“ 얼굴을 원래대로 돌려드립니다”교통사고 또는 각종 안전사고, 성형 부작용 등으로 얼굴을 다친 사람들이 늘고 있는 가운데 이런 환자들에게 반가운 소식이 들렸다.   

지난달 16일 포스텍 기계공학과 조동우 교수 연구팀과 서울 성모병원 성형외과와 티엔알바이오펩㈜은 공동 연구를 통해 “3D 프린터를 이용해 함몰된 광대뼈를 완벽하게 재생하는데 성공했다”고 밝혔다.  

연구팀은 눈을 지탱하는 안면 골의 뼈가 심하게 함몰된 환자를 대상으로 한 이 수술에서 특수재료로 만든 뼈를 환자의 얼굴 내부에 삽입해 골격을 완성시켰다. 특수재료로 만든 이 인공뼈는 환자의 몸 안에서 서서히 녹으면서 진짜 뼈처럼 자라는 과정을 거치는 것으로 알려졌다.  

그러나 이 인공 재료가 얼굴의 골격을 완성시키려면 매우 정교한 작업이 선행돼야 한다. 이를 위해서 사용된 기술이 바로 3D 프린팅이다. 공동 연구팀은 이 안면골절 환자의 CT로 스캔해 얼굴 형태의 정밀한 자료를 확보했다. 이어서 3D 프린터로 인공 뼈의 디자인을 맞춤형으로 정교하게 설계하고 재현한 것이다.  

첨단 광학기술과 생체세라믹 그리고 3D 프린팅 기술이 결합해 과거엔 불가능했던 얼굴 복원 작업 등을 이제 손쉽게 하고 있다. 3D 프린팅 기술이 의료계의 혁명처럼 다가오고 있다. 

재료공학과 3D 프린팅의 결합 

얼굴 복원 기술이 나온 시기는 중세 영국의 빅토리아 왕조 때부터로 알려져 있다. 현대에 와서는 범죄 수사나 법의학 등에 활용되면서 그 발전 속도가 빨라졌다. 범죄 수사의 경우, 범인을 잡기 위한 몽타주 작성이나 각종 사고에서 피해자의 신원을 확인할 수 없는 경우에 얼굴 복원을 통해서 신원을 알아내기 위한 용도로 쓰이고 있다.  

재료공학의 발달도 기존에는 불가능했던 얼굴 복원 작업의 성공률을 높이는데 큰 비중을 차지하고 있다. 기존에는 사고로 인해 뼈가 부러지거나 여러 가지 질병으로 인해 회복이 불가능할 정도로 손상이 심한 경우, 골반에서 뼈를 잘라내 이식하거나 금속 및 세라믹으로 대체해왔다.  

이런 경우, 환자의 뼈가 수축되면서 인공대체물과 어긋나 5∼10년마다 재수술해야 하는 불편함이 따랐다. 재료 기술이 발전한 오늘날에는 30년 이상의 내구성을 갖는 인공뼈 개발이 가능해졌으며, 주로 몸 안에서 안전하게 분해되는 생체활성 세라믹스 등과 같은 재료가 활용되고 있다.  

그러나 이 뼈를 인체에 삽입해 이식하는 기술은 또 다른 어려움을 갖고 있다. 얼굴의 경우, 조금만 어긋나도 전체적인 얼굴 형상은 일그러질 수 있기 때문이다. 이에 활용되고 있는 분야가 바로 3D 프린팅 기술이다.  

전문가들은 “3D 프린팅 기술이 의료분야에 활용되면서 기존의 수술 방식에 비해 한 차원 높은 변화를 가져왔다”고 말한다. 레이저 스캐너 등의 첨단 광학장비로 환부를 스캔해 데이터를 획득한 후, 이를 3D로 프린팅하면 마치 내부를 훤히 들여다보며 수술하는 효과가 있을 수 있기 때문이다.  

정밀함이 요구되는 얼굴 복원 기술에서의 그 쓰임새는 더욱 커진다. 현재 의료계에선 3D 레이저 스캐너와 3D 프린팅 기술의 결합이 얼굴 복원 기술 등의 의료 분야에 큰 변화를 가져올 것으로 전망하고 있다.

레이저로 스캔해 3D로 출력  

3D 레이저 스캐너는 레이저 광선을 쏘아 물체에 반사돼 돌아오는 시간 또는 위상 차이를 측정, 물체와의 거리를 계산하고, 반사율을 통해 색깔을 인식해 흑백의 3차원 형상을 구현하는 장비다. 초당 수십만 점에 이르는 측정 속도를 가진 3차원 레이저 스캐너는 짧은 시간에 거의 실제 형상과 같은 데이터를 획득케 해준다.  

이에 산업현장 뿐만 아니라 게임, 영화, 미술, 디자인, 의료분야 등 3차원 형상을 필요로 하는 모든 분야에서 사용되고 있다. 특히 얼굴 복원 수술의 경우, 먼저 환자의 얼굴 수천 곳의 두께를 측정한 데이터를 확보하기 위해 반드시 요구되는 장비다.  

살아있는 사람을 대상으로 한 얼굴 연조직 두께 데이터는 얼굴 복원 기술에 있어서 중요한 기초 자료가 되기 때문이다. 기존에는 이 데이터를 얻기 위해 초음파기술을 이용해왔으나, 지금은 CT 또는 MRI 스캔 기술이 사용되고 있고, 최근에는 레이저 스캔 기술도 활용되고 있어 더욱 정밀하고, 체계적인 자료 구축이 가능해졌다.  

전문가들은 “담당 의사들은 이렇게 획득한 자료를 활용해 디지털 화된 두개골 와이어 프레임을 만들어 얼굴 복원 수술을 훨씬 더 빠르고 간편하게 작업할 수 있다”고 말한다.  

레이저 스캐닝 작업의 경우, 먼저, 레이저광원에서 나온 빔을 바로 뒤에 비스듬하게 놓인 반사 거울에 반사시킨다.  그 빛은 다시 밑에 있는 반사 거울에 반사되고, 이 빔이 환자의 얼굴에 쏘여진다. 얼굴에서 반사된 빛들은 다시 다른 거울에 반사돼 최종적으로 이미징 장치로 귀환한다.  

이미징 장치의 컴퓨터는 레이저의 반사 패턴을 통해 두개골의 형상을 계산, 두개골 와이어 프레임을 만든다. 마지막으로, 그래픽 편집 소프트웨어로 색질감, 머리카락과 같은 3D 특징을 추가해 얼굴을 복원시킨다.  

이를 3D 입체 프린팅하면 정면, 좌/우 양측면, 후면 등 어느 부위의 얼굴 모양도 볼 수 있고, 심지어 내부 모습까지 들여다볼 수 있어 매우 정교한 얼굴 복원 수술에 최적의 활용도를 갖게 된다.