대한방사선의학회지 1992 ; 28 (6) : 858~864 Journal of Korean Radiological Society. November 흉부영상에서디지탈영상처리술의모의병변검출능에 관한실험적연구 * 서울대학교의과대학진단방사선과학교실 - Abstra

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1 대한방사선의학회지 1992 ; 28 (6) : 858~864 Journal of Korean Radiological Society. November 흉부영상에서디지탈영상처리술의모의병변검출능에 관한실험적연구 * 서울대학교의과대학진단방사선과학교실 - Abstract- 송군식 ** 강흘식 임정기 한만청 김주완 김종효 * ** 민병구 *** Effects of Digital Irnage Processing on the Detection of Sirnulated Lesions in Chest Radiographs: An Experirnental Study Koun Sik Song, M.D. **, Heung Sik Kang, M.D., Jung Gi 1m, M.D., Man Chung Han, M.D., Chu Wan Kim, M.D., Jong Hyo Kim, Ph.D.***, Byung Goo Min, Ph.D.** * Departmeη t 01 Diag:η os tic Radiology, College 01 Medicine, Seoμ 1 National u1η iversity The receiver operating characteristic (ROC) curve analysis was done to evaluate the effects of digital im age processing techniques on the detectability of simulated pulmonary nodules and cysts in chest radiographs Image processing techniques used were the contrast inversion, unsharp masking, and filtered equalization method. Simulated pulmonary nodules and cysts were generated by the computer program using Turbo-C language for personal computer. Each processed and unprocessed image sets of sixty images with pulmonary nodules and cysts and one hundred and twenty normal images were analyzed by three board-certified radiologists and four senior residents training in diagnostic radiology by five rating category. Area under the ROC curve was calculated using the trapezoidal rule Mean area under the ROC curve of seven radiologists of the unprocessed image was :!: , contrast inversion was :!: , unsharp masking was :!: and filt ered equalization was :!: Unsharp masking (p<0.01 ) and filtered equalization image (p<0.05) was statistically significant than unprocessed image. Digital chest radiographs processed by the unsharp masking method significantly increased the detectability of simulated pulmonary nodules and cysts overlapped with mediastinum and pulmonary cysts in free lung fields Index Words: R adiography, digital Images, pr,ocessing Thorax, radiography * 이논문은 1991 년도교육부지원한국학술진홍재단의자유공모과제학술연구조성비에의하여연구되었음 ** 울산대학교의과대학진단방사선과학교실 ** Department 01 Diagη os tic Radiology, College 01 Medicine, Universiη 01 Ulsan *** 서울대학교의과대학의공학과교실 *** D,φartm eη t 01 Medical EηigZηeering, College 01 Medicine, Seoul Natioηal Uη ive rsity 이논문은 1992 년 6 월 9 일접수하여 년 8 월 2 1 일에채택되었음

