다아라 매거진 _ 2017.12

기술뉴스

[Technical News]초음파를 이용한 빛의 생체조직 침투 깊이 증가

광 영상 및 치료 깊이의 한계를 극복할 원천기술 기대

한국연구재단(이사장 조무제)은 장진호 교수(서강대학교) 연구팀이 “초음파를 이용해 생체조직에서 광산란(빛이 입자를 만났을 때 그 진행 방향이 불규칙적인 경로로 바뀌는 물리 현상)이 거의 일어나지 않도록 일시적으로 마이크로미터 크기의 공기방울을 유도해 빛의 투과 깊이를 증가시키는 기술을 개발했다”고 밝혔다.
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개발 기술의 개념도와 생체조직모사팬텀을 이용한 성능검증 결과/출처:한국연구재단

빛을 생체조직에 조사해 구조정보를 영상으로 제공하는 광 영상(빛을 생체조직에 조사했을 때 발생하는 산란, 흡수, 반사, 굴절 등의 물리적 현상을 이용해 조직의 구조 정보, 분자생화학적 정보 등을 영상으로 제공하는 기술), 병변조직을 치료하는 광 치료(빛을 생체조직에 조사해 60도 이상의 온도에서 병변조직이 괴사하는 광열치료, 빛으로 활성산소를 발생시켜 병변세포를 파괴하는 광역동치료 등) 기술이 임상에서 널리 사용되고 있다.

그러나 생체조직에서 광산란이 발생하여 빛이 투과되는 깊이가 낮아, 심부조직에서는 영상 획득과 치료가 어려운 한계가 있다.

연구팀은 생체조직에 빛을 쪼일 때 초음파를 함께 조사함으로써 광산란 현상을 현저히 줄이고 빛의 투과깊이를 증가시키는 독창적인 기술을 개발했다.

생체조직에 빛을 단독으로 조사할 때보다 초음파와 함께 조사할 때 광산란으로 인해 빛이 퍼지는 현상이 현저히 줄어들고, 형광영상의 화질도 개선된다는 사실이 실험적으로 입증됐다.

연구결과에 따르면, 초음파를 조사했을 때 생체조직에 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들이 생성된다. 이 공기방울들이 일시적으로 미산란돼 광산란이 빛의 진행방향으로 일어나도록 유도함으로써, 빛의 투과깊이가 증가됐다.

광 영상과 치료기기의 효용성 확대를 위해서는 생체조직 내에서의 광 침투 깊이 증가가 가능한 기술 개발이 필요하다. 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 기본으로 한다.

이번 연구 결과는 초음파를 이용해 광 진행 매질의 특성 자체를 일시적으로 변화시켜 광 침투깊이를 증가시킬 수 있다는 것을 검증한 것으로, 기존 관련 연구들과는 완전히 다른 개념으로 광 영상과 치료기기의 단점을 극복할 수 있는 기술을 개발한 점에서 그 의의가 남다르다고 볼 수 있다.

본 연구팀이 개발한 기술은 전 세계에 보고된 바 없는 것으로 이를 증명하기 위한 실험환경 구성부터 실험과정과 데이터 분석까지 참고할만한 논문이나 서적이 거의 없는 상태에서 결과의 타당성을 검증하는 것이 매우 어려웠다. 이를 위해 반복적인 실험을 수행하여 실험결과의 재현성을 확인했고, 유한요소해석 등 다양한 시뮬레이션 결과와 비교하여 실험 결과의 타당성을 확보해 가설이 옳다는 것을 증명할 수 있었다.

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