발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 공초점 촬영(Confocal imaging)은 심부 조직 현미경 검사에서 널리 사용되지만, 샘플 자체에 의해 발생하는 샘플 야기 수차(Sample-induced aberration)가 발생하면 이미지 품질이 저하되는 문제가 있습니다.

• 이러한 수차는 이미지의 콘트라스트와 분해능을 감소시켜, 조직 깊은 곳을 선명하게 관찰하기 어렵게 만듭니다.

• 기존의 수차 보정 기술인 센서리스 적응제어광학이나 모델 기반 교정 방법은 처리 속도가 매우 느리거나, 제한적인 유형의 수차만 보정할 수 있는 한계가 있었습니다.

• 특히 기존 CLASS 알고리즘 방식은 액정을 이용한 공간 광 변조기(SLM)의 느린 변환 속도(약 10Hz) 때문에 시분해 반사행렬 측정에 수 분 이상이 소요되어, 살아있는 생체를 실시간으로 관찰하기 어려웠습니다.

기술의 필요성

• 산란과 수차를 동시에 유발하는 복잡한 생체 조직 내부를 실시간으로 선명하게 이미징할 수 있는 혁신적인 기술이 필요합니다.

• 기존 기술의 느린 촬영 속도를 획기적으로 개선하여, 살아있는 세포나 조직의 동적인 변화를 놓치지 않고 관찰할 수 있는 실용적인 현미경 기술 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 기존 방식과 달리 고속의 스캐닝 미러를 이용한 초점 스캔 방식을 채택하여 수차 보정 위상 맵을 매우 빠른 속도로 산출합니다.

• 빠르게 산출된 수차 보정 위상 맵을 파면 형상 변조기(SLM)에 직접 표시하여, 빛의 파면을 물리적으로 보정합니다.

• 이러한 하드웨어 기반 보정 덕분에, 별도의 복잡한 이미지 처리 과정 없이 실시간으로 수차가 보정된 고품질 이미지를 획득할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

본 발명에 따른 초점 스캔 방식의 이미징 장치는 아래 그림과 같은 구성 요소들을 포함하며, 다음과 같은 단계로 동작합니다.

1. 광원부(예: 티타늄-사파이어 레이저)에서 레이저 빔을 조사합니다.

2. 광학 간섭계(예: 마흐-젠더 간섭계)가 빔을 샘플로 향하는 '샘플파'와 기준 신호인 '참조파'로 분할합니다.

3. 한 쌍의 스캐닝 미러(갈바노미터 미러)가 샘플파의 경로를 정밀하게 조절하여 샘플의 x축과 y축 방향으로 초점빔을 빠르게 스캔합니다.

4. 샘플에서 반사된 파동은 다시 스캐닝 미러와 파면 형상 변조기를 거쳐 참조파와 결합되고, 이 간섭 신호를 카메라 모듈이 촬영합니다.

5. 이미징 제어부는 '위상 맵 산출 모드'에서 CLASS 알고리즘을 기반으로 수차 보정 위상 맵을 계산하고, '이미징 모드'에서 이 맵을 파면 형상 변조기에 적용하여 실시간으로 보정된 영상을 획득합니다.

기술의 장점

• 촬영 속도 향상: 기존 공간 광 변조기 방식과 달리 고속 스캐닝 미러를 사용함으로써, 수차 보정 맵 산출 속도를 획기적으로 단축했습니다.

• 실시간 이미징 구현: 수차를 소프트웨어적으로 후처리하는 것이 아니라, 파면 형상 변조기를 통해 물리적으로 즉시 보정하므로 별도의 연산 시간 없이 실시간으로 선명한 영상 관찰이 가능합니다.