2 송군식외 : 흉부영상에서디지탈영상처리술의모의병번검출능 서 론 아나로그디지탈변환을하였다. 디지탈화된영상데이타는중앙처리장치 ( CPU) 로인텔 ( 미 ) 의 및부동소숫점보조연산장치 (c oprocessor ) 로인텔 ( 미 ) 의 을장착한 25MHz 의속도로동작하는개인용컴퓨터를 컴퓨터공학의발달과새로운의료장비의개발로진단방사선과영역의많은분야에서영상정보의디지탈 ( digita I) 화가가속되고있어이미전산화단층촬영, 초음파검사, 핵의학검사, 디지탈감산혈관조영술 ( digital subtraction angiography) 및자기공명영상 ( magnetic resonance imaging) 분야의영상정보가디지탈화되었다. 영상정보의디지탈화는 PACS(picture archiving and communications system) 및 teleradiology 시스템의구축이라는측면에서필수적일뿐아니라, 다양한영상처리를통해획득한영상정보를손실없이최대한으로이용할수있다는장점이있어경제적인문제만해결된다면향후진단방사선과영역의모든영상정보가디지탈화할것으로예상된다 ( 1-4). 이러한새로운촬영방식에대한상대적유용성의평가는경제적인측면및의료관리의측면에서뿐아니라임상적인측면, 즉진단정확도를객관적으로분석함으로써가능할것이다. 저자들은필름-스크린방식촬영의반이상을차지하며대조도의차이가상대적으로큰단순흉부 x- 선필름을디지탈화한후모의폐결절과폐낭종을중첩시켜대조도반전 (contrast inversion), 경계부강조 (unsharp masking) 및투과도균등화 ( filtered equalization) 방법으로영상처리를하고각각의영상처리방법에따른모의폐병변의검출능의차이를수신자동작특성곡선 ( receiver operating characteristic curve, 이하 ROC curve 라함 ) 을이용하여객관적으로분석, 평가함으로써폐병변의특성및위치에따라가장검출능이높은영상처리방법을찾아내고자본연구를시행하였다. 연구재료및방법 사용하여처리하였으며 80MB 용량의하드디스크에저장 하였다. 영상의재현은 60MHz 의주파수대역에서비비월주 사 ( non - interlaced) 방식으로동작하는 Moniterm ( 미 ) 의 Pepe graphic unit 를사용하였으며모니터의해상도및 gray level 은 1, 024X 1, 024 x 8 bit 이었다. 모의결절및 모의낭종은개인용컴퓨터언어인볼란드 ( 미 ) 의 Turbo C version 2. 0으로제작한소프트웨어를이용하여평균 직경이각각 5mm, 10mm 및 15mm 의 3 종류를제작하 였으며모의낭종벽의두께는 0.2mm 로하였다. 영사처 리는모니터상의휴백대조도만을반전시킨대조도반전 (contrast inversion), 영상데이타의고주파대역의화소 값을증폭시켜경계부를강조한경계부강조 ( digital unsharp masking or edge enhancement) 및상대적으로 폐야의 dynamic range 를감소시키고영상의밝기를증 가시켜소프트웨어적으로부위에따른 x- 선투과도를 보정하는투과도균등화 ( filtered 방법을사용하였다 ( Fig. 1) equalization) 의세가지 25 매의정상디지탈흉부영상을컴퓨터를이용하여난 수를발생시켜반복배열하고흉부영상 1 매당모의결절이 나모의낭종을크기별로한개씩중첩시키되자유폐야, 심 장과겹치는폐야및횡격막하부의폐야에각각 107B 씩 골고루배치하였다. 따라서모의결절이중첩된 60 매와모 의낭종이중첩된 60 매총 120 매가병변이있는영상이 며, 대조군으로는난수를발생시켜반복배열한정상영상 120 매를이용하였다. 모니터에영상이재현되는시간을 1 초이내로단축하기위하여각영상처리법당 240 매씩총 960 매의영상을미리처리하여 600MB 용량의 DOT ( 미 ) 의광디스크에저장하였다. 병변이있는영상 120 매와대 조군으로병변이없는영상 120 매, 총 240 매의영상을 컴퓨터를이용하여난수를발생시켜랜덤배열하고순서 대로 20 매씩 12 개의소그룹으로나누었다. 또한각소그 1989 년 1 월 1 일부터 1989 년 12 월 31 일까지중앙대학 교의과대학용산병원에서신체검사를목적으로단순흉부 x- 선촬영을하여정상으로판정된필름중에서무작위로 300 매를추출하고, 본연구에참여하지않은 5 명의방사 선과전문의에게각각판독을의뢰하여 5 명모두폐실질 의석회화병변이나섬유화병변등이전혀없다고판정 한 25 매의단순흉부 X 선필름을대상으로하였다. 선 정된 25 매의필름을 1, 024 x 1, 024 의해상도를갖는 M TI ( 미 ) 의 enhanced vidicon camera 로주사하고 8bit 룹의영상을영상처리를하지않은것및세가지방법으로각각영상처리를한총 48개의소그룹영상 960매를 3명의방사선과전문의와 4명의진단방사선과전공의가판독하게하였다. 판독시영상이제시되는순서는 127B 의소그룹영상이순차적으로 4번반복되게하되영상처리술에따른판독순서가연구결과에미치는영향을배제하기위하여판독자마다서로다른순서로영상처리술을한모니터이미지를판독하게소프트웨어를제작하였다. 하루에하나의소그 - 859

대한방사선의학회지 1992 ; 28 (6) : 858~864 a b c d Fig. 1. Digital chest radiographs of the unprocessed image(a), images with contrast inversion(b), unsharp masking(c) and equalization filtered(d) processing techinque.

