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IT 기획시리즈

IT 기획시리즈

IT 융합 기반 디지털 인체 모델 생성 및 활용 1)
이승우
KISTI 컴퓨터지능연구실 선임연구원
swlee@kisti.re.kr

조민희, 서동민, 정한민
KISTI 컴퓨터지능연구실...
주간기술동향 2013. 10. 2.

인종별로 차이를 보인다. 이에 국가별로 고유한 표준 디지털 인체 모델을 구축하려는 시
도가 계속되고 있다[2]. 본 고에서는 의료 및 산업 분야에서 활용하기 위한 IT 융합 기반
의...
IT 기획시리즈

(1) CT 와 MR 을 이용한 인체 골격 및 신경 모델
CT 로부터 인체 골격 형상 모델을 생성한 대표적 사례는 한국과학기술정보연구원(KISTI)
주도로 2003 년부터 시작된 디지털 한국인(Digi...
주간기술동향 2013. 10. 2.

경추 CT

흉추 CT

요추 CT

척추 형상 모델(경추, 흉추, 요추)

(그림 3) 연속 CT 영상을 이용한 디지털 척추 형상 모델 생성[8]

영상과 연속 MR 영상을 활용한...
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조)[3],[4],[11],[14]. 연속 절단과 사진 촬영을 주의 깊게 하더라도 연속된 절단면영상들
사이에 정렬이나 색의 밝기가 부정확하거나 일정하지 않은 경우가 발생한다. 이를 교정하
기 위해 사진...
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(1) 치수 측정
인체를 측정하는 방식은 실제 인체 각 부위를 줄자를 사용하여 직접 측정하는 수동 방
식과 3 차원 스캐너를 이용하는 자동 방식, 3D 형상 모델 상에서 소프트웨어를...
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(1)

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Compressive Load(N)

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C3
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(a) 압축 물성 준비(번호는 순서)

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Strain...
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(a) 척추 움직임 물성 시험 구성

(b) 척추 움직임 물성 시험 결과

(그림 7) e-Spine 사업에서의 척추 움직임 물성 측정[19]

다. IT 기반 공학적 활용을 위한 ...
IT 기획시리즈

모델을 개발하였고, 또한 기존 연구 및 실제 인체 움직임과 비교하여 개발된 해석 모델의
유효성을 검증하였다[16].
3. 디지털 인체 모델 활용 기술 동향
생성된 디지털 인체 모델은 의료 분야뿐만 아니...
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한편, 한국 아주대학교 해부학교실에서는 VKH 데이터를 사용하여 CT 영상, MR 영상,
절단면영상, 구역화영상 등 네 가지 종류의 단면영상을 하나의 화면에 연동하여 시각화하
는 V...
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한국과학기술정보연구원에서는 e-Spine 사업[16]에서 유한요소 기반의 척추 해석 모
델을 사용하여 슈퍼컴퓨터 상에서 척추 가상 수술을 시험해 볼 수 있는 시뮬레이터를 개
발 중에 있다((그림 9) ...
주간기술동향 2013. 10. 2.

<참 고 문 헌>
[1] 곽대순, 한승호, “디지털 코리안 인체 모델 구축”, 한국 CAD/CAM 학회지 제 17 권 1 호, 2011,
pp.60-64.
[2] 김윤혁, 박원만, ...
IT 기획시리즈

Research of Elderly Korean”, International Conference on MMHS 2012(ASTL 15), 2012,
pp.123-126.
[20] W.M. Park, S...
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It융합 기반 디지털 인체 모델 생성 및 활용

