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윤종희
윤종희(Jonghee Yoon) 저자 이메일 보기
University of Cambridge
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A clinically translatable hyperspectral endoscopy (HySE) system for imaging the gastrointestinal tract

1. 논문관련 분야의 소개, 동향, 전망을 설명, 연구과정에서 생긴 에피소드

본 논문에서는 식도암 조기 진단을 위한 임상에 적용할 수 있는 초분광 내시경 (hyperspectral endoscopy)을 개발한 내용을 소개하였습니다.

식도암중 식도 선암 (adenocarcinoma)은 주로 식도 하단에 발생하는 예후가 좋지 않은 난치성 암의 한 종류로 5년 생존율이 20% 이하입니다. 이는 주로 암이 어느 정도 진행 된 이후에 발견이 되고, 식도절제술 이외에 치료법이 거의 없기 때문입니다. 식도 선암은 바렛식도 (Barrett's oesophagus)와 관련되어 있다고 알려져 있는데, 바렛식도 환자 중 일부는 이형성 (dysplasia)를 거쳐 식도 선암으로 진행 될 확률이 높다고 알려져 있습니다. 만약 이형성 단계나 초기 식도암 단계를 정밀하게 진단 할 수 있으면, 외과 수술을 통해 악성조직을 제거할 수 있어 환자의 5년 생존율을 크게 늘릴 수 있습니다.

하지만 식도암의 조기 진단은 많은 어려움이 있습니다. 현재 식도암 진단을 위한 표준 방법은 백색광 내시경입니다. 이 방법은 조직의 형태는 정밀하게 관찰 할 수 있으나, 바렛식도, 이형성, 초기 식도암 사이에 뚜렷한 형태차이가 없어 조기진단에 어려움을 겪습니다. 최근 협대역 영상 (narrow-band imaging)기법 또는 자가형광 영상 (autofluorescence imaging)기법 등이 개발되었지만 낮은 민감도 (sensitivity)와 특이도 (specificity)에 의해 식도암 조기 진단 및 치료에 어려움이 있습니다. 시애틀 생검법 (Seattle protocol)과 조직병리학 (histophathology) 기법을 통해 이형성 및 초기 식도암 진단을 하는데, 이는 생검 방법에 의한 표집오차 (sampling error)와 내시경 기법에 비해 오랜 분석시간이 필요하다는 단점이 있습니다.

이런 단점을 극복하고 식도암 조기진단을 위해 새로운 내시경 기법을 개발하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 저희 연구팀은 여러 광학기법 중 초분광 영상(hyperspectral imaging)과 홀로그래피 영상(holographic imaging)을 이용해 식도암 조기진단을 할 수 있는 내시경 개발에 초점을 두었습니다.  저는 두 가지 영상기법 중 초분광 영상 내시경 개발을 진행하였습니다. 초분광 영상은 빛의 스펙트럼(spectrum)을 분석해 파장 (wavelength)에 따른 물질의 광학특성 (흡광도, 자가형광)을 측정하는 기술입니다. 기존의 카메라는 단색 혹은 세 가지 색상 (빨강, 초록, 파랑)을 측정하는데 반해 초분광 영상 카메라는 100개 이상의 색상으로 구분해 영상을 측정합니다. 이 기법은 비행기나 인공위성에서 지표의 구성을 분석하는 원격 탐사 (remote sensing) 분야에서 개발 되었으나, 현재는 생화학 물질이 서로 다른 흡광도를 갖고 있다는 점에 착안해 질병 진단이나 조직의 산소포화도 측정 등 다양한 의생명 분야에 초분광 영상기법을 응용하려는 연구가 진행되고 있습니다.

