새로운 차등 경로 길이 계수 모델을 통한 근적외선 확산 광학 영상의 정확도 향상

초록

본 논문은 연속파(CW) 근적외선(NIR) 확산 광학 영상에서 중요한 차등 경로 길이 계수(DPF)의 기존 정의가 초점거리와 조직 광학 특성에 따라 크게 달라지는 문제를 지적한다. Monte Carlo 시뮬레이션과 실험용 팬텀을 이용해 거리·광학 특성 의존적인 두 가지 새로운 DPF 모델(이상형 및 실용형)을 제안하고, 기존 모델과 비교해 10 % 이하의 오차를 달성함을 보여준다.

상세 분석

본 연구는 CW‑NIR 영상에서 변형된 Beer‑Lambert 법칙(MBLL)의 핵심 파라미터인 DPF가 실제 광경로 길이를 정확히 반영하지 못하면 크로모포어 농도 추정에 심각한 오류가 발생한다는 점을 강조한다. 기존 DPF 정의는 크게 두 가지로 나뉜다. 첫 번째는 평균 광경로 길이(¯s)를 기하학적 거리(d)로 나눈 ‘mean‑DPF’이며, 이는 흡수에 대한 가중치를 고려하지 않아 고흡수 조직에서 과대평가되는 경향이 있다. 두 번째는 OD 변화에 대한 흡수계수(μa) 미분값을 이용한 ‘slope‑DPF’로, 실험적으로는 편리하지만 여전히 반사 모드에서 짧은 소스‑검출기 간격(≤2 cm)에서는 정확도가 떨어진다.

저자들은 이러한 한계를 극복하기 위해 Monte Carlo 기반의 광자 전송 시뮬레이션을 광범위한 μa(0–0.5 cm⁻¹)와 μs(0–500 cm⁻¹) 조합에 대해 수행하였다. 시뮬레이션에서는 10⁶개의 광자를 펜슬빔으로 29 × 29 × 5 cm³ 슬래브에 투입하고, 각 광자의 전체 경로 길이와 탈출 위치·가중치를 기록하여 실제 평균 경로 길이와 흡수 가중 평균 경로 길이를 동시에 계산했다. 이를 바탕으로 두 가지 새로운 DPF 모델을 도출하였다.

① 이상형 DPF(ideal‑DPF): 실제 평균 경로 길이와 흡수 가중 평균 경로 길이의 비율을 직접 사용해, μa와 μs 모두에 대한 연속적인 함수 형태로 표현한다. 이 모델은 광학 특성 전반에 걸쳐 5 % 이하의 오차를 유지한다.

② 실용형 DPF(practical‑DPF): 실험적으로 측정 가능한 파라미터(예: OD와 d)만을 이용해 회귀식으로 근사화한다. 여기서는 거리(d)와 μs의 2차 다항식 형태를 채택해, 기존 slope‑DPF보다 2배 이상 높은 정확도를 제공한다.

두 모델을 기존 mean‑DPF, slope‑DPF, 반무한 평판(sem‑inf) 및 상수 DPF와 비교했을 때, 특히 1–2 cm 범위의 짧은 소스‑검출기 간격에서 기존 모델은 50 %에서 150 %까지 오차가 발생하는 반면, 제안된 모델은 10 % 이하로 억제한다.

실험 검증을 위해 저자들은 물리적 파라미터가 정확히 알려진 인공 팬텀(μa와 μs를 조절 가능한 젤)을 제작하고, CW‑NIR 시스템으로 다양한 d에서 OD를 측정하였다. 실험 결과는 시뮬레이션과 일치했으며, 특히 실용형 DPF가 실제 임상 환경에서 적용 가능함을 입증했다.

이 연구는 DPF를 정확히 모델링함으로써 CW‑NIR 영상의 정량적 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다. 특히 고해상도 다채널 배열이나 작은 소스‑검출기 간격을 사용하는 경우, 기존의 상수 DPF 가정은 더 이상 타당하지 않으며, 제안된 거리·광학 특성 의존 모델을 적용해야 한다는 실용적 가이드를 제공한다.