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문제 정의
- 본 연구의 목적은 새로운 시스템의 개발의 필수 과정이라 할 수 있는 광량의 최적값을 얻는 것이다. LED에 가해지는 전류을 높이면 광량이 증가하게 되고 시편 내에서 정상 법랑질과 탈회 법랑질의 광도의 차이가 더욱 뚜렷해지는 양상을 관찰할 수 있다(Fig.
- 본 연구의 주안점 중의 하나는 위에서 언급한 바와 같이 소프트웨어를 통한 병소 깊이의 정량적 분석이다. 이를 위해서는 DIFOTI 영상에 미칠 수 있는 촬영 조건과 시편의 변이를 최소화하기 위하여, 촬영실의 밝기를 일정하게 유지하였고, 시편의 반을 네일 바니쉬로 도포하여 대조군으로 사용하여 객관적인 평가가 이루어 질 수 있도록 노력하였다.
- 현재 소아치과 임상에서 시험적으로 사용하고 있는 EOS사의 DIFOTITM 시스템은 몇 가지 사용의 한계와 문제점을 가지고 있다. 이에 저자는 편의성을 증대하고, 촬영 영상의 화질 개선을 도모하기 위하여 새로운 장비를 개발하기로 하였다.
- 저자는 기존 DIFOTI 시스템의 한계라 할 수 있는 부피와 무게, 고열을 발생하는 광원과 아날로그 카메라를 사용함으로써 생기는 호한성 문제 등을 개선하고자 디지털 카메라와 LED를 광원으로 한 새로운 시스템을 개발하고자 하였으며, 광원과 디지털 카메라의 최적화된 설정 값을 얻고자 본 연구를 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 저자는 기존 DIFOTI 시스템의 한계라 할 수 있는 부피와 무게, 고열을 발생하는 광원과 아날로그 카메라를 사용함으로써 생기는 호한성 문제 등을 개선하고자 디지털 카메라와 light emitting diode(LED)를 광원으로 한 새로운 시스템을 개발하고, 광원과 디지털 카메라의 최적화된 설정 값을 얻고자 본 연구를 시행하였다.
제안 방법
- DIFOTITM 시스템은 소아치과 진료실에서 형광등 하에서 시스템에 정해져 있는 설정값을 그대로 적용하였으며, 사용된 마우스 피스(mouth piece)는 구치부용을 사용하였다. 준비된 시편을 1일군부터 20일군까지 같은 날 촬영하여 장비의 편차를 최소화하였다.
- DIFOTITM(EOS Inc., USA) 시스템과 prototype DIFOTI 시스템을 사용하여 1일부터 20일간 탈회시킨 후 각 시편에 대해 두 시스템으로 촬영한 영상을 Fig. 6에서 Fig. 20에 나타내었다.
- Pilot test에서 0.2 A, 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A 그리고 2.0 A 전류 하에서 영상 촬영 결과 1.0 V 이내에서 비교적 정상 및 탈회 법랑질의 대비가 잘 나타나는 것을 확인하고 촬영 조건을 0.2 A, 0.4 A, 0.6 A 그리고 0.8 A로 설정하였다. Prototype DIFOTI 시스템으로 촬영한 영상은 640 × 480 픽셀의 16 bit 컬러 JPEG 파일이었고, 용량은 150~200 KB 정도였다.
- 시스템과 마찬가지로 모든 실험군을 같은 날 촬영하였으며, 실험실에서 형광등 하에서 진행하였다. 가변 DC 전압기(UP-3003D, Unicorn, USA)를 사용하여 LED에 가해지는 전류를 실험 계획에 따라 설정하였다.
- 각 시편에 대한 gold standard를 얻기 위하여 편광 현미경 관찰과 편광 이미지에 대한 병소 깊이를 시행하였다.
- 고정된 시편의 법랑질 표면은 #100 silicate carbide paper로 100 μm 정도 연마하여 각 시편간의 표면 조성의 차이를 최소화하도록 하였다.
- 법랑질 표면을 이등분하여 한쪽 면을 불소가 포함되어 있지 않은 네일 바니쉬로 도포하여 자연치 상태를 그대로 유지하도록 하였으며, 이것을 대조군으로 사용하였다. 나머지 반쪽 면을 실험군으로 설정하고 실험 계획에 따라 탈회 과정을 진행하였다(Fig.
- 선별되어 보관된 유치 중 구조적 결함이 없는 치아 60개를 선택하여 실험 계획에 따라 무작위로 배분한 후 처음 1주일간은 매일 5개씩, 이후 9일, 11일, 15일, 18일 그리고 20일 5개씩 무작위로 배정하였다.
