캡슐 내시경 시스템은 최소 침습적 방법으로 의료진이 환자의 소화기관 검사를 수행할 수 있는 혁신적 기술로 최근 주목 받는 융합 기술이다. 일단 환자가 비타민 알약 크기의 캡슐을 삼키면, 캡슐 내 무선 또는 인체통신 모듈에 의해 전송된 영상정보를 바탕으로 의료진은 캡슐 내시경 진단 시스템을 통해 혈액 이상, 용종, 궤양, 크론병 등 다양한 질환을 진단할 수 있다. 캡슐 내시경은 기존의 케이블 내시경을 대신할 수 있는 혁신 기술이지만 정확한 병증 진단 및 분석 소요 시간 측면에서 단점을 가지고 있다. 즉, 캡슐 내시경은 캡슐내의 소형 카메라를 이용하여 6~12만 프레임의 방대한 양의 정지 영상을 촬영하기 때문에 촬영된 영상을 의료진이 확인하고 정확한 병변을 분석하는데 오랜 시간이 걸린다. 따라서 캡슐 내시경 시스템은 빠른 병변 진단을 위한 도구 및 정확한 병변 진단을 위한 의료 이미지 영상 처리가 필수 요소이다. 본 논문에서는 캡슐 내시경 시스템의 주요 제조사들을 중심으로 거의 알려져 있지 않은 소화기 영상의 빠른 병변 진단 도구에 대한 최근 경향과 정확한 병변 검출을 위한 의료 영상 처리 기술의 최신 동향을 분석하였다.
캡슐 내시경 시스템은 최소 침습적 방법으로 의료진이 환자의 소화기관 검사를 수행할 수 있는 혁신적 기술로 최근 주목 받는 융합 기술이다. 일단 환자가 비타민 알약 크기의 캡슐을 삼키면, 캡슐 내 무선 또는 인체통신 모듈에 의해 전송된 영상정보를 바탕으로 의료진은 캡슐 내시경 진단 시스템을 통해 혈액 이상, 용종, 궤양, 크론병 등 다양한 질환을 진단할 수 있다. 캡슐 내시경은 기존의 케이블 내시경을 대신할 수 있는 혁신 기술이지만 정확한 병증 진단 및 분석 소요 시간 측면에서 단점을 가지고 있다. 즉, 캡슐 내시경은 캡슐내의 소형 카메라를 이용하여 6~12만 프레임의 방대한 양의 정지 영상을 촬영하기 때문에 촬영된 영상을 의료진이 확인하고 정확한 병변을 분석하는데 오랜 시간이 걸린다. 따라서 캡슐 내시경 시스템은 빠른 병변 진단을 위한 도구 및 정확한 병변 진단을 위한 의료 이미지 영상 처리가 필수 요소이다. 본 논문에서는 캡슐 내시경 시스템의 주요 제조사들을 중심으로 거의 알려져 있지 않은 소화기 영상의 빠른 병변 진단 도구에 대한 최근 경향과 정확한 병변 검출을 위한 의료 영상 처리 기술의 최신 동향을 분석하였다.
Recently, Capsule Endoscope(CE) system is receiving great attention as a innovative convergence technology that allows doctors to examine the digestive tract of a human body in the minimum invasive way. Once patients swallow the vitamin pill-sized capsule, doctors can detect disease such as blood-ba...
Recently, Capsule Endoscope(CE) system is receiving great attention as a innovative convergence technology that allows doctors to examine the digestive tract of a human body in the minimum invasive way. Once patients swallow the vitamin pill-sized capsule, doctors can detect disease such as blood-based abnormalities, polyps, ulcers, and Crohn's disease through the image information delivered by wireless or human body communication module in CE. Although CE is really a innovative technology, it still suffers from some drawbacks in terms of correct diagnosis of lesion and analysis required time. Due to the massive images approximately 60~120 thousand frames taken by miniature camera in the CE, doctors spend too much time examining the images and analyzing the lesions. Therefore, to lighten the burden of doctors, software tools for fast diagnosis and medical image processing techniques for correct diagnosis of lesion are essential in CE system. In this paper, we investigate the latest trends of diagnosis tools and image processing techniques based on major makers of CE systems, which are hardly known to the general public.
