KR20180097598A

KR20180097598A - 개인 맞춤형 섬유연골 임플란트 제조 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20180097598A
Application number: KR1020187018797A
Authority: KR
Inventors: 재이 미란 파텔; 마이첼 지. 두엔; 차레스 제이. 가트
Original assignee: 럿거스, 더 스테이트 유니버시티 오브 뉴저지
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-11-18
Publication date: 2018-08-31
Also published as: US11154403B2; JP6884416B2; WO2017095662A1; JP2018537194A; BR112018011250A2; AU2016362943B2; AU2016362943A1; CN108601550A; US20220031463A1; US20180360610A1; EP3383263A4; US11857425B2; CA3007294A1; EP3383263A1; CN108601550B

Abstract

연성 조직 임플란트(100, 400)를 제조하기 위한 시스템(500, 1000) 및 방법(1700). 방법은 일반적으로: 목표 임플란트를 나타내는 임플란트 데이터를 수신하는 단계; 연성 조직 임플란트를 형성하기 위한 계획된 제직 경로를 결정하는 단계; 및 계획된 제직 경로를 출력 장치에 통신하는 단계를 포함한다.

Description

개인 맞춤형 섬유연골 임플란트 제조 시스템 및 방법

관련 출원에 대한 상호 참조

본 특허 출원은, 본원에서 참조로 포함되는, 2015년 12월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/262,544호의 이익을 주장한다.

기술분야

본 발명은 섬유연골 제조 시스템 및 방법, 특히 임플란트의 구조를 개인 맞춤화하기 위한 그리고 임플란트를 형성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

반월판 부상은 작업장 사고 및 스포츠 관련 활동으로 인해서 일반적인 사람들에게 흔히 발생되고, 약 10만 명당 60 내지 70건 범위의 비율로 발생된다. 약 150만번의 무릎 관절경 시술이 실시되었고, 50% 이상이 반월판 수술이었다. 광범위한 반월판 손상에 대한 몇몇 대안적인 치료 선택 사항이 존재한다. 그 하나는 반월판 동종 이식술(allograft transplantation)이다. 이러한 시술은 양호한 단기간의 결과를 보여주었지만, 장기간의 결과는 열등한 조직 재형성으로 인해서 일관성을 가지지 못한다. 또한, 이용 가능한 반월판 동종 이식편(allograft)의 부족으로 인해서 조직 은행으로부터 손상된 반월판의 크기와 합치되는 동종 이식편을 얻는 것이 어렵다. 반월판 동종 이식편의 정확한 크기는 하중 전달 및 치유를 위해서 중요하고; 너무 작은 반월판은 이식부 상의 후프 응력(hoop stress)을 증가시킬 수 있고, 너무 큰 반월판은 관절 연골 상에 가해지는 힘을 증가시킬 수 있고 무릎을 과다-충진(over-stuff)할 수 있다.

다른 대안적인 치료는 생체적합성, 재흡수성 지지체를 사용하여 손상된 반월판 조직을 대체하는 것이다. 이러한 경우에, 이하가 설계되었다: 원주방향 장력 하중을 견딜 수 있는 복잡한 내부 형상을 가지는 섬유-보강 반월판 지지체를 가지는 임상적으로 유용한 반월판 대체 장치. 지지체의 강도는, 중량을 구조물 전체를 통해서 분산하는 많은 교차된 섬유 보강부에 기인한다. 이러한 인공 중량-지탱 조직은 반월판 부상 치료에서 큰 잠재성을 갖는다.

그러나, 이러한 치료와 연관된 2가지 중요한 기술적 난관이 여전히 존재한다: 개인 맞춤형 섬유-보강 지지체의 설계 및 일정한 품질을 가지는 개인 맞춤형 지지체의 제조. 예를 들어, 지지체는, 운동선수의 큰 충격 에너지를 견딜 필요가 있는 것과 같은 환자의 직업적 요구에 맞춰 제조될 수 있다. 현재의 제조 프로세스는 노동-집약적이며 연속적인 섬유를 특유의 패턴으로 수작업 제직(weaving)할 것을 요구한다. 이러한 수작업 프로세스는 제한된 유형의 반월판 크기 및 제직 패턴만을 제조할 수 있고, 그에 따라 고유의 반월판의 기하형태와 합치되는 인공적인 반월판을 개인 맞춤화할 수 없다. 또한, 이러한 제조 프로세스는 실험실 프로세스로 제한된다. 지지체의 품질을 제어하기 어렵고, 인간 관련 오류가 발생된다. 반월판 지지체 품질은 샘플을 취급하는 작업자의 전문적 기술에 따라 크게 달라진다. 섬유-보강 반월판 지지체의 제작 및 제조는, 프로세스를 재현할 수 없게 하는 작업자간 또는 작업자 스스로의 가변성으로 인해서 일정하지 않은 결과를 초래할 수 있다. 전술한 2가지 기술적 난관을 해결하기 위한 방법을 개발할 필요가 있다는 것이 분명하다.

본 개시 내용은 연성 조직(예를 들어, 섬유연골 조직) 임플란트를 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 그러한 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 프로세서에 의해서, 적어도 하나의 연성 조직 치수(예를 들어, 전방-후방 격실 길이(Anterior-to-Posterior("AP") compartment length)와 같은 길이 및/또는 내측-외측 격실 폭(Medial-to-Lateral("ML")과 같은 폭) 및 가중 인자(W)를 특정하는 제1 데이터를 수신하는 단계; 프로세서에 의해서, 제1 데이터를 이용하여, 대상 내의 생물학적 연성 조직을 대체하도록 설계된 지지체 및 지지체에 구조적 지지를 제공하도록 설계된 보강 매트릭스를 포함하는 목표 연성 조직 임플란트를 규정하는 제2 데이터를 생성하는 단계; 프로세서에 의해서, 제1 데이터를, 연성 조직 임플란트를 제조하기 위한 후속 제직 또는 프린팅 동작에서 이용되는 기부 표면을 위한 노드 구성(node configuration)을 특정하는 다차원적 공간 내의 복수의 노드 위치 좌표로 변환하는 단계; 프로세서에 의해서, 복수의 노드 위치를 이용하여, 목표 연성 조직 임플란트의 형상을 기초로 하는 형상을 가지는 인터레이스드(interlaced) 섬유 구조물을 형성하기 위한 계획된 제직 또는 프린팅 경로를 결정하는 단계; 및 연성 조직 임플란트의 제조를 초래하는 후속 제직 또는 프린팅 동작의 수행을 돕기 위해서, 계획된 제직 또는 프린팅 경로를 규정하는 정보를 프로세서로부터 외부 출력 장치로 통신하는 단계.

일부 시나리오에서, 외부 출력 장치는, 계획된 제직 경로에 따라 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하는 제직 기계이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 외부 출력 장치는 디스플레이 또는 프린터이다.

그러한 또는 다른 시나리오에서, 방법은 또한 연성 조직 치수 또는 하위-조직 치수(즉, 실제 전방 폭, 실제 후방 폭, 및 실제 신체 폭)을 기초로 가중 인자(W)를 최적화하는 것을 포함한다. 가중 인자(W)는, 전방 영역, 후방 영역 및 신체 영역 내의 희망 임플란트 폭과 실제 임플란트 폭 사이의 오류를 최소화하는 값을 식별하기 위한 평균 제곱근 오류 알고리즘(root-mean-square error algorithm)을 이용하여 최적화된다. 평균 제곱근 오류 알고리즘의 예는 이하의 수학식에 의해서 규정되고

여기에서, RMSError는 평균 제곱근 오류를 나타내고, ANT_des는 희망 전방 폭을 나타내고, ANT_act는 실제 전방 폭을 나타내며, BOD_des는 희망 신체 폭을 나타내며, BOD_act는 실제 신체 폭을 나타내고, POS_des는 희망 후방 폭을 나타내고, POS_act는 실제 후방 폭을 나타낸다.

