2021년 12월 과학기술인상, 포스텍 김철홍 교수 선정-광초음파 의료영상 개발 및 상용화로 디지털건강(헬스)산업 경쟁력 강화

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2021. 12. 1.

2021 12월 과학기술인상, 포스텍 김철홍 교수 선정-광초음파 의료영상 개발 및 상용화로 디지털건강(헬스)산업 경쟁력 강화

작성일 2021-12-01 부서 과학기술안전기반팀

 

 

 

2021년 12월 과학기술인상, 포스텍 김철홍 교수 선정

- 광초음파 의료영상 개발 및 상용화로 디지털건강(헬스)산업 경쟁력 강화-

 

 

□ 과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 12월 수상자로 포항공과대학교 전자전기공학과 김철홍 교수를 선정했다고 밝혔다.

 

 ㅇ ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매달 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여한다. 

 

□ 12월 과학기술인상 수상자 김철홍 교수는 전자·정보기술을 바탕으로 차세대 진단의료 기술인 다중모드 광초음파 의료영상 시스템을 개발하고, 기술이전 및 사업화를 통해 디지털 건강(헬스)산업의 국가 경쟁력 강화에 이바지한 공로가 인정되어 수상자로 선정되었다.

 

 ㅇ 코로나19가 야기한 경제위기를 타개하기 위해 각국의 생명건강 시장 선점 경쟁이 치열하다. 정부도 지난해 12월 ‘반도체·미래차·생명건강’ 빅3 산업 육성을 위한 혁신성장추진회의를 시작하여 생명건강 산업 발전을 추진하고 있다.

 

 ㅇ 김철홍 교수는 투명한 초음파 트랜스듀서를 개발해 문제를 해결하고, 초음파 검사 한 번만으로 초음파, 광음향, 광간섭, 형광의 4중 융합 영상을 얻는 시스템 개발에 성공했다. 

 

  - 최근 의료용 영상시스템 분야에서는 초음파와 레이저 광학기기를 결합해 다양한 영상과 정보를 한 번에 얻어 진단 정확도를 높이는 멀티모달(Multi-Modal)이 화두다. 하지만 광학 영상용 레이저는 기존의 불투명한 초음파 트랜스듀서*를 통과하지 못해 이 둘을 물리적으로 결합하는 데 어려움이 있었다. 

     * 트랜스튜서: 전기적 신호를 초음파로 만들거나, 초음파를 받아서 전기신호로 변환해주는 장치나 소자

 

  - 연구팀은 세계 최초로 투명 초음파 트랜스듀서를 적용한 4중 융합 영상시스템을 개발해 문제를 해결하고, 화상을 입은 실험체의 눈을 관찰해 각막의 신생 혈관 및 백내장, 염증 등 다양한 증상을 종합적으로 확인하였다. 더불어 흑색종, 유방암 등 암 관련 질병의 진단 가능성도 검증하였다. 연구 결과는 2021년 3월 미국립과학원회보(PNAS)에 게재되었다. 

 

 ㅇ 또한 김철홍 교수는 연구성과가 학문적 수준에 머물지 않고 실제 의료 현장에서 활용될 수 있도록 40여 편의 국내외 특허를 출원·등록하고, 기술이전에도 힘을 쏟았다. 2018년에는 말초혈관 질환을 실시간으로 촬영하는 초고속·고해상도 현미경 기술을 기반으로 ㈜옵티코를 창업하여, 최근 시리즈A 투자 유치에 성공하였다. 

 

□ 김철홍 교수는 “이번 연구는 광학적으로 투명한 초음파 트랜스듀서를 개발함으로써 초음파-광학 융합 의료 영상 시스템을 개발한 데 의의가 있다”라며 “관련 기술은 의료 영상 시스템뿐만 아니라 빛과 초음파를 활용하는 다양한 산업 분야에서도 광범위하게 사용될 수 있을 것으로 기대한다”고 수상소감을 밝혔다.  

