기존 의료 광학 영상의 한계, 세계 최초‘초음파 조직 투명화’기술로 극복!
- DGIST 장진호·황재윤 교수 공동연구팀, 초음파에 의해 만들어진 공기방울 층 활용해 광 집속 깊이를 증가시킬 수 있음을 세계 최초로 밝혀
- 초음파와 광 영상 전문가의 융합연구로 광 영상 및 치료 깊이의 물리적 한계를 극복할 수 있을 것으로 기대돼
DGIST(총장 국양) 전기전자컴퓨터공학과 장진호․황재윤 교수 공동 연구팀이 초음파에 의한 공기방울을 활용해 생체조직을 더 깊고 세밀하게 관찰할 수 있는 광학 현미경 기술을 세계 최초 개발했다고 19일(월)밝혔다.
광 영상 및 치료 기술은 생명과학 연구와 임상에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 생체 조직 내에서 발생하는 광 산란(optical scattering) 때문에 내리쬔 광이 투과할 수 있는 깊이가 낮아 심부조직의 영상획득과 치료에 태생적 한계가 존재한다. 이로 인해 활용분야 확대에 큰 걸림돌이 되고 있다.
이를 극복하기 위해 2017년에 장진호 교수팀은 초음파를 쬐었을 때 생체조직에 생성되는 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들을 활용했다. 초음파에 의해 일시적으로 생성되는 공기방울들은 빛의 진행방향으로 광산란을 일으키는 현상을 이용해 빛의 투과깊이를 증가시킬 수 있는 기술을 개발한 바 있다.
나아가 장진호․황재윤 교수 공동연구팀은 공기방울을 이용한 광 영상 기술의 적용 범위를 넓히는 데 주목했다. 공초점 형광 현미경은 쬔 빛의 초점면에서 발생하는 형광 신호를 선택적으로 검출해 암세포와 같은 미세조직 구조정보를 고해상도, 고대조도 영상으로 제공해주는 기기이다. 암, 뇌 조직검사를 빠르게 진행할 수 있어 생명과학 연구에서 가장 널리 사용되고 있다. 그러나, 생체조직 내부에서 발생하는 광의 산란에 의해 백 마이크로미터를 초과하는 깊이에서는 광 초점이 흐려져 활용분야와 효용성에 있어 극히 제한적이다.
공초점 형광 현미경과 같은 광학 영상의 획득 가능 깊이를 증가시키기 위해서는 조사한 빛을 구성하는 광자가 생체조직 내에서 광 산란에 의해 진행방향이 왜곡되는 현상이 없어야 하나 이, 문제를 극복하기에는 조직 내에 산재되어 생성되는 공기방울들 만으로는 한계가 있었다.
이에 본 공동연구팀은 초음파를 이용해 생체조직 내부에 공기방울들이 촘촘하게 채워져 있는(공기방울 밀도 90%이상) 공기방울층을 원하는 영역에 생성할 수 있는 기술과 영상을 획득하는 동안 생성된 공기방울들을 유지할 수 있는 기술을 개발했다. 이 공기방울층에서는 광자의 진행방향에 왜곡이 없어 더 깊은 생체조직 내에도 광집속이 가능함을 실험적으로 증명했다. 또한, 이 기술을 공초점 형광 현미경에 적용해 기존 대비 6배 이상의 공초점 형광 현미경의 영상 깊이를 확보할 수 있는 광 투명화 역할을 하는 초음파 조직 투명화 기술을 적용한 현미경(UltraSound-induced Optical Clearing Microscopy; US-OCM)을 세계 최초로 개발했다.
특히, 본 연구에서 개발한 초음파 조직 투명화 현미경은 초음파 조사를 멈추면 생성되었던 공기방울들이 사라지고 생체조직에 어떠한 손상도 일어나지 않을 뿐만 아니라 공기방울 생성 전의 광학 특성으로 돌아가는 것을 확인해 생체에 무해함을 시사한다.
DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수는 “초음파와 광영상 전문가의 긴밀한 협업을 통해 기존 광 영상 및 치료 기술의 태생적 한계를 극복할 수 있었다.” 며, “본 연구를 통해 확보한 기술은 향후 다양한 광영상(다광자 현미경, 광음향 현미경 등)과 광치료(광열치료, 광역동치료 등) 기술에 적용해 영상 및 치료 깊이를 증가시켜 기존 기술의 활용분야와 효용성 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.
한편, 이번 연구 성과는 광학 분야의 가장 저명한 글로벌 학술지인 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics, IF=39.728)’에 9월 5일자로 발표됐다. 아울러, 이번 연구는 삼성미래기술육성사업 지원을 통해 이루어졌다.
연구결과개요
Deep laser microscopy using optical clearing by ultrasound-induced gas bubbles
(Haemin Kim (DGIST), Sangyeon Youn (DGIST), Jinwoo Kim (DGIST),
Sunghun Park (Sogang Univ.), Moonhwan Lee (DGIST), Jae Youn Hwang (DGIST)
and Jin Ho Chang (DGIST))
(Nature photonics, on-line published on 05 September, 2022)
공초점 형광 현미경은 생체조직에 빛을 조사한 후 빛이 집속된 생체조직 영역에서 발생하는 형광 신호를 선택적으로 검출해 세포와 같은 미세조직 구조정보를 3차원 고해상도, 고대조도 영상으로 제공해주는 기기로 생명과학 연구 및 임상에서 널리 사용되고 있다. 고해상도, 고대조도 영상의 획득은 조사한 광이 집속되는 깊이에서만 가능하나, 생체조직 내 광산란(optical scattering)으로 인해 광집속이 가능한 깊이는 백 마이크로미터로 이하로 매우 낮아 심부조직 영상에 한계가 존재해왔다. 따라서 이를 극복하기 위해 광이 생체조직을 통과하면서 발생하는 광산란 현상을 미리 측정해 광산란이 일어난 후 원하는 위치에 광이 집속되도록 광파면의 모양을 바꿔 조사하는 방법을 기반으로 하는 다양한 기술이 발표되었으나, 수 마이크로미터의 영상영역에 대한 광파면 조절작업에 소요되는 시간이 수십 분으로 사용 가능한 응용분야는 아직까지 매우 제한적이다.
본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 초음파를 이용해 영상 평면 아래에 공기방울이 촘촘히 분포해 있는 층을 일시적이고 국부적으로 생성해 광산란을 최소화함으로써 원하는 영상 평면에 광을 집속시킬 수 있는 기술을 개발하였고, 이를 공초점 형광 현미경에 적용해 영상성능을 평가하였다. 이 방법에서 공기방울 층은 원하는 깊이에서 고강도 펄스 초음파에 의해 생성된 후 이미징 중에 저강도 연속 초음파에 의해 유지된다. 그 결과, 공기방울 층에서 광학 산란 및 입사 광자의 전파 방향의 원치 않는 변화가 최소화되어 조사한 광은 더 깊은 영상 평면에 초점을 맞출 수 있다. 생체조직모사팬텀 및 생체 외 실험을 통해 개발한 초음파 유도 광 투명화 현미경이 기존 현미경의 해상도와 유사한 해상도를 제공하면서도 영상 깊이를 6배 이상 증가시킬 수 있음을 증명하였다.
