요약 http://dx.doi.org/10.5392/jkca.2011.11.10.488 한국인척추연구를위한형상 / 물성정보구축 Geometry and Property Database for Korean Spine Research 이승복 *, 이상호 *, 한승호 **, 곽대순 ** 한국과학기술정보연구원 *, 가톨릭대학교의과대학해부학교실 / 응용해부연구소 ** Seung-Bock Lee(sblee@kisti.re.kr) *, Sang-Ho Lee(shlee@kisti.re.kr) *, Seung-Ho Han(hsh@catholic.ac.kr) **, Dai-Soon Kwak(daisoon@catholic.ac.kr) ** 한국과학기술정보연구원과가톨릭대학교의과대학가톨릭응용해부연구소에서는척추연구자들이쉽게사용할수있는기초자료를구축하고있다. 척추형상정보를제공하기위해 60-80대기증시신 20여표본을활용하여고해상도척추 (whole spine) CT (pixel dimension : 0.4x mm, thickness: 0.6mm) 를촬영하고이를 3차원모델링소프트웨어 (Mimics, Ver.14, Materialise, Belgium) 를사용하여 3차원형상모델 (shell model, STL format) 로구축하고, 목, 등, 허리척추의주요부위를계측하여수치화하였다. 시신기반자료의한계를극복하기위해고령자호발질환을중심으로대상환자를선정하여 X-Ray, CT, BMD 자료를구축하여보강하고있다. 물리적성질정보구축은기증시신 10여표본을활용하여임상적, 물리적골밀도를측정하고, 목척추 (cervical), 등척추 (thoracic), 허리척추 (lumbar) 부분의굽힘-폄 (flexion-extension), 가쪽굽힘 (lateral bending), 회전 (torsion), 압축 (body/disc compression) 시험을수행하여작용력과굽힘량의관계를구축하고있다. 구축된물성시험결과는형상모델과함께제공되어자료의활용도를높이고있으며, 이를이용하여한국인특성이반영된척추관련연구및제품개발에활용될수있다. 중심어 : 인체정보 한국인 의료영상 척추 뼈모델 Abstract 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. keyword : Human Body Information Korean Medical Image Spine Bone Model * 본연구는기초기술연구회의재원으로 2009 국가아젠다사업 (National Agenda Project) 의지원을받아수행되었습니다 (P-09-JC-LU63-C01) 접수번호 : #110715-003 접수일자 : 2011 년 07 월 15 일 심사완료일 : 2011 년 09 월 28 일교신저자 : 곽대순, e-mail : daisoon@catholic.ac.kr
한국인척추연구를위한형상 / 물성정보구축 489 I. 자료구축의목적및필요성사람은인구집단 ( 인종 ) 별로피부색, 눈동자, 체형등눈으로구별할수있는확연한차이가있다. 가시적으로드러나는차이뿐만아니라인체각부분의비율, 몸속각종장기들의형태에서도많은차이를나타낸다 [1][2]. 이러한차이로인하여특정연구분야에서는체형이우리와다른인구집단을기반으로얻어진결과를그대로적용할수없는한계점이존재한다 [3-5]. 척추질환에관련된연구는생활수준의향상과평균수명의증가로고령화사회로진행되고있는현재매우중요한연구분야로부각되고있다. 일반적으로병 의원을통해얻을수있는척추정보는영상정보에국한되며, 이는척추질환환자의질환을진단하는목적으로생성된것으로질환을발생시키는원인부위만집중적으로촬영하여생성되기때문에질환의원인부위를포함해기능적으로의미있는범위를모델링하고시뮬레이션해야하는생체공학연구에활용할수없다. 척추분야에관한연구중척추의퇴행성변화와움직임등에관한생체역학적연구를수행할때컴퓨터시뮬레이션을활용한연구가주로활용된다. 컴퓨터시뮬레이션을활용한연구에는척추의형상을나타내는형상정보, 물리적성질을나타내는물성정보가필요하며, 제작된시뮬레이션모델의유효성검증에척추운동특성에대한시험결과가필요하게된다. 현재국내에서는첨단영상의학진단기술의보급과범용인체정보의구축 [6][7] 으로한국인척추의형상정보습득은비교적용이한반면, 실험을통해서얻어야하는물리적성질정보와운동특성시험결과는전무한실정이다. 