비전시스템의 다양한 활용사례 / 7) 현미경
보이지 않는 세계를 관찰하다
산업현장에서 머신비전은 없어서는 안 될 요소가 되었다. 인간의 눈을 대신할 기술이라는 취지에 걸맞게 머신비전은 인간의 능력으로 수행할 수 없는 많은 기술을 가능케 하고 있다. 최근에는 이러한 기술이 공장자동화 분야는 물론이고 비 산업적인(Non-industrial) 분야로까지 확대되는 추세이다. 반도체·전자·자동차·측정 및 계측 분야와 같은 공장자동화부터 국방·항공우주·연구·생체인식·의료·농업에 이르기까지 머신비전이 나아갈 수 있는 길은 아직도 무궁무진하다.
정리 | 윤진근 기자(pen@automotivemnt.com)
머신비전이 할 수 있는 일에는 무엇이 있을까? 공장 생산라인 감시, 양품 여부 검사, 물품 확인, 제품 분석, 적외선, 자외선, 교통… 많은 분야에서 활약하고 있어 한 손에 꼽기도 어렵다.
하지만 머신비전이 가장 빛나는 순간은 사람의 눈으로는 할 수 없는 일들을 해낼 때다. 예를 들어 고속으로 물건이 움직이는 현장을 촬영하거나, 적외선 혹은 자외선 영역을 촬영하는 것은 인간에게 불가능한 작업이다. 머신비전은 이런 현장에서도 임무를 수행함으로써 자신 고유영역을 넓히고 있다.
최근 머신비전이 활발히 쓰이고 있는 곳이 바로 현미경 분야다. 현미경은 예전부터 학교 실험실은 물론이고 대학 연구실이나 기업의 제품 및 기술개발실 등에서 많이 사용되어왔다. 하지만 촬영 및 데이터 처리기술이 날로 향상됨에 따라 실험 대상을 보다 빠르고 정확하게 관찰할 수 있게 되었다. 세밀하게 관찰하고 분석해야 하는 현미경 분야에서는 더할 나위 없는 희소식이다. 특히 촬영·이미지 분석·처리 기능을 골고루 갖춘 머신비전이 현미경 분야에 뛰어드는 일도 기하급수적으로 늘어나고 있다.
현미경은 생물학뿐 아니라 의학이나 항공 우주 분야 등 수많은 과학 현장에서 쓰이고 있다. 세포부터 우주 너머까지, 방방곡곡에서 활약하고 있는 현미경을 만나보자.
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기후 연구에 혁명 일으키다
세계 유수의 화분화석학자(Palynologist)들이 뉴질랜드 매시대학교에서 개발한 새 현미경을 테스트했다. 화분학이란 화분(花粉)과 유기체의 미화석(微化石)을 분석함으로써 과거의 토지 이용도나 기후변화 그리고 식물의 변화 등에 대해 연구하는 학문을 말한다.
Classifynder라고 부르는 이 현미경은 School of Engineering and Advanced Technology에 명예교수로 재직 중인 밥 호지슨(Bob Hodgson)의 연구팀이 개발했다. 이 현미경은 기존에 화분화석학자들이 하던 힘들고 단조로운 일들을 대신 수행한다. 학자들이 수집한 작은 덩어리들을 계산하고 식별하는 데 사람보다 몇 주나 더 빠른 성능을 발휘한다는 것이 개발자 측 설명이다.
Classyfynder는 분석하고자 하는 곡물의 저해상도 이미지를 추출한다. 그 뒤 총 아홉 단계의 초점 깊이(focal depths)에 걸쳐 각 곡물의 이미지를 보정한다. 또한 이 기계는 곡물의 온갖 잔여물과 부산물 등을 무시하는 기능을 갖춰 화분화석학자들이 오로지 곡물에만 집중할 수 있도록 돕는다. 현재 세계 화분화석학자들이 총 여덟 대의 시제품을 사용 중이다.
