1) 견관절 주위 골절 환자에서의 삼차원 프린팅 모델의 응용

상지의 골절은 비교적 흔하며 많은 경우 수술적 치료가 필요하다. 복잡한 분쇄골절의 경우 정상적인 해부학이 심하게 손상되어 정복 및 고정이 쉽지 않다. 이러한 경우, 특히 관절 내 골절에서는 골 절편과 관절 표면의 정확한 식별이 필요하기 때문에 수술 전 계획 및 수술 시뮬레이션을 위한 3D 프린팅 기술이 많은 도움이 된다. 2016년 You 등3)은 노인의 복잡한 근위 상완골 골절 치료에 3D 프린팅 기술을 적용한 것을 보고하였다. 이 연구에서, 복잡한 근위 상완골 골절이 동반된 노인 환자 66명을 각각 3D 프린팅 기술을 사용하지 않는 그룹과 사용한 그룹 두 그룹으로 나누었다. 술 전 계획을 수립할 때, 술자는 3D 프린팅 골절 모델을 사용하여 정복을 시뮬레이션 하였다. 3D 프린팅 모델을 이용한 시뮬레이션으로 금속판 및 나사를 미리 선택하여 실제 수술에서 골절을 고정하는 데 사용하였다. 3D 프린팅을 사용한 그룹에서 3D 프린팅 기술을 사용하지 않은 그룹에 비해 복잡한 근위 상완골 골절의 치료에 대한 좋은 임상적 결과를 보여 주었다. 2020년 Kong 등4)은 3D 프린팅 기술을 이용한 관절 내 원위 요골 골절의 수술적 치료에 대해 보고하였다. 총 32명의 환자를 3D 프린팅 기술을 사용한 그룹과 사용하지 않은 그룹으로 무작위로 선정하였다. 3D 프린팅 기술을 사용한 그룹에서 수술 시간, 수술 중 출혈량, 수술 중 영상검사 횟수를 통계학적으로 유의하게 줄일 수 있었다. 상완골 과간 골절 및 쇄골 골절에서도, 3D 프린팅 기술은 더 정확하고 간결한 치료를 제공한다는 보고들도 있다.5, 6)

2) 견관절 전치환술에 있어서 환자 맞춤형 가이드의 이용

견관절 전치환술 및 역행성 견관절 전치환술은 그 빈도가 지속적으로 증가하고 있다.7, 8, 9) 견관절 전치환술 및 역행성 견관절 전치환술에서 관절와 삽입물의 삽입은 전반적으로 30%–50%에 해당하는 합병증인 해리, 마모, 절흔 등을 야기할 수 있어 어려운 문제로 간주된다.10) 수술 중 신뢰할 만한 지표가 없기 때문에 변형이 동반된 관절와의 이해도 및 시각화가 더욱 어려울 수밖에 없으며, 관절와 삽입물의 삽입은 정형외과 의사의 경험에 의해 결정된다.11, 12, 13) 이러한 문제는 두 가지 주요 변수, 부적절한 관절와 뼈대 및 기형, 과도한 후염전 또는 경사도 및 관절와 볼트 천공 등으로 인한 삽입물의 잘못된 위치에 따라 달라진다.14, 15, 16, 17) 환자 맞춤형 삽입물(patient-specific instrument, PSI)은 견관절 영역에서 새로운 기술이며, 이 분야에서 개발로 인해 관절와 삽입물을 적절한 위치에 잡아주기 위한 맞춤형 가이드가 만들어졌다(Fig. 1). 수술에 들어가기에 앞서, CT를 이용하여 만들어진 3D 관절와 재구성 이미지를 이용하여 전용 소프트웨어로 술 전 계획을 수립한다. 정형외과 의사와 제조업체가 술 전 계획을 확인하고, 3D 프린팅 관절와 모델 및 맞춤형 가이드를 제작한 뒤, 정형외과 의사에게 전달된다. 2014년 Iannotti 등18)은 3D 프린팅을 이용하여 술 전 계획을 수립하는 것이 관절와 골 전처지와 삽입물 위치의 정확도를 의미 있게 향상시킨다고 보고하였으며, 이와 관련된 다른 연구들이 많이 보고되고 있다.19, 20)

Figure 1
Reverse total shoulder arthroplasty using a 3-dimensional printed patient specific guide.

