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문제 정의
- 그러므로 본 논문에서는 ‘영상의 질’의 척도를 나타내는 선예도를 평가하기 위한 50% 변조 전달함수(Modulation Transfer Function; MTF)[8], 영상의 변환 과정에서 발생하는 픽셀 값이 차이와 통계학적인 표준편차를 평가하는 MSE(MeanSquare Error)[9]와 RMSE(RootMean Square Error)[9], 주로 영상 또는 동영상의 손실 압축에 관한 화질 손실 정보를 평가하는 최대 신호 잡음비(Peak Signal Noise Ratio;PSNR)[10], 압축 및 변환에 의해 발생하는 왜곡에 대한 원본 영상에 대한 유사도를 측정하는 구조적 유사지수(Structural Similarity Index; SSIM)[10][11]의 평가를 통하여 DICOM 영상을 TIFF, BITMAP, GIF, JPEG 형식의 이미지 파일로 변환하여 평가 시에 발생할 수 있는 변환율 손실에 대한 영상의 정량적인 평가를 통하여 디지털 의료영상처리에 관한 연구 시, DICOM 파일과 동일하거나 유사한 결과를 제공할 수 있는 이미지 파일의 기준을 제시하여 기초자료로서의 활용 및 연구의 신뢰성을 높이는데 그 목적이 있다.
- 그러한 이유로 본 논문에서는 특수의료장비 CT 성능 평가용 AAPM 팬텀 중 공간분해능 팬텀과 선예도를 평가하기 위한 Edge 팬텀을 이용하여 각각의 촬영 조건별로 촬영 한 후, DICOM 팬텀 영상을 획득하였다. 획득한 원본 영상인 DICOM 영상을 TIFF, BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일로 변환한 후 Origin pro와 ICY 영상분석 tool을 이용하여 영상의 압축 및 변환과정에 따른 변환 손실율을 정량적으로 평가를 하고자 하였다.
- 김기원 등[21]의 연구에 의하면 CT DICOM 영상을 획득하여 50% MTF 평가 만을 통한 CT 영상에 대한 정량적인 압축 및 변환 과정에 대한 손실 평가를 시행 하였으나, 본 연구에서는 50% MTF 평가뿐만 아니라 구조적 유사지수, MSE, RMSE, 최대신호대 잡음비 등을 평가하여 연구의 신뢰도를 높이고자 하였다.
제안 방법
- CT 성능 평가용 공간 분해능 팬텀으로 촬영 조건별로 획득한 DICOM 영상을 기준으로 각 이미지 파일 영상들의 촬영 조건 별 MSE · RMSE · 최대 신호 잡음비를 비교 평가하였다.
- CT 성능 평가용 공간 분해능 팬텀을 이용하여 촬영 조건 별로 공간 분해능 팬텀 DICOM 영상을 획득한 후, Image J를 이용하여 TIFF, BITMAP, GIF, JPEG의 이미지 확장자 파일로 변환하여 각각의 이미지 파일 영상들을 획득하였다. 공간 분해능 팬텀 DICOM 영상을 기준으로 각 이미지 파일 영상들의 구조적 유사지수 · MSE · RSME ·최대 신호대 잡음비를 ICY 의료영상분석 프로그램을 이용하여 비교 평가하였다(Fig.
- Edge 팬텀을 이용하여 촬영 조건별로 50% MTF측정 DICOM 영상을 획득한 후, Image J를 이용하여 tiff, bmp, jpeg, gif의 이미지 확장자 파일로 변환하여 각각의 이미지 파일 영상들을 획득하였다. 획득한 영상을 이용하여 MTF 측정을 위해 모두 동일한 영역에 픽셀의 크기가 100 × 80 인 ROI를 지정하고 Origin pro를 이용하여 50% MTF를 구하였다(Fig.
- 0, Quantitative Image Analysis Unit at Institut Pasteur, France)을 사용하였다. Origin pro는 데이터 분석 및 그래프 작성 응용 프로그램 소프트웨어로 50% MTF를 구하기 위해 사용하였고[15], ICY 의료 영상 분석 프로그램은 영상 데이터를 시각화하고 계량화할 수 있는 프로그램으로 구조적 유사지수, MSE, RMSE, 최대 신호대 잡음비를 평가하였다[16].
