DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 유재석 교수‧뇌과학과 현정호 교수 연구팀(주저자: 성효진‧정진환 박사과정생)이 초음파로 혈관을 관찰하는 기술을 한 단계 발전시켰다. 연구팀은 초음파 기반 초해상 영상 기술인 ‘초음파 국소화 현미경(ULM, Ultrasound Localization Microscopy)’ 의 효율성을 크게 높인 ‘ULM-Lite’를 개발해, 적은 데이터로도 미세혈관을 선명하게 볼 수 있는 길을 열었다.

병원에서 흔히 사용하는 초음파는 인체 내부 장기의 형태나 움직임을 관찰하는 데 유용하다. 하지만 머리카락보다 얇은 미세혈관을 구분하기에는 한계가 있었다. 이를 보완하기 위해 개발된 기술이 ‘ULM(초음파 국소화 현미경)’이다. 혈액 속에 있는 초음파 조영제(마이크로버블)를 따라가며, 그 움직임을 일일이 추적해 미세혈관의 구조를 초고해상도로 재구성하는 기술이다. 그 점들이 모여 만들어내는 궤적을 분석하면, 기존 초음파로는 전혀 보이지 않던 머리카락 굵기의 수십 분의 1 수준의 혈관 지도를 그릴 수 있다.

문제는 이 기술이 너무 무겁다는 것이다. ULM은 매우 빠른 속도로 수천 장의 초음파 영상을 촬영하고, 그 안에서 수많은 마이크로버블이 움직이는 신호를 하나하나 찾아내야 한다. 이 과정에서 초당 수 기가바이트(GB) 수준의 데이터가 쏟아진다. 마치 영화 한 편을 프레임 하나하나 손으로 그려서 만드는 것과 같다. 결과물은 매우 정교하지만 시간과 자원이 너무 많이 드는 방식이다. 이 때문에 기존의 ULM은 장시간 실험이나, 즉시 결과를 확인해야 하는 실제 의료 현장에는 적용이 어려웠다. 

유재석‧현정호 교수팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, 초음파 신호 중 핵심 정보만 남기고 불필요한 데이터를 과감히 줄이는 새로운 분석 방식을 고안했다. 연구팀은 신호의 ‘유효 대역폭’을 약 67%로 줄이고, 혈관의 구조를 그리는 데 꼭 필요한 정보만 효율적으로 추출하는 ‘ULM-Lite’ 방식을 고안했다. 그 결과, 데이터 용량은 줄었지만 영상의 선명도는 거의 변함이 없었고, 처리 속도는 훨씬 빨라졌다.

이번 연구의 핵심은 기존 초음파 장비를 그대로 쓰면서도 데이터를 크게 줄였다는 점이다. ‘ULM Lite’는 초음파 신호 중 꼭 필요한 정보만 남겨 데이터량을 약 3분의 1로 줄였지만, 화질은 기존과 거의 같다. 별도 장비 교체 없이 적용할 수 있고, 영상 처리 속도도 약 30% 빨라졌다. 또 수술이나 형광물질 없이 비침습적으로 뇌 전체를 선명하게 볼 수 있어, 뇌 연구와 질환 진단의 효율성을 크게 높였다. 뇌의 자극 치료와 행동 변화 관찰을 위한 도구로 활용 가능성이 높다.

유재석 교수는 “본 기술을 활용하여 개발 중인 비침습 초음파 뇌자극 기술과의 융합을 통해 각종 다양한 뇌질환 진단 치료에 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF) 과학기술정보통신부 및 교육부에서 지원하는 우수신진연구와 글로컬랩, DGIST R&D Program의 지원을 받아 수행되었으며, 의료 초음파 분야의 세계적 학술지 『Ultrasonics』에 게재됐다.

연 구 결 과 개 요
Ultrasound Localization Microscopy Lite (ULM Lite): Ultrasound Localization Microscopy with Resource-Efficient Signal Processing Scheme
(Hyojin Seong, Jinhwan Jung, Dongkyu Jung, Nizar Guezzi, Sangwoo Nam, Sangheon Lee, Muhammad Noman, Taehoon Her, Eungyeong Cho, Heechul Yoon, Taeyoung Lee, Jung Ho Hyun*, and Jaesok Yu*)
(Ultrasonics published on October 15, 2025)

