KR100849193B1

KR100849193B1 - 오씨티 시스템

Info

Publication number: KR100849193B1
Application number: KR1020060122891A
Authority: KR
Inventors: 김창석; 박재석; 정명영
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2006-12-06
Publication date: 2008-07-30
Also published as: KR20080051546A

Abstract

본 발명은 저가간섭 또는 백생광 간섭계의 원리와 파장다중화 방식의 조합으로 측정피부 조직내부의 미세구조의 이미지를 획득하기 위해 사용되는 오씨티 시스템을 제공한다. 이와 같은 본 발명에 따른 측정피부의 내부조직의 미세구조의 이미지를 획득하기 위한 오씨티 시스템은 광원과 검출기 사이의 광 경로상에 필터부재를 설치하여 광이 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 하여 이미지를 처리한다. 이와 같은 오씨티 시스템은 패브리 페로 필터와 같은 필터부재를 사용하여 광원에서 발생된 광이 광분할기에서 분할되기 전 또는 측정피부로부터 반사되어 광분할기에서 결합된 후 시간차를 두고 파장별로 나아가도록 하여 이미지를 처리하므로 빠른 스캐닝이 가능하도록 하여 고해상도의 이미지를 얻으면서 구성을 용이하게 할 수 있다.

Description

오씨티 시스템{OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY SYSTEM}

도 1은 일반적인 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면;

도 2는 일반적인 오씨티 시스템의 CCD를 사용한 디텍터를 설명하기 위한 도면;

도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따른 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면;

도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면;

도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면;

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템에 사용되는 패브리 페로 필터의 기본 원리를 설명하기 위한 도면;

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템에서 갈바노미터 필터를 사용하는 경우의 사용 형태를 설명하기 위한 도면;

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템에서 폴리곤 스캐너 필터를 사용하는 경우의 사용 형태를 설명하기 위한 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 광원

2 : 광분할기

3 : 측정피부

4 : 기준거울

5 : 검출부

7 : 회절격자

9 : 렌즈

20 : 필터부재

30 : 패브리 페로 필터

32 : 미러

40 : 갈바노미터 필터

42 : 갈바노미터

50 : 폴리곤 스캐너 필터

52 : 폴리곤 스캐너

본 발명은 오씨티 시스템에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 저가간섭 또는 백생광 간섭계의 원리와 파장다중화 방식의 조합으로 측정피부 조직내부의 미세구조의 이미지를 획득하기 위해 사용되는 오씨티 시스템에 관한 것이다.

오씨티(OCT; optical coherence tomography) 시스템은 근적외선 파장대의 광원의 간섭원리를 응용하여 생체의 내부를 비접촉으로 조영하는 의료 영상 기법으로 실시간으로 살아 있는 조직 또는 세포를 표피의 내부 미세 조직 단면을 영상화하여 볼 수 있는 고해상도의 이미지 처리시스템이다. 최근의 주파수 영역 오씨티(frequency domain OCT)는 기존의 시간 영역 오씨티(time domain OCT)에 비해 생체표면을 영상화하는데 물리적인 광 경로 스캐닝 장비가 필요치 않아 데이터 처리속도가 상대적으로 빠르므로, 실시간 영상화가 가능하고 신호대 잡음비가 우수하다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2004-0039139호 "미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영 시스템"은 신호대 잡음비의 성능을 향상시켜 진단부위의 촬영 영상의 해상도를 높일 수 있는 미첼슨 간섭계를 적용하므로써, SNR을 3dB 향상시키고, 이로 인하여 시스템의 해상도를 높일 수 있는 오씨티 시스템을 제안하고 있다.

또한, 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2005-0043164호 "씨씨디 카메라를 이용한 오씨티 시스템"은 OCT의 포커싱 렌즈와 콜리메이터 사이에 빔 스플리터를 삽입하고, 그 일측에는 CCD(Charge-Coupled Device) 디텍터를 설치하여, 종래 수동으로 샘플의 위치를 정하는 대신에 CCD 디텍터를 이용하여 샘플의 위치를 정함으로써 샘플의 측정 위치를 한층 정밀하게 정할 수 있는 효과를 기대할 수 있는 오씨티 시스템을 제안하고 있다.

