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치매 정복의 열쇠, PET-MRI 국산화 시대 열린다!
- 순수 국내기술로 PET-MRI 동시 영상 시스템 상용화기술 개발 -- KAIST, 나노종합기술원, 서강대, 서울대병원 융합연구 쾌거 -
수입에만 의존하던 최첨단 의료영상기기 분야에서 국산화에 대한 기대감이 높아지고 있다.
우리 학교 원자력및양자공학과 조규성 교수가 총괄책임을 맡고 있는 3개 대학 공동연구팀은(KAIST, 서강대, 서울대) KAIST 부설기관인 나노종합기술원(원장 이재영)과 함께 순수 국내기술로 PET-MRI 동시영상 시스템을 개발하고 이 시스템을 이용해 자원자 3명의 뇌 영상을 획득하는데 성공했다.
PET-MRI는 인체의 해부학적 영상을 보는 자기공명영상기기(MRI, Magnetic Resonance Imaging)와 세포활동과 대사상태를 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET, Positron Emission Tomography)의 장점이 융합된 최첨단 의료영상기기다. 신체 내 해부학적 정보와 기능적 정보를 동시에 확인할 수 있기 때문에 종양은 물론 치매의 정밀한 조기 진단이 가능하고 신약 개발과 같은 생명과학연구에서도 필수적인 장치다.
기존의 장비는 MRI에서 발생되는 강한 자기장의 영향으로 인해 PET과 MRI 영상을 각각 찍은 후 결합하는 분리형 방식을 주로 사용해 왔다. 이 때문에 촬영시간이 길어지고 환자의 움직임으로 인한 오차가 발생해 두 기기의 영상을 동시에 측정하는 기술이 필요해 자기장내에서 동작되는 PET 개발이 절실했다.
연구팀이 국내 최초로 개발한 일체형 PET-MRI의 핵심 기술은 크게 △자기장 간섭이 없는 PET 검출기 기술 △PET-MRI 융합시스템 기술 △PET-MRI 영상 처리 기술로 나뉜다.
PET 검출기는 전체 시스템 가격의 절반을 차지할 정도로 비싸고 가장 핵심적인 요소다. 조 교수와 나노종합기술원 설우석 박사 연구팀은 강한 자기장 내에서 사용 가능한 실리콘 광증배센서(방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭) 개발에 성공했다. 개발된 센서는 반도체 공정을 최적화해 95% 이상의 높은 양산성과 10%대의 감마선 에너지 분해능을 확보해 글로벌 경쟁력을 갖췄다.
서강대 전자공학과 최용 교수는 신개념 전하신호전송방법과 영상위치판별회로를 적용한 최첨단 PET 시스템을 개발했다. 연구결과는 창의성 및 우수성을 인정받아 지난 6월 의학물리(Medical Physics)지에 표지논문으로 게재됐다.
서울대병원 핵의학과 이재성 교수는 △실리콘 광증배센서 기반 PET 영상재구성 프로그램 △MRI 영상기반 PET 영상 보정기술 △PET-MRI 영상융합 소프트웨어 개발을 맡았다.
이 밖에 KAIST 전기및전자공학과 박현욱 교수는 PET과 MRI가 동시설치 가능한 무선주파차폐(RF Shielding) 기술을 확보하고 이를 기반으로 PET과 연계해 설치 가능한 뇌전용 헤드코일을 개발했다.
이 기술들을 바탕으로 공동연구팀은 뇌전용 PET-MRI 시스템 개발에 성공, 지난 6월 3명의 PET-MRI 융합 뇌 영상을 획득했다. 이는 실리콘 광증배센서 기반의 PET과 MRI를 융합한 기기에서 세계 최초로 획득한 인체영상이라고 연구팀은 전했다.
특히, 이 시스템은 기존 전신용 MRI시스템에 뇌전용 PET 모듈 및 MRI 헤드코일이 탈부착 가능하도록 제작해 낮은 설치비용으로 PET-MRI 동시영상을 획득할 수 있는 게 큰 특징이다.
