[논문]치과방사선사진과 증강현실을 활용한 방사선촬영법 숙련용 디지털 콘텐츠 개발에 대한 융복합 연구

구자영; 이재기

doi:10.14400/jdc.2018.16.12.441

치과방사선사진과 증강현실을 활용한 방사선촬영법 숙련용 디지털 콘텐츠 개발에 대한 융복합 연구
Convergence and integration study related to development of digital contents for radiography training using dental radiograph and augmented reality 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.16 no.12, 2018년, pp.441 - 447

구자영 (남서울대학교 대학원 치위생학과) , 이재기 (남서울대학교 치위생학과)

초록
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이 연구의 목적은 증강현실기술을 활용하여 치과 방사선 촬영술의 반복 연습이 가능한 디지털 콘텐츠를 개발하는데 있다. 성인 모델의 외형을 사진 촬영하고, 실습용 마네킹 팬텀을 컴퓨터 단층 촬영한 후, 이를 중첩하여 삼차원 객체를 제작하였다. 또한, 결과로 출력되는 106장의 방사선사진은 촬영법과 관련된 치아 정보를 활용하여 데이터베이스화하였고, 학습자가 성공적인 촬영을 수행하면 각 촬영조건에 맞는 부위별 영상이 호출되도록 시스템을 구축하였다. 이를 통해 임상 전 단계에서의 연습을 반복적으로 시행할 수 있었다. 이 콘텐츠를 이용하여 치과위생사의 방사선 촬영 임상 실무역량을 향상하는데 기여하고자 한다. 다만, 직접 얼굴인식을 통해 촬영하는 것이 실습효용 가치가 클 것으로 예상하기 때문에 이에 관련한 후속 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to develop digital techniques that enable repeated practice of dental radiography using augmented reality technology. A three-dimensional object was fabricated by superimposing a photograph of an adult model and a computed tomography image of a manikin phantom. The system was structured using 106 radiographs such that one of these saved radiographs is opened when the user attempts to take a radiograph on a mobile device. This system enabled users to repeatedly practice at the pre-clinical stage without exposure to radiation. We attempt to contribute to enhancing dental hygienists' competency in dental radiography using these techniques. However, a system that enables the user to actually take a radiograph based on face recognition would be more useful in terms of practice, so additional studies are needed on the topic.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Formation of three dimensional mesh basedon real photo images for facial skin
그림 Fig. 2. Illustration showing QR (quick response) code position, dental X-ray machine, mobile device (smart phone), and fixing equipment for dental radiography on dental manikin by user. Arrow indicate path for detection of QR code from smart phone’s camera to dental manikin. TB: tube head
그림 Fig. 3. Phtograph showing the radiography practice of student using the mobile simulator. DM: dental manikin, DX: dental X-ray machine, QRC: quick response code, XMS: X-ray mobile simulator
그림 Fig. 4. The graphical user interface showing when tooth choice for bitewing radiography. The maxillary second premolar was touched and selected.
그림 Fig. 5. User interface on the display of mobile simulator using augmented reality at right maxillary first premolar. Right circle indicate position of tubehead in dental X-ray machine.
그림 Fig. 6. Photograph showing both right maxillary premolar and mandibular premolar by the bitewing technique (A). Right mandibular molars and implants can be observed by the bisecting technique (B).

AI 본문요약
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문제 정의

이를 통해, 방사선 촬영 실습을 진행하는 학생들은 방사선 피폭 위험에서 안전할 수 있고, 현상과정이 필요 없는 재촬영 과정을 통해 임상 업무역량 강화에 기여할 것으로 생각한다. 또한, 이 연구의 결과 및 노하우(knowhow)를 활용하여, 향후 의료분야에서 증강현실 기반 시뮬레이션 교육 도구 개발을 위한 연구가 더욱 활발히 진행되어 타 학문과의 융복합에 대한 용이성을 높이는 제반 지식을 함양하고자 한다.
이 연구는 실제 방사선 촬영기와 다양한 구강 내 특성 (실제 환자가 가진 치아우식, 보철, 부정교합 등)을 반영한 치과 방사선사진을 AR 기술에 적용하여, 실제 방사선 촬영기를 사용해 촬영 시뮬레이션이 가능하도록 모바일 콘텐츠를 개발하였다. 실제 치과 방사선사진을 활용하여, 학습 효과를 높이고자 하였다. 개발한 모바일 콘텐츠는 실제 방사선 촬영기에 직접 부착하여 환자를 대상으로 수행하는 방사선 촬영과정을 그대로 재현할 수 있도록 하였다.
이 연구에서는 실제 치과용 방사선 촬영기에 스마트폰을 직접 부착한 후, 실습용 마네킹에서 증강현실을 구현할 수 있도록 방사선 촬영 시뮬레이션이 가능한 AR 디지털 콘텐츠를 개발하였다. 개발한 AR 모바일 콘텐츠는 방사선 촬영용 마네킹에 부착된 QR 코드를 인식하면, 가상객체가 화면상에 출력되어 증강된 현실이 결합된 방사선 촬영환경을 구현하도록 하였다.

