 사용될 수 있다. 이렇게 제조되는 골 지지체는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이러한 형상은 어느 부위에 이식되는지 여부, 골 결손 부위의 결손된 양, 결손된 부위의 형상 등에 의해 정해질 수 있다. 이하에서는 이렇게 제조되는 골 지지체의 여러 실시예들에 대하여 설명된 후, 이를 제조하기 위한 구체적인 시스템 및 방법에 대하여 설명된다.

도 1 내지 도 5에는 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조되는 골 지지체의 다양한 형상들이 도시된다. 각 도면에 도시된 골 지지체의 형상은 설계 결과에 따라 도출된 소정 두께를 가지는 형상이지만 간략한 도시를 위해 해당 두께는 생략 도시하여 실선으로 표현하였다. 도 1 내지 도 5에 도시된 골 지지체의 형상들은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 설계 및 제작된 형상의 예시들이며, 골 지지체의 형상은 환자의 상황, 골 결손 양태, 의사의 요구 조건 등 다양한 요인에 따라 달리 설계되어 제작될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 골 지지체(10)는 메인 지지부(100) 및 결합 부재(200)를 포함할 수 있다. 메인 지지부(100)는 골 결손 부위의 골 형상을 모사하여 제작될 수 있으며, 이에 따라 골 결손 부위의 골 결손을 보완할 수 있다. 이를 위해, 메인 지지부(100)는 골 결손 부위의 결손 단면에 연결되어 골 결손 부위에 가해지는 하중을 받도록 제공된다. 또한, 메인 지지부(100)는 내부에 중공을 갖고, 중공을 둘러싸는 둘레면을 갖는 형상으로 제공될 수 있으며, 이러한 둘레면은 골 결손 부위의 잔존하는 골 형상으로부터 매끄럽게 연장되는 형상으로 형성될 수 있다.

결합 부재(200)는 메인 지지부(100)의 양 단에 연결되며, 골 결손 부위와 메인 지지부(100)를 결합시키도록 제공된다. 이때, 결합 부재(200)는 골 결손 부위의 단부가 일부 수용될 수 있는 수용 공간이 형성되고, 수용 공간의 주위가 벽 형상으로 둘러싼 형상으로 제공될 수 있다. 또한, 골 결손 부위의 잔존하는 골에 나사 결합되기 위한 체결공(202)이 형성될 수 있다.

이러한 결합 부재(200)는 메인 지지부(100)의 양 단부로부터 연장 형성되어 제공될 수 있으며, 메인 지지부(100)와 일체로 형성될 수도 있고, 메인 지지부(100)와는 별개로 제작되어 메인 지지부(100)와 결합되는 방식으로 제공될 수도 있다.

상술한 제1 실시예는 골 지지체(10)의 기본적인 형상으로서 제공될 수 있으나, 골 지지체의 형상은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 골 지지체(11)가 제공될 수도 있다. 제2 실시예는 메인 지지부(100)의 형상에 있어서 제1 실시예와 차이가 있으며, 이러한 차이를 위주로 설명하며, 동일한 부분은 제1 실시예를 원용하겠다.

제2 실시예에 따른 골 지지체(11)의 메인 지지부(100)는 양 단에 연결된 두 개의 결합 부재(200)를 상호 연결하는 복수의 세로 지지대(110) 및 복수의 세로 지지대(110)를 서로 연결시키는 가로 지지대(120)를 포함할 수 있다. 골 결손 부위에 가해지는 하중은 세로 지지대(110)에 일차적으로 가해지고, 가로 지지대(120)에 의해 세로 지지대(110)가 지지될 수 있다. 가로 지지대(120)는 도 2에 도시된 바와 같이 한 개의 층으로 제공될 수도 있고, 복수의 층으로 제공될 수도 있다. 또한, 세로 지지대(110)와 가로 지지대(120)는 일체로 형성될 수도 있고, 서로 별개로 제작된 후에 결합되는 방식으로 제공될 수도 있다.

