Win Tech - 의료용 3차원 형상모델 처리 및 인공지능 소프트웨어 기술
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 김영준 책임연구원
한국과학기술연구원 의공학연구소
최근 급속도로 발전하고 있는 IT 기술을 의료 분야에 적용하여 환자의 진단과 치료 효과를 높이고자 하는 첨단 의료 IT 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
그중에서 3차원 의료용 소프트웨어 기술은 CT(컴퓨터 단층촬영), MRI(자기공명영상), 3차원 스캐닝 등으로 획득된 환자 의료영상을 입력받아 환자의 진단과 치료를 지원하는 소프트웨어 기술이다.
주요 세부 기술로는 3차원 환자 모델 생성, 가상 수술계획, 인공지능 자동 분석, 환자 맞춤형 치료 지원 등이 있다.
기존에 의사의 경험에 의존하는 치료에 비해 치료 시간을 단축하고 치료 안정성을 높이는 효과가 있어 병원과 의학계에서 여러 시도를 해왔지만 현재까지는 3차원 의료용 소프트웨어의 국산화가 매우 미흡하고 고가의 외산 시스템마저 기능이 부족하여 임상적 활용이 제한적이었다.
따라서 국내 실정에 부합하면서도 외산 시스템의 한계를 극복하여 세계 시장을 선도할 수 있는 3차원 의료용 소프트웨어 기술 개발에 대한 요구가 대두되고 있다.
본 연구진은 기존 외산 시스템의 한계를 극복한 3차원 의료용 소프트웨어 응용 기술 개발을 목표로 하여 환자의 3차원 모델로 미리 수술을 계획할 수 있는 가상수술계획 소프트웨어를 개발하였고, 3차원 프린팅으로 환자 맞춤형 임플란트나 수술 가이드를 제작해 수술준비 시간을 단축하고 수술 안전성을 높이고자 하였다.
이 글에서는 여러 응용 사례 중 안면부 3차원 환자 맞춤형 수술계획, 인공지능 정형외과 자동 진단, 디지털 치과 및 성형외과용 소프트웨어 기술을 소개하고자 한다.
악안면(얼굴뼈) 재건 수술은 사고나 암 조직으로 인해 문제가 생긴 부위를 다른 부위의 뼈나 인공 대체재를 사용하여 본래의 기능을 회복하고 심미적으로 개선시켜주는 수술로서, 주로 안와골(눈 주위 뼈), 두개골, 하악골(아래턱 뼈) 부위를 대상으로 한다.
본 연구진은 서울아산병원과 성형외과 최종우 교수팀과의 공동 연구를 통해 안와골 3차원 환자 맞춤형 수술계획 소프트웨어를 개발하여 기존의 수동방식(30분)보다 환자 모델링 시간을 1분 이내로 크게 줄였고, 환자 맞춤형 안와골절 및 두개골 재건 수술용 소프트웨어를 3차원 의료기기 프린팅 기업에 기술이전 하였다.
소프트웨어는 안와골절 손상 부위를 자동으로 인식하고 이를 바탕으로 환자 맞춤형 수술 플레이트(골 지지체)를 손쉽게 설계하기 위한 기능을 제공한다.
이렇게 설계된 환자 수술 플레이트는 제조사에서 3차원 프린팅기법으로 환자의 손상부위에 맞추어 제작하여 수술 치료 효과를 높이고 수술 시간을 단축하는 효과를 얻는다.
또한, 환자의 수술 후 CT 데이터와 수술 전 CT 데이터를 비교하는 수술 후 분석 소프트웨어 기술을 개발하여 3차원적으로 정량적 비교를 가능하게 했다.
그림 2는 3차원 두개골 재건 수술계획 소프트웨어를 활용한 3차원 프린팅 두개골 재건 임플란트 설계의 일련의 과정을 보여준다.
손상된 두개골 부위를 덮기 위해 보통 티타늄 계열의 금속 프린팅으로 환자 맞춤형 보형물이 제작되며, 수술 전에 제작된 환자 맞춤형 임플란트 수술 방식은 수술 시 직접 임플란트를 제작하여 수술하는 방식보다 수술 시간을 단축하고 수술 예후를 향상시킨다.
본 연구진이 개발한 3차원 두개골 재건 수술계획 소프트웨어는 개별 환자의 CT 데이터로부터 3차원 환자 모델을 생성하고, 손상된 두개골 부위를 선택하고, 맞춤형 임플란트의 형상을 모델링하는 일련의 과정을 최적화한 자동화 소프트웨어이다.
