최근 인구의 고령화 추세가 늘어나고, 건강에 대한 인식과 관심이 높아짐으로써 의료기기 산업에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히, 의료기기 산업은 4차 산업의 발달로 인해 전반적인 생산구조가 변화하고 있는 시점에서 의료기기는 물론 적층제조 분야와 관련된 의료산업이 조명받고 있다.
3D 프린터는 절삭, 조립 등의 방법이 아닌 적층가공법(Additive Manufacturing)을 활용해 3차원 물체를 제조하는 장치다. 최근 3D 프린팅 기술은 전자기기, 자동차, 항공, 건축, 의료기기, 산업기기 등 전 산업 분야에서 활발하게 적용되고 있다.
3D 프린팅 기술은 다품종 소량생산이 가능하고 환자 맞춤형 제작에 적합해 의료 분야에서의 활용성이 매우 크다. 3D 프린터의 FDM(Fused Deposition Modeling) 기술은 열가소성 생체적합 고분자를 이용한 의료용 지지체의 직접 제작이 가능해 생체 의공학 분야에서 본격적으로 활용되기 시작했다.
의료 3D 프린팅은 의료기기 산업의 특징인 소형이면서 고가, 고도의 맞춤화, 공정 납기·재고관리 단축의 효율성 부각 등의 의료산업 제조혁신이 가능하다는 장점이 있다. 또, 기존 의료기기 제조공정을 3D 프린팅 제조기술로 향상시키고 개선을 통해 기존 기술로 설계가 불가능한 의료기기와 관련기기 제작이 가능하다.
의료 3D 프린팅의 활용
의료기기, 바이오 분야의 3D 프린팅 적용을 위해 가장 중요한 부분은 인체에 적용 가능하고, 3D 프린팅으로 제조 가능한 의료용 소재다. 의료용 소재는 의료삽입물과 조직지지체, 세포가 포함된 조직지지체 등으로 분류할 수 있다. 의료용 소재는 의료기기가 아니지만, 3D 프린팅 제작을 통해 최종 결과물이 의료기기에 포함될 수 있기 때문에 소재에 대한 안전성을 파악할 수 있어야 한다.
임플란트, 보철 개념으로 3D 프린팅 적용이 가장 기대되는 시장은 의료삽입물이다. 의료삽입물은 기계적인 강도를 요구하는 골이식재, 골지지체, 인공관절, 치과보철물 등에 활용되고 있다. 특히 치과용 보철물 같은 기공물은 이미 치과에서 사용되고 있는 치아 3D 스캐닝 기술과 연동해 환자 맞춤형 치아 보철물 제조과정의 단축과 치료 만족도 향상에 기대되고 있으나 소재 한계와 제작물의 정밀도 보완이 요구되고 있다.
정형외과, 신경외과, 성형외과 등에 활용되는 골절합용판, 골지지체, 인공관절 등은 CT, MRI 같은 영상 진단 장치 이미지를 3D로 변환한 후 맞춤형으로 설계해 적용하고 있다. 이를 위해 기계적·생물학적 안전성 보완을 위한 연구가 지속적으로 추진되고 있다.
의료 3D 프린팅의 미래
국내외 의료기기 3D 프린팅 응용 분야는 크게 부착형 의료기기, 삽입형 의료기기, 바이오 분야, 교육용으로 구분할 수 있다. 부착형 의료기기는 보청기, 부목 분야가 대표적인 의료기기로 의수, 의족, 틀니 등에도 활용되고 있다. 삽입형 의료기기로는 인공관절 분야, 골절합용판, 두개골성형재료, 인공안면아래턱뼈, 추간체유합보형재 등 제작에 사용되고 있다. 바이오 분야로는 조직·장기를 생체적합 소재로 직접 3D 프린팅하는 기술이 많이 연구되고 있고, 의료기기에 해당하지는 의료 분야 종사자의 교육에도 응용되고 있다.
전 세계 3D 프린팅 시장은 지난 2018년 99억 달러에서 연평균 23.2% 성장해 2024년에는 348억 달러에 이를 것으로 전망된다. 바이오센서 및 의료 분야를 포함한 헬스케어 3D 프린팅 시장은 2017년에 5.8억 달러의 시장 규모를 달성했으며, 2018년부터 연평균 21.2% 성장해 2024년 22억 달러에 이를 것으로 전망된다. 그중에서 의료 분야가 가장 큰 비중으로 성장할 것으로 예측되고 있다.
