JPEG2000으로 압축된 가상 현미경 영상의 시각적 무손실 압축 임계점 측정

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JPEG2000으로 압축된 가상 현미경 영상의 시각적 무손실 압축 임계점 측정

조재화^{1, 2}∙김길중^{1, 2}∙이경호²∙김수영²

1서울대학교 의과대학 방사선응용생명과학과

2분당서울대학교병원 영상의학과

Assessment of the Visually Lossless Threshold of JPEG2000 Compressed Virtual Microscopy Images

Jae Hwa Cho, B.S.^{1, 2}, Kil Joong Kim, M.S.^{1, 2}, Kyoung Ho Lee, M.D.², Suyoung Kim, B.S.²

1Department of Radiation Applied Life Science, Seoul National University College of Medicine

2Department of Radiology, Seoul National University Bundang Hospital

= Abstract =

Purpose: To access the visually lossless threshold of JPEG2000 compressed virtual microscopy images.

Materials and Methods: A total of 60 virtual microscopy images were compressed to one of the six compression ratios (CRs) (reversible, 10:1, 20:1, 30:1, 40:1, and 50:1) using JPEG2000. By alternate- ly displaying the original and the compressed image on the same monitor, three pathologists indepen- dently determine if the compressed image was distinguishable from the original image. The responses of the three pathologists were pooled. At each CR, we calculated the proportions that the compressed images are rated as distinguishable from the original images.

Results: According to the pooled responses, all 60 reversibly compressed images were rated as indistinguishable. According to the pooled responses, none (0/60), 26.7% (16/60), 70.0% (42/60), 83.3% (50/60), and 100.0% (60/60) of the image pairs were distinguishable at 10:1, 20:1, 30:1, 40:1 and 50:1 compressions, respectively.

Conclusion: Virtual microscopy images irreversibly compressed at a level of 10:1 using the JPEG2000 are visually lossless, and therefore potentially acceptable for the virtual microscopy images.

Key words: virtual microscopy image, image compression, PACS, JPEG2000

이 연구는 분당서울대학교병원 2008년 일반연구비 (02-2008-004) 지원에 의해 이루어졌음.

통신저자: 김길중, (463-707) 경기도 성남시 분당구 구미로 166번지 분당서울대학교병원 영상의학과

Tel: 031-787-1455, Fax: 031-787-4011, E-mail: [email protected]

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서 론

전통적으로 병리 영상은 유리 슬라이드로부터 현미경을 이 용하여 획득하였다. 하지만 이러한 고식적인 유리 슬라이드는 오 분류, 분실, 파손 및 변질의 위험이 있을 뿐만이 아니라 영 구적으로 보관하기 어렵다는 단점이 있다. 최근 고식적인 유리 슬라이드의 단점을 극복하기 위한 효과적인 도구로써 가상현 미경 (virtual microscopy)이 주목 받고 있다 [1-4].

가상현미경은 광학 렌즈, 디지털 카메라, 로봇 등으로 구성 된 스캐너를 이용해 유리 슬라이드를 스캔하여 초고해상도 (한 pixel 이 수십 μm) 디지털 영상으로 만드는 시스템이다. 가상 현미경 영상은 유리 슬라이드를 현미경으로 볼 때와 똑같이, 컴퓨터에서 확대 및 임의 위치 탐색 (navigation)이 가능하며, 화질은 현미경 영상과 동일하다 [5-7].

하지만 가상현미경의 단점은 영상 데이터의 양이 너무 크다 는 것이다. 유리 슬라이드를 200-400 배로 스캔 할 경우, 가상 현미경 영상 한 장은 약 20-80GB에 이른다. 암환자가 근치적 수술을 받는 경우 하나의 수술 검체에 대해서 대개 20-30장 정 도의 유리 슬라이드를 제작하는데, 이는 약 500 GB - 2 TB 에 해당한다.

이러한 방대한 데이터를 효과적으로 처리할 수 있는 방법으 로 영상 압축의 사용이 대두되고 있다 [3, 6, 8-11]. 일반적으 로, 디지털 영상을 가역 압축하면 (reversible compression) 최대 압축률은 약 2.5:1에 불과하다. 보다 높은 압축률을 적용 하려면 비가역 압축을 (irreversible compression)해야 하는 데, 병리과 의사들은 전통적으로 화질을 최우선으로 여기므로, 오판독에 대한 우려 때문에 비가역 압축의 사용에 대하여 대단 히 보수적이다. 아직까지 가상현미경 영상의 적정 압축률에 대 한 guideline은 없다.

