고려대병원 이기선 교수, '설명 가능한 AI'로 치과 엑스레이 영상에서 골다공증 예측한다
고려대병원 이기선 교수, '설명 가능한 AI'로 치과 엑스레이 영상에서 골다공증 예측한다
  • 최광민 기자
  • 승인 2020.02.10 20:40
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Grad-CAM 알고리즘을 적용하여 골다공증 환자의 엑스레이와 비골다공증 환자의 엑스레이의 어느 부분을 보고 구분했는지 비교 분석하는 국내외 첫 연구 결과...
Grad-CAM 알고리즘을 이용하면 훈련된 딥러닝 모델이 골다공증 환자와 비-골다공증 환자의 치과용 파노라마 엑스레이를 분류하는 이미지상의 특이점의 위치를 알 수 있다.(사진:논문캡처)
Grad-CAM 알고리즘을 이용하면 훈련된 딥러닝 모델이 골다공증 환자와 비-골다공증 환자의 치과용 파노라마 엑스레이를 분류하는 이미지상의 특이점의 위치를 알 수 있다.(사진:논문캡처)

국내 연구진이 턱뼈 전체를 촬영하는 치과 기본 엑스레이인 파노라마 영상에 골밀도 검사결과 (T-Score)를 대입한 딥러닝 모델, 분별 정확도 약 86%, 침묵의 질환으로 불리우는 골다공증 질환 미인지 환자에게 골밀도 정밀검사 추천 등의 활동이 가능해 환자 인지율 상승 및 골다공증 진행 예방 측면으로 그 효과가 기대된다.

특히, 기존 많은 딥러닝 연구들이 분류 예측결과의 이유를 알 수 없어 블랙박스라고 알려져 있었던 딥러닝 연구에, 국내 최초로 설명 가능한 인공지능(explainable AI) 알고리즘 중에 하나인 Grad-CAM 알고리즘을 적용하여 골다공증 환자의 엑스레이와 비골다공증 환자의 엑스레이의 어느 부분을 보고 구분했는지 비교 분석하는 연구로 국내외 많은 연구자들의 주목을 받고있다.

고려대학교 안산병원(원장 김운영) 치과 전문의인 이기선 교수가 턱뼈 전체를 촬영하는 치과 기본 엑스레이인 파노라마 영상에 골밀도 검사결과인 T-Score를 대입하여 훈련한 딥러닝 모델 'Grad-CAM 알고리즘'으로 골다공증 환자 선별에 예측에 유용하다는 연구결과를 내놓았다.

이기선 교수(사진:고려대 안산병원)
이기선 교수(사진:고려대 안산병원)

골다공증은 가장 흔한 대사성 골질환으로 뼈의 밀도 감소에 따라 뼈의 강도가 약해져 쉽게 골절이 발생되는 전신 골격계 질환이며, 연령의 증가, 폐경, 무리한 다이어트 등과 같은 생활습관 또는 유전적 질환등이 그 요인으로 알려져 있다.

그러나 해당 질환이 진행되는 동안 통증이나 별다른 증상이 없어 가벼운 충격에 골절이 발생하기 전까지 대부분의 환자가 인지하지 못하는 ‘침묵의 질환’이라고도 알려져 있으며, 실제 국내 국민건강통계 자료에 따르면 해당 질환을 인지 및 치료 비율은 골다공증 환자 10명중에 1~2명만으로 인지율이 매우 낮은 질환으로 알려져 있다.

이에 이기선 교수는 많은 국내외 연구결과 중 골다공증 유병 환자의 경우, 전신적인 골밀도 감소로 인하여 치과용 파노라마 엑스레이상의 턱뼈에서도 골밀도 감소에 따른 뼈 이미지 특이성이 나타나며, 이를 이용하면 골다공증 유병 여부를 선별할 가능성이 높다는 연구결과에 주목하여, 딥러닝 기반의 실용화될 수 있는 인공지능 알고리즘의 개발 가능성을 제시해 본 것이라고 밝혔다.

본 연구의 영상 사전 처리 원래 DPR은 하향 샘플링 되었고, ROI는 치아 아래의 하악 영역(안쪽의 부위)으로 제한된다. DPR, 치과 파노라마 방사선 사진, ROI, 관심 영역(사진:논문 캡처)
본 연구의 영상 사전 처리 원래 DPR은 하향 샘플링 되었고, ROI는 치아 아래의 하악 영역(안쪽의 부위)으로 제한된다. DPR, 치과 파노라마 방사선 사진, ROI, 관심 영역(사진:논문 캡처)

이번 연구결과는 기존에 통계적 모델이나 머신러닝 모델에 기반한 연구 결과가 아닌, 골밀도 점수(T-Score)를 기반으로 학습한 딥러닝 모델에 관련된 연구로 XAI가 의료에서 적용된 첫 사례로 AI를 적용할 때 진단에서 예측·판단 결과에 근거를 정량적으로 알기 쉽게 제시하고 AI가 결정한 최종 결과의 근거와 도출과정의 타당성을 제공함으로써 의료 진단에서 AI의 동작 모니터링을 실시하는 것과 동시에 임상의의 지속적인 진단의 개선을 가능하게하고, 중요한 결정을 수반하는 의료 진단에서 그 기대가 크다.

이기선 교수는 과거 삼성SDS에서 소프트웨어 개발자로 근무 경력이 있는 의료인으로 현재, 해당 주제로 교육부 주관의 개인 국책연구과제를 수행중에 있다.

세계적인 보건문제인 골다공증의 경우 높은 유병율을 보임에도 명확한 증상이 없어 매우 낮은 인지율을 보이고 있음에도, 특별히 환자 인지율을 높일 수 있는 별다른 방법이 없었으나 이번 연구를 통해 치과를 방문하는 골다공증 유병자 분들의 인지율 상승과 더불어 치과의사에게 있어도 진료에 도움이 되는 시스템을 만들어 보는 것이 목표이며, 골다공증 위험성 판단 알고리즘의 정확도를 높이기 위해 계속 연구를 이어갈 예정이라고 밝혔다.

한편, 연구 결과는 2019년도 현재 영향력 지수(Impact Factor) 5.688인 국제 학술지‘Journal of Clinical Medicine’에 지난 1일 ‘치과 파노라마 방사선 사진에서 골다공증 스크리닝을 위한 딥컨볼루션신경망을 이용한 전이 학습 평가(Evaluation of Transfer Learning with Deep Convolutional Neural Networks for Screening Osteoporosis in Dental Panoramic Radiographs- 아래첨부)’ 제목으로 발표되었다.


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