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차세대 진단 의료기기 등장 예고…임상 적용 기대
광음향 융합영상 진단법·헬멧형 정위고정 미세내시경 개발
[기사입력 2020-05-26 06:42]

차세대 영상 기술을 갖춘 진단 의료기기 개발이 국내 연구진에 의해 가속화되고 있다.

26일 업계에 따르면 국내 연구팀이 광음향 융합영상 진단법 및 헬멧형 정위고정 미세내시경을 개발하며 임상 적용 기대감을 높이고 있다.

전남대학교 핵의학교실 이창호 교수와 고분자융합소재공학부 김형우 교수팀은 포항공대(POSTECH) 김철홍 교수와 함께 방사선을 이용하지 않고 인체에 고통도 주지 않으면서 몸속 깊숙한 곳의 장기들을 관찰할 수 있는 '광음향 융합영상 진단법'을 개발했다.

장파장 빛(1064㎚)에 대한 강한 흡수도를 가진 니켈 기반의 나노입자 조영제를 이용, 심부 조직의 고해상도 영상화가 가능한 광음향 융합영상기술을 개발한 것이다.

'광음향 영상'은 빛을 인체에 쏘이면 인체조직이 순간적으로 열팽창을 하면서 음파(광음향) 신호를 발생시키는데 이를 초음파 센서로 감지해 영상화한 원리다.

연구팀은 사용되는 빛의 파장이 길어질수록 생체 투과도가 높으나 세포 손상은 적다는 점에 착안해 장파장 레이저의 사용과 이를 흡수할 수 있는 조영제 개발에 나서 이 같은 성과를 거뒀다.

이 기술은 생체 적합성 검증을 거쳤고 쥐의 림프 노드·위장관·방광 등에 나노입자를 주입해 최대 3.4cm 깊이에서 광음향 영상을 얻어내는 실증까지 마쳤다.

이전 기술들은 대개 단파장 레이저를 사용해 피부 아래 수 ㎜의 연부조직만 관찰할 수 있고, 광음향 조영제 또한 단파장 빛(650~900㎚)을 인체 깊숙이 전달하지 못하는 한계가 있었다.

연구팀는 "방사성 물질을 필요로 하는 CT 등과 달리 피폭의 위험을 피하면서 비침습적으로 몸속 깊숙한 곳의 장기와 질병을 관찰하고 시각화할 수 있다"고 말했다.

연구팀은 이어 "사용한 레이저도 비교적 가격이 저렴하고 일반 상용 초음파 장비와 함께 사용할 수 있어 이른 시일 안에 임상 적용이 가능하다"고 덧붙였다.

국내 연구진이 3D프린팅 기술과 미세내시경을 결합한 헬멧형 정위고정 미세내시경을 개발했다.

이에 따라 그동안 마취시키거나 고정된 자세로만 관찰이 가능했던 안구 내 혈관의 미세구조를 실험동물이 움직이는 상태에서도 관찰할 수 있게 됐다. 

서울아산병원 융합의학과 김준기·김남국 교수팀은 직경 1mm의 미세내시경과 개체별 맞춤으로 출력하는 3D프린팅 기술을 결합, 소동물의 헬멧형 정위고정 내시경 기기를 개발하고 자유롭게 움직이는 실험쥐의 홍채혈관 미세구조를 실시간으로 관찰하는 데 성공했다.

검사 대상을 고정하는 정위고정기기는 3차원 좌표를 사용해 목표지점의 정확한 위치 확인을 위해 뇌수술 등 정위가 필요한 외과영역에서 사용된다.

하지만 검사대상을 움직이지 못하도록 해야 하고 때로는 마취가 필요한 경우도 있어 온전하게 깨어있거나 움직이는 역학적인 생리환경을 정확히 파악하는데 한계가 있었다.

특히 뇌신경 신호전달이나 안구 내 움직임 관찰에서는 매우 제한적이었다.

일반적인 정위고정 기기가 무겁고, 한자리에 고정되어있는 제한점을 극복하기 위해 연구팀은 컴퓨터 단층촬영(CT) 정보를 기반으로 3D프린팅을 이용한 헬멧 형태의 개체 맞춤형 헤드마운트를 출력했다.

무게를 줄이고 강도를 높이기 위해 폴리카보네이트 재질로 만들어진 헬멧은 무게가 2.54g에 불과해 실험쥐가 착용 후 자유롭게 움직이는 데 어려움이 없었다.

연구팀은 이렇게 3D프린팅 된 헬멧에 세포관찰이 가능한 지름 1mm 내외의 가느다란 미세내시경인 고해상도 공초점 스캐닝 레이저 내시현미경 시스템을 결합해 비침습적인 방법으로 홍채 미세혈관의 움직임을 성공적으로 관찰했다.

그동안 미세내시경으로 뇌의 구조를 관찰하는 연구는 있었지만 움직이는 실험동물의 안구 내 혈관 움직임을 관찰한 것은 처음으로 움직임 따라 미세혈관의 형태적 변화와 혈액 흐름의 속도 변화 등을 자세히 알 수 있게 됐다.

이 헬멧형 정위고정 기기의 원리를 활용하면 뇌신경검사 등 여러 분야에 적용할 수 있다.

김준기 교수는 "이번에 개발된 헬멧형 정위고정용 내시경기기는 자유롭게 움직이는 피검체와 의료시스템을 입체적으로 결합시킬 수 있다"며 "생명연구 관련 최소침습이 필요한 뇌신경과학이나 광 유전학, 광역학 치료 등 다양한 분야로 적용범위를 넓힐 수 있어 차세대 임상연구에 새로운 방향을 제시할 것"이라고 말했다.

김남국 교수는 "창의적인 연구를 위해서는 동물실험을 비롯해 다양한 연구가 진행되는데 3D프린팅을 이용하면 맞춤형 실험도구를 쉽고 편하게 제작해 사용할 수 있다"며 "3D프린팅 기술이 필요한 다양한 수요를 발굴해 우리나라의 연구수준을 올리는데 도움이 되도록 노력하겠다"고 전했다.

한편 이번 연구는 보건복지부 보건의료기술 연구개발 사업 및 과학기술정보통신부 중견연구자 지원 사업으로 진행됐으며 연구 결과는 생명 광학 연구분야 저널인 '저널 오브 바이오포토닉스(Journal of Biophotonics)'에 게재됐다.   


김양순 기자  ehealth@e-healthnews.com
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