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

광음향 컴퓨터 단층촬영 (PACT, Photoacoustic Computed Tomography)은 레이저 펄스를 사용하여 신체 내부에서 음향 신호를 발생시키고, 이를 반구형 초음파 센서 배열로 다각도에서 감지하는 기술입니다. 이 PACT는 기존 의료영상 기법인 CT, MRI, PET보다 더 다양한 정보들을 제공합니다. 특히, 구조적/기능적/분자적 종양 특성 정보를 통합적으로 제공하기 때문에 암의 진단 및 연구 분야에서 그 유용성이 매우 높습니다. 그러나 고사양 PACT 시스템은 수많은 센서의 사용으로 인해 막대한 데이터 부하를 발생시킵니다. 이로 인해 영상화 속도가 저하되어 실시간 동적 영상 획득이 어렵다는 한계가 있습니다. 더불어, 장비 구축 및 운영에 높은 비용이 수반된다는 문제점도 존재합니다. 이를 해결하기 위해, 적은 수의 센서로 구성된 저사양 PACT를 사용하기도 하지만, 제한된 정보량으로 인해 영상화질이 좋지 않은 문제가 발생합니다.
본 연구에서는 저사양 PACT 사용하여 데이터 습득 속도를 증가시키되, 이로 인해 발생하는 저화질 문제를 인공지능 기술로 해결하는 딥러닝 기반 PACT 시스템을 제안하였습니다. 딥러닝 디퓨전 기술과 Mamba, transformer, convolution 개념을 혼합한 hybrid Mamba 모듈을 활용하여 hybrid diffusion 모델을 만들어 저사양 PACT 시스템에 결합하였습니다. 광음향에 최적화된 순방향 과정 (forward process) 필터를 설계하여 모델 추론속도를 매우 감소시켰고, hybrid Mamba 모듈을 통해 구조적/기능적 정보를 향상시켰습니다. 이를 통해, 저사양 PACT 시스템으로도 종양 초기 단계에서 발생하는 혈관 신생(angiogenesis)과 저산소증(hypoxia)을 관찰할 수 있음을 증명할 수 있었습니다. 또한, 극도로 적은 수의 센서로 구성된 PACT 시스템에서도 고화질 영상 재구성을 가능하게 하여 실시간 동적 영상을 제공하였습니다.
PACT 기술은 방사선 등의 위험 노출이 적은 안전한 영상법입니다. 또한, 인공지능 기술을 통해 실시간 PACT의 가능성을 확인했으며, 이에 따라 실시간 관찰이 필요한 종양 혈류역학과 약물 동태학적 변화 (pharmacokinetics)를 정밀 분석하는 데 기여할 것으로 기대하고 있습니다.

2. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

저는 포항공과대학교 생체광음향연구실 소속으로, 김철홍 교수님 지도하에 인공지능 대학원 박사과정을 밟고 있습니다. 저희 연구실은 다양한 학과 배경을 가진 우수한 연구진과의 협업을 통해, 광음향, 초고속 도플러, 인공지능 기술을 결합한 연구를 활발히 수행하고 있습니다. 이처럼 폭넓은 연구를 바탕으로, 임상 현장에서 쓰일 수 있는 실용적인 기술을 개발하는데 집중하고 있습니다.

3. 연구 활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

연구 활동을 하면서 다양한 학문 분야를 융합적으로 탐구할 수 있었다는 것이 가장 큰 경험이었습니다. 특히, 기존 의료 영상 기술의 한계를 뛰어넘기 위해 인공지능 모델이 어떤 기술적, 임상적 측면을 고려해야 하는지 깊이 있게 배울 수 있었습니다. 또한, 다양한 분야의 최신 기술과 이론을 통해 인공지능 모델의 실용적인 가치를 입증했을 때 가장 큰 자부심을 느꼈습니다.

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

융합 연구에서는 통합적인 사고방식이 무엇보다 중요하다고 생각합니다. 단일 분야만 깊이 있게 연구하다 보면 자신의 영역만 중요하게 여기기 쉽습니다. 그보다는 먼저, 각기 다른 분야가 서로 융합되었을 때 극복할 수 있는 한계점이 무엇인지 논의할 수 있는 개방적인 자세가 필요합니다. 이러한 융합연구를 위해, 자신의 전문 분야를 친절하고 쉽게 설명하여 다른 연구자들을 설득하고 이해시키는 커뮤니케이션 역량이 매우 도움될 것으로 생각됩니다.

5. 연구 활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

앞으로는 인공지능 모델을 의료기기에 임베딩하여 실시간 진단 및 분석에 직접적으로 기여하는 연구를 추진하고 싶습니다. 이를 위해, 의료 기기의 하드웨어적 한계를 근본적으로 이해하고, 해당 문제 해결에 최적화된 인공지능 모델을 제시하는 연구를 진행할 계획입니다. 나아가, 실제 임상 환경에서 의사와 환자가 필요로 하는 실질적인 가치를 제공하는 인공지능 솔루션을 개발하는 데 주력할 것입니다.

6. 다른 하시고 싶은 이야기들.....

먼저, 저에게 변함없는 믿음과 전폭적인 지원을 아끼지 않으신 김철홍 교수님께 깊이 감사드립니다. 또한, 연구 과정에서 밤낮없이 헌신해준 오승훈 님과 미국 현지에서도 열정적으로 협력해준 최성욱 님에게 특별한 감사를 전합니다. 늘 어떠한 질문에도 친절하게 도움을 준 우리 생체광음향연구실 구성원 모두에게도 감사 인사를 전하며, 마지막으로 언제나 저를 전적으로 응원해준 가족들에게 깊은 사랑과 감사를 전합니다.