- 공간 분해능 팬텀 DICOM 영상을 기준으로 각 이미지 파일 영상들의 구조적 유사지수 · MSE · RSME ·최대 신호대 잡음비를 ICY 의료영상분석 프로그램을 이용하여 비교 평가하였다(Fig. 3).
- 실험을 통해 획득한 AAPM CT 성능 평가용 공간분해능 팬텀 DICOM 영상 및 MTF 측정용 edge 팬텀 DICOM 영상을 Image Jmage J(Ver.1.50b, NIH, USA)를 사용하여 TIFF 파일(＊.tif), BITMAP 파일(＊.bmp), GIF 파일(*. gif), JPEG 파일(＊.jpg)로 변환하였다.
- 평가 방법으로는 선예도를 평가하기 위한 50% MTF, 영상의 압축 및 변환 과정에서의 원본 영상의 구조적인 왜곡도를 평가하기 위한 구조적 유사지수, 영상의 변환 과정에서 발생하는 픽셀 값이 차이와 통계학적인 표준편차를 평가하는 MSE와 RMSE, 영상 및 동영상의 압축 및 변환 과정에서 발생하는 화질의 손실을 평가하기 위한 최대 신호대 잡음비 등을 실험을 통하여 평가하였다.
- 획득한 영상을 이용하여 MTF 측정을 위해 모두 동일한 영역에 픽셀의 크기가 100 × 80 인 ROI를 지정하고 Origin pro를 이용하여 50% MTF를 구하였다(Fig. 3)[17].
- 그러한 이유로 본 논문에서는 특수의료장비 CT 성능 평가용 AAPM 팬텀 중 공간분해능 팬텀과 선예도를 평가하기 위한 Edge 팬텀을 이용하여 각각의 촬영 조건별로 촬영 한 후, DICOM 팬텀 영상을 획득하였다. 획득한 원본 영상인 DICOM 영상을 TIFF, BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일로 변환한 후 Origin pro와 ICY 영상분석 tool을 이용하여 영상의 압축 및 변환과정에 따른 변환 손실율을 정량적으로 평가를 하고자 하였다.
대상 데이터
- D 병원에서 사용 중인 Toshiba Medical사 AquilionCX128 CT(Toshiba Medical, Tokyo, JAPAN) 장비와 DRX Evolution Plus(Carestreamhealth KOREA Inc,Rochester, USA) X-ray 장비를 이용하여 실험을 하였다.
- IEC 62220-1에 따른 MTF 측정용 Edge 팬텀(IBADosimetry, Germany)이며 3 mm 두께의 납판에 고정된 1 mm 두께의 텅스텐 판으로 구성되어 있다(± 5μm Edge(Fig. 2)[14].
데이터처리
- Origin pro(Ver. 9.0.0, OriginLab, USA)와 ICY 의료영상 분석 프로그램(Ver. 1.8.6.0, Quantitative Image Analysis Unit at Institut Pasteur, France)을 사용하였다. Origin pro는 데이터 분석 및 그래프 작성 응용 프로그램 소프트웨어로 50% MTF를 구하기 위해 사용하였고[15], ICY 의료 영상 분석 프로그램은 영상 데이터를 시각화하고 계량화할 수 있는 프로그램으로 구조적 유사지수, MSE, RMSE, 최대 신호대 잡음비를 평가하였다[16].
성능/효과
- 6에 해당하는 결과 값을 나타내었는데 구조적 유사도가 동일한 경우의 구조적 유사지수인 1의 결과 값과는 상당한 차이가 있어 압축 및 변환 과정에서 왜곡에 의한 구조적 유사도의 차이가 발생하였다는 것을 알 수 있었고, JPEG 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 다른 이미지 파일 형식보다 상대적으로 1의 구조적 유사도 지수와 차이가 있는 결과 값을 나타내어 압축 및 변환에 관한 왜곡도가 가장 크다고 판단하였다. BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 구조적 유사 지수를 나타내어 원본 영상인 DICOM 영상에 대한 압축 및 변환과정을 통해 출력되는 이미지의 왜곡도가 동일하다고 판단하였다.
- MSE와 RMSE를 평가한 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 0의 결과 값을 나타내어 출력된 이미지가 원본 영상인 DICOM 영상과 비교하여 픽셀 값의 차이가 없는 영상이라고 판단하였다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 MSE의 결과 값과 RSE의 결과 값이 TIFF 이미지 파일에 비하여 상대적으로 높은 결과 값을 나타내는 것을 통하여 압축 및 변환 과정에서의 출력 손실로 인한 출력 이미지의 픽셀 값의 차이가 발생한 결과라고 판단하였다.
