내시경 영상의 특수성과 특징, 한계점
최근 일상생활에서 뿐 아니라 병원에서도 인공지능을 이용한 연구가 큰 관심을 받고 있습니다. 그중 내시경 영역에서의 인공지능도 많은 발전이 있었습니다. 내시경 의사가 발견하지 못하는 병변을 인공지능 프로그램을 활용하여 용종을 발견하고 조직 검사를 하지 않아도 암을 진단합니다. 이런 프로그램을 탑재한 인공지능 내시경 의사도 소개되었습니다.
내시경 영상의 특수성
인체의 내부를 시각화하는 의료용 영상에는 엑스선 촬용, 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 영상, 초음파 검사, 내시경이 포함됩니다. 내시경 검사를 통해 얻은 영상은 다른 검사 장비를 사용하여 촬영된 의료영상과 본질적으로 구분되는 특징을 가집니다. 즉, 방사선이나 자기장을 활용한 검사 방법은 인체 조직 내부 구성 성분의 흡수율 차이를 가시화하여 인체 구조를 종 또는 횡단면으로 보여주는 2차원 영상이며, 초음파 검사는 실시간으로 장기를 관찰한다는 점에서 내시경 검사와 유사하나 입체적인 장기를 2차원으로 스캔하여 관찰되는 영상을 판독하게 됩니다. 내시경 검사는 광원을 인체 내부로 삽입하고 빛을 조사하여 장기의 내벽을 실시간으로 관찰하는 방법으로 위, 대장, 소장 등의 장기를 관찰할 수 있는 방법입니다. 또한 초음파, CT, MRI는 주로 고형 장기를 관찰하는데 활용하며, 내시경 검사 중에는 장의 연동운동이나 관강 내의 공기 양에 따라 관찰 대상의 모양이나 위치가 달라질 수 있어 정형화된 영상을 얻기가 어렵다는 제한점이 있습니다. 내시경 영상을 활용하기 위해서는 이러한 특수성을 잘 이해하는 것이 중요합니다.
내시경 검사의 특징
먼저 다른 의료영상과 구분되는 내시경 영상의 특징이 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다. 인체의 내부를 가시화 하는 영상에는 엑스선 촬영, 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 영상, 초음파 검사 그리고 내시경이 포함됩니다. 내시경의 촬영 영상은 엑스선 촬영 검사, CT, MRI, 초음파 등의 의료영상과 본질적으로 다릅니다. 엑스선은 파장이 짧고 에너지가 커서 인체 조직을 투과하며 부분적으로 흡수됩니다. 따라서 조직 내부의 구성 성분의 흡수율이 영상화된다고 할 수 있습니다. 초음파 역시 매질이 변할 때마다 경계면에서 반사되는 특징을 활용하여 인체 내부 조직의 물성을 단면영상으로 가시화합니다. 한편 내시경은 광원을 포함한 검사 장치로서 인체 내부로 삽입한 다음 카메라와 같은 방식으로 인체 장기 내벽의 표면에서 반사된 빛을 영상화합니다. 즉, 관상 구조를 가진 장기의 내벽을 영상화하는 장치입니다. 내시경으로 관찰할 수 있는 소화관은 위, 대장, 소장 등입니다. 위 내시경으로 인후두, 식도, 위, 십이지장을 관찰할 수 있고, 대장 내시경으로 소장 말단, 결장, 직장, 항문을 관찰할 수 있습니다. 소장은 소장내시경 또는 캡슐내시경으로 관찰할 수 있습니다. 이번 강의에서는 비교적 흔히 시행되어 쉽게 얻을 수 있는 식도, 위, 십이지장, 대장의 내시경 영상을 중심으로 말씀드리겠습니다.
소화관 내시경 스콥의 구조
다음은 소화관 내시경 스콥의 구조에 대해서 말씀드리겠습니다. 내시경 스콥은 연결부, 조작부, 삽입부로 나누어집니다. 조작부 끝 10cm는 굴곡부로 조작부의 놉을 조절하여 조작부 말단은 대물렌즈, 광원 렌즈, 노즐과 겸자 구로 구성되어 있습니다. 대부분 내시경 광원은 제논 램프이며 대물렌즈를 통해 화상을 CCD로 전달합니다.
소화관 내시경 영상의 특징
다음은 내시경 영상의 특징을 살펴보겠습니다. 소화관의 구조는 크게 관 구조와 주머니 구조로 나뉩니다. 식도, 십이지장, 대장은 긴 관 구조로 되어 있으며, 내시경의 끝에 달려있는 카메라가 긴 터널을 지나면서 상하좌우를 관찰하는 방식입니다. 반면 위는 주머니 모양의 구조라 공간이 넓어 내부에서 내시경을 반전하거나 회전시키는 등의 조작이 가능하므로 다양한 각도에서 관찰할 수 있습니다. 일반적인 소화관은 음식물이 없는 경우를 연성을 가진 관 또는 주머니 구조의 장기가 눌러져 있어 그림 2 에서와 같이 공간을 유지할 수 없습니다. 따라서 내벽을 촬영하기 위해서는 내시경 렌즈와 피사체 사이에 공간이 필요하며 검사 중 지속적으로 공기를 주입하여 공간을 만들어야 관찰이 가능합니다.
