CT와 MRI영상에서 JPEG2000의 실용성과 압축률 산정에 관한 연구

1. 서 론

의료 영상 저장 및 전송 시스템(Picture Archiving and Communication System, 이하 PACS라 약함) 에 적용되는 영 상 압축분야에서 가장 많이 사용되는 정지 영상의 압축표준인 Joint Photographic Coding Experts Group(이하 JPEG라 약

함)은 다른 영상 포맷에 비해 압축률이 높기는 하지만 과도한 압축 시 블록 현상으로 인해 큰 비율의 압축을 실행할 수 없 었을 뿐더러 원래의 영상을 완벽하게 재구성을 할 수 없는 문 제점을 가지고 있다. 이러한 연유로 영상의 저장과 전송에 대 한 발전을 위한 의료영상의 새로운 포맷 개발이 대두되어 왔 으며 이에 부응할 수 있는 표준으로 웨이블릿 변환을 이용한 JPEG2000이 제시되었다.

PACS에서 판독이 완료되고 일정 기간이 지난 영상은 장기 저장장치 내에 저장을 하는데, 이때에 임상에 지장을 초래하지 않는 범위 내에서 압축을 가능한 높게 할수록 PACS의 초기

CT와 MRI 영상에서 JPEG2000의 실용성과 압축률 산정에 관한 연구

최성우¹・차순주^{1, 2}・김용훈²・서정욱²・허 감²

1인제대학교 의료영상연구소, ²인제 대학교 일산백병원 진단방사선과

The Calculation of Compression Rate and Practicality of JPEG2000 on CT and MR Images

Sung-Woo Choi, M.D.

, Soon Joo Cha, M.D.

,Yong Hoon Kim, M.D.

, Jung Wook, Seo, M.D.

, Gham Hur, M.D.

1Inje University Medical Image Research Center, ²Department of Radiology , Inje University Ilsan Paik Hospital

= Abstract =

JPEG (Joint Photographic Coding Expert Group) is one of format of compression method in PACS (Picture Archiving and Communication). But JPEG compression of medical image has several limita- tions of a blocking phenomenon, inavailable of high rate compression, and the rest. It rises the neces- sity for new standard that decreases a damage of image and increases a compression rate of image.

JPEG2000 is selected a new standard to satisfied the this condition

In this paper, we researched practicality and solubility of JPEG2000 on medical images. and we cal- culated a compression rate by clinical demonstration for the standard about JPEG2000. The all radio- logic images were CT (Computed Tomography) and MR (Magnetic Resonance) that have opinion of disease is collected by radiologist and a pair of LCD (Liquid Crystal Display) color monitor (1600× 1200) were used for displays.

In conclusion, suitable image compression rate are 1/10 in CT, 1/5 in MR clinically, and if it is ap- plied to PACS, we would be reduced a cost and responsibility of system.

Key words: PACS, JPEG2000, Digital Image, Image Compression

통신저자: 차순주 , (411-410) 경기도 고양시 일산구 대화동 2240 인제대학교 일산백병원 방사선과

Tel: 031-910-7394, Fax: 031-910-7369 E-mail: [email protected]

투자비와 운영비 절감이 이루어질 뿐만 아니라 과거영상을 조 회할 때 네트워크의 부담을 크게 줄여 주므로 전반적인 시스 템의 기능 향상과 네트워크 설비 비용을 줄일 수 있다.

장기저장영상의 손실 압축에 관해서는 이미 이에 대해 적지 않은 연구가 이루어지고 있어 국내에서 이미 가동 중인 몇 병 원에서는 일반 엑스선 의료용 전산화 방사선(Computed Radiography - 이하 CR이라 약함), 디지털 방사선 장치(Digital Radiography - 이하 DR이라 약함)에서 2 K 영상의 경우 1/10 압축을, 4 K 영상은 1/20의 압축률을 유지하며, 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography - 이하 CT라 약함), 자기공명 (Magnetic Resonance - 이하 MR이라 약함)에서는 손실 압 축 시 질 저하와 영상 데이터의 양이 많지 않은 점 때문에 무 압축 또는 무손실 압축으로 저장하거나 1/5 정도 이내에 압축 을 실시하고 있다. 하지만 최근에 다검출기 전산화 단층 촬영 장치(Multi Detector row Computed Tomography - 이하 MDCT라 약함)등의 새로운 영상획득 장비의 발달로 영상의 데 이터양이 검사 당 3-10배 정도 증가되고 있으며 검사 건수 역 시 기하급수적으로 늘어나고 있어, 영상 압축의 필요성이 인지 되고 있다.