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1) 척추경 나사못 삽입에서의 삼차원 프린팅 model을 이용한 수술 시뮬레이션

척추 수술에서 3D 프린팅 기술은 척추의 복잡한 해부학적 구조와 세심한 주의가 필요한 주변 구조물의 특성을 정확하게 파악하여 정형외과 의사가 수술 계획 수립 및 술기의 정확성을 높이는데 도움을 준다. 3D 프린팅 기술은 병변을 전체적이고 입체적으로 이해할 수 있게 하여 술기를 시뮬레이션 해 보거나 더 구체적인 계획을 수립할 수 있게 한다. 또한 개별화 된 모델을 사용하여 시각화 할 수 있고 술 전 준비를 보다 쉽게 할 수 있으며, 이로 인해 수술 시간과 혈액 손실을 줄이고 방사선 투시를 줄일 수 있다. 이 과정을 통해 수술 결과를 향상시킬 수 있다.21) 2016년 Shin22)은 3D 프린팅 기법을 통한 요추 척추경 나사 삽입의 학습 곡선 단축의 효과에 대해 보고하였다. 이 보고에서 10명의 지원자들에게서 20개의 3D 프린팅 요추 모델을 얻어, 프리핸드 기법을 이용한 척추경 나사 삽입술에 대한 경험이 없는 2명의 초심자들이 교육을 받고 각각의 요추 모델에 10개의 척추경 나사를 삽입하였다. 술기 후 CT 스캔을 시행하여 정확도를 평가하고 술기 완료까지 걸린 시간을 측정하였다. 총 200개 나사 중 37개의 나사가 평균 1.7 mm로 척추경 피질을 뚫고 나왔으며, 후자 10개 모델에서 전자 모델들에 비해 유의하게 손상이 적고 술기 완료 평균 시간도 단축되었다. 실제 크기의 3D 척추 모델은 척추경 나사 삽입술에 대한 초심자의 수련에 훌륭한 역할을 할 수 있다고 보고하였다.

2016년 Wang 등23)은 복잡한 척추 질환의 개인별 치료에 3D 프린팅을 임상적으로 적용했다고 보고하였다. 복잡한 중증 척추질환을 가진 4명의 환자에서, 3D 프린팅 모델의 사용은 합병증의 위험뿐만 아니라 수술 시간 및 수술 중 혈액 손실을 줄일 수 있었으며 술 후 영상 검사에서 나사못의 척추경 과삽입 또는 잘못된 방향으로의 삽입이 발생하지 않았다. 이 연구에서, 실제 만져 볼 수 있게 제작된 3D 프린팅 모델은 직접적인 관찰 및 측정을 가능하게 하여 정형외과 의사로 하여금 정확한 형태학적 정보를 얻고 환자 개개인의 수술 계획을 수립할 수 있게 하며 환자 및 의료진과 더 나은 의사 소통을 할 수 있도록 도와준다고 보고하였다.

2) 환자 맞춤형 수술 가이드

앞서 언급한 것처럼 척추 수술은 세심한 주의가 필요하며 매우 위험한 수술 중 하나이다. 3D 프린팅을 이용해 환자 맞춤형 데이터로 작성된 가이드는 이러한 술기와 관련된 위험성을 줄일 수 있다. 척추경 나사못 고정은 척추 수술에서 일반적으로 사용되며, 정확하게 삽입된 경우 가장 효과적으로 척추를 안정시키고 합병증의 위험을 낮추는 방법이다. 하지만, 기존의 기술은 치명적인 혈관 및 신경 손상을 일으킬 가능성이 높은 척추경 침범의 위험성이 높아 많은 문제점을 가지고 있으며, 수술 중에 보이는 해부학적 지표를 기준으로 시행하는 척추경 나사못의 삽입은 정형외과 의사의 경험에 크게 의존할 수밖에 없다. 3D 프린팅 나사못 가이드는 이러한 문제를 해결할 수 있다. 3D 프린팅 나사못 가이드의 제작은 다음 순으로 이루어진다. 먼저, 환자의 척추에 대해 3D CT 스캔을 시행해야 한다. 전문 소프트웨어를 이용하여 3D 모델을 생성하고, 가장 적절한 나사못의 방향과 크기를 결정한다. 2018년 Garg와 Mehta24)는 척추 수술에서 3D 프린팅의 현재의 상태에 대하여 보고하였다. 이 연구에서 문헌으로 보고되고 있는 3D 프린팅 기술은 수술 전 계획 수립 및 전공의 또는 환자 교육을 위한 해부학적 모델 제작을 위해 사용되었으며, 나사못 가이드와 같은 수술 도구 제작 및 맞춤형 삽입물의 제작 역시 3D 프린팅 기술의 적용 중 일부라고 보고하였다(Fig. 2). 하지만, 척추 수술에 적용되는 응용 프로그램의 특성상 생산 시간이 길고 많은 비용이 들기 때문에 척추 영역에서 3D 프린팅 기술이 널리 사용되지는 못하고 있는 실정이며, 현재 3D 프린팅 기술의 사용은 전적으로 소아 척추 변형, 재수술 및 종양 절제술 후 해부학적으로 어려운 재건술이 필요한 척추 종양 수술과 같은 복잡한 정형외과 수술의 틈새 시장으로 제한되어 있고, 일반적인 척추의 치료에는 거의 사용되지 않는다고 보고하였다. 실제로 저자의 경험상 정상 척추 CT 를 이용한 3D 프린팅 모델을 제작하는 데는 컴퓨터 모델링 시간에 제약이 많이 따르지는 않으나, 비정상적이고 전만 또는 후만되어 있는 척추의 CT를 축상면, 시상면, 관상면으로 자를 경우 해당 분절의 위 또는 아래 분절이 같이 잘려, 이를 처리하는 데 시간이 많이 소요되었다. 따라서 실제 임상 적용에는 더 많은 기술 개발이 필요할 것으로 판단된다.