제안 방법

3D 치아 모델에는 카메라(방사선 기기의 관두) 초점이 맞춰지는 일정영역, 즉 촬영부위에 대한 중심방사선 입사점 영역에서만 성공적인 터치반응을 얻을 수 있도록 제한영역을 설정하였고, 영역별로 각각의 번호를 부여하여 데이터베이스에 저장하였다.
Unity Engine (2017.3 version/Unity Technologies/USA)을 사용하여 모바일 디바이스(스마트폰)에서 증강현실을 구현할 수 있는 애플리케이션 형태로 제작하였으며, 개발한 시뮬레이터는 구내방사선 촬영용 기기에 부착하여 시뮬레이션할 수 있도록 하였다. 환자를 대상으로 하는 방사선 촬영과정을 그대로 재현할 수 있도록 하였다.
가상객체의 치아를 포함한 머리뼈 형성은 X선 촬영용 팬텀(Angiographic CT Head phantom, Kyoto KAGAKU co., JAPAN)에 대해컴퓨터 단층촬영(Computed tomography)을 시행하였고, 수집된 방사선 단면 이미지를 이용하여, 경조직(골과 치아)과 연조직(피부)을 삼차원 재구성하였다.
이 연구에서는 실제 치과용 방사선 촬영기에 스마트폰을 직접 부착한 후, 실습용 마네킹에서 증강현실을 구현할 수 있도록 방사선 촬영 시뮬레이션이 가능한 AR 디지털 콘텐츠를 개발하였다. 개발한 AR 모바일 콘텐츠는 방사선 촬영용 마네킹에 부착된 QR 코드를 인식하면, 가상객체가 화면상에 출력되어 증강된 현실이 결합된 방사선 촬영환경을 구현하도록 하였다. 구내방사선 촬영의 특징인 촬영대상 치아의 표준 촬영정보와 학습자가 촬영을 위해 조작하고 있는 정보를 실시간 확인하여 즉각적인 피드백이 가능하도록 하였다.
실제 치과 방사선사진을 활용하여, 학습 효과를 높이고자 하였다. 개발한 모바일 콘텐츠는 실제 방사선 촬영기에 직접 부착하여 환자를 대상으로 수행하는 방사선 촬영과정을 그대로 재현할 수 있도록 하였다. 이를 통해, 방사선 촬영 실습을 진행하는 학생들은 방사선 피폭 위험에서 안전할 수 있고, 현상과정이 필요 없는 재촬영 과정을 통해 임상 업무역량 강화에 기여할 것으로 생각한다.
개발한 AR 모바일 콘텐츠는 방사선 촬영용 마네킹에 부착된 QR 코드를 인식하면, 가상객체가 화면상에 출력되어 증강된 현실이 결합된 방사선 촬영환경을 구현하도록 하였다. 구내방사선 촬영의 특징인 촬영대상 치아의 표준 촬영정보와 학습자가 촬영을 위해 조작하고 있는 정보를 실시간 확인하여 즉각적인 피드백이 가능하도록 하였다. 106장의 치과 방사선사진 중 28장은 등각촬영법에 의한 방사선사진이며, 78장은 교익촬영법에 의한 방사선사진으로 구성하였다.
모바일 기기로 QR 코드를 인식시키고, 관두의 움직임이 모바일 기기 화면에서 증강된 현실과 일치하는 정도를 확인해야 한다. 등각촬영법과 교익촬영법 수행 시 이론에서 학습했던 각 치아에 대한 수직각과 수평각을 숙지하도록 한다. 치과 방사선 촬영기 관두의 위치가 촬영대상 치아에 정확하게 위치하는지를 확인해야 한다.
그러나 방사선 촬영기에 설치된 시뮬레이터를 정확하게 수평으로 위치시키는 것은 어렵기 때문에 오차에 대한 허용범위(±1°)를 두고 카메라 위치값 계산 시 반영되도록 하여 사용자의 편의를 고려하였다. 또한, 시뮬레이션 수행 중 촬영기에 부착된 카메라가 회전하면서, QR 코드가 카메라 가시 영역(field of view)에서 벗어나게 되면 마커 검출에 실패하기 때문에, 촬영대상의 위치로 인식되는 마커는 방사선 촬영용 마네킹의 이마 미간과 좌우 귀 끝 부위에 위치시키도록 하였다. 처음 인식한 마커가 가시 영역에서 벗어나더라도 곧바로 근처에 있는 QR 코드를 검출하여 다시 카메라 위치 추정을 할 수 있도록 제작하였다.
사용자가 모바일 애플리케이션을 실행시키면 카메라를 통해 Vuforia SDK (Vuforia SDK v7.0.36, Qualcomm)에서 제작한 QR 코드(Quick response code) 마커를 인식하게 되고, 스마트폰에 저장된 가상객체가 화면상에 출력할 수 있도록 제작하였다.
