3차원 CT 영상과 바늘 투입력 측정에 의한 정밀한 생검 제어 시뮬레이션
김민태1∙김수현1∙김영재1∙남경원1∙신헌수1∙김진성2 박창민4∙김현범3∙정종성3∙김광기1∙조영호1
1국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과
2삼성서울병원 방사선종양학과
3국립암센터 영상의학과
4서울대학교병원 영상의학과
Simulation for Precise Biopsy Control with 3D CT Images and Measurement of Needle Insertion Force
Min Tae Kim
1, Soo Hyun Kim
1, Young Jae Kim
1, Kyoung Won Nam
1, Heon Soo Shin
1, Jin Sung Kim
2, Chang Min Park
4, Hyun Bum Kim
3,
Jong Sung Jeong
3, Kwang Gi Kim
1, Yung Ho Jo
11Biomedical Engineering Branch, National Cancer Center, Goyang, Korea
2Department of Radiation Onocology, Samsung Medical Center
3Department of Radiology, National Cancer Center, Goyang, Korea
4Department of Radiology, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea
= Abstract =
In computed tomography (CT)-based biopsy, the lesion is observed and the target tissue of biopsy is identified using CT images prior to the insertion of a biopsy needle. However, major nerves and or- gans along the path of a biopsy needle also need to be identified to ensure safe and accurate biopsy.
In this study, we measured the strength of each organ in a phantom for optimizing the route of biopsy using a 3D image based simulator. The strength of each phantom organ was measured using a biop- sy robot, developed and built in this lab, equipped with force sensors located at the base of a biopsy needle. The forces required to insert and extract a biopsy needle were measured along the route, which was set to pass phantom organs such as skin, fat, muscle, liver and bones. Results showed that the force needed to insert or extract a biopsy needle varied depending on the type of organ and the size of the needle. Future research will include the design of master/slave system with force feed- back for the precise control of the CT-based biopsy robot based on the analysis of measured forces in this study.
서 론
생검 시술은 병변의 병리학적 진단을 위해, 환자의 병변 조 직을 시료 채취용 바늘을 이용하여 직접 채취하는 진단적 시술 로서, 최근에는 진단용 의료영상의 발전으로 3차원 CT (com- puted tomography) 장비를 이용하여 환자의 신체 내부를 통 과하는 바늘의 위치를 시술자가 실시간으로 직접 보면서 시료 를 채취하는, 최소 침습 CT 기반 생검 시술이 점차 증가하고 있다. 이러한 CT 기반 생검 시술은 시술자가 환자의 신체 내 부에 투입된 생검 바늘의 위치 및 목표 종양 부위를 눈으로 실 시간 확인하면서, 혈관, 기관지 및 심장 과 같은 고위험 장기들 을 회피해가며 원하는 부위에서 정확히 시료를 채취할 수 있다 는 장점이 있지만, 시술이 진행되는 동안 환자 및 시술자에게 상당량의 방사선 피폭이 가해지는 단점 및 시술자 간의 경험치 의 차이에 따른 시술시간의 차이, 병변 조직 채취에 있어서의 정확도의 차이가 있다[1, 2]. 이러한 기존의 CT 기반 생검 시 술의 단점을 해결하기 위한 대안으로, 최근에는 마스터/슬레이 브 구조로 구성되는 생검 시술용 로봇 시스템의 개발에 대한 연구가 진행되고 있다 [3].
마스터/슬레이브 구조의 생검 로봇에서 시술자는 CT 장비 로부터 획득되는 3차원 실시간 영상을 환자와 멀리 떨어져 있 는 위치에서 직접 보면서 마스터 장치를 조작하여, 실제 생검 바늘을 움직이는 다자유도의 슬레이브 암을 원격 조종하여 환 자로부터 시료를 채취하게 된다. 이 때, 생검 로봇의 조작에 충 분히 숙련되지 않은 시술자의 경우 마스터 장치의 부정확한 조 작으로 인한 시료 채취 실패 및 재생검, 고위험 장기 손상 등의 위험 부담이 있으므로, 실제로 로봇 기반 생검 시술을 수행하 기 전 충분한 연습 및 훈련이 필요하다. 하지만, 고가의 3차원 CT 장비를 장시간 연습용으로 사용하기에는 비용 문제가 크게
발생하므로, 실제 생검 시술을 정확히 모사하는 훈련용 모의 생검 시술 시뮬레이터에 대한 연구가 이루어지고 있다 [4, 5].
