가상현실형 치아조각 교육 및 실습 시스템

Ⅰ. 서 론

치과 임상가의 손 기술과 지각능력은 필수 실무 능력으로 치과 임상가를 육성하는 교육기관은 이러한 기술의 달성과 향상에 도움이 되는 학습 환경을 조성해야한다[1]. 이를 위해 치의학 교육학교는 실제 환자에 대한 기존의 실습생 기반 교육 이외에도 역량을 개발하고 키울 수 있는 실습수업을 진행하고 있다. 치과 임상가는 임상 전 술기로 임상 기반을 익히기 위해 치아 형태를 이해하고 모형을 조각하는 치아 형태 조각은 반드시 숙지해야 한다[2]. 임상 전 술기의 치아 형태 조각 학습은 치아형태의 질병진단, 치료계획, 평가, 치의학의 전문지식이해와 적용 등 고차원 학습을 경험하게 된다. 치과 임상가는 각 치아 형태에 맞게 조각하는 손기술 숙달을 위해 많은 노력이 필요하다[3]. 치아 조각 학습은 인체를 대상으로 한다면 치아 조각 미숙으로 인해 대상자의 불편감을 유발할 수 있기 때문에 모형을 통한 치아 조각 실습이 필요하다.

이에 다양한 실습 지원 도구를 이용하여 실습교육을 진행하고 있으나, 현행 교육방법은 교수자가 텍스트나 사진으로 시각적, 언어적 정보를 제공한다. 그러나 공간지각력이 낮은 예비 치과 임상가는 치아형태의 융선, 함몰, 방향 등 입체적인 모습을 시각화 하는데 어려움을 겪을 수 있다. 이러한 어려움을 극복하고자 동영상을 활용해 수업을 병행하였으나 일방적인 방향에서 볼 수 있는 영상자료만으로는 해결책을 제시하지 못하였다[4]. 이러한 실습수업의 단점을 보완하기 위해서, 컴퓨터 기술을 활용한 치과 임상 시뮬레이션 장비가 개발 되고 있다[5]-[8].

가상현실 (VR; virtual reality) 기술은 컴퓨터 시뮬레이션으로 만들어진 3차원 가상공간 안에서 사용자가 오감 감각을 경험으로 확장 시키고 공유하며, 물리적, 공간적 제약에 의해 현실에서는 직접 경험하지 못하는 상황을 간접적으로 체험 할 수 있게 돕는 기술을 뜻한다[9]. VR을 통해 학습자는 가상현실을 통해 몰입감을 촉진 시키고 현상 이해도를 높여 학습물 자체의 실제감과 학습목표 활동의 실제성을 경험하게 되고, 학습 초기 단계에서 환자의 편안함과 안전이 향상되었다[10]. 수업 적용 시 가상 상황의 실제적 표현의 유사성이 높을수록 학습 효과가 크며, 현실감이 높을수록 현상 원리 및 현상에 대한 정확한 이해가 가능해 오개념을 줄인다는 결과 보고도 있다[11].

최근 VR 기술은 교육, 게임, 영화, 건축 설계, 관광 분야 등 여러 분야에 쓰이고 있고 VR 시장은 연 평균 22% 정도 성장으로 분석 되고 있다[5],[6]. VR을 이용한 기존 치의학 분야 연구에서는 환자상태 진료를 시나리오 형태로 가상학습 하거나, 수술교육 및 스케일링 훈련 등과 관련된 교육 컨텐츠, 환자의 치과불안상태를 완화시키기 위해서 가상현실 기술이 사용되었다[7],[8],[12],[13]. 또한 가상현실을 활용해 인체 장기의 해부 실습을 교육하는 연구는 있으나[14], 아직 치아 조각 실습에 관한 연구는 보고되지 않고 있다.

