열화상 기술이 빠르게 발전함에 따라서 머신 비전에 대한 인식을 재정의하고 의료 분야로 혁신을 가져오게 되었다. 이 기술에 인공 지능(AI)을 결합함으로써 기존 2D 검사의 한계를 극복할 수 있다. 눈에 보이지 않는 것에 대한 통찰을 제공함으로써, 특히 의료 애플리케이션으로 많은 다양한 것들을 가능하게 한다.
 

머신 비전(machine vision)은 전통적으로 카메라와 동의어로 여겨졌다. 카메라는 사람의 시각과 흡사한 방식으로 작동한다. 그런데 21세기 들어서 이러한 인식이 크게 바뀌고 있다. 열화상 기술이 빠르게 발전함에 따라서 머신 비전에 대한 인식을 재정의하고 의료 분야로 혁신을 가져오게 되었다. 

열화상(thermal imaging) 기술 다시 말해서 서모그래피(thermography)는 단지 가시적인 것만을 포착하지 않는다. 사람의 시각 스펙트럼 너머에서 빛을 방사하는 물체들을 감지함으로써 사람이 눈으로 볼 수 없는 것을 볼 수 있도록 한다. 이 기술에 인공 지능(AI)을 결합함으로써 기존 2D 검사의 한계를 극복할 수 있다. 눈에 보이지 않는 것에 대한 통찰을 제공함으로써, 특히 의료 애플리케이션으로 많은 다양한 것들을 가능게 한다.

머신 비전

머신 비전 혹은 컴퓨터 비전은, 사람이 시각을 사용하는 것과 마찬가지로 컴퓨터 혹은 기계가 시각 정보를 감지하고 해석할 수 있도록 하는 일련의 기술을 말한다. 카메라를 사용해서 정지 화상이나 특정한 길이의 비디오를 포착하고 이것을 분석해서 실시간으로 검사를 할 수 있다. 머신 비전의 목적은 시각적 지각, 인지, 이해를 필요로 하는 작업을 자동화하는 시스템을 개발하는 것이다.

머신 비전 시스템은 산업용 분야에 널리 사용되고 있다. 공장 환경에서 점점 더 많은 자율 로봇을 사용함에 따라서 충돌 회피 기능이 필요하게 되었다. 임베디드 비전 시스템을 사용해서 공장 로봇이 위험 요소를 식별하고 적절히 대처하도록 할 수 있다. 머신 비전 시스템은 제조 라인으로도 유용하게 활용된다. 제조 라인으로 첨단 임베디드 비전 시스템을 사용해서 시각적 검사, 충돌 회피, 예방적 유지보수 같은 것들을 할 수 있다.
 

 

가시 대역 너머를 보다

머신 비전 애플리케이션은 사람 눈에 보이는 것과 동일한 가시광선 파장을 사용한다. 머신 비전을 사용하는 이유는 사람 작업자보다 훨씬 더 빠르고 정확하게 이미지를 포착하고 분석할 수 있기 때문이다. 그런데 가시광선을 사용하는 시스템은 3차원 물체를 분석하는 능력이 제한적이다. 가시광선을 사용해서 물체에 대한 이미지를 생성하기 위해서는 외부적 광원에 의존해야 한다. 물체의 표면으로부터 반사된 빛을 가지고 이미지를 생성한다. 그러므로 기존의 이미징 기술을 사용해서는 물체의 3차원 이미지를 생성하는 것이 불가능하다.

기본적으로 열화상 기술은, 모든 물체는 적외선을 방사한다는 원리에 기반해서 작동한다. 열화상 카메라를 사용해서 이 방사를 포착하고 온도 차이로써 이미지를 생성한다. 그럼으로써 결과적인 이미지 혹은 비디오 시퀀스가 조명 조건에 상관없이 장면을 생생하게 포착하고 온도에 있어서 어떠한 비이상성을 식별할 수 있다. 이것은 어떠한 문제가 있다는 것을 지시할 수 있다.

머신 비전으로 열화상 도입

열화상 기술은 군용 및 감시 애플리케이션에 주로 사용되어 왔으며, 머신 비전과 의료 분야에 도입된 것은 비교적 최근이다. 머신 비전으로 열화상 기술을 도입함으로써 무수히 다양한 것들이 가능하다. 기존 머신 비전은 비슷한 외관의 물체들을 구분하기가 어려울 수 있는데, 열화상 기술은 열 시그니처로 미세한 차이를 잡아내는 능력이 탁월하다.

