Ⅰ.서 론

2013년 우리나라 통계에 의하면 청력 문제로 보청기를 필요로 하는 사람이 약 200만 명에 달해 인구의 고령화와 더불어 그 수치는 급격하게 늘어날 것으로 판단된다¹⁾. 보청 기 종류는 난청의 근본적 원인과 해부학적 위치에 따라 다 양한 종류가 있지만 귓속형 보청기는 외부에 노출되지 않는 관계로 그 선호도가 매우 높다²⁾. 이러한 귓속형 보청기는 개개인의 외이도에 맞추어 제작되는 특수성으로 외형적 길 이, 직경, 표면형태가 매우 중요하다³⁾. 보청기 착용에 대한 사용자 만족도 조사에 의하면 통증이나 불편 감을 호소하는 응답자가 24% 에 달해 이러한 사실을 뒷받침하고 있다^4-5). 현재 일부 다국적 보청기 제조 기업에서는 고객의 귓속 모 형을 3차원 데이터(3 Dimension; 3D)로 3D 프린팅 하여, 기존과 다른 방법으로 보청기를 제작하고 있다,⁶⁾. 이 연구는 기존의 귓본을 만든 후 다시 스캐닝 하여 데이터화 하는 방 법으로서 귓본을 채취하는 방법과 그 이후 3D 스캐닝 하는 복합적 기술이 필요하다.

최근 의료영상 기술은 인체의 3차원정보를 얇은 단면으 로 형상화하여 나타낼 수 있는 기술을 가지고 있다. 2016년 김형균은 “인체의 3차원정보, 즉 디지털 영상 및 통신 표준 (Digital Imaging and Communications in Medicine; DICOM) 영상을 이용하여 외이도를 만들어 보청기를 제 작하는 방법을 제시하였다⁷⁾. 이는 기존 귓본 채취 방법과 다른 3차원영상 정보를 이용하여 외이도를 추출하는 방법 으로서 초기의 DICOM 영상데이터가 중요하다. 이에 본 연구는 3D 프린터 형상출력을 위한 스테레오리소그래피 (STereoLithography; STL) 파일 변환 과정에서 DICOM 데이터의 영상두께가 이어 쉘 형상표면 및 그 과정에서 일 어나는 모델링의 구조차이를 비교하고 새로운 기술적용에 대한 기초적인 설정 값을 만들고자 연구하였다.Figure 1Figure 2

Ⅱ.연구 및 방법

1.전체과정 모식도

DICOM 영상과 3D 프린터로 보청기 이어 쉘을 제작할 때 0.5 ㎜, 1.0 ㎜, 2.0 ㎜의 STL 파일 구조와 이어 쉘 형상표 면의 차이를 실험한 연구과정 전체 모식도이다(Figure 1).

2.실험방법 및 장비

본 연구는 머리 측두부(Temporal) 전산화단층촬영(Computed Tomography; CT) 영상의 볼륨 데이터에서 해부학적구조 의 영상밀도(Hounsfield Unit)와 동일한 문턱치 값 (Threshold Value)을 이용하여 외이도를 추출 한 후 3D 프 린터 출력이 가능한 STL 파일로 변환하였다⁸⁾. 그 후 외이도 모델링 표면구조를 각 두께별로 동일하게 병합(merge)된 상태에서 특징적인 3 곳의 Angle(A), Bending(B), 보청기 가 출입하는 외이도 내측 Crest(C) 영역에 대해 다각형모드 (polygon mode)인 삼각형 등치선들의 관계를 비교하였다 (Figure 3).

연구에 사용된 실험장비는 의료영상 획득을 위한 CT (Aquilion ONE, Toshiba, Japan), 의료영상 외이도 형상 추출을 위한 3D 프로그램(Intuition Solutions, Terarecon, USA), 파일구조 분석을 위한 STL View(ModuleWorks GmbH, Germany)를 사용하였다. 또한 보청기 이어 쉘 형 상출력을 위한 3D 프린터(Desktop Digital Shell Printer Plus Envision TEC, Germany), 형상표면 측정을 위한 디지 털 현미경(AM4113FI2T Dino-Lite Pro, AnMo Electronics Corporation, Taiwan)을 사용하였다(Figure 2, 4). 실험에 사용된 3D 프린터는 XY 해상도(Resolution)가 71 μm, 적 층두께 25μm–150μm이며, 디지털 현미경은 20x–50x, 최대 200배 배율(200x Magnification Rate)과 측정 시 고정된 상태에서 영상을 캡처(Capture) 할 수 있는 구조로 되어있 다. 본 실험에서는 렌즈와 이어 쉘 거리를 10 cm 고정 후 최적의 선명한 초점이 이루어지는 상태에서 영상을 캡처하 였다(Figure 4).