장(腸) 검사를 효율적으로
내시경은 몸 안에 있는 문제점을 검출할 수 있는 이상적 방법 중 하나다. 하지만 연구 결과에 따르면 대장내시경 검사에서는 폴립(주로 점막에 발생하는 버섯모양의 융기성 병변의 총칭, 출처 생명과학대사전)과 암세포의 12~24%만을 발견할 수 있다. 발견율이 제법 낮은 이유는 대장 안에 있는 주름이 이상 증상을 가리기 때문이다.
이런 면에서 보았을 때 Avantis Medical Systems가 개발한 현미경은 의료 분야에 큰 발전을 이룩했다. 이 현미경은 대장의 벽 주름 안쪽을 볼 수 있는 ‘뒷면 보기’ 기능을 제공하기 때문이다. 이를 통해 벽 뒤에 숨어있을 암세포를 발견하는 데 기여한다.
Gastrointestinal Endoscopy에 게재된 연구 결과에 따르면, 기존의 대장내시경 기구들과 이 장치(Third Eye Retroscope)를 함께 사용했을 때 폴립과 선종(腺腫)의 진단율이 현재보다 23.2%가량 높아진다.
이 내시경에는 OmniVision Technologies에서 만든 이미지센서가 탑재되었다. 이 센서는 조명이 낮은 의료기기에서 사용할 수 있도록 만들어졌다. 1/10″ 배열은 400×400 HVGA 모드에서 30fps 속도로, 혹은 400×200 모드에서 최대 60fps 속도로 이미지를 획득한다.
Avantis Medical Systems의 영업 마케팅부를 담당하고 있으며 회사의 부사장이기도 한 더그 길로(Doug Gielow)는 “오늘날 미국에서는 매년 15만 건 이상의 대장암 발병 사례가 보고되고 있고, 40만 건 이상의 사례가 유럽에서 보고되고 있다”며, “대장암은 미국과 유럽에서 암 관련 사망률 중 두 번째로 높다”고 설명했다. 그는 “하지만 오늘날 첨단 이미지 기술을 사용함으로써 조기 발견을 통해 대장암을 예방할 수 있다”고 말했다.
올림픽 모양의 새 분자 합성하다
현미경은 인간의 눈으로 보기 어려운 작은 분야를 분석하는 데 주로 쓰이고 있다. 런던올림픽이 시작되기 몇 주 전, 영국 왕립화학협회가 “과학자들이 현미경 기술을 활용해 탄화수소 분자(C19H12) 합성에 성공했다”고 밝혔다. 이 탄화수소 분자는 올림픽 마크와 모양이 흡사해 올림피센이라는 이름을 얻었다.
이 합성은 영국에서 이루어졌다. 영국 워릭대학교 화학과의 데이비드 폭스 박사와 애니시 미스트리 박사가 합성 유기화학(synthetic organic chemistry)을 활용해 올림피센을 합성했다.
이 화합물은 소위 ‘그래핀’이라고 일컫는 단층 흑연과 비슷하다. 그래핀은 흥미로운 전자 특성과 광학적 특성을 동시에 지니고 있는 화합물이다.
과거에 워릭 대학의 조반니 코스탄 박사와 벤 모턴이 주사형 터널 현미경을 사용함으로써 분자 구조를 처음으로 발견한 바 있다. 하지만 이 구조를 원자 수준으로 분석하기 위해 더 높은 해상도가 필요했다.
이를 실현하기 위해 스위스 취리히에 있는 IBM 연구소 산하 Physics of Nanoscale Systems Group이 올림피센의 화학 구조를 분석했다. 작업에는 비접촉 원자력 현미경이 쓰였다. IBM의 과학자들은 현미경을 통해 1.2나노미터 크기의 단일 올림피센 분자를 이미지화하는 데 성공했다.
광자(光子)를 세는 영상장치
생물학 연구 분야에서 형광 수명 이미지 현미경(fluorescence lifetime imaging microscofy, FLIM)의 채택과 확산은 지금까지 굉장히 더디게 이루어지고 있었다. 여기에는 두 가지 주요 요인이 있는데, 첫째는 FLIM의 이미지 획득 속도가 느리다는 점이고, 둘째는 관련 장비가 굉장히 비싸고 복잡하다는 것이다.
