최근 국내 연구진이 수학적 모델링 기법과 초고속카메라를 이용한 실험을 통해 집속초음파의 연조직 제거효과 메커니즘을 최초로 규명했다.

한국과학기술연구원(KIST) 바이오닉스연구단 박기주, 김형민 박사팀이 영국 런던대학교(University College London) 기계공학과 사파리(Saffari) 교수팀과 공동 연구를 통해 강력한 초음파 영역에서 발생하는 음향 공동현상을 예측하는 수학적 모델을 개발하고, 집속초음파의 연조직 제거효과 메커니즘을 학계 최초로 규명했다.

음향 공동현상(acoustic cavitation)이란 액체 내 압력 변화에 의해 기포(버블, 공기방울)가 발생하는 현상 또는 액체 내에 이미 존재하고 있는 기포가 압력 변화에 따라 진동 및 붕괴하는 현상.

초강력 초음파 에너지를 한 곳에 집중시켜 초점 부위 조직을 제거하거나 치료하는 고강도 집속초음파기술은 외과적 수술 없이 종양 제거가 가능해 정상조직의 부작용이 적고 회복 시간도 빨라 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.

대기압의 수백 배에 달하는 수십 메가파스칼(MPa)의 압력 세기를 갖는 고강도집속초음파는 1000분의 1초 남짓한 짧은 시간에 초점 부위의 온도를 끓는점까지 올릴 수 있다. 이때 초점에서 발생한 수증기 기포의 운동에너지를 이용하면 주변 세포 조직을 물리적으로 제거할 수 있지만 이 현상을 완벽하게 설명하는 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

인체조직 모사 실험에서 발생하는 공동현상을 고속카메라를 이용하여 촬영한 결과 및 열확산 방정식을 통해 예측한 온도 매핑 (c, e, g, z-ii) 시뮬레이션 결과.

KIST 연구팀은 먼저 강력한 초음파 영역에서 발생하는 음향 공동현상의 운동변화를 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하고 이를 이용해 세포 조직의 변형률을 계산했다. 이어 인체조직 모사실험을 수행, 이때 발생한 공동현상을 초고속카메라로 촬영했다.

집속초음파 연조직 제거효과(boiling histotripsy)에 의해 물리적으로 제거된 동물 간 조직.

연구진은 정확도를 검증하기 위해 수학적 모델을 이용해 예측한 값과 초고속카메라 촬영 결과를 동일조건에서 비교 분석했다. 그 결과, 기포의 운동에 의해 발생하는 강도는 연조직을 파괴할 수 있을 만큼 강하면서, 혈관이 파괴될 수 있는 강도 보다는 약하다는 것을 밝혀냈다. 이 결과는 고강도 집속초음파의 연조직 제거효과의 메커니즘을 규명하는 것뿐만 아니라, 기포의 운동 변화 및 강도를 조절하면 원하는 세포조직만을 선택적으로 제거 할 수 있는 가능성을 제시했다.

KIST 박기주 박사는 “이번 연구는 초음파를 이용한 연조직 제거 메커니즘을 학계 최초로 규명한 것으로 수학적 모델링 기법으로 최적화된 초음파 조사조건을 찾으면 외과적 수술 없이도 종양치료 및 특정 세포만을 선택하여 제거하는 것이 가능할 전망”라고 설명했다. KIST 김형민 박사는 “지속적인 연구를 통해 향후 항암면역치료와 세포이식술 분야 등에도 활용되는 기술로 발전하길 기대한다.”라고 밝혔다.

본 연구는 KIST 기관고유사업 및 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (IF: 6.01, 음향 관련 연구 논문 분야 순위 1위, JCR 분야 상위 1.61%)에 최신호에 게재됐다.

*(논문명) Mechanical damage induced by the appearance of rectified bubble growth in a viscoelastic medium during boiling histotripsy exposure

– (제1저자, 공동 교신저자) 한국과학기술연구원 박기주 포닥연구원(전문연구요원)

– (공동 교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 선임연구원

*용어설명

초음파(Ultrasound)

일반 사람의 귀가 들을 수 있는 음파의 가청 주파수 영역대는 20 Hz(헤르츠) 에서 20,000 Hz 이다. 가청범위를 넘는 주파수(20,000 Hz 이상)를 가진 음파를 초음파 라고 정의 한다.

고강도집속초음파(High Intensity Focused Ultrasound, 또는 하이푸 (HIFU))

고강도의 초음파 에너지를 한곳에 모아 초점에서 발생하는 고열을 이용하여 수술 없이(비침습) 조직의 열적 괴사를 일으키는 기술 이다. 일반적으로 HIFU에서 사용되는 음향압력보다 수십 배 더 강력한 압력과 펄스화된 초음파 조사조건을 사용하면 초점에서의 연조직 제거 효과를 일으킬 수 있다. 이 기술은 집속초음파 연조직 제거술 (Boiling histotripsy) 이다.