[논문]치과 치료 기간 단축을 위한 효율적인 거리 영상 융합 방법

계희원

doi:10.9717/kmms.2017.20.2.179

치과 치료 기간 단축을 위한 효율적인 거리 영상 융합 방법
Efficient Merging of Range Images to Reduce Dental Treatment Time 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.20 no.2, 2017년, pp.179 - 187

계희원 (School of Computer Engineering, Hansung University)

Abstract ▼ AI-Helper

The fourth industrial revolution is a phenomenon where productivity is improved in each field by the convergence of IT technology and existing industries. In the dental treatment process, prosthetic treatment time is drastically shortened through AI and expert software. Oral imaging, prosthesis design, and prosthesis manufacturing are performed continuously, so the treatment can be completed in a few hours. In this paper, we introduce the research trend of multimedia technology in the prosthetic process. We also propose a new method for accelerating the fusion of surface data during the optical impression. Proposed method enables high-speed optical impression and accelerates the overall automated production process of dental prosthesis.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

2의 첫 번째 단계인 데이터 획득 과정을 실제 데이터를 이용하여 설명한다. 그리고 본 연구에서 제안하는 효율적 반복 메시 융합의 결과를 제시한다. 프로그램의 구현과 실험은 Intel i7을 장착한 노트북 컴퓨터에서 Visual studio를 이용하여 C++로 작성, 수행되었다.
본 연구는 3.1절에서 설명한 바와 같이, 측정 센서의 측정 방향과 각 삼각형의 법선 벡터 사이의 각이 클수록 삼각형의 신뢰도가 낮다는 점에 착안하였다. 각 메시를 신뢰할 수 있는 부분과 덜 신뢰하는 부분으로 나누고 융합 순서를 변경하여 효율성을 높이는 새로운 방법을 제안한다.
인공치아 제작 기계는 모델 데이터를 자동으로 전송받아 인공치아를 제작하므로 단 몇 시간 만에 환자의 치료가 끝나게 된다. 본 연구는 보철 제작 과정에서 이러한 혁신적인 산업 모델의 기술적 개괄과 연구 동향을 소개하였다.
본 연구는 상기 각 과정에서 멀티미디어 기술이 어떻게 사용되는지 살펴보고, 다양한 각도에서 촬영한 표면 데이터를 융합하는 과정에서 속도 향상 기법을 제안한다. 본 논문의 공헌은 다음과 같다.
새롭게 대두되고 있는 4차 산업혁명은 전문가 소프트웨어와 인공지능을 기존 산업과 결합하여 제조와 서비스의 생산성을 혁신적으로 증가시키는 것에 목적이 있다. 본 연구에서는 4차 산업혁명의 대표적인 응용 사례로서 치과 보철 치료 방법을 소개하였다. 기존 치료 방법은 환자의 치아에 본을 뜨고 수작업으로 크라운, 인레이와 같은 인공치아를 제작하여 환자에게 식립하였다.
4차 산업혁명은 산업 전반에 확산되고 있으며, 기존 제조 방식이 첨단 IT 기술을 이용하여 혁신되고 있다. 본 연구에서는 대표적인 4차 산업혁명의 대상 기술 중 하나인 의료 기술, 특히 치과 치료 기술에서 4차 산업혁명이 어떻게 활용되고 있는지 살펴본다.
새롭게 대두되고 있는 4차 산업혁명은 전문가 소프트웨어와 인공지능을 기존 산업과 결합하여 제조와 서비스의 생산성을 혁신적으로 증가시키는 것에 목적이 있다. 본 연구에서는 4차 산업혁명의 대표적인 응용 사례로서 치과 보철 치료 방법을 소개하였다.

가설 설정

기준 메시 M_f과 새로 결합될 메시 M_new를 융합한다고 가정하자. 겹쳐진 부분을 검사(overlap test)하여 겹쳐진 부분 메시를 각각 C_f, C_new라고 하면, C_f⊆ M_f 이고, C_new ⊆ M_new이다.