본논문에서는한국과학기술정보연구원과가톨릭대학교의과대학가톨릭응용해부연구소가공동으로구축하고있는한국인척추의고해상도연속척추영상자료, 3차원모델, 주요부분수치정보, 물성정보및운동특성시험결과자료를소개하고자한다. Ⅱ. 자료구축과정및방법 1. 구축대상자료 척추연구에활용될수있는한국인척추모델을제작하는데사용하기적합한대상을선정한다. 구축대상은 50세이상 85세이하의기증시신을기반으로한국인평균신장의 25분위에서 75분위범위를만족하며 [8], 육안및영상의학적검사에서외상이없고사망진단서의사망원인이뼈의형상및물성에심각한영향을미칠가능성이있는질환을보유하고있는표본은제외한다. 구축된표본은총 20표본으로여성 13 표본, 남성 7 표본으로구성되어있다 [ 표 1]. 표 1. 구축대상표본항목여성남성 표본수 13 7 나이 68 (54-81) 62 (52-67) 키 (cm) 157.7 (150-165) 165.4 (163 174) 몸무게 (kg) 49.8 (36-70) 57.3 (43-65) 2. 영상자료구축선정된기증시신을컴퓨터단층촬영 (CT, computed tomography) 하여단면영상을구축한다. 현재구축되고있는단면영상은해상도 (pixel dimension) 0.5mm 이하, 촬영간격 (thickness) 0.75mm 이하의기준을적용하여최고수준의영상품질을유지하고있으며, 1번목뼈 (C1) 부터엉치뼈 (sacrum) 를포함, 꼬리뼈 (coccyx) 끝까지척추전체를촬영하고있다. 촬영된영상은의료영상표준포맷인 dicom 형식으로제공된다 [ 그림 1]. 목척추 등척추 허리척추 그림 1. 척추영상자료 3. 영상구역화및 3차원모델링영상구역화작업은컴퓨터단층촬영영상에서척추뼈가차지하고있는영역을구분하는작업으로서영역의구분이명확해야만정확한형상과치수의 3차원척
490 한국콘텐츠학회논문지 '11 Vol. 11 No. 10 추뼈모델생성이가능하다. 영상구역화작업과척추뼈의 3차원모델생성작업은해부학, 영상의학전문가의감독하에단면영상기반 3차원모델링소프트웨어 (mimics, Ver.14.0, Materialise, Belgium) 를사용하였으며, 3차원척추뼈모델은범용 3차원형식인 STL 형식으로구축하였다 [ 그림 2]. 3-7 번목뼈 그림 2. 척추 3차원모델 4. 치수측정및수치정보구축척추뼈의형상및특징을표현하는데중요하거나, 한국인체형에맞는척추관련의료제품설계에중요한요소로판단되는부분은관련문헌 [9-11] 을참고하여직접계측하고이를수치정보로구축하였다. 표본당 481개소의수치측정정보가구축되었으며, 측정위치의선정의예를 [ 그림 1] 에 ( 목뼈 2번 ) 나타냈다. 등뼈 section PL2l LL SCD SCW LTW section LTH 허리뼈 LA PL1l OD BD 2 번목뼈 그림 3. 치수측정위치 5. 골밀도정보구축 뼈에대한밀도는단위부피당질량을표현하는물리 적골밀도가있고, 임상적으로골다공증진단에활용되 는골밀도가있다. 골다공증진단에활용되는골밀도는 X 선을이용한이중에너지흡수법 (DEXA) 등으로진단 되며단위면적당강도값으로표현된다. 두종류의골 밀도는서로다른단위를가지며다른용도로사용되므 로두가지정보모두구축이필요하여, 물리적골밀도
한국인척추연구를위한형상 / 물성정보구축 491 정보는 CT 영상의 Hu 값을밀도로환산하는방법을사용하여구축하였으며 [12][13], 임상적골밀도는 DEXA 장비를활용하여임상적골밀도검사방법을적용하여측정하여구축하였다. 6. 시험체준비 선정된기증시신으로부터물성변화에영향을미칠가능성이있는방법을배제하고순수외과적방법으로척추를적출하였다. 척추의안정성을담당하는앞세로인대 (anterior longitudinal ligament), 뒤세로인대 (posterior longitudinal ligament), 황색인대 (ligament flava), 가시사이인대 (interspinous ligament), 가시끝인대 (supraspinous ligament) 를제외한연조직은최대한제거했으며 [15][16], 시험체의확실한고정을위해 3개이상의나사못을사용하여고정후충분한강도를나타내는레진으로고정부위를제작하였다. 나사못을이용한고정이척추관절의움직임에영향을미치지않게제작된모든시험체는 X선검사를시행하여이상유무를확인후시험을실시하였다. 7. 