이비인후과 영역에서의 3차원 입체 영상 연구의 유용성

가톨릭대학교 의과대학 이비인후과학교실 전범조

Department of Otolaryngology-Head & Neck Surgery, The Catholic University of Korea, College of Medicine, Seoul, Republic of Korea

Beom Cho Jun, MD, PhD

이비인후과 영역에서의 3차원 입체 영상 연구의 유용성

Clinical feasibility of three-dimensional reconstruction images ENT research fields

▒ 서 론

우리가 숨쉬고 생활하는 공간은 그야말로 입체적이다. 인간은 태 어나면서 학습과 경험을 통해 공간의 입체성을 인지하고 3차원인 공 간에 적응하여 살고 있다. 하지만 우리가 눈을 통해 느끼는 그 입체 성 조차 우리의 시각 기관인 망막에 맺히는 2차원적인 영상이 가진 원근감과 음영 등의 정보가 학습된 경험을 통해 뇌에서 입체적으로 느껴 지는 것이다. 이와 같은 원리를 이용하여 평면 매체인 영화 필

름에 3차원 입체성의 정보를 담아 제작하고 이를 특수 안경을 통해 보면 우리의 뇌는 입체적으로 느낀다. 평면 보다 입체적 영상이 가 지는 장점은 현실감이다. 관람객들은 보이는 영상이 실제로 눈 앞에 서 벌어지는 것처럼 느끼고 즐거워한다. 특히 학습이나 생활에서의 입체적 정보는 이미 널리 사용되고 있으며 지속적으로 개발되고 있 다. 3d-TV의 개발과 교통안내 맵 등에서의 입체 정보는 우리에게 보다 실제적인 정보를 제공해 준다.

의학 분야에서도 3차원 입체영상의 활용은 계속 개발 중이다. 가 상의 수술 프로그램을 개발하거나 기초연구 분야 혹은 임상적으로 술 전 후 환자의 평가나 수술 중 내비게이션의 활용, 환자 맞춤형 임 플란트의 제작, 치과 및 성형 분야는 많이 앞서 가고 있다.

수술과 관련하여 의사에게 도움을 줄 수 있는 것 중 하나가 특정 부분의 개별화와 전체를 종합화 할 수 있는 부분이다. 이비인후과를 예를 들자면 안면신경 분지만을 개별적으로 입체화 하여 안면신경 주행의 전체적 경로를 이해하고 중요 구조물과의 위치관계를 보여 줄 수 있다. 종합화란 예를 들면 측두골 골절이 있는 경우 기존의 평 면적 이해는 개별의 축상면에서 골절선이 있는 것을 확인 할 수 있 지만 입체화 하면 전체 측두골에서의 골절선의 개수와 주행방향을 이해하기 쉽다. 입체 영상화가 가지는 또 하나의 장점은 정보성이 다. 단순히 입체적으로 보여주는데 그치지 않고 거리계측과 용적계

J Korean Skull Base Society 10권 1호 : 5~11, 2015 종설1 종설2 종설3 원저1 증례1 증례2 증례3 증례4

논문 접수일 : 2015년 4월 5일 심사 완료일 : 2015년 4월 25일 주소 : Professor, Department of

Otolaryngology-Head & Neck Surgery,

The Catholic University of Korea, College of Medicine Uijeongbu St.

Mary’s Hospital 271 Cheonbo Street, Uijeongbu, Gyeonggi-do 480-717, Republic of Korea

Tel : 82-31-820-3657 Fax : 82-31-847-0038 E-mail : otojun@catholic.ac.kr

Beom Cho Jun, MD. PhD.

교신저자

산과 같은 정보를 활용하여 해부 생리학적인 기초연구에도 도움을 줄 수 있다.

