새로운 항암 치료 시장을 선도하다
- 심혈관 진단/치료 가이드용 기능성 융합미세영상기기 개발 -
전 세계 주요 사망원인 중 하나인 심혈관 질환은 국제 사망률 1위, 국내 사망률 2위를 차지하고 있는 고위험요인입니다. 이를 예방하기 위한 정확한 진단의 중요성이 높아지고 있으나, CT 및 MRI와 같은 인체 내부의 영상을 얻을 수 있는 초고성능 영상 기술로도 혈관 내부의 미세한 병변을 판단하는 것이 어려워 새로운 진단기기를 개발하기 위한 연구가 필요한 상황입니다.
심혈관 질환 영상 획득의 한계
심혈관 질환의 예방을 위한 진단의 중요성이 높아지는 가운데, 급성관상동맥질환과 같은 치명적 심혈관 질환의 주요 원인으로 주목받고 있는 취약동맥경화반(vulnerableatherosclerotic plaque)의 구조적, 기능적 영상을 획득할 수 있는 영상기술의 개발이 시급한 상황입니다. 일반적으로 혈관내 동맥경화의 정도를 판단하기 위해서는 혈관내부에 들어갈 수 있는 미세한 카테터를 사용하는 혈관내 초음파(N-US, Intravascular Ultrasound) 혹은 혈관내 광간섭 단층촬영(IN-OCT, Intravascular Optical Coherence Tomograply)와 같은 영상 획득 시스템을 통해 병변의 심각성을 판단해왔습니다. 그러나 정확한 판단을 위해 카테터를 여러번 삽입하고 측정하는 과정에서 획득된 각 이미지의 불일치와 합병증의 위험성으로 인해 급성심근경색과 같은 응급질환에서는 널리 쓰이지 못했습니다.
또한 영상 획득 방법의 한계로 고위험도 취약성 동맥경화반의 조직학적 특성도 판별이 어려워 급성관상동맥질환의 조기진단 및 예방도 어렵다는 한계가 있습니다. 혈관내 초음파 카테터의 경우 영상 깊이가 깊고 혈관 구조 영상 확인에 좋아 의료현장에서 많이 쓰이는 측정 방식이나, 해상도가 떨어지고 성분분석이 되지 않는 단점이 있어요. 최근 연구되는 혈관내 광간섭 단층촬영의 경우 높은 해상도를 가지고 있지만, 영상의 투과 깊이가 낮아 혈관의 일부 층만 볼 수 있다는 단점이 있고요.
새로운개념의 심혈과 진단기기가 필요하다
최근 연구결과로는 심근경색의 주원인으로 새롭게 지목된 고위험도 취약성 동맥경화반의 얇은 섬유막 두께(65m)를 현 주파수 영역대의 혈관내 초음파 해상도를 가지고서는 진단하기 어려움이 있고, 현재 동맥경화반의 조직적 특성을 보는 기능영상을 위해 근적외선 분광분석법(NIRS, Near-InfraRed Spectroscopy)이 개발되었으나 공간해상도와 감도 등이 낮고 조직 투과 깊이가 얕아 혈관벽 전체에 걸쳐 싹인 지질의 안쪽 핵(리피드 코어) 성분을 분석할 수 없다는 단점이 있습니다. 이는 최근에 개발된 광음향 초음파(V-PAUS)를 이용하면 근적외선 분광분석법이 가지는 투과 깊이 및 감도의 한계를 해결할 수 있지만, 여전히 광단층 영상기기에 비해 공간해상도는 낮습니다.
이를 해결하기 위해 각각의 카테터의 단점 보완 및 장점을 살릴 수 있도록 혈관의 구조를 영상화하기 위한 고주파수 혈관내 초음파, 얇은 섬유막 두께 및 스텐트 치료전/후의 진단을 광단층영상 시스템, 동맥경화반 분석을 위한 광음향기술이 접목된 새로운 개념의 융합형 카테터 및 미세의료영상기기를 제공할 계획입니다. 의료현장에서 심혈관의 내부 구조영상 뿐만 아니라 혈관 섬유화, 동맥경화반 파열 예측과 같은 기능영상까지도 제공할 수 있는 새로운 개념의 심혈관 진단기기를 개발하려는 것이죠.