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It융합 기반 디지털 인체 모델 생성 및 활용

  1. 1. IT 기획시리즈 IT 기획시리즈 IT 융합 기반 디지털 인체 모델 생성 및 활용 1) 이승우 KISTI 컴퓨터지능연구실 선임연구원 swlee@kisti.re.kr 조민희, 서동민, 정한민 KISTI 컴퓨터지능연구실 1. 서론 2. IT 융합 기반 디지털 인체 모델 생성 3. 디지털 인체 모델 활용 기술 동향 4. 결론 1. 서론 의학 분야에서 인체를 들여다 보고 분석하기 위한 노력은 오래 전부터 계속되어 왔다. 최근 수십 년간 IT 기반의 컴퓨터와 방사선, 의공학 기술의 융합이 급속하게 발전함에 힘 입어 실제 인체로부터 정보를 추출하여 컴퓨터 상에서 가상의 디지털 인체를 모델링하는 것이 현실화되었다. 디지털 인체 모델은 외부 형상뿐만 아니라 내부 장기와 골격, 신경 등 의 형상과 인체 각 부분의 치수와 물성을 실제 인체와 유사하게 컴퓨터 상에서 가상으로 구현한 인체 모델을 말하며, 사용 목적에 따라 모델링의 범위는 달라질 수 있다. 인체로부터 내ㆍ외부 형상을 모델링하기 위해서는 컴퓨터단층촬영(Computerized Tomography: CT)과 자기공명촬영(Magnetic Resonance: MR), 절단면영상촬영(Sectioned Photography)을 통해 짧은 간격(1mm 이하)의 연속된 인체 단면을 얻고 이를 3D(3Dimension)로 재구성하는 방법이 널리 사용되고 있으며, 인체의 치수와 물성을 측정하기 위해서는 자를 이용한 방법 외에도 3 차원 스캐너나 모션 캡처 방법이 사용되고 있다. 이 방법들은 의학과 방사선, 공학기술들을 컴퓨터 및 IT 기반으로 융합함으로써 가능해졌다. 디지털 인체 모델은 의료 분야뿐만 아니라 스포츠 및 다양한 산업 분야에서도 활발히 연구 및 활용되고 있다. 국가별, 인종별 생활 패턴이 다름에 따라 인체 모델 또한 국가별, * 본 내용과 관련된 사항은 KISTI 컴퓨터지능연구실 이승우 선임연구원(☎ 042-869-1784)에게 문의하시기 바랍니다. ** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 1) 본 연구는 2013 년 기초기술연구회 협동연구사업 국가사회적문제해결형 연구과제(NAP) 프로그램의 연구비 지원으로 수행되었 음 (NAP-09-2). 정보통신산업진흥원 11
  2. 2. 주간기술동향 2013. 10. 2. 인종별로 차이를 보인다. 이에 국가별로 고유한 표준 디지털 인체 모델을 구축하려는 시 도가 계속되고 있다[2]. 본 고에서는 의료 및 산업 분야에서 활용하기 위한 IT 융합 기반 의 디지털 인체 모델의 생성 기술 및 과정을 설명하고, 생성된 디지털 인체 모델을 활용한 사례를 살펴보고자 한다. 이를 통해 디지털 인체 모델의 연구 및 활용을 활성화하고 향후 연구 및 활용 방향을 짚어 본다. 2. IT 융합 기반 디지털 인체 모델 생성 디지털 인체 모델의 생성 과정은 인체의 내ㆍ외부 형상에 대한 모델링과 인체의 각 부 분에 대한 치수와 물성에 대한 측정으로 나누어 볼 수 있다[1]. 가. IT 융합 기반 디지털 인체 형상 모델링 IT 융합 기반 디지털 인체의 형상 모델은 인체의 연속된 단면 영상을 촬영한 다음, 영 상 내에서 각각의 인체조직을 구역화하고, 이를 순차적으로 쌓아 3D 로 재구성하여 얻어 진다((그림 1) 참조). 인체 단면 영상 촬영 인체 조직 구역화 조직별 등고선 쌓기 3D 렌더링 (그림 1) 디지털 인체 형상 모델링 과정 인체의 연속된 단면을 측정하는 방법에는 CT 와 MR, 절단면영상촬영 등이 있으며, 이 중 CT 는 인체의 골격이나 치아 등 단단한 물성을 갖는 인체 부분은 잘 표현하지만 근육 이나 신경 등은 잘 표현하지 못한다. 반면, MR 은 근육이나 신경 등 부드러운 조직을 표현 할 수 있지만 골격을 상세히 표현하지는 못한다. 절단면영상은 실제 인체(시신)의 절단면 이기 때문에 인체를 가장 사실적으로 표현할 수 있지만, 생체가 아닌 시신으로부터만 획 득 가능하다. 이와 같이 각 단면 영상의 장단점을 고려하여 CT 와 MR 은 인체 골격 및 신 경의 형상 모델을 생성하는데 활용되며, 절단면영상은 인체 대부분 조직의 형상 모델을 생성하는데 활용된다. 절단면영상을 활용한 형상 모델 생성에 있어서도 CT 와 MR 영상은 절단면영상의 정렬과 교정을 위해 보조적으로 활용된다. 12 www.nipa.kr