- 선분석 결과값을 정상 법랑질 부위와 탈회 법랑질 부위로 나누고 해당 부위의 값을 광량으로 하여 정상 법랑질에서 탈회 법랑질의 값을 빼서 변화량을 산출하였다.
- 촬영된 영상은 영상 분석 프로그램(Able image analyzer, USA)을 사용하여 정상 법랑질과 탈회 법랑질에 대한 광도(luminosity)에 대한 선분석을 시행하였다. 선분석은 각 시편의 특성을 가장 잘 반영한 부위를 선정하여 시행하였다.
- 1% thymol 용액에 수집하도록 한 다음 30일 후 일제히 수거하였다. 수거된 유치는 24시간동안 흐르는 물에 담가 혈액이나 잔류물을 세척하고, 치아우식증이 없고 균열이나 변색이 없는 치아들을 선별하였다.
- 여러 가지 진단 방법들 중 소아 환자의 우식 특성상 제1, 2유구치의 인접면 우식증의 유발율이 높은 점을 감안하여 교익방사선 사진을 대체할 수 있는 DIFOTI 방법을 선택하게 되었다. 현재 소아치과 임상에서 시험적으로 사용하고 있는 EOS사의 DIFOTITM 시스템은 몇 가지 사용의 한계와 문제점을 가지고 있다.
- 본 연구의 주안점 중의 하나는 위에서 언급한 바와 같이 소프트웨어를 통한 병소 깊이의 정량적 분석이다. 이를 위해서는 DIFOTI 영상에 미칠 수 있는 촬영 조건과 시편의 변이를 최소화하기 위하여, 촬영실의 밝기를 일정하게 유지하였고, 시편의 반을 네일 바니쉬로 도포하여 대조군으로 사용하여 객관적인 평가가 이루어 질 수 있도록 노력하였다.
- 시스템은 50 와트 아크 램프를 광원으로 사용하기 때문에 전력 소모량이 많고 발열이 많아 소형화하거나 무선 시스템으로 구성하기에는 한계를 가지고 있다. 저자는 이러한 문제점을 개선하기 위해서 발열이 적고 효율이 높은 light emitting diode(LED)를 광원으로 선택하였다. LED는 전류 소모량이 적으며 소형화하기에도 용이한 장점이 있고 현재 국가 시책으로 에너지 절감을 위해 LED 광원을 적극 추천하고 있는 추세여서 향후 광량의 발전이 급속히 이루어질 전망이다.
- 그러나 광량이 너무 적은 경우 정상 법랑질과 탈회 법랑질의 대비가 뚜렷하지 못할 수 있고, 너무 많은 경우는 전력 소모량이 많아 소형화의 목적에 위배된다. 전류량을 0.2 A, 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A, 2.0 A 조건하에서 시험용 영상을 촬영한 결과, 1.0 A 이상에서는 정상 법랑질과 탈회 법랑질의 대비가 뚜렷하게 보였지만, 열 발생과 전력 소모량이 매우 큰 것으로 나타나, 본 실험에서는 소프트웨어적인 보안을 통해 극복할 수 있다는 전제하에 1.0 A 이하의 조건하에서 진행하였다.
- 절단된 시편의 한 쪽면을 #600, #1200, #2400 grit silicate carbide paper로 활택 연마하면서 평행을 맞춘 후 9 μm silicate carbide paper로 최종 연마하였다.
- 시스템은 소아치과 진료실에서 형광등 하에서 시스템에 정해져 있는 설정값을 그대로 적용하였으며, 사용된 마우스 피스(mouth piece)는 구치부용을 사용하였다. 준비된 시편을 1일군부터 20일군까지 같은 날 촬영하여 장비의 편차를 최소화하였다. DIFOTITM 시스템으로 촬영된 영상은 640 × 480 픽셀의 8 bit 흑백 BMP 파일이었으며, 파일 용량은 301 KB 였다.
- 준비된 시편을 디지털 편광 현미경의 스테이지에 올려놓고 물을 한 방울 떨어 뜨린 후 스테이지를 돌려 정상 및 탈회 법랑질의 이미지가 가장 잘 보이는 각도에서 디지털 영상을 촬영을 시행하여 1600 × 1200 픽셀, 24bit 컬러 이미지 파일을 얻었다.
- 촬영된 영상은 영상 분석 프로그램(Able image analyzer, USA)을 사용하여 정상 법랑질과 탈회 법랑질에 대한 광도(luminosity)에 대한 선분석을 시행하였다. 선분석은 각 시편의 특성을 가장 잘 반영한 부위를 선정하여 시행하였다.
