Ⅰ.서 론
급속한 노령화 사회로 노령인구의 지속적인 증가와 함께 보청기 산업의 규모와 수요가 크게 늘어나고 있다. 보청기 제조에 있어 사람들이 가지고 있는 귓바퀴와 외이도 형태는 길이, 직경, 모양 등에서 다소간의 개인적 차이가 있다. 귓 속 형 보청기의 경우 외형(shell)을 개개인의 귓바퀴와 외이 도에 맞추는 방식으로 제작하므로 착용감을 높일 수 있다. 만약 귓속 형 보청기가 외이도의 크기에 비해 작으면 헐거 워서 빠질 수 있고, 반대로 크면 통증을 유발할 수 있다1). 보청기 사용자 만족도 조사에서 귀의 통증이나 불편 감을 호소하는 경우가 전체 응답자의 24%가 나타나는2) 문제점으 로 그 정밀성은 매우 중요해졌다. 이러한 이유로 보청기를 만들기 위해선 각 개인의 특성에 맞는 귓본 제작을 하여 야 하는데 그 제작과정에서 재료의 특성인 점성(viscosity), 수축비율, 응력완화(stress relaxation), 인장강도(tensile strength), 경도((hardener), 이항력(release force)등을 고 려하여야 한다. 또한 귓본 체취 과정에서 인체의 감염과 재 료의 접촉으로 고막 손상이 발생할 수도 있으며, 귓본 제작 전후 및 이동과정에서 변형으로 시간과 비용을 낭비하는 경 우도 있을 수 있다. 본 연구는 이러한 기존의 방법들이 보완 된 새로운 방법으로 병원 임상에서 진단 및 수술시 보조적 인 지표로 유용하게 사용하는 인체의 3차원 정보3), 즉 방사 선 DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) 영상을 이용한 외이도 외형을 3차원으로 만들어 보청기 착용 시 크기가 맞지 않아 발생하는 통증 및 불편감 과 환자안전을 줄일 수 있는 새로운 보청기 제조방법을 이 어 쉘 모델링을 통하여 제시하고자 하였다.
Ⅱ.실험 방법
1.전체과정 모식도
본 연구에서는 기존방법과 다른 새로운 방법으로 보청기 외형을 제작하는 전체 모식도를 설계하였다.
Fig. 1은 보청기를 제조하는 기존의 방법(green, block arrow)과 본 연구에서 새롭게 연구한 방법(yellow, red arrow)에 대한 전체과정의 모식도를 나타내고 있다. 기존 방법에서는 귓본 채취를 통하여 수요자의 외이도에 맞는 보 청기 외형을 제작하였으며, 본 연구에서는 초기 청력 손실 의 원인을 위한 의료영상 CT (Computed Tomography) DICOM Ⅴolume data 검사를 이용하여 귓본 채취, 귓본 가 공, 쉘(Sheel) 가공 방법을 대체할 수 있는 새로운 방법을 연구하였다.
2.실험 방법
Fig. 2. (a)는 Temporal CT DICOM Ⅴolume data 에서 해부학적 구조의 Hounsfield Unit (HU)와 동일한 Threshold Ⅴalue를 이용하여4) 외이도를 추출하는 과정을 나타내고 있다. Fig. 2. (b), (c)는 추출된 3차원 외이도 영상의 표면 과 내부를 나타내고 있으며 surface 형태의 3차원 형상을 도출하여 3D Printer에서 출력과 편집이 가능한 STL (STereoLithography) 변환 파일을 생성하였다.
3.실험 장비
본 연구에 이용된 CT DICOM Ⅴolume data는 640-multislice computed tomography (Aquilion ONE, TOSHIBA, JAPAN)장치로 0.5 mm Ⅴolume Scan하여 획득 한 영상을 Terarecon (USA) 3D 프로그램에서 편집하여 STL 변환파 일을 생성하였다. 모델링 획득과 형상 표면구조 확인을 위 해 STL Ⅴiew (Module Works GmbH)를 사용하였으며, Rhinoceros (McNeel North America, USA) 프로그램의 Mesh tools을 사용하여 보청기 형상에 맞는 모델링 구조를 편집하였다.
Ⅲ.실험 결과
1.DICOM 영상의 STL 변환
Fig. 3의 (a)는 기존 귓본 채취 방법으로 3D Scan 하여 STL 파일을 얻은 외형 형상이고, (b)는 DICOM 영상에서 Threshold 값의 3차원 영상 추출을 통해 STL 파일을 얻은 외이도 형상이다. 기존 귓본 재취 방법(a)에 비해 DICOM 파일(b)에서 얻은 외이도 형상은 고막까지 전체를 나타 낼 수 있는 장점이 있었다. 이는 고막손상 위험과 중이염 수술 을 받은 골도 보청기 수요자들에게 좋은 정보를 제공해 줄 수 있다.
Table 1은 DICOM 파일로 얻은 3차원 외이도 영상을 STL 파일로 변환 시 적용된 growing tool의 값들을 나타내 고 있다. Include selected는 Zero(0), Export as mesh는 Smoothness 100%, Decimate 30%를 적용하여 최종 STL Binary file format(*.stl) 으로 모델링을 만들었다.
