가장 깊고 정확하게 생체 내부 관찰가능한 3D 현미경 개발

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 생체 내부를 가장 깊고 정확하게 볼 수 있는 새로운 3D 현미경이 나왔다.
 
기초과학연구원(IBS)은 분자 분광학 및 동력학 연구단 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수)과 이예령 건국대 교수 공동연구팀이 생체조직의 가장 깊은 곳까지 고해상도로 이미징할 수 있는 현존 최고의  광학현미경을 개발했다고 31일 밝혔다.

빛이 생체조직을 투과할 때 직진광과 산란광이라는 두 종류의 빛이 생긴다. 직진광은 생체조직의 영향 없이 직진하는 빛이며 이를 이용해 물체의 이미지를 획득하는 반면, 산란광은 생체조직 내 세포나 세포소기관에 의해 진행 방향이 무작위로 굴절되는 빛으로 이미지 획득을 방해한다.

생체조직 깊은 곳으로 빛이 전파되면 직진광에 비해 산란광이 매우 강해지고 이미지 정보가 흐려진다. 또 두꺼운 생체조직 등 산란매질을 지날 때 직진광의 전파 속도가 각도와 파장에 따라 달라지는 수차(흐릿해지는 현상)와 색 분산이 발생, 이미지의 대조나 해상도를 떨어뜨린다.

기존 기술들은 특정 깊이의 2D 정보를 토대로 왜곡된 이미지 복원을 시도했지만 생체조직 깊은 곳에서는 직진광이 소진돼 복원이 어려웠다.

이번에 공동 연구팀은 이미징 깊이와 해상도 한계를 개선한 '입체 반사행렬 현미경'을 개발했다.
 
이를 위해 입사시키는 빛의 파장과 입사각을 바꿔가며 산란된 모든 빛의 3D 정보를 수집해 수차와 색분산을 개선, 일반적인 입체 현미경에서 구현할 수 없는 고해상도 이미지 촬영을 가능케 했다.

또 연구팀은 확대된 정보를 활용키 위해 두가지의 새로운 알고리즘을 도입했다. 첫번째 알고리즘은 산란이 심하지 않은 얕은 깊이에서 얻은 수차 데이터를 기존 기술로 이미징 불가능했던 깊은 곳까지 순차적으로 적용하는 기술이다. 이 알고리즘을 적용해 직진광의 세기를 약 32배 키우는데 성공했다.

두 번째 알고리즘은 여러 깊이의 이미지를 한꺼번에 이용하는 기술로 이를 통해 유용한 정보의 크기가 늘어나 직진광의 세기를 약 5.6배 키우는 효과를 얻었다. 직진광이 세다는 것은 더 깊은 곳까지 관찰할 수 있다는 의미다.

이예령 교수는 "기존 기술보다 더 선명한 이미지를 얻는 것은 물론 이미징이 불가능했던 깊이의 물체까지도 이미징이 가능하다"며 "불청객 취급받던 다중산란을 이미징에 활용할 수 있는 가능성을 제시했다"고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69)' 온라인판에 지난달 4일자로 게재됐다.(논문명:Exploiting volumetric wave correlation for enhanced depth imaging in scattering)

최원식 부연구단장은 "입체 반사행렬 현미경은 현존하는 현미경 기술 중 가장 광범위한 빛과 매질 간의 상호작용 정보를 수집해 활용한다"면서 "산란매질 내부 이미지 복원에 대한 근본적인 이해가 가능해져 중요한 이정표를 세웠다"고 의미를 부여했다.


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