부처연구성과
인공지능으로 초음파 뇌질환 치료의 문턱 낮춘다.
- 등록일2023-11-27
- 조회수1174
- 분류 종합 > 종합, 종합 > 종합, 종합 > 종합, 플랫폼바이오 > 바이오융합기술
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성과명
인공지능으로 초음파 뇌질환 치료의 문턱 낮춘다.
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저널명
NeuroImage
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IF
5.7 (2022년 기준)
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연구자명
김형민,박태영
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연구기관
한국과학기술연구원
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사업명
창의형 융합연구사업
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지원기관
과학기술정보통신부, 국가과학기술연구회
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보도자료발간일
2023-11-23
- 원문링크
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키워드
#인공지능 #뇌질환 치료 #초음파
- 첨부파일
231122_[KIST 보도자료] 인공지능으로 초음파 뇌질환 치료의 문턱...
핵심내용
인공지능으로 초음파 뇌질환 치료의 문턱 낮춘다.
- 생성형 AI 모델을 사용한 실시간 집속초음파 시뮬레이션 기술 개발 -
- 집속초음파를 이용한 뇌 질환 치료의 정확성 및 안전성 향상 기대 -
집속초음파(Focused Ultrasound) 기술은 두개골을 열지 않고도 뇌의 안쪽 깊숙한 곳까지 수 mm의 영역에 초음파 에너지를 집중시켜 손상 부위를 치료하는 비침습적 치료 방법이다. 주변 건강한 조직에 미치는 영향을 최소화하고 합병증, 감염 등의 부작용을 줄일 수 있어 우울증, 알츠하이머병 등 다양한 난치성 뇌 질환의 치료에 적용되고 있다. 하지만 환자마다 두개골의 모양이 달라서 발생하는 초음파의 왜곡을 실시간으로 반영하기 어려워 지금까지는 활용이 제한적이었다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 바이오닉스연구센터 김형민 박사 연구팀은 생성형 AI를 기반으로 실시간 음향 시뮬레이션 기술을 개발해 집속초음파 치료 시 실시간으로 두개골에 의한 초음파 초점 위치의 왜곡을 예측 및 보정하는 데 성공했다고 밝혔다. 지금까지 비침습 집속초음파 치료 기술 분야에서 인공지능 시뮬레이션 모델의 임상 적용 가능성을 검증한 사례는 없었다.
눈에 보이지 않는 초음파 초점의 위치를 예측하기 위해 현재는 치료 전 촬영된 의료영상을 바탕으로 한 내비게이션 시스템이 활용되고 있으며, 이는 환자와 초음파 발생장치 사이의 상대적인 위치에 대한 정보를 제공한다. 그러나 두개골로 인한 초음파의 왜곡을 반영하지 못하는 한계가 있어 이를 보완하기 위해 다양한 시뮬레이션 기술이 사용되고 있지만 아직은 계산에 상당한 시간이 소요돼 실제 임상에 적용하기에 어려움이 있다.
연구팀은 의료 분야에서 이미지 생성에 널리 사용되는 딥러닝 모델인 생성적 적대 신경망(GAN) 기반의 인공지능 모델을 통해 실시간 집속초음파 시뮬레이션 기술을 개발했다. 이 기술은 초음파 음향 파동의 변화를 반영한 3차원 시뮬레이션 정보 업데이트 시간을 14초에서 0.1초로 낮추면서도 기존 시뮬레이션 기술의 오차범위인 평균 7% 이하의 최대 음압 오차와 6mm 이하의 초점 위치오차의 정확도를 보여 임상 적용의 가능성을 높였다.
연구팀은 또한 개발된 기술을 실제 의료현장에 빠르게 보급할 수 있도록 의료영상 기반 내비게이션 시스템을 개발해 성능을 검증했다. 이 시스템은 초음파 트랜스듀서(Transducer)의 위치에 따라 초당 5회 수준으로 실시간 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 이를 통해 집속초음파 치료 시에 두개골 내의 초음파 에너지와 초점의 위치를 실시간으로 예측하는 데 성공했다.
기존에는 긴 계산 시간으로 인하여 초음파 트랜스듀서를 미리 계획된 위치에 정확하게 위치시켜야만 시뮬레이션 결과 활용이 가능했다. 그러나 이번에 새롭게 개발된 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템을 활용하면 실시간으로 얻어진 음향 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 초점을 조정하는 것이 가능해진다. 향후 집속초음파의 정확성을 높이고 치료 과정에서 발생할 수 있는 돌발상황에 신속하게 대응할 수 있어 환자에게 안전한 치료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 김형민 박사는 “본 연구를 통하여 집속초음파 뇌 질환 치료의 정확성과 안전성이 향상되었기 때문에 더 많은 임상 적용 사례가 나올 것”이라며 “실용화를 위해 다채널 트랜스듀서 적용 등 초음파 조사 환경을 다양화해 시스템을 검증할 계획”이라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호)의 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업(CAP-18014-000)로 수행됐다. 연구 결과는 뉴로이미징 분야 최상위 국제 학술지 ‘NeuroImage’ (JCR 분야 상위 3.6%)에 10월 14일 게재됐다.
