POST MRI 시대를 위한 3차원 차세대 의료영상기술 개발

Development of Next Medical Imaging System beyond MRI

저자
홍효봉, 신성웅 / 공간정보기술연구실, 박종현 / 융합기술연구소
권호
29권 5호 (통권 149)
논문구분
IT 융합기술 특집
페이지
96-104
발행일자
2014.10.01
DOI
10.22648/ETRI.2014.J.290510
초록
1895년 독일 과학자 Wilhelm Roentgen 박사가 X-ray를 발견하고 미국의 Herman Carr가 MRI(Magnetic Resonance Imaging)의 기본 원리를 개발하여 발표한 이후 전자기장을 이용한 비침습적 의료영상 이미지 시스템은 놀라운 발전을 계속하여 왔다. 하지만, X-ray, CT(Computed Tomography), PET(Positron Emission Tomography)의 경우는 방사능의 사용과 조영제의 독성이라는 문제로 인하여 안전성에 대한 계속적인 문제를 야기해왔고 상대적으로 안전성이 입증된 MRI의 경우는 장비 자체 및 운용비가 일반화되기에는 고가여서 우리나라를 포함한 선진국에서도 아주 제한적으로 운영되고 있는 실정이다. 따라서, 세계적으로도 이러한 문제를 해결하기 위하여 안전하면서도 상대적으로 저렴한 비용으로 운용이 가능한 의료영상장비를 개발하기 위하여 많은 노력들이 경주되고 있어 관련 연구동향 및 산업화 동향을 소개하고자 한다.
   3909 Downloaded 12086 Viewed
목록

I. 서론

우리나라를 포함한 세계 많은 국가들의 사회적 문제 중 하나는 인구의 고령화로 인한 사회적 비용의 급격한 증가이다. 특히 의료분야에서는 환자의 고통을 최소한으로 줄이고 질병을 선제적으로 예방하기 위하여 의료기술이나 의료장비 개발에 많은 투자와 연구가 광범위하게 이루어지고 있다. 특히, 의료영상분야는 고품질의 의료서비스를 제공하기 위해서 가장 기본적이면서 필수적인 기술분야일뿐만 아니라 전체 의료기 시장 중에서 최고의 부가가치를 가지고 있어 타산업에 미치는 영향이 매우 지대해 기술선진국이라고 할 수 있는 미국, EU, 일본 등에서는 개발에 국가적인 지원이 지속적으로 이루어지고 있는 분야이기도 하다. 미국의 경우에도 세계 최대의 바이오/의료 연구 기관인 NIH(National Institute Health) 산하에 National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering 연구소를 포함한 공립연구소와 대학연구소를 중심으로 광범위한 연구가 진행되고 있고 X-ray를 포함한 최첨단 기술을 개발하고 있는 중이다. 일본의 경우도 일본이화학연구소와 AIST(Advanced Industrial Science and Technology)에서 전문 연구그룹을 결성하여 관련 분야에서 많은 연구성과를 얻고 있다. 유럽의 경우는 ESPRI(European Strategy Forum on Research Infrastructure)의 중요 연구 부분으로 Euro-Bioimaging project를 통해 권내 주요 국가들이 공통으로 연구에 참여하고 있다. 특히, 유럽의 경우는 기존의 의료영상분야의에 대한 원천기술을 확보하고 있는 회사 및 연구소가 산재해 있어 기초 원천뿐만 아니라 산업회에서도 강력한 포트폴리오를 형성하고 있다. 하지만, 국내의 상황은 현재까지는 만족할 만한 수준이라고는 할 수 없다. 국가에서도 정책적으로 관련 분야에 대한 지원을 확대해왔지만 현재 까지는 두드러지는 성과가 창출되지 않고 있고 최근 대기업의 진입으로 희망이 보이기는 했으나 여전히 기존 사업군의 확장 정도에 머무르고 있다.

