KR20020027377A

KR20020027377A - 필드-베이스 빛 산란 스펙트로스코피를 이용하는 방법 및시스템

Info

Publication number: KR20020027377A
Application number: KR1020017016801A
Authority: KR
Inventors: 창후에이 양; 아담 피. 왁스; 레브 티. 페렐만; 라마샨드라 알. 다사리; 마이클 에스. 펠드
Original assignee: 자밀라 제트. 허벡; 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-04-13
Also published as: WO2001084124A2; EP1277040A2; AU5980701A; CN1279345C; JP5134177B2; US20020101593A1; CA2377724A1; US6847456B2; JP2003532112A; WO2001084124A3; CN1451094A

Abstract

본 발명은 필드-베이스 빛 산란 스펙트로스코피 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템 및 방법은, 세포 특징부들의 분포 및 크기를 측정함으로써, 조직의 진단에 관한 정보를 제공한다. 필드-베이스 측정은 물질내의 산란체와 입사 파면(波面)과의 상호 작용에 기인한 위상 정보를 제공한다. 이러한 측정치들은 조직의 3차원적 영상을 제공하는데 이용된다.

Description

필드-베이스 빛 산란 스펙트로스코피를 이용하는 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS USING FIELD-BASED LIGHT SCATTERING SPECTROSCOPY}

광학 영상 기술이 수많은 생체 의학 용도를 위한 진단 도구에 유용하다는 것이 알려져 있다. 조직과 빛의 상호작용을 이용하여 생물학적 세포의 구조를 연구하는 것이 점점 증가하고 있다. 예를 들어, 빛 산란 스펙트로스코피(light scattering spectroscopy ; LSS)를 이용하여, 반사된 광선의 스펙트럼들의 주기성(periodicity)을 측정함으로써, 광선의 파동과 크기가 유사한 산란체 (scatterer)의 굴절 지수 및 크기를 프로파일한다. 표준 병리학적 분석에서, 세포 핵의 굴절 지수 및 크기의 편차에 대한 민감도는 비정상적인 세포 활동의 지표를 제공할 수 있다. 예를 들어, 암세포 전이 이전단계(pre-cancerous)의 상피세포는핵 확장을 나타낸다.

일반적으로, 종종 주위 조직으로부터 산란된 빛이 원하는 광학 신호에 대한 장애로서 작용하기 때문에, 생체안의 세포로부터 스펙트로스코프 정보를 얻는 것이 곤란하다. 이러한 것은, 생물학적 표본의 특정 부분으로부터 산란된 빛을 분리할 수 있는 생체의학 영상 기술을 스펙트로스코피와 조합함으로써 극복될 수 있다. 예를 들어, 빛 산란 기술은 인체의 상피 라이닝(epithelial lining)내의 굴절 지수 변화 및 세포 핵의 크기 분포를 측정하는 내시(內視) 과정중에 사용되었다. 이러한 검사에서, 조직으로부터 산란된 백색광의 강도가 광섬유 프로브(probe)에 의해 수집되고 스펙트럼 분석된다. 세포 핵은 미(Mie) 산란체와 같이 행동한다. 그러한 입자들은 크기(통상적으로 5 내지 15 ㎛)에 비례하는 파동 및 상대적인 굴절 지수를 가지는 주기적인 강도 변화를 나타낸다. 따라서, 빛 산란 스펙트로스코피(LSS)는, 세포 핵 및 그들의 염색질 내용(굴절 지수와 관련됨)의 변화가 디스프라시아 (dysplasia) 및 암의 선구물질의 주요 지표가 되고, 이러한 초기 단계에서 치료를 하는 경우에 그 치료가 매우 간단하고 효율적이기 때문에, 중요하다. 그러나, LSS 에 기초한 강도는 2-차원적인 영상만을 제공한다.

광학 간섭성 토모그래피(Optical Coherence Tomography ; OCT)는, 생물학적 조직을 조사하기 위한, 특히 생물학적 시스템에서 비침투형(noninvasive) 단면 영상을 제공하기 위한, 진단 도구로서 개발된 또 다른 기술이다. OCT 는 저-간섭성 간섭계(low-coherence interferometry)를 이용하여, 초음파 펄스-에코(pulse-echo) 영상과 유사한 방식으로 내부 조직 미세구조로부터 광학적 산란의 3-차원 영상을생성한다. OCT 는 몇 마이크로미터의 종방향 및 측방향 공간 분해능(spatial resolution)을 가지며, 입사 광 파워의 약 10^-10정도의 반사신호를 감지할 수 있다.