- 권순무 등[6]의 연구에 의하면 JPEG 2000 이미지 압축 파일을 차세대 영상 압축 표준으로 선정하여 변환 손실율에 관한 연구를 시행 하였으나, 본 논문의 연구를 통하여 이미지 파일의 용량의 압축을 제외한 화질의 변환 손실율만을 평가 한다면 TIFF 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상과 모든 실험군에서 동일한 결과 값을 나타내어 변환율 손실평가에서는 가장 우수한 이미지 파일 형식이라고 판단하였다.
- 그리고 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상과 비교하여 50% MTF값은 높은 결과 값을 나타내었다. 이러한 결과 값을 통하여 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 변환과정에서 출력 손실이 발생하여 원본 영상인 DICOM 영상과의 비교 시, 높은 50% MTF 결과 값을 나타내어 선예도가 낮은 결과를 나타내었다.
- 그리고 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상을 기준으로 한 MSE의 결과 값이 전체 실험군에서 최소 값이 742.961, 최대 값이 752.982의 결과 값으로 나타나 출력 이미지의 무손실 값인 0의 결과 값과는 상당한 차이가 있어 압축 및 변환 과정에서의 출력 이미지의 손실이 발생하였다는 것을 알 수 있었고, JPEG 이미지 파일의 경우 다른 이미지 파일 형식보다 상대적으로 높은 MSE 값을 나타내어 출력 이미지의 손실이 가장 많이 발생하였다고 판단하였다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 MSE 값을 나타내어 압축 및 변환과정에서의 출력되는 이미지의 픽셀 값이 동일하다고 판단하였다.
- 그리고 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상을 기준으로 한 RMSE의 결과 값이 전체 실험군에서 최소 값이 27.257, 최대 값이 27.441의 결과 값으로 나타나 통계적인 의미로 예상한 값과 실제 실험 및 관측 결과가 평균적으로 차이가 있음을 나타내고 있다. 이러한 결과 값으로 압축 및 변환 과정에서의 출력 이미지의 손실이 발생하였다는 것을 알 수 있었고, JPEG 이미지 파일의 경우 상대적으로 높은 RMSE 값을 나타내어 다른 이미지 파일 형식보다 평균에 대한 오차의 차이가 있다고 판단하였다.
- 그리고 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상을 기준으로 한 구조적 유사지수의 결과 값이 전체 실험군에서 0.6에 해당하는 결과 값을 나타내었는데 구조적 유사도가 동일한 경우의 구조적 유사지수인 1의 결과 값과는 상당한 차이가 있어 압축 및 변환 과정에서 왜곡에 의한 구조적 유사도의 차이가 발생하였다는 것을 알 수 있었고, JPEG 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 다른 이미지 파일 형식보다 상대적으로 1의 구조적 유사도 지수와 차이가 있는 결과 값을 나타내어 압축 및 변환에 관한 왜곡도가 가장 크다고 판단하였다. BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 구조적 유사 지수를 나타내어 원본 영상인 DICOM 영상에 대한 압축 및 변환과정을 통해 출력되는 이미지의 왜곡도가 동일하다고 판단하였다.
- 그리고 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상을 기준으로 한 최대 신호대 잡음비의 결과 값이 전체 실험군에서 최소 값이 19.357, 최대 값이 19.421의 결과 값으로 이러한 결과값을 통하여 압축 및 변환에 관한 최대 신호대 잡음 비의 변화 값을 확인 할 수 있었으며, JPEG 이미지 파일의 경우 상대적으로 낮은 최대 신호대 잡음비의 값을 나타내어 다른 이미지 파일 형식보다 화질 정보의 손실율이 많이 발생하였다고 판단하였다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 최대 신호대 잡음비를 나타내어 화질 정보의 손실율이 동일하다고 판단하였다.
- 위의 결과들을 통하여 전체적으로 원본 의료영상인 DICOM 영상과 가장 유사하거나 또는 동일하다고 판단되는 이미지 파일의 형식은 TIFF이며, 압축 및 변환 과정에서 발생하는 화질의 손실 및 왜곡의 정도는 JPEG 이미지 파일이 가장 높은 결과로 나타났다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 50% MTF를 측정한 일부 실험군을 제외한 나머지 모든 실험군에서 동일한 결과 값을 나타내어 압축 및 변화되는 과정에서 발생되는 화질의 손실 및 왜곡의 정도가 동일하다고 판단하였다.
