안면비대칭 진단을 위한 악안면 3차원 영상분석
Maxillofacial 3-D Image Analysis for the Diagnosis of
Facial Asymmetry

    

                          

                                전남대학교 치과대학 교정학교실
                                                황  현  식

교정치료를 받고자 하는 환자들의 주소가 “기능”에서 “심미”로 바뀌어지면서 안면심미 특히 안면비대칭에 대한 관심이 증가하고 있다. 하악전돌증이나 상악돌출 등 전후방관계의 문제로 인해 악교정수술을 받는 환자들도 수술 후 약간의 안면비대칭에 세밀한 관심을 보이는 경우가 종종 있어 안면비대칭에 대한 정확한 진단 및 치료계획 수립이 불가피한 실정이다.1,2

 1. 안면비대칭의 원인과 치료

안면비대칭은 왜 생기는가. 여러 가지 선천적 또는 후천적 원인에 의해 한쪽 과두가 과성장 또는 열성장을 하게 되면 비대칭이 나타나는 것으로 알려져있다. 그러나 안면비대칭환자의 모두가 과두성장 차이로 초래되지는 않는다. 과다한 편측저작을 오래 할 경우 저작측의 하악골은 low angle 양상을, 비저작측은 high angle 양상을 초래하여 안면비대칭이 나타나기도 한다. 협소한 상악골에 의해 또는 교합간섭으로 인해 하악골이 편위되는 경우에도 비대칭이 초래될 수 있다. 과두의 성장차이나 이부의 편위 없이 하악골 윤곽이 좌우 다른 경우에도 비대칭적인 안모가 초래될 수 있다. 안면비대칭의 원인에 따라 이에 대한 치료가 결정되므로 안면비대칭 환자에서는 원인파악이 매우 중요하다. 저자는 안면비대칭을 RM, RA, M, 그리고 B type의 4가지로 구분한 바 있으며 이는 정모두부방사선사진 상에서 Ag의 수직위치를 통한 좌우 ramus length 차이와 Me 편위 정도 등에 의해 비교적 간단하게 감별될 수 있음을 소개하였다(그림 1).3,4

 

 

 

 

RM type

   RA type    

   M type    

B type

그림 1. 안면비대칭의 분류. 안면비대칭은 ramus length의 좌우차이 여부나 Me의 편위 여부에 따라 RM, RA, M, B type으로 구분되는데 이는 정모두부방사선사진에서 쉽게 진단될 수 있다.

·RM (Ramus Menton) type: 편측 ramus 길이가 더 길고 menton은 반대편으로 편위되어 있는 경우로 가장 일반적인 안면비대칭 유형이다. 가능한 원인으로 unilateral condyle hyperplasia, hemifacial microsomia, condyle fracture, condyle ankylosis 등이 있고 대부분 수술교정이 필요하다.

·RA (Ramus Angle) type: 편측의 ramus 길이가 더 긴 반면, menton은 대개 정상범주에 위치한 경우로, 교합상실, 불량 보철물, 교합방해 등의 원인으로 편측저작이 지속되면서 저작측은 low angle, 비저작측은 high angle로 발달해 편측 근육비대, 편측 하악골비대를 나타내는 경우이다. 편측저작 습관을 개선하는 것이 치료에 도움이 된다.

·M (Menton) type: ramus 길이는 좌우 동일하고 menton의 편위만 나타난 경우로 하악골 자체의 비대칭 없이 하악골의 functional shift로 인해 초래된다. 대개 어린이에서 뚜렷하고 성인으로 성장하면서 RM 또는 RA type으로 발전하기도 한다. 성장기 아동에서는 functional shift의 원인을 제거하면 되지만 성인에서는 심한 경우 외과적 치료가 필요하다.

·B (Bulkiness) type: 좌우 ramus 길이가 동일하고, menton의 편위도 없는 상태에서 하악골 하연 shape이나 하악골 부피의 좌우 차이로 인해 비대칭 양상을 보이는 경우로 dental asymmetry는 없으므로 특별한 치료가 요하지 않으나 환자가 원한다면 plastic surgery를 통해서 안면비대칭을 개선할 수 있다.