  3. 3. IT 기획시리즈 (1) CT 와 MR 을 이용한 인체 골격 및 신경 모델 CT 로부터 인체 골격 형상 모델을 생성한 대표적 사례는 한국과학기술정보연구원(KISTI) 주도로 2003 년부터 시작된 디지털 한국인(Digital Korean) 사업이다[15]. 한국인 남녀 각각 50 표본의 기증 시신을 1mm 간격으로 CT 촬영하여 영상을 얻고 179 개로 구분된 개별 뼈 부분을 구역화하였다. 본래 인체의 뼈는 총 206 개로 구성되어 있으나, 산업적 활 용 측면을 고려하여 179 개로 구분한 것이다. 뼈 부분의 구역화와 3D 형상 모델 생성에는 상용 소프트웨어인 Mimics(Materialise, 벨기에)가 사용되었으며, 생성된 모델은 활용성을 고려해 STL 형식으로 저장 및 제공된다((그림 2) 참조). 또한, 남녀 각각 50 개씩의 개별 뼈 형상 모델들을 평균화하고 해부학적 위치에 적합하게 재구성하여 남녀 각 한 표본의 표준 한국인 골격 모델도 구축하였다. 손, 발, 치아와 같은 미세 뼈대의 경우는, 남녀 각 한 표본에 대해 수 μm 간격으로 연속된 Micro CT 영상을 촬영하고 구역화하여 3D 형상 모델을 구축하였다. 골격 외에 피부 형상 모델도 구축되었다. 정상, 과체중, 저체중의 각 남녀 생체로부터 1mm 간격의 연속 CT 영상을 얻고 여기서 피부를 구역화하여 체형별 피 부 형상 모델을 생성하여 제공하고 있다[1]. 연속CT 영상 촬영 뼈 부분 구역화 개별 뼈 형상 모델 생성 한국인 표준 골격 모델 생성 (그림 2) 연속 CT 영상을 이용한 디지털 인체 골격 형상 모델 생성[1] 한편, 한국과학기술정보연구원 주도로 2009 년부터 시작된 e-Spine 사업[16]에서는 인체 척추 부분에 한정되고 퇴행성 척추 질환을 갖는 골격 형상모델이 구축되었다. 60~ 80 대 기증시신 20 여 표본으로부터 척추 부분에 대한 0.6mm 간격의 연속 CT 영상을 촬 영하고 Mimics 를 활용하여 척추 골격을 구역화하였으며, STL 형식의 3D 형상 모델을 생 성하였다((그림 3) 참조). 신경 조직에 대한 인체 모델은 주로 절단면영상을 활용하여 생성되어 왔으나, 연속 CT 정보통신산업진흥원 13
  4. 4. 주간기술동향 2013. 10. 2. 경추 CT 흉추 CT 요추 CT 척추 형상 모델(경추, 흉추, 요추) (그림 3) 연속 CT 영상을 이용한 디지털 척추 형상 모델 생성[8] 영상과 연속 MR 영상을 활용한 사례도 발표 되었다[12]. 이 연구는 절단면영상과 달리 CT 와 MR 은 생체로부터 확보가 가능하며, 절단면영상을 얻기 위해 시신을 냉동하고 절단하는(깎는; grinding) 과정에서 데이터가 손실되는 단점(신경 조직이 유연하고 주변 (a) 전면 조직과 색깔 차이가 작아 신경 조직이 일부 손실될 수 있음)을 피할 수 있기 때문에 보 (b) 후면 (그림 4) 경추 신경의 3D 디지털 모델[12] 다 생생한 영상을 얻을 수 있다는 점에서 주목된다((그림 4) 참조). (2) 절단면영상을 이용한 인체 모델 CT 와 MR 과는 달리, 절단면영상은 시신으로부터만 확보 가능한 반면, CT 및 MR 에 비해 실제 해부에 보다 가까운 영상을 얻을 수 있다. 