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문제 정의
- 렌더링된 파일은 그 자체로는 해석 및 측정이 불가능한 이미지 파일이기 때문에 렌더링 후 작업이 가능한 형태의 파일로 저장시킨다. 본 연구에서는 여러 가지 형태의 파일 포맷으로 입출력이 가능하고 형상 분석이 간편하며 많은 메쉬의 처리가 가능한 Rhino 3D 프로그램을 사용하여 연구를 진행하였다.
- 생성된 3차원 모델을 분석하여 나이, 성별에 따른 한국인의 무릎 관절 형상 자료를 제시하고 새로운 측정 방법과 기준을 제시하고자 한다. 3차원 모델의 경우 2차원 영상이 가진 한계를 극복할 수 있으며 다양한 시뮬레이션의 자료로 활용돼 시술 전과 후의 무릎 관절의 해석에도 큰 도움이 된다.
- 경골의 해부학적 특징 중 하나는 내과가 외과보다 큰 구조로 되어있다. 이 점을 모델의 유용성을 평가하는 기준으로 잡았다. 즉 내과의 최장 거리를 잇는 직선이 면적 중심을 지나는 수평선과 수직을 이루도록 2차원 모델을 회전시켜 각 모델 간의 측정의 공통 기준으로 삼았다.
제안 방법
- (1) 무릎 관절 해석과 형상 측정이 가능한 3차원 모델을 구축하였다. 구축된 모델은 보행 시뮬레이션과 인공 관절 치환 시의 해석, 치환 후 가동 범위 해석 등 무릎 관절 관련 해석에 쓰일 수 있다.
- (2) 3차원 모델을 이용한 한국인 무릎 관절의 형상과 향후 3차원 모델을 이용한 인체 자료 획득시의 처리 방법 및 기준 설정에 관한 방안을 제시하였다.
- (3) 구축한 모델과 설정한 기준에 따라 10명의 무릎 형상의 표준 형상을 측정해서 자료화하였다. 이전의 발표된 실제 사람의 무릎 관절을 측정한 모델의 형상 치수 결과와 비교를 통해 모델의 형상 오차를 검토하였다.
- 측정 부위가 선택되면 2차원 평면 모델을 만든다. 2차원 모델을 생성한 후 측정의 기준을 잡기 위해 2차원 모델을 수정하였다.
- Table 3에 실제 한국인의 무릎관절 치수(Real), 방사선 사진에서의 무릎관절 치수 (Radiological), 구축한 모델(3D model)에서 우측 대퇴골의 측정값을 비교하였다. 실측값보다 전체적으로 크지만 폭에 대한 길이의 비를 고려해 볼 때 전체적 인형상은 유사한 결과를 보인다.
- 그러나 점 데이터 수를 감소시킬수록 곡선의 표현이 직선화가 되는 부분이 많아져 형상왜곡이 일어난다. 그래서 윤곽 추출 후 명도 차이에 의한 부분을 삭제하고 점 데이터 수의 감소작업으로 인한 형상 왜곡과 불완전한 윤곽에 대해서 수정작업을 행했다. 모델의 크기를 줄이기위해 CT를 통한 외곽선을 얻고 외곽선을 기준으로 수작업을 통하여 외곽선 노드를 찍어 각 평면당 외곽선 형상 자료에 수정을 가하는 작업을 수행하였다.
- 따라서 외과를 기준으로 선택한 인공 삽입물의 경우 내과 쪽의 여유 공간으로 인한 고정문제가 제기되고, 내과를 기준으로 선택한 인공 삽입물의 경우 외과 쪽의 삽입물 돌출로 대퇴골과의 충돌과 건 파열 등의 문제를 일으킬 수 있다. 그래서 좌우 대칭적인 평균 형상이나 비대칭 삽입물의 제작을 위해 양쪽 과의 최장거리를 측정 기준으로 선택했다.
- 별개로 이루어졌었다. 그러나 본 연구에서 제시한 3차원 모델을 이용하는 방법으로 각 단계를. 하나의 모델로 순차적으로 행할 수 있어 비용과 시간을 절감하면서 다양한 연구가 가능하게 되었다.
- 그리고 경골의 측정 부위를 선정해 측정한다. 경골의 해부학적 특징 중 하나는 내과가 외과보다 큰 구조로 되어있다.
