Artec Eva로 생각으로 제어하는 3D 주문형 생체 공학적 팔 만들기

 

Paul Teupel은 왼쪽 팔이 거의 없이 태어났습니다. 그는 3세부터 시작하여 수년 동안 많은 보철 팔을 착용했습니다. 그 뒤로 얼마 지나지 않아서, 두 번째 보철 팔을 받았는데 그는 그것에 대해 "어깨 끈으로 고정된 이중 갈고리 같은 장치였으며 착용하기가 번거로웠고 끔찍하게 보였습니다. 그것 때문에 나는 수년 동안 어떤 보철물도 착용하지 않았습니다"라고 말했습니다. 그는 새천년에 접어들면서 계속 성장했지만, 보철물의 모양과 디자인은 지난 50년 이상 크게 변화하지 않았습니다. 보철 팔과 손은 외관상 좀 더 사실적으로 보이고 약간 더 편안해졌지만, 여전히 진정한 기능성과 생활에서의 활용성과는 거리가 멀었습니다.

 

Sanitätshaus Klinz의 역사적인 컬렉션 중 20세기 초의 보철물

그 이후 12세가 되었을 때 Paul은 Ottobock 손이 달린 그의 첫 번째 근전 보철물을 받았습니다. 그가 왼쪽 팔을 사용하여 처음으로 물건을 움켜쥐고 잡을 수 있었기 때문에 그것은 그에게는 획기적인 사건이었습니다. 이날 이후 그는 보철 팔을 매일 착용했습니다. 그렇지만 이 새로운 팔은 팔꿈치를 30도만 구부릴 수 있었습니다. 이나마도 개선된 것이지만 여전히 아쉬운 점이 많았습니다.

 

Carsten Suhle, 정형외과 기술자

Paul은 1990년대 초 독일 베른부르크에 있는 Sanitätshaus Klinz의 환자가 되었으며, 독일 통일 이후 얼마 되지 않아 1997년부터 이 회사의 정형외과 기술자 Carsten Suhle과 함께 협력해 왔습니다. 그는 항상 Paul에게 최고의 최신 보철물을 제공했습니다. 처음 Paul을 만나 그의 팔을 자세히 살펴본 순간부터, Carsten의 마음의 바퀴는 생기가 돌아 회전하기 시작했습니다. 그래서 2017년 봄, 어느 날 자신의 석사 논문의 일부로 혁신적인 새로운 팔을 만들기 위해 "우리는 당신이 이제까지 착용했었거나 보았던 그 무엇보다 더 나은 것을 만들어주려고 합니다. 어떻습니까?”라며 Paul에게 그가 갖고 있던 보철 팔에 익숙해지지 말라고 말했습니다.  Paul은 신명 나서 동의했고 그가 Carsten과 긴밀히 협력한 5개월 후 Paul의 생체 공학적 팔이 만들어졌습니다.

 

Gerd Klinz, 소유주 겸 설립자

1990년 Sanitätshaus Klinz가 문을 연 이후로, 소유주이자 설립자인 Gerd Klinz는 혁신과 환자의 안락함을 위해 앞장서는 등대와 같은 역할을 하였으며, 이를 통해 환자들에게 최대한의 이동성과 독립성을 제공할 수 있었습니다 회사의 일상 업무에서 3D 스캐닝 및 3D 프린팅, 케블라, 다양한 유형의 플라스틱과 같은 최신 재료, 도구 및 기술뿐만 아니라 선반, 접착제, 석고 주형, 유리 섬유, CNC 밀링머신을 사용했습니다. 독일 작센안할트주 주위에 여러 지점이 있으며, 환자들은 독일의 다른 지역뿐만 아니라 해외에서 비행기를 타고 옵니다.

 

스캔하기 전의 석고 모형 검사

이쯤에서 Paul의 새 팔에 대한 Carsten의 작업 초기로 되돌아가 보겠습니다. 정형외과 전문 분야에서의 수년간의 전문성, 자신만의 디자인적 사고, 최신 3D 스캐닝 및 프린팅의 시너지 효과를 통해 그는 짧은 시간에 Paul을 위한 첫 프로토타입을 만들었습니다. Paul은 보철 팔 조정을 위해 여러 번 왔으며, 같이 협력하여 성공에 이르게 한 Carsten의 전문 기술과 탁월한 상상력에 한 번도 희망을 잃지 않았습니다. 수 주일이 지나자 프로토타입은 Carsten이 최종 팔에 대해 상상했던 모양에 더욱더 가까워졌습니다.

그러나 Carsten은 최상의 결과물이 나오는 데 지 방해가 되는 것은 자신의 상상이 아니라 그들이 사용하던 도구 일부라는 것을 알았습니다. 특히 Paul의 해부학적 구조와 완벽하게 일치하는 정밀한 팔을 디자인하기 위해 Paul의 왼쪽 위팔 (남아있는 팔)의 3D 모형을 만드는 데 사용했던 3D 스캐너가 그러했습니다. 보철물과 Paul의 몸 사이의 충분한 움직임을 허용하는 연결 지점과 공간이 정확하지 않으면 새로운 팔이 불편할 뿐만 아니라 제대로 기능을 하지 못하게 됩니다.

