정형외과 수술에서의 3차원 인쇄 맞춤형 임플란트

Summary

이 프로토콜은 정형외과 수술에서 맞춤형 3D 프린팅 임플란트를 설계하고 구현하기 위한 임상 및 기술적 워크플로우를 개략적으로 제시하며, 표준 임플란트로는 부족한 복잡한 골 손실이나 변형 환자에게 맞춤형 수술 솔루션을 제공하는 것을 목표로 합니다.

Abstract

이 프로토콜의 목표는 표준 임플란트로 충분하지 않은 복잡한 골 손실이나 변형 사례에서 맞춤형 3D(3D) 임플란트를 정형외과 수술에서 사용하는 임상 및 기술적 워크플로우를 개괄하는 것입니다. 3D 프린팅이 광범위한 의학적 응용을 얻고 있지만, 정형외과에서의 역할은 전통적인 외과적 해결책이 없는 병리 환자들에게 특히 변혁적입니다. 이 원고는 초기 환자 평가와 의사결정부터 임플란트 설계, 제작, 외과적 이식에 이르기까지 단계별 과정을 상세히 설명합니다. 주요 고려사항은 환자 선정, 명확한 기대치 설정, 그리고 최적의 임플란트 적합성과 기능을 보장하기 위한 생의학 엔지니어와의 협력 설계 참여입니다. 프로토콜은 고해상도 CT 영상, 정밀 컴퓨터 지원 설계(CAD), 금속 임플란트용 분말 베드 융합과 같은 첨단 제조 기술의 중요한 역할을 강조합니다. 열처리, 전기 방전 가공, 표면 마감 등 후처리 단계도 논의되어 임플란트 생산의 품질 보증을 강조합니다. 초기 결과와 개선 가능성에도 불구하고, 초기 비용 상승, 장기 결과 데이터 부족, 각 사례의 개별성 때문에 3D 프린팅 임플란트의 사용은 제한적입니다. 그럼에도 불구하고, 이들의 적용은 맞춤화, 수술 계획, 기능 복원에 있어 상당한 이점을 제공하며, 지속적인 연구와 개선의 필요성을 강조합니다. 이 프로토콜은 3D 프린팅된 맞춤형 임플란트를 정형외과 진료에 통합하려는 임상의들에게 지침이 되며, 복잡한 재건 필요를 가진 환자들의 치료 가능성을 확장하는 것을 목표로 합니다.

Introduction

3차원(3D) 프린팅은 환자 맞춤형 기구, 맞춤형 임플란트, 수술 계획용 수술 전 해부학 모델 제작을 가능하게 함으로써 정형외과 수술에 혁신을 가져왔습니다. 이 기술은 빠른 프로토타이핑과 맞춤화를 가능하게 하여, 맞춤형 임플란트 및 기구를 활용한 수술 전 계획과 맞춤형 수술 솔루션을 개선하여 수술 결과를 향상시킵니다. 이러한 응용은 정형외과뿐만 아니라 다양한 의료 분야에 걸쳐 있습니다^. 예를 들어, 심장흉부외과에서는 수술 훈련용 폐동맥 모델을 3D 프린팅으로 출력하고, 제약 산업에서는 환자 요구에 맞춘 특정 특성을 가진 약물을 만드는 데 이 기술이 사용됩니다. 3D 프린팅 해부학 모델 생성은 복잡한 의학적 상태의 이해, 진단 정확도, 그리고 지향 수술 시뮬레이션에 도움을 주었습니다^. 또한, 장기 인쇄(바이오프린팅이라고도 함)의 잠재력은 헤아릴 수 없으며 현대 의학을 재정의할 것입니다.

정형외과 수술 분야에서 3D 프린팅 기술은 환자를 다양한 방식으로 돌보는 능력을 크게 향상시켰습니다. 예를 들어, 3D 프린팅 덕분에 외과의사들은 사지 절단 환자를 위한 맞춤형 의수를 제작할 수 있었습니다. 이러한 의수품의 개인화는 장치의 기능을 향상시켜 합병증을 줄이고 회복 시간을 단축할 수 있습니다^. 또한, 3D 프린팅된 해부학 모델은 수술 전 계획을 돕기 위해 복잡한 시술을 시각화하고 시뮬레이션할 수 있게 하여 환자 치료 결과를 향상시킬 수 있습니다. 그러나 정형외과에서 가장 큰 발전 분야 중 하나는 맞춤형 3D 프린팅 임플란트의 활용도^{였습니다.} 정형외과 수술 중 3D 프린팅에 관한 최근 발표된 리뷰에서는 무릎 관절 성형술 재수술 환경에서 맞춤형 임플란트가 임상적 이점을 가져왔음을 발견했습니다^. 흔하지는 않지만, 표준 임플란트와 기구를 이용한 수술적 선택지가 제한적인 정형외과 병리가 있습니다. 이러한 경우는 종종 큰 뼈나 연조직 손실 부위를 포함합니다 ^1,2. 이러한 경우에 자주 사용되는 전통적인 수술 방법은 합병증 위험과 실패율이 높으며, 성공하더라도 환자에게 평생 기능적 해로움을 초래하는 경우가 많습니다 ^1,2,4. 3D 프린팅은 외과의사들이 이러한 사례를 처리할 수 있는 능력을 혁신적으로 바꾸었고, 이전에는 불가능했던 수술 옵션을 제공했습니다. 이 원고는 정형외과 수술에서 3D 프린팅 맞춤형 임플란트의 설계 및 임상 적용에 필요한 주요 단계를 강조하고 몇 가지 사례를 논의합니다.