따라서, 본고에서는 현재까지 의료영상 관련 분야에서 중요한 부분을 차지하고 있는 기술들과 차세대 시장 선점에 대한 기업들과 연구소들의 기술동향을 소개하고 관련 분야 발전을 위한 방향성 제시에 대한 초석을 제공하고자 한다.

II. 기존 의료영상기기 개발

1. X-ray와 MRI

인류 역사상 처음 개발되었고 현재도 광범위하게 사용되는 X-ray는 독일 Wurzburg대학의 물리학과 교수로 재직 중이던 뢴트겐 박사에 의해 처음 발견되었다. X-ray는 물리학적인 원리 자체가 발견된 이후 최단기간 안에 응용이 된 사례 중에 하나인데 실제 뢴트겐 박사가 원리를 발명한지 1년 이후에 독일 각지에서 X-ray를 이용하여 수술 없이 인체 내부의 다양한 모습들을 촬영하기 시작하였다. 이후 X-ray는 인류 역사상 의료분야에서 가장 많은 공헌을 한 장비로 기록되었고 현재까지도 가장 많이 사용되는 의료영상장비중의 하나이다. 하지만, 초기에 방사선 사용에 대한 위험성이 충분히 연구되지 않았을 때는 문제가 되지 않던 안전성이 문제가 되면서 새로운 의료영상장비의 개발이 시급한 화두로 대두되고 있었다.

현재 인류가 개발한 최고의 의료영상장비로 손꼽히는 MRI(Magnetic Resonance Imaging)의 시작은 실제 전혀 엉뚱한 곳에서 시작되었다. MRI의 모태라고 할 수 있는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance)은 미국 콜롬비아 대학의 물리학과 교수로 재직 중이던 Isaac Rabi교수의 핵 공명 현상에 대한 원리를 기반으로 하여 화학 분석장비로 몇몇 과학자들에 의해 개발되었다. 하지만, 1950년대까지만 하더라도 이 장비를 이용하여 인체의 내부 영상을 얻을 수 있으리라고 생각하는 사람은 거의 없었다. 하버드 대학의 박사과정 학생이었던 Herman Y. Carr가 처음으로 NMR의 원리와 magnetic gradient field라는 기법을 이용하여 인체의 내부 영상을 획득할 수 있음을 이론적으로 증명하였는데 X-ray와는 달리 MRI가 상용화되는 데는 그 이후에도 20년이라는 세월이 더 필요했다.

이러한 장비를 처음으로 상용화하기 위해 연구를 시작한 회사는 GE이다. 1970년대 GE는 이 장비의 사업화를 하기 위해 John Mallard를 팀장으로 하는 연구팀을 만들었고 1980년데 되어서야 첫 번째로 임상에 적용한 사례를 만들었다. 그 이후에도 MRI는 X-ray와는 달리 소규모 병원까지는 널리 퍼지지는 못하였고 주로 선진국의 중대형병원을 중심으로 보급되기 시작하였는데 이는 장비 자체도 매우 고가이기도 하지만 MRI를 설치 하기 위해서는 별도의 시설을 추가적으로 건설해야 한다는 이유가 컸다.

따라서, 이런 문제를 해결하기 위하여 X-ray와 MRI의 장점을 살리고 단점을 최대한 보완하기 위한 기술은 계속 개발되어 왔다((그림 1) 참조).

(그림 1)

의료영상장비 개발 역사

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f001.jpg

2. CT와 PET

X-ray와 MRI를 대체할 수 있는 장비는 현재까지 CT(Computed Tomography), 초음파, PET 등이 가장 대표적이라고 할 수 있다. 하지만, 본고에서는 전자기파가 아닌 초음파는 별개의 원리를 이용한 장비이므로 논의하지 않을 것이다.

