환자의 부담을 경감하는 세계 최고 속도의 계측 시스템 개발 - 제어 계측 뉴스

- 광학 재료의 결정을 이용한 광 편향 제어 기술을 OCT(Optical coherence tomography)(주 1) 이미징에 적용하여 기존의 100배 이상의 속도를 실현한 계측 시스템을 개발 / OCT를 사용한 의료 진단의 계측 시간을 단축할 수 있어 환자에 대한 부담을 경감하는 것에 연결 / 고속 3차원 조직 구조 계측의 이점을 살린 피부 질환 진단을 위한 해석이나 안과 의료 진단, 연구 용도 등 여러 가지 분야에서의 응용에 기대 -

오사카(Osaka, 大阪) 대학 대학원 의학계 연구과 개발 팀은 광학 재료인 탄탈산 니오브산 칼륨(KTa1-xNbxO3, KTN) 결정(주 2)의 광 편향기로서의 기능을 이용한 고속의 연직 단면광 단층 간섭 계측 시스템(En face OCT)(주 3)의 개발에 성공하였다. KTN 결정은 일본 NTT 주식회사가 지금까지 개발한 광 편향기나 가변 초점 렌즈에서의 적응이 기대되는 재료이다.

이번에 개발팀은 인가 전압에 대해 레이저광의 출사 각도를 고속(현재 200kHz 정도) 제어 가능한 편향기로서의 특성에 주목하여 광 단층 간섭계측(OCT) 기술에 적용하는 것으로 기존의 타임 도메인 방식 OCT로는 달성할 수 없었던 대폭적인 속도의 향상(100배 이상)을 실현하였다. 특정 분야를 불문하고 OCT를 사용한 의료 진단에 있고 계측에 필요한 시간을 단축하는 것은, 환자에 대한 부담을 경감하는 것에 연결된다. 또한 OCT 기술과의 융합에서는 일반적으로 채용 사례가 적은 연직 단면광 단층 간섭계측을 도입하는 것이 고속화로 연결된다.

본 개발 성과에 의해 향후에는 고속의 3차원 생체 조직 구조 계측의 이점을 살리는 것으로 발한에 관한 피부 질환 진단을 위한 해석, 안과 의료진단, 그 외 연구 용도 등 여러 가지 분야에서의 응용이 기대된다.

개발 배경으로는 현재 가장 많이 보급되어 있는 안과 의료진단을 위한 OCT 장치를 포함하여 특정 분야를 불문하고 OCT를 사용한 의료 진단에 있어서 계측에 필요한 시간을 단축하는 것은 환자에 대한 부담을 경감하는 것으로 연계된다. 또한 OCT의 고속화는 계측 대상의 움직임(대상 그 자체나 기관이나 조직의 움직임)에 대해서 견고성(주 4)을 향상시키는 이점이 있다. 3차원 계측의 경우 1볼륨의 계측에 필요한 시간이 계측의 베이스가 되는 평면 계측(단층면 또는 연직 단면)×픽셀 수(면의 수)로 효과가 있기 때문에 OCT 계측의 고속화가 중요한 과제가 되고 있다.

NTT가 실용화한 KTN 결정은 전기 광학(EO) 효과에 의해 고속 광 편향기로서의 특성을 가지고 있다. 빔을 결정에 입사시켜 결정 외측에 고정한 2개의 금속 전극 전위차를 제어하는 것으로 출사 빔을 고속 주사할 수가 있다(<그림 1>). 이러한 특성에 주목하는 것으로 OCT 계측의 고속화 실현을 위한 개발을 실시하고 있다.개발한 KTN 광 편향기를 이용한 En face OCT 시스템은 생체 조직에 입사시키는 빛(사용 파장 1,300 nm대)의 광축에 수직인 면을 계측의 주체로 하는 연직 단면광 단층 간섭계측(En face OCT)을 도입한다. 광축 방향과 수직인 En face 평면을 스캔하여 이것을 다른 깊이로 중첩하는 것에 의해서 3차원 화상을 취득한다.