- 촬영된 이미지를 영상 분석 프로그램을 사용하여 탈회 기간별로 병소 깊이를 측정하였다.
- 절단된 시편의 한 쪽면을 #600, #1200, #2400 grit silicate carbide paper로 활택 연마하면서 평행을 맞춘 후 9 μm silicate carbide paper로 최종 연마하였다. 최종 연마가 끝난 시편을 슬라이드 글라스 위에 고정하고 반대쪽 면도 동일한 방법으로 활택 연마하여 편광현미경 관찰용 시편을 제작하였다.
- 치아 수거는 미리 제조한 0.1% thymol 500 ml 용액을 밀폐용기에 담아 배포하고, 유치를 발거 즉시 0.1% thymol 용액에 수집하도록 한 다음 30일 후 일제히 수거하였다. 수거된 유치는 24시간동안 흐르는 물에 담가 혈액이나 잔류물을 세척하고, 치아우식증이 없고 균열이나 변색이 없는 치아들을 선별하였다.
- 7일이후부터는 9일, 11일, 15일, 18일 그리고 20일에 동일한 방법으로 법랑질 시편을 탈회 용액으로부터 꺼내었다. 탈회 기간 동안 매일 1회씩 용기를 흔들어 주었다.
- 탈회가 완료된 시편들은 각각 DIFOTITM 시스템과 prototype DIFOTI 시스템을 사용하여 법랑질 시편의 표면을 촬영 하였다.
대상 데이터
- DIFOTITM 시스템으로 촬영된 영상은 640 × 480 픽셀의 8 bit 흑백 BMP 파일이었으며, 파일 용량은 301 KB 였다.
- Prototype DIFOTI 시스템에 사용된 광원은 470 nm 파장의 청색광을 방출하는 1 와트 밝기의 LED 4개로 구성되어 있다.
- Prototype DIFOTI 시스템으로 촬영한 영상은 640 × 480 픽셀의 16 bit 컬러 JPEG 파일이었고, 용량은 150~200 KB 정도였다.
- 0 A 전류 하에서 370 mW/cm2의 광량을 낼 수 있는 LED를 사용하였다. 구성은 1 와트 LED가 4개 포함되어 있는 광원을 사용하였으며, 470 nm의 파장의 청색광을 내고 있기 때문에 캠포로퀴논을 광시기제로 사용한 복합 레진의 광중합에도 적용될 수 있다. 하지만, 복합 레진의 중합을 위해서는 광량이 다소 낮기 때문에 임상 적용을 위해서는 광량이 높은 LED의 개발이 필요하다.
- 본 연구에서는 이미 개발되어 임상에서 활용되고 있는 DIFOTITM(EOS Inc., USA) 시스템을 대조군으로 선정하였고, 단국대학교 치과대학 소아치과학교실에서 개발중인 prototype 모델을 실험군으로 사용하였다.
- LED는 전류 소모량이 적으며 소형화하기에도 용이한 장점이 있고 현재 국가 시책으로 에너지 절감을 위해 LED 광원을 적극 추천하고 있는 추세여서 향후 광량의 발전이 급속히 이루어질 전망이다. 저자가 개발한 prototype DIFOTI 시스템은 2.0 A 전류 하에서 370 mW/cm2의 광량을 낼 수 있는 LED를 사용하였다. 구성은 1 와트 LED가 4개 포함되어 있는 광원을 사용하였으며, 470 nm의 파장의 청색광을 내고 있기 때문에 캠포로퀴논을 광시기제로 사용한 복합 레진의 광중합에도 적용될 수 있다.
- 지름 3 mm의 hollow core drill(Continental Diamond Tool Corp., USA)을 사용하여 법랑질 표면에 수직이 되도록 접근시키고 주수 하에서 작동시켜 1.5 mm이상의 상아질이 포함된 법랑질 시편을 채취하였다.
- 채취된 법랑질 시편은 지름 9 mm의 레진 봉(polymethylmethacrylate resin rod)에 지름 4 mm, 깊이 10 mm의 구멍을 뚫고 자가 중합형 의치상 이장재인 Dura base(Reliance, USA)를 사용하여 고정시켰다.