* Real-Time Acoustic Simulation Framework for tFUS: A Feasibility Study Using Navigation System
상세내용
논문 정보
□ 논문
○ 제목: Real-Time Acoustic Simulation Framework for tFUS: A Feasibility Study Using Navigation System
○ 학술지: NeuroImage
○ 게재일: 2023.10.14.(온라인)
○ DOI: https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2023.120411
□ 저자
○ 박태영 학생연구원(제1저자/KIST 바이오닉스연구센터), 김형민 책임연구원(교신저자/KIST 바이오닉스연구센터)
□ 내용 요약
○ 연구배경
뇌의 작은 영역에 초음파 에너지를 집중시키는 경두개 집속초음파는 비침습적이며, 높은 공간해상도를 가지고 있어 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 최신 기술을 바탕으로, 의료진은 우울증, 알츠하이머병 등 다양한 뇌질환에 적용을 시도하고 있다. 눈에 보이지 않는 초음파 초점의 위치를 예측하기 위해 수치해석법을 이용한 음향 시뮬레이션이 널리 사용되고 있다. 이 시뮬레이션은 두개골로 인한 초음파의 수차(반사, 굴절, 감쇄 등)를 고려하여 뇌 내 음향 압력 분포를 예측할 수 있지만, 높은 계산 비용으로 인해 집속초음파 치료 중에 실시간 적용이 거의 불가능했다. |
○ 연구내용
본 연구에서, 이러한 문제를 극복하기 위해 1) 인공지능을 이용하여 실시간 음향 시뮬레이션 기술을 개발하고 이를 임상에 적용할 수 있는 새로운 형태의 시스템, 이른바 2) “시뮬레이션 가이드 내비게이션” 시스템을 구현하고 실현 가능성을 테스트했다. 실시간 시뮬레이션을 위하여 개발된 인공지능 모델은 3차원 조건부 생성적 적대 신경망(3D-cGAN) 모델에 잔여 블록과 다중 손실 함수를 특징으로 가진다. 이 모델은 기존의 수치해석을 이용한 음향 시뮬레이션 프로그램의 결과로 훈련되었다. 훈련된 모델은 0.1 s의 속도로 결과를 내며 (기존 14 s), 평균 7% 이하의 최대 음압 오차와 6 mm 이하의 초점 위치 오차의 정확도를 가진다. 해당 기술의 임상 적용을 위하여, 본 연구진은 실시간 음향 시뮬레이션 기술을 기존의 이미지 안내 내비게이션 시스템과 결합하여 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템을 만들었다. 해당 시스템에서 트랜스듀서 (초음파 발생기)의 이동에 따라 초음파 시뮬레이션이 실시간으로 (5 Hz)로 수행되며, 이를 통하여 환자는 집속초음파 치료 시 뇌 안에 들어가는 초음파 에너지의 세기와 초점 위치를 실시간으로 예측할 수 있다. |
○ 기대효과
이 시스템은 집속초음파 뇌 질환 치료에 대한 기술적 및 심리적 장벽을 크게 줄일 수 있다. 기존에는 시뮬레이션의 긴 계산 시간으로 인하여 트랜스듀서의 위치가 미리 계산된 (계획된) 위치에 놓여야 하였다. 그러나 제안된 시스템을 사용하면 치료 중 발생하는 다양한 문제들을 (머리의 이동, 뇌 모양의 다양성) 즉각적으로 반영하여, 특정 위치에 반드시 트랜스듀서를 놓지 않아도 시뮬레이션 결과를 얻는 것이 가능하다. 또한 실시간 시뮬레이션 결과를 토대로 원하는 부위에 정확하게 타겟팅되었을 때에만 하드웨어를 제어하여 초음파를 조사할 수도 있다. |
연구결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
뇌의 작은 영역에 초음파 에너지를 집중시키는 경두개 집속초음파는 비침습적이며, 높은 공간해상도를 가지고 있어 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 최신 기술을 바탕으로, 의료진은 우울증, 알츠하이머병 등 다양한 뇌 질환에 적용을 시도하고 있다. 눈에 보이지 않는 초음파 초점의 위치를 예측하기 위해 수치해석법을 이용한 음향 시뮬레이션이 널리 사용되고 있다. 이 시뮬레이션은 두개골로 인한 초음파의 수차(반사 굴절 감쇄 등)를 고려하여 뇌 내 음향 압력 분포를 예측할 수 있지만, 높은 계산 비용으로 인해 집속초음파 치료 중에 실시간 적용이 거의 불가능했다. |
