[인공지능 의료 혁명] 딥러닝 기반 척추 자동 분할: 골다공증 진단의 정밀도를 높이는 CM-Net 기술 분석

 http://dx.doi.org/10.9718/JBER.2023.44.2.139

키워드: 척추 자동 분할, 딥러닝 의료 영상, 골다공증 진단 AI, CM-Net, Modified U-Net, 요추 X-ray 분석, 인공지능 척추 모델, 척추 중심점 알고리즘, 스마트 의료 솔루션


최근 세계적으로 고령화 사회가 가속화됨에 따라, 뼈의 밀도가 낮아져 골절 위험이 급증하는 골다공증(Osteoporosis) 관리가 현대 의료계의 핵심 과제로 부상하고 있습니다

골다공증 진단을 위한 가장 중요한 지표 하나는 요추(Lumbar spine) 골밀도(Bone Mineral Density, BMD) 측정입니다

이를 위해 의료 영상에서 척추 영역을 정확하게 분리해내는 척추 자동 분할(Vertebra Segmentation) 기술이 필수적인데, 최근 딥러닝 기술의 비약적인 발전으로 정확도가 혁신적으로 개선되었습니다.

컬럼에서는 최신 연구 데이터인 Modified U-Net 척추 중심점 결합한 새로운 모델 'CM-Net' 중심으로, 인공지능이 어떻게 의료 현장에서의 진단 효율성과 정확성을 극대화하고 있는지 심층적으로 분석해보겠습니다.

1. 척추 자동 분할 기술의 필요성과 임상적 가치

의료 현장에서 요추 X-ray 영상을 수작업으로 분석하는 것은 전문가의 막대한 시간과 노력을 필요로 합니다. 또한, 판독자의 경험과 지식에 따라 일관성이 떨어지거나 미세한 오류가 발생할 가능성도 배제할 없습니다.

딥러닝 기반의 척추 자동 분할 다음과 같은 측면에서 강력한 장점을 가집니다:

  • 정확한 분석 자동화: 척추의 위치, 크기, 형태를 자동으로 추출하여 수작업의 번거로움을 해결합니다.
  • 객관적 지표 제공: 학습된 모델을 통해 일관된 기준에 따라 영상 판독을 수행함으로써 진단의 신뢰도를 높입니다.
  • 대규모 데이터 처리: 방대한 양의 X-ray 데이터셋을 빠르게 분석하여 의료 연구 대규모 검진에 효율적입니다.

2. 기존 모델의 한계와 새로운 대안: CM-Net 등장

기존의 척추 분할 연구에서는 U-Net, SegNet 다양한 모델이 활용되어 왔습니다

하지만 일반적인 딥러닝 모델은 데이터셋의 규모가 작을 경우 일반화 성능이 떨어지거나, 특히 수술용 임플란트 시멘트 같은 금속 노이즈가 포함된 영상에서 정확도가 급격히 저하되는 한계가 있었습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 제안된 CM-Net 의료 영상 분할의 표준인 U-Net 개량한 Modified U-Net 구조에, 척추 마디의 해부학적 위치 정보인 척추 중심점(Center Point) 입력 채널로 추가한 것이 특징입니다.

[ 1] 여러 분할 모델에 대한 성능 평가 비교

Networks

DSC

Accuracy

Precision

Recall

AUPRC

U-Net

0.945

0.996

0.854

0.892

0.873

Modified U-Net

0.965

0.996

0.895

0.867

0.892

CM-Net (Ours)

0.974

0.998

0.916

0.906

0.912

 

3. CM-Net 핵심 알고리즘 데이터 처리 프로세스

연구팀은 서울 세브란스 병원에서 수집된 21,915건의 척추 측면 X-ray 데이터셋(VERTEX) 요추 영상 695장을 활용하였습니다.

 

그림 1. VERTEX 데이터셋 예시

(a) 흉추 포함 영상, (b) 요추 포함 영상, (c) 전체 척추체를 포함한 다양한 척추 영상 데이터의 샘플입니다.

핵심 설계 요소

  1. Modified U-Net 구조: 6개의 레벨로 구성된 Context Pathway Localization Pathway 통해 맥락 정보와 경계 정보를 정밀하게 결합합니다. 또한 그룹 정규화와 드롭아웃을 통해 일반화 성능을 높였습니다.
  2. 척추 중심점 결합: 척추 마디의 무게 중심 좌표를 추가함으로써, 모델이 척추체가 아닌 엉뚱한 위치를 척추로 오인할 가능성을 원천적으로 차단합니다.
  3. 복합 손실 함수(Loss Function): 분할 마스크와 중심점 예측값을 동시에 최적화하는 다중 손실 함수를 사용하여 학습 효율을 극대화했습니다.