Protocol

아래에서 논의하는 이미지와 데이터에서 모든 보호 건강 정보는 제외됩니다. 그럼에도 불구하고 환자들은 연구와 임상 영상 사용에 대해 알렸습니다. 사전 동의를 받았다. 이 연구는 기관의 윤리 정책을 준수했습니다.

1. 환자와의 만남

1. 환자 병리가 맞춤형 3D 프린팅 임플란트에 적합한지 판단하세요.
2. 환자가 맞춤형 임플란트 사용에 적합한 기준을 충족하는지 확인하세요.
   1. 적절한 기준을 충족하기 위해, 환자의 병리를 적절히 치료하고 수술 위험이 낮으면서도 최적의 기능적 결과를 제공할 수 있는 상업적으로 쉽게 구할 수 있는 표준 임플란트가 없는지 확인하세요
3. 완전한 의료 최적화.
   1. 모든 의학적 동반질환이 안정적이고 적절히 관리되도록 하세요. 예를 들어, 당뇨병 환자는 낮은 A1c가 있어야 하며, 심장 질환 환자는 수술이 안전한지 확인하기 위해 적절한 심장 검사를 받아야 합니다.
4. 맞춤형 3D 임플란트에 대해 환자와 가족에게 상세히 상담하며, 그 장점과 단점을 포함합니다.
5. 환자의 수술 말단 부위에 적절한 매개변수를 적용한 컴퓨터 단층촬영(CT) 촬영을 받으세요.
   1. 이 파일을 디지털 영상 및 의학 통신(DICOM) 형식으로 저장하세요. 중요한 스캔 매개변수에는 픽셀 크기가 0.5mm 이하, 슬라이스 간격이 1.25mm 이하가 포함됩니다. 사용하는 스캐너에 따라 kVp를 100에서 140 사이로 조절하세요.
   2. 스캔 시야에 있는 뼈의 변형 해부학과 주변 수술 부위, 그리고 영향을 받은 전족부, 중족부, 뒷발부터 경골 중부까지 포함한 모든 관련 해부학을 포착하세요.

2. 임플란트 설계

1. CT 스캔과 같은 환자 영상과 관련 정보(예: 측측, 적응증 등)를 맞춤형 임플란트 제조사에 전달합니다. CT 촬영 제출을 위해 DICOM 파일을 DICOM 파일 형식으로 직접 업로드하세요.
2. Materialize Mimics와 같은 메쉬 기반 모델링 소프트웨어에서 뼈 해부학을 주변 연부 조직과 분리하는 세그멘테이션을 통해 환자 영상을 수술 전 해부학의 3D 모델로 변환합니다.
   1. DICOM 스캔을 소프트웨어에 가져오세요.
   2. 표준 본 윈도우를 사용해 본 마스크를 생성하세요.
   3. 영역 성장 알고리즘을 사용해 뼈 해부학을 선택하고 각 뼈를 별도의 마스크로 분리하세요.
   4. 마스크에 포함된 뼈가 아닌 부위는 편집 마스크 기능을 사용해 수동으로 제거하세요.
   5. 분할 마스크 기능을 사용해 영역 성장 알고리즘에 의해 자동으로 분리되지 않은 다른 뼈들을 분리합니다.
   6. Calculate Part 함수를 사용해 마스크를 부품으로 변환하세요.
   7. 내보내기 기능을 사용해 각 뼈를 .stl 파일의 개별 부품으로 내보내세요.
3. 각 뼈 .stl 파일을 메시 기반 모델링 소프트웨어에 불러와.

3. 메시 기반 모델링 소프트웨어 내에서 초기 임플란트 위치 설정 및 설계.