3 대한방사선의학회지 1992 ; 28 (6) : 858~864 a b c d Fig. 1. Digital chest radiographs of the unprocessed image(a), images with contrast inversion(b), unsharp masking(c) and equalization filtered(d) processing techinque. Computer generated simulated pulmonary nodules(a,b,d) and cysts(c) were added in both free lung fields and retrocardiac/subdiaphragmatic lung

4 송군식오 1: 흉부영상에서디지탈영상처리술의모의병번검출능 룹영상을판독하게권장하되최대 4 소그룹까지판독을 허용하였다. 판독자에의한모니터의대조도와밝기의조절은허용하지않았으며본연구자가육안으로판단하여가장적합한대조도와밝기로고정하였다. 판독을시작하기전에영상처리를하지않은모니터이미지와각각의영상처리술에따른 5매씩총 20매의모니터이미지를예비판독하는기회를제공하였으며이때사용된영상은본연구에는포함시키지않았다. 또한판독은병변의종류나위치에관계없이병변의존재유무만을 5가지의신뢰도로 판독지에점수를기록하게하였고 ( 1 definitely absent, 2 probably absent, 3 uncertain, 4 probably present, 5 definitely present) 판독거리및판독시간은제한하지않았다. 판독자개개인의판독결과의비밀을보장하기위하여판독지에는전문의및전공의별로일련번호만을기록하고밀봉하여추첨으로판독지를선택하게하였다. 자료의분석은병변의위치, 종류및영상처리방법에따라정상과비정상별로각신뢰도별빈도를계산하고 Hanley와 McNeil 의방법에따라 trapezoidal method 로 ROC curve 하방의면적을구한후 critical ratio Z 를계산하였다. 영상처리를하지않은이미지와각각의영상처리를한이미지간의 ROC curve 하방의면적의차이를병변의위치및종류별로계산하고정규분포표에서유의수준 0.05인 1. 96보다큰 Z값을보이는그룹을특정한판독자에있어서유의한차이가있는것으로간주하였다 ( 5-6). 또한위에서구한각판독자개인별 ROC curve 하방의면적을병변의종류, 위치및영상처리방법에따라판독자전체의평균및표준편차를구하고판독자전체에있어서유의성의판정은 ROC curve 하방의면적의차이를다중비교법으로유의수준을 0.05로하여비교하였다. 걸병변의종류, 위치및영상처리방법에따른판독자 7 명의 ROC curve 하방의면적의평균및표준편차는 Table 1과같으며영상처리를하지않은모니터이마지와대조도반전, 경계부강조및투과도균등화에의한영상처리를한모니터이미지간의 ROC curve 하방의면적의차이및다중비교법에의한 p value는 Table 2와같다. 대조도반전영상의경우병변의종류나위치에관계없이영상처리를하지않은이미지보다 ROC curve 하방의면적이좁아검출능이저하되었으며특히낭종과심장과겹친폐야및횡격막하부폐야의병변의경우에검출능의저하가뚜렷하였다. 경계부강조영상의경우병변의종류나위치에관계없이영상처리를하지않은이미지보다 ROC curve 하방의면적이넓어검출능이향상되었으며특히심장과겹친폐야나횡격막하부폐야의폐결절과낭종및폐야의낭종에서통계적으로유의한검출능의향상을보였다 ( p < O.O l). 투과도균등화영상의경우병변의종류나위치에관계없이영상처리를하지않은이미지보다 ROC curve 하방의면적이넓어검출능이향상되었으나경계부강조영상보다는그향상정도가작았고, 심장과겹친폐야나횡격막하부폐야의낭종의경우통계적으로유의한검출능의증가를보였다 ( p<o.ool ) 영상처리를하지않은모니터이미지와대조도반전, 경계부강조및투과도균등화에의한모니터이미지간의판독자개인별 ROC curve 하방의면적의차이를보면대조도반전영상의경우전공의 1명을제외하고는폐병변의종류나위치에관계없이 ROC curve 하방의면적이영상처리를하지않은것에비해검출능이낮았으며심장 Table 1. M ean Areas Under