비전시스템의 다양한 활용사례 / 10) 의료용 머신비전
머신비전 히포크라테스의 선서를 외치다
산업현장에서 머신비전은 없어서는 안 될 요소가 되었다. 인간의 눈을 대신할 기술이라는 취지에 걸맞게 머신비전은 인간의 능력으로 수행할 수 없는 많은 기술을 가능케 하고 있다.
최근에는 이러한 기술이 공장자동화 분야는 물론이고 비 산업적인(Non-industrial) 분야로까지 확대되는 추세이다. 반도체·전자·자동차·측정 및 계측 분야와 같은 공장자동화부터 국방·항공우주·연구·생체인식·의료·농업에 이르기까지 머신비전이 나아갈 수 있는 길은 아직도 무궁무진하다.
정리 | 이용준 기자(pen@automotivemnt.com)
머신비전 응용분야의 다양함에 대해 이제는 독자 여러분이 더욱 잘 알고 있을 것이다. 다양한 분야에서 여러 모양으로 응용될 수 있는 머신비전은 간접적으로 인간의 편의에 도움을 주었다. 하지만 이번에 알아볼 머신비전의 응용분야는 직접적으로 인간의 생명과 연결된 의료용 머신비전이다.
의료용 머신비전은 히포크라테스의 선서 없이도 한계를 넘어선 곳에서 인간을 위해 봉사한다. 크게 수술, 진찰, 구강 건강, 종양학의 분야에서 의료용 머신비전이 사용된 것.
인간의 눈은 가시광선으로 비춰진 빛의 범위 안에서만 볼 수 있는 기능을 한다. 그러나 머신비전의 적외선 카메라는 인간의 눈으로 볼 수 없는 내부를 본다. 또 인간의 뇌는 경험을 감각의 기준으로 삼기 때문에 정확한 측정을 위해서는 반복학습을 요구한다. 하지만 머신비전의 측정기능은 컴퓨터로 일관된 기준을 적용하여 거의 정확한 측정이 가능하다.
이런 의료용 머신비전이 현장에서 구체적으로 어떻게 사용되어 왔고, 어떤 제품으로 개발되어 왔는지 함께 알아보기로 하자.
대표적 활용사례 모음
3D 시각화 부상당한 군인의 얼굴 치료에 기여
폭탄에 의해 부상당한 군인의 얼굴은 처참하다. 복합적인 치료가 필요한 얼굴의 복원을 위한 연구는 오래 전부터 시작되었다. 그 예로 채찍에 맞은 군인의 코 성형을 시행했던 고대 이집트인을 들 수 있다.
오늘날에도 부상의 문제는 지속되지만 과거와 달리 현대의학은 스캔장치를 도입했고, 비교적 정확한 안면보철을 만들 고성능 디지털도구를 가지고 있다.
Naval Postgraduate Dental School의 Capt는 “우리는 기술자로서 일하는 것만큼 예술가로서 일하는 것”이라고 말했다. 이들의 3D 영상은 안면 보철로 본떠서 환자의 얼굴과 딱 맞는 임플란트를 만드는데 기여하고 있다.
의사는 CBCT(Cone Beam Computed Tomography)라 불리는 스캔을 사용하여 얼굴의 3D 영상을 획득한다. CBCT 스캐너는 환자의 얼굴을 순환하면서 수백 개의 영상을 획득한다. 이 과정은 환자얼굴의 구조를 감안하여 진행된다. 스캔을 통해 만드는 임플란트는 티타늄이나 폴리메타크릴산 메틸로 만들어진다.
수술 전에 CT 스캔을 하는 의사는 수술을 계획하여서 소비될 환자의 시간을 줄인다. 그리고 임플란트는 수술 과정을 돕는 가이드와 같이 만든다. 완벽한 형태가 가능하도록 얼굴 위에 점선으로 표시한다. 안면보철을 연구해온 Grant의 팀에 다른 큰 문제가 생겼다. 그것은 부상전의 모습과 가깝게 보이도록 보철을 만드는 것이다.
Grant는 “우리는 부상 후에 스캔을 한다. 그래서 우리는 그들이 부상을 입은 후에 모습을 안다. 만약 누군가 왼쪽에 부상을 입었다면 우리는 반대쪽을 비춰보고 그 곳의 모양을 본떠서 부상당한 쪽을 덮어 씌워준다”며, “그러나 사람이 중안면부 골절을 입을 때는 정말 방법이 없다”고 설명했다.
