의료영상 데이터를 활용한 대퇴골 모델링 및 해석방법

 
■ Introduction

최근 헬스케어 산업은 과거와는 다른 새로운 이슈들이 빠르게 등장하고 있으며, 빠르게 변화하고 있는 시장의 요구에 부합할 수 있도록 기존과는 다른 접근방식의 개발과 안정성 평가 방식에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 헬스케어 산업이 모두에게 맞는 제품 보다는 개인 맞춤형 의료로 전환되면서 새로운 기술의 필요성 역시 증가하고 있다. 빠르게 변화하고 있는 의료분야에 적용할 수 있는 기술 중 하나가 Computational Modeling & Simulation(CM&S) 기술이다. 특히 정형외과 분야는 예전부터 Implant의 거동 및 신뢰성을 확인하는 측면에서 해석기술이 적용되어 왔던 분야이다. 이번 호에서는 환자의 의료영상 데이터를 가져와서 형상모델링을 진행하고 이를 바탕으로 해석하는 방법을 소개한다. 

■ 헬스케어 분야에서의 CM&S(Computational Modeling & Simulation)

의료기기의 안정성과 유효성을 평가하고 규제 승인을 얻기 위한 방법으로 전통적으로는 Bench Test, 동물시험, 임상시험방법이 있으며, 이러한 방법의 결과물이 규제승인의 주요한 증거들이 되어왔다. 그러나, 최근 [그림 1]과 같이 빠르게 변화하는 헬스케어 분야에서 최근 몇 년간 CM&S가 의료기기를 평가하는 새로운 방식의 규제 도구로서 인식되고 있으며 미국 FDA 등에서는 CM&S가 더 많은 디지털 증거로 사용될 수 있도록 새로운 표준과 지침을 개발하고 있다. 그에 따라 Ansys사는 FDA와 협력하여 CM&S 결과물을 인증 절차에 사용하기 위해 주요 표준 개발에도 지속적으로 참여했다. 물론 CM&S의 신뢰성과 유효성 평가가 더욱 엄격해질 필요는 있으나, 이제 사람들은 지금부터 멀지 않은 시기에 임상 테스트의 50 % 이상이 CM&S로 대체될 것이라고 기대하고 있다. CM&S가 갖는 가치는 의료기기의 개발 단계에서 수많은 Case Study를 통해 최고의 성능을 갖는 제품을 만들어 내는 것, 최종적으로는 제품 개발과 인증 평가에 소요되는 시간을 줄여 혁신적인 의료기기를 환자들이 하루라도 빨리 사용할 수 있도록 하는 것이다.

 
[그림 1] 헬스케어 분야에서의 규제승인 평가방법

의료산업에서 CM&S 방법을 적용하는 분야는 아래 [그림 2]와 같이 다양하다.

• 첫 번째는 의료기기 분야이다. 아래 [그림 2]의 첫번째 그림과 같이 혈액을 공급하는 블러드 펌프, 막힌 혈관을 확장해주는 스텐트, 뼈가 골절된 부분의 지지력을 보조해주기 위한 임플란트 등 의료기기의 신뢰성 및 거동을 미리 확인할 수 있다.
  
  
• 두번째는 의료 장비 분야이다. 약품을 추출하는 펌프의 거동을 확인하거나 좁아진 혈관을 넓혀주는 스텐트를 혈관까지 이송해주는 카테터의 혈관 삽입시에 발생하는 문제점을 확인하고, MRI 장비를 통한 인체의 촬영시에 인체 및 인체 내부의 의료장치의 안전성을 해석할 수 있다.
  
  
• 세번째는 제약 분야이다. 약품 혼합, 알약 압축, 스프레이 드라잉(분무건조) 등과 같은 알약을 제조하는 공정시에 발생하는 문제점을 사전에 CM&S를 통하여 확인할 수 있다.

• 마지막으로 임상 및 치료 분야이다. 의료 기기가 인체에 적용되었을 때, 어떠한 거동을 하는지를 수술전에 미리 CM&S를 통하여 확인하여 수술의 방향성을 제시할 수 있다. 이중 CM&S가 근골격계 임플란트 및 보철물에 적용된 사례들은 [그림 3]에서 자세히 확인 가능 하다. 

