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Kafe 바로가기주관연구기관 | 서울대학교 Seoul National University |
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연구책임자 | 이창현 |
참여연구자 | 이주한 , 김은미 , 최상헌 , Jiwoong Choi |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2022-11 |
과제시작연도 | 2020 |
주관부처 | 환경부 Ministry of Environment |
등록번호 | TRKO202300003805 |
과제고유번호 | 1485017534 |
사업명 | 생활공감환경보건기술(R&D) |
DB 구축일자 | 2023-07-19 |
키워드 | CT 영상매칭.영상정합.멀티스케일링 모델.전산유체역학.미세먼지.CT(computed tomography) image matching.Image registration.Multiscale modeling.Computational fluid dynamics/CFD.Particulate matter/PM. |
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
⦁ CT 영상기술을 활용한 환경유해인자 노출에 의한 폐질환 평가 기술개발.
⦁ CT 영상, 기전, 역학 연구 등의 종합분석을 통한 환경유해인자 노출에 의한 폐질환 유발·악화 평가.
⦁ CT 영상기술을 활용한 환경유해인자(가습기살균제) 노출 관련폐 질환 특이성 진단기술개발.
⦁ 환경유해인자(미세먼지 등) 노출에 의한 환경 특이적 호흡기질환 평가 기술개발.
◼ 전체 내용
⦁ CT 영상 및 영상매칭 기법을 통한 정량적 폐 구조-기능 분석과 공기 유동 및
□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
⦁ CT 영상기술을 활용한 환경유해인자 노출에 의한 폐질환 평가 기술개발.
⦁ CT 영상, 기전, 역학 연구 등의 종합분석을 통한 환경유해인자 노출에 의한 폐질환 유발·악화 평가.
⦁ CT 영상기술을 활용한 환경유해인자(가습기살균제) 노출 관련폐 질환 특이성 진단기술개발.
⦁ 환경유해인자(미세먼지 등) 노출에 의한 환경 특이적 호흡기질환 평가 기술개발.
◼ 전체 내용
⦁ CT 영상 및 영상매칭 기법을 통한 정량적 폐 구조-기능 분석과 공기 유동 및 입자 전달 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션(위탁)을 활용하여, 환경유해인자 노출군의 폐 반응에 대한 정밀한 평가를 제시함.
⦁ 흡기-호기 CT의 비강체 영상정합(nonrigid image registration)을 통한 영상매칭과 전체 conducting airway modeling을 통해, 가습기살균제, 미세먼지 등 환경유해인자 노출에 따라 정상군 및 폐질환 군에서 보이는 개개인 폐 및 기관지의 미세 구조 및 기능을 정량적으로 정밀 분석함.
⦁ CT 영상 기반으로 3차원(3D) 및 1차원(1D) 전산유체역학(CFD) 호흡 및 입자 흡입 시뮬레이션을 통해 환경유해인자 흡입과 유해인자 노출 특이적 호흡 및 입자 흡입 특성을 가습기 살균제 노출군(정상소견 성인 및 소아) 및 미세먼지 코호트(정상, 천식, 만성폐쇄성폐질환(COPD), 및 특발성 폐섬유화증(IPF) 군)에 대해 분석하고, 향후 활용 가능한 표준화된 프로토콜을 제시함.
⦁ 가습기살균제 노출군 중 소아에서 다른 폐 기능은 정상이고 폐 확산능(DLco)이 감소한 피검자 군과 DLco도 정상인 피검자 군 사이의 차이를 보이는 것을 주안점으로, 흡기 및 호기 CT가 수집된 서울대학교병원 및 전북대학교병원 성인 96명 및 소아 34명의 정상 소견 가습기 노출 환자를 정량적 CT 영상 매칭 및 3D-1D CFD 시뮬레이션으로 분석함(총괄, 위탁)
⦁ 가습기 살균제 노출 정상 소견 성인 96명과 가습기 살균제 살균제 비노출 정상 성인 31명을 대상으로 딥러닝 factor analysis 및 k-means clustering (군집화)를 통해 분석한 결과 가습기 살균제 노출 특이적 군집들을 도출하고, 위 정량적 CT 영상 매칭 및 3D-1D CFD를 통해 이 중 가습기 살균제 노출 특성이 가장 잘 드러난 군집에서 기도 수축과 이를 반영한 기도저항성 증가를 확인함. 흡입된 미세먼지 등의 입자 침착이 기관지에서 전체적으로 증가함 또한 시뮬레이션을 통해 확인함.