 

붙임 1. '21년 12월 수상자 주요 연구성과 설명

     2. '21년 12월 수상자 이력

     3. '21년 12월 수상자 인터뷰

 

 

붙임1

 

 '21년 12월 수상자(김철홍 교수) 주요 연구성과 설명

 

<초음파와 레이저 결합한 차세대 IT융합 광초음파 의료영상 개발>

 

 

ㅇ 다양한 파장의 빛이 통과 가능한 투명 초음파 트랜스듀서 

초음파 트랜스듀서(또는 센서)는 초음파를 송/수신하는 기기로 의료 영상, 비파괴 검사, 자동차 거리 센서, 스마트폰 지문인식 등 다양한 산업에서 활용된다. 최근에는 광학 기술과 접목하여 초음파와 광학 신호를 동시에 획득하는 다중모드 센싱 또는 영상이 화두이다. 그러나 기존의 초음파 트랜스듀서는 광학적으로 불투명하여 동일 축에서 광학 기술과 결합하는 것이 매우 제한적이었다. 이에 연구진은 초음파 트랜스듀서를 구성하는 모든 레이어를 투명하게 만들어 광학적으로 투명한 초음파 트랜스듀서를 개발하는 데에 성공하였다. 

 

ㅇ 초음파/광음향/광간섭/형광 4중 융합 영상 시스템

투명 초음파 트랜스듀서를 광음향/광간섭/형광 레이저 경로의 가장 마지막 단에 결합하여 하나의 시스템 내에서 초음파/광음향/광간섭/형광의 4가지 영상이 가능하도록 하였다. 본 연구에서 이 시스템의 활용도를 검증하기 위해 쥐 눈의 각막에 화상 질병을 만들어서 영상을 획득하였다. 화상 이전의 영상에서는 안구 혈관 및 그 구조들이 모두 정상이었으나, 화상 후 신생혈관 생성, 홍채 비대칭, 백내장, 염증 등 다양한 증상들을 4가지 영상을 통해서 동시에 관찰할 수 있었다. 또한, 안과 분야뿐만 아니라 흑색종, 유방암 등 암 관련 질병에서도 해당 기술이 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다. 

 

 

 붙임2

 

 '21년 12월 수상자(김철홍 교수) 이력

 

 

 □ 인적사항

 

  o 성명 : 김 철 홍

  o 생년 : 1978년

  o 소속 : 포항공과대학 전자전기공학과

    

 

 

 □ 주요 경력 

  o 2013.02. ~ 현재     포항공과대학교 전자전기공학과/IT융합공학과

                       /기계공학과 조/부/정교수

  o 2021.09. ~ 현재     포항공과대학교 교무부처장

  o 2021.03. ~ 현재     포항공과대학교 차세대리더교수

  o 2020.06. ~ 현재     포항공과대학교 의료기기혁신센터 센터장

  o 2018.04. ~ 현재     포항공과대학교 무은재석좌교수

  o 2018.02. ~ 현재     ㈜옵티코 대표이사

  o 2010.08 ~ 2013.01   미국 뉴욕주립대학교 버팔로캠퍼스 조교수

                        (State University of New York at Buffalo)

 □ 전문 분야

  o 다중 모드 이미지: 광음향/초음향/광학/AFM/RF/자기

  o 의료 분야의 고성능 컴퓨팅(CPU/GPU/DSP), 프로세싱 및 인공지능

  o 디지털 헬스케어/의료기기 상용화

 

 

 

붙임3

 

 '21년 12월 수상자(김철홍 교수) 인터뷰

 

 