한편, 국제특허 공개번호 제9732182 A1, 일본공개특허공보 공개번호 평11-125592호, 제2002-148185호, 제2002-174769호, 제2002-310899호, 제2006-132995호 및 미국특허번호 제5,877,856호 등에서 이와 같은 오씨티 시스템과 관련된 기술을 제안하고 있으며, 이와 관련된 통상의 오씨티 시스템은 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 통상의 오씨티 시스템은 기본적으로 광원(1), 광분할기(2), 기준거울(4), 검출기(5)를 구비하여 이루어진다. 이와 같은 오씨티 시스템에서 이미지 처리방법을 보면, 먼저, 광원(1)을 통해 나온 광은 광분할기(2)에서 양분되고, 한쪽은 대물렌즈(도시 않음)를 통해 측정피부{3; 통상 살아 있는 조직 또는 세포로 지칭될 수 있으나, 본 발명에서는 '측정피부'로 통칭한다}에 집광된다. 입사된 광은 측정피부(3) 내부에 존재하는 세포나 상이한 조직 층 사이에 발생하는 굴절률 차이에 의해 산란이나 반사를 일으키게 된다. 측정피부(3)에 의해 산란된 광 중에서 대물렌즈의 초점 심도안에서 산란된 광만이 시스템{광분할기(2)}으로 역입사된다. 이와 같이 시스템으로 역입사되는 광은 광분할기(2)에 의해 기준거울(4)에서 반사된 빛과 결합된다. 이때, 사용된 광원의 저가간섭성에 의해 기준거울(4)에 의해 반사되어 나온 광과 반사광(산란광도 포함되지만, 본 발명에서는 '반사광'으로 지칭한다) 사이에 광경로차가 가간섭거리 안에 있는 경우에만 두 광이 보강 또는 상쇄 간섭을 일으킨다. 그리고 기준거울(4)을 이송하여 광의 광 경로를 선형적으로 증가시킬 경우, 조직 내부의 미세구조의 이미지에 의해 반사되는 광에 의한 간섭무늬를 깊이 별로 얻을 수 있다. 한편, 검출기(5)로 입사된 광은, 도 2에서 보는 바와 같이, 반사되어 온 간섭된 광이 회절 격자(7)에 의해서 측정피부(3) 내의 반사광과 기준거울(4) 위치에 따른 반사광의 광경로가 일치하였을 경우, 측정피부(3) 내부에 대한 각 지점의 반사계수 차이에 의해서 발생한 간섭신호세기가 발생하게 된다. 이러한 간섭신호세기에 대하여 신호처리 기법을 적용함으로써 CCD(8)에서 측정피부(3) 내부의 단층영상을 얻을 수 있게 된다.

