교신저자：이동희, 480-130 경기도 의정부시 금오동 65-1  가톨릭대학교 의과대학 이비인후과학교실
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서     론

   최근 들어 고해상도 전산화 단층촬영의 보편화와 컴퓨터 하드웨어의 가속화된 발전, 영상 합성 소프트웨어의 개발로 이를 이용한 3차원 영상 획득이 여러 임상과에서 응용되고 있다. 국내에서도 두경부 영역에서는 Lee 등¹⁾이 안면외상에서 처음 도입한 이래, 측두골 3차원 구성은 Jang 등²⁾에 의해 시도되어 만성 진주종성 중이염에 의한 골파괴의 술전 진단에 의의가 있다고 보고된 바 있다. 그러나 당시 연구에서는 표준 표식자(ruler)의 개발 부족으로 골파괴 부위의 정확한 분석이 어려웠고, 특히 3차원 모형에 시간적, 경제적인 한계가 있었다.²⁾ 최근 컴퓨터 하드웨어의 급속한 발달과 이에 따른 향상된 영상 합성 소프트웨어의 도움으로 개인용 컴퓨터에서 간편한 조작으로 빠른 시간내 측두골 3차원 영상 재건, 거리, 각도 및 용적의 측정이 가능하게 되었다. 외국 문헌에서는 Reisser 등³⁾에 의하여 시도되어 좋은 결과가 보고되었으나 국내에서는 아직 이러한 시도는 없는 실정이다. 따라서 저자들은 측두골내 중요 구조물의 영상 합성을 통해 측두골의 해부학적 지식 습득 및 임상적 응용에 전산화단층촬영(CT)의 3차원 영상 재건이 유용한지 알아보고자 연구를 계획하였다.

대상 및 방법

   2003년 1월부터 2003년 4월까지 수술 및 진단 목적으로 측두골 CT를 시행한 20명의 환자 40귀를 대상으로 하였다. 대상 환자는 남자 12명, 여자 8명이었고 연령은 18세에서 71세였고 평균 46.6세였다.
   고해상도 CT를 할 때에 촬영조건을 140 kV, 100 mAs, 절편은 1 mm 간격으로 하여 연속 촬영하였다. 축상면에서 촬영범위는 150 mm에서 80 mm로 줄여서 공간 해상도를 5122로 높였으며, 3차원 재구성은 개인용 컴퓨터를 이용하였고 소프트웨어로는 CyberMed사의 Vworks^TM 4.0을 사용하였다. 
   측두골의 3차원 영상 재건은 나선형(spiral) CT를 통하여 저장된 영상 데이터의 조작을 필요로 하는데, 이러한 영상 데이터의 3차원적인 표현을 window와 level의 역치(threshold)에 의하여 결정하였다. 이 두 가지 변수를 조정하여 영상을 재건할 때에는 화면상에서 표현되는 복셀(voxel)의 정보를 조절하는데, 최저치의 복셀 값은 화면상에서 가장 어두운 밝기가 되고 최고치의 복셀 값은 가장 밝은 밝기가 되도록 하였다. 예를 들어서, 최소치인 -2,048 HU는 CT 데이터 상에서는 "검은색"으로 표현되지만 3차원 영상 재건에서는 "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 영상) 혹은 "투명"(3차원 영상)으로 배당되고, 최대 복셀 값은 "255"(2차원 영상) 혹은 "흰색"(3차원 영상)으로 배당된다. window와 level 역치는 보고자 하는 조직에 따라서 서로 다른 값으로 설정하는데, 측두골을 관찰한 본 연구에서는 window의 하한치로서 250 HU를, 상한치로는 3,071 HU를 선택했으며, 이 window안에 들어있는 것은 "255"(3차원 영상 재건에서는 "흰색"으로 표현)로, 밖에 있는 것은 "0"(3차원 영상 재건에서는 "투명"으로 표현)으로 표현하였다.
   중이 및 내이의 중요 구조물간의 공간적인 관계를 알아보기 위해서는 분절화(segmentation) 방법을 사용하였다. 이는 각각의 2차원적인 CT 영상에서 표현하고자 하는 구조물의 경계를 직접 표시하여 구조물의 윤곽을 그린 후 이 표시를 바탕으로 각 구조물들의 3차원적인 영상을 재구성하는 방법으로, 본 연구에서는 안면신경관, 와우관, 세반고리관, 내이도, 이소골 및 내경동맥의 공간적 관계를 알아보는데 이용하였다.
   중이의 전벽, 후벽 및 내벽의 3차원적 모양 구성과 각 구조물의 계측을 위해서는 표면 렌더링(surface-rendering) 방법과 볼륨 렌더링(volume-rendering) 방법을 사용했는데, 측두골 영상을 얻기 위하여 골에 대한 250 HU을 역치로 정하였고, 측두골내 유돌봉소의 함기화 정도를 보기 위하여 공기의 영상을 얻으려고 -1,024 HU를 역치로 정하였다. 3차원 영상으로 재건한 후에 중이내 각 구조물이 가장 잘 보일 수 있도록 재건된 3차원 영상을 각 축과 회전중심에 대하여 재배치함으로써 안면신경관, 와우관, 세반고리관, 내이도, 이소골 및 내경동맥의 상호 공간적 관계 및 정원창, 난원창, 갑각골교(ponticulus), 곶능선(subiculum), 와우갑각, 고삭능선(chordal ridge), 추체융기 및 이소골과의 관계 및 안신경와, 외측 고실동, 고실동의 위치관계를 잘 볼 수 있었다.

