[연구필요성]
상어는 척추동물 계통수에서 유악 척추동물 분기점의 기저에 위치하여 진화 연구의 핵심 대상이며, 면역학, 생식생물학, 진화유전학 등 다양한 분야에서 중요한 연구 대상임. 현재 연골어류의 약 37%가 멸종위기종으로 분류되어 있어 보존을 위한 기초 연구가 시급한 상황임. (상어는 연골어류로 내부골격은 연골 외부는 경골)
상어의 연골성 골격은 매우 연약하여 전통적인 표본 준비 과정에서 쉽게 손상되어 해부학적 표지점이 손상되고 측정 정확도가 떨어지는 문제가 있었음. CT 스캔을 통한 3차원 영상 분석이 대안으로 제시되었으나, 상어 피부의 고밀도 피치(dermal denticles)가 내부 구조 관찰을 방해하는 문제가 있었음. (외부가 경골이라 X-ray, CT 등 영상촬영이 불가능)
피부 소치의 높은 전자 밀도로 인해 밀도 임계값 조정만으로는 내부 연골 구조의 정확한 관찰이 불가능하며, 기존의 물리적 제거나 수동 삭제 방법은 하부 구조의 무결성을 손상시킬 위험이 있었음. 이러한 단점을 해결할 수 있는 방법론에 대한 연구가 필요하였음.
[연구성과/기대효과]
본 연구에서는 서울대학교 박세창 교수 연구팀과 한양대학교 김덕수 교수 연구팀에서 SKINPEELER라는 기하학적 AI 기반 소프트웨어를 개발하여 피부 소치층을 선택적으로 제거하는 데 성공하였음. 보로노이 다이어그램과 클러스터링 알고리즘을 활용한 머신러닝 기법을 적용하였으며, 개발된 소프트웨어는 정확하고 빠른 표피 제거 능력을 보여주었음. 20마리 상어 CT 스캔을 분석한 결과, 전통적인 수동 측정 대비 86.16-98.52%의 높은 정확도를 보였음. 측정자 간 재현성(ICC: 0.456-0.998)과 측정자 내 반복성(ICC: 0.985-1.000)이 모두 우수한 수준을 보였음. (기하학적 AI 기반 소프트웨어를 개발 외부골격 영상을 제거)
SKINPEELER는 InVesalius 3, 3D Slicer 등 기존 의료영상 처리 소프트웨어 대비 선택적 추출, 자동화 처리, 구조적 무결성 보존, 데이터 보존 측면에서 우수한 성능을 입증하였음.
[본문]
상어는 척추동물 진화의 핵심 연구 대상이지만, 연골로 이루어진 골격의 연약함 때문에 정밀한 해부학적 분석에 어려움이 있었음. 특히 상어 피부를 덮고 있는 '피치(꼬추냉이를 가는 데 쓰일 정도로 샌드페이퍼 같음)'라는 작은 치아 같은 구조는 CT 스캔 시 높은 밀도로 인해 내부 골격 관찰을 방해하는 주요 장애물이 됨.
연구진은 이 문제를 해결하기 위해 SKINPEELER라는 기하학적 AI 소프트웨어를 개발하였음. 해당 소프트웨어의 실질적 검증을 위하여 수행한 20마리 야생상어를 대상으로 한 검증 실험이 서울대 박세창 교수 연구팀을 필두로 강원대-Tung Wah College(홍콩)-제주대와의 광범위한 협력연구를 통해 수행되었으며, 그 과정에서 SKINPEELER는 기존 수동 측정 방법 대비 86-98%의 높은 정확도를 보였음. 또한 측정의 재현성과 반복성 모두 95% 이상의 우수한 신뢰도를 입증하였음. 한양대학교 보로노이 리더연구단(김덕수 교수)이 개발한 이 프로그램은 머신러닝 알고리즘을 활용해 CT 스캔에서 피치층만을 선택적으로 제거하면서도 하부 해부학적 구조는 완벽하게 보존함. 마치 사과껍질을 벗기듯 정교하게 피부층만 디지털로 제거하는 이 기술은 보로노이 다이어그램과 클러스터링 알고리즘을 결합한 독창적인 접근법임.
현재 연골어류의 37%가 멸종위기에 처한 상황에서, 이 기술은 상어의 진화사, 지리적 변이, 개체군 연구에 새로운 가능성을 열어줌. 무엇보다 귀중한 표본을 손상시키지 않고도 정밀한 분석이 가능해져, 멸종위기종 연구에 큰 도움이 될 전망임.
연구진은 이 소프트웨어를 MIT 라이선스로 GitHub에서 무료 공개하여, 전 세계 연구자들이 활용할 수 있도록 하였으며, 이는 상어 연구뿐만 아니라 다른 연골성 구조를 가진 생물체 및 거북류와 같은 연구에도 광범위하게 응용될 수 있을 것으로 기대됨.
[연구결과]
Digital removal of dermal denticle layer using geometric AI from 3D CT scans of shark craniofacial structures enhances anatomical precision
Sang Wha Kim, Adams Hei Long Yuen, Hyun Woo Kim, Seyoung Lee, Sung Bin Lee, Young Min Lee, Won Joon Jung, Cherry Tsz Ching Poon, Dasol Park, Sangyun Kim, Sang Guen Kim, Jung Woo Kang, Jun Kwon, Su Jin Jo, Sib Sankar Giri, Hyunjung Park, Jong-pil Seo, Deok-Soo Kim, Byung Yeop Kim & Se Chang Park
(Scientific Reports, https://www.nature.com/articles/s41598-025-04442-1)
- ○피치 : 상어류 어종의 표피를 덮고 있는 비늘의 한 종류로, 동물의 이빨과 유사한 해부구조를 지고 있어 영상의학적 데이터상에서 뼈나 이빨과 같이 높은 intensity의 이미지로 인식됨
[그림설명]
그림 1. SKINPEELER 소프트웨어의 도식
(위쪽 왼쪽이 일반적 상어의 CT영상, 위쪽 오른쪽은 처리 후 CT영상)
그림 2. SKINPEELER 적용 전/후 상어 세부 해부구조 인식 가능 범위 차이
(왼쪽이 일반적 상어의 CT영상, 오른쪽은 처리 후 CT영상)