연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
광 영상과 치료기기의 효용성 확대를 위해서는 생체조직 내에서의 광 침투 깊이 증가가 가능한 기술 개발이 필요하며, 관련해 기존연구는 매질의 광산란 현상을 미리 관측한 후 이 정보를 이용해 원하는 깊이까지 광 에너지가 전달될 수 있도록 광파면을 바꾼 후 광을 다시 조사하는 과정을 기본으로한 영상을 얻기 위해 많은 시간과 복잡하고 값비싼 장비를 요구하는 연구가 대부분을 차지하고 있다. 이번 연구 결과는 초음파를 이용해 광산란 매질에 일시적으로 공기방울이 촘촘히 채워져 있는 층을 생성시킴으로써 매질에 광 투명화를 유도하여 광 초점이 흐려지지 않고 광을 심부조직까지 집속시킬 수 있는 기술로, 공초점 현미경에 적용해 해상도 및 영상획득 시간의 저하 없이 심부조직에 대한 3D 영상을 획득할 수 있는 전 세계에 보고된바 없는 독창적이면서도 상대적으로 간단하고 빠르게 영상을 획득할 수 있는 기술이다. 이는 광 산란에 의해 낮은 투과 깊이를 가지는 광의 본질적인 문제를 해결한 기술로 다양한 광학 영상 및 치료 기술에 손쉽게 접목할 수 있어 기존 광 영상 및 치료 기술의 응용분야를 확대시킬 수 있어 그 임팩트가 크다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
개발 기술을 통해 낮은 영상 깊이의 한계로 인해 응용분야와 효용성이 제한적이었던 기존 공초점 현미경의 문제를 획기적으로 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 낮은 영상 깊이와 치료 깊이로 인해 그 쓰임새에 한계가 있었던 다른 광영상 및 광치료 기술에 접목해 기존기술의 쓰임새를 확대시킬 수 있다.
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
개발 기술이 광학 현미경의 영상 성능을 향상시킬 수 있음을 실험적으로 증명하였고, 이 기술을 다광자 현미경, 광음향 현미경 등 다른 광학 영상기술에 적용 가능하다는 것으로 증명하기 위해 후속연구를 준비 중에 있어 광학 영상분야 적용에는 시간이 다소 필요하나, 개발 기술을 광 치료 기술에 적용하기 위해 현재 동물 실험을 통해 치료 성능을 증명하는 연구를 수행하고 있어 빠르면 2년 안에 실용화가 가능할 것으로 기대한다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
장진호 교수팀이 2017년에 발표한 논문 내용, 즉 초음파를 조사했을 때 생체조직에 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들이 생성되며, 이 공기방울들이 일시적으로 미산란체 역할을 해 광산란이 빛의 진행방향으로 일어나도록 유도함으로써, 빛의 투과깊이를 증가시킬 수 있는 기술에 대해 광영상 전문가(황재윤 교수)와 토의하던 중 이 기술을 공초점 형광 현미경에 적용 가능하다고 의견을 모았고, 서로가 알고 있는 지식을 나누며 개발이 필요한 기술과 연구 시 발생할 수 있는 기술적 걸림돌 등을 정의하고, 연구 주제를 삼성전자 미래기술육성센터에 제안하여 연구비를 지원받아 연구를 시작하게 되었다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
본 연구결과는 생체조직에 집속해 조사한 광이 산란되어 초점이 흐려지는 현상 때문에 초고해상도 공초점 현미경 영상을 얻을 수 있는 영상 깊이가 매우 낮다는 기존 공초점 현미경의 문제점을 해결하기 위한 기술로, 영상 깊이를 증가시키기 위한 기존 기술과 달리 해상도 및 영상형성시간 저하 없이 영상 깊이를 증가시킬 수 있는 기존 틀을 깨는 혁신적이고 독창적인 기술로 공초점 현미경뿐만 아니라 다양한 광 영상 및 광 치료 기술에 적용할 수 있어 활용범위가 넓은 기술이다.
특히 본 연구결과는 융합연구의 전형적인 예로 초음파와 광영상 전문가들의 긴밀하고 효과적인 융합연구를 통해 본 연구결과를 얻었다는 사실에 큰 의의가 있으며, 연구 기획부터 수행, 그리고 연구결과를 특허 및 논문으로 작성하는 모든 과정을 국내 연구진에 의해 진행되었고, 이 결과가 광학 분야의 최고 학술지에 게재되었다는 것이 큰 의미가 있다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
기존 광학영상 시장은 해외 기술선도 기업들이 대부분 차지하고 있어 이 분야의 국가 기술 경쟁력이 약한 실정이다. 본 연구를 통해 개발된 기술은 다양한 광 영상 및 치료기기에 적용하여 국내 기업을 통해 다양한 응용기술을 개발할 예정이며, 상용화를 통해 수월한 시장 진입과 더불어 새로운 수요를 창출하여 우수한 기술 경쟁력을 확보하고자 한다.
