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제4회 EndoFest Korea 51

Optical Coherence Tomography의 원리 및 내시경 응용

김 법 민

고려대학교 생체의공학과

Principles of Optical Coherence Tomography and Its Applications with Endoscopy

Beop-Min Kim

Department of Biomedical Engineering, Korea University, Seoul, Korea

A-III. Recent Advance in Imaging and Endoscopic Treatments Room A

서 론

현 의료공학 분야의 급속한 발달로 인체를 절개하지 않고

원하는 부위에 한 단층영상을 비교적 쉽게 획득할 수 있다.

표적인 방법으로는 컴퓨터단층촬영(CT), 자기공명영상

(MRI), 양전자방출단층촬영(PET), 초음파단층영상(Ultrasound

Tomography) 등이 있다. 1990년 이후 광결맞음 단층영상법

(Optical coherence tomography, OCT)이 많은 연구자들의 관

심의 초점이 되고 있다. OCT는 기존의 단층촬영기법들과 비교

하였을 때 깊이방향 투과는 매우 제한적이지만(1~3 mm) 프로

브 근처에서 고분해능(1~15 μm)의 영상을 얻을 수 있으며 근적

외선 영역의 광원을 사용하기 때문에 인체에 해가 없다는 장점

이 있다. 또한 미세조직으로부터 기능적 정보를 얻어낼 수 있

으며, 화학적인 구성성분의 분석에도 이용이 가능하다. 광섬유

를 이용하여 시스템을 구성하는 경우 소요비용이 비교적 저렴

하며 사이즈가 작아서 이동성에서 큰 장점을 지닐 수 있다.

OCT의 근간이 되는 백색광 간섭계(White light interferometry)

는 뉴튼에 의하여 처음 제안되었으나 실제 이용은 1987년

OCDR (Optical Coherent Domain Reflectometry, OCDR)이란

이름으로 광섬유를 사용하여 이루어졌다.1 이때까지는 빛의 결

맞음 길이만을 이용하여 1차원상에서 반사체의 위치를 알아내

는데 연구가 국한되었으나 1991년 Science지에 Huang에 의하

여 Optical Coherent Tomography라는 이름으로 논문이 게재

되면서 2-D 또는 3-D 단층영상 취득에 한 연구가 본격화 되

었다.2 OCT는 스캐닝방법에 따라 시간영역(time-domain) 방법

과 주파수영역(frequency domain) 방법이 있다.3,4 초기에는 주

로 시간영역 방법의 측정방법을 이용한 많은 연구가 진행되었

으나, 시간영역 방법의 여러 가지 한계점 때문에 최근에는

부분의 시스템이 주파수 영역에서 구성된다. OCT는 스캔 프

로브가 광섬유 끝단에서 매우 작은 형태로 구성될 수 있어 내

시경형으로 제작되어 사용되거나 기존 내시경과 접목되어 사

용되며 그 응용 분야는 지금도 지속적으로 넓혀지고 있는 추

세이다.

본 론

1. OCT의 기본 이론

OCT 시스템은 백색광 간섭계의 원리와 공초점 현미경 방식

의 조합으로 생체조직내부의 미세구조를 획득한다. 기본적인

OCT 시스템은 가간섭성(coherence)이 매우 짧은 광원을 이용

한 마이켈슨 간섭계로 구성된다(Fig. 1). 저 가간섭 광원(low

coherence source)에서 나온 빛은 광분배기(beam splitter, BS)

에서 양분되고 한쪽은 물렌즈를 통해 생체조직(sample)에

집광된다. 입사된 빛의 일부는 조직 내부의 굴절률이 서로 다

른 물질 사이에서 산란이나 반사를 일으키게 된다. 조직에 의

해 산란된 빛 중에서 물렌즈의 초점 심도 안에서 산란된 빛

만이 시스템으로 되돌아오며, 최초의 광분배기에서 기준 거울

(reference mirror)에서 반사된 빛과 결합된다. 이때, 사용된

광원의 저가간섭성(low coherence)에 의해, 기준 거울에 의해

반사되어 나온 빛과 산란광 사이에 광경로차가 가간섭거리 안

Principles of Optical Coherence Tomography and Its Applications with Endoscopy 김법민

52 The Korean Society of Gastrointestinal Endoscopy

Fig. 1. 시간 영역 OCT (TD-OCT) 시스템의 구성도.

