[광학] 광학을 통한 의료 영상 기술의 발전

 

 광학 기술은 다양한 분야에 적용되고 응용되고 있는데, 그중에서도 의료 영상 분야에서 중요한 혁신을 이루고 있으며, 현대 의학에서 새로운 지평을 열고 있기도 하다. 이러한 의료 영상 분야는 빛의 특성을 활용하며, 이 기술은 비침습적이고 정밀하다는 특징이 있어 환자의 불편을 최소화하면서도 신체 내부의 구조나 기능을 세밀하게 관찰할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다. 광학을 기반으로 한 의료 영상 기술은 주로 빛의 흡수, 반사 그리고 산란, 형광, 간섭 등의 광학적인 여러 가지 현상들을 활용한다. 의료 영상 기술에 사용되는 빛은 주로 우리 눈에 보이는 가시광선부터 적외선, 자외선 그리고 레이저와 같은 좁은 대역의 파장을 사용하는 빛 등 다양한 빛으로 구성된다.

이용되는 광학 현상들의 경우 조직의 화학적인 조성과 밀도에 따라 빛이 흡수되거나 산란한다는 특징을 응용하여 조직의 특성을 파악할 수 있고, 특정 분자가 빛에 반응할 때 방출해 내는 형광 신호를 분석하여 분자의 정보를 얻기도 한다. 또 빛의 간섭 현상을 이용하여 조직의 미세한 구조를 고해상도로 분석하는 것이 가능하다고 한다. 좀 더 자세히 광학을 기반으로 한 의료 영상 기술에 대해 알아보면, 먼저 광 간섭 단층촬영(OCT)이 있다. 이는 빛의 간섭 현상을 이용해서 관찰하고자 하는 조직의 3차원 이미지를 생성해 내는 기술이다. 이러한 기술은 주로 안과에서 각막과 망막의 정밀한 이미지를 생성해 내기 위한 목적으로 사용되는데, 최근에는 이외에도 심장학이나 피부과, 또 치의학 등의 다양한 분야에서 확장하여 사용하고 있다.

이러한 OCT는 조직의 미세한 구조를 고해상도로 분석할 수 있기 때문에 질병 초기 단계를 진단하는 데 매우 유용하고 중요하다. 다음은 형광 이미지 처리인데, 형광 이미지 처리는 형광 프로브라 하는 특정 화합물을 사용하여 세포의 특정한 부위를 표지한 후, 형광 현상, 즉 형광 신호를 이용하여 이미지를 생성한다. 이러한 기술은 암 진단이나 약물 전달 연구, 또 분자 수준에서의 생물학적 과정을 관찰하는 등 다양하게 활용된다. 라만 분광법은 빛이 어떠한 물질과 상호작용하면서 발생하는 산란 현상, 산란 변화를 분석하여 분자의 구조를 파악하는 기술을 말한다. 라만 분광법을 통해서 암이나 감염 상태, 또 대사 질환 등을 탐지할 수 있고 또한 비침습적으로 세포와 조직의 화학적인 구성을 분석할 수 있는 특징이 있다. 다음으로 광열 이미지 처리는 조직에 레이저를 조사했을 때 발생하는 열과 음향 신호 두 가지를 결합하여 이미지를 생성한다. 광열 이미지 처리는 조직 내 혈액 산소화 상태나 혈관의 구조, 또 암의 초기 단계를 비침습적으로 분석할 수 있기 때문에 많은 기대를 받는 기술 중 하나이다.

마지막은 다 광자 현미경인데, 이는 레이저를 이용하며 세포와 조직의 미세한 구조를 심층적으로 분석할 수 있는 기술이다. 이 기술은 뇌과학이나 암에 대한 연구 또 세포 생물학 등에서 중요한 기술로 여겨진다. 이러한 의료 영상 기술을 주로 응용하고 있는 분야는 앞에서 언급한 것처럼 대표적으로 안과가 있다. 안과에서는 OCT 기술을 사용하여 망막 질환이나 녹내장, 황반변성 등을 조기에 진단할 수 있고 이후 치료 경과를 모니터링하는 데 필수적인 도구로 활용되고 있다. 또한 형광 이미지 처리와 라만 분광법의 경우 암세포를 특정할 수 있고, 전이된 부위 확인이 가능하며, 수술 중에 암 조직의 경계를 확실하고 정확하게 파악하는 데 유용하다. 또한 오늘날 많이 응용되는 분야인 피부과에서는 광학 기반 기술을 사용하여 피부암 진단이나 피부의 구조 분석, 또 레이저 치료 등 널리 활용되고 있다. 특히 비침습적인 방법으로 환자의 불편을 줄일 수 있고, 빠르고 정확한 진단이 가능하다는 큰 장점이 있다. 다 광자 현미경과 광유전학(Optogenetics)은 뇌의 구조와 기능을 연구하는 데 필수적인데, 신경망 연결을 맨눈으로 관찰할 수 있도록 시각화하고, 신경세포의 활동을 조절할 수 있도록 한다. 이는 뇌 질환의 원인이 되는 요소들에 대해 이해하고 치료법을 개발하는 데 크게 기여하고 있다.

 

 이러한 광학 기반 의료 영상 기술의 장점으로는 대표적으로 4가지를 이야기할 수 있다. 먼저 환자의 신체를 물리적으로 훼손하지 않고 문제가 되는 부분의 이미지를 생성할 수 있다는 비침습적이라는 장점이 있고, 다음으로는 빛의 파장 특성을 활용해서 조직과 세포의 미세 구조를 정밀하게 관찰할 수 있다는 장점도 존재한다. 또 대부분의 기술이 실시간으로 데이터를 제공하여 수술 중에도 활용이 가능하며, 조직의 물리적이나 화학적, 생물학적인 특성을 동시에 분석할 수 있기 때문에 진단만 아니라 치료에도 유용하다는 장점이 있는 것이다. 그러나 장점만 존재하는 것은 아닌데, 먼저 조직 내에서 산란 현상을 통해 이미지화하는 과정이기 때문에 깊숙한 부위를 관찰하는 데 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해서 오늘날 적외선이나 특수 조명 기술이 개발되고 있기도 하다. 또한 주로 이 기술은 고급 광학 장비를 활용하기 때문에 오늘날도 여전히 높은 비용이 필요하기 때문에, 경제적이고 보편적인 기술로의 전환이 필요하다는 점에 대해 목소리가 나오고 있다. 광학 기반 의료 영상 기술은 앞으로도 많은 분야에서 적용될 것이라고 기대되고 있는 기술이다. 인공지능(AI)은 영상 데이터를 분석하고 해석하는 데 도움을 줄 수 있기 때문에, AI를 기반으로 한 알고리즘을 통해 질병의 초기 신호를 빠르게 감지하고, 높은 정확도에 기여할 수 있다. 또 나노기술을 도입하여 나노소재를 활용한 새로운 광학 프로브를 적용해 더 정밀하고, 민감한 이미지화를 가능하게 할 것이란 기대도 있다. 마지막으로 웨어러블 광학 장비를 통해 신체 상태를 모니터링하고, 환자의 실시간 건강 관리를 지원할 수 있을 거란 기대도 있다.

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