PACS에 이용되는 압축영상의 화질 평가: 4K 고해상도 CR영상의 장기저장을 위한 적정 압축률

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대한PACS학회지 2001;7:9-12

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PACS에 이용되는 압축영상의 화질 평가: 4K 고해상도 CR영상의 장기저장을 위한 적정 압축률

차순주1,2・김용훈1,2・김형석1・황윤준1・김수영1・허 감1・이동호2・정귀원3

1인제대학교 일산백병원 방사선과, 2인제대학교 부설 의료영상연구소, 3인제대학교 예방의학교실

Comparison Study of Compressed Images in PACS : Appropriate Compression Rate for Long term storage for 4K High Quality CR Images

Soon Joo Cha

1,2

, Yong Hoon Kim

1,2

, Hyung Seok Kim

1

, Yoon Joon Hwang

1

, Soo Young Kim

1

, Gham Hur

1

, Dong Ho Lee

2

, Kwi Won Jeong

3

1Department of Radiology Inje University Ilsan Paik Hospital, 2Medial imaging research center, Inje University

3Department of Prevent medicine, Inje University

= Abstract =

Purpose: To evaluate acceptable compression rate of radiologic image displayed on 5 mega pixel PACS monitor and 1600×1200 PC color monitor.

Materials and Methods: 46 images of 4K (3700×4300 pixel in 14×17 inch image) high quality CR plain radiogram, excluding mammogram were selected randomly from PACS in our institute. All digital images were compressed by layered JPEG with 10:1, 20:1, 40:1. Every compressed and non-com- pressed images are compared side by side on two monitors in one system. The image comparing study were performed two systems of PACS destined high resolution(2048×2560 pixel) gray scale monitor and high resolution(1600×1200 pixel) PC color monitor. Three radiologists who had experi- ence of PACS more than 6 months, compared two images which are different compression ratio or non-compressed images and made a consensus that which one was non compressed image or lower compression ratio image.

Results: In PACS gray scale monitor system, observers differentiated non compressed images from compressed image of 10:1(45/46), 20:1(45/46), 40:1(44/46). The successful differentiations between 10:1 images and 40:1 images were made (42/46) also, but differentiation between 10:1 images and 20:1 were failed, only 22 cases out of 46 cases were correct. In color monitor system, 36 cases in comparison study between non compressed image and 10:1 compressed images were correct, and 37 cases in comparison study between of non compressed image and 20:1, and 39 cases wrere cor- rect in non compressed image and 10:1 compressed images. The comparision studys between 10:1 images and 20:1 images, and between 10:1 and 40:1 images were correct in 26 cases, and 27 cases.

Conclusion:In gray scale PACS monitor, 10:1 and 20:1 compressed image cannot be differentiated, so 20:1 images is very useful as long term storage images because low storage cost and high transfer performance.

Key words: PACS, Digital imaging, Image compression

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1. 서

판독이 완료되고 일정 기간이 지난 영상은 장기저장장치 내에 저장을 하는데 이때에 임상에 지장을 초래하지 않는 범위 내에서 의 압축을 가능한 높게 할수록 의료영상 전달 시스템(Picture Achieving and Communicating System, 이하 PACS)의 초기 투 자비와 운영비 절감이 이루어질 뿐 아니라 과거영상을 조회할 때 네트워크의 부담을 크게 줄여 주므로 전반적인 시스템의 기능 향 상과 네트워크 설비비를 줄일 수 있다. 장기저장영상의 손실 압축 에 관해서는 이미 이에 대해 적지 않은 연구가 이루어지고 있어 국내에서 이미 가동중인 몇 병원에서는 1/10 의 압축을 유지하고 있다[1, 2]. 그렇지만 최근에 14×17 인치 크기의 영상이 3500

×4300개의 화소를 갖는 일명 4K 영상으로 불리는 고해상도 영 상인 경우는 일반적으로 PACS에서 널리 사용되고 있는 1750×

2150 화소인 2K 영상에 비해 데이터 크기가 4배이므로 비용절 감을 위해 가능한 높은 압축율을 적용하여야 함에도 불구하고 임 상적인 연구가 보고되지 않고 있다. 이에 저자들은 기존의 10:1 영상 압축의 2배에 해당하는 20:1로 압축된 영상의 화질과 10:1 압축된 영상을 비교하여 20:1로 압축저장이 가능한지를 알고자 하였다.

2. 대상 및 방법

본원에서 촬영된 Computed Radiography(이하 CR) 영상을 촬 영 부위별로 무작위로 총 46 예를 선택하였다. 선택된 영상은 흉 부 18, 복부 7, 근골격계 14, 두경부 7 예 였다.