한편, 도 3에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 골 지지체(12a, 12b)가 도시된다. 제3 실시예에 따른 골 지지체(12a, 12b)는 메인 지지부(100)가 둘 이상의 부재로 제작되어 나사 결합 등에 의해 각 부재가 상호 체결될 수 있다. 구체적으로, 도 3(a)에 도시된 골 지지체(12a)는 제1 지지 부재(102) 및 제1 지지 부재(102)와 체결되는 제2 지지 부재(104)를 포함할 수 있다.

이때, 제1 지지 부재(102)는, 제2 지지 부재(104)와 체결되기 위한 제1 조립공(106)이 형성된 조립 프레임(108)을 포함하고, 제2 지지 부재(104)에는 조립 프레임(108)에 형성된 제1 조립공(106)과 대응되는 위치에 제2 조립공(107)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 조립공(106)과 제2 조립공(107)에 나사가 삽입되어 제1 지지 부재(102)와 제2 지지 부재(104)가 상호 결합되며. 이로써 메인 지지부(100)가 형성될 수 있다.

또한, 결합 부재(200)도 제1 결합체(204)와 제2 결합체(206)의 두 개 부재로 나누어져서 제공될 수 있으며, 제1 결합체(204)는 제1 지지 부재(102)의 양 단으로부터 연장 형성되고, 제2 결합체(206)는 제2 지지 부재(104)의 양 단으로부터 연장 형성될 수 있다. 이때, 제1 결합체(204)와 제2 결합체(206) 상호간에는 체결되지 않을 수도 있고, 상호간에 별도의 체결 부재를 통해 체결될 수도 있다. 전자의 경우 도 3(a)에 도시된 바와 같이 제1 결합체(204)와 제2 결합체(206)는 각각 제1 지지 부재(104)와 제2 지지 부재(106)에 연결된 상태로 메인 지지부(100)에 대한 위치가 각각 유지될 수 있다.

조립 프레임(108)은 제1 지지 부재(102)에 형성될 수도 있고, 제2 지지 부재(104)에 형성될 수도 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 지지 부재(102)와 제2 지지 부재(104)에 모두 형성될 수도 있다. 또한, 조립 프레임(108)은 제1 지지 부재(102) 및/또는 제2 지지 부재(104)의 일측 단부에 형성될 수 있으며, 두 개의 모서리를 갖도록 스텝 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

또한, 도 3(b)에 도시된 골 지지체(12b)의 경우, 결합 부재(200) 대신 제1 지지 부재(102) 및/또는 제2 지지 부재(104)로부터 상하 방향으로 돌출 형성된 조립 돌출체(109)에 의해 골 결손 부위의 잔존하는 골과 체결될 수 있다. 이를 위해, 조립 돌출체(109)에 제2 조립공(107)이 형성되고, 제1 조립공(106)은 제2 조립공(107)의 위치와 대응되는 조립 프레임(108) 상의 위치에 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 조립공(106)과 제2 조립공(107)에 삽입된 나사가 잔존하는 골에 삽입됨으로써 메인 지지부(100)가 골 결손 부위에 이식되어 고정될 수 있다.

본 실시예에서는 메인 지지부(100)와 결합 부재(200)가 각각 두 개의 부재로 나누어진 것을 예로 들어 도시되었으나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니고, 메인 지지부(100)는 셋 이상의 부재로 나뉘어져 각각의 부재가 상호 결합되어 형성되는 것도 가능하다.

한편, 도 4에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 골 지지체(13)가 도시된다. 제4 실시예에 따른 골 지지체(13)는 메인 지지부(100)가 외측 지지 부재(135), 내측 지지 부재(130) 및 연결 프레임(140)을 포함할 수 있다.

외측 지지 부재(135)는 내부에 중공이 형성될 수 있고, 이러한 외측 지지 부재(135)의 중공에 내측 지지 부재(130)가 제공될 수 있다. 또한, 연결 프레임(140)은 외측 지지 부재(135)와 내측 지지 부재(130)를 연결하도록 제공될 수 있다. 이때, 연결 프레임(140)은 내측 지지 부재(130)의 둘레를 따라 형성되도록 제공되어 내측 지지 부재(130)와 외측 지지 부재(135)에 연결되는 가로 프레임(142) 및 가로 프레임(142)에 연결되고, 내측 지지 부재(130)의 둘레로부터 가로 프레임(142)이 연장되는 방향과 어긋나는 방향으로 연장 형성되는 세로 프레임(144)을 포함할 수 있다.

