Detection of Foreign Body in Esophageal Foreign Body Model Using Three Dimensional Reconstruction Technique

서 론

이비인후과 분야에서 외이도나 비강에 이물이 많이 발생한 다. 이 부위가 임상적으로 심각한 문제를 덜 유발하는 이유는 육안으로 보이는 위치이고 대부분의 이물이 외래에서 쉽게 제 거되기 때문이다. 물론 이들 중 전신마취 하에 제거해야 하는 경우도 간혹 생기지만 대부분 쉽게 해결된다. 반면 기도나 식도 의 이물은 임상적으로 발견이 늦는 경우도 있고 오래된 경우 주 변의 염증 및 이로 인한 부종과 분비물로 내시경을 하더라도 발견과 제거가 힘든 경우도 있다. 기도의 이물은 기관지가 연

골로 구성되어 내공이 유지되는 경우가 대부분이라 내시경하 에 이물의 위치나 모양을 알아내기가 쉽다. 반면 식도의 이물 은 연부조직으로 된 관 내부에 이물이 발생한 것이므로 내공이 있더라도 모양의 변화가 심하고 염증이 생기는 경우 내공의 모 양이 왜곡되고 부종 및 염증으로 인한 변화가 같이 오면 이물 을 찾기가 어려워 진다. 설사 내시경을 성공적으로 삽입하여도 이물의 발견 및 제거는 조심스럽게 시도해야 한다. 오래된 이물 에서 동일한 어려움을 겪는 것은 기도 이물에서도 마찬가지라 생각된다. 이물의 탐색 및 제거를 위해 내시경을 삽입하기 전에 단순 엑스선 촬영과 전산화단층촬영으로 이물의 종류나 위치 를 확인한다.^1,2) 방사선 비투과성 이물은 단순 엑스선 촬영에서 발견되는 경우도 있지만 크기가 작은 경우는 발견이 어렵다. 전 산화단층촬영도 기본적으로는 방사선 비투과성 물체인 경우 발견하기 수월하다. 방사선 투과성 물체도 크기가 작은 경우,

Korean J Bronchoesophagol 2012;18:13-18 ISSN 1226-0916

ORIGINAL ARTICLE

식도 이물 모델에서 이물 탐색을 위한 삼차원 재구성법의 활용

인제대학교 의과대학 상계백병원 이비인후과학교실,

흉부외과학교실

우국성

^유영삼

^김동원

Detection of Foreign Body in Esophageal Foreign Body Model Using Three Dimensional Reconstruction Technique

Kuk Sung Woo,¹ Young Sam Yoo¹ and Dong Won Kim²

1

Department of Otolaryngology Head and Neck Surgery, Sanggye Paik Hospital, College of Medicine, Inje University, Seoul, Korea

2

Department of Thoracic and Cardiovascular Surgery, Sanggye Paik Hospital, College of Medicine, Inje University, Seoul, Korea

ObjectiveZZ This study was conducted to gather basic information of 3D CT in detecting and gaining information of esopha- geal foreign body (FB) models.

Materials and MethodsZZ The chest model was made using PVC bottle, rubber balloon and plaster. Fish bone, Persimmon stone were used to mimic foreign bodies of esophageal model. The foreign body models were inserted into the balloon remov- ing air from it and the balloon was sealed. The esophageal FB model was inserted into the chest model. The remaining space in the chest model was filled with fish paste and water to simulate soft tissue around esophagus. CT of chest model was recon- structed three-dimensionally by Rapidia software to make images of foreign body models. The axial CT, MPR image and VOI image were compared with real foreign body materials as to shape, size, location and orientation.

ResultsZZ Esophageal FB models were easily made. CT data gave good 3D images and showed realistic foreign body materials.

ConclusionZZ The results indicate the usefulness of 3D CT technique to help in diagnosis of esophageal foreign body models.

Korean J Bronchoesophagol 2012;18:13-18 KEY WORDSZZ Esophageal ㆍForeign bodies ㆍThree dimensional reconstruction ㆍComputed tomogram.

