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DICOM 영상을 이용한 심혈관계 3차원 영상의 임상적 유용성

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Academic year: 2022

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(1)

DICOM 영상을 이용한 심혈관계 3차원 영상의 임상적 유용성

김동욱1,3・김희중1,2,3・정해조2,3・손혜경1,3・홍진오1,3・정하규1,3・성민모1,3

홍순일1,3・나용흠1,3・최병욱2,3・유선국3,4・유형식2,3

연세대학교1BK21 의과학사업단, 연세대학교 의과대학2진단방사선과학교실, 연세대학교3방사선의과학연구소, 연세대학교4의학공학교실

Clinical usefulness of 3-D image rendering using DICOM images in cardiovascular system

D. O. Kim

1,3

, H. J. Kim

1,2,3

, H. J. Jung

2,3

, H. K. Son

1,3

, J. O. Hong

1,3

, H. K. Jeong

1,3

, M. M. Sung

1,3

, S. I. Hong

1,3

, Y. H. Na

1,3

, B. W. Choi

2,3

, S. K. Yoo

3,4

, H. S. Yoo

2,3

1BK21 Project for Medical Sciences Yonsei University, 2Department of Diagnostic Radiology, Yonsei University College of Medicine

3Research Institute of Radiological Science, Yonsei University

4Department of Medical Engineering, Yonsei University

= Abstract =

As an advancement of imaging modalities, the use of 3-D volume data have been steadily in- creased. Reading and diagnosis of 2D tomographic images from the volume data require more efforts and time than before. This leads to develop 3-D image reconstruction and volume visualization tech- niques in conjunction with increasing PACS installation. However, the clinical usefulness of 3-D re- constructed images in cardiovascular system has not been throughly investigated. We retrieved DI- COM CT images from mini-PACS server. Then, 3-D volume images were reconstructed from 2D im- ages using V-worksTM 3.5(Cybermed Inc. Korea) which is a PC based image processing program.

The radiologists evaluated for clinical usefulness and the diagnostic efficiencies for the 3-D recon- structed images. In the diagnosis of cardiovascular case, 3-D reconstructed image plays an important role. The difference of image contrast was relatively high and 3-D images offered more information than 2D images for anatomical structures. A special 3-D module or a modeling device for PACS will be an essential demand for effective diagnosis and research for volume data. The results are limited to the case of cardiovascular images. Further studies for more accurate segmentation, better image processing technology, and their demonstration for other applications will be required to generalize the usefulness of 3-D imaging technologies.

Key words: 3-D image, reconstruction, volume rendering, PACS, cardiovascular system.

통신저자: 김희중, (120-752) 서울특별시 서대문구 신촌동 134 연세대학교 의과대학 진단방사선과학교실 Tel: 02-361-5753, Fax: 02-313-1039, E-mail: hjkim@yumc.yonsei.ac.kr

V-worksTM3.5(CyberMed Inc. Korea)를 연구에 이용할 수 있도록 제공하여 주신 사이버메드에 감사드립니다.

이 연구는 2000-2001년도 연세대학교 BK21 의과학사업단의 지원으로 이루어 졌습니다.

(2)

1. 서

의료영상장비 기술의 발전과 다기능 영상분석 프로그램이 개 발됨에 따라 촬영장비에서도 고대조도, 고해상도의 영상을 획득 하기 위한 연구와 인체내부의 기능적 영상을 나타내기 위한 연 구가 활발히 이루어지고 있다 [1]. 최근에는 컴퓨터단층촬영기 (Computed Tomography, CT), 자기공명영상장치(Magnetic Resonance Imaging, MRI)와 같은 의료영상장비는 해부학적 영 상획득 중심에서 인체의 각 부분에서의 기능적 영상까지 같이 구현하는 방향으로 발전하고 있으며 더욱 세밀하고 신속하며, 정확하게 인체구조를 파악하기 위해 다-검출기 컴퓨터 단층촬 영기(Multi-Detector Computed Tomogra-phy)와 같은 장비 가 개발, 도입되고 있다 [2]. 또한, CT와 양전자방출 단층촬영 기(Positron Emission Tomography, PET) 등의 서로 다른 특 성을 가진 기기 들의 장점을 살려 통합한 장비들이 실용화되고 있다 [3].

