기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단(단장 조민행) 최원식 부연구단장(고려대 물리학과 교수)과 이예령 건국대 교수 공동연구팀은 생체조직의 가장 깊은 곳까지 고해상도로 이미징할 수 있는 3D 현미경을 개발했다.
생체조직 깊은 곳으로 빛이 전파되면 직진광에 비해 산란광이 매우 강해지고, 이미지 정보가 흐려진다. 마치 안개처럼 생체조직 내부를 보기 어렵게 된다. 게다가 두꺼운 생체조직 등 산란매질을 지날 때 직진광의 전파 속도가 각도와 파장에 따라 달라지는 수차(점 물체에서 나온 여러 가닥의 광선이 상점에 모이지 못하고 일부가 벗어나는 현상. 수차가 있으면 점 물체의 상이 점이 아닌 옆으로 번진 흐릿한 모양이 된다)와 색 분산(여러 가지 파장의 빛이 겹친 광선이, 매질이 다른 경계면에 입사할 때 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르므로 굴절각의 차이가 발생하여 광선이 색깔별로 갈라지는 현상)이 발생하는데, 이는 이미지의 대조나 해상도를 떨어뜨린다. 연구진은 이미징 깊이와 해상도 한계를 모두 개선한 ‘입체 반사행렬 현미경’을 개발했다.
우선, 입사시키는 빛의 파장과 입사각을 바꿔가며 산란된 모든 빛의 3D 정보를 수집하여 수차와 색분산을 정확히 고쳤다. 이로써 일반적인 입체 현미경에서 구현할 수 없는 고해상도 이미지 촬영이 가능해졌다. 더 나아가, 새로운 알고리즘을 도입했다.
첫 번째 알고리즘은 산란이 심하지 않은 얕은 깊이에서 얻은 수차 데이터를 기존 기술로는 이미징 불가능했던 깊은 곳까지 순차적으로 적용하는 기술이다. 이 알고리즘을 적용하여 직진광의 세기를 약 32배 키울 수 있었다. 두 번째 알고리즘은 여러 깊이의 이미지를 한꺼번에 이용하는 기술이다. 이를 통해 유용한 정보의 크기가 늘어나, 직진광의 세기를 약 5.6배 키우는 효과를 보여줬다. 직진광이 세다는 것은 더 깊은 곳까지 관찰할 수 있다는 의미다.
연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 17.69) 2023년 4월 4일자 온라인 판에 게재됐다. 논문명 ‘Exploiting volumetric wave correlation for enhanced depth imaging in scattering.’