[물리기반 인공신경망을 활용한 세포의 실시간 3D 형상 및 동적거동 분석기법 개발]

 

다양한 미세유체 환경에서 회전하고 변형하는 세포의 동적거동 특성을 정확하게 규명하기 위해서는 3D 형상과 위치의 시공간적 변화를 동시에 측정할 수 있는 3D 영상기법이 필요하다. 그러나 각도 스캔(angular scanning)이 필수적인 기존 단층촬영 기법을 이용하여 실시간으로 빠르게 움직이는 세포의 3D 형상을 분석하는 것은 기술적으로 어렵다. 최근 기계공학과 이상준 교수, 통합과정 김지환 씨 연구팀은 디지털 홀로그래픽 현미경(digital holographic microscopy, DHM)으로 촬영한 1장의 홀로그램 영상으로부터 세포의 3D 형상, 위치, 굴절률 정보 등을 동시에 측정할 수 있는 AI 기술을 개발하였다. 이 연구 결과는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 최근 게재됐다.

DHM 기법으로 촬영한 홀로그램에는 세포에 의해 산란 및 회절된 레이저 빔의 간섭(interference)신호가 기록된다. 물리기반 인공신경망을 활용하여 3D 굴절률 분포에서 레이저 빔의 전파를 시뮬레이션하고, Gerchberg-Saxton 알고리즘에 기반하여  레이저 빔의 3D 위상 정보를 단일 촬영(single-shot) 홀로그램으로부터 역으로 복원하였다. 개발된 AI 기술을 이용하면 임의의 단일 촬영 홀로그램으로부터 세포의 깊이방향 위치 측정, 쌍 영상(twin image) 제거, 위상 복원을 동시에 수행할 수 있다.

 

 

물리기반 인공신경망을 활용한 단일 촬영(single-shot) 홀로그램 3D 복원 기술. (a) AI 기술의 작동원리. (b) 적혈구와 (c) 대장균의 3D 형상 변화와 동적거동 측정의 예시.

 

이번에 개발된 AI 기술을 활용하면, 연속으로 촬영된 홀로그램 영상으로부터 세포의 3D 형상 및 위치 정보를 실시간으로 획득할 수 있어, 기존 단층촬영 기법으로 분석하기 어려웠던 세포의 3D 형상 변화와 동적거동을 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 세포 이외에도 환경유해물질, 미세기포, 입자상 물질을 포함한 다양한 종류의 미세크기 물체의 3D 형상, 위치, 굴절률 정보를 분석하는 연구에도 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

이상준 교수는 “본 기술은 연속적으로 취득한 단일 촬영 홀로그램 영상으로부터 미세크기 물체의 3D 형상과 동적거동 변화를 실시간으로 정확하게 측정할 수 있는 이상적인 계측기술로, 향후 당뇨병과 같은 혈구성질환 진단이나 미세먼지와 같은 환경유해물질의 분석에 유용하게 활용될 것이다.”라며 이번 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단·과학기술정보통신부 집단연구지원사업(기초연구실)의 지원을 받아 수행되었다.

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