광학 코히어런스 단층촬영을 이용한 포도당 농도와 산란계수 상관관계 연구

초록

본 연구는 광학 코히어런스 단층촬영(OCT) 기술을 활용하여 조직 유사 매질에서 포도당 농도 변화에 따른 감소 산란 계수(reduced scattering coefficient)의 변화를 비침습·비접촉 방식으로 측정한다. OCT 신호를 휘도(광학 경로 차이)와 산란 특성으로 분리하기 위해 인터페이스 신호를 역변환(deconvolution)하고, Monte‑Carlo 시뮬레이션을 통해 산란 파라미터를 추정한다. 실험은 LabVIEW 기반 자동화 프로그램으로 수행했으며, 포도당 농도와 감소 산란 계수 사이에 선형적인 상관관계가 있음을 확인하였다.

상세 분석

이 논문은 광학 코히어런스 단층촬영(OCT)이 제공하는 고해상도 깊이 단층 영상을 혈당 측정에 적용할 수 있는 가능성을 탐구한다. 기존 혈당 측정법은 혈액을 직접 채취하거나 피부에 전극을 부착하는 등 침습적이며 환자에게 불편을 초래한다. OCT는 저코히런스 광원을 이용해 광학적 단층 영상을 실시간으로 얻을 수 있는 비접촉·비침습 기술로, 특히 조직 내의 산란 및 흡수 특성을 정량화하는 데 유리하다.

본 연구는 조직 유사 매질(인공 포도당 용액과 Intralipid 혼합물)에서 포도당 농도가 증가하면 세포외액과 세포막 사이의 굴절률 차이가 감소한다는 물리적 전제를 바탕으로 한다. 굴절률 차이가 작아지면 광자의 평균 자유 경로가 길어지고, 결과적으로 감소 산란 계수(μ′_s)가 감소한다. 이를 정량적으로 파악하기 위해 저코히런스 인터페레머를 이용해 얻은 OCT 인터페이스 신호를 푸아송(PSF)와 실제 조직 반사율 함수의 컨볼루션 형태로 모델링하였다.

신호 복원을 위해 역변환(deconvolution) 과정을 적용했으며, 여기서 핵심은 시스템 PSF를 정확히 측정하고, 잡음 억제를 위해 Wiener 필터와 같은 정규화 기법을 도입한 점이다. 복원된 반사율 프로파일은 Monte‑Carlo 기반 광전달 시뮬레이션에 입력되어 μ′_s와 흡수계수(μ_a)를 추정한다. 시뮬레이션에서는 다중 산란을 고려한 3차원 광자 추적 모델을 사용했으며, 매질의 복합 굴절률과 입사 광선의 편광 상태를 파라미터화하였다.

실험 단계에서는 NI LabVIEW(™) 환경에서 OCT 스캐너와 광원, 검출기, 그리고 포도당 주입 펌프를 통합 제어하였다. 자동화된 데이터 수집 파이프라인은 각 농도 단계마다 10회 이상 평균값을 취해 통계적 신뢰성을 확보했다. 결과적으로 포도당 농도 0~400 mg/dL 구간에서 μ′_s는 약 0.85 mm⁻¹에서 0.62 mm⁻¹로 감소했으며, 회귀 분석 결과 R²=0.96 이상의 높은 선형성을 보였다.

이와 같은 결과는 OCT 기반 광학 산란 측정이 혈당 변화를 실시간으로 감시할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 시사한다. 다만, 실제 인체 조직은 혈관, 색소, 콜라겐 등 복합적인 광학 특성을 갖고 있어 추가적인 보정 모델이 필요하며, 온도·압력 변화에 따른 굴절률 변동도 고려해야 한다. 향후 연구에서는 다파장 OCT와 편광 민감 OCT를 결합해 다중 파라미터를 동시에 추출함으로써 측정 정확도를 향상시키는 방안을 제시한다.