Figure 2
(A) Patient-specific spinal model using 3-dimensional (3D) printing. (B) Using 3D-printed patient specific guide in spinal surgery. Cited from the article of Garg and Mehta (J Clin Orthop Trauma. 2018;9:218-25).24)

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2016년 Deng 등25)은 경추 나사못 고정을 위한 개별화된 3D 인쇄 나사못 삽입 템플레이팅의 정확성과 안전성에 대해 보고하였다. 경추 척추경 나사못, 후궁 나사못 또는 외측방 나사못 고정을 이용한 경추 후방 고정술을 시행받은 10명의 환자에 대해 조사하였다. 모든 환자는 수술 전 CT 스캔을 시행하여 환자 개개인의 3D 프린팅 템플릿을 제작하였다. 대부분의 나사는 수술 전 디자인된 트랙에 삽입되었으며 나사 축은 하나의 나사만을 제외하고 2 mm 이내에 삽입되었다. 감염, 나사못 파손, 추가 골절 또는 나사못 풀림 현상 등의 합병증은 발생하지 않았다고 보고하였다. 이 외에도 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 가이드의 사용에 대해 좋은 결과를 보이는 많은 보고들이 있다.26, 27, 28) 척추경 나사를 안전하게 삽입하기 위한 가이드는 척추체의 크기가 매우 적은 경추나 비교적 위쪽의 흉추에서 그 필요성이 높을 것으로 생각된다.

3) 환자 맞춤형 interbody cage

2019년 Mobbs 등29)은 전방 요추 간 유합술을 위한 맞춤형 삽입물의 사용에 대해 보고했다. 술자는 맞춤형 3D 프린팅 디자인 기능으로 요추 전만증 복원을 위한 교정 각도, 환자의 골 단판 해부학과 모양이 일치하도록 디자인된 골 단판 장치를 포함하였다. PSI를 사용하여 술기를 위한 술 전 계획을 수립하는 데 시간을 들여 실제 수술 시간을 의미 있게 줄였다

1) 수술 전 계획 및 시뮬레이션

고관절 및 골반 수술은 3D 프린팅이 많이 쓰이는 영역으로, 앞에서 언급한 4가지의 방법으로 사용되고 있다.30) 2017년 Zheng 등31)은 대퇴골 전자 간 골절의 치료에서 3D 프린팅을 이용한 경피적 나사못 고정술의 적용에 대해 보고했다. 이 연구에서, 19명의 환자는 CT 스캔을 시행한 후 3D 프린팅을 이용하여 근위 대퇴골 금속강 고정술을 시행받았으며, 다른 20명의 환자는 통상적인 근위 대퇴골 금속강 고정술을 시행받았다. 사용된 삽입물과 수술 전 계획 추정치 사이의 평균 금속강의 크기에는 차이가 없었다. 또한, 수술 시간, 수술 중 및 수술 후 혈액 손실은 기존 수술과 비교하여 3D 프린팅을 이용한 그룹에서 크게 감소했다. 2019년 Chen 등32)은 컴퓨터를 이용한 가상 수술과 3D 프린팅을 이용하여 환자 맞춤형 전처치 금속판을 사용한 비구 양주 골절의 치료에 대해 보고하였다. 이 연구에서 52명의 환자를 2개의 그룹으로 나누었으며, 그룹 A는 컴퓨터를 이용한 가상 수술을 시행하고 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 전처치 금속판을 사용하였으며, 그룹 B는 통상적인 방법으로 치료하였다. 컴퓨터를 이용하여 골절된 비구 모양의 3D 모델을 제작하고, 각각의 골절편에 다른 색이 칠해지게 제작되었다. 골반 모델은 가상 수술에서 모든 방향으로 돌릴 수 있게 하였으며, 온전한 반-골반을 거울상으로 만들어, 골편의 가상 정복이나 정복을 위한 템플레이팅에 사용할 수 있어, 가상으로 정복과 금속판 고정술을 시행할 수 있다. 또한, polyactic acid를 이용하여 골절된 환자 맞춤형 3D 프린팅 반-골반과 거울상의 정상 골반을 제작하고, 거울상의 반-골반을 이용하여 재건된 골반에 미리 윤곽을 맞춘 금속판을 만들 수 있다. 그룹 A에서 모든 환자의 실제 수술 절차는 수술 전 가상 수술과 거의 동일했다. 수술 시간과 수술 중 혈액 손실은 그룹 B보다 그룹 A에서 크게 감소한 반면, 수술 후 골절 및 고관절 기능의 감소는 그룹 A에서 약간 더 높은 만족도를 보였다.

