Regular Paper

Korean Journal of Optics and Photonics. February 2020. 1-6
https://doi.org/10.3807/KJOP.2020.31.1.001


ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 실험 방법

  •   2.1. 동물 모델 준비

  •   2.2. 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 시스템

  •   2.3. 병리학적 검사 및 흉막 두께 측정

  •   2.4. 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영법을 이용한 흉막 두께 측정

  • III. 실험 결과 및 토의

  • IV. 결 론

I. 서 론

체내의 먼지, 석면 같은 다양한 발암물질은 단기적으로나 장기적으로 연구되어야 하는 중요한 영역이다[1]. 그러나 흉막은 매우 얇은 층이기 때문에 그러한 종류의 입자에 노출된 흉막 내 변화는 염증 과정의 초기 단계와 악성 흉막 반응을 구별하기 어렵다. 게다가 기존의 이미κ징 방법들은 흉벽을 검사하기에는 한계가 있기 때문에 흉막 변화의 이미징에 관한 연구는 거의 없었다. 예를 들어, 초음파 이미징은 흉막과 폐를 구별하기에 너무 낮은 이미지 대조도를 가진다[2]. 그리고 흉벽의 두께에 관한 방사선학 연구는 사투영(oblique projection)에 의해 정상적인 주변부 밀도가 더욱 뚜렷해지면서 흉막판(pleural plaque)으로 식별될 수 있다는 단점이 있다[3],[4]. 또한, 양전자 방출 컴퓨터 단층촬영(positron emission tomography- computed tomography, PET-CT)을 이용한 연구는 흉벽 두께의 뚜렷한 변화를 관찰할 수 없다[5]. 반면에, 광 결맞음 단층촬영법을 활용한 연구는 개발된 흉부 창(window)을 통해 수 밀리미터 깊이 내에서 뛰어난 이미지 해상도와 대조도로 두꺼운 흉부 영상을 얻을 수 있다[6]. 그러나 정상 조직과 비정상 조직을 직접 구별하거나 병변의 경계를 정의하는 것의 어려움은 여전히 남아있다[7]. 광 결맞음 단층촬영법의 기능적 확장인 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법은 조직에 두 개의 편광을 비추고 각각의 편광되어 후방산란되는 빛을 감지한다[8]. 복굴절 특성을 가진 조직은 빛이 조직 구조를 통과하고 반사하면서 빛의 편광 상태를 변화시키기 때문에 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법은 위상 분석을 이용함으로써 기능적 정보를 제공할 수 있다. 의료 영상 분야의 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법 연구를 위해 우리는 교원섬유(collagen fibers)가 풍부한 피부, 각막, 힘줄, 연골 등의 조직과 규칙적인 섬유 배열을 하는 골격근(또는 A-밴드)으로부터 충분한 샘플을 찾을 수 있다[9],[10],[11],[12],[13],[14].

한편, 탈크는 흉막유착에 가장 광범위하게 임상적으로 사용되는 물질이다. 환경오염 물질인 석면의 흉막반응을 설명하기 위해 대체재로 사용되는 물질이다. 본 연구에서 우리는 그러한 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법의 장점을 이용하여 탈크에 의한 흉막 염증 동물 모델로 근육의 복굴절과 그 변화를 가시화하였다. 또한, 복굴절의 비교를 통해 근육층으로부터 복굴절이 없는 흉벽을 구별하였다.

II. 실험 방법

2.1. 동물 모델 준비

동물 실험은 실험 동물의 관리 및 사용에 대한 가이드에 기반하여 수행되었다[15]. 이 실험은 고신대학교 의과대학 동물 연구 위원회에 의해 승인받았다. 본 연구에서 우리는 3.0~3.5 kg의 수컷 뉴질랜드 흰 토끼를 사용하였다. 첫 번째 근육 내 마취를 위해 케타민 5 mg/kg과 자일라진 0.8 mg/kg을 주입하였고, 마취 깊이 유지를 위해 케타민 10 mg/h과 자일라진 3 mg/h을 주입하였다. 실험 내내 산소 포화도는 귀 맥박 산소 측정기로 모니터되었다. 세 마리의 토끼는 정상 대조군(n = 1)과 탈크 실험군(n = 2)으로 나뉘었다. 흉막 유착술(pleurodesis)은 이전의 연구에 따라 수행되었다[8]. 다시 말해, 16게이지 플라스틱 카테터를 통해 오른쪽 흉부 공간에 슬러리 형태의 탈크(100 mg/kg)가 주입되었다. 통상 인체에는 4~5 g/kg 사용되나 소동물인 토끼에는 100 mg/kg로 선행 논문에 사용되었다. 실험에 사용된 동물들은 흉막 유착술 14일 후에 근육 내 케타민을 주입한 후 CO2가스에 의해 안락사시켰으며, 현미경 검사, 광 결맞음 단층촬영법, 조직학적 검사를 통해 분석되었다.

