한국전자통신연구원(ETRI)은 펨토초 레이저 기반 실시간 라만 분자 진동 영상기술(CARS)을 개발했다고 밝혔다. 이번에 개발한 CARS를 통해 암을 비롯한 각종 질병의 조기진단이 가능하다는 게 ETRI의 설명이다.

기존 기술은 암과 같은 생체조직에 형광물질을 사용하는 방식으로 짧은 시간동안 관찰해야 하는 제약이 있었다.

반면, 펨토초(1천조 분의 1초) 단위로 분자의 움직임 관찰이 가능한 CARS 현미경은 형광 물질 없이도 세포 내 표적의 화학적 결합 종류에 따른 실시간 영상을 제공한다. 형광물질을 사용하지 않아 관찰시간의 제한이 없고, 형질 변화에 따른 부작용도 발생하지 않는다는 점도 장점이다.

세포조직 내 암 표지자(CH2)와 같은 더 작은 특정 분자의 상태 영상을 볼 수 있어 암과 종양의 조기진단이 가능하다.

현재 널리 쓰이는 CT, MRI의 경우에는 비정상적 병변조직이 발병된 이후에 활용이 가능하고, 병리학적 진단을 위해서는 추가로 염색이 필요한 광학적인 세포조직검사가 이뤄져야 하는 반면, CARS는 세포의 분자상태를 반사·투과하는 2D/3D 영상과 라만 분광신호를 비교함으로써 정상조직인지 암조직인지 쉽게 알 수 있게 해 조기진단을 지원한다. 

ETRI가 개발한 비선형 분자진동 영상기술은 ▲다이오드 기반의 펨토초 레이저 기술 ▲고정밀 광학계 기술 ▲현미경 자동화 기술 등을 활용하며, 갈바노-갈바노 스캔 거울보다 더욱 빠른 공진-갈바노 스캔 거울을 통해 빠른 라만 분자 진동 영상 획득시간을 구현했다.

ETRI는 이렇게 개발된 기술은 2대의 레이저로 구성돼 10억원대의 높은 가격을 형성하고 있는 외산 장비와 달리 한 대의 레이저를 활용해 가격 부담을 줄였다고 설명했다.

레이저 부분도 수백만원대로 구현가능하도록 개발한 레이저 기술을 개발함으로써 전체 비용은 1/10 수준으로 낮출 수 있다.

크기 면에서도 기존 장비가 책상 2개 크기인 반면, 1대의 레이저만 활용하는 ETRI의 CARS는 크기를 절반 이하로 소형화할 수 있다. ETRI는 상용화 시에는 노트북 두 배 정도의 크기까지 소형화가 가능할 것으로 예상했다.

1024×1024 픽셀 해상도에서 초당 7.5프레임의 영상송출이 가능해 실시간 샘플을 즉시 볼 수 있으며, 끊김 없는 영상분석을 지원한다.

해상도와 영상해석 모두 기존보다 4배 가량 향상된 것이며, 레이저 출력은 기존 실험실 수준(200mW)에서 1W로 5배 끌어올려 6개월 내 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

ETRI 진단치료기연구실 송동훈 박사는“저비용의 펨토초 레이저 한 대로 비선형 라만 분자 진동 영상을 구현함으로써 기존 라만 영상 획득시간의 한계를 극복해 실시간 구현 및 제작비용 절감으로 상용화에 근접했다”고 말했다.  

한편, ETRI는 이번에 개발한 CARS 기술과 관련한 국내·외 다수의 특허도 출원한 상태며 기술사업화를 위해 ETRI 연구소기업인 블루타일랩에 2022년 기술출자를 진행했다.