 
[그림 2] 헬스케어 분야의 CM&S 적용 분야

 
[그림 3] 근골격계 임플란트 및 보철물 적용사례

■ 대퇴골 분야에서의 해석의 필요성

대퇴골 및 정형외과 분야에서 CM&S를 적용해야 하는 이유는 환자마다 뼈 또는 혈관 및 근육 등의 길이, 구성밀도, 형상 등이 차이가 있기 때문이다. 실제 환자의 형상을 반영한 해석을 진행해야 더 정확한 특성을 파악할 수 있다. 수술기법 또한 실제 수술이 필요한 환자의 형상을 바탕으로 적용해야 수술 후의 거동 및 발생가능한 문제점을 더 정확하게 예측할 수 있다. 동일한 골절이 발생하더라도 적용할 수 있는 수술 방법은 다양하다. 이때 어떠한 방법의 수술이 현재의 환자에 더 적합한지 확인하는 것은 실제 수술을 하지 않으면 쉽지 않으며, 대부분은 의사들의 경험을 통해서 결정이 된다. 하지만 CM&S 방법을 사용하면 실제 수술을 진행하기 전에 다양한 수술법을 미리 해석을 통하여 확인할 수 있으며, 해석결과를 통하여 환자에 가장 적합한 최적의 수술 기법을 선택할 수 있다. 

■ 대퇴골 분야에서의 해석 Workflow

대퇴골의 특성을 분석하기 위해서는 아래와 같이 4가지의 해석 단계를 거쳐야 한다. ([그림 4] 참고) 

먼저 구조해석에 필요한 형상을 만들기 위한 사전 작업으로 CT와 같은 의료영상 이미지파일을 가지고 SCDM에서 작업할 수 있는 STL파일로 변환한다. 이렇게 제작된 STL파일은 표면에 대한 형상정보만 가지고 있기 때문에 이를 솔리드 형태로 변환한다. 대퇴골과 같은 인체의 뼈는 형상으로 보면 하나의 모델이지만 위치별로 다른 골밀도 값을 가지고 있다. 골밀도가 다른 경우 다른 강성 값을 가지게 되며, 좀더 정확한 해석을 위해서는 골밀도 정보가 재료정보에 포함되어야 한다. 골밀도에 따른 뼈의 기계적 특성을 반영하기 위해서는 골밀도 데이터가 필요하며, 이러한 데이터는 의료영상데이터를 이용하여 상용프로그램에서 추출할 수 있다. 이렇게 추출된 골밀도 정보는 Ansys Workbench로 가지고 와서 해석에 적용할 수 있다. 골밀도 정보를 추출하기 어려운 경우 해면골과 치밀골로 구분하여 2가지의 물성으로 적용하는 방법도 있다. 마지막으로 이렇게 생성된 형상과 위치별 골밀도 정보를 가지고 구조해석을 수행하여 대퇴골의 안정성을 평가할 수 있다. 각 단계의 자세한 내용은 뒤에서 하나하나 알아보자. 

 
[그림 4] 대퇴골 구조해석 Workflow

1.    CT이미지에서 STL파일 추출

의료영상데이터에서 3D 모델인 STL파일을 추출하기 위해서는 상용프로그램을 사용해야 한다. 이번에는 아래의 [그림 5]와 같이 3개의 프로그램을 제안하지만, 이 프로그램 외에도 다양한 프로그램으로 작업이 가능하다. 의료영상데이터를 활용하여 STL파일을 추출해주는 첫번째 프로그램은 3D Slicer이다. 3D Slicer는 누구나 사용가능한 무료 소프트웨어로 의료 이미지 데이터를 시각화 하거나 분석하고, STL파일로 추출할 수 있다. 단점은 Segmentation 작업이 매뉴얼로만 가능하며, Total segmentation이라는 툴을 추가해야 골 밀도 정보를 추출할 수 있다. 두번째는 의료영상 처리에 가장 많이 사용하고 있는 상용프로그램인 Mimics라는 프로그램이다. Mimics는 유료 프로그램으로 형상 Segmentation작업을 쉽게 진행할 수 있으며, 최상위 라이선스를 보유하고 있다면, Ansys로 바로 격자 형상과 격자 번호에 따른 골밀도 정보를 가지고 올 수 있다. 마지막으로 Synopsys사의 Simpleware는 의료영상 데이터를 3D 모델로 전환하기 위한 완벽한 이미지 분할 및 모델 생성 솔루션을 제공하는 프로그램으로 Ansys제품과 쉽게 연동하여 형상 모델을 전달할 수 있다.

