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가상 골격-치열 하이브리드 이미지 생성을 위한 구강 스캐너의 활용

초록

콘빔 전산화 단층촬영(CBCT)은 치열을 왜곡시켜 추가 치열 이미지가 필요하다. 치열 이미지로 주로 사용되는 석고 모형을 대신해 구강 스캐너로 CBCT의 치열 이미지를 보완할 때의 임상적 활용 가능성을 평가하였다.
만 12 - 18세의 20명에게 상악에 대한 석고 모형, 구강 스캔 이미지, CBCT이미지를 획득하였다. 비교를 위해 두 종류의 구강 스캐너를 이용하였는데, 그 중 하나의 구강 스캐너로는 전악을 3분할하여 각각을 스캔한 후 이들을 병합해 전악 이미지를 획득하는 방법을 추가로 시행하였다. 구강 스캐너를 이용해 얻은 가상 골격-치열 하이브리드 이미지를 석고 모형을 통해 얻은 이미지와 중첩하여 각 기준점에서의 좌표 값의 차이와 거리를 측정하였다.
결과적으로 구강 스캐너로 분할하여 스캔하는 방법을 시행했을 때 평균 거리 2 ㎛를 보여 가장 적게 나타났다. 구강 스캐너를 적절히 이용하면 가상 골격-치열 하이브리드 이미지를 위한 치열 이미지로 훌륭히 활용될 수 있을 것이다.

Abstract

Additional dentition images are needed because the dentitions are distorted in cone-beam computed tomography (CBCT) due to streak artifacts and non-uniformity of the x-ray beam.
The purpose of this study is to evaluate the feasibility of improving the dentition image of CBCT scan with intraoral scanner instead of plaster models.
Maxilla images from plaster models, two intraoral scanners, and CBCT of 20 patients aged 12 to 18 were used in this study. With one of the intraoral scanners, the full arch was scanned by three segments and combined into a complete full arch. Virtual skull-dentition hybrid images from intraoral scanners were superimposed with the images from plaster models to evaluate the coordinate value difference and distance at reference points.
The results showed that the coordinate value difference and distance were smallest with segmented intraoral scan, which showed only 2 ㎛ distance. Intraoral scan may provide good dentition images for virtual skull-dentition images.

Ⅰ. 서 론

최근 치과 영역에서 3차원 디지털 이미지를 활용해 가상 치료 계획을 세우거나 치료에 이용하는 것이 주목받고 있다[1-3]. 특히 콘빔 전산화 단층촬영(CBCT)은 환자의 악안면부에 대한 3차원 정보를 제공함으로써 유용하게 활용될 수 있다. 악안면 수술 시 가상 시뮬레이션을 해볼 수 있을 뿐 아니라, 컴퓨터 이용 설계/제조(CAD/CAM) 기술로 웨이퍼나 임플란트 수술 가이드를 제작할 수 있다[4-6].
소아 청소년 환자에게도 CBCT는 유용하게 사용된다. 성장 발육하는 환자들의 악안면 치열의 형태와 기능의 문제는 3차원적으로 진단해야 할 뿐만 아니라 성장에 따른 변화량을 고려하여 치료계획을 세워야 한다. 다수의 과잉치, 심한 만곡치, 이소맹출 또는 매복치가 있는 경우 여러 각도에서의 관찰이 필요하다.
그러나 CBCT 이미지는 다음 두 가지 이유로 정확한 정보를 제공하는데 한계가 있다. 첫 번째로 CBCT에서는 법랑질, 수복물, 임플란트, 교정 장치 등에 의해 산란되어 줄무늬 인공음영(artifact)이 발생하고[7-10], 두 번째로 CBCT 측정 방법인 X선 빔이 항상 완벽히 일정할 수 없기 때문에 치아가 확대되어 치아 교합면에 대한 왜곡이 생긴다[11].
따라서 CBCT 이미지에서 치열에 대한 정확한 정보를 나타내기 위해서는 추가 치열 이미지를 이용해 보완해주는 것이 필요하다. 석고 모형을 모델 스캔하여 얻은 치열 이미지를 CBCT 이미지와 중첩하여 생성한 가상 골격-치열 하이브리드 이미지는 임상에서 최근 많이 활용되고 있는 방법이다[12-14].
구강 스캐너를 사용하는 방법은 석고 모형보다 장점이 있다. 구강 스캐너는 물리적인 인상 채득이나 석고를 붓는 과정 없이 환자로부터 직접 디지털 모형을 얻을 수 있어 간편하다. 또한 구강 스캔을 통한 디지털 모형은 손상되지 않고, 보관을 위한 공간이 필요하지 않고, 타과와의 협진 시에 시간과 공간의 제약이 현저히 적다[15,16]. 이에 더해, Yuzbasioglu 등[17]에 의하면 전통적인 인상 채득 방법보다 구강 스캔을 더 편하다고 느끼는 환자가 많았다.
이 연구의 목적은 전통적인 석고 모형 대신 구강 스캐너로 두 가지 방법으로 스캔하여 CBCT 스캔을 보완할 때의 임상적 활용 가능성을 평가하는 것이다.

