한국전자통신연구원(ETRI)은 세계 최초로 반도체 발광소자 다이오드를 결합한 펨토초 레이저 기반 실시간 라만 분자 진동 영상기술(CARS)을 개발했다고 19일 밝혔다.
기존 기술은 암과 같은 생체조직에 형광물질을 사용해 관찰시간이 제한적인 데 반해 ETRI가 이번에 개발한 기술은 세포 내 표적의 화학적 결합 종류에 따른 특정 영상을 실시간으로 제공할 수 있어 향후 암 진단이나 신약개발 등에 유용하다고 ETRI는 설명했다. 또 외산 기술 완전 국산화와 함께 가격을 10분의 1 수준으로 낮춰 빠른 상용화가 가능하다고 덧붙였다.
펨토초 레이저 기반 라만 분자 진동 광학현미경은 1천조 분의 1에 해당하는 펨토초 단위로 분자의 움직임을 관찰하는 장비다. 특히 형광물질을 사용하지 않아 관찰시간에 제한이 없고 형질 변화에 따른 부작용이 없는 것이 장점이다.
그동안 암을 비롯한 각종 질병 진단을 위해 CT와 MRI가 많이 사용됐다. 이들 장비는 비정상적 병변조직이 발병된 이후에 활용한다. 병리학적 진단을 위해선 추가로 염색이 필수적인 광학적인 세포조직검사도 필요했다. ETRI 연구진이 개발한 카스(CARS) 현미경은 병변 이전의 조기진단에 목적이 있다. 아울러 염색 없이 세포조직 내 암 표지자(CH2)와 같은 더 작은 특정 분자의 상태 영상을 볼 수 있어 발병 전 활용이 가능하다. 이 기술이 적용된 현미경으로 샘플을 관찰하면 정상조직인지 암조직인지 쉽게 알 수 있다고 ETRI는 밝혔다.
세포의 분자상태를 반사 및 투과하는 2D/3D 영상과 라만 분광신호를 비교해 암 표지자 등의 구성성분을 통해 자세히 알 수 있다. 이번 비선형 분자진동 영상기술은 ▲다이오드 기반의 펨토초 레이저 기술 ▲고정밀 광학계 기술 ▲현미경 자동화 기술 등이 적용됐다. 그동안 외산 CARS 현미경은 성능이 뛰어나지만 두 대의 레이저로 구성돼 가격이 10억 원대로 비싸고 책상 두 배 정도로 크다는 단점이 있었다. ETRI 연구진은 수백만 원대의 레이저 기술 개발로 상용화 가격을 10% 이내로 현저히 낮추고 레이저도 한 대로 해결해 크기를 기존 절반 이하로 줄였다. 이에 상용화 시 노트북 두 배 정도의 크기로 줄일 수 있다고 설명했다.
ETRI는 개발한 영상기술을 향후 내시경으로도 전환, 준비 중이다. 레이저 출력도 기존 실험실 수준(200mW)에서 1W로 5배 끌어올려 성능을 세계적 수준으로 유지해 6개월 내 상용화 가능성을 높였다. 이번 영상기술은 1024 x 1024 픽셀 해상도에서 초당 7.5프레임 스캔 속도를 나타냈다.
외산 기술보다 4배 더 높은 해상도와 최대 4배 가까이 영상해석이 빠르다고 ETRI는 밝혔다. 1초에 7.5장의 영상송출이 가능해 실시간 샘플을 즉시 볼 수 있고 끊김 없는 영상분석이 가능한 수준이다. 또한, 외산 장비에서 적용한 갈바노-갈바노 스캔 거울보다 더욱 빠른 공진-갈바노 스캔 거울을 사용해 세계에서 가장 빠른 라만 분자 진동 영상 획득시간을 구현했다.
ETRI 진단치료기연구실 송동훈 박사는 “저비용의 펨토초 레이저 한 대로 비선형 라만 분자 진동 영상을 구현함으로써 기존 라만 영상 획득시간의 한계를 극복해 실시간 구현 및 제작비용 절감으로 상용화에 근접했다”고 말했다. 충남대학교병원 병리과 여민경 교수는 “ETRI가 개발한 기술은 종양의 조기진단에 유용할 뿐만 아니라 질환 원인 분석, 신약 분석 등 다양한 의료현장에 활용되어 미래 의료서비스의 질을 높일 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
ETRI는 이번 기술과 관련해 국내외 다수의 특허를 출원했으며, 라만 분자 진동 영상기술은 옵틱스 익스프레스(Optics Express) 저널에 최근 게재됐고, 펨토초 레이저 기술은 2021년 같은 저널에 실린바 있다. 연구원은 기술사업화를 위해 ETRI 연구소기업인 블루타일랩에 2022년 기술출자를 했다. 블루타일랩은 프리유니콘(pre-unicorn)기업으로 지정되어 연구부서와 중소기업사업화본부의 성장지원을 받아 수년 내 기업공개(IPO)를 목표로 하고 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 '종양 조기진단 및 정밀치료를 위한 ICT핵심 기술 개발 과제'와 ‘뇌 및 척수 질환 대상 재활 진단과 치료를 위한 의료 지능화 핵심 원천기술 개발 과제'로 수행됐다.