절단면영상을 얻기 위해서는 시신을 상자에 포매하고 얼린 후, 저온이 유지되는 실험 공간에서 1mm 이하의 미세한 간격으로 수평 방향으로 절단하여(grinding or milling) 절단면을 깨끗하게 닦은 후, 해상도 높은 디 지털 카메라로 촬영하고 컴퓨터에 저장하는 복잡하며 오랜 시간이 소요되는 수작업이 요 구된다. 촬영된 절단면영상에서 인체의 수많은 복잡한 구조물을 구역화하고 이를 순차적 으로 쌓아 3D 렌더링(rendering)을 거쳐 디지털 인체 형상 모델이 생성된다((그림 5) 참 절단면 영상 촬영 인체 조직 구역화 등고선 쌓기 3D 모델 (그림 5) 절단면영상을 이용한 디지털 인체 형상 모델 생성[3],[4],[11] 14 www.nipa.kr
  5. 5. IT 기획시리즈 조)[3],[4],[11],[14]. 연속 절단과 사진 촬영을 주의 깊게 하더라도 연속된 절단면영상들 사이에 정렬이나 색의 밝기가 부정확하거나 일정하지 않은 경우가 발생한다. 이를 교정하 기 위해 사진 촬영 시에 가늠자를 함께 촬영하도록 하며, 또한 그래픽 소프트웨어를 사용 하여 촬영된 수평 절단면영상으로부터 관상(coronal) 절단면영상과 시상(sagittal) 절단면 영상을 재구성하고 이들을 서로 비교하는 방식이 사용된다[3],[14]. 절단면영상을 이용한 인체 모델 개발은 1990 년대에 미국에서 Visible Human Project (VHP)[25]로 시작되었으며, 이후 2000 년대에 들어서 한국에서 Visible Korean Human (VKH) 사업[26]이, 중국에서 Chinese Visible Human(CVH) 사업[13]과 Virtual Chinese Human(VCH) 사업[24]이 순차적으로 시작되었다. 현재까지 미국과 한국에서는 각각 남 녀 각 1 표본에 대한 절단면영상이 완성되었으며, 중국에서는 남자 4 표본, 여자 5 표본에 대한 절단면영상이 구축되었다. 한국에서는 추가적으로 남자 머리와 여자 골반에 대한 보 다 정밀한 절단면영상이 구축되었다. 이들 절단면영상들을 비교해 보면, 가장 먼저 구축된 미국의 절단면영상이 절단 간격과 화소(pixel) 크기 면에서 한국 및 중국의 것에 비해 정 밀도가 떨어지며, 절단장비의 환경 때문에 시신을 톱을 이용하여 네 부분으로 절단함에 따라 영상의 손실이 발생하였고, 남자 시신의 경우 손이 몸통 위에 위치함에 따라 손 구조 물을 구역화하기 어렵다는 단점이 있다. 한국(VKH)의 절단면영상은 시신을 포매하고 얼 리는 과정에서 고정액을 주입하지 않았기 때문에 절단면 영상의 색깔이 생체와 가장 비슷 하다는 장점이 있다. 중국 VCH 의 절단면영상은 시신의 등과 엉덩이에 대한 마사지와 세 로로 세워서 절단함으로써 다른 국가의 절단면영상과 달리 등과 엉덩이의 굴곡이 보다 생 체에 가깝게 제작되었다는 장점이 있다. 미국 VHP 에서는 별도의 구역화 영상이 제작ㆍ 제공되고 있지 않지만 한국과 중국에서는 수많은 인체 내부 구조물들에 대한 구역화 작업 을 수행한 결과를 함께 제공하고 있다. 절단면영상의 간격이 1mm 미만이더라도 수작업의 양을 줄이기 위해 일반적으로 구역화 작업은 1mm 간격의 영상에 대해 수행되었다. 다만, 중국 VCH 에서는 0.6mm 간격으로 구역화 작업을 수행하고 있다[14]. 나. 인체 측정 인체를 보다 정확하고 표준화된 모델로 개발하기 위해 인체의 각 부분에 대한 치수와 물리적 성질, 움직임 물성 등을 측정하여 디지털 인체 모델에 반영한다. 정보통신산업진흥원 15
  6. 6. 주간기술동향 2013. 10. 2. (1) 치수 측정 인체를 측정하는 방식은 실제 인체 각 부위를 줄자를 사용하여 직접 측정하는 수동 방 식과 3 차원 스캐너를 이용하는 자동 방식, 3D 형상 모델 상에서 소프트웨어를 통해 측정 하는 모델 측정 방식이 있다[6],[8]. 3D 스캐너 방식은 인체 형상을 다수의 3 차원 점 형 태로 측정하고 이로부터 인체의 표면 정보도 구성할 수 있다. 반면, 모델 측정 방식은 외 부 형상뿐만 아니라 인체 내부 구조물들의 길이와 각도, 면적 등의 치수를 측정할 수 있다. 