   전화위복, 즉 위기 속에 기회가 있다는 말입니다. 코로나19 팬데믹이 야기한 글로벌 경제위기 속에서도 바이오헬스 기술의 중요성은 어느 때보다 강조되고 있습니다. 12월 이달의 과학기술인상의 주인공 김철홍 교수는 차세대 의료영상 원천기술을 개발하고, 관련 기술이 실제 의료현장에서 사용될 수 있도록 직접 창업에 뛰어든 젊은 의공학자입니다. 올해 1월에는 관련분야 최고 학회로 꼽히는 Photonics West2021 기조강연 연사로 초청되며 연구자로서의 역량을 인정받았습니다. 또한 2021 라이나50+ 어워즈 창의혁신상 1등상 수상과 시리즈A 펀딩을 완료하는 등 창업가로서의 면모도 보여주었습니다. 남들은 하나만 집중해도 쉽지 않은 두 가지 일에 도전할 수 있었던 배경에는 의료비 지출과 사회적 비용을 줄여 국민의 삶의 질을 높이겠다는 철학과 비전이 있었습니다. 연구자의 삶과 CEO의 삶을 양립하기 위해 ‘주어진 시간, 즉 하루 24시간’만이 모든 사람에게 주어진 공평한 자원임을 알고, 자신을 관리한다고 귀띔합니다. 많은 부분에서 감사했던 2021년을 마무리하며 새롭게 시작될 365일, 24시간이 더욱 기대된다는 김철홍 교수를 만났습니다. 

 

o 이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감과 함께 교수님의 2021년 마지막 달을 보내는 교수님의 근황도 전해주세요.    

 

 - 먼저 2021년 12월 이달의 과학기술인상이라는 영광스러운 상을 주셔서 감사합니다. 또한 연구 프로젝트가 성공적으로 수행될 수 있도록 노력해준 학생/연구원들께도 깊이 감사드립니다. 지난 2년간 코로나19 팬데믹으로 우리 일상생활에 큰 변화가 생겼습니다. 이런 세계적 위기 속에서 헬스케어의 중요성이 극대화되었으며, 그 중심에서 저희와 같은 의공학 연구자들이 크게 기여할 수 있다고 생각합니다. 현재는 연구실에서 개발된 기술들이 학문적 성과에만 그치지 않고 병원 임상 테스트를 통해서 실질적으로 환자들에게 도움을 주고자 하는 일에 집중하고 있습니다. 또한 성공적인 임상시험을 통한 기술상용화에 노력하여 일반 국민들에게 널리 사용될 수 있는 일에 매진하고 있습니다.  

 

o 빛과 초음파를 이용한 광음향 영상과 의료영상 장비를 개발해 오셨습니다. 교수님의 주요 연구 주제에 대해 소개해 주세요.

 

 - ‘빛’을 몸에 조사하여 체내에서 발생하는 ‘초음파’를 검출하는 광음향 영상을 비롯해 기존 초음파 영상과 결합한 ‘차세대 비방사선 광음향/초음파’ 의료영상 장비를 개발하고, 관련기술이 상용화로 이어지도록 기술사업화에도 노력하고 있습니다. 

 

 - 광음향 영상은 조영제 없이 높은 해상도로 기관의 구조, 혈관, 산소 포화도 등 다양한 정보를 3차원으로 획득할 수 있는 기술입니다. 세포 및 소동물에 사용하는 현미경시스템에서부터 인체에 사용하는 임상시스템까지 다양한 스케일에서 개발하고 있습니다. 최근에는 고속 스캐너를 활용하여 기존 광음향 현미경보다 500배 빠른 초고해상도 광음향 현미경을 개발하여 적혈구 크기의 3차원 영상을 실시간으로 획득할 수 있게 되었습니다. 또한, 임상용 광음향/초음파 영상 시스템을 개발하여 높은 민감도와 특이도로 갑상선 결절 환자의 악성 결절을 분류하여 높은 의료비 지출과 사회적 비용을 줄일 수 있었습니다. 마지막으로, 광음향 영상 시스템의 센서인 초음파 트랜스듀서를 투명하게 개발하여 세계 최초로 초음파/광음향/광간섭/형광 4중 융합 영상 시스템을 성공하여 질병에 따른 다양한 증상을 동시에 관찰할 수 있었습니다. 

