A Basic Study on Comparative Analysis with Bone using 3D Printer Filament Material

3D 프린터 필라멘트 재료를 이용한 뼈와의 비교분석에 관한 기초연구

Abstract

In 3D printing technology, materials that can be printed are increasing along with the development of material engineering, and materials that can be used in the field of radiation are also increasing. Therefore, depending on the composition and density of the materials used, the applied field can be different and applied, so the composition and characteristics of the materials must also be considered. In this study, 10 filaments with different properties were selected using a 3D printer of the FDM (Fused Deposition Modeling) method, and the brightness change of each filament was checked using a diagnostic X-ray generator, and the CT number was measured through CT. I wanted to find a material similar to bone. As a result, a material called silicon carbide was found, which has a similar brightness and CT number to bone. It is thought that further research will be presented as basic data for various studies with a density similar to that of human bones.

3D 프린팅 기술은 재료공학의 발전과 더불어 출력할 수 있는 재질이 늘어가고 있으며 방사선 분야에 이용될 수 있는 재료들 또한 증가하고 있는 추세이다. 그렇기에 사용되는 재료들의 성분과 밀도에 따라 적용되는 분야가 달라지고 응용이 될 수 있기에 재료들의 성분과 특성 또한 고려해야 한다. 본 연구는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식의 3D 프린터를 이용하여 각 성질이 다른 필라멘트를 10개를 선정하고 진단용 X선 발생장치를 이용하여 신호강도를 측정하고 CT를 통하여 CT number를 측정하여 뼈와 유사한 물질을 찾고자 하였다. 그 결과 뼈와 유사한 신호강도와 CT number가 측정된 Silicon carbide라는 물질을 발견하였고. 추후 연구를 통해 인체의 뼈와 유사한 밀도를 가진 다양한 연구에 기초자료로 제시될 것으로 사료된다.

Ⅰ. INTRODUCTION

인체의 구성 중 가장 단단하고 지탱하는 역할을 하는 뼈는 구조가 복잡하고, 인체의 부위에 따라 골수 함유 정도 및 물성이 다르다. 또한, 뇌, 폐 등 연약한 장기를 보호하며, 신체가 자유로이 움직일 수 있게 하는 중요한 역할을 하는 기관이다^[1]. 현대는 고령화 사회로 변화되면서 낙상이나 자신의 건강한 몸을 위해 레저, 스포츠 등 과격한 운동 및 반복되는 신체 활동 등으로 골절의 위험을 받고 있으며^[2, 3], 골다공증, 골절 등의 관련 질환 검사가 점차 증가하고 있어 골절과 관련된 질환이 관심의 대상이 되고 있다. 2017년부터 2021년까지 의료데이터 개방 시스템에 의하면 단순 골절 관련 환자의 수는 2,307,828명에서 2,364,528명으로 연도별 증가하는 추세이며^[4], 이로 인한 삶의 질 저하뿐만 아니라 많은 불편함을 가져다준다. 의료영역에서의 진단도구로 활용되고 있는 X-ray, 컴퓨터 단층촬영 (Computed Tomography, CT)은 인체내부 구조를 관찰할 수 있는 영상을 제공하고 이를 바탕으로 사실에 근거한 질병의 진단 및 치료에 있어 큰 비중을 차지하고 있다. CT의 경우 영상데이터를 이용하여 피사체를 통과한 감약 데이터를 수학적 기법으로 재구성하여 단면의 내부 구조를 영상으로 표현할 수 있으며 인체장기에 대한 분해능이 우수한 영상을 획득 할 수 있다. 영상의학적 진단을 통해 골절의 유무 등을 파악할 수 있지만, X선이 조사되는 방향 및 각도에 따라 보고자 하는 부위가 다르게 시각화할 수 있어 다양한 방향의 검사 자세들이 요구되지만, 골절 환자의 경우 신경 및 통증으로 인해 촬영자세를 정확하게 유지하는데 있어 어려움이 있다^[5-7]. 선행 연구에 의하면 Kim의 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 허리뼈 보조기구를 제작하였으며, 임상적 유용성이 높음을 확인하였다고 보고하였다^[8]. 현재 산업 분야에서 주목 받고 있는 3D 프린팅 기술은 재료공학의 발전과 더불어 출력할 수 있는 재질이 계속 늘어나고 있다^[9, 10]. 그 중 경제적으로 가장 접근이 쉬운 FDM (Fused Deposition Modeling) 타입의 3D 프린터에서는 압출 노즐로 가열된 필라멘트를 분사하여 출력물을 적층하는 방식으로 설계된 디지털 데이터가 있다면 원하는 모형을 입력된 데이터 값에 따라 노즐을 움직여 적재적소에 필라멘트를 압출할 수 있으며. 사용되고 있는 필라멘트의 소재 범위는 매우 빠른 속도로 확산되고 있다^[11-13]. 대부분 저밀도의 PLA (Poly Lactic Acid), ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) 등의 필라멘트를 많이 사용하며, Aluminium, Copper, Tungsten, Bismuth 등의 금속과 혼합하는 고밀도 혼합 필라멘트도 많이 사용되고 있으며 방사선 분야에 이용될 수 있는 재료들 또한 증가하고 있는 추세이다^[14]. 그렇기에 사용되는 재료들 또한 성분과 밀도에 따라 적용되는 분야가 달라지고 응용이 될 수 있어 재료들의 성분과 특성 또한 고려해야 한다. 하지만 일반적으로 3D 프린터에 사용되는 필라멘트라는 재료는 제조사마다 그 성분이 다르기에 출력하였을 시 모양이나 촉감만 비슷할 뿐 실제 물체와 유사한 밀도나 구성을 재현할 수 없다. 이에 본 연구에서는 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 각 성질이 다른 필라멘트 10개를 선정하고 진단용 X선 발생장치를 이용하여 필라멘트 별 밝기변화를 확인하고 CT를 통해 CT number를 측정하여 뼈와 유사한 물질을 찾고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험재료 및 장비