그러한 또는 또 다른 시나리오에서, 프로세서는: 시뮬레이트된 분절 표면을 생성하기 위해서 계획된 제직 경로를 이용하여 후속 제직 동작을 시뮬레이트하고; 시뮬레이트된 분절형 표면을 연성 조직 임플란트로 대체하기 위한 연성 조직의 화상에 중첩시키고; 그러한 중첩 결과의 분석을 기초로 계획된 제직 경로를 조정한다.

유사한 번호가 도면 전체를 통해서 유사한 요소를 나타내는 이하의 도면을 참조하여, 본 해결책을 설명할 것이다.
도 1 및 도 2는 제1의 예시적인 보강 매트릭스를 가지는 예시적인 임플란트의 상면도이다.
도 3은 제2의 예시적인 보강 매트릭스를 가지는 예시적인 임플란트의 상면도이다.
도 4a는 환상형 지지체(toroidal-shaped scaffold) 및 보강 매트릭스를 포함하는 임플란트의 상면도이다.
도 4b 및 도 4c는, 섬유(들)가 권선될 때, 도 4a에 도시된 임플란트의 시간 경과에 따른 사시도이다.
도 5는 시스템의 개략도이다.
도 6a 및 도 6b("도 6"으로 통칭된다)는 각각 좌측 무릎 반월판 임플란트 및 우측 무릎 반월판 임플란트를 위해서 형성된 예시적인 보강 매트릭스의 사시도이다.
도 7은 반월판 위에 중첩된 시뮬레이트된 계획된 제직 경로를 도시하는 사시도이다.
도 8a 및 도 8b("도 8"로 통칭된다)는 예시적인 반월판 보강 매트릭스의 제조를 위한 기부 판 패턴을 도시한다.
도 9(a) 내지 도 9(g)("도 9"로 통칭된다)는 보강 매트릭스의 제조 중의 보강 섬유의 구성(organization)을 도시한다.
도 10은 예시적인 컴퓨팅 장치의 도면이다.
도 11(a) 및 도 11(b)("도 11"로 통칭된다)는 임플란트가 어떻게 제조되는지를 이해하는데 있어서 유용한 도면을 제공한다.
도 12는 외부 반월판 림(outer meniscal rim) 및 반월판 루트 배치(meniscal root placement)(좌측의 전방 및 우측의 후방)를 정확하게 재생하는 (사체 반월판(cadaveric meniscus)의 전방-후방 및 내측-외측 치수를 이용하여 생성된) 예시적인 타원체의 도면을 제공한다.
도 13은 어떻게 가중 인자(W) = 0.25가 사체 내측 반월판의 주어진 화상에 근접할 수 있는지를 이해하는데 있어서 유용한 도면을 제공한다.
도 14는 어떻게 환자 특이적 반월판이 0.228의 가중 인자를 이용하여 제조되는지를 보여주는 도면이다.
도 15는 주어진 시나리오 내의 최적 노드-패턴 조합을 이해하는데 있어서 유용한 그래프이다.
도 16은 어떻게 기증자-특이적 임플란트가 본 해결책에 따라 제조되는지를 이해하는데 있어서 유용한 화상을 제공한다.
도 17은 본 해결책에 따른 연성 조직 임플란트를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.

도면에서, 전체적으로 유사한 번호는 유사한 요소를 나타낸다. 특정 기술이 단지 편의를 위해서 본원에서 이용되고, 본 발명을 제한하는 것으로 간주되지 않아야 한다. 이하는 본 발명의 바람직한 구현예를 설명한다. 그러나, 이러한 개시 내용을 기초로, 본 발명은 본원에서 설명된 바람직한 구현예에 의해서 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다.

개인 맞춤형 임플란트의 제조 시스템 및 방법이 무릎 반월판 임플란트의 제조와 관련하여 본원에서 설명될 것이다. 비록 본 임플란트가 무릎 반월판 임플란트의 제조와 관련하여 설명되지만, 본 개시 내용의 교시는 또한, 추간판, 측두 하악판, 손목 반월판, 및 기타와 같은, 반월판과 특성 및 기능이 유사한 다른 조직을 대체하기 위한 임플란트의 제조에 적용될 수 있다. 이러한 조직은, 섬유연골로 구성되고 관절에 치명적인 큰 응력의 연골-연골 또는 뼈-뼈 접촉을 방지하기 위한 하중 전달부 및 분산부로서 기능한다는 점에서, 무릎 반월판과 유사하다. 또한, 본 교시가 인간 및 동물 환자 모두를 위한 임플란트 제조에 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

도 1 내지 도 4c를 참조하여 예시적인 임플란트를 설명할 것이다. 도 1을 참조하면, 지지체(102) 및 지지체(102) 내에 매립되거나 그에 커플링되는 보강 매트릭스(120)를 포함하는 임플란트(100)가 도시되어 있다. 지지체(102)는 일반적으로, 바람직한 세포 상호작용이 의학적 목적을 위한 새로운 기능적 조직의 형성 및/또는 생물학적 조직의 일부 또는 전부의 교체에 기여하게 하도록 엔지니어링된(engineered) 물질을 포함한다. 보강 매트릭스(120)는 지지체를 강화 및/또는 지지하도록 일반적으로 구성된, 엔지니어링된 구조물이다. 따라서, 보강 매트릭스(120)는 또한 지지체(102)와 동일한 전반적 형상 및 기하형태를 가질 수 있으나, 지지체(102)의 물질 밀도에 비해서 더 큰 물질(예를 들어, 섬유) 밀도를 갖는다. 물질은, 비제한적으로, 천연 물질, 합성 물질, 생분해성 물질 및 영구적인 물질을 포함할 수 있다. 보강 매트릭스(120)가 지지체(102)를 지지하기 위한 구조물을 제공하도록, 증가된 밀도는 보강 매트릭스(120)가 지지체(102)보다 더 강성적이 되게 한다. 구조적 지지는, 비제한적으로, 인장 지지 및/또는 압축 지지를 포함할 수 있다.

일부 시나리오에서, 임플란트(100)의 다공도는 특별한 적용예에 따라 설계된다. 예를 들어, 임플란트(100)는 그러한 임플란트를 통한 적절한 조직 및 세포 침투를 보장하기 위해서 비교적 큰 다공도를 가지도록 설계된다. 적절한 세포 시딩(seeding), 유체 유동 및 구조적 무결성을 위해서 충분하기만 하다면, 제한 없이, 모든 레벨의 다공도가 본원에서 이용될 수 있다.

일부 시나리오에서, 임플란트(100)는 섬유연골 임플란트(예를 들어, 무릎 반월판, 추간판, 및/또는 TMJ 관절 임플란트), 힘줄 임플란트, 인대 임플란트 및/또는 연골 임플란트로서 이용된다. 지지체(102)(그리고 결과적으로 임플란트)의 형상 및 기하형태는 교체가 필요한 연성 조직의 형상 및 기하형태를 기초로 한다. 따라서, 반월판 임플란트의 경우에, 지지체(102)는 (무릎 반월판과 유사하게) 쐐기-유사 횡단면을 가지는 c-형상의 디스크로서 구축될 수 있다. 또한, 지지체(102)는 (대퇴부와 접촉될 수 있는) 상단부에서 오목하게 그리고 (경골 고평부에 놓일 수 있는) 하단부에서 편평하게 성형될 수 있다.

지지체(102)는 전방 단부(110), 후방 단부(112), 및 전방 단부(110)와 후방 단부(112) 사이의 경로를 형성하는 중간 섹션(114)을 포함한다. 반월판 교체 시나리오에서, 중간 섹션(114)은 본질적으로 원호-형상이고 전방 단부(110)와 후방 단부(112) 사이에서 곡선형 경로를 형성한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 개시 내용의 목적을 위해서, 지지체(102)의 원주방향이 화살표(A)로 표시되어 있고 대략적으로 지지체(102)의 중간 섹션(114)을 따라 연장된다.

