디지털매체의 발달과 소셜 네트워크의 일상화로 안모에 대한 인식이 높아짐과 더불어, 디지털 기술의 발달로 3차원 영상 채득이 가능해졌다. 이러한 디지털 기술의 발달은 디지털 교정의 발달을 가속화하였으며, 치아 및 치조골에 대한 3차원 영상을 넘어, 악골 및 안면 영상에 이르기까지 다양한 3차원 영상 채득이 가능해졌다.

발치 교정이나 악교정 수술을 동반한 교정과 같이 치료 도중 안모 변화가 많은 경우, 치료 후 결과에 대한 평가는 경조직 변화뿐만 아니라 연조직 변화도 이루어져야 한다. 치료 후 안모 변화에 대한 여러 선행연구들이 이루어져 왔다. 하지만 기존의 선행연구는 주로 2차원 영상인 측모 또는 정모 두부계측방사선사진을 이용하여 이루어졌다[1]. Cone-beam computed tomography (CBCT) 영상의 발달로 경조직 및 연조직의 3차원적 평가가 가능해졌으나[2,3], 얼굴 색과 영상의 질감 등이 안모 평가에 영향을 미치는 점을 고려하면, CBCT 영상으로도 정확한 심미분석이 어렵고, 방사선 노출이라는 단점을 가지고 있다.

3차원 안면 입체영상은 방사선을 조사하여 촬영하는 CBCT 영상과 달리, 방사선 조사 위험성이 없어 촬영 주기나 횟수에 대한 제약이 없다. 더욱이 얼굴색이나 질감의 재현이 가능하여 안모의 심미 분석에 이용되고 있다. 3차원 안면 입체영상을 채득하는 방법은 레이저 스캔[4,5], 입체사진 측량(stereophotogrammetry) [6-8], 구조광 스캔[9-11] 등 다양하다. 그중 구조광 스캔 방식은 다른 스캐닝 기술에 비해 빠르고, 방사선 조사가 없어 3차원 안면 입체영상 채득에 널리 사용되고 있다[12,13]. 하지만 얼굴의 정면과 측면 이미지를 이용하여 3차원 입체영상을 획득하기 때문에 두부자세에 따라 이미지가 왜곡되거나, 그 정도가 심화될 수 있다.

연조직은 경조직과 달리, 환자가 어떤 자세를 취하느냐에 따라 그 모습이 달라진다[14]. 즉, 환자가 누워 있는 자세에서의 얼굴 형태와 앉아 있거나 서 있는 자세에서의 얼굴 형태가 다를 수 있다. Ozsoy 등[15]은 교정치료를 받고자 하는 환자가 앉아 있는 상태, 서 있는 상태, 그리고 누워 있는 상태에서 핸드헬드 3차원 안면스캐너를 이용하여 입체영상을 촬영하였을 때 안면 연조직의 상태가 달라짐을 확인하였는데, 연구에 사용된 핸드헬드 스캐너는 스캔 대상은 고정된 상태에서 스캐너를 움직여 3차원 영상을 촬영하는 방식이므로 자세에 따른 연조직의 형태변화가 있었음을 의미한다. 반면에, 스캐너의 촬영방법이 얼굴의 정면과 측면 이미지를 이용하여 3차원 영상을 재구성하는 방법이라면, 동일하게 앉아 있는 자세에서도 두부를 회전하거나 위, 아래로 움직이는 등의 세밀한 자세가 3차원 안면 입체영상 채득에 영향을 미칠 수 있을 거라 생각해 볼 수 있고, 정확한 안모 변화 평가를 위해서는 3차원 안면 입체영상을 채득 시 환자의 자세에 대한 고려가 필요하다. 하지만 이에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 두부자세가 3차원 안면 입체영상에 어떠한 영향을 주는지 알아 보고자 한다.

서로 다른 두경부 부분의 안면 부위가 있는 10개의 마네킹들을 대상으로 시행하였다. 마네킹은 머리카락은 없고 얼굴의 윤곽 및 화장이 서로 다르며, 경부 하방에 회전 가능한 바닥면이 있는 마네킹을 선정하였다.

