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Validation of a Mixed Reality Neuronavigation System Using Standardized 3D-Printed Skull Phantoms

본 연구는 3D 프린팅된 두개골 팬텀을 사용하여 혼합 현실 신경 항법 시스템을 검증하였으며, 이 시스템이 임상적으로 수용 가능한 정확도와 낮은 지연 시간을 달성함으로써 기존의 광학 시스템을 대체할 수 있는 실행 가능하고 비용 효율적인 대안임을 입증하였다.

원저자: Jia-yan Li, Xun-jie Ma, Zhi-Jian Weng, Zhi-Heng Jian, Ji-you Wu, Jun Wang, Zhong-jie Shi, Gang Chen

게시일 2026-08-25

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CC BY 4.0

원저자: Jia-yan Li, Xun-jie Ma, Zhi-Jian Weng, Zhi-Heng Jian, Ji-you Wu, Jun Wang, Zhong-jie Shi, Gang Chen

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

수술실에서 신경외과 의사의 가장 중요한 과업은 종종 뇌 깊숙이 숨겨진 아주 작은 표적을 찾아내어, 주변의 섬세하고 건강한 조직을 건드리지 않고 제거하는 것입니다. 이를 안전하게 수행하기 위해 외과의들은 고도의 기술이 집약된 GPS처럼 작동하며, 환자의 해부학적 구조와 관련하여 자신의 기구가 정확히 어디에 있는지 보여주는 내비게이션 시스템에 의존합니다. 수십 년 동안 이러한 시스템은 2차원 이미지를 별도의 모니터에 투영하는 방식으로 작동해 왔습니다. 이는 외과의가 화면을 확인하기 위해 환자의 머리에서 시선을 돌렸다가 다시 환자를 보며 수술해야 하는 상황을 강요하며, 이로 인해 집중력이 깨지고 정신적 피로가 가중됩니다. 혼합 현실(mixed reality)이라고 알려진 새로운 접근 방식은 뇌의 3차원 홀로그램을 외과의의 시야에 직접 투영함으로써 이 문제를 해결하고자 하며, 이를 통해 외과의는 마치 두개골을 투시하는 것처럼 내부 구조를 볼 수 있게 해줍니다. 그러나 이 기술이 생사가 오가는 상황에서 신뢰를 얻기 위해서는, 현재 사용 중인 기존 시스템만큼이나 정확하고 반응 속도가 빠르다는 것이 입증되어야 합니다.

주하이 인민병원의 연구진과 그들의 협력자들은 맞춤 제작된 혼합 현실 내비게이션 시스템이 이러한 엄격한 기준을 충족할 수 있는지 테스트하기 위해 연구를 시작했습니다. 새로운 장치를 대상으로 인간 환자에게 직접 테스트하는 것은 윤리적으로 복잡하고 위험할 수 있으므로, 연구진은 실제 의료 스캔 데이터를 기반으로 제작된 5개의 매우 정밀한 3D 프린팅 인체 두개골 모델을 사용하여 통제된 테스트 환경을 조성했습니다. 이 모델들은 특정하고 알려진 위치에 작은 강철 못을 배치하여 참조점으로 활용하도록 제작되었습니다. 연구팀은 이 모델들을 사용하여 새로운 혼합 현실 시스템을 병원에서 이미 널리 사용되고 있는 표준 상용 광학 내비게이션 시스템과 비교했습니다. 연구진은 디지털 지도와 물리적 모델이 얼마나 일치하는지, 그리고 외과의가 도구를 움직일 때 시스템이 얼마나 빠르게 반응하는지를 측정했습니다.

결과에 따르면 혼합 현실 시스템은 매우 우수한 성능을 보였습니다. 연구진이 디지털 표적과 실제 강철 못 사이의 거리를 측정했을 때, 새로운 시스템의 평균 오차는 1.37mm였습니다. 기존의 상용 시스템은 평균 오차가 1.1mm로 약간 더 정밀했습니다. 새로운 시스템이 전통적인 시스템만큼 완벽하지는 않았지만, 두 시스템 모두 뇌 수술에서 의사들이 허용 가능하다고 간주하는 안전 범위인 일반적으로 2mm 미만 안에 들어왔습니다. 이는 홀로그램 가이드가 실제 수술실에서 안전하게 사용될 만큼 충분히 정확하다는 것을 의미합니다.