가로 프레임(142)은 복수 개로 제공되고, 세로 프레임(144)은 복수의 가로 프레임(142)을 상호 연결하도록 제공될 수 있다. 이에 따라, 외측 지지 부재(135)와 내측 지지 부재(130)는 가로 프레임(142)과 세로 프레임(144)에 의해 연결되어 상호 고정된다.

이러한 외측 지지 부재(135), 내측 지지 부재(130) 및 연결 프레임(140)은 일체로 형성될 수도 있고, 각각이 별도로 제작되어 상호 체결될 수도 있다.

한편, 도 5에는 본 발명의 제5 실시예에 따른 골 지지체(14)가 도시된다. 제5 실시예에 따른 골 지지체(14)의 메인 지지부(100)는 연결 기둥(150), 보강대(160), 제1 프레임(162) 및 제2 프레임(164)를 포함할 수 있다.

연결 기둥(150)은 메인 지지부(100)의 양 단에 제공된 두 개의 결합 부재(200)를 연결하도록 복수 개로 제공될 수 있고, 환자의 골 결손 부위에 가해지는 하중을 지지하도록 제공될 수 있다. 이러한 연결 기둥(150)은 단면이 사각형의 형상으로서 굴곡진 바 형상으로 형성될 수도 있고, 내부에 중공을 갖는 파이프 형상으로 형성될 수도 있다. 또한, 복수의 연결 기둥(150)들의 양 단부에 제1 프레임(162) 및 제2 프레임(164)이 제공될 수 있다. 이때, 제1 프레임(162) 및 제2 프레임(164)은 복수의 연결 기둥(150)과 결합 부재(200)를 연결하도록 제공될 수 있다. 또한, 보강대(160)는 복수의 연결 기둥(150)을 감싸도록 형성되어 메인 지지부(100)의 강성을 보강하도록 제공될 수 있다.

이러한 연결 기둥(150), 보강대(160), 제1 프레임(162) 및 제2 프레임(164)은 일체로 형성될 수도 있고, 각각이 별도로 제작되어 상호 체결될 수도 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 골 지지체를 환자 맞춤형으로 제조하기 위한 제조 시스템과 이를 이용한 골 지지체의 제조 방법에 대하여 설명한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 골 지지체의 제조 시스템(20)은 데이터 수집부(22), 입력부(23), 저장부(24), 단면 데이터 생성부(25), 변수 선정부(26), 형상 생성부(28) 및 제작부(29)를 포함할 수 있다.

데이터 수집부(22)는 인체의 각 부위에 대하여 측정된 물성 데이터 및 상기 골 결손 부위의 스캔 데이터를 입수할 수 있다. 인체의 각 부위에 대하여 측정된 물성 데이터는 별도로 제공되는 테스트 장비를 통해 다양한 키와 체중을 가진 사람들을 대상으로 일상적인 움직임에 따라 각 부위에 가해지는 하중, 즉, 압축, 인장, 굽힘, 좌굴, 피로 하중들을 측정하여 얻어진 데이터일 수 있다. 또한, 데이터 수집부(22)는 골 결손이 발생된 환자의 골 결손 부위를 CT 촬영 등을 통해 얻은 스캔 데이터를 입수할 수 있다. 이렇게 데이터 수집부(22)에 의해 수집된 데이터는 저장부(24)에 전달되어 저장될 수 있다.

입력부(23)는 의사 등 사용자로부터 골 지지체의 필요 사양 및 설계 제한 조건을 입력받도록 제공될 수 있다. 이때 입력되는 필요 사양 및 설계 제한 조건은 예를 들어 특정 부위에 형성되는 구멍의 형상, 특정 단면에서의 각 부재들의 간격 등일 수 있다. 이를 위해, 입력부(23)는 키패드 등의 인터페이스를 포함할 수 있다. 이렇게 입력부(23)를 통해 입력된 필요 사양 및 설계 제한 조건은 저장부(24)에 저장될 수 있으며, 형상 생성부(28)에서 골 지지체의 각 단면 데이터를 생성하는데 반영될 수 있다.