2) 환자 맞춤형 가이드

3D 프린팅을 이용한 PSI를 제작하여 관혈적 정복술 및 압박고나사를 이용한 내고정술, 대퇴 비구 충돌, 대퇴 골두 무혈성 괴사의 고관절 보존술 및 고관절 전치환술에 사용할 수 있다. 캠형 병변의 대퇴 비구 충돌에서 대퇴 골두 경부 이행부의 충돌을 야기하는 과도한 골을 제거하는 골연골 성형술로 치료할 수 있다. 2018년 Verma 등33)은 캠형 병변의 대퇴 비구 충돌 수술에서 3D 프린팅의 적용에 대해 보고했다. 3D 프린팅으로 디자인 된 대퇴골두 경부의 지그는 CT를 기반으로 하여 가상의 수술 및 계획을 가능하게 했으며, 실제 수술장에서 대퇴 골두 경부 이행부의 골을 절제하기 위한 가장 적절하고 최적화된 가이드로 사용되었다.

대퇴 골두 무혈성 괴사 역시 3D 프린팅을 통해 보다 간단하고 정확한 수술이 가능하다. 회복 가능한 단계(Ficat stage I, II osteonecrosis of femoral head)의 대퇴 골두 무혈성 괴사에서, 핵심 감압술은 골 내 압력을 감소시키고 재관류를 증가시킬 수 있는 치료법이며, 골 이식편 또는 다공성 생체 세라믹 막대 삽입이 추가될 수 있다. 이 때 감압은 괴사 부위에서 정확하게 수행되어야 한다. 하지만, 기존의 수술 중 영상 투시하에서의 기술은 괴사 부위의 위치를 찾기가 어려우며, 따라서 수술 시간은 길어지고 여러 차례의 영상 검사를 해야 한다. 3D 프린팅 기술은 이러한 문제를 해결할 수 있다. 2018년 Li 등34)은 초기 대퇴 골두 무혈성 괴사의 치료를 위한 핵심 감압술 및 다공성 생체 세라믹 막대 삽입술에서 3D 프린팅 가이드의 임상적 가치에 대해 보고하였다. 20명의 환자에서 3D 프린팅 가이드 금속판을 이용한 수술을 시행받고, 다른 20명의 환자는 대조군으로 C-arm을 이용한 영상 투시를 이용하여 수술을 시행받았다. 핵심 감압 및 다공성 생체 세라믹 막대 삽입술의 정확도에 통계적으로 유의성은 없었지만, 3D 프린팅 기술을 이용한 그룹의 수술 시간, 형광 투시시간 및 수술 중 혈액 손실은 대조군에 비해 의미 있게 낮았으며, Harris hip score 점수는 대조군에 비해 의미 있게 높았다(Fig. 3).

Figure 3
(A) Patient-specefic hip model using 3-dimensional (3D) printing. (B) Postoperative X-ray and intraoperative figure using 3D printed patient-specific guide in core decompression for osteonecrosis of femoral head. Cited from the article of Li et al. (J Orthop Surg Res. 2018;13:130).34)

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대퇴 골두 무혈성 괴사 Ficat stage III, IV 환자, 일차성 또는 이차성 골관절염 환자에서 고관절 전치환술은 일차 치료로 고려된다. 비구컵 위치의 정확도는 성공적인 고관절 전치환술을 시행하기 위한 가장 중요한 요소로서, 비구컵의 부정확한 위치는 술 후 불안정성, 관절면 마모, 삽입물 충돌 등을 야기할 수 있다.35) 이상적인 비구컵의 위치는 전염각 5°에서 25°, 외전각 30°에서 50° 사이이며, 이 적절한 위치를 잡기 위해 기존의 인 고관절 전치환술에서는 술자의 경험에만 의존하였다. 하지만 PSI는 고관절 전치환술에서 삽입물의 위치를 가이드 해 줄 수 있다. CT와 MRI를 이용하여 3D 환경에서 수술을 계획할 수 있다. 삽입물의 방향, 위치와 크기를 계획하고 수술 중 PSI를 이용하여 수술을 진행한다.36) Small 등37)은 PSI와 기존의 표준 수술 기구를 사용한 비구컵의 위치를 비교한 내용을 보고하였다. PSI 기술을 이용한 고관절 전치환술과 기존의 고관절 전치환술을 각각 18명의 환자에게 시행하였으며, CT 스캔을 사용하여 계획한 것과 수술 후 실제 결과를 비교하였다. 계획된 전염각과 실제 수술 결과의 차이값은 두 방법 간에 의미 있게 달랐으며 PSI 기술을 이용한 고관절 전치환술 환자에서 더 정확하였다.