더 나아가서 열화상 기술과 AI를 결합함으로써 이러한 열 분포를 지능적으로 분석할 수 있다. 그럼으로써 데이터로 이전에는 볼 수 없던 숨겨진 패턴이나 상관관계를 찾아낼 수 있다. 두 기술이 강력한 콤비를 이룸으로써 2D 이미징의 한계를 극복하고, 주변 환경과 그 안에 들어 있는 물체들에 대해서 전에는 감지할 수 없던 것들을 감지할 수 있도록 한다.

첨단 이미징 시스템을 사용해서 생성된 이러한 이미지를 분석해서 물체의 열 패턴과 열 분포에 대한 귀중한 통찰을 얻을 수 있다. 아마도 사람들에게 가장 익숙한 것은 재난구호 애플리케이션에 사용되는 열화상 카메라일 것이다. 비상 사태가 발생되었을 때 정보를 얻기 위해서 디스플레이를 내장한 핸드헬드 카메라를 흔히 사용한다. 이 정보란, 붕괴된 건물 안에 갇힌 피해자의 위치일 수도 있고, 화재의 진원지를 찾는 것일 수도 있다. 소방관이 이 정보를 사용해서 화재를 좀더 효과적으로 진압할 수 있다.

열화상 기술은 산업 분야에도 다양한 용도로 널리 활용되고 있다. 예를 들어서 빌딩 검사의 경우에 열화상 기술을 사용해서 비정상적인 온도를 나타내는 구역들을 찾아낼 수 있다. 이것은 절연이 불량하다거나 구조물로 습기가 스며들었다는 뜻일 수 있다.

전기 기술자들은 서모그래피를 사용해서 시스템 내의 과부하 회로, 느슨한 접속, 결함 부품 같은 것들을 찾아낼 수 있다. 회로 내에서 저항이 높은 부위나 화재 위험성이 있는 부위를 찾아낼 수도 있다. 그럼으로써 심각한 손상이나 고장으로 이어지는 것을 미연에 방지할 수 있다.

서모그래피는 비접촉 비파괴 기술이므로, 공장 작업자들이 이 기술을 사용해서 기계 가동을 중단할 필요 없이 기계 상태를 검사할 수 있다. 엔지니어들이 서모그래피를 사용해서 원격적으로 제조 공정에 대한 실시간 이미지를 생성할 수 있다. 열화상 기술이 제공하는 이 정보를 사용해서 비효율적으로 작동하는 기계 장비나 교체가 필요한 부품들을 식별할 수 있다.

열화상 기술을 활용한 의료 분야의 혁신

열화상 기술이 제공하는 정보는 의료 종사자들이 다양한 질병을 식별 및 진단하는 것을 보조하는 용도로도 매우 유용하게 활용될 수 있다. 다만 열화상 기술은 단독으로 사용하기보다는 다른 임상 검사 및 테스트들과 함께 사용해야 한다.

수동적 진단

열화상 기술의 많은 활용 사례는 전적으로 수동적(passive)이다. 다시 말해서 환자에게 해로울 수 있는 방사선을 가하지 않는다. 이것은 엑스선이나 MRI 같은 기술들과 대조적이다. 서모그래피가 이러한 진단 장비들을 완전히 대체할 수는 없을 것이나, 장기적 방사선 노출과 관련한 위험성을 일으키지 않으면서 환자 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

또한 이 기술의 비침습적 특성은 검진을 위한 예비 수술의 필요성을 줄인다. 수술을 해야 하면 감염이나 여타 합병증의 위험성이 있을 수 있다. 그런데 어떤 상황에서는 의료 종사자들이 열화상 기술을 사용해서 좀더 정확한 진단을 할 수 있다. 그럼으로써 불필요한 수술을 피하고 치료에 좀더 집중함으로써 환자의 임상 결과를 좋게 할 수 있다.

서모그래피는 감염병 확산을 줄이거나 막기 위해서도 유용한 역할을 할 수 있다. 의료 종사자들이 특정한 거리에서 환자들을 모니터링 또는 진단할 수 있으므로 장비를 폐기하거나 소독할 필요가 없다. 코로나 팬데믹 때 그랬던 것처럼, 많은 환자들을 신속하게 검사해야 하는 애플리케이션으로 특히 유용하다.