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그림설명
[그림 1] 개발 기술의 개념도
생체조직 내에 광을 인가하게 되면 광산란에 의해 광이 집속 되지 않고 에너지가 감소하나(a 왼편), 치료용 초음파보다 낮은 에너지를 갖는 고강도 펄스 초음파(b 참고)를 조사할 경우 유리판(glass plate)으로부터 정상파(standing wave)가 발생해 산란매질 내에 일시적으로 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들이 촘촘히 위치한 층이 생성되며(a 중앙), 이후 초음파 영상에 쓰이는 수준의 낮은 에너지를 갖는 초음파를 연속적으로 조사하면(b 참고) 공기방울들은 진동을 멈추고 그 크기가 유지되어 일시적으로 광 투명화 매질 역할을 하여 조사한 광이 원하는 심부조직에 집속이 된다(a 오른편). 치료용 초음파보다 낮은 에너지를 갖는 고강도 펄스 초음파(b 참고)를 조사할 경우 발생한 공기방울들의 실제 영상(c)과 낮은 에너지를 갖는 초음파를 연속적으로 조사한 경우 공기방울들의 실제 영상(d).
[그림 2] 개발 기술의 영상 성능 평가 결과
(a) 기존 공초점 현미경을 사용해 350 μm 깊이에서 획득한 생체조직모사팬텀 내 200 nm 크기의 형광 비드 영상과 (b) 개발한 기술을 적용해 획득한 동일한 200 nm 크기의 형광 비드 영상. (c): (a)와 (b) 영상에서 수평 방향(즉, x 축)으로 변화하는 비드 영상의 강도 프로파일. (d–f), 생체조직모사팬텀 내에 형광 염료로 패턴화된 문자 'I'의 영상: ‘I’문자의 치수(d), 446 μm 깊이에서 획득한 기존 공초점 현미경 영상(e), 개발 기술을 적용해 획득한 영상 (f). (g): (e)와 (f)에서 두 개의 주황색 화살촉으로 표시된 축을 따른 강도 프로파일. (f) 영상 내 작은 삽입영상은 파란색 화살표로 표시된 직사각형의 오른쪽에 대한 선상 분포 함수(line spread function). (h,i) 마우스 뇌 조직을 염색한 후 기존 공초점 현미경으로 319 μm 깊이에서 획득한 세포체 영상(h)과 개발
기술을 적용해 동일한 깊이에서 획득한 동일한 세포체 영상(i). (j): (h)와 (i) 영상에서 두 개의 주황색 화살촉으로 표시된 축을 따른 강도 프로파일. (k,l) 기존 공초점 현미경으로 394 μm 깊이에서 획득한 마우스 흑색종(피부암) 조직 내 세포막 영상(k)과 개발한 기술을 적용해 동일한 깊이에서 획득한 동일한 세포막 영상(l). (m): (k) 및 (l) 영상에서 두 개의 주황색 화살표로 표시된 축을 따른 강도 프로파일.
[그림 3] 개발 기술의 영상 성능 평가 결과(주요 영상 위주)
(a,b) 기존 공초점 현미경을 사용해 350 μm 깊이에서 획득한 생체조직모사팬텀 내 200 nm 크기의 형광 비드 영상(a)과 개발한 기술을 적용해 획득한 동일한 200 nm 크기의 형광 비드 영상(b). (c,d) 마우스 뇌 조직을 염색한 후 기존 공초점 현미경으로 319 μm 깊이에서 획득한 세포체 영상(c)과 개발 기술을 적용해 동일한 깊이에서 획득한 동일한 세포체 영상(d). (e,f) 기존 공초점 현미경으로 394 μm 깊이에서 획득한 마우스 흑색종(피부암) 조직 내 세포막 영상(e)과 개발한 기술을 적용해 동일한 깊이에서 획득한 동일한 세포막 영상(f).
출처 : (링크) https://www.dgist.ac.kr/kr/html/sub06/060102.html?mode=V&no=abfbd42a9ed3e0c5d8b3d8076867f3e1&GotoPage=1
