한국과학기술정보연구원과 가톨릭대학교 의과대학 가톨릭응용해부연구소에서는 척추 연구자들이 쉽게 사용할 수 있는 기초 자료를 구축하고 있다. 척추 형상 정보를 제공하기 위해 60-80대 기증시신 20여 표본을 활용하여 고해상도 척추 (whole spine) CT (pixel dimension : 0.4x mm, thickness: 0.6mm)를 촬영하고 이를 3차원 모델링 소프트웨어(Mimics, Ver.14, Materialise, Belgium)를 사용하여 3차원 형상 모델(shell model, STL format)로 구축하고, 목, 등, 허리 척추의 주요 부위를 계측하여 수치화 하였다. 시신기반 자료의 한계를 극복하기 위해 고령자 호발 질환을 중심으로 대상 환자를 선정하여 X-Ray, CT, BMD 자료를 구축하여 보강하고 있다. 물리적 성질 정보 구축은 기증시신 10여 표본을 활용하여 임상적, 물리적 골밀도를 측정하고, 목척추(cervical), 등척추(thoracic), 허리척추(lumbar) 부분의 굽힘-폄(flexion-extension), 가쪽 굽힘(lateral bending), 회전(torsion), 압축(body/disc compression) 시험을 수행하여 작용력과 굽힘량의 관계를 구축하고 있다. 구축된 물성 시험 결과는 형상 모델과 함께 제공되어 자료의 활용도를 높이고 있으며, 이를 이용하여 한국인 특성이 반영된 척추 관련 연구 및 제품 개발에 활용 될 수 있다.
한국과학기술정보연구원과 가톨릭대학교 의과대학 가톨릭응용해부연구소에서는 척추 연구자들이 쉽게 사용할 수 있는 기초 자료를 구축하고 있다. 척추 형상 정보를 제공하기 위해 60-80대 기증시신 20여 표본을 활용하여 고해상도 척추 (whole spine) CT (pixel dimension : 0.4x mm, thickness: 0.6mm)를 촬영하고 이를 3차원 모델링 소프트웨어(Mimics, Ver.14, Materialise, Belgium)를 사용하여 3차원 형상 모델(shell model, STL format)로 구축하고, 목, 등, 허리 척추의 주요 부위를 계측하여 수치화 하였다. 시신기반 자료의 한계를 극복하기 위해 고령자 호발 질환을 중심으로 대상 환자를 선정하여 X-Ray, CT, BMD 자료를 구축하여 보강하고 있다. 물리적 성질 정보 구축은 기증시신 10여 표본을 활용하여 임상적, 물리적 골밀도를 측정하고, 목척추(cervical), 등척추(thoracic), 허리척추(lumbar) 부분의 굽힘-폄(flexion-extension), 가쪽 굽힘(lateral bending), 회전(torsion), 압축(body/disc compression) 시험을 수행하여 작용력과 굽힘량의 관계를 구축하고 있다. 구축된 물성 시험 결과는 형상 모델과 함께 제공되어 자료의 활용도를 높이고 있으며, 이를 이용하여 한국인 특성이 반영된 척추 관련 연구 및 제품 개발에 활용 될 수 있다.
The Korean spine geometry and property data for researchers were made by KISTI and Catholic Institute for Applied Anatomy. We took whole spine CT, X-Ray, BMD scan for making high resolution cross-sectional spine images using more 20 donated cadavers(60 - 80 years). Then we constructed 3-dimensional ...
The Korean spine geometry and property data for researchers were made by KISTI and Catholic Institute for Applied Anatomy. We took whole spine CT, X-Ray, BMD scan for making high resolution cross-sectional spine images using more 20 donated cadavers(60 - 80 years). Then we constructed 3-dimensional volume model using serial CT images by Mimics software. The major morphometric parameters of vertebrae were measured. Mechanical motion and property data were obtained by the same cadavers using the DEXA for BMD and the spine simulator. The Korean spine geometry and property data could be used for research and development of medical device.
The Korean spine geometry and property data for researchers were made by KISTI and Catholic Institute for Applied Anatomy. We took whole spine CT, X-Ray, BMD scan for making high resolution cross-sectional spine images using more 20 donated cadavers(60 - 80 years). Then we constructed 3-dimensional volume model using serial CT images by Mimics software. The major morphometric parameters of vertebrae were measured. Mechanical motion and property data were obtained by the same cadavers using the DEXA for BMD and the spine simulator. The Korean spine geometry and property data could be used for research and development of medical device.
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문제 정의
본 논문에서는 한국과학기술정보연구원과 가톨릭대학교 의과대학 가톨릭응용해부연구소가 공동으로 구축하고 있는 한국인 척추의 고해상도 연속 척추 영상 자료, 3차원 모델, 주요 부분 수치 정보, 물성 정보 및 운동 특성 시험 결과 자료를 소개하고자 한다.