1. 영향을 받은 쪽과 맞춘 반대쪽 해부학 구조를 거울로 맞추세요.
2. 반대쪽 해부를 영향을 받은 종골과 맞닿아 메쉬를 사용해 맞출 수 있습니다.
3. 건강한 거골이 건강하지 않은 관절 공간에 맞춰져 있는 모습을 상상하세요.
4. 독점 알고리즘(restor3d)을 사용해 건강한 거골을 이상화하고 매끄럽게 만들어 초기 임플란트 몸체를 만듭니다.
5. 영향을 받은 경골과 비골의 위치를 조정하여 반대쪽 거골로 만든 임플란트 몸체와 관절 높이 변화를 반영하세요.
6. 외과의사 및 엔지니어와 함께 임플란트 설계 상담을 진행하여 분할된 3D 해부학을 검토하세요.
   1. 자연 변형과 반대쪽 해부학의 정렬에 대해 논의하세요.
   2. 이골 임플란트와 환자별로 필요한 변경 사항에 대해 논의하세요.
   3. 임플란트 크기 조절(95% 100%, 105% 부피)에 대해 이야기하세요.
   4. 필요하다면 연부 조직 부착 부위에 대해 논의하세요.
7. 특수 소프트웨어(예: Materialise 3-matic, SolidWorks)를 사용하여 임플란트 설계 컴퓨터 지원 설계(CAD) 파일을 최종 확정합니다.
   1. 삼각형 크기와 메쉬 매끄러움을 최적화하기 위해 리메싱 기능을 사용해 거골 임플란트를 재메시하세요.
   2. 골류와 같은 해부학적 돌출부를 국 소 평활화 나 가우시안 매끄러 운 옵션을 사용해 부드럽게 만드세요.
   3. 뼈 부위를 메워 보형물의 재료 강도를 높이세요.
   4. 국소 평활화 도구를 사용하여 거골 임플란트의 관절면이 주변 관절면과 일치하도록 하세요.
8. 유한 요소 해석이나 해석적 계산을 사용하여 임플란트의 기계적 특성(예: 강도, 표면적)을 분석합니다. 임상 적응증에 예상되는 생리학적 부하와 3D 프린팅 코발트 크롬 합금 재료의 발표된 벤치마크와 예측 성능을 비교합니다.
   1. 임플란트의 단면적이 재료 강도의 최소 이상인지 확인하세요.

4. 3D 인쇄 공정

1. 최종 확정된 임플란트 설계 CAD 파일을 설계 소프트웨어나 적층 제조 입력용 기타 호환 포맷에서 STL 파일로 내보내세요.
2. 깔 끔 히
   1. STL 파일을 3D 프린터의 기본 소프트웨어로 가져오세요.
   2. 임플란트의 중요한 해부학적 면을 기준으로 인쇄 방향을 정의하고, 관절면을 빌드 플레이트에서 멀리 배치하세요.
   3. 돌출된 특징에 필요한 지지 구조물을 생성하세요.
   4. 프린터 소프트웨어 내에서 슬라이싱 과정을 시작하고 G코드 명령어로 변환하세요.
3. 임플란트의 3D 프린팅
   1. 선택적 레이저 용융(SLM) 또는 이에 상응하는 분말 베드 융합 기술을 사용하여 Ti-6Al-4V 초저간질(ELI) 분말을 사용하여 임플란트를 제조합니다.
      참고: 일반적인 의료용 분말은 입자 크기 분포가 15-45 μm이며,_O2 농도는 1.2 ppm≤ 유지되는 불활성 아르곤 대기 하에서 처리됩니다.
   2. 프린터 제조사(예: 3D 시스템)에서 최적화한 레이저 유형, 출력, 해치 간격, 층 두께 등 스캔 매개변수를 적용하세요. 문헌에 보고된 예시로는 층 두께 30-60 μm, 해치 간격 100-120 μm, 레이저 출력 150-300 W가 있으며, 해당 시 z축에 방향이 정의되어 있습니다.
      1. 열원(예: 섬유 레이저 또는 전자 빔)을 이용해 금속 분말(입자 크기 15-45 μm)을 불활성 아르곤 대기(≤ 1.2 ppm O₂)에서 선택적으로 융합하여 임플란트를 빌드 플레이트 위에 층별로 형성합니다.
   3. 빔 에너지 밀도, 분말층 두께, 빌드 플레이트 환경 등 관련 매개변수를 제어하여 치수 정확도와 기계적 무결성을 보장합니다.
4. 후처리
   1. 고온 등정 압착(HIP)을 사용하여 임플란트 특성을 정교하게 하여 잔여 다공성을 제거하고, 스트레스를 완화하며, 미세구조를 개선합니다. 문헌에서 보고된 전형적인 조건은 불활성 대기에서 1000바에 약 920 °C, 120분 동안 지속되는 경우가 있습니다.
      참고: 임플란트 재료와 설계에 따라 어닐링과 같은 대체 열처리가 적용될 수 있습니다.
   2. 전기 방전 가공(EDM)을 사용해 빌드 플레이트에서 임플란트를 제거합니다. 건물의 얇은 기저층을 제어된 스파크 침식으로 절단하며, 열 손상을 최소화하고 치수 정확도를 유지하도록 매개변수를 선택했습니다.
   3. 인쇄에 쓰이는 지지대(드레멜, 핸드 폴리셔)를 손공구로 제거하세요.
   4. 표면 처리를 하여 잔여 분말, 고정구를 제거하고 거칠기를 조절하세요. 모든 다공성 표면과 손으로 연마한 관절 표면을 폭파하세요.
      1. SAE AMS 2488D Type II에 따라 양극산화를 수행하여 내식성과 생체적합성을 향상시킵니다.
5. 완성된 임플란트의 치수 검사를 높이 게이지와 교정된 캘리퍼스를 사용해 수행합니다. 더 높은 정밀도가 필요할 때는 좌표 측정기(CMM)로 CAD 모델을 기준으로 측정값을 확인합니다.
   1. 표면 마감과 다공성을 육안과 현미경으로 검사하여 다공성 구조물과 가공 특징의 정확성을 보장합니다. 표면 거칠기 값(Ra)이 골적적분화 및 계측 인터페이스의 설계 사양에 해당하는지 확인하세요.
   2. 동일한 빌드 플레이트에 인쇄된 도그본 시료에 대해 로트 릴리스 테스트를 통해 기계적 특성을 검증합니다. 시험 시료는 Ti-6Al-4V ELI(또는 기타 임플란트 합금)의 기계적 강도가 발표된 기준을 충족하는지 인장 시험을 거칩니다. 시험 시료의 치수 측정을 기록하여 인쇄 정확도를 검증하세요.