본 연구에서는 초분광 내시경이 기존의 백색광 영상으로 측정이 불가능 했던 파장에 따른 흡광도 정보를 측정함으로써 정상 식도 조직, 이형성, 초기 식도암을 구분하는 것이 목표였습니다. (그림1)

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초분광 영상기법은 여러 가지 방식이 존재하는데 그 중 라인스캔(line scanning) 초분광 영상기법을 이용해 초분광 내시경 개발연구를 진행하였습니다. 라인스캔기법은 고해상도(high resolution) 스펙트럼 정보를 측정 할 수 있는 장점이 있지만, 영상 복원(image reconstruction)을 위해 영상이 측정된 위치 정보가 필요합니다. 내시경의 유연한 움직임과 환자의 움직임에 의해 체내에서 정확한 영상 측정 위치 정보를 얻는데 큰 어려움이 있습니다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 라인스캔 초분광 영상뿐만 아니라 기존의 백색광 내시경 영상도 함께 얻었습니다. 컴퓨터 비전기술(computer vision technique)를 이용해 여러 백색광 내시경 영상을 하나의 파노라마 영상으로 만들고, 이 과정에서 각 영상의 상대적 위치를 구해 초분광 영상을 복원 하였습니다.

개발된 초분광 내시경을 통해 정상 식도 조직, 바렛식도, 식도암을 체외(ex vivo)에서 측정해본 결과 식도암은 다른 조직들과 뚜렷하게 다른 흡광도를 갖고 있다는 것을 발견했습니다. 향후 개발된 초분광 내시경을 실제 환자에 적용하여 높은 민감도와 특이도로 식도암 조기진단이 가능한지 연구할 계획입니다. 또한 개발된 기술은 식도암뿐만 아니라 대장암, 폐암, 뇌종양 등 다양한 곳에 응용 될 수 있기에 다양한 종류의 질환 진단에 적용하는 연구를 수행하고 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁 드립니다.

제가 있는 연구실은 영국 케임브리지 대학 물리학과 케번디시 연구소 (Cavendish laboratory) 와 영국 암 연구센터 (Cancer Research UK-Cambridge Institute)에 소속되어 있습니다. 케번디시 연구소는 역사적으로 많은 노벨상 수상자를 배출했으며 제임스 클락 맥스웰 (James Clerk Maxwell), J.J. 톰슨 (Joseph John Thomson), 어니스트 러더포드 (Ernst Rutherford)등 교과서에서 볼 수 있는 과학자들이 일한 곳입니다. 또한 왓슨 (Watson)과 크릭 (Crick)이 DNA 이중나선 구조를 발견한 곳으로도 유명합니다. 현재 점점 규모가 커지면서 기초 연구뿐만 아니라 상용화 할 수 있는 다양한 연구를 수행하고 있습니다. 영국 암 연구센터는 암 정복을 위해 많은 그룹이 다양한 기술을 이용해 연구를 수행하고 있습니다. 특히 현미경 센터, 유전학 센터, 통계 센터 등 최신 장비와 전문가로 이루어진 시설이 있어 실험 진행과 분석을 효율적으로 수행 할 수 있습니다. 또한 세포주 관리, 세포 유전자 검사, 멸균처리, 동물관리 및 수술 등도 전문인력이 도움을 주기 때문에 연구자는 본인의 연구에 집중할 수 있다는 장점이 있습니다.

제가 속한 연구실 (VISION laboratory, PI: Dr. Sarah. E. Bohndiek)은 초분광 영상, 광음향 영상 (optoacoustic imaging), 홀로그래피 영상 등 다양한 광학기법을 암 진단 및 치료에 응용 할 수 있는 중계연구 (translational research)를 수행하고 있습니다. 특히 임상연구에 초점을 두어 케임브리지에 위치한 Addenbrooke's 병원과 활발히 공동연구를 수행하고 있습니다.

3. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

저는 임상에서 실제 환자에게 적용하여 질병 진단이나 치료에 도움이 되는 광학 장비를 개발하고자 현재 연구실에서 박사후과정을 시작하였습니다. 초분광 내시경 개발을 위해서 광학, 의학, 생명, 전산 등 다양한 분야의 지식과 기술의 융합적 접근방법이 필요했는데 KAIST 바이오및뇌공학과와 물리학과 박용근 교수님 연구실에서 연구를 한 경험이 융합연구를 수행하는데 큰 도움이 되었습니다. 여러 분야를 공부하고 응용한다는 것은 많은 어려움이 있지만, 융합적 접근을 통해 기존의 단점을 극복하고 새로운 가능성을 밝혀내는 것에 큰 보람을 느꼈습니다. 또한 병원에서 의사 선생님들과 토론을 하고 환자들을 만나 이야기를 나눌 때면 현재 진행하는 연구가 의미 있는 일이라는 생각이 들어 동기부여가 됩니다. 이런 동기부여가 여러 제약이 많은 임상연구를 수행하는데 큰 원동력이 된다고 생각합니다.

4. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

의광학 분야는 굉장히 빠르게 발전하는 분야로써 새로운 기술과 기존의 방법보다 향상된 내용을 보고하는 논문이 경쟁적으로 출판됩니다. 또한 다양한 분야의 지식과 기술을 공부하고 응용하는 융합적 연구방법이 필수인 분야입니다. 이런 환경은 처음 연구를 시작하는 학생들에게 큰 스트레스로 다가올 수 있습니다. 하지만 경쟁적인 환경은 곧 의광학 분야가 의생명 연구에 필수적이며 잠재력이 큰 분야라는 것을 의미합니다. 본인에게 동기부여가 되는 연구주제를 선정하고 연구과정 중에 오는 스트레스를 취미활동 등을 통해 관리를 잘 하면 좋은 연구를 할 수 있다고 생각합니다.

또 한가지 말씀 드리고 싶은 것은 임상관련 연구에 관한 것입니다. 임상적용을 위한 연구 승인을 위해서 많은 서류작업이 필요하고, 연구 승인까지 짧게는 수 개월에서 길게는 수년의 시간이 필요합니다. 또한 환자에게 적용할 수 있는 장비나 기술의 선택이 매우 제한적입니다. 이는 유의미한 환자 데이터를 얻기 전까지 논문 출판에 어려움이 있다는 것을 뜻합니다. 과학자에게 논문이 전부가 아니지만 하나의 중요한 평가지표이기 때문에 학위과정 중 임상관련 연구를 수행하려는 계획이 있는 분들은 현실적인 조건들도 생각해 보는 것이 좋다고 생각합니다.

5. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

현재 개발된 초분광 내시경의 식도암, 대장암 임상시험을 앞두고 있습니다. 초분광 내시경이 실제 질병 진단에 이용될 수 있는지 연구를 진행해볼 예정입니다. 이와 동시에 조직의 흡광도 및 산란, 3차원 형태를 동시에 측정하는 장비도 개발 하고 있습니다. 조직에서 여러 광학특성을 측정한 후 인공지능을 통해 질병을 진단 할 수 있는지 연구할 예정입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들....

한 사람의 연구자가 되기까지 연구 지도를 해주신 최철희 교수님과 박용근 교수님께 감사의 인사를 드리고 싶습니다. 또한 현재 연구 진행에 물심양면으로 지원을 해 주시는 Sarah Bohndiek 교수님과 Vision Laboratory 동료들에게도 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.

이 자리를 통해 머나먼 영국에서 용기를 잃지 말고 지내라고 응원해주시는 부모님, 장인어른, 장모님께 감사의 마음을 전하고 싶습니다. 그리고 항상 가족으로서 선배로서 저에게 많은 조언을 해주는 형에게 고맙다고 말하고 싶습니다. 끝으로 영국에 함께 와서 정서적으로 많은 지지를 해주고 응원해주는 세상에서 제일 현명하고 자랑스러운 아내에게 감사를 드립니다.


 등록일 2019-05-14
Category: Biotechnology, Cancer Biology/Oncology
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