기능기반변형 방법을 이용한 맞춤형 고관절 형상의 파라메트릭 모델링

Abstract

인체의 생체역학적 반응들을 결정하는 주요 요소 중 하나인 뼈의 형상은 성장이나 노화 혹은 생활 습관 등에 따라 자연적으로 변형되거나 외과적 수술 등과 같은 인위적인 요인에 의해 변형될 수 있다. 이러한 근골격계의 형상 변동이 개인의 생체역학적 특이성에 미치는 영향을 분석하기 위한 목적으로 가상 근골격 모델의 형상 변형 기술들이 제안되었다. 그러나 주로 통계적 혹은 기하학적 방법에 기반한 이 변형 기술들은 인체 뼈 형상의 복잡성 때문에 각기 상이한 생체역학적 기능을 담당하는 뼈의 국부적 부위들을 독립적으로 변형하지 못한다는 공통적인 한계를 가진다. 실험 변수의 독립적 운용이 민감도 해석에 중요한 위치를 차지하는 만큼 이러한 한계점은 이 기술들을 이용한 분석 결과의 신뢰도를 저하시키는 주요 원인이다. 본 연구는 대상인의 뼈 형상을 이루는 각 기능적 국소 부위를 매개변수의 조정을 통해 직관적으로 변형할 수 있는 기능기반변형(Function-based Morphing, FBM) 기술을 제안한다. 기존의 변형 기술들과 달리, 본 연구에서 제안된 FBM 기술은 생체역학적 기능들을 고려하여 각 부위의 독립적 변형이 가능하도록 개발되었다. 즉, 변형에 사용되는 매개변수들은 해당 근골격 부위의 생체역학적 기능과 밀접한 연관이 있어 본 방법을 이용하면 대상 기능의 민감도 분석에 적합한 변동모델들을 획득할 수 있다. 제안된 방안은 관골구와 근위 대퇴골을 포함하는 고관절의 근골격 형상을 대상으로 구현되었으며, 고관절의 대퇴골두와 경부의 직경, 경부길이, 그리고 경부의 각도를 변형을 위한 매개변수들로 사용하였다. 신뢰성 높은 변형 결과를 위해 다양한 알고리즘들을 개발하여 적용하였는데, 부위 별 독립적인 변형이 가능하도록 생체역학적 기능을 기준으로 대상 뼈 형상을 세분화하는 알고리즘과, 세분화된 각 부위에 해당하는 형상적 매개변수들을 삼차원적으로 측정하는 알고리즘을 개발, 적용하였다. 또한 각 부위의 매개변수 조정량을 해당 표면의 변형으로 변환시키는 기능기반변형장은 변형된 형상이 요구된 기능 변동을 충실히 묘사할 수 있도록 설계되었다. 제안된 FBM 기술의 적용 예로, 고관절의 다양한 생체역학적 반응들 중 하중을 지지하는 대퇴골 경부의 강도와 고관절의 보행 패턴에 고관절 근골격계의 형상 변동이 어떠한 영향을 미치는 지를 예측해보았다. 하중에 대한 민감도 분석 결과 대퇴골 경부의 지름과 길이가 근위 대퇴골의 강도에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며 반복하중에 따른 피로 파손에 대한 위험도를 예측할 수 있었다. 그리고 보행 패턴에 대한 영향은 대퇴골 경부의 길이 및 각도가 증가함에 따라 고관절의 외전 형상이 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 분석 결과들은 향 후 환자 맞춤형 수술 계획이나 보조 기구의 개발, 혹은 맞춤형 재활 치료에 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.