논문접수일： 2012년 6월 25일 / 심사완료일： 2012년 7월 24일 교신저자: 유영삼, 139-707 서울 노원구 상계7동 761-1 인제대학교 의과대학 상계백병원 이비인후과학교실 전화: 02-950-1104 ㆍ전송: 02-935-6220 E-mail: [email protected]

두 가지 방법 모두 사용하더라도 발견이 안 되는 수도 있다. 최 근 전산화단층촬영 자료를 이용하여 인체 구조물을 3차원 재 구성을 하여 입체적인 영상으로 만들어 주는 프로그램들이 보 급되고 있다. 이 프로그램들은 평면적으로만 보이는 전산화단 층촬영 자료를 처리하여 입체적인 영상으로 재구성해주는데 정상 해부학적 구조물과 병적인 구조물을 입체적으로 관찰하 는데 많은 도움을 주고 임상적으로도 많이 활용되고 있다. 최 근 저자들은 기도 및 식도 이물 모델을 만들고 이물질을 삽입 하여 모의 이물 모델을 만든 후 이를 바탕으로 전산화단층촬 영 후 3차원 재구성 기법을 이용하여 이물에 대한 정보를 알아 내는 방법의 하나로, 기도나 식도의 내공이 유지되는 상태에서 이물을 가상내시경으로 관찰하는 방법을 기술하였다.³⁾ 하지 만 오래된 식도 이물의 경우 이물 주변으로 염증과 부종이 발 생하여 일반 내시경이나 가상내시경으로 이물에 대한 영상정 보를 얻기 어렵다. 이에 저자들은 매몰된 식도 이물의 영상 정 보를 찾고자 예비 연구로 설골이나 갑상연골을 매몰된 이물로 간주하여 삼차원 재구성 기법으로 이물을 찾는 방법을 알아 보았다.⁴⁾

본 연구에서는 매몰된 식도 이물 모델을 만들어 앞의 예비 연구와 동일한 방법으로 이물의 영상 정보를 만들어 활용할 수

있는 지를 알아 보고자 하였다.

재료 및 방법

흉강 모델을 제작하기 위해 PVC수액병을 사용했다. 재료들 의 부착 및 삽입을 위해 수액 병의 상부를 잘라 내고 늑골, 흉 골, 척추 역할을 할 재료로 석고 붕대를 반죽하여 두께 5 mm, 폭 1.5 cm, 길이 20 cm로 제작 후 24시간 실온에서 말려 봉 형 태로 사용하였다. 각 석고 붕대 봉은 수액 병의 폭에 맞게 적당 히 잘라서 3~4조각을 스카치 테이프를 이용하여 수액병의 한쪽 외면에 부착시켜 늑골로 삼았다. 척추 모델로 만들 석고 막대는 직경 2 cm, 길이 25 cm로 제작하여 수액 병 내부에 세 웠다. 식도 모델은 장난감 고무풍선을 사용했다. 풍선의 입구 를 통해 이물질 역할을 할 감씨와 4 cm길이의 생선뼈를 집어 넣고 공기를 제거 후 밀봉하여 매몰된 식도 이물 모델을 완성하 였다(Fig. 1, 2).

앞에서 만든 식도 이물 모델을 척추 모델에 테이프로 부착시 킨 이 모델을 PVC수액병에 세워 넣었고 수액병의 나머지 공간 에 어묵을 빈틈이 적게 생기도록 다져 넣었다. 빈 공간에 수돗 물을 50 mL 부어 넣은 후 수액병을 밀봉하였다(Fig. 3).

B

A C D

Fig. 1. Materials to make esophageal foreign body

E F

식도 이물 모델을 대상으로 CT촬영은 다음의 조건으로 시 행하였다. CT기종은, Aquilion(TOSHIBA, Japan)이었고 Scan Options은 HELICAL_CT, Slice Thickness: 1.0, KVP: 120, X-ray Tube Current: 300, Pixel Spacing: 0.454×0.454, Ac- quisition Time: 9.367로 하였다. 모든 frame은 Dicom형식의 파일로 저장했다(Fig. 4). 저장한 파일을 Rapidia 2.8(Infinitt, Korea)가 설치된 컴퓨터로 불러내어 가상 내시경 모드에서 영상 자료 처리를 하였다. 가상 내시경 기본 자료는 CT자료를 volume rendering한 영상으로, 가상 내시경(Virtual endos- copy)설정으로 이물에 관한 입체적인 정보를 재구성하여 만 들었다. 역치(Threshold)는 보통 -500 HU(Hounsefield Unit) 설정하여 시행하였고 이물 모델이 잘 보이도록 영상 처리를 하 였다(Fig. 5).

