Development of Digital Orthodontic Office

디지털이 세계를 변화시키고 있다. 현대인들은 디지털의 눈부신 발전 덕분에 유럽에서나 미국에서나 지도검색엔진이나 네비게이터를 이용하여 주소나 호텔이나 레스토랑 등의 이름만 있으면 누구든지 쉽게 운전할 수 있는 시대가 되었다. 의료분야에서의 디지털화도 급격히 진행되고 있다. 진단 방사선과 의사들은 디지털 영상에 대한 폭넓은 지식이 없으면 병소의 위치의 조기발견시기를 놓칠 수도 있다. 이 때문에 이 방면의 수련의 모집 시에는 컴퓨터에 대한 지식의 평가가 필요하다. 교정치과에서의 디지털화는 다른 치과분야보다 더 진보되어야 한다. 이에 앞으로 교정치과의 디지털화를 위한 현 주소를 검토해보면서 앞으로 나아갈 길을 제시해 보고자 한다.

      1. 더욱 디지털화가 진행되는 진단시스템

교정진단의 디지털화는 이미 폭넓게 사용되고 있다. 최근 일본에는 교정치과에 CT를 설치하는 치과가 늘고 있다. 한번의 촬영으로 cephalometry, panoramic view 와 full  mouth periapical view 을 모두 볼 수 있으며 방사선조사량도 전통적인 X-ray보다 훨씬 적기 때문이다. 또한 수술교정환자가 많은 오피스에서는 rapid prototype (RP) model을 만들기도 쉽다. 한편 연조직 3D 사진과 2차원 X-ray를 이용해서 만든 치열을 가상공간에 중첩함으로서 치열이 연조직에 미치는 영향을 쉽게 볼 수도 있다. 이들 CT와 3D facial scan 정보를 통합한 더 높은 레벨의 진단시스템이 곧 등장하리라믿는다. 미래의 나아갈 바를 제시하면서 현재 오피스 내의 네트워크를 활용한 교정진단시스템을 소개한다.

2. 디지털화된 약속관리 및 챠팅

      교정진단 program 에 managing program이 첨가되어 교정진단, 디지털 챠트 및 환자예약을 함께 관리하게 된다. 이들 소프트웨어들은 예약날짜와 시간을 직전에 알려주는 문자메세지 서비스 뿐 아니라 온라인을 통해 홈페이지로 접속하여 연말정산에 필요한 세금계산서를 다운로드 할 수도 있다. 디지털 챠팅, 지문인식 등을 통해 더욱 디지털화가 진행되고 있는 미국의 예와 함께 다양한 활용법에 대해 소개한다.

3. 교정치료의 디지털화

디지털 set-up model을 통해 정확한 bracket의 위치를 indirect bonding 해주는 service가 이미 소개되어 있다. 미국의 Invisalign을 이용한 치료를 소개하면 제작회사와 의사와의 커뮤니케이션은 물론 환자와 의사의 커뮤니케이션에도 가상공간상의 set-up model인 ‘ClinCheck’이라는 software를 통해서 이루어진다. 이 경우 교정의사의 역할은 교정장치에 bend 나 torque를 넣는 전통적인 역할과는 다른 가상공간에서 계획한 치료계획이 실현가능한지, 더 낳은 다른 치료방법은 없는지를 판단함에 있다. 또한, CT를 포함한 교정진단 tool의 급격한 발전으로 치근과 치조골의 상태를 3D로 보게 되어 좀 더 치주적으로 우호적인 치료계획을 수립할 수 있으며, 3D soft tissue scanner를 이용함으로써 치료 전후의 연조직 변화를 더욱 정확히 볼 수 있다.

4. 재고관리와 오피스 경영

다양한 교정재료를 사용하고 있는 교정치과에서 재고정리는 큰 골치거리이다. Bar code와 전용 소프트웨어를 이용함으로써 재고관리를 손 쉽게 할 수 있다. 재고관리의 시스템을 통해서 부족한 재료들은 자동으로 제조회사에 통보가 되기도 한다. 이들 소프트웨어를 통하여 내원환자의 증감 및 양태를 분석하여 교정 오피스 경영을 위한 자료로도 사용할 수 있다.

