2016년 7월 20일

귀 기형 어린이를 위한 3D 프린트 임플란트 만들기

에딘버러 왕립 소아병원의 Ken Stewart 박사는 Artec Spider 3D 스캐너를 사용하여 정확한 귀 모양을 캡쳐하고 소이증, 선천적 귀 기형을 가진 환자를 위한 임플란트를 고안합니다.

매년 100,000명 이상의 아이들이 왕립 소아병원 (“The Sick Kids”라고 알려짐)에 입원합니다. 에딘버러에 위치한 이 시설은 귀의 탄성 연골의 선천적 기형을 앓고 있는 Ellie 같은 친구들을 돌봅니다. 의사들은 이것을 “소이증”이라 명칭하는데, “귀가 비정상적으로 작음”의 라틴어를 번역한 것입니다. 이러한 증상을 가진 사람들은 귓바퀴(혹은 귀의 외부)가 매우 작아 실제로 존재하지 않는 것처럼 보이기도 합니다. 그리고 중이와 외부 귓구멍 모두 발달하지 않은 이유로 소이증은 청각 장애를 어느 정도 동반합니다. 6천명의 아기 중 1명은 이 증상을 갖고 태어나며, 스코틀랜드에서 최소 10명의 젊은 부모들이 Ellie와 비슷한 문제를 갖고 있었습니다. 그리고 이것은 스코틀랜드에서 겨우 1년 동안 생긴 일입니다.

왕립 소아병원의 정문

Artec Studio에서 Artec Spider를 사용하여 Ellie의 귀를 스캔 작업하는 임상 간호 전문가 Kerr Clapperton

다행히 에딘버러는 다른 전문적인 약속 리스트에 더하여 스코틀랜드에서 귀 재건 서비스를 제공하는 Ken Stewart 박사가 살고 있는 곳입니다. 그곳에서 그는 귀 기형으로 고통받고 있는 어린이와 성인 모두에게 재건 수술을 할 수 있는 미세 조종을 해 왔습니다.

NHS 임상의와 스코틀랜드의 귀 재건 서비스의 수장인 Ken Stewrt 박사. 환자를 검사중인 Ken Stewart 박사.

수년간, Ken 박사는 환자 귀의 다양한 곡선의 근사치를 내는 수많은 기술을 사용해 왔습니다. 가장 유명한 방법은 환자의 갈비뼈에서 연골을 빌려와 귀 모양으로 깎는 것입니다. 때때로 왁스, 실리콘, 그리고 심지어는 사과를 사용하여 연습하고 가르쳤습니다. “나는 귀 만드는 일을 사랑합니다.” The Scotsman 인터뷰에서 그가 말했습니다. 2014년, Ken 박사는 귀 복원을 위한 수술 전 절차를 간소화하기 위해 3D 이미지 솔루션을 조사하기 시작했습니다. “우리 주위의 모든 기술을 통해 작업 흐름을 개선할 필요가 있습니다. 왕립 소아병원의 귀 복원 팀은 새로운 기술을 찾는 데 집중하고 있습니다.” Ken 박사가 말했습니다. 비록 Ken 박사의 기반인 로디언 국민 의료 보험이 이미 인공 팔다리를 설계하고 검진을 수행하는 데 3D 이미지 시스템을 사용한 경험이 있지만, 귀 복원의 디테일을 더욱 개선하길 원했습니다.

따라서 Ken 박사는 Artec의 영국 파트너사인 Patrick Thorn & Co.와 함께 일하기로 결정했습니다. 귀 보철과 임플란트 설계 및 재설계에 대한 폭넓은 경험으로 비추어 보았을 때, Ken 박사는 Artec의 최첨단 스캐너가 사람의 귀를 효과적으로 3D 렌더링 할 수 있을 것이라는 것에 의심의 여지가 남아 있었습니다. 그래서 Patrick은 Artec의 고화소 이미지 능력을 증명하기 위해 다양한 샘플 복제본을 제작하기로 하였습니다. Patrick은 이웃과 손자의 귀를 스캔하였습니다. EGS의 Leios Elaborations Scanning Software를 통해 이미지를 일부 수정한 뒤 그는 Roland ARM-10 3D 프린터로 샘플을 인쇄하였습니다. 결과물에 매우 흥분한 Ken 박사와 그의 팀은, 귓바퀴 사이사이 뿐만이 아니라 귀와 머리 사이 부분까지도 잘 캡쳐해 낼 수 있는 고화소 3D 스캐너인 Artec Spider를 사용해야겠다는 확신이 들었습니다.

