컴퓨터보조진단 (Computer Aided Diagnosis, CAD) 엄경식, Ph. D. 서울대학교의학연구원의용생체공학연구소선임연구원 Tel 02-760-1758 Fax 02-760-1762 E-mail: ksom@myriad.snu.ac.kr, ksom@chollian.net 시대의흐름 엘빈토플러의 3대명서인미래충격 (future shock), 제 3의물결 (the third wave), 권력이동 (power shift) 을기반으로살펴보면현재까지와미래의시대의흐름은다음표와같이요약해볼수있다. 사회기반 힘이동 산업구조 신체대응 의용생체산업 농경사회 물리력 (physical power) 노동집약뼈의료재료 산업사회부 (wealth) 자본집약근육의료장비 정보사회 정보 (information) 정보집약 ( 컴퓨터, 인터넷 ) 신경 의료정보 (PACS, HIS) 지식사회 지식 (knowledge) 지식집약 ( 지능시스템 ) 뇌 의료지식 (CAD, CAS) 농경기반사회에서는육체적힘이있는자가영토를정복하고선망의남편감으로여겨졌다면, 산업기반사회에서는황금만능주의로돈있는자가힘 (power) 을많이가졌으며, 정보기반사회에서는제때원하는정보를얻을수있고, 좋은정보를가진자들이힘을발휘하게된다. 일예로좋은주식정보를가진자는일순간에벼락부자가되기도하며, 정보로부터거리가먼자는점차시대의흐름에따라갈수없게된다. 정보기반이후의산업구조에서는빠른정보에대응하고자적기생산시스템 (Just In Time, JIT) 의구조를가진회사가강자로여겨지고있으며, 이개념은생산뿐만이아니고다른모든분야에도적용되어야만하는중요개념이라고생각한다. 소비자의변화가매우빠르고,
시대의환경변화도매우빠르므로이변화의정보를그때그때반영할수있는 JIT 구조의조직체는변화에잘적응하는조직체이라할수있겠다. 정보기반의국가적인프라와관련산업의융성후에는지식기반사회와산업구조가예측되며, 과거에는부를갖고있는자가기술자를고용하는것에서정보와지식을갖고있는자가부를갖고있는자를끌어들이는역현상을요즘산업구조에서도확인할수있다. 제 1 의물결인농경사회, 제 2 의물결인산업사회, 제 3 의물결인정보사회의시간간격이엄청나게좁다는특징이있는데, 의료환경에서도의료정보의기반으로대표되는 PACS( 의료영상전송저장시스템, Picture Achieving and Communication System) 와 HIS ( 병원정보시스템, Hospital Information System) 의제 3의물결이전세계적으로다가오고있고, 의료정보를포함하여정보인프라가앞서있는우리나라는정보강국에만족하지말고, 제 3의물결후의제 4의물결을생각해볼시점이다. 미래의방사선학 W. R. Hendee 는 1992 년도의논문에서미래의방사선학의주안점 (future work of radiology) 으로크게다음의 4 분야를거론하면서자신의주관을정보관점으로예측했다 [W. R. Hendee, et. al., The information perspective of radiology, AJR, 1992; 158; 1387-1389]. Technology perspective (No) Image perspective (No) Diagnostic perspective (No) Information perspective (Yes) 즉, 1990년대초에미래의방사선학분야로서의주안점은보다낳은기술적, 영상적, 진단적측면보다는방사선의료정보의원할한흐름에주안점이되어야하며, 될것이라주장했으며, 이는곧 10년이지난지금의시점에서돌이켜볼때큰시대적흐름과함께 PACS 로서예측이일치했다. 그러면지금의정보기반사회의시점에서또다시미래의방사선학분야로예측해본다면어떤방향을생각해볼수있을까? 본인은정보기반이후의지식기반사회란관점에서컴퓨터보조진단 (computer aided diagnosis, CAD) 과컴퓨터보조시술 (computer aided surgery, CAS) 이라판단한다. 즉, 컴퓨터가진단을도와주며, 컴퓨터가수술을도와주는꿈의현실이곧물결칠것으로판단한다.