이에 저자는 본 논문을 통하여 기존의 JPEG 영상이 아닌 JPEG2000의 PACS에 대한 가용성을 알아보며 실질 임상에 대한 실험을 바탕으로 압축률에 대한 데이터를 산정하여 새로 운 압축 기술에 대한 기준을 제시하고자 한다.

2. 대상 및 방법

실험 대상으로는 병원에서 사용하고 있는 PACS의 영상 조 회 프로그램(Marosis^Ⓡ, Marotech, Seoul, Korea)을 통하여 얻 어진 DICOM 3.0 포맷으로 디지털화 된 영상 중에 CT와 MR 의 영상을 대상으로 하였다. CT 영상의 경우 대표영상으로 복 부 영상으로 하였고, MR의 경우에는 대표영상으로 뇌 영상을 선택하였다. 실험에 쓰인 영상은 방사선과 전문의에 의해 뚜렷 한 병변을 가진 영상으로 CT, MR 각각 10개씩의 영상을 획 득하였다.

영상 압축은 JPEG2000의 압축 기법을 이용한 LeadTool^Ⓡ, (LEAD Technologies)을 사용하여 각각 1:5 1:10 1:20 1:40 으로 하여 압축하였다.

각각 다른 압축률의 영상 중 하나를 원 DICOM 이미지를 두 개의 모니터에 leadTool^Ⓡ(LEAD Technologies)의 JPEG 2000 및 DICOM Viewer를 이용하여 각각을 표시하여 일대일 비교 를 하도록 하였다. 영상 열람대로는 PACS에서 임상용, 진단용 영상 열람대로 이용되는 20.1 인치 크기의 1600×1200픽셀을

갖는 포트레이트형(portrait type) 고급사양의 컬러 액정디스 플레이(Liquid crystal display, Totoku, Japen, 이하 LCD라 약 함) 모니터 2대가 설치된 시스템 2대를 사용하였다.

영상의 평가는 2인의 방사선과 전문의의 합의에 의해 주어 진 회질차이 등급 방법에 의해 분류하도록 하였다 (Table 1).

3. 결 과

CT는 1/40압축의 경우 90%의 영상에서 임상적 차이를 느 끼는“>>”의 등급을 받아 확연히 구분되었고, 1/20의 경우 50%

영상에서 임상적 차이는 없지만 영상을 구별이 가능한“>”를 나머지 50%는 두영상을 구분할 수 없는“=”의 등급을 받아 일부 영상의 화질저하가 인지되었다. 1/10 압축에서 90% 영 상에서“=”으로 판단되었고 10%의 오답이 나와 원본 영상과 압축된 이미지 사이에 구분을 전혀 못하는 결과가 나왔으며, 1/5의 경우엔 100% “=”등급을 내려 압축률 1/10과 마찬가 지로 영상의 질적 차이를 감지하지 못하였다.

MR은 1/40의 경우 관찰자가 90%의 영상을“>>”등급을 내 리고 10%의 영상에서“=”등급을 내려서 대부분의 영상을 구 분할 수가 있었고, 1/20은“>>”의 등급 70%, “>”의 등급 10%,

Table 1.The Level of Image Quality Difference

Level Quality difference

“=” No difference in quality

“>” Minimal difference, but no clinical significancy

“>>” Remarkable difference in clinical aspect example A>>B A>B A=B

Table 2.The Result of Test

Compression rate Differentiation level CT MR Possible >> 9/10 9/10

1/40 > 1/10 0

Impossible = 0 1

Wrong 0 0

Possible >> 0 7/10

1/20 > 5/10 1

Impossible = 5/10 2

Wrong 0 0

Possible >> 0 1/10

1/10 > 0 3/10

Impossible = 9/10 4/10

Wrong 1 2/10

Possible >> 0 0

1/5 > 0 0

Impossible = 10/10 10/10

Wrong 0 0

A B

C D

E

Fig. 1. A.Original DICOM MR brain image.

B.1/5 Compression image.

C.1/10 Compression image.

D.1/20 Compression image.

E.1/40 Compression image.

A B

C D

E

Fig. 2. A.Original DICOM iabdominal CT image.

B.1/5 Compression image.

C.1/10 Compression image.

D.1/20 Compression image.

E.1/40 Compression image.

“=”의 등급 20%를 받아 1/40보다는 구분이 덜 되었지만 관 찰자에게 영상의 질적 차이가 파악되었다. 1/10으로 압축한 경 우“>>”10%, “>”30%, “=”40%, 오답 20%로 등급에 관한 판단이 영상에 따라 차이가 있었지만. 1/5 압축률에서 100%

의“=”등급이 나와 임상적 의의가 있는 차이는 물론 화질의 차이를 느끼지 못하는 결과를 보였다 (Table 2).