⦁ 가습기 살균제 노출 정상 소견 소아에서는, high attenuation area percent (HAA%)를 기반으로 높은 HAA% 군과 낮은(정상) HAA%군으로 나눠 비교분석한 결과, 높은 HAA% 군에서 폐 팽창지수(J) 감소 등의 정량적 CT 기반 폐기능 저하 뿐 아니라, DLco 감소, 체중 저하 등을 확인하여, 가습기살균제 노출이 이후 소아 발육 및 폐 기능저하에 영향을 미쳤을 가능성이 제시되었고, 본 연구의 정량적 CT 분석법이 이러한 특성을 객관적으로 측정할 수 있음이 확인됨.
⦁ 미세먼지 영향 연구를 위해서는, < 전향적 미세먼지 코호트 >를 구축하되, 정상군 및 만성 폐질환 환자군(천식, COPD, IPF)을 모집하여, 초기(baseline) 및 1년 후 흡기-호기 CT와 미세먼지 노출 측정(직독기 및 집/직장 주소지 기반)을 통해 정량적 CT와 CFD 기반 폐 구조 기능 특성과 미세먼지 노출 간의 연관성을 해석함(총괄, 위탁).
⦁ 기계학습법(PCA 및 k-means clustering)을 통해 미세먼지 노출 정도에 따른 고노출-중간노출-저노출 군을 도출하고, 고노출에 따른 우하엽 분할기관지(segmental airway)의 기도 좁아짐을 확인하였고, 이 특징은 기도질환이 아닌 IPF에서 더 현저함.
⦁ 또한, 초미세먼지 노출이 세기관지질환 수치인 functional small airway disease percent (fSAD%)의 높아짐과 연관성이 있음을 확인하고, CFD 분석 결과 미세먼지 노출에 따라 천식에서는 호흡이 약화되고, COPD 및 IPF에서는 호흡 부담(압력 강하에 따른 에너지 소모, 폐 운동에 따른 에너지 소모 등)이 증가한 것을 확인함.
⦁ 미세먼지 등 입자형 대기오염 뿐 아니라, 기체형 대기오염의 성분 별로 정량적 CT와 CFD를 통한 폐 기능 저하를 확인함. 예를 들어, IPF 군에서 이산화황(SO2)에 따라 호흡 부담이 매우 증가함을 확인함.
⦁ 미세먼지 노출 정도에 따른 폐 질환 별 특성과 질환 별 중증도 판단을 위한 폐 기능 검사 프로토콜(SOP)을 개발하고 매뉴얼을 마련함.
⦁ 영상 및 분석 결과의 데이터베이스를 구축하고, 지속적 활용을 위한 플랫폼 개발을 추진함.
⦁ 미세먼지가 폐 질환에 미치는 영향 및 CT 연관성에 대한 유전체 바이오마커 분석을 일부 COPD 집단에 대해 진행하여 염증 수치와 관련된 MMP9 등의 증가와의 유의미한 연관성을 확인함(총괄, 위탁).
⦁ 데이터가 이미 구축되어 있는 시멘트 분진 노출 군에 대해 시간 변화에 따른 정밀 CT 폐 변화를 평가하고 및 유전체 연관성을 통해 위험군을 도출함(< 기존 시멘트 분진 지역 연구 >) (총괄, 협동3). 기도 벽 두께 등에서 미세먼지/초미세먼지 영향과 시멘트 분진 영향이 다름을 일부 확인하였음.
⦁ 환경유해물질(미세먼지 포함)과 폐 질환의 관련성에 대한 체계적 문헌고찰 및 메타분석과 대규모 청구자료 분석을 통해 진행되는 세부 연구와의 연관성과 해석을 도출함(총괄).