 

o 대학에서 전기전자컴퓨터를 전공하고, 대학원은 의생명공학으로 진학하셨는데요. 관련 분야에 관심을 갖게 된 계기가 있나요?  

 

 - 지금도 그렇지만 제가 대학을 다니고 졸업할 때 전자공학(IT공학)이 굉장히 인기였습니다. 그래서 졸업생 대부분이 반도체와 통신 관련 대기업에 취직할 수 있었습니다. 다만 저는 다음과 같은 이유로 전공을 바꾸었습니다. 첫 번째는 획일적으로 인생 방향이 결정되는 게 싫었고, 대부분의 전자공학도와 다른 삶을 살고자 했습니다.  두 번째는 어렸을 때 어머니께서 많이 아프셨는데 사람을 구할 수 있는 일을 하면 좋겠다는 막연한 생각을 계속하였습니다. 세 번째는 진시황이 불로장생을 위해 불로초를 찾아다닌 것처럼 인간은 건강하게 오래 살고 싶다는 기본 욕망을 갖고 있습니다. 그래서 의공학 관련 학과로 진학했고, 세부전공은 지도교수님이 멋져 보여서 선택했습니다. 이후 수련기간은 정말 힘들었지만, 인생에서 가장 중요하면서 성공적인 선택 중 하나였습니다.   

 

o 의료 진단기기 중에서도 광음향 의료 영상에 주목한 이유는 무엇인가요? 

 

 - 의료 진단에 주로 사용되는 광학 내시경, 현미경, X선, CT, MRI 영상은 모두 전자기파의 종류인 빛을 이용해 환자의 몸 상태를 알려줍니다. 하지만 광학 내시경 또는 현미경은 몸 속 심부 정보를 제공하는 데는 한계가 있고, X선/CT 영상은 심부 정보를 제공하나 방사선 노출의 위험성이 있습니다. 또한, 고가의 MRI장비를 사용해야하는 경우도 있습니다. 기존의 초음파와 광학을 결합한 광음향 영상은 이 같은 한계를 극복할 수 있는 기술로 보다 안전하고 저렴한 방법으로 정확한 진단이 가능합니다. 

 

 

o 세계 최초로 투명초음파 트랜스듀서를 통한 초음파/광음향/광간섭/형광 4중 융합 영상 시스템 개발에 성공하셨습니다. 연구의 주요 내용과 성과를 소개해 주세요. 

 

 - 최근 의료영상 연구 분야의 화두는 멀티모달 영상 시스템입니다. 즉, 하나의 시스템에서 여러 가지 영상을 획득하는 것입니다. 세계적으로 초음파 영상과 광학 영상 시스템을 결합하는 연구가 많이 진행되고 있습니다. 그러나 초음파 영상을 얻는 기기인 초음파 트랜스듀서(또는 센서)는 현재까지 불투명하게 제작됐습니다. 불투명한 초음파 트랜스듀서와 광학 영상 시스템을 결합하려고 하니 빛이 초음파 트랜스듀서 사이를 통과할 수 없는 문제 때문에 결합에 제약이 상당히 많았죠.  따라서 빛이 초음파 트랜스듀서 사이를 그대로 통과할 수 있도록 투명한 초음파 트랜스듀서를 개발하였습니다. 초음파 트랜스듀서를 구성하는 압전물질, 전극 등 모든 물질도 투명한 소재로 선택하였습니다. 다음으로 투명 초음파트랜스듀서에 광음향/광간섭 /형광 레이저와 완전 결합하여 세계 최초로 4중 융합 영상 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템을 통해 안과 질환, 종양을 진단하는 데에 성공하였고, 연구 결과는 세계적 권위지인 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재되었습니다.