이에 반해 기존에 환자 맞춤형 임플란트를 설계하기 위해 사용되었던 고가의 외산 소프트웨어는 산업용 설계 소프트웨어와 같은 스케치 기반으로 되어 있어 의료진이 사용하기에는 무리가 따르고, 전문적인 사용자의 경우에도 30분 정도의 오랜 설계 시간이 소요되었다.
본 연구진이 개발한 소프트웨어는 자동 미러링 초기모델 제안, 자동 외곽선 추출, NURBS 서피스 기반 모델 형상 수정 기능 등의 직관적인 기능을 제공하여 5~10분 이내로 모든 설계 작업이 완료되도록 하였다.
그림 3은 안면부 수술 중 하악골(아래턱 뼈) 재건 수술을 위한 소프트웨어의 화면이다.
하악골 재건 수술은 인체 하중을 받지 않는 다리뼈인 비골과 같이 환자의 다른 부위 뼈의 일부를 혈관 및 피부와 함께 채취하여 턱뼈에 재건하는 매우 고난도의 수술로서 일반적으로 수술 시간이 10시간 이상 소요된다.
경희대 치과병원 이정우 교수팀과 공동 개발한 하악골 재건 수술 계획 소프트웨어를 활용하면 종양으로 잃은 턱뼈 재건 수술 준비 시간도 기존 3~4시간에서 1시간 이내로 대폭 감축할 수 있다.
안면부의 중요 혈관과 신경을 고려하고 모양과 방향에 따른 여러 수술계획 중 최적의 수술계획을 세우기 위해서 환자의 3차원 CT를 기반으로 한 수술 전 계획이 수립된다.
이렇게 수립된 수술계획을 실제 수술에 정확히 반영하기 위해 환자 맞춤형 수술 가이드를 3차원 프린팅 하여 이를 수술에 활용하면, 고난도 하악골 재건 수술의 성공률을 높이고 안전성을 확보하여 좋은 수술 예후를 기대할 수 있게 된다.
3차원 의료용 소프트웨어의 또 다른 주요 응용 분야 중 하나는 인공지능 기반 자동 진단 보조이다.
최근 활발히 연구되고 있는 인공지능 기술인 딥러닝 기술을 활용하여 의료진이 환자의 질병 유무를 정확하게 진단하고 치료에 대해 의사결정 하는 것을 보조할 수 있다.
최근 본 연구진이 개발한 3차원 회전근개 파열 자동 진단 소프트웨어는 환자의 3차원 MRI 데이터를 인공지능 알고리즘이 자동으로 분석하여 질병 유무를 판단하고, 질병 부위에 해당하는 부분을 3차원적으로 가시화하여 보여준다.
어깨 부위의 3차원 MRI 데이터를 자동 분석하기 위하여 2차원 합성곱 신경망(CNN, Convolutional Neural Network)기반 응용 기술을 3차원 방식으로 확장한 Voxeption-Resnet 기술을 이용하였다.
이 기술은 약지도학습(Weakly supervised learning)으로서 학습에 필요한 전처리 과정이 매우 단순하다는 장점이 있다.
즉, 해당 학습 데이터의 질병 유무 및 파열 정도만 알려주고도 본 알고리즘 학습 후에는 질병의 위치까지 파악해 가시화하여 준다.
또한, 인공지능이 판단에 사용한 활성화 지도(CAM, Class Activation Map)를 3차원적으로 가시화한 것은 국내외에서 처음이라는 점에서 의의가 있다.
건국대병원 정형외과 정석원 교수팀과 진행한 검증 테스트 결과 어깨 회전근개 파열 인공지능 자동 진단 정확도가 93%에 달하여 전문의 수준을 능가하였다.
본 연구의 대상 질환인 회전근개 파열은 대표적인 어깨질환 중 하나이며, 회전근개 파열뿐 아니라 CT나 MRI로 촬영한 환자의 3차원 영상 데이터 대부분의 근골격계 질환에 응용 적용이 가능한 확장성 높은 기술이다.
마지막으로, 3차원 의료용 소프트웨어의 대표적인 응용 분야인 3차원 치과 및 성형외과 소프트웨어 기술을 소개한다.
이는 환자의 치아 및 얼굴의 3차원 스캔데이터 혹은 CT 데이터를 입력받아 형상모델을 원활하게 처리할 수 있는 원천 기술이다.