각각의 디지털화 영상을 무압축영상과 JPEG(Joint Photo- graphic Expert Group)압축기법[3, 4]을 이용한 JPEG Q 인자를 20, 45, 68로 압축하여 각각 평균 압축율 10:1 과 20:1 40:1 영상 을 만든 후, 1군 :무압축영상과 10:1; 2군: 무압축영상과 20:1; 3 군: 무압축영상과 40:1; 4군:10:1과 20:1; 5군: 10:1과 40:1 영상 을 2대의 모니터가 부착된 영상관찰대에 한 화면에 하나의 영상 을 동시에 무작위로 표시하도록 하고 관찰자로 하여금 비교하도 록 하였다. 영상의 명확한 비교를 위해 필요에 따라서 영상확대와 밝기와 대조도의 조절이 가능하도록 하였다. 관찰자는 3명의 방 사선과 전문의로 모두 매일 CR 영상을 실제 판독하는 복부, 흉부, 신경계를 전공하는 전문의이다. 3명 중 2명 이상의 합의 하에 영 상의 품질을 상대 평가하도록 하였으며 불분명하더라도 반드시 화질차이의 등급을 주도록 하였다. 사용된 모니터는 판독용으로 이용되는 PACS 전용모니터(2048×2530)의 경우와 임상용 고 해상도 컬러모니터(1600×1200)의 경우를 각각 별도로 시행하 였다. 실험에 이용된 컴퓨터는 본원의 판독용 영상관찰대도 이용 되고 있는 컴퓨터로 두개의 펜티엄 III 550 MHz를 장착하고 256 MB의 주기억용량을 가진 워크스테이션급 이었다. 영상을 관찰 하기 위한 프로그램은 본원에서 가동중인 영상관찰대용 프로그 램(Rayview 3.0, 마로테크, 서울)을 이용하였다.

각 그룹간의 통계적 의의는 SPSS (V8.0 for Windows)를 이용 하여 Chi-square 를 적용하였다.

3. 결

대상이 된 영상의 전체 데이터 크기의 평균 압축율을 10:1, 20:1, 40:1이 되도록 Q 인자를 각각 20, 45, 68로 정하였다. 촬영 부위별로 가장 높은 압축율을 보인 부분은 흉부, 가장 낮은 압축 률을 보인 부분은 두경부였으며 압축율은 Table 1과 같다.

PACS 전용 모니터에서 시행한 1군(무압축 영상과 10:1 영 상), 2군(무압축영상과 20:1 영상), 3군(무압축영상과 40:1 영 상), 5군(10:1 영상과 40:1 영상)에서 1 또는 2 영상을 제외하고 는 모두 무압축 영상을 구분해 냈다. 하지만 4군(10:1 영상과 20:1 영상)에서는 10:1 영상이 20:1 영상보다 우수하다고 판정

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Table 1. The maximum, minimum and average compression image depend on total image

Qfactor20(10:1) Qfactor45(20:1) Qfactor68(40:1) MIN 05:1(HEAD) 09:1(HEAD) 14:1(HEAD) MAX 18:1 (CHEST) 37:1(CHEST) 56:1(CHEST)

AVERAGE 11.5:1 24:1 36:1

Table 2. Correct selection rate in comparison between two different compression rate

1 2 3 4 5

PACS monitor 45(97.8%) 45(97.8%) 44(93.5%) 22(47.8%) 42(91.3%)

Color monitor 36(78.3%) 37(80.4%) 39(84.8%) 26(56.5%) 27(58.7%)

1 : Non compression image and 10:1 compression image 2 : Non compression image and 20:1 compression image 3 : Non compression image and 40:1 compression image 4 : 10:1 compression image and 20:1 compression image 5 : 10:1 compression image and 40:1 compression image

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한 경우가 22예로 무작위로 추출할 확률 50%에 해당하므로 두 영상을 감별하는데 실패한 것으로 판정하였다. Color 모니터상에 서는 1군, 2군, 3군에서 영상과 10:1영상은 각각 46예 중 36예, 37예, 39예로 세 그룹 모두 원본영상을 잘 구분해 냈지만 (p<0.05) PACS 전용 모니터상에서 보다는 정확도가 떨어 졌다.

4군과 5군은 26예, 27예를 구별하였기 때문에 두 영상군의 화질 차이를 구별하는데 실패하였다 (Table 2).