치아 형태 조각은 교수자의 이론 설명과 실습이 같이 이루어 져야 하며 치아 형태의 중간 산물을 다양한 방향에서 학습자가 관찰 할 수 있도록 보여주게 중요하다[15]. 치아조각 학습과정에서 입체적인 3D 형태를 가지고 단계별로 제시되는 학습과정은 학습자에게 효과적으로 확인되었다[16]. 그에 따라 가상현실 시스템을 활용한 컨텐츠 교육은 다음과 같은 이점을 가진다. 학습자가 복잡한 형태의 치아구조를 3D 형태로 360도 방향에서 조작하며, 단계별 조각과정을 반복학습 할 수 있다. 또한 학습 과정에 결과를 제공하고, 교수자의 수업에 대한 의존도를 줄이면서 학습 과정에 내장 된 객관적인 피드백을 제공 받을 수 있는 능력이 있다. 따라서 치아 조각 시 공간적, 시각적인 치아 형태의 특징을 살려 조각 과정의 중간 산물을 확인 해 치아 모형을 간접적으로 경험 가능한 가상현실 시스템 도구가 필요하다.

이에 본 연구는 기존 치아 형태 실습 도구의 한계점을 극복하고자 VR 기술을 활용하여, 3D 멀티미디어 기술을 적용한 상악 우측 제 1대구치 임상 시뮬레이션을 개발하였다. 상악 우측 제1대구치는 전치부와는 달리 교합면을 이루고 있는 형태학적 구조가 매우 복잡해 학습자가 형태를 익히기 복잡해 VR을 통해 형태의 구조 학습 및 단계별 조각 치아로 선정 하였다. 학습자는 상악 우측 제 1대구치 모형의 VR을 통해서 텍스트의 평면적 이미지가 보여주는 한계점을 극복하여 학습자의 손으로 직접 선택에 따라 확대나 회전이 가능해 치아 형태를 입체적으로 확인 할 수 있다. 또한 치아 조각 실습 속도와 단계 결정을 학습자가 스스로 결정 하여 자기 주도식 반복 학습이 가능하다. 이를 통해 시간적, 공간적 제약에서 벗어나 학습가능성을 높여주며, 치과 임상가의 치아 형태학 조각에 대한 임상실무 기술을 높이고자 한다.

Ⅱ. 방 법

2-2 소프트웨어

1) 치아 단계

상악 우측 제1대구치 모델 제작을 위해 스토리 보드를 작성하였다. 단계별 치아 모델 제작에 앞서 파라메트릭 모델링 방법을 SOLIDWORKS (2019, SolidWorks Corporation, USA) 이용해 그림 1과 같이 사전 모델로 단계를 나누고 이를 기반으로 세부 구현하였다. 최종 상악 우측 제1대구치는 초기 네모난 박스 블록에서 완성 모습까지 총 16단계로 제작하였다.

Fig. 1.

An implementation of an earlier model for the maxillary right first molar storyboard. The first stage shows the mesial, distal, buccal, and lingual surfaces being carved to build a parallelogram block (A). The third to fifth stages highlight the buccal, lingual, and occlusal surfaces being carved according to isometric lines of a tooth (B). The seventh to tenth stages involve the cusps of the occlusal surface being carved (C). The 16th stage demonstrates the completed carving (D). a: blocks to be carved out, B: buccal surface, M: mesial surface, yellow model: tooth crown, blue model: cevical regions of the teeth and tooth support

첫번째 단계는 상악 제1대구치의 교합면 형태를 표현할 수 있게 평형사변형 블록을 만들기 위해 근심, 원심, 협면, 설면을 삭제 하였다. 2단계는 근심면, 원심면에 도해도와 등분선을 그려 조각 가이드를 제시하고, 3단계부터 5단계까지는 치면에 표기된 등분선을 따라 협면, 설면을 다듬었다. 6단계는 협면과 설면에 도해도와 등분선을 표기 하고, 7~10단계 동안 근심면과 원심면을 다듬으며 교합면의 4개 교두(근심설측교두, 근심협측교두, 원심협측교두, 원심설측교두)가 크기대로 나타났는지 확인하였다. 11단계는 교합면의 구와 능각, 융선을 형성한다. 12단계는 협면과 설면의 치경선 부위를 다듬었다. 13~16단계를 거쳐 최대 풍융부, 교합면과 구의 형태를 확인하면서 상악 우측 제 1대구치의 형태를 완성하였다.

