선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 하지만 THz 파는 공간 해상도가 라디오나 마이크로파장에 비하여 우수하므로 생체 조직에 대한 반사 영상을 얻기 위해서는 매우 유용하게 이용될 수 있다[6],[7]. 본고에서는 THz 파를 이용하여 활용 가능한 질환에서 대한 연구를 이야기하고, 이들이 실제적으로 임상에 적용되기 위해 필요한 침투 깊이 향상이나 분자수준의 차이를 영상화하는 분자영상 등의 기술적 개선 연구에 관하여 다루고자 한다.
- 지금까지 THz 파 기술의 의료 영상의 활용 가능성에 대하여 전임상 및 임상에서 수행했던 혈액 분석, 소화기, 뇌암 진단 연구를 중심으로 살펴보았다. 이와 함께 임상 활용 가능성을 증가시키기 위해 시도되고 있는 분자영상, 냉동진단법, THz 투과 깊이 개선법, 생체 내 이온농도 측정법 등의 차세대 THz 의료기술로 사용될 수 있는 기술에 대하여 알아보았다. THz 파는 X선이나 초음파, 적외선, 가시광선 등과 차별화된 바이오메디컬 기기로 그 활용가치가 매우 높다.
- 지금까지 THz 파 기술의 의료 영상의 활용 가능성에 대하여 전임상 및 임상에서 수행했던 혈액 분석, 소화기, 뇌암 진단 연구를 중심으로 살펴보았다. 이와 함께 임상 활용 가능성을 증가시키기 위해 시도되고 있는 분자영상, 냉동진단법, THz 투과 깊이 개선법, 생체 내 이온농도 측정법 등의 차세대 THz 의료기술로 사용될 수 있는 기술에 대하여 알아보았다.
제안 방법
- 이 연구를 위해 동물 뇌암 모델을 제작하고, MR(magnetic resonance) 영상으로 종양을 모니터링하여 일정 크기 이상으로 암이 성장했을 때 뇌를 추출하였다. THz 파 반사 영상법으로 뇌종양의 조직의 영상을 측정하여 [그림 9]에서 보이는 것과 같이, 정상/암조직의 THz 영상을 측정하고 비교하였다. [그림 9]의 (a)∼(c)에서 보이는 것처럼, 가시광선 영상이나 MR 영상에서 보이는 것처럼 THz 영상에서 암이 잘 구별되는 것을 관찰하였다.
- 이러한 차이를 설명하기 위해 [그림 5]에서 보이는 것과 같이, [그림 4]의 THz 영상에서 (×) 표시가 있는 위치에서의 THz 파를 추출하여 값을 비교하였고, 이 결과를 병리학적 영상인 Hematoxylin and eosin(H&E) stain 결과와 비교하였다. 대표로 대장(large intenstine: LI), glandularstomach(GS), forestomach(FS) 조직에서의 THz 시간축 신호와 주파수축 신호를 추출하여 비교 및 분석하였다. [그림 4]에서 보이는 것과 같은 조직 간의 반사 신호 차이는 시간 축 신호와 주파수 축 신호에서 모두 관찰되었다.
- (2014)은 THz 영상 기술을 이용하여 뇌암 경계를 구분할 수 있음을 동물수준의 전임상 연구에서 보고하였다[13]. 이 연구를 위해 동물 뇌암 모델을 제작하고, MR(magnetic resonance) 영상으로 종양을 모니터링하여 일정 크기 이상으로 암이 성장했을 때 뇌를 추출하였다. THz 파 반사 영상법으로 뇌종양의 조직의 영상을 측정하여 [그림 9]에서 보이는 것과 같이, 정상/암조직의 THz 영상을 측정하고 비교하였다.
- (2014)은 동물 조직 수준에서 소화기 조직에 대한 THz 영상 연구를 수행하여 소화기 질병 진단을 위한 THz 파 영상 기술의 활용 가능성을 보였다[11]. 이들은 실험용 쥐의 위(stomach), 식도(esophagus: ES), 소장(small intenstine: SI), 대장(large intenstine: LI) 조직을 적출하고, 위는 glandularstomach(GS)와 forestomach(FS)의 두 부분으로 나누어 절개한 후 THz 반사 영상을 측정하였다. [그림 4]에서 보이는 것과 같이, glandularstomach, 소장, 대장의 영상의 반사 신호 크기가 거의 비슷함에도 불구하고, 식도에서의 반사 신호 크기는 상대적으로 작고, forestomach(FS)의 경우 반사가 매우 작은 것을 발견하였다.
