Center for Relativistic Laser Science

우리 연구진이 초고속으로 고해상도 3차원 이미징이 가능한 광학 현미경 기술을 개발했다. 뇌 조직 내 가느다란 신경망 구조 이미징에도 성공했다.

기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행)의 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수)팀이 이같은 성과를 냈다고 14일 밝혔다.

그동안 생체 조직은 광 산란 현상이 심해 노이즈가 크고, 복잡한 광학 수차를 유발해 조직 깊은 곳 고해상도 이미징이 어려웠다. 많은 이미지 측정이 필요해 최종 이미지를 얻는데 긴 시간이 소요됐다. 여러 깊이의 이미지를 각각 구해야 하는 3차원 이미징 적용이 쉽지 않았다.

생체 조직의 광학 특성을 알려면 여러 위치에 점 조명을 하거나 여러 각도 조명을 비춰 산란돼 나오는 전기장을 측정해야 한다. 입사된 빛과 산란된 빛의 상대적인 위치·각도를 배열한 행렬을 반사 행렬이라 하는데 이를 측정해 빛과 매질 간 최대한 정보를 얻을 수 있다.

연구단에서는 반사 행렬에 독자 개발한 알고리즘을 적용, 산란 노이즈를 줄이고 광학 수차를 보정해 생체 조직 훼손 없이 대상을 고해상도로 이미징할 수가 있었다.

행렬 측정 속도 문제도 획기적으로 개선했다. 무작위 패턴 조명을 희소 샘플링해 반사 행렬을 구성했고, 반사 행렬의 시간 역전 행렬을 이용하는 방법으로 복잡한 광학 수차를 보정했다. 필요했던 측정 이미지 개수의 2% 사용만으로도 기존 반사 행렬 이용 이미징 방법에서와 같은 고해상도 이미지를 획득했다.

이를 바탕으로 쥐 뇌 조직 내부 신경섬유 3차원 구조를 초고속으로 이미징했다. 기존 반사 행렬 이미징 방법에서는 전체 이미지 측정에 수 시간이 소요되는 반면, 이번 연구에서는 데이터 획득 시간이 3.58초밖에 되지 않았다. 그럼에도 수평 해상도 0.45마이크로미터(㎛), 수직 해상도 2㎛ 회절 한계 분해능의 고해상도 이미지를 복원했다.

최원식 부연구단장은 “반사 행렬 이미징 방법을 더욱 발전시켜 의생명 광학 기술 분야 활용 범위를 넓혀나갈 것”이라고 말했다.

한편 연구진은 이 기술을 실제 의료 현장에서 사용할 수 있도록 현미경을 소형화하는 동시에, 질병 실시간 조기 진단에 적용 가능하도록 준비중이다. 연구 결과는 국제학술지 '라이트: 사이언스&애플리케이션스(LSA, IF 17.782)' 1월 14일자 온라인 판에 게재됐다.

김영준기자 kyj85@etnews.com