Leios로 수정하기

Roland에서 미리 인쇄 조정

Sick Kids Friends 재단의 성공적인 모금 활동으로 왕립 소아병원은 Artec Spider를 구입 했습니다. 어느 날 오후, 설치가 이루어졌고, 다음 날 바로 실습 교육이 진행 되었습니다. Ken 박사는 "외부 3D 스캐닝으로 시작하는 것은 우리에게 새로운 것이었고, 일상적으로 환자들로 인해 바쁜 일정으로 인해 작업을 하는 데에 많은 시간을 투입하지 못했습니다. 그러나 Patrick이 제공한 교육 및 추가 메모를 통해 우리는 이제 상대적으로 쉽게 스캐닝부터 3D 인쇄까지 손쉽게 솔루션을 사용할 수 있습니다. 이 모델은 이후 threater 내에서 멸균 및 재건되어 수술 재건의 정확도를 향상시키기 에서 사용됩니다.”라며 Artec Spider에 대한 언급을 하였습니다.

Ken 박사의 귀 재건 절차에 있어 Artec Spider의 통합은, 귀 생성 작업을 단순화 및 체계화 시켰습니다. 환자와 초기 상담이 마무리되면, 환자들은 청각 이상 귀 스캔을 위해 병원으로 돌아갑니다. Ellie의 경우, 그녀는 양쪽 귀 모두 소이증으로 진단 되었기 때문에 (양쪽 귀 모두 청각 이상을 의미), 소이증으로 진단받지 않은 본인 자매의 귀를 대신 스캔 하였습니다. 때때로 청각이 이상한 귀의 이미지 또한 참조용으로 함께 촬영 됩니다. 스캐닝 동안 Artec Spider는 귀 외부의 눈에 띄는 디테일 및 복잡한 구조를 캡쳐하고, 외이도 안를 검사하며, 추가적으로 매우 귀중한 영상 데이터를 수집하는 작업을 진행 합니다. 그 후 이미지는 ARTEC 스튜디오로 업로드 되는데, 이는 신속하게 정렬되고 융합되어 귀의 인상적인 3D 디지털 모델을 생성 합니다.

보정 단계에서 Leios는 귀 표면을 확인, 불필요한 요소를 제거하고, 내부 간격 띄우기를 적용하여 피부 두께를 허용하는데 사용됩니다. 모든 구조적 및 성형 변경이 완료되고 나면, 결과 이미지가 반영 됩니다. 그 후 이미지를 포함하는 전자 파일이 공유 드라이브를 통해 검사실로 전달되고 정렬이 수행되는 Roland MonoFab 인쇄 소프트웨어 상에 로딩 됩니다. 이후 남은 작업은 “Go" 버튼을 눌러 3D 인쇄를 시작하는 것입니다.

악안면 보철 컨설턴트인 Jeff Millar, Roland MonoFav으로 귀의 3D 인쇄 준비 중

인쇄 결과.

약 3시간 후, 3D 프린터에서 나온 복원된 귀를 이소프로판올로 세척합니다. 그리고 수 분동안 UV 램프 아래에 두고 모양대로 굳게 둡니다. 그런 다음에 멸균, 밀봉하여 귀 재건 시 3D 템플릿으로 사용하기 위해 수술실로 옮겨집니다.

성형수술의들이 완벽한 복원을 위해 40년 이상 노력해왔지만 귀 복원은 (안정적이기는 하지만)정말 천천히 개발되어 왔다고 할 수 있습니다. 1970년, 의사들이 갈비에서 연골을 추출하여 귀 복원을 위한 조직 기반으로 사용하기 시작했습니다. 그 당시 정상인 귀의 2D 투사지가 환자에게 생길 귀의 외관으로 연골을 추출하는 작업을 도왔습니다. 하지만 그러한 그래픽 모델은 단지 근사치에 불과했습니다. 낮은 정밀도로는 귀의 복잡한 치수를 측정하기 어려웠습니다. Artec3D의 향상된 이미지 솔루션의 도움으로 Ken 박사와 같은 수술의들은, 특히 Ellie 같은 아이들이 그들의 환자일 때 보철과 임플란트 제작을 위해 근사치의 모델은 필요 없다고 확신해도 되겠습니다.

에딘버러 대학의 재생 의학 센트와 협업하는 동안 Brun Peault 교수와 Chris West 박사는 인간의 줄기세포를 지방으로부터 성공적으로 분리해 냈습니다. 그리고 이 정제된 줄기세포를 10,000개의 FDA 승인된 중합체와 격리되도록 실험했습니다. West 박사는 줄기세보가 결합되지 않는다는 사실을 발견했습니다. 세포들은 중합체 표면에서 연골을 생성할 수 있었습니다. 그들의 희망은 Artec 3D 스캔 기술과 조직 공학 기술 및 지방 흡입 기술을 결합함으로써 진정한 맞춤 귀 복제본을 생성하는 데에 더 이상 연골을 사용할 필요가 없다는 점에 있습니다.