이러한 문제의 해결방안은 당연하게도 군인이 부상을 당하기 전에 스캔을 하는 것이다. Grant와 그의 팀은 스캔할 필요가 있는 모든 군인의 실행계획을 세웠다. 최근의 테스트에서 새롭게 고용된 Marines는 CBCT Head-Capture를 사용하여 군인들을 스캔했다. 소요시간은 한 군인 당 12초 가량이 소요됐다. 각 군인의 부서는 이 기술을 받아들일 것인지 결정할 것이다. Grant와 그의 군의관 팀은 현재 더 나은 3D 시각화를 위해 새로운 소프트웨어를 연구하고 있다.
Grant는 “3D 시각화는 의사가 마치 실제인 것처럼 다룰 수 있는 홀로그램 영상”이라며, “이것은 최근 부상한 기술이고 의사에 맞게 조정된 것이 아니라 엔지니어에 맞게 조정되어 있어 우리는 소프트웨어를 의사가 요구하는 방향으로 조정해야한다”고 전했다. 이런 홀로그램 영상은 의대생을 위한 높은 품질의 홀로그램 시체나 군대를 위한 도시의 지도제작 그리고 정부의 다른 일에 관해 기여할 것이다.
구글이 적외선 카메라로 뇌졸중을 진단
의사와 간호사는 전형적으로 증상이 없을 수도 있는 뇌졸중의 진단을 환자의 머리에 구글을 둠으로 확인할 수 있다.
Otometrics의 ICS Impluse는 250Hz firewire 적외선 카메라이다. 그리고 자이로스코프는 정확한 머리의 상태를 측정할 수 있다. 이것은 부정확한 머리충격 데이터를 걸러내고 머리의 내부충격을 레이저 눈금으로 표시한다.
최근 뇌졸중 방지 기업으로부터 뉴욕의 Brooklyn Maimonides Medical Center는 17,000달러를 받았다. 이 병원은 구글을 사용하여, MRI로 진단이 안 되는 뇌졸중 피해자의 약 20%를 진단할 수 있었다.
이 병원에서 사용한 방법은 의사와 간호사가 다른 방향으로 사람의 머리를 회전시키는 동안 구글 안에 카메라가 환자의 눈 움직임을 추적하는 것이다. 그렇게 되는 동안 구글의 센서는 환자머리의 움직임을 집어낸다. 눈과 머리가 움직인 이후에, 소프트웨어를 사용하여 내이 질병이 환자의 어지러움을 유발하는 것인지 아닌지 확인한다. 만약에 이런 귀의 문제가 아니라면 뇌졸중일 수도 있는 것이다.
Johns Hopkins School of Medicin의 12명의 응급환자는 ICS Impulse로 뇌졸중 감지가 가능함을 증명했다. 이 연구에서 지속적 어지럼증이나 한 시간 이상의 현기증을 가진 것이라 보고된 12명의 성인에게 ICS impulse를 사용하게 했다. 그리고 두 명의 신경 이(耳)과 의사는 결과가 양 방향으로 정상인지 일방적으로 정상인지 아니면 동등한지 의견을 피력했다.
각 케이스는 CT와 MRI를 통해 증명되고 ICS Impulse에 의해 증명되었다. 두 전문가는 12명의 환자를 진단하고 6명은 뇌졸중 그리고 6명은 전정신경염으로 밝혔다.
뇌졸중의 피해자를 진단하는 것을 돕는 구글은 시간과 돈을 절약하고 있다. MRI가 평균 1,400달러의 비용이 드는 반면 구글은 10분이란 짧은 시간에 약 75달러가 들 뿐이다.
로봇이 적외선 카메라를 사용해 자동으로 피를 뽑는다
캘리포니아에서 시작한 회사인 Veebot이 피를 뽑는 로봇을 만들었다. 이들은 적외선 카메라를 사용한 영상 시스템과 초음파 기술로 자동으로 피를 뽑을 수 있는 정맥 절개술 시스템을 개발했다.
