[POSTECH·세브란스 연세암병원, 투명 초음파 트랜스듀서 기반 고성능 광음향 내시경 개발]

최근 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과·IT융합공학과·융합대학원 김형함 교수, IT융합공학과 김재우 박사, 기계공학과 통합과정 허다솜 씨 연구팀은 연세대학교 세브란스 연세암병원 김희만 교수와의 연구를 통해 투명 초음파 트랜스듀서를 기반으로 한 고성능 광음향 내시경을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 최근 게제됐다.

내시경 초음파는 소화기내과에서 암 진단에 널리 활용되는데, 연조직의 대조도가 낮고 조직의 구조적 정보만 제공해 민감도가 떨어지는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 광음향 기술을 내시경 초음파에 결합하는 방식으로 조직 혈관 정보를 추가로 제공해 암의 조기 진단율을 높이려는 연구가 많이 있었지만 초소형 프로브 내에서 고품질의 광음향과 초음파 영상을 동시에 확보하기 어려웠다.

고해상도의 영상을 얻으려면 빛과 초음파가 같은 방향으로 정렬되어야 하는데 기존에는 이를 맞추는 데 한계가 있었기 때문이다. 결국, 초음파 트랜스듀서에 구멍을 뚫어 빛의 경로를 확보하거나 광학계를 기울여 두 경로를 맞춰야 하는데, 이 경우 초음파나 광음향 영상 중 한쪽의 품질을 포기해야 했다.

이번 연구에서 연구팀은 고해상도의 초음파와 광음향 영상을 동시에 구현할 수 있는 초소형(1mm2수준) 투명 초음파 트랜스듀서를 개발했다. 이를 위해 유전율이 높고 소형화에 적합한 압전물질(PMN-PT)을 사용했으며 트랜스듀서는 인듐 주석 산화물 전극, 우레탄 흡음층 등 투명한 재료로 만들어져 빛의 경로를 확보하면서 트랜스듀서 형태를 유지할 수 있어 고해상도의 초음파, 광음향 영상을 제공한다. 연구팀이 이 초소형 프로브 내에서 광학계와 음향학계를 결합하고, 두 경로를 일치시키는 데 성공한 것이다.

연구팀은 이 기술을 평가하기 위해 상용 내시경 채널에 삽입하고, 돼지의 식도를 촬영했다. 그 결과, 식도 점막부터 근육층까지 모든 층을 선명하게 시각화하는 데 성공했으며, 초음파 성능은 상용화된 내시경과 비슷할 정도로 성능이 뛰어났다. 또한, 긴 거리에서도 고해상도 광음향 이미지를 얻을 수 있어 광음향-초음파 내시경의 높은 임상 적용 가능성을 입증했다.

 

김철홍 교수는 “기존 광음향-초음파의 한계를 극복하고, 진단 정확도를 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다”라는 말을 전했다. 또한, 연세암병원 김희만 교수는 “투명 초음파 트랜스듀서 기반의 광음향-초음파 내시경 기술과 성공적인 실험 결과는 혁신적인 진단 의료기기 개발과 국산화의 중요한 첫걸음이 될 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업, 과학기술정보통신부의 재원으로 지원된 한국연구재단-BRIDGE융합연구개발사업, 과학기술정보통신부 , 산업통상자원부 , 보건복지부 , 식품의약품안전처의 재원으로 지원된 범부처전주기의료기기연구개발사업, BK21 FOUR 사업, 과학기술정보통신부가 지원하는 딥사이언스 창업 활성화 지원 사업 등 으로 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.adq9960