 2. 왜 3차원영상이 필요한가

안면비대칭을 나타내는 대부분의 환자는 전술한 정모두부방사선사진에 의해 구분이 될 수 있으며 분류결과에 따라 치료계획을 수립할 수 있다. 실제 윤 등5은 안면비대칭 환자 100명을 대상으로 여러가지 계측치를 사용하여 정모두부방사선사진분석을 시행한 결과 전술한 4가지 유형으로 분류될 수 있음을 cluster 분석으로 보여준 바 있다. 그러나 정모두부방사선규격사진만으로는 안면비대칭의 양상이 정확히 파악이 되지 않으며, 심지어는 측모두부방사선사진이나 이하두정규격사진을 같이 이용하여도 이해가 되지않는 증례가 가끔 있는데 이러한 경우에는 이미지를 자유롭게 어느 각도에서도 돌려볼 수 있는 3차원 영상이 반드시 필요하다. 한편 정모두부방사선사진을 통하여 전술한 방법으로 비대칭을 구분하였다 할지라도 입체적으로 피사체를 평면에 투영한 2차원사진에서는 좌우 또는 전후방에 위치한 구조물의 확대율차이로 인해 오해가 될 수 있으므로6-8 정확한 해석을 위해서는 다소 숙련된 경험이 필요할 수 있으며 이러한 오판 가능성을 최소화하는 길은 3차원영상을 통한 진단이라고 할 수 있다 (그림 2,3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

그림 2. 안면비대칭을 주소로 내원한 23세 남자환자로서 골격성 3급 부정교합과 함께 좌측의 반대교합을 보여주고 있다. menton이 심하게 좌측으로 편위되어 있어 우측과두가 좌측에 비해 과성장한 것에 의해 나타난 RM type의 안면비대칭으로 보여졌다.

 

         

       

 

그림 3. 정모두부방사선사진의 투사도를 작성하고 분석을 시행한 결과 Me은 편위된 반면 ramus length의 좌우차이는 보이지 않아 기계적으로는 M type으로 판정되었다. 그렇다면 본 환자의 이부편위는 어떻게 나타났는가?어느 부위의 좌우차이가 본 환자의 이부편위에 기여하였는지 2차원적인 방사선사진만으로 잘 파악이 되지 않는다.

 

 3. 어떻게 3차원영상을 얻는가

 

안면두개골의 3차원 입체영상을 얻는 방법으로 여러 가지가 있을 수 있으나 현재 가장 유용한 방법은 CT(전산화단층사진)촬영이다. CT는 폐쇄된 공간에서 장시간 촬영 그리고 과다한 방사선 조사량 등으로 일반인에게 다소거부감을 느끼게 할 수 있는 것으로 인식되어 왔는데 최근 spiral CT의 도입으로 이러한 염려는 하지 않아도 된다. 저자의 경우에는 안면두개골의 3차원 입체영상 채득을 위해 미국 GE사의 CT(Light Speed QX/i, GE Medical
Systems, Milwaukee, USA)를 사용하는데 2.5 mm thickness, slice pitch 3, scanning time 0.8초의 조건으로 촬영하고 있다. 턱끝부터 해서 위로 180 mm를 FOV(field of view)로 해서 촬영하므로 19초 정도(180×0.8/2.5×3=19.2)밖에 걸리지 않는다. 촬영시간의 감소로 대상자의 움직임에 의한 image quality 저하의 염려 그리고 조사량이 대폭 감소하므로 큰 문제없이 임상에서 활용할 수 있다. 최근 cone beam technology를 이용한 dental CT가 개발되어 보급되고 있으나 조사량은 극도로 감소해서 좋은 반면 FOV가 다소 작은 편이어 저자는 아직도 medical CT를 선호하고 있다.

