발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

기존의 관류 측정 기술은 다음과 같은 한계점을 가지고 있었습니다.

• 조영제 사용의 한계: 조영제를 정맥 주사하는 방식은 환자에게 부작용이나 과민 반응을 일으킬 우려가 있습니다.

• 역동자화율대조(DSC) 기법의 부정확성: DSC 기법으로 얻은 뇌혈류량 정보가 실제 값과 차이를 보여, 뇌경색 부위 등을 정확히 예측하기 어렵습니다.

• 동맥 스핀 라벨링(ASL) 기법의 낮은 해상도: ASL 기법은 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아 고해상도의 선명한 관류 영상을 얻는 데 한계가 있습니다.

기술의 필요성

이러한 기존 기술의 문제점을 해결하고, 보다 안전하고 정확하게 관류 정보를 얻을 수 있는 새로운 기술의 필요성이 대두되었습니다.

• 안전하고 정확한 비침습적 관류 측정 기술 개발

• 획득한 의료 영상 정보에서 이상 부위를 효과적으로 표시하는 진단 보조 시스템 구축

구현 방법

기술의 원리

본 기술은 대상체에 저산소증 유발 가스를 일시적으로 공급하여 체내의 생리적 변화를 유도하고, 이로 인한 MRI 신호 변화를 측정하여 관류 정보를 얻는 새로운 방식입니다. 핵심 원리는 다음과 같습니다.

• 저산소증 유발 가스 공급: 마취 상태의 대상체에 수 초간 질소, 이산화탄소 등 저산소증을 유발하는 가스를 공급합니다.

• 디옥시헤모글로빈 농도 증가: 일시적인 저산소증 상태는 혈중 산소와 결합하지 않은 헤모글로빈(디옥시헤모글로빈)의 농도를 증가시킵니다.

• BOLD 신호 변화 측정: 디옥시헤모글로빈은 MRI 신호(T2, T2*)를 변화시키는 요인으로 작용하며, 이로 인해 발생하는 혈중 산소치 의존 농도(BOLD) 신호의 감소 변화량을 측정합니다.

• 관류 맵핑: 측정된 신호 변화량을 영상 화소(pixel) 단위로 계산하여 혈류량, 혈류 속도 등 다양한 관류 정보를 영상으로 맵핑합니다.

구체적인 구현 방법

1. 가스 준비 및 혼합: 공기 탱크와 산소 탱크의 가스를 혼합하여 대상체에 공급할 혼합 가스를 생성합니다.

2. 마취 가스 형성: 생성된 혼합 가스를 기화부에 통과시켜 이소플로란 등 기화된 마취제와 혼합하여 마취 가스를 형성합니다.

3. 대상체 고정: 의료 영상 촬영 장치(MRI) 내부에 대상체를 고정 장치를 이용해 움직이지 않도록 고정합니다.

4. 가스 교대 공급: 노우즈 콘을 통해 대상체에게 마취 가스와 저산소증 유발 가스를 정해진 시간 간격(예: 마취 가스 60초, 저산소증 유발 가스 5초)으로 교대로 선택적 공급합니다.

5. 영상 정보 획득: 가스를 공급하는 동안 초고속 영상기법(Echo Planar Imaging, EPI)을 이용하여 대상체의 뇌 또는 특정 장기의 의료 영상 정보를 연속적으로 획득합니다.

기술의 장점

• 비침습적이고 안전한 측정: 조영제를 사용하지 않아 부작용 위험 없이 안전하게 관류를 측정할 수 있습니다.

• 높은 정확도와 해상도: 기존 DSC, ASL 기법에 비해 실제와 유사한 뇌혈류량을 보여주며, 신호 대 잡음비(SNR)가 높아 고해상도 영상을 제공합니다.

• 넓은 적용 범위: 뇌뿐만 아니라 신체 다른 조직 및 장기에서 발생하는 다양한 허혈성 질환이나 암 질환 평가에도 적용이 가능합니다.

• 시간 및 비용 절감: 한 개체에서 짧은 시간 안에 반복 측정이 가능하여 연구 개발 시간과 비용을 획기적으로 단축시킬 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 새로 제안된 관류 MRI 획득 방법의 유효성을 검증하는 것을 목적으로 합니다. 특히, 저산소증 유발 가스 공급에 따른 BOLD 신호의 변화를 관찰하고, 기존 방법 대비 측정 정확성과 재현성을 평가하며, 다양한 질환 모델(허혈성 뇌졸중, 뇌종양)에 적용 가능성을 확인하고자 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 소동물(쥐)을 마취하고 MRI 장비 내 노우즈 콘으로 머리를 고정했습니다.

