3D 프린팅 두개골 재건·두상성형, 맞춤 보형물 제작 과정

1. 성형외과 영역에서의 활용 : 두 개골 재건

이번 연재에서는 흔하게 발생하는 뼈의 변형인 두 개골 변형 문제에 대해, 3D 프린터를 활용하는 방법에 대해서 소개 하고자 한다.

안면윤곽 수술, 양악 수술이 의사와 환자의 필요에 의해 만들어지는 안면골의 변형이 많은 반면에, 두 개골 변형은 외상과 뇌질환에 의해 불가피하게 유발되는 특징을 가지고 있다. 또한 이 경우 생명이 위협받는 상황이기에 외형적인 회복 보다는 기능적인 회복에 초점을 둔 치료가 지배적으로 시행되어 왔던 것도 사실이다. 하지만, 의학 기술이 발달하고, 이러한 생명을 위협받는 위기상황에서 정상상태로 회복되는 경우가 많아지면서, 기능적인 회복 뿐만 아니라 외형적인 회복을 기대하는 요구도 커지고 있다.

대부분 두 개골의 변형을 회복하고자 하는 환자들은 마음속에서 다음과 같은 생각들이 자리 잡고 있는듯 하다. "죽다 살아났는데, 모양이 맘에 들지 않는다고 말하는 것은 염치없다." 마치 물에 빠진 상황에서 구조대가 구조를 한 후에 옷이 찢어졌다거나 너무 세게 나를 건져내서 어깨가 아프다고 말하는 것과 같은 상황과 유사하다고 생각된다. 환자는 이 상황에서 어깨가 아프다고, 옷이 찢어져서 창피하다고 말하지 못하게 되는 심리 상태가 되고, 의사와 가족들 역시 죽다 살아난 것에 감사해야한다는 생각을 하게 되는 듯 하다. 하지만, 70대 노인의 말에서 위의 심리상태와 그들의 잠재된 욕구를 동시에 느끼게 된다. "죽다 살아났는데, 얼마나 산다고 또 수술을 해? 근데 수술하면 모자 안써도 될까?"

이제는 건강하게 산다는 것이 아프지 않다는 것이 아니라 보다 정상적인 사회활동이 가능한 모습으로 사는 것을 의미한다고 생각된다. 그러한 이유로 두 개골 변형은 앞으로 조금 더 다른 시각으로 접근해야 한다고 생각된다.

두 개골의 결손이 생기는 경우 지금까지는 수술 중에 PMMA(본시멘트)라 불리는 인공뼈와 HA라 불리는 Hydroxy apatite 소재를 이용하여 수술장 내에서 마치 찰흙을 붙이는 것과 같은 방식으로 결손 부위를 메우는 작업을 하였다. 이때 문제가 되는 것은 이들 재료가 경화되는 과정에서 생기는 변형과 열이 일차적으로 문제가 되고, 메워지는 모양이 전적으로 의사의 기민한 손기술에 의존된다는 이차적인 문제가 존재하게 된다. 재료가 굳는 짧은 시간 동안에 모양을 맞춰야 함은 물론이고, 결손부위의 볼륨을 눈대중으로 예측해야 하기에 때로는 모자라기도 때로는 많기도 한 상황이 벌어 지게 된다. 또한 경화되는 과정에 출혈이 계속될 경우 출혈에 의해 결손 부위의 형태가 변화되어 보형물이 들뜨거나 흘러내리는 문제가 발생하게 된다.

이러한 현실적인 상황에서 미리 수술 전에 정확하게 디자인된 보형물을 삽입 할 수 있다면, 수술시간 단축은 물론 의사의 경험과 감각에 의존적이던 형태적인 오류도 줄어들 수 있게 된다.

교통사고로 인한 수차례의 뇌수술과 중환자실 입원을 거치고, 냉동보관된 두 개골을 이식받은 환자의 case를 소개해보고자 한다. 환자의 뇌수술 후 회복된 모습은 이마 부위에서 울퉁불퉁한 함몰 변형을 보여주고 있다.

냉동 보관한 뼈는 채취 시기부터 뼈손실이 발생하고, 이식후에도 뼈흡수가 발생하게 되는 경우가 대부분 이기때문에 , 결손부위에 다시 이식한 후에도 위의 사진과 같은 이마 부위에 함몰 변형을 만들게 되고, 이러한 상태로 오래 지속되는 경우 연부조직의 변형도 초래 하게 된다.

원문 영상과 사례에서 확인한 핵심 내용

위 환자의 3D CT 이미지를 보면 냉동 보관되었던 뼈의 모습과 이식시 고정을 위해 사용한 CranioFix와 Plate Screw가 관찰 되며, 측두골 과 전두골에 걸친 뼈 결손이 관찰 된다. 이러한 결손된 뼈의 모습과 고정에 사용된 금속의 모습이 피부를 통해 그대로 표현되는 모습을 확인 할 수 있다. 아래쪽에 위치한 결손 부위는 일반적으로 수술시 시야가 좋지 않고, 기구 삽입이나 조작을 가하기 용이 하지 않은 부위로, 수술시 찰흙형태의 인공뼈를 삽입하여 모양을 만들기는 굉장히 어려운 위치이다. 또한 측두근이 있는 부위로 적지 않은 출혈이 생기는 부위이다.

위 사진은 3D CT로 촬영된 CT 데이터를 활용하여 3D 프린터로 출력한 1:1 사이즈의 모형으로, 냉동보관된 두 개골 절편과 고정을 위해 삽입된 금속이 모두 표현된 모습이다. 우측아래 뇌실 안쪽의 관은 뇌압 상승을 예방하기 위해 삽입한 V-P shunt로 모형에서도 실제 모습과 똑같이 재현된 모습을 볼 수 있다. 이러한 실제 사이즈의 두 개골 모형을 활용하여, 실제 수술시 삽입할 보형물을 제작하였다.