차후 두부방사선규격사진과의 비교를 위하여 gantry 각도는 0°로 하고 scanning matrix size는 512×512 pixels로 하여 촬영한 후 1.0 mm slice thickness로 DICOM(Digital Imaging & Communication in Medicine) 영상정보로 구성한다. CT촬영을 통하여 얻은 DICOM 화일을 3차원 이미지 소프트웨어를 이용하여 불러들이면 악안면 3차원 이미지를 일반 PC에서도 쉽게 볼 수 있다. 국내에서 개발된 V Works(CyberMed Inc., Seoul Korea)는 세계 어디에 내놓아도 손색이 없는 훌륭한 프로그램이라고 생각한다. 이를 이용하면 손쉽게 악안면 입체영상을 진료실에서 볼 수 있다 (그림4).

그림 4. V Works를 이용한 3차원입체영상 획득. Spiral CT가 있는 병원에 촬영을 의뢰하여 얻은 DICOM 화일을 V Works 프로그램에서 부르면 일반 PC에서도 손쉽게 악안면 입체영상을 얻을 수 있다. Slice로 촬영된 단면 영상정보를 3차원으로 reconstruction한 것으로 HU를 조절하여 연조직, 경조직 등을 마음대로 볼 수 있으며 segmentation 기능을 이용하여 필요한 부위만 잘라서 외부 뿐 아니라 내부도 관찰할 수 있다. 이미지를 돌려서 어느 각도에서나 볼 수 있으므로 환자 또는 타 분야 의사와의 communication에도 크게 도움이 된다.

 4. 3차원 입체영상을 어떻게 이용하는가

얻어진 3차원 영상은 컴퓨터 마우스를 이용하여 쉽게 회전이 되므로 어느 각도에서나 관찰이 될 수 있어 비대칭구조물의 정확한 이해에 큰 도움이 된다. 정모두부방사선사진에서 잘 이해가 안되었던 안면구조를 전체적으로또는 부분적으로 시원하게 파악할 수 있다. 또한 컴퓨터프로그램의 “3D Measure” 기능을 이용하여 구조물의 좌우 차이를 정량적으로 평가할 수도있다. “point to point” 기능을 이용하여 ramus나 body 길이를 측정한 후 좌우차이를 비교할 수 있고 “point to plane” 기능을 이용하여 기준평면까지의 거리 차이나 “line to plane”기능을 이용하여 ramus 같은 구조물의 경사도의 좌우 차이를 평가할 수 있다. 다른 구조물에 의해 가리어져 있는 부위를 3차원적으로 관찰하고 싶거나 또는 이를 포함하는 길이나 형태 계측을 정확하게 하고 싶다면 “segmentation” 기능을 이용하여 그 부위만을 따로 분리할 수도 있다. 안면비대칭 진단의 경우에는 하악과두가중요한 부위이므로 하악골을 따로 분리하여 평가하는 것이 필요한데 이러한 것이 모두 가능하다.

3차원 입체영상의 활용은 여러 가지 방향으로 가능한 반면 저자의 경우에는 안면비대칭 환자에서 “어느 구조물의 좌우 차이가 이부편위(chin deviation)를 야기하였는가”의 파악에 3차원 입체영상이 필요하였으며 이의 사용결과 2차원사진으로는 알 수 없었던 여러 가지를 이해할 수 있게 되었다. 얼핏 생각하면 이부편위는 좌우 ramus의 길이 차이 때문에 나타난다고 이해할 수 있다. 그러나 ramus 길이 뿐 아니라 mandibular body 길이차이에 의해서도 이부편위는 나타날 수 있고 이러한 부위별 파악은 특히 수술계획 수립에 매우 중요하다. 또한 어떤 환자에서는 ramus의 길이나 body의 길이는 좌우가 비슷한데, 정면에서 보았을 때 또는 측면에서 보았을 때 ramus의 경사도 차이로 인해 이부편위가 나타난 것을 발견할 수 있었다. 이러한 ramus 경사도 차이는 측모두부방사선사진이나 정모두부방사선사진에서도 관찰될 수 있지만 2차원적 사진의 경우 projection error로 인해 평가에 확신을 할 수 없는 반면 3차원 입체영상의 경우에는 이미지를자유자재로 돌려볼 수 있으므로 보다 용이하게 그리고 정확하게 이해를 할수 있었다. 3차원 입체영상을 통하여 외관상 보이는 이부편위의 원인을 살펴본 결과 저자는 (1)상악고경의 좌우차이 (2)ramus 길이의 좌우차이 (3)전방에서 보았을 때 좌우 ramus inclination의 차이 (4)측방에서 보았을 때 좌우 ramus inclination의 차이 (5)mandibular body 길이의  좌우차이 (6)mandibular body 윤곽의 좌우차이 등 6가지가 이부편위에 기여함을 발견할 수 있었다 (그림5).

