비전시스템의 다양한 활용사례 / 12) 생체·의학용 머신비전
머신비전이 건강 위한 지렛대로
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)
10년 전 미래학자들은 지금의 태블릿 PC를 정확히 예측했다. 클릭 한 번으로 세계를 오갈 수 있는 기능을 지닌 기계는 예측된 대로 나타났다. 하지만 스마트폰은 아무도 예측하지 못했다. 손바닥 안으로 그 기능이 축소될 것이라고는 숱한 미래학자들도 예측하지 못한 것이다. 2013년 한국에서 스마트폰 사용인원은 3천만이 넘어가고 있으며, 인터넷 사용량은 세계 최대로 100%가 넘는 사용량이 집계되고 있다.
비전 시스템의 다양한 활용사례 마지막 시간이다. 그동안 보아온 것처럼 머신비전 또한 인터넷과 같이 무한한 발전을 기대할 수 있는 분야다.
태블릿 PC를 넘어 스마트폰이 나왔듯이 이 분야는 예측할 수 없을 정도의 잠재력을 지니고 있다. 왜냐하면 인간의 감각기관을 대신할 수 있을 뿐만 아니라 그 기능이 더욱 향상된 정확도를 지원하기 때문이다.
인터넷은 소통의 기능을 넓혀 세계 각지의 정보를 제공하고 머신비전은 인간 오감의 기능과 생각하는 기능을 탑재하여 결점검출 시스템을 제공한다.
생체·의학용 머신비전은 시리즈의 마지막인 만큼 더욱 중요한 분야다. 인류역사상 칼로만 이루어졌던 시체부검을 디지털 스캐닝으로 그 없이도 가능하게 만들고 인류 전체의 적으로 나타난 암을 비전 시스템으로 식별하여 최소한의 침투과정으로 제거할 기능을 제공하는 등 머신비전은 인간에게 생명연장과 더 나은 삶에 도움을 줄 것이다.
대표적 활용사례 모음
악성 뇌종양 최소한 침투로 제거
뇌수술에 영상화 기술을 도입하여 뇌종양과 보통조직 사이를 구별할 만큼 미세한 수술이 가능하게 된다. 하버드 대학의 Minbiao Ji와 Mallinckrodt 교수 그리고 Xiaoliang Sunney Xie 팀이 뇌에서 가장 작은 종양 세포를 볼 수 있게 만들었다. 살아있는 쥐의 실험을 통해서 뇌에 건강한 세포와 종양을 구별하게 된 것이다. 그러고 나서 이들은 가장 위험한 뇌종양 중에 하나인 Glioblastoma Multiforme(다형성교아종)를 제거하는데 성공했다. 이 연구는 Science Translational Medicine에 실려 있다.
이 논문의 공동 연구자인 Xie의 팀에 의해 개발된 SRS 현미경은 비 외과적인 수술이 가능하도록 만들었다. SRS가 스펙트럼의 신호를 분석하여 세포조직을 이미지로 만들 수 있다. 그래서 보통 세포들 사이에 종양 세포가 침투한 ‘Margin’ 종양이 있는 곳을 정확하게 보여줄 수 있는 것이다. 이런 신호를 증폭시켜서 예전에는 하루나 여러 시간에 걸려 이뤄진 작업을 실시간으로 가능하게 한다.
Journal of Neurosurgery에 따르면, “Glioblastoma Multiforme(다형성교아종)이 진단된 환자는 평균적으로 약 18개월 안에 사망한다”며, “수술이 종양의 유일한 치료방법이지만 4명 중 1명만이 성공할 수 있다”고 전했다.
Xie는 “의사에게 매우 신경을 건드리는 것이 있다”며, “MRI 이미지로 제거될 필요가 있는 곳을 볼 수 있다”고 전했다. 그러나 “어느 곳을 제거해야 하는 것인가? 경험이 많은 의사는 뇌종양과 뇌조직을 구별할 수도 있지만 대부분의 의사는 그렇지 못한 것이 현실”이라고 말했다. 미시간 대학 신경외과 수술부의 Daniel Orringer 팀은 “많은 방법으로 뇌종양 수술을 해왔지만 수술이 끝나기 전까지 의사는 모든 종양을 제거할 수 있을 거라 확신할 수 없었다”며, “수술 중에 종양을 볼 수 있는 도구가 필요했고 SRS 현미경이 큰 도움을 주었다”고 말했다.
Xie가 “생체조직 검사는 종양을 제거하고 감지하는 표준적인 방법”이라며, “그러나 영상화를 통한 기술은 생체조직 검사의 모든 과정을 생략할 수 있게 하고 생체조직 안에서 무엇이든 할 수 있게 만들었다”고 말했다.