영상의 입체화가 이비인후과에서 유용한 이유는 해부학적으로 특 히 조밀한 구조가 많기 때문이다. 이과 영역에서는 현미경을 이용한 수술이 대부분이고 안면 신경 등 중요 구조물의 주행경로는 복잡하 게 이루어진다. 비과 영역 또한 내시경을 이용한 수술이 많으며 마 치 동굴 속을 탐험하듯이 행하여진다. 두경부영역도 구강 및 인후두 식도, 경부 등 다양한 구조가 존재한다. 따라서 술 자의 경험은 무엇 보다 중요하며 이를 더욱더 효율적으로 도울 수 있는 것이 3차원 입

체 영상 연구의 분야이다.

저자는 이비인후과 영역에서 3차원 영상연구를 해온 경험을 토대 로 부족하지만 기초와 임상적 연구내용을 함께 공유하고자 한다.

▒ 본 론

3차원 영상의 이론

3차원 영상이 활발해지기 시작한 것은 1990년대 컴퓨터의 발달과 CT 등 의학 영상이 병원에 대중화 되고 의료 영상 표준 저장 규약인

The air (a), bone cartilage (b), and air and bone cartilage (c) views in a normal adult. The thresholds (d) for the air column were from -1024 to -302 HU (thin arrowhead) and those for cartilage and bone (thick arrowhead) were from 489 to 3071 HU

A B C

Fig. 2

3D reconstruction by surfacerendering. Posterior view of E-tube orifice (a normal right temporal bone；a virtually canal wall down mastoidectomized state). The blue hue which is seen on the walls of the middle ear cavity represents the tympanic segment and mastoid segment of the facial nerve.

FC：facial canal, M：malleus, I：incus, S：stapes, RW：round window niche, E：eustachian tube orifice, VCFN：vestibulocochlear and facial nerves.

A B

Fig. 1

DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 등 이 정해지면서부터이다. DICOM이란 의료 영상의 조작과, 저장, 인 쇄, 전송하는 파일 형태의 표준화된 규약이다.

먼저 CT촬영의 특성을 살펴보면 측두골의 3차원 영상 재건 시 (Fig. 1) 주로 나선형(spiral) CT를 통하여 저장된 영상 데이터의 조 작을 필요로 하는데, 이러한 영상 데이터의 3차원적인 표현을 window와 level의 역치(threshold)에 의하여 결정한다. CT를 촬영 하면 촬영대상의 물체는 그 밀도에 따라 고유의 HU(Hounsfield unit) 값을 표현한다. HU 값은 각 화소의 X-ray 흡수 정도로 예를 들면 개략적으로 물 성분은 0, 공기는 -1,000, 밀도가 골부는 +1000 정도의 값을 가지게 된다.

이렇게 표현된 2차원의 정보는 입체영상합성 소프트웨어에서 3차 원 공간의 공간의 정보가 포함된 복셀(voxel)로 표현되며 흔히 2차 원 평면의 사진의 Pixel 값에 비해 공간 내에서의 위치 정보를 지닌 다. 최저치의 복셀 값은 화면상에서 가장 어두운 밝기가 되고 최고 치의 복셀 값은 가장 밝은 밝기가 되도록 하였다. 예를 들어서, 최소 치인 -2,048 HU는 2차원인 CT 데이터 상에서는“검은색”으로 표 현되지만 3차원 영상재건에서는“투명”으로 표현되고, 최고치인 +6,143 HU는 3차원 영상 재건에서는“흰색”으로 표현된다. 복셀 scale상에서의 width를 window로 결정하는데, 복셀 scale상에서의 window의 중앙치를 level로 하였다. 최소 복셀 값은“0”(2차원 영