the ROC Curve and its Standard Deviation of 7 Radiologists Unprocessed Contrast inversion Unsharp masking Equalization filtered Total (0.0583) (0.0478) (0.0355) (0.0472) Cyst (0 0587) (0.0651) (0.0649) (0.0739) Nodule (0.0646) (0.0647) (0.0284) (0.0402) Cyst (I ung) (0.0812) ( ) (0.0800) (0.0906) Cyst (mediastinum) (0.0717) (0.0366) (0.0561) (0.0522) Nodule (I ung) ( ) (0.0874) (0.0799) (0.0574) Nodule (mediastinum) (0.0437) (0.0504) (0.0529) (0.0891) Lung ( ) (0.0703) (0.0425) (0.0539) Mediastinum ( ) (0.0339) (0.0406) (0.0430) Note: Values in parentheses a re atandard deviations

대한방사선의확회지 1992 ; 28 (6) : 858~ 864 Table 2. Differences Between the Mean Areas Under the ROC Curve of 7 Radiologists Contrast inversion U nsharp masking Equalization filtered Total 0.0696 (0.

5 대한방사선의확회지 1992 ; 28 (6) : 858~ 864 Table 2. Differences Between the Mean Areas Under the ROC Curve of 7 Radiologists Contrast inversion U nsharp masking Equalization filtered Total (0.0110) Cyst (0.0900) Nodule (0.0160) Cyst (lung) (0.1300) Cyst (mediastinum) (0.1300) Nodule (lung) (0.3900) Nodule (mediastinum) (0.0071) Lung (0.0370) Mediastinum (0.0070) (0.0012) (0.0120) (0.0002) (0.0170) (0.0680) (0.1900) (0.0001) (0.1400) (0.0087) (0.0082) (0.3700) (0.8100) (0.0097) (0.2600) (0.0001) (0.6000) (0.0068) (0.0046) Note: Values in parentheses are P-values 과겹친폐야나횡격막하부폐야의경우대부분 ROC curve 하방의면적이 0.5 이하로진단적가치가없는것으로판명되었다. 경계부강조영상의경우전공의 1명을제외한모든판독자에서 ROC curve 하방의면적이영상처리를하지않은것과비교할때유의한차이를보였으며 ( p< 0. 05), 폐낭종의경우는모든판독자에서유의한차이를보였으나 (p<0. 05) 폐결절의경우에는전문의 1명을제외하고는유의한차이를보이지않았다. 투과도균등화에의한영상의경우전문의 2명과전공의 1명에서영상처리를하지않은것과비교할때유의한차이를보였으며 (p<0.05), 낭종의경우위치에관계없이모두유의한차이를보였으나 ( p < 0. 05) 결절의경우에는유의한차이를보이지않았다. 고찰영상정보의디지탈화는 PACS(picture archiving and communications system) 및 teleradiology system의구축을위한가장기본적인전제조건인동시에다양한영상처리방법을통하여획득된영상정보를최대한으로이용할수있다는장점이있다. 일반촬영에서영상정보를디지탈화하는방법으로는필름-디지타이저방식이보편적으로이용되고있으며레이저로스캔할경우 4, 096 X 4, 096X 12 bit 까지해상도와 gray l eve l을향상시킬수있으나데이타의양이증가하는것이단점이다. 