3) 3D 적층 제조로 표면 처리된 삽입물

3D 프린팅 기술 대부분의 응용 분야는 고도의 맞춤화 또는 환자맞춤형 제조에 중점을 두었으며, 재료가 진화함에 따라 3D 프린팅 기술도 발전했다. 다공성 티타늄은 인체의 해면골과 유사한 구조를 가지고 있으며 기계적 안정성이 있고 골 융합을 촉진하는 생체 적합성인 고품질 첨가제 제조 기술로만 재현할 수 있다.

2019년 Castagnini 등38)은 무시멘트성 고관절 전치환술에서 다량의 다공성 티타늄 컵에 대해 보고하였다. 이 연구에서 다공성 티타늄 컵을 이용한 그룹은 대조군과 비교하여 통계적으로 높은 생존율과 컵의 무균성 해리의 발생률이 통계적으로 낮았다. 대퇴골 스템과 관련하여, 2017년 Arabnejad 등39)은 3D 프린팅으로 제작된 광범위 다공성 표면 처리된 대퇴 스템이 기존의 삽입물에 비해 응력 방패 현장에 따른 이차적인 골 손실량을 75% 줄일 수 있다고 보고했다.

4) 환자 맞춤형 삽입물

특수한 질환별 상황에 따른 환자의 뼈 모양 또는 삽입물의 크기가 통상적인 삽입물의 적용 범위를 벗어나는 경우 삽입물과 환자의 해부학적 구조 간 더 잘 fitting됨으로써 더 나은 수술 결과를 기대할 수 있는 맞춤형 삽입물이다. 특히 고관절 재치환술에서 비구의 골 결손이 동반된 경우 술자에게 해결하기 매우 어려운 문제로 여겨진다. 심한 비구의 골 결손의 경우 jumbo acetabular cup, 시멘트 컵과 압박 골 이식술, 구조적 동종골 이식술, oblong acetabular cup, antiprotrusio cage 등을 사용하여 결손 부위를 재건하게 되고, CTAC (custom-flanted triflanged acetabular components)를 사용하여 극심한 비구 골 결손의 경우에도 고관절의 역학을 회복하고 안정성을 유지할 수 있다고 알려져 있다. CTAC 임플란트는 CT 검사 이후 설계된 3D 모델로 디자인하고, 환자별 골 상태를 평가하고 이를 기반으로 생체 역학 평가를 통한 PSI의 계획된 위치를 안내할 수 있는 드릴 가이드와 골 상태를 고려한 나사 위치를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다. 현재 연구에 따르면 아직까지는 CTAC에서 합병증의 발생률이 높은 것으로 보고되고 있으나, 대부분의 경우 심각한 비구 골결손 또는 골반 불연속이 동반된 환자군에서 사용되어 나타난 결과로 생각되며, 이러한 환자군에서 사용된 것을 감안하였을 때 우수한 치료 결과를 나타냄과 동시에 앞으로의 발전 역시 기대해 볼 수 있을 것으로 생각된다(Fig. 4).

Figure 4
(A) Postoperative X-ray of a patient required revision total hip arthroplasty with severe acetabular bone defect. (B) Patient-specific implant using 3-dimensional (3D) printing. (C) Intraoperative figure using patient-specific implant using 3D printing. (D) Postoperative X-ray.

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1) 근위 경골 절골술에서 삼차원 프린팅의 활용

근위 경골 절골술은 내측 슬관절 골관절염이 있는 환자에서 비교적 관절을 보존하는 수술적 치료 방법이다. 근위 경골 절골술에서 관상면에서의 각도 교정의 정도는 수술의 장기적인 성공에 결정적인 것으로 간주된다. 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 가이드를 이용하면, 근위 경골 절골술의 계획 및 실행, 특히 아직 숙련되지 않은 정형외과 의사의 정확성과 성공률을 향상시킬 수 있다. 3D CT 및 MRI를 이용하여 환자의 슬관절 이미지를 제작한 후 3D 근위 경골 절골술을 위한 소프트웨어를 사용하여 근위 경골에서 가상의 절골술을 시행할 위치를 계획한 뒤 이에 맞는 가이드를 3D 프린팅으로 제작할 수 있다. 이를 이용해 계획된 각도만큼 절골술을 정확하게 해낼 수 있다. 2018년 Yang 등40)은 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 기구를 이용한 내측 개방형 근위 경골 절골술의 임상적 경험에 대해 보고하였다. 10명의 근위 경골 절골술을 시행받을 환자에게 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 가이드를 설계, 제작하여 수술을 시행하였다. 술 후 3개월째 추시 결과 관절 운동 범위의 증가와 통증 및 불편감의 감소를 보였으며, 방사선학적 검사상에서도 술 전 계획한 만큼의 만족스러운 결과를 확인하였다. 2018년 Kim 등41)은 개방형 근위 경골 절골술에서 3D 프린팅을 이용하여 수술의 정확성을 높일 수 있다고 보고하였다. Picture Archiving and Communication System (PACS) 이미지를 사용하여 근위 경골 절골술을 시행한 환자 20명과 3D 프린팅 모델을 사용하여 근위 경골 절골술을 시행한 환자 20명에 대해 수술 후 1년째 추시 결과를 비교하였다. 3D 그룹에서 PACS 그룹에 비해 방사선학적 검사상 수술 전 계획과 실제 수술 후 목표 지점의 차이값이 의미 있게 낮았으며, 허용 범위내로 수술이 시행된 환자 수가 3D 그룹에서 더 많았다고 보고하였다.