상) 혹은“투명”(3차원 영상)으로 배당되고, 최대 복셀 값은“255”(2 차원 영상) 혹은“흰색”(3차원 영상)으로 배당된다.¹⁾

3차원 영상이 가진 장점 중의 하나가 CT 정보를 히스토그램의 역 치를 조절하여 자율적으로 활용하여 있다는 점이다. 측두골 CT를 촬영한 환자의 CT필름에는 환자의 피부는 보이지 않으나 이는 실 제로 측두골 부위 만을 잘 보일 수 있게 CT 상에서 영상의 Window 와 level 을 조절하였기 때문이다. 즉 측두골 CT도 촬영하는 과정에 서 환자 피부에 대한 정보를 가지고 있으므로 3차원 영상합성 소프 트웨어를 이용하여 피부에 대한 역치를 정하면 측두 부위 피부영역 에서의 윤곽을 재현해 낼 수 있다. 이와 같은 원리를 이용하면 CT상 에서 밀도 차가 나는 조직 부위 예를 들면 공기와 골부 등 HU 값의 차이가 많이 나는 부분에서 각각의 역치를 정해 영상을 합성하면 다 른 부위를 제외하고 그 부분만을 강조하여 볼 수 있다. 혈관조영제 를 주입하고 두부 CT를 촬영하고 뇌 조직을 제외한 ANGIO CT를 만드는 것과 같은 원리이다. 또는 관련 있는 두 가지 영역만을 추출 할 수도 있다. 척추 임플란트시 임플란트 금속의 HU값은 매우 높을 것이고 골부의 HU 값도 타 조직 보다 구분되어 높을 것이므로 두 부분 각각의 역치를 설정하여 두 영역만을 영상화 하는 것은 어렵지 않다.

비골 골절 환자에서 피부의 함몰과 내부 비골의 골절과 비강의 협 착 등을 연구할 때이를 이용하면 함몰된 비골의 복원을 시도할 때

A B

Fig. 3

A. A delayed type of facial nerve palsy occurred 15 days after trauma, despite the absence of a fracture line in the otic capsule and of soft tissue in the middle ear cavity. Two fracture lines are shown in anterior wall of the Lt external auditory canal (white arrows) in the axial view of the Lt temporal bone CT. Green arrow in blue circle means the rectangular direction to imaginary line whichdefines reformatted image.

B. Reformatted images from the axial CT of Fig. 3a. MPR images provided information on a fracture line involving both the anterior and posterior canal wall (white arrow heads) and showed that the external force may have caused insult to the ossicle (white arrow) and tympanic segments of the facial nerve(black arrow head), which pass through the mastoid canal into the mastoid segment of the facial nerve (black arrow)

도움을 줄 수 있다.²⁾(Fig. 2)

3차원 영상을 소프트웨어적으로 입체화 하여표현 하는 것에는 크 게 두가지 방법이 있다. SURFACE 렌더링 방법과 VOLUME 렌더 링 방법이다.

전자는 쉽게 생각하면 입체화 시킬 대상의 표면을 강조하여 입체 화 시키는 것이다. 사과를 예를 들자면 사과 겉면을 물감으로 칠하

여 표현하는 것으로 이해하면 된다. 한번 만들어진 입체물의 내부를 소프트웨어적으로 절단한다는 등의 실시간 조작을 불가능하다.

이에 비해 Volume 렌더링은 대상의 밀도를 강조하여 입체화하는 것이다. 입체화된 영상은 내부의 밀도 정보를 지니고 있으며 실시간 으로 내부를 잘라서 볼 수 있다. 쉽게 설명하면 만들어진 사과의 입 체영상을 잘라 내부의 씨앗을 확인 해 볼 수 있고 히스토그램을 조 작하여 밀도 차가 나는 원하는 부위만을 강조하여 볼 수 있다. 그럼 에도 불구하고 SURFACE 렌더링의 장점은 용적 계산이 가능하다 는 점과 한번 영상을 확대해도 영상이 해상도가 줄 지 않는다는 점 이 VOLUME 렌더링에 비해 장점이며 연구자는 연구목적에 따라 적절히 이용하면 된다.

3차원 영상을 만드는 방법은 이용하고자 하는 원본의 축상 파일 등을 영상 소프트웨어에 로딩하고 원하는 영역의 역치를 정한 후 원 하는 부위의 VOI(Volume Of Interest)를 정하고 렌더링 시키면 비 교적 간단히 만들 수 있다. 3차원 영상에서 중요한 것은 해상도이다.

