안면골 비대칭 컴퓨터 가상수술의 표면매칭과 수동매칭의 비교

Abstract

[한글]

두개 안면골의 기형이 있는 환자에서 컴퓨터 전산처리에 의한 컴퓨터 단층촬영과 자기공명 영상 등 의료 영상은 환자의 생체 해부학적 구조를 보여준다는 측면에서 괄목할 만한 성과를 거두었다. 의료영상의 컴퓨터 디지털 프로세싱은 이와 함께 복잡한 두개 안면골의 수술 전 계획을 계측적인 데이터를 제시할 수 있게 해 주었다. 이러한 발전이 진행되면서 수술 전 컴퓨터 가상수술은 컴퓨터 환경 하에서 보다 정확하고 대화식 수행이 가능해졌으며, 3차원의 가상 수술 후 영상을 제공함으로써 실제 수술에 대한 최상의 해결책을 제시할 수 있게 되었다.

이와 같은 대화식 컴퓨터 가상 수술은 컴퓨터상에서 디지털 방식으로 절골술이 시행된 객체를 시술자가 원하는 결과 영상을 이룰 때까지 객체의 이동량을 눈으로 결정하여 수동으로 움직여 이루진다. 그러나 이와 같은 수동 매칭의 방법은 주관적인 판단에 의존하고 마우스나 트랙볼에 의한 절골 객체에 대한 여러 방향의 수동적 움직임에 의존하기 때문에 제공할 수 있는 최상의 결과가 일정치 않게 된다.

본 연구에서는 안면골 비대칭 환자의 비정상측 안와골을 대상으로 하여, 디지털방식으로 절골된 객체를 이상적인 위치로 인정되는 정상측의 거울영상 위치에 표면 매칭 방법으로 이동시켜 수동적인 이동 조작을 배제한 방법을 제시하고, 이에 따른 결과를 수동 매칭의 결과와 비교하고자 하였다. 수동 매칭과 표면 매칭에 의한 가상수술은 아래와 같이 4가지로 구분되어 시행되었다.

1. 수동 매칭 가상 수술 (Manual Matching Simulation; MMS)

a. 전면 영상에서 직선 이동으로만 시행한 경우 ; MMS-1

b. 전면 영상과 측면 영상에서 직선 이동으로만 시행한 경우 ; MMS-2

c. 여러 측면의 영상에서 직선과 회전 이동으로 시행한 경우 ; MMS-3

2. 표면 매칭 가상 수술 (Surface Matcing Simulation; SMS )

정상측의 거울 영상으로 표면 매칭에 의해 자동 이동을 시행한 경우

각각의 가상 수술 후 두가지 가상 수술의 비교 분석을 위한 이동 거리 측정은 다음과 같다. 전면 영상에서 측정한 누골점간 거리(interdacryon distance), 측면 영상에서 포리온에서 하외측안와의 거리(porion- inferolateral orbital rim distance)와 포리온에서 관골전두골봉합까지의 거리(porion-zygomaticofrontal suture distance)를 측정하였다. 이와 함께 3가지 수동 매칭 가상수술 후 이동된 절골 객체에서 표면 매칭 후 이동된 절골 객체와 중첩된 부위를 뺀 후의 객체의 체적을 측정하였다. 이는 수동 매칭에 의한 3가지 가상수술의 각각의 결과가 표면 매칭에 의한 가상수술의 결과와의 차이를 파악하는 또 하나의 방법으로 표면 매칭의 결과에서 각각의 수동 매칭의 결과를 체적영상화 한 후, 표면 매칭 과 수동 매칭의 가상 수술에 의해 이동된 객체의 중첩된 체적을 표면 매칭의 체적에서 뺀 값을 비교하였다.

결과는 다음과 같았다.

1. MMS-1에서 누골점간 거리는 가상 수술 전 23.5 mm에서 19.6 mm로 3.9 mm 감소하였다. 그러나, 포리온-하외측안와 거리와 포리온-관골전두골봉합간 거리는 수술 전과 각각 59.3 mm, 61.1 mm로 같았다.

2. MMS-2에서 누골점간 거리의 변화는 MMS-1과 같았다. 그러나, 포리온-하외측안와 거리는 수술전 59.3 mm에서 62.0 mm로 2.7 mm 증가되었으며, 포리온-관골전두골봉합간 거리는 수술 전과 61.1 mm로 같았다.

3. MMS-3는 누골점간 거리의 변화는 MMS-1 과 같았다. 그러나, 포리온-하외측안와 거리는 수술 전 59.3 mm에서 수술 후 61.1 mm로 1.8 mm 증가하였고, 포리온-관골전두골봉합 거리는 수술 전 61.1 mm에서 63.8 mm로 2.7 mm 증가하였다.

4. SMS는 누골점간 거리는 가상 수술 전 23.5 mm 에서 19.5 mm로 3.8 mm 감소하였다. 그러나, 포리온-하외측안와 거리는 수술 전 59.3 mm에서 수술 후 68.9 mm로 9.6 mm 증가하였고, 포리온-관골전두골봉합 거리는 수술 전 61.1 mm에서 69.3 mm로 8.2 mm 증가하였다.

5. 상기 4 항의 결과, 각각의 MMS는 서로 다른 결과를 보였으며, SMS와 MMS-3의 비교 결과, SMS의 결과가 MMS-3의 결과에 비해 포리온-하외측 안와거리에서 3배, 포리온-관골전두골봉합거리에서 5.3배의 측면 이동 거리의 증가를 보였다. .