이와 같이 미래의 교정치과는 더욱 디지털화가 진행된 크리닉이 될 것임을 확신하며 이 흐름에 뒤쳐지지 않도록 계속적으로 전문적인 지식의 습득과 훈련이 필요하다고 생각된다.
 

Clinical Application of 3D Maxillofacial Image

 
대부분의 진료에서 그러하듯이 교정에서도 성공적인 치료를 위해서는 정확한 진단이 반드시 필요하다. 전통적으로 많은 부분의 교정진단은 방사선사진에 의존하고 있다. Cephalometric X-ray, panoramic X-ray, periapical view... 모두 방사선사진이다. 방사선사진은 3차원적인 물체를 2차원 필름에 촬영한 “그림자”로서 내재적인 한계를 어느 정도 갖고 있다. 우선 보고자 하는 물체가 인접한 다른 부위와 겹칠 경우 정확한 진단이 어렵고, 방사선사진 특성상 부위에 따라 확대율이 다름으로 인해 상이 왜곡되어 나타난다는 것이 문제가 된다. 교정진단을 위해 방사선사진에서 계측점을 설정하고 거리와 각도계측을 통해 정량적 분석을 하고 있는 반면, 방사선사진은 작은 크기의 방사선원에서 방사선이 "방사상"으로 퍼져나감으로써 피사체의 확대가 불가피하다. 이러한 확대가 모든 부위에서 균일하게 나타난다면 큰 문제가 되지 않는 반면, 중심방사선에서 멀리 떨어질수록 그리고 필름에서 멀리 위치하는 부위일수록 상대적으로 크게 나타나므로 결과적으로 상의 왜곡 및 변형이 초래된다는 것이 문제가 된다.

이러한 문제점을 간단하게 해결하는 것은 3차원 영상의 채득일 것이다. 종래에는 3차원 영상의 채득이 무척이나 어렵고 비용도 고가였던 반면, computer technology의 발전으로 이제는 더 이상 어려운 일이 아니게 되었다. 악안면부위 CT 촬영을 통하여 얻은 axial CT를 이용하여 이제는 PC에서도 간단하게, 순식간에 3D reconstruction을 할 수 있게 되었다. 좁은 공간에서 장시간 촬영이 필요한 CT에 대하여 일반인의 거부감이 다소 있을 수 있으나 이 또한 더 이상 문제가 되지 않는다. 근래 개발된 spiral CT는 source-detector assembly가 계속 회전됨으로 촬영시간을 대폭 줄일 수 있고 상의 contrast나 resolution도 개선되었으며 방사선 피폭량도 한층 감소되었다. 최근 개발된 cone beam CT의 경우 노출시간, 방사선시간은 더욱 작게 되어 dental CT라는 이름으로 많은 제품이 시장에 나오고 있다. 그동안 cone beam CT의 문제점인 작은 FOV(Field of View)도 최근에는 많이 증가되어 치과진료영역에서 “3D 이미지시대”를 눈앞에 두고 있다.

형성된 3D 이미지는 간단하게 마우스를 이용하여 필요한 각도로 돌려볼 수 있으며, threshold를 달리하여 layer by layer로 벗겨 볼 수도 있으며, 관심부위를 segmentation 할 수도 있다. 그리고 필요한 경우 계측도 할 수 있다. 선, 각도계측은 물론 면적, 부피의 계측도 가능하여 여러 가지 상황에서 진단 및 치료계획 수립에 큰 도움이 된다.

   · 매복치 진단 및 수술계획 수립
   · 이소맹출치아 진단
   · 치근흡수 진단
   · 악교정수술 치료계획 수립
   · 임플란트 진단 및 치료계획 수립
   · 치아자가이식
   · 골이식 치료계획 수립  등

아울러 CT를 이용하여 3차원 영상을 한번 형성해 놓으면 cephalo나 panoramic view 그리고 periapical view 의 제작도 가능하므로 조만간 별도의 방사선사진 채득없이 한 번의 CT 채득으로 교정의 모든 것을 진단할 수 있는 시대가 조만간 도래할 수 있을 것으로 조심스럽게 예견해 본다. 정확한 진단을 위해 그리고 술자 환자 모두의 편의를 위해 3차원 영상의 도입을 적극 고려할 시점이 되었다고 생각한다. 본 강연은 교정진단에서 2D 방사선사진의 한계 및 문제점을 살펴보고 3D 이미지의 효율적인 채득방법과 활용방안 그리고 임상교정에서 3D 이미지의 이용을 유형별로 분류하고 그 효과적 적용을 전형적인 증례와 함께 소개하고자 한다.