본 연구의 실험을 진행하기 위해 Fig. 1과 같이 나타내었으며 각 필라멘트의 CT number를 확인하기 위해 원형모형의 핀으로 출력하고자 한다, CT는 원형으로 회전해서 X선을 조사하기 때문에 원기둥 형식으로 출력하였다. FDM 방식의 3D 프린터 (Ultimaker3 extended)를 사용하였으며 CURA (5.2.1, Ultimaker, Netherlands)를 이용하여 출력온도, 베드 온도, 내부 채움 등 출력설정을 Table 1과 같이 설정 한 뒤에 G-code 변환을 하고 프린터로 전송하였다. CT장비(CT-WS-21A, HITACHI, Japan)를 사용하여 데이터를 획득하였으며, X선을 이용한 실험 을 확인하기 위해 진단용 X-선 발생장치(M-38, SITEC, Korea)를 사용하였으며 Fig. 2와 같이 나타내었다.

Fig. 1. Flowchart for filament-specific measurements.

Table 1. The output parameters of 3D printing

Fig. 2. Diagnostic X-ray equipment used in this experiment.

1.1. 필라멘트의 재료

3D 프린터와 호환되는 직경 2.85 mm 10개의 성질이 다른 필라멘트 ABS, PLA, Wood, Glow fill, Nylon, XT, Silicon carbide, TPU-95A, Zirconium, CPE 재질을 사용하여 동일하게 출력하였으며 평가에 사용되는 필라멘트의 밀도는 Table 2와 같다.

Table 2. Density of filament types

1.2. 필라멘트 소재별 원형모형의 핀 출력

실험을 진행하기 위해 필라멘트 별 원형모형의 핀을 3차원 설계하고 3D 프린팅을 위하여 Fig. 3-(a) 와 같이 STL(Stereolitho Graphy) 파일의 형태로 저장한 후 크기 30 x 30 mm , 높이 50 mm 로 설정하여 Fig. 3-(b) 와 같이 출력 후 진단용 X-선 발생장치 X-ray와 CT를 이용하여 촬영하였으며 Fig 3-(c), (d)와 같이 종류 별 각 1회씩 측정하였다.

Fig. 3. Modeling for each filament and Scanned image for each equipment.

1.3. CT number (Hounsfield Unit, HU) 측정

각 필라멘트의 CT number 측정을 위해 원형모형의 핀의 내부 채움을 100%로 하여 필라멘트를 제작하였다. CT 스캔 후 영상에서 Fig. 4와 같이 ROI를 설정하고 Eq. (1)과 같이 CT number 값을 측정하였다. 실험의 사용된 조건은 Table 3과 같다.