2.2. 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 시스템

편광 민감 광 결맞음 단층촬영법은 존즈 행렬(Jones matrix)을 기반으로 하여 설계되었다[8],[16]. 이 시스템의 광원은 중심 파장이 1,060 nm, 반치전폭(FWHM)이 111 nm, 평균 출력이 30 mW인 미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기반의 파장가변 광원(swept source)이었다. 광원의 스캐닝 속도는 100 kHz, 스캐닝 폭이 123 nm였다. 광섬유 기반 간섭계에서는 두 개의 도브 프리즘(Dove prism)이 광경로차에 의해 직교하는 두 분극 상태의 결합을 생성한다. 이 시스템의 사양은 스캐닝 부분에서 측정된 평균 출력이 1.15 mW으로, 조직 내에서 깊이 분해능은 6.2 µm였고 0.3~2.6 mm의 깊이에서 91.05 dB의 민감도와 -0.65 dB/mm의 신호 롤오프를 가졌다. 각 신호의 측정된 이미징 범위는 약 2.95 mm이다.

2.3. 병리학적 검사 및 흉막 두께 측정

병리학적 검사의 경우, 흉막 조직(또는 벽측 흉막, 늑간근)을 1 × 1 cm2 조각으로 잘라 10% 중성 완충 포르말린(NBF)에 고정시키고 파라핀에 포매시켰다. 일련의 섹션(4 µm 두께)을 헤마톡실린-에오신(H&E)으로 염색하고 현미경으로 검사를 진행하였다. 병적인 손상의 정도(중피층 내 손상: 경도 손상, 근육층을 포함한 손상: 중등도 손상)에 근거하여, 두 마리의 토끼로부터 두 개의 경미한 부상 조직과 한 개의 완화된 부상 조직을 얻었다. 흉막의 두께를 측정하기 위해 각 조직마다 네 군데 측정 지점을 정점, 종격막, 횡격막을 포함하여 벽측 흉막에서 선택하였다.

병리학에서 흉막 반응의 두께는 중피층 상부에서 중피하층까지 현미경적으로 정의되었다. 통계 분석은 SPSS 버전 17.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)에 의해 수행되었다. 데이터는 평균 ± 표준편차로 나타내었다. 양측의 <0.10인 p값은 통계적 유의성을 결정하였다(케이스 개수 n은 각각 정상 n = 4, 경도 n = 8, 중등도 n = 4).

2.4. 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영법을 이용한 흉막 두께 측정

연골에 대한 이전 연구에 도입되었던 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영법을 이용한 위상 지연 분석의 경우[17], 수동으로 선택한 세 지점에서 위상 지연을 측정한 후, 누적 그래프를 나타냈다. 정상 조직에서는 실험 그룹들 간의 통계학적 균형을 맞추기 위해 세 지점을 지정하였고, 이는 그림 1(c)의 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 이미지와 그림 4(a)의 그래프에서 1, 2, 3으로 표시하였다. 다른 조직에서는 그림 2에서 그림 4까지 볼 수 있듯이, 정상과 유사한 부분, 전이 부분, 병변의 세 군데로 지정하였으며, 이들은 각각 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 이미지와 그래프에서 1, 2, 3의 경우를 나타낸다. 정상과 유사한 부위에서는 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 영상에서 근육 층의 균일한 복굴절 패턴이 관찰되었다. 이 부위는 염증성 삼출물로 덮여 있는 흉막 표면 때문에 정상 조직과 구별되었다. 병변은 골격근 밑에 있는 육아 조직(granulation tissue)과 석회화를 가지고 있었다. 전이 부분은 정상과 유사한 영역과 병변 사이의 지점이었으며, 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 영상에서 복굴절 패턴의 변화가 관찰되었다.

기울기는 4개 층 내에서 선형 맞춤(linear fitting)으로 구했다. 기울기를 추정하기 위해 관심 있는 영역(편광 민감 광 결맞음 단층 촬영 이미지의 1, 2, 3영역)의 각 A-라인은 표면 평탄화하고, 이웃한 10개의 A-라인(왼쪽 5개와 오른쪽 5개의 A-라인)을 평균을 내어 중간 필터링을 통해 수정하였다(케이스 개수 n은 각각 정상 n = 33, 경도 n = 66, 중등도 n = 33). 서로 다른 특성을 갖는 분할 영역을 이전 연구에서 소개한 방법에 따라 분석하였다[17]. 흉막의 이상을 구별하기 위해 각 케이스 별 복굴절 패턴을 정상 케이스와 비교하였고, 편광 민감 광 결맞음 단층 촬영법과 병리학에 의한 두께 결과 또한 비교하였다.