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
초음파 시뮬레이션 시간을 줄이기 위하여 몇몇 인공지능 모델이 개발됐지만, 이는 2차원에서 구현되어 실제로 임상에 적용하는 데에는 한계가 있다. 본 연구에서는 3차원 조건부 생성적 적대 신경망(3D-cGAN)을 사용하여 3차원 실시간 초음파 시뮬레이션 기술을 최초로 개발하였다. 또한, 이를 임상에 바로 적용할 수 있도록 하는 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템도 개발하였다. 시뮬레이션 가이드 내비게이션은 트랜스듀서의 위치에 따라 실시간 초음파 시뮬레이션을 5 Hz 로 실행하도록 한다. 이를 통하여 두개골 내에 초음파의 초점 위치 및 세기 등을 시뮬레이션 정보를 기반으로 실시간으로 알 수 있다. |
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
기존에는 시뮬레이션의 긴 계산 시간으로 인하여 트랜스듀서의 위치가 미리 계획된 위치에 놓여야 하였다. 그러나 제안된 시스템을 사용하면 치료 중에 발생하는 다양한 문제(머리의 이동, 뇌 모양의 다양성 등)에 즉각적으로 반영하여, 특정 위치에 반드시 트랜스듀서를 놓지 않아도 된다. 또한 실시간 시뮬레이션 결과를 토대로 원하는 부위에 정확하게 타겟팅되었을 때에만 하드웨어를 제어하여 초음파를 조사할 수도 있다. |
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
이 시스템은 집속초음파 뇌 질환 치료에 대한 기술적 및 심리적 장벽을 크게 줄일 수 있다. 트랜스듀서가 특정 위치에 고정될 필요가 없으므로 진단용 초음파 트랜스듀서와 같이 의사가 트랜스듀서를 움직이면서 시술이 가능해진다. 인공지능 모델이 수치해석 기법의 시뮬레이션 결과를 토대로 학습되어 정확한 결과를 위해서 수치해석 시뮬레이션의 정확도가 중요하다. 실용화를 위해 초음파 파라미터와 트랜스듀서 등 초음파 조사 환경을 다양화하여 해당 시스템을 검증해야 한다. |
용어 설명
1. 집속초음파
뇌의 작은 영역에 초음파 에너지를 집중시키는 기술로 비침습적이며, 높은 공간해상도를 가지고 있다. 또한, 깊이 방향의 침투력이 뛰어나, 뇌의 피질 부분과 심부 영역을 모두 타겟할 수 있다. 이를 이용하여, 의료진은 우울증, 알츠하이머병 등 다양한 뇌질환에 적용을 시도하고 있다.
2. 의료영상 기반 내비게이션을 활용
광학/자기장 기반 위치 추적기를 통하여 피험자와 초음파 발생기 사이의 상대적인 위치를 알려주는 시스템이다. 시술전에 촬영된 의료영상과의 정합을 통하여 트랜스듀서의 위치에 따라 뇌의 어느 위치에 초음파가 조사되는지를 영상을 통해서 파악할 수 있다.
3. 3차원 조건부 생성적 적대 신경망(3D-cGAN)
새로운 정보를 생성하는 생성자와 생성된 정보의 진위 여부를 판단하는 판별자 두 가지로 이루어진 모델이다. 학습 시 두 가지 모델은 서로 경쟁적으로 모델의 성능을 향상시킨다. 본 연구에서는 생성자가 실시간 시뮬레이션 결과를 생성하였다.
그림설명
[그림 1] 시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템
시뮬레이션 가이드 내비게이션 시스템은 트랜스듀서의 위치에 따라 3D-cGAN 모델
사용하여 실시간 음향 시뮬레이션을 5 Hz의 속도로 실행한다.
[그림 2] 3D-cGAN의 학습 예시
3D-cGAN 모델은 수치해석 방법의 결과를 정답으로 하여 학습을 진행한다. 학습 후
3D-cGAN 모델은 시뮬레이션 결과를 0.1초마다 얻을 수 있다.
[그림 3] 3D-cGAN을 이용한 음향 시뮬레이션 예시
(a)3D-cGAN을 사용한 실시간 시뮬레이션 결과. (b)수치해석 방법을 사용하여
얻는 시뮬레이션 결과. (c)두 시뮬레이션 결과의 차이
[그림 4] 시뮬레이션 가이드 내비게이션에 대한 임상적용 예시
실시간 시뮬레이션 결과를 토대로 원하는 부위에 정확하게 타겟팅 되었을 때에만 하드웨어를 제어하여 초음파를 조사할 수 있다.
지식