3.실험 분석

특징된 3곳 영역의 일정한 동일범위에 대해 5개 이상의 교차점 및 등치선이 완전한 그룹, 일부 등치선이 불완전한 그룹을 각 색깔(color)로 구분하였으며 최대 교차점에 대해 서는 상대적 큰 원(circle)으로 표시하여 선택된 STL 파일 구조를 비교할 수 있도록 하였다(Figure 5). Angle 영역(A) 은 0.5 ㎜, 2.0 ㎜에 대해 병합한 것으로 0.5 ㎜의 완전그룹 을 초록색 원, 불완전그룹 노란색 원, 최대교차점을 노란색 큰 원으로 나타냈다. 2.0 ㎜는 완전그룹 파란색 원, 불완전 그룹 보라색 원, 최대교차점은 초록색 큰 원으로 표시하여 병합된 동일 영역에 대해 그 차이를 비교할 수 있게 하였다 (Figure 5a). Bending 영역(B)은 0.5 ㎜, 1.0 ㎜에 대해 비 교하였으며 0.5 ㎜의 완전그룹은 초록색 원, 불완전 그룹은 노란색 원, 최대교차점은 초록색 큰 원으로 표시하였다. 1.0 ㎜의 완전그룹은 빨간색, 불완전그룹 아이보리색, 최대교차 점은 빨간색 큰 원으로 표시하였다(Figure 5b). Crest 영역 (C)은 1.0 ㎜ 와 2.0 ㎜ 로 비교하였으며 1.0 ㎜의 완전그룹 은 빨간색, 불완전그룹은 아이보리색, 최대교차점은 아이보 리색 큰 원으로 나타냈다, 2.0 ㎜ 완전그룹은 파란색, 불완 전그룹은 보라색, 최대교차점은 보라색 큰 원으로 표시하였 다(Figure 5c). 이와 같이 동일하게 병합된 각 영역에 대해 등치선의 삼각형 관계를 비교하였다.

Ⅲ.결 과

1.STL 파일구조 비교

실험분석에 의해 STL 파일구조의 특징 값을 비교한 결과 등치선 삼각형 구조크기는 각 영역에서 다양한 차이로 나타 났으나 측정한 3곳의 교차점, 최대교차점 수는 Bending, Angle, Crest 영역 순으로 높게 나타났다. 이는 0.5 ㎜ 완 전한 그룹기준으로 볼 때 Bending 62%, Angle 32%, Crest 6%의 분포 차이이며, 불안전그룹의 최대교차점 측정에서도 동일한 순으로 나타났다. 영상 두께 차이에 대한 비교에서 는 0.5 ㎜, 1.0 ㎜, 2.0 ㎜ 순으로 교차점, 최대교차점 수가 높게 나타났다. 최대교차점으로 분석해 보면 Angle 영역에 서 0.5 ㎜가 2.0 ㎜에 비해 4개, Bending 영역에서 0.5 ㎜ 가 1.0 ㎜에 비해 5개, Crest 영역에서 1.0 ㎜가 2.0 ㎜에 비해 3개의 높은 수치이다(Table 1). 이와 같이 3곳 측정에 서 의료영상두께가 낮을수록 등치선의 교차점 및 최대교차 점 수가 많이 나타남을 알 수 있었다.

2.이어 쉘 형상표면의 적층구조

DICOM 영상의 0.5 ㎜, 1.0 ㎜, 2.0 ㎜ 두께로 만들어진 STL 파일에 대해 동일 조건의 3D 프린터로 각각 출력된 이 어 쉘 형상표면은 시각, 촉각적 구분이 어려워 디지털 현미 경 측정기로 형상표면을 측정하였다. 측정은 렌즈와 이어 쉘 거리를 10 ㎝ 고정 후 최적의 선명한 초점상태에서 영상 을 캡처한 후 비교하였다(Figure 4).

