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    포항공과대학교 의생명 광학 시스템 실험실home

    실험실 소개 이미지
    실험실 정보안내
    지도교수 김기현
    전공분류 기타(ETC),
    주소 경상북도 포항시 남구 효자동 산31번지 포항공과대학교 기계공학과 790-784
    전화 054)279-2190
    홈페이지 http://sites.google.com/site/bmoptics2/

    실험실소개

     

    포항공과대학교, 기계공학과 그리고 융합생명공학부 소속인 김기현 교수님 연구실입니다. 본 연구실은 생명학과 의학 발전에 기여할 수 있는 첨단 광학영상 시스템 기술을 개발합니다. 
     
    영상 시스템은 생명학과 의학처럼 복잡한 시스템의 연구에는 필수적입니다. 영상을 통해서만 시스템을 이해할 수 있고, 관심있는 현상을 관찰하며 연구할 수 있습니다. 다음 그림은 의생명학에서 사용되는 영상 기술들을 보여줍니다. 빛을 이용한 영상 기술은 빛의 짧은 파장을 바탕으로 하여 세포를 볼 수 있는 고해상도 촬영이 가능합니다. 광학 현미경은 꽤 오랫동안 이용되어 왔는데, 최근의 biotechnology발전과 함께 살아있는 세포를 관찰할 수 있는 광학현미경 기술이 다시 중요해 졌습니다. 이에 따라 3차원 해상도를 가지는 기술들, 일반적인 광학해상도를 뛰어 넘는 고해상도 기술들이 개발되었습니다. 또한 광학 현미경보다는 해상도가 떨어지지만 그래도 다른 의학영상보다는 해상도가 좋은 빛의 반사를 바탕으로하는 새로운 3차원 영상기술 (optical coherence tomography)도 개발되었습니다. 

     

    그림 1. 의광학에서 사용되는 영상 기술의 해상도에 따른 분류

     

    의생명 광학시스템 연구실의 코어 기술인 이광자 현미경 (two-photon microscopy)과 광단층영상 기술 (optical coherence tomography)에 대해 간단히 설명합니다.  

     

    이광자 현미경

    비선형형광 현상을 바탕으로하는 레이저 스캐닝 현미경 기술입니다. 생체조직 내 세포 관찰이 가능하여 동물모델에서 세포단위 연구에 사용됩니다. 본 연구실은 고속, 고 촬영깊이를 가지는 고성능 이광자 현미경을 개발하고 면역연구, 뇌 질병연구, 그리고 식물 광합성 연구등을 수행합니다. 

     

    그림 2. 이광자 현미경으로 촬영한 3차원 피부영상 그리고 뇌세포 영상
     

    광단층영상

    광단층영상은 빛의 반사를 이용해 생체조직의 미세구조를 관찰할 수 있는 3차원 영상기술입니다. 비침습적이고 10마이크론 이하의 고해상도를 가져 안과에서 각막 및 망막촬영, 피부 및 내부기관의 3차원 촬영이 가능하여 임상에서 질병의 조기진단 및 다양한 임상연구에 적용되고 있습니다. 본 연구실에서는 다양한 형태의 고성능 광단층영상 기술을 개발하고 현재 소장에서의 면역연구, 식물에서 광합성 및 물질전달 관련 연구 등을 수행합니다. 

     

    그림 3. 광단층영상의 원리 및 3차원 각막영상

     

    현재 수행중인 프로젝트 

    • High-speed two-photon microscopy + Doppler optical coherence tomography
    • Deep tissue imaging and intrinsic fluorescence based imaging with OPA laser
    • Hand-held two-photon imaging probe
    • High-resolution STED (stimulated emission depletion) microscopy
    • Multi-functional optical coherence tomography
    • Endoscopic OCT probe
    • High-speed two-photon fabrication
     
    의생명광학 소개
    의생명광학 (biomedical optics)은 의학 생명학 연구를 위한 첨단 광학영상 기술들을 의미합니다. 다음은 의생명학에서의 빛의 적용에 대한 간략한 설명입니다. 
     
