대한방사선의학회지 1991 ; 27 (2) : 259~265 Journal 01 Korean Radiological Society, March, 1991 Digital Radiography 를이용한원발성폐섬유화증의 검출능에대한 ROC 연구 이화여자대학교의과대학방사선과학
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- 영지 모
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1 대한방사선의학회지 1991 ; 27 (2) : 259~265 Journal 01 Korean Radiological Society, March, 1991 Digital Radiography 를이용한원발성폐섬유화증의 검출능에대한 ROC 연구 이화여자대학교의과대학방사선과학교실 - Abstract- 정은철 임정기 * 한만청 * 김종효 ** An ROC Study Detecting Ability of Idiopathic Pulmonary Fibrosis Using Digital Radiography Eun Chul Chung, M.D., Jung-Gi 1m, M.D. *, Man Chung Han, M.D. *, Jong Hyo Kim, M.S* Department of Radiology, College of Medicine, Ewha Womens University One potential advantage ofthe digital radiography system is its ability to enhance image quality by various types of processing. Digital unsharp masking is one of the simplest and most useful forms of enhancing processes. The efficacy of unsharp masking in radiological diagnosis has not been investigated thoroughly. To evaluate the effects of unsharp masking in film-digital chest images. 3 observers were shown 150 test radiographs. These test radiographs consisted of 50 unprocessed images (25 normals and 25 patients wi야1 idiopathic pulmonary fibrosis with honey combing) and their 100 processed images by using 450 and 15-sized masks respectively. An ROC analysis of these data suggests that unsharp masking is more effective in detecting idiopathic pulmonary fibrosis than unprocessed image (p<0.05). and so it may improve diagnostic accurary for interstitial fibrosis. In addition. the smaller mask size (15) is more effective than the larger one (mask size 45) (p<0.05). By using this analytic approach. an optimal parameter in digital chest radiography may be investigated in many other forms of pulmonary disease such as pulmonary nodule or mediastinal mass. Index Words: Lung. Idiopathic pulmonary fibrosis Radiography. digital Observer performance 하게되었다 (1-4). DR 시스템은기존의필름스크린을 서 근래에사용되고있는다양한영상진단기기중에서도 digital radi og raph y( 이하 DR 로약함 ) 는방사선과영역의영상시스댐의디지탈화, 진단결과를포함한각종엄상정보의분석및병원내국소통신망구축을통한병원업무의신속화의요구에부웅하는필수적인장비로동장 료응 이용한촬영과는달리디지탈감산혈관촬영술, 초음파촬영술, 자기공명영상둥과같이광 diode 소자를이용하여정보를디지탈화하여컴퓨터에연결시키는형태의촬영법을총칭하는것이다 (5-8). 