디지털 유방촬영 영상의 임상적 허용 가능한 적정한 손실 압축률 산정

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서 론

의료 영상 저장 및 전송 시스템(Picture Archiving and Communication System: 이하 PACS)이 가동되는 초창기 에는 필름과 같은 영상판(imaging plate)에 엑스선을 조사하 고 이를 스캔하는 방법인 컴퓨터엑스선영상(Computer

Radiology, 이하 CR) 등으로 촬영된 영상이 필름 유방영상보 다 화질이 좋지 않았기 때문에 필름 유방영상을 유지하거나 장 기 저장 시에 손실압축을 하지 않았다[1-3]. 하지만 최근들어 PACS가 설치된 많은 병원에서 디지털유방촬영기의 도입과 함께 최근들어 유방암 조기 진단 경향으로 검사 건수는 상당히 늘어나는 추세로 인해 유방영상의 데이터양도 많아지고 있어 PACS에서의 장기 저장시의 압축의 요구가 있지만 이에 대한 연구는 상당히 빈약하다.

PACS에서의 장기저장용 영상 압축은 과거 주로 JPEG을 활용했지만 최근 들어 화질저하를 최소화 하면서 비교적압축 률을 높일수 있는 웨이블릿(Wavelet) 변환을 이용한

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디지털 유방촬영 영상의 임상적 허용 가능한 적정한 손실 압축률 산정

차순주

1, 2

∙이지영

2

∙홍성완

1

∙황윤준

2

∙김수영

2

∙이병훈

2

∙김용훈

2

1

인제대학교 부설 의료영상연구소,

2

인제대학교 일산백병원 영상의학과

Clinically Acceptable Lossy Compression Rate in Digital Mammography

Soon Joo Cha1, 2, Ji Young Lee2, Sung Wan Hong1, Yoon Joon Hwang2 Su Young Kim2, Byung Hoon Lee2, Yong Hoon Kim2

1Inje University Medical Imaging Researching Center

2Department of Radiology, Inje University Ilsan Paik Hospital

= Abstract =

Purpose: To evaluate clinically acceptable long term storage compression rate of JPEG200 of digital mammogram image.

Materials and Methods: 13 mammogram were selected, which had fine pathologic condition. All im- ages were compressed with rate of 1:5, 1:10, 1:20, 1:40, 1:80, 1:160, 1:320, 1:640by JPEG2000 com- pression protocol. All of thepaired images werescoring by a radiologist (breast imaging subspecialist) Results: In groups of 1:5, 1:10, 1:20, 1:40, 1:80, any image had not score 3 or less in two trials.

However in groupof 1:160, the images had score 3 in 34.6%, in group of 1:320, the images had score 2 in 3.8%, score 3 in 65.4%. All image in group of 1:640 had score 3 or less.

Conclusion: 1:80 of JPEG 2000 lossy compression images might be acceptable clinically in long term storage of PACS.

Key words: PACS, Digital mammogram, Digital imaging and communications in medicine (DICOM), Data compression

이 연구는 2010년 인제대학교 학술연구조성비 지원으로 이루어졌음.

통신저자: 차순주, (411-706) 경기도 고양시 일산구 대화동 2240 인제대학교 부설 의료영상연구소, 인제대학교 일산백병원 영상의학과 Tel: 031-910-7394, Fax: 031-910-7369

E-mail: chasoonj@paik.ac.kr

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JPEG2000(Joint Photographic Coding Experts Group 2000)이 보급되어 보편화되고 있다[4].

이에 저자들은 JPEG2000으로 압축된 디지털유방영상의 장 기 저장을 위한 적정한 압축률을 산정하고자 이번 연구를 하고 자 하였다

대상 및 방법

실험 대상으로는 저자 등이 소속된 병원에서 사용하고 있는 디지털 유방촬영기 (LoradSelenia, Hologic, Inc, USA)를 이용해 촬영된영상중 미세 병변이있는 13개의 증례를 무작위 로 추출하였으며 영상에 표시된 모든 환자의 정보는 삭제 하였 다.