이러한 영상획득 장비의 발달에 따라 획득되는 영상 데이터 량이 크게 증가하여 PACS에서 2차원 단층영상들을 불러들여 판독 및 진단하는데 어려움을 수반하고 기타의 작업 및 영상 데 이터의 관리가 어려워질 것이다. 더욱이, 여러 진단영역에서 많 은 수의 영상은 지금까지 다루어왔던 2차원 영상에 의한 진단 방법으로는 오히려 효과적인 진단에 방해가 되거나 예전보다 더 많은 시간과 노력을 들여야 할 것이다.

또한 2차원 영상은 3차원인 실체를 단면으로 나타낸 것이기 때문에 공간적인 정보의 부족으로 인하여 실제의 정보를 정확 하게 파악하기 어려울 때 가 있다. 따라서 기존의 해부학, 영상 화 방법에 따른 왜곡현상과, 질환에 대한 의학적 이해에 충분한 지식이 있어야만 정확한 진단이 가능하며, 실제 이러한 모든 것 에 적응이 되어도 정확한 진단을 내리게 되기까지는 많은 시간 과 경험이 필요하다. 특히, 곡선이나 곡면의 입체적 구조를 가진 장기를 2차원 영상에서 판독 할 때, 위치 판정이나 실측에 어려 움이 있다. 가장 대표적인 구조물은 혈관이며 그 예로서 대동맥 박리나 동맥류 환자의 치료 목적으로 스텐트(stent)를 삽입하고 자 할 때, 스텐트를 삽입할 정확한 위치와 크기를 결정하는데 3 차원영상에 의한 진단이 보다 유리하고, 쉬우며, 정확하다.

즉, 3차원 영상이 주는 효과는 한 화면에서 즉각적인 관찰을 통하여 질환에 대한 진단, 정도, 파급을 손쉽게 시각화하는 것이 며 임의로 객체를 회전 및 이동 시켜 가장 정확한 방향과 각도 에서 진단 및 측정이 가능하다는 것이다. 또 2차원 영상에서는 부정확하고, 많은 시간과 노력을 필요로 했던 공간상의 위치 측 정, 부피 측정을 쉽게 할 수 있을 것으로 기대되어 3차원 영상 의 필요성이 더욱 부각된다.

이상과 같이 기존의 PACS에서는 2차원 영상이 많이 사용되 어지고 있으나 점차적으로 3차원 영상의 비중이 높아지고 있으 므로, 영상의 3차원 화는 기능적으로 상당히 중요한 역할을 담 당할 것으로 기대되어지고 있다. 이에 본 논문에서는 3차원 영 상이 충분히 진단에 주 또는 보조적 역할을 담당할 수 있을 것 으로 가장 기대되는 분야인 혈관 촬영술과 골질환에 중점을 두 고 심혈관계 영상을 3차원으로 재구성하여 2차원 영상과 비교 한 3차원 영상의 임상적 유용성에 대하여 살펴보고자 하였다.

2. 방

2. 1. 영상 획득

3차원 재구성에 사용될 DICOM형식의 단면영상들은 연세의 료원 진단방사선과의 PACS에 저장된 영상들을 π-View

™.(Mediface Co., Ltd. Korea)를 사용하여 조회하였다. 분석에 사용된 영상들의 촬영 장비목록은 아래와 같다(Table 1).

DICOM 형식을 지원하지 않는 장비는 영상판(Imaging plate) 에서 얻은 영상을 필름 프린트로 출력 후 다시 스캔하여 디지털 영상화하고 PACS 서버에 저장한 다음 다시 Viewer에서 조회 하는 과정을 거쳤다.