Recently, Capsule Endoscope(CE) system is receiving great attention as a innovative convergence technology that allows doctors to examine the digestive tract of a human body in the minimum invasive way. Once patients swallow the vitamin pill-sized capsule, doctors can detect disease such as blood-based abnormalities, polyps, ulcers, and Crohn's disease through the image information delivered by wireless or human body communication module in CE. Although CE is really a innovative technology, it still suffers from some drawbacks in terms of correct diagnosis of lesion and analysis required time. Due to the massive images approximately 60~120 thousand frames taken by miniature camera in the CE, doctors spend too much time examining the images and analyzing the lesions. Therefore, to lighten the burden of doctors, software tools for fast diagnosis and medical image processing techniques for correct diagnosis of lesion are essential in CE system. In this paper, we investigate the latest trends of diagnosis tools and image processing techniques based on major makers of CE systems, which are hardly known to the general public.
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문제 정의
본 논문에서는 아직 널리 알려지지 않은 캡슐 내시경 시스템의 주요 제조사인 국내 유일의 인트로메딕(IntroMedic, 이하 I사)사와 세계 70% 정도의 마켓쉐어를 가지는 이스라엘의 기븐이미징(Given Imaging, 이하 G사)사, 그리고 일본의 올림푸스 (Olympus, 이하 O사)사를 중심으로 소화기 영상의 빠른 병변 진단 도구에 대한 최근 경향과 정확한 병변 검출을 위한 의료 영상 처리 기술의 최신 동향을 살펴보고자 한다. 먼저 Ⅱ 장에서는 캡슐 내시경 시스템의 영상처리 모듈의 구성을 소개하고 Ⅲ 장에서는 영상처리 모듈을 이용하여 캡슐 내시경의 방대한 양의 영상을 빠르게 진단할 수 있는 진단 도구들을 소개한다.
본 논문에서는 캡슐 내시경 영상에 대해 빠르고 정확한 진료 행위를 수행할 수 있는 진단 도구의 주요 제조사별 최신 기술적 특징과 개발 동향을 기술하였으며 정확한 병변 검출을 위한 의료 영상 처리 기술의 최신 동향을 살펴보았다.
제안 방법
그림 5(a)는 I사의 레인지 뷰(Range View), 그림 5(b)는 G사의 모자익 뷰(Mosaic View), 그림 5(c)는 O사의 스크린 오버뷰(Screen Overview)를 각각 나타낸 것이다. 그림 5(a)의 I사의 인지 뷰는 디스플레이 창 중앙에 현재 관측 프레임을, 관측 프레임을 중심으로 좌우 9 x 9 매트릭스형태로 일정 시간 간격의 주변 프레임을 배치하여 관측 프레임 사이의 상호 연계성을 조망하도록 하였다. 그림 5(b) G사의 모자익 뷰는 관측 프레임 주변의 영상을 8～ 16 프레임의 일정 개수 나열을 통해 주변 프레임과 관측 프레임 사이의 상호 연계성을 조망하도록 하였다.
그림 5(a)의 I사의 인지 뷰는 디스플레이 창 중앙에 현재 관측 프레임을, 관측 프레임을 중심으로 좌우 9 x 9 매트릭스형태로 일정 시간 간격의 주변 프레임을 배치하여 관측 프레임 사이의 상호 연계성을 조망하도록 하였다. 그림 5(b) G사의 모자익 뷰는 관측 프레임 주변의 영상을 8～ 16 프레임의 일정 개수 나열을 통해 주변 프레임과 관측 프레임 사이의 상호 연계성을 조망하도록 하였다. 그러나 G사의 모자익 뷰는 일정 개수의 연속적인 주변 프레임만을 단순하게 디스플레이하기 때문에 넓은 범위에 걸쳐 발생하는 소화기 출혈 병증을 효율적으로 조망하기에는 다소 부족한 면이 있다.
그러나 G사의 모자익 뷰는 일정 개수의 연속적인 주변 프레임만을 단순하게 디스플레이하기 때문에 넓은 범위에 걸쳐 발생하는 소화기 출혈 병증을 효율적으로 조망하기에는 다소 부족한 면이 있다. 그림 5(c) O사의 스크린 오버뷰는 비디오 판독기의 타임바(time bar)의 일정 범위를 지정하면 지정된 범위내의 소화기 대표 영상을 10 x 5 매트릭스 형태로 배치하여 주어진 범위 내의 전체 영상을 한 번에 조망하도록 하였다.