조규성 교수는 “국산 PET의 상용화 기반을 마련하고 세계적으로도 도입기인 PET-MRI 시스템 기술에서 세계 최고 기업들과 견줄 수 있게 됐다”며 “향후 수요가 급증할 것으로 예상되는 치매를 비롯한 뇌질환 진단 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것”이라고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
산업통상자원부 산업원천기술개발사업으로 지원(7년간 총 98억원)받아 수행된 이번 연구를 통해 20여편의 특허를 출원하고 20여편의 SCI 논문을 발표했다.
그림1. 개발한 PET-MRI에서 획득한 뇌팬텀(모형) MRI, PET 및 융합 영상
그림2. 개발한 PET-MRI에서 획득한 인체(뇌) MRI, PET 및 융합 영상
그림3. 국산 PET-MRI 임상 영상 촬영 모습
그림4. MRI 내에 삽입된 Head RF 코일과 PET 검출기
그림5. 제작된 삽입형 PET 검출기 모듈
그림6. 제작된 실리콘 광증배센서(좌)와 섬광 크리스탈 블록(우)의 모습
그림7. 제작된 실리콘 광증배센서
그림8. PET 검출원리
2013.11.13 조회수 21222 -
KAIST, 의료영상기기의 블루오션을 개척한다!
- PET-MR 검출기 용 반도체형 실리콘 광증배관 국산화개발 성공 -
- 2년 이내에 순수 국내기술로 상용화 가능 -- 전량수입에 의존하던 방사선 검출기의 국산화도 가능 -
우리 학교 원자력 및 양자공학과 조규성 교수 연구팀과 나노종합팹센터(소장 이귀로) 설우석 박사 연구팀이 공동으로 의료영상기기 중 하나인 PET-MR의 핵심소자인 ‘실리콘 광증배관(SiPM)’을 개발하는 데 성공했다.
실리콘 광증배관은 의료영상기기의 방사선 검출기에 들어오는 빛을 증폭하는 부품이다. 현재 국내에서 시판되는 PET-MR 가격이 약 50억원인데 이 부품은 전체 가격의 10% 이상을 차지할 정도로 매우 고가다.
실리콘 광증배관의 필요성이 최근 들어 크게 대두되고 있지만, 개발이 어려워 전 세계에서 독일, 일본, 미국 등 선진국들만 이 기술을 보유하고 있다. 앞으로 조 교수 연구팀이 개발한 기술이 상용화되면 국내시장 규모가 2010년 3000억원에 달했으나 국산 부품이 전무했던 PET 분야에서 커다란 경제적 파급효과를 낼 것으로 예상된다.
PET-MR은 인체조직의 해부학적 영상과 물질대사의 분석이 가능한 자기공명영상기기(MRI, Magnetic Resonance Imaging)와 인체의 세포활동과 대사상태를 분자 수준까지 분석할 수 있는 양전자방출단층촬영기기(PET, Positron Emission Tomography)의 장점이 결합된 최첨단 의료영상기기다.
이처럼 PET와 MRI의 장점만 갖춘 꿈의 의료영상기기인 PET-MR의 상용화를 위해 실리콘 광증배관 개발이 필수적이다.
진공관식 광증배관을 이용하는 기존의 PET는 MR장비의 강한 자기장으로 인해 심각한 영상 왜곡이 발생하기 때문이다.
연구팀은 조도가 낮은 PET 감마선 섬광신호를 측정하는 실리콘 광증배관의 구조를 최적화하고 반응속도를 높여 에너지와 시간분해능을 동시에 향상시켰다. 또 소자 내부증폭을 통해 저조도의 광량을 100만배 증폭 시킬 수 있어 단일광자까지 측정 가능하도록 만들었다.
