폐기종(pulmonary emphysema)은 만성 기관지염 등과 함께 만성 폐쇄성 폐질환 (chronic obstructive pulmonary disease)을 유발하는 질환의 하나이다. 병리학적으로는 폐기종을 ‘종말세기관지 이하 단위에서 공기를 보관하는 공간이 뚜렷한 섬유화 없이 폐포벽이 파괴되어 비정상적, 그리고 영구적으로 확장되는 질환’으로 정의한다(1). 과거에는 흉부 X선 사진에서 폐기종을 진단하는 경우가 많았다. 하지만 최근에는 특히 흡연력이 있는 환자들을 대상으로 검진 목적의 저선량 CT 검사가 널리 보급되면서 CT를 통해 보다 초기 소견의 폐기종이 진단되는 경우가 많아지고 있다. CT는 폐기종의 진단에 있어 흉부 X선 사진에 비해 민감도와 특이도가 높은 영상 검사이다. CT 검사에서 폐기종의 소견은 이환된 부위의 음영이 정상 폐실질의 음영에 비해 낮게 나타나는 것이며, 폐기종이 진행될 때에는 폐 용적이 증가하며, 이와 동반하여 해당 부위에 혈액을 공급하는 폐혈관의 굵기가 감소한다(2, 3) 이러한 폐기종은 폐기능을 악화시킬 뿐 아니라 폐암의 주요 위험인자로 알려져 있어(4) 주의 깊은 관리와 추적관찰이 필요하다. 폐기종을 진단하고 추적관찰할 때 폐기종의 중증도를 평가하는 것은 필수적으로, 그 방법론 중 여기에서는 시각적 분류와 정량적 분석을 주로 다루며, 최근 이루어지고 있는 딥러닝 연구를 일부 소개하고자 한다.

폐기종을 시각적으로 분류할 때 크게 세 가지 형태로 분류할 수 있으며, 각각의 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다. 첫째, 중십소엽성 폐기종(centrilobular emphysema)은 여러 개의 1 cm 이하의 저음영 부위가 2차폐소엽(secondary pulmonary lobule)의 중심 부위에 나타난다. 둘째, 중격주위 폐기종(paraseptal emphysema)은 2차폐소엽 주변부 혹은 흉막주변부(juxtapleural area)에 위치하는 저음영 영역으로 나타난다. 이 두 가지 유형은 모두 폐 상부에 더 중점적으로 분포하게 된다. 셋째, 범소엽성 폐기종(panlobular emphysema)은 광범위한 폐소엽의 파괴를 동반하는 유형으로 알파1-안티트립신 유전자 이상과 관련이 있으며(5, 6), 한국인에서는 비교적 드문 것으로 알려져 있다. 이처럼 시각적으로 분류한 폐기종의 세 가지 유형을 병변의 분포와 중증도에 따라 조금 더 세분화할 수 있고, 2015년 Fleichner Society에서 제안한 방식이 많이 쓰이고 있어 이에 따라 각각의 영상 소견을 요약해보고자 한다(7).

중심소엽성 폐기종(Centrilobular Emphysema)

CT에서 중심소엽성 폐기종은 정상 폐로 둘러싸인 비교적 작고 둥근 형태의 저음영 영역으로 나타난다. 중심소엽성 폐기종은 흡연자에게서 발견되는 가장 흔한 형태의 폐기종이며 대부분 폐 상부에서 더 심하다. 저음영 영역은 중증이 아닐 경우 1 cm 이하의 크기이지만, 1 mm 미만에서 3 cm 이상까지 다양한 크기로 나타날 수 있다. 중심소엽성 폐기종은 심한 정도에 따라 5가지로 분류할 수 있다(7). 이 중 극미한 중심소엽성 폐기종(trace centrilobular emphysema)은 폐 영역~5%를 차지하는 것을 말한다(Fig. 1). 중등도 중십소엽성 폐기종(moderate centrilobular emphysema)는 여러 이차 폐소엽에 걸쳐 있는 형태로 보이는 기종으로, 폐 구조의 왜곡이나 파괴를 동반하지는 않는다(Fig. 2). 융합성 중심소엽성 폐기종(confluent centrilobular emphysema)은 중심소엽성 폐기종의 심한 형태로, 대부분의 저음영 영역에서 벽구조가 소실되고 일부 매우 얇게 보이는 벽구조만 남아 있게 된다(Fig. 3). 하지만 더 심한 형태인 진행성 파괴형 폐기종(advanced destructive emphysema)과 비교하면 폐기종과 폐기종 사이에 남아 있는 정상 폐가 보이고, 폐의 구조적 변형이 두드러지지 않으며, 이차폐소엽 자체의 크기나 혈관의 크기는 비교적 유지되어 있다. 진행성 파괴형 폐기종은 중심소엽성 폐기종의 가장 심한 형태로, 폐의 구조적 변형을 동반하며 소엽간중격의 위치가 밀려 있고 폐의 전반적인 음영 저하를 보인다(Fig. 4).