Ⅱ. 연구 재료 및 방법

1. 연구 대상

한림대학교 성심병원 치과에 교정 진단을 위해 내원한 20명의 환자를 대상으로 하였다. 이들의 나이는 만 12 - 18세였으며, 남자 9명, 여자 11명이었다. 해당 환자의 자료 수집에 관하여 한림대학교 성심병원의 Institutional Review Board(IRB No. 2020-07-005-001)에 의해 승인을 받아 시행하였다. 연구 대상의 표본 수는 G power(ver. 3.010, Franx Faul. Universitat kiel, Germany) 유의수준 a=0.05, 95% power, effect size 0.80로 계산하여 산정하였다. 환자를 선정한 기준은 제1대구치의 맹출이 완료되었으며 구개열이나 두개안면증후군이 없고 교정용 장치나 금속 수복물 등의 금속 인공음영(artifact)이 없는 환자로 선별하였으며 각 환자에 대하여 석고 모형 인상, 구강 스캔, CBCT 스캔을 2주 이내에 시행하였다.

2. 연구 방법

1) 자료 획득

각 환자의 내원 당시에 채득한 석고 모형, 구강 스캔 디지털 이미지, CBCT 스캔 이미지의 상악 부분을 이용하여 후향적 연구를 시행하였다. 알지네이트 인상 채득 후 치과용 석고(Rhombstone white, Ryoka dental, Mie-Ken, Japan)로 제작한 석고 모형의 표면을 데스크톱 모델 스캐너인 Freedom UHD(Dof, Inc., Seoul, Korea)로 스캔하여 surface tessellation language(STL) 형식의 디지털 이미지를 획득하였다. 구강 스캐너는 CS3600(Carestream Dental, Atlanta, USA)와 i500(Medit, Seoul, Korea)을 사용하였으며, 각 제조사의 지침에 따라 한 명의 치과의사가 구강 스캔하여 STL 형식의 디지털 이미지를 획득하였다. CBCT는 Alphard 3030(Asahi, Inc., Kyoto, Japan)을 이용해 수평면과 평행한 Frankfort 평면, 영상범위(field of view) 200 × 200 mm, 체적소(voxel) 크기 0.39 mm, 노출 조건 80 kVP, 5 mA, 17 s으로 스캔하고 이를 Digital Imaging and Communications in Medicine(DICOM) 형식으로 전환하고 3차원적으로 재형성하였다.
두 개의 구강 스캐너 중 CS3600으로 스캔을 할 때에는 모드를 다르게 설정하여 두 가지 방법으로 시행하였다. 긴 스캔 데이터를 인상하기 위한 모드인 교정 모드로 전악을 한꺼번에 스캔하고, 보철 모드로 전악을 3분할하여 스캔하는 방법을 추가로 시행하였다. 3분할의 기준은 우측 최후방 치아 원심면에서 우측 견치 원심 1/2, 우측 제1소구치 근심 1/2에서 좌측 제1소구치 근심 1/2, 좌측 견치 원심 1/2에서 좌측 최후방 치아 원심면으로 하였다. 이후 분할 스캔한 각 이미지를 Geomagic Freeform Plus(3D Systems)를 이용하여 서로 중첩되는 스캔 이미지를 기준으로 반자동 병합(semiautomatic merging)하여 하나의 전악 치열 스캔 이미지 파일을 획득하였다. 이에 따라, 한 환자에 대하여 네 가지의 치열 이미지를 획득할 수 있었다.