6. 최종 생성된 SMS의 객체 파일에서 각각의 MMS 결과 객체 파일을 뺄셈 연산 후 측정한 체적은 MMS-1에서 30487 mm3, MMS-2 에서 25483 mm3, MMS-3 에서 15217 mm3 이었다.

이상의 결과를 종합하여 볼 때

1. 수동 매칭에 의한 가상 수술은 방법에 따라 결과가 달라진다.

2. 3가지 수동 매칭 가상 수술 중 MMS-3 가 표면 매칭 가상 수술과 가장 유사한 결과를 보이는 가상 수술임을 알 수 있다. 이는 수동 매칭 가상 수술에서도 그 수행과정이 여러 측면의 관찰과, 직선 및 회전 이동등이 모두 사용된 보다 치밀한 과정이 있을 경우 더 나은 결과를 생성한다는 것을 의미한다.

3. 표면 매칭 가상 수술의 측면 이동 결과가 수동 매칭 가상 수술과 큰 차이를 보였다. 이는 수동 매칭에서의 시각적 인식과 수동적 이동에 있어 불충분하다는 것을 의미하며, 미래의 가상 수술에서는 표면 매칭 가상수술과 같은 자동화 이동 방법의 필요성을 시사하였다.

결론적으로 본 연구로 컴퓨터 가상 수술에서 수동적인 그리고 오감에 의지해야 하는 객체의 이동에 의한 수동 매칭 가상 수술 방법보다는 수동적 조작을 배제한 자동적인 표면 매칭 가상 수술 방법이 가능한 프로세스이며, 그 결과에 있어 수동 매칭 가상 수술보다 신뢰할 수 있다는 결과를 제시할 수 있었다.

[영문]Computer-assisted medical imaging (CT and MR) has shown tremendous improvement in definition of in vivo anatomy of patients with craniofacial anomalies. Computer digital processing of these medical images has enabled quantitative preoperative planning of complex craniofacial operations. In accordance with these developments, preoperative surgical simulation can now be performed more accurately and interactively within the environment of computer graphic workstation and can also provide the best solution for surgery by displaying the 3 dimensional post-simulation images.

The interactive surgical simulation approach is based on digitally osteotomized objects which have been translocated manually by an operator who visually determines the amount of movement required until the desired end result is achieved. However, this approach depends upon subjective assessment and may not consistently provide optimal simulation in all directions due to manual movoment of the osteotomized object by mouse or trackball. In addition, this procedure is time and labor intensive due to repetitive processing to obtain the satisfactory end result.

This study demonstrates a method of surface matching of digitally osteotomized objects, by simulating the deformed orbit to the assumed ideal position of mirror image without manual manipulation of simulation objects, and compare the results of surface matching and manual matching simulation surgery. Three types of manual matching and one type of surface matching were processed as follows.

1. Manual Matching Simulation (MMS)

a. Using translation moving on anterior view of skull; MMS-1

b. Using translation moving on anterior and lateral view of skull;

MMS-2

c. Using translation and rotation moving on various view of skull; MMS-3

2. Surface Matching Simulation (SMS)

The measurement was done after individual simulation surgery as follows. The distances were measured from left dacryon to right dacryon, from right porion to right inferolateral orbit, from right porion to right zygomaticofrontal suture. The volume was measured by measuring the remnant volume of the object file of surface matching after subtraction of object files of manual matching simulations, individually.

The results are as follows.

1. For MMS-1, interdacryon distance reduced 3.9 mm from 23.5 mm of pre-simulation to 19.6 mm of post-simulation. Porion-inferolateral orbit distance and porion-zygomaticofrontal suture distance was same in pre- and post- simulation, 59.3 mm, 61.1 mm, respectively.

2. For MMS-2, interdacryon distance was same with result of MMS-1. Porion-inferolateral orbit distance increased 2.7 mm from 59.3 mm of pre-simulation to 62.0 mm of post-simulation. Porion-zygomaticofrontal suture distance was same in pre- and post- simulation, 61.1 mm.

3. For MMS-3, interdacryon distance was same with result of MMS-1. Porion-inferolateral orbit distance increased 1.8 mm from 59.3 mm of pre-simulation to 61.1 mm of post-simulation. Porion-zygomaticofrontal suture distance increased 2.7 mm from 61.1 mm of pre-simulation to 63.8 mm of post-simulation.

4. For SMS, interdacryon distance was reduced 4.0 mm from 23.5 mm of pre-simulation to 19.5 mm of post-simulation. Porion-inferolateral orbit distance increased 9.6 mm from 59.3 mm of pre-simulation to 68.9 mm of post-simulation. Porion-zygomaticofrontal suture distance increased 8.2 mm from 61.1 mm of pre-simulation to 69.3 mm of post-simulation.

5. Above results show that individual MMS shows different result and the result of SMS shows three times and 5.3 times longer lateral movement when compare with the result of MMS-3.

6. After the subtraction individual final object files of MMS-1, -2, and -3 from the final object file of SMS, the volume was 30487 mm3, 25483 mm3, 15217 mm3, respectively.

Reviewing all above results,

1. MMS shows different result from type to type.

2. Among three types of MMS, MMS-3 shows the most similar result with SMS. This means that the result of MMS-3 can be better if the process accomplished in more detailed and accurate way.

3. There was big difference between SMS and MMS-3 on the lateral movement. This mean that there was incomplete simulation in MMS-3, and then there is a necessity of the automatic process such as surface matching for the computer base surgical simulation surgery in future.

In conclusion, the automatized procedure in simulation surgery of surface matching is well accomplished without manual manipulation, and also shows more reliability of the SMS than manual simulation surgery.