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GIST, 망막의 구조를 보여주는

광의료기기 핵심 레이저 기술 개발

- 국내연구팀, 안정성이 매우 우수한 레이저 OCT 기술로 눈의 미세한 혈류까지도 촬영 가능...  수술의 위험성으로 레이저를 쓰기 어려웠던 망막 질환의 치료가 가능할 것으로 기대

- 연구성과, Nature 자매지인 저명학술지 <Scientific Reports>에 논문 게재

□ GIST(지스트, 총장 문승현) 고등광기술연구소(APRI, 소장 석희용)의 이휘돈 박사(제1저자)와 엄태중 박사(교신저자) 연구팀은 부산대학교 김창석 교수 연구팀과 함께 눈 망막의 구조와 혈관을 더욱 빠르고 넓게 보여줄 수 있는 광결맞음 단층영상기기(OCT)*용 새로운 레이저 광원 기술을 개발하여 사람 망막의 3차원 구조를 실시간 고해상도로 보여주는데 성공했다.

* OCT는 안과에서 사용되는 최신 광영상 의료기기로 눈의 망막이나 전안부(눈의 전반부) 모습을 높은 해상도로 얻을 수 있는 영상기술이다. 눈에 관련된 질환을 진단하고 병의 진행 상태를 확인하는데 있어서 가장 객관적인 진단자료를 제공해 주는 기기로, 연간 2조원에 가까운 시장을 가지고 있는 성공적인 의료영상기술 중 하나이다.

□ 더 넓은 망막의 3차원 구조와 혈관 영상을 보고자하는 병원에서의 요구가 커지면서 OCT 고속화 기술에 관한 연구개발이 활발한데, 중심 파장이 1.0 마이크로미터 대역인 파장가변 레이저를 이용하는 OCT 기술이 그 선두에 서있다. 여러 기관에서 레이저 개발에 관련 연구가 진행되고 있으나 세계적으로 3개 회사만이 OCT용 파장가변 레이저를 상용화시켜 의료기기시장을 독점하고 있는 상황이다.

∘ 고속 OCT 촬영 기법을 위해서는 초고속으로 레이저의 출력파장을 바꾸어가면서 계속 반복하는 파장 가변 레이저가 사용되는데, 상용 레이저의 경우 레이저 내부에 부품이 실제로 움직이면서 파장을 바꿔주는 광소자를 쓰는 방식이 많다. 기계적 움직임이 필요한 레이저 광원은 출력 안정성이 낮아서 매번 보정을 위한 영상 시스템에 부가적인 신호처리 기법을 추가로 필요로 한다. 따라서 OCT 의료영상기기에 사용할 수 있는 새로운 형태의 안정적 출력 특성을 가지는 고속 파장가변 레이저 기술이 계속 필요해 왔다.

□ 본 연구에서는 능동 모드 잠금이라는 기술을 1.0 마이크로미터 대역에서 파장가변 레이저에 응용함으로써 기계적인 움직임이 가지는 속도 한계를 극복하고 레이저의 출력 안정성을 향상시켰으며, 피시험자 망막의 OCT 단층 영상을 임상에서 필요한 수준까지 성공적으로 개선시켰다.

∘ 연구팀은 관련 기술의 성능을 개선시키기 위해서 레이저의 구조와 변조방법을 바꾸고 레이저 내의 필요한 핵심 광섬유 격자 소자를 자체 개발하였다. 그 결과, 의료현장에서 필요한 OCT의 성능인 7 mm 이상의 영상화 가능 깊이를 구현할 수 있었으며, 망막을 촬영하기에 적합하도록 1.0 마이크로미터 파장을 중심으로 레이저의 출력이 변화할 수 있도록 개발하는데 성공했다.

□ 개발된 파장가변 레이저 OCT 기술은 안정성이 매우 우수하여 눈의 미세한 혈액의 흐름까지도 촬영이 가능하다. 레이저 치료기기와 고속 OCT 영상기술이 결합하면 수술의 위험성으로 레이저를 쓰기 어려웠던 망막 질환의 치료가 가능해지면서 진단영상기기로만 사용되는 OCT 기술이 영상기반 정밀 레이저 치료기기라는 새로운 분야가 개척될 수 있을 것으로 기대된다.

