1. 개요
Near-Infrared Spectroscopy650-1000nm 범위의 파장을 지닌 근적외선이 시료에서 흡수, 반사, 산란되는 현상을 이용해 분석하는 기술이다. 줄여서 NIRS로 쓰며, '니얼스'라 읽는다.
현대에는 생체 조직을 시료로 삼아 비침습적인 체내 진단에 응용하는, 구체적으로는 혈류량, 즉 산소포화도를 폐에서 조직으로 산소를 운반하는 적혈구의 '산화헤모글로빈'과 조직에서 폐로 이산화탄소를 운반하는 적혈구의 '환원헤모글로빈'의 농도 변화를 통해 관찰하도록 응용되고 있다. 병원에 입원하면 심박수 모니터링한다고 손가락에 선달린 집게같이 생긴 거 끼울 일이 있을텐데 (광전용적맥파라 부른다), 그 장비가 바로 근적외선을 이용한 것이다. 스마트폰에 탑재된 심박 센서도 똑같은 원리를 이용한 장비이다. 물론 손가락에 끼우는 게 훨씬 성능이 낫다.[1]
참고로 물리치료에 사용하는 따뜻한 적외선 장치는 파장이 긴 원적외선을 사용하며, 파장이 짧아 열을 거의 방출하지 않는 근적외선과는 다르다.
1.1. 원리
일반화학/물리화학/분광학 등의 과목을 공부한 사람은 Beer-Lambert Law에 대해 들어본 적이 있을 것이다.2. 기능적 근적외선분광법 (fNIRS)
| 뇌영상기법 | ||||
| 영상 | 생체신호를 영상화 | |||
| PET | fMRI | fNIRS | 뇌파 | 뇌자도 |
functional Near-Infrared Spectroscopy/Optical Topography[2]/Diffuse Optical Tomography
NIRS를 응용, 즉 인체에 무해한 근적외선을 이용해 뇌에서의 산소포화도를 측정하여 기능적 진단에 응용하는 기술. 참고로, '에프니얼스'라 읽는다.
2.1. 역사와 동향
fNIRS를 논하기 이전에, 우선 토대가 되는 NIRS를 의학적으로 이용한 사례부터 차근차근 알아보도록 하자.NIRS를 최초로 의학적으로 이용한 사례는 1930년대 등장한 pulse oximetry를 시초로 꼽을 수 있으며, 이는 당시 몇몇 연구자들이 단일 파장의 적색광/녹색광을 이용하여 손가락을 비롯한 '신체 말단'에서 혈액의 산소포화도를 관찰하기 시작한 것에서부터 시작하였다. 이 방식은 현재에도 널리 쓰이는 방식이지만, 오늘날에 비해서는 측정의 정확도가 매우 떨어졌다.
이후 NIRS를 이요한 pulse oximetry는 2차 세계 대전이 한창인 1940년대부터 실용적으로 쓰이게 된다. 당시 전투기 조종사들은 중력가속도를 이기지 못하고 기절해 추락하는 사고가 종종 발생했으며, 이 문제를 해결하고자 Glenn Millikan은 조종사들의 뇌가 산소를 충분히 공급받지 못해서 의식을 잃는다는 점에 착안했다. 바로, 소형화한 NIRS장비를 조종사들의 귓볼에 부착하여 뇌의 산소포화도를 모니터링 할 수 있도록 한 것. 물론 이는 간접적이라는 한계가 있었기 때문에 오늘날처럼 광학 장비를 머리에 직접 대는 방식에 비해 정확성이 매우 떨어졌으며, 소형화 기술이 뛰어나지 않았던 시기인지라 당시 조종사들은 이 무겁고 거추장스러운 '전선 달린 귀걸이'에 대해 매우 불편해 했다.
fNIRS로서의 최초 연구 사례는 1977년 사이언스지에 실린 Franz F Jöbsis 저 "Noninvasive, infrared monitoring of cerebral and myocardial oxygen sufficiency and circulatory parameters"라는 논문에서 찾아볼 수 있다. 이후 Jöbsis와 그의 연구팀은 1985년 'fNIRS를 이용한 신생아들의 뇌 관찰'에 관한 논문을 세계 최초로 냈다. 이 기술을 기반으로, 1993년에는 세계 최초의 뇌혈류 측정 정비가 출시되어 정식 판매되기 시작한다.
