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문제 정의
- 반면 ICRP에서 정의한 뼈 표면, 즉 골내막 조직(endosteal tissue)은 골수강(medullary cavity)과 해면층(spongiosa) 경계 및 하버스관(haversian canal)을 싸고 있는 50μm 두께의 얇은 막으로서 CT/MR영상은 물론 고해상도 컬러해부영상에서도 식별이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 남성팬텀 HDRK-Man과 마찬가지로 유효선량 계산 시 사용되는 뼈 표면의 선량을 적색골수를 제외한 전체 뼈의 평균선량으로 대체하기로 하였다.6)
- 사체사망 당시 폐의 수축으로 인하여 등 쪽 부분이 이물로 채워져 있으나 본 연구에서는 정상인이라 가정하고 이물을 포함하여 분할하였다. 폐 내부의 폐혈관(pulmonary artery and vein)과 기관지(bronchi)는 조직가중치가 부여되지는 않았지만 각각의 밀도가 폐의 낮은 밀도와는 큰 차이를 보이므로 복셀팬텀의 현실성과 폐 장기선량 계산의 정확도를 높이기 위하여 분할하였다. 폐 혈관과 기관지는 복잡하게 얽혀있어 앞 뒤 영상과의 연결성을 고려하면서 신중하게 분할하였다.
가설 설정
- 4,10) 본 연구에서 사용한 컬러해부영상에서는 폐의 외곽 경계가 육안으로 뚜렷하게 구분되는 편이지만, 폐 내부의 혈관과 기관지 조직으로 인하여 색상의 편차가 존재하므로 수동으로 분할하는 방법이 더욱 효율적이면서도 정확하였다. 사체사망 당시 폐의 수축으로 인하여 등 쪽 부분이 이물로 채워져 있으나 본 연구에서는 정상인이라 가정하고 이물을 포함하여 분할하였다. 폐 내부의 폐혈관(pulmonary artery and vein)과 기관지(bronchi)는 조직가중치가 부여되지는 않았지만 각각의 밀도가 폐의 낮은 밀도와는 큰 차이를 보이므로 복셀팬텀의 현실성과 폐 장기선량 계산의 정확도를 높이기 위하여 분할하였다.
제안 방법
- Photoshop®CS4의 각종 선택도구를 사용할 때에는 ‘안티앨리어스(anti-alias)’ 옵션을 꺼두어 장기의 경계를 뚜렷하게 분할하였으며, ‘칠(fill)' 기능을 사용할 때에는 디졸브(dissolve) 옵션을 사용하여 선택된 모든 픽셀이 완벽하게 동일한 색으로 채워지도록 하였다.
- 각각의 장기 별로 레이어(layer)를 만들고 분할하였으며, Photoshop®CS4의 PSD 파일형식으로 저장하였다.
- 04에 해당하는 주요장기로 후두(larynx) 전면을 싸고 있는 형태를 띤다. 갑상선은 다른 장기에 비하여 크기가 작으므로 주의를 기울여 수동으로 분할하였다. 이 밖에 비장(spleen), 부신(adrenal) 및 흉선(thymus)은 모두 나머지 장기에 속하는 장기들로 모두 수동으로 분할하였다.
- 내벽과 외벽이 구분되거나 점막형태를 띠는 장기/조직은 내용물 레이어의 외곽 경계픽셀로 자동으로 정의하게 되는데, Photoshop®CS4 소프트웨어의 ‘외부광선(outer grow)’ 또는 ‘내부광선(inner grow)’을 사용하였다.
- 다수의 주요장기들과 인접하고 있는 간은 컬러해부영상에서 그 경계가 육안으로 뚜렷하게 구분되므로 수동으로 분할하였으며 간 내부의 혈관은 Photoshop®CS4 소프트웨어의 ‘색상범위 선택(color range)’ 기능을 이용하여 동맥 정맥 구분 없이 자동으로 분할하였다.
- 다음으로 명도와 대비를 조정하여 다른 조직을 제외한 뼈를 부각시킨 뒤, PhotoshopⓇCS4의 ‘자동선택도구(Magic Wand Tool)’를 사용하여 뼈만 선택되도록 하였고 선택된 모든 픽셀이 같은 값을 갖도록 흰색 RGB (255 255 255)으로 채웠다.