- 6에 세 가지 측정 부위를 나타내었다. 대퇴골의 가장 특징적인 세 가지 치수인 외측과의 높이(LH), 내측과의 높이(MH), 그리고 양쪽과의 후방향으로 함몰된 부위인 과간융기(intercondylar eminence)를 지나는 수평선의 길이인 관절폭(W) 을 기준으로 선택하여 측정하였다. 선행 연구에서 행한 실측과 CT나 방사선 사진과 같은 2차원평면 자료를 이용한 측정에도 본 연구에서와 같은 기준을 사용했다.
- 최대 높이는 슬개골 저에서 슬개골첨까지의 수직거리이다. 두께의 측정은 슬개골의 형태가 전-후면 대칭형이 아니기 때문에 최소 두께와 최대 두께가 나오는 Tl, T2, 그리고 T3의 세 점에서 대상을 측정하여 평균 두께를 구했다.
- 따라서 본 연구에서는 많은 수의 메쉬 처리가 용이하고, 3차원 공간상에서 작업 능력이 뛰어나며, 처리 속도가 빠른 Rhino 프로그램을 사용하여 측정을 행하였다. 보다 나은 속도와 측정의 안정성을 위해 전체 무릎 관절 모델에서 슬개골, 대퇴골, 경골의 형상을 분리하여 따로 저장한 후에 측정을 행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결할 수 있도록 2차원 영상을 통한 3차원 모델을 생성하였다. 생성된 3차원 모델을 분석하여 나이, 성별에 따른 한국인의 무릎 관절 형상 자료를 제시하고 새로운 측정 방법과 기준을 제시하고자 한다.
- CT 단면의 적층으로 인해 제일 바깥 지점의 높이는 실제 뼈의 높이가 아닌 촬영 간격의 높이로 결정된다. 또 경골에서 발생한 질환 치료를 위해 인공 관절 치환 시에 경골상단부를 절단하기 때문에 과간 융기의 높이 보다는 단면형상과 크기에 중점을 두고 측정을 행하였다.
- 그래서 윤곽 추출 후 명도 차이에 의한 부분을 삭제하고 점 데이터 수의 감소작업으로 인한 형상 왜곡과 불완전한 윤곽에 대해서 수정작업을 행했다. 모델의 크기를 줄이기위해 CT를 통한 외곽선을 얻고 외곽선을 기준으로 수작업을 통하여 외곽선 노드를 찍어 각 평면당 외곽선 형상 자료에 수정을 가하는 작업을 수행하였다. 모델링시 사용한 메쉬 수는 7, 724개, 점 데이터 수는 23, 172개가 사용되었다.
- 측정을 행하였다. 보다 나은 속도와 측정의 안정성을 위해 전체 무릎 관절 모델에서 슬개골, 대퇴골, 경골의 형상을 분리하여 따로 저장한 후에 측정을 행하였다. 이 경우에도 본래의 좌표값은 변하지 않아 상대적 위치값의 변화는 없었다.
- 수정이 끝난 모델을 가지고 내과와 외과의 수직 최장 거리와 면적 중심을 지나는 수평선의 길이로 폭의 치수를 측정하였다. 내과와 외과의 측정 기준 선택의 이유는 인공 관절의 선택에 있다.
- 슬개골의 형상도 무릎 관절 전치환술에 있어서 유념해야 할 사항을 토대로 형상을 측정하였다. 치환시 유념해야 할 사항으로는 (1) 균형 있는 신전기전의 회복, (2) 대칭적인 슬개 관절면의 절개, (3) 수술후에도 이전의 슬개골 두께를 유지하는 것이 중요하다.
- 이 두점을 연결하는 선이 수직을 이루도록 3 차원 모델을 회전시켜 측정을 수행하였다.
- 그러나 수평 단면 정보를 가지고 있는 CT 사진을 기반으로 생성된 모델의 특징을 유지하기 위해 형상 자체의 기울기나 비틀림의 수정을 통한 전체 형상의 일치를 시도하지는 않았다. 이런 요소들로 인한 측정 오차를 줄이기 위해 2~3개의 측정 부위를 선정해 평균을 내었다.
- 이전의 발표된 실제 사람의 무릎 관절을 측정한 모델의 형상 치수 결과와 비교를 통해 모델의 형상 오차를 검토하였다.
