사진 한 장으로 세포 구조·움직임 본다…AI 기반 3D 영상 기술 개발

세포의 입체 구조와 움직임을 단 한 장의 사진만으로 파악하는 기술을 개발한 포스텍 연구팀. 포스텍 제공

국내 연구진이 세포의 입체 구조와 움직임을 단 한 장의 사진만으로 파악할 수 있는 기술을 개발했다. 

포스텍은 이상준 기계공학과 교수 연구팀이 인공지능(AI) 기술을 활용해 디지털홀로그래픽현미경(DHM) 단일 촬영 영상을 기반으로 세포의 3차원(3D) 형상과 움직이는 모습을 실시간 분석하는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

세포는 우리 몸속에서 끊임없이 모양을 바꾸고 이동하는 생체 단위다. 기존 광학 기술로는 이러한 세포의 변화를 실시간으로 포착하기 어렵다. 입체적인 구조를 관찰하기 위해선 여러 각도에서 복수의 사진을 촬영하고 이를 분석해야 하기 때문이다.

특히 디지털 홀로그래픽 현미경은 세포의 위치 정도는 파악할 수 있었지만 실제 형태를 정확히 복원하는 데는 한계가 있다. 대표적인 문제가 ‘쌍 영상(twin image)’ 현상이다. 거울에 비친 상처럼 원본 이미지에 겹쳐 나타나는 왜곡이다.

연구팀은 쌍 영상 현상 문제를 인공지능(AI) 기술로 정면 돌파했다. 빛이 세포에 부딪힐 때 생성되는 복잡한 간섭 무늬를 AI가 수학적으로 학습하고 역추론하는 방식이다. ‘물리 기반 AI 신경망(physics-informed neural network)’을 활용해 단일 홀로그램만으로도 세포의 위치, 구조, 빛의 굴절 정도까지 정확히 복원할 수 있도록 했다. '그림자 하나만 보고' 원래 물체의 모양을 유추하는 셈이다.

이번에 개발한 기술의 강점은 속도다. 연속적으로 촬영된 홀로그램 영상 데이터를 실시간으로 처리해 세포의 움직임을 3차원 영상으로 구현한다. 기존에는 분석에 다수의 영상과 복잡한 계산이 필요했지만 이제는 한 장의 영상만으로도 즉각적인 결과를 도출할 수 있게 된 것이다.

응용 가능성도 넓다. 세포의 구조적 변화를 정밀하게 추적할 수 있어 혈액 질환이나 당뇨병 등 다양한 질환 진단에 활용될 수 있다. 미세먼지나 미세플라스틱, 공기 중 기포와 같은 비생물학적 미세 입자의 분석에도 적용 가능하다.

이상준 교수는 “이번 연구는 단일 촬영으로도 미세 입자의 3D 형상과 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 이상적인 방식”이라며 “진단과 환경 분석을 동시에 혁신할 수 있는 원천기술”이라고 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 7월호에 게재됐다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-025-60200-x

[박정연 기자 hesse@donga.com]