- 982의 결과 값으로 나타나 출력 이미지의 무손실 값인 0의 결과 값과는 상당한 차이가 있어 압축 및 변환 과정에서의 출력 이미지의 손실이 발생하였다는 것을 알 수 있었고, JPEG 이미지 파일의 경우 다른 이미지 파일 형식보다 상대적으로 높은 MSE 값을 나타내어 출력 이미지의 손실이 가장 많이 발생하였다고 판단하였다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 MSE 값을 나타내어 압축 및 변환과정에서의 출력되는 이미지의 픽셀 값이 동일하다고 판단하였다.
- 421의 결과 값으로 이러한 결과값을 통하여 압축 및 변환에 관한 최대 신호대 잡음 비의 변화 값을 확인 할 수 있었으며, JPEG 이미지 파일의 경우 상대적으로 낮은 최대 신호대 잡음비의 값을 나타내어 다른 이미지 파일 형식보다 화질 정보의 손실율이 많이 발생하였다고 판단하였다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 최대 신호대 잡음비를 나타내어 화질 정보의 손실율이 동일하다고 판단하였다.
- 먼저 선예도를 평가하기 위한 50% MTF 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 결과 값을 나타내어 출력 손실이 없는 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 선예도를 나타내었다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 50% MTF 결과 값이 원본 영상인 DICOM 영상보다 상대적으로 높은 결과 값을 나타내었는데 이러한 결과를 통하여 출력 손실로 인한 선예도가 저하된 영상이라고 판단하였다.
- MSE와 RMSE를 평가한 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 0의 결과 값을 나타내어 출력된 이미지가 원본 영상인 DICOM 영상과 비교하여 픽셀 값의 차이가 없는 영상이라고 판단하였다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 MSE의 결과 값과 RSE의 결과 값이 TIFF 이미지 파일에 비하여 상대적으로 높은 결과 값을 나타내는 것을 통하여 압축 및 변환 과정에서의 출력 손실로 인한 출력 이미지의 픽셀 값의 차이가 발생한 결과라고 판단하였다.
- 그리고 구조적 유사지수를 평가한 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 구조적 유사지수를 나타내는 1의 결과 값을 나타내어 출력된 이미지가 무손실로 인한 왜곡도가 없는 영상이라고 판단하였다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 구조적 유사 지수의 결과 값이 1과 상대적으로 차이가 나는 결과 값을 나타내어 출력 손실로 인한 왜곡이 발생한 영상이라고 판단하였다.
- 최대 신호대 잡음비를 평가한 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 MSE의 값이 0의 결과로 최대 신호대 잡음비의 수식에 관한 정의를 통하여 출력되는 화질의 손실이 없는 영상이라고 판단하였다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 최대 신호대 잡음비 결과 값을 통하여 압축 및 변환 과정에서의 출력 손실로 인한 화질의 저하가 발생하였다고 판단하였다.
- 그리고 구조적 유사지수를 평가한 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 구조적 유사지수를 나타내는 1의 결과 값을 나타내어 출력된 이미지가 무손실로 인한 왜곡도가 없는 영상이라고 판단하였다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 구조적 유사 지수의 결과 값이 1과 상대적으로 차이가 나는 결과 값을 나타내어 출력 손실로 인한 왜곡이 발생한 영상이라고 판단하였다.
- 먼저 선예도를 평가하기 위한 50% MTF 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 결과 값을 나타내어 출력 손실이 없는 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 선예도를 나타내었다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 50% MTF 결과 값이 원본 영상인 DICOM 영상보다 상대적으로 높은 결과 값을 나타내었는데 이러한 결과를 통하여 출력 손실로 인한 선예도가 저하된 영상이라고 판단하였다.
- 위의 결과들을 통하여 전체적으로 원본 의료영상인 DICOM 영상과 가장 유사하거나 또는 동일하다고 판단되는 이미지 파일의 형식은 TIFF이며, 압축 및 변환 과정에서 발생하는 화질의 손실 및 왜곡의 정도는 JPEG 이미지 파일이 가장 높은 결과로 나타났다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 50% MTF를 측정한 일부 실험군을 제외한 나머지 모든 실험군에서 동일한 결과 값을 나타내어 압축 및 변화되는 과정에서 발생되는 화질의 손실 및 왜곡의 정도가 동일하다고 판단하였다.
