인체 피부 동적 OCT를 위한 하드웨어와 소프트웨어 결합 움직임 보정

초록

본 연구는 인체 전완 피부에 동적 광학 코히어런스 단층촬영(DOCT)을 적용하기 위해, 저비용 3D‑프린트 고정 어태치먼트를 이용한 하드웨어 기반 움직임 억제와, 교차상관 기반 2‑D 이미지 정합을 활용한 소프트웨어 보정을 결합하였다. 10명의 피험자를 대상으로 외·내전완에서 4가지 보정 조합(하드웨어+소프트웨어, 하드웨어만, 소프트웨어만, 무보정)을 비교했으며, 평균 LIV 값과 인간 평가 점수 모두에서 통계적으로 유의한 품질 향상이 확인되었다. 또한, 기존에 관찰되지 않았던 높은 LIV 층이 발견되어 기저층(스트라툼 바실레)의 높은 세포 증식 활동을 시각화할 가능성을 제시한다.

상세 분석

이 논문은 동적 OCT(DOCT)의 핵심 한계인 장시간 프레임 획득 시 발생하는 전신 및 국소 움직임을 두 단계로 해결한다. 첫 번째 단계는 물리적 고정 장치를 설계·제작한 것으로, TPU 소재로 3D 프린팅한 스킨 스페이서와 옵티컬 케이지 플레이트를 이용해 피부와 직접 접촉시켜 압력을 가한다. 이는 기존의 복잡한 모션 트래킹 시스템 없이도 저비용으로 대량의 진동을 물리적으로 억제한다는 장점을 가진다. 두 번째 단계는 소프트웨어 보정으로, 파이썬 기반 scikit‑image와 SciPy의 phase_cross_correlation 함수를 활용해 각 프레임을 중심 프레임에 정밀하게 정합한다. 업샘플링 팩터 10을 적용해 0.1픽셀 수준의 서브픽셀 이동을 추정하고, 3차 스플라인 보간을 통해 이미지 자체를 이동시켜 인터프레임 정렬을 수행한다. 이 과정은 dB 스케일 강도 이미지에 직접 적용함으로써, 강도 변동에 민감한 LIV 계산에 최적화되어 있다.

시스템 측면에서는 1310 nm 중심 파장의 스위프‑소스 제이즈‑매트릭스 OCT를 사용했으며, 횡·축 해상도는 각각 18 µm와 14 µm이다. DOCT는 32프레임 반복 라스터 스캔(총 6.55 s)으로 4,096프레임을 52.4 s에 수집하고, 각 프레임은 512 A‑라인을 포함한다. 비교를 위해 4프레임 OCT‑A(복합 상관 기반)도 동일 영역에서 획득하였다.

정량적 평가는 피부 표면을 SAM(Segment Anything Model)으로 자동 세그멘테이션한 뒤, 4개의 깊이 슬라브(20‑220 µm, 220‑420 µm, 420‑620 µm, 620‑820 µm)에서 평균 LIV 값을 추출한다. 하드웨어 억제와 소프트웨어 보정 각각이 독립적으로 평균 LIV을 감소시켰으며, 두 방법을 동시에 적용했을 때 가장 큰 품질 향상이 관찰되었다(p < 0.01, paired t‑test). 주관적 평가는 5점 척도(1 = 매우 나쁨, 5 = 매우 좋음)로 3명의 전문가가 수행했으며, 동일하게 HS 조합이 최고 점수를 받았다.

특히, 20‑220 µm 깊이에서 기존 OCT에서는 저조도였던 고 LIV 층이 반복적으로 나타났으며, 이는 스트라툼 바실레의 고세포 증식 활동과 연관될 가능성이 있다. 이는 DOCT가 세포 수준 대사 활동을 비침습적으로 시각화할 수 있음을 시사한다.

한계점으로는 고정 어태치먼트가 피부에 직접 압력을 가함에 따라 조직 변형이 발생할 수 있으며, 장시간 측정 시 피험자의 불편감이 증가할 가능성이 있다. 또한, 소프트웨어 정합은 2‑D 평면에 국한되므로 깊이 방향의 비선형 변형을 완전히 보정하지 못한다. 향후 연구에서는 압력 센서를 통합한 피드백 제어와 3‑D 변형 보정 알고리즘을 도입해 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

전반적으로, 저비용 하드웨어와 오픈소스 소프트웨어를 결합한 이 접근법은 임상 현장에서 실시간 혹은 준실시간 DOCT 적용을 가능하게 하며, 피부 질환의 대사적 변화를 조기에 탐지하는 새로운 도구로 활용될 전망이다.