주사 바늘보다 얇은 초미세 3D 내시경 개발
- 폐, 모세혈관, 뇌, 신경계까지 관찰 가능...질병 조기 진단의 길 열어-
모세혈관이나 신경계까지 3D 입체로 관찰할 수 있는 초미세내시경이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장(고려대학교 물리학과 교수)과 고려대학교 바이오의공학과 최영운 부교수 공동연구팀은 주사바늘보다 가는 두께의 내시경 기술을 개발하고, 이를 통해 박테리아보다 작은 생체 구조의 입체이미지를 얻는데 성공했다.
내시경은 좁은 공간 안의 물체나 인체 내부의 영상을 획득하기 위해 만들어진 영상장비이다. 일반적으로 내시경은 관찰하고자 하는 물체 내부에 가느다란 영상장비를 삽입하여 신호를 받아들이는데, 끝단(프로브)에 카메라를 부착해 직접 관찰하거나, 빛을 이용해 정보를 전달하는 광섬유로 이미지를 얻는다. 카메라 센서를 사용하는 경우 프로브의 두께가 두꺼워져 피부의 일부를 절개해서 삽입해야하는 경우도 있다. 반면 광섬유 다발을 이용한 내시경의 경우 좀 더 얇은 형태로 제작할 수 있어 절개부위와 환자의 불편함을 최소화할 수 있다.
하지만, 기존의 광섬유 내시경은 개별 광섬유의 코어(광섬유 속에서 빛을 통하게 하는 물질)간에 생기는 빈 공간 때문에 선명한 이미지를 얻기 어려웠다. 또, 광섬유 다발 끝에서 생기는 자체 반사가 원하는 신호만 관찰하는 것을 방해해서 반사율이 낮은 생물 구조를 관찰하기 힘들게 했다. 관찰을 위해서는 형광 염색을 해야 하지만, 인체에 적용하기에는 한계가 있었다.
연구진은 광섬유 다발 말단 부분에 렌즈나 어떠한 장비도 부착하지 않고도 고해상도로 관찰 가능한 아주 얇은 내시경을 개발해 기존 광섬유 내시경의 한계를 극복했다. 연구진은 광섬유 다발 중 하나의 광섬유에 빛을 집속시켜 광섬유에서 일정 거리 떨어져 있는 물체를 조명했다. 물체에서 반사된 빛은 여러 개의 다른 광섬유를 통해 물체에 대한 정보를 전달한다. 이때 얻은 반사 홀로그래피 이미지를 측정하고 각 코어마다 발생되는 왜곡을 보정해 고해상도 이미지를 얻었다.
개발한 내시경은 광섬유 말단에 어떠한 장비도 부착하지 않아 내시경 프로브의 지름이 350μm(마이크로미터)로 매우 얇은데, 이는 피부에 놓는 주사 바늘(약 500μm)보다도 가늘다. 이를 이용해 쥐의 융털(소장 안에 있는 구조물)과 같이 반사도가 매우 낮아 관찰하기가 어려운 생물 샘플에서도 형광 염색 없이 이미지 정보를 얻었다.
특히 이번에 개발한 내시경은 일반적인 광섬유 다발 내시경으로 할 수 없는 현미경급의 고해상도 이미지 촬영이 가능하다. 물체 간 거리가 850nm(나노미터)정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있을 정도다. 참고로 박테리아 크기가 1,000nm(1μm, 즉 100만분의 1m) 정도다. 측정한 홀로그래피 정보를 보정해 다중 깊이의 3D 이미지도 복원할 수 있는데, 물체 간 깊이가 14μm정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있다.
최원식 부연구단장은 “획기적으로 얇은 고해상도 내시경을 개발했다.”라며 “기존의 내시경으로 접근하기 어려웠던 폐나 모세혈관, 나아가 뇌 신경계까지 최소한의 피부 절개로 질병을 조기 진단할 수 있는 가능성을 열었다”고 말했다.
연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69) 8월 2일자 온라인 판에 게재됐다.