만약 판독의가 압축된 가상현미경 영상과 원본 영상을 구분 하지 못한다면 이러한 시각적 무손실 (visually lossless) 압 축은 진단능 (diagnostic accuracy)에 영향을 끼치지 않을 것 이다. 따라서 시각적 무손실 압축은 비가역 압축이긴 하지만 진단능의 무손실 (diagnostic lossless)을 보장할 수 있으므 로, 보수적인 판독의들을 설득하기 쉽고, 의료 사고의 우려로 부터 자유롭다 [12, 13].

본 연구의 목적은 JPEG2000으로 압축된 가상현미경 영상

대상 및 방법

대상 및 영상 획득

일반적으로 빈번히 발생하는 증례를 기준으로 60개 유리 슬 라이드를 선정하였다. 이 슬라이드들은 H & E 착색한 hol- low viscus 의 내시경 생검 조직 증례, H & E 착색한 강직 기 관(solid organ)의 수술 증례, 강직 기관의 일반적인 immunohistochemistry 증례 등을 포함하였다. 유리 슬라이 드에는 환자를 알아볼 수 있는 정보가 전혀 없었다.

선택된 각 유리 슬라이드의 조직 절편을 자동 유리 슬라이드 스캐너 (Olympus SIS .slide, Olympus BX51)를 이용하여 디지털 영상화 하였다[14]. 그 원리는 다음과 같다. 먼저 유리 슬라이드를 40배 대물렌즈를 사용하여 확대한 뒤, 전체 영역을 위/왼쪽부터 아래/오른쪽 방향으로 순차적으로 CCD 카메라 (CC-12; 센서 크기, 10.2 × 8.3 mm; 해상도, 1376 × 1032; 픽셀 크기, 6.45 × 6.45 μm) 로 디지털 영상을 획득한 다. 발생된 수백 장의 디지털 영상을 후처리로 한 장의 디지털 영상으로 조합한다. 한 장의 유리 슬라이드를 스캔하는데 약 6 분이 소요되었다. 획득된 60장의 영상 크기는 34.2 ± 4.5GB (평균 ± 표준편차)이었다. 주관적 화질 평가를 위해 각 영상 에서 병변을 가장 명확히 나타내는 관심 영역을 원본 크기 영 상 (40배 대물렌즈와 10배 접안렌즈 사용 영상, 즉 400배 영 상)에서 추출 하였다. 이 영역의 크기는 주관적 화질 평가에 사용한 모니터의 해상도 (1280 × 1024)에 맞추었다.

가상현미경 영상 압축

각 60장의 영상을 JPEG2000 알고리즘 (Pegasus Imaging Co., Tampa, FL, USA)을 이용하여 6개의 압축률 (무손실, 10:1, 15:1, 20:1, 30:1, 그리고 50:1)로 압축하였다. 무손실 압축 영상은 실험의 negative control로 사용되었다. 압축 파 라미터는 압축 라이브러리에서 제공하는 기본값을 사용하였 다: single tile; wavelet decomposition, 6 level; code block 크기, 64 × 64; precinct 크기, 32,768 × 32,768; 그 리고 single layer.

주관적 화질 평가

각 압축된 영상은 원본 영상과 짝을 이뤄 총 360영상 쌍 (60

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험자는 한번에 한 session만 실험하였다. 실험 session간 사이 는 최소 1주일 이었다. 각 실험자마다 실험 session의 순서를 바꾸었다.

한 영상 쌍 (압축된 영상과 원본영상)의 화질을 평가하기 위 해, 우리는 Slone et al. [12]이 사용한 방법과 비슷한 방법을 사용하였다. 한 개의 모니터 (Syncmaster CX2268W, Samsung)에서, 실험자는 마우스 휠이나 키보드를 이용해 두 영상을 바꿔가면서 볼 수 있었다. 원본 영상이 먼저 보였고, 그 다음 압축된 영상이 보였다. 실험자가 원하면 다시 원본 영상 으로 돌아갈 수 있었다. 각 실험자는 두 번째 영상 (즉, 압축된 영상)을 첫 번째 영상 (즉, 원본 영상)과 비교하여 구별 가능한 지 (distinguishable), 아니면 불가능한지 (in distinguishable)를 평가하였다. 두 영상을 비교할 때, 실험자는 특정 병 변과 관련된 부위뿐만 아니라 영상 전체적으로 분석해달라고 요청 받았다. 화질 측정 시간은 제약이 없었다.