이 제한영역에 스마트폰 (방사선 기기의 관두)의 수직각과 수평각에 대한 위치값을 입력받아, 촬영 성공과 실패를 결정하도록 하였다. 사용자가 이 성공조건에 만족하는 촬영행위를 했을 때 치과 방사선사진이 출력되도록 설계하였다.
얼굴의 외형 촬영을 위해 공개모집을 하였고, 참여를 희망한 2명의 남녀 모델에게 연구의 목적과 취지를 설명하고 동의를 받은 후 진행하였으며, 디지털카메라(Digital Single Lens Reflex, DSLR)로 360°방향에서 촬영하였다.
이 연구는 실제 방사선 촬영기와 다양한 구강 내 특성 (실제 환자가 가진 치아우식, 보철, 부정교합 등)을 반영한 치과 방사선사진을 AR 기술에 적용하여, 실제 방사선 촬영기를 사용해 촬영 시뮬레이션이 가능하도록 모바일 콘텐츠를 개발하였다. 실제 치과 방사선사진을 활용하여, 학습 효과를 높이고자 하였다.
또한, 구내방사선 촬영기로 직접적인 촬영을 할 수 없는 여건에서, 방사선 촬영기를 직접 조작하여 모바일 기기의 화면에서 증강된 현실을 체험할 수 있게 하여, 반복적인 연습이 가능하도록 하는 구현이 가능하다. 이 연구에서는 스마트폰에서 AR 환경을 구현하여, 사용자가 현실에서 취하고 있는 조작정보와 동일 위치정보를 가지고 있는 데이터를 결과물로 보여주는 방식을 활용하였다[11]. 특히, AR 기술을 이용한 시뮬레이션 교육은 의료 관련 학습자들에게 제한적인 여건에 구애받지 않는 학습환경을 제공하여 반복적인 연습을 가능하게 하고[12], 해당 실습에 대해 즉각적이며 적절한 피드백을 제공하여, 경험 중심적인 지식습득과 수행능력 향상의 결과를 가져올 수 있다.
3D 치아 모델에는 카메라(방사선 기기의 관두) 초점이 맞춰지는 일정영역, 즉 촬영부위에 대한 중심방사선 입사점 영역에서만 성공적인 터치반응을 얻을 수 있도록 제한영역을 설정하였고, 영역별로 각각의 번호를 부여하여 데이터베이스에 저장하였다. 이 제한영역에 스마트폰 (방사선 기기의 관두)의 수직각과 수평각에 대한 위치값을 입력받아, 촬영 성공과 실패를 결정하도록 하였다. 사용자가 이 성공조건에 만족하는 촬영행위를 했을 때 치과 방사선사진이 출력되도록 설계하였다.
재구성하여 생성된 데이터는 삼차원(three dimensional, 3D) 모델링에 매핑(mapping)할 때 생길 수 있는 일그러짐을 바로 잡아주기 위해 UVmap을 제작하여 사람 얼굴과 같은 texture를 적용하였으며, 3D 두개골 모델에 오버랩(overlap)하여 최종 완성하였다[Fig. 1 참고].
구내 방사선사진은 서울시에 소재한 A 치과 의료기관에서 개인정보 미포함상태로 제공받아 사용하였으며, 치아우식, 치아 보철, 임플란트 등 다양한 사례를 확인할 수 있도록 구성하였다. 전체적인 시뮬레이션 과정은 실제 환자를 대상으로 촬영하는 순서와 동일하며, 사용자가 촬영 시 발생하는 음향은 실제 방사선 촬영기에서 촬영음을 녹음하여 사용하였다. 시뮬레이터 사용자가 치아를 선택하고 촬영 수행을 하는 동안 촬영자가 부여하는 수직각과 수평각에 대한 실시간 정보를 사용자 인터페이스 (user interface, UI)에서 확인할 수 있으며, 촬영 성공 시 해당 치아에 대한 촬영 각도와 위치정보에 따라 조건을 만족하는 구내 방사선사진이 화면상에 출력된다.
또한, 시뮬레이션 수행 중 촬영기에 부착된 카메라가 회전하면서, QR 코드가 카메라 가시 영역(field of view)에서 벗어나게 되면 마커 검출에 실패하기 때문에, 촬영대상의 위치로 인식되는 마커는 방사선 촬영용 마네킹의 이마 미간과 좌우 귀 끝 부위에 위치시키도록 하였다. 처음 인식한 마커가 가시 영역에서 벗어나더라도 곧바로 근처에 있는 QR 코드를 검출하여 다시 카메라 위치 추정을 할 수 있도록 제작하였다.
치과 방사선 촬영 시뮬레이션을 위한 모바일 콘텐츠는 치과 의료기관에서 이루어지고 있는 방사선 촬영과정의 재현을 위해 방사선 촬영기에 고정하여 사용하도록 설계하였다. Fig.

