X-ray 영상에서 폐렴 판독

# 세줄요약 #

1. 폐렴(Pneumonia)은 이름 그대로 폐에 염증이 생긴 것으로 바이러스나 세균(박테리아)에 의해 생기는 폐렴 외에도 공사장의 석면, 가습기 살균제, 자가면역질환 등 다양한 이유로 생기는 폐의 염증 모두를 통칭하는 것이다.
2.  폐렴의 원인에 따라 X-ray 영상에서 보이는 현상이 달라지는데, 세균성 폐렴(Bacterial pneumonia)의 경우 보통 병변이 하얗게 폐의 중심 또는 아래쪽에 뭉쳐있고(Consolidate), 바이러스성 폐렴(Viral pneumonia)의 경우 폐 전체적으로 희뿌옇게 퍼져있는 것(GGO)이 특징이다.
3. COVID19에 의한 폐렴은 다른 바이러스성 폐렴과 달리 폐의 외곽부(periphery)에만 희뿌옇게 퍼져서 GGO를 보이는 것이 특징이므로, COVID19 환자를 다른 질환으로 인한 폐렴 환자들과 구분지을 수 있을것으로 기대한다.

 

# 상세리뷰 #

 

1. 폐렴의 원인

 폐렴이란 폐의 염증을 의미하는 것으로 일반적으로 X-ray 영상에서 하얀 부분이 강조되서 보인다. 이러한 폐렴의 원인에는 바이러스, 세균 등에 의한 질병(Bacteria, Virus, COVID19 등등)에 의한 폐렴과 최근 문제가 되었던 가습기 살균제 혹은 탄광이나 공사장에서 일하는 근로자들에게 생기는 석면 진폐증 등과 같이 외부 물질(Mass)에 생기는 폐렴, 그리고 그 외에도 자가면역질환이나 선천적-유전적으로 폐에 염증이 생기는 경우도 존재한다.

 

<폐렴의 종류>

• 질환에 의한 폐렴: 세균성 폐렴(Bacterial pneumonia), 바이러스성 폐렴(Viral pneumonia)
• 외부 물질 오염으로 인한 폐렴: 가습기 살균제, 석면 진폐증, 탄광 진폐증
• 그외의 원인으로 인한 폐렴: 자가면역질환, 선천적-유전적 염증

 

2. 질환에 의해 생기는 폐렴의 X-ray 영상에서 보이는 특징

• 세균(박테리아)성 폐렴(Bacterial pnemonia): 마치 침을 '퉤'하고 뱉은 것 처럼 병변이 폐의 중심 또는 아래쪽에서 하얗게 뭉쳐있는 것이 특징
  • 병변이 중심은 하얀부분이 강하게 뭉쳐져 Consolidate의 형태를 보이지만 외곽부로 가면 불규칙하게 반투명한 부분(GGO: Ground-glass opacification)이 퍼져나간다.
• 바이러스성 폐렴(Viral pneumonia): 분무기로 뿌린 것처럼 폐의 영역이 전체적으로 희뿌옇게 보인다.
  • 세균성 폐렴과 반대로 폐 영역 전체적으로 주로 GGO들이 퍼져있으므로 희뿌옇게 보이면 중간중간 작지만 하얗게 뭉쳐진 Consolidate가 보이기도 한다.

그림 1. 정상 환자와 세균성 폐렴 환자, 바이러스성 폐렴 환자의 X-ray 영상. 그림에서 보이는 것처럼 세균성 폐렴 환자의 경우 병변이 폐의 특정 영역에 하얗게 뭉쳐서 분포하는 것을 볼 수 있다(보통 세균성 폐렴의 경우 병변이 폐의 중간이나 아래쪽에 나타나나 위 그림처럼 폐의 윗부분에도 나타나지 않는 것은 아니다). 반면에 바이러스성 폐렴 환자의 경우 정상 환자와 비슷하면서도 전체적으로 희뿌옇게 병변이 퍼져있는 것을 볼 수 있다.(출처: https://towardsdatascience.com/google-cloud-automl-vision-for-medical-image-classification-76dfbf12a77e) 

