(The sharp inner needle (schematic and inset photo) used to puncture the cardiac septumto gain access to the left atrium can be safely recessed within a blunt outer needle cannula. After puncturing, the dilator sheath is advanced over the needle intothe left atrium. The probe includes two optical fibers positioned within the inner needle for pulse-echo ultrasound imaging: one for transmission (Tx) with thedelivery of pulsed excitation light to an optically absorbing coating and one for reception (Rx) with the delivery of continuous-wave (CW) light to a Fabry-Pérotcavity. Acoustic isolation between the Tx and Rx fibers is provided by a thin metal septum. Scale bar, 500 μm. Credit: Finlay et al.)
(Two-dimensional all-optical ultrasound imaging (B-Mode) acquired during the manual translation of the needle tip across a distance of 4 cm. As theneedle tip progressed from the high right atrium to the inferior vena cava, the thin foramen ovale manifested as a hypoechoic region between the thicklimbus fossae ovalis and the tendon of Todaro (with a diagonal artifact from the ICE catheter and sheath). X-ray fluoroscopic imaging was acquiredconcurrently (inset). Credit: Finlay et al)
초음파는 현재 다양한 의료 영역에서 진단 목적으로 사용되고 있습니다. 인체의 다양한 조직과 장기에 초음파를 통과시켜 반사되는 정도를 확인하면 내부 구조를 확인하는 방식인데, 여기에도 도플러 효과를 이용해서 혈액이나 근육의 움직임을 확인하는 등 여러 가지 응용이 존재합니다. 더 나아가 초음파 진단 기기 역시 소형화되면서 과거에는 생각하기 힘든 크기의 초음파 진단 장치가 등장했습니다.
영국의 유니버시티 칼리지 런던, 퀸메리 대학 등 여러 연구기관들은 바늘 안에 들어갈 수 있는 새로운 광학 초음파 기기(optical ultrasound needle)를 개발했습니다. 수mm에 불과한 바늘 끝에 프로브를 넣고 전방 2.5cm 정도 깊이의 조직에 고해상도 초음파 이미지를 얻는 장비입니다. 이것만으로도 놀랍지만, 더 놀라운 일은 해상도로 최대 분해능이 64㎛ 혹은 0.064mm에 불과하다고 합니다. 이는 적혈구 9개 두께에 불과한 크기입니다.
이런 일이 가능한 이유는 탄소 나노튜브 메쉬 구조 덕분이라고 합니다. 펄스 레이저가 이 탄소 나노튜브에 흡수되면 photoacoustic effect에 의해 초음파가 발생해 매우 작은 크기의 초음파 발생 장치가 가능하다고 합니다.
바늘 속에 초음파 기기는 인체의 다양한 장기에 적용이 가능하지만, 우선적으로 적용이 기대되는 분야는 심장 부분입니다. 빠르게 움직이는 장기일 뿐 아니라 예민한 구조물이 많아 매우 정교하게 시술을 할 필요가 있습니다. 물론 흉부를 통해서 보는 심초음파는 이미 널리 사용되고 있으나 최근 이렇게 병변 바로 앞에서 확인할 수 있는 기술이 발전하고 있어 앞으로 이 분야에서 더 많은 발전이 기대됩니다.
최근 초미세 진단 기술이 점차 발전하고 있어 장기에서 조직으로 그 정확도가 향상되고 있습니다. 이를 통해 환자에게 덜 침습적이고 더 정교한 치료가 가능해질 것으로 기대됩니다.
참고
'Through-Needle All-Optical Ultrasound Imaging In Vivo: A Pre-clinical Swine Study' Light: Science & Applications (2017). DOI: 10.1038/lsa.2017.103
James A. Guggenheim et al. Ultrasensitive plano-concave optical microresonators for ultrasound sensing, Nature Photonics (2017). DOI: 10.1038/s41566-017-0027-x
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