2) 가상 골격-치열 하이브리드 이미지

CBCT 이미지(DICOM)와 각 치열 스캔 이미지 파일들을 R2GATETM(MegaGen Implant Co.,Ltd.)에 전송하여 상악 좌우 중절치 절단연의 중점, 상악 좌우 제1대구치의 근심협측교두정의 해부학적 기준점을 기준으로 반자동 병합(semiautomatic merging)을 시행하였다. 또한 이를 정렬(reorientation)하여 골격 이미지에 대한 자연 두부 위치(natural head position)를 확립하였고, 다양한 방향에서 해부학적 두부 위치를 확인할 수 있도록 하여 최종 가상 골격-치열 하이브리드 이미지를 획득하였다(Fig. 1).
한 환자 당 4개의 가상 골격-치열 하이브리드 이미지 군을 생성하였다 :
(1)대조군 : 석고 모형을 모델 스캔하여 획득한 치열 이미지 + CBCT 스캔
(2)I군 : CS3600으로 전악 스캔하여 획득한 치열 이미지 + CBCT 스캔
(3)II군 : i500으로 전악 스캔하여 획득한 치열 이미지 + CBCT 스캔
(4)III군 : CS3600으로 분할 스캔 후 획득한 전악 치열 이미지 + CBCT 스캔

3) 평가 방법

각 군의 가상 골격-치열 하이브리드 이미지에서 양측 견치의 교두정, 양측 견치 치아 치은연 최하방점, 양측 제1대구치의 근심협측 교두정의 6개의 해부학적 기준점을 설정해 비교 평가하였다. 각 기준점의 3차원적 정보를 x, y, z 좌표 값으로 표현하여 프로그램(Geomagic Freeform Plus, 3D Systems, North Carolina, USA)에 입력하였다. X축은 좌우 방향, Y축은 위아래 방향, Z축은 앞뒤 방향의 관계를 보여준다. 대조군과 I, II, III 군의 디지털 모형을 중첩하여 각 기준점에서의 좌표 값의 차와 좌표간 거리를 측정하였다(Fig. 2-4).
통계적 비교는 좌표 값의 차와 좌표간 거리에 대하여 대응표본 t 검정을 각각 시행하여 이루어졌다. 통계 분석은 Statistical Package for Social Sciences(SPSS, version 25.0, IBM Co., Armonk, NY, USA)를 이용하였다.

Ⅲ. 연구 성적

CS3600 전악 스캔의 I군에서 상악 좌우측 제1대구치 근심협측교두의 z값에서만 대조군과 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 1). 이는 18개 좌표값 중 2개로 11.11%에 해당한다.
i500 전악 스캔의 II군에서 상악 우측 제1대구치 근심협측교두의 z, 상악 좌측 견치 교두정의 x, y, z, 상악 좌측 제1대구치 근심협측교두의 x, y, z값만이 대조군과 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 2). 이는 18개 좌표값 중 7개로 38.89%에 해당한다.
CS3600 분할 스캔의 III군에서는 상악 좌우측 제1대구치 근심협측교두의 x, y값을 제외한 모든 값에서 대조군과 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 3). 이는 18개 좌표값 중 14개로 77.78%에 해당한다.
좌표 간 거리는 CS3600 전악 스캔의 I군은 모든 기준점에서 유의한 차이를 보였으며, i500 전악 스캔의 II군은 상악 좌측 견치 교두정과 상악 좌측 제1대구치 근심협측교두의 두 지점을 제외하고 유의한 차이를 보였다. 반면, CS3600 분할 스캔의 III군은 상악 좌우측 제1대구치 근심협측교두의 지점에서만 유의한 차이를 보였다. 대조군과의 평균 좌표간 거리는 I군은 67 ㎛, II군은 9 ㎛, III군은 2 ㎛의 값을 보였다(Table 4).

