증강현실 기술을 활용한 환자 맞춤형 유방 보존 수술 가이드의 정확도 비교평가

Abstract

유방암은 전 세계 여성에게 가장 흔하게 진단되는 암으로 여성 암 사망의 주요 원인이며 발병이 매년 증가하고 있다. 유방 보존 수술(BCS, Breast conserving surgery) 후 재발과 2차 수술을 방지하기 위해 정확한 절제면 확보가 필수적이며, 이를 계획하기 위해서는 자기공명영상(MRI, Magnetic resonance imaging)이 유용하다. MRI는 종양의 정도를 예측하는데 매우 정확하지만, MRI를 이용하여 환자의 유방 피부에 암의 부위를 직접 표시하는 것은 어렵다. 그래서 증강 현실 기술과 3D 프린팅 기술을 이용하여 유방 보존 수술 가이드를 개발하여 정확성을 비교 평가하였다.

종양이 있는 유방의 유두를 중심으로 반대쪽 유두와 쇄골 노치를 가리키는 기준선을 사용하여 유방에 위치할 수 있도록 가이드를 제작하였다. 유방 보존 수술 가이드의 정량적 평가를 위해 환자 MRI 영상 기반으로 만든 유방 팬텀을 이용하여 시뮬레이션 환경을 만들어 실험하였다. 실제와 유사한 유방 팬텀을 만들기 위하여 3D 프린팅된 유방 몰드에 실리콘 캐스팅하여 제작하였다. 제작 과정에서 발생하는 오차를 줄이기 위해 컴퓨터 단층 촬영(CT, Computed tomography)을 사용하여 팬텀을 스캔하였다. 촬영된 영상 데이터를 사용하여 5mm 안전 마진을 설정하여 가이드를 모델링 하였다. 완성된 유방 팬텀을 이용하여 16게이지 정맥 카테터를 3명의 실험자가 가이드당 3번씩 8개의 계획한 위치에 삽입한 후 CT로 스캔하여 정량적 평가를 수행하였다. 실험은 2번에 걸쳐 실행되었으며 첫 번째 실험에서 홀로렌즈와 아이폰의 증강현실 가이드에 투명도가 설정되지 않아 팬텀과 카테터의 일부가 보이지 않았고 삽입에 어려움이 있었다. 따라서 증강현실 가이드에 투명도를 설정하여 두 번째 실험을 진행하였다.

측정 결과를 사후검정 방법 코사인 유사도(Cosine similarity)를 비교하였다. 첫 번째 실험의 결과 3D 프린팅 0.9921 ± 0.0103, 홀로렌즈 0.9745 ± 0.0321, 아이폰 0.9508 ± 0.0455였고, 두 번째 실험에서 홀로렌즈 0.9776 ± 0.0333, 아이폰 0.9764 ± 0.0303였다. 블랜드-앨트먼 차트(Bland-Altman Plot)를 이용하여 계획했던 삽입 점과 끝점의 X, Y, Z 차이 분석에 있어 첫 번째 실험의 삽입 점 측정 오차(mean ± SD)는 3D 프린팅 0.0474 ± 2.7994, 홀로렌즈 4.8072 ± 10.8002, 아이폰 2.7904 ± 7.202였고 끝점의 측정 오차는 3D프린팅 -1.7368 ± 4.84, 홀로렌즈1.77 ± 12.3767, 아이폰 0.1133 ± 7.4233이었다. 두 번째 실험의 삽입 점 측정 오차는 홀로렌즈 4.1885 ± 9.8556, 아이폰 0.6976 ± 3.806였고, 끝점의 측정 오차는 홀로렌즈 2.5437 ± 9.6627, 아이폰 1.3723 ± 4.9961이였다.

종양 표적화 결과 정확도는 3D 프린팅 가이드가 코사인 유사도 값과 계획했던 삽입 점의 X, Y, Z 차이 측정에 있어 가장 높았고, 증강 현실 기술을 사용한 가이드 중 홀로렌즈가 아이폰보다 조금 더 정확하게 종양의 영역을 표시할 수 있었다. 결과적으로, 증강 현실 가이드는 3D 프린팅 가이드에 준하는 정확성을 가지고 있다는 것을 확인 할 수 있었다.