4. 고

PACS에서의 영상관찰대는 일반적으로 진단용과 임상용으로 나누어 설치되며, 이중 진단용은 거의 대부분 방사선과에 설치되 며 영상판독 시에 이용되므로 고급사양의 전용 모니터로 2K(2048×2530 pixel)의 해상도에 10비트 이상의 회색조, 100 foot-Lambert 이상의 밝기를 요구한다. 통상적으로 PACS에서 전용모니터를 사용하는 경우 화질의 차이를 느끼지 못하는 압축 률은 2K(1850×2150 pixel) CR 기준으로 10:1 또는 25:1 까지 알려지고 있으며[5-7], 국내외 PACS가 설치된 병원의 이에 준 해서 장기저장장치를 운용하고 있다 [1, 2, 8, 9]. 하지만 4K (3700×4300) 영상의 경우 full PACS에 실제 사용된 경우가 본 원이 처음으로 아직 적정 압축률에 대한 연구가 없으며, 뚜렷한 권장 압축률도 없다. 특히 full PACS의 90% 이상을 차지하는 임 상용 컬러모니터 상에서의 영상비교는 아주 드문데, PC 모니터 에서 비디오카메라 또는 스캐너를 이용한 방사선영상 획득 후 JPEG 압축을 이용하여 영상비교를 한 결과 뚜렷한 영상질의 저 하 없이 20:1 압축이 가능하다고 보고하였다 [10].

JPEG은 정지영상 압축에서 가장 널리 쓰이는 방법으로 압축 률을 Q 인자를 조정함으로써 수배에서 수십 배까지 올릴 수 있지 만, 일부 압축된 영상데이터가 손실 됨으로써 원영상으로 완전하 게 복구될 수 없는 점은 있으나 높은 압축률로 인하여 시스템의 경제성과 성능향상에 도움을 줄 수 있다. JPEG 압축 방법은 인간 의 시각 시스템 한계의 장점을 취한다. 인간의 눈은 컬러색상에서 의 조그만 변화보다는 밝기에서의 조그만 변화를 인지할 수 있다.

이는 JEPG이 어느 정도는 컬러상 정보를 제거할 수 있게 해준다.

이는 몇 개의 화소를 하나로 묶어 가장 근사치를 계산하여 그 값 만을 기억하는 방식이다. 이로 인해서 영상의 질이 저하하기 시작 하고 영상내의 농담이 고르지 않은 구조(blocky structure)를 발 견하게 된다. 영상의 질이 보다 나빠졌을 때, 영상은 질이 저하되 기 전의 영상 화소들이 합쳐진 사각형들의 묶음체로 변질된다. 이 러한 현상들은 압축률이 증가할수록 더욱 두드러진다 [4]. 원본 영상과 압축영상과의 화질차이는 이런 화소들의 변질된 값으로 인해 생겨나는 것이다. Q 인자가 높아지면 압축률이 높아지는 비

례 관계이기는 하지만 정비례하지는 않고 영상의 종류에 따라 큰 차이가 난다. 예를 들면 같은 압축률이어도 단순촬영과 같이 해상 도가 높으며 대조도 차이가 심하지 않은 사진은 높은 압축률을 보 이는 반면 CT MR과 같은 해상도가 낮고 대조도가 높은 영상은 압축률이 높지 않다. 저자들의 경우도 Q factor 45의 경우에서 초 음파, CT, MR은 약 9:1의 압축률을 보인 반면 단순엑스선필름의 경우 약 24:1의 압축률을 보였다.

최근 들어 국내의 일선 병원현장에서 일반적으로 임상(진료실, 의사실, 병동 등)에서는 개인 컴퓨터용 컬러 모니터를 영상관찰 대로 쓰고 있다 [2, 8]. 그래서 이번 연구에서는 PACS 전용 모니 터와 더불어 실제 본원에서 임상용(진료실, 의사실, 병동 등)으로 쓰고 있는 일반 개인 컴퓨터용 컬러 모니터와 함께 압축된 영상의 화질을 비교하였다. 결과에서와 같이 일반 개인용컴퓨터 컬러모 니터는 10:1 영상과 40:1 영상의 비교에서 PACS 전용모니터와 달리 화질 차이를 구분하지 못했다. 이는 인터넷 환경에서의 PACS의 영상관찰대는 컬러모니터를 이용하게 되며, 전송속도 가 대단히 중요하기 때문에 인터넷을 위한 장기저장으로는 40:1 영상을 이용하여도 무방할 것으로 판단된다.

5. 결

PACS내에서 고해상도 영상인 4K CR 영상은 JPEG을 이용하 는 경우 평균 20:1 압축을 하여도 방사선과 전문의가 식별하기 힘들 정도로 화질저하가 되므로 장기저장장치에 이 압축률로 저 장을 하면 영상정보의 손실을 최소화하면서도 저장비용을 절감 은 물론 네트워크의 부담을 줄여 전반적인 시스템의 성능향상을 꾀할 수 있으리라 기대된다.