강도 / 물성 / 운동시험 척추의강도, 물성, 운동시험은선행된연구와비교를위해다수의참고문헌 [14-16] 을검토하여공통적인시험조건을선정하여적용하였다 [ 표 2]. 시험은 4 자유도의척추전용시험기 (spine simulator, MTS) 와경사센서, 전자기방식위치추척센서 (Liberty, Polhemus) 등을사용하였다 [ 그림 4]. 척추를목뼈 (C3-C7), 등뼈 (T1-T6, T7-T12), 허리뼈 (L1-S1) 영역으로구분하여각부분의굽힘-폄시험, 가쪽굽힘시험 ( 왼쪽, 오른쪽 ), 비틀림시험 ( 왼쪽, 오른쪽 ), 척추원반의압축시험, 척추몸통의압축시험을수행하여시험결과를구축하였다. 표 2. 운동시험조건 Region Max. Moment Load Step Holding Time Reference Cervical 1-2Nm 4 30 sec [6] Thoracic 4-6Nm 4 30 sec [7] Lumbar 8Nm 4 30 sec [8] 그림 4. 척추운동시험장치구성 Ⅲ. 결론한국과학기술정보연구원에서는가톨릭의대응용해부연구소와함께한국인척추연구에활용할수있는고해상도척추컴퓨터단층촬영영상정보를구축하고있으며, 구축된단층촬영영상정보를구역화하여 3차원척추뼈모델을구축하였다. 구축된 3차원척추뼈모델을활용하여, 척추연구및척추관련제품설계에중요하다고판단되는부분을측정하여수치자료화하였다. 형상자료가구축된표본을시험하여강도, 물성, 운동특성에관한자료를추가하여한국인척추연구에활용할수있는형상및물성정보를구축하였다. 구축된자료는한국인척추관련각종연구개발에활용될수있다. 참고문헌 [1] W. M. Krogman and M. Y. Iscan, The Human Skeleton in Forensic Medicine, Charles Thomas Pub., 1986. [2] D. S. Kwak, S. Han, C. W. Han, and S. H. Han, Resected femoral anthropometry for design of the femoral component of the total knee prosthesis in a Korean population, Anatomy and Cell Biology, Vol.43, No.3, pp.252-259, 2010. [3] B. Yue, D. S. Kwak, M. K. Kim, S. O. Kwon,
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한국인척추연구를위한형상 / 물성정보구축 493 이상호 (Sang-Ho Lee) 종신회원 1982년 2월 : 충북대학교화학공학과 ( 공학사 ) 1984년 2월 : 충북대학교화학공학과 ( 공학석사 ) 1993년 4월 : 동경농공대학응용화학과 ( 공학박사 ) 2001년 3월 ~ 2005년 12월 : 청운대학교신소재응용화학과겸임교수 2004년 9월 ~ 현재 : 과학기술연합대학원대학교겸임교수 1983년 7월 ~ 현재 : 한국과학기술정보연구원책임연구원 < 관심분야 > : 과학기술데이터베이스, 인체정보, 의료정보학, 사실정보, 과학데이터 곽대순 (Dai-Soon Kwak) 정회원 1998년 2월 : 경희대학교기계공학과 ( 공학사 ) 2000년 2월 : 경희대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2006년 8월 : 경희대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 2008년 8월 : 가톨릭대학교의학과 ( 의학박사 ) 2008년 9월 ~ 2011년 6월 : 홍익대학교기계, 시스템디자인공학과겸임교수 2007년 8월 ~ 현재 : 가톨릭대학교응용해부연구소연구교원 < 관심분야 > : 응용해부학, 인체계측학, 생체공학 한승호 (Seung-Ho Han) 정회원 1988년 2월 : 가톨릭대학교의학과 ( 의학사 ) 1991년 2월 : 가톨릭대학교의학과 ( 의학석사 ) 1996년 2월 : 가톨릭대학교의학과 ( 의학박사 ) 1995년 3월 ~ 현재 : 가톨릭대학교의과대학해부학교실교수, 응용해부연구소소장 2001년 10월 ~ 현재 : 가톨릭대학교의과대학응용해부연구소소장 < 관심분야 > : 육안해부학, 인체재건술, 응용해부학