제안 방법
한국과학기술정보연구원에서는 가톨릭의대 응용해부연구소와 함께 한국인 척추 연구에 활용할 수 있는 고해상도 척추 컴퓨터 단층 촬영 영상정보를 구축하고 있으며, 구축된 단층 촬영 영상정보를 구역화 하여 3차원 척추뼈 모델을 구축하였다. 구축된 3차원 척추뼈 모델을 활용하여, 척추 연구 및 척추 관련 제품 설계에 중요하다고 판단되는 부분을 측정하여 수치자료화 하였다. 형상자료가 구축된 표본을 시험하여 강도, 물성, 운동 특성에 관한 자료를 추가하여 한국인 척추 연구에 활용할 수 있는 형상 및 물성 정보를 구축하였다.
척추의 안정성을 담당하는 앞세로인대(anterior longitudinal ligament), 뒤세로인대(posterior longitudinal ligament), 황색인대(ligament flava), 가시사이인대(interspinous ligament), 가시끝인대(supraspinous ligament)를 제외한 연조직은 최대한 제거했으며[15][16], 시험체의 확실한 고정을 위해 3개 이상의 나사못을 사용하여 고정 후 충분한 강도를 나타내는 레진으로 고정부위를 제작하였다. 나사못을 이용한 고정이 척추관절의 움직임에 영향을 미치지 않게 제작된 모든 시험체는 X선 검사를 시행하여 이상 유무를 확인 후 시험을 실시하였다.
골다공증 진단에 활용되는 골밀도는 X선을 이용한 이중에너지흡수법(DEXA) 등으로 진단되며 단위면적당 강도 값으로 표현된다. 두 종류의 골밀도는 서로 다른 단위를 가지며 다른 용도로 사용되므로 두 가지 정보 모두 구축이 필요하여, 물리적 골밀도 정보는 CT 영상의 Hu 값을 밀도로 환산하는 방법을 사용하여 구축하였으며[12][13], 임상적 골밀도는 DEXA 장비를 활용하여 임상적 골밀도 검사 방법을 적용하여 측정하여 구축하였다.
선정된 기증시신으로부터 물성 변화에 영향을 미칠 가능성이 있는 방법을 배제하고 순수 외과적 방법으로 척추를 적출하였다. 척추의 안정성을 담당하는 앞세로인대(anterior longitudinal ligament), 뒤세로인대(posterior longitudinal ligament), 황색인대(ligament flava), 가시사이인대(interspinous ligament), 가시끝인대(supraspinous ligament)를 제외한 연조직은 최대한 제거했으며[15][16], 시험체의 확실한 고정을 위해 3개 이상의 나사못을 사용하여 고정 후 충분한 강도를 나타내는 레진으로 고정부위를 제작하였다.
선정된 기증시신을 컴퓨터 단층촬영(CT, computed tomography)하여 단면 영상을 구축한다. 현재 구축되고 있는 단면 영상은 해상도(pixel dimension) 0.
영상구역화 작업은 컴퓨터 단층촬영 영상에서 척추뼈가 차지하고 있는 영역을 구분하는 작업으로서 영역의 구분이 명확해야만 정확한 형상과 치수의 3차원 척추뼈 모델 생성이 가능하다. 영상구역화 작업과 척추뼈의 3차원 모델 생성 작업은 해부학, 영상의학 전문가의 감독하에 단면영상기반 3차원 모델링 소프트웨어(mimics, Ver.14.0, Materialise, Belgium)를 사용하였으며, 3차원 척추뼈 모델은 범용 3차원 형식인 STL 형식으로 구축하였다[그림 2].
시험은 4 자유도의 척추 전용 시험기(spine simulator, MTS)와 경사 센서, 전자기 방식 위치 추척 센서(Liberty, Polhemus) 등을 사용하였다[그림 4]. 척추를 목뼈(C3-C7), 등뼈(T1-T6, T7-T12), 허리뼈(L1-S1) 영역으로 구분하여 각 부분의 굽힘-폄 시험, 가쪽 굽힘시험(왼쪽, 오른쪽), 비틀림 시험(왼쪽, 오른쪽), 척추 원반의 압축 시험, 척추 몸통의 압축시험을 수행하여 시험 결과를 구축하였다.
척추의 강도, 물성, 운동 시험은 선행된 연구와 비교를 위해 다수의 참고문헌[14-16]을 검토하여 공통적인 시험 조건을 선정하여 적용하였다[표 2]. 시험은 4 자유도의 척추 전용 시험기(spine simulator, MTS)와 경사 센서, 전자기 방식 위치 추척 센서(Liberty, Polhemus) 등을 사용하였다[그림 4].
선정된 기증시신으로부터 물성 변화에 영향을 미칠 가능성이 있는 방법을 배제하고 순수 외과적 방법으로 척추를 적출하였다. 척추의 안정성을 담당하는 앞세로인대(anterior longitudinal ligament), 뒤세로인대(posterior longitudinal ligament), 황색인대(ligament flava), 가시사이인대(interspinous ligament), 가시끝인대(supraspinous ligament)를 제외한 연조직은 최대한 제거했으며[15][16], 시험체의 확실한 고정을 위해 3개 이상의 나사못을 사용하여 고정 후 충분한 강도를 나타내는 레진으로 고정부위를 제작하였다. 나사못을 이용한 고정이 척추관절의 움직임에 영향을 미치지 않게 제작된 모든 시험체는 X선 검사를 시행하여 이상 유무를 확인 후 시험을 실시하였다.
