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<자료문의> 연세대학교 전기전자공학과 이승아 교수 (02-2123-2771)

한 장의 사진으로 뇌혈관 혈류 속도 측정한다

- 저비용, 정량적 측정 가능해져 뇌혈관 질환 응용 기대 -

□ 모바일용 이미지 센서를 사용한 단 한 장의 사진 촬영으로 뇌혈관 내 혈류 속도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이승아 교수(연세대학교) 연구팀이 모바일용 롤링 셔터 카메라를 활용해 레이저 스페클* 패턴을 촬영하는 방식으로 혈류 속도와 변화를 측정할 수 있는 광영상 기술을 개발했다고 밝혔다.

* 레이저 스페클(laser speckle) : 레이저 빛을 생체 조직과 같은 산란이 일어나는 물체에 조사할 때 레이저 빛과 입자의 상호 작용에 의해 생성되는 반점 모양의 간섭무늬.

□ 뇌혈관 질환의 기전을 연구하고 진단하기 위해 다양한 비침습적 광학 이미징 기법들이 사용되어 왔지만, 기존의 방식은 뇌혈관과 같은 다중 산란* 환경에서 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 없었다.

* 다중 산란 : 생체 조직 같은 복잡한 구조에서 빛은 여러 번 무작위하게 진행 방향을 바꾸는 다중 산란을 겪는다.

○ 또한, 빠른 혈류에 의한 스페클 변화를 정확하게 측정하기 위해서는 고가의 초고속 카메라로 스페클 사진을 1초에 최소 10,000장씩 수만 장을 촬영한 후 분석하는 과정이 필요하다.

□ 이에 연구팀은 스마트폰 등에 활용되는 롤링 셔터 카메라의 짧은 행간 촬영 시간 간격(약 10마이크로초)을 활용하면 초고속 카메라를 대체할 수 있을 것이라는 가설을 세우고, 한 장의 사진으로 스페클 패턴의 시간 상관 값을 계산할 수 있는 수학적 모델을 개발했다.

○ 이미징 시스템에 타원형 조리개를 사용하여 수직 방향으로 긴 레이저 스페클 패턴을 생성하였으며, 시간에 따라 변화하는 스페클 패턴을 롤링 셔터 카메라로 촬영할 경우 혈류 속도가 빠를수록 측정된 길이가 짧게 나타난다는 사실을 확인했다.

○ 연구팀은 이러한 모델을 바탕으로 쥐의 대뇌에 레이저광을 조사하여 촬영한 스페클 사진을 정량적 혈류 맵으로 변환하고, 대뇌 혈관의 혈류 속도 변화를 실시간으로 정확히 관측하는 데 성공했다.

□ 이번 연구성과는 초고속 카메라로 수만 장의 사진을 촬영하지 않고도 혈류 속도와 정적 산란*을 정량적으로 측정할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다.

* 정적 산란 : 피부 조직에 의해 산란된 빛은 혈류에서 산란된 성분과는 다르게 시간에 따라 바뀌지 않으며 이는 스페클 통계 분석의 에르고딕성 가정을 깨뜨린다.

○ 또한, 고가의 초고속 카메라를 사용한 이미징 시스템과 비교했을 때 비용을 절감하면서, 향후 뇌혈관 질환을 사전에 감지하는 진단 기기의 상용화 단계를 앞당길 수 있을 것으로 기대되고 있다.

□ 이승아 교수는 “후속 연구를 통해 정적 산란이 혈류 속도 측정에 미치는 영향을 보다 정확하게 모델링하여 피부 조직 아래에 깊숙이 위치한 혈관에서도 혈류 속도를 측정할 계획”이라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 광학 분야 국제학술지 ‘옵티카(Optica)’에 10월 31일 게재되었다.

주요내용 설명

<작성 : 연세대학교 이승아 교수>

논문명	Single-shot temporal speckle correlation imaging using rolling shutter image sensors
저널명	Optica
키워드	rolling shutter, laser speckle imaging, blood flow imaging, dynamic light scattering, low-cost imaging
DOI	10.1364/OPTICA.465361
저 자	이승아 교수(교신저자/연세대학교), 이창윤 대학원생(제1저자/연세대학교), 정재우 대학원생 (공동저자/연세대학교), 임정묘 대학원생(공동저자/광주과학기술원), 이경철 대학원생(공동저자/연세대학교), 정의헌 교수(공동저자/광주과학기술원)

1. 연구의 필요성

○ 혈류는 심혈관 건강, 조직 관류 등 인체의 생리학적 상태에 대해 많은 정보를 제공하는 바이오마커로서 전신 경화증, 교모세포종, 패혈성 쇼크, 뇌졸중과 같은 심각한 질병을 예측하는 데 이용되고 있다. 피부 바로 아래의 혈류는 비침습적 광학 이미징 기법을 통해 쉽게 접근할 수 있고, 높은 출력과 시간적 일관성을 갖는 레이저를 활용하여 다양한 혈류 이미징 기술이 개발되고 있다.