X축 방향을 galvano 미러, Y축 방향을 KTN 광 편향기, Z방향을 참조 미러를 실은 미동 스테이지에서 스캔한다. 이것에 의해 기존의 타임 도메인 방식의 OCT로 일반적으로 이용되어 온 횡축 방향 주사 디바이스인 galvano 미러에만 주사에 비해 화상 취득 스피드가 100배 이상 향상되었다. 연직 단면상의 취득 레이트는 500프레임/초(fps), KTN 광 편향기에 의해서 횡축 방향을 200kHz로 고속 주사하여 레퍼런스 미러로 깊이 방향을 주사하는 것으로써 3차원의 생체 조직의 화상을 취득할 수 있었다(<그림 2>). En face OCT의 취득 레이트 500fps는 세계 최고 속도이며 Fourier-Domain형 OCT에 필적하는 속도를 달성하였다.

개발팀은 OCT 계측의 새로운 의료 진단의 적용 분야로서 피부 과학 분야에서의 응용을 목표로 하고 있다. OCT 계측의 고속화?고밀도화에 의해서 비침습(저침습)으로 피부 구조를 2차원 및 3차원으로 해석하는 기술은 피부 질환의 새로운 진단법으로서 기대되고 있다. 또한 정신성 발한의 동태 해석에 관해서는 고속의 OCT 계측으로 발한량의 시간 변화를 추적하는 것으로써 교감 신경 비정상에 관련되는 다한증이나 그 외의 발한 이상증의 진단에 유효한 수법이 될 가능성이 있다. 이러한 새롭게 고안된 KTN 광 편향기와 OCT 기술의 융합을 기반으로 하여 향후 KTN 광 편향기를 포함한 OCT 프로브의 소형화 목표로 하는 것으로 여러 가지 의료 진단에서의 응용도 기대된다.

본 개발 성과는 일본 과학 기술 진흥 기구(JST) 첨단 계측 분석 기술?기기 개발 프로그램의 개발 과제 `KTN 광 편향기를 이용한 Enface-OCT 시스템의 개발`에 의해서 얻을 수 있었다고 한다. 이 개발 과제는 2015년도부터 일본 의료 연구 개발 기구(AMED)가 실시하는 의료 분야 연구 성과 전개 사업 첨단 계측 분석 기술?기기 개발 프로그램의 일환으로서 추진되고 있다고 한다.

(주 1) 탄탈산 니오브산 칼륨(KTN)
칼륨(K), 탄탈(Ta), 니오브(Nb)로 구성된 산화물로 화학식은 KTa1-xNbxO3로 전압을 걸면 굴절률이 변하는 현상을 `전기 광학(EO) 효과`라고 부르지만 KTN은 전기 광학 효과가 매우 크고 낮은 전압으로 굴절률이 크게 바뀌는 광학 재료라고 한다.
(주 2) 광 간섭 단층계(OCT)
근적외광의 간섭성(코히렌스)을 이용하여 물체 내부의 단층 구조를 촬영하는 기술로, 공간 분해능이 10미크론으로 매우 높고 미세한 조직 구조를 촬영할 수 있다.
(주 3) 연직 단면광 단층 간섭 계측 시스템(En face OCT)
통상의 OCT에서는 B스캔상(대상 물체에 대해서 수직의 단면상)을 촬영하고 있지만 En Face OCT로는 대상 물체에 대해서 수평의 단면상을 촬영한다. 생체 대상 물체의 수평축을 x축, y축으로 하고 깊이 방향을 z축으로 하면 En Face OCT로는 x-y면의 단면상을 촬영한다.
(주 4) 견고성
그 물건이 어느 정도 확실히 하고 있을까의 의미로 화상 진단으로는 대상 물체의 움직임에 의한 모션 아치 팩터를 경감하는 것을 의미한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』