 
교정 진단과 치료 계획 수립 시 환자의 안면 및 구강 내 사진, 치아 모형과 방사선 사진, 기능 분석과 같은 자료들은 3차원적 해부학적 형태를 정확하게 이해하고 평가하여 환자에게 적합한 최선의 개선을 하고자 하는 것이다. 이제까지 두부 규격 방사선 사진이 두개 악악면 구조의 크기와 형태를 측정하고 평가하기 위해 가장 널리 사용되어 왔지만 3차원적인 두개 악안면부의 구조를 정확하게 평가하는 데는 제한이 있었다. 즉 2차원적인 방사선 사진 상에서 임의의 점과 선을 선택하여 측정할 때, 길이, 각도, 형태의 왜곡 현상으로 인한 오차가 발생할 수 있기 때문이다. 또한 2차원적인 방사선 사진 상에서 두개안면부의 연조직의 형태는 단지 연조직의 외곽만을 확인할 수 있어 안면 연조직의 비대칭과 같은 3차원의 복잡한 연조직의 형태는 평가하기가 어려웠다.

최근에는 두개 안면 기형 환자뿐 아니라 일반 교정 환자에서도 과거보다 연조직의 심미성에 대한 관심이 더욱 증가되고 있다. 3차원적인 연조직의 분석을 위해 가시광선이나 레이저를 이용한 3차원 스캐닝 방법 등으로 안면의 입체 영상을 구성하면 컴퓨터 조작을 통하여 측정이 용이하도록 원하는 위치로 영상의 회전과 축의 조정이 가능하여 안모의 연조직 분석 및 평가를 정확하게 할 수 있다.  그러나 이제까지 3차원 영상을 이용한 연조직 분석법이나 정상인에 대한 연구가 미흡하여 표준화된 기준값이 없으며, 간편하게 접근할 수 있는 진단 프로그램도 아직 없어서 객관적으로 임상에 적용하기가 어려운 실정이었다.

이에 연자는 3차원 레이저 스캐너(Vivid 900, Minolta, Japan)와 Rapidform 프로그램 (Inus Techonlogy Inc., Seoul, Korea)을 이용하여 악안면 기형 및 부정교합 환자의 3차원 연조직 계측 및 분석법을 개발하고자 하였으며 연구 내용은 다음과 같다.

1) 레이저 스캔을 이용한 3차원 영상의 정확도 분석:
마네킨의 3차원 영상을 채득하였는데 촬영 과정의 오차는 X 축은 0.16mm, Y축은 0.15mm, Z축은 0.15mm 였다. 마네킨의 실측치와 Rapidform 프로그램에서의 3차원 레이저 스캔 영상에서의 계측치를 비교하여 본 결과 평균오차 0.37mm, 확대율 0.66%로 나타났다.

2) 3차원 연조직 분석을 위한 재현성 있는 안면 연조직 계측점 제안:
연조직 계측점의 평균 오차가 2.0mm를 넘지 않았으며 Glabella, soft tissue nasion, Endocanthion, Exocanthion, Pronasale, Subnasale, Nasal alare, Upper lip point, Cheilion, Lower lip point, soft tissue B point, soft tissue pogonion, soft tissue menton, Preaurale의 계측점이  평균 오차가 작았다.

3) 연조직 분석을 위한 안면의 입체 모델 제안

4) 정상 안모를 가진 한국인 성인 남녀의 3차원 영상에서의 연조직 계측의 정상치 획득:
정상교합자 남녀 각각 30명(남자평균 20.1세, 여자평균 21.7세)을 촬영하여 3차원 영상을 만든 후 3차원 입체 영상에 soft tissue Nasion을 원점으로 하는 좌표계(X축-좌우, Y축-상하, Z축-전후)를 설정하고, 29개의 계측점을 지정하고 거리계측 45개 항목, 각도 8개 항목, 거리비율 29개 항목을 측정하였다.