2) 슬관절 전치환술에서의 삼차원 프린팅의 활용

하지의 역학적 축의 적절한 회복을 이루는 것은 슬관절 전치환술(total knee arthroplasty, TKA)의 성공 여부를 판단하는 핵심 요소 중 하나이다. 이러한 정렬을 더욱 정교하게 교정하기 위해 navigation 혹은 robot assisted TKA가 사용되어 왔으나, 이 방법들은 비용이 비싸고 사용하기가 복잡하며, 술자가 직접 골의 지표를 표시해야 한다는 점, 핀 삽입 시의 골절의 위험성, 수술 시간이 일반적인 TKA에 비해 15–20분 정도 더 소요되는 등의 단점이 있다.42) PSI는 컴퓨터 보조 수술의 차세대 방법으로 PSI는 슬관절의 골관절염 환자에서 3D 모델을 통해 환자 맞춤형으로 경골과 대퇴골을 guide하는 데 사용함으로써, 정확한 역학적 축을 회복시킬 수 있으며, 수술시간, 혈액 손실 감소 및 지방색전증 등의 합병증 발생 위험을 줄일 수 있다. PSI는 CT를 이용하여 환자 맞춤형 설계를 통해 질병 전 슬관절 상태를 디자인 할 수 있으며, 최근에는 X-ray와 CT, MRI에 기반한 기계적 및 해부학적 정렬을 회복시킬 수 있는 PSI 시스템이 라이센스를 획득하였다. MRI 혹은 CT를 촬영한 이후 3개의 연속된 이미지로 구성된 프로토콜로, Mimics (Materialise, Leuven, Belgium)라는 software를 이용하여 환자의 시상면을 모아 3D 모델을 만들며 대퇴골 및 경골 삽입물은 역학적 축에 맞춰 정렬시켜 각각의 모양을 match 시킨다. 핀의 위치는 다음의 세 가지, (i) 원위 대퇴골 cutting guide, (ii) 전후면 cutting guide와 상과축을 기초로 하는 회전 정렬, (iii) 경골 cutting guide의 위치를 결정함으로 결정하며, PSI는 관절염 환자의 무릎에 맞게 생체 적합성 플라스틱을 사용하여 가공한다. 2016년 Seon 등43)은 TKA에서 환자 맞춤형 가이드의 정확성에 대해 보고하였다. 이 연구에 따르면, 38명의 환자에서 환자 맞춤형 가이드를 이용하여 TKA을 하였으며, 수술 중 대퇴골 피팅은 35명에서, 경골 피팅은 33명에서 안정적인 것을 확인하였다. PSI 지그의 평균 관상면 정렬은 대퇴골에서 0.5°, 경골에서 0.1°, 평균 시상면 정렬은 대퇴골에서 0.6°, 경골에서 5.5°였으며, 비정상 수치를 보이는 경우는 관상면 정렬에서는 대퇴골에서 2개, 경골에서 3개였으며, 시상면 정렬에서는 대퇴골에서 3개, 경골에서 5개를 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 환자 맞춤형 가이드를 이용하는 것은 효과적이고 안전할 뿐 아니라 요철(凹凸)과 같은 거의 완벽한 fit을 이룰 수 있을 것으로 생각된다. 하지만 이러한 PSI를 이용한 TKA에 대해 회의적인 보고도 있다. 2018년 Stone 등44)은 TKA 환자에서 PSI의 기능적 결과와 정확성에 대해 보고하였다. 85명의 환자에서 PSI를 이용한 TKA를, 다른 85명의 환자에서는 표준화된 기구를 이용한 TKA를 이용하여 수술을 시행하였으며, PSI 그룹에서 hematocrit (Hct)의 감소를 보였다. 이 외에 역학적 정렬, 관상면 정렬, 수술 시간 등에서 두 그룹 간의 차이는 보이지 않았다고 보고하였다. 2016년 Szczech 등45)은 PSI를 이용한 TKA 환자의 결과에 대한 보고들을 검토하였으며, 삽입물 정렬의 정확성을 향상시킬 수 있는 도구가 될 수 있으나, 술 후 hemoglobin과 Hct의 변화는 기존의 TKA와 크게 차이가 없으며, 임상 결과 및 비용적인 측면 역시 크게 차이가 없음을 보고하였다. 하지만 아직 PSI를 이용한 TKA 환자의 장기 추시 결과가 없으며 재치환술을 시행하는 빈도가 낮을 경우 결과가 달라질 수 있어 장기적인 결과 분석이 필요하며, PSI를 이용한 TKA을 시행한 환자들의 술 전 무릎 상태가 더 좋지 않았음을 감안해야 한다고 보고하였다.

