"1초에 1조번 진동" 테라헤르츠 전자파로 인체 속속들이 본다

KIST연구진, 테라헤르츠파와 메타물질 기술 결합..초고감도 영상기술 개발
극미량 치매 원인 물질 관찰 성공..다양한 질병 원인 진단 응용 기대

테라헤르츠 메타물질을 이용한 생쥐모델의 뇌에서 노화에 따른 아밀로이드 플라크 응집 정도 모니터링 (한국과학기술연구원 제공) 2020.11.01/뉴스1

(서울=뉴스1) 김승준 기자 = 국내 연구진이 조영제 없이도 생체 내부를 촬영한 영상을 통해 질병을 확인할 수 있는 기술을 개발해 새로운 영상 진단의 가능성을 열었다.

한국과학기술연구원(KIST)은 센서시스템연구센터의 서민아 박사 연구팀이 1초에 1조번 이상 진동하는 테라헤르츠(THz) 대역 전파를 이용해 생체 물질을 검출하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

테라헤르츠 전자기파는 X-ray나 방사선처럼 고에너지를 갖고 있지 않아 생체조직을 변형시키지 않을 수 있는 장점이 있다. 별도의 조영제 없이도 생체 내부를 관찰할 수 있어 안전한 차세대 이미지 처리 기술에 응용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

문제는 X-ray나 가시광선보다 파장이 길기 때문에 매우 작거나 극미량의 물질을 관찰하는 데 어려움이 있다는 것이다. 또 테라헤르츠파는 생체 내 수분에 흡수되어 사라지기 때문에 관찰한 정보를 수집할 수 없다는 어려움도 있다.

연구팀은 인위적으로 만들어낸 인공물질인 메타물질을 개발해 문제를 해결했다. 메타물질을 활용해 대상 물질의 광학적 특성을 바꾸면 특정 파장에서 금속을 플라스틱처럼 보이게 할 수도 있고, 눈에 보이지 않도록 할 수도 있다.

서민아 박사팀은 테라헤르츠파의 민감도를 높이고, 생체 내부의 물과 만나 흡수되지 않도록 수분과 만날 경우 그 경계면에서 반사되어 돌아오도록 하는 새로운 메타물질을 개발했다.

이 기술로 기존 테라헤르츠파 기술로 영상화가 어려운 극미량의 생체 조직의 선명한 영상을 촬영했다. 형광물질이나 방사성동위원소와 같은 조영제를 사용하지 않고도 기존 영상 장치와 유사한 수준의 영상을 얻을 수 있게 된 것이다. 연구진은 뇌 속에 극미량만 존재하고, 치매의 원인 물질로 알려진 '아밀로이드 플라크' 단백질을 관찰했다. 기존의 영상 진단에서는 영상의 명암 차이를 통한 상대적인 비교만 할 수 있었으나, 테라헤르츠파는 분자들의 상태에 민감하기 때문에 아밀로이드 단백질이 축적된 양까지도 정량적으로 분석할 수 있었다.

서민아 박사는 "인체 내 다양한 질병 원인 물질을 조영제 없이 직접 검출해 치매뿐만 아니라 다양한 질병 진단 기술 개발에 적용할 수 있을 것으로 전망한다"며 "예를 들어 암조직 등을 조영제 없이 선명한 경계면을 확인하는 영상기술로도 활용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이 기술이 실용화되기 위해서는 Δ여러 질병 원인 물질의 테라헤르츠파 대역에서의 고유스펙트럼 데이터베이스 구축 Δ각 물질의 검출 및 이미징을 위한 메타물질 소자 생산 공정 Δ테라헤르츠 이미징 장치의 고속화·소형화 등이 이뤄져야 한다.

메타물질을 이용한 고민감도 비표지 테라헤르츠 생체 이미징 기술 모식도 (한국과학기술연구원 제공) 2020.11.01/뉴스1

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요 사업 및 한국연구재단 중견연구자지원사업, 글로벌프론티어사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 분석화학 분야 국제학술지 '바이오 센서와 바이오 전자기기'(Biosensors and Bioelectronics)에 게재됐다.

seungjun241@news1.kr