∘ 엄태중 박사는 이번 연구는“기존의 레이저 가변 기술의 단점을 극복하고 사람 망막의 OCT 영상을 효과적으로 보여줌으로써 개발된 레이저 기술의 효용성이 있음을 증명하였다”면서 “몇 개의 기업이 독점하던 고속 OCT용 레이저 광원 시장에 새로운 기술적 대안을 제시하였을 뿐 아니라 보다 정확한 망막의 혈관 구조를 보여줄 수 있는 새로운 레이저 기술을 개발”한 것이 이번 연구의 가장 큰 의의라고 설명했다.

□ 이번 연구는 산업자원부의 산업핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, Nature 그룹 자매지인 국제 학술지 Scientific Reports(사이언티픽 레포트)에 2018년 12월 5일(목) 게재되었다.  <끝>

논문의 주요 내용

1. 논문명, 저자정보

- 저널명 : Scientific Reports, Vol. 8, No. 17660, 2018.12.05

- 논문명 : Akinetic swept-source optical coherence tomography based on a pulse-modulated active mode locking fiber laser for human retinal imaging (기계적 움직임이 없는 파장가변 레이저를 이용한 망막의 OCT 영상화)

- 저자 정보 : Hwi Don Lee, Gyeong Hun Kim, Jun Geun Shin, Boram Lee, Chang-Seok Kim, Tae Joong Eom

용 어 설 명

광결맞음 단층 영상 기술(OCT)

○ 빛의 결맞음을 이용한 단층 촬영법(Optical Coherence Tomography, 이하 OCT)은 비침습적인 영상기법으로서 광간섭계로부터 얻은 신호를 분석하여 생체시료의 내부 구조를 현미경에 근접하는 높은 해상도로 제공할 수 있다. 비침습성, 저렴함, 휴대성, 우수한 명암대조비, 높은 공간분해능을 두루 갖추고 있기 때문에 새로운 의료영상 기술로써 각광받고 있으며, 특히 국내에서는 안과 질환의 경우 국민 건강보험이 적용될 만큼 보편적으로 사용되고 있다.

○ 최근에는 여러장의 광단층 영상을 촬영한 이후에 이를 분석하여 흐르고 있는 혈액의 신호만을 선택적으로 고해상도의 3차원 이미지로 구현할 수 있는 광결맞음 혈관 조영 기술(OCT angiography)이 개발되어 생체내부의 혈액의 흐름과 혈액의 산소농도 변화, 주변 조직의 기능 등의 연구가 가능하게 되었다.

2. 파장가변 레이저 (wavelength swept laser)

○ 일반적으로 이용되는 출력되는 빛의 파장이 고정되어 있는 레이저와는 달리 출력되는 빛의 파장을 계속 바꿀 수 있는 특징을 가진 레이저이다. OCT나 광섬유 센서의 광원으로 사용이 되면 측정 속도를 빠르게 하기위해서 레이저 내부에 기계적인 움직이면서 파장을 바꿔주는 광소자를 포함하는 경우가 많다.

○ 망막 촬영용 OCT에 사용되는 파장가변 레이저는 눈을 잘 투과하여서 실시간으로 보여줄 수 있어야 하기 때문에, 중심 파장이 1000nm 근방이고, 파장가변 속도가 100 kHz를 넘는 매우 빠른 특성을 가진다.

그 림 설 명

[그림 1] 개발된 능동 모드 잠금기술을 적용한 파장 가변 레이저를 이용해서 얻은 사람 망막의 2차원 OCT 영상(상)과 동일한 부위의 3차원 고해상도 망막의 OCT 영상(하)

[그림 2] 파장가변 레이저와 OCT 영상 시스템의 성능을 검증하기 위하여 피시험자의 망막 OCT 영상과 사용 안저카메라 영상을 비교: 주요 망막 혈관과 망막 조직의 구조가 일치함을 알 수 있음