- 다음으로 전체 영상에 대해 상하좌우의 최대로 자를 수 범위를 찾아 ’자르기(Crop)' 기능을 사용하여 261×109 크기로 잘라내어 불필요한 공기 복셀을 최소화시켰다.
- 2 mm (하반신 일부는 1 mm) 간격으로 제작되었으나, 총 5,901장에 달하는 영상을 모두 수동으로 분할하는 것은 불가능하므로 전신에 대한 1 mm 간격, 즉 1,650장을 사용하여 장기를 분할하였다. 대부분의 장기는 Screen Digitizer CINTIQ 15X (WACOM Co., Ltd, Japan)과 타블렛 펜을 이용하여 컬러해부영상 위에서 직접 장기를 수동으로 분할하였다. 반면 뼈, 근육, 혈관과 같이 전신에 분포하여 작업량이 많은 장기에 대해서는 컬러해부영상 및 CT에서 색깔이 뚜렷하게 구분이 되는 장기이므로 Photoshop®CS4 extended (Abode Systems, Inc.
- 림프절은 전신에 분포하며 컬러해부영상을 이용하더라도 주변조직들과의 경계구분이 모호하여 전신의 모든 림프절을 분할하는 것은 엄청난 시간과 노력이 요구된다. 따라서 남성팬텀과 마찬가지로 혈관선량으로 림프절의 선량을 대치하는 방법을 사용하기로 하였다. 이 방법은 Ferrari와 Gualdrini가 림프절이 혈관 주위에 분포하고 있음을 고려하여 NORMAN 복셀팬텀에 적용했던 방법과 동일하다.
- 사체는 사망 전 치아에 금속 인레이 시술을 받았기 때문에 머리부위의 CT영상에서 심각한 인공음영(artifact) 현상이 나타났다. 따라서 머리뼈, 턱뼈, 목뼈 및 치아는 자동으로 분할된 결과를 참고만 하면서 컬러해부영상에서 직접 수동으로 분할하였다. 본 연구에서는 CT영상을 통해 자동으로 분할된 골격을 19개 부위별로 나누고 각자 고유한 색(RGB)으로 채움으로써 서로 다른 ID를 부여하였다.
- 먼저 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 형식의 CT영상을 8비트 RGB영상으로 변환하고 1×1 mm2의 해상도를 0.1×0.1 mm2로 10배 증가시켜 컬러해부영상의 해상도와 일치시켰다.
- 먼저 PhotoshopⓇCS4 소프트웨어의 ‘이미지 크기(Image size)' 기능에서 이미지 리샘플링(Image re-sampling) 옵션 중 ‘최단입점(Nearest neighbor)’을 사용하여 0.1 mm/pixel의 해상도를 2 mm/pixel 급으로 줄여 영상의 크기를 281×115로 조정하였다.
- 반면 뼈, 근육, 혈관과 같이 전신에 분포하여 작업량이 많은 장기에 대해서는 컬러해부영상 및 CT에서 색깔이 뚜렷하게 구분이 되는 장기이므로 Photoshop®CS4 extended (Abode Systems, Inc., San Jose, CA) 소프트웨어의 ‘색상범위 선택(color range)’ 기능을 이용하여 자동으로 분할하는 방법을 사용하였다.
- 신장(kidney)은 ICRP 권고의 나머지 장기(remainder tissues)에 속하는 장기로 수동으로 분할하였다. 방광(bladder)은 ICRP 103 조직가중치 0.04에 해당하는 주요장기로 외벽을 수동으로 분할하였고, 내벽은 자동으로 2픽셀 두께로 정의하였다.
- 본 연구는 한국인 여성에 대한 고해상도 연속절단면 컬러해부영상을 이용하여, 국제방사선방호위원회(ICRP)가 정한 유효선량 계산에 필요한 모든 장기8)를 전신에 걸쳐 약 2 mm 간격으로 정밀하게 분할(segmentation)하여 한국인 여성 복셀팬텀을 개발하였다.
- 변환된 복셀 데이터(261×109×825)는 이진파일의 경우 23 MB의 용량을 차지하였고, ASCII파일 형식은 57 MB의 용량을 차지하였다. 본 연구에서는 ASCII 파일의 용량을 최대한 줄이기 위해 장기 ID는 2자리 정수를 넘지 않도록 하였고, 가장 많은 부분을 차지하는 공기복셀의 ID는 한자리수인 1로 설정하였다.