단층영상획득 기기에서 체적스캔(volume scan)시 최대한 정 확하게 해부학적 정보를 나타내기 위해 연속적인 체적데이터 (volume data)를 얻었으며, 작은 병변의 검출능을 높이기 위해 단방향 나선 스캔으로 영상 데이터를 얻었다 [4].

2. 2. 영상 분류

분석에 사용된 모든 영상들은 PACS 서버에서 PACS Viewer(π-View™.)를 통하여 조회한 다음 DICOM형식으로 사 용자 PC에 저장하고 고분해능의 voxels 영상을 만들기 위해 최

Table 1.List of imaging modalities.

촬영 및 검사부위 장 비 명

전산화단층 검사 장치 두부, 흉부, 복부, 사지 Whole body CT unit

(Computer tomography x-ray system) 등의 단층촬영 (High Speed CT-i pro)

혈관 조영검사 장치 두부, 흉부, 복부, 사지 D. S. A. system

(Angiography x-ray system) 등의 혈관검사 (Neurostar T. O. P., Siemens)

(3)

대한 4mm를 넘지 않는 작은 슬라이스 거리(slice distance)의 영상들을 선택하였다(Fig. 1).

임상적 측면에서 의미 있는 영상의 부분은 매우 제한적이거 나 국소한 면이 많고 영상처리 속도를 향상시키기 위해 원하는 정보만을 포함한 슬라이스들만을 가질 수 있도록 방사선과전문 의로부터 판독, 재분류 과정을 거쳤다. 이렇게 하여 대략 50장- 60장의 범위 안에 있는 영상들로 재구성할 수 있도록 영상 데 이터 량을 적절히 조절하였다.

2. 3. 영역분할

영역분할은 상용 프로그램인 V-worksTM 3.5(CyberMed Inc. Korea)를 이용하여 수동 및 반자동으로 영역분할을 하였 다. 영역분할 작업은 3차원 영상으로 재구성하는 일련의 영상처 리의 과정 중에 포함되어있다(Fig. 4). 현재 영역분할을 위해 많

은 알고리즘이 제시되었으나 2차원적 정보를 3차원적 정보로 변환하였을 때의 그 임상학적 유용성에 대하여 검토해 보고자 하므로 통합적으로 알고리즘을 적용시키는 것보다 각 인체부위 별 특성을 고려하여, 본 연구에서는 장기별로 영역 구분에 적합 한 알고리즘을 적용하여 반자동화법을 거쳐 수동화법으로 조정 하였다 [1].

Fig. 2는 영역분할과 색채화(color mapping) 작업을 수행한 후의 3차원 영상이다. 우심실이 좌측에 보이며 매끈한 심실벽을 보이는 좌심실이 우측에 위치한다. 그리고 빨간색의 대동맥이 좌측의 우심실에서 기시하며 노란색의 폐동맥은 좌심실에서 기 시한다. Fig. 2에서와 같이 영역분할과 색채화는 이해가 쉽고 입 체적인 영상구현에 효과적이다.

Fig. 1.Some examples of selected 2D images used for 3-D volume rendering.

Fig. 2.Corrected transposition of great vessel case after segmentation and color mapping.

(4)

2. 4. 3차원 영상 재구성

이상과 같이 선택된 각각의 DICOM 포맷 영상들을 3차원으 로 재구성하고 히스토그램을 조정하여 영상의 밀도(density)에 따라 장기별로 구분하였다. 모든 영상의 3차원 재구성은 기본적 으로 다음의 순서를 따른다.

① DICOM 이미지를 불러와서 슬라이스 전체를 선택한다.

② 영상분석 프로그램에서 3차원으로 재구성한다.

③ 3차원 객체화된 영상의 히스토그램을 조정한다(Fig. 3).