5) 한국인 성인 남녀의 평균적인 안면 입체 모델 제시:
각 계측점의 좌표와 거리 계측값을 이용하여 한국성인정상교합자의 3차원 안면 모델을 제작하였다.

6) 위의 결과를 이용한 3차원 연조직 분석 프로그램 개발

7) 환자에서의 3차원 연조직 분석 적용 실례

3차원 연조직 분석법 프로그램을 개발하여 이용하면 환자들의 3차원적인 연조직 형태에 대한 정확한 평가를 할 수 있고 교정치료나 악교정수술 전후의 3차원적인 연조직 변화를 예견할 수 있어 치료 계획 시 이를 참조할 수 있을 것이다. 안면 결손부의 재건을 위한 악안면 기형 환자의 3차원적인 재건 수술에도 재건 부위를 3차원적으로 평가 할 수 있어서 보다 더 심미적이고 기능적인 적용도 가능할 것이다. 또한 성장기 아동의 골격 부조화 치료를 위한 protraction facial mask 같은 장치의 악정형 효과를 3차원적으로 재분석하여 장치의 단점을 수정, 보완할 수 있는 장치 디자인도 개발할 수 있을 것이다.

교정치료 특히 악교정수술을 동반한 교정치료를 받고자 하는 환자들은 치료 후 자신의 안모가 어떻게 개선될 것인가에 가장 큰 관심을 가지고 있다. 그들 중 많은 사람들이 치료 후 예상되는 이미지를 보길 원하고 있으며, 이를 통해 치료에 대해 더욱 적극적인 자세를 지니게 되는 것을 발견할 수 있다.

Video imaging technology는 지속적으로 개선되어 왔으며, 여러 연구자들은 최근 제공되고 있는 각종 video imaging program들을 임상적으로 유용한 수준으로 평가하고 있다. 실제 치료결과와 program을 이용한 simulation 결과를 비교할 때, 주관적인 평가에서는 전문가나 일반인 모두 받아들일 만한 수준이지만, 정량적인 평가에서는 경조직의 변화양상과 해당 연조직 부위에 따라서 아직 오차범위가 넓은 경우가 많이 보고 되고 있어, 앞으로도 상당한 연구와 발전이 필요한 분야인 것으로 보인다.

상담과 진단, 그리고 치료계획수립의 상당 부분에서 video imaging program을 활용하고 있는 교정임상가 입장에서 가장 중요한 가치는 ‘자연스러운 image’와 ‘정확한 simulation’일 것이다. 환자들과의 설득력 있는 의사소통을 위해서는 보다 더 자연스러운 영상 결과물이, 좋은 치료계획을 위해서는 보다 더 정확한 simulation이 필요하기 때문이다.

여러 연구에 의해 이미 알려진 바와 같이 치아이동량이나 골격의 이동량이 많은 경우, 경조직 이동에 따른 연조직의 변화가 실제의 결과와 일치하지 않는 부정확한 simulation 결과를 보인다. 이 경우 연조직 특히 상하순의 수직적 수평적인 이동이 많아지면서 연조직 이미지는 점점 더 부자연스러워 지게 된다. 또한 상악골의 이동에 대한 상순과 코의 연조직 반응, 하악수술과 병행하게 되는 genioplasty 혹은 돌출입 개선시 이부연조직의 변화양상은 개별증례 마다 상당한 차이가 있으므로 정확하게 simulation 되기가 어렵다. Cephalogram과 임상측모사진 간의 기하학적인 혹은 광학적인 차이로 인해 완전히 일치시키는 것이 쉽지 않다는 점도 정확한 simulation을 어렵게 하는 중요한 요소이다.