2. 제어 시스템을 통해 마취 가스(이소플루란 1% 포함)와 저산소증 유발 가스(질소)를 정해진 시간(예: 마취 60초, 질소 5초) 동안 교대로 공급했습니다.

3. 초고속 EPI 기법을 사용하여 뇌 전체의 MRI 영상을 획득했습니다.

4. 다양한 마취제(덱스메데토미딘/이소플루란, 케타민/자일라진, 이소플루란 단독)를 사용하여 BOLD 신호 변화를 비교 분석했습니다.

5. 중뇌동맥을 일시적으로 결찰하는 방식으로 허혈성 뇌졸중 모델을 만들고, 신경교종 뇌암 모델을 이용하여 각 질환에서 관류 변화를 측정했습니다.

실험 결과

실험 결과, 저산소증 유발 가스(질소) 공급 시 BOLD 신호가 크게 변화하는 것을 확인했으며, 이는 관류 측정의 기본 원리가 유효함을 보여줍니다. 또한 마취제 종류에 따라 신호 회복 속도에 차이가 관찰되었습니다.

질환 모델 적용 실험에서는, 허혈성 뇌졸중 모델의 뇌관류 감소 및 재관류 후 회복 과정을 성공적으로 관찰하여 반복 측정의 재현성을 입증했습니다. 또한 뇌종양 모델에서는 종래의 MRI가 종양 크기만 보여주는 것과 달리, 본 기술은 종양 부위의 관류 변화를 명확히 측정하여 항암제 효능 평가 등 치료 반응 모니터링에 활용될 수 있는 가능성을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 신경질환 진단 및 모니터링: 뇌졸중, 혈관성 치매, 알츠하이머, 모야모야병 등 신경혈관 및 신경퇴행성 질환의 진단과 치료 효과 평가에 활용합니다.

• 암 질환 평가: 다양한 허혈성 질환 및 암 질환의 종류나 특성을 평가하고, 특히 항암제 투여 전후 관류 변화를 측정하여 약효 유효성을 평가하는 데 기여합니다.

• 신약 개발 및 전임상 연구: 다양한 동물 모델을 이용한 신약 개발 과정에서 약물의 효과를 정량적으로 평가하는 도구로 활용됩니다.

기대효과

• 진단 정확도 및 안전성 향상: 비침습적이고 정확한 관류 측정을 통해 환자의 안전을 확보하고, 고해상도 영상으로 진단의 정확도를 높입니다.

• 의료 비용 및 시간 절감: 빠른 반복 측정이 가능해져 진단 및 연구에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.

• 정량적 바이오마커로 활용: 질병의 조기 진단, 진행 정도, 치료 효과를 객관적이고 정량적으로 평가할 수 있는 핵심 바이오마커로 활용될 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

글로벌 의료 시장은 2024년 13조 달러 규모에 달하며, 이 중 뇌졸중 시장은 410억 달러를 차지하는 중요한 분야입니다(출처). 특히 AI 기술이 접목된 AI 헬스케어 시장은 2023년부터 2030년까지 연평균 50.8%의 폭발적인 성장이 예상되며, 2030년에는 1,817억 달러에 이를 것으로 전망됩니다(출처).

• 일본 진단 영상 장비 시장: 2025년 28억 5천만 달러에서 2030년 38억 4천만 달러로 성장 전망 (연평균 6.14%)(출처).

• 미국 뇌졸중 진단 시장: 전체 시장 규모(TAM) 약 42억 달러로 추정(출처).

주요 플레이어 및 경쟁 환경

산업 동인 및 기회 요인

1. AI 기반 영상 분석 기술 도입 확대: AI 알고리즘이 CT 및 MRI 스캔의 정확도와 속도를 높여 진단 효율을 개선하고 있습니다(출처).

2. 만성 질환 유병률 증가: 암, 뇌졸중, 치매 등 만성 질환의 증가는 정확하고 빠른 진단 기술에 대한 수요를 높이고 있습니다(출처).

3. 조기 진단 및 비침습적 솔루션 요구 증대: 환자 중심의 예방 및 건강관리 패러다임 변화로 조기 진단 및 부작용이 적은 진단법에 대한 선호도가 높아지고 있습니다(출처).

4. 원격 진료 및 클라우드 기술 통합: 클라우드 기반 AI 진단 및 모바일 뇌졸중 치료 센터 등을 통해 의료 서비스 접근성이 확대되고 있습니다(출처).