속도 또한 중요한 요소였는데, 도구를 움직이는 것과 화면에서 움직임을 보는 것 사이에 아주 작은 지연이라도 발생하면 위험할 수 있기 때문입니다. 연구진은 고속 영상을 사용하여 시스템의 반응을 기록함으로써 이 지연 시간을 측정했습니다. 연구 결과, 혼합 현실 시스템은 약 108밀리초 만에 반응하는 것으로 나타났습니다. 이는 인간 외과의가 즉각적이라고 느낄 만큼 빠른 속도로, 홀로그램 이미지가 물리적 기구와 완벽하게 동기화되어 움직이도록 보장합니다. 이 연구는 3D 프린팅 테스트 방식이 기술을 검증하는 신뢰할 수 있는 방법을 제공했으며, 혼합 현실 시스템이 비싸고 복잡한 전통적인 내비게이션 도구에 대한 실행 가능하고 비용 효율적이며 사용자 친화적인 대안임을 입증했다고 결결론지었습니다. 외과의가 시선을 돌리지 않고도 뇌를 3차원으로 볼 수 있게 함으로써, 이 기술은 피로를 줄이고 향후 신경외과 수술의 정밀도를 높일 수 있습니다.

기술 요약: 표준화된 3D 프린팅 두개골 팬텀을 이용한 혼합 현실 신경항법 시스템의 검증

문제 제기
기존의 광학 신경항법 시스템은 정밀한 신경외과 수술에 필수적이지만, 외과의가 수술 필드와 별도의 2D 모니터 사이를 빈번하게 시선을 옮겨야 하므로 인지 부하와 절차적 복잡성을 증가시킨다는 중대한 한계가 있다. 또한, 이러한 시스템은 높은 비용, 복잡한 하드웨어 설정, 그리고 가파른 학습 곡수를 특징으로 한다. 혼합 현실(MR) 항법은 3D 홀로그램 해부학적 재구성 모델을 수술 필드 위에 직접 중첩함으로써 대안을 제시할 수 있으나, 신경외과 환경에서 그 정확도와 지연 시간을 정량적으로 엄격하게 검증하는 연구는 여전히 제한적이다. 기존 연구들은 표준화된 테스트 환경이 부족하거나, 4.0mm에서 4.1mm에 달하는 오차가 보고된 초기 세대 하드웨어에 의존하는 경우가 많다.

연구 방법론
본 연구는 상용 광학 항법 시스템(Anke ASA-610V)을 대상으로 맞춤형 제작된 MR 신경항법 시스템을 검증하기 위해 통제된 실험 설계를 채택하였다.

팬텀 제작: 고정밀 3D 프린팅 기술을 사용하여 5개의 표준화된 두개골 모델을 제작하였다. 이 모델들은 건강한 성인의 얇은 단층 CT DICOM 데이터로부터 파생되었다. 프린팅 과정에는 광경화성 수지가 사용되었으며, 기준점(fiducial markers) 및 타겟 포인트 역할을 할 1.1mm 강철 못을 삽입하였다. 모델은 재현성을 보장하기 위해 특정 해부학적 랜드마크(예: 유양돌기, 안와상 돌기)를 포함하도록 설계되었다.
시스템 아키텍처:
- 하드웨어: MR 시스템은 Microsoft HoloLens 2 글래스, 노트북 컴퓨터(Legion Y700P), 무선 라우터, 항법 프로브 및 고반사 마커 볼을 활용하였다.
- 소웨어: 술전 모델은 3D Slicer와 GeomagicWrap을 사용하여 처리되었다. 항법 소프트웨어는 HoloLens 2를 위해 개발된 맞춤형 Windows 애플리케이션으로, 음성 인식, 모델 투명도 조절 및 타겟 포인트 설정을 지원한다.
- 등록(Registration): 시스템은 포인트 기반 강체 등록(rigid body registration) 방식을 사용하였다. 가이드 프로브를 사용하여 3D 모델상의 5개 비공면(non-coplanar) 가상 마커 포인트를 팬텀 상의 대응하는 물리적 지점(강철 못)과 정렬하였다. 최소제곱 알고리즘을 통해 가상 공간과 실제 공간을 정렬하기 위한 변환 행렬을 계산하였다.
교정(Calibration): MR 시스템은 커스텀 FR-554 다지점 교정 지그를 사용하여 ASTM F2554-18 표준에 따라 교정되었다. 이를 통해 추적 정확도를 확보하고 광학적 왜곡 및 팁 오프셋을 보정하였다.
평가 지표:
- 기준점 평면 오차(Fiducial Planar Error, FPE): 등록 지점의 2D 평면 편차를 측정하였다.
- 타겟 평면 오차(Target Planar Error, TPE): 특정 해부학적 랜드마크에 위치한 강철 못의 실제 물리적 위치와 가상 타겟 포인트 사이의 2D 유클리드 거리를 측정하였다.
- 지연 시간(Latency): 물리적 프로브의 움직임과 가상 반응 사이의 시간 지연( $\Delta t = T_2 - T_1$ )을 측정하기 위해 두 대의 스마트폰을 이용한 프레임 단위 비디오 분석을 통해 정량화하였다.