⦁ 소동물(rat) 실험(협동1) 및 사람 줄기세포 기반 폐 미니장기(오가노이드) 실험(협동2)을 CT 및 마이크로 CT 영상 연구와 병행 하여 환경유해인자 노출 특이성에 대한 세포 및 생체조직상의 자료와 정량적 CT 기반 해석 및 임상 특성과의 연관성 자료를 확보함(총괄, 협동 1, 협동 2).
⦁ Rat 모델의 정량적 폐 CT 영상분석에서도 사람 CT 분석과 마찬 가지로 미세먼지 노출에 따른 기도 좁아짐과 dysanapsis (폐 부피 대비 평균 분할 기관지 직경 감소)를 확인하였고, 증가한 조직분율(tissue fraction)과 흡기 폐 부피 감소를 통해 hypoinflation을 확인함. 이는 최근 밝혀진 COPD 초기 발달 특성 및 폐 섬유화증의 일반적인 특성과 연관됨.
⦁ 가습기 살균제 노출과 미세먼지 노출이 함께 진행된 rat 모델의 경우 구조-기능이 더 악화된 것이 확인되어, 가습기 살균제 노출군에서 미세먼지 노출의 영향이 더 높을 수 있음이 제시됨.
⦁ 폐 오가노이드(미니장기)의 in vitro micro CT 영상분석에서는 세포 분석 및 조직 병리 영상의 특성이 잘 반영되어, 가습기 살균제 성분인 PHMG 노출에 따라 조직 분율이 증가됨을 확인함.
⦁ 본 연구에서는, 정량적 CT 영상 기법(영상매칭 등), 전산 시뮬레이션(CFD 등), 및 인공지능(기계학습, 딥러닝 등)을 통해 환경성 유해인자 노출 특이적 영향이 정상 및 여러 폐질환 군에서 각각 미치는 멀티스케일 폐 구조-기능 상의 영향을 분석하고, 세포, 동물 및 사람 폐 오가노이드 모델 등과 연계하여 종합적 해석을 도출하였음.
⦁ 흉부영상의학, 호흡기내과, 예방의학, 의생명공학/기계공학(기계 학습 포함) 등의 팀으로 진행한 세계 선도 수준의 융·복합적 국제 다기관 다학제간 연구이며, 통합형 과제를 통해 중개의학적 가치를 높임.
□ 연구개발성과
⦁ 폐는 구조적 기능적으로 매우 복잡한 기관이며, 멀티스케일(multi-scale) 트리 구조로 인해 폐 일부 지역의 구조 또는 기능에 문제가 발생해도 전체 폐 기능으로 쉽게 드러나지 않음.
⦁ 따라서, 급성으로 중증 악화가 일어나는 경우가 아니면 폐 질환 및 폐 기능 저하에서의 환경유해인자에 의한 영향을 판별하기 어렵고, 특히 조기발견 및 꾸준한 관리가 어려움.
⦁ 최근 가습기살균제 노출 및 미세먼지 노출 등으로 인한 폐 질환 발병과 폐 기능 저하가 증가하였고, 시멘트 분진 등으로 인한 영향도 꾸준히 피해구제대상이 되어 왔으나, 정밀한 측정 기술 및 기전에 대한 이해가 부족하여 이를 위한 기술개발이 필요하였음.
⦁ 가습기살균제 폐 질환 판정에서 3, 4단계 피해자는 Acute/subacute inhalational lung injury에 의한 CT 소견이 명확하지 않거나, 판정에 필요한 영상의학 검사가 남아 있지 않은 경우임. 따라서, 기존의 통상적 기법으로 촬영된 CT 영상만으로는 새로운 영상의학적 특이 마커를 찾아내는 데 한계가 있음.
⦁ 둘 이상의 CT 영상을 활용한 영상매칭(image matching) 기법을 통해 흡기-호기 CT 영상으로부터 3차원 영상 재건과 공기-조직 간의 밀도 차이를 통해 국소지역 폐 구조 및 기능을 측정하고 서로 다른 시점의 CT 영상을 통해 폐 구조 및 기능의 변화 분석이 가능함.