제안 방법

가상 모델 설계는 기존 치아의 정보를 바탕으로 인공치아의 위치와 삽입방향, 가공 정보를 계산하는 단계이다. 기존 치아는 데이터 획득 전에 준비(preparation)단계에서 손질된다.
1절에서 설명한 바와 같이, 측정 센서의 측정 방향과 각 삼각형의 법선 벡터 사이의 각이 클수록 삼각형의 신뢰도가 낮다는 점에 착안하였다. 각 메시를 신뢰할 수 있는 부분과 덜 신뢰하는 부분으로 나누고 융합 순서를 변경하여 효율성을 높이는 새로운 방법을 제안한다.
1절에서 설명한 바와 같이 ICP 알고리즘을 적용하여 좌표계를 정합한 결과이다. 관찰의 편의성을 위하여 각 부분 메시마다 다른 색상을 부여하여 단순 가시화 하였다. Fig.
메시에 속하는 각 삼각형의 법선벡터 normal(t)와 메시를 추출한 센서의 측정방향인 dir_camera(M)의 내적을 삼각형의 중요도 값으로 정의한다. 두 벡터가 나란한 경우 중요도 값이 커지므로, 본 연구는 삼각형의 중요도 값이 사용자 정의값 T 보다 크면 중요한 삼각형으로 판단하였다. 이 중요도 값을 각 삼각형마다 전처리 과정에서 미리 저장하여 부분 메시 생성 과정에 적용하였다.
마지막 단계로, 입력 데이터에 존재하지 않는 구멍들을 임의로 채워야 한다[17]. 본 연구에서는 구멍을 둘러싸는 정점을 연결하는 삼각형을 다수 생성하여 구멍을 채웠다. 그 결과, Fig.
따라서 치료에 몇 주가 소요되어 환자에게 큰 불편을 주었다. 새로운 방법은 광학 스캐너로 환자의 치아를 촬영하면, 치아 모델 제작 소프트웨어가 자동으로 치아 모델을 완성한다. 인공치아 제작 기계는 모델 데이터를 자동으로 전송받아 인공치아를 제작하므로 단 몇 시간 만에 환자의 치료가 끝나게 된다.
세 번째, 삼각형의 법선벡터와 측정 센서의 측정 방향 사이의 각도가 커지면, 삼각형이 생성된 경우라도 좌표의 오차가 커져 신뢰할 수 없다. 이제 여러 메시의 좌표를 서로 일치시켜야 하며, 두 개의 메시를 일치시키는 작업을 반복하여 수행한다.
인공치아의 삽입 위치, 회전 방향, 크기 결정은 수작업으로 이루어지기도 하며 주변 치아와 충돌하지 않도록 자동으로 계산하여 결정할 수도 있다. 정확하게 위치된 표준 인공치아 모델에서 기존 치아의 영역을 제거하면 실제 제작할 치아 모델을 얻을 수 있고 이를 바탕으로 실제 치아를 제작한다.

대상 데이터

본 연구에서는 Fig. 9와 같이 주어진 치아 모델을 다른 위치에서 11회 촬영하여 부분 메시를 획득하였다. 각 부분 메시는 치아의 일부분을 반영하고 있으며, 카메라의 각도에 따라 데이터를 획득할 수 없거나 오차가 심한 부분은 구멍으로 처리되었다.
치과 보철의 예를 들면, 환자는 구강 내의 치아 상황을 플라스틱 재질을 이용해서 본을 뜬다. 이 본을 이용해서 치아에 적합한 보철물(크라운 또는 인레이)을 세라믹 등의 재질로 기공소에서 제작한다. 그리고 완성된 보철물은 병원으로 전달되고 환자에게 삽입, 접착되어 치료를 마치게 된다.
본 연구의 제안 방법을 통해 속도가 얼마나 향상되었는지 측정하여 Table 1에 제시하였다. 총 11장의 메시 데이터를 부분적으로 결합하며 소요되는 시간을 측정하였다. 제안 방법은 기존 방법에 비해 대략 2-3배 향상된 처리 결과를 보인다.

이론/모형

하나의 전체 데이터는 단일 메시로 표현되었으며 이를 확인하기 위해 메시의 경계 에지를 붉은색으로 표시하였다. 조각난 메시 사이의 경계는 공간 메우기(gap filling)방법[16]으로 연결하였다. 마지막 단계로, 입력 데이터에 존재하지 않는 구멍들을 임의로 채워야 한다[17].