 

 

 

 a.

    b.

  c.

 

 

 

 d.

  e.

    f.

 

그림 5. 이부편위에 기여하는 요인들. 이부편위는 단순히 ramus의 좌우차이에 의해서만 나타나는 것은 아니다. 3차원이미지를 자세히 관찰해 보면 상기 6가지 부위에서의 좌우차이가 환자로 하여금 "턱이 돌아갔다"고 느끼게 하고 있음을 알 수 있다. a. maxillary height; b. ramus length; c. frontal ramal inclination; d. lateral ramal inclination; e. body length; f. body height.

 

 5. 안면비대칭분석법 개발

 

이상과 같은 내용을 바탕으로 많은 환자들의 3차원 영상을 분석한 결과 안면비대칭을 체계적으로 분석하는 하나의 프로토콜이 개발된 바 이를 다음과 같이 step by step으로 소개하고자 한다.

1. 3-D reconstruction
   CT에서 얻은 DICOM 화일을 이용하여 V Works 프로그램에서 악안면
   3차원영상을 구성한다.

2. 기준평면 설정
   차후 좌우 차이를 측정하기 위한 기준이 되는 세가지 기준평면을
   설정한다.

   (1) MSR plane(Mid-Sagittal Reference Plane): Opisthion, Cg, ANS의        세 점을 연결하여 MSR  plane을 설정하고 저장한다.

   (2) FH plane(Frankfort Horizontal plane): 좌우측 Porion과 한쪽        Orbitale의 세 점을 연결하여 FH plane을 설정하고 이를 저장한다.

   (3) Mandibular plane: 좌우 Antegonion과 Menton의 세 점을 연결한
       평면을 구성하고 이를 Mandibular plane으로 저장한다.

3. Segmentation
   프로그램의 "sculpt" 기능을 이용하여 상악골과 하악골을 서로 분리
   하고 이를 각각 저장한다.

4. 6가지 계측치의 좌우 측정
   "3D measure”기능을 이용하여 다음 설명에 따라 계측을 시행한다.
    계측점의 정의를 고 려하여 알아보기 쉬운 각도로 이미지를 자유롭게     돌려가면서 계측점을 설정한다.9-11

(1) Maxillary height : 6 to FH (Po-Or-Po)
                       FH plane에서 상악구치부 교합면까지의 거리 (mm)
(2) Ramus length : Cdsup - Goinf
                   Condyle 최상방점에서 Gonion까지의 거리 (mm)
(3) Frontal ramal inclination : Cdlat - Golat to MSR (Op-Cg-ANS)
                  Midsagittal Plane과 ramus 외측연이 이루는 각도 (°)
(4) Lateral ramal inclination : Cdpost - Gopost to FH (Po-Or-Po)
                             FH plane과 ramus 후연이 이루는 각도 (°)
(5) Body length : Me - Goinf
                  Menton에서 좌우 Gonion까지의 거리 (mm)
                  _
(6) Body height : 3 to MP (Antegonion Me Antegonion)
                  견치 cusp tip에서 mandibular plane까지의 거리 (mm)

5.챠트에 기록 및 좌우차이 비교분석
  측정된 계측치를 그림 6과 같은 챠트에 기록하고 좌우차이를 비교한다.   비슷할 경우에는 =, 큰 것으로 또는 작은 것으로 측정될 경우, 부호를,   그리고 확연하게 크거나 작은 경우 >, < 부호를 이용하여 표시함으로써   한눈에 알아 볼 수 있게 한다. 아울러 차후 손쉽게 이미지를 파악할 수   있도록 대표적인 이미지를 "capture”하여 그림과 같이 배열한다
  (그림6).   

