Tech Trend - 광간섭 단층촬영 기술
김형일 CTO
썬텍(주)
h.i.kim@sun-tech.com
TECH TREND는 기술을 선도하는 혁신기업으로부터 듣는 최신 기술동향입니다.
광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography, OCT)기술은 가간섭성이 매우 짧은 광원을 이용하여 생체조직에서 반사되는 빛을 간섭계를 이용하여 분석함으로써 고해상도의 생체 이미지를 획득하는 기술이다.
OCT 기술은 주로 안과영역(망막)에서 활발히 사용되어 왔으나 2005년 원천특허의 만료와 새로운 측정기술의 도입이후 그 영역이 확장되어 현재는 심혈관계 시장이 전체시장을 주도해 나가고 있다( 그림 1 참조).
심혈관용 OCT 기술
심혈관계의 영상획득은 주로 초음파 단층촬용(IntraVascular UltraSound, IVUS)을 사용해왔으나, 영상의 해상도가 낮고 (150-200μm) 영상을 얻기까지 오래 소요되는(1mm/s) 문제점을 가지고 있으며 이러한 단점을 보완하기 위해 OCT 기술이 대두되었다.
OCT 이미지는 광섬유와이어가 혈관을 따라 회전함과 동시에 축을 따라 이동함으로써 얻어지며 이러한 OCT 이미지는 ① 혈관협착증 병변의 정밀분석, ② 생분해성 스텐트를 포함한 기존의 금속 스텐트 및 약물방출 스텐트의 혈관 내 삽입시 위치제어, ③ 심근경색 유발요인인 혈전 등의 기전연구, ④ 생분해성 스텐트의 임상적 추적 조사에 사용할 수 있다.
OCT는 IVUS에 비해 10배의 축방향 및 측면 해상도(10-20μm)를 가지며 이는 월등히 선명한 이미지의 획득을 의미한다( 그림 2 참조).
단점으로는 심혈관용 OCT는 1250~1300nm 파장대의 광원을 사용하는데 이 파장대에서 조직 내로 1~3mm까지 침투할 수 있는데 반해 IVUS는 초음파의 투과성이 저하되는 석회화된 병변을 제외하고 4~8mm까지 투영이 가능하다.
현재 상용화되어있는 OCT 시스템은 시간영역(Time Domain, TD)-OCT 시스템과 주파수영역(Frequency Domain, FD 또는 Swept Source, SS)-OCT 시스템으로 구분되며 그 차이를 표 1에 나타내었으며 대표적인 SS-OCT으로서 St. Jude의 C7-XR 시스템이 있다( 그림 3 참조).
SS-OCT를 사용함으로써 TD-OCT에 비해 프레임 수에서 5배, 영상 획득시간에서 10배 이상의 성능향상을 가져올 수 있으며 5cm의 혈관을 스캔할 경우 약 2~3초 내에 270 프레임 이상의 영상을 획득할 수 있는 장점이 있다.
MIT 연구진을 기반으로 Lightlab Imaging은 TD-OCT 시스템인 M2 시스템(2004)과 M3 시스템(2007)을 출시한 후 2010년 St. Jude에 합병되기 직전 FD-OCT인 C7-XR을 FDA 승인 후 시장에 진입하여 각국에서 시판 중에 있으며 현재 국내에서 허가된 유일한 FD-OCT인 C7-XR 시스템은 C7 Dragonfly 이미징 카테터와 함께 사용되고 있다.
경쟁사인 Terumo는 MGH(Massachusetts General Hospital)와의 협력을 통해 제품개발에 성공한 후 2013년 Lunawave OFDI(Optical Frequency Domain Imaging)의 CE인증을 획득하고 유럽과 일본에서 판매를 개시하였다.
흥미로운 사실은 경쟁기술인 IVUS 시장의 선도업체인 Volcano사 역시 HD(High Definition)-OCT 개발을 진행해왔으나 2013년 11월 개발연기를 발표하였다는 점이며, 비록 OCT 개발계획은 취소되었으나 IVUS를 중심으로 심근분획 혈류예비력(Fractional Flow Reserve, FFR) 및 순간 혈류예비력(instantaneous Flow Reserve, iFR) 장비들에 대한 광범위한 연구를 진행해 2014년 9월 개최된 TCT(Transcatheter Cardiovascular Therapeutics)에서 X-ray 영상과 IVUS영상을 결합한 SyncVision 시스템과 2014년 3월 FDA 승인을 받은 새로운 iFR 시스템을 선보였다.
이는 Volcano사가 OCT가 아닌 IVUS시장에 집중하기 위한 것으로 당분간은 St. Jude의 독주가 예상된다.
OCT 이미지의 해석
OCT 시스템과 이미징 카테터를 이용해 영상을 획득하는 과정을 살펴보면 6F(1French=1/3mm) 가이딩 카테터안으로 미리 삽입된 0.014inch 가이드 와이어를 따라 2.7F의 이미징 카테터를 삽입하여 목표 혈관에 위치시킨다.
이 이미징 카테터와 레이저 광원은 광섬유를 통해 연결되어 있으며 회전을 위해 나선형의 토크와이어가 사용되는데, OCT 카테터를 위치시킨 후에는 조영제를 4mL/s의 속도로 주입하는 동시에 자동으로 카테터를 회전시키면서 축방향으로 이동시켜 3차원 이미지를 획득하게 된다.
조영제를 사용하는 이유는 적외선이 적혈구를 투과하지 못하기 때문이며 초기의 TDOCT는 이미징 카테터의 끝에 풍선을 장착해 혈류의 흐름을 일시적으로 차단하는 방법을 사용하기도 하였다.