[붙임] 1. 연구 추가설명 2. 그림설명 3. 연구진 이력사항
연 구 추 가 설 명 |
논문/저널/저자 | Flexible-type ultrathin holographic endoscope for microscopic imaging of unstained biological tissues Nature Communications (2022) Wonjun Choi, Munkyu Kang, Jin Hee Hong, Ori Katz, Byunghak Lee, Guang Hoon Kim, Youngwoon Choi and Wonshik Choi |
연구내용 보충설명 | 광섬유 말단과 관찰하고자 하는 샘플의 거리를 충분히 떨어뜨려 기존의 광섬유 다발 내시경으로는 측정할 수 없는 고해상도 이미지를 획득하였다. 광섬유 다발 내의 단일 코어(광섬유 속에서 빛을 통하게 하는 물질)들을 스캔하며 샘플을 조명함으로써 프로브(탐침) 끝단에서 생기는 되반사 노이즈를 제거해서 반사도가 매우 낮은 샘플의 3D 이미지도 얻었다. |
연구 이야기 | [연구 과정] 내시경과 같은 매우 얇은 형태의 이미징 시스템은 의학 분야에서 인체 내부를 수술 없이 확인하거나, 산업 분야에서 장비의 개폐 없이 결함을 확인하는 등 다양한 분야에서 사용되어왔다. 기술의 발전에 따라 더 높은 해상도의 영상 기법을 필요로 하게 되었고, 이를 위해 개발된 여러 형태의 내시경은 얇으면서 구부러짐이 가능한 연성 내시경의 장점을 잃어버리게 되었다. 본 연구에서는 독특한 조건에서 샘플의 각도 스펙트럼을 측정함으로써 매우 얇은 두께로도 고해상도 이미징이 가능한 반사 홀로그래피 내시 현미경을 개발하였으며, 이를 이용하여 쥐의 소장 융털 구조의 입체이미지를 얻었다. [어려웠던 점] 기존의 광섬유 내시경은 끝단에서 일어나는 자체 반사로 생물과 같이 반사 신호가 약한 샘플 영상을 얻기 어려웠다. 같은 광섬유로 조명과 측정을 동시에 하면 프로브 자체반사로 관찰이 어려워 조명하는 광섬유와 측정하는 광섬유를 분리하거나, 형광 염색을 통해 반사 노이즈를 피하고자 하는 연구가 많았다. 그러나 형광 이미징은 인체에 적용하기에 제한적이며, 여러 채널을 사용함에(조명, 측정채널)따라 프로브의 크기가 비대화될 수밖에 없었다. 본 연구에서는 하나의 광섬유 다발을 사용하고, 단일 코어 조명을 함으로써 되반사 노이즈를 해결하고 낮은 반사도의 샘플 영상을 얻었다. [성과 차별점] 기존 내시경은 직접적으로 샘플의 이미지 정보를 획득한다. 기존 방식은 해상도가 코어의 크기로 제한되며, 프로브 끝단에서의 반사때문에 이미지 정보가 크게 손실된다. 본 연구의 내시 현미경 시스템의 해상도는 사용한 광섬유 다발의 코어 크기보다 작은 850nm 수준까지 구분할 수 있을 정도다. 또한 프로브 말단의 되반사 노이즈를 손쉽게 제거함으로써 형광염색을 사용하지 않고(비표지 방식) 쥐의 융털 구조를 획득했다. 또한 광섬유 말단에 어떠한 장비도 부착하지 않아 매우 얇은 형태의 내시 현미경을 제작했으며, 그 지름은 350μm로 피하주사에 사용되는 바늘보다 얇은 굵기이다. [향후 연구계획] 광섬유 다발을 이용한 새로운 내시 현미경 시스템을 통해 쥐의 융털 구조를 확인하며 기존 방법의 한계를 극복했다. 이를 통해 생명과학 연구와 의학 및 반도체 산업 등 응용 가능성을 증명하였으며, 추후 다양한 분야와의 융합연구를 시도할 계획이다. |
그 림 설 명 |
[그림1] 고해상도 광섬유 다발 반사 홀로그래피 내시경의 원리
이번에 개발한 현미경(a)은 광섬유 다발의 단일 코어를 통해 물체를 조명하고 물체에서 반사된 신호를 다시 같은 광섬유 다발로 수집하여 반사된 빛의 정보를 기록한다. 이 때 일반적인 광섬유 다발 내시경과 다르게 물체와 광섬유 사이의 거리를 충분히 떨어뜨려(b) 고해상도 이미지를 얻었다.
[그림 2] 좁은 관을 통해 상자 내부 3차원 영상 획득
얇은 관을 통해 상자 내부의 물체의 영상을 획득할 수 있다(a),(b). 좁은 공간에 있는 물체의 영상 또한 기존의 내시경(c)보다 고해상도로 얻었다(d). 내시 현미경 시스템에서는 물체의 홀로그래피 정보를 수집하기 때문에 후처리를 통해 3D 정보를 복원할 수 있다. 서로 다른 깊이에 놓인 두 물체(e)를 구분할 수 있었다(f),(g).
[그림 3] 신호가 약한 쥐의 소장 융털 구조 관찰
기존의 내시경으로 본 이미지(a)뿐만 아니라, 되반사 노이즈가 존재하지 않는 영상(b)에서도 쥐의 소장을 구분하기 어려웠다. 반면 이번에 개발한 내시경으로 융털의 각 위치를 측정하고(c)-(f), 이어 붙여 융털 전체 구조(g)를 획득하였다.