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  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 최상헌 (Sanghun Choi)
      의료영상 해석, 기계학습, 고성능 전산유체역학 기법을 활용하여 호흡기 유체역학에 대한 융합적 연구
      최상헌 (Sanghun Choi)(경북대학교 기계공학부)
      이메일:s-choi at knu.ac.kr
      584 2 1
    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    인체의 기관지를 전산 해석 기법, 예를 들어 영상 정합, 기계학습, 전산유체역학 등의 방법을 활용하여 해석하고, 이러한 기법을 지속적으로 개선해 나가는 연구를 하고 있습니다. 천식이나 만성폐쇄성 폐질환 등의 기관지 관련 질병은 폐 구조 및 기능의 급성 혹은 만성적 변화를 야기할 수 있습니다. 환자의 기존 진단 방법은 대부분 자각증상 및 치료의 반응을 통해 질병 진단을 하였으며 이는 진단하는 의사의 주관적 의견이 개입될 여지가 많습니다. 반면 컴퓨터를 활용한 평가 방법은 의사로 하여금 객관적인 진단을 하는데 도움을 줄 수 있고, 궁극적으로 새로운 치료법 개발에 활용할 수 있습니다. 우리가 수행하는 의-공학 융합 연구는 기계공학 분야에서 다소 생소하며, 실제로 공학적인 관점의 연구가 많이 진행되지 못하여 왔습니다. 복잡한 분지 구조를 가진 기관지는 1분에 약 15회의 주기로 반복적인 호흡을 실시하며, 기계공학에서 배우는 유체/고체/동역학은 이러한 메커니즘을 이해하는데 도움을 줄 수 있습니다. 유사 연구분야로는 순환기 혈류 유동 해석을 생각해 볼 수 있는데, 근본적으로 공기는 혈액과 다른 물리적 성질을 갖고 있고 그에 따라 유동 현상이 확연히 구별되고 고체와 주고 받는 상호 작용 또한 다릅니다. 참고로 순환기에 대한 연구는 기계공학에서 꽤 오랜 기간 동안 의학 분야와 협력 연구를 수행하여 왔고 현재도 진행 중에 있습니다. 이에 반해 호흡기에 대한 공학적 연구는 주로 세포 및 동물 실험에 의존하고 있고, 전산 역학 방법을 통한 연구는 세계적으로 흔치 않고 국내에서는 전무한 실정입니다. 다행인 것은 영상처리, 기계학습, 전산유체역학 등의 컴퓨터 기법은 하드웨어 발전과 함께 꾸준히 진화되어 왔습니다. 우리 연구실은 최신 전산 기법 알고리즘을 자체적으로 구현하고, 이를 바탕으로 기관지 해석을 수행하는데 초점을 맞추어 연구를 진행하고 있습니다. 기계학습 기법과 결합하여 정확한 영상 진단을 하는 것은 흉부영상의학에서도 매우 절실히 요구되는 기술 중 하나입니다. 이 분야에서 저의 기존 대표적 연구 성과는 CT 영상 해석과 전산 기법을 활용하여 다 기관에서 획득한 천식환자 및 만성 폐쇄성 폐질환 환자의 구조 및 기능에 대한 변이를 객관적으로 평가한 것입니다. 최근에는 한국인과 미국인 정상을 비교하여 각 인종이 갖는 폐 구조와 기능을 정량적 비교 분석하였습니다.


    2.본인의 대표 논문을 알려주세요.

    [1] Choi S, Hoffman EA, Wenzel SE, Castro M, Fain S, Jarjour N, Schiebler ML, Chen K, Lin C-L. Quantitative computed tomography imaging-based clustering differentiates asthmatic subgroups with distinctive clinical biomarkers, Journal of Allergy and Clinical Immunology 2017, 140 (3): 690-700, doi.org/10.1016/j.jaci.2016.11.053, IF: 12.485, 5 year IF: 11.476



    [2] Cho HB, Chae KJ, Jin GY, Choi J, Lin C-L, Hoffman EA, Wenzel SE, Castro M, Fain SB, Jarjour NN, Schiebler ML, Barr RG, Hansel N, Cooper CB, Kleerup EA, Han MK, Woodruff PG, Kanner RE, Bleecker ER, Peters SP, Moore WC, Lee CH, and Choi S, Quantitative CT based Structural and Functional Features in Korean Asian Compared with White American, Korean Journal of Radiology 2019; Recently accepted

    [3] Choi S, Choi J, Lin C-L. Contributions of Kinetic Energy and Viscous Dissipation to Airway Resistance in Pulmonary Inspiratory and Expiratory Airflows in Successive Symmetric Airway Models With Various Bifurcation Angles, Journal of Biomechanical Engineering 2018 Jan; 140 (1): 011010, doi: 10.1115/1.4038163, IF: 2.057

