초고심도 고해상도 이미징 기술로 질병 조기진단의 길을 열다 분자분광학 및 동력학 연구단
단일 산란파의 결맞음 증폭을 이용하여 세계 최고 깊이의 고해상도 광학 이미징 구현

최근 수십 년 동안 광학 현미경은 더 작은 물체를 더 깨끗하게 보기 위해 수많은 발전을 거듭했다. 그러나 아직 실험실 환경에서 벗어나 적용하기는 쉽지 않다. 임상에서 사용하려면 시료가 생체 내에 있는 상태에서 관찰할 수 있어야 하는데, 그러기에는 현미경으로 얻은 광학이미지의 심도가 얕다. 이 때문에 생체 내 관찰에 현미경을 사용하면 암과 같은 병변을 조기 진단하거나 다양한 바이오 센싱 기술을 적용할 수 있을 것으로 기대되는데도 아직 임상 활용은 하지 못하고 있다.

이는 생체조직이 광학적으로 불투명 하기 때문이다. 이는 빛과 같은 파동이 생체 조직과 같은 산란 매질(scattering medium)을 지나갈 때 다중 산란(multiple light scattering)을 겪기 때문이다. 이로 인해 관찰 대상이 깊은 곳에 있을수록 물체의 시각 정보를 담은 단일 산란파(singlescattering wave)의 세기는 크게 줄어든다. 단일 산란파는 관찰하려는 대상의 표면에서만 산란이 일어나고 매질을 통과하는 동안 산란이 일어나지 않은 파동으로, 관찰 대상에서 산란된 단일 산란파가 충분히 강해야 물체를 명확히 볼 수 있다. 쉽게 비유하자면 안개가 자욱하게 낀 상태에서는 멀리 떨어진 물체를 볼 수 없는 것과 같은 이치다. 물체에서 산란된 빛이 눈에 도달해야 물체를 볼 수 있는데 안개 속의 무수한 물방울들이 여러 차례의 산란을 일으켜 우리 눈에 물체에서 산란된 빛이 도달하지 못하는 것이다. 이 때문에 현재까지의 세포 내부의 구조를 구분할 수 있는 정도의 고해상도 이미징의 작동 깊이는 불과 몇 백 마이크로미터에 불과했다.

IBS의 분자분광학 및 동력학 연구단은 최근 연구를 통해 이러한 한계를 극복하는 데 성공했다. ‘결맞음 탄성 산란’을 이용한 새로운 초고심도 이미징 방법으로, 이 방법을 적용한 현미경은 CASS(Collective accumulation of singlescattering)현미경이라 명명됐다.

CASS 현미경은 단일 산란파의 두 가지 고유 성질을 이용하여 복잡한 산란 신호로부터 대상 물체에서 반사된 단일 산란파를 선택적으로 추출함으로써 이미지 정보를 획득한다. 요컨대, 안개속 물방울에서 산란된 빛만 골라서 제거하면 물체에서 산란된 빛만 남아 짙은 안개 속에서도 물체를 볼 수 있는 것과 같은 원리다.

이용하는 두 가지 성질은 다음과 같다. 우선, 단일 산란파의 경우 반사된 빛이 카메라에 도달하는 시간이 대상 물체의 깊이에 의해 결정된다. 반면, 다중 산란파는 임의의 방향으로 산란되며, 다양한 경로를 거쳐 임의의 시간에 카메라에 도달하게 된다. 따라서 관찰 대상의 깊이를 고려하여 카메라에 특정 시점에 도달한 빛만을 추출함으로써 단일 산란 성분만 남기고 다중 산란 성분을제거할 수 있다. 이러한 방법을 ‘시분해 측정’이라고 한다.

그러나 단일 산란파와 같은 시간에 도달하는 다중 산란파가 여전히 존재하므로, 시분해 측정 만으로는 이미징 가능 깊이를 충분히 늘릴 수 없다. 따라서 추가적인 방법이 필요한데, 바로 단일 산란파만 지니는 수평 방향 운동량 보존 법칙을 이용하는 것이다.

