[논문]MRI 데이터를 이용한 쥐의 경추와 인접한 조직의 유한요소 모델화

정태은

doi:10.7315/cadcam.2012.436

MRI 데이터를 이용한 쥐의 경추와 인접한 조직의 유한요소 모델화
Finite Element Modeling of the Rat Cervical Spine and Adjacent Tissues from MRI Data 원문보기

한국CAD/CAM학회논문집 = Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, v.17 no.6, 2012년, pp.436 - 442

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Traumatic loading during car accidents or sports activities can lead to cervical spinal cord injury. Experiments in spinal cord injury research are mainly carried out on rabbit or rat. Finite element models that include the rat cervical spinal cord and adjacent soft tissues should be developed for efficient studies of mechanisms of spinal cord injury. Images of a rat were obtained from high resolution MRI scanner. Polygonal surfaces were extracted structure by structure from the MRI data using the ITK-SNAP volume segmentation software. These surfaces were converted to Non-uniform Rational B-spline surfaces by the INUS Rapidform rapid prototyping software. Rapidform was also used to generate a thin shell surface model for the dura mater which sheathes the spinal cord. Altair's Hypermesh pre-processor was used to generate finite element meshes for each structure. These processes in this study can be utilized in modeling of other biomedical tissues and can be one of examples for reverse engineering on biomechanics.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

유한요소 모델은 Altair 사의 Hypermesh 소프트웨어를 사용하였다. Hypermesh에서 직접 STL 파일을 불러서 유한요소 모델화를 진행할 수도 있으나 쥐의 생체조직 별로 곡면 개수에 따른 모델화 과정을 진행하기에는 Rapidform 소프트웨어가 보다 효율적이고 최초의 형상과 곡면 모델과의 비교를 할 수 있기 때문에, Rapidform에서 NURBS 곡면 변환 과정을 거친 후에 Hypermesh에서 유한요소 모델화 과정을 진행하였다.
척수 주위를 둘러싸고 있는 경막(dura mater)의 경우는 두께가 매우 얇아 MRI 스캐너로부터 영상 정보를 얻을 수 없다. 경막에 대한 서피스를 추출하기 위해 경막과 척수 사이에는 뇌척수액(cerebrospinal fluid)의공간을고려하여, Rapidform의 surface 메뉴 중 offset 기능을 이용하여 척수의 NURBS 곡면을 기준으로 하여 밖으로 늘려서 생성하였다. 경막은 1075개의 NURBS 곡면으로 구성되었다.
경추와 인접한 생체 조직 사이에는 여러 종류의 인대(ligament)가 있으며 인대는 MRI에 나타나지 않으므로 해부학적 정보를 이용하여 모델화하였다. 인대는인장만을받는비선형바요소(nonlinear tension only bar element)로 유한요소 모델화되었다.
고해상도의영상을얻기위해 7테슬라(tesla) MRI 스캐너를 이용하여 살아있는 쥐를 마취 상태에서 스캔 하였다. 이 MRI 스캐너는 척추의 단면에 대해서는 0.
Table 2에는 각 생체 조직에 대해 MRI 데이터를 받아서 ITK-SNAP 프로그램에서 처리한 각 조직의 화소(voxel) 수, 부피에 대해 정리하였다. 또한 NURBS 곡면을 기본으로 하여 모델화한 유한요소의 개수와 유한요소의 종류를 정리하였다.
vtk 형태를 갖는다. 이 파일을 Rapidform 소프트웨어에서 읽을 수 있도록 점 군집데이터(point cloud data) 형태의 STL(stereolithography) 파일로 변환하였다. 아이너스 기술(INUS Technology)에서 개발한 Rapidform 소프트웨어는스캔소프트웨어로서 MRI 데이터로부터 얻은 생체 조직 영상 데이터를 재구성하여 해석용 모델로 만드는데 유용하게 쓰일 수 있었다.
156 mm의 해상도를 갖고, 척추의 축 방향으로는 1 mm의 해상도를 갖기 때문에 쥐의 경추와 경추 주변의 생체조직의 상세한 영상을 얻을 수 있었다. 자연스러운 상태의 척추가 갖는 곡률 때문에 상부의 경추에 수직한 영상과 하부의 경추에 수직한 영상을 별도로 얻었다. Fig.
척수는 백질과 회백질의 영역을 구분하여 8절점 입체요소(8-node solid element)로 유한요소 모델화하였다. 백질은 4235개의 절점과 2916개의 요소로, 회백질은 3025개의 절점과 2106개의 요소로 구성되어 있다.
척수의 경우는 백질과 회백질로 이루어진 두 부분을 분리하여 모델화를 하여야 되기 때문에, 척수의 상부 영역과 하부 영역을 나타내는 영역을 곡선으로 추출하고 축을 따라 단면의 변화를 따라가도록 하여 Fig. 10과 같이 총 28개의 곡선을 추출하였다.
척추는 복잡한 형상으로 되어 있는 입체 구조물이므로 일반적인 3차원 구조물을 모델화하기 적합한 사면체 요소(tetrahedral element)를 선택하였다. Fig.