5. 수술

1. 수술 전 검사
   1. 환자 만남 (1단계) 참조
   2. 수술 전 상담을 통해 수술 절차의 위험과 이점에 대해 상담을 실시하세요.
   3. 수술 절차에 대한 사전 동의를 받으세요.
   4. 필요하다면 마취팀의 수술 전 평가를 실시하세요.
2. 수술 절차 (완전 거골 치환술)
   1. 환자를 전신마취 상태로 수술대 위에 올려놓고 고정하세요.
   2. 뼈가 돌출된 모든 부위에 적절한 패딩을 발라주세요.
   3. 수술 말단에 지혈대를 감아라.
   4. 그 다음, 수술 끝부분을 멸균 준비하고 덮어주세요.
   5. 병원 정책에 따라 수술 타임아웃을 수행하여 적절한 환자, 측측 위치, 시술을 확인하세요.
   6. 병원 프로토콜에 따라 수술 전 항생제를 투여하세요.
   7. 전방향 접근법을 사용하여 발목 관절에 접근하는데, 이는 장경신전과 전경골 힘줄 사이의 간격을 이용합니다.
   8. 신경혈관 다발을 측면으로 조심스럽게 후퇴시키고 시술 내내 보호하세요.
   9. 발목 관절낭을 세로 방향으로 확인하고 열어보세요.
   10. 톱날, 골절기, 롱게르를 이용해 토착 무혈/손상된 석골을 제거하세요. 원위 경골, 주위, 종골의 관절면을 보호하는 데 주의가 기울여집니다.
   11. 거골을 제거한 후에는 적절한 거골 임플란트의 크기를 정하기 위해 사이즈저를 사용하세요.
   12. 적절한 크기가 결정되면, 적절한 크기의 3D 프린팅 임플란트를 발목에 삽입합니다. 수술 중 투시와 임상 평가로 적절한 배치를 확인하라.
   13. 그 후 상처를 층층이 관개하고 봉합하세요.
   14. 멸균 드레싱을 부착하고 환자를 잘 패딩된 부목에 착용하세요.
3. 수술 후 프로토콜
   1. 수술 후 2-3주에 봉합사를 제거하세요.
   2. 수술 후 8주에서 12주에 체중 부하 세션을 시작하세요, 사례에 따라 다릅니다.
      참고: 초기 체중 부하 상태는 부츠를 신고 몇 주에 걸쳐 일반 신발로 전환합니다. 물리치료는 선택 사항이지만, 보행 훈련과 가동성 향상을 위해 권장됩니다.

Results

일반적으로 정형외과 수술에서 3D 프린팅의 장기적인 대표성 결과는 표본 크기가 적고 의학에서 3D 프린팅이 사용된 기간이 짧기 때문에 제한적입니다. 현재 일부 대표적인 데이터가 존재합니다.

아래는 3D 프린팅 임플란트로 치료받은 세 가지 환자들의 예시로, 큰 골 결손이나 파괴적인 관절 병리에 대해 대안이 거의 없는 경우가 제시되었습니다. 임플란트는 위에서 언급한 프로토콜을 사용하여 모두 설계되었습니다.