그림 6. 안면비대칭 진단을 위한 3-D Image Analysis 챠트와 환자 예. 안면비대칭 유무나 정도의 파악은 PA ceph으로 하고 안면비대칭 원인이나 양상의 이해를 위해 3차원 영상분석을 시행한다. 이부편위와 연관된 계측치를 좌우 구분하여 적고 이의 차이를 비교분석함으로써 안면비대칭을 정확히 이해할 수 있다. 본 환자의 경우 PA ceph에서는 이부편위 정도를 정량적으로 평가할 수 있는 반면 이의 원인을 이해하기는 매우 어려웠다. 실제로 PA ceph에서는 ramus height가 좌우 같게 나와 무엇이 이부편위를 야기하였는지 파악이 어려웠다. 그러나 3-D 분석을 시행한 결과 우측 ramus 길이가 좌측보다 길다는 것을 확인할 수 있었다. PA ceph에서 ramus height가 좌우 같게 나타난 것은 바로 frontal ramal inclination의 좌우 차이 때문이다. 본 환자의 이부편위는 우측 ramus와 body가 좌측에 비해 커서 (각각 7mm, 2mm 정도) 나타난 결과이기도 하지만 더욱 중요한 것은 frontal ramal inclination과 lateral ramal inclination이 우측에서 크기 때문에 이부편위가 더욱 심하게 나타났다는 것이다. 이부편위를 야기한 요소들을 조목조목 파악하는 것은 비대칭의 원인 이해 뿐 아니라 악교정수술 계획 수립 및 결과예측에도 큰 도움이 된다.

 6. 임상적 적용

 

본론에서 서술한 삼차원이미지분석법을 사용하기 위해서는 CT촬영이 필요하다. 필요한 부위만 촬영하므로 방사선 조사량이나 촬영시간은 작지만 여전히 고가이므로 모든 환자에서 사용하기는 무리이다. 또한 정모두부방사선사진과 같은 headholder가 없이 촬영하게 됨으로 정중시상기준평면 설정등에는 다소 한계가 있는 실정이다. 반면 최근 개발된 HPA(Head Position Aligner)나 PP Marker(Pupil Position Marker)의 도움으로 표준화되고 재현가능한 정모두부방사선사진 촬영이 가능한 바 안면비대칭 유무나 정도의파악에는 정모두부방사선사진과 정면얼굴사진(photo)이 충분하며 오히려 3차원 영상보다 정확하다.12-14 따라서 안면비대칭 유무나 정도의 파악에는정모두부방사선규격사진과 정면얼굴사진을 사용하는 한편 정모두부방사선사진에 나타난 계측치가 잘 이해가 안되거나 보다 정확한 분석이 필요한 경우에만 추가적으로 3차원 이미지를 채득하고 본 분석법을 이용하여 평가를 시행하는 것이 나으리라 생각한다.

