우리 중 많은 사람들이 치과 교정의 사무실에서 교정기를 정기적으로 조정하고 다시 조이는 느낌을 기억한다. 그리고 매년 15세 이하의 덴마크 청소년 중 약 30%가 비뚤어진 치아를 교정하기 위해 교정기를 착용한다. 치과교정의는 교육과 경험을 통해 얻은 지식을 사용하여 업무를 수행하지만, 컴퓨터가 최종 결과를 예측할 수 있는 가능성은 없다.

새로운 도구는 코펜하겐 대학의 컴퓨터 공학과와 3Shape 회사 간의 협력을 통해 개발되었다.

연구원들은 인간 턱의 치아와 뼈 구조를 스캔한 이미지를 사용하여 도구를 개발했으며, 이를 인공지능이 사용하여 환자의 치아를 가장 잘 교정하기 위해 교정기 세트를 어떻게 설계해야 하는지 예측한다.

“우리의 시뮬레이션을 통해 치열교정 의사는 치아를 교정하기 위해 교정기가 압력을 가해야 하는 위치와 가하지 말아야 하는 위치를 알 수 있다. 현재 이러한 개입은 전적으로 치열교정 의사의 재량에 달려 있으며 많은 시행착오를 수반한다. 이로 인해 교정의 사무실을 많이 조정하고 방문하게 될 수 있으며, 우리의 시뮬레이션은 장기적으로 이를 줄이는 데 도움이 될 수 있다.”고 코펜하겐 대학교 컴퓨터 공학과의 연구 부문인 IMAGE(이미지 분석, 전산 모델링 및 기하학)를 이끌고 있는 케니 얼레벤(Kenny Erleben) 교수는 이렇게 말한다.

치아의 움직임

치아는 사람의 일생 동안 조금씩 계속해서 이동하기 때문에 교정기가 어떻게 치아를 움직일지 정확히 예측하기 어려울 수 있다는 것은 놀라운 일이 아니다. 그리고 이러한 움직임은 입에서 입으로 넘어가는 것과 매우 다르다.

“치아 움직임이 환자마다 다르다는 사실은 사람들마다 치아가 어떻게 움직일지 정확하게 예측하는 것을 더욱 어렵게 만든다. 이것이 바로 우리가 이러한 과제를 극복하는 데 도움이 되는 새로운 도구와 다양한 모델의 데이터 세트를 개발한 이유이다.”라고 3Shape에서 근무하고 컴퓨터 공학과 박사 학위인 토르칸 골라말리자데(Torkan Gholamalizadeh)는 설명한다.

전통적인 브래킷과 교정기의 대안으로 정렬 장치로 알려진 차세대 투명 교정기가 인기를 얻고 있다. 얼라이너는 환자가 자신의 치아에 맞출 수 있도록 투명한 플라스틱 치아 모형으로 설계되었다.

환자는 하루 최소 22시간 동안 교정 장치를 착용해야 하며 2주마다 새롭고 더 단단한 장치로 교체해야 한다. 교정 장치는 플라스틱으로 만들어지기 때문에 사람의 치아는 교정 장치 자체의 윤곽도 변경하는데, 이는 새로운 도구에서도 고려되는 사항이다.

“투명 교정 장치는 금속 교정 장치보다 부드럽기 때문에 치아를 이동하는 데 필요한 힘을 계산하는 것이 훨씬 더 복잡하다. 하지만 이는 얼라이너를 사용할 때 치아 움직임도 예측할 수 있도록 모델에 고려하도록 가르친 요소이다.”라고 골라말리자데는 말한다.

디지털 환자

디지털 트윈은 클라우드에 존재하는 가상 모델로, 인간, 물리적 객체, 시스템 또는 실제 프로세스를 정확하게 반영하도록 설계되었다.

