광메카트로닉스공학과 이휘돈 교수 연구팀이 망막의 미세혈관 영상의 대비를 획기적으로 향상시킴으로써 안과 질환 조기 진단이 가능한 새로운 영상 시스템을 개발했다. 

대부분의 망막 질환은 내부 미세혈관 문제로 발생하며, 망막 질환의 초기 발견 및 대처는 시력 보전에 필수적이다. 특히 황반변성, 당뇨망막병증 같은 망막 질환은 실명을 유발하는 질환으로 노화와 관련이 있어 고령화 시대에 지속적으로 증가하는 추세다. 

망막 미세혈관의 구조적 변화를 분석하는 것이 당뇨망막병증, 녹내장 등의 조기 진단과 진행 상태 평가에 중요한 역할을 하지만, 기존 혈관조영술은 조영제를 투입하는 침습적 방식이고, 깊은 미세혈관의 구조를 고해상도·고대비로 시각화하는 데 기술적 한계가 있었다. 이에, 보다 높은 대비와 정확도를 가진 새로운 영상 기술이 필요했다.

연구팀은 위상-잠금 시간-펼침 광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography, OCT)* 기술을 활용해 망막 미세혈관을 고대비로 시각화하는 새로운 이미징 기법을 제안했다. 파장 가변 레이저의 간섭 특성을 활용한 OCT 혈관조영술 기법을 이용해, 조영제 투여 없이(Label-free) 망막의 미세혈관을 더 선명하게 볼 수 있는 기술을 개발한 것이다.

* 위상-잠금(Phase-Locked): 신호 간 위상을 일정하게 유지해 영상의 안정성과 해상도를 높이는 기술

* 시간-펼침(Time-Stretch): 초고속 광학 신호를 시간적으로 늘려 더 정밀하게 분석할 수 있도록 하는 기술

* 광간섭 단층촬영(OCT): 빛의 간섭 현상을 이용해 생체 조직 내부의 단층 영상을 획득하는 의료 영상 기술

이 시스템은 5MHz A-line rate(깊이 방향 영상 획득 속도)와 0.31nm 수준의 변위 민감도를 갖추고 있으며, 102nm의 스펙트럼 대역폭과 약 10mm의 코히런스(Coherence, 결맞음) 길이를 확보했다. 최대 2mm의 공기 중 영상 심도를 가지며, 기존 대비 높은 영상 해상도와 안정적인 위상 민감도를 제공한다. 이러한 기술은 당뇨망막병증, 녹내장, 알츠하이머와 같은 다양한 안과 및 전신 질환의 조기 진단에 활용될 수 있어 향후 객관적인 진단 지표로서의 역할이 기대된다.

이번 연구 성과는 JCR 상위 3.2%의 세계적인 의과학 학술지 『IEEE Transactions on Medical Imaging』 온라인 3월 26일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Phase-Locked Time-Stretch Optical Coherence Tomography for Contrast-Enhanced Retinal Microangiography(위상-잠금 시간-펼침 광간섭 단층촬영을 이용한 초고해상도/고대비 망막 미세혈관 이미징)

- 논문 링크: https://dx.doi.org/10.1109/TMI.2025.3555112 

【(왼쪽부터) 이휘돈 교수, 김경훈 박사】 

해당 연구는 한국연구재단과 한국보건산업진흥원의 지원을 받았으며, 광메카트로닉스공학과 및 ERC 컬러변조 인지기술선도연구센터 이휘돈 교수가 교신저자, 인지메카트로닉스공학과에서 박사 학위를 취득하고 현재 하버드 의과대학에 박사후 연구원으로 재직 중인 김경훈 박사가 제1저자로 수행했다. 

또한, 의학과 김형회 교수와 ERC 컬러변조 인지기술선도연구센터의 김창석(센터장) 교수, 박성진 박사, 엄태중 광메카트로닉스공학과 교수와 한국광기술원 신준근 박사가 연구에 참여했다.

이휘돈 교수는 “이번 연구는 기존 광간섭 단층촬영의 한계를 극복한 획기적인 접근으로, 조영제 없이도 고해상도·고대비로 망막 미세혈관을 영상화할 수 있는 기술”이라며 “우리는 이 기술을 통해, 초고속(5MHz)으로 신호를 획득하고, 위상 안정성(4.8 mrad)을 유지하며, 고해상도(7.8μm 축 방향, 7.4μm 횡 방향) 영상을 구현했다. 기존 대비 2배 향상된 스펙트럼 샘플링 능력을 기반으로 3차원 구조에서의 망막 미세혈관 네트워크를 심층까지 시각화할 수 있었다”고 설명했다.

이어 이 교수는 “해당 기술을 안과 진단에 활용 시 망막 미세혈관의 정밀한 시각화가 가능해지므로, 안과 질환의 조기 진단, 특히 깊은 망막 층에서의 병변 모니터링이 더욱 정확해질 것으로 기대된다. 안과 질환의 조기 진단뿐 아니라, 전신 질환과의 연계 연구에서도 중요한 진단 도구로 활용될 수 있어 상용화와 국내 의료기기 산업 경쟁력 강화에도 이바지할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

* 상단 연구 이미지: 왼쪽부터 인간 망막 전영역의 in-vivo Depth-encoded 혈류 분포 영상, 망막 영상의 Segmentation 이후 각 Layer 별 혈관 분포 영상.

[Abstract]

Optical coherence tomography angiography has transformed retinal vascular imaging by providing non-invasive, high-resolution visualization. However, achieving an optimal balance between field of view, resolution, and three-dimensional microvasculature contrast, particularly in deeper retinal layers, remains challenging. A phase-locked time-stretch optical coherence tomography microangiography system is developed to address these limitations with a 5-MHz A-line rate and sub-nm phase sensitivity. Utilizing a dual chirped fiber Bragg grating architecture, the swept-source laser achieves an extended coherence length of ~10 mm and a 102-nm bandwidth. A time-stretch analog-to-digital converter overcomes the limitations of conventional multi-MHz optical coherence tomography systems, ensuring a 2-mm imaging depth in the air with high spatial resolution. The proposed system enables high-contrast, depth-encoded mapping of key retinal structures, including the superficial and deep capillary plexuses and the choriocapillaris. Compared to a state-of-the-art system, the proposed approach demonstrates enhanced resolution, improved contrast, and faster imaging speeds, enhancing its potential for diagnosing and monitoring retinal and systemic diseases like age-related macular degeneration, diabetic retinopathy, and Alzheimer’s disease.

- Authors (Pusan National University)

 · Corresponding author: Hwidon Lee (Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology & Department of Cogno-Mechatronics Engineering) 

 · First author: Gyeong Hun Kim (Engineering Research Center for Color-Modulated Extra-Sensory Perception Technology & Harvard Medical School) 

- Title of original paper: Phase-Locked Time-Stretch Optical Coherence Tomography for Contrast-Enhanced Retinal Microangiography

- Journal: IEEE Transactions on Medical Imaging

- Web link: https://dx.doi.org/10.1109/TMI.2025.3555112 

- Contact email: hwidonlee@pusan.ac.kr