▲ 좌위). 2P/MP: 이광자/다광자 현미경, SHG: 이차조화파 현미경, AO: 적응광학 현미경, OCT/OCM: 광단층 현미경, confocal: 공초점 현미경, STED/STORM: 초고해상도 현미경, PAT: 광음향 이미징, CASS: 본 연구진이 개발한 현미경
▲ 우위). 일반적으로 생체조직을 관찰할 때 관찰 대상의 표면에서 반사된 빛이 무작위적인 산란에 의해 약해진다(a).
이를 선택적으로 증폭하기 위해 단일산란파가 수평 방향으로 지니는 운동량을 이용할 수 있다(b).

▲ a: CASS 현미경의 개략도, b: 시분해 측정 결과 얻은 이미지, c: CASS 현미경 이미지

설명을 간단하게 하기 위해 그림 2b와 같이 1차원 회절 격자구조의 물체를 고려해 보자. 이는 임의의 물체의 이미지를 푸리에 변환을 통해 2차원 회절격자 구조들의 중첩으로 표현할 수 있음을이용한 것으로, 이러한 단순화는 실제 물체에서 산란되는 형태를 일반화하기에 적합한 방법이다. 이 물체에 평면파를 입사시킬 경우 반사파의 수평방향 운동량은 입사각의 수평방향 운동량에 겪자 구조에 의한 운동량이 더해진다. 따라서 반사파와 입사파 사이의 운동량의 변화량은 입사각에 상관없이 회절격자의 공간주파수에 의해서 결정된다. 즉 물체의 표면이나 결정구조를 알면 구조의 규칙성으로 인해 반사된 빛에 일정한 특징이 나타나는 것이다. 다중 산란의 경우 이와 같은 상관관계를 지니지 않으므로 입사각을 바꿀 경우 반사 파의 방향이 임의적으로 바뀐다. 연구에서는 단일 산란파의 운동량 보존 특성을 활용하기 위해 입사각을 바꿔가면서 반사파의 운동량을 맵핑하는 한편, 이 중에서 특히 운동량이 보존되는 성분을 같은 위상으로 더하는 방법을 적용함으로써 다중 산란파가 만드는 배경 잡음을 획기적으로 줄일 수 있었다.

이상의 두 가지 특성을 이용하여 구성한 CASS 현미경은 저간섭성 레이저 광원을 이용한 간섭 현미경을 구성한 후, 공간광변조기를 이용하여 대상 물체에 입사되는 빛의 입사각을 조절하는 방식으로 구성했다. 일반적인 고심도에서 획득한시분해 이미지의 결과를 보면, 다중 산란파가 단일 산란파보다 훨씬 세기 때문에 시분해 측정을 했음에도 불구하고 이미지 정보를 얻는다는 점을 확인할 수 있다. 이러한 이미지를 입사각을 바꿔가며 2500장의 이미지를 촬영하여 단일산란성분을 추출한 결과, 깨끗한 이미지를 얻을 수 있었다.

CASS 현미경은 지금까지 개발된 현미경 중 1마이크로미터의 해상도로 볼 수 있는 심도가 가장 깊다. 이러한 성과를 인정받아 광학 분야에서 영향력이 가장 높은 <네이처 포토닉스Nature Photonics>에 출판됐다.

이번 연구 성과를 활용하면 정밀성이 크게 향상된 의료 영상 장비나 진단 장비를 개발할 수 있을 것이다. 특히 암 치료에서의 활약이 기대된다. 초기 단계의 암세포는 생체조직 표면으로부터 1mm 이상의 깊이에서 형성되며, 이때 크기가 수 마이크로미터 수준인 세포핵의 크기 변화가 일어난다. 이러한 변화는 기존의 의료 영상방법으로는 관찰이 불가능하며, 암세포가 덩어리를 이루어 크게 자라 용종 등의 형태로 나타날 때에 이르러서야 알아챌 수 있었다. 또한 진단된 암세포를 치료 하는 과정에서 전이된 작은 암세포 조직을 발견하기에도 어려움이 있어왔다. CASS현미경을 발전시키면 이러한 초기 단계의 암세포 진단 및 치료에 있어서 획기적인 진전을 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

발표논문

Sungsam Kang et al, “Imaging deep within a scattering medium using collective accumulation of single-scattered waves”, Nature Photonics, 9, pp. 253–258 (2015)