도 1을 다시 참조하면, 보강 매트릭스(120)는 지지체(102)의 전방 단부(110)와 후방 단부(112) 사이에서 연장되고 각각의 단부를 빠져 나가 전방 부착점(124) 및 후방 부착점(126)를 형성하는 적어도 하나의 섬유(122)에 의해서 형성될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "섬유"라는 용어는 단일 성분(예를 들어, 단일필라멘트 봉합사) 또는 다수 성분(예를 들어, 다수섬유 봉합사)으로 이루어진 임의의 대략적으로 세장형인 부재를 지칭한다. (인장 강도, 횡단면적, 직경, 가요성, 등과 같은) 섬유(122)의 물리적 성질이 섬유(122)의 길이 전체에 걸쳐 변동될 수 있다. 일부 시나리오에서, 다수 섬유를 이용하여 보강 매트릭스(120)를 형성할 수 있다. 섬유는 동일한 또는 상이한 물질로 제조될 수 있고 동일한 또는 상이한 경로를 따를 수 있다.

바람직하게, 보강 매트릭스(120)를 형성하는 섬유(122)의 적어도 일부가 실질적으로 원주방향(104)으로 배치된다. 일부 시나리오에서, 보강 매트릭스(120)를 형성하는 섬유(122)가 두(2)개의 상이한 배열로 배열될 수 있다: 원주방향 배열(104); 및 수직 배열(106). 본원에서 사용된 바와 같이, "수직 배열" 및 "수직으로 배열된"이라는 용어는 지지체(102)와 관련하여 여러 각도로 도 2의 화살표(B)에 실질적으로 평행한 방향으로 연장되는 섬유의 배열을 의미한다.

도 3을 참조하면, 보강 매트릭스(120)는 하나 이상의 원주방향 섬유(104a, 104b)("104"로 통칭된다) 및 하나 이상의 수직 섬유(106)를 포함한다. "원주방향 섬유"라는 용어는, 지지체(102)의 중간 섹션(114)을 따라서 지지체(102)의 전방 단부(110)와 후방 단부(112) 사이에서 연장되고 적어도 부분적으로 원주방향 축에 실질적으로 평행하게 배치된 섬유를 지칭한다. "수직 섬유"라는 용어는, 원주방향 섬유들이 분리되지 않게 하기 위해서 원주방향 섬유를 다양한 각도로 가로지르는 섬유를 지칭한다. 원주방향 섬유들을 분리되지 않게 유지하는 것은 임플란트의 내구성 및 수명을 증가시킨다. 편의상, 다수의 원주방향 섬유 또는 다수의 수직 섬유를 각각 지칭하기 위해서 "원주방향 섬유 네트워크" 및 "수직 섬유 네트워크"라는 용어가 본원에서 사용될 수 있다.

동작 중에, 축방향을 따른 임플란트(1) 상의 압축력이 원주방향을 따른 인장 후프 응력으로 변환된다. 후프 응력은 원주방향 섬유(104)를 따라서 전파된다. 생체 내에서, 반월판 조직이 임플란트(1) 내로 성장되고 세포가 섬유 네트워크에 부착됨에 따라, 원주방향 섬유(104) 상의 또는 그 주위의 세포는 정상적인 반월판과 동일한 기계적 환경을 경험하고, 결과적으로 원래의 반월판과 본질적으로 동일한 콜라겐 섬유의 구성 및 방향성을 가지는 조직의 형성을 초래한다.

보강 매트릭스(120)는 원주방향 및 수직 모두로 배열된 하나의 단일 연속 섬유로 형성될 수 있다. 대안적으로, 보강 매트릭스(120)가 다수의 섬유를 이용하여 형성될 수 있다. 그러한 시나리오에서, 원주방향 섬유(104)뿐만 아니라 수직 섬유(106)가 섬유의 동일한 또는 상이한 스트랜드 또는 그 조합에 의해서 형성될 수 있다.

앞서서 주목한 바와 같이, 임플란트(1)는 임플란트를 임플란트 부위에 인접한 조직에 부착하기 위한 전방 부착점(124) 및 후방 부착점(126)을 포함한다. 이러한 부착점은 각각 지지체(102)의 전방 단부(124) 및 후방 단부(122)로부터 빠져 나오는 섬유에 의해서 형성된다. 또한, 일부 시나리오에서, 임플란트(100)는 지지체(102)의 중간 섹션(114) 내에 형성된 하나 이상의 부가적인 부착점(300)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 부가적인 부착점(300)은 중간 섹션(114)의 외부 주변부에 형성된다. 그러한 부착점(300)은 주변 부착점으로 지칭된다. 일부 시나리오에서, 주변 부착점은 수직 섬유가 원주방향 섬유를 가로지르는 지점과 일치된다.

앞서서 주목한 바와 같이, 추간판 또는 악관절 디스크는 큰 응력의 뼈-뼈 접촉을 방지하기 위한 하중 전달부 및 분산부로서 기능한다. 예를 들어, 추간판은 섬유륜(annulus fibrosus) 및 수핵을 포함한다. 수핵은 섬유륜에 의해서 둘러싸인 내부 젤라틴 물질이다. 수핵은 디스크에 가해지는 기계적 하중을 분산시키는 한편, 섬유륜은 구조적 무결성을 제공하고 수핵을 특정 척추 영역에 구속한다. 섬유륜은, 반월판 조직의 내부 구조와 매우 유사한 내부 구조를 갖는다. 따라서, 본원에서 설명된 환상형이라는 개념은 섬유륜의 전체적 또는 부분적 교체를 위한 임플란트를 구축하기 위해서 이용될 수 있다.

도 4a를 참조하면, 임플란트(400)는 환상형 지지체(402) 및 보강 매트릭스(404)를 포함할 수 있다. 보강 매트릭스(404)는 반월판 임플란트를 참조하여 전술한 바와 같이 구축될 수 있다. 일부 시나리오에서, 보강 매트릭스(404)는 원주방향 섬유(406) 및 수직 섬유(408)를 포함한다. 수직 섬유(408)가 원주방향 섬유(406)를 가로질러 원주방향 섬유들(406)이 분리되는 것을 방지한다. 그러나, (전술한 것과 같은) 다른 시나리오와 대조적으로, 보강 매트릭스(404)를 형성하는 섬유는 지지체(402)를 빠져 나가지 않고, 임플란트(400)는 그러한 임플란트(400)를 주변 부착점(410)에서 건강한 조직에 부착하는 것에 의해서 고정될 수 있다.

권선 프로세스에서의 임플란트(400)가 도 4b 및 도 4c에 도시되어 있다. 임플란트(400)는 추골판의 형상으로 제조될 수 있고, 환상형 지지체(402)는 환자의 추골판의 수핵의 성질과 균등한 물리적 성질을 가지는 생체적합 물질로 충진된 내부 공동을 형성한다. 대안적으로, 임플란트(400)는 섬유륜 또는 섬유륜의 일부만을 대체하도록 구성된다.

원호형 및 환상형 임플란트 구축물 모두를 위해서, 지지체 그리고 보강 원주방향 및 수직 매트릭스 섬유 모두가 자연-발생 또는 합성 생체적합 물질 또는 그 조합으로 구축되어, 임플란트가 제 위치에 있을 때, 주위 조직으로부터의 세포의 침투, 부착 및 증식을 가능하게 할 수 있다. 자연-발생 또는 합성 생체적합 물질이 또한 생체 재흡수될 수 있다. 지지체 및 보강 매트릭스 섬유가 동일한 물질 또는 상이한 물질로 구축될 수 있고 전체적 또는 부분적으로 생분해될 수 있으며 동일한 또는 상이한 분해속도를 가질 수 있다.

본원에서 사용된 바와 같이, 중합체가 자연 발생 생체물질로 제조되는 경우에도, "합성 중합체"라는 용어는 자연에서 발견되지 않는 중합체를 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "천연 중합체"라는 용어는 자연적으로 발생되는 중합체를 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "생체적합성"이라는 용어는, 이용량에서, 숙주 내에서 유해한 반응을 유도하지 않는 물질을 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "생체적합성"이라는 용어는, 발병의 레벨까지 상승시키는 영향이 없는 한, 숙주 내로 도입될 때 일부 염증, 조직 괴사 또는 다른 면역 반응을 유발할 수 있는 물질을 포함하려는 것이다. 본원에서 사용된 바와 같이, "생체 재흡수성"이라는 용어는, 그러한 물질이 표준 생리 조건에서 살아 있는 신체 내에 위치될 때, 효소, 가수분해, 또는 다른 화학 반응 또는 세포 프로세스를 통해서, 신체 내로 통합되거나 외부로 방출되는 부산물로 분해되는 것을 지칭한다. 문헌에서, "생체재흡수성", "재흡수성", "흡수 가능", "생체 흡수 가능" 및 "생분해성"이라는 용어는 빈번하게 상호 교환 가능하게 이용되고, 그러한 상호 교환 가능이라는 의미가 본원에서 의도된 것임이 인지된다.

