바이오산업동향

초음파 에너지를 신체 내 원하는 타겟 위치에 모아 고열을 발생 시키면 외과적 수술 없이 조직을 태워 괴사 시킬 수 있다. 현재 이러한 방법은 자궁근종, 전립선비대증, 전립선암, 전이성 골종양 등에서 종양을 열을 이용해 파괴하는 치료 방법으로 임상에서 다양하게 사용되고 있다. 하지만 고열을 통해 조직을 태우다보니 열확산 현상에 의해서 종양 주변 조직까지도 태울 수 있는 문제가 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 바이오닉스연구센터 박기주 박사팀은 2019년에 기존 초음파 기술보다 수십 배 더 강력한 수십 메가파스칼(MPa)의 음향 압력 세기를 갖는 초음파, 즉 고강도 집속초음파를 이용하면 열에 의한 신체의 손상없이 칼로 자른 듯 종양을 깨끗하게 파괴할 수 있음을 확인하고, 그 원리를 밝혀낸 바 있다.(※Ultrasonics Sonochemistry. 2019, 53, 164-177)

열을 이용하지 않고 물리적으로 조직을 파괴하는 이 기술에서 강력한 초음파를 받은 목표 지점에는 수증기 기포가 생겨나는데, 발생되는 1차 기포의 운동에너지에 의해서 목표한 종양 조직을 물리적으로 파괴할 수 있다. 하지만 목표 지점뿐만이 아니라 그 주변에서도 순차적으로 주변에 2차로 여러 미세 기포들이 동시 다발적으로 생성되어 원치 않는 부위까지 파괴될 수 있어 이들의 생성 원인을 파악하고 발생 위치를 정확히 예측해야 할 필요가 있었다.
KIST 연구팀은 후속연구를 통해 집속초음파를 이용하여 종양조직을 제거 할 때 생성되는 2차 미세 기포의 발생 원리를 밝히기 위해 수학 모델을 개발 하고, 초음파에 의해 생긴 1차 수증기 기포가 초음파 진행에 미치는 영향을 연구했다. 그 결과, 수증기 기포에 의해서 전방위로 퍼져나가는 초음파와 지속적으로 입사되는 집속 초음파의 간섭이 그 원인이고 간섭되는 범위에서 2차 기포가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 초고속카메라를 이용하여 촬영한 결과와 비교하였더니, 초음파가 간섭되는 범위와 2차 미세기포가 실제 생성되는 위치가 일치하는 것을 확인하였다.

이 연구 결과는 2차 미세 기포가 생성되는 원리를 설명 하는 것뿐만 아니라, 그 범위를 예측함으로써 보다 안전하게 타겟 조직만을 정밀하게 제거 할 수 있는 가능성을 제시하였다.

KIST 박기주 박사는 “이번 연구는 초음파 초점에서 수증기 기포 발생 후에 초음파 산란효과에 의해서 미세 기포들이 순차적으로 생성된다는 것을 규명한 것으로, 개발된 수학 모델을 이용하면 기포의 발생 위치 및 파괴되는 종양 조직의 범위를 사전에 예측 하는 것이 가능할 전망이다.”라고 말하며, “개발하고 있는 초음파 기술이 외과적인 수술 없이 종양조직만의 물리적 파쇄가 가능한 초정밀 집속 초음파 수술 기술로 발전되어 향후 임상에서 적용되길 기대한다.”라고 밝혔다.  

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업 및 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 음향(Acoustics) 분야 권위지인 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (IF: 6.513, JCR 분야 상위 1.562%) 최신호에 게재되었다.

 * (논문명) The interaction of shockwaves with a vapour bubble in boiling histotripsy: The shock scattering effect
   - (제 1저자, 교신저자) 한국과학기술연구원 박기주 선임연구원