OTC 에서, 조직은 광대역 광원에 의해 조명되는 미켈슨(Michelson) 간섭계내에 위치된다. 광원의 제한된 간섭 길이(통상적으로 10-15 ㎛)로 인해, 간섭계 기준 아암(reference arm)으로부터 되돌아 오는 빛 및 내부 표본 반사에 의해 반대쪽으로 산란(backscattered)되는 빛은, 간섭계 아암 광학 경로 길이가 광원 간섭 길이와 매칭(match)될 때에만, 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어난다. 기준 아암 길이를 스캐닝하는 것은 국부적인 간섭 패턴을 발생시켜, 표본 아암 비임을 따른 깊이의 함수로서 모든 내부 표본 반사에 대한 감지 전류로 나타난다. (생물학적 조직과 같이)깊이를 따라 분포된 많은 반사 지점을 가지는 표본은 이러한 간섭 패턴의 다수의 중복 모사(copy)의 합을 포함하는 감지 전류를 발생시킨다. 깊이에 대한 조직 반사도의 맵(map)(A-scan 이라 칭한다)은 감지 전류를 기록하면서 기준 거울을 스캐닝함으로써 얻어진다. 감지 전류의 엔벨로프 또는 윤곽은, 결과적인 도플러 주파수에서 감지 전류를 검파하는 동안, 일정한 속도로 기준 거울을 스캐닝함으로써 큰 변동 범위에서 기록될 것이다. 조직의 반대쪽 산란체 (backscatter)(B-Scan 이라 칭함)의 단면 영상은, 조직 표면에 걸쳐 프로브 비임을 스캐닝하면서, 연속적인 A-scan 을 수집함으로써 얻어진다. 결과적인 2-차원적인 데이터 세트는 그레이-스케일(gray-scale) 또는 가상-컬러(false-color) 영상으로표시된다. 그러나, 결과적인 분해능이 크기, 형상 및 기타 특징들이 비정상적인 세포 활동을 나타낼 수 있는 세포 핵의 영상을 제공하지 못하기 때문에, OTC 는 적절한 영상을 제공하지 못한다.

본 출원은 2000년 4월 28일자로 출원된 미합중국 출원 제 60/200,187 호를 기초로 우선권을 주장한다. 상기 출원의 모든 기재사항은 본 출원에서 인용된다.

정부 지원

본 발명은 미국 국립 보건원(National Institutes for Health)으로부터의 승인 P41-PR02594 에 의해, 전체 또는 일부가 지원된다. 미국 정부가 본 발명에 대한 소정 권리를 갖는다.

도 1 은 본 발명에 따라 필드-베이스 빛 산란 스펙트로스코피를 이용하는 시스템의 개략도이다.

도 2 는 본 발명에 따라 측정된 데이터 점들의 이론적 적용을 도시한 그래프이다.

도 3 은 본 발명에 따른 각도 빛 산란 시스템의 바람직한 실시예의 개략도이다.

도 4a 및 4b 는 본 발명에 따른 이론적 각도 분포를 도시한 그래프이다.

도 5a 및 5b 는 본 발명에 따른 각도 빛 산란 시스템과 관련된 경로 지연 및 가도 측정치를 도시한 그래프이다.

도 6 은 본 발명에 따른 동적 빛 산란 스펙트로스코피 시스템의 바람직한 실시예의 블록도이다.

도 7 은 본 발명에 따른 동적 빛 산란 스펙트로스코피 시스템과 관련한 상호관련 측정치를 도시한 그래프이다.

도 8 은 본 발명과 관련하여 사용된 섬유 광학 시스템의 개략도이다.

본 발명은 필드-베이스(field-based) 빛 산란 스펙트로스코피를 채용하여 3-차원 영상을 제공하고 생물학적 조직의 물리적 특성을 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 3-차원 영상은, 예를 들어 크기, 형상, 세포 핵의 짜임새(texture) 그리고, 운동(motility) 및 무질서(chaos)를 포함하는 세포 동태(動態)와 같은 세포 특성 및 다른 구조적 특성과 관련한 정보를 제공한다. 필드-베이스 LSS 시스템은 스펙트로스코피 정보를 저-간섭성 간섭계 시스템에 통합한다. 이러한 필드-베이스형 LSS 는 강도-베이스형 LSS 와 구별되는데, 이러한 구별은 조사를 위해 생물학적 표본의 작은 영역을 구분할 수 있고, 산란된 필드의 진폭 뿐만 아니라 위상(phase)과 관련한 정보를 얻을 수 있다는 것이다. 필드-베이스 LSS 가 파면(波面)의 위상과, 파면의 균일성을 측정할 뿐만 아니라, 높은 정도의 공간 분해능을 제공하기 때문에, 필드-베이스 LSS 는 세포 핵의 크기 및 굴절 지수와 함께 세포 핵의 형상 및 공간 분포를 측정할 수 있다. 세포 핵의 형상을 확인하기 위해, 산란된 빛의 진폭 파면, 위상 파면, 및 파면 비균일성의 측정치가 조합된다. 세포 핵의 공간적 분포는 검사영역에 걸친 세포 핵 밀도의 영상을 제공하는 3차원 프로파일링(profiling)에 의해 확인된다.