2.외이도에 대한 모델링 편집
DICOM 영상을 변환하여 만든 외이도 STL 파일은 고막 까지 표현된 외이도 전체크기이다. 이를 보청기 외형 크기 로 편집하기 위해 Rhinoceros 프로그램으로 STL 파일을 불 러온 후 Mesh tools의 Mesh Box로 편집 영역만큼 사각형 을 그린 후 임의의 Solid 형상을 제거하는 방법으로 완성하 였다. Fig. 4에서 외형구조에 맞게 편집하는 전체 과정을 나 타내고 있다. 본 연구에서 사용된 DICOM 방식의 이어 쉘 제작은 수요자의 특성에 따라 위치를 맞춤형으로 제작할 수 있는 특징이 있다. 이는 보청기 이어 쉘 위치에 대해 개인 특성을 반영할 수 있는 유연성을 높여주며 외부에 노출 되 지 않는 보청기 제작 가능성을 보여준다.
3.모델링 표면구조와 보청기 이어 쉘 제작
모델링 표면 구조는 인접한 등치선들 사이를 3차원 표면 조각들로 채워 두 등치선 사이의 공간을 삼각형으로 연결하 는 과정5)으로 나타내며 Fig. 5의 (a)는 기존 귓본 방식, (b) 는 DICOM 방식의 모델링 표면구조를 나타내고 있다.
Fig. 5의 (b)는 (a)와 같이 3차원 모델링의 표면 구조가 많은 삼각형으로 표현되어 형상 외벽을 만드는 기존방법과 동일하게 만들어 진다는 것을 알 수 있다. 이는 DICOM 방 식에 의한 STL 파일이 기존 귓본 방식에 의한 모델링과 같 은 공정으로 3D Printer 형상이 출력됨을 나타낸다.
Fig. 6은 DICOM 파일로 생성한 외이도 3차원 모델링을 Solide, Wireframe, Point, Solide and Wireframe 방식으 로 표현한 모델링 구조로 다양한 방식의 표현에서도 기존방 식과 동일하게 나타났다.
Fig. 7은 본 연구의 DICOM 방식에 의해 3D Printer로 제작된 보청기 이어 쉘을 나타내고 있다. (a)는 보청기 이어 쉘의 크기를 연필의 끝부분과 비교하여 나타냈으며, (b)는 출력된 보청기 이어 쉘 형상, (c)는 보청기 이어 쉘 착용 후 외이도 얼굴부위를 나타내고 있다. Fig. 7 (c)에서와 같이 DICOM 방식에 의해 출력된 이어 쉘 형상은 보청기 형태에 맞게 삽입되는 것을 알 수 있었다. 이는 DICOM 방식에 의 한 모델링 구조도 귓본 채취에 의한 3D Scanning 방법과 동일하게 보청기 이어 쉘이 완성됨을 보여주고 있다.
Ⅳ.고 찰
의료기술 발달에 따른 삶의 질 향상과 더불어 인구의 고 령화가 진행되면서 보청기를 필요로 하는 인구는 더욱 늘어 나는 추세이며 2013년 기준으로 한국에서 청력문제로 고생 하는 사람은 약 200만 명에 달하는 것으로 알려져 있다6). 이러한 귓속 형 보청기는 개개인의 외이도에 맞추어 제작 되는7) 관계로 그 과정이 매우 중요하다. 현재 보청기를 필 요로 하는 많은 수요자들이 귓속 형 보청기를 원하고 있기 때문에8) 외형에 대한 새로운 방법 연구는 더욱 중요하다고 할 수 있다. 이와 같은 특성으로 본 연구에서는 3차원의 물 체 내부를 가시화하기 위해 모형화기법인 문턱치기법 (threshold method)을 활용하였다9). 영상에서 각각의 인접 한 픽셀들이 대부분 동일한 물체에 속하여 있다는 사실로부 터 각 픽셀 값을 단순화함으로서 영상을 쉽게 인식할 수 있 도록 해주는 작업으로10-11) 외이도 내에 있는 공기 영역을 모 두 추출하였다. 이와 같이 CT 촬영으로 사전에 환자의 외이 도 단면을 획득하고, 영상분할(image segmentation), 볼륨 재구성(volume reconstruction)등, 입체적으로 가시화 하는 방법을 사용하였기 때문에 기존 귓본 방식과 다른 장 단점이 있을 수 있다. 보청기 제조 자체만 놓고 본다면 본 연구는 불필요한 방사선 피폭을 초래할 수 있는 여지가 있 지만 초기 청력 손실의 원인을 구별하는 검사법으로 CT가 활용 된다면 보다 안전한 보청기 제조의 결과로 이어질 수 있다. 귓본 제작 과정에서 실리콘 주입 시 감염, 고막손상의 우려를 방지할 수 있고 실리콘 압박으로 정확도가 낮아지고 완성까지의 경과 시간으로 형상이 변형되는 것을 막을 수 있다. 또한 고막까지 3차원 구조를 표현할 수 있어 전체 외 이도 정보를 활용할 수 있는 있는 장점도 있다. 그러나 DICOM 방식에서는 raw data를 이용하므로 방사선 피폭 이 외에 3차원 프로그램을 구입하는 비용과 프로그램 기술 습 득의 문제들이 있을 수 있다.
Ⅴ.결 론
본 논문은 의료영상을 이용한 융합기술 연구로 보청기 이어 쉘 제작에 대한 그 가능성을 모델링을 통하여 입증하 고자 하였다. DICOM 영상을 이용해서 만든 STL 파일의 3 차원 형상 표면은 기존의 귓본 방식과 같은 삼각형 구조로 표현되어 3D Printer에서 실질적인 보청기 이어 쉘 제작이 가능했다. 앞으로 귓본 체취 공정에 대한 불편함, 감염에 대한 우려, 외형 정밀도, 방사선 위험 요인 등을 비교한 보 청기 이어 쉘 연구가 계속되어 융합학문 연구가 높아지길 기대한다.