이와 같은 오티씨 시스템에서 가장 중요한 점은 구성을 용이하게 하고, 빠른 스캐닝이 가능하도록 하면서 고해상도의 이미지를 얻는 것이다. 그러나, 종래 오티씨 시스템은 통상 CCD 디텍터를 적용하여 이미지를 처리하므로, CCD 디텍터의 성능에 의해 이미지의 해상도가 제한되고, 고해상도의 이미지를 얻기 위해서는 상대적으로 시스템의 구성이 어려워지고, CCD 디텍터의 화소에 의해 이미지가 영향을 받게 되므로 결국 스캐닝에 있어서도 한계가 있는 문제점이 있다. 예컨대, 주파수 영역 오씨티 중 광원의 중심파장으로 쓰이는 것으로 주로 800nm 대역과 1300nm 대역이 있다. 이 중 800nm 대역의 오씨티 시스템은 라인스캔(linescan) CCD나 에어리어(area) CCD를 기반으로 하는 SD-OCT(spectral domain OCT)로서 구성의 용이성과 빠른 이미지 속도 등의 장점을 가지고 있으나, 게인 미디엄(gain medium)이 없다. 또한 CCD의 특성상 DC 노이즈 제거를 위한 수신단의 구성이 용이하지 않으며, 관용도(dynamic range)가 단일 포토리시버(photo receiver)에 비해 상당히 제한되는 단점이 있다. 또한, 1300nm 대역의 OCT 시스템은 게인 미디엄의 발달로 스위핑 소스(sweeping source)를 사용하는 것이 가능한 SS-OCT(sweeping source OCT)이다. 그러나 NIR(1000nm 이상) 대역에서는 픽셀수가 1000개 이상인 InGaAs CCD의 확보가 매우 어려우며, 이에 따라 측정 깊이와 분해능의 향상에 제약을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 개선하여, 구성을 용이하게 하고, 빠른 스캐닝이 가능하도록 하면서 고해상도의 이미지를 얻을 수 있는 새로운 형태의 오씨티 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 패브리 페로 필터와 같은 필터부재를 사용하여 광원에서 발생된 광이 광분할기에서 분할되기 전 또는 측정피부로부터 반사되어 광분할기에서 결합된 후 시간차를 두고 파장별로 나아가도록 하므로써 빠른 스캐닝이 가능하도록 하여 고해상도의 이미지를 얻으면서 구성을 용이하게 할 수 있는 새로운 형태의 오씨티 시스템을 제공하는 하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명은 측정피부의 내부조직의 미세구조의 이미지를 획득하기 위한 오씨티 시스템에 있어서, 광을 생성하기 위한 광원과; 상기 광원에서 생성되어 방출된 광을 상기 측정피부로 입사되는 제 1 투과광과 기준거울로 입사되는 제 1 반사광으로 분산되어 출광되도록 하고, 상기 측정피부로부터 입사되는 제 2 반사광과 상기 기준거울로부터 반사되어 입사되는 제 2 투과광을 결합시키기 위한 광분할기와; 상기 광분할기에서 결합된 후 입사되는 광을 수신하여 간섭신호세기를 발생하는 검출기 및; 입사되는 광을 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 하는 패브리 페로 필터, 갈바노미터 필터 및 폴리곤 스캐너 필터 중 어느 하나의 필터로 이루어지고, 상기 광원과 상기 검출기 사이의 광 경로상에 설치되는 필터부재를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 오씨티 시스템에서 상기 필터부재는 상기 광원과 광분할기 사이에 설치될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 오씨티 시스템에서 상기 필터부재는 상기 광분할기와 상기 검출기 사이에 설치될 수 있다.

삭제

도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따른 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 측정피부의 내부조직의 미세구조의 이미지를 획득하기 위한 오씨티 시스템은 광원과 검출기 사이의 광 경로상에 필터부재(20)를 설치하여 광이 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 필터부재(20)에는 패브리 페로 필터(Fabry-Perot Tunable Filter), 갈바노미터 필터(galvanometer Filter) 및 폴리곤 스캐너(Polygon Scanner) 등이 적용될 수 있으며, 바람직하게는 패브리 페로 필터가 적용된다. 즉, 본 발명에서는 광 경로상에 파장을 변환시키는 필터부재를 설치하여 시간별로 특정파장의 광만 나아가도록 하므로써, 종래 CCD 디텍터와 같이 일시에 광을 수신하여 이미지를 형성하는 방법과 달리, 파장에 따라 시간차를 두고 광을 수신하여 이미지를 형성하도록 하는 것이다. 따라서, 종래 CCD 디텍터를 사용하는 방법과 달리 픽셀수의 제한을 받지 않는 더 조밀한 간격의 파장 응답을 포착할 수 있으므로 빠른 스캐닝이 가능하고, 고해상도의 이미지를 얻으면서 구성을 용이하게 할 수 있다.

