사진 한장이면 충분…세포 움직임, 3차원 영상, 위치파악

포스텍 기계공학과 연구팀이 기술 개발

AI 활용 세포 실시간 3D 형상·동적 분석

[포항=뉴시스] 포스텍(포항공과대학교) 기계공학과 이상준 교수와 통합 과정 김지환씨 연구팀이 한장의 사진만으로 세포의 입체적인 모습과 움직임을 볼 수 있는 기술을 개발했다. 포스텍 기계공학과 이 교수(왼쪽), 통합 과정 김씨. (사진=포스텍 제공) 2025.07.23. [email protected]

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍(포항공과대학교) 기계공학과 연구팀(이상준 교수·통합과정 김지환)이 한장의 사진만으로 세포의 입체적인 모습과 움직임을 볼 수 있는 기술을 개발했다.
 
23일 포스텍에 따르면 이 기술은 혈액 질환 검사나 미세먼지 분석 등 우리 생활과 밀접한 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
 
질병 진단이나 치료법 개발을 위해서는 세포의 구조와 움직임을 정확히 이해해야 하지만 애초의 방법으로는 여러 각도에서 여러번 사진을 찍어야 했기 때문에 변화하는 세포의 모습을 실시간으로 포착하기 어려웠다.

연구팀은 디지털 홀로 그래픽 현미경(DHM)과 인공지능(AI)을 결합해 단 한장의 영상으로 세포의 3차원 모습과 위치, 빛이 세포를 통과하면서 굴절되는 정도까지 한꺼번에 파악할 수 있는 기술을 개발했다.
 

[포항=뉴시스] 포스텍(포항공과대학교) 기계공학과 이상준 교수와 통합 과정 김지환씨 연구팀이 한장의 사진만으로 세포의 입체적인 모습과 움직임을 볼 수 있는 기술을 개발했다. 물리 기반 인공신경망을 활용한 단일 촬영 홀로그램 3D 복원 기술(a)과 인공지능(AI) 기술의 작동 원리(b), (c) 적혈구와 대장균의 3D 형상 변화와 동적 거동 측정의 예시. (사진=포스텍 제공) 2025.07.23. [email protected]

핵심은 '물리 기반 AI 신경망'으로 빛이 세포에 부딪혀 생기는 복잡한 무늬를 수학적으로 계산하고 이를 AI가 학습해 거꾸로 세포의 모습을 알아내는 방식이다.

연구팀은 "마치 그림자를 보고 원래 물체의 모양을 맞히는 것과 비슷하다고 생각하면 된다"고 설명했다.

애초 DHM 기술은 세포 위치는 어느 정도 알 수 있었지만 입체적인 형태를 제대로 복원하는 데 한계가 있었다.
 
특히 '쌍 영상(twin image)'이란 마치 거울 속에 비친 상이 실제 물체 위에 겹쳐 보이는 현상이다.
 
이번에 개발된 AI 기술은 이런 문제점을 깔끔하게 해결하고 세포의 3차원 위치 정보까지 정확하게 알아낼 수 있다.

가장 큰 장점은 처리 속도다. 연속 촬영한 사진을 실시간으로 처리해 세포 움직임과 형태 변화를 3차원 영상으로 보여준다.
 
과거에는 여러장의 사진을 모아 분석해야만 했던 정보를 훨씬 빠르고 쉽게 얻을 수 있게 된 것이다. 당뇨병이나 혈액 질환 진단 때 복잡한 과정 없이 한번의 검사로 세포를 더 빠르고 정확하게 확인할 수 있다.
 
또 세포뿐만 아니라 미세먼지, 미세 플라스틱, 기포 같은 작은 물질의 3차원 모습과 위치도 분석할 수 있어 환경 분야에서도 큰 변화가 예상된다.

이 교수는 "이 기술은 단일 촬영 홀로그램 영상으로부터 미세한 입자의 3D 형상과 움직임을 실시간으로 측정할 수 있는 이상적인 방법"이라고 말했다.

이 연구는 최근 '네이처 커뮤니케이션즈'에 게재됐다. 한국연구재단·과학기술정보통신부의 집단 연구 지원 사업의 지원을 받아 수행했다.


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