환자 1

43세 남성이 만성 왼쪽 발목 통증 병력을 가지고 있습니다. 환자 1은 10년 전 비수술적 치료를 받은 거골 목 골절을 입었습니다. 그림 1 과 그림 2 에 표시된 방사선 및 CT 스캔 영상은 거골 무혈성 괴사와 심각한 경화증, 그리고 거골의 파편화를 보여줍니다. 인접한 관절 표면은 잘 보존되어 있으나, 거골은 심각한 파편화와 경화를 보여 진행된 거골 무혈관 괴사와 일치합니다. 환자는 외부 시설에서 진료를 받았고, 거골하 관절과 발목 관절을 유합하는 관절유합술을 제안받았습니다. 환자는 특정 신발을 신기 위해서는 완전한 운동 범위가 필요하며, 발목 관절 유합이 없다고 보고했습니다. 환자와 옵션을 논의하는 과정에서 대안으로 맞춤형 3D 프린팅 전거골을 사용하는 것에 대해 논의했습니다. 이는 장기 데이터가 없는 비교적 새로운 수술 옵션입니다; 하지만 이 옵션은 관절과 가동 범위를 보존할 수 있게 해줍니다. 우리는 이 시술과 관련된 위험성과 장기 데이터 부족에 대해 광범위하게 논의했습니다. 하지만 환자는 유합술이 선택지가 아니라고 말했습니다. 광범위한 논의 끝에 환자는 맞춤형 3D 프린팅 전거골 치환술을 진행하기로 결정했습니다. 이 환자의 경우, 임플란트 재료로 티타늄 합금을 사용하기로 결정했습니다. 이 재료는 천연 뼈와 유사한 생체역학적 특성을 지니며, 주변 연골 손상 위험을 줄이기 위해 최적의 마모 특성을 가집니다.

거골은 환자의 반대쪽 거골을 대칭하도록 설계되었으며, 이는 질병 없이 정상입니다. 수술 후 6주 검진에서 촬영한 영상 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 환자는 수술 후 통증 없이 잘 보행하고 기능 수준이 개선되었다고 보고합니다. 환자는 수술 후 운동 범위가 증가했으며, 배굴 약 10도, 족저 굴곡 35도를 보인다고 보고합니다.

환자 2

20세 여성, 왼쪽 발 통증과 부종으로 나타나며, 이는 제1중족골의 알려진 거대세포종양으로 인한 증상입니다. 환자는 처음에 종양을 긁어내고 뼈 물질로 대체하는 수술인 소시화와 뼈 이식술을 받았습니다. 방사선 촬영과 CT 스캔 영상(그림 4 및 그림 5)은 제1중족골 내에 확장성 용해성 병변이 있음을 보여주었으며, 이는 생검으로 입증된 거대세포종양과 양립할 수 있습니다. 지속적인 활동 증상과 신발 착용 시 악화로 인해 환자는 중족골 전체의 외과적 절제를 원했습니다. 과거에 덜 침습적이고 국소적인 시술도 시도했지만 효과가 없었다. 중족골의 외과적 절제는 대규모 수술이며, 절제된 부위의 재건이 도전입니다.

환자와 면담하는 동안 우리는 그녀의 선택지를 논의했는데, 여기에는 중족골 전체를 3D 프린팅 뼈로 교체하거나 다리에서 채취한 뼈를 사용하는 비골라 자가 이식술이 포함되었습니다. 우리는 섬유골 이식술의 위험성, 특히 이식 부위 이환율과 비유합의 높은 위험에 대해 논의했습니다. 또 다른 선택지는 발 부분 절단인데, 그녀는 이에 관심이 없었습니다. 환자와 가족과 여러 차례 진지한 상담 끝에 3D 프린팅 맞춤형 임플란트를 진행하기로 결정했습니다. 맞춤형 중족골 케이지는 환자의 길이와 해부학을 유지할 수 있으며, 자가 이식보다 기계적으로 더 견고한 구조를 제공하며, 자유 섬유골 채취와 관련된 기증 부위 이환율을 동반하지 않습니다. 엔지니어와의 설계 콜을 통해 작성된 사전 설계는 그림 6에 나와 있습니다. 이 수술은 적절히 절제가 이루어졌는지 확인하기 위해 정형외과 종양학 팀과 함께 시행되었습니다. 수술 당일 임플란트 사진은 그림 7에 나와 있습니다. 환자 1과 마찬가지로 선택된 임플란트 재료는 피질뼈와 유사한 생체역학적 특성을 가진 티타늄 합금입니다.

수술 후에는 총 12주 동안 체중 부하 없이 유지되었습니다. 12주에 부츠를 신고 체중을 지탱하기 시작했고, 4개월쯤 점차 부츠에서 벗어났습니다. 수술 후 3개월에 촬영한 엑스레이(그림 8) 영상에서는 하드웨어 실패의 증거가 없었으며, 일부 뼈가 이식된 부분이 포함되어 있었습니다. 6개월 방문 때는 부츠를 완전히 끊고 저충격 활동을 시작했습니다. 6개월 방문 때 받은 CT 스캔에서 보형물이 뼈 접촉과 안정성이 좋으며, 일부 뼈가 임플란트에 통합되어 있음이 확인되었습니다(그림 9). 수술 후 1년이 넘었고, 평상복을 신고 통증 없이 걷고 있습니다.

