디지털 수차 보정으로 췌장·대장 등 두꺼운 조직 정밀 관찰 가능… 신약 개발·질병 진단 활용 기대

KAIST 연구진이 생체 조직을 더욱 정밀하게 관찰할 수 있는 획기적인 이미징 기술을 개발했다. 기존 광학 기술이 두꺼운 생체 조직 내부를 정밀하게 관찰하는 데 어려움을 겪었던 한계를 극복하며, 디지털 수차 보정 기술을 적용한 ‘홀로토모그래피(Holotomography)’를 통해 생체 조직의 3D 이미지를 고해상도로 구현하는 데 성공했다.

이번 연구는 KAIST 물리학과 박용근 교수 연구팀이 주도했으며, 기존 광학 기술과 차별화된 광학적 메모리 효과(optical memory effect)를 활용한 수차 보정 기법을 적용했다. 이를 통해 기존 적응형 광학(adaptive optics) 기술보다 더욱 강력한 보정 효과를 제공하여, 생체 조직 내부 구조를 더욱 선명하게 포착하는 데 성공했다.

기존 기술 한계를 극복한 ‘디지털 수차 보정’ 두꺼운 조직 내부까지 정밀하게 관찰 가능

기존 광학 현미경은 조직 내부에서 빛의 산란이 발생하면서 수차(aberration)가 생기고, 이로 인해 영상 품질이 저하되는 한계를 가지고 있었다. 특히, 췌장, 대장과 같은 두꺼운 생체 조직을 분석할 때 조직의 깊은 곳까지 선명한 이미지를 얻기 어려웠다.

KAIST 연구팀이 개발한 디지털 수차 보정 기술은 이러한 문제를 해결하는 혁신적인 접근법이다. 광학적 메모리 효과를 이용하여 빛이 기울어질 때 발생하는 위상 차이를 정밀하게 분석하고, 이를 기반으로 영상 내 수차를 효과적으로 보정한다. 이 기술을 적용하면 빛이 산란되는 복잡한 생체 조직에서도 3D 이미지를 선명하게 구현할 수 있으며, 마이크로미터(㎛) 단위의 정밀한 세포 구조를 실시간으로 관찰할 수 있다.

홀로토모그래피를 활용한 3D 고해상도 이미징

홀로토모그래피(Holotomography)는 광학 현미경 기술을 이용해 세포와 조직을 3차원으로 영상화하는 기법으로, 기존 기술과 달리 형광 염색 없이도 생체 조직의 구조를 정밀하게 분석할 수 있는 장점을 가진다. 특히, 시료 손상을 최소화하면서 실시간으로 세포 및 조직 내 동적 변화를 추적할 수 있는 능력이 이번 연구의 중요한 성과로 꼽힌다.

연구 성과와 생명과학·의료 분야 활용 가능성 : 신약 개발 및 질병 진단에 새로운 가능성 열어

이번 연구 결과는 조직 병리학, 신약 개발, 생물학 연구, 질병 진단 등의 다양한 분야에서 활용될 수 있는 새로운 이미징 기술을 제시했다. 특히, 기존 기술로는 관찰하기 어려웠던 두꺼운 조직 내부의 세포 수준 변화를 정밀하게 포착할 수 있어, 향후 신약 효능 평가 및 질병 진단 분야에서 혁신적인 도구로 자리 잡을 가능성이 크다.

박용근 교수는 “이번 연구는 기존 생체 이미징 기술이 해결하지 못한 문제를 극복하는 새로운 접근 방식을 제시했다. 특히, 홀로토모그래피를 기반으로 한 비침습적 생체 이미징 및 진단 기술 발전에 기여할 것”이라며, “앞으로도 세포 수준에서 다양한 생명현상을 더욱 정밀하게 이해할 수 있도록 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.

연구팀은 이번 연구를 통해 두꺼운 생체 조직 내부의 세포 구조를 더욱 세밀하게 관찰할 수 있었으며, 마이크로미터 크기의 시료에서 발생하는 동적 변화를 실시간으로 포착하는 데 성공했다.

이는 기존 광학 기술로는 불가능했던 고해상도 조직 이미징을 가능하게 만들어, 세포 분화 과정, 종양 성장, 세포 간 상호작용과 같은 다양한 생명 현상을 보다 정확하게 분석할 수 있는 기회를 제공한다. 이에 따라, 생명과학 연구에서의 활용 가능성이 더욱 확대될 전망이다.

이번 연구 결과는 생명과학 및 물리학 분야에서 영향력 있는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재되며, 기술적 우수성과 연구의 중요성을 인정받았다. 논문의 공식 제목은 ‘Digital aberration correction for enhanced thick tissue imaging exploiting aberration matrix and tilt-tilt correlation from the optical memory effect’이며, 연구의 혁신성을 반영하여 DOI(10.1038/s41467-025-56865-z)와 함께 정식 등록되었다​. 이번 연구는 한국연구재단 리더연구사업 및 한국산업기술진흥원 글로벌산업기술협력센터사업의 지원을 받아 수행되었으며, 향후 연구팀은 실제 임상 및 바이오 산업 적용을 위한 후속 연구를 지속할 계획이다.

KAIST 연구진이 개발한 디지털 수차 보정 기술 기반 홀로토모그래피는 기존 광학 현미경 기술의 한계를 극복하고, 생체 조직의 3D 고해상도 이미징을 실현하는 획기적인 기술로 평가받고 있다. 이 기술은 신약 개발, 조직 병리학, 질병 진단, 생명과학 연구 등 다양한 분야에서 새로운 연구 기회를 창출하며, 향후 의료 및 바이오 산업의 발전에 중대한 영향을 미칠 것으로 기대된다.

KAIST 연구팀의 이번 성과는 단순한 기술 개발을 넘어, 실질적인 생명과학 및 의료 응용 가능성을 제시한 중요한 연구로 평가받고 있으며, 향후 글로벌 의료 시장에서도 주목받을 전망이다.

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