연구결과 개요

1. 연구배경
 ○ 고강도집속초음파 기술은 초음파 에너지를 신체 내 원하는 타겟 위치에 모아 고열을 발생 시켜 외과적 수술 없이 조직을 태워 괴사 시키는 기술이며, 현재 자궁근종, 전립선비대증, 전립선암, 전이성 골종양 등에서 종양의 열적 파괴 및 수전증에서 수전증을 일으키는 신경회로의 열적 차단을 통한 치료 방법으로 임상에서 사용되고 있다.
 ○ 최근에는 기존 초음파 기술에서 사용되는 압력 보다 수십 배 더 강력한 압력을 이용하여 음향공동현상을 초음파 초점에서 인위적으로 발생시켜 열에 의한 조직의 손상없이 주변 암 조직을 물리적으로 파쇄시키는 효과가 보고되었으며, 차세대 유망 초음파 수술 기술로써 많은 주목과 관심을 받고 있다.
○ 초음파 초점에서 충격파가 발생될 만큼 강력한 음장을 만들게 되면, 초점 부위 내에서 수 밀리세컨드 안에 수증기 기포가 발생되고, 순차적으로 여러 미세 기포 들이 동시 다발적으로 생성된다. 수증기 기포 생성 후에 나타나는 2차 미세 기포의 발생 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다. 

2. 연구내용
○ 본 연구진은 집속초음파를 이용하여 종양조직을 제거 할 때 생성되는 2차 미세 기포의 발생 원리를 규명하기 위해 수증기 기포가 초음파 진행에 미치는 영향을 설명하는 수학 모델을 개발 하고, 이를 응용해 수증기 기포에 의해서 산란되는 초음파와 입사되는 초강력 집속 초음파와의 상호간섭을 연구 하였다.
○ 초음파 변환자와 수증기 기포 사이에서 발생되는 초음파 필드의 최대 음압 수치는(peak negative pressure value) 미세 기포가 생성되는데 필요한 압력 임계치 보다 높아 미세 기포가 생체 조직내에서 발생 할 수 있다는 것을 발견 하였다.
○ 또한, 음향공동현상을 초고속카메라를 이용하여 촬영한 실험 결과와 비교하였더니, 초음파가 산란되는 범위와 미세기포가 실제 생성되는 위치가 일치하는 것을 확인 하였다.
3. 기대효과
○ 초음파가 산란되는 범위를 시뮬레이션을 통해 미리 예측 하고 제어하게 되면, 보다 안전하게 암 조직만을 정밀하게 제거할 수 있다는 가능성을 제시하였다.
○ 외과적인 수술 없이 종양조직만의 물리적 파쇄가 가능한 초정밀 집속 초음파 수술 기술로 발전되어 향후 임상에서 적용되길 기대한다.

연구 결과 문답

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

초강력 초음파를 이용하여 음향공동현상을 초음파 초점에서 인위적으로 발생시켜 주변 암 조직을 물리적으로 파쇄(mechanical destruction)시키는 효과가 보고되었지만, 관련 메커니즘이 아직 명확히 규명 되지 못하였다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구진은 집속초음파를 이용하여 종양조직을 제거 할 때 생성되는 2차 미세 기포의 발생 원리를 규명하기 위해 수증기 기포가 초음파 진행에 미치는 영향을 설명 하는 수학 모델을 개발 하고, 이를 응용해 수증기 기포에 의해서 산란되는 초음파와 입사되는 초강력 집속 초음파와의 상호간섭(interaction)을 연구 하였다. 본 연구결과는 초음파 산란 효과에 의해서 미세 기포가 생성된다는 원리를 설명 하는 것뿐만 아니라, 초음파가 산란되는 범위를 미리 예측 하고, 제어하게 되면, 보다 안전하게 암 조직만을 정밀하게 제거 할 수 있는 가능성을 제시하였다.  

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

환자한테 적용하기 전에 개발한 수학 모델을 이용하여 제거 될 암조직의 범위를 미리 예측 하는데 활용 될 수 있을 것이다.

□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?

외과적인 수술 없이 종양조직만의 물리적 파쇄가 가능한 초정밀 집속 초음파 수술 기술로 발전되어 향후 임상에서 적용되길 기대한다. 후속연구에서는 집속초음파 수술 기술의 안전성 및 유효성을 동물 모델을 대상으로 우선 평가해야 되고, 초음파 치료 과정을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 기술의 개발이 필요 하다.파쇄 효과를 일으킬 수 있다.



[그림 1] 고강도 집속초음파 기반 생체조직 파쇄 기술 개념도



[그림 2] 2차 미세기포 생성 메커니즘 및 그 형상