단면 데이터 생성부(25)는 데이터 수집부(22)를 통해 얻어져서 저장부(24)에 저장된 골 결손 부위의 스캔 데이터를 이용하여 골 결손 부위의 재생성 이미지(도 8, 3)를 얻고, 이렇게 얻어진 재생성 이미지(3)를 통해 골 결손 부위의 단면 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 재생성 이미지(3)의 각 단면은 S₀부터 S_n까지 인덱싱되어 표시될 수 있다.

변수 선정부(26)는 골 지지체 및 골 결손 부위의 물성치에 대한 설계 변수를 선정할 수 있다. 이때, 변수 선정부(26)는 저장부(24)에 저장된 인체 부위의 물성치 데이터 중 골 결손 부위에 대응되는 물성치 데이터와 골 결손 부위의 스캔 데이터를 이용하여 골 지지체의 설계를 위해 필요한 변수를 선정할 수 있다. 변수 선정부(26)가 선정하는 설계 변수는 단면적, 허용 강도, 무게 중심, 단면 이차 모멘트의 주축 위치(principal axes of moment of inertia) 및 무게 중심과 주축에서의 단면 이차 모멘트(moment of inertia) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

형상 생성부(28)는 생성된 재생성 이미지(3)의 단면 데이터를 이용하여 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하고, 생성된 단면 형상 데이터를 이용하여 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 형상 생성부(28)는 재생성 이미지(3)의 각 단면에 대응되도록 골 지지체의 단면 형상 데이터를 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 골 지지체의 각 단면 형상 데이터는 단면 데이터 생성부(25)에서 생성된 재생성 이미지(3)의 각 단면 데이터와 일대일로 매칭될 수 있으며, 재생성 이미지(3)의 단면 데이터와 마찬가지로 S₀부터 S_n까지 인덱싱되어 표시될 수 있다.

또한, 형상 생성부(28)는 변수 선정부(26)에 의해 선정된 골 결손 부위에 대한 설계 변수의 값의 기 설정된 오차 범위 내에 속하도록 골 지지체의 설계 변수의 값을 설정하여 단면 형상 데이터를 생성할 수 있다.

또한, 형상 생성부(28)는 입력부(23)를 통해 입력된 필요 사양 및 설계 제한 조건을 반영하여 골 지지체의 단면 형상 데이터를 생성할 수 있다. 다시 말해서, 형상 생성부(28)는 각 설계 변수 값뿐 아니라 입력된 필요 사양 및 설계 제한 조건들을 모두 반영하여 골 지지체의 단면 형상 데이터를 생성할 수 있다.

형상 생성부(28)를 통해 생성되는 골 지지체의 단면 형상 데이터는 단일의 형상으로 생성될 수도 있고, 필요한 조건들을 만족하는 복수의 가능한 형상들로 생성될 수도 있다. 이렇게 복수의 형상으로 생성될 경우, 형상 생성부(28)는 사용자로부터 입력을 받아서 해당 단면의 복수의 가능한 형상들 중 하나가 선택되도록 하거나, 임의로 선택되도록 할 수도 있다.

또한, 형상 생성부(28)를 통해 생성되는 골 지지체의 단면 형상 데이터 중 어느 하나의 단면 위치에 대한 단면 형상 데이터(S_i)는 소정의 두께를 가질 수 있으며, 둘레를 따라 일정한 두께를 가질 수도 있고, 둘레를 따라 두께가 변화될 수도 있으며, 둘레를 따라 단절된 형상을 가질 수도 있다. 이는 골 결손 부위의 치밀뼈의 형상, 두께 등의 특성과 함수 관계에 있다.

제작부(29)는 생성된 골 지지체의 전체 형상 데이터를 기반으로 골 지지체를 제작할 수 있다. 이때, 제작부(29)는 일 예로 3D 프린팅, 인서트/인젝션 몰딩 등의 방법으로 골 지지체를 제작할 수 있다.