흔히 CT라고 알려진 의료영상장비의 정확한 명칭은 X-ray CT(X-ray computed tomography-이하 CT)이다. CT는 MRI가 가지고 있는 2차원 또는 3차원의 영상을 만들 수 있는 능력과 X-ray가 가지고 있는 간편성을 결합한 장비라고 할 수 있다((그림 2) 참조)[1].

(그림 2)

X-ray CT의 기본 모식도[1]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f002.jpg

영상을 확보할 수 있는 물리학적 원리 자체는 X-ray와 동일하지만 영상을 획득하는 데는 오스트리아의 수학자 Jonan Radon의 변환 공식이 결정적인 역할을 하였다. 흔히 라돈-변환식이라고 알려진 수학적 공식과 영상 처리에서 많이 사용되는 선형대수방정식의 비약적 발전이 없었다면 현재까지도 CT는 존재하지 않았을 것이라 할 정도로 CT의 발전에는 수학의 발전이 그 궤를 같이 한다고 할 수 있다.

CT는 MRI가 보편화되기 전에 인체의 3차원 영상 확보라는 측면에서는 거의 독보적인 존재였다. 하지만, CT의 경우도 X-ray를 기반으로 하고 있기 때문에 안전성 측면에서 계속적인 논란이 있어 왔고 저선량이기는 하지만 계속적인 피폭은 건강에 상당한 영향을 줄 수 있어 세계적으로도 측정 횟수는 엄격히 제한되고 있다.

PET(Positron Emission Tomography)는 기본적으로는 방사선 동위원소를 사용하는 핵의료영상장비의 일종이다. X-ray가 외부에서 방사선을 쪼여 투과 정도에 따라 영상을 만드는 것이라면 PET는 방사선 동위원소를 몸 안에 주입하여 이때 방출되는 방사선을 이용하여 병변의 정확한 위치를 파악하는 것이 기본 원리이다((그림 3) 참조)[2].

(그림 3)

PET 영상 확보 기본 개념도[2]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f003.jpg

일반적으로 이러한 방사선 물질은 우리 생체가 필요로 하는 물질을 기반으로 하여 제작되는데 가장 널리 알려진 물질로는 포도당의 탄소를 불화시킨 불화디옥시포도당으로 암의 추적에 많이 사용되고 있다. X-ray와 MRI가 생체 내부의 형태를 측정하는데 주안점을 두고 있다면 PET는 생화학 변화를 추적할 수 있는 영상기법으로 많이 사용되고 있다. F-MRI(Function MRI)의 경우도 특정 부위의 산소 농도 변화를 감지하여 간접적으로 병의 원인을 파악할 수 있는 장비로 사용되고 있으나 장비 자체가 현재 일반 대형병원들이 설치하기에도 상당한 고가라, 아주 제한적으로만 사용되고 있어 암의 추적이나 뇌질환 등의 질병 진단에 PET는 현재까지도 상당한 기여를 하고 있다. 하지만, PET의 경우도 방사능 물질의 사용이라는 측면에서 사용이 엄격히 제한되고 있고 트레이서라고 알려진 의료용 방사선 동위원소의 종류가 많지 않아 제한된 범위 안에서 사용되고 있다.

III. 차세대 의료영상기술 개발동향

지금까지 살펴본 바와 같이 현재까지 개발된 의료영상장비들은 인류의 의료발전에 엄청난 공헌을 하였고 현재도 꾸준히 성능 개선과 안전성 확보를 위한 연구가 계속되고 있다. 또한, 기존 장비의 개선이 아닌 또 다른 방향에서 새로운 원리를 이용하여 기존의 의료영상 장비가 가지고 있는 장점을 극대화하고 부작용을 최소화하기 위한 연구도 세계적으로 진행되고 있다.