 

o 지난해 문을 연 포스텍 의료기기혁신센터의 센터장으로서도 큰 역할을 하고 계십니다. 센터의 청사진도 소개해 주세요. 

 

 - 포스텍 의료기기혁신센터는 교육부 지정 대학중점연구소입니다. 포스텍 내 6개 우수성과 의료기기-헬스케어 연구실이 더욱 수준 높은 학술적 교류와 건실한 연구 설비 공유를 위해 대학부설연구소로 설립되었습니다. 본 연구소 공동의 목표는 세계 동향에 맞춘 진단 의료영상 시스템, 최적 치료/헬스케어, 진단-예측 자동화를 모두 아우르는 ‘스마트 메디컬 솔루션(smart medical solution)’을 생산하는 인프라를 구성하는 것입니다. 의료기기 기초 연구 결과를 협동 연구/중개임상 연구를 거쳐 임상 효과를 검증하고 실질적 상용화 성공을 연구 비전으로, 그리고 의료사업의 국가 경쟁력 강화를 위해 21세기 의료기기 분야 글로벌 리더 양성을 교육 비전으로 삼고 있습니다. 또한 기술이전 및 창업에 기반을 둔 사업화 성공으로 선순환 자생화 방안을 구축하고자 합니다.

 

o 기초연구뿐만 아니라 상용화에도 많은 관심을 보여주셨습니다. 2018년 ㈜옵티코를 창업하셨는데요. 창업의 이유, 중요성에 대해서도 말씀해주세요.

 

 - 코로나19 팬데믹으로 헬스케어 기술의 중요성은 그 어느 때보다 높아졌습니다.  다만 많은 연구성과가 대학 연구실에 머물러 있고, 실질적으로 대중에게 영향을  주기에는 부족한 실정입니다. 이를 타개하려면 먼저 연구실에서 개발된 헬스케어 기술이 병원에서 환자들에게 도움이 되어야하는데 이는 중개임상연구를 통해 가능합니다. 두 번째로 성공적인 중개임상연구가 기술상용화로 이어져야 대중에게 실질적인 도움을 줄 수 있습니다. 이것이 제가 창업에 나선 이유입니다. 더불어 철학적인 관점에서는 사회적으로 많은 전문가들이 청년들에게 창업을 권장하고 유도하지만 정작 제 스스로가 그런 경험이 없다는 점입니다. 저희 연구실 출신들이  대학, 연구원, 대기업에서 좋은 성과를 내고 있지만, 아직 창업을 통해 성공한 졸업생은 없습니다. 제가 가보지 않은 길을 학생들에게 강요하기는 어렵습니다. 옵티코 창업, 그리고 향후 성공을 통해 학생들에게 좋은 본보기가 된다면, 분명 많은 학생들이 창업에 뛰어 들 것이라고 생각했습니다. 

 

o 교수님의 연구성과가 우리 사회에 어떤 영향을 미치고, 어떤 변화를 이끌어 가길 기대하시나요?

 

 - 첫 번째는 좋은 의료영상 진단기술을 만들어 환자의 질병을 예방하고 조기 진단하여 생명 연장에 기여하고 싶습니다. 두 번째는 관련 기술을 잘 이용하여 환자의 삶의 질을 향상 시키는 것입니다. 마지막으로 저희가 개발한 기술이 과대하게 증가하는 의료비용 절감과 효율화에 기여해 건전한 의료정책 수립과 실현에 도움이 되고자 합니다.   

 

o 정부는 지난해 12월 반도체·미래차·바이오헬스로 대표되는 BIG3 산업 육성을 위한 혁신성장 추진회의를 시작한 바 있습니다. 전자·IT 융합 산업의 발전을 위해 산학연, 그리고 정부가 어떤 노력이 필요할까요? 

