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김재관 교수팀, 광영상을 이용한 초음파 뇌 자극 효과 모니터링

  • 대외협력팀
  • 등록일 : 2017.10.24
  • 조회수 : 1328

□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 융합기술원 의생명공학과 김재관 교수 팀광영상 기술을 이용하여 초음파 뇌 자극 효과를 모니터링하고 이를 통해 초음파 뇌 자극 조건을 최적화 할 수 있는 기법을 제시했다.

이번 연구결과는 초음파를 이용한 뇌 자극 시 발생되는 효과를 광영상기술을 통해 모니터링 함으로써 미래의료기술 중 하나인 초음파 뇌 자극 기술 개발에 크게 기여할 것으로 보인다.

  다양한 뇌 자극 기술이 파킨슨 병, 중증우울증, 강박장애와 같은 뇌 질환에 효과적이라는 보고가 있지만 경두개 전기 혹은 경두개 자기 자극 기술은 특정부위만 자극하기 어렵고, 심부전극 및 광유전학 뇌 자극 기술은 수술 및 유전학적 변형이 필요하다는 단점이 제기되어 왔다. 이에 반해 초음파 뇌 자극 기술은 비침습적이면서도 상대적으로 뇌의 특정 부위를 자극할 수 있다는 점에서 긍정적으로 평가되고 있으며, 최근 관련 연구가 많이 발표되고 있다.

이러한 뇌자극 효과를 관찰하기 위해 EEG*와 같은 뇌의 전기적 신호측정법 및 fMRI* 혹은 PET*와 같은 뇌혈역학 및 뇌신진대사 영상기법들이 적용되고 있으나 전임상 단계에서 높은 공간해상도를 가지면서 상대적으로 낮은 비용으로 뇌자극 효과를 모니터링하기 위해서는 다른 기법이 필요하다. 이에 김재관 교수 연구팀에서는 높은 해상도 및 넓은 영역에서 뇌 기능을 관찰할 수 있는 OISI(광학고유신호이미징)* 기법을 적용하여 초음파 뇌자극시 뇌에서 발생되는 혈역학적 변화를 관찰하였다.

          * EEG(Electroencephalogram): 뇌파측정법은 뇌가 활성화 될 때 발생되는 전기적 신호를 측정하는 기법으로 뇌 연구에 있어 가장 많이 활용되는 기법 중 하나이다.

        * fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging): 기능적 자기공명영상 기법은 혈액내 헤모글로빈의 산소결합 여부에 따라 바뀌는 자기장 신호를 이용하여 뇌 혈역학 정보를 3차원 영상으로 보여주며 뇌기능 연구에 매우 활발하게 적용되고 있다.

        * PET(positron emission tomography): 양전자방출단층 촬영 기법은 방사선 동위원소를 인체에 주사하고 투과되어 나오는 방사선을 영상상화는 기법으로 주로 암진단에 많이 사용되고 있다.

        * OISI(optical intrinsic signal imaging): 광학고유신호이미징 기법은 빛을 인체의 조직에 조사하고 반사되는 빛을 측정함으로써 조직의 산소포화도 및 혈액량 정보를 획득할 수 있다.

□  연구팀은 뇌혈역학 영상을 획득할 수 있는 OISI 영상 시스템을 구축하고 이를 이용하여 초음파 자극 시 주파수에 따라 뇌 자극 효과의 유무를 관찰하였으며, 같은 주파수에서도 펄스반복주기에 따라 뇌에서의 혈역학적 변화가 다름을 확인하였다. 또한 관찰된 뇌혈역학적 변화를 PCA 기법을 적용하여 두 가지 성분으로 나누고 각 성분에 따라 뇌혈역학 신호가 다름을 보였으며 레이저스펙클 영상을 통해 혈류속도에 있어서도 초음파 자극 시 유사한 변화가 일어남을 확인하였다.

* PCA(Principal component analysis): 주성분 분석법은 고차원의 데이터를 저차원의 데이터로 변환시키는 통계학적 방법.

  김재관 교수이번 연구는 초음파를 이용한 뇌 자극 시 발생하는 효과를 광영상기술을 이용하여 관찰이 가능함을 보여준 것으로 추후 초음파 뇌 자극 기술 개발 및 최적화에 큰 도움을 줄 것이라고 밝혔다.

김재관 교수팀은 미래창조과학부 뇌과학원천기술개발사업으로 수행중인 최적치매관리기술연구센터의 <다중생체정보 기반 치매중증도 모니터링 기술개발 사업> (총괄책임: 전기전자컴퓨터공학부 송종인 교수)에도 같이 참여하고 있으며 EEG와 광학 기술을 이용한 환자 친화적 치매 중증도 모니터링 기술의 개발에 박차를 가하고 있다.

□  이번 연구는 한국연구재단의 SGER(Small Grant Exploratory Research)사업, 미래창조과학부 뇌과학원천기술개발사업 및 광주과학기술원의 재원인 GRI(GIST연구원)사업의 지원을 받았으며, 네이처 자매지인 사이언티픽리포츠(Scientific Reports) 1013 일자에 게재되었다. <>     

논문 제목 :      Monitoring cerebral hemodynamic change during transcranial ultrasound stimulation using optical intrinsic signal imaging

- 교신저자: 김재관 교수 (GIST 융합기술원 의생명공학과)

- 1저자 : Evgenii Kim (GIST 전기전자컴퓨터공학부)

- 2저자 : Eloise Anguluan (GIST 융합기술원 의생명공학과)

    

콘텐츠담당 : 대외협력팀(T.2024)