OCT 이미지를 해석함에 있어 주의해야 할 몇 가지 사항들은 ① 혈관 내 존재하는 잔여 혈류를 혈관벽에 존재하는 혈전으로 오인, ② 광섬유 회전속도의 변동에서 오는 이미지 왜곡, ③ 축 방향 이동시 혈관외벽 이미지의 불일치에서 오는 계단현상, ④ OCT 카테터의 종심 편향에 따른 이미지 왜곡을 스텐트의 불완전 부착으로 오인하는 것과 같은 사항들이며, 이러한 이미지는 측정의 주요변수인 혈관의 최소 내경 및 최소 면적뿐 아니라 경화반 파열이나 균열, 괴사성 핵부위에 대한 정보를 획득하거나 평가하는 목적을 가진다.
임상학적 관점에서 중요한 사항 중 하나는 경화반 파열에 대한 예측으로서, 특히 취약경화반(Thin-Capped FibroAtheroma, TCFA)의 파열에 따른 급성관동맥 증후군(Acute Coronary Syndrome, ACS)의 발생에 대한 것이며 일반적으로 TCFA는 두꺼운 지질층(혈관벽의 40%이상)을 얇은(< 65μm) 섬유 피막이 덮고있는 상태로서 약 38%의 ACS환자에게서 복수의 TCFA가 발견된 것으로 보고되고 있다(Am J Cardiol, 2010).
또한 OCT는 IVUS와 비교해 석회화 병변의 투과가 용이하다는 장점이 있다.
관상동맥 중재술(Percutaneous Coronary Intervention, PCI)에서 OCT 이미지는 최적의 스텐트 사이즈를 결정하기 위해 근위부 및 원위부의 참조직경, 최소직경, 병변길이 등의 정보를 제공하며 스텐트 삽입 후의 평가시에도 정확한 측정을 위해 활용될 수 있다.
그림 4 는 스텐트 삽입 후의 이미지로서 영상 판독 후 추가적인 스텐트 확장의 여부를 결정하거나 스텐트가 혈관벽에 정확히 위치했는지를 판별할 수 있다.
OCT를 활용하게 됨으로써 혈관조영술이나 IVUS에서 쉽게 발견되지 않았던 스텐트 변연부 박리(Stent Edge Dissection)에 대한 연구가 활발하게 진행되어 최근에는 이러한 박리현상과 FFR의상관관계에 대한 연구결과(Int J Cardiol, 2015)도 발표되었다.
OCT 기술의 확장
OCT의 개발은 전체 시스템( 그림 5 참조)을 독자적으로 개발하기보다는 광원이나 광섬유, 카테터, 영상처리 등 각 파트별로 세분화하여 진행되고 있으며, 생체조직의 단면구조를 알려주는 OCT 기술은 심혈관 분야 외에도 다른 기술과 결합되어 다양한 분야에 응용되어 기능 및 화학적 정보를 알아내는 데 사용할 수 있다.
그 예를 들면 ① 생체조직 내부의 미세혈관이나 신경속의 혈류와 같은 흐름을 비침습적으로 이미지화하는 광도플러 단층촬영(Optical Doppler Tomography, ODT), ② 입사된 광이 조직을 통과하면서 발생하는 편광성분의 변화를 추가적으로 감지해냄으로써 일반적인 OCT에 비해 더 많은 정보를 얻을 수 있는 편광 민감 OCT, ③ 조직의 깊이에 따른 흡수 스펙트럼을 얻을 수 있는 스펙트럼 OCT, ④ 이차 하모닉 생성을 이용하여 특정 구조를 가지는 물질을 영상화하는 이차 하모닉 OCT 등의 새로운 기술들에 응용 개발이 가능하다.
최근에는 심혈관계의 분자 레벨 분석을 위한 이미지 획득방법인 근적외형광분석(Near-InfraRed Fluorescence, NIRF)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 혈관 내의 지질성분의 파열되기 쉬운 플라크(Lipid Rich Vulnerable Plaque)의 판별에 활용될 수 있음이 입증되었다( 그림 6 참조).
이 연구는 OCT와 NIRF를 결합한 것으로서 FDA 승인을 받은 인도시아닌그린(Indocyanine Green)을 활용하여 전임상시험을 통해 그 효용성을 평가하였다.
OCT가 새로운 이미징 방법으로서 급부상하고 있으나 OCT 이미지와 임상학적 결과간의 상관관계를 위한 추가적인 연구가 지속적으로 필요한 상황이다.
하지만 TCFA의 판독이나 관상동맥 죽상 경화증의 진행을 판별하기 위한 고해상도의 이미지를 얻기 위한 현재의 유일한 기술이며, 현재 대두되고 있는 생분해성 스텐트와 같은 새로운 의료기술들과의 결합은 필수불가결한 상황이다.
생분해성 스텐트의 생분해 및 신생내막 두께 등의 관찰은 기존의 IVUS의 해상도로는 불가능하기 때문이다.
맺음말
OCT는 관상동맥의 크기, 스텐트의 위치, 신생내막 두께, 스텐트 재협착 및 PCI와 연관된 합병증(국소 혈관박리, 혈전생성 등)을 평가하기 위한 고해상도의 이미지를 제공한다.
OCT는 혈관조영술, IVUS와 같은 기존의 이미징 기술에 비해 다양한 장점들을 가지고 있으나, 기술도입의 초창기에 해당되는 만큼 환자 치료에 대한 알고리즘 최적화 및 신뢰성 확보를 위한 지속적인 추가연구가 필요하다.