- 따라서 머리뼈, 턱뼈, 목뼈 및 치아는 자동으로 분할된 결과를 참고만 하면서 컬러해부영상에서 직접 수동으로 분할하였다. 본 연구에서는 CT영상을 통해 자동으로 분할된 골격을 19개 부위별로 나누고 각자 고유한 색(RGB)으로 채움으로써 서로 다른 ID를 부여하였다.
- 본 연구에서는 비인터리브 방식으로 저장된 RAW파일 825장을 순차적으로 읽고 RGB 중 청색(Blue) 값을 따로 뽑아내어 범용 몬테칼로 코드들(MCNPX, EGSnrc, Geant4)에서 사용할 수 있도록 C＋＋ 프로그래밍을 수행하였다. 변환된 복셀 데이터(261×109×825)는 이진파일의 경우 23 MB의 용량을 차지하였고, ASCII파일 형식은 57 MB의 용량을 차지하였다.
- 본 연구에서는 아주대학교 의과대학 해부학교실에서 제작한 VKH 고해상도 연속절단면 컬러해부영상을 이용하여 장기 및 조직을 전신에 걸쳐 2 mm 간격으로 분할하였고, 몬테칼로 코드에 입력하여 사용할 수 있는 VHK-Woman 복셀팬텀을 개발하였다. VKH-Woman 복셀팬텀은 한국인 여성의 표준체형에 가까운 여성 사체(키 160 cm, 몸무게 52.
- 본 연구에서는 아주대학교 의과대학 해부학교실에서 제작한 고해상도 연속절단면 컬러해부영상자료를 이용하여 ICRP 103 권고에 제시된 27개 여성장기 및 조직과 기타 관심장기 12개를 매우 정밀하게 분할하였다. Fig.
- 본 연구에서는 장기별로 고유한 색(8 bit RGB)을 사용하여 분할하였고 청색(Blue) 값(0∼255)을 장기 ID로 사용하였다.
- 01)가 새롭게 부여된 주요장기이다. 본 연구에서는 크게 대뇌(cerebrum), 중뇌(mesencephalon), 소뇌(cerebellum)로 구분지어 수동으로 분할하였다. 척수(spinal cord)는 뇌와 함께 중추신경계를 구성하는 장기로 ICRP에서는 조직가중치를 따로 제시하지는 않지만 방사선에 민감한 장기이므로 수동으로 분할하였다.
- 이때 영상의 상태에 따라 명도/대비 조정의 범위나 자동선택도구의 허용치를 달리해야 하므로 관절부위 기준으로 해당구간에서의 최적의 값을 설정하여 자동분할을 진행하였다. 뼈가 아닌 구조(흉부의 심장박동기)가 선택될 경우를 대비하여 매장마다 정확한 분할이 이루어졌는지 확인하고 잘못을 수정하는 과정을 거쳤다. Fig.
- 본 연구에 사용된 컬러해부영상의 사체는 사망 전 위와 십이지장이 연결되는 일부 부위를 절제하고 우회하는 수술을 받은 특징이 있다. 소장도 대장과 마찬가지로 부위별 구분 없이 통합하여 분할하였다. 대장과 소장의 내벽은 복잡한 주름의 형태를 가지고 있어 다른 장기에 비하여 수동으로 분할하는 데에 많은 시간이 소요된다.
- 쓸개는 1∼2 mm 두께의 벽을 갖는 장기이므로 외벽을 수동으로 분할하였고, 이를 이용하여 내벽을 자동으로 정의하였다.
- 침샘은 머리부위에 분포하며 귀밑샘(parotid gland), 턱밑샘(submaxillary gland), 혀밑샘(sublingual gland)과 구강점막 내에 존재하는 다수의 점액선으로 구성된다. 앞서 구강점막을 따로 분할하였으므로 이를 제외한 귀밑샘, 턱밑샘 및 혀밑샘을 침샘으로 분할하였다.
- 이러한 일련의 과정을 PhotoshopⓇCS4의 ‘액션(Action)’과 ‘일괄처리(Batch)'기능을 이용하여 자동적으로 작업이 이루어지도록 하였다. 이때 영상의 상태에 따라 명도/대비 조정의 범위나 자동선택도구의 허용치를 달리해야 하므로 관절부위 기준으로 해당구간에서의 최적의 값을 설정하여 자동분할을 진행하였다. 뼈가 아닌 구조(흉부의 심장박동기)가 선택될 경우를 대비하여 매장마다 정확한 분할이 이루어졌는지 확인하고 잘못을 수정하는 과정을 거쳤다.
