국내 연구진이 세계 최초로 세포 내 화학적 결합을 1000조분의 1초 단위로 확인할 수 있는 영상기술을 개발했다. 이 기술은 향후 암 진단이나 신약개발 등에 활용될 수 있을 것으로 보인다.
한국전자통신연구원(ETRI)은 반도체 발광소자 다이오드 결합으로 만든 펨토초(1000조분의 1초) 레이저 기반 '실시간 라만 분자진동 영상기술(CARS)'을 개발했다고 19일 밝혔다. CARS는 동시에 두 개의 서로 다른 빛을 조사해 표적 분자의 진동에 따라 주파수 차이를 영상화하는 기술이다.
기존에는 암 진단에 CT와 자기공명영상(MRI)이 많이 사용됐다. 하지만 CT와 MRI 모두 병변조직이 발병된 이후에 활용됐고, 암 같은 생체조직에 형광물질을 사용해 관찰시간이 제한적이라는 문제가 있었다.
ETRI가 개발한 CARS는 빛을 분광하는 원리로 원자의 움직임을 관찰하는 펨토초 레이저를 기반으로 세포 내 화학적 결합을 확인할 수 있다. 기존 CARS는 외산 기술을 사용해야 했고, 10억원대인 장비가 비싸 국내 도입과 상용화가 어렵다는 문제가 있었다. 하지만 이번 개발로 완전한 기술 국산화가 이뤄졌고, 가격은 10분의 1 수준으로 낮췄다.
연구팀이 개발한 CARS는 형광물질 염색 없이 세포조직 내 암 표지자(CH2)와 같은 특정 분자를 영상을 볼 수 있어 암이 발병하기 전에 활용할 수 있다. 특히 기존 CARS는 두 대의 레이저로 구성됐지만, 개발된 CARS는 레이저를 한 대로 줄여 장비 크기를 절반 이하로 줄였다. 상용화 시에는 노트북 두 배 정도 크기로 줄일 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.
펨토초 레이저 기술 외에도 고정밀 광학계 기술과 현미경 자동화 기술을 적용해 성능을 높였다. 연구팀이 개발한 영상기술은 '1024x1024′ 픽셀 해상도에서 초당 7.5프레임의 스캔 속도를 나타냈다. 이는 '512x512′ 픽셀에 2~3프레임의 스캔 속도인 외산 기술보다 4배 이상 성능이 높아진 것이다. 1초에 7.2장의 영상을 송출할 수 있어 실시간으로 샘플을 볼 수 있고, 영상분석을 끊기지 않고 가능한 수준이다.
송동훈 ETRI 진단치료기연구실 책임연구원은 "저비용의 펨토초 레이저 한 대로 기존 CARS 획득시간의 한계를 극복해 실시간 구현과 제작비용 절감으로 상용화에 근접했다"고 말했다.
ETRI는 연구팀이 개발한 CARS 기술을 국내외 특허를 출원했다. 기술사업화를 위해 ETRI 연구소기업인 블루타일랩에 2022년 기술출자를 진행했다.
과학기술정보통신부의 '종양 조기진단 및 정밀치료를 위한 ICT 핵심기술 개발' 과제 등으로 수행된 이번 연구는 광학 분야 국제학술지 '옵틱스 익스프레스(Optics Express)'에 최근 게재됐다.
[참고 자료]
Optics Express, DOI : https://doi.org/10.1364/OE.481422