3차원 안면 입체영상 촬영

마네킹의 좌·우 동공을 연결한 선을 바닥과 평행하게 위치시킨 후 백색구조광스캐너(Morpheus 3D scanner; Morpheus Co., Seoul, Korea)를 이용하여 제조사의 방법에 따라 표준화된 기준 자세에서의 3차원 안면 입체영상을 촬영하였다. 스캐너의 중심선이 마네킹의 안면부 중앙을 지나도록 위치시켜 정면 이미지를 촬영한 뒤, 마네킹을 좌측으로 회전하여 중심선이 오른쪽 외안각에 일치하도록 위치시켜 우측면 이미지를 촬영하고, 마지막으로 우측으로 회전하여 중심선을 왼쪽 외안각에 일치시킨 뒤 좌측면 이미지를 촬영한 후 프로그램상에서 자동으로 3차원 안면 입체영상으로 병합을 시행하였다(Fig. 1). 표준 자세의 영상을 촬영한 후, 동일 두부자세에서 좌·우로 각각 5도 회전하고, 위·아래 방향으로 각각 5도 경사를 부여하여 서로 다른 두부자세를 재현한 뒤 3차원 안면 입체영상을 촬영하였다. 영상 촬영 시 자세 변화에 대한 재현성을 높이기 위해 좌·우 회전은 마네킹 바닥면은 고정시킨 뒤 경부에서 5도씩 회전시켰고, 위·아래 방향으로의 경사는 5도의 경사진 아크릴판을 제작하여 이를 이용하여 촬영하였다.

Fig. 1. Fabrication of three-dimensional (3D) facial image. (A) Front, (B) right, and (C) left photos were used for the fabrication of a 3D facial image (D).

3차원 안면 입체영상의 3차원 중첩

표준 자세에서 촬영한 영상을 기준 영상으로 정의하고, 서로 다른 두부자세에서 촬영된 영상을 기준 영상에 3차원 중첩을 시행하여 차이를 비교 분석하였다. 촬영된 영상의 비교 분석은 3차원 이미지 검사 및 측정 프로그램인 Geomagic Control X 2017 software (3D systems, Rock Hill, SC, USA)를 사용하여 시행하였다. Control X 프로그램에서 표준 자세의 안면 입체영상을 참조데이터로 설정한 뒤, 서로 다른 자세에서 촬영한 영상을 프로그램의 ‘초기 정렬’과 ‘베스트핏 정렬’ 기능을 차례로 적용하여 기준 영상과 동일한 두부자세가 되도록 하였다(Fig. 2). 이후 안면부 정중앙을 기준으로 안면 영상을 오른쪽과 왼쪽으로 나누고(Fig. 3), ‘3D (three-dimensional) 비교’ 기능을 이용하여 –0.05±0.05의 공차 범위로 컬러맵 분석을 시행하였다. 기준 영상보다 양각으로의 차이 값은 ‘+’, 음각으로의 차이 값은 ‘–’로 표현되며, average 값은 양각과 음각의 구분 없는 차이 값들만의 평균이다. Positive average와 negative average는 각각 양각 차이 값과 음각 차이 값들의 평균이고, root mean square (RMS)는 계측값들의 제곱평균제곱근이며, 이러한 계측값들은 소프트웨어상에서 자동으로 계측된 값이다.

Fig. 2. Best fit alignment. Before (A) and after (B) alignment of the reference three-dimensional (3D) image with standard head posture and the 3D image with the changed head posture.

Fig. 3. Separation of the three-dimensional (3D) facial image into right and left sides. (A) Reference plane separating right and left, (B) right side of 3D facial image.

방법 오차

3차원 안면 입체영상에서의 측정 방법의 오차를 알아보기 위하여 8개의 마네킹을 임의로 선정하여 3주 후 재측정을 시행하고, Dahlberg 식에 의거하여 측정방법의 오차를 구하였다[16].

ME=∑D2/2N

D는 첫 번째와 두 번째 측정값의 차이

N은 대상자 수

Average는 0.0002–0.0059 mm의 오차 범위를 보였고, RMS는 0.0002–0.0025 mm를, positive average는 0.0003–0.0032 mm를, negative average는 0.0001–0.0025 mm의 작은 오차범위를 보였다.

