주사 바늘보다 얇은 초미세 3D 내시경
주사 바늘보다 얇은 초미세 3D 내시경
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.09.03 16:04
  • 조회수 777
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모세혈관이나 신경계까지 3D 입체로 관찰할 수 있는 초미세내시경이 개발됐습니다.

 

기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단과 고려대학교 바이오의공학과 최영운 부교수 공동연구팀은 주사바늘보다 가는 두께의 내시경 기술을 개발하고, 이를 통해 박테리아보다 작은 생체 구조의 입체이미지를 얻는데 성공했습니다.

 

내시경은 좁은 공간 안의 물체나 인체 내부의 영상을 획득하기 위해 만들어진 영상장비인데요. 일반적으로 내시경은 관찰하고자 하는 물체 내부에 가느다란 영상장비를 삽입하여 신호를 받습니다. 끝단(프로브)에 카메라를 부착해 직접 관찰하거나, 빛을 이용해 정보를 전달하는 광섬유로 이미지를 얻죠. 카메라 센서를 사용하는 경우 프로브의 두께가 두꺼워져 피부의 일부를 절개해서 삽입해야하는 경우도 있습니다. 반면 광섬유 다발을 이용한 내시경의 경우 좀 더 얇은 형태로 제작할 수 있어 절개부위와 환자의 불편함을 최소화할 수 있는데요.

광섬유: 광학 신호를 빛의 손실 없이 전달하는 가는 유리 또는 플라스틱 섬유로 코어와 클래딩으로 구성되어 있다. 빛이 통하는 중심의 코어가 클래딩으로 균일하게 감싸져있는 형태이다.

 

하지만, 기존의 광섬유 내시경은 개별 광섬유의 코어(광섬유 속에서 빛을 통하게 하는 물질)간에 생기는 빈 공간 때문에 선명한 이미지를 얻기 어려웠습니다. 또, 광섬유 다발 끝에서 생기는 자체 반사가 원하는 신호만 관찰하는 것을 방해해서 반사율이 낮은 생물 구조를 관찰하기 힘들게 했습니다. 관찰을 위해서는 형광 염색을 해야 하지만, 인체에 적용하기에는 한계가 있었죠.

 

연구진은 광섬유 다발 말단 부분에 렌즈나 어떠한 장비도 부착하지 않고도 고해상도로 관찰 가능한 아주 얇은 내시경을 개발해 기존 광섬유 내시경의 한계를 극복했습니다. 연구진은 광섬유 다발 중 하나의 광섬유에 빛을 집속시켜 광섬유에서 일정 거리 떨어져 있는 물체를 조명했는데요. 물체에서 반사된 빛은 여러 개의 다른 광섬유를 통해 물체에 대한 정보를 전달합니다. 이때 얻은 반사 홀로그래피 이미지를 측정하고 각 코어마다 발생되는 왜곡을 보정해 고해상도 이미지를 얻었습니다. 

고해상도 광섬유 다발 반사 홀로그래피 내시경의 원리. 이번에 개발한 현미경(a)은 광섬유 다발의 단일 코어를 통해 물체를 조명하고 물체에서 반사된 신호를 다시 같은 광섬유 다발로 수집하여 반사된 빛의 정보를 기록한다. 이 때 일반적인 광섬유 다발 내시경과 다르게 물체와 광섬유 사이의 거리를 충분히 떨어뜨려(b) 고해상도 이미지를 얻었다. 출처 : IBS
고해상도 광섬유 다발 반사 홀로그래피 내시경의 원리. 이번에 개발한 현미경(a)은 광섬유 다발의 단일 코어를 통해 물체를 조명하고 물체에서 반사된 신호를 다시 같은 광섬유 다발로 수집하여 반사된 빛의 정보를 기록한다. 이 때 일반적인 광섬유 다발 내시경과 다르게 물체와 광섬유 사이의 거리를 충분히 떨어뜨려(b) 고해상도 이미지를 얻었다. 출처 : IBS

개발한 내시경은 광섬유 말단에 어떠한 장비도 부착하지 않아 내시경 프로브의 지름이 350μm(마이크로미터)로 매우 얇은데, 이는 피부에 놓는 주사 바늘(약 500μm)보다도 얇습니다. 이를 이용해 쥐의 융털(소장 안에 있는 구조물)과 같이 반사도가 매우 낮아 관찰하기가 어려운 생물 샘플에서도 형광 염색 없이 이미지 정보를 얻었습니다.  

 

특히 이번에 개발한 내시경은 일반적인 광섬유 다발 내시경으로 할 수 없는 현미경급의 고해상도 이미지 촬영이 가능합니다. 물체 간 거리가 850nm(나노미터)정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있을 정도죠. 참고로 박테리아 크기가 1,000nm(1μm, 즉 100만분의 1m) 정도입니다. 측정한 홀로그래피 정보를 보정해 다중 깊이의 3D 이미지도 복원할 수 있는데, 물체 간 깊이가 14μm정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있습니다. 

좁은 관을 통해 상자 내부 3차원 영상 획득. 얇은 관을 통해 상자 내부의 물체의 영상을 획득할 수 있다(a),(b). 좁은 공간에 있는 물체의 영상 또한 기존의 내시경(c)보다 고해상도로 얻었다(d). 내시 현미경 시스템에서는 물체의 홀로그래피 정보를 수집하기 때문에 후처리를 통해 3D 정보를 복원할 수 있다. 서로 다른 깊이에 놓인 두 물체(e)를 구분할 수 있었다(f),(g). 출처 : IBS
좁은 관을 통해 상자 내부 3차원 영상 획득. 얇은 관을 통해 상자 내부의 물체의 영상을 획득할 수 있다(a),(b). 좁은 공간에 있는 물체의 영상 또한 기존의 내시경(c)보다 고해상도로 얻었다(d). 내시 현미경 시스템에서는 물체의 홀로그래피 정보를 수집하기 때문에 후처리를 통해 3D 정보를 복원할 수 있다. 서로 다른 깊이에 놓인 두 물체(e)를 구분할 수 있었다(f),(g). 출처 : IBS

최원식 부연구단장은 “획기적으로 얇은 고해상도 내시경을 개발했다.”라며 “기존의 내시경으로 접근하기 어려웠던 폐나 모세혈관, 나아가 뇌 신경계까지 최소한의 피부 절개로 질병을 조기 진단할 수 있는 가능성을 열었다”고 말했습니다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 8월 2일자 온라인 판에 게재됐습니다.

논문명 : Flexible-type ultrathin holographic endoscope for microscopic imaging of unstained biological tissues


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