그림 2. 제안된 모델의 전반적인 흐름도

입력 X-ray 이미지와 중심점 정보를 결합하여 Modified U-Net 거쳐 최종 분할 마스크를 생성하는 전체 학습 프로세스를 보여줍니다.

그림 3. Modified U-Net 척추의 중심점을 결합한 네트워크 구조

1024x512 해상도의 입력을 처리하기 위한 6단계의 다운샘플링 업샘플링 구조와 스킵 커넥션(Skip Connection) 배치를 도식화한 것입니다.

4. 성능 분석 결과 비교

실험 결과, CM-Net DSC(Dice Similarity Coefficient) 0.974라는 압도적인 성능을 기록했습니다. 이는 기존의 다른 연구 모델들과 비교했을 가장 높은 수치입니다.

그림 4. 여러 모델에 대한 Precision-Recall Curve AUPRC 결과 비교

CM-Net 가장 우상향하는 곡선을 그리며 높은 AUPRC(0.912) 기록, 모델의 정밀도와 재현율이 매우 우수함을 증명합니다.

그림 5. CM-Net Modified U-Net 결과 비교

(b) Modified U-Net 놓쳤던 상단 하단 척추 영역을 (c) CM-Net (d) 실제 GT(정답) 가깝게 완벽하게 분할해냈음을 있습니다.

특히 주목할 점은 임플란트, 압박 골절, 수술용 시멘트 포함된 까다로운 영상에서도 CM-Net 강인한 분할 성능을 보여준다는 것입니다.

그림 6. 특수 케이스(임플란트, 골절, 시멘트) 대한 CM-Net 예측 마스크

인공물이나 뼈의 변형이 심한 영상에서도 CM-Net 정확하게 척추 테두리를 추출하여 임상 적용 가능성이 높음을 시사합니다.

5. 결론 향후 전망

이번 연구는 인공지능이 의료 영상 분야에서 전문가의 보조 도구를 넘어, 진단의 정밀도를 획기적으로 향상시킬 있는 핵심 기술임을 입증했습니다.

CM-Net 모델을 통해 골다공증 진단의 정확성을 높임으로써 조기 예방과 맞춤형 치료 계획 수립이 가능해질 것으로 기대됩니다.

물론 제조사별 영상 분포 차이(Domain shift) 문제나 중심점 자동 추출 해결해야 과제가 남아있지만, 도메인 적응 기술 등을 접목한다면 의료 인공지능의 활용 범위는 더욱 넓어질 것입니다.


[ 2] 척추 위치 기반 제안 모델 기존 연구 성능 비교

Models

Spine View

DSC

Precision

Recall

Accuracy

Pose-net+M-net+Level set

Lumbar

0.916

0.846

0.901

-

MDR2-UNet

Lumbar

0.929

-

0.937

0.992

CM-Net (Ours)

Lumbar

0.974

0.916

0.906

0.998


참고문헌

[1] L. Fasihi, B. Tartibian, R. Eslami, and H. Fasihi, "Artificial intelligence used to diagnose osteoporosis from risk factors in clinical data and proposing sports protocols," Scientific Reports, vol. 12, no. 1, p. 18330, 2022

[2] T. F. Cootes, C. J. Taylor, D. H. Cooper, and J. Graham, "Active Shape Models-Their Training and Application," Computer Vision and Image Understanding, vol. 61, no. 1, pp. 38-59, 1995.

[3] O. Ronneberger, P. Fischer, and T. Brox, "U-Net: Convolutional Networks for Biomedical Image Segmentation," in Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention – MICCAI 2015, Cham: Springer International Publishing, 2015.

[4] D. H. Kim et al., "Automated Vertebral Segmentation and Measurement of Vertebral Compression Ratio Based on Deep Learning in X-Ray Images," J Digit Imaging, vol. 34, no. 4, pp. 853-861, 2021.

[5] K. C. Kim, H. C. Cho, T. J. Jang, J. M. Choi, and J. K. Seo, "Automatic detection and segmentation of lumbar vertebrae from X-ray images for compression fracture evaluation," Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 200, p. 105833, 2021.

[6] N. Abraham and N. M. Khan, "A Novel Focal Tversky Loss Function With Improved Attention U-Net for Lesion Segmentation," in 2019 IEEE 16th International Symposium on Biomedical Imaging (ISBI 2019), 2019. 

[7] R. Zhao et al., "Rethinking Dice Loss for Medical Image Segmentation," in 2020 IEEE International Conference on Data Mining (ICDM), 2020. 

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