- 히스토그램의 조정시 인체 각 부분의 영상 밀도(density) 에 따른 영상의 질을 검토한다. 여기에서의 영상의 질은 영상이 가지는 자체의 해상도뿐만 아니라 의학적 정보를 포함하는 형 태의 영상의 유의수준을 의미하므로 방사선과 전문의가 조정한 수치에 따랐다.

- 히스토그램의 조정은 반-자동화법으로 실행한 후에 다시

Fig. 3.Display ranges of volume data for tooth, bone, skin at the histogram window.

Fig. 4.A diagram of 3-D image modeling and processing.

(5)

보완하는 방법을 택하였다. (여기서 반-자동화법은 V- worksTM3.5에서 이미 기존의 여러 데이터를 장기별로 분석하 여 프로그램상에 설정되어있는 값을 적용하는 것이다).

④ 관심영역의 분할은 최초 수작업시 최대한 사용자가 원래 영역에 근접하도록 설정한다.

영역분할 작업은 먼저, 사용자가 직접 대강의 설정을 하도록 하고 그 이후에 반-자동화법을 실행하면서 조절해 나가도록 한 다. (여기서의 반-자동화법은 V-worksTM3.5의 영역 분할 알 고리즘으로 미리 설정되어있는 영역을 조금씩 원래의 테두리에 맞추어준다). 그러나, 이렇게 실행한 영역분할도 완전하지 않으 므로 전문의의 소견에 따라 최대한 원래 영역에 근접하도록 다 시 작업을 한다.

⑤ 완성된 3차원 영상을 병소 부위의 관찰에 용이한 각도로 조정하면서 인체 장기별로 색을 설정하여 판독에 용이하도록 한 다. 위의 단계를 적용한 관심영역을 전부 3차원으로 재구성 한 다음, x, y, z축을 기준으로 하여 병소를 명확히 볼 수 있는 각

도로 객체의 위치를 설정하고 최종 결과 영상을 bmp파일 형식 으로 저장하였다 [5].

2. 5. 영상 평가

이상의 과정으로 구성한 3차원 영상들의 임상적 유용성을 방 사선과 전문의로부터 소견을 받았다(Fig. 4). 정확한 평가를 위 해 2차원 영상과 재구성한 3차원 영상을 해상도가 같은 두 대 의 모니터 화면에 각각 표시하여 놓고 비교하였다. 진단에 유용 한 영상인지 평가하기 위하여 영역구분의 정확성, 슬라이스 간 격간의 이미지 보간(interpolation)정도, 위치정보의 진단능, 크 기정보의 진단능, 진단 및 판독 시간의 단축성의 5가지 항목으 로 전문의의 소견을 구하였다.

3. 결

심혈관계 단면영상을 3차원 영상으로 구성한 결과는 다음의

Fig. 6.3-D cardiovascular images with color mapping after rendering and segmentation.

Fig. 5.3-D cardiovascular images after rendering and segmentation.

(6)

그림과 같다. 2차원 투사영상에서는 혈관의 연결부위나 좁은 혈 관의 궤적을 상상하기 어려우나 3차원 화하였을 경우 그러한 임 상정보를 한눈에 알 수 있게 한다(Fig. 5, 6, 7).

3차원 영상의 유용성에 관한 평가에서 대부분의 항목은 긍정 적인 반응을 보였고 특히, 위치와 크기정보의 파악에서의 3차원 영상의 장점이 두드러졌으나 영역분할의 정확성과 판독시간의 단축측면은 그다지 긍정적이지 않았다. 2차원 영상과 비교 분석 한 3차원 영상의 유용성에 대한 평가는 단지 심혈관계 영상의 분야에서의 유용성 정도를 방사선과 전문의가 평가하는 수준으 로 파악하였다.

이와 같이 방사선과 전문의의 소견과 유용성 평가 결과에서 3차원 영상이 2차원 영상과 비교하여 판독에서 우수하거나 도 움을 주는 점을 다음과 같이 정리할 수 있었다.