4. 고 찰

현재 600병상 규모의 종합병원에 설치된 PACS에서 하루 발 생하는 영상 데이터는 약 30-50 GB 정도이며 [1]. 이를 최소 법정연한인 5년간 저장하기 위해서 적어도 45-75 TB(ter- abyte) 정도의 엄청난 양이다 물론 이러한 크기의 저장 공간 이 모두 필요하지는 않다. 영상의 필요상황에 따라 진단과 진 료 중에 해당하는 기간에서는 무손실 압축을 그리고 진료가 종 료된 상황에서는 손실 압축을 하여 저장 공간을 줄이는 방법 을 쓰고 있다. 영상데이터를 줄이기 위해서 가능한 높은 압축 효율이 높으면서도 데이터의 손상을 최소화 할 수 있는 압축 방법으로 JPEG 압축이 널리 이용되어 왔으며 DICOM 의 장 기 저장의 표준으로 활용되고 있다. 하지만 다중검출CT, 3D 영상, 영화영상, 내시경이나 병리사진 영상들과 같은 컬러영상 도 PACS에서 수용하게 되어 PACS 장기 저장데이터양은 기 하급수적으로 늘어나고 있어 장기저장장치의 증설이 필요하다.

영상데이터의 크기의 증가로 인해 네트워크를 통한 전송시간 길어지게 되어 영상조회에 불편함을 초래하게 되어 영상 손실 을 최소화하며 높은 압축을 할 수 있는 새로운 압축 알고리즘 의 요구가 생겼으며. 대안으로 제시된 것이 JPEG2000 [2-6]

이다.

JPEG압축은 영상을 주파수의 특성대로 변환하는 이산 코사 인 변환(Discrete Cosine Transform, DCT)인 반면 JPEG2000 은 영상을 스케일 또는 해상도(resolution)로 분해하기 때문에 상세한 정보를 가지면서도 낮은 해상도로 분해할 수 있다. JPEG 와 JPEG2000은 압축효율, 복잡성, 비례축소, 보편성 등 많은 면에서 서로 다르다. 가장 중요한 영상의 질적인 부분을 비교 해 보면 JPEG2000의 장점 중 하나인 낮은 비트 압축률에 대 한 지원 때문에 낮은 비트 영상으로 갈수록 JPEG2000 압축 은 JPEG 압축에 비해 우수한 영상의 질을 유지하게 된다. 낮 은 비트의 영상에 해당하는 CT 또는 MRI 영상들은 JPEG 압 축에 의한 화질저하를 우려하여 장기저장의 경우도 무압축 또 는 무손실 압축을 하거나 일부 병원의 경우 다소 영상의 열화 가 있지만 임상적으로 큰 의미가 없는 5:1이내의 압축으로 저 장하여 왔다. 하지만 지난 2-3년 사이에 CT 검사의 증대는 물

론, 다중검출방식의 CT의 도입과 3D 영상기술의 발달로 인해 검사당 데이터양이 수배 이상 늘어나게 되어 장기영상저장의 저장 공간이 문제 시 되고 있다.

PACS에서 전용 모니터를 사용하는 경우 화질의 차이를 느 끼지 못하는 JPEG 압축은 CR의 경우는 2K 영상을 기준으로 하여 1/10 압축을 권장하고 있지만 CT, MR은 많은 병원에서 약 1/2 정도의 무손실 압축을 하거나 저자가 소속된 병원의 경 우는 약간의 영상 손실은 따르지만 임상적으로 의미가 없는 정 도인 1/5압축을 하고 있다 [7-9].

최근 LCD 모니터의 급격한 기술 개발로 과거 판독용 CRT 모니터들에 비해 쾌적한 환경, 유지 보수의 우수성 등으로 인 한 장점을 가지고 있으며 대량생산으로 인한 가격 경쟁력까지 확보하여 고급 사양의 PACS 전용 흑백 LCD 모니터로 교체되 고 있으며, 임상용 컬러 모니터 역시 대화면의 범용 컬러 LCD 로 대치 되어 가고 추세이므로 머지 않은 장래에 모든 병원이 LCD 모니터로 완전히 설비를 갖출 것이다. 그럼에도 불구하고 JPEG2000은 물론 JPEG영상의 경우도 아직 이에 대한 비교 연구가 없어 뚜렷한 권장 압축율이 없이 CRT모니터의 경우에 준해서 운용하고 있는 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 이미 진단이 완료된 영상인 장기 저장영상의 조회에 주로 이용될 차 세대 표시장치로 판단되는 21인치 크기의 고해상도(1600×

1200 pixel) 컬러 LCD 상에서의 비교를 시행하게 되었으며, 이 연구에 이어 계속적으로 PACS 진단용 전용 흑백 LCD모니 터에서의 비교 필요하리라 판단된다.