통계 분석

계측한 측정값에 대해 Shapiro–Wilk test를 사용하여 정규성을 확인했다. 두부자세 변화가 3차원 안면 입체영상에 영향을 주는지 알아보기 위하여, 좌·우 회전, 위·아래 경사 영상과 표준 자세의 영상과의 차이에 대해 one-sample t-test를 시행하였다. 안면 영상을 오른쪽과 왼쪽으로 나누어 비교 분석한 결과, 좌·우 회전 영상의 경우에는 회전방향과 같은 방향인 동측과 반대 방향인 반대측을 비교 분석했을 때 유의한 차이를 보이는 반면(p<0.05), 위·아래 경사 영상의 경우에는 오른쪽과 왼쪽을 비교 분석했을 때 유의한 차이를 보이지 않아 이를 바탕으로 4개의 하부그룹을 나누었다. 즉, 좌·우 회전 영상의 경우에는 회전방향과 같은 방향인, 동측(RotS 그룹)과 반대 방향인 반대측(RotContr 그룹)으로 구분하고, 위·아래 경사 영상의 경우는 자세에 따라 구분(Up, Down 그룹)하여 4개의 하부그룹을 재구성하였다. 4개의 하부그룹에 대해 analysis of variance (ANOVA)를 시행한 후, post-hoc 분석을 시행하였다.

두부자세에 따른 3차원 안면 입체영상의 3D 비교

좌·우 회전과 위·아래 경사의 4가지 두부자세에서 서로 다른 3D 비교결과를 보였다. 좌·우 회전의 경우에는 왼쪽과 오른쪽이 서로 다른 양상을 보였으며, 표준 자세 영상을 기준으로 한쪽은 양각, 반대쪽은 음각의 차이를 나타내는 경향을 보였다. 위·아래 경사의 경우에는 서로 다른 양상을 보였으나, 각 움직임에서의 왼쪽과 오른쪽은 상대적으로 유사한 차이를 보였다(Fig. 4).

Fig. 4. The three-dimensional comparison of facial images according to the different head postures. (A) Right rotation, (B) left rotation, (C) upward rotation, (D) downward rotation.

두부자세에 따른 3차원 안면 입체영상의 비교 분석

표준 자세의 영상과 서로 다른 자세의 영상을 각각 중첩한 후 오른쪽과 왼쪽으로 나누어 one sample t-test를 시행한 결과, 안면 입체영상의 차이에 대한 전체 평균값인 average는 우측 회전의 경우도 회전방향과 같은 오른쪽에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 좌측 회전의 경우 같은 방향인 왼쪽에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.01). 반면, 나머지 변수들은 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다.

표준 자세 영상과 서로 다른 자세 영상 차이의 제곱 평균의 제곱근인 RMS는 좌·우 회전과 위·아래 경사에서의 왼쪽, 오른쪽 모두에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.01). 표준 자세 영상을 기준으로 양각의 영상으로 인한 차이를 보이는 값들의 평균값인 positive average와 음각의 영상으로 인한 차이를 보이는 값인 negative average에서도 좌·우 회전과 위·아래 경사에서의 왼쪽과 오른쪽 모두에서 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05; Table 1).

하부 그룹에서의 두부자세에 따른 3차원 안면 입체영상의 비교 분석

좌회전, 우회전에서의 안면 입체영상을 회전과 같은 방향 쪽인 동측과 반대 방향 쪽인 반대측으로 구분하여 RotS와 RotContr 그룹을 형성하고, 위·아래 경사에서는 자세에 따라 구분하여 up, down 그룹을 형성한 결과, 하부그룹의 average, RMS, positive average와 negative average에 대한 평균과 표준편차는 다음과 같다(Table 2).

4개의 하부그룹 간 차이에 대해 ANOVA 및 사후검정을 시행한 결과, average, RMS, positive average와 negative average 모두 하부그룹 간 통계적으로 유의한 차이(p<0.001)를 보였다(Table 3, Fig. 5).

