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Research

미세혈관도 정확히 잡아내는 '초해상도 초음파 영상기술' 개발

  • 조회. 396
  • 등록일. 2020.07.02
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 유재석 교수팀, 기존 기술의 해상도 한계를 뛰어넘은 초해상도 초음파 영상 기술 개발
기존 기술로는 관찰이 힘든 신장손상 진행의 관찰도 성공..향후 다양한 질병 진단에서의 활용 기대돼

 

관련사진1. DGIST 로봇공학전공 유재석 교수

 

 DGIST 로봇공학전공 유재석 교수팀이 美 피츠버그 의과대학과의 공동연구를 통해 초해상도(Super-resolution) 초음파 영상 기술을 개발했다. 개발된 기술은 기존 초음파 영상 기기가 갖던 한계들을 뛰어넘는 기술로 기존 촬영이 불가능했던 병의 진행과정 모니터링이 가능해, 향후 관련 기술을 의료 분야의 여러 방면으로 응용해 병을 진단하는데 있어 많은 활용이 기대된다.

 기존 초음파 영상 기기의 해상도는 ‘음향회절한계’1)를 벗어날 수 없었다. 관련된 기존의 해상도 향상 연구의 대부분 또한 음향회절한계 범위를 벗어나지 않는 수준에서 이뤄져왔다. 또한 기존 방식은 데이터 취합에만 몇 분씩 소요돼, 응급상황의 경우에는 사용하는데 어려움이 많았다.

 유 교수팀의 연구를 통해 개발된 기술은 음향회절한계를 극복하고자 초음파 조영제의 개별 신호를 구분해 위치를 찾아내는 ‘국지화(Localization) 기술’을 이용해 기존보다 4~5배 이상 향상된 해상도 구현에 성공했다. 이번 기술을 활용할 경우 최대 32마이크로미터의 미세혈관의 관찰이 가능해, 기존 기술로 탐지가 가능한 미세혈관 크기인 150~200마이크로미터를 5~6배 정도 뛰어넘었다.

 여기에 환자를 촬영한 데이터를 수집해 처리하는 속도 또한 수 분에서 1초 이내로 줄였다. 유 교수팀은 천문학에서 주로 사용되던 신호처리 기법인 디컨볼루션(Deconvolution)을 적용해 데이터 수집시간을 기존보다 150배 가까이 줄일 수 있었다. 해상도 개선뿐만 아니라 데이터 수집시간도 단축시킨 유 교수팀의 기술은 향후 일분일초가 급한 응급상황을 포함한 다양한 임상에서의 활용이 가능할 것으로 보인다.

 또한 유 교수팀은 이번에 개발한 기술을 이용해 기존 초음파 영상으로는 관찰이 불가능했던 급성신장손상(Acute Kidney Injury)이 만성신장질환(Chronic Kidney Disease)으로 진행되는 경과를 성공적으로 관찰할 수 있었다. 이는 기존의 기기가 갖던 해상도의 한계로 진단이 불가능했던 질병들을 진단하고 치료하는데 활용될 수 있는 가능성을 보여줘, 향후 활용 가능성이 기대된다.

 로봇공학전공 유재석 교수는 “이번에 개발한 기술은 기존의 초음파 영상기기로는 진단이 불가능했던 병의 진행을 관찰해 그 실효성이 입증됐다”며 “현재 초해상도 영상을 3차원으로 구현할 수 있는 기술을 연구 중으로, 향후 실제 임상에서 사용가능한 기술로 발전시킬 것”이라고 말했다.

 한편, 이번 연구결과는 신장학 분야 국제 학술지인 ‘Kidney International’에 지난 3월 발표됐다.


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1) 회절한계(Diffraction Limit): 어떤 물체를 시각화하기 위해서는 물체의 크기가 시각화 되는데 필요한 주파수의 절반 이상이 돼야하는 것을 의미

 


     연구결과개요  


Ultrasound super-resolution imaging provides a noninvasive assessment of renal microvasculature changes during mouse acute kidney injury
[Qiyang Chen, Jaesok Yu], Brittney M. Rush, Sean D. Stocker, Roderick J. Tan, Kang Kim 
(Kidney International, In press, 3rd March 2020)


 급성신장손상 (Acute Kidney Injury) 은 만성신장질환(Chronic Kidney Disease)으로 발전되는 위험인자이다. 이 프로세스의 메커니즘 중 하나는 신장 미세혈관 감소 (renal microvascular rarefaction)와 뒤따르는 만성 관류 장애가 일어난다. 하지만 이러한 미세혈관의 크기는 매우 작기 때문에 미세혈관의 변화를 정성적으로 비침습적 모니터링이 가능한 의료 영상 기기는 현재 존재하지 않았다. 하지만, 새롭게 개발된 초해상도 초음파 영상 기술은 기존의 해상도를 뛰어넘은 미세혈관을 비침습적 방법을 통해 영상화할 수 있다. 개발된 초해상도 영상은 최대 32 마이크로미터의 미세혈관의 관찰이 가능하여, 기존 150-200 마이크로미터의 해상도의 한계를 5-6배 정도 뛰어넘은 결과를 보여주었다. 본 연구팀은 개발된 기술을 급성신장손상 동물 모델에 적용하여 급성신장손상에서 만성신장질환으로 진행 중인 42일 동안 미세혈관의 변화를 관찰하여 미세혈관의 감소를 확인할 수 있었다. DOI 10.1016/j.kint.2020.02.011

