3D 프린팅을 활용한 환자 맞춤 및 실감형 시뮬레이터 개발 및 평가

Abstract

Three-Dimensional(3D) printing was widely applied various medical fields Because of the popularization and the advantage of being able to easily fabricate complex shapes. Medical 3D printing applications were applied such as patient-specific surgical guides, patient-specific implants, patient education simulators, surgical simulators, and aid-device. To apply 3D printing technology to medical fields, it is necessary to understand various factors such as medical image, anatomical structure, computer-aided design (CAD), manufacturing software, 3D printing technology and materials, and the post-processing process. The purpose of this study is to develop patient-specific and hyper-realistic simulators according to clinical demands using 3D printing technology and medical images and to evaluate the usefulness and effectiveness according to the design and fabrication considering the simulator. The first sub-study is the development and evaluation of an endotracheal intubation training phantom with facial deformities. Toddler female patient with a facial deformity, which is difficult to intubate, the airway, tongue, maxilla, mandible, cervical spine(C-spine), skull, and skin were segmented Based on Computed Tomography (CT) and based on this, an endotracheal intubation training phantom with facial deformity was designed. To mimic the tactile sensing to press the tongue with a Macintosh blade during endotracheal intubation, the tongue with the holes and inner structures to let air through was designed. To simulate the motion of the cervical spine, a ligament was fabricated of silicone with a molder. The joint mechanism of jaws to make the mandible to rotate and slide was designed. The maxilla, mandible, and skull were fabricated using Fused Deposition Modeling (FDM) and Poly Lactic Acid (PLA), and the C-spine were fabricated using FDM and Thermoplastic Polyurethane (TPU), and individually fabricated to implement the disc and ligament. Seven C-spine were inserted into a molder fabricated of stereolithography (SLA) and clear resin, and silicone was injected. The tongue and airways were fabricated using 3 different 3D printers including Polyjet and 2 SLAs and low hardness materials. The skin molder was fabricated using color-jet printing (CJP). One of the important expression elements of the endotracheal intubation simulator is tactile sensing to press the tongue, and the hardness was measured using the Shore A durometer. The Shore A hardness of the airway and tongue models was 36.47 ± 0.75 for Polyjet, and the two SLAs were 51.92 ± 1.99 and 61.39 ± 0.91A, respectively. The degree of opening of the inter-incisors was controlled, and the measurement error between the Standard Triangulated Language (STL) and the printed simulator is 0.67 ± 1.42 mm. The measurement errors of the STL of the tongue and airway model fabricated using the Polyjet and two SLAs and the fabricated models were 0.40 ± 0.58, -0.84 ± 0.77, and 0.14 ± 0.58 mm, respectively. The second sub-study