그 다음으로는 일본이 이 연구에 뛰어들었으며, 1980년대 후반 히타치중앙연구소에서 NIRS 기법을 토대로 70ps의 초단광 펄스를 이용한 방식의 뇌영상을 연구하면서 시작되었다. 이에 힘입어 1995년 1월에는 코이즈미 히데아키 (小泉 英明) 박사의 주도로 "광 토포그래피 (Optical Topography)"라는 이름의 뇌혈류 측정 기술이 등장한다. 이 기술을 응용하여, 2001년 히타치메디코[3]에서는 거치형 뇌혈류 측정장치 ETG-100을 출시하는 데 성공한다. 이 ETG-100은 나고야대학의 박사과정생 오이시 하루미(大石 晴美)가 지도교수 키노시타 토오루(木下微)의 감독 하에 2001~2003년에 걸쳐 진행한 '뇌과학에서의 제2언어 습득론' 연구에 사용된다. 현재 히타치에서는 더 개선된 주파수 변조 방식의 거치형 뇌혈류 측정장치를 주력으로 출시하고 있다.
NIRS가 화학을 비롯한 여러 분야에서 상당히 오래, 또 널리 사용되는 방법인 데 비해, fNIRS가 연구자들의 주목을 받게 된 것은 2006년 이후이다. 따라서, 이는 상당히 최근에야 발전하기 시작한 분야라고 볼 수 있다.
2009년 2월, Journal of Neural Engineering에 출판된 논문에서 캐나다 토론토대학교의 Tom Chau 박사 연구팀은 주파수 영역 분석법 기반의 fNIRS기술을 이용한 대뇌 전두엽 조사를 통해 9명의 피험자가 각각 두 가지 음료수 중 좋아하는 것을 선택하면 한 번의 시도에 평균 80% 확률로 알아내는 데 성공함을 밝힘으로서 개인의 '주관적 선호도'에 기반한 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술의 가능성을 보여주었다. #
같은 해 일본 국제전기통신기초기술연구소(ATR) 연구팀은 fNIRS를 EEG와 함께 이용함으로서 피험자의 왼손, 오른손, 혀, 발 중 하나를 랜덤하게 움직이고자 하는 의도를 90% 이상의 확률로 읽어내어 혼다의 이족보행 로봇 ' 아시모'를 조종하는 데 성공한다. # #
한국의 경우 연구적인 측면으로는 고려대학교 뇌공학과 정지채 교수[4], 고려대학교 바이오의공학부 김법민 교수[5], 한양대학교 생체공학과 임창환 교수 등이 이 분야의 연구자로서 활발하게 활동하고 있으며, 실용적인 측면으로는 KAIST 출신인들이 세운 벤처기업 OBELAB에서 NIRSIT이라는 휴대용 장비를 2017년에 출시한 것이 시작이 되었고 이는 국내외 연구소, 병원 등에 판매되고 있다.
영국 UCL에서도 유아들을 대상으로 신경질환을 조기에 진단할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행중이다.
2.2. 원리
기본적으로는, NIRS와 마찬가지로 Beer-Lambert Law를 따라간다고 볼 수 있다. 그러나 생체 조직은 화학에서 다루는 "이상적인 용액"과는 거리가 멀어, Modified Beer-Lambert Law라는 변형된 법칙을 따르게 된다.이 Modified Beer-Lambert Law에 기반한 fNIRS는 다음과 같은 특징을 지니게 된다.
기술적인 면까지 고려한다면 다음과 같이 설명할 수 있다.
그렇다면, 또 다른 뇌기능 측정법으로서 가장 많이, 또 널리 쓰이는 EEG(뇌파)와는 어떻게 다른 것일까?