환자 3

34세 여성이 7년간 만성 오른쪽 발목 통증을 앓고 있으며, 이는 거골 괴사와 이후 거골 돔 붕괴로 인한 증상입니다. 수술 전 방사선 사진은 그림 10에 나와 있습니다. 또한 경골 플라폰드와 종골 부위의 골괴사와 경골 및 경골하 관절의 뚜렷한 골관절증 증거를 입증하였습니다. 이는 과거 장기간 입원 중 만성 고용량 스테로이드 사용으로 인한 2차적인 것으로 여겨졌습니다.

전반적으로 오른쪽 발목의 만성 통증 때문에 일상 활동이 크게 제한되었습니다. 그녀는 주치의가 처방한 장기 물리치료, 활동 조정, 진통제 복용을 통해 보존적 관리를 시도했습니다. 지속적인 증상을 고려해 수술 옵션에 대해 논의했습니다. 영상 결과를 근거로, 그녀의 거골 붕괴와 거골하 관절염을 고려할 때, 단독 발목 유합술은 좋은 선택이 아닐 것이라고 논의했습니다. 우리는 가장 좋은 외과적 해결책이 경골국소관(TTC) 관절유착술이라는 점에 대해 논의했습니다. 하지만 그녀의 경우에는 거골 붕괴로 인한 관절 높이 감소가 심한 것과, 건강하지 않은 척골 절제 후 남게 될 큰 뼈 공허함이 문제입니다. 구조적 이식은 대퇴골두의 동종이식편을 사용하여 수행할 수 있습니다; 그러나 문헌에서는 이식편의 침강과 실패율이 높게 보고되고 있습니다. 게다가 동종 이식편이 적절히 성형하기 어렵고 완벽하게 맞지 않을 수 있어 키를 회복시키는 것도 어렵습니다. 또 다른 옵션은 3D 프린팅된 맞춤형 케이지입니다. 금속 케이지는 이식편 침하 위험 없이 높이와 해부학적 구조를 유지할 수 있으며, 기계적으로 견고한 구조물입니다. 광범위한 논의 끝에 그녀는 3D 프린팅된 맞춤형 케이지 구조물을 이용한 TTC 관절유부착술을 진행하기로 결정했습니다. 다시 말해, 이 케이지는 뼈와 유사한 생체역학적 특성을 가진 티타늄 합금으로 만들어졌습니다. 이는 케이지 내 뼈 성장을 위한 자연스러운 생체역학적 환경을 모방하기 위해 선택되었습니다. 수술 후 3개월 때 촬영한 영상 결과는 그림 11에 나와 있습니다. 임플란트로 발목 관절 높이가 회복되었고, 임플란트-뼈 접합부에서 뼈 통합이 잘 이루어졌습니다.

그녀는 12주 동안 체중 부하 없이 유지되었습니다. 그 후 부츠를 신고 걷기 시작했고, 4개월 만에 쇼 무대에 전향했습니다. 6개월이 되자 환자는 통증 없이 걷기 시작했고, 1년 추적 관찰 시점에는 발목으로 인한 기능적 결손이 없었습니다. 이제 발목에 제한이 없고 수술 전보다 훨씬 더 활동적이다.

그림 1: 환자 1의 수술 전 엑스레이. (A,B) 환자 1의 왼쪽 발목 수술 전 홈 (A) 및 측면(B) 엑스레이. 방사선 사진에서는 거골 무혈성 괴사와 경화, 그리고 거골의 파편화가 뚜렷하게 드러난다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 2: 환자 1의 수술 전 CT. (A-C) 환자 1의 왼쪽 발목에 대한 수술 전 축방향(A), 시상형(B), 관상(C) CT 영상. CT 촬영 영상에서는 경화증과 척골 파편화가 동반된 유의미한 거골 무혈관 괴사가 나타났습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요. 

