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최근 수정 시각 : 2022-07-03 21:03:54

NIRS

광토포그래피에서 넘어옴
1. 개요
1.1. 원리
2. 기능적 근적외선분광법 (fNIRS)
2.1. 역사와 동향2.2. 원리
2.2.1. 방식
2.3. 장점2.4. 단점2.5. 참고문헌

1. 개요

Near-Infrared Spectroscopy

650-1000nm 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
파일:fNIRS.png
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.
즉 발광다이오드와 수광다이오드 하나씩이 모여 한"채널"을 이루고, 이 채널간의 신호를 "매핑"해서 뇌혈류 영상을 얻는 것이다.

그렇다면, 또 다른 뇌기능 측정법으로서 가장 많이, 또 널리 쓰이는 EEG(뇌파)와는 어떻게 다른 것일까?
width=500
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


이로 인해 신경질환 진단이나 뇌-컴퓨터 인터페이스등 다방면에 응용할 수 있도록 하는 연구가 활발히 진행중이다.

2.4. 단점

2.5. 참고문헌



[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.