KR20220069901A - 3d 맞춤형 코 임플란트 설계 방법 - Google Patents

Abstract

코 임플란트의 3D 디자인 방법이 개시된다. 본 발명의 코 임플란트의 3D 디자인 방법은, 환자의 코의 CT 영상을 코의 뼈, 연골 및 근육을 포함하는 인체조직의 명암 값을 기초로 분할하는 분할 단계; 및 분할된 뼈의 명암 값, 연골의 명암 값 및 근육 등 인체조직의 명암 값을 통합하여 CT 영상에 코의 3D 오브젝트를 구현하는 구현 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법{3D Customized Nasal Implant Design process}

본 발명은, 코 임플란트의 3D 설계 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직의 명암 값을 기초로 코 임플란트를 3D로 구현할 수 있는 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법에 관한 것이다.

코성형(rhinoplasty)의 종류는 매우 다양하며, 환자의 상태, 요구, 변형의 종류, 이전 수술의 종류 및 방법 등에 따라서 수술 종류가 달라진다. 코성형은 단순히 코를 올리거나 휘어진 코를 바로잡는 수술뿐만 아니라 선천성 기형의 교정, 사고로 인한 결손부 치유, 및 암 조직의 제거 후 코의 재건까지 광범위한 분야를 포함한다. 그 중 융비술은 선천적으로 코가 낮거나 변형이 있거나, 또는 종양 수술 등의 이유로 코 부위에 결손이나 변형이 생겼을 때 교정적 치료, 또는 미용적 목적으로 시행할 수 있다.

일반적으로 융비술은 재료를 삽입하여 이루어지는데, 재료는 이식물(graft)과 삽입물(implant)로 나눌 수 있다.

이식물의 종류로는 골과 연골이 있으며, 골은 연골의 골화로 형성되는 연골성 골과 간엽조직의 직접적 골화로 형성되는 막성 골로 나눌 수 있다.

일반적으로 두개골과 같은 막성골이 생존율이 좋고 흡수율이 낮아서 자가골 이식시 많이 사용되며, 그 외에 장골이나 늑골과 같은 연골성 골이 사용되기도 한다. 연골은 골조직에 비해 흡수율도 낮고 혈액공급 없이도 생존이 가능하며 모양을 다듬기 쉬우며, 비중격연골, 이개연골과 늑연골 등이 융비술에 주로 사용된다. 이식물 중 골 이식물의 경우 골성 유합이 견고하게 이루어져 잘 변위되지 않으며, 이물 반응을 일으키지 않으나, 많은 양을 얻기 힘들다.

그러나, 골절이 일어날 수 있으며, 이식물을 채취하기가 어렵고, 공여부에 상처가 남을 수 있으며, 다루기 어렵고 흡수가 많으며, 유연성이 없다. 자가 연골 중 비중격연골은 편리하고 좋으나 양이 많지 않고, 견고한 비배부 라인을 형성하기 어렵다.

삽입물은 생체의 조직 내에 장기간 넣어 두어도 화학적 변화를 일으키지 않는 불활성의 인공 재료를 의미하고, 실리콘 보형물, 고어텍스 보형물, 머실린 메쉬, 알로덤 프로플라스트 등의 종류가 있다.

한편 코 성형술에 사용되는 기존 융비술(augmentation rhinoplasty) 재료는 개별 환자의 코 치수을 고려하지 않고, 표준 길이 및 높이로 생산되어 왔다. 따라서, 의사들은 각 환자의 특정 요구에 따라 재료를 설계하고 조각하는 데 많은 시간을 소비해 왔다. 종래의 줄기세포 연구을 기반으로 한 조직공학 기술이 고유의 기능을 유지하면서도 손상된 조직과 장기를 대체할 수 있는 가능성을 보여줬으나, 성형술에서 조직공학 기술의 적용은 상대적으로 드문 형편이다. 즉, 성형술에서 주 목적을 달성하기 위해 적절한 재료를 사용하는 것은 대부분의 경우 필수적으로 요구된다.

최근 3차원(3D) 프린팅이 다양한 임상 문제에 적용되어 왔으며, 3D 프린팅을 이용하여 3차원 형상의 고체 스캐 폴드를 제조할 수 있다 그러나, 종래 어떠한 연구도 3D 프린팅을 코 성형술이나 코 수술에 적용하지 않았다.