Fig. 2. 스펙트럼영역 OCT (SD-OCT) 시스템의 구성도.

Fig. 3. 파장가변광원 OCT (SS-OCT) 시스템의 구성도.

에 있는 경우에만 두 빛이 보강 또는 상쇄 간섭을 일으키게 된

다. 이와 같은 간섭 현상을 시간영역 방법 또는 주파수 영역 방

법으로 검출하여 이미지를 구현하게 된다. 2차원과 3차원 영상

을 얻기 위한 횡방향 스캐닝은 보통 1축(2차원 영상) 또는 2축

(3차원 영상) 회전 거울(galvano-mirror)을 사용하여 행해진

다. 이를 B-mode 스캐닝이라 한다. 초보적인 OCT 시스템은

시간 영역(time domain, TD-OCT) 방법을 근간으로 하며, 기

준 거울의 기계적인 움직임에 의한 깊이 방향(축 방향) 스캐

닝이 이루어진다(Fig. 1). 최근에 각광받고 있는 주파수 영역

(Fourier domain) 방법은 물리적인 움직임에 의한 깊이 방향

스캐닝을 하지 않고, 샘플의 간섭신호의 스펙트럼 특성을 분

석하여 깊이 정보를 얻기 때문에 시간 영역 방법에 비해 이미

징 속도와 민감도(signal-to-noise ratio, SNR)가 크게 향상된

다. 주파수 영역 방법은 Fig. 2와 같이 광 역 광원과 검출단의

분광기를 사용하는 스펙트럼영역(Spectral domain, SD-OCT)

기술, Fig. 3과 같이 고속 파장가변 광원과 포토다이오드를 검

출기로 하는 파장가변 (Swept source, SS-OCT) 기술이 있다.3,4

OCT 시스템은 조직의 단면이미지를 비침습적인 방법으

로 얻어낼 수 있다는 것 이외에 간섭 원리를 사용함으로써

아주 미약한 산란광까지 검출할 수 있는 장점이 있다. 이는

검출되는 간섭신호의 크기가 산란광의 강도의 제곱근에 비

례하므로 매우 강한 산란광부터 미약한 산란광까지 넓은 범

위의 광강도를 측정할 수 있다. 또한, 광통신 기술의 발달로

인해 광원, 광섬유 간섭계, 광검출기 등의 구입이 용이하고

저렴하여, 기초적인 OCT 시스템을 쉽게 꾸 수 있는 장점

이 있다. 하지만, 실용적인 OCT 시스템을 구현하기 위해서

는 쉬운 원리에 비해 비교적 많은 기술적 고려가 필요하게

된다.

2. 광원

OCT 시스템에서 사용되는 광원은 다음과 같은 3가지 정도

의 요구조건을 만족시켜야 한다. 우선 1) 생체조직에서 비교적

산란이 적게 일어나고 흡수도가 낮아 깊은 투과 깊이를 얻을

수 있는 근적외선(near infrared) 파장을 발생시키고 2) 높은

깊이분해능을 얻기위해서 짧은 가간섭 길이와 가우시안

(Gaussian) 분포에 가까운 스펙트럼을 가지며 3) 생체조직에

의한 급격한 광강도 감쇠를 상쇄하기 위해서 높은 복사조도

(irradiance)를 필요로 한다. 따라서 일반적인 레이저와 같은

광원은 사용될 수 없고 superluminescent diode (SLD)나 펨토

초 Ti:Sapphire 레이저와 비선형광섬유(nonlinear optical fiber)

를 이용한 백색광원, 또는 레이저빔이 일정 역에 걸쳐 빠르

게 반복 발진되는 파장가변형 레이저광원(sweep laser source)