최근 3차원 스캐닝 기술과 저선량 CT인 CBCT(Cone-beam CT)가 병원에 보급 되면서 이를 활용한 디지털 치과 및 성형외과 응용 사례가 증가하고 있다.
3차원 의료용 소프트웨어 기술을 활용하면, 치과 및 성형외과 분야에 필요한 진단 과정을 개선하고, 기존의 수작업 보형물 제작 과정을 대체하며, 더욱 정확한 치료가 편리하게 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
디지털 치과 분야에 응용되어 치과 보철, 임플란트 가이드 장치, 치열 교정 등에 필요한 환자 맞춤형 보철물 및 기구를 디자인하고 이를 NC(수치제어) 가공이나 3차원 프린팅을 통해 제작할 수 있다.
본 연구진이 개발한 3차원 형상모델 처리 소프트웨어 기술은 이러한 환자 맞춤형 보철물 및 기구 디자인 과정에 필요한 원천 기술로서 국내 산업기반이 취약한 분야라는 한계를 극복하였다.
특히 최근에는 인공지능 딥러닝 기술을 개발하여, 기존의 수작업 모델링 과정보다 사용자 편리성 측면에서 획기적으로 개선된 자동화 기능을 제공하였다.
이러한 대표적인 기능으로는 치과 및 성형외과용 인공지능 안면부 자동 진단 기술, 여러 촬영 방식의 안면 데이터 자동 정합 기술 등이 있다.
3차원 의료용 소프트웨어 기술은 국내 기반 기술이 취약하고, 3차원 형상모델 처리 기술에 대한 원천 기술은 거의 전무하였다.
이번에 개발한 기술을 통해 3차원 의료용 소프트웨어 분야의 국내 기술 경쟁력을 강화하고 상용화 기술을 확보하였다.
개발된 3차원 치료 계획 기술과 3차원 프린팅 기술을 활용하면 고난도 수술 전 개별 환자의 모델을 바탕으로 수술계획을 효과적으로 수립하고, 환자 맞춤형 보형물이나 맞춤형 수술 도구를 제작하는 데 응용할 수 있다.
나아가 3차원 의료 시뮬레이션을 활용한 가상환경(VR, Virtual Reality), 증강환경(AR, Augmented Reality) 기술을 통해 의학 교육, 수술 술기 실습, 실시간 수술 내비게이션 등으로 확장할 수 있다.
최근 딥러닝 등 인공지능 기술의 비약적인 발전으로 인해 의학 분야의 적용 가능성이 높아지는 가운데, 다양한 임상 결정 보조 시스템(CDSS, Clinical Decision Support System)의 자동화를 위한 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.
본 연구진의 연구 성과는 2017년 이후 15편의 SCI급 국제 저널 게재 및 다수의 수상(2016년 미래창조과학부 장관상, 2017년 이달의 KIST인상, 2018년 국가과학기술연구회 이사장상, 2018년 우수성과과제 100선, 2018년 과학기술정보통신부 장관표창)으로 이어졌다.
특히, 4곳의 기업에 기술이전 하여 국내 의료용 소프트웨어 분야 발전에 기여하였다.
3차원 의료용 소프트웨어 응용 기술을 통해 국내 의료용 소프트웨어 분야의 외산 소프트웨어 의존도를 낮추고 세계 시장을 선도하기 위한 경쟁력을 확보하였다.
지속적인 국제 경쟁력 강화와 성공적인 사업화가 이루어질 경우, 수입 대체 및 수출 등의 막대한 경제적 효과가 기대된다.
기존의 소프트웨어와 의료기기는 사용하기 어렵고 비용 문제로 이를 사용하는 의료진의 수가 제한적이었으나, 이를 고성능 저비용의 개발 제품으로 대체함으로써 의료의 질 향상을 기대할 수 있다.
현재 본 연구진은 관심 기업에 기술이전한 4건의 기술(3차원 안와골절 및 두개골 소프트웨어 기술, 3차원 프린팅용 형상모델 처리 기술, 3차원 성형외과 시뮬레이션 기술, 3차원 치과용 형상모델 처리 기술)의 성공적인 사업화를 지원하고 있다.
이를 통해 국내 기업들이 3차원 의료용 소프트웨어 분야에서 세계 시장을 선도하게 되기를 기대한다.
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)가 선정한 “2018년 국가연구개발 우수성과 100선” 기술을 선별하여 게재하고 있습니다.