이와 함께 제작 공정을 단순화해 진공관식 광증배관 대비 1/10 수준의 가격경쟁력을 갖췄으며, 크기는 1/1000 수준으로 소형화를 실현했다.
조 교수 연구팀이 개발한 실리콘 광증배관은 올해 동물실험을 거쳐 앞으로 2년 이내에 우선적으로 뇌전용 PET-MR에 적용해 상용화할 계획이다.
조규성 교수는 “실리콘 광증배관의 국산화를 통해 PET와 같은 의료영상기기는 물론 후쿠시마 원전사고 이후 세계적인 수요가 급증하고 있지만 우리나라로서는 전량 수입에 의존하는 방사선 검출기의 국산화도 가능하게 됐다”며 “원전수출의 급물살에 이어 국내 방사선기기 기술의 해외시장 진출도 머지않았다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 지식경제부가 지원하는 산업 원천기술개발사업의 일환으로 지난 4년간 수행됐다.
<용어설명>
● 실리콘 광증배관(SiPM)- Silicon Photo Multiplier의 약자로 소자의 내부증폭을 이용하는 광다이오드의 한 종류다. 일반적인 광다이오드는 흡수한 광신호를 외부 증폭회로를 통해 증폭시키게 되는데 이때 외부 잡음도 함께 증폭되는 문제가 있다. 실리콘 광증배관은 소자의 내부에서 100만배로 신호를 증폭시킬 수 있어 단일 광자까지 측정가능 한 소자이다.
● 진공관식 광증배관(PMT)- 광전효과를 이용하여 빛을 증폭시키는 소자이다. 입사된 광자를 전자로 변환시킨 뒤 전기장하에서 가속하여 증폭시키는 과정을 반복한다. 증폭률이 100만배에 가깝고 그 성능을 인정받아 현제까지 가장 많이 사용되고 있는 광소자이다. 하지만 자기장 하에서 전자의 움직임이 영향을 받아 PET-MR에 사용할 수 없다.
● 양전자방출단층촬영기기(PET)- 환자에 양전자를 방출하는 동위원소를 주입한 뒤 특정부위에서 양전자가 방출되면 180° 방향으로 전자의 소멸에 의한 소멸방사선이 발생된다. 이때 환자를 둘러싼 링형태의 검출기에서 두 개의 소멸방사선을 동시에 계측하여 위치를 추정하게 된다. 암은 형성 초기에 다량의 포도당을 이용하여 에너지를 사용하므로 동위원소 표지가된 포도당을 주입하여 암의 조기 진단이 가능하다. 또한 CT나 MRI와 달리 신진대사 및 분자의 거동을 볼 수 있어 분자영상기기라고도 불린다.
● 감마선 - 방사선의 일종으로 에너지가 높아 투과율이 가장 높다. PET에서
사용되는 동위원소에서는 전자의 소멸에 의해 511keV의 감마선 쌍이 180도 방향으로 방출된다.
● 에너지 분해능 - 방사선 측정기에서 서로 다른 에너지의 방사선을 구별할 수
있는 능력. 에너지 분해능이 높아야 잡음 및 외부 방사선으로부터 표적물질이 구분 가능하다.
● 시간 분해능 - 방사선 측정기에서 측정된 서로 다른 신호의 반응 시간을 구별 할 수 있는 능력. 시간 분해능이 높아야 180도 방출된 소멸방사선의 동시계수가 가능하다.
<보충자료>
▣ 의료영상기기의 특징 및 현황(2011년 6월 기준)
1) CT
- 원리 : 빛 에너지인 X선을 360도 각도에서 촬영해 재구성한다. 2차, 3차원 영상촬영이 가능하다
- 특징 : 조직의 밀도차이를 구별한다. 움직이는 장기(심장, 폐, 내장) 촬영에 적합하다. MRI보다 저렴하며 조영제를 쓰기도 한다.국내보유 : 1743대, 대당가격 : 15억원
2) PET
- 원리 : 방사성 약을 인체에 주사하면 포도당 등과 결합해 양전자가 나온다. 이때 나오는 감마선 신호를 영상화 한다.