Fig. 5. ANOVA analysis results. (A) Average, (B) RMS, (C) positive average, (D) negative average. RMS, root mean square; Up, upward rotation; RotS, same side in right or left rotation; RotContr, contralateral side in right or left rotation; Down, downward rotation.

발치 교정이나 악교정 수술을 동반한 교정치료 후 치아를 비롯한 치조골의 변화가 많이 나타날 경우 이에 따라 연조직의 모습도 많이 변화하게 된다. 환자의 주된 치료 동기가 안모개선을 위함인 점을 고려하면, 치료 후의 안모 변화에 대한 평가가 이루어져야 한다. 치료 후 연조직 변화에 대한 여러 선행연구가 진행되었으나, 주로 2차원 방사선사진인 측모 또는 정모두부계측방사선사진을 이용하여 진행되었다[1]. 2차원 영상인 두부계측방사선사진은 입체적인 안모형태를 반영하기 힘들다는 단점을 지니고 있으며, CBCT 연구가 이를 보완하더라도 방사선조사가 불가피하다는 단점이 있어 필요한 시기마다 자료를 채득하기 어렵다는 한계를 가지고 있어, 본 연구는 안모 형태를 3차원적 입체로 평가할 수 있는 3D 안면 스캔 영상을 대상으로 하였다.

연조직은 경조직과 달리 두부자세에 따라 그 형태가 달라진다[14]. 또한, 동일 환자라도 두부자세에 따라 일정 위치에서 촬영되는 2차원 영상이 서로 차이를 보이기 때문에 이를 이용하여 3차원 영상을 재구성하는 구조광 스캔 방식에서는 3차원 안면 입체영상에 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서 안면 입체영상 채득 시 두부자세에 대한 고려가 필요하다. 눕거나 앉아 있을 경우에서의 연조직 형태변화에 대한 연구는 있어왔으나[14], 두부자세 변화에 따른 연구는 드문 실정이다. Oh 등[17]은 머리 위치 변화에 따른 구조광스캔 안면 영상을 평가하였으나, 계측점의 재현성에 대해서 평가하여 영상의 3차원적 변화에 대한 이해는 부족한 실정이다. 이에 본 연구는 구조광스캔 방식의 안면 입체영상 채득 시 가능한 두부자세들이 3차원 안면 입체영상 형태에 영향을 미치는지 알아보고자 하였다.

3D 안면 입체영상 비교 시, 인체의 연조직은 자세뿐만 아니라 자세에 따라 달라지는 중력의 방향에 따라서도 그 형태가 달라질 수 있다[14]. 즉 인체에서 두부자세를 달리하면, 실제적인 연조직의 형태가 변하여 영상의 변형이 나타날 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 촬영 방법의 특성상 나타날 수밖에 없는 자세에 의한 영상의 변형만을 평가하기 위해, 다른 요인에 의해 촬영물의 형태가 변화할 수 있는 인체가 아닌 마네킹을 이용하여 연구를 진행하였다.

일반적으로 안면 입체영상 채득 시, 환자의 정중앙과 스캐너의 중심선을 일치시켜 촬영하지만 환자의 얼굴에서 일정 거리만큼 떨어져서 촬영하므로, 두부자세의 약간의 변화라도 영상의 형태에 영향을 줄 수 있음을 착안하여 두부를 좌·우측 또는 위·아래로 5도씩 회전시켜 영상을 채득하였다. 촬영 방법의 정확도를 높이기 위해서는 10개의 마네킹을 모두 동일한 각도로 회전시켜야 한다. 좌·우 회전의 일치를 위해 마네킹 바닥면이 회전이 가능한 마네킹을 선정하였으며, 회전은 마네킹 바닥면의 중앙점을 회전축으로 하여 좌·우측으로 각각 5도씩 회전시켰다. 위·아래로의 경사 이동은 5도로 경사진 아크릴판을 제작하여 촬영 시 동일한 위·아래 경사 이동이 되도록 하였다.