초음파 영상화로 성대보호 한 걸음
성대의 문제를 극복하기 위해 3D 이미징을 사용하여 말하는 동안 혀가 어떻게 움직이는지 보여주기 위한 프로젝트를 진행됐다. 이 프로젝트는 Glasgow 대학 연구팀이 초음파와 MRI 기술로 3D 혀와 성대를 만들어 연구한 것이다.
초음파 기계인 UTI는 프로브(의사들이 인체 내부 검사에 이용하는 길고 가느다란 기구)로 초음파 파장을 보내 말하는 동안 혀의 표면 영상을 캡처하고 MRI는 연구개와 후두가 움직이는 동안 전체 성대의 영상을 캡처한다. 그래서 프로젝트는 성대를 망가뜨리는 모델과 성대에 영향을 주는 부분을 알려준다. 그리고 비디오 데이터베이스로 말하는 동안 강조하는 부분을 알 수 있다.
BBC 뉴스에서 Glasgow 대학의 음성학 전문교수인 Jane Stuart-Smith는 “이 프로젝트로 세계에서 처음 어떻게 말하는 소리가 형성되는지 증명하는 과정을 밝힐 수 있었다”고 말했다.
3dMD의 Facial 이미징으로 환자의 얼굴복원
Cardiff 대학의 의사와 엔지니어는 3dMD의 최첨단 3D 영상화 시스템으로 얼굴의 움직임 연구와 얼굴수술이 필요한 환자에게 도움을 준다. 3dMD의 3D 스캐너를 사용하여 환자 얼굴의 데이터를 모으고 의사의 수술능력을 향상시키도록 3D 모델을 만든다. 이는 언청이, 파킨슨병, 뇌졸중 등으로 인해 얼굴의 상태에 영향을 받은 환자를 위해 사용된다.
비디오는 오늘날 가장 널리 사용되는 얼굴 움직임을 레코딩하는 방법이지만 2D 비디오는 3D 형태를 측정할 수가 없어 얼굴의 표정변화를 감지할 수 없다. 그리고 비디오로 진행되는 일반적인 방법은 2차원으로 얼굴의 움직임을 레코딩하여 움직임이 분석되기 때문에 중요한 데이터를 놓칠 가능성이 있다. Cardiff 팀은 3dMD 스캐너로 3D 영상을 포착하여 정확도를 높일 뿐만 아니라 60fps의 빠른 속도를 지원한다.
테크 월드와의 인터뷰에서 Cardiff 대학의 데이비드 마샬은 “시스템이 얼굴의 3D 기하학적 모델을 만드는 데 약간 다른 각도에서 두 개의 비디오 피드를 그린다”며, “이러한 피드는 약간 다른 각도로 배치되고, 알고리즘은 해당 지점의 각 이미지 프레임에 포인트를 일치시키는데 사용된다”고 말했다.
그리고 “상용기술을 개발하기 위해 장기적인 계획을 가지고 있다”며, “현재 3D 동적 시스템의 시장은 작지만 향후 몇 년 동안 크게 확장되고 새로운 시장을 찾을 것으로 기대된다”고 전했다.
형광 영상화 기술로 담낭수술
Intuitive Surgical의 Firefly da Vinci 형광 영상화 기술이 담낭수술에 사용된다. Calif에 본사가 있는 Intuitive Surgical은 로봇기술의 세계적 기업이다. 이는 da Vinci Surgical System을 개발하여 로봇으로 수술이 가능하게 만들고 최소한의 침투 수술로 환자들의 건강을 보호한다.
Firefly 형광 영상화 비전 시스템은 의사가 최소한의 침투적인 수술을 수행하도록 돕는다. Firefly 카메라를 사용할 때 혈액은 녹색으로 나타나고 혈액이 없는 조직은 회색으로 나타난다. Firefly 영상화 시스템은 독립적으로 사용되지 않고 담관(담즙을 간에서 십이지장으로 보내는 관)을 영상화하는 백색광과 함께 사용된다.
보통 담관의 부상은 담낭을 제거할 때 가장 자주 일어나며 그 수술은 매우 복잡하다. 이는 담관이 쓸개 주머니관으로 잘못 인식될 때 일어나고 그 결과 담낭이 제거되어야만 한다. 그래서 최소한의 침투로 수술이 이루어져야 할 뿐만 아니라 담관을 보통 조직과 구별할 수 있어야 한다.
