생명 및 의료광학 분야 광기술은 생명 및 의료분야에 서 사용되는 광학적 영상장비에 사용되는 여러 가지 다 양한 융합기술을 포함함. 생명 및 의료광학 분야의 국가 경쟁력을 확보하기 위해서는 레이저와 같은 광원, 생체 영상에 사용되는 조형제와 같은 광재료, 렌즈를 사용하 는 영상시스템, 그리고 전자제어 및 데이터 수집에 사용 되는 전자정보 분야의 기술 등이 필요함. 주요 연계 산업 으로는 수술 및 진단용 레이저, 광단층촬영기와 광초음 파단층촬영기, 레이저현미경, 광섬유내시경, 나노광재료 및 조형제 등이 있음
• 레이저 수술장비 기술: 수술용 칼(Scalpel)을 대신하 여 빛과 인체 조직의 반응을 이용, 간편하고 비접촉적 으로 인체 조직의 절개(Incision) 및 제거(Excision), 치료 등의 작업을 할 수 있는 장비. 연관 현상으로는 광열, 광음향, 광분해, 광화학등이 있음
• 진단용 레이저 기술: 가시광레이저, 다파장레이저, LED, 광대역광원, 할로겐램프 등이 의료용으로 사용
되고 있으며, 최근 반도체 레이저와 광섬유 레이저 기 술의 발전이 주목할만 함. 이들 레이저의 경우, 다양 한 파장, 소형, 간편한 사용법, 탁월한 효율 및 저가격 의 특징을 가지고 있음
• 광단층촬영(OCT) 기술: 광간섭 신호를 기반으로 생 체 내부의 단층영상을 비침습적으로 구현할 수 있는 광학영상기법. 비표지로 세포수준의 분해능과 초고속 영상 촬영이 가능하여, 안구검사, 피부, 심혈관등 다 양한 임상분야에 응용성이 검증되고 있음. 대표적인 OCT의 종류로는 초고속 OCT 인 푸리에영역 광단층 촬영(Fourier-domain OCT, FD-OCT)과 전체필드 광단층촬영(Full-Field OCT, FF-OCT), 생체조직의 편 광 정 보 를 제 공 하 는 편 광 광 단 층 촬 영 (Polarization-Sensitive OCT, PS-OCT), 그리고 혈 류의 분포와 속도를 측정할 수 있는 도플러(Doppler) OCT 등이 있음
• 광초음파단층촬영(PAT) 기술: 광 영상 기술과 초음파 영상기술을 결합한 기술임. 레이저 펄스가 생체조직 에 가할 때 발생하는 열팽창(Thermo-Elastic)과 이 에 수반하는 초음파를 측정함으로써, 고해상도 영상 이미지를 생성하는 차세대 의료장치임. OCT보다 향 표 9. 산업용 레이저 및 레이저 가공 기술 로드맵
상된 이미징 깊이와 생체적 안정성으로 인해 많은 임 단층촬영장치(Swept Source OCT, SS-OCT)로 발전 하고 있으며 심혈관용 일부 장비에서 SS-OCT가 제 품화되고 있음. 1991년부터 활발하게 연구되고 있는 주파수영역 광단층촬영장치(Spectral Domain OCT, SD-OCT)와, 레이저의 편광을 이용한 편광 광단층촬 영장치(Polarization Sensitive OCT, PS-OCT)와 도 플러(Doppler) OCT도 최근 활발하게 개발되고 있으
며, 국내에서는 광주과학기술원에서 FF-OCT 연구 유지 광섬유(Polarization-Maintaining Fiber)를 이 용하여 좀 더 유연한(Flexible) 시스템을 개발하였음 (오스트리아, 비엔나 의과대학(Medical University of Vienna), 히첸버거(Hitzenberger) 그룹).
• 광초음파단층촬영(PAT) 기술: 텍사스 대학교(오스틴, University of Texas at Austin)의 스타스 에밀리아 노프(Stas Emilianov) 교수는 동맥경화, 초기암 진단 Hughes Medical Institute’s Janelia Farm Research Campus Group)에서는 일반 이광자 현미 경보다 높은 첨두 출력(Peak Power, 0.25 MW)를 내 California, Beckman Laser Institute, Laser Microbeam and Medical Program, Irvine, California, USA) 연구단에서는 이광자 현미경과 OCT, 이차조화파(Second Harmonic Generation, SHG) 현미경의 결합 시스템을 연구하고 있으며, 영 국 에딘버그 대학의 물리천문 학부 코스믹(COSMIC, School of Physics and Astronomy, The University of Edinburgh, UK) 연구단에서는 이광자 현미경과 (SERS, Surface-Enhanced Raman Ccattering)을 이용한 바이오 센서 및 분자영상에 관한 연구는 여러 연구 기관에서 활발히 진행되고 있는 실정임. 나노바
이오 광소재란 바이오메디컬 진단이나 치료에 이용될 (Catherther)의 가격은 1,000달러정도로 1억 달러정 도의 시장이 예상되고 치과용 OCT는 Lantis사에서 제품을 출시하였고 전체 필드 광단층촬영(Full-Field OCT, FF-OCT)는 미국의 LLTECH사에서 Light-CTTM라는 이름으로 FF-OCT 제품이 조직 진단용으 로 출시하였고 편광 광단층촬영(PolarizationII.