1. Hybrid 의료영상 장비의 개발

앞서 소개 한 바와 같이 현재까지 개발된 장비는 모두 장점과 단점이 공유한다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여 기존의 장비를 하나의 새로운 system으로 묶는 노력은 꾸준히 계속되어 왔는데 현재까지 가장 대표적으로 상용화된 장비는 CT와 PET를 한꺼번에 묶은 CT-PET 장비가 대표적이라고 할 수 있다. PET의 매우 정밀한 병변 확인 능력에 입체 영상을 만들 수 있는 CT의 기술을 결합하여 3차원에서 정확한 병변의 위치를 찾을 수 있는 system이라고 할 수 있다. CT-PET가 PET의 신호 확보 능력과 CT라는 3차원 영상 능력의 결합이라면 PET와 MRI의 결합은 기능적인 면에서의 결합이라고 할 수 있다. MRI의 형태학적인 측면에서의 영상과 PET의 기능적인 측면을 묶은 장비로써 정확한 영상과 병의 원인이 되는 생화학적 원인을 동시에 측정 측정하는 장점으로 인해 개발이 집중되고 있다. 현재 국내에서는 가천대학교 뇌과학연구원에 7.0 Tesla의 MRI와 초고해상도 PET가 결합된 PET-MRI system이 설치되어 있다. 이 장치는 기존의 1.0~3.0 Tesla급의 MRI가 보여 주지 못한 다양한 영상자료를 확보하여 보여주고 있고 주로 초고해상도 뇌영상 촬영에 사용되고 있다.

2. Non-radiation 의료영상장비의 개발현황

현재까지 개발된 의료장비는 측정하고자 하는 물리/화학적 원리를 기반으로 나눈다면 고에너지 방사선 기반의 X-Ray와 PET 그리고 핵자기공명을 기반으로 하는 MRI로 크게 나눌 수 있다. 사실 이 구도는 지금까지도 매우 공고해서 X-ray가 개발된 지 100년이 넘었고 MRI가 사용된 지 반세기가 가까운 이 상황에서도 거의 변함이 없다고 할 수 있다. 하지만, 지금 의료시장에 상용화되어 출시되지는 않았지만 X-ray와 MRI의 단점을 극복할 수 있는 영상장비의 개발이 세계적으로 가속화되고 있다. 현재까지 개발되고 있는 기술 중 전자기장을 기반으로 하는 장비는 모두 물질의 자성특성을 측정하는 것이 기본 원리라고 할 수 있다. 이중, SQUID(Superconducting Quantum Interference Device)는 1962년에 발표된 Josephson 효과를 이론적 바탕으로 하여 개발된 자성 측정 소자이다. SQUID는 atto Tesla(~10−18T) 즉, 지구 자기장의 수십억분의 1에 해당하는 자기장도 측정할 수 있을 정도로 매우 민감한 소자이다. DC-SQUID와 RF-SQUID로 두 가지 종류로 나누어지는데 생산 측면에서는 RF-SQUID가 저렴하기 때문에 많이 사용되고 있으나 감도 측면에서는 DC-SQUID가 훨씬 더 강점을 가지고 있어 연구용 또는 의료영상분야에서 연구되고 있다. SQUID를 기반으로 하는 장비는 인간에게 유해할 수도 있는 고전자기장이나 고주파 기반이 아니라 오로지 신체 내 자성 특정의 변화를 센서의 민감도에 의지하여 측정하는 것이므로 이론적으로는 가장 안전한 방식의 측정장비라고 할 수 있다. 따라서, 산모에게까지 응용될 정도 안전성을 확보되고 있으나 Probe 자체가 너무 커서 정밀한 의료영상을 얻는 일은 매우 힘들다고 할 수 있다((그림 4) 참조).

(그림 4)

SQUIDS를 이용한 심전도 기본 개념과 측정 사진[8]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f004.jpg

따라서, 현재는 32~64 Channel SQUID를 이용하여 뇌 연구 또는 심장 질환 진단에 사용하고자 하는 노력이 진행되고 있다. 국내에서는 한국표준학연구원이 64 channel SQUID를 개발하여 뇌 과학 연구에 이용하고 있다. 또한, SQUID는 MRI의 크기를 소형화하는 연구에도 많이 이용되고 있다. 원리는 대형 Coil을 이용한 고자기장으로 고해상도의 의료영상을 확보하는 대신SQUID를 이용하여 수신부의 감도를 증가시켜 고해상도의 영상을 얻는 것이다.

