매년 수백만 명이 뇌졸중으로 사망한다. 전 세계적으로 두 번째로 흔한 사망 원인이다. 특히 허혈성 뇌졸중은 뇌에 혈액을 공급하는 혈관이 막혀 발생하는데, 치료가 늦어지면 뇌 조직 손상이 가속화되어 회복이 거의 불가능해진다. CT나 MRI 같은 기존 기술들은 초기 혈관 변화를 실시간으로 포착하는 데 한계가 있다.
광음향 기술로 뇌졸중 초기 혈관 변화를 관찰하는데 성공한 김철홍 교수(왼쪽)와 안용주 교수.
포스텍(POSTECH) 연구팀이 최근 빛과 초음파(소리)를 결합한 '광음향 컴퓨터 단층 촬영(이하 PACT)' 기술을 개발했다. 선형과 회전 스캔을 결합한 복합 스캔 방식을 적용해 여러 각도에서 얻은 이미지를 하나로 합성했다. 이는 마치 여러 방향에서 사진을 찍어 입체적으로 재구성하는 것과 같은 원리다.
안용주 IT융합공학과·융합대학원 교수와 김철홍 교수 연구팀은 이 기술을 이용해 허혈성 뇌졸중 초기 단계에서 소동물 뇌혈관 변화를 비침습적으로 실시간 모니터링하며, 넓은 영역의 혈관 변화를 정밀하게 분석하는 데 성공했다.
연구팀은 또 근적외선 영역 다파장 광음향 이미징을 활용해 헤모글로빈을 비침습적으로 관찰하고, 혈관별 산소포화도를 실시간으로 측정하는 알고리즘도 개발했다. 이를 통해 허혈성 병변뿐만 아니라 측부 혈류와 신생 혈관의 변화까지 정밀하게 모니터링할 수 있다. 기존의 병리조직 검사와 비교해 신뢰성을 입증한 결과다. 연구팀이 새로 개발한 PACT 시스템이 뇌졸중 후 혈관 회복 과정을 효과적으로 추적할 수 있음을 보여줬다.
연구팀은 이번 연구성과가 조영제 없이도 혈류 변화를 정밀하게 관찰할 수 있고, 향후 뇌졸중 치료 연구뿐만 아니라 다양한 신경·혈관 질환 연구에도 새로운 실험적 접근법을 제공할 것으로 기대하고 있다.
전뇌 광음향 컴퓨터 단층 촬영 시스템을 이용한 뇌 전체 혈관 구조 시각화 및 급성 허혈성 뇌졸중 병변 관찰 이미지
안용주·김철홍 교수, 통합과정 김지웅·권주영·전현서·성민식 씨와 중국과학원 Chengbo Liu 씨, Rongkang Gao 씨 연구팀이 수행한 이번 연구성과는 최근 과학 분야 국제 학술지 중 하나인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 BK21 FOUR 사업, 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원 주관 ICAN 프로그램, 한국의료기기산업협회 의료기기산업 육성사업 지원, 보건복지부 재원으로 한국보건산업진흥원이 지원하는 보건의료 기술연구개발사업, 글로컬 대학 30 프로젝트, 현대자동차 정몽구 재단의 재정적 지원으로 수행됐다.
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