내시경을 대체하기 위한 혁신적인 초음파 광학 이미징 시스템

카네기 멜론 대학교의 전기 및 컴퓨터 공학 조교수인 (CCE) Maysam Chamanzar와 ECE Ph.D. 학생인 Matteo Giuseppe Scopelliti는 최근 생체 조직과 같은 혼탁한 매체를 초음파를 사용한 광학 이미지로 비침습적 촬영하여 신체의 장기를 확인하는 새로운 기법을 발표했습니다. 이 새로운 방법은 내시경 카메라를 사용하는 침습적인 시각적 검사의 필요성을 고려하지 않아도 되는 장점을 가지고 있습니다. 다시 말해, 앞으로 미래의 언젠가는 목이나 피부, 위, 뇌 또는 검사를 위한 다른 기관을 검사하기 위해 내시경을 삽입하지 않아도 되는 셈이죠.

내시경 영상 촬영이나, 신체 기관에 직접 삽입된 내시경 카메라를 사용하여 증상을 확인하는 것은 심층 조직 질환의 증상을 검사하고 진단하는 데 사용되는 침습적 시술입니다. 내시경 끝에 있는 카메라는 일반적으로 신체의 깊은 조직에 도달하기 위해 의료 절차 또는 수술을 통해 사용되지만, 이식되지만 Chamanzar 교수의 새로운 기술은 완전히 비 수술적이며 비 침습적 대안을 제공합니다.

Springer Nature가 발행 한 Light : Science and Applications에 실린 이 연구소의 논문은 초음파를 사용하여 실제 렌즈를 이식하는 대신 신체 내에 가상 ‘렌즈’를 만들 수 있다는 것을 보여줍니다. 연구진은 초음파 패턴을 사용하여 조직 내에서 빛을 효과적으로 ‘초점화’하여 비 침습적 수단을 통해 이전에는 접근할 수 없었던 이미지를 촬영하는 데 성공했습니다.

생물학적 조직은 대부분의 빛, 특히 광학 스펙트럼의 가시광선 범위의 빛을 차단할 수 있습니다. 따라서, 현재의 광학 이미징 방법은 빛을 사용하여 표면으로부터 깊은 조직에 접근할 수 없었습니다. 그러나 Chamanzar 교수의 실험은 비 침습적 초음파를 사용하여 더 많은 투명성을 유도했고 생물학적 조직과 같은 혼탁한 매체에 대해 더 많은 빛을 투과하는데 확실한 결과물을 얻어내었습니다. 

이것은 특히, 물리적인 내시경과 같은 광학 구성 요소를 인체 내부에 삽입할 필요 없이 뇌와 같은 장기로부터 이미지를 전달할 수 있게 되면 신체에 침습성 내시경을 이식하는 것에 대한 중요한 대안이 될 수 있을 것입니다. 초음파를 사용하는 것은, 예를 들어 생물학적 조직이 될 수 있는 주어진 대상 매체 내에서 가상 광학 릴레이 렌즈를 만들 수 있기 때문에 인체 조직의 더 깊은 구조를 이미지화할 수 있고, 판별이 확실하게 가능해지기 때문에 의료 영상 분야의 혁신이 가능할 것으로 보입니다.

초음파는 어떤 매체를 통해서든지, 압축되고 얇게 투과할 수 있습니다. 압축된 영역에서는 빛이 거의 없는 영역에 비해 더 느리게 이동합니다. 이 논문에서는 이 압축과 희귀 효과를 사용하여 광학 이미징을 위해 대상 매체에 가상 렌즈를 만들어 낼 수 있다는 것을 보여주고 있습니다. 초음파를 통한 이 가상 렌즈는 외부에서 초음파를 재구성하기만 하면, 인체 장기의 매체들의 방해 없이 투과할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 대상 영역을 비 침습적으로 이미징 할 수 있게 되는 것입니다. 

이 기술을 활용할 수 있는 가장 빠른 분야는 조직의 내시경 영상이나 피부 아래의 영상 촬영이 될 수 있습니다. 하지만, 더 나아가 신체의 다른 부분에서도 사용될 수 있습니다. 예를 들면, 생체 의학적인 분야 외에도 기계적인 촬영이나 계량학 및 기타 산업 분야에서 광학적 이미징에 사용할 수 있어 어떤 물체나 구조물의 비파괴적이고 조종 가능한 영상을 구현할 수 있습니다.

연구진은 초음파의 파라미터를 변경하면 가상의 ‘렌즈’의 특성을 조정할 수 있다는 것을 보여주었고, 이를 통해, 매체를 통한 다른 깊이의 방법으로 촬영한 영상을 볼 수 있습니다. 하지만, 연구팀은 아직 이 초음파 지원 광학 영상 촬영법이 신체의 조직 깊이에 도달할 수 있는 방법은 아직 찾지 못한 것이 한계로 남아 있습니다.

이 기술은 피부 질환 진단이나 뇌 활동 모니터링, 악성 종양의 식별, 그리고 광역학 치료 등 많은 잠재적 임상 분야에 적용 가능성을 염두에 두고 있습니다. 이 연구가 임상 의학에 미치는 직접적인 영향 외에도, 간접적인 임상도 있을 것입니다. 이 초음파 광학 기술을 사용하여 활동 중인 뇌 질환의 모델을 보고 선택적으로 다른 신경 경로를 자극함으로써, 연구원들은 파킨슨병과 같은 질병 조건에 관련된 메커니즘을 연구할 수 있을 것이고, 이러한 질병을 치료하기 위한 차세대 임상 치료법의 설계에 대한 정보를 제공할 수 있을 것입니다. 

이 초음파 광학 기술은 적절한 패턴으로 초음파를 활성화하면 인체 장기들 때문에 가려지는 탁한 부분들이 바로 구별이 가능할 정도로 명확해집니다. 이 방법이 생체 의학 분야에서부터 컴퓨터 시각화에 이르기까지 다양한 분야에 미칠 수 있는 영향에 대해 생각하는 것은 정말 흥미진진합니다.

연구원들은 이 새로운 영상 기술이 향후 5년 안에 생물 의학 및 임상 환경에 적용될 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.