경희대학교는 솔리드웍스 에듀케이션 에디션(SOLIDWORKS Education Edition) 소프트웨어를 사용하여, 인체 기계공학 전공 학생들이 바이오/의료기기를 개발하는 데에 필요한 인체 근골격계 CAD 모델을 개발하고 응용 연구에 활용할 수 있게 하였다. ■ 자료 제공 : 다쏘시스템코리아

그림 1. 방사선 영상과 솔리드웍스 소프트웨어를 이용하여 개발한 인체 척추(허리, 목, 골반, 흉곽 등)의 3차원 CAD 모델 사례

기계공학과 의공학을 연결하는 솔리드웍스

경기도 용인시에 소재한 경희대학교는 공학 교육 분야의 선도적인 교육 기관이다. 이 대학에서는 다양한 산업에서 활동하게 될 기계공학 전문 인력 양성 교육 프로그램을 제공하고 있으며, 특히 바이오 및 의료 산업에 활용될 수 있는 생체역학 교육 프로그램을 제공하고 있다.

경희대학교 기계공학과에서는 ‘그래픽 및 공학설계’와 ‘생체공학’이라는 교과목을 운영하고 있다. 이 교과목을 통해 학생들에게 CAD 입문 교육과 함께 솔리드웍스를 활용하여 인체 근골격계를 구성하는 다양한 인체조직(뼈, 근육, 인대, 연골 등)의 3차원 형상 모델을 구현하는 교육 기회를 제공한다. 인체 조직 형상 모델은 2차원 CT(컴퓨터 단층촬영) 영상 자료를 이용하여 3차원 형상 모델을 구축하는 반복 과정을 통하여 구현할 수 있다. 

그림 2. 인체 골반의 3차원 CAD 모델 개발 사례. 골반을 구성하는 뼈 조직과 주요 인대 조직을 실제 해부학적 특성을 반영하여 개발하였다.

인체 근골격계와 연관된 의공학 연구나 의료기기 등을 개발하기 위해서는 가상공간에서 제품의 CAD/CAE 모델과 연동되는 인체 CAD/CAE 모델이 반드시 필요하다. 그러나 인체 CAD 모델을 개발하는 과정은 의학적(생리학, 해부학)으로 매우 엄밀하고 정확한 정보를 포함해야 한다. 3D CAD 소프트웨어의 도움이 없이는 의공학 연구에 활용할 인체 모델 개발이 불가능하다.

경희대학교 기계공학과의 김윤혁 교수는 “3D CAD 중 솔리드웍스 프로그램이 인체 모델을 개발하기 편리하고, 학생들이 손쉽게 교육받을 수 있는 환경이 갖추어져 있기 때문에 도입을 결정하게 되었다”고 설명했다.

그림 3. 인체 무릎 관절의 3차원 CAD 모델 개발 사례. 무릎 관절을 구성하는 대퇴골, 경골과 두 뼈를 연결하는 주요 인대(전방십자인대, 후방십자인대, 내외측십자인대 등)의 해부학적 부착 위치를 자세히 표현하였고, 연골 조직과 반월판 조직까지 정확하게 구현하였다.

다양한 의공학 연구에 3D CAD 활용

기계공학과 전공 학생들은 김윤혁 교수의 지도로 척추, 하지, 어깨 등 신체 주요 근골격계 조직의 3차원 형상을 솔리드웍스를 이용하여 성공적으로 개발할 수 있었다. 그리고, 이렇게 개발한 인체 관절의 3D CAD 모델은 다양한 의공학적 연구에 활용하였다. 

예를 들면, 척추 CAD 모델을 이용하여 척추 수술용 임플란트의 설계, 개발, 성능 평가, 인허가 시험에 활용하였다. 또한, 슬관절 CAD 모델을 이용하여 인대 재건 수술이나 인공 관절 수술의 환자 맞춤형 수술 계획을 정형외과 임상전문의와 협력해 수립하였다. 이외에도 수술용 로봇을 개발하거나 관절 재활 운동기구를 개발하는 도구로 솔리드웍스를 활용하였고, 최근에는 다양한 스포츠 활동 중에 인체 관절에 부하를 주는 다양한 기계공학적 환경을 미리 시뮬레이션하는 의공학 연구에도 적용할 수 있었다.

김윤혁 교수는 “기계공학 전공 인력이 바이오 및 의료기기를 개발하기 위한 인체 모델 개발 도구로서 3D CAD 시스템이 유용하다는 경험을 학생들에게 제공할 수 있었다”면서, “교육 및 연구 경험을 쌓은 학생들은 자동차 제조기업, 의료기기 업체, 운동기구 제조사 등 인체와 연관된 제품을 개발하는 기업에 취업을 할 수 있는 기회를 제공받았다”고 소개했다.

그림 4. 인체 어깨 및 흉곽 조직의 상세한 3차원 CAD 모델 개발 사례

의료 분야에서 3D CAD의 폭넓은 활용 기대

기계공학 전공 학생들에게 제공된 3D CAD 활용 교육 프로그램은 CAD 모델을 이용한 CAE/CAD 활용으로 확장될 수 있고, 또한 최근에 각광받는 디지털 트윈 분야나 메타버스 분야, 디지털 팩토리 등의 다양한 4차 산업혁명 분야에 빠질 수 없는 매우 중요한 기반을 제공할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

김윤혁 교수는 “솔리드웍스는 바이오 및 의료 공학 분야에서 매우 유용한 3D CAD 소프트웨어로서, 다양한 기기를 설계 및 개발하고 기기의 성능 및 안전성을 가상공간에서 테스트할 수 있다. 또한, 의사가 미리 수술 치료를 시뮬레이션할 수 있도록 지원하여, 환자에게 최적의 치료와 수술 방법을 제공할 수 있도록 하는 수술 계획 시뮬레이션 프로그램으로 활용하는 것도 가능할 것으로 생각한다”고 전했다.

 
그림 5. 솔리드웍스로 개발한 환자의 3D CAD 모델과 환자의 2차원 영상을 정합하여 환자의 수술을 계획하는 연구에 적용한 사례(왼쪽)

그림 6. 하지와 발 그리고 발목 관절의 3D CAD 모델 개발 사례. 발목 인대 부상 등의 의공학 연구를 수행하였다.(오른쪽)