- 특징 : 인체 조직의 기능과 대사 상태를 영상화한다. 한 번 만에 전신을 찍는다. 문제 위치를 정확히 드러내지 않아 최근 CT와 융합해서 많이 사용한다.국내보유 : 155대, 대당가격 : 20억원
3) MRI
- 원리 : 체내 물 성분의 하나인 수소 원자핵에 자기장을 걸고 핵 진동을 일으켜 신호를 분석한다.
- 특징 : 수분이 많은 근육, 인대, 물렁뼈, 디스크, 혈관, 지방, 뇌를 CT보다 정확히 보여준다. 방사선을 쓰지 않는다.국내보유 : 985대, 대당가격 : 20억원
▣ PET-MR의 임상적 유용성
PET-MR은 PET(양전자단층촬영장치)와 MRI(자기공명영상장치)의 장점만을 합친 퓨전(융합)영상기기이다.
–PET는 뇌세포의 유전자 및 분자과학적인 변화를 알 수 있지만, 공간해상도가 떨어진다는 단점이 있다.
–반대로 MR은 수백 mm 정도로 해상도가 높으나 유전자 및 분자과학적인 변화를 볼 수 없다.
•PET-MR은
–두 영상기기의 단점을 해결해, 뇌 세포의 기능 및 분자과학적인 변화를 3차원 고정밀 영상으로 얻을 수 있다.
–6겹으로 이루어진 뇌의 피질을 층마다 분리해 정밀하게 볼 수 있으며(해부학적 고해상도 영상), 뇌의 미세혈관도 분자수준에서 관찰(생리학적 고민감도 영상)이 가능하다.
–MRI영상과 PET 영상을 동시에 얻음으로써 같은 위치에 있는 조직의 생화학적 변화를 동시에 관찰하여 진단의 민감도(sensitivity, TP)와 특이도(specificity, TN)를 향상시킬 수 있다.–저해상도 PET 영상이 호흡이나 심장박동과 같이 인체의 motion artifact에 의해 저해되는 것을 gated MR 영상을 이용하여 보정할 수 있다.
▣ 시장규모-2010년 미국의 PET 및 PET-CT 시장은 약 5.2조원으로 5년 평균 16.7%성장률을 기록하고 있다. 한국의 PET시장은 2010년 까지 150대에 이르는 PET기기 도입으로 3400억에 이르는 시장을 형성하고 있다. 또한 고령화 사회로 진입함에 따라 암, 치매에 대비한 PET-CT 혹은 PET-MR 융합기기의 수요가 증가하여 더 큰 규모의 시장형성이 예상된다.
▣ SiPM개발의의Siemens사는 실리콘 Avalanche photodiode (APD)를 이용하여 직접 융합하는 방식의 PET-MR을 2010년 후반부에 출시한 바 있다. 하지만 실리콘 APD는 진공관식 증배관에 비해 자기장에 강하지만 증폭도가 낮고 이득이 불안정한 것이 단점이다. 실리콘 광증배관은 5~6년전 아일랜드의 SensL사가 최초로 상용화한 광센서로서 실리콘 APD와 진공관식 광증배관의 장점만을 취할 수 있기 때문에 낮은 조도의 광신호를 크게 증폭시킬 수 있는 데 심지어는 단일 광자까지 측정 가능하다. 또한 기존 진공관식 광증배관에 비해 소형이고 양산성이 좋아 경제성이 높은 새로운 광 소자로써 각광을 받아 국내외 연구가 활발히 진행되고 있다.