 

     연구결과문답  

 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
이번 연구는 기존 초음파 영상의 공간 해상도 한계라고 여겨지던 음향회절한계를 극복하여 기존 대비 4-8배 정도 향상된 공간 해상도를 가지는 초해상도 초음파 영상 기술을 개발하였다. 또한 개발된 기술을 활용하여, 기존 초음파 영상기기에서 진단이 불가능했던 급성신손상에서 만성신장질환으로의 진행을 비침습적으로 모니터링에 성공하여 개발된 기술의 실효성을 입증하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
기존에 해상도의 한계로 인하여 진단이 불가능했던 여러 가지 질병의 진단 활용에 가능할 것으로 기대 (예: 죽상동맥경화증으로 인한 동맥 내부에 형성된 경화반(plaque)의 파열취약성(vulnerability) 평가를 위한 혈관의 맥관(vasa vasorum) 이상 형성 모니터링, 뇌의 동작구조를 파악하기 위한 실시간 혈류의 변화 등 다양한 임상분야에 활용가능할 것으로 기대)

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
기술적으로는 이미 상용화가 가능한 상황이며, 실제 사람에서의 임상연구를 통해 그 효용성을 검증이 선행되어야한다. 현재 관련된 임상 연구가 활발하게 진행되고 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
영상 해상도의 향상은 모든 의료 영상 기기 연구자들의 목표이다. 2014년 노벨 화학상을 수상한 초해상도 현미경을 보며 아이디어를 얻어 초음파 영상기법에 활용할 수 없을지 관련 연구자들과 연구를 시작하였다. 그 결과 물리적 한계인 음향회절한계를 뛰어넘는 초해상도 영상 기법을 개발하게 되었다. 기존 제안되었던 방법들은 데이터 취득속도가 느려 실효성 평가를 위한 전임상 연구로의 적용이 어려웠기 때문에, 데이터 취득 속도의 향상 방안을 집중적으로 연구하여 임상연구로의 가장 큰 걸림돌을 해결하고자 하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
고속 초해상도 초음파 영상 기법의 개발은 임상 연구의 가장 큰 걸림돌인 몇분 정도 소요되던 데이터 취득속도를 임상 연구에 적용 가능한 정도인 1초 이내로 줄여 임상에 적절하게 적용할 수 있게 되었다. 초해상도 초음파 영상 기법을 최초로 실제 임상 문제인 급성신장손상에 적용한 사례로 그 실효성 평가를 전임상 연구를 통해 수행하였다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
기술적으로는 2차원 단면 영상만을 제공하는 현재 개발된 초해상도 초음파 영상 기법의 한계를 뛰어넘어 3차원 초해상도 볼륨 영상을 제공하는 것이 현재 진행 중인 연구이다. 또한 나아가 인공지능과의 융합을 통해 보다 좀 저 정밀하고 개선된 초해상도 초음파 영상 기법을 연구할 계획이다. 임상적으로는 본 기술을 좀 더 다양한 임상 문제에 적용하여 새로운 임상 응용분야를 확장하는 것이 목표로, 최종적으로 실제 임상에서 사용가능한 기술로 발전시키고 싶다.

 

     그림설명  

[그림 1] 초음파 초해상도 영상 기법

초음파 초해상도 영상 기법

(그림설명) 
(왼쪽) 기존의 초음파 영상 기법
(중간) 조영제를 투여한 기존의 대조도 향상 초음파 도플러 혈관 영상 기법(공간해상도: ~ 200 μm)
(오른쪽) 개발된 초해상도 초음파 영상 기법(공간해상도: ~ 32 μm), 기존의 초음파 영상 기법에서는 미세혈관구조의 관찰이 불가능하나, 개발된 초해상도 초음파 영상 기법을 활용하면 수십마이크로미터에 불과한 세밀한 미세혈관구조의 관찰이 가능하다.

 

[그림 2] 초해상도 초음파 영상 기법을 이용한 급성신손상 신장 모니터링 결과

초해상도 초음파 영상 기법을 이용한 급성신손상 신장 모니터링 결과

(그림설명) 
(왼쪽) 소동물(쥐) 모델에서의 정상 신장 
(중간) 신장손상 21일 후 영상  
(오른쪽) 신장손상 42일 후 영상, 허혈-재관류 수술(급성 신손상 모델 기법) 이후 시간의 흐름에 따라 미세혈관이 현저하게 감소됨을 확인할 수 있다.

 

 

DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2

 

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