특히 악교정수술을 해야 하는 환자의 경우에는 수술부위나 수술방법의 결정에 3차원적인 이해 및 고려가 반드시 필요하다. 대부분의 환자에서는 이부편위만 고쳐도 비대칭양상이 개선되고 환자가 만족하는 반면 어떤 환자에서는 일반적인 SSRO나 그리고 상악골의 LeFort I osteotomy 후 분명하게이부편위와 상악골 경사는 수술에 의해 개선되었지만 기타 얼굴윤곽의 비대칭으로 불만을 호소하는 경우도 있다. 특히 ramus 와 gonion 부위는 일반적인 SSRO 수술로는 개선이 되지 않는 부위이다. 즉 언급한 6가지 계측치 중 maxillary height 나 body length 는 일반적인 악교정수술에 의해 개선이 될 수 있는 반면, frontal ramal inclination, lateral ramal inclination 그리고 ramus length 등 ramus부위는 별도의 augmentation이나 shaving을 고려하지 않는한 개선이 되지 않는다는 것을 알아야 한다. ramus의 길이나 경사도의 좌우차이가 심할 경우 이는 이부편위를 야기할 뿐 아니라 그 자체만으로도 좌우 얼굴 윤곽의 차이를 초래할 수 있으므로 별도의 수술을 고려하든지 아니면 수술후 남게 되는 비대칭 양상을 환자에게 미리 알려주는 것이 필요할 수도 있다. 그리고 하악골 골체의 윤곽을 나타내는 body height의 경우 정모두부방사선사진에서 보이는 윤곽선은 실제 하악골 윤곽과는 매우 다를 수 있으므로 반드시 3차원영상으로 확인하고 genioplasty나 shaving 등 윤곽성형술을 계획하여야 한다. 수술과 악교정수술계획수립시 본 분석법은 이부편위의 부위별 원인을 진단하는데 그리고 이에 따른 악교정수술 방법 결정시 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

 7. 결론

 

좌우대칭이 아닌 구조물의 정확한 이해에는 2차원적 사진과 더불어 3차원영상이 도움이 될 수 있다. 대부분의 안면비대칭은 두부방사선규격사진으로 이해가 되는 반면, 보다 정확한 파악이 필요한 경우에는 CT 촬영을 통하여 채득된 3차원영상을 이용하여 본 분석을 시행할 수 있다. 이부편위의 기여요인을 부위별로 살펴보는 본 분석법을 사용할 경우 이는 악안면구조의 3차원적 이해를 통하여 안면비대칭의 양상 및 그 원인을 파악할 수 있을 뿐 아니라 악교정수술 등 치료계획 수립 및 결과 예측에도 큰 도움이 될 것으로 기대한다.

 

 8. 참고문헌

 

1. 이계형, 조홍규, 황현식, 김종철. 얼굴 비대칭 인지도와 정면 머리방사선 사진 계측항목간의 관련성 연구. 대한체질인류학회지 1998;11:41-8.

 

2. 안정순, 황현식. 안면비대칭 인지도와 정모두부방사선사진 분석치의 연관성. 대한치과교정학회지 2001;31:489-98.

3. 황현식, 이기헌. 임상교정 YearBook 2001. 나래출판사. 2001:175-6.

4. 황현식, 안정순, 이기헌. 임상교정 YearBook 2003. 나래출판사. 2003:155-9.

5. 윤일선, 이기헌, 황현식. 군집분석법에 의한 안면비대칭의 분류. 대한치과의사협회지 2001;39:765-73.

6. 고은희, 이기헌, 황현식. 정모두부방사선사진 촬영시 두부의 수직회전에 따른 투사오차. 대한치과교정학회지 2003;33:73-84.

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8. 구본찬. 두부방사선규격사진과 광학사진의 중첩적합도에 관한 측면 합성영상과 정면 합성영상의 비교. 연세대학교 박사학위논문, 2003.

9. 장혜숙, 백형선. 3차원 CT 영상을 이용한 두개악안면 분석을 위한 계측점의 제안. 대한치과교정학회지 2002;32:313-25.

10. 김고운. 전산화단층사진을 이용한 하악골 3차원 영상에서 비대칭을 나타내는 계측항목의 재현도에 관한 연구. 전남대학교 석사학위논문, 2004.

11. 안정순. 안면비대칭 진단을 위한 하악골 3차원영상 계측기준치에 관한 연구. 전남대학교 박사학위논문, 2004.

12. 김은희, 황현식. 정모두부방사선 촬영시 Head Posture Aligner의 유용성에 관한 연구. 대한치과교정학회지 2000;30:535-42.

13. 김관모, 이기헌, 김왕식, 황현식. 정모 두부방사선규격사진 분석 시 기준선 설정 방법에 관한 비교 연구. 대한치과의사협회지 2001;39:676-83.

14. 황현식. 안면비대칭 진단을 위한 새로운 정모두부방사선 규격사진 분석시스템 개발. 한국과학재단, 2002.