의료 현장을 위한 3D 프린팅 기술 연구에 매진

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울산대학교 의과대학과 서울아산병원은 4차 산업혁명을 의료 현장에 접목하기 위한 융합의학 분야의 연구 활동을 진행하고 있다. 김남국 부교수는 특히 딥러닝과 3D 프린팅을 중심으로, 실제 임상 수술이나 훈련 등을 향상시킬 수 있는 기술 연구에 집중하고 있다.

현재 어떤 활동을 하고 있는지 소개한다면

울산의대/서울아산병원 융합의학과에 속해 있는 MI2RL (Medical Imaging & Intelligent Reality Lab) 연구실에서 외과, 내과, 영상의학과, 응급의학과, 신경과, 마취과, 병리과 등 다양한 임상의들과 함께 의료 현장의 미충족 수요(clinical unmet needs)를 의료 영상을 이용한 3D 프린팅 기술로 해결하고 있다.

특히, 4차 산업혁명의 핵심 기술을 이용하여 의료 딥러닝(인공지능) 적용, 환자 맞춤형 의료기기 및 재료 보편화 등에 대한 연구와 함께 다양한 3D 프린팅 중개(translational) 연구를 수행하고 있다.

그림 1. 선천성 심기형증 수술 리허설 모델

최근에는 3D 프린팅을 이용한 선천성 심기형증 모델이 한국보건의료연구원의 신의료기술평가를 통과하여 세계 최초로 수가가 되기도 했다. 애니메디 솔루션과 협업한 소아 심장 시뮬레이터는 3D 프린팅을 활용한 의료 기술로는 처음으로 신의료기기 기술로 선정되었다. 이 시뮬레이터는 심방과 심실의 연결, 심실과 대동맥의 연결이 바뀐 선천성 심장 기형 질환을 가진 소아의 심장을 수술 전에 시뮬레이션하기 위해 제작되었다.

최근에 진행한 3D 프린팅 관련 연구는 어떤 것이 있는지

최근에는 갑상선 암 수술 모형, 어려운 기도 훈련 모델과 같이 임상 현장의 미충족 수요를 발굴해서 적용하는 교육용 모델이나 암의 영역을 표시하고 제거를 위한 피부암 가이드, 복강경 포트에 말려 들어갈 수 있는 현상을 방지하면서 정확하게 가이드할 수 있는 신장암 가이드, 4D 프린팅을 이용한 수술 가이드, 인공 혈관 재건을 위한 대동맥 가이드, 어깨 뼈 수술 가이드 등을 연구하고 있다. 또한, 몸 속에 넣을 수 있는 발포 실리콘이나 금속 임플란트 등의 다양한 연구도 진행하고 있다.

그림 2. (a) 대동맥 가이드 (b) 어려운 기도(difficult airway) 기관 내 삽관 시뮬레이터

향후 의료 분야에서 3D 프린팅이 어떻게 쓰일 것으로 전망하는지

의료 산업에서는 맞춤형 수술 가이드, 수술 계획용 혹은 교육용 시뮬레이터, 의료 맞춤형 보형물, 바이오 프린팅 등 다양한 요구를 충족시키는 방향으로 발전할 것으로 보인다. 의료 분야에서 3D 프린팅을 응용하는데 있어서 초기의 거품이 꺼지면, 진짜 적용할 수 있는 기술만 시장에 남을 것이라고 예상된다.

또한, 실제로 적용하는데 있어 문제가 되는 정확도나 생체 적합성에 대한 검증뿐 아니라, 모델링이나 생산의 효율을 높일 수 있는 딥러닝 기술을 접목하는 등 다양한 기술과 융합할 수 있어야만 살아남을 수 있을 것이다. 맞춤형 수술 도구나 임플란트 등은 실제 의료보험 수가나 의료기기 허가 등을 통과하는 기술이 앞으로 더 늘어날 것으로 기대한다.

그림 3. 피부암 수술 가이드

최근 의료 분야에서 주목할 만한 3D 프린팅 기술 동향을 소개한다면

대표적인 인공지능 기술인 딥러닝을 3D 프린팅과 접목해서 생산 효율을 올리는 연구가 활발하다. 또한 4D 프린팅용 재료를 이용하여 다양한 기술이 발전하고 접목될 것으로 전망된다. 단층을 적층하는 기존 방식 외에도 로봇과 익스트루더(extruder)를 접목하는 3D 프린터가 개발되어 쓰일 것으로 보인다. 금속 3D 프린터도 좀 더 생산조건을 잡아서 뼈와 elastic modulus를 같게 하는 임플란트 등이 제조될 것이다. 어떤 기술이든 빠른 속도와 다양한 소재에 대한 요구는 꾸준하다.

그림 4. 중공형 두개골 임플란트

향후 의료 분야에서 3D 프린팅의 활용을 위해 필요한 것이 있다면 무엇이라고 보는지

의료 3D 프린팅은 대부분 수술에 도움을 주는 용도로 쓰이지만, 결국에는 맞춤형 수술 도구나 수술 재료, 인공 장기 제작 등 바이오 3D 프린팅에 대한 연구 및 개발이 궁극적인 목표이다. 이를 위해서는 다양한 생체 재료와 이 생체 재료를 안전하게 적층할 수 있는 기술이 필요하다. 그리고, 생체 재료로 출력된 세포나 조직의 생존 유무 그리고 장기의 기능을 충분히 소화시킬 만큼 충분한 강도 등도 필요하다.

앞으로 연구 계획에 대해 소개한다면

서울아산병원의 다양한 미충족수요를 발굴해서 실제 임상 현장에서 쓸수 있는 3D 프린팅 응용, 3D 프린팅 로봇, 재료 등을 개발 및 적용하고자 한다. 향후에는 PCL 기반 바이오 3D 프린팅과 인체에 삽입할 수 있는 메탈 3D 프린팅 등의 연구에 중심을 두고 있다.

최근 코로나19와 관련해 많은 일이 있었는데, 전염병을 대비한 서울아산병원의 미충족 수요를 기반으로 개인 맞춤형 마스크나 휴대용 문고리, 손세점제 하우징 등의 3D 프린팅 모델링 데이터를 깃허브(Github)에 공개했다. 많은 사람들이 이 내용을 응용해서, 3D 프린팅으로 전염병 위기 대응력을 높이는데 모두가 힘을 합칠 수 있기를 바란다.

그림 5. 깃허브에 공개한 개인 얼굴 맞춤형 마스크

그림 6. 깃허브에 공개한 휴대용 문고리

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