| width=500 |
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100밀리초간의 짧은 시각적 자극을 주었을 때 뇌파와 뇌혈류의 변화. 뇌파반응은 즉시 나타나고 즉시 사라지는 반면, 뇌혈류반응은 나타나기까지 약 3초간 지연이 있으며, 뇌파반응에 비해 오래 지속되고 서서히 사라짐을 확인할 수 있다. 출처 |
2.2.1. 방식
기본적으로 세 가지 방식이 가능하다.| 방법 | 상세 | 정확도 | 설계의 복잡도 | 휴대성 | 가격[6] |
| 시간영역 (Time Domain) |
매우 짧은 펄스의 레이저 광원을 이용하여 인체조직에 입사한 빛이 조직을 통과하면서 펄스의 첨두치까지의 시간, 감쇠기울기, 시간변화에 따른 광자의 세기분포 등을 관찰하여 광학계수를 도출함. 고성능의 시간분해장치(Time-to-Digital Converter)가 반드시 필요하다. |
매우 높음 | 매우 높음 | 매우 낮음 | 매우 높음 |
| 주파수 영역 (Frequency Domain) |
수백 MHz로 변조된 레이저 광원을 이용하여 빛이 조직을 통과하면서 감소되는 세기와 위상천이(Phase Shift)를 이용하여 산란 및 흡수계수를 도출함. 시간영역 분석법과 연속광파 분석법의 절충격으로 둘보다 나중에 등장한 방법이다. |
중간 | 중간 | 낮음 | 중간 |
| 연속광파 (Continuous Wave) |
가장 많이 이용되는 방법으로 광원에서 나온 일정한 세기의 빛이 인체를 통과하며 감소되는 세기 정보만을 이용하여 광학계수를 도출함. 만들기는 가장 쉬우나, 산란 및 흡수계수를 정확하게 분리하기 어려워 깊은 곳에서의 세기정보는 얻기 어려움. |
매우 낮음 | 매우 낮음 | 매우 높음 | 매우 낮음 |
2.3. 장점
- 단일광자단층촬영 및 양전자방출단층촬영에 비해
- 방사성 물질에 노출되지 않는다.
- 기능적 자기공명영상에 비해
- 액체헬륨같은 냉각제가 필요하지 않으므로 피험자가 추위에 노출되지 않는다.
- 장비가 매우 간단하고 저렴하며 만들기도 훨씬 쉽다.
- 상당히 간편하게 뇌기능 검사를 진행할 수 있다.
- 방사선사나 의사가 따로 필요하지 않다.
- 블루투스나 와이파이를 이용한 휴대형 무선 장비를 개발하기 용이하다: 국내에서는 KAIST출신인들이 세운 벤처기업 OBELAB에서 NIRSIT이라는 제품이 출시되어 기업, 연구소 및 해외에 널리 판매되고 있다. 개발자의 경우, 임베디드 시스템을 기본적으로 알아야 한다.
- 폐소공포증 환자도 문제없이 참여할 수 있다.
- 주의집중을 흐트릴 정도로 강한 소음이 없다.
- 시청각 자극을 동반한 연구, 그러니까 특정 인위적 자극에 대한 뇌의 반응을 관찰할 수 있다.
- 산화헤모글로빈의 농도 변화까지 측정 가능하다: 기능적 자기공명영상 (fMRI) 자체가 뇌내 환원헤모글로빈만의 농도 변화를 자기장으로 관찰하는 것이다.[7]
- 언어 활동과 같은 주의와 집중을 요하는 실험에 쉽게 사용할 수 있다.
- 뇌자도에 비해
- 액체헬륨같은 냉각제가 필요하지 않으므로 피험자가 추위에 노출되지 않는다.
- 장비가 훨씬 가볍고 간단하다.
- 뇌파 (뇌전도)에 비해
- 신경 반응의 지속도가 높아 포착하기 쉽다.
- 근전도나 안구전도같은 인공산물(잡음) 혼입이 비교적 덜하다.[8]
- 습식전극처럼 젤을 바를 필요가 없다.[9]
- 전극이 부식될 위험이 없다.
- 인체에 직접적으로 전기를 흘리지 않기 때문에 감전될 위험이 낮다.[10]
- 그 외에
- 설계 방식에 대한 선택의 폭이 넓어, 각각의 장단점을 고려하여 사용 목적 및 사용자에 따라 맞춤형 장비를 만들 수 있다.
- 실험을 위한 사전 준비가 간단하고 빠르다.
- 실험을 하는 데 드는 시간이 매우 짧아 (뇌파도 마찬가지) 동일 시간 대비 효율성이 매우 뛰어나다.
- 빛(적외선)을 이용하므로 전자기파를 비롯한 타 변인에 의한 간섭을 덜 받는다. 특히 빛의 간섭이 적은 환경에서는—요컨데 암실, 어두운 실내, 또는 야간의 실외에서 가로등 바로 밑에 있거나 대형 랜턴을 직빵으로 비추는 상황이 아닌 경우—활용도가 높아진다.
- 상기한 이유를 종합하면 타 뇌기능 측정방법에 비해 외적인 영향을 비교적 덜 받으며, 목적과 대상에 따른 유연한 설계가 가능하고, 짧은 시간 내에 많은 결과를 낼 수 있다는 결론이 나온다.
- 이로 인해 fMRI와 EEG 등 서로 다른 측정법을 병행해서 이용하는 다중 (multimodal) 신경진단에 활용되고 있으며,
- 또한 해외에서는 유아, 어린이 및 장애아들을 위한 뇌기능 측정과 이를 통한 신경기능 개선 연구에 적극적으로 사용되고 있다.