인체 측정은 주요 국가별로 표준 인체 모형을 구축하기 위해 수십 년 전부터 시행되어 왔다[6]. 미국은 1998 년에서 2000 년에 걸쳐 CAESAR 사업을 통해 인체 38 개 부위에 대한 치수를 구축하였고[21], 일본은 1997 년에서 1998 년에 걸쳐 49 개 부위에 대한 인 체 치수를 구축하였고, 한국의 경우, 산업자원부 기술표준원 주도로 Size Korea 사업을 통해 2003 년에서 2004 년에 걸쳐 한국인 남녀 인체 치수를 구축하였다[10]. 그러나, 이 러한 인체 측정은 인체의 외부 체형에 대한 치수를 측정한 것이며, 인체의 내부 구조물들에 대한 측정을 수행하지는 않았다. 반면, e-Spine 사업[16]에서는 한국인 노령 인체 척추에 대한 연속 CT 영상으로부터 생성한 척추 형상 모델로부터 척추의 유형별로 주요 치수(길이, 각도, 면적)를 측정하였다. 척추뼈의 형상 및 특징을 표현하는데 중요하거나 한국인 체형에 맞는 척추 관련 의료제품 설계에 중요한 치수 요소를 선정하고 전체 척추에서 481 개소의 치수가 측정되었다[8]. (2) 물리적 성질 측정 인체 구조물의 물리적 성질에 대한 측정도 시도되었다. 다양한 구조물 중 주로 인체 뼈 부분에 한정되어 측정되었으며, 측정된 물리적 물성은 골밀도와 강도 물성이었다. 디지털 한국인(DK) 사업[15]에서는 DEXA 장비를 이용하여 골밀도 물성을 측정하였 고, 인체 뼈 구조물을 해면뼈(trabecular bone)와 겉질뼈(cortical bone) 부분으로 구분하 고 압축 시험과 압입 시험을 각각 수행하여 약 500 개소에 대한 탄성계수, 항복강도, 극한 강도, 압입 깊이-하중 이력곡선(압입 시험의 경우), 응력-변형률 이력곡선(압축 시험의 경 우) 등의 물성 정보를 구축하였다. 골밀도 측정 외의 물리적 성질은 시신으로부터 뼈대를 순 수 외과적 방법에 의해 직접 적출한 상태에서 측정되었다[1]. 반면, e-Spine 사업[16]에서는 척추 부위에 국한하여 골밀도 물성과 압축 강도 물성 을 측정하였다[8]. 골밀도의 경우, 임상적으로 골다공증 진단에 활용되는 임상적 골밀도 16 www.nipa.kr
  7. 7. IT 기획시리즈 (1) (2) (5) Compressive Load(N) 3k 2k 1k 0k 0 (3) C3 T7 L3 10 (4) (a) 압축 물성 준비(번호는 순서) 20 30 Strain(%) (b) 척추 몸통 압축 물성 시험 결과값 (그림 6) e-Spine 사업에서의 척추 압축 강도 물성 측정[8] (DEXA 장비로 측정) 외에 CT 영상으로부터 단위 부피당 질량을 표현하는 물리적 골밀도 를 함께 측정하였다. 척추 부위에 대한 압축 강도 물성을 측정하기 위해서 디지털 한국인 사업에서와 마찬가지로 순수 외과적 방법에 의해 시신으로부터 척추를 적출하였으며 척추 몸통과 척추 원반(디스크)으로 구분하여 측정되었다((그림 6) 참조). (3) 움직임 물성 측정 디지털 인체 모델의 움직임을 모델링하기 위해 인체의 움직임 물성도 측정되었다. 인 체의 움직임 물성은 인체의 외형적 움직임 특성(범위와 경로)을 측정하는 경우와 인체 내 부 구조물의 움직임 특성을 측정하는 경우로 구분된다. 먼저, 후자의 경우의 예로는, e-Spine 사업[16]에서 척추체에 대한 움직임 물성을 측 정한 사례가 있다. 순수 외과적 방법에 의해 적출된 척추체를 경추(C3-C7), 흉추(T1-T6, T7-T12), 요추(L1-S1) 영역으로 구분하여 각 부분에 대한 굽힘(flexion)-폄(extension), 가쪽 굽힘(lateral bending, 왼쪽ㆍ오른쪽), 비틀림(twist, 왼쪽ㆍ오른쪽) 등의 시험을 수행 하여 가해진 힘에 대한 움직임 범위 곡선을 획득하였다((그림 7) 참조)[19]. 다음으로, 인체의 외형적 움직임 특성을 측정하는 방법으로는 X-선을 통한 인체 골격 분절의 운동 측정과 근전도 측정기(Electromyogram: EMG)를 통한 근활성도 측정, 센서 와 모션 캡처 시스템을 통한 인체 주요 분절의 연속 움직임 측정 등이 있으며, 이러한 움 직임 특성은 디지털 인체 모델의 움직임 특성을 모델링하거나 검증하는 용도로 주로 활용 되고 있다[6],[20]. 정보통신산업진흥원 17