성능/효과

제안 방법은 기존 방법에 비해 대략 2-3배 향상된 처리 결과를 보인다. 3.2절의 식 4에서 예측한 바와 같이, 메시 데이터의 수가 많아질수록 성능 향상의 정도가 커지는 것을 확인할 수 있다. 특히 기존 방법은 11장의 데이터를 모두 융합하는데 약 50초의 오랜 시간이 걸리는데 비해 본 연구가 제안한 방법은 16초 정도로 임상적으로 사용하기에 적합하다.
첫 번째, 임상의가 촬영 장비를 손으로 들고 움직이므로 측정된 데이터는 절대적인 좌표가 아니며 측정 센서를 기준으로 하는 상대적인 좌표이다. 두 번째, 획득한 일부 영역에는 측정 오차로 인해 삼각형이 생성되지 않는 구멍(hole)이 존재한다. 세 번째, 삼각형의 법선벡터와 측정 센서의 측정 방향 사이의 각도가 커지면, 삼각형이 생성된 경우라도 좌표의 오차가 커져 신뢰할 수 없다.
그리고, 임상의의 진료시간을 단축하고 정밀한 데이터를 얻기 위한 기술적 연구가 계속되고 있다. 본 논문에서 제안한 효율적 반복 메시 융합 방법을 활용하여, 기존 방법에 비해 2～3배 빠른 속도로 부분 메시 데이터를 융합할 수 있다. 향후 융합 정밀도에 대한 정량적 분석을 수행하고 퍼지논리를 이용하여 융합 정밀도를 향상시키는[18] 방법을 연구할 예정이다.
두 번째, 획득한 일부 영역에는 측정 오차로 인해 삼각형이 생성되지 않는 구멍(hole)이 존재한다. 세 번째, 삼각형의 법선벡터와 측정 센서의 측정 방향 사이의 각도가 커지면, 삼각형이 생성된 경우라도 좌표의 오차가 커져 신뢰할 수 없다. 이제 여러 메시의 좌표를 서로 일치시켜야 하며, 두 개의 메시를 일치시키는 작업을 반복하여 수행한다.
관련 연구[6]에서 디지털 방법과 전통적인 아날로그 방법을 15개 이상의 논문을 통해 비교하였는데, 어떤 경우는 디지털 방법이 우수하고, 어떤 경우는 아날로그 방법이 우수한 것으로 측정되어 어떤 쪽이 더 우수하다고 볼 수 없었다. 아날로그 방법과 디지털 방법 모두 임상적으로 받아들일 수 있는 수준으로 측정되었다.
총 11장의 메시 데이터를 부분적으로 결합하며 소요되는 시간을 측정하였다. 제안 방법은 기존 방법에 비해 대략 2-3배 향상된 처리 결과를 보인다. 3.
5와 같이 하나의 표면 메시 데이터로 종합된다. 종합된 데이터의 정밀도는 대체로 0.1mm 이내이고, 0.05mm정도까지 정확성이 높은 경우도 있다. 더 높은 정확도를 위해 레이저의 파장이 짧은 청색광을 사용하는 경우도 있다[10].
2절의 식 4에서 예측한 바와 같이, 메시 데이터의 수가 많아질수록 성능 향상의 정도가 커지는 것을 확인할 수 있다. 특히 기존 방법은 11장의 데이터를 모두 융합하는데 약 50초의 오랜 시간이 걸리는데 비해 본 연구가 제안한 방법은 16초 정도로 임상적으로 사용하기에 적합하다.

후속연구

특히 3D 프린터 제품은 표면이 매끈하지 않은 점이 단점으로 지적되어 수작업으로 후처리를 하는 것이 일반적이다. 그러나 3D 프린터의 성능이 계속 발전하고 있기 때문에 향후 이용범위가 증가할 것으로 예상된다.
원으로 표시한 바와 같이 왼쪽의 제안 방법이 기존 방법에 비해 다소 날카로운 영상을 출력하나 큰 차이는 없는 것으로 파악된다. 이후 보철물의 제작을 위해 기존 치아 표면을 부드럽게 변경하는 후처리가 적용되면 그 차이는 더욱 줄어들 것으로 보인다.
본 논문에서 제안한 효율적 반복 메시 융합 방법을 활용하여, 기존 방법에 비해 2～3배 빠른 속도로 부분 메시 데이터를 융합할 수 있다. 향후 융합 정밀도에 대한 정량적 분석을 수행하고 퍼지논리를 이용하여 융합 정밀도를 향상시키는[18] 방법을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4차 산업혁명이란?	4차 산업혁명은 제조업과 정보통신기술을 융합하여 작업 경쟁력을 제고하는 차세대 산업혁명을 가리키는 용어이다. 증기기관으로 대표되는 1차 산업혁명, 대량생산이 본격화된 2차 산업혁명, 컴퓨터와 인터넷 등 IT기술이 태동한 3차 산업혁명을 지나, 정보화 생산 IT기술을 이용하여 제조업을 혁신하는 4차 산업혁명은 인공지능, 3D 프린팅, 바이오 기술 등이 해당한다[1-3].
	기존의 치아 복원 절차는 어떠했는가?	기존의 치아 복원 절차는 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 치과 보철의 예를 들면, 환자는 구강 내의 치아 상황을 플라스틱 재질을 이용해서 본을 뜬다. 이 본을 이용해서 치아에 적합한 보철물(크라운 또는 인레이)을 세라믹 등의 재질로 기공소에서 제작한다. 그리고 완성된 보철물은 병원으로 전달되고 환자에게 삽입, 접착되어 치료를 마치게 된다. 이 과정은 몇 주에 걸쳐 진행되기 때문에 환자는 그 기간 동안 임시 치아를 장착하는 등 고통을 겪게 된다.
	4차 산업혁명의 주요 기술은?	4차 산업혁명은 제조업과 정보통신기술을 융합하여 작업 경쟁력을 제고하는 차세대 산업혁명을 가리키는 용어이다. 증기기관으로 대표되는 1차 산업혁명, 대량생산이 본격화된 2차 산업혁명, 컴퓨터와 인터넷 등 IT기술이 태동한 3차 산업혁명을 지나, 정보화 생산 IT기술을 이용하여 제조업을 혁신하는 4차 산업혁명은 인공지능, 3D 프린팅, 바이오 기술 등이 해당한다[1-3].

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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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