<그림설명>
그림1. 반도체형 광증배관과 섬광체 단결정이 결합된 PET 검출기 개념도
그림2. 연구팀이 개발한 PET-MR용 반도체형 광증배관 사진
그림3. 마이크로 셀 어레이로 구성된 실리콘 광증배소자
그림4. 단일 광증배소자 (우상) 및 4x4 어레이구조의 16채널 광증배소자(우하)
그림5. 격자형 섬광결정과 어레이형 실리콘 광증배소자 및 신호처리회로가 결합된 PET 검출기 모듈
2012.01.26 조회수 25112 -
최성민교수, 세포막의 탄성특성 변화현상 규명
- 피지컬 리뷰 레터스 7월16일자 게제 -- 새로운 의약품 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대-
우리학교 원자력 및 양자공학과 최성민 교수 연구팀은 세포막을 형성하는 인지질 이중막과 향균 펩타이드의 상호작용에 따른 세포막의 탄성특성 변화 현상을 첨단 중성자 산란 측정을 이용하여 세계 최초로 규명했다.
이번 연구결과는 지난 16일 물리학 분야의 세계적 권위지인 피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)에 발표됐다.
최성민 교수와 박사과정 이지환 씨가 주도한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 추진하는 원자력연구기반확충사업(원자력기초공동연구소)의 지원을 받아 수행됐다.
세포막은 인지질 분자의 이중막으로 구성되어 있으며, 세포 내부의 물질을 유지하는 방어막 역할과 다양한 기능의 단백질을 함유하고 있는 등 매우 중요한 역할을 담당한다.
세포막을 통한 물질전달, 세포 분열 등 세포에서 일어나는 여러 가지 현상은 세포막과 단백질의 상호작용에 의해 지배되며 세포막은 이러한 과정에서 다양한 형태의 구조적 변화를 겪게 된다.
세포막의 탄성특성, 즉 탄성계수는 세포막이 얼마나 부드럽거나 단단한가를 나타내는 것으로 세포막과 단백질의 상호작용에 따른 탄성특성 변화에 대한 이해는 세포에서 일어나는 여러 가지 과정과 이에 따른 구조적 변화를 이해하는데 매우 중요한 사안이다.
최 교수팀은 펩타이드라는 작은 단백질들이 세포막을 구성하는 인지질 이중막에 흡착되어 인지질 이중막의 구조적 변화를 일으키는 과정에서 인지질 이중막의 탄성특성이 어떻게 변하는가를 중성자 스핀에코 분광법이라는 최첨단 비탄성 중성자 산란 기법을 이용하여 규명했다.
이번 연구결과에 의하면 멜리틴이라는 펩타이드는 그 양이 적을 때는 인지질 이중막 표면에 흡착되어 이중막을 형성하고 있는 인지질 분자들의 정렬도를 저해함으로써 인지질 이중막을 부드럽게 만드는 효과를 보인다.
반대로, 멜리틴의 양이 일정량보다 많아지게 되면 인지질 이중막을 통과하는 구멍을 형성하고 동시에 이중막을 단단하게 만들기 시작하며, 멜리틴에 의해 형성된 인지질 이중막의 구멍이 더욱 많아지게 되면 구멍들이 서로 상호작용을 일으켜 인지질 이중막이 급격하게 단단해짐을 밝혔다.
현재 여타 단백질과 인지질 이중막의 상호작용에 대한 추가적인 연구가 진행되고 있으며, 이러한 현상에 대한 이해는 세포에서의 생명현상에 대한 근본적인 이해와 향후 새로운 의약품 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
최 교수팀은 최근 중성자 및 X-선 산란을 이용하여 탄소나노튜브 및 나노입자의 자기조립 초구조체 개발 연구를 수행하여 신소재 및 화학분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 메터리얼즈(Advanced Materials), 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society) 등에 연속적으로 논문을 게재하는 등 연성나노물질 연구에서도 우수한 연구성과를 거두고 있다.