  

 - 우리나라 전자IT분야는 세계 최고입니다. 특히 반도체의 경우 전 세계 점유율이 가장 높다고 할 수 있습니다. 현재 그 뒤를 배터리 분야가 쫓아가고 있습니다. 다만 의료기술 관련 분야는 매우 뒤쳐집니다. 말씀 드린 것처럼 헬스케어 분야의 성장성은 무궁무진 합니다. 구글과 애플 등 미국의 대형 IT기업 역시 헬스케어 분야에 많은 투자를 하고 있습니다. 우리도 제2, 3의 반도체 산업으로 헬스케어 비즈니스를 확대하고 적극 발전시켜야 합니다. 다만 사업의 성격상 시간과 노력이 많이 필요한데, 의료규제 장벽이 높습니다. 이런 문제를 차근차근 극복할 수 있도록 규제를 풀고 과감한 투자한다면 우리나라가 반도체, 배터리, 자동차 등 기존 산업에서 성공한 DNA가 헬스케어 비즈니스로 전파 될 것을 믿습니다. 

 

o 후학을 양성하는 스승으로서 구성원들에게 강조하는 연구자의 자세, 더불어 교수님의 연구철학은 무엇인가요?

 

 - 제 연구철학은 다음과 같습니다. 1. Integrity(윤리의식), 2. Passion and Self-motivation(열정, 자기동기), 3. Excellence(수월성), 4. Diligence(근면성), 5. Responsibility(책임감), 6. Reliability(신뢰감), 7. Collaboration(협업)입니다. 우선순위가 있지만, 이 모두를 염두에 두고 연구에 임하며, 학생들에게도 이들 항목의 중요성을 이야기 합니다.  

 

o 연구와 인재양성에 힘 쏟는 교수, 의료기기혁신센터장, 창업기업 CEO 등 1인 3역을 수행하는 열정의 원천은 무엇인가요? 더불어 시간과 건강관리 비결도 궁금합니다.   

 - 혼자는 할 수 없는 일입니다. 다행히 주위에 좋은 분들이 계셔서 같이 진행하고 있습니다. 학교에서는 의료기기혁신센터 참여 교수님들과 긴밀히 협업하여 교육과 센터 일을 분담합니다. 회사에도 공동대표이사가 많은 도움을 주십니다. 다만 시간 관리가 정말 중요합니다. 저는 “주어진 시간, 즉 하루 24시간” 만이 모든 사람에게 주어진 공평한 자원이라고 생각합니다. 시간을 쪼개서 각각의 업무를 보고 있기에 일상생활에서 시간 관리에 매우 엄격한 편입니다. 또한 헬스케어 연구자 및 스타트업 대표이사로서 건강관리에 각별히 신경을 씁니다. 학교 연구원, 회사 직원들에게도 운동의 중요성을 강조합니다. 개인적으로는 하루에 5km 정도, 한 달에 100km 이상 조깅을 하려고 합니다. 2021년 현재 총 1,100 km 이상 달리기를 했습니다.  

 

o 교수님의 궁극적으로 도전하고 싶은 목표, 이루고 싶은 성과는 무엇인가요?

 

 - 저는 10년 단위로 큰 계획을 세우고 있습니다. 제 인생 40대의 화두는  기술사업화입니다. 창업한 옵티코의 성공으로 국민 보건에 기여하고, 경제적 가치를 창출하고자 합니다. 

 

o 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 조언 또는 당부의 한 말씀 부탁드립니다. 

 

 - 요즘 많은 학생들이 좋은 스펙을 만들기 위해서 이것저것 많은 활동을 합니다. 하지만 제 개인적으로 좋다고 생각하지는 않습니다. 시작은 많이 하는데 끝을 내지 못하는 경우가 많기 때문입니다. 하나의 프로젝트를 하더라도 반드시 끝맺음을 하는 습관과 경험을 이어가면 좋겠습니다. 작은 것 하나라도 끝내는 습관이 쌓이면 향후 큰일을 할 수 있는 바탕이 될 것이라고 확신합니다.