Carsten은 “짧은 기간 내에 Paul이 자신의 삶을 살면서 팔에 관해 생각하지 않도록 Paul의 몸에는 매일 수천 번 움직이지는 않더라도 수백 번은 움직일 수 있는 몸의 연장으로서 자연스럽게 조화되는 보철물이 필요합니다. 그것은 나의 목표였습니다. 또한 그것은 나의 환자 모두를 위한 목표였습니다. Paul과 함께 우리는 그걸 이뤘다고 생각하지만, 그게 우리가 거기서 멈춘다는 것을 의미하지는 않습니다. 해가 갈수록, 우리 자신이 획기적인 일을 해야만 하더라도 나는 그에게 최신 기술을 사용하는 최고의 보철물을 제공하기 위해 모든 것을 할 것입니다!”라고 말했습니다.

Carsten은 이에 대해 "3D 스캐닝을 시작하기 전에는 3D 스캐너에 큰 차이가 있으리라 생각하지 않았습니다... 나는 스캐너가 정확도와 캡처 속도 면에서 다소 차이가 있을 뿐 스캐너는 스캐너라고 생각했지만, 실제로 스캐너를 비교하는 것은 람보르기니와 싼 세단을 대조하는 것과 같을 수 있으며, 그들 사이에 높은 범위에서 낮은 범위까지 존재하는 범위가 있습니다... 우선 가장 중요한 것이 무엇인지 결정해야 하며, 우리의 경우 캡처 속도와 함께 가장 높은 수준의 정확도, 가장 깨끗한 데이터이며, 그 다음은 물론 스캔을 다음 단계를 위해 준비된 3D 모형으로 신속하게 병합할 수 있도록 후처리가 쉬워야 합니다”라고 말했습니다.

 

Sanitätshaus Klinz의 정형외과 디자이너인 Maria Köhlitz는 다음과 같이 설명했습니다. "우리는 Creaform의 Go!Scan과 Kinect 3D 스캐너를 포함하여 과거에 여러 3D 스캐너를 사용하고 테스트했지만 우리가 시도한 모든 스캐너는 필요로 하는 정확도를 제공하지 못했거나 단순히 캡처의 프레임 속도가 높지 않았습니다”라며 “환자들이 가끔 그러듯이 스캔 중 환자가 움직이면 그러한 스캐너들은 추적을 잃어 그 영역을 다시 스캔해야 했거나 그 결과로 나온 스캔이 심하게 잘못되어 후처리 과정에서 편집 및 정렬이 너무 어려웠습니다”라고 말했습니다.

Carsten은 "3D 스캐너를 처음 보았을 때 스캔 처리에 익숙해짐으로써 스캐너의 단점을 보완할 수 있다고 상상했습니다. 그러나 그것은 효과가 없었습니다. 결함이 있는 데이터로 시작하면 수 시간을 소모하고 완벽할 수가 없습니다”라며 계속해서 "꽃병을 떨어뜨린 다음 예전으로 돌리기 위해 조각들을 접착하는 데 많은 시간을 할애한다고 생각해 보십시오. 네, 결국 새것으로 보일지 모르지만, 면밀히 검사하면 균열이 드러날 것입니다. 처음부터 꽃병을 떨어 뜨리지 않는 것이 훨씬 낫습니다"라고 말했습니다.

 

“완벽하게 깨끗한 데이터와 실물과 똑같은 스캔으로 시작하십시오. 그것이 우리의 Artec Eva가 우리에게 제공하는 것입니다."
Carsten Suhle, 정형외과 기술자

Carsten은 현장에서 신뢰할 수 있는 전문가의 지도가 필요하다는 것을 알고 있었으므로 Artec의 최우수 대리점 KLIB을 선택했으며, KLIB의 숙련된 기술자 및 컨설턴트는 Artec의 전문 휴대용 3D 스캐너인 Eva 및 Space Spider를 소개하고 두 스캐너 모두에 대한 교육을 제공했습니다.

Artec Eva는 안전한 백색 구조광을 사용하는 전문 컬러 3D 스캐너입니다. 가볍고 사용하기 편한 Eva는 팔, 다리 및 인체와 같은 중간 크기의 물체를 디지털 방식으로 캡처하는 데 이상적입니다.  최대 0.1mm의 점 정확도를 자랑하는 Eva는 건강 관리에서 산업 디자인 및 과학에 이르기까지 다양한 업계에서 가장 널리 사용되는 3D 스캐너 중 하나입니다.