대상 데이터

척추는 복잡한 형상으로 되어 있는 입체 구조물이므로 일반적인 3차원 구조물을 모델화하기 적합한 사면체 요소(tetrahedral element)를 선택하였다. Fig. 9의 NURBS 곡면으로부터 Fig. 11에 나와있는 4605개의 사면체 요소로 구성된 C3 척추를 유한요소모델로 생성하였다. C1부터 T2까지의 척추는 같은 방식으로 사면체 요소로 유한요소 모델화되었다.
경막에 대한 서피스를 추출하기 위해 경막과 척수 사이에는 뇌척수액(cerebrospinal fluid)의공간을고려하여, Rapidform의 surface 메뉴 중 offset 기능을 이용하여 척수의 NURBS 곡면을 기준으로 하여 밖으로 늘려서 생성하였다. 경막은 1075개의 NURBS 곡면으로 구성되었다. 추간판의 경우에도 동일한 방법으로 NURBS 곡면을 생성하였으며, Fig.
경막은 1075개의 NURBS 곡면으로 구성되었다. 추간판의 경우에도 동일한 방법으로 NURBS 곡면을 생성하였으며, Fig. 6에 있는 C2-C3 사이의 추간판은 443개의 NURBS 곡면으로 구성되었다.

데이터처리

1은 척추의 단면이 보이도록 축 방향에서 촬영한 MRI 데이터이다. 상부와 하부를 촬영한 두 개의 스캔 영상에 대해 영상정합(image registration)을 하기 위해 Analyze 7.0 소프트웨어를 사용하였다. Table 1은 두 가지 스캔 이미지에 대한 크기 및 해상도이다.

이론/모형

MRI 데이터로부터 쥐의 척추와 주변 생체조직을 추출하기 위해서는 영상 분할 과정이 필요하다. 3차원 의료 영상에서 각 구조물들의 영상을 분할하기 위해 무료로 공개되어 있는 소프트웨어인 ITK-SNAP을 사용하였다.
Yushkevich 등이 제안한 알고리즘(3D snake evolution)^[7]에 따른 준 자동 부피 분할(semiautomated volume segmentation) 도구를 이용하여 각 생체 조직 별로 영상을 분할한 후 영역의 경계에서 평형이 이루어지게 하여 실제 윤곽을 얻을 수 있었다. Fig.
유한요소 모델은 Altair 사의 Hypermesh 소프트웨어를 사용하였다. Hypermesh에서 직접 STL 파일을 불러서 유한요소 모델화를 진행할 수도 있으나 쥐의 생체조직 별로 곡면 개수에 따른 모델화 과정을 진행하기에는 Rapidform 소프트웨어가 보다 효율적이고 최초의 형상과 곡면 모델과의 비교를 할 수 있기 때문에, Rapidform에서 NURBS 곡면 변환 과정을 거친 후에 Hypermesh에서 유한요소 모델화 과정을 진행하였다.

