Ⅰ. 서 론
최근 개발된 3D 프린터는 새로운 제조 기술의 혁명을 불 러오고 있다. 특히, 개인 맞춤형 의료 장비의 경우 3D 프린 터는 각 개인마다 서로 다른 인체 내의 다양한 3차원 모양을 그대로 재연해 줄 수 있는 장점으로 다양한 의료 현장에서 활용되기 시작하였다. 이를 위해서, 생체 내 해부학적인 특 징을 잘 나타내어 줄 수 있는 컴퓨터단층영상(Computed topography; CT)과 자기공명영상(Magnetic resonance imaging; MRI)을 활용한 생체 내 조직에 재구성을 위한 3D 프린터의 활용 분야는 무궁무진하다고 볼 수 있다. 특히, 2012년 Barry Berman이 “3D 프린터: 새로운 산업혁명”의 주제로 발표한 내용 중, 소형 맞춤형 제품인 보청기 등다양 한 의료기구의 경우 그 모양의 정확성을 높일 수 있고, 개인 맞춤형 소량 생산이 가능한 영역으로 3D 프린터의 활용 가 치가 높다고 소개하였다[1].
개인 맞춤형 의료기구 제작을 위해서는, 우선 CT 혹은 MRI로 촬영된 환자의 해부학적 영상 데이터를 바탕으로 여 러 단계의 영상처리 과정을 거친 후, 개인의 3차원 생체 기 관 형태를 축출하게 된다[2]. 이렇게 축출된 다양한 생체 조 직 형태는 실제 의료용 도구 혹은 물질로 제작하게 되어 환 자 맞춤형 의료 기구로써 편의성을 극대화 시킨다. 이를 통 해 환자의 의료기구 사용에 대한 만족도를 매우 높일 수 있 다. 그러나 환자 맞춤형 보청기의 경우 제작 시간이 길 수 있다는 의구심을 가질 수 있었다. 2010년 Alpern은 CAD 소 프트웨어를 이용하여 수 시간 이내에 환자의 개인 맞춤형 보청기를 만드는 것을 선보여 이를 증명하여 그 활용 잠재 성을 확보하였다[3-10].
최근, 국내의 3D 프린터 기반 정보처리 및 영상 축출 기 술은 아직 해외 수준에 미치지 않고, 이와 관련된 전문 소프 트웨어 등의 부재로 인하여 창의적인 아이디어를 가진 방사 선사의 연구 활동을 제한하게 되어 새로운 연구의 진행을 더디게 하고 있다.
본 연구에서는 국내의 3차원 의료기구 개발 연구의 활성 화를 위해서 CT/MRI-영상을 기반으로 3차원 모형 축출 기 술 중, 기하학적 특징(geometry feature)을 파악할 수 있는 그래픽 유저 인터페이스(graphic user interface; GUI)기 반 공개 소프트웨어를 개발 및 무료로 배포하고자 하였다. 이를 통해서, 3차원 프린터와 관련된 연구를 진행하고자 하 는 연구자의 임상 연구 성과를 더욱 신속하게, 그리고 정확 하게 성취할 수 있도록 하고자 한다.
