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'힘줄의 모습을 오류 없이 볼 수 있다’

국내연구팀, 힘줄만의 3차원 모습을 보여주는

광음향 영상 기술 개발

- MRI나 초음파를 이용하여 힘줄이나 인대를 촬영할 때 발생하는 오류의 원인을 제거하여 왜곡과 오류 없이 상처부위를 영상화

- Nature 자매지인 저명학술지 <Scientific Reports> 논문 게재

□ 국내 연구팀이 힘줄이나 인대를 촬영할 때 발생하는 오류의 원인을 제거하여 왜곡이나 오류 없이 상처부위를 영상화할 수 있는 광음향 영상 기술을 개발했다.

□ GIST(지스트, 총장 문승현) 고등광기술연구소(APRI, 소장 이병하)의 이휘돈 박사(제1저자) ‧ 엄태중 박사(교신저자) 연구팀은 뼈나 근육을 연결하는 힘줄이나 인대의 주요 구성 물질이 빛을 잘 흡수하는 빛의 파장을 찾아내어 그 구조를 왜곡이나 오류없이 촬영할 수 있는 새로운 광음향 영상 기술을 개발했다고 밝혔다.

∘ 정형외과의 다빈도 질환중 하나인 어깨 힘줄 질환은 중년 이후 어깨 동통의 가장 흔한 원인이며, 상급 병원 의뢰의 43%를 차지할 정도로 매우 흔한 질환이다. 퇴행성 변화가 진행하면 건* 파열이 발생하게 되는데, 현재의 주된 치료법은 통증 등의 증상 완화만을 위한 대중적 방법과 파열된 힘줄을 봉합해 주는 수술적 치료가 있다.

* 근육을 뼈에 부착시키는 중개역을 하고 있는 결합조직인 섬유속(纖維束)으로 힘줄이라고도 함.

∘ 병원에서 주로 사용되고 있는 힘줄 진단 기법(초음파, MRI)의 한계로 인하여, 시술 후 예후의 관찰이 불가능하며 수술 후 다시 파열이 발생하는 재파열에 의한 재수술의 예측이 어려운 상황이다. 특히, 많이 사용되는 초음파 영상은 환부를 촬영할때 초음파 기기에서 나가는 음향파와 힘줄 내 섬유의 조직의 방향이 수직 방향으로 잘 유지 되어야 하는데, 이 각도가 2°만 벗어나도 영상 신호가 사라는 왜곡이 발생하고. 이로 인한 진단 오류의 가능성이 커지게 된다.

∘ 따라서 기존의 힘줄 영상 기술의 기술적 한계를 극복하고, 정형외과 진단 및 치료에서의 소요를 만족시킬 수 있는 새로운 형태의 힘줄 구조 영상 기술을 개발할 필요성이 요구되어 왔다.

□ 본 연구에서는 초음파나 MRI의 영상 왜곡이 만들어지는 원인 중 하나인 음파나 자기장이 생체 조직과 산란되어서 만들어지는 영상 기법의 한계를 극복하기 위해서 생체 조직이 빛을 흡수하는 특성을 이용하였다. 빛의 흡수 특성을 이용할 경우에는 쪼여주는 방향에 관계없이 일정한 신호가 발생하게 되므로 영상 촬영시 발생하는 왜곡을 줄일 수 있다.

∘ 본 연구팀은 다양한 고감도의 분광분석 방법을 사용하여서 힘줄이나 인대의 구성물질인 콜라겐(collagen)이 주변 다른 조직에 비하여 레이저 빛을 더 강하게 흡수하는 파장을 찾아냈다. 레이저는 고등광기술연구소의 유봉안 박사의 도움을 받아서 새로이 개발되었는데, 국방용 무기로의 활용을 위해서 개발된 고성능 광섬유 레이저 기술이 모태가 되어서 의료분야에 활용한 사례라 할 수 있다.

∘ 힘줄이나 인대의 구성 물질에 최적화된 파장의 레이저 빛을 조사하여 발생하는 초음파 신호로 영상을 구성하기 때문에 힘줄이나 인대의 구조를 왜곡이나 오류 없이 촬영할 수 있으며, 별다른 염색이나 표지자가 필요없어서 매우 간단히 힘줄이나 인대를 촬영 할 수 있는 기술이다.

□ 엄태중 박사는“기존 학계에 알려지지 않았던 힘줄의 광흡수 특성을 밝혀내어서 정형외과의 진단에서 쓰이는 초음파나 MRI가 일으키던 영상 촬영의 오류를 줄일 수 있는 새로운 광영상 방법을 제시한 것”이 이번 연구의 가장 큰 의의라고 설명했다.