대상 데이터

구내 방사선사진은 서울시에 소재한 A 치과 의료기관에서 개인정보 미포함상태로 제공받아 사용하였으며, 치아우식, 치아 보철, 임플란트 등 다양한 사례를 확인할 수 있도록 구성하였다. 전체적인 시뮬레이션 과정은 실제 환자를 대상으로 촬영하는 순서와 동일하며, 사용자가 촬영 시 발생하는 음향은 실제 방사선 촬영기에서 촬영음을 녹음하여 사용하였다.
사용자가 촬영을 시행할 경우 데이터베이스화된 106장의 사진 중에서 수평각과 수직각이 일치 되는 방사선사진이 출력되도록 하였다. 등각 촬영 시 호출되는 방사선사진은 실습용 팬텀 사진 14장, 임상 사진 14장으로 총 28장으로 구성되며, 교익촬영에 활용되는 임상 사진은 78장이고, 우측 대구치 24장, 우측 소구치 12장이며, 좌측 대구치 22장, 좌측 소구치 20장으로 구성하였다. 예를 들어, 교익촬영을 선택하여 촬영을 시도할 경우, 우측 대구치를 대상으로 하면 촬영 성공 시 24장의 사진이 랜덤하게 출력되어 24가지 임상 케이스를 확인할 수 있도록 하였다.
106장은 1번부터 106번으로 촬영 위치, 수평각, 수직각에 대한 정보를 각각 포함하고 있으며, 28장은 등각촬영에 사용되며, 78장은 교익촬영 시 호출된다. 사용자가 촬영을 시행할 경우 데이터베이스화된 106장의 사진 중에서 수평각과 수직각이 일치 되는 방사선사진이 출력되도록 하였다. 등각 촬영 시 호출되는 방사선사진은 실습용 팬텀 사진 14장, 임상 사진 14장으로 총 28장으로 구성되며, 교익촬영에 활용되는 임상 사진은 78장이고, 우측 대구치 24장, 우측 소구치 12장이며, 좌측 대구치 22장, 좌측 소구치 20장으로 구성하였다.
치과 방사선 촬영 시뮬레이션에 대한 결과물은 실제 임상에서 촬영한 환자의 구내 방사선사진(개인식별이 불가능하도록 모든 개인정보를 삭제하였음)과 실습 시 사용하는 방사선 촬영용 마네킹의 구내 방사선사진을 사용하였다. 총 106장의 방사선사진이 사용자가 선택한 촬영 방법(등각촬영법, 교익촬영법)에 따라 랜덤(random)하게 출력되도록 하였다.
획득한 이미지는 Agisoft Photoscan Professional (Version 1.3.2 build 4205, Agisoft LLC, Russia)을 이용하여 3D 모델을 생성한 후, 형성된 high polygon 데이터를 Blender 소프트웨어(blender 2.78, open source: https://www.blender.org)에서 import 하여 일부 형태와 질감을 재구성하였다.

이론/모형

총 106장의 방사선사진이 사용자가 선택한 촬영 방법(등각촬영법, 교익촬영법)에 따라 랜덤(random)하게 출력되도록 하였다.

성능/효과

사용자가 특정 치아를 선택하면 촬영행위에 대한 가이드를 위해 하늘색 3D 화살표(Guide point)가 출력되고, 사용자 시각에서 관두 초점이 되는 붉은색 동그라미를 3D guide point와 일치시키면 사용자가 의도한 촬영조건과 일치되어 성공적인 방사선 촬영이 가능하다.