일부 시나리오에서, 임플란트(100, 400)는 생분해성 물질 또는 물질들로 형성된다. 교체되는 고유의 조직의 기계적 성질과 동일하거나 실질적으로 유사한 기계적 성질을 임플란트가 가지도록, 본 임플란트(100, 400)를 위한 중합체가 선택된다.

적합한 천연 중합체의 예는, 비제한적으로, 콜라겐, 히알루론산, 섬유소 접착제, 골수, 키토산, 알긴산염, 셀룰로오스, 전분, 실크, 엘라스틴 및 기타 동물성- 또는 식물성-단백질 또는 폴리사카라이드를 포함한다. 적합한 합성 중합체는, 비제한적으로, 폴리(알파-히드록시산), 폴리(락티드-코-글리콜라이드)(PLGA), 폴리(락티드)(PLLA), 폴리락티드(PLA), 폴리글리콜라이드(PGA); 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 알코올(PVA), 폴리에틸렌 옥사이드(PEO); 폴리-p-디옥사논(PDO); 폴리아릴레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리카프로락톤(PCL), 및 그 조합을 포함한다. 적합한 폴리아릴레이트 및 폴리카보네이트는, 비제한적으로, (모든 개시 내용이 본원에서 참조로 포함되는) 미국 특허 제5099060호, 제5198507호, 제5216115호, 제5587507호, 제5658995호 및 제6048521호에 의해서 개시된 티로신-유도 폴리아릴레이트 및 폴리카보네이트를 포함한다.

일부 시나리오에서, 지지체(402)는 주로 유형 I 콜라겐으로 이루어진 비정질 구조물이다. 콜레겐 이외에, 다른 유형의 물질이 필요 또는 희망에 따라 지지체의 성질을 변경하기 위해서 부가될 수 있다. 예를 들어, 비제한적으로, 콘드로이틴 설페이트, 케라탄 설페이트, 데르마탄 설페이트, 헤파린, 헤파린 설페이트 및 히알루론산과 같은 글리코스아미노글리칸을 포함하는, 다른 단백질 또는 프로테오글리칸(proteoglycan)이 이용될 수 있다. 지지체 내의 이러한 물질의 백분율은 지지체의 건조 중량의 영(0) 내지 약 이십 퍼센트(20%) 범위일 수 있다. 보강 매트릭스를 위한 섬유는 바람직하게 (폴리아릴레이트와 같은) 생체재흡수성 합성 중합체 또는 (콜라겐과 같은) 비-합성 물질로 제조될 수 있다.

임플란트의 물리적 특성은 지지체를 위해서 상이한 물질들을 이용하는 것 및/또는 상이한 직경, 기계적 강도, 강성도, 또는 내구성의 섬유로 보강 매트릭스를 형성하는 것에 의해서 변경될 수 있다. 또한, 임플란트의 물리적 특성은 지지체, 보강 매트릭스 또는 그 둘 모두를 가교-결합시키는 것에 의해서 변경될 수 있다. 가교-결합은, 비제한적으로: 특히 카르보디이미드, 글루타르알데히드 또는 포름알데히드와의 화학 반응; 자외선 또는 마이크로파 에너지에 의한 조사(irradiation)를 포함하는 복사 에너지와 같은 에너지의 인가; 뼈 조직에 진공이 가해지는 동안 물이 서서히 제거되는 탈수열 처리; 및 효소 처리를 포함하는 다양한 공지된 방법을 이용하는 것에 의해서 달성될 수 있다.

이제, 보강 매트릭스를 가지는 임플란트를 형성하기 위한 시스템 및 방법을 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명할 것이다. 특히, 시스템 및 방법이 도 1 내지 도 3의 임플란트(100)와 관련하여 본원에서 설명된다. 이러한 논의는 도 4a 내지 도 4c의 임플란트(400)를 형성하기 위한 시스템 및 방법의 이해에 있어서 충분하다.

도 5를 참조하면, 예시적인 시스템(500)이 도시되어 있다. 시스템(500)은 일반적으로 제조 경로-계획 도구(502) 및 제직 기계(520)를 포함한다. 제조 경로-계획 도구(502)는 컴퓨팅 장치를 포함한다. 컴퓨팅 장치는 당업계에 잘 알려져 있고, 그에 따라 본원에서 구체적으로 설명하지 않을 것이다. 또한, 예시적인 컴퓨팅 장치(1000)가 도 10에 도시되어 있다. 컴퓨팅 장치(1000)가 이하에서 설명된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제조 경로-계획 도구(502)는 입력 장치(510)로부터 임플란트 데이터를 수신하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서(504)를 포함한다. 입력 장치(510)는 목표 조직의 3-차원적(3D) 화상 데이터를 제공하도록 구성된 화상 스캐닝 장치(예를 들어, 자기 공명 영상 장치(MRI), 핵 영상 장치, 초음파 장치 또는 다른 영상 기술)의 형태일 수 있다. 화상 스캐닝 장치로부터의 입력의 경우에, 소프트웨어(506)가 프로세서(504)에 의한 실행을 위해서 제공된다. 소프트웨어(506)는 프로세서(504)가 화상 스캐닝 장치로부터 수신된 화상 데이터로부터 고유 조직(즉, 부상을 입지 않은 무릎으로부터의 반월판)의 3D 모델을 재구축하게 하는 그리고 조직의 분절 표면 기하형태를 추출하게 하는 명령어를 포함한다. 3D 모델이 일단 생성되면, 소프트웨어(506)는 프로세서(504)가 의도된 보강 매트릭스(120)의 구성을 유도하게 한다. 대규모 무릎 MRI 데이터베이스에 대한 3D 모델의 기하형태적 분석을 실시하는 것에 의해서, 결정이 이루어질 수 있다. 대안적인 방법이 또한 이용될 수 있다.

대안적으로, 입력 장치(510)는, 목표 임플란트와 연관된 특정 데이터(예를 들어, 신체의 좌측 또는 우측, ML 격실 폭, AP 격실 길이, 및 하나의 측부 또는 다른 측면에 대한 대칭 변동이 있는지의 여부)를 사용자가 입력할 수 있게 하는 수작업 입력 장치(예를 들어, 키보드)일 수 있다. 추가적인 대안으로서, 입력 장치(510)가 화상 스캐닝 장치 및 수동 입력부 모두를 포함할 수 있다.

(화상 스캐닝 장치, 수동 입력부 또는 그 조합을 통해서) 의도된 임플란트의 구성을 일단 알게 되면, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 보강 매트릭스(120)의 결정된 구성을 달성하기 위한 제직 기계(502)의 "제직 경로"를 결정하게 한다. 제직 경로는 상이한 높이 레벨에 위치되는 일련의 특유의 제직 패턴으로 구성될 것이다.

반월판 임플란트의 제직 경로의 예시적인 계획을 참조하면, (결정된 또는 수동으로 입력된 임플란트 데이터를 기초로) 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 좌측 또는 우측의 값에 대한 신체의 측면을 설정하게, ML을 설정하게, AP를 설정하게, 그리고 각각의 제직 단계 사이의 멈춤 시간을 설정하게 한다. 그 후에, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 (데이터베이스 검색 또는 수동 입력을 기초로) 제직 패턴에서 이용하고자 하는 핀의 수, 인가되는 대칭적 중량, 및 제직 단계에서의 내부 또는 외부 라운드(round)의 수를 결정하게 할 수 있다. 도 6a 및 도 6b는 좌측 무릎 반월판(도 6a) 대 우측 무릎 반월판(도 6b)의 특유의 비대칭적 제직 패턴을 도시한다.