Ⅱ. 방 법
1. 3차원 인체 모델
인체 내 기관 모형을 CT/MRI 데이터로 획득하기 위해서는 Fig. 1과 같은 절차를 거쳐야한다. “CT/MRI scan”과정에서 는 충분한 해상도와 영상 질을 가지는 해부학적 영상 데이터 를 획득하도록 파라메터(parameter)를 적절히 설정하여 영 상을 획득한다. “Pre-Processing”과정은 3차원 영상 분할 전 영상 분할의 정확성을 높이기 위해서 전처리 과정을 거쳐 영상을 매끄럽게 하거나, 적용하는 영상처리 기법에 따라 노 이즈를 제거 및 영상 개선 과정을 포함한다. “Segmentation” 과정은 특정 생체 조직(bio tissue)을 구분하여 원하는 모형 을 분할하여 만드는 과정이다. 이를 위해서, 히스토그램만을 기반으로 한 문턱치(global thresholding) 기법과 문턱치 기 법을 응용한 영역 확장(region growing)기법 등이 활용될 수 있으며, 경우에 따라서는 전문가가 수작업(manual)으로 하거나, 변형모델(deformable Model)등이 적용될 수 있다. “3D mesh tessellate”과정은 분할된 생체 영역의 외부 표면 영역을 삼각형 요소 (try-mesh element)와 점(vertex)으로 변형하는 삼각분할(triangulation)을 하는 과정을 의미한다. “Display”과정은 최종 삼각분할 된 삼각형-메쉬(tri-mesh) 모델을 3차원 영상으로 표현해 주는 것을 나타내며, 이후 “Analysis”과정을 통해서 개인별 생체 조직의 형태, 특징 등 을 수치적으로 파악할 수 있다.
2. 표면 투명도(face alpha)
3차원 메쉬모델(3D mesh model)을 기반으로 생체 조직 을 표현할 경우, 특히 환자 개인의 생체조직 모형에 최적화 된 개인 맞춤형 의료기구의 제작을 위해 3차원 모델을 만들 경우에는 환자의 실제 생체조직 모형보다 다소 작게/크게 조직의 외형을 제작해야 하는 경우가 발생한다. 예를 들어 보청기의 경우에는 생체 조직보다 미세하게나마 작게 제작 되어야 편의성이 극대화 되며, 외골격(exoskeleton) 보조 기구의 경우 생체조직보다 다소 크게 제작되어야 한다. 이 러한 특징을 반영해서 생체 조직 모델을 그래픽으로 표현하 기 위해서는 서로 다른 두 개 이상의 3차원 메쉬 모델(mesh model)을 중복 표현해야 하는 경우가 발생한다. 이를 하나 의 화면에서 확인하기 위해서는 외부 모델 (outer mesh model)의 표면에 투명도를 적용할 수 있는 기능이 필요하 다. 이를 위해서 “face alpha” 기능을 본 소프트웨어에 적용 하였다. “face alpha” 값은 항상 [0 – 1]의 값으로 존재해야 하며, ‘0’은 완전히 투명하게 하는 것을 나타내고 ‘1’의 값은 완전히 불투명하게 만들어 내부의 존재하는 모델을 볼 수 없게 만드는 것을 의미한다.
3. 유클리드 거리(Euclidean distance)
생체조직 모델의 기하학적 특징 정보를 분석하기 위해서 는, 점과 점 사이의 3차원 공간거리를 측정하는 기능이 필 요하다. 이를 위해서 직각좌표계를 기반으로 하는 3차원 삼 각형 메쉬 모델에서 기하학적 공간 거리의 측정을 위한 유 클리드 거리 계산 공식을 아래의 식(1)과 같이 적용하였다.
여기서, d() 함수는 거리를 구하는 함수이며, d(p,q)는 3 차원 상에서 p점과 q점의 사이의 유클리드 거리를 나타낸 다. 수식에서와 같이 d(p,q)와 d(q,p)는 시작점과 끝점이 바뀌었을 뿐 두 점사이의 거리는 같다. q1은 3차원 공간에 서 x축의 좌표, q2는 y축의 좌표, q3는 z축의 좌표를 나타 낸다.
4. 3D Angle estimation
각각의 환자들마다의 생체조직의 기하학적 모양은 매우 다양하다. 생체나의 관절과 관절 사이의 각도, 머리와 목 사 이의 거북목 증후군(turtle neck syndrome) 등을 파악하기 위한 각도, 또는 부러진 뼈 사이의 각도 등 서로 다른 두 기 하학적 구성을 가지는 직선의 각도를 계산하거나, 또는 기 타 다양한 생체 조직사이의 각도의 특징을 파악하기 위해서 내적(inner product)을 이용하였다. 이는 두 개의 서로 다 른 선(=벡터: vector)의 각도를 계산하는 방법으로 아래의 식(2)를 통해 계산할 수 있다.
