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합성곱 신경망(Convolutional Neural Network)을 활용한 지능형 아토피피부염 중증도 진단 모델 개발
Development of Intelligent Severity of Atopic Dermatitis Diagnosis Model using Convolutional Neural Network 원문보기

경영과 정보연구 = Management & information systems review, v.36 no.4, 2017년, pp.33 - 51  

윤재웅 (광운대학교 경영학부) ,  전재헌 (광운대학교 경영학부) ,  방철환 (가톨릭대학교 의과대학 서울성모병원 피부과) ,  박영민 (가톨릭대학교 의과대학 서울성모병원 피부과) ,  김영주 (광운대학교 의료기기개발센터) ,  오성민 (광운대학교 의료기기개발센터) ,  정준호 (구미전자정보기술원 전자의료기술연구본부 융합의료기기연구센터) ,  이석준 (광운대학교 경영학부) ,  이지현 (가톨릭대학교 의과대학 서울성모병원 피부과)

초록
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제4차 산업혁명의 등장과 경제성장으로 인한 '국민 삶의 질 향상' 요구 증대로 인해 의료서비스의 질과 의료비용에 대한 국민들의 요구수준이 향상되고 있으며, 이로 인해 인공지능이 의료현장에 도입되고 있다. 하지만 인공지능이 의료분야에 활용된 사례를 살펴보면 '삶의 질'에 직접적인 영향을 끼치는 만성피부질환에 활용된 사례는 부족한 실정이며, 만성피부질환 중 대표적 질병인 아토피피부염은 정성적 진단 방법으로 인해 진단의 객관성을 확보할 수 없다는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 아토피피부염의 객관적 중증도 평가 방법을 마련하여 아토피피부염 환자의 삶의 질을 향상시키고자 다음과 같은 연구를 수행하였다. 첫째, 가톨릭대학교 의과대학 성모병원의 데이터베이스로부터 아토피피부염 환자의 이미지 데이터를 수집했으며, 수집된 이미지 데이터에 대한 정제 및 라벨링 작업을 수행하여 모델 학습과 검증에 적합한 데이터를 확보했다. 둘째, 지능형 아토피피부염 중증도 진단 모형에 적합한 이미지 인식 알고리즘을 파악하기 위해 다양한 CNN 알고리즘들을 병변별 학습용 데이터로 학습시키고, 검증용 데이터를 활용하여 해당 모델의 이미지 인식 정확도를 측정했다. 실증분석 결과 홍반(Erythema)의 경우 'ResNet V1 101', 긁은 정도(Excoriation)의 경우 'ResNet V2 50'이 90% 이상의 정확도를 기록하였으며, 태선화(Lichenification)의 경우 학습용 데이터 부족의 한계로 인해 두 병변보다 낮은 89%의 정확도를 보였다. 해당 결과를 통해 이미지 인식 알고리즘이 단순한 사물 인식 분야뿐만 아니라 전문적 지식이 요구되는 분야에도 높은 성능을 나타낸다는 것을 실증적으로 입증했으며, 본 연구는 실제 아토피피부염 환자의 이미지 데이터를 활용했다는 측면에서 실제 임상환경에서 활용성이 높을 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

With the advent of 'The Forth Industrial Revolution' and the growing demand for quality of life due to economic growth, needs for the quality of medical services are increasing. Artificial intelligence has been introduced in the medical field, but it is rarely used in chronic skin diseases that dire...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 아토피피부염의 평가방법에는 SCORAD, ADSI, SSS, EASI, POEM 등의 평가방법이 존재하지만, 다양한 아토피피부염 평가방법의 존재는 적절한 객관적 평가방법을 마련하기 어렵다는 반증으로 사료되며(손병국과 최인화, 2008), 현재 아토피 중증도에 대한 진단은 의사들의 시진과 아토피피부염 환자를 대상으로 수행된 설문 결과에 의존하게 되어 병변별, 병변 부위별 중증도에 대한 객관적인 진단을 수행할 수 없다는 한계가 존재한다. 객관성이 확보되지 않은 진단 방법의 문제점을 해결하고 의료 서비스의 질을 향상시킴으로써 아토피 환자 삶의 질을 향상에 기여하고자 본 연구에서는 CNN을 활용한 아토피 중증도 진단 모형을 개발하였다. 이를 위해 다음과 같은 연구가 수행되었다.
  • 다양한 선행연구들을 살펴보면 CNN 알고리즘은 이미지 분류에 적합한 알고리즘임을 알 수 있으며, 본 연구에서는 아토피피부염 병변별 중증도 분류를 CNN을 활용하여 시도하고자 한다.
  • 본 연구는 가톨릭대학교 의과대학 서울성모병원 연구윤리심의위원회(Institutional review board)의 승인을 받아 수행되었으며, 정량적인 아토피 피부염 중증도 평가방법을 마련하기 위해 이미지 인식 알고리즘인 CNN을 활용한 지능형 아토피 중증도 진단 모델을 제안하고자 한다. 이를 위해 다음과 같은 연구 절차를 수행된다.
  • 한편, Papulation의 경우 2D 이미지 데이터에서 부어오른 정도를 진단하는데 한계가 있으므로 본 연구에서는 Erythema, Excoriaition, Lichenification에 대한 중증도를 CNN 알고리즘을 활용하여 진단하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인셉션 모듈이란 무엇인가? 인셉션 모듈은 각각의 병렬 합성곱 계층 이전에 1x1 합성곱 계층을 추가한 것으로써 해당 합성곱 계층은 ‘1-계층 완전 연결 신경망(1-layer fully-connected neural network)’라고도 불린다. 인셉션 모듈의 처리 과정은 <그림 4>와 같이 1×1 합성곱 계층의 입력 데이터인 특성 지도 (feature-map)로 부터 유사한 특징 점들을 묶어 특성 지도의 수를 줄이는 방식으로써, 네트워크 내부에 네트워크를 중첩해서 사용하는 Network In Network(NIN) 구조를 기반으로 구성되어 있으며(Lin et al.
The Scoring of Atopic Dermatitis의 한계는 무엇인가? 한편, 아토피피부염 진단기준으로 널리 사용되는 The Scoring of Atopic Dermatitis(SCORAD)은 많은 연구들에 의해 검증된 아토피피부염 진단 기준이지만, 병변에 대한 중증도 진단 시 증상의 징후와 평가를 혼합하여 활용한다는 문제점과 주로 소아 환자에 치우친 진단 기준이라는 한계가 존재한다(Stalder et al., 1993).
연산량과 파라미터 개수를 줄이는 방법으로 인셉션 모듈기법을 제안한 배경은 무엇인가? (2015)은 22개의 계층으로 이루어진 GoogLeNet을 제안했다. 하지만 깊은 계층으로 구성된 네트워크는 과적합, 처리 속도 저하, 메모리 사용량의 증가와 같은 문제점들이 발생하게 되어 한정된 자원을 사용하고 저사양 하드웨어로 동작하는 임베디드 시스템 환경에서는 활용하기 어렵다는 한계가 존재하였다. 따라서 그들은 네트워크의 깊이에 따라 발생하는 일련의 문제를 해결하기 위해 연산량과 파라미터 개수를 줄이는 방법으로 <그림 3>과 같은 인셉션(Inception) 모듈기법을 제안했다.
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참고문헌 (45)

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