  8. 8. 주간기술동향 2013. 10. 2. (a) 척추 움직임 물성 시험 구성 (b) 척추 움직임 물성 시험 결과 (그림 7) e-Spine 사업에서의 척추 움직임 물성 측정[19] 다. IT 기반 공학적 활용을 위한 디지털 인체 모델 공학적 활용을 위한 디지털 인체 모델은 CAD(Computer-Aided Design) 시스템을 위 한 인체 모델과 유한요소 기반의 인체 해석 모델로 구분될 수 있다. 인체 공학적 제품 설 계에 주로 활용하기 위한 CAD 인체 모델은 적용되는 목적에 따라 다르지만 가능한 단순 화된 인체 모델을 구성한다. 실제 인체에 가깝게 모델링하면 정확도는 향상되지만 문제의 복잡성 또한 증가되어 생체역학적 해석이 어렵게 되기 때문이다. 문제의 복잡도와 응용 분야에 따라 다양한 종류의 CAD 인체 모델이 제안되어 왔지만, 그 중에서도 컴퓨터 그래 픽 분야에서는 H-ANIM(ISO/IEC 19774 표준)[18]가 널리 사용되고 있으며, 특히, 휴머 노이드(humanoid)의 애니메이션 작업에 많이 활용되고 있다[6]. 다음으로, CAD 인체 모델이 주로 인체의 외형적인 움직임을 모델링하고 있는 반면, 유 한요소(Finite Element: FE) 기반의 인체 해석 모델은 인체의 내부 구조물들의 움직임을 해석하여 실제에 가깝도록 모델링하는 것이다. 이는 Abaqus(ABAQUS Inc., 미국)와 같은 유한요소 해석 및 CAE(Computer-Aided Engineering)용 소프트웨어를 이용하여 계산되 며, 엄청난 계산량과 시간을 요하기 때문에 고성능 슈퍼컴퓨터 상에서 수행되는 것이 일 반적이다. e-Spine 사업[16]에서는 인체 척추 부위에 국한하여 정상 척추(요추) 해석 모 델, 추간판 퇴행 척추 유한요소 해석 모델, 골다공증 유한요소 해석 모델, 척추 신경 질환 해석 모델 등 IT 와 의학, 기계공학 기술의 융합을 통해 다양한 용도의 디지털 인체 해석 18 www.nipa.kr
  9. 9. IT 기획시리즈 모델을 개발하였고, 또한 기존 연구 및 실제 인체 움직임과 비교하여 개발된 해석 모델의 유효성을 검증하였다[16]. 3. 디지털 인체 모델 활용 기술 동향 생성된 디지털 인체 모델은 의료 분야뿐만 아니라 스포츠 및 인체 공학적 제품 설계 산업 분야에 다양하게 활용된다. 본 고에서는 의료 분야에서의 활용 동향에 한정하여 살 펴본다. 의료 분야에서의 디지털 인체 모델의 활용은 주로 모델의 가시화와 모델을 이용 한 시뮬레이션으로 구분하여 볼 수 있다. 가. IT 기반 디지털 인체 모델 가시화 워싱턴 대학교 의과대학에서는 해부학을 배우는데 도움이 되도록 VHP 의 절단면영상 을 이용하여 수평 절단과 관상 절단, 시상 절단 해부를 수행하는 애니메이션을 제작하였 으며, 인체 조직별로 주석을 달아 설명을 보여주거나 검색을 통해 절단면영상을 찾아주고 있다[28]. 이 외에도 VHP 의 절단면영상을 이용한 다양한 브라우징 및 애니메이션을 제 공하려는 시도가 있었다[25]. 그 중에서도 독일 Hamburg-Eppendorf 대학 메디컬 센터 에서 제작한 VOXEL-MAN 은 단면영상을 3D 로 시각화한 최초의 시도였으며, VHP 와 VKH 데이터를 사용하여 VOXEL-MAN 3D-Navigator 를 제작하여 디지털 인체를 3D 상에서 탐색할 수 있는 기능을 제공하였다[7],[27]. (그림 8) PDF 로 제작된 디지털 인체 표면 형상 모델 시각화[23] 정보통신산업진흥원 19