이 DR 은기존 x - 선촬영의단점인산란선을제거시킬수있을뿐아니라대조도의뚜렷한증가를기대할수있으므로, 높은해상력과뛰어난대조도를요구하는흉부영상의진단적정확도를 이논문은문교부학술연구조성비의지원을받았음. * 서울대학교의과대학방사선과학교실,. Department of Radiology. College o[ Medicine. Seoul National University ** 서울대학교의과대학의공학과학교실,.,. Department of Medical Engineeπng. College o[ Medicine. Seoul National University 이논문은 년 1 월 23 일접수하여 년 3 월 5 일에채택되었음 - 259
2 대한방사선의학회지 1991 ; 27 (2) ; 제고시킬수있는유용한방볍으로그필요성이지대하다고하겠다 (9, 10). DR 의매개변수를통한영상처리의한방법인 un sharp m as king( 이하 UM 으로약함 ) 은가장간단하고도유용한방법으로널리사용되고있다 ( ). 이러한 UM 의방법이결절의검출에유용하다는많은보고가있으나원발성폐섬유화증에대한 UM 의영향에대하여는연구보고가미약하고더우기 UM 에서 mask 크기의변화에대한원발성폐섬유화증의진단에대하여는보고된바가없다. 이에저자들은고해상력전산화단층촬영 (high resolu tio n computed tomog raphy 이하 HR C T 로약함 ) 으로원발성폐섬유화증 (idiopathic pulmonary fibrosis) 과봉와상폐 (hon eyco mbing) 가확진된 25 례의환자와정상폐 25 례를디지탈화하여 150 례의영상을 ROC(receiver operating characteristic curve) 분석법을통하여분석함으로써원발성폐섬유화중과 mask 크기와의관계를구 표현할수있다 (14). Dp(x.y) = Do(x y)+k*. (Do(x,y)-Dus(x, y)) Unsharp image(dus) 는병변의경계부의화소를중심으로 mask 크기에따라일정한구획내에화소값들의평균을구하므로경계가흐려진영상이되고, 원래의영상 (Do) 에서이것을감산한값에가중치 k 를곱하여원래의영상에더해주연주변부가강조된영상 (Dp) 이얻어지게된다. 본실험에서는원발성폐섬유화증의 25 례와정상인 25 례의영상처리하지않은디지탈영상과, 이것을 mask 크기가 45(13.5 mm 2 ) 이며가중치가 0.75 인제 l 법 과 mas k 크기가 15(4.5 mm 2 ) 이며가중치가 1. 3 인제 2 법으로영상처리한각 50 개도합 1507ij 의영상이사용되었다. 가중치를같게하면 mask 크기와국부대조도가비례하는데본실험에서는국부대조도는일정한상태에서 mas k 크기가병변의검출능에미치는영향을조사하기위하여 mask 크기에따라가중치를달리하였다. 영상처리시영상당소요시간은 l 분이었다 명하기위하여본연구를수행하였다. 방 법 대상및방법대상 1) 영상의획득본실험에서사용된영상은서울대학교병원방사선과에서 년한해동안폐세칩생검흡인술과 H RCT 를이용하여봉와상폐를통반한원발성폐섬유증으로진단된 25 명의환자와 25 영의정상인의흉부 X 선사진을비디오키메라로디지탈화한디지탈 x- 선영상이었다. 14X 14 inch 필륨을 1024 X 1000 data m a tri x 로디지탈화하여 pixel 의크기를 0.3 mm 로해상력을 1 mm 당 1. 5 line pa n s 로하였으며 window 의폭파수준은최대및최소디지탈 value 의영상의중간치를선택하여결정하였다. 영상의디지탈화에사용된비디오카메라는 DAGE-MTI 사제의 Model CA 176 0으로 10 24X I00 0 의해상도와초당 15 매의처리능력 (f ram e r a t e) 을지니고있으며카메라와비디오신호는 Tencon 사의 frame grab. be r board 에서 8 bitpixel 의디지탈영상으로잡은다음컴퓨터에저장하였다. 영상의처리및디스플레이에사용된컴퓨터는 Acer사제의 Model (CPU intel 80386) 로서 32 bit IBM PC 였고 300 매의영상을저장할수있는광디스크드라이버가연결되어영상의저장에사용되었다. 3 명의방사선과전공의가디지탈영상의판독에참여 하였다. 