결     과

   측두골의 3차원 영상 재건은 분절화 방법과 표면 렌더링과 볼륨 렌더링 방법을 통하여 얻을 수 있었는데, 축상면과 관상면 영상을 모두 이용하였다.
   다음에 제시한 그림은 여러 가지 이과적 질환을 주소로 내원한 환자들의 CT를 3차원적으로 재건하여 얻은 영상중의 일부이다. 다만 나선형 CT을 이용한 3차원 영상재건의 방법적인 면과 그 유용성을 설명하고자 편의상 정상인 측의 귀의 영상만을 제공하였다.

구조물간의 공간적인 위치관계
   분절화 방법을 사용하여 안면신경관, 와우관, 세반고리관, 내이도, 이소골 및 내경동맥의 상호 공간적 관계를 알아보았다(Figs. 1 and 2).
   또한 표면 렌더링 방법을 통하여 중이의 전벽과 후·내벽의 모양을 3차원적으로 재구성하였다. 이를 통하여 중이 전벽에서의 이관 개구부의 공간적인 이해가 용이하였다. 또한, 중이 후·내벽에 있는 정원창, 난원창, 갑각골교(ponticulus), 곶능선(subiculum), 와우갑각, 고삭능선(chordal ridge), 추체융기 및 이소골과의 관계 및 안신경와, 외측 고실동, 고실동의 위치관계를 쉽게 이해할 수 있었다(Figs. 3 and 4).

측두골 유돌봉소의 함기화 재구성
   측두골내 유돌봉소과 상고실부의 함기 정도를 보기 위하여 -1,024 HU로 역치를 설정하여 유돌봉소과 상고실 함기부를 표면 렌더링 방법으로 3차원적인 모양을 구성하였다(Fig. 5).