후속연구

향후 방사선 촬영용 실습 마네킹과 실제 사람에게 마커 없이 얼굴에 직접 적용하여 상호작용이 가능할 수 있는 후속 연구가 이루어진다면 더욱 효용 가치가 높을 것으로 생각한다. 또한, 각 개인의 구강 환경을 반영할 수 있는 촬영조건, 방법 등에 대한 고려와 개발한 콘텐츠를 사용하여 임상수행능력 결과를 비교할 수 있는 후속 연구가 필요하다고 생각한다. 이 연구결과가 치위생 분야에서 방사선 촬영 실습을 위해 실습하는 학생들의 임상 실무수행능력을 향상을 위한 효과적인 교육 도구로 활용되기를 기대한다.
또한, 각 개인의 구강 환경을 반영할 수 있는 촬영조건, 방법 등에 대한 고려와 개발한 콘텐츠를 사용하여 임상수행능력 결과를 비교할 수 있는 후속 연구가 필요하다고 생각한다. 이 연구결과가 치위생 분야에서 방사선 촬영 실습을 위해 실습하는 학생들의 임상 실무수행능력을 향상을 위한 효과적인 교육 도구로 활용되기를 기대한다.
그러나 가상객체가 실제 사람의 촬영대상을 반영하지 못한다는 한계점이 있다. 향후 방사선 촬영용 실습 마네킹과 실제 사람에게 마커 없이 얼굴에 직접 적용하여 상호작용이 가능할 수 있는 후속 연구가 이루어진다면 더욱 효용 가치가 높을 것으로 생각한다. 또한, 각 개인의 구강 환경을 반영할 수 있는 촬영조건, 방법 등에 대한 고려와 개발한 콘텐츠를 사용하여 임상수행능력 결과를 비교할 수 있는 후속 연구가 필요하다고 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	NCS를 기반으로 한 구내방사선 촬영 실습은 어떤 상황인가?	최근 실무역량 강화에 대한 NCS 변화로 인해, 교육 훈련기관(대학)은 학습자의 지식과 수행능력 향상을 위하여 교육 훈련과정을 체계화하고 다양한 교육 도구 개발을 시도하고 있고, 직무능력을 갖춘 실무형 인재양성을 위하여 노력하고 있다. NCS를 기반으로 한 구내방사선 촬영 실습은 실무역량 강화를 위해 정확한 촬영기술의 교육을 요구하고 있으나, 원자력법 개정과 고가의 팬텀 사용, 상호실습의 제약 등으로 인해 학생들은 반복적인 연습이 어렵고, 임상 실무 역량 약화가 우려되는 상황이다.
	증강현실이 제공하는 경험은 무엇인가?	증강현실(Augmented Reality, AR)은 이러한 제약을 극복할 수 있는 새로운 교육도구 제작에 필요한 기술이다. AR은 학습자에게 현실과 가상의 사물을 중첩시켜 정보를 제공함으로써 체험 중심의 지식함양과 학습경험을 가능하게 한다[9,10]. 또한, 구내방사선 촬영기로 직접적인 촬영을 할 수 없는 여건에서, 방사선 촬영기를 직접 조작하여 모바일 기기의 화면에서 증강된 현실을 체험할 수 있게 하여, 반복적인 연습이 가능하도록 하는 구현이 가능하다. 이 연구에서는 스마트폰에서 AR 환경을 구현하여, 사용자가 현실에서 취하고 있는 조작정보와 동일 위치정보를 가지고 있는 데이터를 결과물로 보여주는 방식을 활용하였다[11].
	방사선 촬영의 상호실습에 제한이 있는 이유는?	그러나 방사선 인체 피폭량 제한에 따른 국외의 동향[4]과 국내 원자력안전법 개정(2016)으로 수시출입자에 대한 안전관리체계가 방사선 작업종사자와 같은 수준으로 강화되었고, 개편된 주요 사항은 수시출입자 건강진단, 피폭선량 기록 5년간 유지, 교육훈련, 연간 유효 선량 한도 하향 조정 등이 포함된다[5]. 특히, 대학이 소유하고 있는 방사선 촬영시설은 의료용 방사선으로 분류되지 않아서 근본적으로 인체 방사선 촬영이 불가능하다. 또한, 원자력안전법령 개정으로 치위생학과 학생들은 인체의 조직등가물질로 제작된 고가의 방사선 촬영용 팬텀을 사용해 실습을 진행해야 한다. 대학의 방사선 촬영실은 방사선 관리구역에 해당하며, 출입하는 학생들은 원자력안전법에서 정의한 방사선 작업종사자 또는 수시출입자에 해당한다[6]. 이로 인해, 방사선 촬영의 상호실습에 제한이 있고, 방사선 촬영에 대한 반복적인 수행이 어려워서 임상 실무역량을 강화하기 어려운 실정이다.

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