POSTECH(포항공과대학교) 전자전기공학과·IT융합공학과·기계공학과·융합대학원 김철홍 교수 연구팀이 가톨릭대의대 의공학교실·의과학과 최원석 교수(POSTECH 전자전기공학과 졸업), 허베이의대 산과 Zhifen Yang 교수 연구팀과 함께 빛과 소리를 활용해 태반을 정밀하게 관찰할 수 있는 최신 의료영상 기술을 정리하고, 임신 합병증을 조기에 발견할 가능성을 제시했다. 이번 리뷰 논문은 국제 학술지 중 하나인 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 최근 게재됐다.

임신 기간에만 존재하는 장기가 있다. 바로 아기와 엄마를 이어 주는 태반이다. 태반은 산소와 영양분을 전달하고 호르몬을 분비하며 면역을 조절하는 등 임신 유지에 핵심적인 역할을 한다. 태반 기능에 문제가 생기면 임신중독증, 태아 성장 제한, 조산, 반복 유산과 같은 심각한 합병증으로 이어질 수 있어 임신 중 태반 상태를 정확히 파악하는 것이 매우 중요하다. 그러나 출산과 함께 사라지는 특성 때문에 연구가 쉽지 않아 오랫동안 ‘미지의 장기’로 남아있었다.

현재 가장 널리 쓰이는 방법은 초음파 검사다. 안전하고 접근성이 뛰어나지만, 태반 미세혈관이나 구조나 기능 변화를 정밀하게 파악하는 데는 한계가 있다. 연구진은 이를 보완할 기술로 ‘광음향 영상(Photoacoustic imaging)’에 주목했다.

광음향 영상은 혈액 속 헤모글로빈이 빛을 흡수할 때 발생하는 초음파 신호를 활용해 혈관 구조와 산소 상태를 동시에 보여준다. 기존 초음파의 깊은 조직 관찰 능력과 결합하면 태반 구조, 혈류, 산소 공급 상태를 한 번에 분석할 수 있다. 연구팀은 다양한 초음파 기법과 광음향 기술을 체계적으로 정리하고, 동물 및 전임상 연구 사례를 통해 태반 혈관 재형성과 산소 변화의 영상화 가능성을 제시했다.

뿐만 아니라, 기존 초음파 영상을 넘어 혈류 흐름을 매우 빠르게 포착하는 ‘초고속 도플러 영상’, 조직의 물리적 특성을 수치화하는 ‘정량 초음파’, 조직의 단단함을 측정하는 ‘전단파 탄성 영상’ 등 최신 초음파 기술을 활용해 태반 미세혈관의 혈류와 기능을 직접 평가하려는 연구가 빠르게 늘고 있음을 강조했다. 또한, 연구팀은 향후 영상 지표 표준화, 반복 측정 신뢰성 확보, 인공지능 기반 분석 도입이 이루어진다면 임신 합병증 조기 진단과 예후 예측에 큰 도움이 될 것으로 전망했다.

이번 연구는 단순 영상 기술 정리에서 나아가 산모와 태아의 건강을 지키는 미래 의료 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 김철홍 교수는 “빛과 소리를 활용해 미지의 영역으로 남아있던 태반을 읽어낼 길이 열리고 있다”라며 “임신 합병증을 빨리 이해하고 예방하는 전환점이 되길 기대한다”라고 전했다. 최원석 교수는 “초음파 기술 발전으로 태반 진단의 새로운 방법이 세계적으로 연구되고 있다”라며 “실제 현장에서 활용되는 기술로 이어지길 기대한다”라고 말했다.

한편, POSTECH 김철홍 교수, IT융합공학과 통합과정 이동현 씨, IT융합공학과 통합과정 김지웅 씨, 전자전기공학과 박사과정 허진석 씨, IT융합공학과 통합과정 전현서 씨, 가톨릭대의대 최원석 교수, 중국 허베이의대 Zhifen Yang 교수, 조직학·발생학과 Shiyang Chang 씨가 수행한 이번 연구는 교육부, 과학기술정보통신부, 보건복지부, BK21 FOUR 사업과 중국 국가 및 허베이성 연구지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.
 