성형 부위 중 1위인 코가 맞춤형 임플란트로 생산되지 않는 이유는 코의 윗부분 1/3 부분까지는 뼈지만, 그 아래 2/3 부위는 뼈가 아닌 연골 및 연골을 덮고 있는 근육 등 연조직이기에 CT(computed tomography) 상에서 구현되지 않았다. 그렇기에, 연골 및 뼈 등 인체 조직에 부합되는 임플란트 생산에 어려움을 겪었다.

전술한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다.

한국등록특허공보 제10-1747326호(심민보) 2017. 06. 08.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직의 명암 값을 기초로 경계값(Tresholding)을 이용하여 코 임플란트를 3D로 구현할 수 있는 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 환자의 코의 CT 영상을 상기 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직의 명암 값을 기초로 경계값(thresholding)을 이용하여 분할하는 분할 단계; 및 상기 CT 영상에 상기 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직의 명암 값 을 3D 오브젝터(Object)로 구현하는 구현 단계, 그리고 구현된 3D 오브젝터를 기초로 설계 임플란트를 설계하는 설계 단계가 제공될 수 있다.

상기 코의 CT 영상은 병원으로부터 제공받을 수 있다.

상기 구현 단계에서 구현된 상기 CT 영상을 기초로 설계 코 임플란트를 설계 하는 설계 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 설계 단계는 병원을 포함하는 고객의 확인을 받는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 구현 단계에서 기존 환자의 코의 CT 영상을 이용할 수 있다.

상기 경계값을 기초로 경계화 작업을 이용하여 분류된 값 중, 작업자가 필요로 하는 명암 값을 선택하여 이를 3D 영상화를 위해 STL(STereoLithography) 파일로 변환하는 단계; 각각의 상기 STL 파일을 통합하여 3D 오브젝트를 마련하는 단계; 및 상기 3D 오브젝트 위에 환자의 코 임플란트를 설계하고, 설계한 STL 파일을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직의 명암 값을 기초로, 뼈 뿐만 아니라 연골 등 인체조직에 정확히 부합하는 코 임플란트를 구현할 수 있기 때문에 고객의 요구를 보다 더 정확하고 신속하게 반영할 수 있다.

또한, 코의 인체조직에 정확히 임플란트가 부합하기 때문에, 임플란트가 정확히 부합하지 않아 발생할 수 있는 부작용 등이 감소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 구현 단계에 의해 CT 영상에 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직이 구현된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 설계 단계에서 설계된 설계 코 임플란트가 뼈 및 연골 등 인체 조직위에 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 제조 방법에 의해 제조된 코 임플란트를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 코 임플란트가 뼈, 연골 및 코의 인체조직 위에 정확히 부합된 것을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시 예가 코 이외에 이마, 턱, 팔자주름부위(PARANASAL) 등에 적용될 수 있는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 구현 단계에 의해 CT 영상에 코의 뼈, 연골 및 근육 등 인체조직이 구현된 것을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1에 도시된 설계 단계에서 설계된 설계 코 임플란트가 뼈 및 연골 등 인체 조직위에 마련된 것을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 제조방법에 의해 제조된 코 임플란트를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 코 임플란트가 뼈, 연골 및 코의 인체조직 위에 정확히 부합된 것을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 6은 본 실시 예가 코 이외에 이마, 턱, 팔자주름부위(PARANASAL) 등에 적용될 수 있는 것을 개략적으로 도시한 도면이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법은, 환자의 코의 CT(computed tomography) 영상을 코의 뼈(10), 연골(30) 및 근육(20)의 명암 값을 기초로 경계값(thresholding)을 이용하여 분할하는 분할 단계(S1)와, 분할한 후 CT 영상에 코의 뼈(10), 연골(30) 및 근육(20) 등을 구현하는 구현 단계(S2)를 구비한다.

분할 단계(S1)에서는, 먼저 CT 장치를 통해 코의 CT 영상을 획득하고, 코의 CT 영상은 종래의 CT 촬영 장치를 통해 획득할 수 있다. 또한 본 실시 예에서 코의 CT 영상은 고객 예를 들어 병원을 통해서 받을 수 있다.