자성의 특성을 기반으로 하는 의료영상 장비 중 POST MRI에 기술적으로 가장 근접한 분야는 MPI(Magnetic Particle Imaging) system이다.

지금까지 개발된 MPI 기술은 기존의 MRI가 가지고 있는 물리학적 원리와는 상당한 차이가 있다. 실제 MPI자체는 자성 입자 분석 이미지 시스템이라는 의미를 가지고 있지만 이 기술은 입자에 국한되지 않고 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.

MPI 기술에 사용되는 기초 이론은 프랑스 과학자 Paul Langevin이 제안한 Langevin equation에 기초한다. 실제 이 이론은 브라운 운동을 설명하기 하기 위해 제안된 이론으로 실제 Langevin은 이 이론이 의료영상을 획득하는데 사용될 줄은 아마 상상하지 못하였을 것이다.

MPI의 기본 개념은 두 가지의 물리학적 특성에 기초를 두고 있는데 첫 번째는 특정(초상자성 또는 특별한 상황에서의 상자성) 자성 물질은 비선형적인 자성 특성을 가진 다는 것이다. 우리 신체를 이루고 있는 대부분은 물질과 탄소 기반의 화합물은 자성을 띠지 않고 약간 밀어내는 반자성 물질이다. 그리고, 철과 같은 자성 물질은 자석이 되면 일정시간 자력을 띠려고 한다. 하지만, 초상자성 물질은 일반적인 자성체가 일정한 크기(보통 50nm~100nm) 이하로 크기가 줄어들면 자석이 옆에 있는 경우에만 자성을 가지게 되는데 이때 초상자성 물질은 비선형적인 자성 특성을 가지게 된다((그림 5) 참조).

(그림 5)

초상자성 물질의 비선형적 특징

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f005.jpg

두 번째는 멕스웰 자석 안에서는 FFP(Field Free Point) 또는 FFL(Field Free Line)이 발생한다는 것이다. 하지만, 실제 이 개념이 의료영상 장비에 응용되는 데에는 많은 시간이 필요했다. 기본 물리학적인 개념들은 20세기 초반에 나왔지만 실제 의료영상에 대한 적용은 2001년 독일 함부르크에 위치한 Royal Philips Research Lab의 과학자들이 처음 시도를 하였고 2005년에서야 그때까지의 연구결과를 모아서 Nature에 발표함으로써 세계적인 주목을 받게 되었다((그림 6) 참조)[3].

(그림 6)

자성 입자의 비선형반응을 이용한 MPI의 개념도[3]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f006.jpg

현재까지의 연구결과에 따르면 MPI를 사용할 경우 기존의 MRI가 일반적으로는 달성할 수 없는 고해상도의 0.4 cm해상도의 영상 확보가 가능하며 전자기적으로 FFP와 FFL을 이동시키면 수십 ms 안에 영상 확보가 가능하다는 장점이 있다(<표 1> 참조). 또한, 조영제로 사용되는 자성 입자에 다양한 종류의 항원-항체를 결합하면 비방사선이면서 PET에서 확보할 수 있는 유사한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

<표 1>

의료영상 성능 비교

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_t001.jpg

이후 MPI의 여러 가지 장점들이 널리 알려짐에 따라 몇몇 연구 그룹들이 조금씩 변형된 형태의 장비를 소개하고 관련 실험결과를 발표하기 시작하였다.