주요 결과

정확도 비교:
- 상용 광학 항법 시스템은 평균 FPE 0.88 ± 0.04 mm 및 평균 TPE 1.1 ± 0.44 mm를 달성하였다.
- 맞춤형 MR 시스템은 평균 FPE 1.29 ± 0.34 mm 및 평균 TPE 1.37 ± 0.32 mm를 달성하였다.
- 통계 분석(paired t-test) 결과, 두 시스템 간에 FPE에서 유의미한 차이가 나타났다 ( $p = 0.007$ ). 그러나 두 시스템 모두 임상적으로 허용되는 임계치인 2 mm 미만 내에서 평균 오차를 유지하였다.
지연 성능:
- MR 시스템은 평균 지연 시간 108.38 ± 8.7 ms를 나타냈으며, 이는 약 9.2 Hz의 업데이트 속도에 해당한다.
- 이 지연 시간은 실시간 신경외과 항법에 임상적으로 수용 가능한 기준인 200 ms 미만이다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 신경외과 분야에서 MR 항법의 임상적 전환을 위한 근거 기반의 지원을 제공한다고 주장한다. 표준화된 3D 프린팅 두개골 팬텀을 활용함으로써, 본 연구는 통제되고 재현 가능한 조건 하에서 맞춤형 MR 시스템을 기존 광학 플랫폼과 성공적으로 벤치마킹하였다.

본 논문은 홀로그램 MR 항법 시스템이 수용 가능한 정확도와 낮은 지연 시간을 제공하여, 전통적인 광학 시스템에 대한 실행 가능하고 비용 효율적이며 사용자 친화적인 대안이 될 수 있다고 결론짓는다. 이 시스템은 직관적인 3D 시각화를 제공하고, 시선 이동의 필요성을 줄이며, 보다 휴대 가능한 하드웨어 구성을 활용함으로써 기존 항법의 주요 한계를 해결한다. 저자들은 MR 시스템의 정확도가 광학 표준보다 약간 낮지만, 안전한 임상 한계 내에 머물러 있어 일상적인 신경외과 진료에서의 폭넓은 도입 가능성을 뒷받침한다고 강조한다.

인정된 한계점
본 연구는 다음과 같은 몇 가지 한계점을 명시하였다:

측정 대리 지표: 평면 오차를 측정하기 위해 버니어 캘리퍼스를 사용하는 것은 진정한 3D 등록 오차(FRE/TRE)의 대리 지표 역할을 하며, 이로 인해 수동 편향이 발생할 가능성이 있다.
지연 시간 측정: 스마트폰 기반의 비디오 녹화는 고속 이미징 시스템에 비해 프레임 레이트 해상도가 제한적이다.
지표의 범위: 공간 포즈 정확도(방향 오차)는 평가되지 않았으며, 장시간 운용에 따른 동적 지연 드리프트(dynamic latency drift)에 대한 평가도 이루어지지 않았다.

향-후 연구에서는 직접적인 FRE/TRE 정량화를 위한 표준화된 도구, 지연 프로파일링을 위한 고속 이미징, 그리고 종합적인 공간 포즈 측정이 포함될 것을 제안하였다.

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