통계분석

360 영상쌍에 대한 3명의 실험자간 반응에 대한 동의 정도 (interobserver agreement)를 Kappa statistics를 이용하여 측정하였다. 각 영상쌍에 대해 실험자들의 반응을 대한 대표값 을 얻었다. 두명 이상이 두영상이 구별 가능하다 (distinguishable)라고 반응하였으면 구별 가능함 (positive); 아니 면 구별이 불가능함 (negative)이라고 정의하였다. 각 압축률 에서 원본 영상과 비교하여 시각적으로 구분이 가지 않는 비율 을 계산하였다.

은 압축률로 정의하였다. 주어진 압축률에서 한 영상쌍에 대 해, 대표값이 negative면 시각적 무손실 임계점은 그 압축률 보다 높다; 아니면 (positive) 그 압축률보다 낮다. 그러므로 시각적 무손실 임계점은 다음과 같은 범위 중 한 곳에 위치한 다: < 10:1, 10:1-15:1, 15:1-20:1, 20:1-30:1, 30:1-50:1, 혹은 > 50:1. 실험자들의 반응에 대한 대표값을 이용하여 각 영상쌍에 대한 시각적 무손실 임계점을 계산하였다.

통계 검증에서 p 값이 0.05 작으면 통계적으로 유의하다고 간주하였다. 통계 검증에 통계 프로그램 (StatsDirect ver- sion 2.7.2, StatsDirect Ltd., Cheshire, UK)을 사용하였 다.

결 과

총 360개의 영상 화질에 대한 실험자들의 반응과 관련하여, kappa statistic 값은 0.61 (p < 0.001)이었다. 실험자들의 반응에 대한 대표값에 따르면, 모든 60개의 가역 (reversible) 압축된 영상에 대해 실험자들은 구별 불가능하다 (indistinguishable)라고 평가하였다. 10:1로 압축된 모든 60개 영상에 대해서도 실험자들은 구별 불가능하다 (indistinguishable) 라고 평가하였다 (0.0%; 95% CI, 0.0%, 6.0%). 압축률이 올라감에 따라 영상들은 많은 영상에 대해 구별 가능하다 (distinguishable)라고 평가하는 경향을 보였다. 20:1에서는 26.7% (16/60; 17.1%, 39.0%), 30:1에서는 70.0%

(42/60; 57.5%, 80.1%), 40:1에서는 83.3% (50/60;

그림 1. 압축된 가상 현미경 영생의 예

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72.0%, 90.7%), 그리고 50:1에서는 100.0% (60/60;

94.0%, 100.0%)의 비율로 압축된 영상을 원본영상과 비교하 여 구분 하였다.

총 60개의 영상의 시각적 무손실 임계점은 영상에 따라 달랐 다. 시각적 무손실 임계점은;

16개의 영상에 대해 10:1-20:1; 28개의 영상에 대해 20:1- 30:1; 12개의 영상에 대해 30:1-40:1, 그리고 4개의 영상에 대해 40:1-50:1 였다.

고 찰

본 연구결과에 따르면, 실험자들은 10:1로 압축된 모든 영 상을 원본영상과 시각적으로 구분하지 못하였다. 결과적으로, 병리 영상에 대해 JPEG2000을 이용하여 10:1 압축이 잠재적 으로 허용될 수 있다고 제안 할 수 있다. 병리 영상의 시각적 무손실 임계점은 영상에 따라 달랐고, 10:1에서 50:1 사이였 다.

