바이오인

핵심내용

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경

 ○ 지난 100여 년간 광학 현미경은 의료 진단 및 치료 목적으로 광범위하게 응용되어 왔다. 광학 현미경은 CT, MRI, 초음파 영상 등의 의료 진단장비들에 비해 높은 해상도 (~0.001 mm)를 가지고 있기에, 초기 단계의 암세포 진단, 세포 단위의 극미세 구조 연구 등에 큰 장점을 지니고 있다. 하지만 빛이 피부 조직과 같은 복잡한 구조를 통과할 때는 왜곡이 되기 때문에 생체 조직 속 깊은 곳에 있는 물체의 영상을 획득 하는 데에 한계가 있었다. 이 때문에 고해상도 광학 현미경이 관찰 가능한 생체 조직 내부 깊이는 수십 마이크론 두께로 제한이 되고, 생체 조직 깊은 곳의 고해상도 영상을 얻기 위해서는 얇은 두께의 생체 조직 박편을 잘라내어 관찰하는 수 밖에 없었다. 

 ○ 생체 조직과 같은 복잡한 매질 내부에서 빛은 여러 번 무작위하게 진행 방향을 바꾸는 다중 산란을 겪게 되고, 이 과정에서 빛이 가진 영상 정보는 잃어버리게 된다. 하지만, 비록 적은 양이더라도 다중 산란을 겪지 않고, 조직 내부 영상정보를 간직하고 있는 단일 산란 성분의 빛, 즉 단일 산라파가 존재한다. 예를 들어 생체 조직 1mm 깊이의 영상 정보를 가지고 나오는 단일 산란 성분의 빛은 초기 입사시킨 빛의 세기에 비해 100억분의 1 정도로 줄어든다. 이러한 극소량의 단일 산란만을 따로 모을 수 있거나 증폭시킬 수 있다면 생체조직 깊은 곳의 광학 영상을 획득할 수 있는 있게 된다. 

 2. 연구내용

○ 본 연구에서는 단일산란파가 가지는 고유한 성질을 이용하여, 다중 산란을 배재시키고, 단일 산란파만을 모을 수 있는 CASS 현미경 (단일 산란 집단 축적 현미경, Collective accumulation of single-scattering microscope)을 개발하였다. 

○ 단일 산란파는 두 가지 고유한 성질을 지니고 있다. 첫 번째는 빛이 조직 내부로 들어갔다가 되돌아 나오는 시간이 목표 깊이에 의해 결정된다는 점이다. 시분해 측정을 통해, 목표 깊이에 해당하는 시간에 카메라로 들어오는 빛만을 모을 수 있다면, 다른 시간에 카메라로 측정된 다중산란 성분의 빛들을 제거할 수 있다. 

 ○ 두 번째 성질로, 입사된 빛이 목표 깊이의 물체에 의해 반사될 경우 빛은 물체에 의해 운동량 변화를 겪게 된다. 이 운동량 변화량은 빛의 입사각에 무관하며, 오직 물체의 형태에 의해서만 결정이 된다. 즉 여러 각도로 빛을 입사시켜 빛의 운동량 변화를 측정한다면, 다중 산란파는 무작위한 운동량 변화를 보이지만, 단일 산란파는 물체의 형태에 의해 결정된 운동량 변화를 보이게 되므로, 이를 축적하여 단일 산란 성분의 다중 산란에 대한 상대적인 세기를 키워나갈 수 있다. 이 결과 얻어진 단일 산란의 운동량 변화량을 푸리에 역변환 함으로써 물체의 영상을 획득할 수 있다. 

○ 본 연구에서는 앞에서 언급한 단일 산란파의 두 가지 성질을 활용하기 위해 반사된 빛의 시분해 운동량을 측정할 수 있는 CASS 현미경을 개발하였다. 시분해 측정을 통해 목표 깊이에서 돌아오는 빛만을 골라내었고, 간섭 현미경을 통해 빛의 운동량을 측정함으로써, 빛의 조직 내에서의 운동량 변화량을 측정할 수 있었다. 생체 조직 모형을 통해 CASS 현미경의 성능을 테스트 한 결과, 기존 반사 현미경에 비해 10배 이상의 깊이 (1mm 깊이) 에서도 0.001 mm의 고해상도 영상을 획득할 수 있었다. 이는 고해상도 반사 현미경의 영역에서 기록된 세계 최고 심도이다. 

 3. 기대효과

○ 본 연구의 결과는 암의 조기 진단이라는 측면에서 극히 중요한 의미를 지니고 있다. 초기 단계의 암세포는 생체조직 표면으로부터 1 mm 이상의 깊이에서 형성되며, 이 때 특히 크기가 수 마크로미터인 세포핵의 크기 변화를 수반한다. 이러한 초기 암세포 발현은 기존에 개발된 의료 영상방법으로는 측정이 불가능하며, 암세포가 덩어리를 이루어 크게 자라난 이후에 용종 등의 형태로 나타날 때에 이르러서야 측정이 가능했다. 또한 진단된 암세포를 치료 하는 과정에서, 전이된 작은 암세포 조직을 발견하기에도 어려움이 있어왔다. 본 연구는 이러한 초기 단계의 암세포 진단 및 치료에 있어서 획기적인 진전을 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 

 ○ 본 연구의 결과는 다양한 의료 영상, 진단 장비 등에 활용이 가능하며, 기존에 불가능했던 병변의 진단 및 치료 가능성을 열어 삶의 질 향상에 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 내다본다.

연 구 결 과 문 답

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