이러한 훈련용 수술 시뮬레이터를 개발할 때에 중요한 고려사 항은, 실제 생검 바늘의 움직임을 시뮬레이터 상 생검 바늘이 정확히 추종하여야 한다는 점과, 실제 생검 시술 시 시술자가 느끼는 촉각 정보를 시뮬레이터 상에서 최대한 유사하게 구현 하여야 한다는 점이다 [6-11].
본 연구에서는 로봇 기반 생검 시술을 위한 훈련용 수술 시 뮬레이터의 개발을 위한 초기 단계 연구로서, 3차원 영상 처리 기법을 이용하여 모의 흉부 팬텀을 단면재구성(MPR, Multi- planar Reformat)하여 실제 생검 로봇 말단부에 부착된 생검 바늘의 움직임을 구현한 시뮬레이션 프로그램을 구현하였다.
또한, 모의 흉부 팬텀 내부로 생검 바늘을 진입/진퇴시킬 때 생검 바늘의 말단부에 닿는 모의 장기의 종류 (근육, 간, 그물 막 주머니, 뼈 등)에 따라 바늘에 인가되는 힘 정보를 센서를 통해 측정하였다. 측정되는 수직 힘은 환자의 피부 또는 조직 이 받는 통증과 직접적인 관련이 있으므로, 바늘의 수직 하향 속도는 설정된 임계 압력 이상에 도달하기 전에 늦춰지도록 함 으로써, 바늘의 수직 힘의 제어가 이루어지도록 한다. 즉, 측정 되는 힘이 설정값에 도달하기 시작하면, 바늘의 수직 하향 속 도가 감소되며, 임계값으로 설정되면, 바늘의 움직임은 멈추게 된다. 이러한 기능은 조직 속에서 바늘의 급격한 곡률변화에 의해 방향이 예상치 못한 정도로 변화되어, 뼈나 연골조직과 같은 중요부위에 도달한 경우와 같은 상황에 특히 유용할 수 있다.
재료 및 방법
1. 사용된 생검 시술용 로봇 시스템
본 연구에서는 국립암센터에서 현재 개발 중인 생검 시술용
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a b
그림 1. 실험에 사용된 생검 시술용 로봇 시 스템 (a) 3자유도 슬레이브 암과 3자유도 바 늘투입장치 (b) 실제 사용된 바늘 말단부 힘 측정용 1자유도 바늘투입장치
로봇 시스템을 사용하였다. 해당 로봇 시스템의 슬레이브부는 3개의 자유도를 가지는 슬레이브 암(arm)과 암의 말단부에 체 결되고 3개의 자유도를 가지는 바늘투입장치로 구성되어 있으 며 (그림 1a), 마스터부는 슬레이브부의 조종을 위한 6자유도 의 3차원 마우스(3D connexion, USA)와 제어 명령을 입력 받아 시리얼 통신을 통해 슬레이브부 제어기를 제어함과 동시 에 시술자에게 현재의 구동 정보 및 실시간 시술 영상을 제공 하는 마스터 컴퓨터로 구성된다. 슬레이브 암의 각 관절의 운 동은 역기구학 (Inverse Kinematics) 및 역자코비안 (Inverse Jacobian) 해석을 통해 각각의 관절을 움직이는 모 터의 회전각 및 회전속도가 제어된다. 본 연구에서는 기존의 3 자유도 바늘투입장치 대신에 수직 방향으로의 슬라이딩 운동 만을 수행할 수 있는 1자유도 바늘투입장치 (그림 1b)를 슬레
이브 암의 말단부에 체결하여 실험을 진행하였다. 생검 바늘에 축 방향으로 인가되는 힘의 크기를 측정하기 위해 생검 바늘의 상단 말단부에 힘 측정용 센서(UMM-K1; Dacell Co. Ltd., Cheongweon, Korea)를 장착하였으며, 힘 측정 센서의 신호 출력단에 신호의 잡음 제거(noise filtering) 및 교정(calibra- tion)을 위한 인터페이스 장치 (DN-10W digital indicator;
Dacell Co. Ltd., Cheongweon, Korea)를 연결하여 센서의 측정값을 0~5V의 전압 신호로 변환시키고, 이를 디지털 값으 로 변환하여 (10bit Analog-to-Digital conversion, 1 kHz sampling rate) 마스터 컴퓨터에 입력, 텍스트 파일 형식으로 실시간 저장하였다.