관련 분야에서 가장 선도적으로 연구를 진행하고 있는 연구소는 유럽의 경우는 원조라고 할 수 있는 Royal Philips Research Laboratory와 Leubeck 대학이 FFL과 FFP를 이용한 영상화분야에서는 가장 많은 연구결과를 도출하고 있고 독일의 Helmholtz 연구소는 다양한 물리학적 이론을 기반으로 하여 차세대 의료영상장비를 개발하고 있다. 상용화에도 이 분야는 EU의 회사들이 가장 앞서 있다고 할 수 있는데 지금으로써는 실험용 소형 동물 정도를 측정할 수 있는 크기이지만 세계 최초로 독일의 세계적 연구장비 생산업체가 Philips와 공동으로 2013년 proto type의 MPI 장비를 출시하기도 하였다.

미국의 경우는 버클리대학(Berkeley Imaging System Laboratory)이 가장 활발한 연구활동을 하고 있는데 현재 X-space라는 project를 진행하고 있다((그림 7) 참조). 현재 이 그룹에서는 MRI로는 촬영이 매우 어려운 미세 혈관까지도 실시간으로 영상 확보가 가능한 기술과 새로운 개념의 3차원 영상 확보 알고리즘을 개발하고 있다[4].

(그림 7)

버클리대학에서 개발 중인 MPI의 개념도[4]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f007.jpg

국내에서는 ETRI가 가장 활발한 연구를 진행하고 있다. 현재 국내에서 개발되고 있는 기술은 상기 연구 그룹과 물리학적인 원리 자체는 유사하지만 실제 신호를 얻는 분야에서는 매우 상이한 기술을 개발하고 있다. 상기 연구그룹들은 신호의 발생과 획득을 위해서 불가피하게 상당한 출력의 고자기장에 의존할 수 밖에 없는 상황이다. MRI에 비해서는 아주 작은(수십~수백분의 일) 자기장 발생 장치를 사용하기는 하지만 사람의 영상을 측정하기 위해서는 장비가 자체가 MRI 수준으로 커져야만 되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 ETRI 연구진은 FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술을 사용하고 있다. 물리학적인 원리 자체는 다른 의료영상장비와 비교하여 최근이라고 할 수 있는 1970년대 Paoli가 제안한 원리를 이용하고 있다. 이러한 기술이 신호가 특정 위치에서의 초상자성 물질을 분석할 수 있음을 보여주는 시험결과는 독일 헬름홀즈연구소의 연구원들이 2006년 실험결과를 발표함으로써 초상자성 연구에 사용되어 왔다.

이러한 물리학적 법칙을 이용하여 ETRI의 연구진들은 이러한 물리학적 법칙과 원리가 초상자성 물질 뿐만 아니라 공간적으로 밀집된 상자성 물질에도 적용될 수 있음을 보여주었다[5]. ETRI 연구진들이 사용한 상자성 물질은 현재 여러 가지 질병의 원인이 된다고 알려진 활성산소를 인공적으로 발생시켜 FMMD 기술을 이용하여 자성물질인 활성산소를 측정할 수 있음이 증명되었다. 또한, 나노 자성 입자를 이용하여 2차원 평면에서 입자의 위치를 분석하고 mm 단위의 분해능으로 영상을 확보하였다((그림 8) 참조)[6].

(그림 8)

FMMD를 이용한 초상자성 시료의 영상화[6]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f008.jpg

상기 연구는 MPI 기술이 단순히 자성 입자를 조영제로 이용한 의료영상 확보를 넘어서 다양한 질병의 원인이 되는 활성산소까지도 측정하여 영상화할 수 있음을 보여준 연구결과이다.