흔히 UHD TV처럼 해상도를 높이기 위해서는 CT 촬영 시 줌 인하 여 FOV(Field Of View)를 높이는 것과 slice thickness 즉, 각각 슬 라이스의 촬영간격을 줄이는 것이다. 특히 중이강 내의 이소골과 같 이 작고 조밀한 구조를 표현하기 위해서는 이 같은 조건은 중요하 다. 해상도를 높인 축상 파일만으로도 원하는 관상면과 시상면의 영 상을 구현할 수 있다.

하지만 해상도를 높이기 위해 환자 입장에서 불필요한 방사선 노 출은 임상적 적용에 있어 한계점이기도 하다. 또한 CT라는 영상매 체를 이용한 입체화이기 때문에 CT의 촬영 조건에 따라 측정이 달 라질 수 있음을 고려하여 연구 시에 촬영의 조건을 명시해야 하며 실제 값과의 오차에 대해서도 고려할 필요가 있다.

3차원 영상의 연구 활용

3차원 입체 영상화는 거리 측정에 사용하는 자 와 같은 하나의 Measurement tool로써 활용하는 연구자에 따라 다양한 이용이 가 능하다. 복잡한 해부학적 구조를 입체화 하여 보여 줄 수도 있지만 측정한 해부학적 구조가 가지는 임상적 의미를 가지고 연구에 임하 면 보다 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

먼저 단순한 해부학적 구조의 파악에서 다른 축상면에 위치한 구 조물간의 거리는 예를 들면 이관과 유앙돌기의 거리 등 2차원 평면 에서의 측정이 어려웠다면 입체화 시킨 후에 직선거리로 측정이 가 능하다는 점을 들 수 있다. 또한 다양한 기준면을 만들고 기준면과 구조물의 각도를 측정할 수 있다는 장점이 있다. 비중격 만곡의 각 도나 하비갑개 각도 측정에 활용될 수 있다.³⁾입체화 한 측두골 전체

Comparison of the various views of the maxillary sinus according to age. In the frontal and lateral views, the direction of growth in the maxillary sinus is downward and lateral. With age, the shape of the maxillary sinus changes into a reverse pyramidal shape. However, a comparison between the groups aged 30 and 40 years and aged 50 and 60 years shows that the lateral portion of the maxillary sinus changes into a more medially contracted shape.

Fig. 4

를 파악하면 측두골 골절 시 측두골 골절선이 향하는 힘의 방향과 중요 구조물인 Otic capsule과의 관련성을 통해 골절과 외상성 난청 과의 관련성을 추정해 볼 수 있다.⁴⁾(Fig. 3)

다양한 연령대의 구조물의 측정은 나이에 따른 구조물의 변화를 추정해 볼 수 있다. 나이에 따른 상악동 구조의 변화나⁵⁾(Fig. 4) 한 국인의 갑상선 크기 측정⁶⁾ 과 같은 경우는 지역적, 인종적 특성을 살

3D reconstruction of maxillary sinus (green),

frontal sinus(yellow), sphenoid sinus (blue), and mastoid sinus (red) using PNS CT images (A superior oblique view; B lateral view)

A B

Fig. 5

F3DLxCT images of a patient with left VFP: (A) at rest; (B) with /ah/

phonation; (C) with /hi/ phonation; and (D) with /ih/phonation. Arrows indicate the laryngeal ventricle. R_/3D internal view of the right hemilarynx; L_/3D internal view of the left hemilarynx.

Fig. 7

3D reconstruction by surface-rendering. Pneumatization of a left temporal bone, including mastoid air cell system and epitympanum.

A：anterior, P：posterior, M：medial, L：lateral.

Fig. 6

펴 볼 수도 있다.