이론/모형
- 치의학 분야에서는 1970년 Friedman과 Marcus5)가 광 투사법의 원리를 구강 질환의 진단에 처음 시도한 것이 치의학 분야에서 시초라 할 수 있는데, 광섬유를 이용하여 빛의 조사 위치를 자유자재로 조절할 수 있도록 장비를 개발하여 치아우식증 및 치주 질환 등의 구강 질환 진단에 매우 유용한 장비라고 보고하였다. 광섬유를 사용하였기 때문에 이 시스템을 Fiber-optic trans-illumination(광섬유 투사법, FOTI)이라 명명하였다. FOTI는 정상 조직과 비정상 조직 간의 광투과도(index of light transmission)의 차이를 이용한 것으로, 정상 조직과 치아우식증이나 치석, 수복물 등은 광투과도에 있어 확연한 차이를 보여주게 되며, 이 외에도 염증 삼출물이나 치주 조직의 진단에 매우 유용하게 사용될 수 있다5).
- 영상 관찰 및 촬영은 디지털 카메라와 함께 제공된 프로그램을 사용하였다. 저장되는 영상 파일은 16 bit 컬러로 JPEG (Joint Photographic coding Experts Group) 위원회에서 제정한 규격을 따르고 있으며, 화질 저하가 적고 압축 효율이 매우 우수한 파일 형식을 사용하였다. 이는 DIFOTITM 시스템이 사용하는 BMP 파일 형식보다 매우 효율적이다.
- 영상의 저장과 검토 기능은 함께 제공되는 환자 관리용 프로그램에서 제공된다. 저장된 영상 파일의 형식은 Bitmap (BMP, Microsoft, USA) 형식을 사용한다. BMP 파일 형식은 주로 마이크로소프트사의 윈도우즈 환경에서 널리 사용되는 것으로, 화질의 무손실이 장점이지만, 파일 용량이 크다는 단점으로 최근에는 그 사용 빈도가 줄어들고 있는 추세이다.
- 탈회 용액은 1987년 White11)의 방법에 따라 0.1 mol의 젖산과 0.2% Carbopol 907(Noveon Inc., Ohio, USA) 그리고 50%로 농축한 수산화인회석을 추가한 후 수산화나트륨으로 pH 5.0을 유지하도록 점적하면서 탈회 용액 1ℓ를 제조하였다.
성능/효과
- 1. 탈회 기간에 따라 두 시스템 모두 탈회 법랑질의 광도 (luminosity)가 감소하였다.
- 2. 광도의 변화량은 DIFOTITM이 Prototype DIFOTI 시스템보다 우수한 것으로 나타났다.
- 3. 편광현미경 관찰 소견과 비교해 볼 때, DIFOTITM은 병소 깊이와 매우 유사한 양상을 보여준 반면, Prototype DIFOTI 시스템은 병소 깊이의 변화를 충분히 반영하지 못하였다.
- 11, 12). 5일군부터 20일군까지의 prototype DIFOTI 시스템의 촬영 영상에서 시간이 지남에 따라 탈회 부위의 광도가 감소하는 양상을 관찰할 수 있었다(Fig. 13-20).
- DIFOTITM 시스템의 영상에서 4일군까지 모니터 상에서 탈회 법랑질 변화 양상에는 큰 변화가 없었으며, 이것은 편광 현미경 소견에서 병소 깊이가 40 μm 이내인 것으로 나타나 DIFOTITM 시스템이 인지할 수 있는 병소의 깊이를 40 μm 정도인 것으로 추측해 볼 수 있었다.
- Prototype DIFOTI 시스템으로 촬영한 탈회 1일군 영상에서 0.2 A, 0.4 A, 0.6 A 그리고 0.8 A에서 촬영된 영상들에서 탈회 법랑질의 변화 양상은 관찰되지 않았다(Fig. 9). 동일 조건으로 촬영한 탈회 2일군 영상에서도 1일군과 마찬가지로 탈회 법랑질의 변화 양상은 관찰되지 않았다(Fig.
- 26은 탈회 기간에 따른 광도의 변화와 병소 깊이를 중첩 시켜 나타낸 선 그래프로써 광도 변화는 좌측의 y값을, 병소 깊이는 우측의 y값을 기준으로 작성하였다. 병소 깊이의 증가와 DIFOTITM 시스템의 영상 분석 결과는 매우 흡사한 양상을 보여 DIFOTITM 시스템의 영상이 매우 안정적이며 병소 깊이의 변화를 매우 잘 반영하는 것으로 나타난 반면, prototype DIFOTI 시스템은 상대적으로 매우 저조한 변화 양상을 보여 주었다. 특히, 전류량이 낮을수록 병소 깊이의 변화 양상 반영률이 더 낮게 나타나 전류 소모량을 낮추는 것은 우식 진단능력의 저하와 연관되어 나타나므로 이에 대한 적절한 대처 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료되었다.