JPEG2000 영상 압축은 페가수스 키트(PICTools 32-Bit Imaging Development kits, Pegasus Imaging

Corporation, Tampa, FL. USA, Fig. 1)을 이용하였고, Q- Factor를 조절하여 각각 1:5, 1:10, 1:20, 1:40, 1:80, 1:160, 1:320, 1:640 의 압축률로 적용하여 손실 압축을 하여 총 104개의 영상조합을 대상으로 하였다.

영상 평가를 위한 프로그램은 저자들이 소속된 병원의 PACS 영상관찰대용 프로그램(마로시스, 인피니트테크놀로 지, 대한민국)을 사용하였으며 모니터는 5 메가 픽셀(2048 × 2560 Pixel)의 해상도를 갖는 유방전용전용 흑백 LCD 모니터 (Totoku MDL2116A, Japan)를 사용하였다.

원본 영상과 각각 다른 압축률의 영상 중 하나를 두개의 모니 터에각각을 표시하여 일대일 비교를 하도록 하였으며, 해당 영 상이 얼마나 압축된 영상인지에 대한 정보를 제공하지 않았다.

화질 평가는 8년 이상 유방세부전공을 하고 있는 영상의학 과전문의 1인이 2주 장도의 간격을 두고 2회에 걸쳐 화질 평가 를 하였으며 다음의 5개의 등급으로 분류하도록 하였다.

차순주 외: 디지털 유방촬영 영상의 임상적 허용 가능한 적정한 손실 압축률 산정

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표 1. 압축비율 별PSNR 값 Compression

Ratio 1:5 1:10 1:20 1:40 1:80 1:160 1:320 1:640

PSNR(dB) 73.98±9.6 67.28±4.9 52.69±2.0 45.22±2.5 41.04±2.8 38.08±2.4 35.99±1.9 34.50±1.6

표 2. 압축비율과 평가점수에 따른 빈도 상황표

압축비율 평가점수 1차 2차 1 + 2차

빈도 유효% 빈도 유효% 빈도 유효%

1:5 4* 2 15.4% 4 30.8% 6 23.1%

5* 11 84.6% 9 69.2% 20 76.9%

1:10 4* 4 30.8% 6 46.2% 10 38.5%

5* 9 69.2% 7 53.8% 16 61.5%

1:20 4* 7 53.8% 5 38.5% 12 46.2%

5* 6 46.2% 8 61.5% 14 53.8%

1:40 4* 4 30.8% 7 53.8% 11 42.3%

5* 9 69.2% 6 46.2% 15 57.7%

1:80 4* 4 30.8% 5 38.5% 9 34.6%

5* 9 69.2% 8 61.5% 17 65.4%

1:160 3* 4 30.8% 4 30.8% 8 30.8%

4* 7 53.8% 7 53.8% 14 53.8%

5* 2 15.4% 2 15.4% 4 15.4%

1:320 2* 1 7.7% 10 76.9% 1 3.8%

3* 7 53.8% 3 23.1% 17 65.4%

4* 4 30.8% 7 26.9%

5* 1 7.7% 1 3.8%

1:640 1* 1 7.7% 1 3.8%

2* 9 69.2% 10 76.9% 19 73.1%

3* 3 23.1% 3 23.1% 6 23.1%

1*: 판독이 불가능하다.

2*: 판독에 부적절한 화질의 열화가 있다.

3*: 화질의 열화가 있어서 판독결과에 영향을 줄 수도 있다.

4*: 미세한 화질 열화가 감지되나 판독에는 영향이 없다.

5*: 원본과 구분되지 않는 화질이다.

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1: 판독이 불가능하다.

2: 판독에 부적절한 화질과 열화가 있다.

3: 화질 열화는 있어서 판독결과에 영향을 줄 수도 있다.

4: 미세한 화질 열화가 감지되나 판독에는 영향이 없다.

5: 원본과 구분되지 않는 화질이다

영상평가 과정에서 1차 실험과 2차 실험의 결과간 차이를 검 정하기 위해 독립표본 T-검정을 SPSS (Win 10.0, IBM, US)를 이용하였다.