- 이러한 일련의 과정을 PhotoshopⓇCS4의 ‘액션(Action)’과 ‘일괄처리(Batch)'기능을 이용하여 자동적으로 작업이 이루어지도록 하였다.
- 이를 해결하기 위해 3D-DOCTORTM 의학영상 소프트웨어의 ‘Reslice' 기능을 사용하여 횡단면(transverse plane) 영상을 관상면(coronal plane) 영상과 시상면(sagittal plane) 영상으로 변환시킨 뒤, 'Rotate' 기능을 사용하여 방향별 단면 이미지 전체의 각도를 한꺼번에 회전시켜 CT영상의 축을 컬러해부영상에 맞게 정렬하였다(Fig. 2, 3).
- 컬러해부영상은 0.2 mm (하반신 일부는 1 mm) 간격으로 제작되었으나, 총 5,901장에 달하는 영상을 모두 수동으로 분할하는 것은 불가능하므로 전신에 대한 1 mm 간격, 즉 1,650장을 사용하여 장기를 분할하였다. 대부분의 장기는 Screen Digitizer CINTIQ 15X (WACOM Co.
- 피부 레이어의 안쪽 공간과 모든 장기 레이어의 바깥쪽 공간 내에서 PhotoshopⓇCS4의 ‘색상범위(color range)’ 기능을 사용하여 검붉은 색을 띠는 근육을 자동으로 선택하였다.
- 해부학적으로 분류된 206개의 뼈를 모두 구분하여 분할하는 작업은 상당한 시간이 소요되므로 사체의 연속절단 직전 촬영되었던 CT영상을 이용하여 자동으로 분할하였다. CT영상에서 뼈는 매우 뚜렷하게 구분되므로 자동분할 방법을 사용해도 정확한 분할이 가능하다.
대상 데이터
- 9은 컬러해부영상으로부터 장기분할이 완료된 VKH-Woman 복셀 팬텀의 3차원 볼륨렌더링(volume rendering) 영상을 보여준다. Table 1에서는 각각의 장기무게를 보여주고 있는데, 이때 밀도는 표준한국인 자료를 사용하였다. VKH-Woman에 적용한 균질한 장기 밀도가 실제 사체의 불균질한 밀도와는 차이가 있음에도 불구하고 전체 몸무게(52.
- 다음으로 전체 영상에 대해 상하좌우의 최대로 자를 수 범위를 찾아 ’자르기(Crop)' 기능을 사용하여 261×109 크기로 잘라내어 불필요한 공기 복셀을 최소화시켰다. 또한 1 mm 간격 1,650장의 분할영상을 2 mm 간격 총 825장으로 정리하였다. 최종적으로 사용되는 복셀 행렬의 크기는 261×109×825이다.
- 소장(small intestines)은 ICRP 103 권고의 나머지장기(remainder tissues)에 속하는 장기이며 십이지장(duodenum), 회장(ileum), 공장(jejunum)으로 구성된다. 본 연구에 사용된 컬러해부영상의 사체는 사망 전 위와 십이지장이 연결되는 일부 부위를 절제하고 우회하는 수술을 받은 특징이 있다. 소장도 대장과 마찬가지로 부위별 구분 없이 통합하여 분할하였다.
- 본 연구에서 개발된 한국인 성인여성 복셀팬텀을 VKHWoman(Visible Korean Human Woman)으로 명명하였고 이는 남성팬텀 VKH-Man과 한 쌍을 이룬다. 최종 완성된 VKH-Woman 복셀팬텀의 복셀해상도는 1.
- 1). 본 연구에서는 사체의 절단 직전 촬영된 1 mm 간격의 전신 CT 영상도 함께 획득하였으며, 전신의 골격을 자동으로 분할하는 데에 사용하였다.
- 본 연구에서는 픽셀 크기 0.1 mm급 고해상도 컬러해부영상(5,616×2,300)을 1 mm 간격 총 1,650장을 분할하였다.