이하에서는, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 제조 시스템(20)을 이용하여 골 지지체를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 골 지지체를 제조하는 방법은 인체의 각 부위에 대한 물성 데이터를 측정하여 저장부(24)에 저장하는 단계(S10), 골 결손 부위의 스캔 데이터를 입수하는 단계(S20), 스캔 데이터를 이용하여 골 결손 부위의 재생성 이미지를 얻는 단계(S30), 재생성 이미지를 통해 단면 데이터를 생성하는 단계(S40), 단면 데이터를 이용하여 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계(S50), 골 지지체의 상기 단면 형상 데이터를 이용하여 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계(S60) 및 골 지지체의 전체 형상 데이터를 기반으로 골 지지체를 제작하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 골 지지체를 제조하는 방법은 입력부(23)를 통해 의사 등 사용자로부터 골 지지체의 필요 사양 및 설계 제한 조건을 입력받는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 이때 입력되는 필요 사양 및 설계 제한 조건은 예를 들어 특정 부위에 형성되는 구멍의 형상, 특정 단면에서의 각 부재들의 간격 등일 수 있다. 이렇게 입력된 필요 사양 및 설계 제한 조건은 저장부(24)에 저장될 수 있으며, 단면 데이터를 이용하여 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계(S50)에서 골 지지체의 각 단면 데이터를 생성하는데 반영될 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 재생성 이미지를 통해 단면 데이터를 생성하는 단계(S40)는 골 결손 부위의 재생성 이미지(3)를 소정 간격으로 절단한 단면 형상을 데이터로 생성할 수 있다. 이때, 재생성 이미지(3)의 각 단면은 S₀부터 S_n까지 인덱싱되어 표시될 수 있다.

또한, 단면 데이터를 이용하여 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계(S50)는, 골 지지체 및 골 결손 부위의 물성치에 대한 설계 변수를 선정하는 단계(S52) 및 골 결손 부위에 대한 설계 변수의 값의 기 설정된 오차 범위 내에 속하도록 골 지지체의 설계 변수의 값을 설정하는 단계(S54)를 포함할 수 있다. 이때 골 결손 부위의 잔존하는 골(1)의 결손 단면(2) 형상으로부터 기 저장된 알고리즘에 의해 재생성 이미지(3)가 생성될 수 있다.

또한, 골 결손 부위의 재생성 이미지(3)의 각 단면 형상(도 9(a-1), 도 9(b-1), 도 9(c-1))의 외형에 대응되도록 골 지지체의 1차 단면 형상(도 9(a-2), 도 9(b-2), 도 9(c-2))을 생성하고, 변수 선정부(26)에 의해 선정된 설계 변수들을 이용하여 골 지지체의 최종 단면 형상(도 9(a-3), 도 9(b-3), 도 9(c-3))을 생성할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 각 단면에 따른 골 지지체의 형상은 서로 달라질 수 있다.

이에 따라, 재생성 이미지(3)의 S₀부터 S_n까지의 단면 형상에 대하여 일대일 매칭이 되도록 골 지지체의 단면 형상 데이터가 생성될 수 있으며, 골 지지체의 각 단면 형상 데이터는 일대일로 매칭되는 재생성 이미지(3)의 단면 형상 데이터의 각 설계 변수 값에 따른 물리적 특성과 유사한 물리적 특성을 갖는 단면 형상을 가질 수 있다.

또한, 입력부(23)를 통해 입력된 필요 사양 및 설계 제한 조건을 반영하여 골 지지체의 단면 형상 데이터를 생성할 수 있다. 다시 말해서, 설계 변수를 선정하는 단계(S52)에서 선정된 각 설계 변수 값뿐 아니라 입력된 필요 사양 및 설계 제한 조건들을 모두 반영하여 골 지지체의 단면 형상 데이터가 생성될 수 있다.

이렇게 생성되는 골 지지체의 단면 형상 데이터는 단일의 형상으로 생성될 수도 있고, 필요한 조건들을 만족하는 복수의 가능한 형상들로 생성될 수도 있다. 이렇게 복수의 형상으로 생성될 경우, 골 지지체의 단면 형상 데이터는 사용자에 의해 해당 단면의 복수의 가능한 형상들 중 하나가 선택될 수도 있고, 임의로 선택될 수도 있다.