Dr. Myriam Curet는 “수술동안 정확한 실시간 이미지는 의사의 담관 구별에 도움이 된다”며, “Intuitive Surgical의 da Vinci 시스템이 혁신적인 기술로 의사에게 수술의 기술을 제공할 뿐만 아니라 수술동안에 향상된 시각을 제공한다”고 말했다.
적외선 시스템이 혈관을 보여준다
Frimley Park 병원은 환자의 고통을 덜기 위해 전문화된 영상화 장치를 도입했다. 이는 적외선을 사용하여 환자의 혈관을 찾는 장치다. 혈관에 접근하는 전문 간호사인 Andrew Barton은 혈관삽입과정에서 VueTek Scientific에서 개발한 영상화 장치인 Veinsite를 사용하여 혈관을 찾았다. 환자는 처방된 약을 혈관에 설치된 튜브를 통해 공급받는다.
Andrew Barton은 “환자중 일부는 빈혈과 같은 만성적 질병으로 다수의 관을 삽입하여 약을 투입할 필요가 있다”며, “기존의 방법으로 혈관을 찾으려면 환자가 몇 배의 고통을 감수해야만 했다”고 전했다. 그래서 그는 Veinsite 장치를 도입했다. 이 장치는 적외선을 사용하여 7mm의 깊이에 있는 혈관을 보여주기 때문에 정확하게 캐뉼라(혈관 삽입관)를 삽입할 수 있게 하여 환자의 고통을 덜 수 있다.
이에 대해 Andrew Barton은 “부분적으로 혈관들 사이에 살과 피부로 혈관을 찾기 어려운 환자들뿐만 아니라 어두운 색의 피부, 노인, 비만을 지닌 환자에게도 더욱 희소식”이라고 말했다. 혁신적인 Veinsite는 휴대용, 핸즈프리 NIR 장치다. 혈액암과 백혈병과 같이 혈액에 제한을 받는 종류의 병 환자의 치료에도 도움을 줄 것이다.
부검을 칼이 아닌 스캐너로
세계에서 매년 약 7천만의 사람이 죽는다. 그리고 그러한 죽음의 10명 중 1명은 부검을 요구하는 케이스가 된다. 말레이시아 기업가 Matt Chandran은 자신의 회사인 iGene의 3D 영상화 소프트웨어를 CT와 MRI 스캐너에 연결하여 메스를 스캐너로 바꾸고 부검작업을 터치스크린 컴퓨터로 수행하기 원한다. 다시 말해서 그는 메스로 시체를 부검하는 시대는 지났다고 생각한다.
그래서 영상화 기술을 도입하여 디지털로 부검하는 시대를 맞이하기 원하는 것이다. Chandran은 “세계적으로 부검은 엄청난 숫자가 요구된다”며, “이 디지털 부검 서비스는 세계를 다시 디자인할 수 있다”고 말했다.
디지털 부검 장치는 칼을 사용하지 않기 때문에 시체를 온전히 보존하며 사망원인을 확인할 수 있다. 검시관은 옷과 살과 뼈의 층을 제거하지 않고 3D로 가상 시체를 검시할 수 있는 것이다. 골절 부위나 총알로 인한 상처나 자상과 같은 부분을 더욱 쉽게 찾을 수 있고 가족 또한 시체를 해부하지 않고도 사망원인을 신속히 확인할 수 있다. 전통적인 칼을 사용하는 부검을 대체하는 소위 디지털 부검이 조사의 속도를 높이고, 시체에 칼을 대는 가족의 슬픔을 덜고, 종교적으로 민감한 부분을 해결할 수 있을 것으로 보인다.
그러나 모두가 디지털 부검이 획기적일 것이라고 믿는 것은 아니다. 일부는 그것이 생전의 질병을 감지할 수 있을지 의문을 제기한다. iGene의 모기업인 InfoValley의 Pramod Bagali는 “시스템은 완벽한 방법이지만 기존의 부검을 완전히 대체할 수는 없다”며, “하지만 70%의 보통 케이스는 커버가 가능하다”그리고 “디지털 부검 후에 사인을 밝혀내지 못하면 시체의 실제부검 여부를 결정하면 된다”고 말했다.
가장 중요한 것은 iGene이 비즈니스 모델을 제공한다는 것이다. Chandran은 “iGene은 처음으로 부검의 결과가 상업적으로 제공되는 서비스”라며, “그는 회사시설을 짓는데 약 7700만 달러를 쓸 것”이라며, “영국에서 매년 20만 명의 죽음이 요구하는 부검을 실행할 것”이라고 말했다.