고     찰

   측두골은 내부의 복잡한 구조와 조밀함으로 수술시 중요 구조물 손상의 위험성이 있어 초심자 혹은 심지어 경험이 많은 술자들에게도 수술시 안면신경, 정원창, 난원창, 와우관 및 세반고리관 등 기능적으로 중요한 부위의 지속적인 주의가 필요하다.³⁾ 고해상도 CT가 도입된 후 보다 좋은 영상을 얻을 수 있어 측두골 구조 및 질환의 진단에 많은 도움을 주고 있으나, 2차원적 표시 방법의 한계로 공간 속에서의 구조물간의 위치관계를 정확히 이해하기 어렵다는 단점이 남아있다. 특히 보고자 하는 구조물의 면 혹은 축이 CT의 것과 일치하지 않을 때에는 정확한 영상 정보를 얻을 수 없었다. 따라서 2차원 영상을 이용해서 실물에 가까운 3차원 영상을 얻으려는 시도가 지속되었는데, 초기에는 사체의 측두골에서 절편을 얻어 현미경하에서 연속적 촬영을 통해 컴퓨터로 재구성하거나,⁴⁾⁵⁾ CT 영상을 비디오카메라로 촬영하여 컴퓨터로 재구성하는 방법들이 사용되어 왔고,⁶⁾ Park 등⁷⁾은 Micro CT를 이용하여 사체에서 획득한 이소골의 미세구조를 분석한 바 있다.
   본 연구에서 이용된 나선형 CT는 촬영대가 일정하게 움직일 때 X선관을 지속적으로 회전시키면서 영상정보를 얻는 단층촬영 기법으로서, 연속적인 정보를 얻을 수 있다는 장점이 있다. 따라서 일반적인 CT에서 얻은 영상정보를 근거로 한 3차원 영상 재건보다 더 정밀한 묘사가 가능하다.
   과거의 전통적인 컴퓨터 그래픽스에서 3차원 물체란 점(point), 선(line), 면(plane), 다각형(polygon)과 같은 기본 구성요소로 형성된 선구조 형상을 말한다. 하지만 최근에는 3차원 좌표계로 정의된 선구조 형상의 기본 구성요소들을 스크린 좌표계로 변환, 매핑(mapping)하고 래스터라이즈(rasterize)하는 과정을 통하여 물체를 3차원적으로 표현하는데, 이를 흔히 "면 그래픽스(surface graphics)"라고 하며 렌더링(rendering) 기법이 여기에 포함된다. 특히 면 그래픽스에서 사용되는 렌더링 기법들은 정의된 물체 표면의 특성 표현에 중점을 두고 있으며, 이를 "표면 렌더링(surface-rendering)"이라고 한다. 표면 렌더링은 데이터에서 하나의 경계면(surface)에 대해서 영상을 재구성한 후 이를 이용하여 가시화하는 방법으로 3차원 데이터 중 경계면에 대한 정보만을 사용함으로써 처리시간이 적게 걸리는 장점이 있는 반면, 물체의 내부 구조까지는 표현할 수 없어 하나의 표면 내부의 다른 표면을 나타낼 수 없다는 단점이 있다. 그러나 3차원 공간에 존재하는 대부분의 물체들은 물체의 표면 뿐 아니라 내부 정보까지 포함된 3차원 볼륨 데이터로 이루어져 있다. 이와 같은 3차원 물체의 합성, 조작 및 렌더링을 "볼륨 그래픽스(volume graphics)"라고 하며, 볼륨 그래픽스의 기본 단위는 "복셀(voxel：volume element)"이라 불리는 3차원 요소로서, "픽셀(pixel)"에 대응되는 개념이다. 픽셀은 2차원 단위 면적의 속성을 나타내는 반면에, 복셀은 3차원 단위 볼륨을 의미한다. 각 복셀은 3차원 물체의 색, 투명도, 농도 등에 대한 정보를 가진다. 볼륨 그래픽스 중에서도 "볼륨 렌더링(volume-rendering)"은 3차원 복셀 데이터를 입력하여 물체의 면뿐만 아니라 그 내부 구조까지도 표현할 수 있는 기법으로서, 주로 전산화 단층촬영이나 자기 공명 영상촬영 등의 영상을 이용하여 3차원 구조를 만드는 의료영상 분야에서 많이 사용되고 있다. 그 이유는 생성된 3차원 인체 구조의 내부를 관찰할 수 있고, 복잡한 인체구조의 이해를 도와주기 때문이다. 다만, 볼륨 렌더링 방법은 표면 내부를 표현할 수 있지만 데이터 전체를 처리하므로 처리시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
   일반적으로 3차원 모형에 필요한 연산에 이용되는 표면 렌더링 방법은 역치를 정해 놓고 CT를 통해 얻은 신호 강도가 역치내에 존재하면 그 복셀 들을 같은 조직으로 인식하기 때문에 "thresholding"방법이라고도 하는데, Jang 등²⁾은 진주종성 중이염 환자의 골파괴 소견을 보기위해 150 HU으로 역치를 설정하였다. 본 연구에서는 250 HU으로 설정하여 측두골내 구조를 잘 관찰할 수 있었으며, 함기된 공기의 용적을 측정하기 위해서는 -1,024 HU으로 설정하였다. 표면 렌더링 방법은 3차원적 거리 측정과 각도의 측정이 가능하며 관찰하고자 하는 구조의 모형을 단순 명확히 할 수 있다는 장점이 있으나 일단 만들어진 모형에서는 볼륨 재조작이 어렵다는 단점이 있었다. 반면 볼륨 렌더링 방법은 인체와 보다 유사한 영상을 보여주고 만들어진 모형에서 다양한 각도로 절단하여 내부를 재구성할 수 있으나 3차원적인 계측은 할 수 없다. 