환자가 자신의 팔을 테이블에 놓을 때 Veebot의 시스템이 가동되고 혈액순환을 제한하기 위해 팔 주위를 조여서 혈관의 확인을 용이하게 한다. 그리고 적외선 카메라가 혈관구조를 보기 위해 팔꿈치 안쪽을 조명한다. 영상분석 소프트웨어는 초음파에 의해 보여진 혈관구조와 카메라의 시선을 일치시킨다. 혈관이 선택되면 로봇은 바늘과 환자의 혈관이 놓인 곳을 맞추어 조정한다. 이 전체 과정은 약 1분이 안 걸린다.
Veebot은 피를 뽑는 모든 정맥 천자의 과정을 한 번의 시도로 해결한다. 더욱 빠르고 더욱 정확하게 피를 뽑는 것이다. 그래서 매년 약 2백만 건의 주사침 상해를 약 40~75% 줄일 수 있다.
Spectrum Health의 심장병을 유발하는 플라크 연구
Spectrum Health의 연구를 통해서 심장병의 위험을 예측하는 것이 가능해지고 있다. Spectrum Health’s Frederik Meijer Heart & Vascular Institute는 심장병 치료에 새로운 기술을 사용했다. 심장병을 유발하고 동맥을 막는 플라크를 확인하기 위해 영상기술을 사용하는 것이다.
어떤 종류의 플라크가 현재 동맥을 막고 있는지 아는 것은 의사가 환자의 심장병의 위험도를 측정하고 새로운 치료법을 만드는 데 중요한 요소다. 이전에 사체를 부검하는 동안 STEMI(ST-segment elevation myocardial infarctions)이라 불리는 심장병은 LCP(lipid core plaque)의 파열에 의해서나 콜레스테롤이 많은 플라크에 의해 발생되었다고 밝혀졌다. LCP는 관상동맥용 카테테르에 의해 수행된 NIRS(near-infrared spectroscopy)의 사용에 의해 감지된다.
이 연구는 STEMI의 치료법을 개발하기 위해 NIRS 시스템을 사용하여 20명의 환자에게 진행되었다. 환자들의 플라크 안에 콜레스테롤을 측정하였다. 연구의 목적은 심근경색을 유발하는 플라크를 발견 하는 것이다. 이 플라크는 새로운 관상동맥 내 영상 장치를 사용하는 심장 카테터법으로 감지할 수 있다. 이제 영상장치를 사용하여 심근경색을 사전에 예측할 수 있게 된 것.
또한 이것은 아직은 불분명한 LCP에 의한 동맥경화의 연구에도 도움을 준다. 만약 NIRS를 사용하는 기술이 믿을만한 심장병 진단기능으로 증명된다면 LCP에 의한 동맥경화의 치료도 전망이 밝게 되는 것이다.
James Muller 는 “Dr. Madder와 Spectrum Health팀은 환자의 심장병 원인을 밝히기 위해 노력을 기울여 왔다”고 말했다. Spectrum Health의 연구는 심장병 치료에 가능성이 있는 전도유망한 연구를 이끌어 낼 것이다.
Faculty of Harvard Medical School의 첫 멤버인 Muller는 20년동안 세계적으로 취약했던 플라크를 연구해왔다. 그는 Infaredx를 사용하여 영상 시스템을 개발했고 진보된 플라크 치료기술을 사용한다. 그렇지만 아직은 연구가 더 필요하다. 몇몇 다른 센터에서는 국제적 협약을 통해 연구가 진행 중에 있다.
내시경 영상을 볼 수 있는 헬멧형 영상처리기구
소니의 새로운 헬멧형 영상처리기구는 내시경 영상신호를 받거나 보낼 수 있다. 그리고 2D, 3D 모니터에서 보는 비디오 영상을 제어할 수 있다.
전통적인 복강경 수술에서 외과의는 외부의 모니터를 사용한다. 그러나 소니의 헬멧형 영상처리기구는 3D 영상 디스플레이의 장점을 제공하며, 외과의가 자신을 유동적으로 움직일 수 있게 만든다.
기구는 1280×720 유기 발광 다이오드 패널을 사용하여 겨냥된 지역의 매우 자세한 영상 표현을 가능하게 한다. 헬멧안의 각 눈은 패널에 맞춰져 있고 독립 HD영상은 혼선이 없는 각 패널에 디스플레이 된다. 그리고 이것은 겨냥된 지역의 입체적 영상을 볼 수 있게 한다.
