[Application Note]3D 입체현미경 장치를 이용한 잠수 동맥류 아날로그의 영변 분석(변위, 변형률, Aneurysm, VIC-3D)

 

목차

 

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출처>>

Null strain analysis of submerged aneurysm analogues using a novel 3D stereomicroscopy device

by Lane, B.A.; Lessner, S.M.; Eberth, J.F.; Vyavahare, N.R.; Sutton, M.A.

 

In: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. (Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 10 June 2020, 23(8):332-344)

 

3D 입체현미경 장치를 이용한 잠수 동맥류 아날로그의 영변 분석

동맥류는 동맥벽이 국부적으로 확장된 상태로, 이로 인해 혈관이 약해지고 파열 위험이 높아집니다. 이를 정확하게 분석하기 위해서는 고도의 기술이 필요합니다. 최근 한 연구에서는 새로운 3D 입체현미경 장치를 사용하여 잠수 상태의 동맥류 아날로그의 변형을 분석하는 방법을 제안했습니다.

 

 

연구 배경

동맥류는 단순한 동맥과는 달리 복잡한 미세구조를 가지고 있으며, 특히 이질적으로 분포된 세포외 기질, 혈전 및 괴사 물질 등이 포함됩니다. 이로 인해 실험 중에 발생하는 변형을 기존의 기술로는 충분히 분석할 수 없습니다. 따라서 새로운 실험 방법이 필요합니다.

 

 

StereoDIC 기술

Stereo-Digital Image Correlation(StereoDIC)은 비접촉 광학 이미징 방법으로, 3D 형상과 국부 변형을 측정할 수 있습니다. 이 기술은 두 대의 카메라를 사용하여 동일한 샘플을 다른 각도에서 촬영하고, 이를 3D 형상으로 재구성합니다.

 

 

 

 

 

실험 장치와 방법

연구팀은 잠수 상태의 동맥류 아날로그를 분석하기 위해 새로운 StereoDIC 장치를 개발했습니다. 이 장치는 중앙에 위치한 샘플을 중심으로 15도 각도로 회전하는 카메라 시스템을 포함하고 있습니다. 이러한 구성은 샘플을 다양한 각도에서 촬영하여 360도 이미지를 얻을 수 있게 합니다.

 

 

주요 장치 사양

• 카메라: 두 대의 CMOS 카메라가 사용되며, 각각의 카메라는 높은 해상도를 제공합니다.
• 조명: LED 전면 조명이 사용되어 샘플을 고르게 비춥니다.
• 회전 스테이지: 샘플을 중심으로 카메라 시스템이 회전하며 이미지를 촬영합니다.

 

시스템 교정과 검증

연구팀은 시스템 교정을 위해 특정한 패턴이 인쇄된 그리드를 사용했습니다. 이를 통해 카메라 시스템의 정확성을 검증했으며, 측정 오류를 최소화했습니다. 또한, 샘플의 변형을 보다 정확하게 측정하기 위해 샘플 표면에 랜덤한 점 패턴을 생성했습니다.

 

 

 

 

 

 

3D 입체현미경 장치를 이용한 잠수 동맥류 아날로그의 영변 분석: 결과 및 해석

 

이번 연구에서 사용한 3D 입체현미경 장치는 잠수 상태의 동맥류 아날로그의 변형을 정밀하게 측정하는 데 큰 성과를 거두었습니다. 연구팀은 직선형, 방추형, 주머니형의 세 가지 동맥류 아날로그를 사용하여 다양한 실험을 진행했습니다. 

 

 

 

 

1. 시스템 교정과 형상 재구성

교정 결과

연구팀은 교정 그리드를 사용하여 카메라 시스템의 정확성을 검증했습니다. 교정 결과, 예상 위치와 실제 위치 간의 평균 거리는 약 0.022~0.042 픽셀로 매우 낮은 편이었습니다. 이는 시스템이 매우 정확하게 작동함을 보여줍니다.

 

형상 재구성

세 가지 형태의 동맥류 아날로그(직선형 바늘, 방추형 동맥류, 주머니형 동맥류)를 사용하여 형상 재구성을 수행한 결과, 실제 크기와 재구성된 크기 간의 오차는 각각 1.29%, 0.77%, 0.91%로 나타났습니다. 이는 시스템이 복잡한 형태의 샘플도 정확하게 재구성할 수 있음을 의미합니다.

 

 

2. 영변 분석(Null Strain Analysis)

영변 분석은 샘플이 변형되지 않은 상태에서 측정된 변형 값을 분석하여 시스템의 기본 오차를 평가하는 과정입니다.

 

시간에 따른 안정성

 

• 10분 후: 변형 값 Exx = -0.27 ± 1.88E-3, Eyy = -0.11 ± 0.82E-3, Exy = -0.09 ± 1.03E-3
• 30분 후: 변형 값 Exx = -0.70 ± 1.91E-3, Eyy = -0.062 ± 0.78E-3, Exy = 0.05 ± 1.12E-3
• 120분 후: 변형 값 Exx = -1.98 ± 2.36E-3, Eyy = -0.15 ± 1.12E-3, Exy = 0.07 ± 1.25E-3

 

 

시간에 따른 측정 값은 매우 안정적으로 나타났으며, 큰 변동 없이 일관된 결과를 보여주었습니다.

 

 

회전과 재배치에 따른 오차

시스템 회전 후 측정된 변형 값: Exx = 9.6E-5 ± 2.5E-3, Eyy = 2.1E-5 ± 8.9E-4, Exy = -1.2E-5 ± 1.5E-3
샘플을 회전시켜도 큰 오차 없이 안정적인 측정이 가능함을 확인했습니다.

 

 

3. 강체 이동 실험

강체 이동 실험에서는 샘플을 일정한 방향으로 이동시킨 후 측정된 변형 값을 분석했습니다.

 

이동 후 변위 측정

 

• 직선형 바늘: 이론적 이동 거리 -1.23mm, 측정된 이동 거리 -1.234mm (오차 0.32%)
• 방추형 동맥류: 이론적 이동 거리 -0.65mm, 측정된 이동 거리 -0.653mm (오차 0.46%)
• 주머니형 동맥류: 이론적 이동 거리 -0.55mm, 측정된 이동 거리 -0.553mm (오차 0.54%)

 

 

강체 이동 실험에서도 매우 정확한 측정 결과를 얻었으며, 측정 오차는 모두 1% 미만으로 나타났습니다.

 

결론

이번 연구를 통해 3D 입체현미경 장치는 잠수 상태의 동맥류 아날로그의 복잡한 변형을 매우 정확하게 측정할 수 있음을 확인했습니다. 이는 동맥류 분석 및 치료 연구에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것입니다. 앞으로 이 기술을 활용한 다양한 연구가 기대되며, 더욱 정밀한 의료 기기 개발에 큰 기여를 할 것입니다.

 

 

 

 

 

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