이를 해결하기 위해 뉴욕 컬럼비아대학의 케네스 셰퍼드 교수 연구팀이 나섰다. 연구팀은 Single Photon Avalanche Diodes(SPADs)을 기반으로 한 새로운 2차원 고프레임율 CMOS 이미지 센서를 만들고자 했다.
오늘날 솔리드스테이트 카메라는 주로 두 가지 기술을 기반으로 하고 있다. 충전결합소자(CCD)와 CMOS 이미지센서가 그것이다. 두 기술 모두 광자를 전자로 변환하고 전자를 수집해 측정 신호를 생성하는 방식으로 이미지를 획득한다.
하지만 새로운 장치는 다르다. 광자에 의해 만들어진 전자를 수집하지 않고 하나씩 계산하는 방식을 사용하는 것. 연구진은 새 장치가 짧고 약한 광학적 이벤트를 수집 및 해결함으로써 생물학적 이미지 및 프로그램 분야에서 많은 사용 가능성을 연다고 설명했다.
이 장치의 형광 라벨은 생물학 분야에서 체내 및 시험관 모두에서 이미지 작업을 위해 사용된다. 형광 라벨의 특징 중 하나는 여기원(excitation source)이 제거되고 나면 함께 붕괴된다는 것이다. 그리고 동시에 ‘Lifetime’이라고 부르는 하강 시간이 생긴다. 연구원들은 이 하강 시간을 광자 계수함으로써 ‘Lifetime’을 측정하고 생물학적 과학에 더욱 높은 통찰력을 제공할 수 있게 되었다.
새 장치 개발에 대한 연구는 오는 2014년까지 계속될 것으로 보인다. 자세한 사항은 goo.gl/ZJ248을 방문하면 된다.
눈(雪)을 관찰하다
독일의 저명한 업체들이 손을 잡았다. 스키 왁스 생산 업체인 Zips와 광학 메카트로닉스 개발업체인 Opto 그리고 독일 스키연맹의 기술자가 서로 힘을 합친 것. 그렇게 탄생한 것이 서로 다른 속성의 눈(雪)을 검사하는 휴대용 현미경이다.
독일 스키연맹의 엔리코 헤이지그는 스키 왁스 분야 및 해당 업체와 사용자들이 참고할 정보를 만들고자 했다. 슬로프에 붙어있는 눈과 기상 조건 등 여러 환경적 요소에 따라 스키에 적용하기에 가장 적합한 왁스가 따로 있기 때문이다.
Opto에서 만든 눈 전용 현미경은 LED 기반 조명 모드를 지원하는데, 이를 통해 눈 결정의 모양과 크기를 정확하게 캡처할 수 있다. 촬영을 마치면 카메라와 연결된 PC 및 노트북 소프트웨어를 통해 분석 작업을 수행한다.
공초점 현미경, 수집 속도 가속화하다
공초점 현미경은 생물 표본을 고해상도 형광 이미지화할 때 주기적으로 쓰인다. 대부분의 공초점 시스템은 표본을 관통해 레이저를 주사한 뒤, 작은 구멍을 통해 방출된 빛을 모아 표본의 광학적 자료를 수집한다. 즉 일종의 레이저 스캔 작업을 실시하는 셈.
하지만 순차적 주사 기술은 이미지 수집 속도에 제한이 있다. 현존하는 가장 빠른 장비도 예외가 아니다. 시간마다 빠르게 변화하는 세포의 변화를 포착하는 것이 이들 장비의 목표이지만 수집 속도에 한계가 있어 이를 실현하기 어렵다.
이 문제를 극복하고자 레스터대학의 닉 하텔 교수 연구팀이 새 공초점현미경을 개발했다. 연구팀은 이번 개발을 통해 훨씬 빠른 속도로 세포 표본 이미지를 획득 및 기록할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 하텔 교수는 “현대의 생물학 연구와 신경과학 분야는 생물학적 사건이 발생할 때마다 광학을 검출할 수 있어야 한다”며, “새로운 기술의 개발에 따라 크게 바뀐다”고 설명했다. 이어 “대부분의 생물학적 사건들은 밀리초 단위로 일어나며, 이에 걸맞는 높은 속도와 높은 해상도로 이미지를 감지할 수 있는 방법이 필요하다”고 설명했다.