• COVID19 폐렴: COVID19 바이러스도 분명 바이러스의 한 종류이나 기존의 바이러스에 의한 폐렴과 다른 특징을 보인다.
  • 다른 바이러스와 마찬가지로 GGO들이 주로 중심을 이루나 문제는 이러한 GGO에 의해 희뿌옇게 보이는 부분들이 폐의 외곽부에만 주로 붙어서 보이는 것이다.
  • 따라서 대체로 폐의 중앙부는 검고 투명하게 잘 보이나 외곽부로 갈수록 희뿌옇게 보이는 특징을 가진다(이는 CT영상에서 볼 시에는 외곽부의 하얀 부분이 더 선명하게 보이는 것을 알 수 있다).
  • 이렇게 COVID19 바이러스만 가지는 특징 덕분에 X-ray 영상 판독만으로 COVID19 환자를 분류할 수도 있을 것이다(그뜻은 곧 인공지능 연구가 가능하다는 뜻이다).

그림 2. COVID19로 인한 폐렴 환자의 X-ray 영상. 사실 일반 바이러스성 폐렴 환자와 크게 구분은 안되나 상대적으로 폐의 외곽부에 희뿌연 부분이 뭉쳐있는 것을 볼 수 있다. (출처: https://radiopaedia.org/cases/covid-19-pneumonia-23)

• 결핵(Tuberclosis; TB)에 의한 폐렴: 결핵도 결핵균에 생기는 질환이므로 세균성 폐렴과 유사한 형태를 보이나 결핵 폐렴만의 구분되어지는 특징이 존재한다.
  • 가장 큰 특징은 폐의 윗부분에만 consolidate가 결절 크기로 작고 몽글몽글한 형태로 분포한다는 것이다. 
  • Active TB(활동설 결핵): 현재 결핵이 진행된 상태로 폐의 윗부분에 병변이 하얗게 몽글몽글한 형태로, 즉 결절의 크기로 다수 분포한다.
  • Stable TB(비활동성 결핵): 결핵이 지나가고난 상흔이 보이는 것으로 폐의 윗부분에 나타나는 것은 동일하나 병변 부근의 폐가 쪼그라들어 있는 모습을 보인다.

그림 3. 결핵으로 인한 폐렴 환자의 X-ray 영상. 폐의 위쪽에 병변이 보이는 것을 확인할 수 있다. 사진을 자세히 보면 하얀 부분이 수많은 결절형태로 몽글몽글하게 분포하고 있다. 

• 폐암: 폐렴은 아니지만 폐암의 경우에는 하얀 병변이 폐의 정상 영역과 구분되게 확실한 경계를 가진다. 즉 하얀 부분이 크고 커다랗게 GGO없이 Consolidate 형태로 크게 보인다.

그림 4. 폐암 환자의 X-ray 영상. 보이는 것처럼 폐암 병변 외의 영역은 검고 깨끗하지만 폐암 부분만 크고 구분되게 하얀 형태를 보임을 확인할 수 있다.

 

 

3. X-ray 영상을 이용한 COVID19 진단 인공지능으로 가능성

 CT 영상만큼 확연한 차이가 보이는 것은 아니고, COVID19로 인한 폐렴이 X-ray에서는 일반 바이러스성 폐렴과 구분하기 어려운 것은 사실이다. 그러나 분명 COVID19만의 특징이 존재하고 X-ray는 쉽고 저비용으로 많은 환자들이 촬영하기에 분명 인공지능으로 연구가치는 있어보인다. 다만 단순히 정상과 COVID19 폐렴만 구분하는 의미없는 인공지능이 아니라 실제 데이터(Real World Data)에서처럼 다른 폐렴들(세균성, 바이러스성, 결핵 등등)과 구분하면서도 COVID19 환자만 정확히 판독하도록 학습이 가능한지는 해결해야할 과제로 보인다.

 

 

* Reference: 

https://medium.com/@abhikjha/medical-images-use-cases-of-deep-learning-part-2-c5df16f77ab1

Medical Images — use cases of Deep Learning — Part 2

https://www.cancertherapyadvisor.com/home/decision-support-in-medicine/hospital-medicine/tuberculosis-and-mycobacterial-pneumonia/

Tuberculosis and Mycobacterial Pneumonia - Cancer Therapy Advisor