본 연구에서는 초음파 국소화 현미경(ULM)의 데이터 병목 문제를 해결하기 위해 대역 제한과 서브나이퀴스트 표본화를 결합한 자원 효율형 신호처리 체계 ‘ULM Lite’를 개발하였다. 이 방법은 초음파 신호의 유효 주파수 범위를 약 67%로 줄이고, 그에 맞춰 샘플링 속도를 낮추어 데이터 발생량을 구조적으로 감소시킨 것이 특징이다.
ULM Lite는 기존 ULM 파이프라인을 그대로 사용할 수 있어 하드웨어 변경 없이 적용 가능하며, 일부 고주파 성분을 줄이더라도 점상 신호 중심의 위치 추정 정확도가 유지되어 해상도 저하가 거의 발생하지 않는다는 점을 입증했다.
시뮬레이션, 팬텀 실험, 생체(마우스 뇌) 실험 결과 ULM Lite는 데이터 크기를 약 3분의 1로 줄이면서도 기존 ULM과 거의 동일한 초해상 화질을 보여주었다. 영상 품질 차이는 평균 1~2 dB 이내였으며, 혈류 속도 지도 역시 높은 일치도를 나타냈다. 또한 데이터 감소로 인해 후처리 시간은 약 30% 단축되었다.
특히 본 기술은 수술이나 바이러스 주입 없이 전체 뇌 영상을 매우 효율적으로 촬영할 수 있게 함으로써, 뇌과학 및 뇌영상 분야에 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대된다. 기존에는 두개골을 열어야 하거나, 특수한 형광물질을 사용해야 하거나, 뇌의 일부분만 관찰할 수 있는 제한적인 방법들이 주로 사용되었다. 이와 달리 ULM Lite는 비침습적으로 뇌 전체를 한 번에 관찰할 수 있다는 점에서 차별화된다. 더욱이 뇌의 신경 활동과 혈류 변화 간의 관계를 훨씬 적은 데이터로도 정밀하게 측정할 수 있어, 뇌 기능 연구의 효율성과 접근성을 크게 향상시킬 것으로 전망된다.
결과적으로 본 연구는 신호 처리 측면에서 ULM을 재설계함으로써 영상 화질과 정량성을 유지하면서 데이터 병목을 근본적으로 해소할 수 있음을 보여주었다. 이를 통해 동일한 장비로 장시간 기록과 3D 영상 확장이 가능해졌으며, 기능성 뇌혈류 관측, 종양 혈관성 평가, 약물 반응 모니터링 등 다양한 생의학 응용 분야에서 활용 가능성을 크게 높였다.
ULM Lite는 기존 연구 및 임상 현장에 쉽게 적용할 수 있는 실용적인 솔루션으로, 저장·전송·연산 비용을 줄이면서도 초음파 초해상 영상 기술의 활용 범위를 크게 확장할 수 있다. 특히 비침습적이고 방사선 노출이 없으며, 실시간 촬영이 가능하다는 장점으로 인해 뇌졸중, 치매, 뇌종양 등 다양한 뇌질환의 조기 진단과 치료 효과 판정에 활용될 수 있는 임상적 적용 가능성이 매우 높은 기술로 평가된다.

이번 성과 무엇이 다른가
초음파 국소화 현미경(ULM)의 병목이던 데이터량을 취득 단계에서 약 1/3로 축소하면서도, 해상도·속도 지도 정확도는 사실상 동등하게 유지했다. 하드웨어 교체 없이 대역 제한 + 서브나이퀴스트 표본화만으로 달성해, 기존 워크플로우에 즉시 통합이 가능하다. 데이터·연산 예산을 줄였다는 점에서, ULM의 “품질 저하 없는 경량화”를 처음으로 실증했다.

어디에 쓸 수 있나
비침습적으로 전체 뇌 혈류를 실시간 관찰하여 뇌졸중, 치매, 뇌종양 등의 조기 진단과 치료 효과 판정에 활용할 수 있다. 장시간 뇌혈류 관측, 약물 반응·혈관 재형성 추적, 대용적/3D ULM, 이동형·저전력 시스템에 바로 쓸 수 있다. 저장·전송 부담이 낮아 멀티-동물, 장기간 시계열, 대면적 스캔 등 확장 실험 설계에 유리하다. 임상 쪽에선 미세혈류 평가(종양 혈관성, 허혈 경계, 이식편 관류 등)로의 전임상–임상 번역을 가속할 기반이 된다.

실용화까지 필요한 시간과 과제는
연구 현장용은 즉시 적용 가능(소프트웨어 업데이트 수준). 다만 실시간화를 위해 FPGA/GPU 파이프라인 최적화, 3D 프로브·행렬 배열과의 결합, 표준화된 마이크로버블 투여·안전성 가이드가 필요하다. 임상 적용은 데이터 표준·품질관리(QC), 규제 문서화, 다기관 재현성 확보 등으로 중기(약 3–5년) 로 본다.

연구를 시작한 계기는
ULM이 뛰어난데도 데이터가 너무 커서 ‘오래·넓게·깊게’ 보지 못하는 한계를 현장에서 반복적으로 겪었다. “국소화 해상도는 centroid 정확도가 좌우한다면, 신호의 대역폭을 줄여도 되지 않을까?”라는 가설에서 출발했다. 신호처리만 손봐도 연구 스케일을 키울 수 있다는 확신이 동력이었다.

어떤 의미가 있는가
ULM을 신호 처리 관점에서 재설계해, 품질은 지키고 리소스만 줄이는 새로운 사용법을 제시했다는 점이 크다. 이는 ULM을 “한 번 찍고 끝”에서 장시간·대용적 모니터링 플랫폼으로 전환시키는 전환점이다. 더 많은 연구자와 장비에서 접근 가능성을 높였다는 점에서 파급력이 크며, 수술이나 방사선 노출 없이 뇌 전체를 정밀하게 관찰할 수 있어 뇌과학 연구와 임상 진단의 새로운 전환점을 마련했다.

꼭 이루고 싶은 목표는
ULM Lite를 3D·실시간까지 구현하여, 행동 중 동물·침상 옆(bedside) 연속 관측을 현실화하고 싶다. 데이터 표준·오픈 소프트웨어로 생태계를 열어, 누구나 장시간 미세혈류를 저비용·저장 부담으로 본다고 말할 수 있게 만드는 것이 목표다. 마지막으로, 이 기술을 임상 현장에 도입하여 신경 혈관 질환의 조기 지표를 찾는 데 기여함으로써 뇌질환 환자들이 더 안전하고 정확한 진단을 받을 수 있도록 하는 것이 목표이다.