이 연구 주제는 생체 조직, 두개골, 불균질 시료와 같이 빛이 강하게 산란되는 환경 내부를 비침습적으로 관찰하기 위한 심층 광학 이미징 기술 개발에 초점을 둔다. 일반적인 광학 현미경은 산란과 수차로 인해 깊은 위치에 있는 구조를 선명하게 관찰하기 어렵지만, 본 연구는 이러한 한계를 단순히 회피하는 대신 산란 현상 자체를 정밀하게 이해하고 제어하여 고해상도 영상을 복원하는 방향을 추구한다. 특히 복잡한 매질 내부의 광 전달 경로를 모델링하고, 깊은 위치에 존재하는 미세 구조를 정량적으로 영상화하는 것이 핵심 목표이다. 연구실은 다중 산란 궤적 추적, 역산란 문제 해결, 위상 정보 복원, 반사파 분석과 같은 계산광학 기반 방법론을 활용하여 심층 영상 성능을 향상시킨다. 대표적으로 다중 산란을 제거해야 할 잡음으로만 보지 않고, 결정론적으로 활용 가능한 정보 채널로 해석하여 ballistic wave를 증폭하고 영상 왜곡을 교정하는 접근을 수행한다. 이를 통해 산란 평균자유행로보다 더 깊은 영역에서도 미세 구조를 구별할 수 있는 이미징 성능을 확보하며, 기존 광학 영상법이 도달하기 어려웠던 생체 심부 영역에 대한 관찰 가능성을 넓히고 있다. 이 연구는 향후 비표지(label-free) 생체 영상, 조직 진단, 전임상 뇌과학 연구, 실시간 의료 영상 기술로 이어질 잠재력이 크다. 형광 표지나 침습적 창(window) 제작 없이 생체 내부를 깊게 관찰할 수 있다면, 장기 추적 관찰과 반복 측정이 필요한 신경과학 및 의생명 연구에서 매우 큰 장점을 제공한다. 또한 광학, 물리학, 계산 알고리즘을 융합하는 이 연구는 차세대 비침습 의료 영상 장비와 정밀 진단 플랫폼의 기반 기술로 발전할 수 있다.

이 연구 주제는 반사 행렬(reflection matrix)과 시간역전 행렬(time-reversal matrix)을 활용하여 생체 조직에서 발생하는 복잡한 광학 수차를 보정하고, 회절 한계 수준의 해상도를 회복하는 적응광학 현미경 기술 개발에 관한 것이다. 두개골이나 두꺼운 조직은 위치에 따라 매우 다른 수차를 유발하므로, 단순한 전역 보정만으로는 충분한 영상 품질을 얻기 어렵다. 연구실은 시료의 각 위치와 깊이에 따라 달라지는 수차를 측정하고 계산적으로 보정하는 정밀 영상 기술을 발전시키고 있다. 특히 레이저 스캐닝 반사 행렬 현미경, 압축 시간역전 행렬, 계산적 공액 적응광학 기법을 통해 빠른 속도와 높은 정밀도를 동시에 달성하는 것이 큰 특징이다. 전체 입력-출력 응답을 모두 측정하는 기존 방식의 시간 부담을 줄이기 위해 압축 측정과 효율적인 재구성 알고리즘을 도입하였고, 이를 통해 실시간에 가까운 프레임 속도의 3차원 영상 획득이 가능해졌다. 또한 파면 보정, 위상 맵 계산, 고속 스캐닝 제어를 결합함으로써 매우 복잡한 수차 환경에서도 축삭, 수초, 수상돌기와 같은 미세 구조를 선명하게 시각화할 수 있다. 이 기술은 비표지 반사 모드 현미경의 활용 범위를 크게 넓히며, 생체 조직의 장기 추적 관찰과 고속 3차원 관찰에 매우 적합하다. 실제로 마우스 두개골을 열지 않은 상태에서 뇌 피질 수초를 장기간 관찰하는 연구는 본 기술의 강점을 잘 보여준다. 앞으로 이 연구는 실시간 생체 현미경, 수술 중 영상 유도, 고속 조직 검사, 정밀 뇌과학 연구 도구로 확장될 가능성이 높으며, 광학 하드웨어와 계산 알고리즘의 동시 혁신을 이끄는 핵심 분야로 평가된다.

이 연구 주제는 두개골을 제거하거나 얇게 만드는 침습적 처치 없이, 온전한 두개골을 통과하여 뇌 조직을 고해상도로 관찰하는 비침습 뇌 영상화 기술을 개발하는 데 중점을 둔다. 두개골은 두껍고 불균질한 구조로 인해 강한 산란과 수차를 유발하므로, 일반적인 광학 영상으로는 뇌 표면 아래의 세부 구조를 또렷하게 보기 어렵다. 연구실은 이러한 장벽을 극복하기 위해 광학 파동 제어, 반사 행렬 분석, 적응광학 알고리즘을 통합한 새로운 이미징 프레임워크를 제안하고 있다. 대표적으로 온전한 마우스 두개골 아래에서 축삭, 수상돌기, 수초와 같은 신경 구조를 회절 한계 수준에 가깝게 관찰하는 기술이 연구실의 중요한 성과이다. 1.3 μm 파장 기반 광원 활용, 위치 의존적 수차 보정, 계산적 공액 보정 기법 등을 통해 깊은 피질 층까지 비표지 장기 추적 영상이 가능해졌다. 또한 메타물질과 초음파 기술을 융합한 두개골 투과 뇌 영상화 프로젝트도 수행하고 있어, 광학 기반 기술을 넘어 다중 물리 기반의 융합 영상 플랫폼으로 연구 범위를 확장하고 있다. 이 연구는 신경 발달, 학습과 기억, 탈수초성 질환, 퇴행성 뇌질환 등 다양한 뇌과학·의생명 연구에 직접적인 기여가 가능하다. 같은 개체를 장기간 반복적으로 관찰할 수 있다는 점은 동적 생리 현상과 질병 진행 과정을 이해하는 데 매우 중요하다. 궁극적으로는 전임상 연구를 넘어 임상 진단 및 치료 모니터링에 응용될 수 있는 차세대 비침습 뇌 영상 원천기술로 발전할 가능성이 크다.