Ⅳ. 총괄 및 고찰

이 연구에서 석고 모형을 이용한 대조군과 구강 스캐너를 이용한 세 개의 군을 6개 기준점에서 각각 비교한 결과, I, II, III군의 순서로 좌표 및 거리의 유의한 차이를 보이는 값이 적게 나타났다. 전악 스캔 방식인 경우 i500으로 시행한 II군이 CS3600으로 시행한 I군보다 결과가 우수하였으나, III군에서 I군과 동일한 스캐너로 부분 스캔 방식을 이용한 경우 오히려 II군보다 더 우수한 결과를 보여 좌표 값이 유의한 차이를 보이지 않은 비율이 77.78%였으며, 평균 좌표간 거리는 2 ㎛에 불과하였다.
Baan 등[18]은 건조된 두개골을 구조광 스캐너로 스캔하여 이를 골드 스탠다드로 두고 연구하였다. 이 연구에서는 실제 환자를 대상으로 진행하였으므로 석고 모형을 이용한 가상 골격-치열 하이브리드 이미지를 대조군으로 설정하였다. 이 이미지는 환자의 실제 치열을 임상적으로 수용할 만하게 재현하여 악교정 수술 등에 활용되었을 때 합병증 발생 없이 원하는 수술 결과를 나타냈다[19-22].
분할 스캔 이미지 병합 시의 오류의 가능성에도 불구하고, 분할 스캔 방식을 이용한 경우 가장 높은 임상적 정확도를 보였다. 이 연구에서 사용한 동일한 프로그램을 이용한 연구에서, 기준점 기준 정렬 시 139 ㎛의 이동 오차, 2.52도의 각도 오차를 보였다[23].
치열 이미지의 정확도와 별개로 CBCT 이미지와 치열 이미지를 융합하는 과정에서 정확도의 차이가 발생할 수 있다. Uechi 등[20]의 연구에서는 평균 제곱근 오류 0.4 mm를 보였다. Gateno 등[13]의 연구에서는 오류가 0.10 - 0.50 mm, De Waard 등[24]의 연구에서는 0.12 - 0.45 mm의 범위로 나타났다.
소아 청소년 환자에서 가상 골격-치열 하이브리드 이미지는 유용하게 사용될 수 있다. 다수의 과잉치가 존재하거나 심한 치근만곡, 이소맹출 또는 매복치가 있는 경우 인접 영구치 치근이 받을 수 있는 손상의 정도를 평가하고 인접치 손상을 최소한으로 하면서 매복치를 구강 내로 이동시키는 맹출로를 결정하여 장치를 디자인할 수 있다. CBCT 3차원 영상을 중첩하여 교정 치료와 성장에 따른 변화를 평가하는 방법들이 연구되고 있으며, 유효한 결과를 얻을 수 있었다[25-27].
이번 연구의 한계점은 CBCT 스캔의 왜곡을 유발할 수 있는 교정용 장치를 하지 않은 환자들만 대상으로 한 것이다. 환자가 교정 중인 경우에 CBCT를 촬영하여 치료 경과를 평가하거나 악안면 수술이 시행되는 경우가 많기 때문에, 브라켓 등의 교정용 장치의 영향을 조사하기 위한 향후 연구가 필요하다. 이에 더해, 시간이 더 걸리고 불편한 단점이 있어 분할 스캔 이미지를 병합하는 과정이 생략되거나 전악 스캔 방식으로 더 높은 정확도를 보일 수 있도록 하는 후속 연구가 필요하다.

Ⅴ. 결 론

이 연구는 만 12세에서 18세에 해당하는 초기 영구치열기 환자 20명의 석고 모형을 모델 스캔한 디지털 모형, 두 가지 구강 스캐너를 이용해 두 가지 스캔 방식으로 구강 스캔한 디지털 모형과 CBCT스캔을 융합하여 가상 골격-치열 하이브리드 이미지를 획득하여 석고 모형을 이용했을 때와 구강 스캐너를 이용했을 때의 일치도를 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
석고 모형을 이용했을 때와 비교하여 구강 스캐너로 분할 스캔 후 이를 병합하여 전악 치열 이미지를 얻고 이를 CBCT 스캔 이미지와 융합하였을 때, 77.78%의 좌표값이 유의한 차이를 보이지 않고 평균 좌표간 거리가 2 ㎛로 가장 짧게 나타났다.
구강 스캐너를 이용하여 가상 골격-치열 하이브리드 이미지를 획득할 때, 분할 스캔하는 방식이 석고 모형을 대체하여 임상적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