이러한 정보로부터, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 AP의 절반에 대한 X 반경 및 ML의 절반에 대한 Y 반경을 설정하게 할 수 있다. 입력 정보로, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 외부 핀의 원호 길이를 결정하게 하고 대칭적인 가중을 기초로 그러한 것을 조정하게 한다. 원호 길이 및 핀의 수를 알고 있는 상태에서, 핀의 반경방향 위치가 2D 시나리오에서 각각의 핀의 X 및 Y 위치(또는 3D 시나리오에서 부가적인 Z 위치)로서 결정될 수 있다. 부가적으로, 부분적으로 임플란트(100)가 좌측 측면 또는 우측 측면에서 사용되는지의 여부를 기초로, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 전방 테일 핀 및 후방 테일 핀을 위한 길이(그리고 그에 의해서 X 및 Y 위치)를 설정하게 할 수 있다. 핀이 위치되면, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 각각의 층 또는 제직 단계를 위한 특정 제직 패턴을 결정하게 한다.

선택적으로, 계획 경로가 결정된 후에, 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가, 제직 경로가 의도된 분절 표면을 생성할 수 있다는 것을 검증하기 위한 시뮬레이션을 실행하게 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 적절한 보강 매트릭스(120)가 달성되는지를 검증하기 위해서, 시뮬레이트된 제직 패턴이 반월판의 화상에 중첩될 수 있다. 소프트웨어(506)는, 프로세서(504)가 (예를 들어, 후방 영역을 전방 영역보다 더 두껍게 하는 것에 의해서) 적절한 보강 매트릭스(120)를 달성하기 위해서 제직 패턴을 조정하게 하도록, 추가로 구성될 수 있다.

계획된 제직 경로가 일단 결정되면, 그에 의해서 표시되는 데이터가 프로세서(504)로부터 제직 기계(520)로 제공될 수 있다. 제직 기계(520)는 다양한 포맷(예를 들어, 파워 룸(power loom) 또는 적층 제조 기계(additive manufacturing machine))을 취할 수 있다. 도 5에 도시된 시나리오에서, 제직 기계(520)는 보강 매트릭스(120)를 형성하기 위해서 섬유(122)를 핀 주위에서 기부 표면(524) 상으로 인가한다. 다른 대안으로서, 제직 기계가 이용되지 않을 수 있고, 그 대신에, 보강 매트릭스가 사용자에 의해서(예를 들어, 손으로) 제직될 수 있다. 그러한 경우에, 프로세서(504)는 다른 출력 장치(예를 들어, 디스플레이 또는 프린터)를 통해서 계획된 제직 경로를 사용자에게 제공할 수 있다.

도 8 내지 도 9를 참조하여, 기부 표면(524) 상에 배치된 핀(또는 페그(peg))(806) 주위의 예시적인 형성 프로세스가 설명될 것이다. 핀(806)의 수는 섬유(122)에 대해서 결정된 계획 경로를 기초로 한다. 도시된 시나리오에서, 기부 표면(524)은 도 8a에 도시된 바와 같이 24개(24)의 홀(802)을 포함한다. 22개(22)의 홀(802)이 동일 간격으로 위치되어 반-원을 형성하고, 나머지 2개(2)의 홀(802)은 반-원의 중심에 대향된다. 핀(806)이 홀(802) 내에 배치되어, 도 8b에 도시된 패턴을 형성한다. 설명을 위해서, 기부 표면(524)의 각각의 홀(802)에는 1로부터, 3 내지 24 또는 26의 번호가 할당된다. 홀 3 내지 홀 24가 반월판 지지체의 실제 치수를 규정하는 한편, 홀 1 내지 홀 26은 지지체를 위한 고정점을 규정한다.

도 9(a) 내지 도 9(g)를 참조하면, 섬유(122)의 연속적인 길이가 제직 기계(520)로부터 분배되고 준-원주방향 패턴(quasi-circumferential pattern)으로 핀(806) 주위에 랩핑된다(wrapped). 지점 1로부터 시작하여, 섬유가 랩핑되고 핀으로부터 6개의 상이한 오프-탄젠트(off-tangent) 각도:(a) 11.25°, (b) 28.125°, (c) 39.375°, (d) 50.625°, (e) 61.875°, 및 (f) 73.125°중 하나로 피봇된다. 이는 지점 26까지 계속되고, 그 때 섬유는 반대로 랩핑된다. 핀 3 내지 핀 6 그리고 핀 21 내지 핀 24의 경우에, 고정 번들의 형성을 위해서 섬유 23이 지점 1 또는 지점 26으로 다시 랩핑되었다. 이러한 프로세스가 각각의 각도에 대해서 반복되어 도 9(g)에 도시된 완전한 패턴을 생성하였다. 결정된 계획 경로에 따라, 패턴이 몇 차례 반복될 수 있다. 핀 패턴은, 반월판 임플란트를 형성하기 위해서 고정 플러그의 형성을 위한 각각의 혼(horn)에서 2개(2)의 섬유의 번들을 따라 반달 형상이 형성되게 한다. 전술한 바와 같이, 다른 형성 및 구성을 가지는 임플란트가 또한 형성될 수 있다. 랩핑이 완료된 후에, (예를 들어, 쐐기 형상의 횡단면을 형성하기 위해서) 섬유를 손질하거나 달리 처리할 수 있다.

임플란트(100)를 완성하기 위해서, 보강 매트릭스(120)가 몰드 조립체(미도시) 내로 삽입되거나, 몰드 조립체가 보강 매트릭스(120) 주위에 형성된다. 몰드는 바람직하게 교체가 필요한 연성 조직과 동일한 형상을 갖는다. 일부 시나리오에서, 보강 매트릭스를 형성하는 섬유의 단부가 몰드 조립체의 각각의 단부 외측으로 연장되어 부착점을 형성한다. 지지체(102) 제조에 이용되는 중합체 또는 다른 물질이 몰드 조립체 내로 주입되어 지지체 본체(102)를 형성하고, 이어서 응고된다.

지지체를 응고시키기 위한 프로세스는 지지체를 형성하기 위해서 이용되는 중합체에 따라 달라진다. 예를 들어, 콜라겐이 이용되는 경우에, 임플란트 조립체는 동결 건조될 수 있다. 일부 시나리오에서, 임플란트(100)가 그 물리적 특성의 변경을 위해서 가교-결합될 수 있다. 또한, (단백질, 글리코스아미노글리칸, 세포, 성장 인자, 약물 및/또는 라벨 등과 같은) 부가물이, 알려져 있고 현장에서 이용되는 표준 기술에 따른 그 제조 중의 임의 지점에서, 임플란트(100)에 부가될 수 있다.

앞서서 주목한 바와 같이, 일부 시나리오에서, 섬유 네트워크 매트릭스 및 지지체 모두가, 교체를 위한 연성 조직과 동일한 형상 및 기하형태를 갖는다. 예를 들어, 무릎의 경우에, 보강 매트릭스 및 몰드 조립체는, 무릎 반월판과 유사하게, 쐐기-유사 횡단면을 가지는 c-형상의 디스크로서 구축될 수 있다.

이제 도 10을 참조하면, 예시적인 컴퓨팅 장치(1000)의 개략도가 제공된다. 컴퓨팅 장치는, 비제한적으로, 개인용 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 및/또는 서버를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치(1000)는 일반적으로 임플란트(예를 들어, 도 1의 임플란트(100) 또는 도 4a 내지 도 4c의 임플란트(400))의 생성을 돕기 위한 동작을 실시하도록 구성된다. 따라서, 컴퓨팅 시스템(1000)은 복수의 구성요소(1002 내지 1012)를 포함한다. 컴퓨팅 시스템(1000)은 도 10에 도시된 것보다 많거나 적은 구성요소를 포함할 수 있다. 그러나, 도시된 구성요소는 본 해결책을 실시하는 예시적인 구현예를 충분히 개시한다. 특히, 도 10에 도시된 하드웨어가 물리적 하드웨어 및/또는 가상 하드웨어를 포함할 수 있다.