특히 본 발명에 따르면, 1300nm 대역에서 에스디 오씨티(spectral domain OCT) 시스템의 구현이 가능하도록 하였다. 즉, 종래 1300nm 대역의 OCT 시스템은 NIR(1000nm 이상) 대역에서는 픽셀수가 1000개 이상인 InGaAs CCD의 확보가 매우 어려우므로, 측정 깊이와 분해능의 향상에 제약이 있어, 에스디 오씨티의 구현이 사실상 어려웠다. 예컨대, 에스디 오씨티 시스템은 주파수 영역에서 간섭신호를 바탕으로 샘플 내부의 단층영상을 얻을 수 있다. 이와 같은 에스디 오씨티 시스템은, 도 2에서 보는 바와 같은 종래기술에 따르면, 2개의 빔으로부터 반사되어 온 간섭된 광이 회절 격자(7)에 의해서 파장에 따른 간섭신호로 회절한 후, CCD(8)에 의해서 측정피부 내부의 단층영상을 얻을 수 있게 된다. 여기서 회절 격자(7)와 CCD(8)는 에스디 오씨티 시스템의 핵심소자로서, 이미지의 저장을 담당하는 CCD(8)는 단위기능당 집적밀도가 높은 미세한 화소가 세밀하게 배치되어 있고, 각각의 화소들은 회절 격자(7)를 통해 들어오는 빛을 전하의 형태로 바꾸고, 이 전하에 의한 화소들의 정보를 종합하여 측정피부 내부의 정보를 만들어 낼 수 있는 것이다. 그러나 이와 같은 방법은 800nm 대역에 제한되어 있는 문제점이 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 이와 같은 종래 기술에 따른 오씨티 시스템과 같이 CCD 디텍터(5)를 사용하지 않고, 필터부재(20, 대표적으로 패브리 페로 필터)를 사용한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 광은 필터부재(20)의 입력단으로 입사되고, 이 빛은 필터에 의해서 시간에 따른 파장신호로 하여 출력되게 된다. 그리고 시간에 따른 파장신호는 검출기에서 검출되어 측정피부 내부의 단층영상을 얻게 되는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면 도 4 내지 도 8에 의거하여 상세히 설명한다. 한편 각 도면에서 일반적인 오씨티 시스템 및 그의 이미지 처리방법의 기술적 구성 등 통상 이 분야의 관련 기술로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 도시하였다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따른 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따른 오씨티 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템(10)은 광원(1), 광분할기(2), 검출기(5) 및 필터부재(20)를 구비하여 이루어진다. 이때, 광원(1)은 광을 생성한다. 광분할기(2)는 광원(1)에서 생성되어 방출된 광을 측정피부(3)로 입사되는 제 1 투과광과 기준거울(4)로 입사되는 제 1 반사광으로 분산되어 출광되도록 한다. 그리고 이 광분할기(2)는 측정피부(3)로부터 입사되는 제 2 반사광과 기준거울(4)로부터 반사되어 입사되는 제 2 투과광을 결합(컴바인딩)시킨다. 검출기(5)는 광분할기(2)에서 결합(컴바인딩)되어 입사되는 광을 수신하여 간섭신호세기를 발생한다. 도시하지는 않았지만, 이와 같은 검출기(5)에는 증폭기, 변조기, A/D변환기를 구비하여 영상화시키기 위한 전자파트{광 경로를 위한 오씨티 시스템과 대비하여 전자경로를 이루어 영상화하는 부분을 총칭한 것임}가 접속된다. 즉, 검출기(5)는 시간에 따라서 변하는 간섭무늬가 검출되고, 증폭기를 거치면서 증폭된다. 그리고 밴드 투과 필터를 통해 중심 주파수보다 높거나 낮은 주파수를 걸러내고 변조기와 A/D 변환기를 지나 영상화된다. 이때, 측정피부(3)가 놓인 이동 스테이지가 한 축 방향으로 움직이면 2D의 영상을 구현되고, 양 축 방향으로 스캔하게 되면 3D 영상을 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 오씨티 시스템(10)은 광원(1)과 검출기(5) 사이의 광 경로상에 설치되어 광이 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 하는 필터부재(20)를 설치하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 필터부재(20)는 패브리 페로 필터(Fabry-Perot Tunable Filter), 갈바노미터 필터(galvanometer) 및 폴리곤 스캐너(Polygon Scanner) 등이 적용될 수 있지만, 본 실시예에서는 1300nm 대역의 OCT 시스템을 위해 패브리 페로 필터를 적용한다.

한편, 이와 같은 필터부재(20)는, 도 4에서 보는 바와 같이, 광원(1)과 광분할기(2) 사이에 설치되므로써, 광원(1)으로부터 발생된 광이 분할되기 전에 광이 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 할 수 있고, 도 5에서 보는 바와 같이, 광분할기(2)와 검출기(5) 사이에 설치되므로써, 광원(1)으로부터 발생된 광이 광분할기(2)를 통해 결합(컴바인딩)된 후, 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 할 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템에 사용되는 패브리 페로 필터의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 패브리 페로 필터(30)는 반투경막 사이 공진조건을 만족하는 빛만 강화되고 간격에 따라 투과되는 빛이 결정된다. 즉 전기신호(AC 0V ~ 15V)를 부여하여 입사되는 광에서 특정파장만 투과되도록 제어된다. 이와 같은 패브리 페로 필터(20')는 입력단에 광이 입사되면, 평행한 미러(32, mirror)에 의해서 캐비티(cavity) 내를 왕복하게 된다.