측정에 필요한 동일한 구역을 디지털 현미경으로 40x(40 배 확대율) 확대한 형상표면은 경사진 사선방향의 줄무늬 형태로 나타났다. 캡처된 영상의 정성적 상대평가 결과로는 2.0 ㎜, 1.0 ㎜, 0.5 ㎜ 순으로 간격 두께가 두껍게 나타났 다. 이는 동일한 환경에서 동일한 3D 프린터 및 재료로 출 력한 것으로 의료영상 두께가 높을수록 적층구조 간격이 크 게 나타나는 것을 알 수 있는 결과이다(Figure 6).

Ⅳ.고 찰

3차원 의료영상 기술이 도입된 초기부터 최영규는 “컴퓨 터 그래픽스나 가상환경 등의 분야에서 환자를 진단하고 치 료하는 거 못지않게 3차원 의료영상 기술이 가치 있는 기술 이 될 수 있다.”고 주장한 바 있다⁹⁾. 이와 같이 3차원 의료 영상기술을 이용한 보청기 이어 쉘 제작연구는 기존방법에 대한 새로운 적용방법으로 귓본 채취 과정이 필요 없는 컴 퓨터 그래픽스 기술로서 김형균은 2016년 처음 발표하였 다⁶⁾. 이는 3차원 의료영상으로 보청기 이어 쉘 형상을 모델 링하고 3D 프린터로 출력하여 이어 쉘을 완성하는 방법이 다. 그러나 이 방법은 아직 완성제품의 사례가 없어 보청기 로서의 최종판단은 유보적이며, 적용기준에 대한 기초적인 설정 값이 없다. 따라서 본 연구를 통해 의료영상 두께가 형 상표면에 미치는 정도를 알아보고 3차원 의료영상 획득정보 에 대한 기준을 정립하고자 하였다.

박형준은 3차원 물체의 형상 모델링은 시스템에 따라 다 양한 포맷으로 저장되지만 보청기 이어 쉘 형상을 출력하기 위해서는 STL 파일 포맷(.stl 확장자를 갖는 파일)을 주로 사용하며 STL 파일은 삼각형들이 연결되어 있는 메쉬 (mesh)로 물체의 형상을 표현한다고 하였다¹⁰⁾. 의료영상 기 술을 이용한 본 연구는 이러한 메쉬에 의한 형상표현을 비 교한 것으로 0.5 ㎜, 1.0 ㎜, 2.0 ㎜ 영상 두께를 선택하였 다. 실험에 사용된 3 개의 영상 획득은 0.5 ㎜ 볼륨 데이터 영상에서 1.0 ㎜, 2.0 ㎜ 재구성영상(reconstruction image) 으로 획득하였다. 3가지 영상두께의 STL 파일구조는 삼각 형 모형으로 동일하게 표현되었지만 그 크기와 교차점 개수 는 각각 다르게 나타나 영상두께에 대한 분포 차이를 비교 할 수 있었다. 실험에서 Bending, Angle, Crest 영역은 보 청기 착용 시 위치고정이나 통증 유발을 일으키는 중요한 부분으로서 형상표면이 매우 중요하기 때문에 선택되었다 (Figure 3). 현재 귓속형 보청기는 인체의 연부조직에 삽입 되어 사용하는 것으로 외형의 형태가 매우 중요하다. 따라 서 본 연구자는 의료영상을 이용한 보청기 제작의 새로운 기술완성을 위하여 연구를 계속 추진해 나갈 것이다.

Ⅴ.결 론

3차원 의료영상과 3D 프린팅을 이용한 보청기 이어 쉘 제작방법에 대해 DICOM 데이터의 변수에 따른 모델링 구 조와 형상표면에 대한 실험을 하고 다음과 같은 결론을 도 출하였다.

본 연구의 실험결과 STL 표면구조는 3차원 이어 쉘 형상 의 굴곡도가 세밀할수록 DICOM 데이터 두께가 낮을수록 교차하는 삼각형 구조는 조밀하였다. 이것은 3D 프린터로 출력된 표면 적층구조 간격과 동일한 결과이며 0.5 mm 영 상두께가 형상표면에 상대적으로 높은 결과임을 나타내는 반증이기도 하다.