a b c
그림 2. 생검 시술 시뮬레이터 개발에 사용된 흉부 팬텀 및 영상 처리 기법(a) 흉부 팬텀(b)영상툴을 이용한 거리 측정(c) Analyze 소프트웨어를 이용한 영 상 분할
그림 3. 생검 시술 훈련용 시뮬레이터의 사용 자 인터페이스 화면
2. 생검 시술 시뮬레이터 개발
3차원 흉부 모델을 구성하기 위해, 인체 내 간 조직과 유사 한 탄성도와 연성을 가지고 있는 실리콘 재질 흉부 팬텀 (General Purpose Multi-Tissue Ultrasound Phantom;
CIRS Inc., Virginia, USA)의 내부 구조를 CT를 이용하여 연속적으로 단층 촬영하고 (슬라이스 간격 3 mm, 각 슬라이 스의 영상 해상도 512×512), 얻어진 2차원 CT 사진을 OpenGL 기반의 VTK 라이브러리에 입력한 후 3차원 볼륨 랜 더링 기법인 Ray-casting 알고리즘을 적용하여 흉부 팬텀의 3 차원 모델을 구현하였다. 실제 흉부 팬텀 (그림 2a)에서 팬텀 표면과 팬텀 내 장기들 간의 실제 거리는 M-View 프로그램 (Version 5.4; Infinitt Healthcare Co. Ltd., Seoul, Korea)을 이용하여 측정하였으며 (그림 2b), 구현된 3차원 모 델 내부의 개별 장기 및 조직들의 실제 크기 및 위치를 정확히 측정하기 위해 Analyze 프로그램 (Version 8.1; Mayo Clinic, Kansas, USA)을 이용하여 내부 장기들을 영상분할 하였으며, 영상의 슬라이스 두께는 3.2 mm, 평균 42 슬라이 스 이 며 , 영 상 분 할 수 행 시 단 층 영 상 의 Windows Level/Width값은 300/2000으로 설정, 자동 영상 분할 시 문
턱치 값은 300으로 설정하였다 (그림 2c).
또한, 실제 생검 시뮬레이션 시 시술자가 생검 바늘의 진입 상태를 보다 효과적으로 확인할 수 있도록 하기 위해, 시뮬레 이터 인터페이스 화면에서 3차원 모델의 전체 영상 (그림 2a) 외에 3차원 모델을 axial (그림 3b), coronal (그림 3c), sagittal (그림 3d) 방향에서 바라 본 3개의 2차원 영상을 함 께 제공하도록 하였다. 개발된 시뮬레이터는 생검 로봇 시스템 의 슬레이브 제어기와 상호 연동되어 바늘투입장치에 체결되 어 있는 생검 바늘의 현재 위치 정보를 제어기로부터 실시간으 로 입력 받고, 생검 바늘의 실제 위치와 3차원 모델 상의 바늘 위치가 항상 일치하도록 조절한다. 단, 현재는 바늘이 조직 내 에서 휨이나 방향의 변화가 없이 투입방향을 직선상태로 유지 한다는 가정하에서 이루어져있다. 현재 시뮬레이터는 잦은 CT 촬영에 의한 바늘 위치 확인 절차를 줄이고자 하는 것이 주 목 적이며, 각종 조직 표본에 대한 표준적인 측정 데이터에 의한 데이터 베이스 구축과 측정되는 힘과의 상관관계 도출을 통해 CT 촬영 없이도 조직 내에 바늘의 위치 추적을 시뮬레이터 만 으로 거의 완벽하게 구현할 수 있도록 하는 것은 의미가 있다.