III. 실험 결과 및 토의

광 결맞음 단층촬영법으로 정상 흉막의 얇은 중피층과 인접한 점막 하층을 포함한 표준 구조가 뚜렷하게 관찰되었다. 그러나 근육 층은 빛세기의 광 결맞음 단층촬영법으로는 관찰이 어려웠다(그림 1(b)). 이러한 빛세기 기반의 광 결맞음 단층촬영 영상은 이전 연구를 뒷받침하였다[6],[7]. 한편, 편광 민감 광 결맞음 단층촬영 영상은 서로 다른 복굴절 특성을 갖는 중피 층과 근육 층을 완전히 구별하였다(그림 1(c)). 그리고 정상 조직의 조직학적 이미지는 얇은 흉막과 건강한 근육도 보여주었다. 또한 탈크 그룹의 편광 민감 광 결맞음 단층촬영 영상은 복굴절 패턴에 의해 층의 건강 상태를 보여주었다(그림 2(c)와 3(c)). 영상에 따르면 정상 조직에서 관찰되는 균일한 밴드 모양의 복굴절 패턴이 병변 내부와 주변에서는 완전히 사라지거나 희미해졌다. 이러한 샘플들의 조직학적 검사는 다양한 염증성 조직 변화를 보여준다. 이 분석은 중피 이상증식, 섬유아세포의 증식에 의한 흉막하 섬유 형성, 두꺼워진 교원섬유, 모세혈관의 수 증가 등의 유의한 과립화 반응(granulation reaction)을 보여주었다(그림 2(d), 3(d)).

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Fig. 1.

Normal pleural imaging. (a) Chest wall preparation after resection. The red line is the scanned area. (b) Cross-sectional image of intensity OCT. (c) Characteristic birefringence of healthy layers in PS-OCT. (d) Pathologic image showing thin mesothelium and healthy smooth muscle.

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Fig. 2.

Imaging of pleura with a mild injury. The yellow arrows indicate the thickened pleura. (a) Chest wall preparation after resection. The red line is the scanned area. (b) Cross-sectional image of intensity OCT. (c) Thickened pleural layer and discontinued birefringence of layers in PS-OCT. 1 is a normal looking area, 2 is a transition area, and 3 is a lesion. (d) Pathologic examination showing thickened mesothelium and a stromal cell layer but intact muscle.

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Fig. 3.

Imaging of a plural layer with a moderate injury. The yellow arrows indicate the thickened pleura. (a) Chest wall preparation after resection. The red line is the scanned area. (b) Cross-sectional image of intensity OCT. (c) Thickened pleural layer and discontinued birefringence of layers in PS-OCT. 1 is a normal looking area, 2 is a transition area, and 3 is a lesion. (d) Pathologic examination showing thickened mesothelium and a stromal cell layer with injured muscle.

즉 대조군과 거의 손상이 없는 샘플은 비교적 온전한 흉막 층과 근육 층을 가지고 있는 반면, 중등도 그룹의 민무늬근은 염증세포와 섬유질로 침투되어 있었다. 그리고 흉막 층의 두께는 광 결맞음 단층촬영 영상과 편광 민감 광 결맞음 단층촬영 영상에서 손상의 정도에 따라 상당히 증가하였다.

그림 4에서 볼 수 있듯이, 위상 지연의 기울기도 영상 결과를 뒷받침하며 근육의 손상 단계를 나타내었다. 기울기 곡선의 첫 번째 안정기(plateau segment)는 흉막 층의 두께에 해당된다. 다음 세그먼트에서 기울기(gradient)는 정상으로 보이는 부위와 병변에서의 근육의 복굴절 상태를 상대적으로 나타낸다.

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Fig. 4.

Accumulated phase retardation curves along the depth, which does not consider the refractive index of each position as marking in the PS-OCT images and corresponding linear fits (LFs) (red dotted lines). (a) Normal case corresponding to Fig. 1. (b) Mild group corresponding to Fig. 2. (c) Moderate group corresponding to Fig. 3.