 \(\begin{aligned}C T_{\text {Number }}=k \times \frac{\mu_{t}-\mu_{w}}{\mu_{w}}\\\end{aligned}\)       (1)

μ_t : Linear attenuation coefficients of water

μ_w : Linear attenuation coefficients of measured tissue

Fig. 4. Results of measured CT number.

Table 3. Parameter for dose measurement

 

1.4 X선을 이용한 실험

각 필라멘트의 SI(Signal intensity)를 측정하고자. Open source Dicom image를 획득하여 Fig. 5-(a)와 같이 ROI를 설정한 후 측정한 신호강도를 기준으로 하여 각 필라멘트 별 신호강도를 Fig. 5-(b)와 같이 ROI를 설정하여 Table 4와 같은 조건으로 설정한 후 Eq. (2)를 적용하여 측정하였다.

 \(\begin{aligned}SI\;=\frac{S_{I}}{N}\end{aligned}\)       (2)

SI : The sum of all pixel values in the ROI area

N : Number of pixels in the ROI area

Fig. 5. Set up Signal Intensity measurement.

Table 4. Parameter for dose measurement

 

Ⅲ. RESULT

1. 필라멘트 소재에 따른 CT number 측정결과

3D Printer를 활용하여 출력한 필라멘트 별 CT number를 측정한 결과는 Table 5와 같다. 필라멘트 별 내부 채움 100%떄의 CT number 측정 결과이다. ABS의 경우 43.77±0.64이며 PLA의 경우 135.43 ± 0.34, Wood의 경우 36.48 ± 0.10으로 나타났으며, Glow fill의 경우 289.75 ± 0.13, Nylon의 경우 63.91 ± 0.12, XT의 경우 149.39 ± 0.06으로 나타났으며 Silicon carbide의 경우 1403 ± 0.87, TPU-95A의 경우 53.625 ± 0.53, Zirconium의 경우 4000, CPE의 경우 147.71 ± 0.12으로 측정되었으며 Fig. 6와 같이 나타내었다.

Table 5. The result of CT scan measurement for each filament

Fig. 6. Results of measured CT number.

2. X선 SI (Signal Intensity) 측정결과

출력된 각 필라멘트별 원기둥을 사용하여 ROI를 설정하여 SI 값을 측정한 결과, Table 6과 같다. ABS의 SI는 2171.81±43.39로 측정되었고. PLA 의 SI는 2177.97±26.01, Wood의 경우 1131.75±35.08로 측정되었고, Glow fill의 경우 2202.64±27.45, Nylon의 SI값은 2176.79±39.73, XT의 경우 2193.81±31.72, Silicon carbide의 SI는 8854.72 ± 9.77, TPU-95A의 경우 2175.48±42.83 Zirconium의 SI는 22652.88±19.25, CPE의 경우 2192.86±34.71이 측정되었으며, Fig. 7과 같이 나타내었다.

Table 6. The result of SI measurement for each filament

Fig. 7. Results of measured Signal intensity.

