치아를 바로 잡는다고요? AI가 도와줄 수 있습니다

코펜하겐 대학교와 쓰리쉐이프에 의해 개발되고 있는 새로운 도구는 치아교정사들이 치아에 교정기를 정확하게 맞추는데 도움을 줄 것입니다. 인공지능과 가상 환자들을 이용하여 치아 교정이 너무 느슨하거나 너무 팽팽하지 않도록 하기 위해 그 도구는 치아가 어떻게 움직일 것인지 예측합니다.

우리들 중 많은 사람들이 교정실에서 치아 교정을 정기적으로 하고 다시 조이는 느낌을 기억합니다. 그리고 매년, 15세까지의 덴마크 청소년들 중 약 30%가 삐뚤어진 치아를 정렬하기 위해 치아 교정을 합니다. 교정의사들은 그들의 교육과 경험으로부터 얻은 지식을 그들의 일을 수행하기 위해 사용하지만, 컴퓨터가 최종 결과를 예측하기 위해 제공할 수 있는 가능성은 사용하지 않습니다.

코펜하겐 대학의 컴퓨터 과학부와 회사 3Shape의 협력으로 개발된 새로운 도구는 불필요한 불편함 없이 최상의 결과를 제공하기 위해 교정기가 어떻게 맞아야 하는지 시뮬레이션하는 것을 가능하게 합니다.

이 도구는 사람의 턱에서 치아와 뼈 구조를 스캔한 이미지의 도움을 받아 개발되었으며, 인공지능은 환자의 치아를 가장 잘 펴기 위해 치아 교정기 세트가 어떻게 설계되어야 하는지 예측하는 데 사용합니다.

“우리의 시뮬레이션은 치아 교정 의사에게 치아를 펴기 위해 교정기가 어디에 압력을 가해야 하는지 그리고 어디에 압력을 가해서는 안 되는지 알려줄 수 있습니다. 현재, 이러한 개입은 전적으로 교정 의사의 재량에 기초하고 있으며 많은 시행착오를 수반합니다. 이것은 많은 조정과 교정 의사의 사무실 방문으로 이어질 수 있으며, 우리의 시뮬레이션은 장기적으로 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.”라고 UCPH 컴퓨터 과학부의 연구 부문인 IMAGE(이미지 분석, 계산 모델링 및 기하학)를 이끄는 Kenny Erleben 교수는 말합니다.


치아 움직임을 예측하는 데 도움을 줍니다

치아가 사람의 일생 동안 계속해서 약간씩 변화하기 때문에 교정기가 어떻게 치아를 움직일 것인지 정확히 예측하는 것이 어려울 수 있는 것은 당연합니다. 그리고 이러한 움직임은 입마다 매우 다릅니다.

“치아의 움직임이 환자마다 다르다는 사실은 치아가 다른 사람들에게 어떻게 움직일 것인지 정확하게 예측하는 것을 더욱 어렵게 만듭니다. 그래서 우리는 이러한 도전들을 극복하는 것을 돕기 위해 새로운 도구와 다양한 모델의 데이터 세트를 개발했습니다.”라고 컴퓨터 과학부의 3Shape과 박사과정의 Torkan Gholamalizadeh는 설명합니다.

고전적인 브라켓과 치아 교정기의 대안으로, 얼라이너로 알려진 새로운 세대의 투명 교정기가 자리를 잡았습니다. 얼라이너는 환자들이 그들의 치아 위에 알맞은 치아의 투명한 플라스틱 주조물로 설계되었습니다.

환자들은 하루에 적어도 22시간 동안 얼라이너를 착용해야 하며, 2주마다 새롭고 더 촘촘한 세트로 교체해야 합니다. 얼라이너는 플라스틱으로 만들어지기 때문에, 사람의 치아 또한 얼라이너 자체의 윤곽을 바꾸는데, 이것은 새로운 도구도 고려한 것입니다.

“투명 얼라이너가 금속 교정기보다 더 부드러우므로 치아를 움직이는 데 얼마나 많은 힘이 필요한지 계산하는 것은 훨씬 더 복잡해집니다. 하지만 얼라이너를 사용할 때 치아 움직임을 예측할 수 있도록 모델에 고려하도록 가르친 요소입니다.”라고 토르칸 골라말리자데(Torkan Gholamalizadeh)는 말합니다.


디지털 쌍둥이는 치료를 개선할 수 있습니다

연구원들은 환자 개개인의 턱에 대한 정확한 3D 시뮬레이션을 만들고 치과의사와 기술자들이 가능한 최상의 치료법을 계획하는 데 사용할 수 있는 컴퓨터 모델을 만들었습니다.