등이 사용된다. 일반적으로 800 nm와 1000 nm 역의 광원은

안구 특히 망막 영상화에 많이 사용되며 1300 nm 역의 광원

김법민 Principles of Optical Coherence Tomography and Its Applications with Endoscopy


Fig. 4. 주파수영역 방법을 사용한 안구 망막 단면 구조 이미지 (A) 2차원 단면 구조 이미지 및 ODT를 이용한 안구 망막 혈관 이미지[5] (B) 3차원 안구 망막 단면 구조 이미지.6

Fig. 5. 광대역 광원의 생성과 이를 이용한 단층영상.7 (A) 펨토초 레이저와 PCF로 super-continuum를 만든 후의 스펙트럼. (B) 간섭무늬 (0.75 μm 해상도). (C) 초기 단계인 대장암 세포의 단층영상.

은 그 이외 일반적인 생체조직을 영상화할 때 사용된다. 1300

nm 역 광원은 물의 흡수가 높아 망막의 영상화에는 사용되

지 않는다. 일반적인 광원을 사용할 때 3~15 µm정도의 깊이

분해능과 수십 mW 급의 광강도를 가질 수 있다. SS-OCT의

경우, 고속 광 역 파장가변 광원의 개발이 이미징 속도와 깊

이 해상도 등의 시스템 성능을 크게 좌우하기 때문에, 현재

Fourirt Domain Mode-Locking (FDML) 레이저와 같이 광원

의 파워, 안정성, 속도를 크게 향상시키는 연구, 필터의 역

폭 및 속도를 개선하는 연구 등이 매우 활발하게 이루어지고

있다.

A C

B

A B



Fig. 6. 400 kHz의 파장가변 속도와 5.3 μm의 깊이해상도를 갖는 SS-OCT로 획득한 2차원 및 3차원 망막 영상.9

Fig. 7. 최초의 광섬유 OCT 프로브 및 스캔 방식.11

3. 검출부

앞에서 설명한 바와 같이 시간영역 방식과 주파수영역 방식

은 스캐닝 방식이 틀릴 뿐만 아니라 간섭신호를 검출하는 방식

도 다르다. 시간영역 방식의 검출부는 도플러 주파수를 가지는

간섭신호를 추출하기 위해 광검출기, 증폭기, 역통과필터,

그리고 복조기로 구성되어 광통신이나 기타 간섭계의 헤테로

다인 검출과 동일한 구조를 가지게 된다.

주파수영역 방법 중 SD-OCT 방법은 파장에 따른 간섭신호

의 주기를 검출하기 때문에 스펙트로미터의 기본이 되는 회절

격자와 선주사 카메라가 필요하다. 현재 연구되고 있는 주파수

영역 방법의 OCT 시스템은 시간영역 방법보다 약 15~20 dB

높은 SNR을 갖는 것으로 알려져 있다. 또한 2-D 이미지 또는

3-D 이미지를 획득하는 데 걸리는 시간도 시간영역 방법보다

매우 빠르다. SS-OCT의 경우 파장에 따른 간섭신호의 주기를

시간영역에서 매우 빠르게 검출하며 dual-balanced 검출기를

사용할 수 있는 장점이 있다.

이처럼 실용적인 OCT 시스템을 구현하기 위해서는 다양한

분야의 지식과 기술이 요구되고 이를 통합하는 기술 또한 중요

하게 된다. Fig. 2는 현재 안과 질환을 측정하기 위해 임상적으

로 쓰이고 있는 OCT 이미지 중 하나로서 OCT를 이용한 생체

이미징이 가지는 높은 분해능과 그 효용을 보여주고 있다. 또

한 Fig. 4는 주파수영역 방법을 이용하여 망막을 측정한 이미

지들이다. Fig. 4A의 위 이미지는 2-D 단면 구조 이미지이며,

아래 이미지는 ODT 이미지로 위 단면 구조 이미지에서 혈관

만 선택적으로 보여준다.5 Fig. 4B는 망막 단면 구조 이미지를

3차원으로 구현한 것이다.6

4. OCT 영상의 해상도

OCT에서 샘플의 깊이 방향에 한 해상도는 사용하는 광원



Fig. 8. MEMS scanner의 사진 및 이를 활용하여 구성한 OCT 프로브, 그리고 3차원 hamster cheek pouch 영상.12