의료 3D 프린팅은 이미 해외에는 활발하게 적용되고 있으며, 의료 대기업이 시장에 진출할 만큼 하루가 다르게 급변하고 있다. 국내 또한 금속 3D 프린터 장비가 국산화돼, 약 300회 이상 양산 수술이 시행됐다. 우리나라에도 의료 3D 프린팅이 빠르게 확산될 수 있도록 국내 기업들의 활발한 기술개발을 기대해본다.
스캐닝 국제표준화 선도
한국전자통신연구원(ETRI)이 환자별 맞춤형 의료기기를 만드는데 필수적인 의료 3D 프린팅과 3D 스캐닝 국제표준 개발에 박차를 가하고 있다. 국제표준화 기구 ISO/IEC JTC1 산하 WG12 ‘3D 프린팅과 스캐닝’ 작업 그룹회의에서 ‘의료영상 기반 의료 3D 프린팅 모델링’에 대해 새롭게 제안한 국제표준 개발 과제 3건을 승인받았다. 이번 표준이 개발되면 의료 장비 산업 활성화를 비롯한 디지털 트윈 및 메타버스 확산에도 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
연구진은 2019년부터 수술용 3D 프린팅 모델링 및 인공지능 기반의 자동화에 관한 표준을 개발 중이며, 올해 말 2건의 표준 제정을 앞두고 있다. 이번에 새로 제안한 3건은 추가적인 정밀도/정확도 핵심 평가체계와 방법을 담고 있다.
이번 결과는 우리나라의 의료 3D 프린팅 및 3D 스캐닝 분야 국제표준 리더십을 한층 강화했으며 건설, 제조, 국방, 항공, 문화예술, 역공학 등으로 확장 기반을 마련해 글로벌 디지털 강국 도약의 발판을 구축했다는 평이다.
새롭게 채택된 3건의 표준화 항목은 ▲표준 CT 영상을 기반으로 의료 3D 프린팅 보형물 제작 과정에서의 정밀도/정확도 평가를 위한 표준 평가 프로세스 ▲인체조직 분할 단계와 3D 모델링 단계에서의 정밀도/정확도 오차 평가 방법 ▲데이터셋을 만드는 표준 운영 절차서 등이다.
더 정밀한 평가를 위한 표준
의료 3D 프린팅은 환자의 의료영상 정보를 이용해 수술용 의료기기와 인체삽입형 의료기기, 사전 시뮬레이션 도구 등을 환자 맞춤형으로 제작하는 기술로 임플란트 및 환자의 얼굴 골격에 맞는 보형물을 제작하는 데에도 사용되고 있다.
지금까지는 환자 상태에 맞는 의료 장비를 마련하기 위해서 프린팅 모델을 수작업으로 만들어야 했다. 하지만 영상 속 조직 부위를 명확히 구분해내는 작업이 쉽지 않고, 제작 시간도 오래 걸려 급한 상황에서의 제약이 많았다. 또 표준안이 없어 타 의료진의 데이터를 활용함에 있어서도 어려움이 있었다.
연구진은 본 표준이 완성되면 의료 3D 프린팅 모델링 소프트웨어에 대해 표준화된 절차와 방법으로 정밀도/정확도를 평가할 수 있게 되어 국내외 의료 3D 프린팅 소프트웨어 인허가에 많은 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
또한 설계 시간도 24시간에서 3시간 내외로 단축 가능하고 종합적인 품질관리도 용이하다는 장점이 있다. 무엇보다 상용화가 되면 개인 건강 데이터를 기반으로 가상 시뮬레이션을 통해 치료 효과를 예측하고, 최적의 약물을 처방하는 등 새로운 의료 패러다임을 구축하는 데 도움이 될 전망이다.
공동 연구팀은 표준 개발과 검증을 위해 두개골, 안와, 하악골 영역 700개 이상의 CT 의료영상 학습/실험용 데이터셋을 개발하고 인공지능 기반의 분할과 3D 모델링 성능평가 실험 결과를 7편 이상의 국제 학회 논문으로 발표했다.
이외에도 ETRI는 3D 스캐닝 표준 개발을 위한 작업반(AHG-3)을 신설했다. 작업반은 향후 3D 스캐닝과 3D 프린팅을 연계한 국제표준 이슈를 발굴하며 기술보고서 개발 및 국제표준화 로드맵 수립에 나선다. ETRI는 이번 성과를 기반으로 의료 3D 프린팅과 3D 스캐닝 관련 산학연의 추가 의견들을 수렴하며 다양한 산업 분야를 포괄할 수 있도록 국제표준을 확장해 나갈 예정이다.
출처: ETRI WEBZINE