 
[그림 5] CT이미지를 STL파일로 변환해주는 프로그램

2.    STL파일로 Solid 모델 생성

의료영상처리 프로그램을 통하여 추출한 STL파일은 3D 형상이지만, 외각 면에 대한 정보만 가지고 있다. 이를 해석을 위한 3D Solid 형태로 변경하기 위해서는 ANSYS의 Space Claim Direct Modeler(SCDM)를 사용한다. SCDM은 3D 프린팅 기술개발과 더불어 STL파일을 솔리드로 변환하는 기능들이 많이 개발되고 있다. Facet 탭에서 STL파일 관련 작업들을 할 수 있는 기능이 있으며, 이중 부드러운 Solid형상을 만들기 위해서 먼저 Shrinkwrap 기능으로 표면을 다듬어준다. 표면이 부드럽지 못하면 솔리드로 변환시에 형상이 깨지거나 아예 생성되지 않을 수 있다. 표면을 부드럽게 한 후 Tools 탭의 Auto Skin 옵션을 사용하여 Solid로 변환할 수 있고, 이를 일반적으로 많이 사용하는 Step파일이나 Parasolid 파일로 저장도 할 수 있다. 

[그림 6] STL파일을 Solid로 변환하는 과정

3.    골밀도정보 추출 및 적용

첫 번째 단계에서 사용한 상용프로그램으로 엑셀파일 또는 텍스트파일로 위치별 골밀도(HU, Hounsfield Unit)정보를 추출하고, 이를 Ansys에서 불러와서 적용할 수 있다. 추출한 텍스트파일은 External Data로 Ansys에 적용 가능하나, 위치별 HU값은 CT상에 나타나는 뼈의 촘촘한 정도이기 때문에 이를 바로 구조해석에서 사용할 수는 없다. 해석에서 사용하기 위해서는 각 HU값에 따른 탄성계수를 Engineering Data에서 Field Variable로 정의하여 위치별로 다른 탄성계수 값이 적용되게 한다. 적용된 테이블 값 외의 HU값은 선형 보간법에 의해 적용된다. 최종 적용된 탄성계수는 [그림 7]과 같이 Mechanical창에서 확인 가능하다.

 
[그림 7] 골밀도 정보 구조해석 시스템에 적용하는 방법

4.    구조해석 수행 후 안전성 평가하기

골밀도 정보 및 불러온 형상파일을 이용하여 구조해석을 하기 위한 다음단계는 격자(유한요소모델) 생성이다. 대퇴골 및 인체의 경우 곡면이 많으며, 울퉁불퉁하기 때문에 격자는 곡면을 적절히 표현해 줄 수 있을 정도의 사이즈로 [그림 8]과 같이 생성한다. 격자생성이 완료된 후 신뢰성을 평가하기 위해서 상황에 맞게 고정부위와 하중부위를 설정하여 관련 조건을 입력한다. 이번호에서는 슬개골과 연결되는 대퇴골 하부를 고정하고, 대퇴골두에 하중을 적용하여 해석을 진행하였다. 해석결과 [그림 9]와 같이 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 방법으로 골절된 대퇴골에 적용하는 임플란트를 적용한 경우 임플란트의 응력을 확인할 수 있으며, 이를 통하여 임플란트 시술시의 위험발생 가능 위치를 사전에 확인할 수 있다. 또한, 임플란트의 응력이 임플란트 재료의 허용한도와 비교하여 임플란트의 안전계수 및 안전성을 확인할 수 있다. 마지막으로 임플란트 재료의 피로수명 데이터를 기반으로 임플란트의 피로수명도 평가할 수 있다.

 
[그림 8] 대퇴골의 격자형상

 
[그림 9] 대퇴골의 Equivalent Stress(MPa)

맺음말

이번 호에서는 의료영상데이터를 활용하여 대퇴골의 형상을 모델링하고, 이를 바탕으로 대퇴골의 신뢰성을 평가하는 방법에 대해서 알아보았다. 이러한 방법을 통하여 직접적인 뼈에 대한 신뢰성 외에 대퇴골 골절시에 사용하는 임플란트 등의 의료기기의 신뢰성도 평가할 수 있다. 또한 대퇴골 외에도 뼈의 골절시에 인체에 적용되는 임플란트에 대해서도 동일한 방법으로 적용할 수 있다. 이를 통하여 의료기기 분야에서 CM&S가 환자 맞춤형 제품 출시에 도움이 되기를 기대한다.

■ 참고자료

- Ansys Technology for medical / Healthcare Seminar, Marc Horner, 2015
- An Overview of Regulatory Frameworks for Computational Modeling and Simulation in Healthcare, Mark Horner, Ansys Inc., TSNE Medical Device Seminar, 2021
- Ansys Solutions for the healthcare Industry, 2016
- [4월 열린세미나 : 2024 Medical Simulation Day] Session 1. 의료 영상 기반 해석용 모델링 처리 방법과 구조 해석 (태성포털)