첨단융합학부 및 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 엄태중 교수 연구팀이 미국 캘리포니아공대(Caltech)와의 국제 공동연구를 통해 혈액 내 산소포화도(sO₂)를 보다 안정적으로 정량화할 수 있는 광음향 영상 기술을 개발했다.

연구팀은 광음향 영상 분야의 세계적 석학인 Caltech 리홍 V. 왕 (Lihong V. Wang) 교수와 공동으로 주파수 영역 광음향 현미경(Frequency-Domain Photoacoustic Microscopy, FD-PAM) 기술을 개발해, 혈관 기능 분석과 약물 반응, 치료 효과 평가 등에 활용 가능한 기능성 생체영상 기술의 기반을 마련했다.

산소포화도는 조직에 산소가 얼마나 공급되고 있는지를 보여주는 핵심 생체지표다. 혈관 기능, 대사 변화, 질병 진행 상태 등을 반영하기 때문에 질병 진단은 물론 약물 투여 후 반응이나 치료 효과를 평가하는 데 중요한 정보로 활용될 수 있다.

그러나 기존 광음향 현미경 기술은 여러 파장의 빛을 순차적으로 조사하는 방식이 많았다. 이 경우 살아 있는 생체 조직처럼 미세하게 움직이는 대상에서는 파장별 영상 사이에 시간적 불일치가 발생할 수 있으며, 이는 산소포화도 정량화의 정확도와 신뢰도를 떨어뜨리는 요인으로 작용했다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 두 개의 파장인 488nm와 515nm의 빛을 동시에 조사하면서도, 각 파장을 서로 다른 주파수 신호로 구분할 수 있는 FD-PAM 시스템을 구현했다.

특히 두 개의 음향광학변조기(AOM)를 활용한 간섭 변조 방식을 적용해, 두 파장에서 발생하는 광음향 신호를 공진 초음파 변환기의 좁은 검출 대역 안에서도 안정적으로 분리할 수 있도록 했다. 이를 통해 시간차 없이 다중 파장 정보를 획득하면서도 각각의 신호를 구별할 수 있는 고신뢰도 산소포화도 영상 기술을 구현했다.

【공진 초음파 변환기 기반 간섭 변조 방식의 주파수 영역 광음향 현미경(FD-PAM) 시스템 및 혈액 산소포화도 정량화 검증】

(a) 공진 초음파 변환기 기반 간섭 변조 방식의 주파수 영역 광음향 현미경 시스템 템 구성도.
(b) 공진형 초음파 변환기의 장단점. 정밀하지만 대역폭이 좁아 두 파장을 함께 담기 어려움.
(c) 산소화·혼합·탈산소화 혈액의 산소포화도 영상. (d) 위치별 산소포화도 정량화 결과.

검증 실험에서도 기술의 안정성이 확인됐다. 연구팀은 산소화 혈액, 혼합 혈액, 탈산소화 혈액을 대상으로 산소포화도를 측정했으며, 그 결과의 정확도가 ± 1.7% 이내로 나타났다. 이는 서로 다른 혈액 산소화 상태를 정확히 구분할 수 있음을 보여준다.

이번 기술은 여러 파장의 빛을 시간차 없이 동시에 활용하면서도 주파수 태깅을 통해 각 신호를 분리할 수 있다는 점에서 기존 광음향 현미경 기술의 한계를 보완한 것이다. 향후 혈액 산소포화도 변화, 혈관 기능 변화, 약물 투여에 따른 치료 반응 등을 정량적으로 모니터링하는 기능성 생체영상 기술로 확장될 것으로 기대된다.

교신저자인 엄태중 교수는 “이번 연구는 부산대의 주파수 영역 광음향 현미경 기술과 Caltech 연구팀의 광음향 영상 분야 전문성이 결합된 국제 공동연구 성과”라며 “앞으로 약물 반응과 치료 효과를 정량적으로 평가할 수 있는 고신뢰도 생체영상 기술로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.

이번 연구에는 컬러변조 초감각 인지기술 선도연구센터 이용재 연구교수가 제1저자, 첨단융합학부 엄태중 교수가 교신저자, Caltech 리홍 V. 왕 교수가 공동저자로 참여했다.

해당 연구 성과는 의료기기 분야의 저명한 국제 학술지인 『Photoacoustics』 6월호에 게재됐다. 

- 논문 제목: Frequency-Domain Photoacoustic Microscopy with Resonant Transducer and Interferometric Modulation for High-reliability sO₂ Imaging (공진 초음파 변환기와 간섭 변조 기반 고신뢰도 산소포화도 영상용 주파수 영역 광음향 현미경)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2026.100834 

* 연구진 사진: 오른쪽부터 엄태중 교수, 이용재 연구교수.

[Abstract]

Professor Eom Tae Joong's research team, affiliated with the Division of Advanced Convergence Studies and the Leading Research Center for Color-Modulated Extrasensory Perception Technology at Pusan National University, has developed a photoacoustic imaging technique for more stable quantification of blood oxygen saturation (sO₂), in collaboration with Caltech's Professor Lihong V. Wang.

The team's Frequency-Domain Photoacoustic Microscopy (FD-PAM) simultaneously irradiates two wavelengths, 488 nm and 515 nm, and separates them using distinct frequency signals via two acousto-optic modulators. This overcomes the temporal mismatch problem common in conventional sequential-wavelength systems, particularly when imaging moving biological tissue.

Validation tests measured oxygen saturation in oxygenated, mixed, and deoxygenated blood samples, with accuracy within ± 1.7%, confirming the system's ability to precisely distinguish different oxygenation states.

Professor Eom noted the study combines Pusan National University's FD-PAM technology with Caltech's expertise in photoacoustic imaging, and expressed plans to further develop the technique into a high-reliability biomedical imaging tool for evaluating drug response and treatment efficacy.

The study's first author is Research Professor Yong-Jae Lee, with Professor Eom as corresponding author and Professor Lihong V. Wang as co-author.

- Authors (Pusan National University)

 · First author: Yong-Jae Lee (Engineering Research Center for Color-modulated Extra-sensory Perception Technology)

 · Corresponding author: Tae Joong Eom (School of Transdisciplinary Engineering, Engineering Research Center for Color-modulated Extra-sensory Perception Technology)

- Title of original paper: Frequency-Domain Photoacoustic Microscopy with Resonant Transducer and Interferometric Modulation for High-reliability sO₂ Imaging

- Journal: Photoacoustics

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.pacs.2026.100834 

- Contact e-mail: eomtj@pusan.ac.kr