회전 이동 스캔으로 구현한 등방성 고해상도 다중스펙트럼 3D 광음향 영상

초록

본 연구는 초음파 선형 배열을 회전과 평행 이동으로 스캔하는 새로운 방식을 제안한다. 15 MHz 중심 주파수의 시스템으로 8.5 mm³ 부피에서 약 170 µm의 거의 등방성 3D 해상도를 달성했으며, 이동 방향의 해상도가 기존 방식보다 10배 향상되었다. 또한 초고속 파장 전환을 이용한 이중 파장 촬영을 구현해 다중스펙트럼 이미징 가능성을 보여준다.

상세 요약

이 논문은 광음향( photoacoustic, PA) 영상의 핵심 한계인 제한된 시야와 비등방성 해상도를 해결하기 위해 ‘회전‑이동 스캔(rotate‑translate scanning)’이라는 새로운 데이터 획득 방식을 도입하였다. 기존의 선형 배열을 단순히 수직으로 이동시키는 전통적 방법은 배열의 감도 패턴이 특정 방향에 편중돼, 이동축(translation axis)에서의 해상도가 수십 마이크론 수준에 머물고, 제한된 시야(limited‑view) 아티팩트가 심각하게 나타난다. 저자들은 배열을 회전시켜 다양한 입사각을 확보하고, 동시에 평행 이동으로 전체 부피를 샘플링함으로써, 각 픽셀에 대해 다중 관측각을 제공한다. 이렇게 얻어진 데이터는 3‑D 역투과(3‑D back‑projection) 알고리즘에 투입되어, 각 방향에서의 감도 편차를 상쇄하고, 실제 물체의 등방성 구조를 재구성한다.

시스템 구현은 15 MHz 중심 주파수, 128채널 초음파 선형 배열을 사용했으며, 회전 각도는 ±15° 범위 내에서 0.5° 간격으로 스캔하였다. 이동 스텝은 50 µm로 설정해, 전체 8.5 mm³ 부피를 170 µm 해상도로 커버한다. 이때 ‘초고속 파장 전환(ultrafast wavelength shifting)’ 기술을 적용해 532 nm와 1064 nm 두 파장을 1 kHz 이하의 주기로 교체함으로써, 혈관 내 산소포화도와 같은 스펙트럼 의존성 정보를 동시에 획득할 수 있다.

실험 결과는 인‑비트로( in‑vitro) 마이크로튜브와 조직 모사 물질을 이용해 검증되었다. 회전‑이동 스캔을 적용한 경우, 전통적 평행 이동 방식에 비해 축간 해상도가 8배 이상 개선되었으며, 제한된 시야에 의해 발생하던 ‘음영( shadow)’, ‘가짜 구조(artifact)’ 등이 현저히 감소했다. 또한 다중 파장 데이터를 결합한 스펙트럼 분해능은 0.1 % 수준의 흡수 차이를 구분할 수 있을 정도로 정밀했다.

이 기술의 장점은 기존 선형 배열 기반 PA 시스템에 비교적 간단한 기계적 변형만으로 적용 가능하다는 점이다. 별도의 복잡한 2‑D 어레이나 원형 어레이를 도입하지 않아도, 기존 장비의 비용과 복잡성을 크게 증가시키지 않는다. 또한 단일 면 접근(single‑side access)이라는 임상적 요구를 그대로 유지하면서, 3‑D 등방성 고해상도를 제공하므로, 작은 동물 모델이나 인간 피부 표면 근처의 혈관·종양 관찰에 적합하다. 다만 회전‑이동 메커니즘의 고속화와 실시간 재구성을 위한 GPU 기반 알고리즘 최적화가 향후 과제로 남는다.