□ 이번 연구는 광주과학기술원의 광과학기술 특성화 연구사업의 지원을 받아 수행되었으며, 2018년 3월 19일 Nature 그룹 자매지인 Scientific Reports(사이언티픽 레포트) 논문으로 선정 및 본문에 게재되었다.  <끝>

논문의 주요 내용

1. 논문명, 저자정보

- 저널명 : Scientific Reports Vol. 8, No. 4805

- 논문명 : Label-free functional photoacoustic microscopy for in-vivo tendon imaging using a fiber-based pulse laser (광섬유 레이저를 이용한 힘줄의 무표지 광음향 영상 구현)

- 저자 정보 : Hwi Don Lee, Bong-Ahn Yu, Jun Geun Shin, Hoon Hyun, Tae Joong Eom

용 어 설 명

광음향 영상 기술

○ 광음향 영상 기술은 레이저 빛으로 샘플에 자극을 주어 샘플이 초음파를 방출하도록 하고 이 초음파 신호를 검출하여 3D 영상을 만드는 원리임. 광학영상법과 초음파 영상법을 결합한 융합 영상 기술로 비침습성, 저렴함, 휴대성, 우수한 명암대조비, 높은 공간분해능을 두루 갖추고 있기 때문에 차세대 의료영상 기술로써 많은 관심을 받고 있음

○ 광음향 영상 기술은 일정한 간격으로 반복적으로 펄스 레이저(< 20 mJ/cm², 10 ns, 10 Hz)를 피부나 조직에 가함으로써, 생체 내 흡수체가 레이저의 에너지를 흡수하여 열을 발생시킴

○ 흡수된 조직은 열팽창(thermoelastic) 현상을 발생시키는 동시에 음향파 (acoustic wave)를 발생시키며, 초음파 트랜스듀서를 사용하여 광음향 신호를 측정 및 영상을 획득할 수 있음

○ 광음향 영상 기술은 생체 내 조직을 선택적으로 영상화 할 수 있는 기술로써 특정 파장의 레이저를 선택적으로 생체 내 조사하여 혈액, 지방, 멜라노좀(melanosome), 콜라겐(collagen) 등의 특정한 생체 구성 물질을 선택적으로 광음향 신호를 획득이 가능함

○ 임상적으로 중요한 조직의 고유한 광흡수 특성을 알 수 있다면, 특정한 조영제를 추가적으로 생체에 주입하지 않는 무표지 방식으로 고해상도 영상의 구현이 가능함

그 림 설 명

[그림 1] mouse 꼬리의 피부를 제거한 이후의 힘줄 조직의 사진(좌)과 피부의 제거 없이 얻은 꼬리 힘줄의 광음향 단층 영상(중), 꼬리의 힘줄의 3차원 광음향 영상(우)

[그림 2] mouse 발부위의 피부를 제거한 이후의 힘줄 조직의 사진(좌)과
피부의 제거 없이 얻은 힘줄 조직의 광음향(우)

[그림 3] 어깨 힘줄과 초음파 프로브 사이의 각도에 따른 힘줄의 초음파 영상의 변화

엄태중 박사[교신저자] 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : GIST 고등광기술연구소 책임연구원

○ 전 화 : 062-715-3344

○ e-mail : eomtj@gist.ac.kr

2. 학력

○ 1998 : 부산대학교 학사, 전자공학

○ 2000 : 광주과학기술원 공학 석사, 정보통신공학(Photonics)

○ 2005 : 광주과학기술원 공학 박사, 정보통신공학(Photonics)

3. 경력사항

○ 2016∼현재 : 광주과학기술원 고등광기술연구소, 바이오광학실 실장

○ 2014∼현재 : 광주과학기술원 고등광기술연구소, 책임연구원

○  2011∼2012 : 워싱턴 대학교 (세인트루이스), 바이오-의공학과, 연구원, 미국

○  2008∼2008 : 캘리포니아 대학교 (얼바인), 베크만 레이저 연구소, 연구원, 미국

○ 2005∼2014 : 광주과학기술원 고등광기술연구소, 선임연구원

4. 전문 분야 정보

○ 光기술 기반 바이오-의료기기 연구

○ 의료 기기 시스템 기술 개발

이휘돈 [제1저자] 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 :  GIST 고등광기술연구소 바이오광학연구실

○ 전 화 :  062-715-3434

○ e-mail : rahido@gist.ac.kr

2. 학력

○ 2009 : 부산대학교 학사, 나노과학기술학부

○ 2011 : 부산대학교 석사, 인지메카트로닉스공학과

○ 2015 : 부산대학교 박사, 인지메카트로닉스공학과

3. 경력사항

○ 2010.12. - 2011.06. : 캘리포니아 대학교 (얼바인), 베크만 레이저 연구소, 교환 연구원, 미국

○ 2015.09 - 현재  : GIST 고등광기술연구소 바이오광학실 박사후 연구원

4. 전문 분야 정보

○ 광섬유 레이저 개발 연구

○ 광기술 기반 바이오 의료 기기 연구

○ 광섬유 기반 센서 연구