골결손과 골흡수로 인해 정상측에 비해 함몰된 부위를 모형을 통해서 대칭적으로 보형물을 제작하였다. 두 개골은 반대측이 존재 하기에 이러한 작업은 반대측과의 대칭성을 회복하는 것을 최우선으로 하고, 연부조직의 변화량도 감안하여 보형물의 형태와 두께를 조작하였다. 아래쪽 사진은 제작된 보형물을 프린팅된 모형과 분리한 채로 촬영한 모습이다. 외측은 매끈하게 만들어진 반면, 내측은 골결손과 골흡수로 인해 3차원 구조적으로 복잡하게 만들어진 모습을 볼 수 있다.

수술은 이전 절개창을 통하여 결손 부위를 노출시키키고, 고정을 위해 삽입된 금속은 모두 제거 한 후 수술 전 미리 제작한 보형물을 삽입하는 방식으로 진행되었다. 수술은 1시간 미만이 소요 되었고, 배액관을 하루 위치 시킨후 제거 하였다. 위 사진은 수술 전과 수술 후 2개월째 모습으로 큰 부기 없이 정상적인 대칭성을 회복한 모습이다.

위 환자의 예처럼 많은 외상으로 인한 수차례의 뇌수술을 받고, 냉동 보관된 두 개골을 이식 받은 환자의 경우는 위의 방법이 보다 간단하고, 쉬운 수술 방법이 될 수 있지만, 이런 저런 이유로 두 개골 결손이 너무 큰 경우에는 모양 뿐만 아니라 뇌를 보호해야 하는 목적이 중요해지고, 이러한 목적을 위해서는 보다 강한 금속 보형물을 사용하는 수술이 적합하게 된다.

수술 계획·결과와 백정환 원장의 임상 판단

위 사진의 예처럼 두 개골의 결손이 아주 큰경우 결손부위에 적합하도록 직접 금속 3D 프린터를 활용한 보형물 제작이 이제는 상용화 되었고, 많은 대학 병원에서 시행되고 있다. 하지만, 두 개골 티타늄 보형물이 아직은 장기추적 결과가 없고, 형태를 만들기는 좋으나, 볼륨을 만들기는 아직 한계가 존재하는 단점을 가지고 있다.

두 개골에 발생하는 또다른 변형의 예는 두 개골이 교과서적으로 오래전부터 자가골 이식을 위한 뼈의 채취 부위로 사용되었기에, 이식을 위한 뼈 채취부위에 발생한 함몰 변형이다.

위 3D CT 사진처럼 좌측 측두골 부위의 함몰이 뼈 이식을 위한 골 채취 후에 발생한 함몰 변형이다. 또한 선천적으로 존재하는 시상 봉합(Sagittal suture)부위의 함몰도 관찰이 되는 경우이다. 이러한 경우는 외형적인 부분 보다는 환자의 주관적인 만족때문에 수술을 결정하게 된다. 두상성형이라 하여, 선천적으로 존재하는 두 개골의 기형이나, 미용목적의 두상 성형도 3D 프린터를 활용하면, 보다 만족 스러운 결과를 얻을 수 있다.

수술 전에 앞서 설명한 방법과 동일한 방법으로 보형물을 제작하였고, 수술은 수술 전 만들어진 보형물을 단순히 삽입하는 과정을 통해서 진행되었다.

정면에서 모습에서 두 개골 뼈 채취 부위의 함몰이 교정된 모습과 선천적으로 존재하던 시상 봉합의 함몰이 동시에 재건된 모습이다. 위 사진에서 보듯이 함몰 변형의 재건 뿐만 아니라 미용 목적의 두상성형도 3D 프린터를 활용한 보형물 제작 기법을 적용 할 수 있다.

마지막으로 이전 3D 프린터가 활용되지 않고 시행된 두상 성형 case의 재수술 예를 통해서 3D 프린터를 활용하는 방법과의 차이점을 확인해보겠다.

선천적인 안면 비대칭과 두 개골 비대칭을 호소했던 환자가 시행받은 두 개골 보형물 수술이다. 앞서 설명한 찰흙반죽 형태의 재료를 수술 중에 삽입해 모양을 만들고, 굳히는 방식의 수술이 시행된 예이다. 여러 부위에서 보형물이 들뜨는 현상과 매끈하지 않은 표면, 경계 부위의 계단 현상이 관찰된다. 수술 후에도 환자는 머리를 감을때마다 느껴지는 경계부위와 울퉁 불퉁한 두상의 모습에 불만을 갖게 되었고, 3D프린터를 활용한 방법으로 재수술을 계획하였다.

위 사진과 같이 최대한의 대칭성을 확보하기 위해 부족한 부분은 메우고, 들뜬 부분은 삭제하는 하는 방식으로 수술을 계획하고 보형물을 제작 하였다.

두상 성형이나 두 개골 함몰은 일반적으로 모발에 가려지기에 수술적인 해결 보다는 가리는 방식으로의 접근이 많았던 것이 사실이다. 하지만, 글 서두에 언급한것 처럼 환자 본인이 느끼는 스트레스는 결코 무시할 내용은 아니라는 사실을 여러 환자를 통해서 느끼게 된다. 기존의 방식이 다소 거칠고 한계가 존재하는 방식의 접근이었다면, 3D 프린터를 활용한 방법은 보다 완벽에 가깝고 간편한 수술이 될 수 있다고 생각된다.