동시에 봐야하는 다른 부분은 복강경의 영상이 주된 영상으로서 유지되는 동안 창으로 나타난다. 게다가 선 자세로 그들을 보기 위해 기구는 내시경 카메라의 방향에 상관없이 영상을 180°회전하여 보여줄 수 있다.
또한 이 새로운 모니터는 단순히 기구 위에 ‘input’버튼을 선택하는 것으로 내시경의 타입에 따라 2D나 3D 영상을 선택할 수 있다.
영상처리 소프트웨어가 카테테르(체내에 삽입하는 도관)의 가시성을 증가시키다
Agfa HealthCare는 MUSICA2라 불리는 영상처리 소프트웨어를 개발해왔다. 그것은 카테테르(체내에 삽입하는 도관)의 가시성을 증가시켰다.
PICC(peripherally-inserted central catheter) 라인 배치의 방사능학적 진보는 항상 위독한 병의 치료에 결정적인 것이었다. Agfa HealthCare의 영상처리 능력이 이런 치료 과정에 더욱 도움을 주었다.
방사선사진의 조밀한 부분이나 복잡한 해부학적 구조는 PICC 라인을 가릴 수 있으므로 정확한 배치를 확인하는 것에 시간을 소비하게 만든다. 그러나 Agfa는 세부사항을 즉시 확인할 수 있는 영상처리 전문 버전인 MUSICA2를 만들었다. 영상 안에 라인이 나오도록 하였고 라인의 배치가 명확하게 확인되도록 하였다.
MUSICA2는 시간 소비의 과정을 제거하고, 추가적인 환자의 노출을 줄인다. US Digital Imaging Unit Businees Manager의 Greg Cefalo는 “MUSICA2의 진보된 영상처리 능력은 의사와 환자에게 큰 도움을 주었다”고 말했다.
소프트웨어의 영상처리 알고리즘은 가장자리 탐지를 강화시키는 방법으로 카테테르의 가시성을 향상시키는 것과 같다. 이것은 연조직과 전체 동적인 범위 내에서 자세한 boney를 보여준다. 소프트웨어는 상세히 향상된 두 번째 이미지를 만든다. 그래서 손이 갈 필요가 없고 시간을 절약할 뿐만 아니라 환자의 약 복용량을 낮춘다.
3D 프린팅이 맞춤형 깁스를 만들다
Cortex Cast는 기존 깁스의 대안으로 3D 프린팅을 이용한 맞춤형 깁스이다.
뉴질랜드의 Victoria University를 졸업한 Jake Evill은 “만약 당신의 팔이 부러졌다면 깁스를 하는 것이 얼마나 불쾌한 것인지 알 수 있을 것”이라며, “부피가 크고 불편한 이것은 당신의 친구들을 위한 스케치북이 된다”고 말했다.
Evill은 친구와의 싸우고 팔이 부러진 후에 농담조로 용감한 녀석이라 불렸다. 몇 달간 깁스를 해야만 했던 그는 그것의 크기와 무게에 놀랐다. 2㎏의 팔을 감싸는 투박한 이 석고는 이윽고 냄새가 나고 피부를 가렵게 만들었다.
3D 프린팅 맞춤형 깁스는 Evill에게도 더 나은 해결책이다. 그래서 그는 Cortex cast를 만들기 시작했다. 그는 뼈의 구조를 연구하다가 작은 뼈의 내부 조직을 형성하는 격자 모양구조에서 영감을 받았다. 그리고 자연에서 영감을 받아 벌집을 깁스에 응용했다.
제작과정은 간단하다. 환자의 골절된 팔을 X-ray로 3D 스캔을 한다. 그러고 나서 컴퓨터는 시각적 패턴과 구조를 결정한다. 나일론 플라스틱으로 나온 조형물은 보통 3㎜의 두께와 500㎍ 미만의 무게이다.
새로운 깁스인 Cortex는 가볍고 잘 씻어지며 통풍이 잘 되고 재활용이 가능한 외골격이다. Cortex cast는 아직 발전단계에 있다고 말하는 Evill은 시각적 물질을 고정하고 스캐닝 과정을 개선하기 위해 연구 중이다.
