힘줄·혈관 등 콜라겐에 기반한 섬유조직의 기능을 시각화하는 레이저 음향 이미지 분석 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.부산대학교(총장 차정인)는 광메카트로닉스공학과 엄태중 교수팀이 생체 내 다양하게 분포해 있는 콜라겐으로 이뤄진 섬유구조 조직(힘줄·혈관 등)에 대한 다양한 정보를 레이저 빛과 음파 기술을 결합해 시각화할 수 있는 새로운 기법을 개발하고, 조직의 기능 상태를 추출하는 수학적 솔루션을 제시했다고 5일 밝혔다.

이번 연구는 특정 물질이 레이저 빛을 흡수해 음파를 형성하는 광음향 효과를 이용해 힘줄이나 인대와 같은 근골격계 생체조직을 영상화하거나 심혈관 질환의 정밀한 진단 및 모니터링에 활용할 수 있는 방법을 찾기 위한 연구에서 비롯됐다.

연구팀은 ‘이색성 민감광음향 현미경(DS-PAM)’이 광학적 이방성(optical anisotropy)**을 갖는 조직의 구조적 정보를 시각화할 수 있는 새로운 영상 기법임을 증명했고, 방향성을 추정하는 알고리즘의 수학적 솔루션을 제시했다.

* 이색성(Dichroism): 광흡수의 이방성. 방향에 따라 흡수도가 달라짐.

** 광학적 이방성: 빛과 물질의 상호작용에서 굴절률·흡수도 등이 빛의 편광에 따라 다르게 반응하는 성질(=광학적 비등방성).

이 신기술 개발은 콜라겐 섬유조직의 구조적 배열에 따라 편광된 빛과의 상호작용이 변화함에서 착안했다. 기존의 파장에 따른 빛의 흡수만을 이용하던 광음향 영상 기술에 빛의 편광 원리를 더해 새로운 영상기술을 개발한 것이다.

연구팀은 이색성 민감 광음향 현미경을 통해 화학적 구성과 구조적 배열에 따라 빛의 파장과 편광에 대한 이중 대조를 확인했다. 또한 콜라겐 섬유조직에 대한 이방성과 방향을 시각화하고, 기계적 물성을 추론하며 새로운 고감도 레이저 기법의 효용성을 입증했다.

해당 연구는 보건복지부와 한국연구재단의 지원을 받아 부산대 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 주도로 POSTECH(포스텍)과의 공동 연구를 통해 수행됐으며, 의생명 광학 분야의 세계적 권위지인 『포토어쿠스틱스(Photoacoustics)』 6월호에 게재됐다.

- 논문 제목: Azimuth mapping of fibrous tissue in linear dichroism-sensitive photoacoustic microscopy

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2023.100510

연구를 주도한 박은우 박사과정 연구원(POSTECH)은 “이번 결과는 콜라겐 기반 섬유성 조직을 선택적으로 영상화하고 그 정보를 시각화하는 알고리즘을 정립했다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 밝혔다.

연구 논문의 교신저자인 부산대 엄태중 교수는 “특히 이 기술은 섬유조직에 대한 복합적 평가를 할 수 있는 새로운 기술로서 근골격계가 손상되고 회복되는 과정에서 기능을 얼마나 쓸 수 있는지, 동맥경화 질환자의 혈관 내 경화반의 파열 위험도를 알아내는 데 활용될 수 있을 것”이라고 내다봤다.