최 교수는 중성자를 이용한 연성나노물질 연구분야에서 국제적 전문성을 인정받고 있으며 대표적인 국제 중성자 협회인 아시아-오세아니아 중성자 산란협회(AONSA)의 총무이사를 담당하고 있다. 또한 최성민 교수와 한국원자력연구원이 공동으로 개발한 하나로 냉중성자 연구시설의 40m 소각중성자산란 장치는 세계 최고수준의 나노구조 측정능력을 갖추고 있어 우리나라 나노소재 연구분야의 발전에 새로운 기회를 제공할 것으로 기대되고 있다.
<용어설명>
❶ 세포막(cell membrane)
세포와 세포 외부의 경계를 짓는 막으로 세포 내의 물질들을 보호하고 세포간 물질 이동을 조절한다. 세포막은 인지질 및 단백질 분자로 구성된 얇고 구조적인 인지질 이중층으로 되어 있으며, 선택적인 투과성을 지닌다.
❷ 펩타이드(Peptide)
아미노산의 중합체이다. 보통 소수의 아미노산이 연결된 형태를 펩타이드라 부르고 많은 아미노산이 연결되면 단백질로 부른다.
❸ 멜리틴(melittin)벌 독에서 분리한 26개의 아미노산으로 구성된 단백질로 10∼20년 전에 그 성분과 역할이 알려져 항균물질로 사용된다.
[그림]세포막을 구성하는 인지질 이중막에 멜리틴 펩타이드가 흡착되어 형성하는 구조의 각 단계별 모식도 (왼쪽). 멜리틴 펩타이드 양의 증가에 따른 인지질 이중막의 각 단계별 탄성특성 변화 (오른쪽).
2010.07.19 조회수 19096 -
최성민 교수팀의 탄소나노튜브에 대한 연구성과 미국 화학학회의 Research Highlight 로 선정
최성민 교수팀의 탄소나노튜브에 대한 연구성과
미국 화학학회의 Research Highlight 로 선정
KAIST 원자력 및 양자공학과 최성민 교수팀은 탄소나노튜브의 산업적 응용에 필수적인 수용액 및 유기용매에의 안정적인 분산기술을 개발하였으며, 중성자 산란기법을 이용하여 그 분산특성을 규명하였다. 이 연구결과는 재료과학 분야 최고권위지인 Advanced Materials (19, 929, 2007)에 게제되었으며, 미국 화학학회의 Research Highlight로 선정되어 ‘Heart Cut" 5월 7일자에 소개되었다.
탄소나노튜브의 산업기술적 응용을 위한 다양한 프로세싱을 위해서는 탄소나노튜브를 수용액 또는 유기용매에 분산할 필요가 있다. 이를 위하여 그간 계면활성분자, DNA 등을 이용한 탄소나노튜브 분산기술이 사용되어 왔으나, 건조 등 프로세싱 과정에서 분산이 쉽게 파괴되는 단점이 있었다. 최성민 교수팀은 이를 극복하기 위하여 계면활성분자를 이용한 탄소나노튜브 수용액 분산을 얻은 후 탄소나노튜브 표면에 흡착된 계면활성분자를 in-situ 상태에서 중합반응시킴으로써 친수성의 안정된 표면 분자막을 갖는 탄소나노튜브를 개발하였다. 이렇게 얻어진 기능성 탄소나노튜브는 냉동건조 등 프로세싱 이후에도 수용액 및 유기용매에 아주 쉽게 분산되는 특성을 갖고 있어 탄소나노튜브 응용기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다. 과학기술부 원자력연구개발사업의 지원으로 수행된 이 연구에는 박사과정 김태환씨와 도창우씨가 중추적으로 참여하였으며, 관련기술을 특허출원 하였다.
탄소나노튜브의 수용액 분산 및 흡착된 계면활성분자의 in-situ 중합과정과 냉동건조 후의 수용액 재분산 특성 비교 (사진: 중합하지 않은 탄소나노튜브(좌), 계면활성분자를 중합한 탄소나노튜브(우))
2007.05.09 조회수 21933