    빛은 또한 생체조직과 여러 가지 반응 (interaction)을 합니다. 빛을 생체조직에 비추면 빛은 조직을 투과하면서 일부는 산란 (반사)되고 일부는 흡수됩니다. 그리고 아주 작은 양의 빛은 형광을 만들어 냅니다. 이와 같은 빛의 투과, 산란, 흡수, 형광을 이용하여 다양한 광학 영상 기술들이 개발되었습니다. 
     
    투과: 일반 현미경, 위상 현미경
    산란: 광단층영상
    흡수: 치료용 레이저
    형광: 형광 현미경
     
    그림2. Light interaction with tissue. (가) Diagram, (나) 빛의 흡수, 산란과 이의 파장과의 관계

    연구분야

    이광자현미경

    Two-photon microscopy(TPM) is a 3D fluorescence microscopy, where its 3D resolution comes from confined fluorescence generation at the focal volume of excitation beam based on two-photon excitation. With its features of minimal phototoxicity and a high imaging depth within turbid tissues, TPM is widely used in in vivo tissue study. We develop high-performance TPM systems and apply them to leading-edge biomedical researches.

     
    Development
     
    1. High-performance TPM (custom-made)

    high imaging speed (40 frames/s) by using a resonant scanner
    high imaging depth by optimizing the emission path (by putting PMTs close to the specimen)
     
     
    TPM applications
     
    1. In vivo immune system study
    in collaboration with Drs. Junsang Doh and Myung Ho Jang at POSTECH

     

    Ex-vivo mouse lymph node images at various planes (at the surface, 100, 200 micron deep)
     
     
    2. In vivo plant (chroloplast) study
    in collaboration with Dr. Hae Koo Kim (Dr. Sang Joon Lee) at POSTECH 

    3D images of plant leaves based on autofluorescence

    광단층영상

    OCT is a 3D imaging technique based on light back-reflection from within tissues. OCT is very similar to Ultrasound imaging in terms of using reflection (therefore, non-invasive), but OCT has much higher resolution by using light instead of ultrasound. OCT provides high resolution (<10 micron) images of tissue structures down to 1.5 or 2 mm from the surface. 

    We develop high-performance OCT systems and endoscopic imaging probes, and put lots of effort to solve various clinical challenges.
     
    Development
     
    1. high-performance OCT based on wavelength swept source (custom-made)
        Phase (Doppler) and polarization sensitive (PS) OCT
    2. endoscopic probes
        MEMS based OCT probe etc.
     
    Clinical study
     
    1. Ophthalmology study in collaboration with Chun Ki Joo at Seoul St. Mary's Hospital
    2. Dermatology study: burn depth determination


     

    연구성과

    KH Kim, B. Hyle Park, Yupeng Tu, Tayyaba Hasan, Byunghak Lee, Jianan Li, Johannes F. de Boer
    Polarization-sensitive optical frequency domain imaging based on unpolarized light
    Opt. Express, 2011, Vol. 19, No. 0, pp. 0~ 0

    Sun, T.; Liu, Y.; Sung, M.; Chen, H.; Yang, C.; Hovhannisyan, V.; Lin, W.; Jeng, Y.; Chen, W.; Chiou, L.; Huang, G.; Kim, K. H.; So, P. T. C.; Chen, Y.; Lee H.; Dong C.
    Ex vivo imaging and quantification of liver fibrosis using second-harmonic generation microscopy
    J. Biomed. Optics, 2010, Vol. 15, No. 0, pp. 0~ 0

    KH Kim, James A. Burns, Jonathan J. Bernstein, Gopi N. Maguluri, B. Hyle Park, and Johannes F. de Boer
    In vivo 3D human vocal fold imaging with polarization sensitive optical coherence tomography and a MEMS scanning catheter
    Opt. Express, 2010, Vol. 18, No. 0, pp. 0~ 0

