노성현 아주대병원 신경외과 교수가 2020~2021년 2년 동안 등록된 환자 1017명의 측면 전척추 엑스레이(X-ray) 영상을 분석해 전체 척추 영상을 정확하게 진단 가능한 딥러닝 시스템을 개발했다.

분석 대상자는 여성 857명·남성 850명, 평균 연령 약 42.2세, 연령 범위는 20~85세다. X-ray 영상 819개 사진은 랜드마크 감지 모델의 딥러닝 훈련에 198개는 성능 테스트에 이용했다.

척추는 33개의 척추뼈로 구성되고 가장 윗부분부터 경추(7개), 흉추(12개), 요추(5개), 천추(5개), 미추(4개)로 구성돼 있다. 이번에 개발한 시스템은 척추의 전체 영상을 획득하고 이 영상에 지정된 랜드마크를 찾아 랜드마크간 각도(굴곡) 관계를 확인하는 원리다.

랜드마크란 손으로 쉽게 만져지는 볼록 튀어나온 뼈로, 이를 기준점으로 각도, 위치 등을 파악해 허리 통증, 협착증, 측만증 등의 척추질환을 정확하게 확인할 수 있다. 이 시스템을 사용하면 10초 이내 분석이 가능하다. 평소 사람이 한 장의 척추 엑스레이 영상을 분석하는 데 10분 내외가 걸렸다.

특히 성능 검증을 위해 기존의 198개 영상을 테스트한 결과, 사람(전문의)이 찍은 점과 딥러닝 시스템이 찍은 점의 위치 정확도가 90% 이상이었다.

객관적인 성능 평가를 위해 타 의료기관 4곳의 690개의 전척추 엑스레이 영상을 대상으로 외부 검증을 시행해 우수한 성능을 확인했다.

이번 연구는 지난 5월 국제 학술지인 바이오엔지니어링(Bioengineering, IF=8.3)에 게재됐다. 하윤 연세대 세브란스병원 교수와 공동으로 해당 시스템을 2023년 3월 30일 특허 출원했으며 의료 AI 스타트업 프로메디우스에 기술 이전됐다.

노 교수는 "이번에 개발한 시스템은 진단하는 사람에 따른 오차를 최대한 줄이고 많은 엑스레이 영상을 짧은 시간에 정확하게 진단이 가능하다"며 "진료실에서 척추질환의 진단·평가에 유용하게 사용되길 바란다"고 말했다.

구본욱·박인선 분당서울대병원 마취통증의학과 교수 (왼쪽부터)

통증을 표현하는 것은 환자의 건강 상태를 반영하는 중요한 정보 중 하나로, 환자의 안전과 빠른 회복을 위해서는 의료진의 적절한 평가와 신속한 대처가 필요하다.

특히, 수술 환자의 최대 71%가 수술 후 통증을 겪는 것으로 알려져 있는데, 통증의 정도는 매우 주관적이고, 소아나 정신질환자 등 스스로의 통증을 표현하기 어려운 경우 통증의 유무, 강도 등을 정확하게 예측하기 어렵다는 한계가 있었다.

이에, 구본욱·박인선 교수 연구팀은 통증에 대해 반사적으로 나타나는 얼굴 표정, 생리적 신호 등을 이용, 수술 후 환자의 통증을 평가해 빠르고 객관적으로 예측하는 인공지능 모델을 개발하고자 연구를 수행했다.

연구팀은 전신마취 하에 위 절제 수술을 진행한 환자를 대상으로 △수술 전 통증이 없는 상태 △수술 후 마취회복실 입실 직후 △환자가 진통제가 필요한 정도의 통증을 표현했을 때 △진통제 투여 후 통증이 경감된 상태에서의 얼굴 표정을 촬영했다.

이와 함께, 통상적으로 통증 모니터링을 위해 사용되는 진통통각지수(ANI)와 활력 징후와 같은 생리적 신호와, 환자의 주관적인 통증 강도를 표현하는 숫자통증척도(NRS)를 측정했다. 이후 수집한 데이터를 다양하게 조합해 인공지능 모델을 구축하고, 수술 후 통증 강도를 예측할 수 있는지 검증했다.

그 결과, 얼굴 표정 데이터만을 학습시킨 인공지능 모델이 수술 후 발생한 중증 통증을 매우 높은 정확도로 예측했으며, 이는 생리적 신호(진통통각지수, 활력 징후)를 기반으로 한 모델보다 성능이 뛰어난 것으로 나타났다.

실제로, 얼굴 표정만 학습시킨 인공지능 모델의 예측 정확도가 AUROC 0.93으로 가장 높았으며, 얼굴 표정과 활력 징후 데이터를 함께 학습한 모델(AUROC 0.84)이 뒤따랐다. AUROC는 인공지능 모델의 예측 정확도를 나타내는 성능지표로, 1에 가까울수록 성능이 우수함을 의미한다.

구본욱 교수(교신저자)는 "마취회복실에서 빠르고 정확하게 환자의 통증을 평가하는 인공지능을 이용한다면, 적절한 통증 관리 치료를 통해 수술 환자의 회복의 질을 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다"며 "이번에 개발한 모델은 수술 후 통증 환자뿐 아니라, 특히 의사소통이 어려운 환자들의 통증 평가에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.

박인선 교수(제1저자)는 "이번 연구를 기반으로 의료진이 일일이 환자의 얼굴 표정과 생체 신호를 평가하지 않아도 인공지능을 이용해 많은 환자들의 표정 데이터를 대량으로 처리할 수 있는 시스템을 구축하는 것을 목표로 하고 있다"며 "이를 통해 통증의 유무뿐만 아니라 통증의 강도를 섬세하게 평가할 수 있게 될 것"이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구 결과는 SCIE급 국제 학술지인 대한마취통증의학회지(Korean Journal of Anesthesiology, IF=5.167)에 게재됐다.