원형편광광산란을 이용한 건강 조직 아래 암 조직 탐지 및 초기 자궁경부암 진단

초록

본 연구는 원형편광광산란(CiPLS) 기술을 활용해 건강한 상피층 위에 숨겨진 암성 조직을 비침습적으로 식별한다. 두 파장의 LED(617 nm, 850 nm)와 편광 영상 카메라를 이용해 산란광의 원형편광도(DOCP)를 측정하고, 상부 건강층 두께에 따른 DOCP 변화를 분석하였다. 결과는 건강층 두께가 증가할수록 DOCP가 파장에 따라 상이하게 변함을 보여, 광학적 침투 깊이 내에서 암층의 존재와 깊이를 정량화할 수 있음을 입증한다.

상세 분석

CiPLS는 다중 Mie 산란이 지배적인 조직 내 입자(세포핵)의 크기 변화에 민감한 원형편광 보존 특성을 이용한다. 원형편광은 선형편광에 비해 여러 산란 이벤트를 거쳐도 편광 상태가 크게 변하지 않아, 깊은 조직까지 도달한 뒤 다시 표면으로 복귀할 때도 편광 정보를 유지한다. 본 실험에서는 600 nm와 900 nm 근적외선 LED를 각각 오른쪽 원형편광(R‑CPL)으로 변환한 뒤, ±30° 입사각으로 시료에 조사하였다. 편광 감지 카메라는 2×2 마이크로그리드 배열(0°, 45°, 90°, 135°)을 갖는 픽셀을 동시에 읽어 Stokes 파라미터를 재구성하고, QWP를 통해 S₃(우‑좌 원형편광 차이)를 추출해 DOCP = |S₃|/S₀ 로 정의하였다.

시료는 건강·암성·건강 3층 구조로 제작했으며, 상부 건강층 두께(0–1.5 mm)와 암층 두께(1.0 mm)를 변형시켜 광학적 침투 깊이와 DOCP 변화를 정량화했다. 617 nm에서는 상부 건강층이 두꺼워질수록 DOCP가 감소했으며, 850 nm에서는 반대로 증가하는 경향을 보였다. 이는 짧은 파장이 작은 정상 세포핵에 더 큰 산란·탈편광을 일으키는 반면, 긴 파장은 큰 암성 핵에 더 민감하게 반응하기 때문이다. 두 파장의 DOCP 차이(ΔDOCP) 를 이용하면 표면 반사·거칠기 등 공통 잡음을 상쇄하고 순수한 산란 편광 신호만을 강조할 수 있었다. ΔDOCP 값은 상부 건강층 두께가 증가함에 따라 선형적으로 변했으며, 시뮬레이션 결과와 일치하는 추세를 나타냈다.

이러한 결과는 광학적 침투 깊이(≈3 mm) 내에서 암성 핵의 존재를 비침습적으로 감지하고, 암층이 위치한 깊이를 정량화할 수 있음을 시사한다. 다만, 조직 이방성(섬유성 근육)이나 표면 굴절에 의한 편광 변조가 DOCP에 미치는 영향을 완전히 배제하지 못했으며, 실제 자궁경부 상피는 보다 얇고 복합적인 구조를 가지고 있어 추가적인 임상 검증이 필요하다.