    JA Burns, KH Kim, JB Kobler, JF de Boer, G Lopez-Guerra, SM Zeitels
    Real-Time Tracking of Vocal Fold Injections With Optical Coherence Tomography
    Laryngoscope, 2009, Vol. 119, No. 11, pp. 0~ 0

    WL Chen, CK Chou, MG Lin, YF Chen, SH Jee, HY Tan, TH Tsai, KH Kim, D Kim, PTC So, SJ Lin, CY Dong
    Single-wavelength reflected confocal and multiphoton microscopy for tissue imaging
    J Biomed. Optics, 2009, Vol. 14, No. 5, pp. 0~ 0

    TL Sun, Y Liu, MC Sung, HC Chen, CH Yang, V Hovhannisyan, WC Lin, WL Chen, LL Chiou, CT Huang, KH Kim, PTC So, HS Lee, CY Dong,
    Label-free diagnosis of human hepatocellular carcinoma by multiphoton autofluorescence microscopy
    Appl. Phys. Lett., 2009, Vol. 95, No. 19, pp. 0~ 0

    Michael J. R. Previte, S. Pelet, K. H. Kim, C. Buehler, P. T. C. So,
    Spectrally resolved fluorescence correlation spectroscopy based on global analysis
    Anal. Chem., 2008, Vol. 80, No. 9, pp. 3277~ 3284

    Gopi Maguluri, M. Mujat, B. H. Park, K. H. Kim, Wei Sun, N. V. Iftimia, R. Daniel Ferguson, Daniel X. Hammer, Johannes F. de Boer,
    Three-dimensional tracking for volumetric spectral-domain optical coherence tomography
    Opt. Express, 2007, Vol. 15, No. 0, pp. 16808~ 16817

    K. H. Kim, B. H. Park, G. Maguluri, B. E. Bouma, Johannes F. de Boer, T. W. Lee, F. J. Rogomentich, M. G. Bancu, and J. J. Bernstein,
    Two-axis magnetically-driven MEMS scanning catheter for 3D endoscopic spectral-domain optical coherence tomography
    Opt. Express, 2007, Vol. 15, No. 26, pp. 18130~ 18140

    K. H. Kim, Mehron Puoris’haag, Gopi N. Maguluri, Yumiko Umino, Karen Cusato, Robert B. Barlow, Johannes F. de Boer,
    Monitoring mouse retinal degeneration with high-resolution spectral-domain optical coherence tomography
    J. Vision, 2008, Vol. 8, No. 17, pp. 1~ 11

    Won Hyuk Jang, Areum Park, Taejun Wang, Chan Johng Kim, Hoonchul Chang, Bo-Gie Yang, Myoung Joon Kim, Seung-Jae Myung, Sin-Hyeog Im, Myoung Ho Jang, You-Me Kim, Ki Hean Kim
    Two-photon microscopy of Paneth cells in the small intestine of live mice
    Scientific Reports, 2018, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

    Lee S, Lee JH, Wang T, Jang WH, Yoon Y, Kim B, Jun YW, Kim MJ, Kim KH
    Three-photon tissue imaging using moxifloxacin
    Sci Rep, 2018, Vol. 0, No. 0, pp. 0~ 0

    WH Jang, Y Yoon, W Kim, S Kwon, S Lee, D Song, JW Choi, KH Kim
    Visualization of laser tattoo removal treatment effects in a mouse model by two-photon microscopy
    Biomed. Opt. Express, 2017, Vol. 0, No. 0, pp. 3735~ 3748

    Soonjae Kwon, Yeoreum Yoon, Bumju Kim, Won Hyuk Jang, Byungho Oh, Kee Yang Chung, and Ki Hean Kim
    Dermoscopy guided dark-field multi-functional optical coherence tomography
    Biomed. Opt. Express, 2017, Vol. 0, No. 0, pp. 1372~ 1381

    서브 사이드

    서브 우측상단1