○ 레이저 빛이 피부 조직에 의해 산란되며 생성되는 레이저 스페클 패턴으로부터 피부 조직 내 동적 산란의 속도를 측정할 수 있다. 스페클 패턴의 번짐 정도를 활용하는 레이저 스페클 대조 이미징, 초고속 카메라를 사용하여 촬영한 여러 장의 레이저 스페클 이미지에서 각 픽셀의 시간 상관 값을 계산하여 혈류 속도를 측정하는 동적 광 산란 이미징 등의 방법이 현재 사용되고 있다.

○ 그러나 현재 사용되는 방법들은 다중 산란 환경에서 혈류 속도를 정확하게 측정하지 못하거나, 초고속 카메라의 사용으로 인한 높은 장비 비용과 비효율적인 영상 촬영 및 분석 과정의 한계를 가지고 있기에 실제 연구에 활용되는 데에 제약이 있었다. 이에 본 연구팀은 이러한 한계들을 해결할 수 있는 새로운 혈류 이미징 기술을 개발하였다.

2. 연구내용

○ 연구팀은 롤링 셔터 센서의 짧은 행간 촬영 시간 간격 (약 10 마이크로초)을 활용하면 초고속 카메라의 빠른 프레임레이트를 대체할 수 있을 것이라는 가설을 세웠고, 한 장의 사진에서 스페클 패턴의 시간 상관 값을 계산할 수 있는 수학적 모델을 개발하였다.

○ 이미징 시스템에 타원형 조리개를 사용하여 수직방향으로 긴 레이저 스페클 패턴을 생성하였으며, 시간에 따라 변화하는 스페클 패턴을 롤링 셔터 카메라로 촬영 할 경우 혈류 속도가 빠를수록 측정된 길이가 짧게 나타난다는 사실을 확인하였다. 스페클의 길이로부터 계산된 시간 상관 값들을 수학적 모델에 피팅하여 각 스페클 패턴의 역상관 시간을 추정하였고 이를 혈류 속도에 대한 정량적 지표로 사용하였다.

○ 쥐 대뇌에 레이저 빛을 조사하였을 때 나타나는 스페클 패턴들을 개발한 광영상 기술로 촬영 후 분석하여 각 부위별로 혈류 속도와 정적 산란을 정량적으로 정확하게 측정하여 2차원 맵으로 구성하는데에 성공하였다. 한 장의 이미지에서 혈류 분석이 가능하고, 정적 산란 및 다중 산란의 영향을 고려할 수 있는 모델 구성을 통해, 일반 카메라를 사용하여 기존 방식에 비해 현저하게 적은 데이터로 더 정확한 측정이 가능해졌다.

3. 연구성과/기대효과

○ 이번 연구는 빠른 혈류 속도의 정확한 측정 및 빠른 영상 처리로 실시간 혈류 이미징 및 변화 측정을 달성했다는 점에서 의미를 갖는다.

○ 기존의 초고속 카메라를 사용한 이미징 시스템과 비교하였을 때 비용을 1/100 이상 줄였으며(수천만원→수십만원), 간단한 광학 설계를 바탕으로 혈류 속도를 측정할 수 있기에 뇌혈관 질환을 사전에 감지하는 진단 기기로 상용화하기에 용이할 것으로 기대된다.

○ 더하여, 화학 분야에서 기존에 광 산란으로 구현하였던 브라운 운동 측정, 엑소좀 감별, 나노입자 크기 측정 등에도 적용할 수 있을 것으로 보인다.

그림 설명

(그림1) 롤링 셔터 카메라를 사용한 혈류 속도 측정 원리

- 쥐 대뇌에 형성된 레이저 스페클 패턴을 롤링 셔터 카메라와 타원형 조리개를 포함한 이미징 시스템으로 촬영하면 한쪽으로 길어진 스페클 패턴들이 형성됨.