도 10의 하드웨어 아키텍처는, 임플란트(예를 들어, 도 1의 임플란트(100) 또는 도 4a 내지 도 4c의 임플란트(400))의 생성을 돕도록 구성된 대표적인 컴퓨팅 장치의 하나의(1) 구현예를 나타낸다. 따라서, 컴퓨팅 시스템(1000)은 본 해결책의 방법을 실시한다.

도 10에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(1000)은 시스템 인터페이스(1012), 사용자 인터페이스(1002)(예를 들어, 데이터 입력을 위한 키보드 및 데이터 출력을 위한 디스플레이), 중앙처리유닛("CPU")(1004), 시스템 버스(1006), 시스템 버스(1006)를 통해서 컴퓨팅 시스템(1000)의 다른 부분에 연결되고 그에 의해서 접속될 수 있는 메모리(1008), 및 시스템 버스(1006)에 연결된 하드웨어 개체(1010)를 포함한다. 시스템 버스(1006)는 또한 컴퓨팅 시스템(1000)과의 사이에 하나 이상의 임무 계획을 통신하기 위해서 이용된다. 하드웨어 개체(1010)의 적어도 일부는, 랜덤 액세스 메모리("RAM"), 디스크 드라이버 및/또는 콤팩트 디스크 리드 온리 메모리("CD-ROM")일 수 있는 메모리(1008)에 대한 접속 및 그 이용을 포함하는 행동을 실시한다. 시스템 인터페이스(1012)는, 컴퓨팅 시스템(1000)이 외부 장치(예를 들어, 센서, 서버 및 클라이언트 컴퓨터)와 직접적으로 또는 간접적으로 통신할 수 있게 한다.

하드웨어 개체(1010)는 마이크로프로세서, 주문형 집적 회로("ASIC") 및 다른 하드웨어를 포함할 수 있다. 하드웨어 개체(1010)는, 임플란트(예를 들어, 도 1의 임플란트(100) 또는 도 4a 내지 도 4c의 임플란트(400))의 생성을 돕도록 프로그래밍된 마이크로프로세서를 포함할 수 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 하드웨어 개체(1010)는, 본원에서 설명된 방법, 시술, 또는 기능 중 하나 이상을 실시하도록 구성된 하나 이상의 명령어(또는 프로그래밍 명령어)(1014)(예를 들어, 소프트웨어 코드)의 세트가 저장되는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체(1018)를 포함하는 디스크 드라이브 유닛(1016)을 포함할 수 있다. 명령어(1014)는 또한, 컴퓨팅 장치(1000)에 의한 명령어의 실행 중에, 메모리(1008) 및/또는 CPU(1004) 내에, 전체적으로 또는 적어도 부분적으로 상주할 수 있다. 구성요소(1008 및 1004)가 또한 기계-판독 가능 매체를 구성할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "기계-판독 가능 매체"라는 용어는, 하나 이상의 명령어(1014)의 세트를 저장하는 단일 매체 또는 다수 매체(예를 들어, 중앙집중형 또는 분산형 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 지칭한다. 본원에서 사용된 바와 같이, "기계-판독 가능 매체"라는 용어는 또한, 컴퓨팅 장치(1000)에 의한 실행을 위해서 명령어(1014)의 세트를 저장, 인코딩 및 운반(carrying)할 수 있는 그리고 컴퓨팅 장치(1000)가 본 개시 내용의 임의의 하나 이상의 방법을 실시하게 하는 임의의 매체를 지칭한다.

특히, 본 해결책은 도 10에 도시된 바와 같은 단일 컴퓨팅 장치 내에서 실시될 수 있다. 본 해결책은 이와 관련하여 제한되지 않는다. 대안적으로, 본 해결책은 분산형 네트워크 시스템에서 실시될 수 있다. 예를 들어, 본 해결책은 클라우드 또는 클라우드-유사 환경의 컴퓨팅 장치의 분산형 네트워크에 걸친 다수 CPU 코어를 이용할 수 있다. 분산형 네트워크 아키텍처는 통계 및 향상된 기능의 컴퓨팅 시간이 최소로 단축되게 보장하여, 최종-사용자가 더 많은 조회(query)를 실시하게 할 수 있고 더 빠른 속도로 보고를 받을 수 있게 한다. 분산형 네트워크 아키텍처는 또한, 그 규모 조정 능력(scaling ability)을 이용하기 위해서(예를 들어, 프로세스하기 위한 데이터의 양 또는 평가하기 위한 매개변수의 수에 따라 더 많거나 더 적은 CPU 코어를 동적으로 요청하기 위해서), 소프트웨어를 실시하는 것이 기관의 내부 서버 또는 클라우드 서비스에서의 전개를 위해 준비되도록 보장한다.

이하의 실시예는 본 해결책을 더 설명하기 위해서 제공된 것이다. 그러나, 본 해결책의 범위는 어떠한 방식으로도 그에 의해서 제한되는 것으로 간주되지 않는다.

실시예

초기 대칭적 제직

하나의 경우에, 컴퓨팅 장치가 핀 배치 및 패턴 제직을 결정하도록 구성되었다. 이와 관련하여, 컴퓨팅 장치는 먼저 2개(2)의 일차적인 치수: 전방-후방(AP) 길이; 및 내측-외측(ML) 폭을 취하였다. (X-레이, MRI, CT 또는 예측 모델링으로부터 얻어진) 이러한 치수를 기초로, +225 도(좌측)으로부터 -45 도(우측)까지 원주 주위로 균일하게 이격된 n개의 노드로 타원체가 구성되었다.

도 11(a)에 도시된 바와 같이, 11.25 도의 간격을 가지는 25개(25)의 노드가 이용되었다. 이러한 접근 방법은 초기의 양(ovine)에 관한 연구(AP: 26 mm, ML: 20 mm)로부터 조정되었고 규모가 확대되었다(AP: 45 mm, ML: 32 mm). 임플란트의 제조 중에, 특정 위치에서 홀을 가지는 플랫폼이 구축되었다. 핀이 홀을 통해 배치되었다. 지지체는 도 11(b)에 도시된 바와 같이 86-패턴 제직을 이용하여 제조되었다. 결과적인 임플란트의 치수는 핀의 외측 주위에 권선된 섬유로 인해서 원래의 타원체보다 약간 더(5% 미만) 커졌지만, 여전히 허용 가능한 공차 이내이다.

루트 위치 노드

더 해부학적으로 정확한 임플란트를 달성하기 위해서, 단부 노드 위치(즉, 25개의 노드에서 노드 1 및 노드 25)가 MRI 측정 또는 평균적인 이력 데이터를 기초로 더 정확하게 규정되었다. 따라서, n개의 노드의 경우에, 쎄타(

)는 이하의 수학식(1)에 따라 달라진다.

(1)

여기에서 θ(x)는 x번째 각도를 나타내고, θ(x-1)은 이전의 인접 각도를 나타내며, θ(n) - θ(1)은 제1 노드로부터 마지막 노드까지의 전체 각도 거리를 나타내고, n-1은 간극의 수(노드의 수(n)보다 1개 적다)를 나타낸다.

이러한 실시예에서, 인간 사체 내측 반월판의 화상을 얻었다. 이러한 화상을 기초로, 루트가 220도 및 -60도에 배치되었다. 도 12에 도시된 바와 같이, (사체 반월판의 AP 및 ML 치수를 이용하여 생성된) 타원체가 외부 반월판 림 및 반월판 루트 배치(좌측 전방, 우측 후방)를 정확하게 재생하였다.

비대칭 핀 배열

또한 전방 폭, 신체 폭, 및 후방 폭의 차이를 고려하기 위해서, 노드들 사이의 간격이 변경되었다. 이러한 간격 변동은 수학식(1)을 3번째 항(third term)을 포함하는 수학식(2)로 재작성하는 것에 의해서 달성되었다. 3번째 항은, 노드들(또는 핀들)(n) 사이의 간격이 가중 인자(W)를 이용하여 변화될 수 있게 보장한다.

(2)

가중 인자(W)는 영(0)으로부터 일(1)의 범위를 가지고, 영(0)은 대칭적이고 일(1)은 매우 비대칭적이다.

