장진호·황재윤 DGIST교수, 초음파 조직 투명화 기술로 의료 광학영상 한계 극복
<전기전자컴퓨터공학과 황재윤(오른쪽부터), 장진호, 김혜민 교수 > DGIST제공

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 발표했다.

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 돼왔다.

이를 극복하기 위해 장진호 교수팀은 2017년에 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.

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.

연구팀은 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. 또 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.

이 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 확인해다. 생체에 무해함을 시사하는 연구다.

장진호 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 교수는 “초음파와 광영상 전문가의 긴밀한 협업을 통해 기존 광 영상 및 치료 기술의 태생적 한계를 극복할 수 있었다” 며 “이번 연구로 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”고 말했다.

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.