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사진 한 장으로 뇌혈관 혈류 속도 측정 성공, 뇌혈관 질환 예측 가능해질까
사진 한 장으로 뇌혈관 혈류 속도 측정 성공, 뇌혈관 질환 예측 가능해질까
  • 정민아 기자
  • 승인 2022.12.21 13:31
  • 댓글 0
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연세대 이승아 교수 연구팀, 모바일용 롤링 셔터 카메라로 혈류 속도 측정 광영상 기술 개발
쥐의 대뇌에 레이저광을 조사하여 촬영한 스페클 사진을 정량적 혈류 맵으로 변환
쥐의 대뇌 혈관의 혈류 속도 변화를 실시간으로 정확히 관측하는 데 성공
저비용, 정량적 측정 가능해져 뇌혈관 질환 응용 기대
게티이미지뱅크
ⓒ게티이미지뱅크

[바이오타임즈] 혈류는 심혈관 건강, 조직 관류 등 인체의 생리학적 상태에 대해 많은 정보를 제공하는 바이오마커다.

기대수명이 늘어나면서 전신 경화증, 교모세포종, 패혈성 쇼크, 뇌졸중 등 심혈관 건강 진단에 대한 관심도 높아지며, 인체에 손상을 주지 않는 비침습적 방법으로 혈류를 측정하는 방법이 많이 개발되고 있다.

특히, 피부 바로 아래의 혈류는 비침습적 광학 이미징 기법을 통해 쉽게 접근할 수 있고, 높은 출력과 시간적 일관성을 갖는 레이저를 활용해 다양한 혈류 이미징 기술이 개발 중이다.

그러나 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 있는 기기는 성능, 가격 문제로 인해 아직 상용화되지 못했다.

뇌혈관 질환의 기전을 연구하고 진단하기 위해 다양한 비침습적 광학 이미징 기법들이 사용되어왔지만, 기존의 방식은 뇌혈관과 같은 다중 산란 환경에서 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 없었다.

또한, 빠른 혈류에 의한 스페클 변화를 정확하게 측정하기 위해서는 고가의 초고속 카메라로 스페클 사진을 1초에 최소 1만 장씩 수만 장을 촬영한 후 분석하는 과정이 필요하다.

그런데, 국내 연구진이 모바일용 이미지 센서를 사용한 단 한 장의 사진 촬영으로 뇌혈관 내 혈류 속도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술을 개발했다.
 

롤링 셔터 카메라를 사용한 혈류 속도 측정 원리(사진=연세대학교 이승아 교수)
롤링 셔터 카메라를 사용한 혈류 속도 측정 원리(사진=연세대학교 이승아 교수)

◇연세대 이승아 교수 연구팀, 모바일용 롤링 셔터 카메라로 혈류 속도 측정 광영상 기술 개발

한국연구재단은 이승아 교수(연세대학교) 연구팀이 모바일용 롤링 셔터 카메라를 활용해 레이저 스페클 패턴을 촬영하는 방식으로 혈류 속도와 변화를 측정할 수 있는 광영상 기술을 개발했다고 밝혔다.

레이저 스페클(Laser Speckle)은 레이저 빛을 생체 조직과 같은 산란이 일어나는 물체에 조사할 때 레이저 빛과 입자의 상호 작용에 의해 생성되는 반점 모양의 간섭무늬를 말한다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진 연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학 분야 국제학술지 ‘옵티카(Optica)’에 10월 31일 게재됐다.

연구팀은 스마트폰 카메라로 빠른 속도로 움직이는 사물을 촬영할 때 물체가 기울어져 보이는 롤링 셔터 왜곡 현상을 혈류 속도 측정에 활용할 수 있지 않을까 하는 아이디어로 연구를 시작했다.

연구팀은 롤링 셔터 센서의 짧은 행간 촬영 시간 간격(약 10마이크로초)을 활용하면 초고속 카메라의 빠른 프레임레이트를 대체할 수 있을 것이라는 가설을 세웠고, 한 장의 사진에서 스페클 패턴의 시간 상관 값을 계산할 수 있는 수학적 모델을 개발했다.