본 연구에서 개발된 시뮬레이터 프로그램은 Microsoft Visual
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표 1. 3차원 시뮬레이터에서의 바늘의 진입 깊이와 생검 바늘의 진입 깊이 측정결과
시뮬레이터 상 진입 깊이 실제 바늘 진입 깊이(mm) 평균 표준편차
(mm) 1회 2회 3회 4회 5회 (mm) (mm)
020 19.50 20.50 18.80 19.00 20.20 19.60 0.66
040 40.50 41.00 39.50 39.00 40.00 40.00 0.71
060 59.70 60.30 59.50 60.50 58.50 59.70 0.70
080 80.30 80.00 81.20 80.50 79.80 80.36 0.48
100 100.30 99.50 99.80 101.20 100.50 100.26 0.59
a b
그림 4. 3차원 시뮬레이터에서의 바늘의 진 입 깊이에 따른 생검 바늘의 진입 깊이 측정 방법
StudioTM (Ver. 2008; Microsoft Corp., Seattle, USA)을 사용하여 개발하였다.
3. 실험 방법
구현된 시뮬레이터 상의 바늘의 움직임이 실제 생검 바늘의 움직임을 어느 정도로 정확히 반영하는가를 확인하기 위해, 시 뮬레이터 상에서 사용자가 바늘의 이동 거리를 임의로 설정하 면 설정된 거리 만큼, 실제 생검 바늘이 흉부 팬텀 내부로 이동 하도록 연동 설정한 후, 시뮬레이터 상에서 바늘의 팬텀 내 진 입 깊이를 20, 40, 60, 80, 100 mm로 변경하면서, 실제 생검 바늘이 흉부 팬텀 내부로 얼마나 진입했는가 여부를 측정하였 다. 각 경우에 대해 동일한 측정을 5회씩 반복하여 각 경우의 평균치 및 표준편차를 계산하였다. 또한, 흉부 팬텀 내부의 개 별 장기를 관통할 때 생검 바늘에 인가되는 힘의 크기를 측정 하기 위해 흉부 팬텀 내부 영역을 피부, 지방층, 간, 뼈로 구분 하고, 생검 바늘이 각 부분을 통과할 때 받는 힘의 크기를 측정 하였다. 단, 뼈 부분의 경우 관통 실험은 하지 않고, 뼈의 표면 에 바늘이 닿았을 때 바늘을 정지시켰다. 실험에 사용한 생검 바늘은 Sonori Ject (TSK Laboratory, Japan) 타입을 사용 하 였 으 며 , 22G(R=0.35mm), 20G (R=0.45mm), 18G(R=0.65mm)의 세 가지 굵기의 바늘을 각각 사용하였 다. 생검 바늘의 이동 속도는 2.44 mm/sec의 등속으로 설정 하였으며, 삽입 구간 70초, 삽입 후 정지 구간 20초, 추출 구간 70초로 각각 설정하였다. 각 지름 별로 5회씩 반복 측정하여 그 평균값을 계산하여 비교하였다.
결 과
그림 4 및 표 1은 시뮬레이터와 실제 바늘의 움직임 간의 연 동 정확도를 측정하기 위한 실험 결과를 나타낸다. 시뮬레이터 와 실제 바늘의 움직임 간 평균 이동 오차는 최대 0.4 mm 였 으며, 표준편차는 최대 0.71 mm 였다. 각 깊이 별 평균 오차 율은 20 mm 일 때 2%, 40 mm 일 때 0%, 60 mm 일 때 0.5%, 80 mm 일 때 0.45%, 100 mm 일 때 0.26% 인 것으 로 각각 나타났다.
그림 5는 생검 바늘의 진입 깊이에 따른 힘 측정 결과를 나 타낸다. 삽입하는 구간에서 힘의 마찰력에 의해 피부를 지나 근육에서부터 정지 마찰력이 생겨 서서히 마찰력이 증가하는 구간을 보였고, 근육을 지나 간에 들어서면서부터 운동마찰력 이 발생하여 일정한 힘을 보였지만 두께에 따른 바늘 마다 힘 의 분포가 약간씩 달랐으며, 그물막 주머니에서 뼈에 닿는 순 간부터 20초간 정지하였고, 추출 구간에서는 초기에는 바늘에 인가되는 축 방향 힘이 급격히 증가하였으나 일정 수준 이상 바늘이 뽑힌 이후부터는 인가되는 힘이 급격히 감소한 후 다시 서서히 증가하는 패턴을 나타냈다.
고찰 및 결론
본 연구에서는 3차원 의료영상 기반 생검 과정에서 마스터/
슬레이브 구조의 로봇과 3D CT 영상 시뮬레이터를 연동하였 고, 실시간으로 조직 내부의 시뮬레이션을 보면서 바늘 투입의
그림 5. 생검 바늘의 진입 깊이에 따라 바늘에 인가되는 힘 측정 결과
정밀 제어를 위해 조직에 따른 마찰의 힘을 알아보고자, 인체 와 비슷한 흉부 팬텀을 이용하여 정량적인 힘을 측정하였다.