이를 대비하여 미세 혈류와 정상 점막의 구분을 명확히 해주는 협대역 영상 (Narrow Band Imaging, 이하 NBI) 처리 기능 등을 제공하여 진단자가 보다 효율적으로 소화기 병증을 진단한다. 또한 디스플레이 모듈은 IA(Image Analysis) 모듈이 제공한 빠른 진단 도구들을 이용하여 진단자가 병증 영상을 효율적으로 관측할 수 있는 비디오 판독 기능을 제공한다. IPC, IEM, IA 모듈들이 제공한 영상처리 기능들을 효율적으로 통합, 관리하여 진단자의 총체적인 의료 행위, 즉, 병증 리포트, 의료 영상 비디오 디스플레이, 소화기의 장기별 구분, 병증 분류, 병증 데이터의 의료용 데이터 서버(PACS: Picture Archiving Communication System)에 전달 등의 기능을 수행을 돕는다.
이러한 진단자의 요구에 따라 상호 연관 지어 발생하는 소화기 병증을 한 번에 조망할 수 있도록 O사는 Screen Overview[5], I사는 인지 뷰(Range View)[6], G사는 모자익 뷰(Mosaic View)[7]를 개발하게 되었다. 이 기능은 데이터 수신기에 저장된 영상을 일정 시간 범위로 잘게 나누어 현재 관찰하고 있는 비디오 디스플레이 프레임 주변에 함께 배치하여 통합접으로 소화기 영상을 조망할 수 있도록 하였다. 따라서 진단자는 상호 연관 지어 발생하는 소화기 병증을 효율적으로 진단할 수 있게 된다.
이와 더불어 소화 기관의 부위에 따른 고유의 색과 대비되는 병변 부위의 점막 색은 눈에 잘 띄지 않아, 내시경 장치를 이용하여 시각적으로 소화 기관을 관찰하면서도 미세 혈관이나 병변을 놓치는 경우가 발생할 수 있다. 이를 대비하여 미세 혈류와 정상 점막의 구분을 명확히 해주는 협대역 영상 (Narrow Band Imaging, 이하 NBI) 처리 기능 등을 제공하여 진단자가 보다 효율적으로 소화기 병증을 진단한다. 또한 디스플레이 모듈은 IA(Image Analysis) 모듈이 제공한 빠른 진단 도구들을 이용하여 진단자가 병증 영상을 효율적으로 관측할 수 있는 비디오 판독 기능을 제공한다.
성능/효과
. 그러 나 위의 알고리즘은 수학적으로 제어해야할 제어 변수들이 너무 많고 영상의 고주파수 성분이 많은 복잡한 영상의 에지 고양으로 영상의 에지 부근에 여러 겹의 윤곽선이 나타나는 후광 효과(halo effect)를 나타내는 등 여러 조건의 영상에 많은 문제점을 드러내었다.
후속연구
또한 근래 전 세계적으로 인구의 고령화가 급속히 진행되고 있어 캡슐 내시경의 상용화는 유선형 내시경 검사를 하는데 부담을 느끼는 노령층의 소화기 질병 관리에 유용한 수단으로 자리매김할 것으로 기대된다.
그러나 위에 소개한 HDR 알고리즘들은 LDR 영상 장치를 통해 HDR 영상으로 재구성하는데 있어서 영상의 스캐일 스페이스 분석(이미지 피라미드 분석)을 이용하기 때문에 비교적 느린 실행시간과 수많은 제어 변수들을 특정 애플리캐이션에 최적화 해야 하는 문제가 있다. 또한 제한된 광원을 사용하는 일반 내시경 및 캡슐 내시경 시스템에서 주로 발생하는 고명암비 장면을 LDR 영상 촬영 장치로 촬영을 하였을 경우 진단에 큰 오류를 유발할 수 있어 이에 대한 개선이 요구되었다. 국내 I사는 이러한 요구를 반영하여 세계 최초로 고속 동작에 용이한 LDR 촬영 장치의 다중 노출에 기반한 영상 합성 기술을 이용하여 HDR 영상을 재구성하는 광명암비 (WDR : Wide Dynamic Range)[18,19], 영상처리 기술과 HDR 기술을 접목하여 고속으로 동작하는 실시간 HDR 영상처리 기술을 개발하였다.
