공진 초음파 변환기·간섭 변조 결합… 치료 반응 정량평가 기반 마련
미국 Caltech와 국제 공동연구로 주파수 영역 광음향 현미경 구현

부산대 엄태중 교수, 이용재 연구교수, 칼텍 리홍 왕 교수. 부산대 제공

부산대학교(총장 최재원) 첨단융합학부 및 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 엄태중 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공대(Caltech)와의 국제 공동연구를 통해 혈액 내 산소포화도(sO₂)를 보다 안정적으로 정량화할 수 있는 광음향 영상 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

연구팀은 광음향 영상 분야의 세계적 석학인 Caltech 리홍 V. 왕(Lihong V. Wang) 교수와 공동으로 주파수 영역 광음향 현미경(Frequency-Domain Photoacoustic Microscopy, FD-PAM) 기술을 개발해, 혈관 기능 분석과 약물 반응, 치료 효과 평가 등에 활용 가능한 기능성 생체영상 기술의 기반을 마련했다.

산소포화도는 조직에 산소가 얼마나 공급되고 있는지를 보여주는 핵심 생체지표다. 혈관 기능, 대사 변화, 질병 진행 상태 등을 반영하기 때문에 질병 진단은 물론 약물 투여 후 반응이나 치료 효과를 평가하는 데 중요한 정보로 활용될 수 있다.

그러나 기존 광음향 현미경 기술은 여러 파장의 빛을 순차적으로 조사하는 방식이 많았다. 이 경우 살아 있는 생체 조직처럼 미세하게 움직이는 대상에서는 파장별 영상 사이에 시간적 불일치가 발생할 수 있으며, 이는 산소포화도 정량화의 정확도와 신뢰도를 떨어뜨리는 요인으로 작용했다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 두 개의 파장인 488nm와 515nm의 빛을 동시에 조사하면서도 각 파장을 서로 다른 주파수 신호로 구분할 수 있는 FD-PAM 시스템을 구현했다.

특히 두 개의 음향광학변조기(AOM)를 활용한 간섭 변조 방식을 적용해 두 파장에서 발생하는 광음향 신호를 공진 초음파 변환기의 좁은 검출 대역 안에서도 안정적으로 분리할 수 있도록 했다. 이를 통해 시간차 없이 다중 파장 정보를 획득하면서도 각각의 신호를 구별할 수 있는 고신뢰도 산소포화도 영상 기술을 구현했다.

검증 실험에서도 기술의 안정성이 확인됐다. 연구팀은 산소화 혈액, 혼합 혈액, 탈산소화 혈액을 대상으로 산소포화도를 측정했으며, 그 결과의 정확도가 ± 1.7% 이내로 나타났다. 이는 서로 다른 혈액 산소화 상태를 정확히 구분할 수 있음을 보여준다.

이번 기술은 여러 파장의 빛을 시간차 없이 동시에 활용하면서도 주파수 태깅을 통해 각 신호를 분리할 수 있다는 점에서 기존 광음향 현미경 기술의 한계를 보완한 것이다. 향후 혈액 산소포화도 변화, 혈관 기능 변화, 약물 투여에 따른 치료 반응 등을 정량적으로 모니터링하는 기능성 생체영상 기술로 확장될 것으로 기대된다.

교신저자인 부산대 엄태중 교수는 “이번 연구는 부산대의 주파수 영역 광음향 현미경 기술과 Caltech 연구팀의 광음향 영상 분야 전문성이 결합된 국제 공동연구 성과”라며 “앞으로 약물 반응과 치료 효과를 정량적으로 평가할 수 있는 고신뢰도 생체영상 기술로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구에는 부산대 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 이용재 연구교수가 제1저자, 첨단융합학부 엄태중 교수가 교신저자, Caltech 리홍 V. 왕 교수가 공동저자로 참여했다.

해당 연구 성과는 의료기기 분야의 저명한 국제 학술지인 ‘포토어쿠스틱스(Photoacoustics)’ 6월호에 게재됐다.

김형일 부산닷컴 기자 ksolo@busan.com