또한, 혈류 속도 측정 범위 및 정확도를 극대화하기 위해 롤링 셔터 카메라의 노출 시간, 타원형 조리개의 너비, 레이저의 파장 및 출력 등의 변수들을 최적화했다. 이를 통해 시간에 따라 변화하는 스페클 패턴을 롤링 셔터 카메라로 촬영할 경우, 혈류 속도가 빠를수록 측정된 길이가 짧게 나타난다는 사실을 확인했다.

연구팀은 이러한 모델을 바탕으로 쥐의 대뇌에 레이저광을 조사하여 촬영한 스페클 사진을 정량적 혈류 맵으로 변환하고, 대뇌 혈관의 혈류 속도 변화를 실시간으로 정확히 관측하는 데 성공했다.

이는 한 장의 이미지에서 혈류 분석이 가능하고, 정적 산란 및 다중 산란의 영향을 고려할 수 있는 모델 구성을 통해, 일반 카메라를 사용하여 기존 방식에 비해 현저하게 적은 데이터로 더 정확한 측정이 가능해졌음을 의미한다.

연구팀은 새로운 비침습적 이미징 기술을 개발하고 이론, 실험적으로 정확도를 검증한 후 개발된 기술로 실제 사람이나 동물 실험을 통해 기술의 유효성을 보여주기 위해 광주과학기술원 뉴로포토닉스 연구실의 정의헌 교수와의 공동 연구를 진행했다. 공동 연구의 성과로 살아있는 쥐의 뇌혈관 이미징을 수행해 실제 생체 이미징에서 본 기술이 우수한 성능을 가진다는 것을 확인했다.
 

쥐 대뇌에서의 혈류 속도 및 정적 산란의 정량적 측정. 쥐 대뇌 부위별 스페클 패턴을 관찰하면 혈류 속도가 빠를수록 스페클 패턴의 길이와 역상관 시간이 짧아짐을 확인할 수 있다. 또한 동맥과 정맥에서는 정적 산란이 거의 나타나지 않은 반면 조직과 모세 혈관에서는 정적 산란이 많이 나타남을 확인했다(사진=연세대학교 이승아 교수)
쥐 대뇌에서의 혈류 속도 및 정적 산란의 정량적 측정. 쥐 대뇌 부위별 스페클 패턴을 관찰하면 혈류 속도가 빠를수록 스페클 패턴의 길이와 역상관 시간이 짧아짐을 확인할 수 있다. 또한 동맥과 정맥에서는 정적 산란이 거의 나타나지 않은 반면 조직과 모세 혈관에서는 정적 산란이 많이 나타남을 확인했다(사진=연세대학교 이승아 교수)

◇저비용, 정량적 측정 가능해져 뇌혈관 질환 응용 기대

이번 연구는 빠른 혈류 속도의 정확한 측정 및 빠른 영상 처리로 실시간 혈류 이미징 및 변화 측정을 달성했다는 점에서 의미를 갖는다.

기존의 초고속 카메라를 사용한 이미징 시스템과 비교하였을 때 비용을 수천만 원에서 수십만 원으로 1/100 이상 줄였으며, 간단한 광학 설계를 바탕으로 혈류 속도를 측정할 수 있기에 뇌혈관 질환을 사전에 감지하는 진단 기기로 상용화하기에 용이할 것으로 기대된다.

연구팀은 이번 연구 결과의 실용화를 위해서는 레이저 빛의 정적 산란에 대한 모델링이 보다 정확하게 이루어져야 하며, 기존의 심전도 측정과 같은 진단 방식과 비슷한 성능 및 휴대용 진단기기에 삽입할 수 있는 보다 간결한 광학 설계가 이루어져야 한다고 설명한다.

이승아 교수는 “후속 연구를 통해 정적 산란이 혈류 속도 측정에 미치는 영향을 보다 정확하게 모델링하여 피부 조직 아래에 깊숙이 위치한 혈관에서도 혈류 속도를 측정할 계획”이라고 밝혔다.

[바이오타임즈=정민아 기자] news@biotimes.co.kr


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