결 과

원본 영상과 압축된 영상간 화질 비교를 위해 PSNR값을 계 산한 결과는 모든 압축률에서 30 dB 이상의 높은 PSNR값을 보여주었다다(표 1).

압축비율에 따른 영상의 질이 판독과 장기저장에 적합한지 에 대한 평가를 한 결과 1:5, 1:10, 1:20, 1:40, 1:80영상군 에서는 1차 2차 영상평가에서 모두 판독에는 영향을 주지 않을 것으로 판단되는 4점이상으로 평가 되었으며, 원본과 구분되 지 않을 정도의 화질을 보이는 5점으로 평가된 영상이 1:80의 경우 65.4%로 나타났다.

한편 1:160의 경우 판독결과에 영향을 줄 수 있는 열화가 인 정되는 3점을 평가 받은 경우가 34.6%, 1:320의 경우 판독에 부적절할 정도의 의 화질열화가 인지되는 2점이 3.8%, 3점이 65.4%, 1:640의 경우 전례가 3점이하로 평가 되었다(표 2).

평가자의 1차 실험과 2차 실험 결과의 차이를 검증하기 위한

독립표본 T-검정의 결과 P-값이 유의수준 0.05보다 큰 0.574 가 나와 통계적으로 의미 있는 차이는 없었다(표 3).

고 찰

PACS에서 운용되는 영상의 손실압축은 이미 판독이 완료 되거나 치료 과정이 종료된 경우, 경비 절감은 물론 과거 수년 간의 영상을 즉시 조회가 가능하게 하는 편의성을 고려하여 대 부분의 병원에서 장기저장영상용으로 사용되고 있다. 최근 들 어 유방촬영의 경우도 검사건수의 증가가 늘어나는 추세여서 유방영상의 경우도 적절한 압축으로 장기 저장할 필요가 있다 [1-3]

해외는 물론 국내의 경우 손실 압축률을 어느 정도로 유지 할 지에 관한 구체적인 규정은 없이 대한의학영상정보학회의 가이드 라인만이 정도만 있다[5]. 이 가이드라인 에서는 손실 압축을 인정하고 있으며 (CR등의 일반 엑스선 영상의 경우 JPEG 압축의 경우 10:1이내 CT, MR의 경우 4:1이내) 이를 근거로 대부분의 국내 PACS설치 업체는 사용자인 병원 측에 이 범위 내에서의 영상 압축을 권장하여 과거 수년간 운영하여 왔었다. 하지만, 유방촬영의 경우 고화질이 요구 되기 때문에 일반 CR과는 다른 보수적인 기준이 필요 할 것으로 판단하여 무압축으로 유지 되어 왔으며, 유방촬영 건수가 많지 않았기 때문에 손실압축의 필요성을 인지 하지 못해 왔었다.

JPEG2000은 영상을 스케일 또는 해상도(resolution)로 분 해하기 때문에 상세한 정보를 가지면서도 낮은 해상도로 분해 할 수 있다. 저자들의 연구를 포함한 여러 연구에서 CR 영상

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표 3. 영상의 질에 대한 평가의 통계적 유의미성 검정

회 차 평가점수 빈도 유효 퍼센트 평균 표준편차 평균의 표준오차 유의확률

1* 01 00.9 4.20 1.011 0.93

2* 10 08.5

1차 3* 14 12.0

4* 32 27.4

5* 60 51.3

1* 4.414 0.964 0.89

0.574

2* 10 08.5

2차 3* 17 14.5

4* 37 31.6

5* 53 45.3

1*: 판독이 불가능하다.

2*: 판독에 부적절한 화질의 열화가 있다.

3*: 화질의 열화가 있어서 판독결과에 영향을 줄 수도 있다.

4*: 미세한 화질 열화가 감지되나 판독에는 영향이 없다.

5*: 원본과 구분되지 않는 화질이다.