먼저예비단계로영상처리하지않은것과제 1 및제 2 법으로처리한영상을약 30 분간한영상당 20 초 씩보여주어디지탈영상에익숙하게하였다. 관찰자에게영상처리하지않은것, 제 1 및제 2 법으 로처리한 1 50 영상을 C- 언어로제작한컴퓨터프로그램 을이용하여임의의순서대로비디오모니터에보여주고 매영상마다원발생폐섬유증과봉와상폐의두가지를관 찰하게하였다. 관찰하는시간은제한하지아니하였고 조명은모니터에반사가생기지 였다. 않을정도로어둡게하 ROC 분석을용이하게하기위하여확실히병변이있 는것, 아마도있는것, 분명치않은것, 아마도없는 것, 확실히없는것의순서대로 5 에서 1 까지의 ratlllg sca l e 로준비된기록지에답하게하였다. 각판독자의 결과를 Y 축을 true positive fraction. X 축을 fal se positi ve fra ct ion 으로한 ROC 곡선을그렸다 (15, 1 6 ). Rating sco r e 에서 Wilcoxon 계산법 (17) 을이용하여각 data 의 ROC 곡선하부면적과표준편차를계산하고, 판독자간 의판독능력의차이, 출용이도, 정하였다. 원발성폐섬유증과봉와상폐의검 영상처리에따른검출능의차이를 t -tes t 로검 2) 영상의처리 영상의처리는병변주변부를불명확하게하여원래의 영상에서감산하여주므로병변을경계를강조하는 un- 결 영상처리하지않은것과 mask 크기를 45 로한제 sharp m as kin g 법을사용하였으며아래와같은수식으로과 mask 크기를 15 로제 2 법의사진은 Figure 1 과 과 1 볍
3 정은철외 : Digital Radiography 를이용한원발성폐성유화증의겁출능에대한 ROC 연구 Fig. 1. a.b.c: A non-processed chest radiography (a) shows streaky interstitial infiltrates in the lower lobes. The lesions are more clearly seen with processing.ll (mask size 15. 이야 lan with processing.l (mask size 15. b). 같다. a T a ble 1 에서와같은순차적인방법으로데이타를 Wilcoxon 수식으로계산한한 ROC 면적은원발성폐섬 유화증의경우판독자 -A 에서 :1: 0. 05, 판독자 B 가 0.95 :1: 0.03, 판독자 -C 가 0.95 :1: 0.03 였고, 봉와상폐의 경우각각 0.73 :1: 0.07, 0.71 :1: 0. 08, 0.71 :1: 이 었다 (Tab l e 2) 이두경우를합산하였을때판독자 -A 는 B 와 C 에비하여 ROC 면적에유의한차이 (p (0. 05) 가있 어검출능력이다른두사람에미치지못함을알수있 었다. 세사람의결과를합산한원발성폐섬유화증의 ROC 면적은 0.90 :1: 0.04, 봉와상폐는 0.72 :1: 0.06 으로 원발성폐섬유화증이 용이하였다 (p (0. 02) 봉와상폐에비하여검출하기가더 영상처리여부에따른 ROC 면적은영상처리하지않 은경우 :1: 0.08, 제 1 법이 :1: 0.07, 제 2 법이 0.89 :1: 로 mask 크기가작은제 2 법이검출하는데 더유리하였으며 (p(0.05). 세방법의데이타를합산한결 과에서원발성폐섬유화증의 ROC 면적은 0.91 :1: 이고봉와상폐의 ROC 면적은 0.81 :1: 0.06으로역시원 발성폐섬유화증가봉와상폐에비하여유의하게높은결 과를보였다 (p (005) Y 축을 true positive fraction. X 축을 fal se positive fr ac ti o n 으로하여그린통상의 ROC 콕선에서판독자 A 의곡선이판독자 B 와 C 에비하여우하방에위치하고 있어판독자 A 는다른두사람에비하여검출능력이낮 음을알수있었고 (Fi g.2) 영상처리에따른 ROC 곡선 에서는 mask 크기 1 5 인제 2 법이제 1 법이나영상처리 하지않은경우보다좌상방에위치하여서 mask 크기가 작은경우에더쉽게병변을검출할수있음을알수있 었다 (Fig. 3) 고 안 원발성폐섬유화증은조직학적으로는폐포벽의염증 성비후, 폐포내의세포침윤, 섬유화둥으로특정지워지 며 (1 8, 19) 진행성으로실질성폐섬유화를초래하여폐성 c 심 (cor pulm o nale) 을유발하게되어폐용적의감소와저산소증등의증상이발현된후 3-6 년내에사망하게되는치명적인질환이다 (20, 21). 이러한저산소증은폐포결체조직의비후로인한폐포 -모세혈관간의교환장애때문이거나이차적인호홉 - 순환불균형때문인것으로