반면에비디오카메라를이용할경우영상데이타의양은감소하나해상도및 gray leve l 이저하되는것이단점이다 (7-8), 저자들의경우 1, 024X 1, 024X 8 bit 해상도및 gray l evel로아나로그-디지탈변환을하여일반적으로판독에지장이없는최소한의해상도로알려진 2, 048X 2, 048X 10 bit 에는미홉하나필름 - 스크린방식과디지탈 방식의영상을비교하는것이아니고디지탈방식에서영 상처리술의 효과를알아보는것이목적이고디지탈화한 영상에모의병변을중첩시켰으므로연구결과에는영향이 없을것으로판단된다. 이밖에도부채꼴이나좁은폭의 x - 선을이동주사하는방식및 barium f\uorohalide 를이용하는 computed radiography system 등직접 디지탈데이타를얻는방법이있다 ( 9-12). 여러진단방식의효용성에관한평가는민감도 ( sensitivity), 특이도 ( specificity) 및정확도 ( accuracy) 등으로 나타낼수있으나특정질환의유병율과판독자에따른 판독경향의차이등에영향을받으므로보다더객관적인 평가를위해서는 ROC curve 를이용하는것이바람직하 다 ( ). ROC curve 를이용한연구에서정상, 비정 상여부만을판단하는방법은통계학적유의성을검증하 는방법이확립되어있고시행상손쉬운점등의장점이 있는반면의양성율이증가되는것과많은양의판독을 하여야만하는등의단점이있다. 반면에정상, 비정상의 판정과함께병변의위치까지찾아야하는 LROC(Jocalization ROC) 의경우는의양성율이감소하는장점이있 는반면아직까지유의성을검증하는방법이확립되어있 지않은것이단점이다. 한영상에여러개의병변이있는 필름을대상으로병변의유무, 위치및병변의종류까지 지적해야하는 FROC(free response ROC) 의경우적 은양의필름으로시행할수있고의양성율이감소하는 장점이있으나역시유의성을검증하는방법이획립되어 있지않다. ROC curve 를이용한연구에서 parameter 로는이항분포그라프상의직선의기울기와절편을이용하 거나 ROC curve 하방의면적을이용하고있으며, 이때 ROC curve 하방의면적은임의의필름을제시할때정 상, 비정상여부를올바로판단할확율을의미한다. 또한

송군식외 : 흉부영상에서디지탈영상처리술의모의병번검출능 ROC curve 하방의면적을계산하는방법은컴퓨터프로 그램을이용하여 maximum likelihood estimation 이증가하나, 동시에배경의정상구조물에의한경계부 도강조되므로결과적으로노이즈가증가하여자유폐야에 method 로구하는방법과, 이항분포그라프를이용하는 서는폐결절의검출능이저하되는것으로생각된다.

6 송군식외 : 흉부영상에서디지탈영상처리술의모의병번검출능 ROC curve 하방의면적을계산하는방법은컴퓨터프로 그램을이용하여 maximum likelihood estimation 이증가하나, 동시에배경의정상구조물에의한경계부 도강조되므로결과적으로노이즈가증가하여자유폐야에 method 로구하는방법과, 이항분포그라프를이용하는 서는폐결절의검출능이저하되는것으로생각된다. 대조 방법및 ROC curve 를그리고 trapezoidal method 로근사치를얻는 Hanley와 McNeil의방법이있다. 저자들은 Hanley와 McNeil 의방법에따라 ROC curve 하방의면적및유의성을검증하였다 (5-6, 16). 컴퓨터프로그램을이용하여만든모의폐결절과폐낭종은폐결절의경우실제로폐결절이있는환자들의단순흉부 x- 선필름을디지탈화한영상과유사하게경계부및내부의 gray level을조절하였으나폐낭종의경우는경계부를원형으로하여중심부기관지의단연상과유사하게하였으나어느정도의이질감을판독자에게주고있어폐결절보다는검출능이증가될가능성이있고특히경계부강조영상에서검출능의증가를초래할가능성이많다고판단된다. 또한판독자로하여금모니터의대조도와밝기를임의로조절하게할경우좀더높은검출성적을기대할수있으나실제의판독상황에서매번모니터의밝기와대조도를조절하리라고기대하기는어렵다고판단하여밝기와대조도를고정시켰다. 