구축된 3차원 척추뼈 모델을 활용하여, 척추 연구 및 척추 관련 제품 설계에 중요하다고 판단되는 부분을 측정하여 수치자료화 하였다. 형상자료가 구축된 표본을 시험하여 강도, 물성, 운동 특성에 관한 자료를 추가하여 한국인 척추 연구에 활용할 수 있는 형상 및 물성 정보를 구축하였다. 구축된 자료는 한국인 척추 관련 각종 연구개발에 활용될 수 있다.
대상 데이터
구축 대상은 50세 이상 85세 이하의 기증시신을 기반으로 한국인 평균 신장의 25분위에서 75분위 범위를 만족하며[8], 육안 및 영상의학적 검사에서 외상이 없고 사망진단서의 사망원인이 뼈의 형상 및 물성에 심각한 영향을 미칠 가능성이 있는 질환을 보유하고 있는 표본은 제외한다. 구축된 표본은 총 20표본으로 여성 13 표본, 남성 7 표본으로 구성되어 있다[표 1].
척추의 강도, 물성, 운동 시험은 선행된 연구와 비교를 위해 다수의 참고문헌[14-16]을 검토하여 공통적인 시험 조건을 선정하여 적용하였다[표 2]. 시험은 4 자유도의 척추 전용 시험기(spine simulator, MTS)와 경사 센서, 전자기 방식 위치 추척 센서(Liberty, Polhemus) 등을 사용하였다[그림 4]. 척추를 목뼈(C3-C7), 등뼈(T1-T6, T7-T12), 허리뼈(L1-S1) 영역으로 구분하여 각 부분의 굽힘-폄 시험, 가쪽 굽힘시험(왼쪽, 오른쪽), 비틀림 시험(왼쪽, 오른쪽), 척추 원반의 압축 시험, 척추 몸통의 압축시험을 수행하여 시험 결과를 구축하였다.
척추 연구에 활용될 수 있는 한국인 척추 모델을 제작하는데 사용하기 적합한 대상을 선정한다. 구축 대상은 50세 이상 85세 이하의 기증시신을 기반으로 한국인 평균 신장의 25분위에서 75분위 범위를 만족하며[8], 육안 및 영상의학적 검사에서 외상이 없고 사망진단서의 사망원인이 뼈의 형상 및 물성에 심각한 영향을 미칠 가능성이 있는 질환을 보유하고 있는 표본은 제외한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
질환의 원인 부위를 포함해 기능적으로 의미 있는 범위를 모델링하고 시뮬레이션 해야 하는 생체공학 연구에 활용할 수 없는 이유는?
척추질환에 관련된 연구는 생활수준의 향상과 평균 수명의 증가로 고령화 사회로 진행되고 있는 현재 매우 중요한 연구 분야로 부각되고 있다. 일반적으로 병·의원을 통해 얻을 수 있는 척추 정보는 영상정보에 국한되며, 이는 척추질환 환자의 질환을 진단하는 목적으로 생성된 것으로 질환을 발생시키는 원인 부위만 집중적으로 촬영하여 생성되기 때문에 질환의 원인 부위를 포함해 기능적으로 의미 있는 범위를 모델링하고 시뮬레이션 해야 하는 생체공학 연구에 활용할 수 없다.
척추의 퇴행성 변화와 움직임 등에 관한 생체역학적 연구를 수행할 때 사용되는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구에는 무엇이 필요하나?
척추분야에 관한 연구 중 척추의 퇴행성 변화와 움직임 등에 관한 생체역학적 연구를 수행할 때 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구가 주로 활용된다. 컴퓨터 시뮬레이션을 활용한 연구에는 척추의 형상을 나타내는 형상정보, 물리적 성질을 나타내는 물성정보가 필요하며, 제작된 시뮬레이션 모델의 유효성 검증에 척추 운동특성에 대한 시험결과가 필요하게 된다. 현재 국내에서는 첨단 영상의학 진단 기술의 보급과 범용 인체정보의 구축[6][7]으로 한국인 척추의 형상 정보 습득은 비교적 용이한 반면, 실험을 통해서 얻어야 하는 물리적 성질 정보와 운동 특성 시험결과는 전무한 실정이다.
뼈에 대한 밀도는 어떤 것들이 있나?
뼈에 대한 밀도는 단위 부피당 질량을 표현하는 물리적 골밀도가 있고, 임상적으로 골다공증 진단에 활용되는 골밀도가 있다. 골다공증 진단에 활용되는 골밀도는 X선을 이용한 이중에너지흡수법(DEXA) 등으로 진단되며 단위면적당 강도 값으로 표현된다.
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