또한, 골 지지체의 단면 형상 데이터 중 어느 하나의 단면 위치에 대한 단면 형상 데이터(S_i)는 소정의 두께를 가질 수 있으며, 둘레를 따라 일정한 두께를 가질 수도 있고, 둘레를 따라 두께가 변화될 수도 있으며, 둘레를 따라 단절된 형상을 가질 수도 있다. 이는 골 결손 부위의 치밀뼈의 형상, 두께 등의 특성과 함수 관계에 있다.

이렇게 S₀부터 S_n까지 생성된 골 지지체의 최종 단면 형상을 부드럽게 연결하여 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터가 생성될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 골 지지체, 이를 제조하는 방법 및 시스템에 따르면, 환자의 소실된 골의 물리적 특성이 오차 범위 내에서 유사하게 모방된 골 지지체를 제조 및 이식할 수 있어, 환자가 일상 생활에서 골 지지체가 받게 될 하중의 영향에도 불구하고 골 결손 이전의 상태와 유사한 결과를 얻을 수 있다는 효과가 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 골 재건을 위한 골 지지체, 이의 제조 방법 및 시스템의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

10, 11, 12a, 12b, 13, 14: 골 지지체
100: 메인 지지부
102: 제1 지지 부재 104: 제2 지지 부재
106: 제1 조립공 107: 제2 조립공
108: 조립 프레임 109: 조립 돌출체
110: 세로 지지대 120: 가로 지지대
130: 내측 지지 부재 135: 외측 지지 부재
140: 연결 프레임 150: 연결 기둥
160: 보강대 200: 결합 부재
202: 체결공 204: 제1 결합체
206: 제2 결합체 20: 골 지지체 제조 시스템
22: 데이터 수집부 23: 입력부
24: 저장부 25: 단면 데이터 생성부
26: 변수 선정부 28: 형상 생성부
29: 제작부