Fig. 1
Mild centrilobular emphysema. Centrilobular lucencies involve less than 5% of the upper lobes, separated by a large area of the normal lungs.

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Fig. 2
Moderate centrilobular emphysema. Centrilobular lucencies involve more than 5% of the lung parenchyma, with upper lung predominance.

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Fig. 3
Confluent centrilobular emphysema. Relatively large and multiple centrilobular and lobular lucencies are shown without distortion of the pulmonary architecture.

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Fig. 4
Advanced destructive emphysema. Large, panlobular lucencies with distortion of the pulmonary architecture and the hyperexpansion of secondary pulmonary lobules are shown.

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중격주위 폐기종(Paraseptal Emphysema)

중격주위 폐기종은 말단부 세엽(distal acinus)을 침범하는 형태의 폐기종으로, CT에서는 흉막과 엽간열에 닿아 있는 저음영 병변으로 나타난다(8, 9). 경도의 중격주위 폐기종(mild paraseptal emphysema)은 크기가 작고(≤ 1 cm) 경계가 잘 구분되는 둥근 모양의 흉막하 기종으로 흉막의 가장자리를 따라 위치한다(Fig. 5). 이보다 심한 형태인 실질성 중격주위 폐기종(substantial paraseptal emphysema)은 대부분 크기가 큰(> 1 cm의 직경) 흉막하 기종으로서, 폐첨부 뿐 아니라 다른 폐 영역을 침범하며 역시 흉막의 가장자리와 엽간열을 따라 분포한다(Fig. 6). 중격주위 폐기종은 상대적으로 폐기능의 장애가 뚜렷하게 나타나지 않는 경우가 많다(10). CT에서는 벽이 뚜렷하게 보이는 흉막하 저음영 병변으로 나타나기 때문에 벌집폐와 유사할 수 있지만, 일반적으로 중격주위 폐기종의 병변은 벌집폐의 병변보다 크고 다른 폐섬유화 소견을 동반하지 않기 때문에 구별할 수 있다. 폐 상부에서 경미한 흉막하 저음영 병변들은 폐기능의 장애를 유발하지도 않고 비흡연자에게서도 드물지 않은 소견이기 때문에 5개 이하, 1 cm 이하의 작은 폐첨부 병변은 진단적 가치가 없다(11, 12).

Fig. 5
Mild paraseptal emphysema. A few small and round juxtapleural lowattenuating lesions align along the pleural margin. The patient shows no obvious impairment of pulmonary function.

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Fig. 6
Substantial paraseptal emphysema. Multiple, relatively large cystlike juxtapleural low-attenuating lesions involve more than the pulmonary apices.

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최근 El Kaddouri 등(20)은 흡연력이 있는 환자군의 CT 영상에서 폐기종의 시각적 분류가 질병의 진행을 예측하는 인자임을 보고한 바 있다. 이는 폐기종 환자의 현재 상태를 평가할 때 뿐 아니라 예후를 예측하고 치료 방향을 정할 때에도 폐기종의 시각적 분류가 유용함을 보여주는 것이다. 또한 Lynch 등(21)은 폐기종의 정량적 중증도 평가를 보정했을 때에도 시각적 분류가 독립적으로 폐기종 환자의 사망률과 연관된 유의한 인자임을 발표한 바 있다. 이는 음영 마스크법이나 백분위 지점 평가법 등의 정량적 평가만으로는 평가하기 어려운 폐기종의 중증도가 시각적 분류를 통해 보완적으로 이뤄질 수 있음을 보여주는 것이다. 이밖에도 많은 연구자들이 폐기종의 시각적 분류와 정량적 중증도가 가지는 임상적 의미를 밝혀내는 연구를 수행하고 있어 앞으로도 그 결과가 주목된다.

