POSTECH 김철홍 교수팀, 나노 크기 니켈 조영제·레이저 이용…광음향 영상법 개발

광음향 영상은 방사선을 사용하지 않고 인체에 고통을 주지 않는 생체 영상 장비로 전 세계적인 주목을 받고 있다.

최근에는 광음향 영상 진단을 임상에 적용하기 위해 심부 조직을 관찰하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 창의IT융합공학과 김철홍 교수, 통합과정 박별리 씨가 전남대학교 김형우 교수, 박사과정 이경민 씨와의 공동연구를 통해 생체 심부 조직을 광음향 영상법을 제안했다.

나노(nano) 크기의 니켈 기반의 조영제와 1064나노미터(nm) 레이저를 이용한 것인데, 지금까지 전임상 연구 중 생체 내에서 가장 깊은 곳까지를 들여다볼 수 있는 결과(~3.4cm)다.

광음향 영상은 빛을 인체 조직에 조사하게 되면 그 빛을 흡수한 조직이 순간적으로 열팽창을 하면서 발생하는 음파(광음향) 신호를 초음파 센서로 감지하여 영상화하는 원리다.

기존의 광학을 이용하는 영상 기술들이 매우 얕은 깊이(~ 1mm)만을 관찰 할 수 있는 반면에, 광음향 영상은 인체 조직 내 수 cm까지 광학적 콘트라스트에 기반한 영상을 획득할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 심부조직에 위치한 다양한 장기들을 더 자세히 관찰하기 위해 광음향 조영제에 대한 연구 역시 활발히 연구되고 있지만, 단파장 빛(650~900nm)을 인체 깊숙이 전달하는 것이 어렵다. 때문에 심부 조직을 관찰하기에는 적합하지 않다는 한계가 있었다.

연구팀은 장파장 빛(1064nm)에 대한 강한 흡수도를 가진 니켈을 기반으로 하는 나노입자 조영제를 이용한 심부조직 광음향 영상에 대해 소개했다.

니켈 기반의 나노입자에 대한 생체 적합성을 모두 검증했고, 쥐의 림프노드, 위장관, 방광에 나노입자를 주입해 최대 ~3.4cm 깊이에서 광음향 영상을 획득했다.

논문의 제1 저자인 박별리 씨는 “이번 연구는 주로 단파장을 사용한 기존 연구들과 달리 장파장 레이저를 사용해 세포 조직의 손상을 최소화 할 수 있고, 깊은 조직까지 빛 전달이 가능하여 심부 조직 영상이 획득이 가능하다”고 설명했다.

이번에 개발된 광음향 영상법을 적용하면, 방사성 물질을 필요로 하는 CT 등과 달리 피폭의 위험 없이 비침습적으로 깊은 조직 내 질병 진단에 도움을 줄 수 있다.

뿐만 아니라 1064nm 파장의 레이저는 비교적 가격이 저렴하고 일반 상용 초음파 장비와 함께 사용할 수 있기 때문에 이른 시일 안에 임상 적용이 가능할 것으로 기대된다.

교신저자인 김철홍 교수는 “이번 연구는 지금까지 발표된 광음향 영상 연구 중에서 가장 깊은 깊이의 생체 내 영상을 관찰한 사례”라며 “광음향 영상 진단의 임상 장비로의 사용 가능성에 한 발 더 다가갔다는 점에서 의의가 있다”고 말했다.

한편 이 연구는 과학기술정보통신부 ICT명품인재양성사업, 보건복지부 보건의료기술연구개발사업, 한국연구재단 파이오니어사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 분자영상 진단·치료법 분야의 국제학술지 ‘테라노스틱스(Theranostics)’에 표지 논문으로 실렸다.