【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=손이나 발처럼 넓은 부위의 혈관을 촬영할 때 여러 장의 영상을 이어 붙이지 않고도 한 번의 스캔만으로 3차원 영상을 구현할 수 있는 의료영상 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

▲ 디지털 멀티플렉싱(MUX) 기반의 확장형 3차원 광음향·초음파 영상 시스템 아키텍처와 이를 활용한 인체 말초 부위(손·발)의 대면적 고해상도 혈관 영상화 및 산소포화도 측정 개념도와 결과 이미지  © 포스텍

POSTECH(포항공과대학교)은 전자전기공학과·IT융합학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수 연구팀이 지멘스 헬시니어스 초음파 프로브 연구팀과 공동으로 대면적 부위를 단일 스캔으로 촬영할 수 있는 3차원 광음향·초음파 통합 영상 시스템을 개발했다고 밝혔다.

연구에는 글로벌 헬스케어 의공학 연구소 박신영 박사, 기계공학과 통합과정 성민식 씨, IT융합공학과 박사과정 김현희 씨가 참여했으며, 연구 성과는 국제 광학 분야 학술지 'Laser & Photonics Reviews'에 지난 8일(현지시간) 게재됐다.

광음향·초음파 융합 영상은 혈관에서 발생하는 광음향 신호와 초음파 영상을 결합해 혈관 상태와 인체 내부 구조를 동시에 확인할 수 있는 진단 기술이다. 다만 촬영 범위가 넓어질수록 고가의 장비가 필요하고, 여러 번 촬영한 영상을 합치는 과정에서 왜곡이 발생하는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 초음파 탐촉자 내부 소자를 순차적으로 제어하는 디지털 멀티플렉싱(Digital Multiplexing) 기술을 적용했다. 수백 개의 초음파 소자를 동시에 구동하는 대신 일정 구간별로 빠르게 제어하는 방식으로 하드웨어 복잡도와 비용 부담을 줄이면서도 영상 품질을 유지하도록 설계했다.

또한 FPGA(반도체 기반 프로그래머블 제어칩)를 활용해 768개의 초음파 소자를 정밀하게 제어함으로써 기존처럼 여러 영상을 이어 붙이지 않고도 넓은 부위를 단 한 번의 스캔으로 촬영할 수 있도록 구현했다.

실험에서는 손바닥과 손등, 팔뚝, 발 등을 대상으로 촬영을 진행했으며, 미세 혈관 구조를 3차원 영상으로 선명하게 확인했다. 기존 초음파 탐촉자가 128~192개의 소자를 사용해 약 38㎜ 폭만 촬영할 수 있었던 것과 달리, 이번 시스템은 768개 소자를 적용해 촬영 범위를 최대 154㎜까지 확대했다.

연구팀은 여러 파장의 빛을 이용해 혈액 산소 농도를 계산한 뒤 병원에서 사용하는 산소포화도 측정기와 비교해 측정 정확성도 검증했다.

연구진은 이번 기술이 실제 의료 현장에 적용될 경우 넓은 부위를 한 번에 촬영해 보다 정확한 혈관 정보를 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 특히 혈액순환 상태를 지속적으로 확인해야 하는 당뇨병 환자나 화상·외상 환자의 혈류 회복 상태를 평가하는 데 활용 가능성이 클 것으로 전망했다.

김철홍 POSTECH 교수는 "디지털 제어 기술을 적용해 대면적 광음향·초음파 융합 영상 기술의 상용화를 가로막던 하드웨어 확장성과 시스템 복잡도 문제를 해결했다"고 말했다.

박성식 지멘스 헬시니어스 상무는 "개발 초기부터 POSTECH과 협력해 상용 하드웨어 기반의 차세대 영상 구조를 구현했다"며 "산학 협력을 통해 의료기기 기술의 확장 가능성을 보여준 사례"라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단과 교육부 대학중점연구소사업, 과학기술정보통신부 중견연구사업, 딥사이언스 창업 활성화 지원사업, 바이오의료기술개발사업, 국가연구소(NRL 2.0) 사업, 보건복지부 보건의료기술 연구개발사업, BK21 FOUR 사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

POSTECH Develops 3D Fusion Imaging Technology to Capture Large Blood Vessels in a Single Scan

Domestic researchers have developed medical imaging technology capable of generating 3D images with a single scan, without the need to stitch multiple images together, when photographing blood vessels in large areas such as hands or feet.

POSTECH (Pohang University of Science and Technology) announced that a research team led by Professor Kim Chul-hong from the Department of Electrical Engineering, the Department of IT Convergence, the Department of Mechanical Engineering, and the Graduate School of Convergence Engineering has jointly developed a 3D photoacoustic and ultrasound integrated imaging system capable of capturing large-area regions in a single scan, in collaboration with the Siemens Healthineers ultrasound probe research team.

Participating in the research were Dr. Park Shin-young from the Global Healthcare Biomedical Engineering Research Institute, Sung Min-sik from the Integrated Mechanical Engineering program, and Kim Hyun-hee from the IT Convergence Engineering doctoral program. The research results were published in the international optics journal 'Laser & Photonics Reviews' on the 8th (local time).

Photoacoustic-ultrasound fusion imaging is a diagnostic technology that combines photoacoustic signals generated by blood vessels with ultrasound images to simultaneously verify the condition of blood vessels and the internal structure of the human body. However, there were limitations, such as the need for expensive equipment as the imaging range widens and distortion occurring during the process of combining multiple images.

To address these issues, the research team applied Digital Multiplexing technology, which sequentially controls internal elements of the ultrasound transducer. Instead of driving hundreds of ultrasound elements simultaneously, the system was designed to rapidly control them in specific intervals, thereby reducing hardware complexity and cost burdens while maintaining image quality.

Furthermore, by utilizing an FPGA (Semiconductor-based Programmable Control Chip) to precisely control 768 ultrasound elements, the system was implemented to capture large areas in a single scan without the need to stitch multiple images together as in conventional methods.

In the experiment, imaging was conducted on the palm, back of the hand, forearm, and foot, and microvascular structures were clearly confirmed in 3D images. Unlike conventional ultrasound probes, which used 128 to 192 elements and could only image a width of approximately 38 mm, this new system utilizes 768 elements to expand the imaging range to a maximum of 154 mm.

The research team calculated blood oxygen concentration using light of various wavelengths and verified measurement accuracy by comparing the results with pulse oximeters used in hospitals.

The researchers anticipate that if this technology is applied in actual medical settings, it will be possible to image a wide area at once, thereby securing more accurate vascular information. In particular, they predict significant potential for use in evaluating the recovery of blood flow in patients with diabetes or burns and trauma, who require continuous monitoring of their blood circulation.

Professor Kim Chul-hong of POSTECH stated, "By applying digital control technology, we have resolved the issues of hardware scalability and system complexity that had been hindering the commercialization of large-area photoacoustic-ultrasound fusion imaging technology." Park Sung-sik, Managing Director at Siemens Healthineers, stated, "We collaborated with POSTECH from the early stages of development to realize a next-generation imaging structure based on commercial hardware," adding that "this is an example demonstrating the potential for expanding medical device technology through industry-academia collaboration."

Meanwhile, this research was conducted with support from the National Research Foundation of Korea, the Ministry of Education’s University Research Center Project, the Ministry of Science and ICT’s Mid-Career Researcher Project, the Deep Science Startup Activation Support Project, the Biomedical Technology Development Project, the National Research Center (NRL 2.0) Project, the Ministry of Health and Welfare’s Health and Medical Technology Research and Development Project, and the BK21 FOUR Project.