핵심기술 및 주요 연구내용
압전소자를 이용하여 전기 에너지를 기계적 에너지로 혹은 그 반대로 전환하는 장치인 초음파 트랜스듀서의 최적화된 설계기술 및 제작기술을 통해 기존 대비 고해상도의 영상을 얻을 수 있는 초소형 고주파수(80MHz) 초음파 트랜스듀서 개발이 이루어지고 있고요. 현재 혈관내 초음파 신호를 획득하기 위한 프론트 엔드 시판 제품이 적고 성능이 좋지 않으므로 적합한 고주파 초음파 프론트 엔드 시스템이 개발된다면 초음파 시장에서의 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다.
또한 고속으로 혈관내 영상을 얻기 위해서는 회전 도중 전선이 꼬여 파손되지 않도록 하는 일렉트릭 슬립 링(Electric Slip ring)을 이용한 회전 및 풀백 스캐닝 시스템과 광섬유의 회전으로 인한 파손을 방지하는 비접촉식 광 전달 부품인 로터리 조인트(ROtary Joint)를 이용한 회전 시스템 개발이 요구됨에 따라, 이 둘을 융합하여 보다 빠르고 효율적인 고속 스캐닝 시스템을 개발할 계획입니다. 또한 시스템 규모를 최소화할 수 있는 최적화된 광 경로를 설계, 레이저 출력 손실을 최소화하는 동시에 고해상도의 영상을 얻을 수 있도록 맞춤형 광 부품을 개발하여 정밀 광 전달 시스템 개발 또한 목표로 삼고 있습니다.
또한 65㎝보다 얇은 섬유막을 진단하기 위해 1310nm 대역의 파장변조광원을 사용해 섬유막 두께를 구분할 수 있는 고 분해능 시스템 개발 및 광단층영 카테터와 결합하여 혈광영상이미지를 구현하는 SW의 개발으로 2D/3D 이미지를 구현할 것입니다. 또한 초소형 광학계를 사용하여 판별 정확도를 높이고 고해상도로 영상화할 수 있도록 중심주파수를 높여 다른 영상방식과 결합한 초소형 카테터를 개발, 기존보다 정확한 혈관 내 영상이 가능한 융합형 카테터가 제작될 것입니다. 이를 이용한 광음향 영상 기술은 융합형카테터의 구조적인 변화 없이 OCT에 사용되는 광섬유와 MUS 초음파 트랜스듀서를 이용하여 광음향 신호를 검출할 수 있습니다.
기대효과 및 파급효과
기술적 측면
보다 깊은 범위를 볼 수 있는 MUS, 높은 해상도를 가진 OCT, 기능영상을 얻을 수 있는 PAT의 융합을 통해 각 영상방법의 장점만을 취해올 수 있으며, 하나의 카테터를 통해 다중 영상을 얻을 수 있기 때문에 구조적, 기능적 정보를 동시에 얻을 수 있습니다.
경제, 산업적 측면
현재 국내에서 상용화된 혈관내 영상 시스템이 없기 때문에 100% 수입에 의존하고 있는 실정이나, 본 연구과제를 통해 국산화를 기대할 수 있습니다.
시사점
▶ 전문시장 분석기관 Allied Market Research에 따르면, 국제 카테터 시장 규모는 매년 7.5%의 성장률로 5년 내 약 50조 원에 이를 것으로 예측됩니다. 국내의 경우, 초음파 영상 진단장치 수준은 국제적으로 상위권이나 심혈관 질환 카테터 제품이 전무하여 해외 수입에 의존하고 있는 상황입니다.
▶ 현재 카테터 시장은 의료기기 시장 내에서 범세계적으로 많은 연구개발 및 투자가 진행되고 있으며, 출원수와 출원인 수가 빠르게 증가하는 성장 단계에 도래했다는 것으로 판단, 시장 규모는 앞으로 더욱 커질 것으로 예상됩니다.
출처 : KEIT PD 이슈리포트
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