3) 슬관절 재치환술에서의 삼차원 프린팅의 활용

슬관절 재치환술에서 골간단부의 고정은 매우 중요하지만, 골 결손으로 인해 기존의 삽입물을 사용하여 수술을 시행하는 것은 매우 어렵다. 현재는 골 시멘트, 골 이식이나 metal block 등을 사용하여 이를 해결하는 방법이 있으나 수술이 익숙하지 않은 정형외과 의사에게는 쉽지 않은 방법이며, 술자의 경험에 따라 수술의 결과가 크게 달라지는 경향이 있다. 3D 프린팅으로 제작한 삽입물을 이용하여 이러한 문제점을 해결할 수 있다. CT 및 MRI를 이용하여 골 결손의 크기와 해부학적 형태를 확인하고, 해부학적 형태에 맞는 삽입물을 제작하여 수술을 순조롭게 시행할 수 있다. 2020년 Tetreault 등46)은 3D 프린팅으로 제작한 골간단부 cone을 사용하여 슬관절 재치환술을 시행한 결과에 대해 보고하였다. 142예의 슬관절 재치환술 환자에서 134개의 경골 cone을, 68개의 대퇴 cone을 이용하여 수술을 시행하였다. 총 202개의 cone을 사용한 슬관절 재치환술에서 재수술을 시행한 경우는 5예였으며, 술 후 Knee Society score가 호전된 것을 확인하였다.

1) 족관절 주위 골절 환자에서의 삼차원 프린팅 모델의 응용

족관절 주위 골절 환자에서 3D 프린팅 기술은 골절 부위의 재건 및 인공관절 치환술에 사용된다. 사지 구제술에 해당하는 골절부위의 재건은 외상 후 큰 골 결함이 있는 경우에 지지체 또는 쐐기 모양의 기계적 지지가 필요하며, 이러한 경우 복잡한 변형의 교정을 위해 미리 윤곽을 맞춘 해부학적 모양의 기구는 수술 시간을 단축시킬 수 있다. 경골 간부 골절, 주상골의 외상 및 무혈성 괴사, 종골의 외상 및 종양 또는 경골-거골-종골 관절 유합술 시에, 3D 프린팅 기술을 이용하여 티타늄 지지체를 맞춤 제작할 수 있다. 모든 환자의 뼈는 해부학적으로 다르며, 3D 프린팅 모델은 실제 크기의 환자 개개인의 뼈 모델을 재현해 낼 수 있다. 이 모델을 사용하여, 술자는 수술 전에 미리 금속판의 윤곽을 맞춰 볼 수 있으며, 원위 경골 골절, 족관절 골절, 양과 골절에서 술 전 계획을 쉽게 수립할 수 있다(Fig. 5).

Figure 5
(A) Postoperative X-ray of a patient with proximal tibia bowing. (B) Preoperative planning using 3-dimensional (3D) printing software. (C) Using a 3D printing model to match the outline of a plate. (D) Postoperative X-ray.

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2) 족관절 전치환술에서 삼차원 프린팅 모델의 응용

족관절 전치환술은 3D 프린팅 기술이 사용되는 또 다른 분야이다. 최근 족관절 골관절염의 치료로서 족관절 전치환술의 빈도는 족관절 유합술에 비해 꾸준히 증가하고 있다.47) 족관절 전치환술은 말기 족관절 골관절염의 일차 치료이며, 거골의 무혈성 괴사나 외상으로 인한 골관절염에서는 일반 족관절의 골관절염과는 다르게 충분한 뼈대가 필요하다. 족관절의 경우 뼈의 표면적이 작고 전후방 및 내외측 오차들로 인하여 해부학적 구조물을 식별하기 어렵다. 하지만 3D 프린팅 삽입물은 이러한 문제를 해결할 수 있으며, 이를 통해 족관절의 기능을 회복시킬 수 있다.