2) 개발기술

개발한 치아형태학 교육 및 실습을 위한 가상현실 시스템은 학습자가 VR 디바이스를 착용하고 시뮬레이션 할 수 있도록 설계하였다(Fig 2 참고).

Fig. 2.

The virtual reality construction process for temporary crown fabrication of the maxillary right molar

System Architecture단계는 상악 우측 제1대구치 3D 모델링 데이터를 제작하여 3D 엔진에 import 한 후 가상현실 구현시스템을 통해 가시화 시키는 과정이다. 가상현실 기반 콘텐츠를 개발하기 위해 Unity 3D engine (Unity Technologies, San Francisco, CA, USA)를 이용하였다. 상악 우측 대구치 16단계의 객체들은 3D Studio Max (2019, Autodesk, USA)를 이용하여 모델링 한 후 사실감을 얻기 위해 해당 객체에 Zbrush 3D package (2019, Pixologic, USA)로 텍스쳐 매핑과정을 거쳤다. Unity에서 Vive pro로 가상현실을 구현하기 위해 SteamVR Plug-in을 Unity Asset Store에서 다운받아 설치하였다. 설치 후 프로젝트에 Import하고, [CameraRig] Prefab을 Hierarchy탭에 옮기면 Scene이 추가된다. Interaction system으로 가상현실에서 컨트롤 할 수 있는 모델과 손의 위치, 동작, 이동 등의 구조를 설정해준다. 앞의 방법으로 가상현실로 만들어진 데이터를 학습자가 직접 HMD의 컨트롤러로 제어할 수 있다.

User experience단계는 학습자가 직접 HMD를 착용하여 가상현실을 통해 상악 우측 제1대구치를 경험할 수 있다. 학습자는 원하는 단계를 선택하여 모델을 학습 할 수 있고, 학습 하고자 하는 단계 모델의 원하는 방향을 향해 컨트롤러를 앞으로 뻗으면 가상현실의 손을 이용해 돌리고자 하는 방면으로 모델을 쥐고 해당 면을 학습 할 수 있다. 또한, 컨트롤러 버튼을 눌러 가상현실의 손을 이용하여 모델을 잡아 학습자 가까이에 가져와 확대된 모습의 모델을 관찰 해, 상악 우측 대구치의 형태를 정확하게 인지 할 수 있다. 학습자가 해당 모델의 학습을 마쳤을 때, 누르고 있던 컨트롤러의 버튼을 손에서 떼면 가상현실의 손도 잡고 있던 모델을 놓게 되어 처음 모델의 위치로 되돌아가게 된다. 이는 따로 모델을 조작할 필요 없이 컨트롤러의 버튼을 떼게 되면 자동으로 해당 단계의 모델의 형태로 리셋 되는 구조이다. 가상현실 화면 하단의 화살표를 배치하여, 가상현실의 손과 상호작용하여 이전 단계나 다음 단계로 이동할 수 있도록 설계하였다.