“가상 모델은 현실 세계에서 일어나는 일에 즉시 답할 수 있다. 예를 들어, 치아 하나를 밀면 어떤 일이 일어날지 물어보고 치아가 어디로 움직일지, 다른 치아에는 어떤 영향을 미칠지에 대한 답을 얻을 수 있다. 이 작업은 신속하게 수행되므로 무슨 일이 일어나고 있는지 알 수 있다. 오늘날 원하는 효과가 달성되었는지 확인하려면 몇 주가 지나야 한다.”라고 얼레벤은 말한다.

디지털 트윈은 계획, 설계 및 최적화에 사용될 수 있으므로 회사, 로봇, 공장을 운영하는 데 사용될 수 있으며 에너지, 의료 및 기타 분야에서 훨씬 더 많이 사용될 수 있다.

디지털 트윈을 사용하는 목표 중 하나는 예를 들어 의료 부문에서 인구에 대한 시뮬레이션을 만들 수 있는 것이다. 의료 제품을 사용하는 경우 가상 인물은 다양한 상황에 노출되어 반응을 테스트해야 한다. 시뮬레이션은 개인에게, 그리고 마지막으로 전체 인구에게 무슨 일이 일어날지에 대한 그림을 제공한다.

디지털 트윈은 치료를 개선할 수 있다.

연구원들은 개별 환자의 턱에 대한 정확한 3D 시뮬레이션을 생성하고 치과 의사와 기공사가 최상의 치료를 계획하는 데 사용할 수 있는 컴퓨터 모델을 만들었다.

이러한 시뮬레이션을 생성하려면 연구자들은 치아와 턱뼈와 치아 사이의 작고 미세한 구조인 치주 인대(치주 인대)에 대한 상세한 CT 스캔을 사용하여 인간 치아 세트를 매핑했다. 치주 인대는 치아를 턱에 단단히 고정하는 일종의 섬유질이 풍부한 결합 조직이다.

이러한 유형의 정확한 디지털 모방을 디지털 트윈이라고 하며, 이러한 맥락에서 연구원들은 "디지털 치과 환자"에 대한 데이터베이스를 구축했다.

그러나 그들은 거기서 멈추지 않았다. 연구원의 데이터베이스에는 언젠가 의료 부문의 다른 곳에서도 사용될 수 있는 다른 디지털 환자 유형도 포함되어 있다.

“현재 우리는 정렬 장치 설계 시뮬레이션 외에도 고관절 임플란트 등에 사용할 수 있는 디지털 환자 데이터베이스를 보유하고 있다. 장기적으로 이는 환자의 삶을 더 편하게 만들고 사회를 위한 자원을 절약할 수 있다.”라고 얼레벤은 말한다.

디지털 트윈을 활용하는 연구 분야는 비교적 새로운 분야이며, 당분간 얼레벤의 가상 환자 데이터베이스는 세계적 리더이다. 그러나 디지털 트윈이 실제로 뿌리를 내리고 의료 부문과 사회에 혜택을 주려면 데이터베이스가 더욱 커져야 한다.

얼레벤은 “더 많은 데이터를 통해 치료를 시뮬레이션하고 의료 기기를 조정하여 전체 인구의 환자를 보다 정확하게 타겟팅할 수 있게 될 것이다.”라고 말한다.

또한 이 도구는 치열교정의를 위해 출시되기 전에 다양한 규제 장애물을 제거해야 한다. 이는 연구자들이 가까운 미래에 보기를 바라는 것이다.

이 연구는 IEEE Access의 첫 번째 연구와 Biomedicine의 컴퓨터 방법 및 프로그램의 두 가지 연구에 설명되어 있다.

이 연구는 정부 기관 및 업계와 협력하여 유럽 7개 대학에서 컴퓨터 시뮬레이션 의학에 대한 연구를 수행하는 EU 연구 프로젝트 Rainbow의 일부이다. 이 연구는 구강 스캐너를 제조하고 디지털 치과용 의료 소프트웨어를 제공하는 3Shape 회사와 공동으로 수행되었다.

출처: 코펜하겐 대학교