Fig. 9. Balloon-centering endomicroscopy의 형태와 돼지의 식도에 대한 OCT 영상.13

의 파장 역폭에 반비례한다. 따라서 고 해상도의 OCT영상을

얻기 위해서는 광 역 광원에 한 개발이 매우 활발하게 진행

되어왔다. 광원의 폭을 펨토초 레이저와 photonic crystal fiber

(PCF) 등을 활용하여 극단적으로 넓힐 경우 OCT 영상의 축방

향 분해능은 1 µm 이하까지도 가능하다.7

최근에는 광 역이지만 고가인 펨토초 레이저 신, 경제적

이고 부피가 매우 작아 이동성있는 소형 광 역 SLD 의 개발과

함께 2~3개의 광원을 합쳐 하나의 광 역 SLD로 개발하는 연

구가 진행되고 있다. SLD 광원을 이용하여 1060 nm 역에서

는 깊이해상도 3.3 µm까지 가능함을 보인 바 있다.8 또한

SS-OCT 시스템에서 고속 파장가변 광원의 개발은 매우 중요한

데, 광 가변 필터의 역폭이 제한적이고, 안정적인 광파워의

구현이 어려워 SS-OCT의 고해상도 구현은 매우 제한적이었다.

최근 MEMS 기반의 Fabry-Perot의 역폭의 개발로 1050 nm

파장에서 400kHz의 스캐닝 속도와 5.3 µm의 깊이해상도를

갖는 SS-OCT가 구현되었고,9 SOA (Semiconductor Optical

Amplifier)를 2개 사용하여 1020 nm에서 2.9 µm까지의 깊이

해상도를 갖는 SS-OCT 광원이 개발되어 보고된 바 있다.10

5. OCT의 내시경 응용

의학진단분야에서는 안과영역, 특히 망막(retina) 관련 병변

의 진단에 가장 먼저 사용되기 시작하였으며 최근에는 심장병

학, 종양학, 치과, 신경외과, 정형외과, 피부과 등 그 범위가 점

차 다양해지고 있는 추세이다. 또한 간단하고 다양한 방법으로

장비를 갖출 수 있어 일반적인 진단 외에 영상 기반 수술(image-

guided surgery) 등에도 사용되고 있다.

여러 가지 임상응용 분야 중 내부 기관에 한 영상화는 내

시경형 OCT 장비를 통하여 이루어진다. OCT의 가장 큰 장점

중 하나는 작은 단모드 광섬유(single-mode fiber)로 구성할 수

있기 때문에 광섬유 프로브를 내시경에 삽입하여 외부로부터

의 접근이 쉽지 않은 혈관, 후두, 위장 등의 조직을 비침습적

또는 최소침습적으로 진단하는 데 있다고 할 수 있다. 빛을 집

적하여 스캔하는 방법이 광섬유 프로브의 직경을 크게 늘리지

않는 방식으로 고안될 수 있으면 단독 내시경형으로 또는 기존



Fig. 10. MIT 연구진 의해 획득된 사람 대장의 3차원 이미지14 (A) 정상인의 3차원 이미지 (B) 궤양성 대장염의 3차원 이미지.

의 내시경과 접목되어 임상에 사용될 수 있다.

Fig. 7은 1996년 처음 고안된 내시경 프로브의 모식도이다.11

삽입된 프로브는 외부에서 모터 등을 이용해 회전시키며 프로

브의 끝단에 빛을 모아서 90°로 반사시키기 위하여 그린렌즈

(GRIN lens)와 프리즘 등을 사용하여 혈관벽 등의 단면 구조를

얻는다. 이 기술은 특히 관상동맥(coronary artery) 등에서 생

성되는 위험한 플라그를 진단하는데 효과적이며 따라서 각종

심장 질환에 효과적으로 처할 수 있도록 도와준다.