Rapidia에서 대상물의 입체적인 정보를 알아 내기 위해 다 음의 3가지 기능을 활용하였다. Axial CT는 모든 CT에서 기 본적으로 제공되는 영상을 사용하였다. MPR(Multi-planar reconstruction, 다중평면재구성)은CT를 구성하는 평면 사진 중에서 특정 부위를 지정하고 그 면을 중심으로 일정 두께 안 에 있는 평면 자료를 모두 합쳐서 만들어진 CT의 평면 사진이 다. 원하는 부위의 자료가 합쳐지면 더 명확한 영상을 얻을 수 있다. MPR처리는 axial를 기준으로 coronal, sagittal, oblique,

paraaxial 등의 영상으로 재구성하였고 대상물에 따라 그 특 성을 가장 잘 나타낼 수 있는 평면 및 두께(thickness)를 선택 하여 axial CT와 같이 보여 주었다.

VOI(volume of interest)는 3차원의 물체 내부를 가시화하 기 위해 개발된 모형화 기법으로 물체를 미소한 정육면체나 미 립자로 표현하는 기술인 volume rendering 기법을 기준으로 CT 자료를 점 자료인 voxel의 모임으로 입체적으로 표현하고 3차 원적으로 표현된 입체자료 중 두개의 평행한 평면 사이에 있는 볼륨만을 부분적으로 렌더링한 결과가 3D Volume Render- ing 화면으로 나타나는데 Axial CT혹은 coronal, sagittal CT

Fig. 2. Esophageal foreign body model in the chest cage model. Fish bone and persimmon stone were used to mimic foreign bod-

The esophageal model (balloon) was attached to be plaster bar (A). The finished esophageal FB model was inserted into the chest model (B).

A B

Fig. 3. Chest cage model with esophageal foreign body model

Fig. 4. Basic computed tomogram of the foreign body model Axial (A, B) and sagittal view (C, D). Arrows indicate foreign bodies. A,

A B C D

에서 임의 두께를 갖는 평면 사이를 지정한 후 역치를 조절하 여 원하는 대상물의 삼차원 영상을 만든다.

만들어진 영상은 화면을 갈무리(capture)하여 연구 자료로 사용하였다. 이물 모델의 실제 사진, axial CT, MPR, VOI로 얻어진 영상을 상호 비교하였고 크기, 모양, 공간상의 위치, 놓

인 방향(orientation) 등에 관하여 검토하였다

결 과

흉강 및 식도 이물 모델은 쉽게 구할 수 있는 재료로 제작 가능하였고 흉강은 늑골, 흉골, 척추에 의해 보호되며 가상 내 시경으로 촬영을 하는 경우 이들이 시야를 가리므로 이를 반 영하도록 모델을 제작하였고 석고 붕대로 만든 골 모델이 그 역할을 하였다. 고무풍선의 내부에 이물 모델을 삽입 후 공기 를 제거하여 고무풍선의 내강(lumen)은 없었고 따라서 가상 내시경을 이용한 내부 관찰은 불가능하였다. Axial CT, MPR, VOI를 이용하여 만들어진 영상을 실제 사진과 비교하여 보면 유사한 모양을 나타내 주었다(Fig. 6).

Axial CT, MPR, VOI를 이용하여 만들어진 영상을 바탕으 로 각각의 이물의 길이와 폭을 잰 결과는 다음과 같았다.

감씨의 실측치는 17.4×13.4 mm, axial CT에서의 측정치 는 13.6×10.2 mm, MPR에서의 측정치는 13.3×9.1 mm, VOI 에서의 측정치는 13.4×9.7 mm였다. 생선뼈의 실측치는 36.4

×20.2 mm, axial CT에서의 측정치는 36.7×17.2 mm, MPR 에서의 측정치는 38.1×20.1 mm, VOI에서의 측정치는 36.9

×17.3 mm였다(Fig. 7).