연구팀이 개발한 현미경은 디지털 마이크로미러를 가지고 있는데, 프로그래밍 가능한 어레이 광원과 공초점 핀홀(작은 구멍) 모두에 사용할 수 있다. 고속 EMCCD 카메라와 함께 현장에 투입됨에 따라 이 장비는 최대 초당 100프레임 속도로 공초점 이미지를 얻을 수 있다.
연구팀은 이 기술이 생물 의학 연구 및 신경과학 분야 등 여러 과학 분야에서 작업하는 데에 큰 도움이 될 수 있을 것으로 전망했다. 이와 관련해 최근 영국 생명공학 및 생물과학 연구 협의회(BBSRC)는 이를 상용제품으로 개발하기 위해 연구팀에게 자금을 지원한 바 있다. 하텔이 시스템에 대해 설명한 논문은 PLOS One의 누리집에서 살펴볼 수 있다.
치아 이미지 개선하는 소프트웨어
광학 현미경은 치과에서도 유용하게 쓰이고 있다. 예를 들어 근관 치료를 할 때 치과의사에게 도움을 줄 수 있다.
치과 치료에 쓰이는 것은 보통 영상보다는 사진이다. 35mm 필름이나 CCD카메라를 이용해 사진을 촬영하면 고품질 사진을 쉽게 얻을 수 있다. 하지만 비디오카메라로 사진을 촬영하면 이미지의 품질이 크게 떨어지게 된다.
이 문제를 해결하기 위해 도쿄치과대학의 마사타카 수에하라 교수 연구팀은 RegiStax라고 부르는 소프트웨어를 이용해 현미경이 촬영한 비디오에서 고품질 정지 영상을 추출했다.
Registax는 이미지를 수집하고 정렬하며 처리하는 동작을 모두 수행할 수 있는 프로그램으로, 네덜란드의 Cor Berrevoets와 그의 연구팀에 의해 개발되었다.
일본 연구팀은 소니의 DXC-107 디지털 비디오카메라에 Mani의 IMS22Z현미경을 장착했다. 카메라가 영상을 획득하면 Registax의 수집·정렬·처리 기능을 이용해 영상을 프레임 단위로 분리했다. 그 다음 이미지 안의 공간 주파수에 따라 이미지 강도를 조정하는 웨이블릿 변환 기능을 활용했다.
Regestax 소프트웨어 안에 번들로 제공되는 Scion Image 소프트웨어로 분석한 결과, 비디오카메라가 획득한 영상이 피사계심도와 품질 등의 면에서 카메라보다 높은 것으로 나타났다.
세포 특성 측정하는 시스템
UCLA 대학의 생명공학 연구원들이 유체(流體)의 벽에 부딪히는 방법으로 영상을 획득함으로써 세포의 물리적 특성을 측정할 수 있는 새 시스템을 만들었다.
Deformability Cytometer라고 불리는 이 기구는 UCLA 생명공학 박사과정 학생인 대니얼 고세트와 헨리 Tse 그리고 생명공학 조교수인 디노 디 카를로가 만들었다. 이 기구는 소형 미세유동 칩으로 구성되어있는데, 이 칩은 순차적으로 세포를 정렬함으로써 초당 수천 개의 세포를 유체 벽에 부딪힐 수 있다. 이 시스템에 맞추어 만들어진 카메라는 현미경으로 초당 14만 장의 세포 사진을 촬영하며, 이렇게 촬영한 이미지를 세포의 물리적 특성 정보를 추출하는 특수 소프트웨어로 분석한다.
일찍이 여러 연구자들이 세포의 물리적 특성이 세포의 건강에 대한 정보를 제공한다는 것을 발견한 바 있지만, 특정 세포를 측정기까지는 수 시간 혹은 수 일의 시간이 걸리기 때문에 지금까지 측정은 학술 연구 실험실에서만 이루어졌다. 하지만 Deformability Cytometer를 사용하면 샘플을 준비해 수만 개의 세포를 분석하기까지 10분에서 30분밖에 걸리지 않는다.