Fig. 7에서 기술한 방식은 인체 외부에서 괌섬유 전체에 한

스캐닝 기능을 부여하는 방식으로 현재까지도 효과적으로 사용

되고 있기는 하지만 굴곡이 심한 지역을 통과하여 영상화 하는

데는 다소간의 어려움이 따른다. 이를 극복하기 위하여 아예 광

섬유의 끝단에서 스캔을 하기도 하는데 이 때 MEMS (micro-

electromechanical systems)기술을 사용하여 2차원 스캔이 가

능한 초소형 거울을 사용하여 3차원 영상을 얻는 방법도 주목

받고 있다. 그림 8은 MEMS 스캔 거울 및 프로드의 형태, 그리고

이를 활용하여 얻어진 hamster cheek pouch 조직의 3차원 영

상을 보여준다.12

이들 내시경용 OCT 장비들은 주로 혈관벽 영상화를 상으

로 하며, 유사한 기능을 하지만 해상도가 현저히 떨어지는

coronary IVUS (intravascular ultrasound)를 체할 신기술로

받아들여지고 있다. 혈관진단용 OCT 기술은 미국의 Lightlab

Imaging Inc.에 의해 상품화되었으며 2010년 St. Jude Medical

에 합병되어 세계 시장을 노리고 있는 상황이다.

현 endoscopic OCT 기술을 GI 분야에 그 로 적용하기에는

한 가지 더 풀어야 할 숙제가 있다. OCT 기술은 빛을 약하게

집적 시켜 비교적 넓은 범위의 축방향 정보를 얻어내는 기술이

다. 따라서 빔의 초점은 고정이 되게 되고 내시경의 크기를 고

려할 때 광 프로브로부터 멀리 떨어진 영역을 영상화하기에는

문제점이 있다. GI tract가 일정한 반경을 갖고 있지 않기 때문

이다. 이를 극복하기 위하여 최근에는 balloon을 활용하여

lumen의 반경을 일정하게 하고 빔의 초점을 balloon 벽에 위

치시켜 영상화하는 기술이 제안되었다(Fig. 9 참조).13 프로브와

의 거리가 있어 해상도가 다소 떨어지는 단점은 있지만 이 또한

지속적인 기술의 개발에 힘입어 극복될 수 있으리라 사료된다.

Fig. 10은 MGH(Massachusetts General Hospital] 내시경

OCT 연구진에 의해 획득된 정상인과 궤양성 장염이 있는

환자의 3차원 이미지이다. 현재 MGH 연구진은 인후두와

장암, 폐질환 진단을 위한 내시경 연구를 매우 활발히 진행하

고 있으며, 이는 내시경 OCT 의 의학적 진단 및 메커니즘 연

구의 잠재력을 보여준다.14

결 론

빛을 이용한 단층영상기법인 OCT는 Huang에 의해서 1991

년 처음 소개되어 이제 20년을 조금 넘긴 길지 않은 역사를 가

지고 있다. 하지만 기존의 광통신 기술과 빠르게 접목되며 세

부 기술 및 응용 분야가 매우 빠르게 진화하고 있는, 경쟁이 매

우 심한 분야이다. 기존의 단층촬영술에 비하여 OCT는 인체에

무해하고 저가이면서도 고해상도의 이미지를 실시간으로 제공

한다는 장점이 있다. 그러나 이런 많은 장점에도 불구하고 영

상화 할 수 있는 깊이가 인체의 경우 수 mm에 불과하다는 단

점을 가지고 있다. 하지만 수 mm 영역에서 OCT와 같은 해상

도를 제공하는 경쟁 기술이 없고 내시경 등 분야에서 그 발전

속도가 눈부실 정도로 빠르기 때문에 조만간 많은 임상 분야에

서 필수 장비로 간주될 것으로 전망된다.

A B



OCT 기술 발전은 아직까지 미국과 유럽이 주도하고 있는 형

태이나 국내의 연구진도 최근 일정 부분에서 선두권으로 부상

하는 기술을 만들어내고 있으며 국내의 우수한 인력과 광 산업

이 접목되어 최고 기술 수준에 도달하기까지 그리 멀지 않았다

는 판단이다.

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