현재의 기술 수준 및 발전 속도를 비추어 볼 때 멀지 않은 미래에는 유선형 내시경 시스템과 동등 내지는 그 이상의 영상 성능을 달성할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 캡슐 내시경은 편리성과 안전성 등 많은 장점을 가지기 때문에 향후 캡슐 내시경 개발 연구에 보다 적극적인 투자가 필요하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
캡슐 내시경 시스템 개발 초기의 기본 아이디어는 무엇인가?
이 시스템은 알약 크기의 소형 카메라 시스템으로서 입을 통해 삼키면 소화기의 소화 매커니즘(mechanism)에 따라 소화기 내부를 일정 시간 촬영하고 촬영된 수십 만 장의 정지 영상 데이터를 무선 통신(wireless communication) 혹은 인체 통신(human body communication)을 통해 외부로 전송하여 저장 매체인 수신기에 저장을 하고 캡슐의 촬영 시간에 종속으로 저장된 수신기의 영상을 토대로 의료진이 소화기 병변을 진단하는 장치이다[1,2]. 캡슐 내시경 시스템 개발 초기의 기본 아이디어는 일반 유선형 내시경 검사가 피검사자의 구강이나 항문을 통해 내시경 튜브를 체내로 삽입하여 검사를 시행하는데 이 과정에서 피검자에게 발생하는 호흡 곤란, 구토 등의 불편함과 소화기의 천공(穿孔) 등의 부작용, 내시경의 소독과정에서 발생하게 되는 교차 감염의 위험성을 줄이고자 일회용 형태로 피검자의 일반 활동에 제약을 받지 않도록 하는 장치를 개발하는 것이었다. 또한 근래 전 세계적으로 인구의 고령화가 급속히 진행되고 있어 캡슐 내시경의 상용화는 유선형 내시경 검사를 하는데 부담을 느끼는 노령층의 소화기 질병 관리에 유용한 수단으로 자리매김할 것으로 기대된다.
최첨단 정보 통신 기술이 융합된 캡슐 내시경 시스템은 무엇인가?
특히 내시경 분야에 최첨단 정보 통신 기술이 융합된 캡슐 내시경(CE: Capsule Endoscope) 시스템에 많은 관심이 집중되고 있다. 이 시스템은 알약 크기의 소형 카메라 시스템으로서 입을 통해 삼키면 소화기의 소화 매커니즘(mechanism)에 따라 소화기 내부를 일정 시간 촬영하고 촬영된 수십 만 장의 정지 영상 데이터를 무선 통신(wireless communication) 혹은 인체 통신(human body communication)을 통해 외부로 전송하여 저장 매체인 수신기에 저장을 하고 캡슐의 촬영 시간에 종속으로 저장된 수신기의 영상을 토대로 의료진이 소화기 병변을 진단하는 장치이다[1,2]. 캡슐 내시경 시스템 개발 초기의 기본 아이디어는 일반 유선형 내시경 검사가 피검사자의 구강이나 항문을 통해 내시경 튜브를 체내로 삽입하여 검사를 시행하는데 이 과정에서 피검자에게 발생하는 호흡 곤란, 구토 등의 불편함과 소화기의 천공(穿孔) 등의 부작용, 내시경의 소독과정에서 발생하게 되는 교차 감염의 위험성을 줄이고자 일회용 형태로 피검자의 일반 활동에 제약을 받지 않도록 하는 장치를 개발하는 것이었다.
캡슐 내시경 시스템의 단점은 무엇인가?
또한 근래 전 세계적으로 인구의 고령화가 급속히 진행되고 있어 캡슐 내시경의 상용화는 유선형 내시경 검사를 하는데 부담을 느끼는 노령층의 소화기 질병 관리에 유용한 수단으로 자리매김할 것으로 기대된다. 캡슐 내시경 시스템은 6～12만장의 방대한 양의 영상을 촬영 저장하기 때문에 촬영된 영상에서 의료진이 병변을 확인하는데 오랜 시간이 걸리게 되어 진단의 피로감이 큰 단점이 있다. 따라서 빠른 병변 진단 도구와 더불어 정확한 병변 진단을 한 의료영상 처리가 필수 요소이다.
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