4 ι j 7 γ대한방사선의학회지 1991 ; 27 (2) : 259"-'265 알려져있다 (22, 2 3 ). 원발성폐실질섬유화증흉부 x- 선촬영으로는망상또는망상-결절양소견을볼수있고말기에는낭포성변화가심해져용와상폐를보이게된다 ( 24, 25). 이러한소견은봉와상폐의모양이보이지않는한다른불명인의실질성질환과감별이곤란하다 (2 1, 26, 27). Naidich(28) 는실질성폐침윤의 x- 선소견을 수천장의조직표본을겹쳐서보는것에불과할정도로비특정적인것 이라고적시한바있다. 진단은폐세침생검홉인술이나세기관지폐포세척동의방법이있으나완벽하지는않아단지수많은폐실질성질환의감별에고려해야할질병정도로인식되어왔다 (18, 29). 근래에 1. 5 mm 의절편두께와 bone a l go rithm 을이용한 HRCT 가도입되어원발성폐섬유화증의 HRCT 소견과병리적연관성에대하여많은연구가보고되고있다 (1 9, 25, 30). HR CT 는제 2 폐소구의구조까지관찰할수있으므로폐소구를침범하는많은병들, 예컨데폐포경변, 결핵의기관지성확산, 립프행성전이 sarcoidosis 및원발성폐섬유화증동을진단하는것이가능하다 (30-32). Muller 퉁 ( 1 9), S taples 퉁 (24) 은원발성폐섬유화증동에서 H RCT 상의섬세하지만불규칙적인간질의섬유화와폐포및기관지혈관벽의비후가조직소견과일치함을입증하여원발성폐섬유화증의진단에 HRCT 가유용하다고하였다. 그러나주지하다시피 HRCT 는방사선조사량이많고폐전체를보기 Table 1. Computation of W and its Standard Error of Pooled Data of Ubserver-A in idiopathic Pulmonary Fibrosis Column (Rating) Row Contents No. of normal rated x No. of abnormal rated <x No. of abnormal rated x No. of normal rated ;;'X Formular 1* Formular 2 Formular 3 x= o x= x= x= x=6 2 o Total nn =75@ na= W (Area under ROC curve)=0.81 SE (standard error) = *W. Standard Error (SE). Fomular 1.2.3: See nn = total numbers of normal cases. na= total numbers of abnormal cases ;Qm 잉 ;E 4 ω그 F ι6 m 냐t ; >--- a 그8-6 4? J - l ---- γινa, j ι ι y νι. i Observer A ð Observer B Observer C 2 J! 1! -- Observer A ð Observer 8 Observer C 4.6 False Positive Fraction a b Fig.2. a.b. Averate ROC curves obtained by mapping the results read by 3 observers in idiopathic pulmonary fibro: (a) and honeycombing (b). Detecting ability of observer a is lower than those of observer b and c False Positive Fraction
5 정은철외 : Digital Radiography 훌이용한원발성폐성유화증의겁출능에대한 ROC 연구 위하여는시간이오래걸리며비용이부담이되므로, 방 사선영상의디지탈화에통상적으로사용되기에는문제 가있다. 따라서접근이용이한 DR 을이용하여흉부촬 영을하는경우통상의흉부방사선촬영에서는진단이곤 란하였던 PIF 에어떠한매개변수가적합한가하는것이 밝혀져야한다. Table 2. Area under ROC Curves in Detecting of IPE and HC Readers A B C Mean Processing Area under ROC Curves IPF. HC. Mean 0.81 (0.06) 0.73 (0.07) 0.77 (0.06) 0.95 (0.03) 0.71 (0.03) 0.83 (0.03) 0.95 (0.03) 0.71 (0.07) 0.83 (0.05) 0.90 (0.04) 0.72 (0.06) Area under ROC cuπes IPF HC Mean Non-processing 0.92 (0.05) 0.75 (0.08) 0.83 (0.06) Processing.l 0.90 (0.05) 0.87 (0.08) 0.89 (0.07) Processing (0.04) 0.87 (0.04) 0.89 (0.04) Mean 0.91 (0.04) 0.83 (0.07) IPF: Idiopathic pulmonary fibrosis HC: Honeycombing ( ): Standard errors DR 은영상정보를디지탈화하여정보의상호교환 (data communication) 을가능하게하므로병원내의국소통신망 (l ocal area nectwork:lan) 을통한병원업무의신속화 (Picture archiving and communication system:p ACS) 에부응하는필수적인장비라고하겠다 (33). DR 의더중요한장점의하나는 pixel 크기의변화 window 및 level 의조절, adaptive filtering, zooming 동의영상처리를통하여병변의진단율을높일수있다는점이다 (2, 5, 6, 7). DR 의영상처리법중변연부강조효과의하나인 UM(low frequecy filtration, high pass filter퉁 ) 은가장간단하면서도유용한방법으로 UM 과병변의검출에관한많은연구가있다 (1 3, 21, 33, 34). UM 은병변주변부를불명확하게처리하여원래의영상에서감산하여주므로병변의경계를도리어강조하는처리법이다. Armstrong 둥 (12), Foly 동 (13) 은 UM으로늑골이나종격동에가라워진결절이영상처리하지않은영상에비해발견이쉬워진다 (52% 대 25%) 고하여 UM 의효용성을밝힌바있고, MacMahon(33) 둥은기흉의발견은쉬우나실질성침윤의경우는단순히가는선만을관찰하는것이아니므로정상폐구조도동시에강조되어도리어더보기어려워진다고하였다. 그러나 Pfluger 둥 (14) 은 UM 이 원발성폐섬유증에서도효용성이있다고주장하 였다 (1 4). 저자들의 연구에서는영상처리를하지 않은것 보다 영상처리를한것에서원발성폐섬유화증의 ROC 연적이 Q m u. w > 11' 1" l γ - 7 " '" ιι r z ρ- ι f,;,,r j{ i "" - ω 4 그 Non-processed ð. Processing I Processing Non-processed ð. Processing I Processing False Positive Fraction 2 4, 6 Fal se Positive Fraction a b Fig. 3. a,b. Average ROC curves obtained by the same method of Fig. 2 with image processing in idiopathic pulmonary fibrosis (a) and honeycombing (b). Accuracy is higher with processing image than with non-processing. Moreovere processing-l1 is higher than processing-l in accuracy
6 대한방사선의학회지 1991 ; 27 (2) : 259"-265 컸으며 (p(0.05) 영상처리한것중에서 mask 크기가 45 인것보다 15 인것이 ROC 면적이높았다 (p (0.05) 본연구에서 mask 크기에관계없이국부대조도의강조가일정하게유지되었으므로 mask 크기는강조되는대상물체의크기와관련된다. 따라서 mask 크기가 45(13.5 mm) 인경우는대략 13.5 mm 정도되는물체의국부대조도가주로강조되는반면에 mask 크기가 15(4.5 mm) 인것은 4.5mm 크기의물체의국부대조도가강조된영상이얻어지게된다. 원발성폐섬유화증의망상또는망상결정형의침윤은미세하므로 mask 크기가더작은경우에더잘관찰되는것은당연하다. 홍와상폐는여러가지크기 걸론방사선과영역에서점차중요한영역을차지하고있는 DR 시스템의가장유용한특정은여러가지변수를이용한영상의변환능력이라고할수있다. 그중에서도 UM 은질병의진단율을제고시킬수있는가장단순하면서도유용한영상변환과정이다. HR CT 로봉와상폐를동반한원발성폐섬유조화중으로확진된 25 례와정상 25 례를영상처리하지않은것과, 가중치 k 0.75, mask 크기 45(1 3.5 mm ') 언제 1 법과가중치 1. 