PACS 와 HIS 를통하여의료정보의자유로운이동이가능해진후에는, 엄청난의료정보의홍수로부터도움을필요로하며, 이필요는 CAD 의활성화를불러일으키는추세다. 즉, 의사들의지식이컴퓨터로구현이되는영화속에서나가능했던꿈이현실로다가오고있다. 이꿈은그동안말그대로꿈으로치부되었으나, 뮤어의법칙에기반한컴퓨팅파워의지속적증가와인터넷으로대표되는네트워킹파워의수준이이꿈을현실로가능케하는시점에도달한것이다. CAD는컴퓨터가정량적으로분석한결과를토대로이상부위를표시함으로서영상판독의사의과다한판독업무를줄여주며이상이있는것으로판단되는영상에대해서는정량적분석결과를참고로의사가최종진단을내리게하는진단시스템을일컫는다. 첨단의료장비들은이전에비할수없는고해상도의다차원, 다중기법영상들을생성해내어고도의지능적인컴퓨터처리의도움이없이는일일이해석과진단에어려움을겪는문제가대두되고있다. 이같은문제를해결하기위하여다차원적영상처리및영상인식기술과의사의임상적경험을접목하여컴퓨터내에전문가적인수준의영상진단보조기능을집약시켜내장하자는것이이분야의연구목표이다. 이와같은 CAD 시스템이개발되면, 현재의사의육안적인식과판별능력의한계로인해피할수없었던진단의불확실성이상당히개선될수있으며국민적폐암, 유방암등조기암발견을위한스크리닝사업에따르는국가적의료비용을대폭절감시킬수있어향후의료기술의중대한전진이될것으로전망되며이에따른상당규모의시장형성도예측되고있다. 연구개발이가장앞선미국에서는 R2 technology 사가개발한스크리닝유방촬영술에서의컴퓨터보조진단을이용한병변발견프로그램이 1998년미국식약청 (FDA) 의공인을얻었으며 2000년에일본후생성으로부터도승인을받음으로서컴퓨터보조진단이실제환자진료에이용될가능성이높아졌다. 미국, 일본등선진국에서는정부주도로일찌기많은연구투자가이루어졌고상당한기술축적이되어업계에기술이전이이루어지고있으나국내에는산발적인연구에그치고있어향후집중적인연구육성이필요하다. CAD 란? 진정한 CAD 의광의의개념은 Computer Aided Diagnosis( 진단 ) 이나아직까지는의사들의반감적성격이있어서, 현재 CAD 는협의의개념인 Computer Aided Detection ( 검출 ) 이란명칭으로상용화에활용되고있다. CAD 의장점은판독의사에게 second opinion ( 참고의견 ) 를제시한다는점과 double reading( 의중판독 ) 의역할을수행하여판독오차를
줄일수있다는점에있고, 현재미국에서상용화에성공하여 2001 년 6 월까지전세계 200 군데의료기관에 mammography CAD 시스템을공급한 R2Technology 사의 ImageChecker 란제품은 1998 년미국 FDA 에서 screening 용으로공인을받았고, 최근 2001 년중순에는 diagnosis 까지역할의활용을 FDA 로부터추가로공인을받았다. CAD 의장점은판독결과의객관성이있다는점과 (objectivity) 판독의사의숙련도에따라판독결과가달라지나, CAD 시스템은판독결과의재현성 (reproducibility of the result) 이란장점이있다. CAD 의공학적관점 (Engineering Perspectives for CAD technology) CAD 시스템을구현하는데요구되는공학적기반으로는무엇이필요할까? CAD 시스템의솔루선으로요구되는공학적기반은크게다음과같이 4가지가요구된다. 컴퓨터시각 (computer vision) 인공지능 (artifici rtificial intelligence,, AI) 디지털영상처리 (digital image processing) 의공학 (biomedical engineering) 다른것은다그렇다치더라도의공학의기반은광범위한듯해보이나어찌보면다른것보다더중요한부분이라할수있다. 의용생체산업은진입하기는힘드나일단진입하면선진입자의우월성으로인하여시장장벽이매우높게형성되는특성이있는것과마찬가지로, 영상처리를전공한순수공학진으로구성된팀은의료환경의방향을제대로파악하기힘들어대부분엉뚱한방향으로연구가이루어지거나의사와의대화 (communication) 의부족으로의사들이보기에는엉뚱한결과를향하여시간과역량을소모할가능성이매우크며사실대부분의경우그렇다. 즉, 다른의용생체산업도마찬가지인데, 특히나 CAD 분야는의학과공학의학제간학문과환경에길들여진공학연구진이필요하다. 최근스티브스필버그감독의대작영화 <AI> 를통하여일반인에게인공지능의호기심이크게일어났다. AI (artificial intelligence, 인공지능 ) 란과연가능할까? 그리고가능하다면과연유익할까? 본인의판단으로는첫번째물음에는 Yes 라자신있게답할수있으며, 두번째질문에는원자력의활용처럼판단하여야한다고생각한다. 공학적으로인공지능기법을분류하면크게인공신경망, 퍼지로직, 진화연산을기반으로하며, 이 3 가지기법을공학적으로는 soft computing, computational intelligence라통칭한다.