본 실시 예의 분할 단계(S1)는 병원 등으로부터 전송 받거나 기록 매체에 저장된 CT 영상을 기초로 코의 뼈, 연골 등 인체조직의 명암 값을 구할 수 있다. 이전에는 코의 윗부분 1/3 부분까지는 뼈지만, 그 아래 2/3 부위는 뼈가 아닌 연골(30) 및 연골(30)을 덮고 있는 근육(20)층이기에 CT 상에서 도 2에 도시된 설계 코 임플란트(200)를 구현할 수 없었다.

하지만 본 실시 예는 환자의 CT 영상을 부분(slice) 2D 이미지를 활용하여 경계화(thresholding)하면, 각각의 명암 값을 분류할 수 있고, 이 부분 값들은 연골, 뼈, 근육 등 세부화 된 부위를 표현할 수 있다. 즉, 이를 분류하는 원리는 CT영상의 부분 2D이미지를 이용하여 픽셀(Pixel)의 명암 정도에 따라 같은 값끼리 구별하는 작업을 의미한다.

본 실시 예는 경계화 작업을 이용하여 분류된 값 중, 작업자가 필요로 하는 명암 값을 선택하여 이를 3D 영상화를 위해 STL(STereoLithography) 파일로 변환한다. 본 실시예에서 변환 후, 제작에 필요한 각각의 STL 파일을 통합한 형상을 3D 오브젝트라고 한다. 다음으로 3D 오브젝트 위에 환자의 임플란트를 설계하고, 설계한 STL 파일을 출력한다. 참고로 STL 파일은 3D 모델링된 데이터를 표준 형식의 파일로 저장하는데 제공되는 파일 형식을 말한다.

본 실시 예는 전술한 구현 단계(S2)에서 구현된 CT 영상을 기초로 설계 코 임플란트(200)를 설계하는 설계 단계를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예에서 설계 단계에서 제작되는 설계 코 임플란트(200)는 고객의 오더 폼에 적혀 있는 요청 사항에 따라 제작될 수 있다.

또한 본 실시 예는 제작된 설계 코 임플란트(200)를 고객인 병원을 통해 확인을 받을 수 있다. 이 확인 과정에서 병원의 수정 요청 사항이 있는 경우 전술한 구현 단계(S2)를 통해 다시 설계 코 임플란트(200)를 제작할 수 있다.

나아가 본 실시 예는 설계 코 임플란트(200)를 2 내지 3가지 타입으로 제작하여 고객인 병원에게 제공할 수도 있다.

본 실시 예는 설계 코 임플란트(200)를 샘플로 제작하는 가이드 라인 코 임플란트 제작 단계를 더 포함할 수 잇다.

본 실시 예에서 가이드 라인 코 임플란트는 3D 프린터를 이용하거나 몰드를 통해서 제작될 수 있다. 예를 들어 본 실시 예에서 코 임플란트는 3D 프린터를 이용하여 설계한 모형을 출력하거나, 3D 프린터로 스컬(skull)을 출력한 뒤, 에폭시 소재를 이용하여 임플란트를 직접 설계하는 방법을 통해 제작 가능하다.

본 실시 예는 고객에서 확인을 받은 가이드 라인 코 임플란트와 동일한 형태로 실리콘을 포함하는 재질로 코 임플란트(100)를 제작하는 제작 단계를 더 포함할 수 있다.

본 실시 예의 제작 단계에서 코 임플란트(100)는 밀링이나 캐스팅 등을 포함하는 제조 방법으로 제공될 수 있다.

이하에서 코 임플란트(100)를 캐스팅 제조 방법으로 제조하는 것을 간략히 설명한다.

먼저 석고를 반죽 후 반죽된 제1 반죽 석고의 한쪽 면에 가이드 라인 코 임플란트를 일정 깊이로 담그는 단계가 이루어진다. 이 단계에서 가이드 라인 코 임플란트는 제1 반죽 석고에 2/3 정도 담그질 수 있다. 본 실시 예에서 석고는 공지된 옐로우 스톤(yellow stone) 반죽을 사용할 수 있고, 이는 제2 반죽 석고의 제조시에도 동일하게 적용될 수 있다.

다음으로 제1 반죽 석고와 동일하게 제2 반죽 석고를 반죽한 후 제1 반죽 석고에 덮는 단계가 이루어질 수 있다.