- 최근 아주대학교 해부학교실에서는 한국인 여성사체의 절단 및 절단면의 고해상도 사진촬영 작업을 완료하였다. 연속절단에 사용된 사체는 2007년 사망당시 연령이 26세였으며 키 160 cm, 몸무게 52.35 kg으로 한국인 성인여성 표준 키와 몸무게9)에 해당하는 158 cm, 54 kg에 가까운 신체 크기를 갖는다. 사인은 위암으로 위에서 십이지장으로 이어지는 부위를 절제하여 우회하는 수술을 받은 이력이 있으며, 흉부 상단에는 심장 박동기가 삽입되어 있다.
- 컬러해부영상은 머리부터 서혜부(groin) 직전까지는 0.2 mm 간격이지만 넓적다리 부위와 발목 아래는 1 mm 간격으로 절단하여 총 5,901장의 단면영상으로 제작되었다. 이를 장기분할에 사용되는 1 mm 간격으로 추려내면 총 1,650장이 된다.
- 사인은 위암으로 위에서 십이지장으로 이어지는 부위를 절제하여 우회하는 수술을 받은 이력이 있으며, 흉부 상단에는 심장 박동기가 삽입되어 있다. 컬러해부영상의 절단간격은 기본적으로 0.2 mm이나 주요장기를 포함하지 않는 하반신은 부분적으로 1 mm 간격으로 절단되었으며, 총 5,901장으로 제작되었다. 컬러해부영상의 해상도는 5,616×2,300으로 한 픽셀의 크기는 0.
성능/효과
- 폐는 다른 장기에 비하여 밀도가 크게 낮아 CT영상 기반의 복셀팬텀에서는 일반적으로 자동으로 분할하는 방법을 사용한다.4,10) 본 연구에서 사용한 컬러해부영상에서는 폐의 외곽 경계가 육안으로 뚜렷하게 구분되는 편이지만, 폐 내부의 혈관과 기관지 조직으로 인하여 색상의 편차가 존재하므로 수동으로 분할하는 방법이 더욱 효율적이면서도 정확하였다. 사체사망 당시 폐의 수축으로 인하여 등 쪽 부분이 이물로 채워져 있으나 본 연구에서는 정상인이라 가정하고 이물을 포함하여 분할하였다.
- 3에서 확인할 수 있듯 절단 전 냉동 당시 사체는 까치발 모양을 하고 있었기 때문에 장기 분할작업을 진행한 영상간격 1 mm와 사체의 키 161 cm가 정확히 일치하기 위해서는 발가락 끝이 아닌 발뒤꿈치 끝에 해당하는 영상번호가 1,610번이어야 한다. CT영상의 경우 머리 끝으로부터 1,600번째 영상이 발뒤꿈치와 정확히 일치하였으나, 컬러해부영상은 1,552번째 영상이 발뒤꿈치에 해당하였으므로 컬러해부영상의 절단간격에 약간의 오차가 존재함을 확인할 수 있었고 최종적으로 분할영상의 간격을 1.0374 mm로 수정키로 하였다. 이러한 오차가 발생한 이유는 하반신 부위에서 절단간격을 달리 하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 자궁 및 자궁경부(uterus/cervix)은 ICRP 103 권고의 나머지장기(remainder tissues)에 속한다. 본 연구에서 사용된 컬러해부영상의 여성사체의 경우 임신한 상태가 아니었으므로 내부공간이 거의 없는 두터운 덩어리 형태로 분할되었다.
후속연구
- 0619 mm3이고 복셀행렬의 크기는 261×109×825로써 해상도 2 mm 급의 정밀한 선량분포 계산이 가능하다. 따라서 VKH-Woman은 방사선치료, 방사선진단, 핵의학 등의 의료분야에서 선량분포를 정밀하게 계산하고, 유효선량 및 2차암 위험도를 평가하는데 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 연구를 통해 VKH-Woman을 변형이 용이한 폴리곤 면(polygon surface)로 변환하고, 장기무게를 표준한국인 자료에 맞게 조정할 예정이다. 이후 유방의 크기 및 형태가 다양하게 변형된 모델, 자세가 변형된 모델 등으로 발전시켜 보다 다양한 연구 분야에서 활용될 수 있도록 할 계획이다.
- 향후 연구를 통해 VKH-Woman을 변형이 용이한 폴리곤 면(polygon surface)로 변환하고, 장기무게를 표준한국인 자료에 맞게 조정할 예정이다. 이후 유방의 크기 및 형태가 다양하게 변형된 모델, 자세가 변형된 모델 등으로 발전시켜 보다 다양한 연구 분야에서 활용될 수 있도록 할 계획이다.
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