1) 해부학적 모델을 이용한 수술 전 계획

2018년 Punyaratabandhu 등48)은 정형외과의 종양 영역에서 3D 모델의 사용에 대해 보고하였다. 이 연구에서 복잡한 4명의 환자를 선택하여 이미지를 재구성하고 3D 프린팅 모델을 제작하였다. 제작된 해부학적 모델은 다음의 세 가지 옵션으로 수술을 위해 사용되었다. (i) 수술 중 주요 혈관의 위치, (ii) 수술 전 삽입물 삽입 위치와 모양을 결정할 골 결함의 정도, (iii) 피질골의 윤곽을 보여주는 골외부 종양이다. 3D 모델을 사용함으로써 혈액 손실, 수술 시간 및 수술 절개 길이가 감소되었으며, 복잡한 비구결손에서 적절하게 비구를 지지하는 제품을 선택하는 데 도움이 되었다.

2) 환자 맞춤형 수술 가이드

Park 등49)은 2018년에 사지 구제술 수술에서 뼈 종양 절제술을 위한 3D 프린팅 모델 가이드에 대해 발표하였다. 이 연구에서, 3D 프린팅으로 제작된 가이드를 사용하여 사지 구제술을 시행한 12명의 환자에 대해 보고하였으며, 3가지의 범주로 3D 프린팅으로 제작된 가이드를 사용하였다. (i) 광범위 절제술, (ii) 광범위 절제술과 함께 3D 프린팅으로 제작된 가이드를 따라 구조 동종 골이식술을 시행한 생물학적 재건술, (iii) 광범위 절제술과 3D 프린팅으로 제작된 PSI를 이용한 재건술이다. 술자는 절단을 시행하였을 때 계획된 것과 실제 절단된 부분의 오차는 3 mm 이내였다고 보고하였다.

3) 환자 맞춤형 삽입물

2019년에 Lu 등50)은 악성 종양 절제술 후 하지에서 큰 골 결손의 재건을 위한 새로운 3D 프린팅 인공 삽입물에 대해 보고하였다. 이 연구에서, 악성으로 생각되는 5개의 대퇴골 및 5개의 경골 종양 환자에서 종양 절제술을 시행하였으며, 3D 프린팅으로 제작된 삽입물, 베타-3가 칼슘 인산염(β-tricalcium phosphate) 생체적합성 세라믹, 혈관부착 비골 등으로 재건술을 시행하였다. 10명의 환자 모두에서 종양의 재발 없이 생존하였으며, 모든 삽입물은 손상이나 파손 없이 온전하고 안정적으로 유지되었다. 수술 후 심각한 합병증은 없었다고 보고하였다. 2019년 Lu 등51)은 근위 경골의 연골하골에 발생한 거대세포종의 소파술 후 골 이식을 동반한 3D 프린팅으로 제작된 다공성 삽입물의 삽입에 대해 보고하였다. 이 연구에서 근위 경골에 거대세포종이 발생한 42세 환자에서 소파술을 시행하였으며, 구조 골이식술과 함께 3D 프린팅으로 제작된 다공성 삽입물을 삽입하였다. 수술 후 29개월째, 환자의 이환된 사지 기능은 만족스러웠으며, 관절면이나 연골하골에 추가적인 손상은 없었다(Fig. 6).

Figure 6
(A) Patient-specific model using 3-dimensional (3D) printing for giant cell tumor patient. (B) Intraoperative finding using 3D-printed patient-specific implant. (C) Postoperative X-ray. Cited from the article of Lu et al. (BMC Surg. 2019;19:29).51)

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악성 골종양의 치료 방법이 발전되면서, 종양 분야에서는 사지절단술보다 사지 구제술을 우선적으로 생각하게 되었으며, 광범위 절제술 후 삽입물 치환술이 표준 재건술로 자리잡게 되었다. 모듈 타입의 종양 대치물 재건술을 이용한 사지 구제술의 장점은 다음과 같은 것들이 있다. (i) 수술 도중 연부조직을 제거한 양에 맞춰가면서 삽입물을 선택할 수 있다. (ii) 수술 시간을 줄일 수 있다. (iii) 빠른 관절 운동과 전체 중부하와 같은 강도 있는 재활 프로그램을 수술 직후에 바로 시작할 수 있다. (iv) 동종골 이식술을 함으로서 발생할 수 있는 심부 감염 등의 위험성이 낮고, 불유합의 걱정이 적으며, 면역 반응이나 질환 매개 감염 등의 위험성을 피할 수 있다.52) 하지만 상업적으로 가능한 종양 대치물은 대퇴골, 경골, 상완골 부위만 가능하며, 다른 부위는 PSI만이 가능하다. 하지만 이러한 PSI는 제작하고 준비하는 기간이 길고 예산이 매우 많이 소요된다는 단점이 있다. 3D 프린팅 삽입물은 기존의 PSI에 비해서 비교적 짧은 제작 시간과 비용이 싸다는 장점이 있을 수 있다.