- 이상의 결과를 종합해보면 prototype DIFOTI 시스템이 기존 DIFOTITM에 비해 정상 법랑질에 대한 탈회 정도를 뚜렷하게 표현하지 못하는 것으로 나타났다.
- 저자는 기존 연구 결과들을 분석한 후 조기 진단 장비의 개발 필요성을 느끼고 소아치과 임상에서 활용도가 높고 사용이 용이한 장비를 구상하게 되었다.
- 촬영된 DIFOTI 영상을 살펴보면, EOS사의 DIFOTITM 시스템은 최적화 과정을 거쳐 양산된 제품답게 gold standard로 사용된 편광 현미경 관찰 소견과 매우 높은 상관관계를 보였다. 그러나 prototype DIFOTI 시스템에서는 병소 깊이의 변화량을 충분히 반영하지 못하는 양상을 보여 주었다(Fig.
- 탈회 기간에 대한 정상 법랑질과 탈회 법랑질의 광도 차이의 변화 양상을 살펴보면, DIFOTITM시스템으로 촬영한 영상에서 탈회 기간에 따라 광도 차이가 증가하고 있는 양상을 보여 주고 있으며, prototype DIFOTI 시스템으로 촬영한 영상에서는 DIFOTITM시스템의 변화 양상보다는 다소 적게 나타났다(Fig. 21).
- 탈회 기간에 따른 병소 깊이의 변화 양상을 나타낸 산포도에서, 실험 기간에 대해 병소 깊이가 유의하게 증가함을 알 수 있었다. 이에 대한 회귀 분석 결과 Y=8.
- 탈회 기간에 따른 정상 및 탈회 법랑질 간의 광도 차이와 병소 깊이의 변화를 중첩시킨 결과, 병소 깊이와 DIFOTITM시스템으로 촬영한 영상에서의 광도 차이의 변화는 매우 유사한 양상을 보여 주어 매우 높은 상관관계가 있음을 알 수 있었다. 반면, prototype DIFOTI 시스템에서의 광도 차이의 변화는 DIFOTITM 시스템에 비해 병소 깊이 변화와 비교적 낮은 상관관계를 보여주었다(Fig.
- 회귀 분석 결과 Y=8.04X+1.96(p<0.0001)의 회귀식이 산출되었다.
후속연구
- 치아우식증은 다양한 예방 프로그램과 구강 건강관리에 대한 교육에 힘입어 전 세계적으로 감소하고 있는 추세이다. 결과적으로 수복 치과 수요의 감소를 예견해 볼 수 있으며, 이에 대한 대처 방안으로 치아우식증의 치료 영역을 넓혀갈 수 있는 방안을 모색해 보아야할 때이다. 치아우식증의 진단을 보다 초기 단계부터 적극적으로 시행하여, 침습적 수복 방법을 지양하고, 새로운 예방 및 치료 방안을 모색하고 이를 뒷받침할 수 있는 진단 및 모니터링 장비를 개발할 수 있다면 수복 치과학 분야의 미래는 매우 밝다고 할 수 있다.
- 병소 깊이의 증가와 DIFOTITM 시스템의 영상 분석 결과는 매우 흡사한 양상을 보여 DIFOTITM 시스템의 영상이 매우 안정적이며 병소 깊이의 변화를 매우 잘 반영하는 것으로 나타난 반면, prototype DIFOTI 시스템은 상대적으로 매우 저조한 변화 양상을 보여 주었다. 특히, 전류량이 낮을수록 병소 깊이의 변화 양상 반영률이 더 낮게 나타나 전류 소모량을 낮추는 것은 우식 진단능력의 저하와 연관되어 나타나므로 이에 대한 적절한 대처 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료되었다.
- 병소 깊이의 증가와 DIFOTITM 시스템의 영상 분석 결과는 매우 흡사한 양상을 보여 DIFOTITM 시스템의 영상이 매우 안정적이며 병소 깊이의 변화를 매우 잘 반영하는 것으로 나타난 반면, prototype DIFOTI 시스템은 상대적으로 매우 저조한 변화 양상을 보여 주었다. 특히, 전류량이 낮을수록 병소 깊이의 변화 양상 반영률이 더 낮게 나타나 전류 소모량을 낮추는 것은 우식 진단능력의 저하와 연관되어 나타나므로 이에 대한 적절한 대처 방안에 대한 연구가 필요할 것으로 사료되었다.
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