is a bone simulator considering osteoporosis. The scapula was segmented and designed based on CT images of patients requiring reverse total shoulder arthroplasty (RTSA). The bone simulator was fabricated by varying wall thickness and degree of infill density to express the dense bone and cancellous bone with osteoporosis. Before fabricating the bone simulator considering the actual anatomy model, the specimen was fabricated with a size of 3×3×4cm, the thickness of the outer surface of 1.5mm, and the degree of filling of the internal structure of 10-20%. The specimens were fabricated using FDM and PLA. a 3.5mm diameter and 24mm long cortical screw of Zimmer was vertically inserted 15mm at the specimens, and a cortical screw was extruded at a speed of 5mm/m to measure pull out strength. The measurement error of the STL and the fabricated bone simulator is -0.36 ± 0.41 mm. Pullout strength of about 200-250N could be measured in specimens with an infill density of 15-20%. The third sub-study is the evaluation of a skin cancer resection guide through a skin cancer simulator. Skin and skull were segmented based on CT images of patients with malignant melanoma. Skin and skull were segmented based on CT images of patients with malignant melanoma. Based on the segmented anatomy, the skin molder and skull were designed, and five lesions were artificially designed between the nose and ears. The skin molder and skull were fabricated using CJP considering size and Hounsfield units (HU), and five lesions were fabricated using SLA and clear resin considering HU. The fabricated skull and five lesions were assembled with a skin molder, and silicone (Dragon-skin-FX-pro, Smooth-on, USA) having a hardness like that of the skin was injected. The skin was detached by breaking the skin molder a day later for sufficient curing of the silicone. The fabricated phantom was scanned on a CT, and the skin, bone, and five lesions were segmented. Based on the segmented anatomy, a total of 15 skin cancer resection guides were designed considering the safety margin of 3mm for skin cancer area and 4 insertion points up, down, left, and right, and fixing methods for the nose, ear, and both. Two researchers inserted a 16cc intravenous catheter into the skin cancer simulator using a skin cancer guide. The skin cancer simulator with the injected catheter was scanned on a CT, and the skin and the catheter were segmented and converted into Stereo Lithography (STL). The STL was matched using the global registration function, and based on this, the entry point and cosine similarity were measured. The measurement errors (Mean ± SD) between the planned and actual points of the three guides fixed using the nose, ears, and both are 1.50 ± 0.858, 1.381 ± 0.836 mm, and 1.316 ± 0.669 respectively, and the cosine similarity is 0.984 ± 0.014, 0.980 ± 0.018, 0.985 ± 0.016 respectively. The measurement errors of the X, Y, and Z axes were -0.21 ± 0.94 mm (limit of agreement from -2.1 to 1.6 mm), -0.01 ± 0.57 mm (limit of agreement from -1.1 to 1.1 