동일 해상도 기존보다 최대 5배 시야각 확보…난치성 뇌질환 치료 활용 기대
실험용 쥐와 같은 소(小)동물에만 사용할 수 있는 차세대 의료영상 기술인 자기입자영상(MPI) 장치를 반려견 같은 중(中)동물의 생체영상 촬영에도 적용할 수 있는 장치가 개발됐다. 해외 일부 기업만 상용화한 제품으로 인체 촬영도 가능한 원천기술이다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 윤정원 융합기술학제학부 교수팀(뇌나노로봇연구센터)이 중동물을 대상으로 자성 나노입자를 추적자로 사용, 고분해 생체영상을 실시간으로 촬영할 수 있는 3D MPI 장치를 개발했다고 18일 밝혔다.
MPI는 생체에 무해한 산화철 나노입자 농도 및 위치를 영상화할 수 있는 비침습적 분자영상기기다. 방사선 없이 작동 가능하며 3차원(D) 분포 영상을 실시간으로 촬영할 수 있어 심혈관·뇌혈관 등의 진단, 세포 라벨링 및 추적, 표적약물전달 등 다양한 의료분야에서 사용할 수 있다.
MPI 기술은 의료영상 분야 선진국인 미국과 독일 등 일부 기업에 의해서만 상용화됐다. 수십억원에 판매되고 있는 차세대 의료영상기기로 말초신경자극(PNS)을 일으키는 자장 변화율 제한, 경사자기장 물리적 특성으로 소동물에서의 고해상도 의료영상 촬영만 가능했다.
중동물 이상의 생체를 촬영하기 위해선 넓은 시야각 확보가 필요하다. MPI 넓은 시야각 확보를 위해 구경 크기를 키울 경우 경사자기장이 급속히 감소해 낮은 해상도의 영상만 얻을 수 있다. 따라서 임상 적용 확대를 위해서 넓은 시야각을 확보하면서 높은 해상도를 제공하는 MPI 의료장치 개발이 시급했다. MPI에서는 경사자기장 생성을 통해 자성나노입자가 여기자장에 반응해 전기신호를 발생시키는 자기장제외구역(FFP)을 발생시킬 수 있고, 경사자기장이 켜질수록 자기장제외구역(FFP) 크기가 작아져서 영상정밀도를 높일 수 있다.
연구팀은 90㎜ 보어 크기와 최대 4T/m의 높은 경사자기장으로 중동물에 사용 가능한 MPI 시스템을 개발했다. 새로 개발한 진폭변조(AM) MPI 방식은 영상 스캐닝에 필요한 드라이브 코일과 나노입자에서 신호를 생성하는 여기코일을 구분해 MPI 크기·무게·전력 요구사항을 최소화하고 높은 경사자기장을 제공하면서도 PNS 발생 위험을 낮출 수 있다. 고해상도 영상을 2㎐ 이상의 빠른 속도로 촬영하면서 2.5T/m 경사자기장 조건에서 기존 상용화된 MPI 장치보다 최대 5배가량 넓은 시야각을 확보했다.
연구팀은 향후 기술 고도화를 통한 인체 촬영이 가능해질 경우 나노입자를 이용한 뇌 부위 표적 약물전달, 비침습 뇌 자극, 뇌종양 발열 치료 등 환자 맞춤형 난치성 뇌 질환 치료법 발전에 기여할 것으로 기대하고 있다.
윤정원 교수는 “이번에 개발된 기술은 기존 MPI 장치와 동일한 해상도를 제공하면서도 압도적으로 넓은 시야각 크기를 제공할 수 있어 기존보다 사용 범위를 한결 높일 수 있을 것으로 예상한다”며 “고해상도 3차원 MPI 장치의 국산화로 선진국과 어깨를 나란히 하는 의료장비와 기술 수준을 보유하는 데 기여할 것으로 예상한다”고 말했다.
이번 연구는 산업통상자원부 로봇산업핵심기술개발사업 및 과학기술정보통신부 휴먼플러스융합연구개발 챌린지사업, 보건복지부 마이크로의료 로봇 실용화 기술개발사업 지원으로 이뤄졌다. 계측 분야에서 세계적으로 가장 권위 있는 학술지인 국제전기전자기술자협회(IEEE) 산업전자학술지 온라인에 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