- 이 결과는 TMI가 나노입자의 정량분석을 위해 활용 가능함을 보였다[16]. 이러한 TMI 영상이 암 진단 영상에 유용함을 보이기 위하여 특정 단백질에 표적되어 있는 골드 나노입자를 합성하여 TMI 암 영상을 구현하였다. [그림 13]에서 보이는 바와 같이, 가시광선 영상은 종양의 가시적인 형태만 관찰되는 반면에, [그림 13] (c) TMI 영상에서는 암의 형태와 무관하게 암의 위치나 범위가 잘 관찰되었다.
- 이러한 차이를 설명하기 위해 [그림 5]에서 보이는 것과 같이, [그림 4]의 THz 영상에서 (×) 표시가 있는 위치에서의 THz 파를 추출하여 값을 비교하였고, 이 결과를 병리학적 영상인 Hematoxylin and eosin(H&E) stain 결과와 비교하였다.
- 하지만 위암 외에도 조직의 경계 부근에서 높은 세기의 THz 파 반사 신호가 관찰되었다. 이를 분석하기 위해 THz 영상에서 THz 파의 반사 신호가 작은 정상 조직 부위와 큰 정상조직부위 그리고 종양과 물의 THz 파 반사 신호를 추출하여 비교하였다. [그림 7] (b)에서 보이는 것처럼 같은 정상 조직 부위에서의 THz 파 신호임에도 불구하고, 경계 부근의 THz 신호는 종양에서의 신호보다 크고, 물의 신호와 가까운 경향성을 관찰하였다.
- 이들은 총 10명의 만 19세 이상 80세 미만의 남녀의 조기 위암 환자로부터 얻은 위암 조직을 이용하여 실험을 수행하였다. 조기위암이 진단되어 내시경 점막하박리술(endoscope submucosa dissection) 시술 후 얻어진 위암 조직을 THz 영상으로 측정하고, 병리 매핑 영상과 비교하여 조직 부위별 THz 신호를 분석하여 정성 연구를 수행하였다. [그림 6]은 조기 위암의 가시광선 사진, THz 영상과 병리 매핑 영상을 보여주고 있다.
대상 데이터
- (2015)은 THz 파 반사 영상 기술을 이용하여 조기 위암에 대한 THz 진단 영상법의 활용 가능성에 관하여 임상 수준에서 연구를 진행하였다[12]. 이들은 총 10명의 만 19세 이상 80세 미만의 남녀의 조기 위암 환자로부터 얻은 위암 조직을 이용하여 실험을 수행하였다. 조기위암이 진단되어 내시경 점막하박리술(endoscope submucosa dissection) 시술 후 얻어진 위암 조직을 THz 영상으로 측정하고, 병리 매핑 영상과 비교하여 조직 부위별 THz 신호를 분석하여 정성 연구를 수행하였다.
성능/효과
- 이러한 TMI 영상이 암 진단 영상에 유용함을 보이기 위하여 특정 단백질에 표적되어 있는 골드 나노입자를 합성하여 TMI 암 영상을 구현하였다. [그림 13]에서 보이는 바와 같이, 가시광선 영상은 종양의 가시적인 형태만 관찰되는 반면에, [그림 13] (c) TMI 영상에서는 암의 형태와 무관하게 암의 위치나 범위가 잘 관찰되었다. 특히 골드 나노입자가 표적 종양 및 각 장기에 선택적으로 잘 전달되었는지를 확인하기 위해 쥐의 종양, 간, 비장, 콩팥 그리고 뇌를 적출하여 TMI 영상을 측정하였고, [그림 13] (e)에서 보는 바와 같이, 나노입자를 주사한 쥐의 간과 비장, 종양에서 선명한 TMI 영상이 관찰되었고, 이 결과는 나노입자가 혈관을 통해 순환하여 표적 장기에 잘 전달되었음을 보여준다.