이로 인해 신경질환 진단이나 뇌-컴퓨터 인터페이스등 다방면에 응용할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행중이다.
2.4. 단점
- 뇌파에 비해
- 반응이 늦다. 뇌혈류 반응이 나타나기까지는 약 3초간의 시간 지연을 고려해야 한다.
- 임상용 장비의 시간해상도가 매우 떨어진다: 뇌파가 수 밀리초 수준까지 측정이 가능한 데 비해 근적외선법은 대략 0.1초에서 수 초 수준이다. 다만 0.1초 정도면 뇌 활동 측정에는 크게 지장이 없으며, 실험용 장비의 경우 일본에서 20-30밀리초 단위의 시간해상도를 보인 사례가 있다는 점을 보면 그렇게 낮은 수준은 아니다.
- 장비 설계 방식과 부속품 구성의 영향을 크게 받는다.
- 장비가 훨씬 비싸고 [11] 많이 보편화되지 않아 연구가 많이 진행되지 않았다.
- 상기한 이유로 인해 아직 연구 자료가 많이 축적되지 않았다.
- 기능적 자기공명영상에 비해
- 공간 해상도가 매우 낮다. 뇌파와는 공간 해상도가 비슷한 수준이나, 그 수준은 매우 낮아 구체적으로 뇌에서 나타나는 특정 신호에 대한 근원을 구별하는 것 조차 어려운 수준이다.
- 적외선이 투과되는 깊이가 그리 깊지 않아 (대뇌 피질에서 2cm 정도까지) 뇌의 심층부를 보기에는 적합하지 않다.
- 머리카락 같은 장애물이 있으면 투과율이 떨어진다. 때문에 현재 상용화된 NIRS 장비는 대부분이 머리카락이 가리지 않는 이마 부위만을 집중적으로 보는 데 맞춰져 있고 그마저도 매우 비싸다.
- 상기한 이유로 인해 아직 연구 자료가 많이 축적되지 않았다.
- 그 외에
- 빛을 이용한다는 특성상 광학적 차폐가 반드시 필요하다.
- 특히 다른 광원의 간섭이 큰 환경, 요컨데 환한 대낮의 실외 같은 곳에서는 사용이 매우 제한된다.
2.5. 참고문헌
- Bigio and Fantini. (2016) Quantitative Biomedical Optics. Cambridge University Press.
- http://www.opennirs.org/
- 뇌과학에서의 제2언어 습득론: 영어 학습과 교수법 개발. pdf 다운로드
- 범희승, 이종일 편저. (2008) 바이오의광학. 전남대학교출판부.
[1]
기본적으로 다이오드에 관찰하고자 하는 특정 파장 이외의 빛이 들어오면 잡음이 끼기 때문이다.
[2]
일본에서만 주로 쓰는 명칭. 물론 요즘은 학문 교류상 fNIRS라고 병행 표기한다.
[3]
의료기기 분야의 히타치 자회사였으며 2016년 본사로 합병됨
[4]
fNIRS를 이용한
뇌-컴퓨터 인터페이스
[5]
연속광파 방식을 이용한 대뇌 전전두피질 부위의 혈류변화 모니터링 fNIRS 기기 개발 및 질병 진단에서의 임상적 응용
[6]
물론 이는 '기능적으로는 문제가 없는' 실험실 레벨에서의 비교이며 실제 출시하는 제품은 훨씬 비싸다.
[7]
참고로 현대 기술로 구현한 fNIRS에서는 환원헤모글로빈 변화를 확실하게 짚어내는 것이 산화헤모글로빈 변화의 경우에 비해 비교적 어려워, 환원헤모글로빈의 변화만으로는 두뇌 활동 변화의 지표로 많이 쓰이지 않는다. 보통은 함께 쓴다.
[8]
피험자의 움직임으로 인한 잡음은 영향이 제법 크므로 반드시 제거를 해 주어야 하나, 이를 수행해 주는 알고리즘은 이미 있다.
[9]
뇌파도 건식전극을 채택해 젤을 바르지 않아도 측정 가능한 장비가 상용화되었지만, 습식에 비해 잡음이 많이 끼므로 연구용으로는 논외.
[10]
물론 상용화된 뇌파 장비는 기본적으로 감전되지 않게 설계를 한다.
[11]
현재 상용화된 NIRS 장비는 대개 외국 제품으로 가격대가 천만원~1억원 수준이다. 사족으로 국산인 NIRSIT의 경우 약 3천만원 정도로 추정됨.