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숨겨진 종양 근적외선 영상과 기계 학습으로 찾는다
고동탄(bourree@kakao.com)기자2021년 03월 30일 17:57 분입력   총 933명 방문
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숨겨진 위장관기질 종양 초기에 정확하고 비침습적으로 찾을 수 있어
종양은 심지어 양성이라도 주변의 혈관과 조직에 손상을 줄 수가 있다. 만약 종양이 악성이라면 공격적이고 은밀하며 흔히 되돌릴 수 없는 손상을 입힌다. 그런 경우 조기 발견이 치료와 회복의 열쇠가 된다. 그러나 그런 발견은 때로는 현재 상업적으로 이용할 수 있는 기술을 넘어서는 고도의 영상 기술을 필요로 한다.

예를 들면 어떤 종양은 점막층으로 덮힌 장기와 조직 속 깊은 곳에 생겨서 과학자들이 내시경 같은 표준적인 방법으로 바로 그런 종양을 관찰하거나 조직검사로 접근하는 것을 어렵게 만든다. 특히 전형적으로 위와 소장에서 발견되는 위장관기질 종양(GIST)은 시간이 아주 많이 걸리고 진단을 지연시키는 힘든 기술을 필요로 한다.

이제 접근하기 힘든 위장관기질 종양의 진단을 개선하기 위해 히로시 타케무라 박사의 주도하에 일본 국립 암 센터 병원과 광양자공학 연구소와 동경 과학대학교의 과학자들이 기계 학습과 더불어 초분광 근적외선 영상(NIR-HSI)을 사용하는 기술을 개발했다.

이 기술은 인체를 투과하는 전자기 방사선을 사용해서 내부 구조물의 영상을 만들어내는 엑스레이와 좀 비슷하다고 타케무라 박사는 설명했다. 그는 계속해서 이렇게 설명했다. “차이점은 엑스레이는 0.01~10나노미터이지만 근적외선은 약 800~2500나노미터란 것이다. 그런 파장에서 근적외선은 조직들을 영상으로 투명하게 보이게 만든다. 또 근적외선 파장은 심지어 가시광선보다도 환자들에게 덜 해가 된다.”

이는 과학자들이 조직들 속에 숨겨진 것을 안전하게 조사할 수 있는 것을 의미하지만 이번 연구 이전에는 어느 누구도 위장관기질 종양과 같은 깊은 곳에 있는 종양에 초분광 근적외선 영상을 사용해보려는 시도를 하지 않았었다. 타케무라 박사는 이 연구를 개척한 고인이 된 한 교수에게 경의를 표했다. 그는 다음과 같이 말했다. “이 프로젝트는 의사와 엔지니어 간의 장벽을 허물고 협력관계를 구축한 고인이 된 카주히로 카네코 박사 때문에 가능했다. 우리는 그의 바람을 따르고 있다.”

타케무라 박사의 연구진은 위장관기질 종양으로 확진 받고 종양을 수술로 제거한 환자 12명에 대해 영상 실험을 실시했다. 연구진은 초분광 근적외선 영상 기술을 이용해서 절제한 조직의 영상들을 만들었고, 그런 다음 병리학자가 그 영상들을 조사해서 정상 조직과 종양 조직 간의 경계선을 결정했다. 그 영상들은 다시 - 본질적으로 컴퓨터 프로그램이 정상적인 조직과 종양 조직을 나타내는 영상들의 화소를 구별하도록 가르치는 - 기계 학습 알고리듬을 만드는 훈련용 데이터로 사용되었다.

조직검사 하지 않고 점막하 종양 비침습적으로 진단
비록 검사한 12개의 종양 중 10개가 점막층으로 완전히, 혹은 부분적으로 덮여있는데도 불구하고 기계 학습 분석이 위장관기질 종양을 확인하는 데 효과적이어서 종양 부위와 비종양 부위를 86%의 정확도로 식별해내는 것을 연구진은 발견했다. 타케무라 박사는 이렇게 설명했다. “이는 매우 흥미진진한 일이다. 수술이 필요한 절차인 조직검사를 하지 않고 여러 가지 다른 유형의 점막하 종양을 정확하고 신속하고 비침습적으로 진단할 수 있다는 것은 환자와 의사 모두에게 훨씬 더 편한 것이다.”

타케무라 박사는 아직도 난제가 남아있는 것을 인정하지만 그런 난제를 해결할 준비가 되어있다고 느끼고 있다. 연구진은 이번 연구 결과를 개선할 수 있는 몇 가지 분야를 확인했다. 즉 자신들이 훈련하는 데이터 세트를 훨씬 더 확대하거나, 기계 학습 알고리즘에 종양이 얼마나 깊숙이 있는지에 대한 정보를 추가하거나, 분석에 다른 유형의 종양을 포함하는 것과 같은 것이다.
기존의 내시경 기술을 바탕으로 한 초분광 근적외선 영상 기술 시스템을 개발하는 연구도 현재 진행 중이다.

타케무라 박사는 다음과 같이 말했다. “우리는 내시경의 끝에 초분광 근적외선 영상 기술 카메라를 부착한 장비를 이미 만들었으며, 머지않아 수술로 제거한 조직이 아니라 환자에게 직접 초분광 근적외선 영상 기술 분석을 실시하기를 희망하고 있다. 미래에는 이것이 우리가 훨씬 더 악성이고 더 위험할 수 있는 다른 유형의 점막하 종양들로부터 위장관기질 종양을 식별해내는 데 도움을 줄 것이다. 이번 연구는 이 다학제적 협력으로 가능하게 될, 미래의 훨씬 더 선구적인 연구를 향한 첫걸음이다.”

위장관기질 종양을 초기에 정확하고 비침습적으로 찾아내는 방법이 머지앉아 임상적으로 널리 이용될 수가 있을 것이다.


참조:
D. Sato et al., "Distinction of surgically resected gastrointestinal stromal tumor by near-infrared hyperspectral imaging" Sci Rep. 2020 Dec 14;10(1):21852. doi: 10.1038/s41598-020-79021-7.
뒤로월간암 2021년 3월호
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