 

Artec Eva를 사용 중인 Paul Teupel과 정형외과 디자이너 Maria Köhlitz

탁월한 점 정밀도(최대 0.05mm)를 자랑하는 휴대용 컬러 3D 구조광 스캐너인 Artec Space Spider는 작은 물체를 신속하게 스캐닝하는 데 탁월하며 쉽게 배우고 사용할 수 있으며, 손가락, 손, 귀, 얼굴 등의 완벽한 스캐닝에 대해 오래 지속하는 추적 기록 기능을 갖추었습니다. 디지털 캡처 과정에서 업계에서 인정받는 Artec Studio 소프트웨어 내에서 실시간으로 스캐닝이 직접 이루어집니다. Eva와 Space Spider 모두 Geomagic Freeform 모형 제작 소프트웨어와 원활하게 통합됩니다.

비디오에서 보듯이 전통적인 석고 주조 방법과 비교하여 Artec Eva는 시간을 크게 절약할 수 있습니다. 예에서 볼 수 있듯이 예전에 주조를 시작하고 완료하기까지 걸린 2시간 30분은 Eva를 사용하여 시작부터 완료까지 걸린 12분과 대조되었습니다. 또한 향후 사용을 위해 완벽한 디지털 아카이브를 확보하는 완전한 편의성은 말할 것도 없이 Artec의 전문 휴대용 3D 스캐너의 정밀도와 정확도를 최대한 보장합니다. 이러한 기술적 이점은 무시할 수 없습니다.

 

Paul의 새로운 팔의 팔꿈치 관절 클로즈업

전체적으로 첫 번째 프로토타입에서 최종 팔이 착용 준비가 될 때까지 약 10개월이 걸렸습니다. 손(비아이오닉)은 Ottobock에서 구매했으며 보철물 자체는 완전히 Carsten이 Geomagic Freeform으로 설계하여 제작하였으며 PA2200 플라스틱으로 3D로 프린팅하였습니다. 또한 보철물과 Paul의 남아있는 팔 사이의 연결부로 사용되는 파란색 실리콘 패딩이 있습니다. 보철물의 본체 안쪽에는 Paul의 피부에서부터 근육 전기(근전)를 사용하여 새로운 팔과 손을 움직이는 센서로 이어지는 케이블과 배선이 있습니다. 따라서 특정 운동을 생각만 하면 팔을 정상적으로 움직일 수 있는 근육이 그 방향으로 작동되고 센서는 피부 센서를 통해 전기를 감지하며 보철물은 Paul이 의도한 대로 움직이고 작동합니다.

Paul이 다음과 같이 결과물에 만족한다고 말하는 것은 절제된 표현일 것입니다. "Carsten은 새 팔을 개발하고 엔지니어링하는 엄청난 일을 했습니다. 그는 90도 이상의 움직이게 할 수 있는 두 개의 피벗 축이 착용된 이중 관절 시스템을 다시 고안했습니다. 나는 내 인생에서 처음으로 왼손으로 물 한 잔을 입술로 들어올려 한 모금을 마셨던 순간을 결코 잊지 못할 것입니다."

 

새로운 팔을 착용한 Paul Teupel

Paul은 그들이 스캔하여 최첨단 정형외과 및 보철 솔루션을 만들어준 100명 이상의 환자 중 한 명입니다. Maria Köhlitz는 "처음에 우리는 환자의 팔과 다리를 스캔하고자 했기 때문에 Artec Eva를 구매했습니다. 그리고 이 용도로 Eva는 완벽한 선택입니다. 그러나 그 후 우리는 손가락과 작은 관절까지 디자인과 제작 범위를 넓히고자 Space Spider를 구매했습니다. 이제 스캔 및 디테일 수준이 매우 인상적이어서 만드는 스캔에서 지문을 완벽하게 볼 수 있습니다”라고 말했습니다.

 

새로운 생체 공학적 팔의 자유를 누리고 있는 Paul

제한을 받는다거나 장애가 있다는 것을 다시는 느끼지 않기 위해 Paul은 오늘도 가장 좋아하는 취미인 모페드와 오토바이를 타고 수선하는 일을 마음껏 즐깁니다. 항상 함께 한 새로운 생체 공학적 팔과 손이 있어 그는 와셔와 점화 플러그를 다루기에 충분히 민첩한 10개의 손가락으로 렌치와 스크루 드라이버, 크고 작은 부품 그리고 소년 시절부터 그가 꿈꿔 왔던 모든 것을 잡을 수 있었습니다.

독일 정부의 건강 보험 시스템은 보조기 및 보철물을 디자인하고 만드는 전통적인 방법보다 보철물의 3D 스캐닝과 프린팅을 전국적으로 보장하기로 했습니다. 3D 스캐닝이 단기간에 비용 효과적일 뿐만 아니라 장기간의 환자 사용 및 필요한 방문 횟수의 감소와 함께 검사 및 착용 시 높아진 환자의 안락함과 움직임의 수준은 물론 장기간의 내구성으로 인해 이러한 결정을 내린 것입니다. 독일의 건강 보험은 3D 스캐닝이 보철학 및 정형 외과학의 미래로 보고 있습니다.