① 한 영상에서 전 장기를 볼 수 있다.

② 다른 장기와의 관계를 쉽게 알 수 있다.

③ 원하는 위치로 회전하여 볼 수 있다.

④ 원하는 위치 및 방향에서 실측이 가능하다.

⑤ 각 장기의 부피를 쉽게 측정할 수 있다.

⑥ 진단 및 판독에 걸리는 시간이 절약되는 경우도 있다.

⑦ 영역분할을 잘 하면 원하는 부위만 볼 수 있으므로 주변 구조에 의한 혼동을 줄일 수 있다.

4. 결

그 동안 진단방사선과 영역에서는 3차원 영상을 진단에 사용 하는 경우가 적었고 단지 2차원 영상에 익숙하지 않은 다른 분 야의 임상의사나, 환자와의 원활한 의사소통과 이해를 위해, 또 는 학생 교육을 목적으로 3차원 영상을 이용하는 수준이었다.

이러한 가장 큰 이유가 2차원 영상의 해상도를 3차원 영상이 만 족시켜주지 못한 것과 영상의 재구성시에 문턱(threshold)값이 나 영역분할(segmentation)방법을 이용할 때 원하는 부위의 구 조를 정확하게 나타내는 것이 힘들다는 것이다. 이것의 근본적 인 원인은 3차원 영상이 기존 2차원 영상의 대조도에 의존하기

Fig. 7.3-D cardiovascular images with color mapping after rendering and sculpting.

(7)

때문이며, 실제 진단에 필요한 여러 가지 중요한 정보가 3차원 영상에서는 표현하기 힘든 연조직의 미세한 대조도 차이에 의 존하기 때문이다 [6].

2차원 영상들은 대조도에 희한 영상정보를 그대로 보여주는 데 비하여 3차원으로 재구성 시에는 이런 정보들이 예측불가능 할 정도로 무작위적으로 삭제된다. 이러한 측면에서 3차원 영상 재구성 방법이 많이 개선된 지금의 시점에서도 2차원 영상을 대 체할 수는 없다. 그러나, 본 연구에서와 같이 대조도가 충분히 크고 진단이 연조직의 작은 대조도 차이에 의존하지 않은 질환 의 경우에는 3차원 영상이 충분히 진단에 주 또는 보조적인 역 할을 담당할 수 있을 것으로 기대된다 [9].

인체구조는 대개 곡면 구조를 가지고 있으므로 3차원 영상화 는 각 장기의 방향감, 위치감을 파악하기 쉽다는 장점이 있다.

이러한 측면은 특히 수술적 치료나 중재적 치료를 위한 사전 계 획에 많은 도움을 줄 것이며 혈과 촬영술, 혈관 중재술 정확한 생검, 대장 촬영, 요관 및 요도 촬영, 기도 촬영 등에서 장점이 있음을 알 수 있다 [8].

이와 같이 본 연구에서는 직, 간접으로 PACS와 연계하여 심 혈관계 단면영상을 3차원 영상 으로 재구성하여 고찰하여 3차 원 영상 재구성이 진단에 따른 보조도구로 유용하게 이용될 수 있음을 보여주었다. 또한, 기존의 PACS에서 제공되지 않았거나 제공되더라도 유용한 수준에 이르지 못했던 3차원 영상 구성을 PC기반의 영상분석 프로그램으로 구현하여, 네트워크를 통한 전문적인 모듈이나 영상분석 프로그램으로 PACS와 연동하여 수행될 때 더욱 의미 있을 것이다 [7].

본 결과는 심혈관계 영상의 경우이며, 타 영상장치 및 영상부 위에 대한 연구 및 좀 더 정확한 영역분할 방법에 관한 연구가 계속되어야 할 것으로 판단된다.

