Lab Introduction

Our group develops advanced optical imaging technologies for biology and medicine. We build cutting edge advanced optical microscopy systems for the visualization of biological tissues in the cellular, molecular, and micro-structural levels in the levels of never seen before.

These optical microscopies can be used to study in vivo biology with animal models in the field of immunology, cancer biology, and neurology. These optical microscopies can also be used to diagnose diseases in the early stage, to monitor disease progression, and to guide precision surgery. We develop and apply our cutting edge optical microscopies in close collaborations with biologists, chemists, medical doctors both in POSTECH campus and throughout Korea. Most of clinical collaborators are renown people at major medical schools in Seoul and Daegu. We are trying our best to make our optical microscopies to be useful for new biological discoveries and medical procedures.

포항공과대학교, 기계공학과, I-Bio 소속인 김기현 교수와 석박 연구원들의 연구실입니다.

본 연구실은 생명학과 의학 연구를 위한 첨단 광학영상 시스템 기술을 개발합니다. 첨단 레이저 스캐닝 현미경 기술 개발을 통해 생체조직 내 세포/분자영상 그리고 미세구조 영상을 가능하게 하여 암/면역질환/신경 관련 생명학 연구 그리고 병변의 진단 및 정밀 수술 가이드 기술을 개발합니다.

새로운 고성능 광학시스템 개발을 통하여 기초 생명학에서는 여태 보지 못하였던 세포 현상의 영상화를 가능하게 하며, 의학에서는 진단/치료에 도움이 되는 정보를 제공하여 기계공학 및 공학을 통한 의생명 분야 발전에 기여하고자 합니다.

그림 1. 의광학에서 사용되는 영상 기술의 해상도에 따른 분류

Imaging technologies are essential for studying complex systems which are subjects in biology and medicine. It is only possible to understand and study the systems by seeing (Seeing is believing, and seeing is understanding). A figure above shows a list of imaging methods used in biology and medicine. Optical imaging methods can visualize tiny cells at high resolution by using light whose wavelength is smaller than the size of cells. Optical microscopy has been around quite long since 1600, and recently has became much more powerful with the advance of laser and detector technologies and essential with its ability to image live cells for biotechnology.

영상 시스템은 생명학과 의학처럼 복잡한 시스템의 연구에는 필수적입니다. 영상을 통해서만 시스템을 이해할 수 있고, 관심있는 현상을 관찰하며 연구할 수 있습니다. Seeing is Beliving. 위의 그림은 의생명학에서 사용되는 영상 기술들을 보여줍니다. 빛을 이용한 영상 기술은 빛의 수백나노 단위의 짧은 파장으로 세포를 볼 수 있는 고해상도 촬영이 가능합니다. 광학 현미경은 꽤 오랫동안 이용되어 왔는데, 최근의 biotechnology발전과 함께 살아있는 세포를 관찰할 수 있는 광학현미경 기술이 더욱 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.

Fig. The importance of tissue microenvironment visualization

We develop optical imaging technologies which can visualize tissue microenvironment which consist of cells, extra-cellular matrix (ECM), and vasculature. The visualization of tissues in detail will allow us to study the behavior of cells which could be normal stromal cells, stem cells, inflammatory cells, and cancer cells. Therefore, we can study the fields of biology including cancer biology, immunology, developmental biology etc. In the case of clinical applications, we focus on disease diagnosis and treatment guiding by providing cellular information in real time. Examples are the early diagnosis of infecting pathogens in the cornea of the eye, the diagnosis of dry eye disease, image guiding for precision cancer surgery including skin cancer, brain tumor etc.

우리는 생체조직 미세환경 영상화를 통한 기초 생물학 그리고 의학 응용을 위하여 고성능 광학영상 기술을 개발합니다. 생체조직 미세환경이란 생체조직의 기초단위인 세포가 살고 있는 환경을 말하며 조직 내 세포 분포 및 상호작용을 포함한 거동, 세포외 기질(extracellular matrix) 구성, 혈관 분포 등을 영상화는 생물학 기초 연구 뿐만 아니라 병변의 진단, 수술 가이드 등 으로 임상에도 활용될 수 있습니다. 이를 활용하여 수행할 수 있는 기초 생물학 연구는 암 생물학, 면역학, 그리고 신경 생물학 등이 있습니다.

Fig. Photos of the imaging systems we developed

We build novel optical imaging or manipulation technologies to address challenges in biology and medicine. Specifically, we have expertise in nonlinear optical microscopy and optical coherence tomography. We build the new systems which can overcome the current limitations.

우리는 기술 개발을 통해 여태 볼 수 없었던 새로운 세포 미세환경을 영상화하고 병변 탐지를 수술과정에서 가능하게 하며, 이를 통해 생물학 그리고 의학 발전에 기여하고자 합니다.

현재 수행중인 연구 프로젝트

• 생체조직 고심도 영상화를 위한 다광자현미경 기술 개발

• 여러 생체정보 제공을 위한 다기능 광간섭 단층영상 기술 개발

• 진단 및 수술 가이드를 위한 초고속 현미경 및 현미내시경 개발 (안과/ 피부과/ 신경외과/ 소화기내과 등)

• 투명 뇌에서 신경 네트워크 연구를 위한 고속 고해상도 빛시트 현미경 개발

• in vivo 생물학 연구 (췌장소도, 소장/대장, 오가노이드 등)

Fig. Research and development cycles

The research procedures include (1) system design and implementation, (2) experiment, and (3) data analysis. System design and implementation includes the optical design and implementation, the electrical design and computer interfacing (driving software development). Experiments include the ones with animal models and human subjects. Data analysis include image and image processing including artificial intelligence (AI) learning. The 3 procedures cycle around in each development.

We welcome students who are comfortable in going beyond the boundaries of individual engineering disciplines for the advancement of science and human health.

우리 연구실에서는 고성능 광학 영상 또는 레이저 치료 시스템 개발, 이를 활용한 전임상 또는 임상 연구, 데이터 분석, 그리고 새로운 needs 또는 문제 해결을 위한 시스템 설계 및 개발 등을 수행합니다. 이는 하나의 부품 기술에 집중하는 것이 아니라 시스템을 다루는 연구실이어서 기계공학, 전자공학 등 공학적 능력, 물리 화학 생물 등 과학적 호기심 그리고 탐구력, 생물학자 의학자와의 커뮤니케이션을 통한 연구 목표 달성을 위한 노력 등을 요구되며 석박 과정을 통해 멀티플레이어 연구자를 길러내고자 합니다.

기계공학 분야에서는 시스템 제어, 메카트로닉스, 진동 등 동역학, 그리고 컴퓨터 모델링 및 해석을 기반으로 합니다. 광학 기반의 메카트로닉스 시스템 개발을 통해 생물학/의학 문제해결을 하려는 야심찬 연구자를 환영합니다.