3차원 안면 입체영상의 3D 비교 결과, 좌·우 회전에서는 왼쪽과 오른쪽 얼굴이 서로 다른 변화양상을 보였으나, 위·아래 경사에서는 왼쪽과 오른쪽이 유사한 변화양상을 보였다. 이는 본 연구에서 사용한 Morpheus 3D 안면스캐너의 촬영 방식에 의한 차이로, 각각의 자세에서 정면과 우측면, 좌측면의 3종류의 이미지를 획득한 뒤에 이를 이용하여 3차원 입체영상을 재구성하기 때문인 것으로 해석된다. 따라서 두부자세에 따라 촬영 시 정면에서 촬영되는 안모가 달리 보이므로, 회전 방향에 따라 연조직 형태의 변화가 달리 보일 수 있으며, 이는 좌·우 회전 시 동측에서 차이를 보이는 등의 결과로 알 수 있었다. 반면, 위·아래 방향으로의 두부 경사 시에는 얼굴의 오른쪽과 왼쪽이 서로 차이를 보이지 않을 것으로 생각되었으며, 연구 결과에 따르면 오른쪽과 왼쪽 간에 차이는 없으나 정면에서 촬영한 영상과는 차이를 보임을 알 수 있었다.

3차원 안면 입체영상은 CBCT와 같이 변화하지 않는 부위가 없으므로, 영상을 비교하기 위한 기준을 정하기 어렵다. 따라서, 일반적인 촬영 자세인 표준자세 영상을 기준으로 삼고, 두부자세를 변화시킨 영상을 이에 중첩하여 두 영상이 동일한 자세가 되도록 한 후 영상을 평가하였다. 또한 입체영상의 3차원 분석 특성상 좌표 값으로 계측하는 것이 아니라, 두 영상 간의 차이 값으로 계측되므로 one sample t-test를 통해서 비교 분석하였다. 중첩된 영상은 컬러맵을 통해 일정 통계 범위 내에 있는 부분과 이를 벗어난 부분을 색으로 표시함으로써 변화 부분에 대한 가시성을 향상시켜 영상의 변화를 한눈에 알아볼 수 있었다.

기준 영상과 비교 영상의 두 영상을 비교 시, 비교 영상이 기준 영상보다 양각으로 변형된 부분도 존재하고 음각으로 변형된 부분도 존재하므로 계측값을 모두 비교 분석할 경우 그 변화량이 상쇄되어 과소평가되는 경향이 존재하였다. 이에 계측값의 평균값과 함께 차이 값의 제곱 평균의 제곱근과, 양각 변화에 대한 차이 값의 평균, 음각 변화에 대한 차이 값의 평균을 따로 비교 분석하여 좀 더 정확한 평가가 이루어지도록 하였다.

본 연구는 정면과 좌측면, 우측면의 3가지 이미지를 병합하여 3차원 안면 입체영상으로 재구성하는 스캔방식에서의 두부자세에 따른 영상의 변화를 보고자 하여, 환자 촬영 시 예측 가능한 두부자세인 좌·우 회전과 위·아래 경사에 대해서 평가하였다. 또한 촬영 방법 특성상 좌·우 회전 시 회전 방향에 따라 오른쪽 또는 왼쪽 이미지에 왜곡이 발생할 가능성이 높을 것으로 예상하여 3차원 안면 입체영상을 오른쪽과 왼쪽으로 나누어 비교 분석하였다. 따라서 연구방법상 부위 특이적 차이를 보기 어렵다는 제한점을 가지며, 추후 이에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한 중력에 의한 촬영물의 형태 변화를 최소화하면서 촬영 방법 특성상 나타날 수 있는 변형만을 평가하기 위해 마네킹을 사용하였지만, 실제 임상에서는 인체를 대상으로 치료를 시행하는 만큼 추가 인간 대상 연구가 필요할 것으로 생각된다.

이상의 연구 결과는 3차원 안면 입체영상 촬영 시 두부자세가 영상의 변형에 영향을 미치며, 두부자세에 따라 변형이 일어나는 양상이 다름을 보여주었다. 이에 치료 전, 후와 같은 다른 시점에 촬영한 3차원 안면 입체영상을 이용한 평가를 하고자 할 때는 재현성 있는 두부자세를 고려하여 영상을 채득해야 할 것이다.

This study was financially supported by Chonnam National University (grant number: 2021-2452).

The authors declare that they have no competing interests.