모세혈관이나 신경계까지 3D 입체로 관찰할 수 있는 초미세내시경이 개발됐다. 기초과학연구원 분자 분광학 및 동력학 연구단과 고려대학교 공동연구팀은 주사바늘보다 가는 두께의 내시경 기술을 개발하고, 이를 통해 박테리아보다 작은 생체 구조의 입체이미지를 얻는데 성공했다.

내시경은 좁은 공간 안의 물체나 인체 내부의 영상을 획득하기 위해 만들어진 영상장비이다. 일반적으로 내시경은 물체와 맞닿아서 신호를 받아들이는 데, 끝단(프로브)에 카메라를 부착해 직접 관찰하거나, 빛을 이용해 정보를 전달하는 광섬유로 이미지를 얻는다. 카메라 센서를 사용하는 경우 프로브의 두께가 두꺼워져 피부의 일부를 절개해서 삽입해야하는 경우도 있다. 반면 광섬유 다발을 이용한 내시경의 경우 좀 더 얇은 형태로 제작할 수 있어 절개부위와 환자의 불편함을 최소화할 수 있다.

광섬유는 광학 신호를 빛의 손실 없이 전달하는 가는 유리 또는 플라스틱 섬유로 코어와 클래딩으로 구성되어 있다. 빛이 통하는 중심의 코어가 클래딩으로 균일하게 감싸져있는 형태이다.

하지만, 기존의 광섬유 내시경으로는 선명한 이미지를 얻기 어려웠다. 또, 광섬유 다발 끝에서 생기는 자체 반사는 반사율이 낮은 생물 구조를 관찰하기 힘들게 했다. 관찰을 위해서는 형광 염색을 해야 하지만, 인체에 적용하기에는 한계가 있었다.

연구진은 광섬유 다발 말단 부분에 렌즈나 어떠한 장비도 부착하지 않고도 고해상도로 관찰 가능한 아주 얇은 내시경을 개발해 기존 광섬유 내시경의 한계를 극복했다. 연구진은 광섬유 다발 중 하나의 광섬유에 빛을 집속시켜 광섬유에서 일정 거리 떨어져 있는 물체를 조명했다. 물체에서 반사된 빛은 여러 개의 다른 광섬유를 통해 물체에 대한 정보를 전달한다. 이때 얻은 반사 홀로그래피 이미지를 측정하고 각 코어마다 발생되는 왜곡을 보정해 고해상도 이미지를 얻었다.

개발한 내시경은 광섬유 말단에 어떠한 장비도 부착하지 않아 내시경 프로브의 지름이 350μm(마이크로미터)로 매우 얇은데, 이는 피부에 놓는 주사 바늘(약 500μm)보다도 가늘다. 이를 이용해 쥐의 융털(소장 안에 있는 구조물)과 같이 반사도가 매우 낮아 관찰하기가 어려운 생물 샘플에서도 형광 염색 없이 이미지 정보를 얻었다.

특히 이번에 개발한 내시경은 일반적인 광섬유 다발 내시경으로 할 수 없는 현미경급의 고해상도 이미지 촬영이 가능하다. 물체 간 거리가 850nm(나노미터)정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있을 정도다. 참고로 박테리아 크기가 1,000nm(1μm, 즉 100만분의 1m) 정도다. 측정한 홀로그래피 정보를 보정해 다중 깊이의 3D 이미지도 복원할 수 있는데, 물체 간 깊이가 14μm정도 떨어져있는 것도 구분할 수 있다.

최원식 부연구단장은 “획기적으로 얇은 고해상도 내시경을 개발했다.”라며 “기존의 내시경으로 접근하기 어려웠던 폐나 모세혈관, 나아가 뇌 신경계까지 최소한의 피부 절개로 질병을 조기 진단할 수 있는 가능성을 열었다”고 말했다.

연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69) 8월 2일자 온라인 판에 게재됐다.

[그림1] 고해상도 광섬유 다발 반사 홀로그래피 내시경의 원리
이번에 개발한 현미경(a)은 광섬유 다발의 단일 코어를 통해 물체를 조명하고 물체에서 반사된 신호를 다시 같은 광섬유 다발로 수집하여 반사된 빛의 정보를 기록한다. 이 때 일반적인 광섬유 다발 내시경과 다르게 물체와 광섬유 사이의 거리를 충분히 떨어뜨려(b) 고해상도 이미지를 얻었다.

[그림 2] 신호가 약한 쥐의 소장 융털 구조 관찰
기존의 내시경으로 본 이미지(a)뿐만 아니라, 되반사 노이즈가 존재하지 않는 영상(b)에서도 쥐의 소장을 구분하기 어려웠다. 반면 이번에 개발한 내시경으로 융털의 각 위치를 측정하고(c)-(f), 이어 붙여 융털 전체 구조(g)를 획득하였다.