Ⅲ. 결 과

치아 형태 조각 실습을 위한 가상현실 콘텐츠는 치아형태를 현실감 있게 학습하여 치아 조각 능력을 향상시킬 수 있게 HMD를 착용하고 사용하도록 설계하였다. 그림 3은 학습자가 HMD를 머리에 쓰고 손에는 컨트롤러를 이용하여 콘텐츠를 수행하는 장면이며, 학습자가 원하는 방향으로 컨트롤러를 움직여 학습할 수 있다. 컨트롤러 조작 시 가상현실화면의 손모양이 컨트롤러와 같은 방향으로 움직여져서 학습자가 치아 모델을 움켜쥐고 원하는 방향으로 회전시킬 수 있고, 치아 모델을 시야 가까이 가져와 해부학적 구조물을 더 가까이 확인할 수 있다. HMD의 기계적 특성에 따라 원하는 곳에서 기기를 착용하면 가상의 공간이 생겨 가상현실을 통해 상악 우측 제 1대구치의 형태가 학습 가능하다. 화면 하단에 앞, 뒤 화살표를 삽입하여 컨트롤러를 이용하여 클릭하면 상악 우측 제1대구치 모델의 조각 순서대로 모델을 학습할 수 있다. HMD 기기 착용 시 학습자가 공간을 이탈하게 되면 가상 화면 안에 가상의 벽이 생겨 위험성을 알려 주기에 기기 착용 후 안전문제를 줄일 수 있다.

Fig. 3.

A user studies the maxillary first right molar morphology using the virtual reality system (A), and the actual virtual reality screen as experienced by a user (B). HMD: head mounted display, VC: virtual controller, NB: next button, PB: previous button

그림 4는 HMD를 통해 학습자가 보는 화면으로, 상악 우측 제1대구치를 조각하기 위한 단계별로 표시된다. 상악 우측 제1대구치는 5개의 면(협면, 설면, 근심면, 원심면, 교합면)으로 이루어진 입체적 구조로 각 면의 특징을 살려서 조각해야 하므로 방향의 혼란을 줄이기 위해 초기 단계(1~9단계)에서는 각 면을 다른 색깔로 지정하였다. 상악 우측 대구치의 16단계 구성은 네모박스 모델인 1단계부터 시작하여 근심면, 원심면에 그려진 도해도를 따라 협면과 설면의 최대풍융부를 중심으로 조각하는 2~5단계, 협면과 설면에 도해도를 표시하여 근심면과 원심면을 근원심 접촉부를 중심으로 조각해 압편된 평행사변형 모형으로 만드는 6~10단계, 교합면의 4개의 교두(근심 협측교두, 원심 협측교두, 근심 설측 교두, 원심 설측교두)의 특징을 살려 조각하는 11단계, 협면, 설면, 근심면, 원심면의 치경부와 융선을 표현하는 12~14단계, 각 면의 풍융부와 구, 교두, 능각 등의 특징을 모두 표시한 15단계, 마지막 단계인 16단계는 완성된 상악 우측 제1대구치 모델이다.

Fig. 4.

The 3D model of the maxillary first right molar from the head mounted display at each carving stage. The second stage shows a parallelogram shape on the mesial and distal surfaces where illustrations and half and one-third isometric lines are drawn (A), and the fifth stage demonstrates tooth preparation along the solid line (B), and the eighth model shows prepared blocks of the lower mesial and distal contact areas (C), and the stage 12-2 depicts how the central one-third of the buccal surface is smoothed (D). a: red dots represents the most convex part, b: solid lines indicate the areas carved out, c: dot lines indicate the isometric lines that divided the tooth by half and one-third, d: blocks to be carved out, e: red arrows indicate the direction towards which smoothing should be performed