그림 3: 환자 1의 수술 후 엑스레이. (A,B) 수술 후 AP (A) 및 모티스 (B) 왼쪽 발목 엑스레이, 수술 후 6주 시점에 촬영된 환자 1의 왼쪽 발목 엑스레이. 6주 후 촬영한 방사선 사진은 거골 임플란트의 적절한 정렬과 위치임을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 4: 환자 2의 수술 전 엑스레이. (A,B) 환자 2의 오른발 수술 전 체중 부하 AP (A) 및 측면 (B) X선. 방사선 사진은 제1중족골의 큰 뼈 확장 병변을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 5: 환자 2의 수술 전 CT. (A-C) 수술 전 축(A), 시상(B), 관상(C) CT 절개. CT 스캔에서 병변이 확인되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 6: 3D 프린팅 이전의 임플란트 설계. 이들은 임플란트의 설계 단계로, 엔지니어들이 환자의 CT 스캔 영상을 이용해 임플란트의 도면을 작성합니다. 임플란트는 나사로 중족골 머리에 고정되어 임플란트 안에 삽입됩니다. 임플란트는 용골로 내측 쐐기형에 고정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 7: 세 가지 임플란트 크기의 임상 사진. 케이스에는 세 가지 크기가 인쇄되어 있으며, 각 크기는 부피 차이가 5%입니다. 이는 수술 중 CT 스캔의 변이와 실제 환자 해부학적 차이를 고려하기 위함입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 8: 환자 2의 수술 후 엑스레이. (A,B) 수술 후 체중 부하 부위 AP (A) 및 측면 (B) 환자 2의 엑스레이. 수술 후 3개월 동안 촬영한 방사선은 임플란트와 자연 뼈 사이에 적절한 위치와 올바른 정렬, 그리고 뼈 부착이 잘 되어 있음을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 9: 환자 2의 수술 후 CT. (A,B) 수술 후 CT 스캔 시상(A) 및 축방향(B) 영상은 뼈와 임플란트 접합부에서 안정적인 하드웨어와 좋은 골 부착, 골 형성 및 임플란트의 본래 뼈 통합을 보여줍니다. 이 CT 스캔은 수술 후 6개월에 촬영되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 10: 환자 3의 수술 전 방사선 사진. (A,B) 환자 3의 오른쪽 발목 수술 전 AP (A) 및 측면(B) 방사선 사진. 환자는 심각한 거골 붕괴와 발목 및 좌골하부 관절염을 가지고 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

그림 11: 환자 3의 수술 후 방사선 사진. (A,B) 환자 3의 오른쪽 발목 수술 후 AP (A) 및 측면(B) 방사선 사진. 환자의 6개월 추적 관찰에서 얻은 방사선 사진은 융합 부위에 하드웨어가 잘 맞춰져 있고 뼈 위치가 양호함을 보여줍니다. 발목 관절 높이가 회복되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

Discussion

정형외과 수술에서 맞춤형 3D 프린팅 임플란트는 흔하지 않으며; 그러나 위 사례들에서 이들의 효용은 사건에 도전하는 데 입증되었습니다. 이 환자들에게는 3D 프린팅이 없기 때문에 수술 솔루션이 매우 제한적이며, 최선의 선택법조차도 높은 위험과 기능적 결과를 초래합니다. 맞춤형 임플란트 설계 과정에서 고려해야 할 중요한 단계들이 많습니다. 무엇보다도 케이스가 맞춤 임플란트에 적합한지 여부입니다. 이는 모든 대안과 그 장단점을 신중하게 고려하는 것을 포함합니다. 환자와 가족을 이러한 논의에 참여시키는 것이 중요합니다. 맞춤형 3D 임플란트는 문헌이 제한적이고 최신이며, 환자들에게 그 실험적 성격을 교육하는 것이 필수적입니다.

두 번째로 중요한 단계는 임플란트 설계입니다. 외과의사는 임플란트 크기, 수술 접근법, 임플란트 삽입에 필요한 기구 구성, 그리고 수술 목표 등 여러 요소를 고려해야 합니다. 이 과정에는 3D 프린팅 경험이 있는 외과의사에게 상담을 제공하는 것뿐만 아니라, 엔지니어들과 함께 임플란트 설계 콜을 진행하는 과정도 포함됩니다. 임플란트 생산이 시작되면 수정할 여지는 제한적입니다; 따라서 설계 단계가 매우 중요합니다.