    [4] Choi S, Hoffman EA, Wenzel SE, Castro M, Fain S, Jarjour N, Schiebler ML, Lin C-L. Quantitative assessment of multiscale structural and functional alterations in asthmatic populations, Journal of Applied Physiology 2015;118 (5):1286-1298, DOI: 10.1152/japplphysiol.01094.2014, IF: 3.351

    [5] Choi S, Miyawaki S, Lin C-L. A Feasible Computational Fluid Dynamics Study for Relationships of Structural and Functional Alterations with Particle Depositions in Severe Asthmatic Lungs, Computational and Mathematical Methods in Medicine 2018 July; doi.org/10.1155/2018/6564854, IF: 1.545


    3. 현대기아자동차 연구소에서 근무하셨다고 아는데. 현재는 폐의 전산 유체 해석을 주로 하고 계신 것으로 압니다. 연구의 특별한 계기가 있으셨는지 궁금합니다.

    현대기아자동차 연구소에서 기술기획지원 업무를 담당 하였습니다. 구체적으로 연구소 전체 인력 및 예산 등을 관리하였고, 센터 내 소속되어 있는 설계, 시험, 해석 그룹의 연구센터 결과를 종합하여 최고위층 임원들의 보고서 작성이나, 발표 자료 제작 등의 업무를 담당 하였습니다. 연구소에 있는 다른 센터에 비하여 제가 소속되었던 차량기술센터는 석사 및 박사 비중이 높은 조직이라 연구하고 있는 내용들은 차량의 설계 및 제작보다는 향후 개발을 위한 선행기술 개발에 있었습니다. 연구소의 다양한 석/박사 연구원들과 접하면서 해석 연구의 중요성을 이해하게 되었고, 특히 유체역학 학문 분야에서 해결하지 못한 문제가 여전히 많다는 이야기를 듣고, 더 깊이 연구해보고자 하는 열정이 생겼습니다.
    이를 계기로 서울대 유정열 교수님 연구실로 석사과정을 진학하였는데, 대부분의 전산유체역학해석은 유한체적법 혹은 유한차분법을 활용하여 연구를 수행하는데 반해, 제 석사 연구실에서는 유한요소법을 활용하여 전산유체역학을 수행하고 있었습니다. 이 기법을 통해 표면장력을 고려한 2상유동 해석에 대한 연구를 실시하였고 석사학위를 받을 수 있었습니다. 이러한 경험들은 자연스레 유한요소법을 활용하여 기관지 유동 해석에 대한 연구를 수행하고 있던 아이오와대학 박사과정 진학으로 이어졌습니다. 기관지 구조와 같은 생체 형상은 구조의 복잡성 때문에 유한요소법을 사용하는 것에 장점이 있습니다. 미국에서 연구를 하며 CT 영상 등을 포함한 복잡한 데이터를 많이 다루게 되었는데, 이 때 현대기아자동차 연구소에서 수행하였던 데이터 관리 등의 경험은 제 연구에 기초 능력으로 활용할 수 있었습니다.




    4. 연구를 위한 데이터 확보의 어려움이 예상됩니다. 어떻게 협업을 하시거나 기관의 도움을 받고 계신지 궁금합니다.

    흉부 영상 데이터는 현재에도 많은 병원에서 획득하고 있고 그렇기 때문에 목적이 있고 얻고자 한다면 많은 수의 영상을 획득할 수 있습니다. 그러나 CT 영상은 기관마다 다른 영상 장치를 사용하여 획득하고 있고 구체적 획득 방법도 상당히 차이가 납니다. 이러한 근본적 차이는 CT 밀도의 차이를 야기하며 그로 인해 다 기관 비교가 어렵고 심지어 같은 기관의 데이터도 비교하기 어려운 경우가 많습니다. 그러므로 문제는 데이터의 획득 자체보다 얼마나 질 높은 데이터를 획득할 수 있느냐의 문제가 있습니다. 기존 아이오와에서 근무한 네트워크를 활용하여 아이오와대학 영상의학과의 Eric Hoffman교수님, 기계공학과의 Ching-Long Lin 교수님과 지속적인 협력 연구를 수행하고 있습니다. 아이오와대학은 CT 영상 획득 분야에서 선도적인 기술을 보유하고 있으며, 그로 인해 많은 다 기관 CT 영상 연구에 참여하고 있습니다. 아이오와대학이 참여하고 있는 대표적인 다 기관 연구로는 Severe Asthma Research Program (SARP)와 SubPopulations and InteRmediate Outcome Measures In COPD Study (SPIROMICS) 등이 있는데, 각각 천식과 만성폐쇄성 폐질환 연구이며 미국의 National Institute of Health (NIH) 후원을 받아 10개 기관 이상이 참여하고 있는 큰 프로젝트입니다.
    한국에서는 서울대병원, 경북대병원, 전북대병원, 강원대병원 등과 협력 연구를 수행하고 있습니다. 전북대 병원은 질병 군의 대조 군으로 200명 이상의 정상인 데이터를 확보하였고, 강원대 병원은 시멘트 분진 노출 환자에 대한 연구를 위해 200명 이상의 분진 노출 CT를 확보한 상태입니다. 이외에도 경북대병원을 중심으로 한국 다 기관 천식 연구인 COREA (the COhort for Reality and Evolution of adult Asthma in Korea) 의 도움을 받아 천식발작으로 인한 기관지 변화 및 회복 양상에 대한 연구도 수행하고 있습니다. 이외에도 융합적 연구를 함께 하고자 하는 기관을 찾고 있으며, 그를 바탕으로 연구 대상 수와 범위를 점점 늘려나가고 있습니다.


