[POSTECH, AI 활용한 세포의 실시간 3D 형상 및 동적거동 분석기법 개발]

 

 최근 기계공학과 이상준 교수, 통합과정 김지환 씨 연구팀이 한 장의 사진만으로도 세포의 입체적인 모습과 움직임을 볼 수 있는 혁신적인 기술을 개발했다. 이 기술은 앞으로 혈액질환 검사나 미세먼지 분석 등 우리 생활과 밀접한 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.

우리 몸속 세포들은 물속에서 자유롭게 유영하는 물고기처럼 끊임없이 움직이고 모양을 바꾸며 살아간다. 그런데 이처럼 빠르게 움직이는 세포를 정확히 관찰하는 것은 과학자들에게 숙원(宿願) 과제였다. 질병 진단이나 치료법 개발을 위해서는 세포의 구조와 움직임을 정확히 이해해야 하지만 기존 방법으로는 여러 각도에서 여러 번 사진을 찍어야 했기 때문에 변화하는 세포의 모습을 실시간으로 포착하기 어려웠다.

 연구팀은 ‘디지털 홀로그래픽 현미경(이하 DHM)^*1 ’과 AI(인공지능)를 결합해 단 한 장의 영상으로 세포의 3차원 모습과 위치, 빛이 세포를 통과하면서 굴절되는 정도까지 한꺼번에 파악할 수 있는 기술을 개발했다. 핵심은 '물리 기반 AI 신경망'으로 빛이 세포에 부딪혀 생기는 복잡한 무늬를 수학적으로 계산하고, 이를 AI가 학습해 거꾸로 세포의 모습을 알아내는 방식이다. 마치 그림자를 보고 원래 물체의 모양을 맞히는 것과 비슷하다고 생각하면 된다.

 기존 DHM 기술은 세포 위치는 어느 정도 알 수 있었지만, 입체적인 형태를 제대로 복원하는 데 한계가 있었다. 특히 '쌍 영상(twin image)'이라는 문제가 있는데, 이는 마치 거울 속에 비친 상이 실제 물체 위에 겹쳐 보이는 현상이다. 이번에 개발된 AI 기술은 이런 문제점들을 깔끔하게 해결하고, 세포의 3차원 위치 정보까지 정확하게 알아낼 수 있다.

 가장 큰 장점은 처리 속도다. 연속 촬영한 사진을 실시간으로 처리해 세포 움직임과 형태 변화를 3차원 영상으로 보여준다. 과거에는 여러 장의 사진을 모아 분석해야만 했던 정보를 훨씬 빠르고 쉽게 얻을 수 있게 된 것이다. 

 

 

 이는 일상에 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 당뇨병이나 혈액질환 진단 시 복잡한 과정 없이 한 번의 검사로 세포를 더 빠르고 정확하게 확인할 수 있다. 또한, 세포뿐만 아니라 미세먼지, 미세 플라스틱, 기포 같은 작은 물질의 3차원 모습과 위치도 분석할 수 있어 환경 분야에서도 큰 변화가 예상된다. 

 이상준 교수는 “이 기술은 단일 촬영(single-shot) 홀로그램 영상으로부터 미세한 입자의 3D 형상과 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 이상적인 방법”이라며 이번 연구의 의의를 전했다.

 한편, 이 연구는 최근 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 최근 게재됐으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 집단연구지원사업(기초연구실)의 지원을 받아 수행됐다.

 

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60200-x

1. 디지털 홀로그래픽 현미경(DHM, Digital holographic microscopy): 레이저 빔의 간섭 신호로부터 미세 크기 입자의 위치와 형상을 측정하는 3D 영상기법