환자 생성 효율 최적화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12082(2023) 이 기사 인용

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현장 중심 설계는 방정식을 통해 암시적 몸체로 알려진 기하학적 엔터티를 정의할 수 있는 새로운 접근 방식입니다. 이 기술은 다각형이나 모서리와 같은 기존의 기하학적 하위 단위에 의존하지 않고 기하학적 필드 내의 수학적 함수를 통해 공간 모양을 나타냅니다. 계산 속도와 자동화 측면에서 이점은 눈에 띄며 엔지니어링, 특히 격자 구조의 경우 잘 알려져 있습니다. 또한 현장 중심 설계는 생성적 설계의 가능성을 증폭시켜 사용자 정의 제약 조건을 기반으로 소프트웨어에서 생성된 모양 생성을 촉진합니다. 이러한 잠재력을 고려하여, 이 논문은 악안면 수술을 위한 환자 맞춤형 임플란트 제작의 맥락에서 현재 현장 기반 생성 설계를 위한 유일한 소프트웨어인 nTopology 소프트웨어를 사용할 수 있는 가능성을 제시합니다. 외상 및 악교정 수술을 포함한 적용 가능성의 임상 시나리오와 이 신기술을 가상 수술 계획의 현재 워크플로우와 통합하는 방법에 대해 논의합니다. 본 논문은 악안면 수술에 현장 중심 설계를 최초로 적용한 사례이며, 재구성된 해부학의 특정 지점에서 정교하게 만들어진 원거리 장만을 고려하는 데에는 한계가 있기 때문에 그 결과가 매우 예비적이지만, 이 새로운 기술의 중요성을 소개합니다. 수술에서의 맞춤형 임플란트 디자인의 미래.

현대 구강악안면외과 수술에는 환자의 해부학적 구조를 가이드 템플릿으로 사용하여 제작된 맞춤형 장치가 점차 통합되고 있습니다. 따라서 맞춤형 장치는 뼈에 자연스럽고 정밀한 맞춤을 제공하여 쉬운 배치, 수술 시간 단축, 수술 정확도 향상이라는 이점을 제공합니다1,2,3.

헬스케어 분야에서 적층 제조(AM)의 출현은 설계된 형상을 3D 프린팅된 임플란트로 즉각 변환하는 강력한 추진력을 제공하여 개인화 개념을 점점 더 많은 수술 시나리오로 확장했습니다. 개인화된 3D 프린팅 임플란트의 디자인은 악안면 수술 장치에 대해 여전히 미해결 문제이며 AM에 특화된 새로운 전략을 찾는 주요 이유 중 하나를 나타냅니다. 또한 유한 요소 분석(FEA)을 포함한 컴퓨터 시뮬레이션의 발전으로 맞춤형 임플란트의 신뢰성이 향상되었습니다. 이는 정의된 힘, 경계 및 재료 특성을 적용하여 가상 생체 역학 테스트를 거쳐 영향을 받을 수 있는 임계 변형 영역을 예측할 수 있습니다. 실패로 인해 제조되기 전에 임플란트 모양을 개선할 수 있습니다4,5,6.

이러한 장치의 설계에는 일반적으로 CAD(컴퓨터 지원 설계) 소프트웨어를 사용하여 빈 모양에서 시작하여 기본 해부학을 참조로 사용하여 순서화된 3D 모델링 작업 순서로 최종 개체를 모델링하는 작업이 포함됩니다. 이 프로세스를 일반적으로 "명시적 모델링"이라고 합니다. 이는 엔지니어링 도면 프로세스와 유사하며 사용자가 정의한 테셀레이션 및 토폴로지와 구현된 설계 작업 순서가 포함된 메쉬가 생성됩니다.

최근 새로운 소프트웨어 패키지는 암시적 기하학을 표현하기 위해 정교한 알고리즘을 구현했습니다. 수학적으로 암시적 표면은 무한한 세부 수준에서 연속 볼륨 함수 F(x, y, z) = 0으로 정의됩니다. 이는 표면이 수학 함수 내에 존재함을 의미합니다. x, y, z에 대해 방정식이 풀리지 않으면 표면이 암시적이라고 합니다. 방정식을 풀면 형상이 명확해지며 해당 표면의 근사치가 삼각형 와이어프레임(메시)으로 표시됩니다. 암시적 모델링은 볼륨 함수에만 의존하므로 정점, 모서리 및 면의 복잡한 다각형 네트워크를 직접 렌더링하지 않고도 3D 형상을 정의, 변경 및 표현하는 강력한 도구입니다. 따라서 암시적 몸체는 계산 사용을 요구하는 대가로 표면 연속성을 정확하게 표현하지 못하는 기하학적 하위 단위로 분할되지 않기 때문에 순수한 형태를 계산하고 유지하는 데 훨씬 더 가벼워집니다. 암시적 몸체는 3D 공간의 각 지점 내 값과 관련된 엔터티로 간주될 수 있습니다. 이는 온도, 전자기 또는 흐름과 같은 양의 연속적인 변화를 정의하기 위해 물리학에서 장을 사용하는 방법과 유사합니다. 설계 목적을 위해 스칼라 필드는 3D 기하학의 그라데이션인 암시적 몸체를 정의합니다. 현재 nTopology(nTopology Inc., New York, NY, USA)는 Field-Driven Design 접근 방식을 허용하는 유일한 엔지니어링 설계 소프트웨어로, 계산량이 많은 생성 설계 및 격자 구조를 포함하여 다양하고 복잡한 애플리케이션에 향상된 유연성을 제공합니다7. 현장 기반 생성 설계는 엔지니어링 문헌에서 다양한 범위로 사용되었지만 의료 분야에서의 적용에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다8,9,10. 현재까지 잠재적인 외과적 적용에 대한 보고는 없었으며 특히 구강악안면외과에서는 이 접근법이 시행되지 않았습니다.