- 작은 window에서 행 간격에 대한 스페클 패턴의 광도 상관을 계산하고, 수학적 모델에 피팅하여 역상관 시간을 추정하기를 모든 window에 대해 반복하여 혈류 속도를 정량적으로 측정함.

그림설명 및 그림제공 : 연세대학교 이승아 교수

© 2022 Optica Publishing Group. Users may use, reuse, and build upon the article, or use the article for text or data mining, so long as such uses are for non-commercial purposes and appropriate attribution is maintained. All other rights are reserved.

(그림2) 쥐 대뇌에서의 혈류 속도 및 정적 산란의 정량적 측정

쥐 대뇌 부위별 스페클 패턴을 관찰하면 혈류 속도가 빠를수록 스페클 패턴의 길이와 역상관 시간이 짧아짐을 확인할 수 있음. 또한 동맥과 정맥에서는 정적 산란이 거의 나타나지 않은 반면 조직과 모세 혈관에서는 정적 산란이 많이 나타남을 확인함.

그림설명 및 그림제공: 연세대학교 이승아 교수

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연구 이야기

<작성 : 연세대학교 이승아 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

혈류는 사람의 건강에 대해 정말 많은 정보를 가져다줍니다. 기대수명이 늘어나면서 심혈관 건강 진단에 대한 관심도 함께 높아지고 있습니다. 인체에 손상을 주지 않는 비침습적 방법으로 혈류를 측정하는 방법은 많이 개발되었지만, 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 있는 기기는 성능, 가격 문제로 인해 아직 상용화되지 못했습니다. 본 연구는 스마트폰 카메라로 빠른 속도로 움직이는 사물을 촬영할 때 물체가 기울어져 보이는 롤링 셔터 왜곡 현상을 혈류 속도 측정에 활용 할 수 있지 않을까 하는 간단한 아이디어에서 시작되었습니다. 모바일용 저가 이미지 센서에 주로 사용되는 롤링 셔터의 짧은 행간 시간을 활용하면 정확한 혈류 속도 측정과 진단 기기로의 상용화 두 가지를 모두 실현할 수 있을 것이라 기대하며 연구를 시작하였습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

롤링 셔터 카메라로 레이저 스페클 패턴의 시간 변화를 분석하기 위해 광도 상관의 수학적 모델을 새로 설계하였고, 혈류 속도 측정 범위 및 정확도를 극대화하기 위해 롤링 셔터 카메라의 노출 시간, 타원형 조리개의 너비, 레이저의 파장 및 출력 등의 변수들을 최적화하였습니다. 우선 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수학적 모델의 타당성을 확인하였고, 혈류 모사 팬텀과 쥐 대뇌를 촬영하여 혈류 속도와 정적 산란을 정량적으로 측정하였습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

새로운 비침습적 이미징 기술을 개발하고 이론, 실험적으로 정확도를 검증한 후 개발된 기술로 실제 사람이나 동물 실험을 통해 기술의 유효성을 보여줄 수 있어야 합니다. 이를 위해 광주과학기술원 뉴로포토닉스 연구실의 정의헌 교수님과의 공동 연구를 진행하였습니다. 공동 연구의 성과로 살아있는 쥐의 뇌 혈관 이미징을 수행하여 실제 생체 이미징에서 본 기술이 우수한 성능을 가진다는 것을 확인 할 수 있었습니다. 앞으로도 두 연구실의 장기적인 공동 연구를 통해 뇌혈관 질환 연구에 본 기술을 활용하여 유의미한 성과를 얻고자 합니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

고가의 초고속 카메라로 수만 장의 사진을 촬영하지 않고도 혈류 속도와 정적 산란을 정량적으로 측정할 수 있다는 것이 큰 의미를 갖는다고 할 수 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

빠른 혈류를 정확하게, 실시간으로 측정할 수 있다는 특성을 바탕으로 뇌졸중과 같은 뇌혈관 질환과 심장 박동에 의한 빠른 혈류 변화를 측정하고 영상화할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 실용화를 위해서는 레이저 빛의 정적 산란에 대한 모델링이 보다 정확하게 이루어져야 하며, 기존의 심전도 측정과 같은 진단 방식과 비슷한 성능 및 휴대용 진단기기에 삽입할 수 있는 보다 간결한 광학 설계가 이루어져야 한다고 생각합니다.