3, mask 크기 15(4.5 mm 2 ) 언제 2 법으로 UM 의 낭성침윤과망상침윤이복잡하게중첩된것으로 영상처리한총 150 개의영상올 3 명의판독자가판독하 mask 크기가작아지면크기가큰병변들의국소대조도 의강조가감소되어검출능력은감소하게되기때문 고그결과를 ROC 로분석하여명가하였는데, 봉와상폐 보다는원발성폐섬유화중에서좀더나은결과를보였으 이다. 며, UM 으로영상처리한것이영상처리하지않은것에 영상처리를하지를하지않은것이 UM 으로영상처리 비하여높은 ROC 치를보였고, 영상처리한것중에서도 한것보다검출능이낮은이유는흉부 X 선영상을디지탈화하는데 Laser scanner가아닌필름 digitizer로비디오카메라를사용하여디지탈데이타일부가소실되어경계대비효과가감소되었기때문이다. 만약 Laser scanner 나직접 DR 촬영을하여원영상이선명한경우에 UM mask 크기가작은제 2 법이 mask 크기가더큰제 l 법에비해더높은검출능을보여원발성폐섬유화중의경우 mask 크기를작게하면검출능올높일수있음올알수있었다. 궁극적으로는방사선과의모든영상진단이디지탈화 으로영상처리한것과다름없을경우에는다른결과가 할것으로예상되는바, 이러한실험결과로서다른많은 도출되었을수도있으나, 본연구에서는기계적인문제 폐질환의 DR 촬영에서최적변수를창아내는것일가 때문에직접 DR 촬영올하여비교하지못하였다. 능하므로디지탈흉부영상을이용한폐질환의정확한진 판독자가저대조도, 저공간분해능의 DR 에익숙지않 아 Pfluger 둥 (1 4) 의 결과와배치되었을가능성에대하 여는판독자 A 가다른두사람과달리 DR 을판독해본 경험이없어판독능력은낮으나, 봉와상폐, 원발성폐섬유화중과 영상처리여부및 mask 크기변화에따른결 과는같으므로영상분석의미숙은문제가되지않는다고 생각한다. ROC 분석법은가장오류가적은분석법으로 나타난다고할때관찰자의순간순간의결정, 즉 cnterion level 의변화를가장잘반영하는분석법으로판독 자의분석능력의차이나분석법의오류의가능성은무시 해도될것으로생각된다. 이연구에서결절과는달리원발성폐섬유화중에서 mask 크기가증가하면진단율이감소하는결과를보여 주었다는점은홍미있는일이며 UM 이외에 pixel 의변 화, 의 window 와 lev e l 의조절, histogram equalization 퉁 영상처리를중복하여적용하였을때원발성폐섬유화 중과다른폐질환에서어떤결과를가져올것인가하는 것은진지하게연구되어야할과제이다. 방사선과영역 의모든영상진단이디지탈화된다고가정할때 DR 의영 상변수와병변의상관관계를확립하는것이필수적이며 본연구가그일부라고할수있다. 단에도움이될수있을것으로사료된다. Appendix W= Total (5) 수 (nn. na) = 0.81 Q2 = Total (6).;. (na. na') Ql = Total (7).;. (na. na') = 0.78 Formular 1: (1) x (2) + 12 x (1) x (3) Formular 2: (3) x [(4)' + (4) x (1) + 13 x (1)'] Formular 3: (1) x [(2)' + (2) x (3) x (3)'] SE= +(1-+) + (na-l) (Ql-+') + (nn-l) (Q'-+') na. nn 참고문헌 1. Seeley GW, Fisher HD, Stempki Mo, et a1. Tota1 digita1 radiology department: spatia1 resolution requirements. AJR 1987;148: Johnson GA, Ravin CE. A survey of digita1 chest radiography. RCNA 1983;21: Templeton AC, Dwyer 111 SJ, Johnson JA, et a1. An on-line digita1 image management. Radiology 1984;152: Dwyer 111 SJ, Templeton AW, Lee KR, et 외. The cost of managing digital diagnostic images. Radiology 1982;44: Ishida M, Ooi K, Loo LN. et 려. Digita1 image processing: effect on detectability of simulated low contrast
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