DICOM 파일을 이용한 측두골 CT의 3차원 재구성

Abstract

연구 배경 및 목적 : 인체는 기본적으로 3차원 공간의 개체(object)이지만 현재까지는 주로 X-ray, CT, MRI, PET 등을 이용하여 2차원 평면의 단면 영상으로 표시하고 있다. 최근에는 2차원 영상으로부터 3차원 영상을 재구성하는 기술이 급속도로 발전하고 있으며, 이는 병변에 대하여 직관적인 정보들을 제공하고, 가상 수술 및 수술 현장에서 즉각적인 피드백이 가능하도록 하는 등의 장점이 있다. 하지만 현재 개발되어 있는 의학용 3차원 재구성 프로그램은 고가일 뿐만 아니라 주로 성형외과, 구강외과, 정형외과, 신경외과를 대상으로 하고 있어 복잡하고 미세한 3차원적 구조가 많은 이비인후과 영역에 적용하기에는 한계점이 있다. 본 연구에서는 이비인후과 영역의 특수성을 고려하여, 3차원 모델을 생성하는 소프트웨어를 개발하고 영상을 통한 병변의 3차원적 이해에 도움이 되고자 하였다. 연구 재료 및 방법 : 이대목동병원에서 사용하는 측두골(Temporal bone) CT로부터 획득한 영상의 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일을 이용하였다. Microsoft Windows XP 기반의 PC 환경 하에서 DICOM parsing 및 3차원 재구성을 구현하였다. 프로그래밍 언어로 Python version 2.5를 이용하였으며, 보급형 그래픽스 카드(nVIDIA MX440)를 이용하였다. DICOM 파일에서 직접 HU (Hounsfield Units, CT number) 자료 값과 영상 정보를 읽어들이기 위하여 DICOM parser를 제작하였고 surface based rendering 방법의 일종인 marching cube 알고리즘을 수정 보완하여 3차원 재구성 소프트웨어를 개발하였다. 연구 결과 : MS Window XP 기반의 PC (Intel Pentium 4-1.6GHz, RAM 512MB)를 이용하여 80 × 80 픽셀 영역의 측두골 CT slice 10개를 이용하는 것으로 성능을 평가하였다. 64000개의 vertex(80 × 80 × 10)에서 경계값(Iso-surface value)에 따라 약 4-5만개의 삼각형면을 가진 3차원 모델이 생성되었고, 이를 생성하는 데에는 약 10 ~ 15초, 조작할 수 있게 로딩하는 데에는 5 ~ 10초가 소요되었다. 개발한 3차원 재구성 소프트웨어를 이용하여 측두골 골절 환자 및 유양돌기에서 외이도 안으로 돌출된 골종 환자의 3차원 모델을 얻을 수 있었으며, 정상 중이, 내이 및 이개의 재건도 큰 어려움 없이 가능하였다. 적절한 3차원 모델을 얻기 위해서는 적당한 경계값을 지정하는 것이 필요한데 HU = +200 ~ +300 정도라면 골부와 연부조직의 경계면을 생성할 수 있었으며, HU = -200 은 공기와 연부 조직의 경계면을 생성할 수 있었다. 또한, 1.5 mm 와 0.75 mm 두께의 측두골 CT를 이용하여 비교해봄으로써 CT slice의 두께가 좀 더 미세한 3차원 모델의 생성에 영향을 미칠 수 있음을 알게 되었다. 결론 : 본 연구는 측두골 전산화 단층촬영 PACS 데이터를 이용하여 첫째, 이비인후과의 특성에 맞으며, 둘째, 추가적인 장비 또는 고가의 소프트웨어가 필요 없이 무료의 프로그램(Python system, Rhinoceros-3D 2.0 evaluation, Model Press system)을 이용하여 셋째, 범용성 있는 3D surface model data (RAW, OBJ, 3DS, WRL)를 산출함으로써 3D 응용 프로그램(Application software) 간의 자료 교환이 용이하며 보통의 PC를 사용하여 손쉽게 조작 가능한 3D 기술을 개발한 것에 큰 의의가 있다고 할 수 있다. 현재 3차원 영상을 재현함에 있어 질적인 문제 등 해결해야 할 과제가 남아 있으나 향후 연구를 지속해 나간다면 큰 발전이 있을 것으로 생각한다.;Background and Objectives : It has always been difficult to visualize the intricate anatomy of the temporal bone. In this regard, the advantages of computer-assisted reconstruction of temporal bone based on image data from CT are widely recognized. However, recently developed 3D reconstruction softwares are mainly used in the fields of plastic surgery, orthopedics, dental surgery, and neurosurgery. Although such 3D softwares can be applied to temporal bone, they have certain limitations. As such, the goal of this study is to develop a software which implements surface reconstruction of temporal bones details. Subjects and Methods : Temporal bone CT scans from Ewha Womans University Mokdong Hospital were used in this study. The pixel spacing of CT is 0.3125 × 0.3125 mm at transverse section and slice thickness of 2D images are 1.5 mm and 0.75 mm. DICOM parsing and 3D reconstruction software were developed under the Microsoft Windows XP platform. Python version 2.5 and nVIDIA MX440 were used as the programming language and the graphic card, respectively. Newly modified marching cube algorithm was applied to the 3D reconstruction software developed in this study. Results: The new software has allowed the 3D display of the middle ear and inner ear structures to be demonstrated in several seconds under the MS Window XP platform (Intel Pentium 4-1.6GHz, RAM 512MB). Also, adequate iso-surface values to distinguish between bone and soft tissue as well as between air and soft tissue were able be determined. The 3D model generated by the new software is more precise when thinner temporal bone CT is used. Conclusion: The new software provides sufficient 3D reconstruction of temporal bones that can be used to properly demonstrate the anatomical structures. It can be easily applied to various clinical applications with high compatability, as the new 3D reconstruction software is easy to access using widely used platform. More study is required to further enhance the quality of the display.