1. 인공신경망 (artificial neural network) - 생체의신경망을모방 - 수치데이터에적합 - 사전지식 (a priori knowledge) 이존재하지않는경우에적합 2. 퍼지로직 (fuzzy logic) - 인간의사고방식을모방 - 언어데이터에적합 - 사전지식이있는경우에적합 3. 진화연산 (evolutionary computing) - 적자생존등생태계의진화과정을모방 - 유전자알고리듬 (genetic algorithm, GA) 이대표적 - 최적화문제에적합 (optimal solution problem) 컴퓨터시각 (computer vision), 인공지능 (artificial intelligence, AI), 디지털영상처리 (digital image processing) 등의기술적배경으로한분야의 CAD 시스템을개발하려한다면다음의블록다이아그램을기준으로전체적으로조망해볼수있다. 위블록다이아그램을잠시살펴보자. 입력영상 (input image) 가들어오면현재로서는숙련된판독전문의가종양등의위치를검출하는데이부분을컴퓨터가담당하면 computer aided detection 으로서협의의 CAD로볼수있다. 찾아진관심영역 (region of interest, ROI) 로부터적합한특징을뽑아서기존의여러영상 DB로구축된인공판단기를통하여악성, 양성을구분짖기도하고, 좀더깊이구별할수도있게된다. 이때컴퓨터가올바른판단을못한영상이발생하면컴퓨터의지식을 update시키는과정이요구된다. 이때, 컴퓨터와전문이와의의견불일치의경우가발생할수있는데이경우는어떻게대처해야만할까? 기본적으로 CAD는의사결정보조시스템 (decision support system) 개념으로받아들여야하며, 최종판단은역시판독전문이에게달려있다. 이와같이의견불일치의경우를대비하여컴퓨터는입력영상과비슷한과거의여러영상들을순서대로쭉나열시켜보여줌으로써판독의사와의의견불일치의경우의사의판단결정에도움을주는역할을할수있도록하는영상검색시스템 (image retrieval system) 도요구된다.
상용 CAD 시스템 현재전세계적으로유방암과폐암의급증으로이분야의국가보건적관심으로인하여유방 CAD와폐 CAD의연구가활성화되고있으며, 특히과거에는고가로치부되던 MRI장비가 2000년초전세계적으로는 11,000대가설치되었으며, 국내는 300개정도가설치된상태며국내는매년엄청난숫자로계속 MRI 보유의료기관사이트가늘어나는추세다. 이추세와전세계적으로뇌연구및노년층의증가에따른알츠하이머병과같은뇌관련질환의관심의고조로 MRI 관련 CAD가크게붐을일을것으로예측된다. R2 Technology Inc. Scanis Inc. CADx Medical System Product ImageChecker Mammex TR SecondLook FDA The only CAD company Pre-market Awaits FDA approval to approval at this time to have FDA approval (PMA) market clearance to market before the Partner GE Medical Systems TRW Fischer Imaging Selling Is selling the product Is marketed in Is selling the product internationally Europe and internationally. Price $169,000-$239,000 $99,500 in the $159,000 outside the USA USA, $105,000 in the Europe 현재 mammography CAD 분야로상용화를하고있는대표적인회사를다음표에나타냈다. 미국의 R2Technology사가가장앞선것으로평가되고있으며, 전세계적으로 2001년 6월까지약 200개정도의의료기관에서 R2technology사의 ImageChecker 유방 CAD시스템을도입하였다. 국내에서는본인이속해있는연구팀에서왕성하게 CAD에초점을맞추어연구에몰입하고있으며, 여러연구기관에서관심을갖고연구를추진중에있는것으로알고있다.
R2Technology 사의 mammogranpy CAD 시스템 R2Technology 사의 Lung CT CAD 시스템 CADxMedical System 사의 mammogranpy CAD 시스템
결론 PACS를기반으로광대한의료영상 DB 축적및전송이가능해진이시점과컴퓨터비전 (computer vision) 기술과인공지능 (artificial intelligence) 기술의도움으로의료지식의컴퓨터의구현이현실적으로가능해진시점이며, 일부분야에서는선진국에서는상용화에성공적으로활용되고있다. 국내뿐아니고전세계적으로 CAD의기술은일단 screening 용으로는 2010년이내에보편적으로크게활용될것으로예측하며, 2020년까지는의학의거의전분야에서진정한의미이며광의의컴퓨터보조진단 (computer aided diagnosis, CAD) 의기술이보편화될것으로예측된다. 의료정보강국에우리한국이안주하지말고전세계적으로불고있는 CAD의물결에국가적관심과지원이필요하며, 한편으로는아직생소한 CAD 분야에의사들의관심과지원이절실한시점이라고생각한다. 필름없는디지털병원이란꿈은이제과거속으로곧잊혀질것이며, 이제디지털병원으로전세계를리드하는우리한국이다음의꿈인 CAD에도앞설수있도록모두의관심과지원그리고관련자들의노력이있어야하겠다.