여기서 ‘∙’은 내적(inner product) 연산을 나타내며, “||p||”은 p의 절대값을 나타낸다. p의 계산과정에서 이를 점 또는 벡터로 이해하여도 무방하다.
5. GUI software design
본 연구에서 3차원 인체 모형의 특징을 분석용 소프트웨어 는 Matlab 2017b (MathWorks, USA)을 기반으로 개발되었 다. 소프트웨어의 사용자 인터페이스 그래픽 디자인은 ‘guide’ 함수를 적용하여 버튼과 axis등을 구성하였으며, 각 각의 영상 및 특징 분석용 기능들은 개별적으로 직접 코딩하 여 작성하였다. Fig. 2는 제작된 소프트웨어 전체 화면을 나 타낸 것이다. 제작된 소프트웨어는 현재 무료로 배포하고 있 으며, MATLAB이 없는 사용자도 사용할 수 있도록 실행파일 형태로 제작되었다. 아래의 웹사이트에서 무료로 다운로드 받아서 설치 후 특징 분석용 소프트웨어로 사용할 수 있다. [https://sites.google.com/site/dsucore/free/earshell_ software]
Ⅲ. 결과 및 토의
1. GUI software
본 연구에서 제작된 3차원 생체조직 특징 분석용 소프트 웨어는 Fig. 3에 나타나 있는 것과 같이, 기본적으로 3차원 인체 데이터를 불러오는 기능(Read Data)과 초기화 하는 기능(Reset Data) 그리고 표시된 3차원 메쉬 모델 그림의 투명도를 설정하는 기능 (Face alpha)등이 제공되며, 이후 분석과정에서는 3차원 모델을 회전하는 기능(3D rotation) 과 확대-축소 기능(Zoom Mode), 그리고 특정 점에 대한 정보를 획득할 수 있는 커서 모드(Cursor Mode)등을 제공 한다.
2. 특징 분석
3차원 생체조직 모델의 특징은 해부학적인 위치의 거리 및 각 각의 거리를 이루는 벡터들 사이의 각도 등이 기본적으로 사용되어야 한다. 따라서 제작된 GUI 소프트웨어에 기능인 [Cursor Mode]를 이용하여 생체조직의 특징을 나타내는 점 의 정보를 “element number” 및 x, y, z축의 위치 정보를 바탕으로 기하학적인 특징을 분석 및 결과를 구할 수 있다. CT/MRI-영상으로부터 재구성된 생체조직 모형의 해부학적 특징 점(point)을 마우스 클릭만으로 간단히 지정할 수 있으 며, 이 점의 “element number”를 [Line Number #1] 또는 [Line Number #2]에 입력한다. 이 결과 Fig. 4와 같이 각 벡터들의 거리와 두 벡터가 이루고 있는 각도(angle)를 확인 할 수 있다.
본 소프트웨어는 개인 맞춤형 생체조직 모형을 바탕으로 다양한 수치적 특징을 분석할 수 있도록 도와준다. 현재 국 내외에 개인 맞춤형 보청기는 초고령화 사회로 급격히 변화 하는 시대적 흐름에 따라 그 수요는 급격히 증가할 것이다. 또한, 급격히 늘어나는 노인 난청 환자들의 삶의 질을 높일 수 있는 환자 개인 맞춤형 보청기 제작에 주요한 정보를 제 공할 수 있을 것으로 기대된다. 이는 노인성 난청에 대해 보 청기가 유의미하게 효과적이며 기술에 대한 수요가 지속적 으로 급격히 늘어날 것이라고 과거부터 예상해 왔으며[11], 이외 다양한 생체 조직 영상은 환자 맞춤형 장비의 개발에 널리 활용될 수 있을 것이라 예상되므로, 국내 기술의 시 급한 연구 및 개발의 필요성을 피력한다. 그러나 국내에 CT/MRI-영상을 기반으로 하는 관련 기술들은 몇몇 연구자 들이 개별 연구실에서 연구가 진행 중에 있으며, 모든 연구 그룹이 함께 공유 및 협력하여 빠른 연구 성과를 얻을 수 있 도록 지원하는 연구가 필요하지만 현재 거의 이루어지고 있 지 않는 실정이다. 이에 본 연구를 지속적으로 진행하여 현 재의 분석단계 뿐만 아니라, 측정된 CT/MRI-영상에서 전 처리, 분할, 삼각분할 등의 기능도 지속적으로 연구 개발하 여 총괄적인 생체조직 3차원 영상 분석 기술을 확보해 나갈 예정이다.
