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한 장의 사진으로 뇌혈관 혈류 속도 측정한다

- 저비용, 정량적 측정 가능해져 뇌혈관 질환 응용 기대 -

□ 모바일용 이미지 센서를 사용한 단 한 장의 사진 촬영으로 뇌혈관 내 혈류 속도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이승아 교수(연세대학교) 연구팀이 모바일용 롤링 셔터 카메라를 활용해 레이저 스페클* 패턴을 촬영하는 방식으로 혈류 속도와 변화를 측정할 수 있는 광영상 기술을 개발했다고 밝혔다.

* 레이저 스페클(laser speckle) : 레이저 빛을 생체 조직과 같은 산란이 일어나는 물체에 조사할 때 레이저 빛과 입자의 상호 작용에 의해 생성되는 반점 모양의 간섭무늬.

□ 뇌혈관 질환의 기전을 연구하고 진단하기 위해 다양한 비침습적 광학 이미징 기법들이 사용되어 왔지만, 기존의 방식은 뇌혈관과 같은 다중 산란* 환경에서 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 없었다.

* 다중 산란 : 생체 조직 같은 복잡한 구조에서 빛은 여러 번 무작위하게 진행 방향을 바꾸는 다중 산란을 겪는다.

○ 또한, 빠른 혈류에 의한 스페클 변화를 정확하게 측정하기 위해서는 고가의 초고속 카메라로 스페클 사진을 1초에 최소 10,000장씩 수만 장을 촬영한 후 분석하는 과정이 필요하다.

□ 이에 연구팀은 스마트폰 등에 활용되는 롤링 셔터 카메라의 짧은 행간 촬영 시간 간격(약 10마이크로초)을 활용하면 초고속 카메라를 대체할 수 있을 것이라는 가설을 세우고, 한 장의 사진으로 스페클 패턴의 시간 상관 값을 계산할 수 있는 수학적 모델을 개발했다.

○ 이미징 시스템에 타원형 조리개를 사용하여 수직 방향으로 긴 레이저 스페클 패턴을 생성하였으며, 시간에 따라 변화하는 스페클 패턴을 롤링 셔터 카메라로 촬영할 경우 혈류 속도가 빠를수록 측정된 길이가 짧게 나타난다는 사실을 확인했다.

○ 연구팀은 이러한 모델을 바탕으로 쥐의 대뇌에 레이저광을 조사하여 촬영한 스페클 사진을 정량적 혈류 맵으로 변환하고, 대뇌 혈관의 혈류 속도 변화를 실시간으로 정확히 관측하는 데 성공했다.

□ 이번 연구성과는 초고속 카메라로 수만 장의 사진을 촬영하지 않고도 혈류 속도와 정적 산란*을 정량적으로 측정할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

* 정적 산란 : 피부 조직에 의해 산란된 빛은 혈류에서 산란된 성분과는 다르게 시간에 따라 바뀌지 않으며 이는 스페클 통계 분석의 에르고딕성 가정을 깨뜨린다.

○ 또한, 고가의 초고속 카메라를 사용한 이미징 시스템과 비교했을 때 비용을 절감하면서, 향후 뇌혈관 질환을 사전에 감지하는 진단 기기의 상용화 단계를 앞당길 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 이승아 교수는 “후속 연구를 통해 정적 산란이 혈류 속도 측정에 미치는 영향을 보다 정확하게 모델링하여 피부 조직 아래에 깊숙이 위치한 혈관에서도 혈류 속도를 측정할 계획”이라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학 분야 국제학술지 ‘옵티카(Optica)’에 10월 31일 게재되었다.

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연구이야기

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