사진 한 장으로 뇌혈관 혈류 속도 측정 성공… 뇌혈관 질환 예측 가능해져

뇌 건강에 있어 뇌의 혈액순환은 가장 중요한 요소라고 할 수 있다. 뇌는 인체가 흡입한 산소의 20%를 사용하며, 대한심폐소생협회에 따르면 4분만 산소를 공급받지 못해도 뇌 손상이 발생한다. 따라서 뇌에는 항상 맑고 깨끗한 혈액이 흘러야 한다. 뇌 혈류는 여러 혈관을 통해 뇌의 각 부분에 영양을 공급하는데, 뇌 혈류 검사를 통해 뇌혈관, 혈액의 흐름, 속도, 방향 등을 측정하고 검사하며 뇌혈관 질환의 원인을 찾는다. 그러나 기존의 검사 방법은 뇌혈관 질환을 정밀하고 정확하게 진단하지는 못했다. 최근 모바일 사진 한 장으로 뇌혈관 혈류 속도를 측정하는 기술이 개발되면서, 혈류에 있는 인체의 생리학적 상태에 대한 많은 정보를 효율적으로 파악할 수 있게 됐다.

 

모바일 사진 한 장으로 뇌혈관 혈류 속도 측정이 가능한 기술이 개발됐다ㅣ출처: 게티이미지 뱅크

뇌 질환, 골든타임이 중요
뇌가 정상적으로 건강하게 활동하기 위해서는 산소와 포도당이 계속 공급되는 것이 중요하다. 그러기 위해서는 뇌로 가는 혈액순환에 장애가 없어야 한다. 뇌 혈류는 여러 가지 혈관으로 분지하여 뇌의 각 부분에 혈액을 공급한다. 뇌로 가는 혈액, 혈류, 혈관 상태가 좋지 못하면 뇌혈관 질환이 발생할 확률이 높다.

뇌혈관에 폐색, 협착이 생기면 산소와 영양분이 결핍되고, 혈관의 출혈로 인한 산소 결핍과 조직손상이 발생하게 된다. 따라서 이러한 뇌 질환, 뇌혈관 질환의 증상이 보이거나 질환의 가능성을 판단하기 위해서는 혈류의 상태와 혈관의 상태를 판단하는 것이 중요하다.

골든타임을 지키는 뇌 혈류 검사
뇌 혈류 검사는 두개골 내의 혈류 속도를 측정하여 혈관이 좁아지는 상태와 팽창을 진단하여 두통, 치매, 어지럼증, 파킨슨병 등과 같은 각종 신경계 질환의 증상과 원인을 찾아낸다. 보통 초음파를 통해 뇌와 관련된 혈관의 혈액 흐름, 상태 등을 진단하는데, 딱딱한 두개골 대신 투과가 가능한 측두부와 전두부의 일부를 검사한다. 특정 뇌혈관 질환을 정밀하고 정확하게 진단하는 검사는 아니지만, 혈관이 좁아진 정도와 혈액의 흐름을 통해 질환의 가능성을 선별할 수 있다.

검사기기는 도플러 효과(음파의 파동으로 나타나는 효과)를 이용해 뇌혈관 상태, 혈류의 양, 혈류의 속도, 혈류의 방향 등 혈류의 순환 관계를 측정하고 검사한다. 절개 없이 피부 밖에서 인체에 무해한 초음파를 이용하여 두개 강 내 혈류를 검사하며, 심장에서 대뇌까지의 혈류 상태를 파악할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 앞서 말한 바와 같이 혈관을 직접 보면서 하는 검사가 아니기 때문에 기술적인 제한이 있고, 환자마다 혈관 구조가 다르기 때문에 검사 하나만으로 질병을 진단하기에는 어려움이 있다.

모바일 사진 한 장으로 뇌질환 기전 파악 가능성 열려
광학 분야 국제학술지 옵티카(Optica)에 모바일용 이미지 센서를 사용한 단 한 장의 사진 촬영으로 뇌혈관 내 혈류 속도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술 연구 결과가 게재됐다. 연세대학교 이승아 교수 연구팀은 모바일용 롤링 셔터 카메라를 활용해 레이저 스페클 패턴을 촬영하는 방식으로 혈류 속도와 변화를 측정할 수 있는 광영상 기술을 개발했다. 혈류는 심혈관 건강, 조직 관류 등 인체의 생리학적 상태에 대해 많은 정보를 제공하는 바이오마커이다. 이는 전신 경화증, 교모세포종, 패혈성 쇼크, 뇌졸중과 같은 심각한 질병을 예측하는 데 이용되고 있다. 따라서 피부 바로 아래의 혈류의 흐름을 판단하는 것은 뇌혈관 질환의 기전을 연구하고 진단하는 데 중요한 역할을 한다.

그동안 뇌혈관 질환의 기전을 연구하고 진단하기 위해 다양한 비침습적 광학 이미징 기법들이 사용되어 왔다. 기존의 방식은 뇌혈관과 같은 다중 산란(생체 조직 같은 복잡한 구조에서 빛이 여러 번 무작위로 진행 방향을 바꾸는 것) 환경에서 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 없었다. 또한 빠른 혈류에 의한 스페클 변화를 정확하게 측정하기 위해서는 고가의 초고속 카메라로 스페클 사진을 1초에 최소 10,000장씩 수만 장을 촬영한 후 분석하는 과정이 필요했다.
연구팀은 스마트폰 등에 활용되는 롤링 셔터 카메라의 짧은 행간 촬영 시간 간격(약 10마이크로초)을 활용하면 초고속 카메라를 대체할 수 있을 것이라는 가설을 세웠다. 한 장의 사진으로 스페클 패턴의 시간 상관 값을 계산할 수 있는 수학적 모델을 개발한 후 다음과 같은 실험을 진행했다.

비용 절감뿐 아니라 뇌혈관 질환 예방과 조기 발견에 도움 될 것으로 전망
이미징 시스템에 타원형 조리개를 사용하여 수직 방향으로 긴 레이저 스페클 패턴을 생성하고, 시간에 따라 변화하는 스페클 패턴을 롤링 셔터 카메라로 촬영할 경우 혈류 속도가 빠를수록 측정된 길이가 짧게 나타난다는 사실을 확인했다. 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 연구는 초고속 카메라로 수만 장의 사진을 촬영하지 않고도 혈류 속도와 정적 산란(피부 조직에 의해 산란된 빛은 혈류에서 산란된 성분과는 다르게 시간에 따라 바뀌지 않는 것)을 정량적으로 측정할 수 있다는 점에서 의의가 있다.

연구팀은 "고가의 초고속 카메라를 사용한 이미징 시스템과 비교했을 때, 비용을 절감하면서 향후 뇌혈관 질환을 사전에 감지하는 진단 기기의 상용화 단계를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다"며 "후속 연구를 통해 정적 산란이 혈류 속도 측정에 미치는 영향을 더욱 정확하게 모델링해 피부 조직 아래에 깊숙이 위치한 혈관에서도 혈류 속도를 측정할 계획"이라고 밝혔다.
혈류 속도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술 연구가 계속된다면, 합병증이나 후유증이 심각한 경우가 많아 조기 치료가 필요한 뇌혈관 질환의 예방과 조기 발견, 치료 후 관리 등에 도움이 될 것으로 보인다.

서애리 하이닥 건강의학기자 hidoceditor@mcircle.biz

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