포항공과대학교 연구팀이 단일 사진으로 세포의 3차원 형상과 실시간 움직임을 분석할 수 있는 혁신적인 AI 기술을 개발했다고 발표했다. 이 기술은 의료진단과 환경 분석 분야에서 획기적인 변화를 가져올 것으로 전망된다.

이상준 POSTECH 기계공학과 교수와 통합과정 김지환 씨 연구팀은 디지털 홀로그래픽 현미경(DHM)과 인공지능을 결합한 새로운 분석 기법을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 한 장의 영상만으로 세포의 3차원 구조, 위치, 그리고 빛의 굴절 정도까지 동시에 파악할 수 있다.

디지털 홀로그래픽 현미경(DHM, Digital holographic microscopy)이란 레이저 빔의 간섭 신호로부터 미세 크기 입자의 위치와 형상을 측정하는 3D 영상기법이다.

연구팀이 개발한 핵심 기술은 '물리 기반 AI 신경망'이다. 이 시스템은 빛이 세포에 부딪혀 생성되는 복잡한 간섭 패턴을 수학적으로 계산하고, AI가 이를 학습해 역으로 세포의 실제 형상을 복원하는 방식으로 작동한다. 연구팀은 "그림자를 보고 원래 물체의 모양을 추론하는 것과 유사한 원리"라고 설명했다.

기존 DHM 기술의 한계였던 '쌍 영상' 문제도 해결했다. 쌍 영상은 거울에 비친 상이 실제 물체 위에 겹쳐 보이는 현상으로, 정확한 3차원 형상 복원을 방해하는 주요 요인이었다. 새로운 AI 기술은 이러한 문제점을 제거하고 세포의 정확한 3차원 위치 정보를 제공한다.

이 기술의 가장 큰 장점은 실시간 처리 능력이다. 연속 촬영된 사진을 즉시 분석해 세포의 움직임과 형태 변화를 3차원 영상으로 구현할 수 있다. 과거 여러 장의 사진을 수집하고 분석해야 했던 복잡한 과정이 단일 촬영으로 단순화된 것이다.

의료 분야에서의 활용 가능성이 특히 주목받고 있다. 당뇨병이나 혈액질환 진단 시 복잡한 다단계 검사 과정 없이 한 번의 촬영만으로 세포 상태를 빠르고 정확하게 확인할 수 있게 됐다. 이는 진단 시간 단축과 정확도 향상을 동시에 달성할 수 있는 혁신적 변화로 평가된다.

환경 분야에서도 광범위한 응용이 예상된다. 미세먼지, 미세 플라스틱, 기포 등 다양한 미세 입자의 3차원 형상과 위치 분석이 가능해져 환경 모니터링과 오염물질 추적에 새로운 도구를 제공할 것으로 기대된다.

이상준 교수는 "이 기술은 단일 촬영 홀로그램 영상으로부터 미세한 입자의 3D 형상과 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 이상적인 방법"이라고 연구의 의의를 설명했다.디지털 홀로그래픽 현미경은 레이저 빔의 간섭 신호로부터 미세 크기 입자의 위치와 형상을 측정하는 3D 영상기법이다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 게재됐으며, 한국연구재단과 과학기술정보통신부의 집단연구지원사업 기초연구실 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.