Claims

환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체에 있어서,
상기 골 결손 부위의 결손 단면에 연결되어 상기 골 결손 부위에 가해지는 하중을 받도록 제공되는 메인 지지부; 및
상기 메인 지지부의 양 단에 연결되며, 상기 골 결손 부위와 상기 메인 지지부를 결합시키는 결합 부재를 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제1 항에 있어서,
상기 결합 부재에는 체결공이 형성되고,
상기 골 결손 부위의 잔존하는 골에 상기 체결공을 통과한 나사가 삽입되어 상기 결합 부재가 상기 골에 결합되는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제1 항에 있어서,
상기 메인 지지부는 내부에 중공을 갖고, 상기 중공을 둘러싸는 둘레면을 갖는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제1 항에 있어서,
상기 메인 지지부는,
양 단에 연결된 두 개의 상기 결합 부재를 상호 연결하는 복수의 세로 지지대; 및
복수의 상기 세로 지지대를 서로 연결시키는 가로 지지대를 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제1 항에 있어서,
상기 메인 지지부는,
제1 지지 부재; 및
상기 제1 지지 부재와 체결되는 제2 지지 부재를 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제5 항에 있어서,
상기 제1 지지 부재는,
상기 제2 지지 부재와 체결되기 위한 제1 조립공이 형성된 조립 프레임을 포함하고,
상기 제2 지지 부재에는 상기 조립 프레임에 형성된 상기 제1 조립공과 대응되는 위치에 제2 조립공이 형성되고,
상기 제1 조립공과 상기 제2 조립공에 나사가 삽입됨으로써 상기 제1 조립공과 상기 제2 조립공이 상호 체결되는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제1 항에 있어서,
상기 메인 지지부는,
내부에 중공이 형성된 외측 지지 부재; 및
상기 외측 지지 부재의 내측에 제공되는 내측 지지 부재를 더 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제7 항에 있어서,
상기 외측 지지 부재와 상기 내측 지지 부재를 연결하는 연결 프레임을 포함하고,
상기 연결 프레임은,
상기 내측 지지 부재의 둘레를 따라 형성되도록 제공되어 상기 내측 지지 부재와 상기 외측 지지 부재에 연결되는 가로 프레임; 및
상기 가로 프레임에 연결되고, 상기 내측 지지 부재의 둘레로부터 상기 가로 프레임이 연장되는 방향과 어긋나는 방향으로 연장 형성되는 세로 프레임을 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제8 항에 있어서,
상기 가로 프레임은 복수 개로 제공되고,
상기 세로 프레임은 복수의 상기 가로 프레임을 상호 연결하도록 제공되는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제1 항에 있어서,
상기 메인 지지부는,
두 개의 상기 결합 부재를 연결하고, 상기 골 결손 부위에 가해지는 하중을 지지하는 복수의 연결 기둥;
복수의 상기 연결 기둥들의 양 단부에 제공되는 제1 프레임 및 제2 프레임을 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
제10 항에 있어서,
상기 메인 지지부는,
복수의 상기 연결 기둥을 감싸도록 형성되는 보강대를 더 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체.
환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체를 제조하는 방법에 있어서,
인체의 각 부위에 대한 물성 데이터를 측정하여 저장부에 저장하는 단계;
상기 골 결손 부위의 스캔 데이터를 입수하는 단계;
상기 스캔 데이터를 이용하여 상기 골 결손 부위의 재생성 이미지를 얻는 단계;
상기 재생성 이미지를 통해 단면 데이터를 생성하는 단계;
상기 단면 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계;
상기 골 지지체의 상기 단면 형상 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계; 및
상기 골 지지체의 전체 형상 데이터를 기반으로 상기 골 지지체를 제작하는 단계를 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체의 제조 방법.
제12 항에 있어서,
단면 형상에 대한 데이터를 생성하는 단계는,
상기 골 지지체 및 상기 골 결손 부위의 물성치에 대한 설계 변수를 선정하는 단계; 및
상기 골 결손 부위에 대한 상기 설계 변수의 값의 기 설정된 오차 범위 내에 속하도록 상기 골 지지체의 상기 설계 변수의 값을 설정하는 단계를 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체의 제조 방법.
제13 항에 있어서,
상기 설계 변수는,
단면적, 허용 강도, 무게 중심, 단면 이차 모멘트의 주축 방향(principal axes of moment of inertia) 및 상기 무게 중심과 상기 주축에서의 단면 이차 모멘트(principal moment of inertia) 중 적어도 하나 이상을 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체의 제조 방법.
환자의 골 재건을 위해 골 결손 부위에 이식되는 골 지지체를 제조하는 시스템에 있어서,
인체의 각 부위에 대하여 측정된 물성 데이터 및 상기 골 결손 부위의 스캔 데이터를 입수하는 데이터 수집부;
상기 데이터 수집부에 의해 수집된 데이터를 저장하는 저장부;
상기 스캔 데이터를 이용하여 상기 골 결손 부위의 재생성 이미지를 얻고, 상기 재생성 이미지를 통해 단면 데이터를 생성하는 단면 데이터 생성부;
상기 단면 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 단면 형상에 대한 데이터를 생성하고, 상기 단면 형상 데이터를 이용하여 상기 골 지지체의 전체 형상에 대한 데이터를 생성하는 형상 생성부; 및
상기 골 지지체의 전체 형상 데이터를 기반으로 상기 골 지지체를 제작하는 제작부를 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체의 제조 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 골 지지체 및 상기 골 결손 부위의 물성치에 대한 설계 변수를 선정하는 변수 선정부를 더 포함하고,
상기 형상 생성부는 상기 골 결손 부위에 대한 상기 설계 변수의 값의 기 설정된 오차 범위 내에 속하도록 상기 골 지지체의 상기 설계 변수의 값을 설정하여 상기 단면 형상 데이터를 생성하는,
골 재건을 위한 골 지지체의 제조 시스템.
제16 항에 있어서,
상기 변수 선정부에서 선정하는 상기 설계 변수는,
단면적, 허용 강도, 무게 중심, 단면 이차 모멘트의 주축 위치(principal axes of moment of inertia) 및 상기 무게 중심과 상기 주축에서의 단면 이차 모멘트(moment of inertia) 중 적어도 하나 이상을 포함하는,
골 재건을 위한 골 지지체의 제조 시스템.