그 다음으로 제1 반죽 석고와 제2 반죽 석고가 완전히 경화될때까지 대기한다. 본 실시 예에서 제1 반죽 석고와 제2 반죽 석고의 경화 시간은 약 24시간 정도 소요될 수 있다.

경화가 완료되면 제1 반죽 석고 또는 제2 반죽 석고 중 어느 하나를 분리시켜 가이드 라인 코 임플란트를 제거한다.

가이드 라인 코 임플란트를 제거한 후 제1 반죽 석고와 제2 반죽 석고의 틈 사이로 액체 형태의 실리콘을 주입한 후 일정 온도에서 일정 시간 다시 경화시킨다. 본 실시 예에서 전술한 일정 온도는 섭씨 약 160도 정도의 온도일 수 있고, 경화 시간은 1 내지 2시간 동안 이루어질 수 있다. 본 실시 예는 액체 형태의 실리콘 이외에 티타늄 등 공지된 다른 재료를 주입할 수도 있다.

전술한 경화 시간이 경과되면 제1 반죽 석고와 제2 반죽 석고를 제거한 후 코 임플란트(100)를 분리한다.

분리된 코 임플란트(100)를 가이드 라인 코 임플란트와 동일한 규격으로 다듬고 표면 처리를 한 후 세척 작업을 하여 마무리한다.

그리고 본 실시 예는 임플란트를 밀링으로 제조하는 방법을 포함한다.

이하에서 코 임플란트를 밀링으로 제조하는 방법을 간략히 설명한다. 밀링이란 블락 타입의 실리콘 등 물성재료를 설계한 코 임플란트에 맞게 깍거나 다듬어 제조하는 방법을 뜻하며, 밀링 외에도 기술자에 의해 손으로 깍는 방법(카빙)을 통해 제조될 수 있다.

한편 본 실시 예는 턱(chin), 팔자 주름 부위(paranasal), 이마, 관자 주름 부위(paranasal), 하악(mandible), 관자놀이(temple), 광대(Malar) 등에 필요한 임플란트를 제조하는데 적용될 수 있다. 도 6에는 본 실시 예가 코 이외에 이마와 턱, 관자 주름 부위 등에도 적용될 수 있는 것이 개략적으로 도시되어 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예는 환자의 신체의 CT 영상을 신체의 명암 값을 기반으로 설계 임플란트를 3D 오브젝트 형상으로 변환한 후 변환된 3D 형상을 표본으로 삼아 실리콘을 포함하는 물성의 맞춤형 임플란트로 제작함으로써 가상 설계 제공이 가능하여 고객의 요구를 보다 더 정확하게 반영할 수 있고, 고객과 원활한 소통이 가능하여 고객의 요구를 더욱 다양하게 반영할 수 있다.

또한 환자의 뼈 및 조직과 물체공간에 설계된 임플란트가 정확히 부합된다는 점에서 수술 부작용 역시 감소하며, 개인의 취향을 보다 정확히 반영할 수 있다는 점에서 큰 장점이 있다. 본 실시 예에서 물체공간은 3차원적 표면에서 3차원 좌표계 상에 물체가 존재하는 공간으로 정의될 수 있다. 즉, 명암값을 기초로 경계값에 의해 만들어진 공간을 임플란트 화 한 것이다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

10 : 코의 뼈
20 : 코의 근육
30 : 코의 연고
40 : 기존 임플란트
100 : 코 임플란트
200 : 설계 코 임플란트

Claims (1)

1. 환자의 코의 CT 영상을 상기 코의 뼈, 연골 및 근육을 포함하는 인체조직의 명암 값을 기초로 경계값(thresholding)을 이용하여 분할하는 분할 단계; 및
   상기 CT 영상에 상기 코의 뼈, 연골 및 근육을 포함하는 인체조직을 구현하는 구현 단계를 포함하는 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법.
   상기 경계값을 기초로 경계화 작업을 이용하여 분류된 값 중, 작업자가 필요로 하는 명암 값을 선택하여 이를 3D 영상화를 위해 STL(STereoLithography) 파일로 변환하는 단계;
   각각의 상기 STL 파일을 통합하여 3D 오브젝트를 마련하는 단계; 및
   상기 3D 오브젝트 위에 환자의 코 임플란트를 설계하고, 설계한 STL 파일을 출력하는 단계를 더 포함하는 3D 맞춤형 코 임플란트 설계 방법.

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