성능/효과

경추, 추간판, 경추부의 척수, 척수를 둘러싸고 있는 경막, 각종 인대에 대해 기본적으로 MRI 데이터를 이용하고 해부학적 정보 등을 이용하여 최종적으로 Fig. 15와 같이 경추와 인접한 조직의 유한요소 모델을 얻을 수 있었다.
척수 손상의 원인과 메커니즘을 파악하기 위해서는 척수를 비롯한 척추와 인접한 생체 조직의 모델이 필요하다. 본 연구에서는 인체에 비해 많은 실험 데이터를 갖고 있는 실험용 쥐를 대상으로 경추와 인접 조직의 유한요소 모델을 완성하였다. MRI 데이터를 유한요소 모델로 변환하기 위해서는영상분할, 점군집데이터로 변환, NURBS 곡면 생성, 유한요소 망 생성의 과정이 필요하다.
이 파일을 Rapidform 소프트웨어에서 읽을 수 있도록 점 군집데이터(point cloud data) 형태의 STL(stereolithography) 파일로 변환하였다. 아이너스 기술(INUS Technology)에서 개발한 Rapidform 소프트웨어는스캔소프트웨어로서 MRI 데이터로부터 얻은 생체 조직 영상 데이터를 재구성하여 해석용 모델로 만드는데 유용하게 쓰일 수 있었다. Fig.

후속연구

MRI 데이터로부터 얻을 수 없는 조직의 모델화를 위해서는 해부학적 정보를 활용하여야 한다. 완성된 경추부의 유한요소모델은 여러 가지 척수 손상 연구의 기본 모델로 활용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	7테슬라(tesla) MRI 스캐너를 이용해 쥐의 척추를 스캔 했을 때 얻을 수 있는 해상도와 그 이점은?	고해상도의영상을얻기위해 7테슬라(tesla) MRI 스캐너를 이용하여 살아있는 쥐를 마취 상태에서 스캔 하였다. 이 MRI 스캐너는 척추의 단면에 대해서는 0.156 × 0.156 mm의 해상도를 갖고, 척추의 축 방향으로는 1 mm의 해상도를 갖기 때문에 쥐의 경추와 경추 주변의 생체조직의 상세한 영상을 얻을 수 있었다. 자연스러운 상태의 척추가 갖는 곡률 때문에 상부의 경추에 수직한 영상과 하부의 경추에 수직한 영상을 별도로 얻었다.
	경추 척수 손상 시 나타나는 경부 손상의 종류는 무엇이 있는가?	척수 손상의 메커니즘을 파악하기 위해 토끼나 고양이 또는 실험용 백색 쥐를 대상으로 임상적 연구가 많이 이루어져 왔다[1]. 특히 흉추나 요추에 비해 경추는 상대적으로 외부 하중에 취약한 구조로서, 경추 척수 손상 시에 신장(extension), 압축(compression), 굴곡(flexion), 신연(distraction) 모드와 이들을 혼합한 모드를 나타내는 여러 가지 경부 손상의 종류가 보고되고 있다. 쥐를 대상으로 임상학적 실험에 의해 척수 손상에서 출혈과 막 투과성을 관찰하여 타박(contusion), 탈구(dislocation), 신연 조건에서 척수 손상의 메커니즘을 규명하고자 하는 연구 등이 이루어졌다[2].
	실험적 방법에 의한 척수 손상 연구의 장점과 필요한 것은 무엇인가?	쥐를 대상으로 임상학적 실험에 의해 척수 손상에서 출혈과 막 투과성을 관찰하여 타박(contusion), 탈구(dislocation), 신연 조건에서 척수 손상의 메커니즘을 규명하고자 하는 연구 등이 이루어졌다[2]. 실험적 방법에 의한 척수 손상 연구는 주어진 조건에 대해 분명하고 가시적인 손상을 파악할 수 있다는 장점이 있으나, 실험으로 구현하기 힘든 여러 가지 생체역학 조건이나 변형속도(strain rate)에 따른 척수 손상 과정을 재현하기 위해서는 해석적 모델이 필요하다. 이러한 요구에 따라 척추와 인접한 생체조직을 유한요소로 모델화한 후, 주어진 조건에 따라 유한요소해석을 하는 연구들이 진행되고 있다[3].

참고문헌 (9)

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Russell, C.M., Choo, A.M., Tetzlaff, W., Chung, T.E. and Oxland, T.R., 2012, Maximum Principal Strain Correlates with Spinal Cord Tissue Damage in Contusion and Dislocation Injuries in the Rat Cervical Spine, J. of Neurotrauma, 29, pp. 1574-1585.

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Park, H.W., Park, C.W., Kim, M.S. and Park, H.J., 2012, Planning of Dental Implant Using 3D Geometric Processing and Finite Element Analysis, Transactions of the Society of CAD/ CAM Engineers, 17(4), pp. 253-261.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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