“빛으로 소리를 감지해 몸속을 본다”…GIST-고려대, 피부 접촉 없이 선명한 3D 생체 영상 기술 개발

쥐 허벅다리에 대한 광음향단층영상.

국내 연구진이 레이저와 초음파 원리를 결합해 피부에 기기를 직접 대지 않고도 생체 내부를 선명한 3차원(3D) 영상으로 구현하는 데 성공했다. 뇌혈관·종양·약물 반응 추적 등 의료 영상 분야는 물론, 반도체·원자력 발전 설비 같은 산업 현장의 비파괴 검사에도 폭넓게 활용될 전망이다.

광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이병하 전기전자컴퓨터공학과 교수팀이 최원식 고려대학교 물리학과 교수팀과 공동으로 광학 기반 비접촉식 광음향 단층촬영(PAT) 기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

PAT(Photoacoustic Tomography)는 짧은 시간 동안 레이저를 조직에 쏘아 그 에너지를 흡수한 조직에서 발생하는 초음파를 감지해 내부 구조를 3D로 재구성하는 기술이다. 빛의 높은 선택성과 초음파의 깊은 침투력을 결합해, 종양 탐지, 혈관 관찰 등 다양한 분야에서 유용하게 활용된다.

하지만 기존 PAT는 초음파 센서(트랜스듀서)를 피부에 밀착해 신호를 받아야 했기 때문에 센서의 크기나 형태에 따라 적용이 제한되고 감도와 해상도가 저하됐다. 화상 부위나 안구처럼 민감한 부위에는 사용하기 어려웠다.

연구팀은 초음파 센서를 전혀 사용하지 않고, 레이저와 광학 센서만으로 초음파 신호를 발생시키고 감지하는 비접촉식 광음향 영상 시스템을 구현했다. 레이저로 조직에서 광음향파를 발생시킨 뒤, 생체 표면에 퍼지는 미세한 초음파 파문을 디지털 홀로그래피로 감지해 동영상 수준으로 기록하고, 이를 분석해 내부 혈관 구조를 3D로 정밀하게 복원했다.

왼쪽 위부터 시계 방향으로 이병하 GIST 교수, 최원식 고려대 교수, 윤태일 고려대 박사, 임정묘 GIST 연구원, 고학석 KAIST 고학석 박사, 정의헌 GIST 교수.

또 표면에 나타난 파형만으로는 내부 구조를 정확히 파악하기 어려운 점을 해결하기 위해 주파수별 역전파 방식을 활용해 파문이 시작된 위치로 정보를 되돌려 보내는 새로운 알고리즘을 개발했다.

이 기술을 활용해 생쥐의 허벅지 혈관과 닭 배아의 융모막 혈관을 3D로 선명하게 촬영해 실제 해부 이미지와 비교했으며, 높은 일치도를 확인했다. 지방조직 등 불투명한 층 아래의 혈관도 명확히 식별돼 심층 혈관 모니터링, 종양 탐지, 약물 반응 추적 등 다양한 의료 영상에 응용 가능성이 크다는 점을 인식했다.

이병하 교수는 “이번 연구로 생체에 접촉할 필요 없이 빛만으로 생체 내부에서 발생한 초음파 신호를 넓은 영역에 걸쳐 빠르게 측정할 수 있는 기술을 세계 최초로 구현했다”며, “뇌혈관 질환 진단, 종양 진단 등 의료 영상은 물론, 반도체 웨이퍼나 원자력 설비 등 산업 전반의 비파괴 검사에도 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com