서모그래피는 유방암 검사에도 활용될 수 있다. 비정상적인 온도 패턴이 감지된다는 것은 다른 방법으로는 감지되지 않은 종양이나 여타 이상이 존재한다는 것을 나타낼 수 있다. 그러므로 이 기술을 활용해서 조기에 발견하고 치료할 수 있다. 이 기술은 혈류 측정에도 활용하기에 적합하다. 높은 분해능에 의해서 높은 정밀도로 온도 차이를 검출할 수 있기 때문이다. 이것은 혈관 질환을 진단할 때 특히 유용하다. 열화상을 사용해서 환자의 혈류에 있어서 이상을 식별하고 심부 정맥 혈전증, 말초 혈관병, 맥관염 같은 질환을 진단할 수 있다.

열화상 장비는 감도가 우수해서 조직 내에서 온도가 높은 부위에 관해서 매우 정확한 정보를 제공할 수 있다. 그러므로 의료 종사자들이 신속하게 특정한 치료 전략을 결정할 수 있도록 돕는다. 또한 이 기술을 사용해서 특정 부위로 온도 변화를 시각화함으로써 통증 상태를 평가할 수 있다. 통증의 원인을 식별하고, 신경 기능을 평가하고, 치료 효과를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

형광 이미징(fluorescence imaging)
 

의료용 열화상은 전적으로 환자의 적외선 방사를 수동적으로 검출하는 것에만 의존할 필요가 없다. 서모그래피가 면역치료(immunotherapy)의 한 부분으로 개발되고 있다. 면역치료는 면역 체계를 자극해서 암세포와 싸우도록 하는 것이다.

면역치료 시에 의사들이 형광 이미징이라고 하는 기법을 사용해서 면역 세포를 모니터링한다. 이를 위해서 환자에게 화학적 약물을 주입한다. 이 약물은 종양 세포 주변으로 집중되는 특성이 있다. 이 약물이 근적외선(NIR) 광에 노출되었을 때 형광성을 띤다(다시 말해서 빛을 낸다). 그러므로 암세포 부위를 높은 정확도로 식별할 수 있다.

NIR을 사용하는 것은 환자와 의료 종사자 모두에게 안전하며, 피부 표면 아래로 투과할 수 있으므로 심층 조직에 대한 이미지를 생성할 수 있다. 이 기법을 사용해서 의사들이 면역치료의 효과를 좀더 정확하게 파악할 수 있으므로, 암 환자를 더 잘 치료하도록 도움이 될 수 있다.

건강 애플리케이션

열화상 기술은 전통적인 의료 이외의 애플리케이션에도 사용되고 있다. 예를 들어서 전문적인 선수들이 훈련하는 극한 운동 시에 특정 신체 부위(특히 관절과 근육)로 온도가 37℃가 넘을 때 이것을 스포츠 의학 담당자에게 전송할 수 있다. 이 담당자가 이러한 온도 변화를 좀더 상세하게 분석함으로써, 회복 시간을 단축하고 경기 성적을 높이고 조직 손상의 위험성을 낮추도록 도울 수 있다.

맺음말

첨단 이미지 프로세싱 기술을 기반으로 한 열화상 기술이 의료 분야로 많은 것들을 가능하게 한다. 접촉을 하지 않아도 되고 비침습적인 이 기술이 만성 및 급성 질환 진단을 위해서 중요한 역할을 할 수 있다.

이 기술과 함께 여타의 진단 기법들을 결합함으로써 빠르게 검사하고 실시간으로 분석할 수 있다. 더 나아가서 첨단 이미지 분석 및 인지 소프트웨어를 더함으로써 조기 진단을 위한 강력한 토대를 마련할 수 있다. 조기 진단은 적절한 치료를 좀더 빠르게 시작할 수 있도록 함으로써 환자의 치료 효과를 극대화한다.

전자 부품들이 갈수록 더 축소됨으로써 흥미로운 새로운 기회들을 낳고 있다. 이미 모든 스마트폰에 카메라를 내장하고 있으므로, 열화상 기술이 미래의 의료에 핵심적인 요소로 부상할 수 있지 않을까? 효과적인 치료를 위해서 언제나 중요한 점으로서 되도록 조기에 병을 진단할 수 있도록 한다는 점에서 열화상 기술이 의료 분야를 위해서 필수적인 도구가 되고 있다. 이것이 항생제나 유전자 치료에 필적하는 또 다른 혁신이 될지도 모른다.


저자 소개

데이비드 파이크(David Pike)는 인터커넥트 분야에서 그의 열의와 다방면에 걸친 괴짜스러움으로 잘 알려져 있다. 온라인 필명은 “Connector Geek”이다.