가상현실 콘텐츠의 결과물인 상악 우측 제1대구치는 교합면에 복잡한 형태학적 특징을 포함하고 있으며, 조각 15단계를 이용하여 그림 5와 같이 학습자는 교합면 형태를 학습할 수 있도록 하였다. 상악 우측 대구치의 교합면은 4개의 교두(근심협측교두, 원심협측교두, 근심설측교두, 원심설측교두)에 3개의 삼각융선(근심협측삼각구, 근심설측삼각구, 원심협측삼각구)로 이루어져 있는 평행사변형을 확인할 수 있다. 설측교두에 비해 협측교두는 날카롭고 뽀죡하며, 4개의 교두 중 근심설측교두가 가장 크고 원심설측교두가 가장 발육이 미약하여 교두의 크기는 근심설측교두, 근심협측교두, 원심협측교두, 원심설측 교두 순서로 나타난다. 근심설측교두의 삼각융선과 원심협측교두의 삼각융선이 비스듬히 만나서 생기는 상악 우측 제1대구치만의 유일한 특징인 사주융선을 확인할 수 있다. 3개의 구는 원심구와 근심구로 구성된 중심구와 설측구, 협측구로 이루어졌으며, 구로 인해 만들어진 함몰부위인 와는 중심와, 원심와, 근심와를 이루고 있다. 근심소와에서는 협측으로 뻗어지는 근심협측삼각구와 설측으로 뻗어지는 근심설측삼각구가 나타나며, 원심소와에서는 협측으로 뻗어지는 원심협측삼각구가 나타난다. 중심소와, 근심소와, 원심소와는 중심와, 근심와, 원심와 보다 함몰부위를 깊게 제작하였다.

Fig. 5.

A 15-stage carving model that illustrates morphological properties of the maxillary first right molar. B: buccal surface, BG: buccal groove, CF: central fossa, CG: central groove, DBC: distobuccal cusp, DBTF: distobuccal triangular groove, DF: distal fossa, DLC: distolingual cusp, LG: lingual groove, M: mesial surface, MBC: mesiobuccal cusp, MBTF: mesiobuccal triangular groove, MF: mesial fossa, MLC: mesiolingual cusp, MLTF: mesiolingual triangular groove, OR: oblique ridge

그림 6A는 상악 우측 제1대구치의 형태학적 특징을 모두 담고 있는 가상현실 컨텐츠의 최종 16단계 모델이며, 그림 6B는 가상현실 컨텐츠를 활용하여 조각한 상악 우측 제1대구치의 왁스 모형이다. 그림 6B 협면은 교합면에 길고 치경연이 짧은 부등변사각형의 사다리꼴로 표현하였으며, 협면구로 인해 근심협측교두와 원심협측교두로 나누었고 최대 풍융부는 치경 1/3부위에서 근원심으로 돌출하여 협면 전체가 풍융한 모습을 보인다.

Fig. 6.

The maxillary first right molar model in virtual reality contents (A), The wax model of the maxillary first right molar carved using virtual reality contents (B). B: buccal surface, BG: buccal groove, D: distal surface, DBC: distobuccal cusp, DLC: distolingual cusp, Li: lingual surface, M: mesial surface, MBC: mesiobuccal cusp, MLC: mesiolingual cusp, OR: oblique ridge

그림 6B 근심면은 치경측이 교합측 보다 더 넓은 불규칙한 부등변사각형으로 보이며, 접촉부위인 교합 1/3부위와 중앙 1/3부위의 경계부에 위치해 가장 풍융하게 표현하였다. 교합면은 높고 뽀족한 근심협측교두와 원심협측교두가 보이며, 가장 발육이 미약한 원심설측교두도 표현되었다.소와로는 근심소와가 보이며 삼각융선이 비스듬히 만나 생기는 사주융선 또한 표현하였다. 학습자는 이러한 가상현실 콘텐츠를 통한 반복 학습으로 치아조각을 연습할 수 있다.