반월판 지지체 설계의 기본 패턴을 이용하면, 가중 인자(W)를 변경하는 것이 어떻게 지지체의 비대칭성을 크게 변화시킬 수 있고 해부학적으로 더 정확한 설계에 근접하는지를 명확하게 나타낸다. 도 13으로부터, 가중 인자(W) = 0.25가 사체 내측 반월판의 주어진 화상에 근접하는 것을 볼 수 있다.

가중 인자 최적화

또한, 특정 전방 치수, 신체 치수, 및 후방 치수가 MRI 또는 역사적 데이터를 기초로 희망 반월판에 대해서 주어진다면, 각각의 임플란트를 위한 가중 인자(W)가 최적화될 수 있다. 문헌으로부터의 평균 전방("ANT") 폭, 신체("BOD") 폭 및 후방("POS") 폭은 전형적으로 각각 8.68, 9.14 및 14.26이었다. 3개(3)의 영역 내의 희망 임플란트 폭과 실제 임플란트 폭 사이의 평균 제곱근 오류를 최소화하는 가중 인자(W)가 발견되었고, 환자의 전방 폭, 신체 폭, 및 후방 폭이 이용 가능한 경우에 발견될 수 있다. 평균 제곱근 연산은 이하의 수학식(3)에 의해서 규정될 수 있다.

(3)

여기에서, RMSError는 평균 제곱근 오류를 나타내고, ANT_des는 희망 전방 폭을 나타내고, ANT_act는 실제 전방 폭을 나타내며, BOD_des는 희망 신체 폭을 나타내며, BOD_act는 실제 신체 폭을 나타내고, POS_des는 희망 후방 폭을 나타내고, POS_act는 실제 후방 폭을 나타낸다. 41.38 mm의 평균 AP, 30.63 mm의 평균 ML, 및 앞서서 나열한 전형적인 전방 폭, 신체 폭, 및 후방 폭에서, 0.228의 가중 인자(W)가 3개(3)의 영역 사이의 전체적인 오류를 최소화한다는 것이 발견되었다. 이어서, 0.228의 가중 인자(W)를 이용하여, 도 14에 도시된 바와 같은, 환자 특정 반월판을 제조할 수 있다.

AP, ML, Ant, BOD, POS의 MRI- 또는 역사적 데이터-유도된 치수를 기초로, 노드 배치 및 가중 인자(W)가 최적화되어 최종 치수의 오류를 최소화할 수 있다.

노드/패턴 변동

전술한 시뮬레이션이 25개(25)의 노드 및 제직마다 10개(10)의 노드를 건너 뛴 기본 패턴(패턴 10)을 이용하여 실시되었다. 그러나, 노드의 수 및 패턴 수(건너 뛴 노드)를 변경하는 것은 평균 제곱근 오류를 최소화하기 위한 다른 선택사항을 제공할 수 있다. 따라서, 23개(23) 내지 30개(30)의 노드가 시도되었고, 패턴 수를 8개(8) 내지 14개(14)로 변경하였다. 각각의 조합에서, 가중 인자 최적화 이후에, 평균 제곱근 오류를 기록하였다. 결과적인 오류를 도 15에 도시하였다. 이하는 최적 노드-패턴 조합이었다.

23-노드, 패턴 9

25-노드, 패턴 10

27-노드, 패턴 11

29-노드, 패턴 12

이러한 조합은 각각의 특정 환자 치수에 대해서 코드에 의해서 시도될 수 있고, 그에 따라 요구되는 지지체 설계를 기초로 변화시킬 수 있다.

환자/기증자-특정 반월판

통계적인 접근을 기초로, 사람의 키, 체중, 및 성별을 이용하여 그들의 반월판의 AP 및 ML 치수를 정확하게 예측할 수 있다. 따라서, 3개(3)의 사체 무릎 시편 및 기증자 정보가 Robert Wood Johnson Medical School Anatomical Association으로부터 획득되었다. 그러한 정보를 기초로, AP 및 ML 치수가 계산되었고, 0.228의 가중 인자(W)를 이용한 노드 배치를 허용하였다. 이러한 노드를 가지는 플랫폼이 구축되었고, 기증자-특정 임플란트가 도 16의 좌측 화상에 도시된 바와 같이 제조되었다. 우리의 수술적 고정에 대한 접근을 돕기 위해서, 지지체가 30 mm의 전방 테일 및 50 mm의 후방 테일로 제조되었다. 이러한 테일 길이는 희망하는 고정 기술을 위해서 용이하게 변경될 수 있다. 제조 후에, 치수가 컴퓨터 프로그램으로 얻어진 치수와 유사하였다. 또한, 모두 5개(5)의 치수(AP 폭, ML 폭, 전방 폭, 신체 폭, 후방 폭)이 고유의 반월판 값의 십 퍼센트(10%) 이내 였다.

부가적으로, 장치가 (도 16 - 중간 화상에 도시된 바와 같이) 사체 무릎 내로 이식되었고 하중-분산 성질을 (도 16 - 우측 화상에 도시된 바와 같이) Tekscan 스트립으로 특성화하였다. 이식된 장치는, 고유의 것과 어느 정도 유사성을 가지고, 반월판 절제술(meniscectomy)보다 하중-분산 성질을 개선하였고, 그리고 임플란트 크기 조정과 관련된 문제가 발견되지 않았다.

이제 도 17을 참조하면, 연성 조직(예를 들어, 섬유연골 조직) 임플란트(예를 들어, 도 1의 임플란트(100) 또는 도 4의 임플란트(400))를 제조하기 위한 예시적인 방법(1700)의 흐름도가 제공된다. 방법(1700)은 도 5의 시스템(500) 및/또는 도 10의 컴퓨팅 장치(1000)에 의해서 실시될 수 있다. 방법(1700)은 1702로 시작되고, 프로세서(예를 들어, 도 5의 프로세서(504) 및/또는 도 10의 CPU(1004))가 적어도 AP 격실 길이, ML 격실 폭, 및 가중 인자(W)를 특정하는 제1 데이터를 수신하는 1704로 계속된다. 다음에 1706에서, 프로세서는 제1 데이터를 이용하여 목표 연성 조직 임플란트를 규정하는 제2 데이터를 생성한다. 목표 연성 조직 임플란트는 대상 내의 생물학적 연성 조직을 대체하도록 설계된 지지체(예를 들어, 도 1의 지지체(102) 또는 도 4의 지지체(402)) 및 지지체에 대한 구조적 지지를 제공하도록 설계된 보강 매트릭스(예를 들어, 도 1의 보강 매트릭스(120) 또는 도 4의 매트릭스(404))를 포함한다. 이어서, 프로세서는 1708에서 복수의 노드 위치를 이용하여, 목표 연성 조직 임플란트의 형상을 기초로 하는 형상을 가지는 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하기 위한 계획된 제직 경로를 결정한다. 연성 조직 임플란트의 제조를 초래하는 후속 제직 동작의 실시를 돕기 위해서, 계획된 제직 경로를 규정하는 정보가 프로세서로부터 외부 출력 장치(예를 들어, 도 5의 제직 기계(520))로 통신된다. 일부 시나리오에서, 외부 출력 장치는, 계획된 제직 경로에 따라 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하는 제직 기계이다. 대안적으로 또는 부가적으로, 외부 출력 장치는 (도 10의 상자(1002)에 도시된 바와 같은) 디스플레이 또는 프린터이다.

1708 완료 시에, 실제 전방 폭, 실제 후방 폭, 및 실제 신체 폭을 기초로 가중 인자(W)를 최적화하기 위해서, 선택적인 동작(1710)이 실시된다. 가중 인자(W)는, 전방 영역, 후방 영역 및 신체 영역 내의 희망 임플란트 폭과 실제 임플란트 폭 사이의 오류를 최소화하는 값을 식별하기 위한 평균 제곱근 오류 알고리즘을 이용하여 최적화된다. 평균 제곱근 오류 알고리즘은 전술한 특정 수학식(3)에 의해서 규정된다. 방법(1700)은 또한 선택적으로: (1712에 의해서 도시된 바와 같이) 시뮬레이트된 분절 표면을 생성하기 위해서 계획된 제직 경로를 이용하여 후속 제직 동작을 시뮬레이트하는 단계; (1714에 의해서 도시된 바와 같이) 시뮬레이트된 분절형 표면을 연성 조직 임플란트로 대체하기 위한 연성 조직의 화상에 중첩시키는 단계; 및 (1716에 의해서 도시된 바와 같이) 그러한 중첩 결과의 분석을 기초로 계획된 제직 경로를 조정하는 단계를 포함할 수 있다. 다음에, 방법(1700)이 종료되거나 다른 프로세싱이 실시되는 1718이 실시된다.