각각의 이물의 공간상 놓인 위치나 방향은 쉽게 파악을 할 수 있었고 특히 기준점이 주어지면 거리로 표시할 수 있었다 (Fig. 8).

Fig. 5. Three dimensional reconstructed images using computed

Fig. 6. Comparative images of plain CT, MPR and VOI images. In plane CT, arbitrary plane is used as reference plane to get CT im-

A

E

B

F

C

G

D

H

구하고자 설골이나 갑상연골 등을 이용한 예비 연구를 시행하 여 체내에 정상적으로 존재하는 설골이나 갑상연골을 이물로 간주하여 영상을 얻어 분석한 바 있다.⁴⁾ 그 연구에서 가상 내 시경을 사용하지 않고 MPR, VOI기법을 이용하여 위의 구조 물의 모양이나 위치 등에 관한 정보를 알아 낼 수 있었다. 본 연 구에서는 내공이 없어진 식도에 이물이 발생한 식도 이물 모델 을 만들었고 이를 바탕으로 앞서 언급한 방법으로 모의 이물에 대한 정보를 얻고자 하였다.

CT자료는 이물질에 대한 역치를 중심으로 처리하면 주변 연부 조직에 관한 정보를 제거할 수 있으므로 이물질에 관한 자료만 남게 된다. 이를 영상으로 재구성하면 이물질의 모양만 추출이 가능하고 이를 바탕으로 다양한 분석을 할 수 있다.

Axial CT도 rapidia에서는 이물질이 가장 잘 보이는 평면을 임의로 설정하여 그 평면에서 axial CT영상을 구현할 수 있다.

또한 MPR도 이물질의 특성을 잘 보여주는 평면을 지정하여 그 와 평행을 이루는 인접한 평면의 자료를 중첩시키면 더욱 자세 한 영상을 만들 수 있다. VOI는 두 평면 사이의 volume data (voxel)을 사용하되 일정한 역치를 지정하여 입체적으로 재구 성하면 원하는 영상을 만들 수 있다. 이 모든 과정을 자동적으 로 수행하여 얻어지는 영상을 비교하면 된다.

결과에서 보듯이 이물의 실물사진과 삼차원 재구성으로 만 들어진 이물의 각각의 영상을 비교하면 매우 흡사함을 알 수 있 다. 또한 실물과 만들어진 영상을 바탕으로 각각 길이와 넓이를 측정해 보면 유사한 측정치를 보이고 있다. 감씨의 경우는 모양 이나 측정치가 실물과 유사하였고 생선 뼈의 경우는 모양을 유 사하였고 길이도 유사하였지만 넓이에 대한 측정치는 실물과 차이가 나는 경우가 있었다. 이유는 생선뼈에서 척추는 두꺼워

Fig. 8. Information about orientation of foreign bodies. Distance

고 찰

기도 및 식도 이물은 진단 및 치료를 내시경을 이용하여 하 는 경우가 많다. 최근 CT기술의 발달로 내시경 시술 이전에 가 상 내시경을 이용하여 이물의 유무, 위치 및 크기에 관한 정보 를 확인하는 것이 일반적이다. 가상 내시경은 기도와 식도 이외 에도 위, 장, 방광 및 혈관내의 질환의 진단에 광범위하게 활용 되고 있다.^5-7) 이비인후과 분야에서는 이미 귀, 코, 목 모든 부 분에서 응용되고 있지만^8-10) 이 부위 들이 현미경이나 내시경으 로 관찰 가능한 부분이라 활발하게 이용되지는 않는다.

3D CT를 활용한 방법 중의 하나인 가상 내시경은 기관지 이 물을 진단하는데 활용되고 있지만 식도 내 이물의 진단에 응 용된 예는 없다.

기도와 달리 식도는 연동운동을 하고 평소에는 내공이 없는 상태를 유지하므로 이물이 발생하여 내시경을 하더라도 공기 를 주입하여 팽창을 시키면서 시술을 해야 하고 가상 내시경을 하는 경우에도 기포발생제를 복용하여 식도 내를 팽창시킨 후 인위적으로 내공을 만들어서 관찰하게 된다.¹¹⁾

식도에 이물이 박히면 시간이 지나면서 염증 반응 및 이로 인 한 인한 부종으로 내공이 좁아지고 식도 벽이 약해져서 인위 적으로 식도를 팽창시키는 경우 식도 천공의 위험성이 있다.