대조군에서는 짧은 첫 번째 안정기가 얇은 흉막 층과 일치했다(그림 4(a)). 위상 지연은 깊이에 따라 큰 변화를 가졌고, 각 기울기는 측정 위치에 관계없이 유사하였다. 따라서 이 분석 결과는 건강한 조직의 규칙적인 근섬유 배열과 일치하였다.

그러나 탈크 모델 그룹에서는 위상 지연 대 깊이 비율이 미미했다(그림 4(b), 4(c)). 같은 조직 내의 정상으로 보이는 부위와 비교했을 때도 손상 부위는 위상 지연 기울기가 더 작았다. 구체적으로는 각 측정 위치에서 기울기를 비교함으로써 병변으로부터의 거리가 멀어짐에 따라 경사가 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 손상의 정도가 심할수록 경사의 차이는 더욱 컸다.

이때 깊이 방향으로 접혀져(wrapped) 있는 형태인 위상 지연 신호를 A라인을 따라가며 위상 지연을 단순 누적함으로써 위상 펼침(phase unwrapping)을 수행하였다.

표 1에 따르면 조직학적 방법과 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법에 의해 측정된 손상의 정도에 따른 흉막의 두께가 서로 일치했다. 비록 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법이 이미징 깊이의 한계로 인해 근육 내 병변의 크기를 측정할 수는 없었지만, 흉막층 두께의 변화를 측정한 것은 질병의 진행 정도를 파악하는 데 의미가 있다.

Table 1. Pleural thickness according to tissue damage. Thickness was measured from PS-OCT and pathological images

[µm] Normal Mild Moderate
Histologic examination 48 ± 2.1 150 ± 8.6 252 ± 43.0
PS-OCT 46 ± 3.9 154 ± 14.3 232 ± 40.9

IV. 결 론

석면 같은 미세 입자들은 호흡을 통해서 체내에 들어오는 경향이 있다. 그러한 입자들이 체내로 유입되면 대부분은 그대로 남아 몸 전체에 독소적 영향을 미친다. 따라서 흉벽은 탈크 노출의 직접적인 영향을 받기 때문에 먼저 연구될 필요성이 있다. 더욱이 흉벽의 구조적 변화는 호흡 기능과 관련이 있기 때문에 변화의 정도를 관찰하는 것은 그 치료를 함에 있어 중요한 정보를 제공할 수 있다.

빛세기 기반의 광 결맞음 단층촬영법을 이용한 흉벽과 관련된 이전 연구에 따르면, 흉막중피 비후가 확인되었으며 흉막중피 두께의 영상 분석 결과는 그것의 조직학적 결과와 통계적으로 일치하였다. 그러나 광 결맞음 단층촬영 시스템은 손상된 근육과 병변 경계의 명확한 경계를 제공하지 못했다. 본 연구에서 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법은 탈크 노출 후 흉벽의 두꺼워진 중피와 손상된 근육의 복굴절을 연구하는 데 사용되었다. 건강한 근육의 동종(homogeneous) 섬유 구조는 광학적 비등방성에 의한 복굴절을 보였고, 그림 1(c)와 그림 4(a)에 각각 균일한 복굴절 패턴과 가파른 위상 지연 기울기를 보였다. 영상으로부터 근육은 복굴절이 없는 흉막중피 층과 명확히 구별되었다. 반면 탈크에 의해 손상된 흉벽은 염증 또는 발암으로 인해 근육 내 중피의 비후와 구조적 변화를 가졌다. 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법은 이러한 생리학적 변화를 관찰했다. 흉벽의 표면에서 육안으로 식별하기에는 병변이 너무 작지만 편광 민감 광 결맞음 단층촬영 영상은 근육 내 병변의 위치에서 깨진 복굴절 패턴을 확인하였다.

게다가 기형 근섬유를 의미하는 복굴절의 변형된 배열은 손상의 여지를 결정하는 단서가 될 수 있는데, 이것은 다른 근육 질환에 대한 근육의 기능성을 연구하거나 수술의 경계가 중요할 때 더 많이 사용될 수 있다. 결과적으로, 편광 민감 광 결맞음 단층촬영법은 복굴절 및 위상 지연 누적 변화를 제공함으로써 병소의 구조뿐만 아니라 다양한 정보를 파악하는 데 적합한 도구가 될 수 있다. 조직내의 광특성을 이용하여 개별 부위를 구별하고, 병의 정도를 식별하며, 병변의 치료 목적으로 병변의 범위를 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.

Acknowledgements

이 논문은 2015학년도 부경대학교 연구년[II] 교수 지원사업에 의하여 연구되었습니다(C-D-2015-0503).

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