• 고해상도 심부 이미징: 산란과 수차를 동시에 보정하는 CLASS 알고리즘을 기반으로 하여, 기존 기술로는 관찰이 불가능했던 다중 산란이 심한 심부 조직에서도 회절 한계에 가까운 고해상도 이미지를 얻을 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따른 이미징 장치가 실제 생체 샘플(쥐의 두개골)처럼 복잡하고 강한 수차를 유발하는 환경에서, 기존 방식(일반 광간섭 현미경) 대비 얼마나 효과적으로 심부 조직(콜라겐 섬유)의 이미지를 개선할 수 있는지 실험적으로 증명하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 두께 약 100㎛의 3주령 쥐 두개골을 콜라겐 젤 위에 배치했습니다.

2. 대물렌즈의 초점을 두개골 바닥면으로부터 아래로 240㎛ 깊이에 설정했습니다.

3. 두개골에 의한 수차가 위치마다 매우 다르게 나타나, 전체 스캔 영역(50x50 ㎛²)을 6x6개의 작은 패치(8x8 ㎛²)로 분할했습니다.

4. 각각의 작은 패치 영역에 대해 독립적으로 CLASS 알고리즘을 적용하여 국소적인 수차 보정 위상 맵을 산출했습니다.

5. 산출된 맵을 이용해 수차를 보정한 후, 콜라겐 섬유 이미지를 획득하여 일반 현미경 이미지와 비교했습니다.

실험 결과

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 비침습적 생체 조직 검사: 피부암, 망막 질환 등 생체 내부 구조를 수술 없이 고해상도로 관찰하는 차세대 의료 진단 기기에 적용할 수 있습니다.

• 기초 과학 연구용 현미경: 살아있는 세포 및 조직 단위의 동적 상호작용을 실시간으로 관찰하여, 신약 개발 및 생명 현상 규명 연구를 가속화할 수 있습니다.

• 산업용 비파괴 검사: 반도체 웨이퍼, 디스플레이 패널 등 다층 구조를 가진 첨단 부품의 내부 결함을 파괴 없이 정밀하게 검사하는 장비에 활용될 수 있습니다.

기대효과

• 의료 진단 정확도 향상: 기존에 관찰이 어려웠던 심부 조직의 미세 구조를 선명하게 영상화하여 다양한 질병의 조기 진단율을 획기적으로 높일 수 있습니다.

• 새로운 연구 분야 개척: 살아있는 생명체 내부에서 일어나는 복잡하고 빠른 현상을 실시간으로 관찰함으로써, 기존에 접근하지 못했던 새로운 생명과학 연구 분야를 개척하는 데 기여합니다.

• 첨단 산업 경쟁력 강화: 반도체 및 디스플레이 산업에서 제품의 수율을 높이고 품질 관리를 정밀화하여 국가 산업 경쟁력을 제고하는 데 기여할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술과 직접적인 연관이 있는 광간섭 단층촬영(OCT) 기술이 포함된 세계 안과 의료기기 시장은 꾸준한 성장이 기대되는 유망한 분야입니다.

• 세계 안과 의료기기 시장은 2015년 기준 약 250억 달러 규모로 추정되었습니다.

• 이후 2022년까지 연평균 5.8%의 높은 성장률을 보이며 지속적으로 성장할 것으로 전망되었습니다. (출처)

산업 동인 및 기회 요인

1. 의료 및 국방 분야의 R&D 투자 증가: 방위 산업의 감시 시스템, 의료 분야의 고해상도 진단 장비 등 고급 광학 기술에 대한 정부 및 민간의 연구개발 투자가 시장 성장을 강력하게 견인하고 있습니다. (출처)

2. 글로벌 고령화 추세: 전 세계적인 인구 고령화로 인해 안과 질환을 포함한 각종 만성 질환의 조기 진단 및 관리의 중요성이 커지면서, 고성능 의료 영상 장비에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있습니다.

3. 비침습적 진단 기술에 대한 선호도 증가: 환자의 고통을 최소화하고 별도의 회복 기간이 필요 없는 비침습적 진단 기술에 대한 의료계와 환자의 선호도가 높아지면서 관련 시장이 빠르게 확대되고 있습니다.