반려동물 생체영상 촬영하는 3차원 MPI 장치 독자 개발

[정보통신신문=박남수기자]

현재 실험용 쥐와 같은 작은 동물에만 사용할 수 있는 차세대 의료영상 기술인 자기입자영상(MPI) 장치를 동물병원 등에서 반려견 같은 중(中)동물의 생체영상 촬영에도 적용할 수 있는 국내 독자 기술이 개발됐다.

인체 촬영도 가능한 자기입자영상(MPI)을 개발할 수 있는 원천기술로서, 향후 기술 고도화를 통한 인체 촬영이 가능해질 경우 나노입자를 이용한 뇌 부위 표적약물전달, 비침습 뇌 자극, 뇌종양 발열 치료 등 환자 맞춤형 난치성 뇌질환 치료법 발전에 획기적인 기여를 할 것으로 기대된다.

자기입자영상(Magnetic Particle Imaging, MPI)은 생체에 무해한 산화철 나노입자의 농도·위치를 영상화할 수 있는 비침습적 분자영상기기. 방사선 없이 작동 가능하며 3차원 분포 영상을 실시간으로 촬영할 수 있어 심혈관·뇌혈관 등의 진단, 세포 라벨링 및 추적, 표적약물전달 등 다양한 의료분야에서 사용될 수 있다.

MPI 기술은 의료영상 분야 선진국인 미국·독일 등의 일부 기업에 의해서만 개발돼 상용화 장비가 수십억 원에 판매되고 있는 차세대 의료영상 기술로, 기존 MPI 장치는 말초신경자극(peripheral nerve stimulation)을 일으키는 자장 변화율 제한 및 경사자기장*의 물리적 특성으로 소동물에서의 고해상도 의료영상 촬영만 가능하다.

중동물 이상의 생체를 촬영하기 위해선 넓은 시야각 확보가 필요한데, MPI의 넓은 시야각 확보를 위해 구경(bore)의 크기를 증가시킬 경우 경사자기장*이 급속히 감소해 낮은 해상도의 영상만 얻을 수 있다. 따라서 임상 적용으로의 확대를 위해서 넓은 시야각을 확보하면서 높은 해상도를 제공하는 MPI 의료장치의 개발은 가장 시급히 해결해야 할 문제이다.

경사자기장(magnetic gradient field, 단위:T/m)은 자장의 변화(ΔB)를 거리(Δs)의 변화로 나눈 것으로 정의할 수 있다. MPI에서는 경사자기장 생성을 통해 자성나노입자가 여기자장(excitation field)에 반응하여 전기신호를 발생시키는 자기장제외구역(Field Free Point, FFP)을 발생시킬 수 있고, 경사자기장이 켜질수록 자기장제외구역(FFP)의 크기가 작아져서 영상정밀도를 높일 수 있다.

광주과학기술원(지스트) 융합기술학제학부 윤정원 교수 연구팀(뇌나노로봇연구센터)은 중동물을 대상으로 자성나노입자를 추적자로 사용, 고분해 생체영상을 실시간으로 촬영할 수 있는 3차원 자기입자영상(MPI) 장치를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 90㎜의 보어 크기와 최대 4T/m의 높은 경사자기장으로 중동물에 사용 가능한 MPI 시스템을 개발했다.

개발된 진폭변조(Amplitude Modulation) MPI 방식은 영상 스캐닝에 필요한 드라이브 코일과 나노입자에서 신호를 생성하는 여기코일을 구분하여, MPI의 크기·무게 및 전력 요구사항을 최소화하고 높은 경사자기장을 제공하면서도 말초신경자극(PNS) 발생의 위험을 낮출 수 있다.

따라서, 개발된 3차원 MPI는 고해상도(1㎜) 영상을 2㎐ 이상의 빠른 속도로 촬영하면서 2.5T/m 경사자기장 조건에서 기존 상용화된 MPI 장치보다 최대 5배가량 넓은 시야각을 확보했다.

윤정원 교수는 “이번에 개발된 기술은 기존 MPI 장치와 동일한 해상도를 제공하면서도 압도적으로 넓은 시야각 크기를 제공할 수 있어 기존보다 사용 범위를 한결 높일 수 있을 것으로 예상한다”며 “고해상도 3차원 MPI 장치의 국산화로 선진국과 어깨를 나란히 하는 의료장비와 기술 수준을 보유하는 데 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부 로봇산업핵심기술개발사업 및 과학기술정보통신부 휴먼플러스융합연구개발 챌린지사업, 보건복지부 마이크로의료 로봇 실용화 기술개발사업 지원으로 수행됐으며, 계측분야에서 세계적으로 가장 권위 있는 학술지인 IEEE(국제전기전자기술자협회) Transactions on Industrial Electronics(산업전자학술지)에 4월 29일자 온라인 판에 게재됐다.