관련 분야에서 상용화에 가장 앞서 연구하고 있는 독일의 경우 분석 장비 제작 분야에서 세계 최고의 회사로 꼽히는 Bruker가 Philips와 합작으로 관련 장비를 제작하여 전시회를 열고 이를 발표하였다((그림 9) 참조). Philips가 개발한 원리 자체는 변함 없으나 장비 자체를 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 단순화시켰고 소프트웨어 등을 업그레이드하여 정량 신호뿐만 아니라 이미지까지도 바로 얻을 수 있게끔 한 것이 특징이라고 할 수 있다. 하지만, 아직까지도 기존의 MRI와 거의 동등한 수준의 공간을 차지함에도 불구 하고 실험용 쥐나 조직 정도의 소형 시료에서만 영상을 확보할 수 있는 수준이다.

(그림 9)

독일의 Bruker사가 발표한 MPI 장비[7]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f009.jpg

IV. 결론

의료영상장비의 개발은 X-ray에서 시작하여 상용화된 장비 중 가장 최첨단이라고 할 수 있는 F-MRI까지 100여 년의 긴 역사를 가지고 발전을 거듭해왔다. X-ray가 가지고 있는 단점을 보완하기 위하여 MRI나 PET가 개발되었고 현재는 MRI가 가지고 있는 한계나 단점을 보완하기 위하여 또 다른 연구가 진행되고 있는 중이다.

산업적으로 의료영상 관련 분야는 글로벌 전기, 전자통신회사의 치열한 각축장이다. 지금 세계의 의료영상분야를 지배하고 있는 회사는 독일의 SIEMENS, 미국의 GE, 네덜란드의 Philips 그리고 일본의 HITACH 등이다. 최근에는 마이크로소프트나 Google 같은 회사도 소프트웨어분야에서 의료영상분야에 대한 적극적인 연구를 진행하고 있다.

그렇다면, 이러한 전기, 전자, 통신, 소프트웨어의 글로벌 기업들이 이 분야에 적극적으로 뛰어들었고 현재도 끊임없는 혁신을 주도하고 있는 이유는 무엇일까?

X-ray에서 시작된 의료영상장비의 개발은 관련 원리와 기술이 개발될 때마다 학술적으로나 산업적으로 매우 영향력이 큰 분야이다. 최종 수요처가 의료, 바이오 및 화학과 같은 기초 분야이기는 하지만 의료영상장비 개발분야는 고도로 발달된 수학, 물리, 전자, 기계, 통신 등의 융합연구분야이고 상기 언급한 분야 전체를 아우를 수 있는 기술을 확보하지 못할 경우는 시도 조차 하기 어려운 분야이기도 하다. 따라서, 의료영상장비 개발은 기술적인 진입장벽이 매우 높은 분야라서 한번 시장 지배자가 될 경우에는 거의 경쟁이 없는 분야이기도 하다.

우리나라는 1970년대에 MRI 개발을 성공했고 PET 및 PET-MRI의 개발을 주도했을 정도로 우수한 연구인력과 세계적으로도 경쟁력을 인정 받고 있는 전기, 전자, 통신분야의 최강국 중 하나이다. 하지만, 현재는 초음파 및 X-ray를 제외한 대부분의 의료영상장비를 외국에서 수입하고 있는 실정이고 또한 기존의 장비개발마저 중국과 같은 신흥 개발도상국에 밀릴 상황에 처해 있다. 의료영상장비의 개발은 단순히 신체 일부분의 사진을 확보하는 것이 전부가 아니다. 관련 융합기술을 개발하면서 수많은 고급기술 및 산업의 발전을 동시에 이끌 수 있는 분야이기도 하다. 따라서, 의료영상장비산업의 개발은 국가가 이끌어 나아가야만 하는 중요한 차세대 산업이며, 중장기적인 안목으로 육성·발전시켜야 하는 산업이라는 인식이 확대되어 지원의 확대로 이어져야 할 필요가 있다.

용어해설

SQUID(초전도 양자 간섭 장치) 조셉슨 접합을 포함하는 초전도 루프를 이용하여 매우 작은 자기장 측정에 사용됨. 신체 내에서 발생하는 자기장의 변화도 감지 가능함.