- [그림 16] (e)는 Glycerol를 도포하지 않는 조직과 도포한 조직에 대한 THz 파 시간축 신호 차이를 보여준다. Glycerol을 도포한 조직에서의 THz 파의 시간축 신호의 2nd 펄스가 앞으로 이동하고 진폭이 증가하는 것이 관찰되며, 이는 조직 내 Glycerol의 농도가 증가함에 따라 조직의 유효 굴절률이 감소하고, 흡수율이 감소됨을 나타낸다. [그림 17]은 피부 조직 내로 Glycerol이 침투되는 것을 시간별로 THz 파 이차원 영상과 단층 영상으로 보여주고 있다.
- TMI 영상의 해상도는 골드 나노 로드의 농도가 증가함에 따라 증가하였고, 10 μM의 낮은 농도의 영상까지 식별되었다.
- [그림 8]에서 보이는 것처럼 총 10개의 조직 중 유의미한 조직 8개에서 THz 진단 영상의 효용성을 보였고, 정상 및 종양 조직에 대한 주파수별 THz 분석을 수행하여 0.4∼1 THz 사이의 신호가 종양 조직을 구분하기 효과적임을 보였다.
- [그림 2]에서 보이는 것과 같이, 굴절율, 흡수율의 값이 물, 혈장, 혈액, 적혈구 순으로 감소함을 보였다. 얻어진 적혈구와 혈장의 흡수율에 대한 부피비의 합과 혈액의 흡수율을 비교하여 적혈구의 농도를 추출하여 THz 분광법이 적혈구 농도 측정법으로 유용함을 보였다. 이들이 임상에서 유의미한 수준의 ± 10% 적혈구 농도 변화를 THz 분광으로 측정 가능함을 [그림 3]에서 보였고, THz 흡수율 변화와 혈액 내 적혈구 농도의 변화가 선형적인 관계가 있는 것을 보였다.
- 이 결과에서 Glycerol이 피부에 흡수되고 있음을 시간별로 직접 보였다. 이 결과는 THz 파 영상 기술이 조직 내 약물 침투 등을 모니터링 하는 영상에 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 병리 영상을 통하여 THz 파의 반사가 높은 조직의 경우, 소화액을 만드는 gland의 비율이 높은 것을 발견하였다. 이 결과는 THz 파 영상기술을 통하여 gland와 같은 소화기 점막에 대한 정량적 측정이 가능함을 나타내고, THz 파 영상 기술이 조기 위암 등의 소화기 질병 진단에 활용 가능함을 보였다.
- [그림 4]에서 보이는 것과 같이, glandularstomach, 소장, 대장의 영상의 반사 신호 크기가 거의 비슷함에도 불구하고, 식도에서의 반사 신호 크기는 상대적으로 작고, forestomach(FS)의 경우 반사가 매우 작은 것을 발견하였다. 이 결과는 각 조직별로 THz 파에 반응하는 구조적 또는 성분별 차이가 있다는 것을 보여준다. 이러한 차이를 설명하기 위해 [그림 5]에서 보이는 것과 같이, [그림 4]의 THz 영상에서 (×) 표시가 있는 위치에서의 THz 파를 추출하여 값을 비교하였고, 이 결과를 병리학적 영상인 Hematoxylin and eosin(H&E) stain 결과와 비교하였다.
- [그림 9] (d)는 정상 뇌 조직의 영상을 얻은 것으로 뇌의 백질과 회백질의 분포가 THz 영상에서 잘 관찰되는 것을 볼 수 있다. 이 결과는 물과는 반대로 THz 파에 대한 반사율이 적은 지방이 많은 부분을 차지하는 단백질 내의 myelin의 농도 분포가 THz 파 영상법으로 측정 가능함을 보여준다. [그림 10]은 [그림 9]의 뇌암을 포함하는 조직(a)과 정상조직(d)의 점선에서의 THz 파 반사율을 나타내는 그래프이다.
