‘천조 분의 1초’ 레이저 영상기술 개발…“암 조기 진단 가능”

■ '세계 최초' 반도체 발광소자 결합한 펨토초 레이저 영상기술 개발

한국전자통신연구원(ETRI)이 세계 최초로 반도체 발광소자 다이오드를 결합한 펨토초 레이저 기반 영상기술을 개발했습니다. 이 기술은 천조 분의 1초 단위의 실시간으로 조직 내 분자의 움직임을 관찰할 수 있는 '비선형 라만 분자진동 영상기술(CARS)'입니다.

* 펨토초(femto second): 천조 분의 1초
* 펨토초 레이저: 펨토초 간격으로 분자·원자의 움직임을 관찰하기 위해 빛을 조사하는 기구로 표적의 영상을 촬영하기 위해 엑스선을 분광하는 것과 유사한 원리

CARS 현미경은 높은 정확도와 함께 기존과 달리 형광물질을 사용하지 않으면서 암 조기 진단과 신약 개발 등 분야에서 각광 받는 기술입니다. 하지만 기존 외국산의 경우 비용이 10억 원대로 너무 비싸고 크다는 단점으로 국내 도입이나 상용화가 쉽지 않았습니다. 연구진은 세계적 성능을 유지하면서 가격을 10분의 1로 낮추고 소형화와 원천기술 국산화에 성공해 상용화를 눈앞에 두고 있습니다.

■ 형광 물질 사용 없이 발병 전 암 조기 진단..부작용 없어

그동안 암을 비롯한 각종 질병 진단을 하기 위해서는 CT 또는 MRI가 많이 사용됐습니다. 그러나 CT와 MRI는 비정상적 병변조직이 발병된 이후에 활용할 수 있습니다. 또 병리학적 진단을 위해서는 추가로 염색이 필수적인 광학적인 세포조직검사도 필요했습니다.

그러나 이번 기술은 암과 같은 생체 조직에 형광물질을 사용하지 않고도 세포 내 표적의 화학적 결합 종류에 따른 특정 영상을 실시간 제공해주기 때문에 암의 조기 진단에 매우 유용합니다. 펨토초 레이저 기반 라만 분자 진동 광학 현미경은 1천조 분의 1초에 해당하는 펨토초 단위로 분자의 움직임을 관찰하는 장비여서 세포조직 내 암 표지자(CH2)와 같은 더 작은 특정 분자의 상태 영상을 볼 수 있어 병변 조직이 발병하기 전에도 암 조기 진단이 가능합니다. 특히 형광물질을 사용하지 않아 관찰시간의 제한이 없고 형질 변화에 따른 부작용이 없다는 점도 큰 장점입니다.

■ 다이오드 결합 방식 레이저 기술 .. 외국산보다 제작 비용 10% 수준, 소형화

한국전자통신연구원(ETRI)가 개발한 비선형 분자진동 영상기술은 ▲다이오드 기반의 펨토초 레이저 기술 ▲고정밀 광학계 기술 ▲현미경 자동화 기술 등이 적용됐습니다. 세포의 분자상태를 2D 영상과 반사 및 투과되는 3D 영상을 비교해 암 표지자 등의 구성성분을 통해 자세히 알 수 있습니다.

연구진은 펨토초 레이저 제작 방식을 2개 이상의 다이오드 결합 및 직접 펌핑 방식으로 전환해 기존의 외국산 펨토초 레이저보다 제작비용을 10% 이내로 현저히 낮추는 원천기술을 확보했습니다.

그동안 외국산 CARS 현미경은 성능이 뛰어나지만 두 대의 레이저로 구성돼 가격이 10억 원대로 비싸고 책상 두 배 정도로 크다는 단점이 있었지만, 연구진은 수백만 원대의 레이저 기술 개발로 가격을 대폭 낮추고 레이저도 한 대로 해결해 크기도 기존 절반 이하로 줄였습니다. 상용화를 하면 노트북 두 배 크기 정도로 줄일 수 있습니다. 더 나아가 향후 내시경으로 전환 준비도 하고 있습니다.

아울러 레이저 출력도 기존 실험실 수준(200mW)에서 1W로 5배 끌어올려 성능을 세계적 수준으로 유지해 6개월 내 상용화 가능성을 높였습니다. 1024 x 1024 픽셀 해상도에서 초당 7.5프레임 스캔 속도를 나타내고 외국산 기술보다 4배 더 높은 해상도와 최대 4배 가까이 영상해석이 빠릅니다. 즉 1초에 7.5장의 영상송출이 가능해 실시간 샘플을 즉시 볼 수 있고 끊김 없는 영상분석이 가능한 수준입니다.

한국전자통신연구원(ETRI) 진단치료기연구실 송동훈 박사는 “저비용의 펨토초 레이저 한 대로 비선형 라만 분자 진동 영상을 구현함으로써 기존 라만 영상 획득시간의 한계를 극복해 실시간 구현과 제작비용 절감으로 상용화에 근접했다”고 밝혔습니다.

충남대학교병원 병리과 여민경 교수도 “ETRI가 개발한 기술은 암, 종양의 조기진단에 유용할 뿐만 아니라, 질환의 원인 분석, 신약 분석 등 다양한 의료현장에 활용돼 미래 의료서비스의 질을 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 말했습니다.

■ 지난해(2022년) 연구소기업에 기술 출자..곧 상용화 앞둬

연구원은 이번 기술과 관련해 국내·외 다수의 특허를 출원했으며, 라만 분자 진동 영상기술은 옵틱스 익스프레스(Optics Express) 저널에 최근 게재됐고 펨토초 레이저 기술은 2021년 같은 저널에 실린 바 있습니다.

연구진은 기술사업화를 위해 ETRI 연구소기업인 ㈜블루타일랩에 2022년 기술출자를 진행했으며, ㈜블루타일랩은 프리유니콘(pre-unicorn)기업으로 지정돼 연구부서와 중소기업사업화본부의 성장지원을 받아 수년 내 기업공개(IPO)를 목표로 하고 있습니다.

화면제공 :한국전자통신연구원(ETRI)