    5. 연구과정에서 어떤 극복해야 할 문제나 문제가 있는지? 그리고 이를 어떻게 해결하셨는지요?

    박사과정 초기에 받았던 주제는 천식과 정상인을 전산유체역학 기법을 활용하여 정량적으로 비교하는데 있었습니다. 처음에 아무런 생리학적 지식 없이 접근하였고, 단순히 비교하였을 때는 예상과 달리 두 그룹간의 차이가 크지 않다는 결론이 얻어졌습니다. 그런데 데이터를 자세히 분석하다 보니 세 개의 다른 센터에서 얻어진 데이터 값 간의 차이가 상당하다는 것을 알게 되었습니다. 이러한 차이를 보정하기 위하여 보정 식을 개발하였고 센터 간의 차이를 극복하는 획기적인 방법을 제안할 수 있었습니다.
    이외에도 인간 대상의 연구는 각 대상이 갖고 있는 특성이 있습니다. 예를 들면 남성이 여성에 비해 기관지가 크고 키가 크고 나이가 많은 사람일수록 수력 직경이 커지는 특징이 있습니다. 기존 대부분의 비교 연구가 이러한 차이에 대한 이해 없이 진행되다 보니 생리학적인 결과와 상반된 결과가 도출되곤 하였습니다. 이러한 차이를 보정하기 위해 통계적인 기법을 사용하여 보정 식을 도출하였고, 보정 식 적용 후 천식 질병으로 인한 구조와 기능의 변화를 정상인으로부터 정량적으로 비교할 수 있었습니다.




    6. 2017년에 조교수로 부임되신걸로 압니다. 연구소 생활과 교수 생활은 어떤 차이가 있는지, 어떤 어려움이 있는지 궁금합니다.

    조교수로 부임하기 전 미국 아이오와대학에서 박사 후 과정 및 연구과학자로 근무하였습니다. 이 때는 주어진 프로젝트에 따라 연구에만 몰두할 수 있었고, 결과에 대한 논문 작성만이 요구되었습니다. 당시와 현재 교수로서의 생활에 가장 큰 차이는 요구되는 역할의 증가에 있는 듯 합니다. 현재 교수로서 저의 역할은 연구는 기본적으로 잘 수행해야 하고, 학생들을 잘 지도하고 능력을 키워주기 위해 지속적으로 도와주어야 하는 역할도 수행해야 합니다. 결국 제가 가지고 있는 지식과 능력을 전달하고, 학생들이 제가 가지고 있는 기술을 뛰어 넘는 연구자로 키워내는 것이 필요합니다. 교육은 단순히 지식의 전달 뿐만 아니라 학생에 대한 인내, 관심 및 애정이 지속적으로 수반되어야 한다는 것을 점점 깨닫고 있습니다. 이 점에서 부족하다는 것을 많이 깨닫고 정진하기에 힘쓰고 있습니다.


    7. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

    IIHR Hydroscience and Engineering이라는 연구 기관에서 근무하였는데, 다양한 전공들이 모여 수력학 연구를 합니다. 특히 홍수, 강수량, 및 강물의 흐름에 대한 분석에 있어서는 타의 추종을 불허합니다. 이외에도 아이오와대학교는 미국 전역에서 몇 손가락 안에 드는 좋은 대학병원을 보유하고 있습니다. 이러한 장점을 통해 의공학 연구가 활발히 진행되고 있고, CT를 활용한 영상 의학적 연구는 매우 우수한 편입니다. 이러한 강점을 바탕으로 전자공학, 및 의공학과에서 영상 분석 기법 및 해석에 대하여 집중하고 있고, Software를 활용한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있습니다.
    제 박사 지도교수인 Ching-Long Lin 교수님은 Stanford 대학에서 CFD 분야의 박사학위를 받으셨고, 기관지 유동 관련 연구를 15년 가량 수행하고 계십시다. CFD 분야에 대한 지식이 해박 하셔서 비교적 늦은 진입에도 불구하고 연구실을 이 분야의 선도 그룹 이끄셨고, 현재는 AIMBE, ASME와 APS의 Fellow로 활발하게 학술활동을 이어가고 계십니다.


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    전체댓글 1

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    |2019.05.29
    기계공학분야에서도 조금만 눈을 돌리면 다양한 분야에서의 연구가 가능한거 같습니다.
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