  10. 10. 주간기술동향 2013. 10. 2. 한편, 한국 아주대학교 해부학교실에서는 VKH 데이터를 사용하여 CT 영상, MR 영상, 절단면영상, 구역화영상 등 네 가지 종류의 단면영상을 하나의 화면에 연동하여 시각화하 는 VKH 뷰어를 제작하여 배포하였다[5]. 이 뷰어는 또한 마우스를 클릭하여 구역화된 구조물에 대한 이름을 확인할 수 있도록 하고 있다[22]. 이 연구팀에서는 VKH 의 절단면 영상으로부터 생성된 937 개의 표면 형상 모델 중 642 여 개를 사용해서 가상해부를 교 육할 수 있는 PDF(Portable Document Format)를 제작하여 배포하고 있다((그림 8) 참조) [23]. 이와 같은 가시화 도구들은 의학과 IT 기술의 융합을 통해 얻어진 결과물들이다. 나. 디지털 인체 모델을 이용한 IT 기반 시뮬레이션 한국과학기술원 로보틱스&시뮬레이션 연구실에서는 VKH 의 절단면영상을 이용하여 컴퓨터상에서 대장 내시경을 조작해 볼 수 있는 의료 시뮬레이터를 개발하여 실제 대장 내시경 장비에 장착하여 성능시험을 마쳤다. 또한, 고관절 부위의 대퇴골 골절에 대한 내 고정 수술의 훈련과 사전계획에 활용하기 위한 내고정 시뮬레이터도 개발하였다[9],[29]. 한편, 독일 Hamburg-Eppendorf 대학 메디컬 센터에서는 VKH 데이터를 이용하여 요추 천자 시뮬레이터(lumbar puncture simulator)를 제작하였다. 이 시뮬레이터는 햅틱 장치를 통해 환자의 척추에 약물을 주입하거나 척수 등을 추출하는 작업을 미리 훈련하고 계획할 수 있게 도와준다[7],[17]. (그림 9) 가상 척추 수술 시뮬레이터[16] 20 www.nipa.kr
  11. 11. IT 기획시리즈 한국과학기술정보연구원에서는 e-Spine 사업[16]에서 유한요소 기반의 척추 해석 모 델을 사용하여 슈퍼컴퓨터 상에서 척추 가상 수술을 시험해 볼 수 있는 시뮬레이터를 개 발 중에 있다((그림 9) 참조). 현재 유한요소해석 전후 처리 기능과 표면 메시 생성, 자동 중첩, 애니메이션 등의 기능이 개발되어 있다[16]. 이상의 시뮬레이션 기술 또한 IT 와 의 학 기술 융합의 산물이다. 4. 결론 지금까지 IT 융합 기반 디지털 인체 모델을 생성하는 과정과 활용한 사례를 살펴보았 다. 인종별 및 국가별로 식습관과 생활 패턴이 상이한 반면, 의료 분야뿐만 아니라, 다양 한 산업 분야에서의 활용 가치가 상당하기 때문에 많은 국가들이 국가 고유의 인체 모델 을 제작하기 위해 노력하고 있었다. 컴퓨터와 IT, 방사선, 센싱, 의공학 등 다양한 분야의 기술이 발전하고 융합됨에 따라, 디지털 인체 모델 또한 점차 정교하고 사실적인 형태로 개발되고 있다. 이는 모델의 외형 적인 면에서뿐만 아니라, 모델의 내부 구조물 및 각 구조물의 물성에 대해서도 마찬가지 이다. 디지털 인체 모델의 외부 형상과 내부 장기 및 골격, 신경, 각 인체 구조물의 치수와 물리적 성질, 움직임 성질 등이 실제 인체와 점차 유사하게 구현되고 있다. 디지털 인체 모델은 CT 와 MR, 절단면영상을 근간으로 하여 생성되며, 이 중 절단면 영상이 주로 많이 사용되어 해부학적 실제 인체에 보다 가까운 디지털 인체 모델을 얻는 데 주요한 역할을 하고 있다. 그러나, 절단면영상 또한 단점이 있기 때문에, 향후에는 CT 와 MR 영상으로부터 생성한 모델과 정합(registration)하는 과정을 통해 보다 정확하고 정교한 디지털 인체 모델을 개발하는 방향으로 나아갈 것으로 보인다. 특히, 의료 분야에 서는 해부학 학습 도구로서의 활용 외에 가상 수술을 위한 시뮬레이션에 보다 많이 활용 될 것으로 보이며, 이에 따라 생체에 보다 가까운 디지털 인체 모델에 대한 요구는 계속될 것으로 예상된다. 따라서, 보다 많은 인체 구조물들에 대한 물성 측정과 해석 모델이 지속 적으로 개발되어야 하며, IT 를 기반으로 의학과 공학 기술의 융합은 더욱 가속화되어야 할 것이다. 정보통신산업진흥원 21