논문정보

논문명 From light to sound: Seeing and hearing the placenta in health and disease (빛에서 소리로: 정상 및 질환 상태의 태반을 보고 듣다)

연구자(주저자) 이동현(공동1저자, POSTECH), 김지웅(공동1저자, POSTECH), 허진석(공동저자, POSTECH), 전현서(공동저자, POSTECH), Shiyang Chang(공동저자, 허베이의대), 최원석(공동교신저자, 가톨릭대의대), 김철홍(공동교신저자, POSTECH), Zhifen Yang(공동교신저자, 허베이의대)

DOI https://doi.org/10.1126/sciadv.aed2184 

태반 이상에 기인한 주산기 질환과 영상 접근법에 대한 개요 [사진=POSTECH]
태반 영상 모달리티의 성능 비교 및 요약 [사진=POSTECH]연구 개요

□ 연구배경
태반은 임신 기간 중 산모와 태아 사이의 가스 교환, 영양분 전달, 면역 보호 및 호르몬 분비를 담당하는 핵심 기관이지만, 기존의 영상 기법으로는 출산 전까지 그 구조와 기능적 변화를 실시간으로 파악하는데 한계가 있음. 현재 임상에서 표준으로 사용되는 초음파 영상은 뛰어난 안전성과 실시간성을 갖추고 있으나, 주로 태반의 형태학적 정보나 주요 혈관의 혈류 속도 관찰에 국한되어 있어 미세혈관의 관류 상태나 혈액 산소포화도와 같은 기능적 변화를 정밀하게 평가하기에는 한계가 있기 때문임. 이에 따라 임신중독증(PE), 태아 성장 제한(FGR), 태반 유착 (PAS) 등 치명적인 주산기 질환을 조기에 진단하고 적절한 중재 시기를 결정하기 위해, 비침습적이면서도 고해상도의 기능적, 분자적 정보를 제공할 수 있는 첨단 영상 기술에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 옴.
 
□ 주요내용
본 연구팀은 이번 리뷰 논문을 통해 초음파와 광음향 영상 기술이 태반 및 태아 연구에서 어떻게 상호 보완적으로 활용될 수 있는지를 체계적으로 분석하고 향후 방향성을 제시하였음. 구체적으로 초고속 도플러(UFD), 정량 초음파(QUS), 전단파 탄성 영상(SWE) 등 고도화된 초음파 기법이 태반의 해부학적 구조와 조직 특성 평가에 기여하는 바를 정리하였으며, 헤모글로빈의 광학적 흡수 특성을 이용해 혈관 구조와 산소포화도를 동시에 시각화하는 광음향 영상(PAI)의 전임상·임상적 가치를 조명하였음. 특히 초음파의 깊은 조직 투과력과 광음향 영상의 기능적 민감도를 결합한 융합 영상 플랫폼이 태반 저산소증과 같은 질환의 병리학적 기전을 이해하는 데 핵심적인 역할을 할 수 있음을 강조하고, 이를 실제 임상으로 연계하기 위한 단계별 기술적 로드맵과 안전성 가이드 라인에 대해 상세히 논의하였음.

□ 기대효과
이번 리뷰 논문의 제시는 그간 파편화되어 있던 초음파 및 광음향 기반 태반 영상 연구들을 하나의 리뷰 논문으로 정리함으로써, 관련 분야 연구자들에게 명확한 연구 지표와 표준화된 가이드라인을 제공하는 학술적 토대를 마련하였음. 특히 기초 공학적 영상 기술과 실제 임상 진단 사이의 간극을 메울 수 있는 구체적인 기술적 해결 방안과 임상 전환 로드맵을 제시함으로써, 차세대 태반 영상 기기 개발 및 실용화를 앞당기는 촉매제가 될 것으로 기대함. 나아가 인공지능(AI) 기반 분석, 웨어러블 모니터링, 치료와 진단을 동시에 수행하는 테라노스틱스(Theranostics) 등 미래 지향적 연구 과제들을 구체화함으로써, 산부인과 영상 의학의 새로운 패러다임을 정립하고 관련 산업의 글로벌 경쟁력을 확보하는 데 기여할 것임.