본 연구 결과를 바탕으로 JPEG2000압축을 이용하는 경우 CT에서는 1/10의 압축률을 MRI의 경우는 1/5의 압축율을 유 지하면 임상적인 정보의 손실 없는 것으로 판단되어 이를 PACS 에 적용시키면 초기 비용 및 유지 보수의 절감이 이루어질 뿐 아니라 과거 영상을 조회할 때 네트워크의 부담을 크게 줄여 주므로 전반적인 시스템의 기능 향상과 설비의 과투자를 막을 수 있을 것으로 판단되며, CT와 MRI이외의 CR, US, 투시영상 등에서의 압축율 비교와 PACS전용 흑백모니터에서의 비교연 구고 이루어져야 할 것으로 사료된다.

참 고 문 헌

1. 차순주, 김용훈, 허감. PACS 설치시 영상 데이터 용량 산정에 관한 연구. 대한 방사선의학회지 2000;42;705-708

2. David Clunie, DICOM Digital X-Ray, Presentation State and Structured Reporting, Korean PACS Society - Nov 5th, 1998 3. William b. Pennebaker, Joan L. Mitchell - JPEG still image da-

ta compression standard 2001

4. 성민모, 김희중, 김은경, 곽진영, 유재경, 유형식. JPEG2000을 이용한 Digital Mammography 영상의 압축 비율별 임상적 평 가. 대한PACS학회, 2001, 6, 7권 1호

5. ISO/IEC JTCI/SC29/WG1 N505, “Call for contributions for JPEG 2000 (JTC 1.29.14,15444): Image Coding System,”

March 1997

6. ISO/IEC JTCI/SC29/WG1 N390R, “New work item: JPEG2000 image coding system,”March 1997

7. 차순주, 김용훈, 김영환 등. PACS의 PC형 영상 열람대에서의 압축률에 따른 영상비교. 대한PACS학회지 1998;4:119-122

8. 김영선, 이영준, 박종옥, 김태성, 이종화, 정진우. 개인 보관용 방사선과 영상의 압축방법의 비교. 대한방사선의학회지 1995;32:507-514

9. 차순주, 김용훈, 김형석, 황윤준, 김수영, 허감, 이동호, 정귀원.

PACS에 이용되는 압축영상의 화질 평가: 4K고해상도 CR영상 의 장기저장을 위한 적정 압축율 . 대한PACS학회지2001;7:9-12

대한PACS학회지 2004;10:25-30

=초 록=

목적: PACS에 이용되는 의료영상의 압축의 새로운 표준으로 제시된 JPEG2000의 임상적으로 허용 가능한 영상압 축율을 임상 실험을 통하여 알아보고자 하였다.

대상 및 방법: 영상은 병변이 있는 CT(Computed Tomography), MR(Magnetic Resonance) 각 10개의 영상을 대 상으로 1/40, 1/20, 1/10, 1/5의 압축율로 JPEG2000압축기법을 적용한 영상과 원본 영상의 질을 방사선과 전문의 2인의 합의하에 평가 하였다. 영상 관찰대는 임상용 LCD(Liquid Crystal Display) 컬러 모니터(1600×1200)를 사용하였다.

결과 : CT와 MR 모두에서 1/40의 경우 관찰자에게 90%가 확실한 영상차이를 구분하였으며, 1/20의 경우 CT는 50%정도에서 구분을 하였고 MR은 80%에서 구분이 되었다 . CT의 경우1/10과 1/5의 압축률에서 원본 영상과 압 축된 이미지 사이에 구분을 전혀 못하였으며, MR은 1/10으로 압축한 경우 는 일부의 영상은 구분을 하였고 1/5 압 축률에서 화질의 차이를 구분하지 몫했다.

결론: JPEG2000의 압축율은 CT의 경우 1/10, MR의 경우 1/5의 압축비가 진단에 적합한 최적의 압축율로 판단되 며 이를 PACS에 적용시키면 비용 절감과 네트워크의 부담을 크게 줄여 주므로 전반적인 시스템의 기능향상을 도 모할 수 있을 것으로 판단한다.