- 인공 관절 크기의 중요성을 고려해 대퇴골에서 측정할 세 기준을 선택하고, 형상 기준을 맞춘후 치수를 측정한다. 치수 측정 후 대퇴골 평균형상을 얻기 위해 점을 생성한 후 각 점들의 위치 좌표를 출력하였다.
- 왜곡되어 있었다. 정확한 한국인의 무릎 형상 자료를 확보하기 위해 임상의의 경험을 토대로 왜곡이 있는 자료에 대하여 Rhino에서 점의 위치를 이동하여 골화된 부위를 제거하였다. Fig.
- 이 점을 모델의 유용성을 평가하는 기준으로 잡았다. 즉 내과의 최장 거리를 잇는 직선이 면적 중심을 지나는 수평선과 수직을 이루도록 2차원 모델을 회전시켜 각 모델 간의 측정의 공통 기준으로 삼았다.
- 즉 완전한 평면 형상이 처음 나오는 부분에서 측정하였다. CT 단면의 적층으로 인해 제일 바깥 지점의 높이는 실제 뼈의 높이가 아닌 촬영 간격의 높이로 결정된다.
- 치수를 측정한다. 치수 측정 후 대퇴골 평균형상을 얻기 위해 점을 생성한 후 각 점들의 위치 좌표를 출력하였다. 구해진 좌표를 Rhino에 입력해 전체 형상으로 통합하였다.
대상 데이터
- 모델의 크기를 줄이기위해 CT를 통한 외곽선을 얻고 외곽선을 기준으로 수작업을 통하여 외곽선 노드를 찍어 각 평면당 외곽선 형상 자료에 수정을 가하는 작업을 수행하였다. 모델링시 사용한 메쉬 수는 7, 724개, 점 데이터 수는 23, 172개가 사용되었다.
- 본 연구에서는 부산대학 병원 정형외과에서 제공한 10인의 우측 무릎 관절 CT사진을 이용하여 3차원 형상을 구축하고 측정을 행했다. 평균 연령은 69.
이론/모형
- 본 연구에서도 무릎 관절 부위의 CT 영상에서 뼈의 윤곽만을 추출하기 위해 이진화 방법을 사용했다. 정확한 윤곽의 추출을 위해서는 각 뼈의 CT 명도를 알아야 한다.
성능/효과
- 3 차원 대퇴골 모델은 크기에서 오차는 있지만 외측과의 높이가 내측과보다 크다는 해부학적 특징을 만족한다. 이 자료를 토대로 구한 한국인 대퇴골의 표준 치수는 Table 2와 같다.
- 나이 에 따른 대퇴골의 측정값과 수술 중 실제로 측정한 결과를 비교한 그래프이다. 전체적으로는 남성이 여성보다 크고, 나이가 작은 사람이 많은 사람보다 크다는 대퇴골의 해부학적인 특성을 나타냈다.
- 측정 결과 남성과 여성의 평균 두께는 각각 24.8(1.0) mm 와 22.0(1.9) mrn 였다. 평균값과 비교해 남성은 1.
후속연구
- 그리고 더 많은 한국인에 대해 무릎모델을 구축하고 이에 대한 연구가 요구된다. 또한 영상 처리 과정에서 생기는 오차 원인의 해결방안과 폭 넓은 자료의 분석을 통한 한국인 무릎관절의 측정 기준을 세우고, 외국인 모델과의 비교를 통해 한국인의 특징적인 해부학적 무릎 모델의 제시가 필요할 것이다.
- 3차원 모델의 경우 2차원 영상이 가진 한계를 극복할 수 있으며 다양한 시뮬레이션의 자료로 활용돼 시술 전과 후의 무릎 관절의 해석에도 큰 도움이 된다. 또한 제시된 형상과 방법은 한국형 인공 관절 개발의 기초 자료로도 활용될 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 적은 수의 무릎을 대상으로 측정하였고, 질환을 가지고 있는 환자를 대상으로 하였기 때문에 오차가 발생할 수 있어 한국인 표준 형상을 나타내는 데이는 한계점을 가지고 있다.
- 이후의 연구로는 모델의 유용성에 대한 정확한 검증을 위해서 모델로 구축한 10명의 대상에 대한 실제 뼈의 측정이 이루어져 비교가 행해져야 할 것이다. 그리고 더 많은 한국인에 대해 무릎모델을 구축하고 이에 대한 연구가 요구된다.
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