내시경 영상 진단의 제한점
이렇게 만들어진 내시경 영상을 통한 진단의 제한점을 살펴보겠습니다. 이러한 제한점은 크게 소화관 장기의 특성에 따른 제한점과 관찰자에 의한 제한점으로 나눌 수 있습니다. 우선 소화관 장기의 특성에 따른 제한점을 살펴보겠습니다. 첫 째, 해부학적 구조로 인한 제한점입니다. 관 구조로 되어있는 식도, 십이지장 및 대장을 관찰할 때는 카메라가 내시경 끝에 달려있기 때문에 항상 전진 방향으로의 관찰만 가능합니다. 십이지장과 대장은 윤상의 주름이 있기 때문에 주름과 주름 사이를 빠짐없이 관찰해야 하는데, 내시경 조작의 제한으로 모든 부분을 관찰하기가 어려운 경우가 종종 있습니다. 특히, 1. 5m 길이의 대장은 많은 굴곡으로 인해 맹점이 많이 생길 수 있으며, 검사 전 장정결이 완전하지 못한 경우 대변으로 인해 불완전한 검사가 될 수 있습니다. 둘째, 소화관은 연동운동이라고 하는 소화 운동을 하기 때문에 매 순간 모양이 변하는 특성을 가지고 있습니다. 정확한 관찰을 위해 내시경 검사 전 연동운동을 억제하는 약물을 주사하기도 하지만 연동운동을 완전히 억제하기는 힘들며, 검사 중 피검사자가 트림을 하거나 공기를 반복적으로 배출하거나 협조가 되지 않아 내강이 충분히 부풀려지지 않으면 시야가 제한되므로 아무리 숙련된 의사라도 내강을 자세히 관찰하기 어렵습니다. 셋째, 내시경 선단을 상하좌우로 조정하여 비교적 다양한 각도의 영상을 얻을 수 있지만 정면에서 관찰할 수 없는 카메라의 주변부 영상은 얻을 수 없고, 카메라에서 먼 부분은 어두워서 잘 보이지 않는 등의 제한점이 있습니다. 다음은 관찰자에 의한 제한점을 말씀드리겠습니다. 엑스선과 CT는 이미 획득하여 잘 정리된 정지영상을 보고 의사가 판독을 하는 검사입니다. 다시 말하면 판독하는 의사 사이에는 차이는 있을 수 있지만 영상 자체에는 차이가 없습니다. 반면 내시경 검사 영상은 움직이는 장기를 실시간으로 관찰하면서 필요한 부분의 영상을 촬영하여 남기는 방식으로 획득하게 되며 검사를 시행하는 의사의 숙련도와 검사 환경 등에 영향을 받을 수 있습니다. 즉, 검사 결과가 정형화되어 있지 않고 같은 환자를 대상으로 같은 의사가 검사하였더라도 정확히 같은 영상을 얻기는 어렵습니다. 또한, 내시경 의사가 검사 중에 병변을 인지 못하는 경우도 있으며, 내시경 사진을 촬영하였더라도 병변을 인지하지 못하는 경우도 있을 수 있습니다. 예를 들어, 다양한 물건이 들어있는 방에 들어가서 관찰을 하고 나왔을 때, 그 안에 모든 물건을 관찰은 하였으나 전부 인지하지 못하는 거처럼, 내시경 의사의 지식과 숙련도뿐 아니라 검사를 하는 날의 컨디션, 전날의 업무량, 심리적 불안정, 내시경 방 안에서 일어나는 다이내믹한 상황 등 다양한 환경이 병변의 발견율에 영향을 미칠 수가 있습니다. 인공지능은 내시경 진단이 일어나는 관찰 내, 관찰자 간 변이를 극복하는데 도움을 줄 수 있습니다. 잘 학습된 인공지능을 통해 맹점을 파악함으로써 내시경 검사의 질을 향상할 수 있으며, 다른 분야와 마찬가지로 획득된 영상을 분석함으로써 유관 소견을 바탕으로 병변을 진단하는데도 활요할 수 있습니다. 특히 인공지능은 육체적, 정신적 요인과는 무관하게 학습량에 따라 일정한 진단을 할 수 있으므로 내시경 의사가 인지하지 못하는 부분을 잘 보조해줄 수 있을 것입니다.