1. Ro DW, Kim BH, Choo SW, et al. Status of full PACS at Sammung medical center. 대한PACS학회지 1998;4:1-4 2. Shin Mj, Song KS, Auh YH, et al. PACS development in Asan

medical center. 대한PACS학회지 1997;3:1-3

3. Bramble JM, Huang HK, Murphy MD. Image data compres- sion. Invest Radiol 1998;23:707-712

4. Sim JS, Kim JH, Han MC. Visual assesment of JPEG com- pressed computed radiographs. Proceeding of the fifth interna- tional conference on image management and communicaton 1997;229-232

5. Cosman PC, Davidson HC, Bergin CJ, Tseng CW, Meses LE, Riskin EA, Olshen RA, Gray RM, Thoracic CT images:effect of lossy image compression on diagnostic accuracy. Radiology 1994; 190:517-524

6. Ishigaki T, Sakuma S, Ikeda M, Itoh Y, Suzuki M, Iwai S.

Clinical evaluation of irreversible image compression : Analysis of chest imaging with computed radiography.

Radiology 1990;175:739-179

차순주 외 : PACS에 이용되는 압축영상의 화질 평가

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7. MacMahon H, Doi K, Sanada S, et al. Data Compression : Effect on diagnostic accuracy in digital chest radiography.

Radiology 1991;178:175-179

8. 차순주, 이동호, 김용훈, 허 감. 신설병원의 완전PACS 도입. 대 한PACS학회지 2000;6:73-78

9. 차순주, 김용훈, 허감. PACS 설치시 영상 데이터 용량 산정에 관한 연구. 대한방사선의학회지 2000;42:705-708

10. 차순주, 김용훈, 김영환, 김정숙, 조우호, 허 감, 김종효, 김성준.

PACS의 PC형 영상열람대에서의 압축률에 따른 영상 비교. 대 한 PACS학회지 1998;4:119-112

대한PACS학회지 2001;7:9-12

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대한PACS학회지 2001;7:9-12

=초 록=

목적: PACS 영상관찰대에서 각기 다른 압축율로 표시된 영상의 차이를 비교하여 허용 가능한 범위를 찾고자 하였 다.

대상 및 방법: 본원에서 촬영된 유방촬영을 제외한 단순엑스선 CR 영상을 무작위로 총 46 영상을 선택하였다. 각각 의 디지털화 영상을 무압축 영상과 계층적 JPEG 압축기법을 이용한 평균 압축률 10:1, 20:1, 40:1 영상을 한 화면 에 하나의 영상씩 동시에 2대의 모니터에 무작위로 표시하도록 하였다. 영상 비교 검사는 PACS 전용 모니터(2048

×2560화소)에서와 임상용 고해상도 컬러모니터(1600×1200화소)에서 각각 별도로 시행하였다. 영상 관찰자는 CR 영상을 실제 판독하고 있는 3명의 방사선과 전문의가 합의에 의해 2개의 영상의 품질을 상대 평가하도록 하였 다.

결과: PACS 전용 모니터에서 시행한 무압축 영상과 10:1 영상은 46예 중 45예에서 구별을 하였으며 20:1의 경우 는 45예, 40:1의 경우는 44예로 세 그룹 모두 원본 영상을 구분해 냈다. 10:1영상과 20:1영상과의 비교는 46예 중 22예를 맞추었기 때문에 두 영상을 감별하는데 실패하였지만, 10:1영상과 40:1영상과의 비교는 42예에서 구분을 하였다. Color 모니터상에서는 무압축 영상과 10:1영상은 46예 중 36예에서 구별을 하였으며 20:1의 경우는 37예, 40:1의 경우는 39예로 세그룹 모두 원본영상을 비교적 구분해 냈지만 PACS 전용 모니터상에서 보다는 현저히 정 확도가 떨어 졌다. 10:1영상과 20:1 영상, 10:1 영상과 40:1영상과의 비교는 50예 중 26예, 27예를 구별하였기 때 문에 두 영상군의 화질 차이를 구별하는데 실패하였다.

결론: PACS용 전용 모니터 상에서는 4K 고해상도 영상을 압축하는 경우 기존의 2K 영상 압축에 이용되는 압축률 인 10:1 영상과 20:1 영상과의 차이를 구분할 수 없으므로 장기 저장용 영상의 압축률을 20:1로 PACS를 운영하면 비용 절감과 시스템 성능향상에 도움을 줄 것이다.

수치

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참조

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