[이슈] 초음파 검사 이미지...혁신적인 비접촉 레이저 기술로 바꾼다
[이슈] 초음파 검사 이미지...혁신적인 비접촉 레이저 기술로 바꾼다
  • 권현주 기자
  • 승인 2019.12.28 19:17
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MIT 연구팀, 눈과 피부에 안전한 레이저 시스템을 활용하여 사람의 내부를 원격으로 이미지화하는 ‘비접촉식 레이저 초음파 검사‘ 기술 개발...
개발된 ‘비접촉식 레이저 초음파 검사‘기술로 사람의 팔뚝에 레이저를 조사하고 있는 모습(사진:논문캡처)

초음파 검사는 비교적 쉬운 절차로 환자의 피부에 공기를 차단하기 위해 젤리를 도포하고 프로브(Probe)를 밀착시키고 프로브에 의해 생성된 높은 주파수의 음파를 인체 내부로 보낸 후 근육, 지방 및 기타 연조직에 반사한 파장을 감지하고 실시간으로 이미지로 변환시킨다.

기존의 초음파 검사는 X-ray 및 CT와 같이 환자를 유해한 방사선에 노출시키지 않으며 비침습적이다.

그러나 환자의 신체와의 접촉이 필요한 과정으로 프로브와 피부사이에 공기 노출시 현저한 이미지 변동성을 유발하며, 임상의가 접근하기 어려운 장소 또는 영아, 화상 환자 또는 민감한 피부와 심한 비만의 경우 등의 상황에서는 제한적일 수 있다.

이는 현대 초음파 이미징에서 주요 과제이다.

GE Logiq E9 초음파 검사기(사진:GE)
GE Logiq E9 초음파 검사기(사진:GE)

이 가운데 MIT연구팀이 환자의 내부를 보기 위해 신체와 접촉할 필요가 없는 기존의 초음파 검사에 대한 과제를 해결하는 대안으로 레이저를 제시했다.

지난 19일 네이처의 과학과 응용(Science and Applications) 저널을 통해 발표한 논문에서 이 새로운 레이저 초음파 기술은 눈과 피부에 안전한 레이저 시스템을 활용하여 사람의 내부를 원격으로 이미지화하는 ‘비접촉식 레이저 초음파 검사‘ 기술을 발표했다.

인간에서 최초의 레이저로 이미지를 생성하는 이 기술은 먼저, 환자의 피부에 하나의 레이저를 조사하면 신체를 통해 튀는 음파를 생성한다. 두 번째 레이저는 반사 된 파동을 원격으로 감지하여 기존의 초음파와 유사한 이미지로 변환하는 것이다.

연구팀은 여러 지원자의 팔뚝을 0.5 미터 떨어진 원격 레이저를 사용스캔하고 근육, 지방 및 뼈와 같은 일반적인 조직 특징을 피부 아래 약 6 센티미터까지 기존 초음파와 다름없는 이미지들은 얻을 수 있었다.

이는 지금까지 초음파가 할 수 있는 모든 것을 대체할 수 있는 지점에 도달한 것으로 이를 통해 환자와 접촉하지 않고도 신체 내부의 장기를 살펴보고 깊은 조직의 특성을 결정하는 완전히 새로운 방법을 제시한 것이다.

새로운 레이저 기술로 얻은 이미지(왼쪽)와 기존 초음파 검사기(GE Logiq E9) 로 얻은 이미지 비교(사진:논문 캡처)
새로운 레이저 기술로 얻은 이미지(왼쪽)로 해상도 개선은 가능하다. 오른쪽은 기존 초음파 검사기(GE Logiq E9) 로 얻은 이미지 (사진:논문 캡처)

연구팀의 의료 영상을 위한 비접촉 레이저 초음파 기술은 음파가 빛보다 신체로 더 멀리 이동하기 때문에 신체의 더 깊은 영상을 얻기 위해 레이저 광선을 피부 표면의 음파로 변환하는 방법으로 연구팀은 물에 잘 흡수되고 사람의 눈과 피부에 안전한 파장인 1,550 나노미터(nm) 레이저를 선택했다.

음파를 생성하기 위해 1,550 nm로 설정된 하나의 펄스 레이저와 반사된 음파를 원격으로 감지하기 위해 동일한 파장으로 조정된 두 번째의 연속 레이저를 사용하여 근육, 지방 및 기타 조직에서 튀어 나오는 음파를 기계적으로 스캔함으로써 다른 위치에서 데이터를 수집하고 해당 지역의 이미지를 생성할 수 있었다.

연구팀은 이 기술로 피부의 수분 함량과 거의 유사한 젤라틴 몰드에 내장 된 금속 물체를 이미징했다. 또 그들은 상용 초음파 프로브를 사용하여 동일한 젤라틴을 이미지화 했다. 결과적으로 두 이미지를 비교한 결과 거의 동일한 이미지를 얻었다.

a) 돼지 조직 샘플에 단일 LUS 시간 추적, 여러 경계 에코 라벨이 붙어 있다. 초기 표면파 에코는 다른 에코의 대비를 개선하기 위해 감쇠되었다. b) LUS 영상에 사용되는 돼지 조직 샘플. 이미지 영역은 빨간색으로 윤곽선으로 되어 있다.(사진:논문 캡처)
a) 돼지 조직 샘플에 단일 LUS 시간 추적, 여러 경계 에코 라벨이 붙어 있다. 초기 표면파 에코는 다른 에코의 대비를 개선하기 위해 감쇠되었다. b) LUS 영상에 사용되는 돼지 조직 샘플. 이미지 영역은 빨간색으로 윤곽선으로 되어 있다.(사진:논문 캡처)

연구팀은 레이저 초음파가 근육, 지방 및 뼈의 경계와 같은 미묘한 특징을 구별할 수 있다는 것을 발견한 후 동물 조직(돼지 피부)을 통해서도 동일한 이미지를 얻을 수 있었다.

마지막으로, 이 팀은 인간을 실험 대상으로 사용하는 것에 관한 MIT위원회의 승인한 프로토콜을 사용하여 인간에서 최초의 레이저 초음파 실험을 수행했다. 몇몇 건강한 지원자들의 팔뚝을 스캔 한 후, 연구원들은 인간 최초로 완전 비접촉 레이저 초음파를 통해 이미지를 제작한 것이다

연구팀은 조직의 미세한 특징을 해결하기 위해 시스템 성능과 이미지 해상도 향상시킬 수 있는 방법을 연구하고 있으며 이번 개발된 ‘비접촉식 레이저 초음파 검사‘기술의 레이저 설정을 최소화하여 휴대용 검사 장치로 사용할 수 있게 되기를 기대한다고 밝혔다.

한편, 이 연구는 부분적으로 미국 공군을 위한 MIT 링컨 실험실(MIT Lincoln Laboratory) 생물 의학 라인 프로그램과 미 육군 의료 연구 및 물질 사령부(U.S. Army Medical Research and Material Command's)의 군사 운용 의학 연구 프로그램에 의해 지원되었다 

참고) 논문명 '완전 비접촉 레이저 초음파: 첫 번째 인간 데이터(Full noncontact laser ultrasound: first human data- 다운받기)' 


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