Sensitive OCT, PS-OCT)는 미국의 Thorlabs가 생 산하고 있음
펜탁스(Pentax)사나 후지논(Fusinon)사가 약 10% 정 도를 차지하고 있으나 국내에서는 국내 소규모 회사 에서 내시경 관련 소모품을 생산하고 있는 실정임
• 레이저기반 차세대 현미경 기술: Carl Zeiss, Olympus, Nikon, Leica가 이광자 현미경의 시장을 95%이상 점유하고 매년 4~5%의 수요 성장률을 보이 며 2천만 달러를 훨씬 넘는 판매 수익을 내고 있으며, 스위스의 Lyncee tec (http://www.lynceetec.com) 과 스웨덴의 Phase Holographic Imaging사 (http://www.phiab.se)는 Digital holography기술 을 기반 위상 현미경, 호주의 IATIA Vision사는 광 위 상 측정 알고리즘을 개발, 이를 GE Healthcare에 공 급하고 있음
• 나노 의료영상 및 광 진단 기술: 양자점소재 관련 세 계시장은 5년 뒤인 2015년에 현재 10배인 6억7천만 달러에 이를 것으로 예상되며 바이오메디칼 (Biomedical) 분야는 2010년 4천8백만 달러에서 2015 년 1억8천 달러로 증가가 예상되며 양전자 방사 단층 촬영(PET)의 방사선 영상 및 의약품 시장의 10%
정도만 대체한다고 해도 매년 수억 달러 이상의 시장 가치임. 전 세계 체외진단 시장은 2009년 387억 달러 에서 2014년까지 5.4%의 연평균 성장률을 유지하여 총 503억 달러로 성장할 것으로 전망됨. 이중 혈액 진 단 시장은 약 8%를 차지하여 40억 달러 규모로 추정 됨. 국내 체외 진단기기 시장은 약 1,000억원 규모로 연 12%의 급성장 추세에 있음
4. 생명 및 의료광학 분야 핵심 전략 기술 및 제품
• 정부에서는 2015년 세계 10위권 의료기기 생산 및 수 출 국가로 도약을 목표로 함
• 진단과 치료를 위한 원천기술확보와 응용기술발전을 위해, 성능 검정, 및 동물 실험과 임상시험을 통한 데 이터베이스 구축 등이 필요함
• 현재 해외교류를 통해 기술력 향상 및 핵심인력 육성 을 추진 중이지만, 국내 연구개발체제에서도 우수 연 구자들 간의 협력을 통한 기술개발에 대한 차별적인 전략이 모색되어야 함
• 레이저 광원 기술은 국내 기술 저변을 넓힐 필요가 있
으므로 학계 및 국책 연구소를 중심으로 지속적인 투 자를 할 필요가 있음
• 소형, 저 전력 레이저 소스로 유망한 것은 광섬유 레 이저와 DPSS 레이저 들이고, 이들의 국산화 개발을 위하여 학계 및 국책 연구소의 독창적인 레이저 개발 이 요구됨
• 여러 파장대의 레이저들의 집적화를 통한 신구조의 다기능 반도체 레이저 기술 및 광 출력, 파장 대역폭 및 가변성 등의 특성 향상을 위한 신구조 레이저 기술 확보가 필요함
• 의광학 분야 연구는 세계적으로도 아직 초기 단계에 있어 국제 경쟁력이 높으며, 국내 의광학 관련 산업과 연계될 때 새로운 블루오션 마켓을 창출할 것으로 전 망되며 인력양성 및 기술개발에 대한 조기투자가 이 루어진다면 선진국과의 원천기술경쟁에서 우위를 확 보하고 새로운 시장의 창출을 통한 부가가치 창출을 기대 할 수 있음
• 일반 현미경과 유연하게 통합 가능한 정량적으로 측 정할 수 있는 초고속기반 특수 이미징 현미경 모듈 구 현이 필요함
5. 생명 및 의료광학 분야 세부기술 및 산업 로드맵
생명 및 의료광학 분야의 광과학기술 경쟁력은 아래와 같은 7개 분야의 핵심기술을 중심으로 대한민국 의료장 비분야의 산업전반에 걸쳐 매우 큰 영향력을 끼칠 것으 로 예상됨
• 레이저 수술장비 기술
• 진단용 레이저 기술
• 광단층촬영(OCT) 기술
• 광초음파단층촬영(PAT) 기술
• 의료용 광섬유내시경 기술
• 레이저기반 차세대 현미경 기술
• 나노의료영상 및 광진단 기술