혈관 탐색하고 암 조기검진하는 손안의 초정밀 영상 장비

포스텍

왼쪽부터 김철홍 포스텍 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합공학과 교수, 하민규 IT융합공학과 석박통합과정생, 김재우 연구원. 포스텍 제공

국내 연구팀이 혈관과 장기를 초고해상도로 관찰할 수 있는 볼펜 크기의 현미경을 개발했다. 지름 17mm, 무게 11g에 불과해 대형 장비 사용이 어려운 의료 환경에서 유용할 것으로 기대된다.

포스텍은 김철홍 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합공학과 교수팀이 손에 쥘 수 있는 크기의 소형 고해상도 광-음향 현미경(PAM)을 개발했다고 26일 밝혔다. 연구결과는 지난해 12월 31일(현지시간) 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 공개됐다.

카메라가 작아지면 렌즈도 함께 작아져 화질을 유지하기 어렵다. 의료 장비도 정밀한 영상을 얻으려면 일반적으로 대형 장비를 사용해야 한다. 수술실이나 응급 현장에서 휴대하며 선명한 영상을 제공하는 장비는 오랜 숙원이었다.

광-음향 현미경은 빛과 소리를 함께 활용해 영상화하는 기술이다. 물질이 빛을 흡수하면 순간적인 열이 발생하고 이때 팽창하면서 초음파가 발생한다. 번개가 치면 천둥소리가 나는 원리와 유사하다. 이를 분석하면 혈관과 미세구조를 3차원 영상으로 구현할 수 있다. 조영제가 필요 없지만 기존 광-음향 현미경은 크기가 크고 위치가 고정된다는 제약이 있다.

포스텍 연구진이 개발한 광-음향 현미경 시스템 개요. 포스텍 제공

연구팀은 '투명 초음파 트랜스듀서(TUT)'와 광섬유 스캐너를 하나로 통합한 광-음향 현미경 'hPAM-TUT'을 개발했다. TUT는 빛을 투과시킬 수 있는 투명한 소재로 만든 초음파 센서로 불투명 센서와 달리 빛과 초음파 경로를 물리적으로 일치시켜 소형화·고감도 영상 구현에 유리하다.

복잡한 기존 거울 구조 대신 가느다란 광섬유 자체를 진동시켜 빛을 스캔하는 방식으로 구조를 단순화하면서 영상 품질을 유지하는 원리다.

완성된 장비는 지름 17mm, 무게 11g으로 머리카락 굵기의 10분의 1 수준인 7마이크로미터(㎛, 1㎛는 100만분의 1m) 해상도를 구형했다. 지름 2.6mm 시야에서 3차원 영상을 1.5초 만에 보여준다. 작지만 빠르고 또렷한 영상을 얻는 장비다.

hPAM-TUT 성능을 테스트하기 위해 결과 쥐의 위와 소장 등을 촬영한 결과 복잡한 혈관망이 선명하게 확인됐다. 응급 치료에 사용되는 신경전달물질인 에피네프린을 투여하자 귀 미세혈관이 수축·회복되는 과정도 실시간으로 나타났다.

특히 전이 초기 종양 주변에 형성되는 비정상적인 혈관 구조도 선명하게 시각화됐다. 정상 조직보다 혈관 밀도와 복잡성이 높은 종양 미세환경 변화를 정밀하게 포착한 것이다.

hPAM-TUT는 수술 중 병변을 실시간으로 확인하거나 내시경과 결합해 초기 암을 조기 탐지하는 등 임상 현장에서 활용될 가능성이 크다는 평가다.

연구팀은 "피부과, 종양학, 복강경 수술 중 영상 유도 진단 등 다양한 분야에서 진단과 치료의 정확도를 높이는 기반 기술로 확장될 것"이라고 기대했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41467-025-68148-8 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]