이러한 시뮬레이션을 만들기 위해 연구원들은 치아의 세부적인 CT 스캔과 턱뼈와 치주 인대로 알려진 치아 사이의 작고 미세한 구조를 사용하여 인간 치아 세트를 매핑했습니다. 이는 치아를 턱에 단단히 고정시키는 섬유질이 풍부한 결합 조직의 일종입니다.

이런 형태의 정밀한 디지털 모방을 디지털 트윈이라고 하는데, 이런 맥락에서 연구진은 ‘디지털 치과 환자’에 대한 데이터베이스를 구축했습니다.

하지만 그들은 거기서 멈추지 않았습니다. 연구원들의 데이터베이스에는 언젠가 의료 분야의 다른 곳에서 사용될 수도 있는 다른 디지털 환자 유형들도 포함되어 있습니다:

“현재, 우리는 얼라이너 디자인을 모방하는 것 외에도 고관절 임플란트 등에 사용될 수 있는 디지털 환자들에 대한 데이터베이스를 가지고 있습니다. 장기적으로, 이것은 환자들의 삶을 더 쉽게 만들고 사회의 자원을 절약할 수 있습니다”라고 케니 얼레벤은 말합니다.

디지털 트윈을 활용하는 연구 분야는 비교적 신생이고, 당분간은 얼레벤 교수의 가상 환자 데이터베이스가 세계적인 선두주자입니다. 하지만 디지털 트윈이 진정으로 의료 분야와 사회에 뿌리를 내리고 혜택을 주기 위해서는 데이터베이스가 더욱 커져야 할 것입니다.

“더 많은 데이터를 통해 우리는 치료법을 시뮬레이션하고 의료 기기를 조정하여 전체 인구의 환자를 보다 정확하게 목표로 삼을 수 있을 것입니다.”라고 Erleben 교수는 말합니다.

게다가, 이 도구는 교정 의사들을 위해 출시되기 전에 다양한 규제 장애물을 제거해야 합니다. 이것은 연구자들이 가까운 미래에 보기를 희망하는 것입니다.


박스: 디지털 트윈

디지털 트윈은 클라우드에 사는 가상 모델로, 인간, 물리적 대상, 시스템 또는 실제 프로세스를 정확하게 미러링하도록 설계되었습니다.

“가상 모델은 현실 세계에서 일어나고 있는 일에 대답할 수 있고, 즉시 그렇게 합니다. 예를 들어, 만약 여러분이 한 치아를 밀면 어떤 일이 일어날지, 그리고 그것이 다른 치아에 어떤 영향을 미칠지에 대해 대답을 얻을 수 있습니다. 이것은 여러분이 무슨 일이 일어나고 있는지 알 수 있도록 빠르게 이루어질 수 있습니다. 오늘날, 원하는 효과가 달성되었는지를 알기 위해서는 몇 주가 지나야 합니다”라고 케니 얼레벤 교수는 말합니다.

디지털 트윈은 계획, 설계 및 최적화에 사용될 수 있으며 따라서 회사, 로봇, 공장을 운영하는 데 사용될 수 있으며 에너지, 의료 및 기타 부문에서 훨씬 더 많이 사용될 수 있습니다.

컴퓨터 공학부에서 디지털 쌍둥이와 함께 일하는 것의 목표 중 하나는 예를 들어, 의료 분야에서 인구에 대한 시뮬레이션을 만들 수 있는 것입니다. 의료 제품과 함께 일한다면, 가상의 사람들은 다양한 상황에서 그들의 반응에 노출되고 테스트를 받아야 합니다. 시뮬레이션은 개인에게 그리고 마지막으로 전체 인구에게 무슨 일이 일어날지에 대한 그림을 제공합니다.


스터디에 대하여

그들의 연구에서 연구원들은 치아의 CT 스캔을 사용하여 시뮬레이션 도구를 개발했는데, 이것은 치아 교정기가 어떻게 가장 잘 설계되고 부착되어야 하는지를 예측할 수 있습니다.

이 연구는 “시뮬레이션 목적으로 치주 인대 인터페이스 세부 정보를 가진 개별 치아와 뼈의 딥러닝 기반 분할”과 “오픈풀조: 인간 턱의 유한 요소 모델을 위한 오픈 액세스 데이터 세트 및 파이프라인”이라는 연구에서 설명됩니다

이 연구는 정부 기관 및 업계와 협력하여 유럽 7개 대학에서 컴퓨터 시뮬레이션 의학 연구를 수행하는 EU 연구 프로젝트 레인보우의 일부입니다.

이번 연구는 구강내 스캐너를 제조하고 디지털 치과용 의료용 소프트웨어를 제공하는 쓰리쉐이프사와 협업해 진행됐습니다.

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