장진호·황재윤 교수팀, 기존 의료 광학 영상 한계 극복할 초음파 조직 투명화 기술
삼성미래기술육성사업으로 이뤄낸 성과, 광학분야 학술지 '네이처 포토닉스'에 게재
대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 장진호·황재윤 전기전자컴퓨터공학과 교수 공동연구팀이 초음파에 의한 공기방울을 활용해 생체조직을 더 깊고 세밀하게 관찰할 수 있는 광학 현미경 기술을 세계 최초 개발했다고 18밝혔다.
광 영상 및 치료 기술은 생명과학 연구와 임상에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 생체 조직 내에서 발생하는 광 산란 때문에 내리쬔 광이 투과할 수 있는 깊이가 낮아 심부조직의 영상획득과 치료에 한계가 있다.
이를 극복하기 위해 장진호 교수는 지난 2017년 초음파를 쬐었을 때 생체조직에 생성되는 마이크로미터(㎛) 수준 작은 공기방울들을 활용했다. 초음파에 의해 일시적으로 생성되는 공기방울들은 빛의 진행방향으로 광산란을 일으키는 현상을 이용해 빛의 투과깊이를 증가시킬 수 있는 기술을 개발한바 있다.
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. 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(US-OCM)을 세계 최초로 개발했다.
개발한 현미경은 초음파 조사를 멈추면 생성되었던 공기방울들이 사라지고 생체조직에 어떠한 손상도 일어나지 않을 뿐만 아니라 공기방울 생성 전 광학 특성으로 돌아가는 것을 확인해 생체에 무해하다.
장진호 교수는 “초음파와 광영상 전문가의 긴밀한 협업을 통해 기존 광 영상 및 치료 기술의 태생적 한계를 극복할 수 있었다.”면서 “이번에 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.
삼성미래기술육성사업 지원을 통해 이뤄진 이번 연구성과는 최근 광학분야 저명한 학술지인 '네이처 포토닉스(Nature Photonics)'에 발표됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