⦁ 분석 결과를 활용하여, 피검자 각자의(subject-specific) 폐 구조 및 기능 특성을 분석할 수 있게 되었으며, 전산 모델링(computational modeling) 기법들과 접목하여 기도 내 공기 유동과 및 입자의 전달을 모사(simulation)할 수 있게 되었음.
⦁ 천식, 흡연자군, 간질성 폐 질환(ILD) 등에서 대단위 집단연구에 CT 영상의 활용이 급속도로 발전해왔으나, 환경유해인자 노출에 따른 연구를 CT 영상기반을 중심으로 집단연구를 기획한 것은 국내뿐 아니라 국외에서도 매우 드문 사례임.
⦁ 직독식 미세먼지 측정 장비를 활용하여 연 4회에 걸쳐 24시간 대기오염 노출을 직접 추적한 자료와 자택 및 직장 주소지 기반 노출 자료를 복합적으로 활용하고 인공지능(기계학습 등) 기법을 통해 고 노출 군을 선별하고 폐 이상성을 연계 분석하는 등, CT 영상 및 호흡 시뮬레이션 분석의 정확도에 맞는 노출 자료를 확보하여 개인별 폐 구조기능 연관성을 분석한 최초의 연구임.
⦁ 흉부 CT를 활용한 정밀 폐 구조 기능 분석 및 폐 CFD 연구의 선두 그룹인 아이오와대/캔자스대 의대와의 국제공동연구를 통해 세계 동향 파악 및 선도형 기술개발을 주도함.
□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
⦁ 미세먼지나 기체성 대기오염 노출과 연관된 정상 및 만성 폐 질환 환자군(천식, COPD, IPF)의 폐 노출 영향 특이적 폐 CT 구조적, 기능적 특성을 활용하여, 환경성 폐 질환에 대한 정밀 분석, 추적관찰, 고위험군 모니터링 등에 활용 가능함.
⦁ 환경유해인자들의 장기간 노출에 의한 미세한 폐 구조 및 기능 변화에 따른 추적 연구를 수행하여 정량적·시각적 마커를 통한 증거기반 빅데이터 플랫폼을 구축하고, 유해인자의 개인 및 세부집단별 위험도 평가법을 제시함으로써, 유해인자 별건강 영향의 정확한 해석과 향후 노출 군에 대한 장기적 활용 및 환경성 질환 발현에 대한 예측 정밀도 증가가 가능함.
⦁ 미세먼지 등 환경 유해물질과 폐 질환의 관련성에 대한 메타분석 및 대규모 보험 심사청구자료 분석을 통해 향후 환경보건정책 및 예방사업에 근거자료로 사용할 수 있음.
⦁ 미세먼지 노출 코호트 구축을 통해 향후 환경 유해물질 노출 군의 장기추적검사 및 건강 영향 평가 근거를 마련함.
⦁ 환경성 폐 질환 및 폐 기능 저하 조기발견을 통해, 향후 질환 심화 및 사망에 따른 보건의료 비용 대폭 절감.
⦁ CT 영상을 통한 인체 기반의 병태생리학적 및 물리적 이해로 중개의학적 단계를 최소화함으로 기초연구와 실용화(임상화) 간격을 최소화하여 임상 비용 감소.
⦁ 미국 아이오와/캔자스 의과대학과의 MOU 등을 바탕으로 환경보건 분야의 공동연구 및 정책협의를 통한 결과로 국제특허 및 미래 기술개발로 연계되어 신사업 및 재화 창출이 기대됨.
⦁ 향후 타 부처와의 연계 및 정책 활용 가능: 환경유해인자 및 가습기살균제 모니터링과 같은 비 환경성 폐 질환과 환경성 폐 질환에 따른 모니터링 및 분석 정책에 활용 가능함.
(출처 : 요약문 4p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
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키워드(keyword) : | - |
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연구목표(Goal) : | - |
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