따라서 식도 내시경을 시행하여 이물을 제거하는 경우 응급 수술을 염두에 두고 있어야 한다. 저자는 식도의 내공이 없는 경우에도 매몰된 이물을 3차원 재구성법으로 찾을 방법을 연

Fig. 7. Measuring size of foreign bodies. 3-D image of VOI mode

CT 영상에서도 어떤 방법으로 처리해도 뚜렷하게 보여서 길이 의 측정이 정확하지만 넓이의 경우는 생선가시(늑골)는 가늘어 서 CT영상에서 흐리게 나와 측정이 덜 되는 것 때문에 편차가 발생한다. 본 연구에서는 내공이 없는 식도의 이물 모델에서도 이물질에 관한 입체적인 영상 자료와 계측자료를 구할 수 있음 을 알 수 있었다. 또한 식도의 모델로 고무풍선을 사용하고 안 에 이물질을 삽입 후 밀봉한 상태로 실험이 이루어져서 실제 식 도 이물에서 발생할 수 있는 염증이나 부종의 상황을 반영하지 는 않는다. 하지만 CT자료의 영상 처리 과정에서 방사선학적으 로 고밀도인 이물질의 영상만 남고 식도벽, 염증성 삼출물, 부 종 등의 영상 자료는 제거되므로 실제 활용에서는 큰 차이가 없 으리라 생각한다.

아울러 식도 이물 모델에서 내공이 유지되는 경우는 가상 내시경 영상을 만들어 내시경을 이용한 시술을 하기 전에 내시 경의 진입시의 이물 모습을 확인해 볼 수 있다. 또한 내시경 시 술을 못하고 개복수술이나 개흉 수술을 통한 이물 제거를 하 는 경우에도 입체적인 영상을 얻어 미리 준비를 할 수 있을 것 이다.

CT를 삼차원 재건 기법으로 처리한 자료는 다른 소프트웨 어를 사용하면 이물 자체만의 모양을 입체 영상으로 만들어 이를 바탕으로 손으로 만질 수 있는 실물 모델(Prototype)을 만 들어 활용할 수 있다. 실제로 심장 기형이나 악안면 수술 시 실 물 모델을 만들어 수술에 도움을 받기도 한다. 기관지나 식도 이물에서도 기관지, 식도, 이물의 실물 모델을 만들어 모의 수술 을 시도할 수 있다면 진단 및 치료에 도움이 되리라 생각한다.

3D CT는 일반적으로 총상으로 인한 외상이 많이 발생하는 전쟁터에서 신체 내에 박혀서 매몰된 금속성 탄환을 찾는데 많 이 활용 되고 있다.^12,13)

이 방법을 매몰된 식도 이물 및 신체 다른 부위에 매몰된 이 물을 찾는데 응용한다면 더욱 도움이 될 것이다.

일반적인 CT이외에 3D CT나 가상 내시경을 사용한다면 시 간이나 비용의 문제가 발생한다. 시간은 기존 CT자료를 활용 하여 10분 이내에 필요한 영상을 만들 수 있으므로 문제가 없 다. 비용은 프로그램을 구입하는 비용에 따라 차이가 많지만 보 통 고가의 CT장비 가격을 감안하면 저렴한 편이고 CT자료 처 리 비용을 환자가 부담할 수도 있으리라 생각한다. 또한 시술 전 에 더욱 입체적인 영상 자료를 만들어 확인 후 치료에 임하므 로 비용대비 효율성도 증가한다고 생각한다.

본 연구에서 삼차원 재구성법을 활용하여 이물을 탐색하고 계측한 방법은 실제 임상에서도 활용이 가능하리라 생각한다.

물론 동물 실험을 통한 추가 연구를 고려할 수 있지만 이미 식 도 이물환자에서 전산화 단층촬영을 하므로 자료를 처리하는 방법상의 개선으로 본다면 바로 임상적으로 활용해도 무방하 다 생각한다.

Acknowledgments

본 논문은 2011년도 인제대학교 학술연구조성비 보조에 의한 것임 (This work was supported by Grant from Inje University, 2011).

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