대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호·황재윤 교수 연구팀이 초음파에 의한 공기 방울을 이용해 생체 조직 내부를 세밀하게 관찰할 수 있는 광학현미경 기술을 개발했다고 밝혔다.

오른쪽부터 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 황재윤, 장진호, 김혜민 교수
오른쪽부터 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 황재윤, 장진호, 김혜민 교수

기존 공초점 형광 현미경은 암세포와 같은 미세조직 구조정보를 고해상도, 고대조도 영상으로 제공해주는 기기로 생명과학 연구에서 가장 널리 사용되고 있지만 생체 조직 내에서 발생하는 광 산란(optical scattering) 때문에 조사한 광이 투과할 수 있는 깊이는 백 마이크로미터로 이하로 매우 얕아 활용분야와 효용성에 있어 극히 제한적이다.

이에 연구팀은 광산란 매질에 초음파를 이용해 공기방울이 촘촘히 채워져 있는 층을 생성시킴으로써 매질에 광 투명화를 유도하여 광 초점이 흐려지지 않고 심부조직까지 집속시킬 수 있는 기술을 개발했으며 이를 공초점 현미경에 적용해 해상도 및 영상획득 시간의 저하 없이 심부조직에 대한 영상을 획득할 수 있게 됐다.

이는 광 산란에 의해 낮은 투과 깊이를 가지는 광의 본질적인 문제를 해결한 기술로 다양한 광학 영상 및 치료 기술에 손쉽게 접목할 수 있어 영향력이 클 것으로 전망된다.

생체조직 내에 광을 인가, 광산란에 의해 광이 집속 되지 않고 에너지가 감소(a 왼편), 치료용 초음파보다 낮은 에너지를 갖는 고강도 펄스 초음파(b 참고)를 조사할 경우 유리판(glass plate)으로부터 정상파(standing wave)가 발생해 산란매질 내에 일시적으로 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들이 촘촘히 위치한 층이 생성(a 중앙), 이후 초음파 영상에 쓰이는 수준의 낮은 에너지를 갖는 초음파를 연속적으로 조사하면(b 참고) 공기방울들은 진동을 멈추고 그 크기가 유지되어 일시적으로 광 투명화 매질 역할을 하여 조사한 광이 원하는 심부조직에 집속이 된다(a 오른편). 치료용 초음파보다 낮은 에너지를 갖는 고강도 펄스 초음파(b 참고)를 조사할 경우 발생한 공기방울들의 실제 영상(c)과 낮은 에너지를 갖는 초음파를 연속적으로 조사한 경우 공기방울들의 실제 영상(d). 
생체조직 내에 광을 인가, 광산란에 의해 광이 집속 되지 않고 에너지가 감소(a 왼편), 치료용 초음파보다 낮은 에너지를 갖는 고강도 펄스 초음파(b 참고)를 조사할 경우 유리판(glass plate)으로부터 정상파(standing wave)가 발생해 산란매질 내에 일시적으로 마이크로미터 수준의 작은 공기방울들이 촘촘히 위치한 층이 생성(a 중앙), 이후 초음파 영상에 쓰이는 수준의 낮은 에너지를 갖는 초음파를 연속적으로 조사하면(b 참고) 공기방울들은 진동을 멈추고 그 크기가 유지되어 일시적으로 광 투명화 매질 역할을 하여 조사한 광이 원하는 심부조직에 집속이 된다(a 오른편). 치료용 초음파보다 낮은 에너지를 갖는 고강도 펄스 초음파(b 참고)를 조사할 경우 발생한 공기방울들의 실제 영상(c)과 낮은 에너지를 갖는 초음파를 연속적으로 조사한 경우 공기방울들의 실제 영상(d). 

연구팀은 해당 기술을 공초점 형광 현미경에 적용해 개발한 '초음파 조직 투명화 현미경(UltraSound-induced Optical Clearing Microscopy; US-OCM)'이 기존 대비 6배 이상의 영상 깊이를 확보할 수 있다고 밝혔다.

또한 초음파 조사를 멈추면 생성되었던 공기방울들이 사라지고 공기방울 생성 전의 광학 특성으로 돌아가 생체조직에 무해할 것으로 기대된다.

장진호 교수는 “초음파와 광영상 전문가의 긴밀한 협업을 통해 기존 광 영상과 치료 기술의 태생적 한계를 극복할 수 있었다”며 “이번 연구를 통해 확보한 기술을 다양한 광영상과 광치료 기술에 적용해 기술의 활용 분야와 효용성을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 광학 분야 국제 학술지 ‘Nature Photonics’에 게재됐다.

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