현재 대부분의 의료영상 측정 장비는 DICOM형태로 데이 터가 저장되고 있는 상황이다. 본 논문에서는 DICOM을 기 반으로 영상의 3차원 모델을 축출하는 내용을 설명하였다. 그러나 내용의 복잡성을 피하고, 3D 영상 특징 평가 및 구 현에 집중하여 독자의 이해를 돕고자 STL부터 사용 및 그 특징에 대한 활용 방안에 대해서 집중하였다. 추후, DICOM 영상의 3D 삼각형 모델 구현 부분에 대해서도 추가적인 연 구를 진행하여 구현할 예정이다. 현재, 의료용으로 무료로 배포되고 있는 다양한 임상 연구 분야에 활용될 수 있는 소 프트웨어들이 다음과 같이 존재한다. 비록, 3D-doctor (Able Software Corp, US), within Medical (AutoDesk, US), Medical Design Studio (Anatomage, US), Ossa 3D (Conceptualiz, Canada), D2P(3D system, Israel)등의 외 국계 기업의 소프트웨어가 존재하지만, 대부분 해부학적 길 이만을 측정하거나, 특정 조직의 3D Printing을 위한 STL 축출 기능만을 제공하고 있어, 본 연구에서 개발된 특징 축 출과는 차이점이 존재한다.
본 연구에서 개발된 GUI 소프트웨어는 추후 한국인 혹은 특정 민족의 생체조직 형태의 표준특징들을 파악하는데 활 용될 수 있다. 현재 한국인의 생체조직 특징에 대한 연구는 거의 이루어져 있지 않으며, 이러한 현황은 표준모델을 기 반으로 하는 다양한 한국인만의 특징을 나타내는 것에 어려 움이 있다. 예를 들어서 두개골 및 내/외이도 형태에 따라서 소리 진동의 전파 특성은 다르다. 즉 한국인이 가지는 표준 적인 내/외이도의 특성이 어떠하냐에 따라 한국인의 경우 특정 주파수의 소리 전달이 다른 주파수대비 높거나 낮은 것을 파악할 수 있다. 또한, 한국인의 각기 다른 생체 조직 의 형태를 파악함으로써 다양한 한국인들만의 특징을 파악 하는데 활용 가능성이 높다. 비록 미세한 현상일지라도 다 른 응용분야에 활용될 수 있는 기초 자료를 형성하는데 본 소프트웨어의 활용이 기대된다.
Ⅳ. 결 론
본 연구에서는 CT/MRI로부터 촬영된 의료영상으로부터 추출된 3D 메쉬 모델을 표현하고, 특징을 파악할 수 있는 3 차원 GUI소프트웨어를 개발하였다. 개발된 소프트웨어는 CT/MRI-영상 데이터로부터 형성된 3차원 생체조직 모형 을 기반으로 각 모형의 점 사이의 거리 및 특정 선 또는 벡 터 영역사이의 각도를 계산하여 3차원으로 생체조직의 모형 에 표시함과 동시에 수치적인 결과를 나타내도록 하였다. 이러한 결과는 향후 생체조직의 형태 분석에 널리 활용되어 개인 맞춤형 의료 기구를 필요로 하는 환자를 위한 형태 분 석 연구 활성화에 도움이 될 것이라 기대된다.
