초음파로 1초에 1000장 촬영, 조영제 없이 미세혈관 관측

포스텍

초고속 카메라는 유리가 깨지는 순간이나 물방울이 떨어지는 순간을 포착한다. 국내 연구진이 이 같은 영상 기법을 초음파에 적용했다. 조영제 없이 혈관의 복잡한 구조를 촬영할 수 있는 방법이다.

포스텍은 김철홍 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 교수, 장진아 기계공학과·IT융합공학과 교수, 안용주 IT융합공학과·융합대학원 교수, 오동현·이동현 IT융합공학과 통합과정생, 허진석 전자전기공학과 통합과정생, 권주영 융합대학원 석사과정생, 용의중 미래 IT융합연구원 박사후연구원 연구팀이 초고속 초음파 촬영으로 신장의 3차원 미세혈관 구조를 촬영하는 데 성공했다고 28일 밝혔다.

신장은 혈액에 있는 노폐물과 불필요한 물질을 걸러 배출하는 기능을 한다. 고혈압, 당뇨 등으로 신장 여과 기능이 저하되는 상태가 ‘신부전증’이다. 중증에 접어들면 회복이 불가능해 평생 인공 혈액 투석이나 신장 이식 등을 해야 한다. 여과 기능은 신장 내 혈액 순환과 직결되기 때문에 신부전증 예방과 회복을 판단할 땐 미세혈관 영상이 중요한 지표가 된다.

하지만 CT(컴퓨터 단층 촬영)와 MRI(자기 공명 영상)는 해상도와 민감도 한계로 세밀한 혈관 구조를 표현할 수 없다. 촬영 시 투입하는 조영제는 신장질환 환자에게 치명적인 부작용을 일으킬 위험이 있어 사용 또한 제한된다.

반면 초음파는 태아를 관찰할 때 활용할 정도로 안전성이 높다. 초음파 촬영은 도플러 효과 때문에 조영제를 사용하지 않아도 혈류 유속과 방향을 실시간으로 측정할 수 있다. 문제는 촬영 속도로 혈류 민감도에 한계가 있어 미세혈관을 정확하게 관찰하기 어렵다.

연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 초당 1000프레임을 찍는 초고속 촬영으로 미세혈류 민감도를 높였다. 기존 초음파 영상보다 100배 이상 빠른 속도다.

연구팀은 이 기술을 이용해 세계 최초로 조영제 없이 신동맥, 신정맥, 피질부에 있는 167μm(마이크로미터) 두께의 소엽동맥·정맥 3차원 혈관망 전체를 촬영하는 데 성공했다. 신부전증을 유도한 동물모델의 신장혈관 변화를 지속적으로 관찰해 혈류역학·혈관 형상학적 지표로 다변수 분석도 진행했다. 그 결과, 급성 신부전증에서는 급격한 신장 혈류 감소 현상이 잘 드러난 반면, 당뇨성 신부전증에서는 신장의 만성적인 혈관 퇴화와 함께 혈관 뒤틀림이 일어난다는 점이 발견됐다.

김철홍 교수는 “초음파 초고속 촬영으로 신부전증을 유발하는 질환의 병리학적 생리를 이해하고, 신장 이식 전후 혈관 변화를 관찰할 수 있다”며 “소화기계와 순환계, 뇌 신경계 등 다양한 장기의 혈액 순환과 기능 저하 연구에 사용될 수 있는 잠재력이 풍부하다”고 말했다. 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 속표지 논문으로 게재될 예정이다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]