또한 생리학적으로 밀접한 관련이 있을 수 있는 두 구조물의 특성 예를 들면 두개골 내 함기골인 부비동과 유양동과의 함기화의 상호 관계나⁷⁾(Fig. 5) 인체의 좌우에 있는 양측 세반고리관의 각도의 대 칭성에 대한 관계⁸⁾ 는 기존에 학술적으로 널리 알려진 내용을 다시 한번 확증하거나 아니면 다른 가설을 제시해 볼 수 있을 것이다. 질 환의 발생과 관련하여 부비동염 시 자연공의 단면적과 상악동내 함 기 용적 변화의 관련성을 살펴 보면 좁아진 자연공이 함기용적과 관 련있는지 보다 객관적으로 평가해 볼 수 있을 것이다.⁹⁾입체영상이 발달하기 전 해부학자들은 부비동의 용적을 측정하기 위해서 사체 를 이용하여 두께가 얇은 튜브에 물을 채워 그 용적을 간접적으로 측정하였으나 이제는 CT의 3차원 영상을 이용하면 비교적 간단히 추정할 수 있다. 이와 같은 공기 용적의 측정은 상악동과 같은 하나

의 동 형태 외에도 유양동과 같은 수 많은 함기세포 내부의 용적을 쉽게 측정하는데 도움을 준다.¹⁰⁾(Fig. 6) 즉, 사체를 이용한 해부학 적 연구의 노력과 비용이 줄어 들었으며 실제 환자에 있어 바로 시 행해 볼 수 있다는 장점이 있다.

일반 안정시의 CT촬영을 단순성을 넘어 각각의 기관의 기능을 시 켜가면서 CT를 촬영한다면 보다 기능적인 평가도 가능하다. 예를 들자면 발성기관인 후두의 각각의 발성을 시켜가면서 CT를 촬영한 다면 안정 시와 각각의 발성시의 기능간의 해부학적 구조 변화를 입 체적으로 알 수 있으며 이는 실제적인 환자의 평가에 도움이 될 수 있다.¹¹⁾(Fig. 7) 이와 같이 기능과 관련한 3차원 입체영상의 연구는 계속될 수 있다. 후각기능검사와 함께 실제적으로 비강 내 구획별 함기 용적을 측정하여 후각과 어느 구획과의 통계적 유의성이 있는 지 확인하면 후각장애를 동반한 비과 환자의 수술계획 시 임상의에 Fig. 8

VolS, VolSMand VolSMIwere defined by the nasal septum, the medial surface and the anterior, posterior, and inferior ends of each turbinate and the roof of the nasal cavity. and 3-D images were reconstructed to the same imaginary nasal air pathway. Yellow 3-D object shows airway passage between the turbinates and the nasal septum defined as VolSMI, Anterior, oblique and lateral view of VolSMI

Three-dimensional

reconstruction of the temporal bone showing the shortest (D-1) and longest (D-2) distances from the petrous ridge to the IAM Depiction of D-3 (distance between the IAM and GG) and D-4 (distance between the cochlea and IAM)

Fig. 9

게 도움을 줄 수 있을 것이다.¹²⁾(Fig. 8) 또한 비중격 만곡 수술 시 흔히 시행하는 비갑개 절제술 시 변화된 비강 용적을 통해 비갑개 절제술이 반드시 필요한 수술인지에 대한 공감대도 형성할 수 있을 것이다.³⁾

두개저 수술 특히 중두개와 수술을 통한 내이도 확인에 있어서 는 해부학적 지표가 부족할 때 사전에 입체적으로 여러 가지 위치 관계를 확인하고 접근하면 보다 안전하게 시행할 수 있을 것이다.

특히 내이도의 내이도 공의 위치는 입체영상 연구에서 대부분 petrous ridge 1cm 이내에 있으므로 내이도 확인에 참고 할 수 있 을 것이다.¹³⁾(Fig. 9)

▒ 결 론

3차원 영상 합성은 해부학적 구조를 쉽게 보여 줄 수 있다는 점에 서 앞으로도 발전 가능성은 많다. 하지만 영상을 이용한 합성이므로 그 실제 응용에서 오차 등의 한계점도 존재한다. 하지만 앞선 인류 의 많은 기술 개발처럼 좀 더 세밀한 해상도와 오차를 줄인 실제와 같은 영상이 만들어 질 것으로 기대하며 임상의사들은 이를 이용한 해부 생리학적 연구와 이를 근거로 수술에 있어서도 많은 활용이 있 을 것이다.