본연구의단점은판독자당 960매라는많은영상을판독하게하였으므로판독자의판독경향및태도가일정하게유지되었다고기대하기는어려운점을들수있다. 영상처리의방법은경계부강조 (unsharp masking), 대 조도반전 (c ontrast inversion), 히스토그램균등화 ( histo. 도반전영상의경우 Oestmann의보고와일치하나단순히흑백의영상이반전되어나타나는것임에도불구하고검출능이낮았던것은이론적으로밝은배경에어두운병변이있을경우검출능이높아진다는것을기대하였으나판독자들이대조도반전영상에익숙하지않은것이하나의원인으로작용한것으로판단된다. 투과도균등화에의한영상처리는아직보고된바없는새로운방법으로폐야의 dynamic range를감소시키고영상의밝기를증가시키기위하여부위에따라 pixel값의가중치를달리하는방법으로심장및횡경막과겹치는부위는경계부강조의효과를얻고자유폐야는배경의밝기를증가시켜검출능을높이고자고안되었으나연구결과는경계부강조효과는달성되었으나자유폐야의결절은검출능의차이가없어가중치가과다하여정상구조물의대조도도증가하여결과적으로배경의노이즈도증가한것이원인일것으로추정된다. 이상의연구결과에서경계부강조법으로영상처리를한흉부디지탈영상이영상처리를하지않은것보다심장과겹친폐야및횡격막하방폐병변의검출능을높이므로디지탈방식의흉부 x-선검사시에는경계부강조법으로영상처리를한후판독을하는것이유용하다고사료된다. gram equalization) 및투과도균등화등많은방법이 있다. 경계부강조의경우영상처리를하지않은것보다검출능이증가된다는보고가많으며 Sherrier 등은폐결절의경우심장이나횡격막과겹쳐있는부위의폐를선택적으로강조시킴으로써검출능을증가시킨다고보고하고있으나 MacMahon, Goodman, Oestmann은검출능의차이가없다고보고하고있다 (1 7-20). 저자들의연구결과에서나타난바로는경계부강조영상에서낭종의검출능이높고섬장및횡격막과겹친부위의폐결절의검출능이높아폐결절의경우는 Sherrier의보고와일치하며낭종의경우 MacMahon 및 Goodmann 이기흉의경우경계부강조영상에서검출능이증가한다는보고와일치한다. 폐결절의경우보고자마다검출능이다른것은경계부강조의방법이영상전체를강조하는방법과부분적으로심장이나횡격막과겹친부위의폐만을강조하는방법등영상처리방법의부분적인차이및 pixel 에적용하는가중치의차이등에기인하는것으로생각된다. 경계부강조영상의특성상고주파대역의 pixel값을높여주므로영상전체를강조할경우심장이나횡격막과겹친페의검출능 참고문헌 1 김건상. 디지탈 x - 선의현황과전망. 대한의학협회지 1986; 29: Capp MP, Roehrig H, Seeiey GW et al. The digital radiology department of the future Radiol Clin North Am. 1985;23: Cox CG, Templeton AW, Dwyer III SJ. Digital image management: Networking, display, and archiving. R adiol C lin North Am 1986;24: Templeton AW, Dwyer III SJ, Cox CG et al. A digital radiology imaging system : Description and clinical evaluation. AJR 1987 ;149: Hanley JA, M cneil BJ. The meaning and use of the area unde r receiver opera ting characteristic(roc) curve Radiology 1982 ; 143:

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Kbcs002.hwp Does Real-time Compound Imaging Improve Evaluation of reast Cancer Compared to Conventional Sonography? o Kyoung Seo, M.D., Yu Whan Oh, M.D., Kyu Ran Cho, M.D., Young Hen Lee, M.D., Hyung Joon Noh, M.D.,