이와 같은 패브리 페로 필터(30)의 입력광 강도 "

"에 대한 출력광 강도"

"의 비는 다음 식과 같다.

여기서 R은 미러의 반사도이고, d는 미러 사이의 간격을 나타낸다.

이와 같은 식에서 d는 전기 액츄에이터에 전압을 인가하면, 두 개의 미러 사이의 간격이

만큼 변하게 되고, 이로 인해 두 개의 미러 사이를 통과하는 빛

은 시간에 따른 파장신호로 검출기에서 검출되어 측정피부 내부의 단층영상을 얻게 되는 것이다.

한편, 도 6에서 (b)는 전기신호 즉, AC 전압을 인가하였을 때 한 순간에 검출된 파장신호를 보인 그래프이고, 광세기 투과가 최고인 중심파장은 시간이 변함에 따라 선형적 파장이동을 주기적으로 반복하게 된다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템에서 갈바노미터 필터를 사용하는 경우의 사용 형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템에서 폴리곤 스캐너 필터를 사용하는 경우의 사용 형태를 설명하기 위한 도면이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템은, 도 7에서 도시한 바와 같이, 갈바노미터 필터(40)를 필터부재로 사용하여 구성하거나, 도 8에서 보는 바와 같이, 폴리곤 스캐너 필터(50)를 필터부재로 사용하여 구성할 수 있다. 이때, 갈바노미터(42)는 평판형으로 전기신호에 의해 중심을 기준으로 각운동되어 작동되고, 폴리곤 스캐너(52)는 원형으로 회전되어 작동된다. 갈바노미터 필터(40)는 전술한 패브리 페로 필터가 하나의 입사광과 반사광을 갖는데 비해 입사광과 반사광의 숫자를 조절가능하여 동시에 여러 개의 단면을 측정할 수 있는 장점이 있다. 이때, 도 8에서 참조번호 9는 렌즈로서, 이와 같은 렌즈(9)는 회절격자(7)와 갈바노미터(42) 및 폴리곤 스캐너(52)의 초점거리를 조절하기 위해 적용된다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오씨티 시스템을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 오씨티 시스템에 의하면, 패브리 페로 필터와 같이 광 경로상에 파장을 변환시키는 필터부재를 설치하여 시간별로 특정파장의 광만 나아가도록 하므로써, 종래 CCD 디텍터와 같이 일시에 광을 수신하여 이미지를 형성하는 방법과 달리, 파장에 따라 시간차를 두고 광을 수신하여 이미지를 형성하도록 하므로, 종래 CCD 디텍터를 사용하는 방법과 달리 빠른 스캐닝이 가능하고, 고해상도의 이미지를 얻으면서 구성을 용이하게 할 수 있다. 특히, 이와 같은 본 발명에서 패브리 페로 필터를 적용하므로써 1300nm 대역에서 에스디 오씨티(spectral domain OCT) 시스템의 구현이 가능하다.

Claims

측정피부의 내부조직의 미세구조의 이미지를 획득하기 위한 오씨티 시스템에 있어서,

광을 생성하기 위한 광원과;

상기 광원에서 생성되어 방출된 광을 상기 측정피부로 입사되는 제 1 투과광과 기준거울로 입사되는 제 1 반사광으로 분산되어 출광되도록 하고, 상기 측정피부로부터 입사되는 제 2 반사광과 상기 기준거울로부터 반사되어 입사되는 제 2 투과광을 결합시키기 위한 광분할기와;

상기 광분할기에서 결합된 후 입사되는 광을 수신하여 간섭신호세기를 발생하는 검출기 및;

입사되는 광을 스펙트럼별로 시간차를 두고 나가도록 하는 패브리 페로 필터, 갈바노미터 필터 및 폴리곤 스캐너 필터 중 어느 하나의 필터로 이루어지고, 상기 광원과 상기 검출기 사이의 광 경로상에 설치되는 필터부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 오씨티 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 필터부재는 상기 광원과 광분할기 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 오씨티 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 필터부재는 상기 광분할기와 상기 검출기 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 오씨티 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제