- [그림 14]에서 보이는 것과 같이, [그림 14] (b)에서 보이는 THz 냉동영상에서 관찰되는 암이 [그림 14] (c)의 실온 THz 영상에서 보이지 않는 것을 관찰할 수 있다. 이 결과는 물의 높은 흡수율에 의하여 실온에서 발견되지 않는 조직학적 차이가 물을 얼린 후 발견될 수 있다는 것을 보여준다. [그림 15]은 생체 조직을 냉동하여 물의 영향을 제어함으로 측정 가능 깊이가 개선되어 실온에서는 가능하지 않는 생체 내에서의 THz 신호가 측정 가능함을 보여준다.
- 이 결과는 정상조직의 반사율이 11.8∼14.2 %에 분포하고, 반사율이 14.2 % 보다 클 경우는 암임을 나타내서 종양 유무의 결정을 위한 경계 값을 제시하였다.
- 이들이 임상에서 유의미한 수준의 ± 10% 적혈구 농도 변화를 THz 분광으로 측정 가능함을 [그림 3]에서 보였고, THz 흡수율 변화와 혈액 내 적혈구 농도의 변화가 선형적인 관계가 있는 것을 보였다.
- [그림 13]에서 보이는 바와 같이, 가시광선 영상은 종양의 가시적인 형태만 관찰되는 반면에, [그림 13] (c) TMI 영상에서는 암의 형태와 무관하게 암의 위치나 범위가 잘 관찰되었다. 특히 골드 나노입자가 표적 종양 및 각 장기에 선택적으로 잘 전달되었는지를 확인하기 위해 쥐의 종양, 간, 비장, 콩팥 그리고 뇌를 적출하여 TMI 영상을 측정하였고, [그림 13] (e)에서 보는 바와 같이, 나노입자를 주사한 쥐의 간과 비장, 종양에서 선명한 TMI 영상이 관찰되었고, 이 결과는 나노입자가 혈관을 통해 순환하여 표적 장기에 잘 전달되었음을 보여준다. TMI 방법은 기존의 THz 영상의 민감도를 개선시키는 한편, 영상의 해상도가 광열을 유도시키는 레이저의 집속직경에 의해 결정되므로 THz 영상의 회절 한계를 넘은 수 μm의 고해상도 분자 영상을 가능케 한다.
후속연구
- 이들이 임상에서 유의미한 수준의 ± 10% 적혈구 농도 변화를 THz 분광으로 측정 가능함을 [그림 3]에서 보였고, THz 흡수율 변화와 혈액 내 적혈구 농도의 변화가 선형적인 관계가 있는 것을 보였다. 이 결과는 THz 분광 영상 기술이 비침습적으로 혈관 내에 있는 혈액의 적혈구 농도 등에 대한 진단법 개발을 위해 활용이 가능함을 보였다. 이 기술은 최근 보고된 나노 안테나 등의 센서를 이용하면 혈액 내 단백질이나 당과 같은 화학성분 변화를 측정하는 체외진단기기로 활용 범위를 확장할 수 있다[9].
- [그림 19]는 전해질 용액으로 근육세포를 자극한 후 AP를 측정한 결과이며, 전통적인 intracellular microelectrodes 방법과 유사한 값이 측정됨을 확인하였다. 이 결과는 THz 파 기술이 신경세포나 근육세포의 전기적 신호변화를 연구에 활용될 수 있음을 보여준다.
- [그림 15] (e) 에서 보여주는 것과 같이, 실온인 [그림 15] (c)에서는 관찰되지 않는 조직 뒷부분의 THz 반사 신호가 조직을 냉동한 후 등장하는 것을 관찰할 수 있었다. 이 연구는 물을 냉각하여 물의 흡수율을 감소시킴으로, 세포나 조직 내 조직학적 구조적 차이 외에도 THz에 고유진동수를 가지는 단백질 등의 분자생물학적 차이도 측정하는 연구가 가능함을 보였다.
- THz 파는 X선이나 초음파, 적외선, 가시광선 등과 차별화된 바이오메디컬 기기로 그 활용가치가 매우 높다. 하지만 기기의 소형화나 저렴한 송수신기의 개발 등 아직도 극복해야할 기술적 한계들이 있고, 이런 기술적 한계들이 극복되면 가까운 미래에는 환자 친화적인 THz 의료 진단 기술이 미래 시대가 요구하는 건강한 생명사회의 발전을 주도하게 될 것이라고 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.