Ⅳ. DISCUSSION

현대는 고령화 사회로 변화되면서 골절 및 골다공증 등 통증을 호소하는 관련 질환들의 검사가 증가고 있으며, 영상의학적 진단을 통해 단면영상과 입체영상을 이용하여 골절의 위치 및 크기, 정도를 확인하고 치료계획을 세우고 있지만. 환자의 경우 신경 및 통증으로 인해 촬영자세를 정확하게 유지하는데 있어 어려움이 있다. 이를 위한 해결방안으로 3D 프린팅의 기술을 제시하고자 한다. 주 재료는 기본적인 플라스틱에서부터 금속까지 확대되어 다양한 분야에 적용 될 수 있다, Choi 등의 연구에서는 3D 프린터 기술을 정형외과 영역에서의 적용한 사례를 보고하였으며^[15], Lee 등의 연구에서는 골밀도 팬텀 제작에 대한 연구를 보고하였다^[16]. Park 등의 연구에서는 금속혼합 필라멘트를 이용하여 기존 방호도구의 주재료인 납을 대신할 수 있을 것으로 보고하였다^[17-19]. 이에 본 연구에서는 FDM 방식의 3D 프린터를 이용하여 각 성질이 다른 필라멘트 10개를 선정하고 X-ray를 통한 실험을 통해 뼈와 유사한 신호강도를 확인하고 단면의 내부 구조 영상을 표현할 수 있는 CT를 이용하여 뼈의 CT number와 유사한 물질을 찾고자 진행하였다. 그 결과 다음과 같은 결과를 얻었다. Pelvis의 SI값을 기준으로하여 필라멘트를 비교한 결과, ABS, PLA, Wood, Glow fill, Nylon, XT, TPU, CPE의 경우 기준값 보다 낮은 신호강도를 나타내었으며, Zirconium의 경우 기준값을 초과하는 신호강도가 나타내었다. Silicon carbide의 경우 Pelvis의 기준값 보다 낮은 신호강도를 나타내었지만 제시한 각 성질이 다른 각 필라멘트 중 가장 Pelvis와 유사한 신호강도를 나타내었다. ABS의 경우 43.77±0.64이며 PLA의 경우 135.43 ± 0.34, Wood의 경우 36.48 ± 0.10으로 나타났으며, Glow fill의 경우 289.75 ± 0.13, Nylon의 경우 63.91 ± 0.12, XT의 경우 149.39 ± 0.06으로 나타났으며 CPE의 경우 147.71 ± 0.12으로 측정되었으며 TPU-95A의 경우 53.625 ± 0.53로 뼈의 CT number보다 낮은 결과를 확인하였으며, Zirconium의 경우 뼈의 최대 CT Number인 +3000 HU을 넘는 HU이 측정되어 뼈를 대신할 물질로는 부적합하지만. Silicon carbide의 경우 1403 ± 0.87로 측정되어 Bone과 유사한 +700 to +3000 HU 측정되어 Silicon carbide의 필라멘트가 Bone의 CT number인 +700 ~ +3000 HU의 값과 유사하게 측정된 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 진행하면서 몇 가지 제한점이 있었다. 원형모형의 핀을 3차원으로 설계하고 모델링 데이터를 통해 3D Printer로 동일한 사이즈로 출력이 가능해져, 인체 뼈와 유사한 밀도를 확인하기 위한 원형모형의 핀을 제작하는 데는 쉬운 작업이 되었지만, 아직 인체 장기를 정확하게 표현할 수 있는 재료는 부족하다. 또한, 필라멘트의 재료비용이 고가의 형성 되어있으며, 3D 프린터에 사용되는 필라멘트는 사용할 수 있는 광범위한 재료로 인해 많은 선택이 가능하다. 하지만 일반적으로 3D 프린터에 사용되는 재료인 필라멘트는 동일한 이름의 필라멘트라 할지라도 판매하는 제조사마다 혼합비율이 다르기에 사용하는 필라멘트의 밀도와 물성을 고려하여 용도에 맞게 재료를 적절하게 선택해야 한다. 인체조직밀도와 비슷한 HU 결과를 나타내지 못한 재료들의 경우는 향후 연구에서 좀 더 인체 유사성을 높이기 위한 3D 프린팅 기술의 적용이나 필라멘트의 융합기술, 실리콘, 바륨 활용 등이 필요할 것으로 사료된다. 3D 프린터의 컨디션이나 출력설정에 따라 내부 채움의 재현성이 떨어질 수 있어 밀도 등 조성이 변하므로 결과 값 변동 가능성이 있을 수 있어 하나의 FDM 프린터만 사용하였다. 또한, 금속 필라멘트의 경우 유연하지 않기 때문에 다른 물질과 적절하게 혼합하여 유연하게 연구를 한다면 여러 분야에서 다양하게 쓰일 것으로 사료된다.

Ⅴ. CONCLUSION

3D 프린터의 재료인 필라멘트의 종류를 다양하게 선정하여 측정한 결과 뼈의 CT number와 유사하게 측정된 Silicon carbide라는 물질을 발견하였고, 3D 프린터의 주재료인 필라멘트의 선택 범위는 플라스틱에서 금속물질 까지 확대되어 필라멘트 별 융합을 통해 신 물질을 개발 할 수 있을 것으로 기대된다. 추후 연구를 통해 인체의 뼈와 유사한 밀도를 가진 팬텀제작 및 다양한 연구에 기초자료로 제시될 것으로 사료된다.