3D융합산업협회 세미나 - 실감형 의료영상 기술개발 주목

“환자에게 양질의 맞춤형 의료 서비스를 제공하고 의사는 언제 어디서나 누구나 정확한 진료 및 시술이 가능하도록 지원하는 차세대 3차원 실감형 의료 영상 기술 개발에 대한 국제적 관심이 치솟고 있다”

▲ 3D융합산업협회 기술세미나에서 문영래 교수
문영래 조선의대 정형외과 교수는 26일 서울 전자회관에서 열린 3D융합산업협회 기술세미나에서 '인체 3D와 IoT'를 연제로 발표했다.

문 교수는 “영상과 ICT, 프린팅 기술이 융합하여 환자 인체 각 부위에 대한 실사에 가까운 영상과 모델링 그리고 3차원적으로 표현하는 기술 개발 및 이의 국제 표준 포맷 개발을 통해서 궁극적으로 환자 맞춤형 가상 수술을 지원하는 바이오 캐드캠 시스템이 필요하다”고 밝혔다.

바이오 캐드캠 시스템은 △개인별 특성에 따른 모델링 △핵심기술 △응용기술 △표준화 등의 단계를 거치게 된다.

개인별 특성에 따른 모델링

인체영상 CT와 같은 인체 장기 부위의 단층 DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine) 이미지를 영상의 수치에 따라 3차원 모델링 데이터로 변환, 저장하고 성별, 연령별, 증상별에 기초하여 DB를 구축한다.

DICOM 이미지의 3차원 모델링 데이터 변환을 위해서 3차원 모델링 그래픽 엔진 등이 개발될 예정인데 이 부분이 원천기술에 해당한다.

각 개인별 인체 장기의 형상 특성에 맞는 최적의 맞춤형 임플란트 제품 디자인과 제작을 지원함과 동시에 각종 조직에 대한 길이, 직경 등을 확인하여 안전하고 효과적인 시술을 할 수 있다.

쾌속 조형(Rapid Prototyping) 시스템을 통해 인체 3차원 모델링 데이터는 임플란트와 같은 메디컬 모델을 제작에 활용되고 결과적으로 환자 개인의 특성이 반영되어 있음으로 생체 적합성이 확보된 임플란트를 생성할 수 있다.

제작된 메디컬 모델은 전문가와의 수술 협의용, 임플란트 최적 위치 설정 및 확인용, 모의 실험용, 환자 컨설팅 및 교육용 등으로 실로 그 응용 범위가 매우 광범위하다.

핵심기술


▲ 기반 수술중 사용되는 반응형 3D 모델 최소 절개 수술
현재 모든 의학적 3차원 영상물은 정지 영상물이 주류를 이루고 있지만 정지 영상물은 인체의 생리적 변화 현상을 추적할 수 없다.

정지영상에 리깅(Rigging)기술을 통해 시뮬레이션을 적용하여 물리적, 기계적 측면에서 사실적으로 움직이는 동적영상으로 만드는 기술을 개발한다.

온몸의 관절의 움직임과 이에 따른 근육의 움직임을 포함하여 근골격의 생리적 움직임에 대한 시간적 표본 추출을 정확히 해낼 수 있고 이를 통해 궁극적으로 메디컬 모델인 임플란트 디자인의 내구성을 확보할 수 있다.

인체의 물리적, 기계적 특성을 3D 모델에 부여하는 기술은 인체 혹은 인체와의 접촉에 의한 최적의 제품 설계를 위한 FEA 혹은 CFD 해석을 할 수 있도록 하여 3D 모델 데이터에 영상의 수치 값에 따라 자동으로 재료 특성치를 부여할 수 있게 한다.

따라서 내고정물과 실제 인체와의 고정력을 평가하고 위치를 결정할 수 있게 되어 임플란트 디자인의 내구성을 확보할 수 있다. 수술의 고통과 의료비 측면에서 임플란트 디자인의 내구성 확보는 그 가치가 매우 높다.

응용기술


인체의 3차원적 모델 데이터를 이용하여 실제 수술 이전에 수술 시나리오를 수립할 수 있고 가상 현실과 증강 현실 기술을 통하여 시술을 진행할 수 있는 시뮬레이션 시스템을 개발한다.

앞서 인체 생리적 움직임 3차원 동적 표출 기술을 활용하여 수술 전후의 근육, 인대 조직의 변화를 사전에 파악하여 확인할 수 있는 가상 수술 시뮬레이션이 가능하다.

스틱 등으로 간접적으로 수술 시뮬레이션을 시행하는 것이 아니라 컴퓨터 가상세계와 현실세계를 촉각 디바이스로 연결하는 증강현실(Augmented Reality) 기법을 적용하여 실제 수술과 거의 유사한 환경에서 가상 수술을 시행하는 것이므로 비숙련 의사들의 수술 연습에 크게 기여할 것이며, 환자 개개인의 부위별, 증상별 맞춤형 수술계획 수립과 가상수술이 가능해짐으로써 수술의 질을 보장할 수 있다.

표준화

최종 단계에서는 의료교육, 방송, 광고 등 다양한 분야에서 원천기술과 핵심기술을 언제, 어디서나, 누구나 손쉽게 사용할 수 있도록 하기 위한 인체 3차원 영상 데이터의 국제적 표준 포맷으로 가공하는 기술을 개발하고 나아가 표준적인 시뮬레이션 시스템 환경을 개발한다.

각 인종별, 성별, 나이별 등에 대한 디지털 휴먼 데이터(Digital Human Data)의 표준 포맷을 통해 DB를 구축함으로써 국내외 어디에서나 최적의 제품을 설계 제작할 수 있는 기반을 구축하고자 한다.

구축된 DB는 인간 개개인의 신체치수를 비롯한 인체 각 부위의 부피, 무게중심, 관성, 질량 등 신체의 물리적 특징을 연구하는 인체측정학(Anthropometrics) 분야에서 널리 활용할 수 있다.

또한 3차원 영상 획득 그래픽 엔진, 증강현실 구현장치, 인터페이스 도구, 클라이언트 서버 시스템 구축 등에 관한 표준 가상수술 시뮬레이션 시스템 환경을 구현하게 된다.

한편 문영래 교수는 국제표준화위원회(IEEE) 3D메디컬 워킹그룹(WG) 의장을 맡아 국내 3D융합산업 국제표준화를 선도하고, 향후 IP(지재권) 연계형 표준화를 통해 우리나라의 의료산업의 선진화에 일조할 계획이다.

저작권자 © 의학신문 무단전재 및 재배포 금지