Tesla 자기장의 CGS 국제 단위계로 1Gauss의 10,000

Josephson 효과 초전도체와초전도체 사이에 극히 얇은 부도체를 넣어도 전류가 흐르는 현상

RF-SQUID 1개의 Josephson 소자를 포함하며 RF로 구동

DC-SQUID 2개의 Josephson 소자를 포함하며 DC로 구동

MPI(Magnetic Particle Imaging) 초상자성의 나노 입자를 이용하여 고해상도의 의료영상 이미지를 확보하는 기술

FFL(Field Free Line)/FFP(Field Free Point) 동일한 자석의 극끼리 마주 보고 있을 때 발생되는 field free 지역

FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 2 종류의 상이한 전자기파(주파수 대역이 틀린)를 이용하여 초상자성 물질(Superparamagnetic)을 분석하는 기술

약어 정리

AIST

Advanced Industrial Science and Technology

CT

Computed Tomography

ESPRI

European Strategy Forum on Research Infrastructure

FFL

Field Free Line

FFP

Field Free Point

FMMD

Frequency Mixing Magnetic Detection

F-MRI

Function MRI

MPI

Magnetic Particle Imaging

MRI

Magnetic Resonance Imaging

NIH

National Institute Health

NMR

Nuclear Magnetic Resonance

PET

Positron Emission Tomography

SQUID

Superconducting Quantum Interfaces Device

[1] 

American Physical Society, CT Scans, http://www.physicscentral.com/explore/action/scans.cfm

[2] 

What is nuclear medicine? PET, http://www.whatisnu clearmedicine.com

[3] 

B. Gleich and J. Weizennecker, “Tomographic imagingusing the nonlinear response of magnetic particles,” Nature, vol. 435, 2005, pp. 1214-1217.

[4] 

P.W. Goodwill et al., “X-Space MPI: Magnetic Nanoparticles for safe medical imaging,” Adv. Mater., vol. 24, 2012, pp. 3870-3877.

[5] 

H.B. Hong et al., “In situ analysis of free radicals from the photodecomposition of hydrogen peroxide using a frequency mixing magnetic detector,” Applied Physics Lett., vol. 101, 2012, pp. 054105-8.

[6] 

H.B. Hong et al., “Magnetic particle imaging with a planar frequency mixing magnetic detection scanner,” Review of Scientific Instruments, vol. 85, 2014, pp. 013705-5.

[7] 

Bruker, Bruker announces the World's first preclinical MPI system, http://www.bruker.com/news-records/single-view/article/bruker-announces-the-worlds-first-preclinical-magnetic-particle-imaging-mpisystem.html

[8] 

http://www.fz-juelich.de/pgi/pgi-8/EN/Research/02-MagneticFieldSensor/02-4-agnetocardiography/03-FetalMagnetocardiography_artikel.html?nn=805348

(그림 1)

의료영상장비 개발 역사

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f001.jpg
(그림 2)

X-ray CT의 기본 모식도[1]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f002.jpg
(그림 3)

PET 영상 확보 기본 개념도[2]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f003.jpg
(그림 4)

SQUIDS를 이용한 심전도 기본 개념과 측정 사진[8]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f004.jpg
(그림 5)

초상자성 물질의 비선형적 특징

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f005.jpg
(그림 6)

자성 입자의 비선형반응을 이용한 MPI의 개념도[3]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f006.jpg
(그림 7)

버클리대학에서 개발 중인 MPI의 개념도[4]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f007.jpg
(그림 8)

FMMD를 이용한 초상자성 시료의 영상화[6]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f008.jpg
(그림 9)

독일의 Bruker사가 발표한 MPI 장비[7]

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_f009.jpg
<표 1>

의료영상 성능 비교

images/2014/v29n5/ETRI_J003_2014_v29n5_96_t001.jpg
Sign Up
전자통신동향분석 이메일 전자저널 구독을 원하시는 경우 정확한 이메일 주소를 입력하시기 바랍니다.