연구성과

창의IT 김철홍 교수팀, ‘500배 빨라진’ 초고해상도 광음향 현미경으로 ‘막힌 혈관’ 찾는다

2019-12-10 242

[적혈구 이용한 초고해상도 국지화 광음향 현미경 제시]


200년 전 프랑스의 의사가 청진기를 사용하면서부터 인간의 생체를 관찰하기 위한 노력은 계속됐다. 그 이후 지금까지 동물과 인간의 생체 내부의 해부학적, 기능적, 분자적 정보를 들여다볼 수 있는 최고의 현미경은 광음향 현미경으로 손꼽힌다. 이보다 무려 500배나 빠른 초고해상도 국지화 광음향 현미경(Super-resolution localization photoacoustic microscopy)이 POSTECH연구팀에 의해 개발됐다.

창의IT융합공학과 김철홍 교수, 연구교수 김진영씨, 박사과정 김종범씨 연구팀은 자체 제작한 맞춤형 스캐닝 미러를 장착하는 고속 광음향 현미경 시스템을 최근 네이처가 발간하는 국제 학술지 ‘빛 : 과학과 응용(Light Science & Applications, IF: 14)’을 통해 제안했다. 이 현미경은 갈바노미터 스캐너를 사용하는 기존의 광음향 현미경을 그대로 사용할 수 있을 뿐 아니라 조영제를 사용하지 않고 체내 적혈구의 흐름만으로 혈관이 막히거나 터진 부위를 찾아낼 수 있다.

광음향 현미경은 레이저를 쏘아 물질이 빛을 흡수하면 광에너지가 열로 변하는데 이때 진동을 유도해 세포나 혈관, 조직을 이미징하는 원리다. 하지만 지금까지의 광음향 현미경은 특정 영역대의 광파장만을 스캔하기 때문에 좁은 부위만을 관찰할 수 있고, 영상 이미지를 만드는데 시간적인 한계도 있었다.

연구팀이 새롭게 개발한 광음향 현미경 시스템은 맞춤형 스캐닝 미러를 기존 현미경에 적용함으로써 광음향 초음파까지 스캔할 수 있다. 또한 영상을 얻기 위해 혈관을 잘 보이게 하는 조영제를 사용하지 않고도 체내의 적혈구를 이용하여 미세혈관을 볼 수 있다. 기존 광음향 현미경과 비교하여 속도가 500배 빨라졌으며, 이를 기반으로 국지화(localization) 영상처리기법을 적용함으로써 초고해상도 영상에 성공하였고, 이로 인해 공간해상도는 2.5배 향상되었다.

특히 이 시스템은 뇌졸중이나 심혈관 질환의 진단과 치료에 큰 도움을 줄 전망이다. 이 광음향 현미경 시스템은 혈액이 흐르는 혈관을 실시간으로 이미지할 수 있기 때문에 긴급한 진단과 치료가 필요한 혈관 질환에도 사용할 수 있다. 또한 미세혈관 내의 혈류역학을 직접 관찰할 수 있기 때문에 혈역학적 반응, 혈관 내 조영제 역학, 미세순환기 이상 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

김철홍 교수는 “이번 광음향 현미경 시스템으로 살아 있는 쥐의 귀, 눈, 뇌의 미세혈관 및 사람 표피영상을 촬영하는데 성공했다”며 “기존의 뇌 영상 시스템에 대한 보완 도구로서 전임상과 임상단계 연구로도 확대가 가능하다”고 밝혔다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 ICT명품인재양성사업, 한국연구재단 파이오니어사업, 기초과학연구지원사업의 지원으로 수행됐다.