  12. 12. 주간기술동향 2013. 10. 2. <참 고 문 헌> [1] 곽대순, 한승호, “디지털 코리안 인체 모델 구축”, 한국 CAD/CAM 학회지 제 17 권 1 호, 2011, pp.60-64. [2] 김윤혁, 박원만, “디지털 인체 모델 콘텐츠의 개발과 활용”, 한국콘텐츠학회지 제 5 권 제 1 호, 2007, pp.76-80. [3] 김진용, 정민석, 박진서, 안창식, 하동환, 박형선, “온몸의 연속절단면영상 만들기(둘째 보고: 해부영상 을 찍고 다듬는 방법)”, 대한해부학회지 제 35 권 제 4 호, 2002, pp.305-314. [4] 박진서, 정민석, 김진용, 박형선, “온몸의 연속절단면영상 만들기(첫째 보고: 포매하고 연속절단하는 방법)”, 대한해부학회지 제 35 권 제 4 호, 2002, pp.297-304. [5] 박진서, 정민석, 최승훈, 변호영, 황재연, 신병석, 박형선, “온몸의 연속절단면영상(여섯째 보고: 절단해 부학을 익히기 위해서 연속절단면영상을 둘러보는 소프트웨어)”, 대한해부학회지 제 39 권 제 1 호, 2006, pp.35-45. [6] 이상헌, 정문기, 이건우, 조현덕, Ma Yanzhao, “인간공학적 제품 개발을 위한 디지털 인체 모델링”, 한국 CAD/CAM 학회지 제 13 권 제 1 호, 2007, pp.28-35. [7] 이상호, 이승복, 정민석, “한국인의 인체정보의 활용사례 소개”, 한국콘텐츠학회 제 7 권 제 3 호, 2009, pp.44-52. [8] 이승복, 이상호, 한승호, 곽대순, “한국인 척추 연구를 위한 형상/물성 정보 구축”, 한국콘텐츠학회논문 지 제 11 권 제 10 호, 2011, pp.488-493. [9] 한국과학기술원 로보틱스&시뮬레이션 연구실, http://rslab.kaist.ac.kr [10] 한국인 인체치수조사(Size Korea), http://sizekorea.kats.go.kr [11] 황성배, 정민석, 박진서, 강군용, 박형선, “온몸의 연속절단면영상 만들기(셋째 보고: 구영화영상, 관상 구영화영상, 시상구역화영상을 만드는 방법)”, 대한해부학회지 제 36 권 제 2 호, 2003, pp.141-153. [12] J.M. Cao, D. Fu, S. Li, “A Three-dimensional Digital Visualization Model of Cervical Nerves in a Healthy Person”, Neural Regeneration Research, Vol.8, No.20, 2013, pp.1829-1836. [13] Chinese Visible Human(CVH), http://www.chinesevisiblehuman.com/ [14] J.-X. Dai, M.S. Chung, R.M. Qu, L. Yuan, S.-W. Liu, D.S. Shin, “The Visible Human Projects in Korea and China with improved images and diverse applications”, Surg. Radiol. Ana. 34, 2012, pp.527-534. [15] Digital Korean(DK) 사업, http://dk.kisti.re.kr [16] e-S;pine 사업, http:///www.espine.kr [17] M. Farber, F. Hummel, C. Gerloff, “Virtual reality simulator for the training of lumbar punctures”, Methods Inf Med, Vol.48, 2009, pp.493-501. [18] H-ANIM, http://h-anim.org/ [19] D.S. Kwak, S.B. Lee, D.I. Kim, S.H. Han, S.H. Lee, “The Mechanical Property Data for Spine 22 www.nipa.kr
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