1. D.H. Lee, J.H. Kim, N.K. Kim, B.G. Min, H.S. Kang, Development of PACS based 3-D Medical Virtual Reality Model Creation System, J of K-PACS, Vol.6, No.1, pp. 77-84, 2000

2. J. H. Seo, J. S. Lee, D. S. Lee, K. S. Park, H. K. Choi, S. H. Nam, A Study on the Automatic Extraction of Cerebral Cortex from Brain T1 MRI, J of K-PACS, Vol.5, No.1, pp. 37-42, 1999 3. 김동우, 3차원 의료영상의 가시화, J of K-society of Digital

Imaging Technology, Vol.4, No.1, pp.212-219, 1998

4. 신인철, 3-dimensional virtual Endoscopy의 임상적용, J of K- society of Digital Imaging Technology, Vol.4, No.1, pp.58-61, 1998

5. J. H. Lee, C. Kim, E. J. Cha, T. S. Lee, 3 Dimensional Model Visualization and Reconstruction, J of Biomedical Engineering Research, Vol.22, No.1, pp.145-146, 2000

6. Rafael C. Gonzalez, Richard E. Woods, Digital Image Processing, pp.175-189, 1992

7. J. H. Lee, T. S. Lee, S. H. Lee, Development PACS system us- ing Surface rendering and Volume rendering, J of Biomedical Engineering Research, Vol.22, No.1, pp.147-148, 2000 8. Shinobu Mizuta, Shin-ichi Urayama, Naozo Sugimoto,

Simultaneous process of automated 3D registration and seg- mentation on medical images, SPIE Proceedings Vol.3034c, pp.841-852

9. John Kaufhold’s, Listing of directory: /johnk_html/Papers, http://mdsp.bu.edu/johnk_html/WireFrame/Distinguished.ht ml

대한PACS학회지 2001;7:41-47

=초 록=

의료영상 장비의 발달에 따라 획득되는 영상 데이터 량이 크게 증가하고 있다. 따라서 앞으로의 PACS환경에서 는 2차원 단면영상들을 불러들여 판독하고 진단하는데 예전보다 더 많은 시간과 노력을 기울이게 될 것이며 3차원 영상 재구성과 임상응용의 중요성이 점점 강조되고 있다. 단면 영상들을 3차원으로 재구성하여 2차원 영상과 비교, 분석해 3차원 영상의 유용성에 대하여 심혈관계 영상들을 중심으로 검토하였다. 먼저 PACS에 저장된 DICOM 영 상을 조회하여 영상을 분류하고 PC기반 영상분석 프로그램을 사용하여 3차원으로 재구성하였다. 재구성된 3차원 영상과 2차원 단층영상들에 대한 비교 분석에 의한 전문의의 임상적 소견과 평가항목 조사는 3-D 재구성 영상이 진단목적으로 사용하는데 긍정적인 결과를 나타내었다. 심혈관계 질환과 같이 영상 대조도가 충분히 크고, 연조직 의 작은 대조도 차이에 의존하지 않은 질환의 진단의 경우에는 3차원 영상이 충분히 진단의 주/보조적인 역할을 담 당할 수 있음을 보여 주었다. 앞으로 PACS 환경에서 3차원영상을 재구성하는 전문적인 모듈이나 장치를 통하여 네트워크에서 수행될 때 더욱 의미가 있을 것으로 생각된다. 본 결과는 심혈관계 영상의 경우이며, 타 영상장치 및 영상부위에 대한 연구 및 좀 더 정확한 영역분할 방법에 관한 연구가 계속되어야 할 것으로 판단된다.

수치

Fig. 1. Some examples of selected 2D images used for 3-D volume rendering.
Fig. 3. Display ranges of volume data for tooth, bone, skin at the histogram window.
Fig. 5. 3-D cardiovascular images after rendering and segmentation.
Fig. 7. 3-D cardiovascular images with color mapping after rendering and sculpting.

참조

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