병렬연산 처리 능력의 급격한 발전과 함께 딥러닝을 이용한 영상의학 연구가 폭발적인 증가 추세에 있으며, 폐기종 연구에도 딥러닝이 활발하게 이용되고 있다. 흉부 CT 영상에서의 딥러닝 연구는 주로 3차원 콘볼루션 신경망(three-dimensional convolutional neural network) 기술을 이용하고 있는데, 이를 비롯한 딥러닝의 다양한 공학적 연구 방법론은 본 종설의 범위를 벗어나는 내용으로 자세하게 다루지는 않겠지만, 주목할 만한 일부 연구를 소개하고자 한다(Table 1).

Table 1
List of Recently Published Papers on Deep Learning for Emphysema

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딥러닝을 이용한 폐기종 연구는 그 범위가 다양하지만 크게 1) 딥러닝을 이용한 폐기종 자동 검출, 2) 딥러닝을 이용한 폐기종의 중증도 분류, 3) 딥러닝을 이용한 폐기종의 예후 예측, 그리고 기타 연구로 분류할 수 있다. Zhao 등(22)은 극저선량 CT에서 폐기종을 보다 정확히 평가하기 위해 딥러닝을 활용한 연구를 발표한 바 있는데, 폐기종을 정량적으로 측정하기 어려운 극저선량 CT에서 딥러닝의 유용성을 보여주고 있다. Jin 등(23)은 저선량 CT에서 폐기종의 정량적 평가 신뢰성을 높이기 위해 딥러닝을 활용한 것을 보고하였으며, 이는 영상의학 분야에서 최근 주목받고 있는 후처리 작업에 딥러닝의 도움을 받는 노력의 일환이다. Bak 등(24)은 딥러닝을 이용해 CT 촬영 시 커널 차이에 의한 폐기종의 정량 지수 차이를 보완할 수 있음을 발표하였으며, 이 또한 딥러닝을 영상검사의 후처리에 활용하여 영상 간의 차이를 최소화하려는 노력의 성과라 할 수 있다. Humphries 등(25)은 딥러닝을 이용해 폐기종의 시각적 분류를 추정하는 것이 폐기능과 사망률과 유의한 상관관계를 보임을 보고하였는데, 딥러닝을 진단이나 예후 예측에 활용할 수 있다는 예시를 보여준 것이다. 또 Hasenstab 등(26)은 딥러닝을 통한 폐기종의 중증도 분류가 질환의 중증도를 평가하고 예후를 추정할 때 폐기능 검사와 함께 사용될 수 있음을 보고하였다. 한편 폐기능 검사 결과에 딥러닝 기법을 적용하여 만성폐쇄성폐질환의 CT 분류를 예측하는 데 성과를 보인 최근의 연구도 있다(27).

이밖에도 딥러닝을 활용한 폐기종 연구는 다양한 관점에서 이루어지고 있고, 그 일부는 상품화 되고 있다. 딥러닝을 비롯한 다양한 알고리즘의 개발과 적용은 무한한 가능성을 가지고 있는 것으로 보인다. 하드웨어의 발전과 함께 알고리즘은 지금까지 계속 수정, 보완, 발전되어 왔고 앞으로도 그럴 것으로 생각하는 것이 타당하다. 하지만 앞서 언급한 정량화 분석의 한계점과 마찬가지로 여러 검사 조건의 차이를 보정하는 것을 신뢰할 수 있느냐의 문제에 더해, 같은 영상에서도 서로 다른 알고리즘 간에 동일한 결과값을 산출하지 않는다는 알고리즘 본연의 문제가 지적되고 있다. 현재 개발되거나 상품화되어 있는 상당수의 인공지능 알고리즘은 대부분 적절한 임상 검증이 되어 있지 않으며, 이를 적극적으로 받아들이고 활용하기 위해서는 지속적인 검증, 평가, 보완 및 제도적 뒷받침이 필요할 것으로 보인다.

CT는 폐기종을 정확하게 진단하고 평가하는 유용한 검사이다. CT에서 폐기종의 중증도를 평가하기 위해 크게 시각적 분류와 정량적 분석 두 가지 방법이 사용되고 있으며, 최근에는 딥러닝을 활용한 연구도 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 폐기종의 중증도 분류는 다양한 방면으로 임상적 유용성이 검증되고 있지만 신뢰성을 향상시켜야 한다는 숙제가 남아 있다.