이 작업은 UCLA의 David Geffen 의학 학교에서 실험 의학을 담당하고 병리학 교수로 재직 중인 세포병리학자 지앤 유 라오 박사와 공동으로 진행했다.
연구팀이 Deformability Cytometer을 통해 환자를 관찰한 결과, 환자의 폐에 흉수가 일어났으며 그 안에 암세포가 있다는 것을 발견하였다. 흉수란 흉막강 내 정상 이상으로 폐 주위에 고이는 액체를 말하는데, 면역 세포와 가슴 벽 안쪽의 중피 세포 그리고 낮은 농도의 암세포 등 여러 유형의 세포가 혼합되어있기 때문에 이 기술이 등장하기 전까지는 분석이 어려웠다.
암 세포를 감지하다
미국 스크립스 연구소 소속 과학자들이 암환자의 고형 종양 세포에서 이탈한 세포인 혈중종양세포(CTC)를 검출하고 분석하기 위한 혈액 검사의 효율성을 증명했다.
연구 결과에 따르면, 매우 민감한 혈액 분석 작업은 일부 수술적 생검과 맞먹을 만큼 중요한 정보를 다량 제공한다.
HD-CTC라는 새로운 검사는 환자의 혈액 샘플 안에 있는 레이블 세포를 분석함으로써 평범한 적혈구와 백혈구 사이에 숨어있는 혈중종양세포를 구분할 수 있다. 디지털 현미경과 영상 처리 알고리즘을 이용해 건강한 세포와는 크기와 모양이 다른 세포를 분리한다. 병리학자들이 HD-CTC를 이용할 때 가장 좋은 점은 정확한 검진을 실현한다는 것이다. 불필요한 가긍정적 판단을 최대한 배제하고 그저 세포의 형태에만 집중하면 되기 때문이다.
스크립스 연구소의 부교수를 맡고 있는 피터 쿤은 “HD-CTC는 차세대 기술”이라며, “암 환자들의 사망 주요 원인인 암의 전이 를 비롯한 여러 진행 상황을 모니터링하고, 이해와 예측 가능성을 동시에 높인다”고 말했다. 피터 쿤은 현재 새 연구의 고위 수사관을 맡고 있으며, 고화질 혈액검사의 창안자이기도 하다.
변형 거울의 질을 높인다
현미경 관련 기술이 실험실에서만 사용된다는 생각은 버리는 것이 좋겠다. 현미경 기술은 이제 우주를 탐험하는 데에도 큰 공을 세우고 있다.
NASA는 변형 거울 제조 공정의 성능을 높이기 위해 MEMS 기반 변형 거울 개발자인 보스턴 마이크로머신 회사와 계약했다.
NASA의 핵심 목표 중 하나는 태양계 바깥을 탐험하며 지구와 흡사한 행성을 발견하는 것이다. 하지만 지구는 매우 작은 행성이며, 따라서 우주 망원경으로 이를 촬영하려면 높은 정밀도가 필수적이다. 정밀도를 획기적으로 높이기 위해서는 초기제조 시 발생하는 오차를 보정하고, 기계적인 기형을 처음부터 수정해야 한다. 이 과정에서 미세한 변화도 관찰할 수 있는 현미경 기술이 필요한 것은 당연한 일.
NASA의 중소기업 혁신 연구프로그램(SBIR)의 일환으로 인정을 받은 보스턴 마이크로머신은 지구만한 크기의 행성을 찾기 위해 사용되는 이미지 시스템에서 지나치게 밝은 빛을 줄이는 기술을 선보임으로써 향후 오차를 보정하는 기술 품질을 향상시킬 미세 공정을 개발할 수 있게 되었다. NASA의 금전적 지원을 받음은 물론이다.
보스턴 마이크로머신의 엔지니어들은 변형 거울의 표면 평탄도와 회절 부분에서의 개선을 목표로 하고 있다.
보스턴 마이크로머신의 사장이자 공동 설립자인 폴 빌던은 “변형 거울은 다른 태양계에서 지구와 흡사한 행성을 탐사하는 데 도움이 될 것”이라며, “이 연구는 또한 광통신, 보안, 펄스 정형 그리고 생물학적 이미지 분야에도 영향을 미칠 것”이라고 전망했다.