각 imaging program의 개발자들은 ‘자연스러운 image’를 위해서 몇 가지 retouch 기능을추가 하거나 상하 입술이 겹치는 부분에 특별한 algorithm을 적용하는 등 지속적인 노력을 하고 있다.  또한 ‘정확한 simulation’을 위해서, 신뢰할 수 있는 다양한 임상 연구 결과들을 수집하여 적용하고 있다.  그럼에도 불구하고 이미 구매한 프로그램을 사용하고 있는 임상가들은 가끔 이루어지는 고가의 upgrade에만 의존할 수 없기에 ‘자연스러운 image’와 ‘정확한 simulation’을 위해 나름대로의 노력을 하지 않을 수 없다.

자연스러운 image를 환자에게 보여주기 위해, 치료계획수립 용도의 simulation과 별도로 환자 상담용 simulation을 달리 할 수도 있을 것이다. program상의 image retouch 기능을 이용하거나 별도의 program을 사용할 수도 있다. 또한 어떤 입술 상태로 촬영된 임상측모사진을 이용하는 가에 따라서 image의 자연스러운 정도가 달라질 수 있다. 그리고 안모사진의 촬영 환경을 규격화하는 등 정확한 simulation을 위해 임상가들이 각 단계에서 고려해야 할 요소들이 있다. 그 밖에 video imaging program을 보다 더 효과적으로 활용하기 위한 여러가지 방안에 대해 사용자들간의 정보교류도 필요할 것이다.

이처럼 연구개발자와 사용자간의 끊임없는 노력과 교류가 지속될 때 2차원적인 video imaging 기술이 보다 더 완벽해 질 것이고, 3차원 영상에서의 simulation이 가능해 지는 시대도 기대할 수 있을 것이다.

교정학의 매력은 역동성에 있다. 전체적으로는 악안면골의 성장이 그러하며 부분적으로는 치아이동이 포함된다. 특히 치아이동의 역동성은 시각적으로 드라마틱하기 때문에 대부분의 교정의들을 매료시키기에 충분하다.

그럼에도 불구하고 지금까지 치아이동에 의한 위치 변화를 평가하는 방법은 주로 측모와 정모 두부방사선사진을 이용한 중첩법 이었으며 좀 더 세밀한 평가를 위해 석고모형을 이용한 occlusogram의 중첩이었다. 이러한 평가방법은 다양한 방향으로의 입체적인 치아이동을 2차원의 평면상에서 평가함으로 인해 그 정확성은 항상 한계를 드러낼 수밖에 없다. 특히 정모 두부방사선사진은 측모 두부방사선사진 상에서의 평가보다 방사선사진이 갖는 왜곡현상과 사진의 질 등으로 인해 치료결과를 평가하는데 더 영향을 미칠 수 있다. Occlusogram 역시 교합면 상에서의 치아이동에 관한 정보를 제공할 수는 있으나 구치부 협설측 이동시, 예를 들면 가위교합 해소 시 나타날 수 있는 해당 대구치의 협설측 교두의 수직적 변화를 정밀하게 표현할 수 없다.

결국 이러한 문제점은 3차원이라는 입체적 평가방법에 의해서만 해결될 수 있다. 즉 3차원 역공학기술 (3-dimensional reverse engineering technologies)을 이용한 3차원 스캐너로 실물인 석고모형을 스캐닝 해 컴퓨터 내의 3차원 공간상에서 좌표화한 후 가상의 3차원 모형을 생성하는 것이다. 이렇게 생성된 e-model을 이용해 기준이 되는 해부학적 구조물인 상악 구개면에 3차원 범용 역공학 소프트웨어인 Rapidform의 정합방법(surface to surface matching, registration method)을 이용하여 중첩하면 입체적인 변화량을 평가할 수 있게 된다.

그러나 하악은 상악과 달리 안정된 구조물을 찾기 어려워 직접법이 아닌 간접법으로 중첩하게 되는데 이 때의 문제점은 무엇인지 짚어보고자 하며, 이러한 기술적 도움으로 그동안 치아이동 평가에 한계가 있었던 증례에서 어떻게 이용하고 있으며 앞으로 어떠한 방향으로 나아가야 하는지 그 guide line을 제시하고자 한다.  

참고문헌

1. 차봉근, 이재용, 배석훈, 박동일. 미래의 교정진단 3차원 역공학기술의 교정학적 적용에
    대한 예비연구(Ⅰ) 대한치과의사협회지 2002;40(2):107-17.