mm),-0.11 ± 1.14 mm (limit of agreement from -2.2 to 2.4 mm) respectively. The final sub-study is the gastric phantom considering peristalsis motion. Three-phase CT has scanned the patient with suspected gastric duodenal stenosis in left posterior oblique, supine, and prone positions. The stomach and spine were segmented using Region's growing and thresholding functions based on CT images, and the segmented stomach and spine were converted to STL. Each STL was matched using the N-point registration and fine registration functions. Each gastric was merged to express maximum size. The gastric body was fabricated using Polyjet and Agilus 30 considering hardness and the esophagus and duodenum were fabricated using Vero in consideration of the insertion of food and fixing of the steel frame. The printed gastric was coated with silicone in consideration of tearing. The fabricated phantom was fixed to the steel frame using a 3D printed Fixture in the esophagus and duodenum, and each motor was also fixed to the steel frame. To make peristalsis, three fixing points were Designated on the left side of the stomach and two fixing points on the right side, and two fixing points front and rear the duodenum. The linear servomotor was directly connected to the gastric, and the coreless servo motor was fixed to the duodenum using a fishing line and a silicone tube. The movement was made sequentially from top to bottom and was set to repeat twice a minute. In conclusion, we developed and evaluated patient-specific and hyper-realistic simulators using 3D printing technology and medical images. Elements such as medical images, anatomical structures, computer-aided design (CAD), manufacturing software, 3D printing technology and materials, and post-processing necessary to apply 3D printing technology to the medical field are introduced through four sub-study. we also summarized the method of evaluating the shape accuracy, movement accuracy, and mechanical properties of the fabricated phantom. |3D 프린팅 기술의 대중화와 복잡한 형상을 쉽게 제작할 수 있다는 장점으로 다양한 의료분야에서 3D 프린팅 기술의 적용사례가 늘어나고 있으며 환자 맞춤형 수술 가이드, 맞춤형 삽입 보형물, 환자 교육 시뮬레이터, 환자 맞춤형 모의 수술 시뮬레이터, 보조기기 등 다양한 형태로 적용되고 있다. 3D 프린팅 기술을 의료에 적용하기 위해서는 의료영상, 해부학적 구조, computer-aided design (CAD), manufacturing software, 3D 프린팅 기술 및 재료, 후처리 공정과 같은 다양한 요소들의 이해가 필요하다. 본 연구의 목적은 3D 프린팅 기술과 의료영상을 활용하여 환자 맞춤 및 실감형 시뮬레이터를 임상적 수요에 따라 개발하고 시뮬레이터의 디자인 및 제작 고려사항에 따른 유용성 및 효용성을 평가하는 것이다. 첫 번째 세부 연구는 안면기형이 있는 기관내 삽관 훈련 팬텀의 개발 및 평가이다. 안면기형으로 기관내 삽관 이 어려운 유아의 Computed Tomography (CT)영상을 기반으로 기도, 혀, 상악, 하악, 경추, 두개골 및 피부를 분할하고 이를 기반으로 안면기형이 있는 기관내 삽관 훈련 팬텀을 설계하였다. 기관내 삽관 시 Macintosh 블레이드로 혀를 누르는 느낌을 모방하기 위하여 혀 안에 특정한 패턴의 내부구조를 만들었으며 공기가 통할 수 있도록 구멍이 만들었다. 경추의 움직임을 구현하기 위하여 경추 사이에 실리콘을 삽입할 수 있는 몰더를 설계하였다. 하악이 회전하고 미끄러질 수 있도록 턱의 관절 메커니즘을 설계하였다. Fused Deposition Modeling (FDM) 과 Poly Lactic Acid (PLA) 사용하여 상악, 하악, 두개골을 제작하였으며, FDM과 Thermoplastic Polyurethane (TPU)를 이용하여 경추를 제작하였으며, 디스크와 인대를 구현하기 위하여 개별적으로 제작된 7개의 경추를 Stereolithography (SLA)와 clear resin으로제작된 몰더에 삽입하고 실리콘을 주입하였다. 혀와 기도는 Polyjet과 2개의SLA와 낮은 경도의 재료를 이용하여 제작하였다. 