정형외과 수술에서 3D 프린팅의 유망한 잠재력에도 불구하고, 여전히 몇 가지 도전 과제가 남아 있습니다. 중요한 한계는 이 기술에 따른 높은 비용입니다. 임플란트 비용은 케이스의 복잡성에 따라 $14,000에서 $20,000까지 다양할 수 있습니다. 하지만 3D 프린팅 기술이 계속 발전함에 따라 생산 비용은 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예상됩니다¹. 또 다른 주요 한계는 결과에 대한 장기 데이터가 부족하다는 점입니다. 최근 발표된 후향적 다기관 연구는 무혈성 괴사 치료를 위한 3D 프린팅 거골 대체물의 안전성을 평가^{한 4.} 연구에서는 최소 1년 이상의 추적 관찰을 한 총 15명의 환자를 대상으로 초기 결과가 유망하고 좋은 결과를 보였습니다. Adams 등은 3D 프린팅 케이지로 큰 뼈 결^{손에 대해} 유사한 안전한 결과를 입증했습니다. 5. 연구에서는 맞춤형 케이지로 수술한 8명과 대형 시체 동종 뼈 수술을 받은 7명을 비교했습니다. Kadakia 등은 2년간 22명의 환자에서 전거골관절 성형술의 ^{결과를 평가하}였습니다. 단기 추적 관찰에서 유의미한 기능적 개선이 관찰되었습니다. 흥미롭게도, 일본의 여러 센터에서 전거골관절 성형술 후 장기 결과를 평가한 연구들이 몇 개 있습니다. 이 두 연구에서는 10년 이상의 수술 후 추적 관찰을 실시했으며, 전 거골 치환술 또는 치골체 치환술 후 환자가 좋은 환자 보고 결과를 보였음을 발견했습니다 ^7,8. 이 임플란트들은 맞춤 제작이나 3D 프린팅이 아니었고 세라믹으로 제작되었다는 점을 유의해야 합니다; 따라서 이 데이터는 현재 금속과 맞춤형인 총 석골 교체 부품에는 적용되지 않습니다. 어쨌든, 이 절차와 개념은 꽤 오랜 기간 존재해 왔으나, 심각한 타라르 병리 관리에 점점 더 널리 사용되고 있다는 점이 흥미롭습니다. 이 원고의 초점은 하지의 사례였으나, 정형외과에서 3D 프린팅의 응용은 여러 세부 전문 분야로 확장되었습니다². 부합된 원위 요골 골절은 환자에게 심각한 기능적 영향을 미칠 수 있으며, 이 변형을 교정하기 위한 교정 골절개술은 여러 교정 단계가 필요해 매우 어렵습니다. 잘못된 치유가 되는 팔뚝 골절도 마찬가지로, 회전 운동이 작용해야 합니다. 최근 발표된 여러 연구들은 맞춤형 3D 프린팅 절단 가이드와 기구가 이러한 어려운 상지 변형 교정 사례에 도움이 될 수 있음을 발견했습니다 ^9,10.

맞춤형 3D 프린팅 임플란트와 기기의 유망한 결과에도 불구하고, 최근 발표된 연구들은 단기 추적 관찰 ^6,7,8의 표본 크기가 매우 적다는 점을 주목할 필요가 있습니다. 3D 프린팅 임플란트의 장기적인 효과를 입증한 연구는 거의 없으며, 장기적으로 내구성과 효과를 평가하기 위해서는 추가 연구가 필요합니다. 이 중 일부는 이 기술이 비교적 새롭고 3D 프린팅에 적용되는 병리 현상이 흔하지 않기 때문일 수 있습니다. 또한, 이러한 임플란트는 매우 맞춤화가 가능하기 때문에 서로 다른 사례에 걸쳐 결과를 일반화하는 것이 매우 어렵습니다.

어쨌든 위 사례와 관련 문헌을 통해 3D 프린팅의 잠재적 이점은 명확합니다. 가장 강력한 장점 중 하나는 이전에는 불가능했던 독특한 방식으로 인간 해부학을 재현할 수 있다는 점입니다. 맞춤화를 통해 임플란트를 개별 환자에 정밀하게 맞출 수 있어 수술적 필요에 직접 맞출 수 있습니다. CT 영상과 3D 프린팅 기술의 지속적인 발전으로 임플란트는 점점 더 정확하고 내구성 있으며 비용 효율적이 되고 있습니다 ^1,2.

전반적으로 3D 프린팅은 빠르게 발전하는 기술로, 정형외과 수술 분야에서 점점 더 다양한 가능성을 제공합니다. 기술이 성숙함에 따라 미래에는 더 정교하고 상호 연결된 구조의 개발이 적용될 수 있습니다. 단일 뼈 및 관절 임플란트에 대한 숙련도를 얻으면서, 다음 논리적인 단계는 더 복잡하고 다성분 임플란트를 만드는 것입니다. 현재 임플란트는 주로 생체 적합성 금속 합금을 사용하지만, 3D 프린팅의 또 다른 주요 단계는 연부 조직 재건 분야의 혁신, 예를 들어 연골¹¹을 만드는 바이오프린팅 기술이 포함될 것입니다. 3D 프린팅은 끊임없이 진화하는 흥미로운 기술 분야이며, 이 기술이 변화함에 따라 정형외과 수술에서의 적용도 계속 성장하고 적응할 것입니다.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
중족골 티타늄 케이지 임플란트	레스토르3D	https://www.restor3d.com/	맞춤형 임플란트; 티타늄 합금 (Ti-6Al-4V)
구형 티타늄 케이지 임플란트	레스토르3D	https://www.restor3d.com/	맞춤형 임플란트; 티타늄 합금 (Ti-6Al-4V)
완전 거골 치환 수술	레스토르3D	https://www.restor3d.com/	맞춤형 임플란트; 티타늄 합금 (Ti-6Al-4V)