References

1. Jun BC, Song SW, Lee DH, Cho JE, Chun BJ, Cho KJ, Yeo SW.

Three-Dimensional Reconstruction Based on Images from Spiral High-Resolution Computed Tomography of Temporal Bone：Anatomy and Clinical Application Korean J Otolaryngol 2004;47:403-8 2. Song SW, Jun BC, Kim BG, Clinical Utility of Three-Dimensional

Faial Computed Tomography in the Treatment of Nasal Bone Fractures: A New Modality Involving an Air-Bone View with a Volume Rendering Technique Indian J Otolaryngol Head Neck Surg 2013;65(Suppl):s210-5.

3. Jun BC, Kim SW, Kim SW, Cho JH, Park YJ, Yoon HR. Is turbinate surgery necessary when performing a septoplasty? Eur Arch Otorhinolaryngol (2009) 266:975-80.

4. Lim JH, Jun BC, Song SW. Clinical Feasibility of Multiplanar Reconstruction Images of Temporal Bone CT in the Diagnosis of Temporal Bone Fracture with Otic-Capsule-Sparing Facial Nerve Paralysis Indian J Otolaryngol Head Neck Surg 2013; 65(3):219-24.

5. Jun BC, Song SW, Park CS, Lee DH, Cho KJ, Cho JH The analysis of maxillary sinus aeration according to aging process; volume assessment by 3-dimensional reconstruction by high-resolutional CT scanning Otolaryngology - Head & Neck Surg 2005 132: 429-34.

6. Lee DH, Cho KJ, Jun BC, Hwang SJ, Kim DG, Kim MS, Cho SH. The Determination of Thyroid Dimension by Routine Neck Computed Tomography and Its Relationship to Age, Sex, and Body Size in Korean Adults Korean J Otolaryngol 2004;47:1151-8.

7. Kim JH, Song SW, Cho JH, Chang KH, Jun BC. Comparative study of the pneumatization of the mastoid air cells and paranasal sinuses using three-dimensional reconstruction of computed tomography scans Surg Radiol Anat (2010) 32:593-9.

8. Kim DK, Kim DR, Jeong SH, Kim GJ, MD, Chang KH, Jun BC. Analysis of the coplanarity of functional pairs of semicircular canals using three-dimensional images reconstructed from temporal bone magnetic resonance imaging The Journal of Laryngology & Otology (in press)

9. Jun BC, Song SW, Lee DH, Cho JE, Chun BJ, Cho KJ, Yeo SW. The Clinical Significance of Three-Dimensional Reconstruction of Paranasal Sinus Computed Tomography in Assessing the Aeration of Unilateral Maxillary Sinusitis Korean J Otolaryngol 2003;46:1035-9.

10. Lee DH, Jun BC, Cho JE, Kim DG, Cho KJ, Yeo SW. Development of Mastoid Air Cell System in Korean Normal Population：Three- Dimensional Reconstruction Based on Images from Computed Tomography Korean J Otolaryngol 2004;47:612-6.

11. Jun BC, Kim HT, Kim HS, Cho SH. Clinical feasibility of the new technique of functional 3D laryngeal CT Acta Oto-Laryngologica, 2005; 125: 774-8.

12. Jun BC, Song SW, Kim BG, Kim BY, Seo JH, Kang JM, Park YJ, Cho JH. A comparative analysis of intranasal volume and olfactory function using a three-dimensional reconstruction of paranasal sinus computed tomography, with a focus on the airway around the turbinates Eur Arch Otorhinolaryngol (2010) 267:1389-95.

13. Choi BJ, Kim MJ, Chang JH, Yeo SW, Jun BC. Three-dimensional Anatomical Analysis of Surgical Landmarks for the Middle Cranial Fossa Approach Indian J Otolaryngol Head Neck Surg 2014;66(3):320-4.