피부 성형기는 color-jet printing (CJP)을 이용하여 제작하였다. 기관내 삽관 시뮬레이터의 중요한 표현 요소 중 하나는 촉각이며, Shore A durometer를 이용하여 경도를 측정하였다. 기도 및 혀 모델의 Shore A 경도는 Polyjet에서 36.47 ± 0.75, 두 개의 SLA는 각 각 51.92 ± 1.99 및 61.39 ± 0.91A이었다. 중간 앞니가 벌어지는 정도를 제어하였으며, Standard Triangulated Language (STL)에서 거리와 제작된 시뮬레이터에서 실제로 측정한 거리의 측정 오차는 0.67 ± 1.42 mm이다. Polyjet 및 두 SLA를 이용하여 제작된 혀와 기도 모델의 STL과 제작된 팬텀의 측정오차는 각각 0.40 ± 0.58, -0.84 ± 0.77, 0.14 ± 0.58 mm이다. 두 번째 세부 연구는 골다공증을 고려한 뼈 시뮬레이터이다. reverse total shoulder arthroplasty (RTSA)가 필요한 환자의 CT 영상을 기반으로 견갑골을 분할하고 설계하였다. 제작된 팬텀은 골다공증이 있는 치밀골과 해면골을 구현하기 위하여 겉면의 재료와 두께, 내부의 재료와 채움 정도의 변화를 주어 팬텀을 제작하였다. 3×3×4cm 크기로 시편을 겉면의 두께는 1.5mm 그리고 내부구조의 채움 정도는 10%에서 20%까지 2%단위로 시편을 제작하였다. FDM과 PLA를 이용하여 제작된 시편에 Zimmer의 직경 3.5mm 길이 24mm Cortical screw를 수직으로 삽입하였으며 5mm/m의 속도로 Cortical screw를 압출하여 Pull out strength를 측정하였으며 15~20% 사이에서 원하는 강도를 나타냈다. 제작된 견갑골의STL과 제작된 팬텀의 측정오차는 -0.36 ± 0.41 mm이다. 세 번째 세부 연구는 피부암 시뮬레이터를 통한 피부암 절제술 수술 가이드 평가이다. malignant melanoma가 있는 환자의 CT 영상을 기반으로 피부, 두개골을 분할하였다. 분할된 피부와 두개골을 기반으로 피부 성형기 및 두개골을 설계하였으며 코와 귀 사이에 인위적으로 다섯 개의 병변을 설계하였다. 피부 성형기와 두개골은 크기와 Hounsfield units (HU)를 고려하여 CJP를 이용하여 제작하였고 다섯 개의 병변은 HU를 고려하여 SLA와 clear resin을 이용하여 제작하였다. 제작된 두개골과 다섯 개의 병변을 피부 성형기와 조립하고 피부와 비슷한 경도를 갖는 실리콘(Dragon-skin-FX-pro, Smooth-on, USA)을 주입하였다. 실리콘의 충분한 경화를 위하여 하루 뒤에 피부 성형기를 부셔서 피부를 탈착하였다. 제작된 팬텀은 다시 CT 촬영을 하였으며 피부, 뼈, 5개의 병변을 분할하였다. 분할된 병변을 기반으로 피부암 가이드를 3mm의 safety margin과 상하좌우 4개의 삽입 지점 그리고 코, 귀, 코와 귀 세 개의 고정방법을 고려하여 총 15개의 피부암 가이드를 설계 및 제작하였다. 두 명의 연구원이 16cc 정맥 카테터를 피부암 가이드를 이용하여 제작된 팬텀에 삽입하였다. 카테터가 주입된 팬텀을 CT 촬영하였고 피부와 카테터를 분할하여 Stereo Lithography (STL) 로 변환하였다. STL은 global registration 기능을 이용하여 정합 하였고 이를 기반으로 진입 점 및 코사인 유사도를 측정하였다. 코, 귀, 코와 귀를 이용하여 고정된 세 개의 가이드의 계획지점과 실제 지점 사이의 측정오차는(Mean ± SD) 각각 1.50 ± 0.858, 1.381 ± 0.836 mm, 1.316 ± 0.669이며 코사인 유사도는 0.984 ± 0.014, 0.980 ± 0.018, 0.985 ± 0.016이었으며 우리는 Bland-Altman plot을 이용하여 분석한 X, Y, Z축의 측정오차는 각각 -0.21 ± 0.94 mm (limit of agreement from -2.1 to 1.6 mm), -0.01 ± 0.57 mm (limit of agreement from -1.1 to 1.1 mm),-0.11 ± 1.14 mm (limit of agreement from -2.2 to 2.4 mm)이다. 마지막 세부연구는 위 운동 모사 시뮬레이터이다. 위 십이지장 협착이 의심되는 환자의 위를 left posterior oblique, supine, prone 자세로 3 phase의 CT를 촬영하였다. 촬영된 CT 영상에서 위장과 척추는 Region's growing과 Thresholding 기능을 이용하여 분할하였고, 분할된 위장과 척추는 STL로 변환되었고 N-point registration과 fine registration 기능을 이용하여 정합 하고 각 위장을 병합하여 최대크기의 위장모델을 만들었다. 위 팬텀의 크기 및 경도를 고려하여 Polyjet 과 Agilus 30을 이용하여 제작하였으며 식도와 십이지장 부분은 음식물의 삽입과 철제프레임의 고정을 고려하여 Vero를 이용하여 제작하였다. 3D printing 된 위 팬텀은 파손을 고려하여 실리콘 코팅을 하였다. 제작된 팬텀은 식도와 십이지장 부분에 별도의 장치를 이용하여 철제프레임에 고정되었으며 각 모터들 또한 철제 프레임에 고정되었다. 연동운동을 구현하기 위하여 위 체부에 5개의 작용점을 만들었으며 십이지장에 2개의 작용점을 만들었다. 위 체부에는 음식물의 이동을 위하여 Linear Servomotor를 직접적으로 연결하였으며 십이지장에 coreless servomotor는 낚싯줄과 실리콘 튜브를 이용하여 고정시켰다. 움직임은 상단에서 하단으로 순차적으로 움직임을 만들었으며 1분에 2회 반복되도록 설정하였다. 결론적으로 3D 프린팅 기술과 의료영상을 활용하여 환자 맞춤 및 실감형 시뮬레이터 개발 및 평가하였다. 네 개의 세부주제를 통하여 의료영상, 해부학적 구조, computer-aided design (CAD), manufacture software, 3D 프린팅 기술 및 재료, 후처리 공정과 같이 제작에 필요한 다양한 요소들에 대하여 설명하였으며 제작된 팬텀의 형상 정확성, 움직임 정확성, 기계적 특성 평가 방법에 대해 정리하였다.