특정한 구현예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 이러한 구현예가 단지 본 발명의 원리 및 적용을 예시한 것임을 이해할 수 있을 것이다. 그에 따라, 이하의 청구항에서 규정된 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도, 수 많은 수정이 예시적인 구현예에 대해서 이루어질 수 있다는 것 그리고 다른 배열이 안출될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

연성 조직 임플란트 제조 방법으로서:
프로세서에 의해서, 적어도 하나의 연성 조직 치수 및 가중 인자(W)를 특정하는 제1 데이터를 수신하는 단계;
상기 프로세서에 의해서, 상기 제1 데이터를 이용하여, 대상 내의 생물학적 연성 조직을 대체하도록 설계된 지지체 및 상기 지지체에 구조적 지지를 제공하도록 설계된 보강 매트릭스를 포함하는 목표 연성 조직 임플란트를 규정하는 제2 데이터를 생성하는 단계;
상기 프로세서에 의해서, 상기 제1 데이터를, 상기 연성 조직 임플란트를 제조하기 위한 후속 제직 동작에서 이용되는 기부 표면을 위한 노드 구성을 특정하는 다차원적 공간 내의 복수의 노드 위치 좌표로 변환하는 단계;
상기 프로세서에 의해서, 상기 복수의 노드 위치를 이용하여, 상기 목표 연성 조직 임플란트의 형상을 기초로 하는 형상을 가지는 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하기 위한 계획된 제직 또는 프린팅 경로를 결정하는 단계; 및
상기 연성 조직 임플란트의 제조를 초래하는 상기 후속 제직 또는 프린팅 동작의 수행을 돕기 위해서, 상기 계획된 제직 또는 프린팅 경로를 규정하는 정보를 상기 프로세서로부터 외부 출력 장치로 통신하는 단계를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 연성 조직은 섬유연골 조직을 포함하고, 상기 연성 조직 치수는 전방-후방("AP") 격실 길이 및 내측-외측("ML") 격실 폭 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 외부 출력 장치는, 상기 계획된 제직 경로에 따라 상기 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하는 제직 기계인, 방법.
제1항에 있어서,
상기 외부 출력 장치가 디스플레이 또는 프린터인, 방법.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 실제 전방 폭, 실제 후방 폭, 및 실제 신체 폭을 기초로 상기 가중 인자(W)를 최적화하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제5항에 있어서,
상기 가중 인자(W)가, 전방 영역, 후방 영역 및 신체 영역 내의 희망 임플란트 폭과 실제 임플란트 폭 사이의 오류를 최소화하는 값을 식별하기 위한 평균 제곱근 오류 알고리즘을 이용하여 최적화되는, 방법.
제6항에 있어서,
상기 평균 제곱근 오류 알고리즘이 이하의 수학식에 의해서 규정되고

여기에서, RMSError는 평균 제곱근 오류를 나타내고, ANT_des는 희망 전방 폭을 나타내고, ANT_act는 실제 전방 폭을 나타내며, BOD_des는 희망 신체 폭을 나타내며, BOD_act는 실제 신체 폭을 나타내고, POS_des는 희망 후방 폭을 나타내고, POS_act는 실제 후방 폭을 나타내는, 방법.
제1항에 있어서,
상기 프로세서에 의해서, 시뮬레이트된 분절 표면을 생성하기 위해서 상기 계획된 제직 경로를 이용하여 상기 후속 제직 동작을 시뮬레이트하는 단계를 더 포함하는, 방법.
제8항에 있어서,
상기 시뮬레이트된 분절형 표면을 상기 연성 조직 임플란트가 대체하고자 하는 연성 조직의 화상과 중첩시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
제9항에 있어서,
상기 중첩시키는 단계의 결과의 분석을 기초로 상기 계획된 제직 경로를 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
프로세서; 및
상기 프로세서가 연성 조직 임플란트 제조 방법을 실시하게 하도록 구성된 프로그래밍 명령어를 포함하는 컴퓨터-판독 가능 저장 매체를 포함하고,
상기 프로그래밍 명령어는:
적어도 하나의 연성 조직 치수 및 가중 인자(W)를 특정하는 제1 데이터를 수신하게 하고;
상기 제1 데이터를 이용하여, 대상 내의 생물학적 연성 조직을 대체하도록 설계된 지지체 및 지지체에 구조적 지지를 제공하도록 설계된 보강 매트릭스를 포함하는 목표 연성 조직 임플란트를 규정하는 제2 데이터를 생성하게 하고;
상기 제1 데이터를, 상기 연성 조직 임플란트를 제조하기 위한 후속 제직 또는 프린팅 동작에서 이용되는 기부 표면을 위한 노드 구성을 특정하는 다차원적 공간 내의 복수의 노드 위치 좌표로 변환하게 하며;
상기 복수의 노드 위치를 이용하여, 상기 목표 연성 조직 임플란트의 형상을 기초로 하는 형상을 가지는 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하기 위한 계획된 제직 또는 프린팅 경로를 결정하게 하고; 그리고
상기 연성 조직 임플란트의 제조를 초래하는 후속 제직 또는 프린팅 동작의 수행을 돕기 위해서, 상기 계획된 제직 또는 프린팅 경로를 규정하는 정보를 외부 출력 장치로 통신하게 하는; 명령어를 포함하는, 시스템.
제11항에 있어서,
상기 연성 조직은 섬유연골 조직을 포함하고, 상기 연성 조직 치수는 전방-후방("AP") 격실 길이 및 내측-외측("ML") 격실 폭 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
제11항에 있어서,
상기 외부 출력 장치는, 상기 계획된 제직 경로에 따라 상기 인터레이스드 섬유 구조물을 형성하는 제직 기계인, 시스템.
제11항에 있어서,
상기 외부 출력 장치가 디스플레이 또는 프린터인, 시스템.
제11항에 있어서,
상기 프로그래밍 명령어는 실제 전방 폭, 실제 후방 폭, 및 실제 신체 폭을 기초로 상기 가중 인자(W)를 최적화하기 위한 명령어를 더 포함하는, 시스템.
제15항에 있어서,
상기 가중 인자(W)가, 전방 영역, 후방 영역 및 신체 영역 내의 희망 임플란트 폭과 실제 임플란트 폭 사이의 오류를 최소화하는 값을 식별하기 위한 평균 제곱근 오류 알고리즘을 이용하여 최적화되는, 시스템.
제16항에 있어서,
상기 평균 제곱근 오류 알고리즘이 이하의 수학식에 의해서 규정되고

여기에서, RMSError는 평균 제곱근 오류를 나타내고, ANT_des는 희망 전방 폭을 나타내고, ANT_act는 실제 전방 폭을 나타내며, BOD_des는 희망 신체 폭을 나타내며, BOD_act는 실제 신체 폭을 나타내고, POS_des는 희망 후방 폭을 나타내고, POS_act는 실제 후방 폭을 나타내는, 시스템.
제11항에 있어서,
상기 프로그래밍 명령어는 시뮬레이트된 분절 표면을 생성하기 위해서 상기 계획된 제직 경로를 이용하여 상기 후속 제직 동작을 시뮬레이트하게 하는 명령어를 더 포함하는, 시스템.
제18항에 있어서,
상기 프로그래밍 명령어는 상기 시뮬레이트된 분절형 표면을 상기 연성 조직 임플란트가 대체하고자 하는 연성 조직의 화상과 중첩시키게 하는 명령어를 더 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서,
상기 프로그래밍 명령어는 상기 중첩의 결과의 분석을 기초로 상기 계획된 제직 경로를 조정하게 하는 명령어를 더 포함하는, 시스템.