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차순주 외: 디지털 유방촬영 영상의 임상적 허용 가능한 적정한 손실 압축률 산정

- 37 - 의 JPEG2000 압축률은 기존의 JPEG에 비해 약 2배 이상으 로 조사 되었다[4, 6, 7].

장기저장용 적정 손실 압축률에 관해서 저자를 비롯하여 여 러 연구가 이루어져 왔지만임상적으로 허용 가능한 압축률 산 정은 객관화하기 어렵기 때문에 많은 다양한 연구가 필요하게 되며 특히 검사 종류별로 또는 검사 부위별로 다양한 압축율이 요구된다. 통상적으로 임상적으로 허용 가능한 손실압축 영상 의 평가 방법으로는 두 대의 모니터에 나란히 원본 영상과 압 축된 영상을 표시하고 병소 혹은 해부학적 구조물의 경계를 관 찰하고 화질 저하여부를 평가하는 방법을 사용하게 된다[8].

하지만 이런 방법은 평가자의 주관이 반영되기 때문에, 저자들 은 이를 좀더 객관화 할 방법으로 영상평가를 위해 사용되는 유방판톰을 촬영하여 다양한 압축을 시도 해 보았다. 하지만 유방판톰의경우 예상외의 높은 손실압축(1:320)으로 합격기 준을 통과했지만, 유방판톰은 실제 유방 조직 같은 미세 구조 물이 적은 균질한 물질이 많은 부분을 차지 하게 되어 상대적 으로 높은 압축률을 보이게 되었다는 결론을 얻게 되었기 때문 에 객관적인 평가방법으로 영상평가에 유방표준판톰촬영 영상 을 이용하여압축영상의 화질을 평가하는 것은 부적절한 결론 을 내렸기 때문에 통상적인 영상 평가 방법을 사용하게 되었다 [9].

저자에 의한 영상평가 분류 방법은 비록 유방에 관한 임상 경험이 풍부한 판독자를 대상으로 하여 2회의 평가분류에 있 어서 큰 차이를 보이지 않아 결과에 대한 신뢰도가 높을 것으 로 판단하지만 평가의 보다 높은 신뢰도를 위해서는 어려움이

따르지만 다양한 기기와 다수의 평가자를 대상으로 한 연구의 필요성은 있다.

이상의 결과를 토대로 저자들은 JPEG2000으로 압축한 디 지털유방촬영의 장기저장 손실압축률의 최대 압축율은 1:80까 지 가능한 것으로 판단한다.

참 고 문 헌

1.송군식, 신명진, 이수현, 이주희, 오용호. 서울중앙병원의 PACS 구축 및 운영 현황. 대한PACS학회지 1998;4:5-12

2.천종호, 김영준, 이용성, 최병길. 2004 한국PACS 현황보고. 대 한PACS학회지 2004;10:71-76

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

4.성민모, 김희중, 김은경, 곽진영, 유재경, 유형식. JPEG2000을 이용한 DigitalMammography 영상의 압축 비율별 임상적 평 가. 대한PACS학회지, 2001;7:13-19

5.대한 PACS 학회. 2001년 대한PACS학회권장 가이드라인. 2001 http://www.pacs.or.kr

6.차순주, 김용훈, 김형석, 황윤준, 김수영, 허 감 등. PACS에 이 용되는 압축영상의 화질 평가: 4K고해상도 CR영상의 장기저장 을 위한 적정 압축률. 대한PACS학회지 2001;7:9-12

7.차순주, 홍성완, 김용훈 등. PACS에서의 CT와 MR영상의 장기 저장에 적용할 JPEG2000손실압축률의 임상적 평가. 대한영상 의학회지 2006;54:227-232

8.홍성완, 전용경, 차순주, 김용훈, 허 감. 두가지 방식의 임상평 가용 JPEG2000 관찰프로그램의 비교. 대한PACS학회지 2006;12:35-40

9.차순주, 홍성완, 이지영, 김용훈. 유방표준판톰을 사용한 디지 털유방영상의 적절한 JPEG2000 손실압축률 산정에 관한 연 구. 대한의학영상정보학회지 2010;16:8-13

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