기존에 제한된 수의 연구에 의하면, JPEG이나 JPEG2000 압축을 사용할 경우9:1-20:1 압축이 가상 병리 영상에 대해 적당하다고 보고하였다. 하지만, 이 연구들은 잘 정립된 주관 적 화질평가 방법론을 사용하지 않거나, 진단적 무손실 압축 임계점에 대해서만 연구하였다 [3, 6, 8-11]. 진단적 무손실 압축 임계점이란 특정 소견에 대한 진단능 (specific diagnostic task)을 훼손시키지 않는 압축률의 임계점을 말한다. 이 임계점의 단점은 다른 소견에는 적용할 수 없기 때문에 단점이 있다. 따라서, 기존 연구들의 결과를 바로 임상에 적용하기에 는 한계가 있다. 이에 반해, 본 연구는 기존에 이미 영상의학 분야에서 검증된 압축된 영상에 대한 주관적 화질평가 방법론 을 사용하였고, 시각적 무손실 압축 임계점에 대해 연구하였다 [12, 13, 15, 16]. 따라서, 본 연구의 결과는 기존 연구의 결과 보다 임상에 적용하기가 보다 용이하다.

본 연구결과에 따르면, 가상 현미경 영상의 시각적 무손실 임계점은 영상에 따라 달랐는데, 아마도 유리 슬라이드 마다 여백의 (조직이 없는 투명한 부분) 면적이 매우 다르다는데 기 인하는 것으로 예상된다. 이는 영상압축의 기본 원리는 영상 정보 중에 반복되거나 필요 없는 부분을 생략하는 것이기 때문 이다 [17]. 시각적 무손실 임계점과 유리 슬라이드의 여백 면 적의 상관관계에 대한 체계적인 추가 연구가 필요하다.

통적인 압축 알고리즘인 JPEG이 가지지 못한 여러 기능들을 제공한다. 이러한 기능들은 압축률 조절, tiling, 영상 화질이 나 해상도에 따른 점진적 접근 (progressive access in quali- ty and resolution), 영상 내 임의의 위치 접근 (random access to specific regions of any size) 등을 포함한다 [17].

이러한 기능을 이용하면, 압축된 영상을 전부 다 풀 필요 없이, 관심 영역 (region of interest)만 확대, 축소, 임의의 위치 이 동이 가능하다. 이에 따라, 많은 연구자들이 JPEG2000 이 병 리 영상 압축에 적합하다고 동의하였다 [6, 8, 18].

이 연구는 실험이 사용된 영상 수 (60장)가 너무 적었고, 다 양한 종류의 병리 영상을 포함하지 못하였다는 제한점을 가지 고 있다. 따라서, 이 연구 결과를 실제로 임상에 적용하기 위해 서는 다양한 병리 영상을 포함한 많은 수의 영상에 대한 추가 연구가 필요하다.

결론적으로, JPEG2000으로 10:1 로 압축된 가상 병리 영 상은 시각적으로 무손실이었다. 따라서, 병리 영상에 대해 JPEG2000으로 10:1 압축이 잠재적으로 허용될 수 있다고 하 겠다.

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대한의학영상정보학회지 2011;17:29-33

=초 록=

목적: JPEG2000으로 압축된 가상현미경 영상의 시각적 무손실 임계점 (visually lossless threshold)을 측정 한다.

대상 및 방법: 총 60개의 가상 병리 영상을 JPEG2000을 이용하여 6개의 압축률 (비가역, 10:1, 20:1, 30:1, 40:1, 그리고 50:1)로 압축하였다. 3명의 판독의가 각 압축/원본 영상을 번갈아 가며 보면서 두 영상이 구분 가 능한지 불가능한지 평가하였다. 각 영상쌍에 대해 실험자들의 반응을 대한 대표값을 얻었다. 각 압축률에서 원본 영상과 다르다고 평가된 영상의 비율을 계산하였다.

결과: 모든 60개의 가역 (reversible) 압축된 영상에 대해 실험자들은 구별 불가능하다 (indistinguishable)라 고 평가하였다. 실험자들의 대표값에 의하면, 10:1에서는 0 (0%) 20:1에서는 26.7% (16/60), 30:1에서는 70.0% (42/60), 40:1에서는 83.3% (50/60), 그리고 50:1에서는 100.0% (60/60)의 비율로 압축된 영상을 원 본영상과 비교하여 구분 하였다.

결론: JPEG2000으로 10:1로 압축된 가상 병리 영상은 시각적으로 무손실이었다. 따라서, 병리 영상에 대해 JPEG2000으로 10:1 압축이 잠재적으로 허용될 수 있다고 하겠다.