   안면신경관, 와우관, 세반고리관, 내이도, 이소골 및 내경동맥간의 공간적 관계는 위의 두 방법으로는 표현하기가 어려웠으므로 분절화 방법을 이용하여 축상면과 관상면에서 각각 구조물의 확실한 경계를 표시하여 구조물의 윤곽을 그린 후에 이를 소프트웨어적으로 3차원 영상 재건을 하여 표현하였다. 다만 이러한 분절화 방법은 수작업이므로 시간이 다소 많이 걸리며(저자들의 경우 20~30분/측두골 소요) 측두골의 경우에는 구조물들이 너무 미세하여 automated segmentation이 어려우므로, 아직은 일상적인 진단에 이용하기에는 어려움이 있다.
   저자들은 본 연구를 통하여 측두골 안의 구조물들의 공간적 관계를 잘 이해할 수 있었고, 중이안의 다양하고 복잡한 구조물을 이해하는 데에 도움이 되었다. 특히 이러한 기능은 교육 목적으로 유용하게 쓰일 수 있다고 생각되며, 나아가서는 수술시 navigator로서의 활용 가능성도 보여주었다. 다만, 측두골내 구조물의 크기를 감안할 때 더 정밀한 전산화 단층촬영이 영상의 정밀도를 높여줄 수 있으며, 연속적인 영상정보 수집을 위하여 나선형 CT는 필수적이라고 생각한다.
   본 연구에서는 측두골내 유돌봉소과 상고실부의 함기 정도를 보기 위하여 -1,024 HU로 역치를 설정하여 유돌봉소과 상고실 함기부를 표면 렌더링 방법으로 3차원 구성하였는데, 소프트웨어상에서 쉽게 용적을 측정할 수도 있었다. 다만 본 연구에서 측정한 유돌봉소 함기화의 수치를 제시하지 않은 이유는 측두골 CT시 함기화가 잘 발달된 정상인의 유양돌기에서는 동경막각(sinodural angle)과 이복근능선(digastric ridge) 부근의 봉소 일부가 촬영에 포함이 안 되어 완전한 유돌봉소 함기화를 얻을 수 없었기 때문이다. 하지만 만성중이염으로 유돌봉소의 경화가 일어난 귀에서는 모든 유돌봉소가 촬영에 포함되었는데, 이런 19예에서는 유돌봉소의 부피가 평균 0.63 ml로 측정되었다. 유돌봉소의 부피 측정에 있어서 이러한 기법은 이미 여러 저자들에 의하여 이용되어 온 방법으로서 복잡한 유돌봉소의 함기화의 부피 측정에 있어서 측정 방법의 정확성과 반복성은 이미 확인이 되었고, 유돌봉소와 중이강내 함기화의 정도는 5.5~8.5 ml정도로 보고되고 있다.^{8)9)10)11)12)} CT를 통한 이러한 측정법은 기존의 타 방법들^13)14)15)과 비교해볼 때 유사한 값을 보이고 있어 유돌봉소의 함기화 정도 측정에 믿을 만한 방법이라고 생각되지만, CT를 통한 방법은 역치 선정에 매우 민감하기 때문에 3차원 구성시 역치 선정에 주의를 할 필요가 있다. 즉, 역치 설정을 너무 높게 잡으면 연부조직까지도 유돌봉소의 함기 부위에 포함되게 되고, 너무 낮게 잡으면 일부 함기 부위가 계산에서 제외되기 때문이다.
   정밀한 3차원 합성을 위해 Schubert 등¹⁷⁾이 제시한 두 가지 전제조건은 얇은 촬영 단면과 높은 공간 해상도이다. 저자들은 이를 위해 측두골 CT를 1 mm 간격으로 촬영하였으며 촬영 부위를 150 mm에서 80 mm로 줄여 공간 해상도를 5122로 높였다. 촬영된 영상은 Dicom file로 저장되고 개인용 컴퓨터에서 작업하여 수분내에 3차원 모형 제작이 가능하였다. 그러나 측두골내 구조물 자체가 미세한 구조물이므로 이들의 세밀한 영상을 얻기 위해서는 조금더 얇은 촬영 단면을 얻기 위하여 노력을 하여야 하며, 연속적인 영상 데이터의 획득이 중요하므로 나선형 CT가 필수적이라고 생각한다.
   이비인후과 영역에서는 측두골 CT의 3차원 구성이 악안면 골절, 기형 등의 확인 외에도 이과 수술계획의 수립에 도움을 주며, 인공 와우 술 전 파악 및 술 후의 전극 상태 파악에 도움을 준다고 보고된 바 있고,¹⁷⁾¹⁸⁾ Yamamoto 등¹⁹⁾은 메니에르 환자 측두골의 전정도수관 개구부의 측정에 3차원 구성을 이용한 바 있다. 또한 거리 및 각도 계측이 가능해짐에 따라, 앞으로 CT를 이용한 3차원 영상 재건방법은 전공의 및 초심자의 수술에 필요한 보다 구체적인 해부학적 지식의 습득과 술전 파악에 도움이 되고, 또한 다양한 이과질환 관련 기초 연구에도 도움이 되리라 생각된다(Table 1).

결     론

   고해상도 측두골 CT를 이용한 3차원 영상 합성을 통해 측두골 및 중이내 구조물의 해부와 계측이 단시간에 개인용 컴퓨터에서 가능하였고, 이는 앞으로 술 전 측두골의 상태 평가 및 입체적인 해부학적 구조를 이해하는데 유용하리라 생각된다. 다만, 이러한 3차원 영상 재건을 통하여 얻은 영상 및 정보가 실측치와 얼마나 많은 연관이 있는지에 대해서는 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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