기초과학연구원(IBS, 원장 노도영) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수) 연구팀은 고해상도 이미징을 위한 측정 횟수를 대폭 감소시켜 초고속으로 이미징할 수 있는 광학 현미경 기술을 개발하고, 이를 적용하여 뇌 조직 안의 매우 가느다란 신경망 구조의 고해상도 3차원 이미지를 복원하는 데 성공했다.

일반적인 생체 조직은 광 산란 현상이 심해 노이즈가 클 뿐만 아니라 매우 복잡한 광학 수차를 유발하기 때문에 조직 깊은 곳의 대상에 대해서는 고해상도 이미징이 어려웠다. 최근 이를 극복하기 위한 다양한 연구들이 있었지만, 고해상도 이미징을 위해서는 많은 수의 이미지 측정이 필요하였고, 따라서 최종 이미지를 얻는데 긴 시간이 소요되었다. 이런 문제로 인해 여러 깊이의 이미지를 각각 구해야 하는 3차원 이미징에 적용은 현실적인 한계가 있었다.

생체 조직과 같은 선형 매질(linear medium)의 광학적 특성을 알아보기 위해서는 매질의 여러 위치에 점 조명을 하거나 여러 각도의 조명을 비추어 산란되어 나오는 전기장(electric field)을 측정한다. 입사된 빛과 산란된 빛의 상대적인 위치 또는 각도를 배열해 놓은 행렬을 시스템 구조에 따라 반사 또는 투과 행렬 (reflection or transmission matrix)이라 하고, 이를 측정하는 것은 빛과 매질의 상호작용으로부터 얻을 수 있는 최대한의 정보를 구하는 작업이다. 본 연구단에서는 측정된 반사 행렬에 독자적으로 개발한 알고리즘을 적용, 산란 노이즈를 줄이고 매질에 의한 광학 수차를 보정하여 쥐 두개골 등 여러 생체 조직의 훼손 없이 그 아래의 대상을 고해상도로 이미징할 수가 있었다. 하지만 반사 행렬을 측정하는 작업은 회절 한계(diffraction limit)에 해당하는 모든 조명을 각각 입사시키면서 여러 장의 이미지를 측정해야 하기 때문에 상대적으로 시간이 많이 소요되는 작업이었다. 그래서 빠르게 움직이는 생체 동력학 연구나, 각 깊이마다 이미지를 구해야 하는 3차원 이미징 연구에 적용은 현실적인 한계가 있었다.

연구진이 개발한 현미경 기술은 위와 같은 반사 행렬 측정 속도 문제를 획기적으로 개선하였다. 기존의 점 또는 평행빔 조명 대신에 무작위 패턴의 조명을 희소 샘플링(sparse sampling)하여 반사 행렬을 구성하였고, 반사 행렬의 시간 역전 행렬(time-reversal matrix)을 이용하는 방법으로 복잡한 광학 수차를 보정했다. 그리고 이를 활용해 원래 필요했던 측정 이미지 개수의 2% 사용만으로도 기존 반사 행렬 이용 이미징 방법에서와 같은 고해상도 이미지를 획득했다.

연구진은 이와 같은 결과를 바탕으로 쥐의 뇌 조직 내부의 마이엘린(myelin) 신경섬유 3차원 구조를 초고속으로 이미징하였다. 산광기(diffuser)를 회전시켜 서로 다른 무작위 패턴을 조명하는 동시에 이미징하고자 하는 깊이 범위만큼 뇌 조직을 이동시켜가며 산란 이미지들을 얻었다. 기존 반사 행렬 이미징 방법에서는 전체 볼륨(128×128×125 μm3) 이미지 측정에 수 시간이 소요되는 반면, 본 연구에서는 깊이별 측정 이미지 개수를 대폭 줄일 수 있었기 때문에, 동일 볼륨에 해당하는 데이터 획득 시간이 3.58초밖에 되지 않았다. 그럼에도 불구하고 수평 해상도 0.45μm, 수직 해상도 2μm의 회절 한계 분해능의 고해상도 이미지를 복원했다.

연구를 수행한 윤석찬 연구교수와 이호준 연구원은 “무작위 패턴 조명과 시간 역전 행렬을 이용하면 훨씬 적은 수의 측정에도 불구하고 고해상도 이미지를 얻을 수 있다”며 “기존의 반사 행렬 측정 속도 한계를 극복하였기 때문에 초고속 3차원 이미징을 통해 보다 빠른 진단과 신경과학 연구 발전을 가져올 것으로 기대한다”고 말했다. 이번 연구를 이끈 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수)은 “반사 행렬 이미징 방법을 더욱 발전시켜 의생명 광학 기술 분야 활용 범위를 넓혀나갈 것”이라고 말했다.

연구진은 위 기술을 실제 의료 현장에서 사용할 수 있도록 현미경을 소형화하는 동시에, 질병의 실시간 조기 진단에 적용 가능하도록 준비중에 있다. 본 연구 결과는 국제학술지 Light: Science & Applications(LSA, IF 17.782) 1월 14일자 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

[그림 1] 초고속 3차원 이미징 현미경의 개요

(a) IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단 연구진이 개발한 초고속 3차원 이미징 현미경의 개요. 입사빔 경로의 산광기를 회전시켜가며 서로 다른 무작위 패턴을 조명하였다. 반사된 산란 신호의 전기장 정보 측정을 위해 기준빔 (reference beam)을 도입하였다. (b) 조명별 측정된 전기장 정보 예시 (위 : 세기, 아래 : 위상)

[그림 2] 시간 역전 행렬을 이용한 수차 보정

(a) 타겟 위에 덮여 있는 수차 유발 매질에 의하여 이미지 정보가 왜곡되고, 해상도가 저하되어 타겟의 형태를 식별할 수가 없다. (b) 독자적으로 개발한 알고리즘을 적용하여 수차를 보정하고, 고해상도 이미지를 복원하였다. (c) (a), (b) 이미지를 정량적으로 비교하기 위한 점 확산 함수 (point spread function) 이미지 및 그래프. 수차 보정 전 (위)에는 넓게 퍼져 있는 반면, 보정 후 (아래)에는 한 점으로 집중되었다. 신호 최대 크기도 10배가량 증가하였다.

[그림 3] 초고속 반사 행렬 측정 현미경의 작동

시간 역전 행렬과 희소 샘플링을 결합하여 이미지 측정 횟수를 대폭 감소하였음에도 불구하고, 고해상도 이미지를 복원하였다. 각각은 기존 반사 행렬 방법의 50, 10, 2 % 측정 이미지를 이용하여 복원된 고해상도 이미지와 수차맵.

[그림 4] 초고속 3차원 이미징 현미경의 바이오 샘플 적용

(a) 쥐의 뇌 조직의 마이엘린 신경섬유를 3차원 이미징하기 위하여 서로 다른 무작위 패턴을 조명하는 동시에 샘플 스테이지를 수직 방향으로 움직이며 산란 이미지들을 측정하였다. (b) 복원된 3차원 이미지. (c) 각 깊이별 수차 보정 전후의 이미지 및 수차맵. (d) 해상도 비교를 위한 깊이 115 μm 수차 보정 전후 이미지의 신경섬유 부분 (흰색 라인) 그래프. 수차 보정 후에는 회절한계 (0.45 μm) 해상도가 복원되었다.