2. Almeida MA, Phillips C, Kula K. Stability of the palatal rugae as landmarks for    analysis of dental casts orthodontic practice J Clin Orthod 2001;3(4):245-53.

3. Kusnoto B, Evans CA. Reliability of a 3D surface laser scanner  for orthodontic     applications. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2002;122:342-8.

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    in extraction and non extraction cases. Angle Orthod 1996;66(1):73-8.

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Rationale and Reality of Virtual Set-up

교정치료를 원하는 성인 중에서 일부가 고정식 교정장치의 심미적 문제 때문에 교정치료를 주저하는 것이 사실이다. 도재 브라켓이나 설측 교정장치에 의한 치료를 통해 심미적인 문제가 해소되기는 하나 환자들의 욕구가 완전히 충족되는 것은 아니다. 따라서 현재 교정임상에서 투명 교정장치 (invisible orthodontic appliance) 를 사용하게 되었다. 이미 1945년 Kesling 에 의하여 투명 교정장치가 개발되었으며, 이후 Pointz와 McNamara 등에 의하여 능동적 보정 장치 (active retainer) 등으로 거듭 발전하여 왔다.

1997년 미국 Align Technology 사에서 브라켓 장착을 원하지 않은 성인 환자를 위하여 Invisalign 이라는 투명 교정장치를 상품화하였다. 제작 단계는 아래와 같다. 1) 환자의 PVS 인상체를 파괴식으로 3차원 scanning 하여 3차원 가상 모형을 컴퓨터 상에서 제작하고, 2) 치료에 의한 치아이동을 가상으로 set-up한 후, 3) Clincheck 이라는 program 을 이용하여 치료계획을 승인하고, 4) 각 단계별로 CAD-CAM 방식을 이용한 SLA resin model 을 제작하고, 5) 투명한 재질의 polyurethane (Ex 30-30, 0.03”) 으로 장치를 제작하여, 5) 일련의 장치를 환자가 순서대로 사용하게 되는 것이다.

이 장치는 고정식 교정장치에 비하여 환자가 불편감을 덜 느끼고, 장치가 투명하고 가철식이므로 심미적이고 구강청결유지가 용이하며, 치아 미백 치료와 동시에 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그리고 치료가 시작되기 전에 술자가 computer monitor 상에서 치아이동의 전 과정에 대한 가상 치료과정을 보고 평가할 수 있으며, 환자와의 의사소통에 유리한다. 단점으로는 환자의 치료협조가 절대적이며, 투명하기 때문에 분실하기 쉽고, 투명 교정장치 치료 이전에 모든 수복치료가 선행되어야 하며, 치아이동의 정확성에 제한이 있고, computer 치료계획을 위한 경험이 필요하며, 악골 성장이 완료되어야 하며, 혼합치열이나 매복치에는 사용이 곤란하다는 것을 들 수 있다.

Invisalign의 적응증으로는 1) 성장발육이 치료에 영향을 미치지 않으며 치아가 완전히 맹출된 영구치열기 환자에서 재발된 증례나 2) 경도의 spacing과 crowding, 3) 치성의 악궁협착 등을 들 수 있다. 비적응증으로는 1) 소구치 발치 증례, 2) 심한 심피개 교합이나 개방 교합 증례, 3) 매복치의 forced eruption 증례, 4) 골격적 확장이 필요한 경우, 5) 악교정 수술을 동반하는 치료인 경우 등을 들 수 있다. 그러나 어렵고 복잡한 증례는 고정식 교정장치를 먼저 사용한 후 이 장치를 사용할 수 있으며, attachment를 사용하여 치아의 회전, 치체이동, 정출 등을 해소할 수 있다.

현재까지 우리나라에서는 수작업으로 치아를 set-up하여 투명 교정 장치를 제작하여 왔으나, 발치 증례에서와 같이 치아 이동량이 많거나 이동방향이 복잡해지면 수작업은 기공과정이 복잡하고 부정확한 방법이 된다.

따라서 국내 기술 (Dimennex, KCI, Seoul, Korea) 에 의한 3 dimensional digital set-up 과 투명교정장치 제작을 소개하고, 이를 이용한 치료 증례를 보고하고자 한다.