저흡수 미세·나노입자도 AI가 구별했다… 광음향 신호와 웨이블릿 분석이 바꾼 입자 분류 기술
광음향 신호를 웨이블릿 변환(CWT)으로 시간-주파수 형태로 변환한 뒤 CNN 기반 인공지능이 저흡수 미세·나노입자의 크기와 농도를 높은 정확도로 분류하는 과정을 표현한 개념 이미지. 낮은 신호 대 잡음비에서도 입자 크기와 농도를 높은 정확도로 구분한 새로운 광음향 AI 분석법 미세입자나 나노입자를 구분하는 일은 의료 진단과 신소재 분석에서 매우 중요하다. 하지만 빛을 잘 흡수하지 않는 입자는 광음향(Photoacoustic) 신호가 매우 약해 기존 분석법으로는 크기나 농도를 정확하게 구별하기 어려웠다. 대부분의 기존 연구는 금 나노입자처럼 빛을 강하게 흡수하는 물질을 대상으로 했기 때문에 실제 생체 조직과 유사한 저흡수 입자에서는 성능이 크게 떨어지는 한계가 있었다. 이번 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 연속 웨이블릿 변환(CWT)과 합성곱 신경망(CNN)을 결합한 새로운 분석 프레임워크를 제안했다. 연구 결과, 원시 광음향 신호를 그대로 사용할 경우 분류 정확도는 약 46.9%에 불과했지만, 시간과 주파수 정보를 담은 웨이블릿 스케일로그램을 이용하면 입자 크기는 100%, 부피분율(농도)은 96% 이상의 정확도로 분류할 수 있었다. 약한 광음향 신호는 왜 분석하기 어려운가 광음향 기술은 레이저를 조사했을 때 발생하는 아주 작은 음파를 측정해 물질의 특성을 알아내는 방법이다. 의료 영상, 세포 분석, 나노입자 검출 등 다양한 분야에서 활용되고 있지만, 빛을 거의 흡수하지 않는 물질에서는 발생하는 음향 신호 자체가 매우 약하다. 여기에 초음파 센서의 대역폭 제한과 산란 현상까지 더해지면 서로 다른 크기의 입자라도 비슷한 신호를 만들 수 있다. 특히 농도가 높아질수록 빛이 표면에서 대부분 흡수되는 차폐 효과(shielding effect) 때문에 신호 세기만으로는 입자 농도를 정확하게 추정하기 어려웠다. 연구진은 시간보다 ‘시간과 주파수’를 함께 살펴봤다 연구진은 기존처럼 시간축 신호만 분석하지 않았다...