Ⅳ. 논의 및 결론

치아 조각은 치과임상가의 치아 형태 지식을 이해하고 적용하기 위해 중요하다[19]. 최근 치아 형태학 조각 교육 방향은 단순한 텍스트에서 나아가 영상을 통한 시뮬레이션 교육으로 발전하고 있다[4]. 시뮬레이션 교육의 사용은 적절히 사용하면 학생들이 학습과정에서 환자에게 해를 끼치지 않고 임상 기술을 개선 할 수 있다[20]. 임상 실무능력을 향상시키기 위한 도구 개발은 중요한 요소이며, VR기반의 교육프로그램 개발과 효능은 여러 분야에서 연구되고 있다[7],[8],[21]. 학생들이 VR시뮬레이터로 실습했을 때 더 빠르게 학습하고 시간당 더 많은 절차를 연습하였고, 가상훈련 사용으로 기존의 교수법에 비해 교수 시간을 5배 감소하였다[22],[23]. 가상현실을 이용한 치아 조각 교육 및 실습 시스템은 복잡한 교합면의 형태학적 구조, 시각적으로 볼 수 있는 풍융도와, 함몰의 정도, 시간과 공간에 제약 없이 반복적인 학습 등 교육효과를 높이기 적합한 학습모듈이다.

본 연구는 HMD를 이용하여 가상현실형 치아형태학 교육 및 실습 시스템을 제안하였다. 그림 3와 같이 Vive Pro의 컨트롤러를 이용하여 상악 우측 제1대구치의 학습 모델을 쥐고 돌리면서 제어가 가능한 가상현실 교육 시스템은 기존의 2차원 자료를 이용한 치아 조각 교육 방식보다 더 간략하고 현존감을 가지고 학습을 진행 할 수 있다. 치아 조각 과정은 16단계로 단계별로 진행되어 미숙한 조각 상태로 다음단계를 넘어가게 되면 학습자가 주체적으로 다시 전 단계로 돌아가 추가적 조각이 가능하다. 또한 조작 버튼은 단계별 버튼과 치아모형을 쥐어서 원하는 방향으로 돌리거나 가까이 가져오는 단순한 모션으로 제작해 학습자의 혼란성을 줄이려 하였다.

그림 5, 6에서 2차원적 학습도구인 교재를 이용하여 교육 하였을 때는 4개의 교두 높이의 차이, 교두의 크기 정도, 구와 소와의 함몰된 깊이 차이 입체감이 표현되지 않았는데, 3차원 학습도구 가상현실형 치아형태학 교육 시스템에서는 이러한 외형을 직관적으로 확인할 수 있었다. 그림 5와 같이 치아 구조물이 풍융부위, 함몰부위, 융선 등 여러 가지가 복잡하게 형성되어 있어도 가상현실 공간 안에서는 학습자가 원하는 만큼 크게 확대해서, 입체감을 느끼며 학습할 수 있어 실제 크기의 치아모형보다 학습에 도움을 줄 수 있다. 가상현실형 치아형태학 교육 및 실습 시스템의 학습 결과물로 그림 6의 상악 우측 제1대구치 왁스 조각을 볼 수 있었다. 실습 시스템을 이용한 왁스 조각의 결과물은 가상현실의 마지막 16단계와 비교하면 상악 우측 제1대구치의 특징인 사다리꼴 모양의 교합면과 사주융선, 근심면의 부등변 사각형 모양 등 표현이 잘 되게 조각된 모습을 볼 수 있었다. 또한 교합면의 4개의 교두의 크기 비율 분배와 교두를 통해 나타나는 융선과 와의 형태 또한 잘 나타나 있었다. User experience 단계에 의해 기존 교재를 이용한 치아 실습 조각 보다 입체적인 구조를 더 명확하게 구분할 수 있어서 치아 실습에 도움이 된다. 이러한 측면에서 치아 형태 조각 교육 및 실습 도구의 가능성을 보여주었다.

향후 본 연구를 바탕으로 가상현실을 접목한 치아조각 교육 시스템이 사용자의 사용성, 만족도 및 학습효과에 미치는 영향을 알아보는 후속 연구가 이루어진다면 더욱 효용 가치가 높을 것으로 생각한다. 이와 같이 개발된 치아 형태학 조각 실습 시스템을 바탕으로 가상현실 기반 실습 프로그램을 적용하면 학습자의 임상 실무능력에 상당 부분 기여할 것으로 기대한다.

Acknowledgments

이 논문은 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF-2020R1I1A3061952).

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