각 장기별 마찰력에 따라 바늘의 인가되는 힘이 다르게 나타 나는 것을 확인하기 위해 시뮬레이션을 연동하여 Axial, Coronal, Sagittal축 방향으로 동시에 움직임을 보며, 팬텀 내 부의 피부, 근육, 간, 그물막 주머니, 뼈를 실시간으로 볼 수 있 어 경로를 보면서 바늘에 인가되는 힘의 크기를 비교하여, 힘 의 특성을 비교할 수 있으며, 목표점으로부터 바늘 투입 장치 의 제어를 시뮬레이션을 보면서 컨트롤이 가능해진다. 생검은 개인차마다 다르고, 경험을 바탕으로 시술이 행해지므로, 이를 통해 연습용으로 사용이 가능해 진다.
바늘이 조직에 따른 물리적 특성에 따라 두께에 차이가 바늘 에 인가되는 힘의 분포가 다르게 나타나게 된다. 바늘이 투과 되는 각 장기별 힘의 값은 두께가 클수록 힘의 크기가 작아지 게 되는데, 이는 추가의 가속 힘이 없는 일정한 등속도의 바늘 이 움직임으로 보일 수 있다.
결과적으로 바늘이 두꺼울수록 로봇의 움직임이 적은 힘을 가하게 되며, 가는 바늘일수록 조직을 뚫고 삽입되는 힘은 크 다는 것이다. 사람의 손으로 제어하는 힘은 가속도가 붙거나 인가하는 힘이 다르지만, 로봇의 움직임은 같은 속도에서 두께 가 클수록 힘이 작게 나타나게 되었다. 손으로 주관적 바늘 삽 입 시 속도는 개인마다 다르고 패턴이 일정하지 않기 때문에 정량적인 측정이라 할 수 없지만, 로봇을 이용한 바늘 생검은 일정한 패턴과 속도로 반복 및 평균적으로 측정한 값을 바늘 투입 장치의 정밀 제어 시스템에 사용할 것으로 기대한다.
결론적으로, 본 연구에서는 모의 생검 실험을 3D 시뮬레이 션과 연동하여 바늘의 두께 변화에 따라 바늘에 인가되는 힘의 영향을 정량적으로 측정하였다. 생검 시술 시 각 장기별 힘의 차이가 발생함을 확인 하면서, 정밀 제어를 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과를 활용할 경우, 고위험 장기 들을 피하면서 원하는 목표점의 바늘이 투입됨을 보면서, 바늘
에 인가되는 힘의 패턴의 정량화를 통해 정밀한 제어를 할 수 있을 것으로 기대된다.
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대한의학영상정보학회지 2010;16:1-7
=초 록=
CT 기반 생검은 환자의 병변 부위를 관찰하고, CT 모니터를 통해 병변 조직의 검출 목표점을 확인한 후, 생검 바늘을 삽입하는 시술이지만, 생검 바늘이 목표 지점까지 가는 데에 주요 신경 및 장기들을 파악해 안전하고 정 확한 생검이 이루어져야 한다. 본 논문은 시뮬레이터를 이용하여 각 팬텀 조직의 힘을 측정하여 최적의 경로로 시술할 수 있는 방안을 분석해 보았다. 본 연구팀에서 제작/개발한 생검 로봇의 말단부에 센서를 장착한 바늘 투 입장치를 이용하여 팬텀 조직의 힘을 측정할 수 있게 하였다. 바늘 투입 장치는 팬텀의 내부의 피부, 지방, 장기, 뼈 등의 경로를 설정하여 바늘이 조직과의 마찰의 힘을 측정하였다. 바늘은 3가지의 두께에 따라 측정을 독립적 으로 하였다. 결과로는 각 조직층 힘의 분포가 다양했으며, 바늘의 두께에 따라 힘의 차이가 있음을 확인하였다.
추후 연구로는 측정한 힘의 데이터를 분석하여 영상기반의 생검 로봇 시스템의 정밀제어 할 수 있도록 피드백 하 여 마스터/슬레이브 방식의 연구를 진행할 것이다.