Fig 1.
Flow charts of obtaining process of virtual skull-dentition hybrid images of each group.
jkapd-49-1-57f1.jpg
Fig 2.
Coordinate value difference and distance between reference points after superimposing control group and group I.
jkapd-49-1-57f2.jpg
Fig 3.
Coordinate value difference and distance between reference points after superimposing control group and group II.
jkapd-49-1-57f3.jpg
Fig 4.
Coordinate value difference and distance between reference points after superimposing control group and group III.
jkapd-49-1-57f4.jpg
Table 1.
Coordinate value difference between control group and group I
Verification n Δx Δy Δz
Mean SD p value Mean SD p value Mean SD p value
#13 cgm 20 -60 61 0.000 -44 61 0.004 50 41 0.000
#13 tip 20 -16 17 0.001 -61 47 0.000 23 17 0.000
#16 mbc 20 -70 58 0.000 -145 98 0.000 -14 38 0.113
#23 cgm 20 49 44 0.000 -23 40 0.021 35 31 0.000
#23 tip 20 8 14 0.017 -33 38 0.001 9 15 0.014
#26 mbc 20 39 30 0.000 -119 108 0.000 -1 27 0.878

Paired t-test.

FDI two-digit notation system is used to identify teeth. cgm = cervico gingival margin, mbc = mesiobuccal cusp

Table 2.
Coordinate value difference between control group and group II
Verification n Δx Δy Δz
Mean SD p value Mean SD p value Mean SD p value
#13 cgm 20 -17 25 0.006 -18 32 0.017 13 22 0.014
#13 tip 20 -10 13 0.003 -36 36 0.000 10 10 0.000
#16 mbc 20 -6 9 0.008 -12 26 0.043 0 6 0.977
#23 cgm 20 -14 21 0.008 13 18 0.005 -9 17 0.026
#23 tip 20 3 10 0.239 -13 31 0.081 3 7 0.076
#26 mbc 20 0 7 0.840 -10 17 0.807 -1 4 0.529

Paired t-test.

FDI two-digit notation system is used to identify teeth. cgm = cervico gingival margin, mbc = mesiobuccal cusp

Table 3.
Coordinate value difference between control group and group III
Verification n Δx Δy Δz
Mean SD p value Mean SD p value Mean SD p value
#13 cgm 20 -2 17 0.570 -4 22 0.399 1 15 0.779
#13 tip 20 0 8 0.914 2 30 0.819 -1 9 0.571
#16 mbc 20 -6 8 0.003 -15 24 0.011 0 6 0.811
#23 cgm 20 -13 34 0.089 7 37 0.388 -11 23 0.055
#23 tip 20 -1 5 0.595 -6 21 0.186 1 8 0.549
#26 mbc 20 4 6 0.003 -10 13 0.002 1 3 0.065

Paired t-test.

FDI two-digit notation system is used to identify teeth. cgm = cervico gingival margin, mbc = mesiobuccal cusp

Table 4.
Distance between the reference points of control group and each group
Verification n Group I (㎛) Group II (㎛) Group III (㎛)
Mean SD p value Mean SD p value Mean SD p value
#13 cgm 20 78 66 0.000 24 36 0.008 3 26 0.601
#13 tip 20 53 39 0.000 29 28 0.000 -2 24 0.717
#16 mbc 20 105 78 0.000 10 17 0.015 11 16 0.007
#23 cgm 20 54 48 0.000 -17 27 0.010 -16 44 0.109
#23 tip 20 27 30 0.001 10 21 0.054 4 17 0.308
#26 mbc 20 86 76 0.000 0 12 0.892 9 10 0.002

Paired t-test.

FDI two-digit notation system is used to identify teeth. cgm = cervico gingival margin, mbc = mesiobuccal cusp

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