- 441의 결과 값으로 나타나 통계적인 의미로 예상한 값과 실제 실험 및 관측 결과가 평균적으로 차이가 있음을 나타내고 있다. 이러한 결과 값으로 압축 및 변환 과정에서의 출력 이미지의 손실이 발생하였다는 것을 알 수 있었고, JPEG 이미지 파일의 경우 상대적으로 높은 RMSE 값을 나타내어 다른 이미지 파일 형식보다 평균에 대한 오차의 차이가 있다고 판단하였다. 그리고 BITMAP 이미지 파일과 GIF 이미지 파일의 경우 전체 실험군에서 동일한 RMSE 값을 나타내어 평균에 대한 동일한 오차 값의 결과라고 판단하였다.
- 의 결과 값을 통하여 전체 실험군에서 원본 영상인 DICOM 영상을 기준으로 한 구조적 유사지수의 결과 값이 TIFF 이미지 파일의 결과 값의 경우 전체 실험군에서 1의 결과 값을 나타내었다. 이러한 결과 값은 압축 및 변환 과정에서 발생하는 왜곡에 대한 구조적 유사도가 원본 영상인 DICOM 파일 영상과 동일하다는 결과를 나타낸 것으로 압축 및 변환 과정에서 출력 이미지의 손실이 발생하지 않았다는 것을 나타낸다.
- 의 결과 값을 통하여 전체 실험군에서 원본 영상인 DICOM 영상을 기준으로 한 RMSE의 결과 값은 TIFF 이미지 파일의 결과 값의 경우 MSE값이 0이므로 MSE의 결과 값에 제곱근으로 정의되는 RMSE의 값도 0의 결과 값으로 나타났다. 이러한 결과 값은 통계적인 의미로 예상한 값과 실제 실험 및 관측 결과가 일치한다는 것을 보여주는 결과로 압축 및 변화과정에서의 무손실의 출력 이미지를 나타내고 있다고 판단하였다.
- 그리고 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 원본 영상인 DICOM 영상과 비교하여 50% MTF값은 높은 결과 값을 나타내었다. 이러한 결과 값을 통하여 BITMAP GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 변환과정에서 출력 손실이 발생하여 원본 영상인 DICOM 영상과의 비교 시, 높은 50% MTF 결과 값을 나타내어 선예도가 낮은 결과를 나타내었다.
- 이러한 결과 값을 통하여 TIFF 이미지 파일의 경우 영상의 선예도를 나타내는 50% MTF 측정 결과값을 통하여 영상의 변환 과정에서 출력 손실이 발생하지 않아 원본 영상인 DICOM 영상과 동일한 선예도를 나타내었다고 판단하였다.
- 최대 신호대 잡음비를 평가한 실험에서는 TIFF 이미지 파일의 경우 모든 실험군에서 MSE의 값이 0의 결과로 최대 신호대 잡음비의 수식에 관한 정의를 통하여 출력되는 화질의 손실이 없는 영상이라고 판단하였다. 그리고 BITMAP, GIF, JPEG 이미지 파일의 경우 최대 신호대 잡음비 결과 값을 통하여 압축 및 변환 과정에서의 출력 손실로 인한 화질의 저하가 발생하였다고 판단하였다.
후속연구
- 그리고 본 연구에서는 디지털 의료영상의 기초 연구분야에서 디지털 의료영상 처리 및 평가 프로그램으로 쉽게 접하지 않은 Origin pro나 ICY tool과 같은 독창적인 평가 프로그램을 적용하여 이후의 디지털 의료영상 기초 연구분야에서 본 논문의 평가 방법이 의료 영상 처리 분야의 연구 자료로 활용될 것으로 기대한다.
- 마지막으로 DICOM 파일을 지원하지 않는 디지털 의료영상 및 평가 프로그램을 이용한 기초 연구분야에서 DICOM 영상과 동일한 결과를 나타내는 TIFF 이미지 파일을 기준으로 제시하며, 이미지 파일을 이용한 디지털 의료영상처리 연구 분야에서 신뢰성을 확보하는데 도움이 될 것으로 추론된다.
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