바람직한 실시예에서, 필드-베이스 LSS 시스템은, 빛 필드의 각도(angular)분포 및 위치 모두를 측정하는 각도 빛 산란 시스템을 포함한다. 각도 분포는 산란체의 크기를 나타낼 뿐만 아니라 위상면 균일성(산란된 빛의 간섭성)의 변화와 관련한 정보를 제공한다. 이러한 시스템은, 조사중인 대상 물질 또는 조직의 영역을 비추도록 정렬된 제 1 및 제 2 파동 성분을 가지는 공간적인 간섭성 빛을 제공하는 레이저 및 광학 시스템과 같은 광원을 포함한다. 제 1 및 제 2 파동 모두를 가지는 기준 비임 역시 경로 길이를 조절할 수 있는 광학 경로를 따라 광학 시스템을 통해 배향된다. 물질의 선택된 특성을 측정하는데 이용될 수 있는 주파수 변환식(heterodyne) 신호를 조사중인 물질로부터 되돌아오는 빛과 기준 비임의 감지를 통해 생성할 수 있도록, 액츄에이터를 사용하여 경로 길이를 선택된 속도로 변화시킬 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 필드-베이스 LSS 를 그때 그때의 측정치와 조합함으로써 선택된 적은 영역내의 세포 핵과 같은 조직 구조물의 동적인 특성을 측정하기 위하여, 필드-베이스 LSS 시스템은 동적인 빛 산란 시스템을 포함한다. 작은 대상물의 이동은, 예를 들어 자동 상보(autocorrelation) 기능 및 파워 스펙트럼과 같은 통계학적 특성의 조사를 통해 레이저 빛을 산란시킴으로써, 감지될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예는 광섬유 공급용 시스템 및 조직으로부터의 빛 수집부를 구비하여 생체외부 또는 생체내의 실시간 진단 측정값을 제공한다. 상기 시스템을 사용하는 바람직한 방법은, 수집된 데이터를 컴퓨터의 메모리에 저장하고 전자기적 메모리 또는 데이터 베이스에 이전에 저장된 기준 데이터와 비교함으로써, 수집된 데이터를 분석한다.

본 발명의 전술한 그리고 기타의 목적, 특징 및 이점들은, 여러 도면을 통해 동일한 부분에는 같은 참조부호를 부여한 첨부 도면들에 도시된 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 보다 상세한 이하의 설명으로부터 분명히 알 수 있을 것이다.

본 발명의 원리를 도시할 때, 첨부 도면들을 반드시 정위치에서 나타내거나 동일 축척으로 강조하여 도시할 필요가 없을 것이다.

도 1 을 참조하면, 필드 베이스 LSS 시스템(10)의 바람직한 실시예가 도시되어 있는데, 그 시스템은 2 개의 저-간섭성 광원을 구비한 미켈슨 간섭계를 포함한다. 이러한 특정 실시예에서, 펨토초 모드(femtosecond mode)(150fs)로 작동되는 코히런트 미라(Coherent MIRA) Ti:사파이어 레이저(12)가 800 nm 빛을 생성한다. 측정된 간섭 길이(coherence length)는 약 30 ㎛ 이다. 이러한 빛의 일부는 변환기(15)를 통해, CSK 옵트로닉스 LBO 2세대 고조파 발생 결정(CSK Optronics LBO second harmonic generation crystal)에 의해, 400 nm 로 분할되고 증가-변환(up-converted)된다. 2 개 또는 그 이상의 독립적인 광원을 사용하여 특정 측정에 이용되는 2 또는 그 이상의 파동을 제공할 수도 있다. 그 후, 변환된 빛은 원래의 비임과 재조합된다. 바람직하게는, 2 개의 파동 성분들 간에 실질적인 중첩(즉, 50% 이상, 바람직하게는 80% 이상)이 있게된다. 중첩이 감소되면 주어진 면적 또는 체적을 조명하기 위한 스캔 시간이 증대될 것이다. 그 후, 조합된 비임(14)은 비임-스플리터(16)에 의해 프로브 비임(18) 및 기준 비임(20)으로 분할된다. 그 대신에, 가변 파동 공급원을 구비한 단일 비임을 사용할 수도 있다.

프로브 비임(18)은 12.7 mm 초점거리 무색 렌즈(22)에 의해 표본상에 포커싱된다. 표본에서 400 및 800 nm 성분의 파워는 각각 14 및 5.5 mW 이다. 렌즈에서의 비임 웨이스트(waist)는 1.1 및 2.1 mm(FWHN)이며, 결과적으로, 초점 지점에서의 비임 웨이스트가 5.9 및 6.2 ㎛가 되고 레일리(Rayleigh) 길이는 270 및 150 ㎛가 각각 된다. 간섭 길이가 레일리 길이보다 짧기 때문에, 프로브 영역은 대략 원통형으로 표시될 수 있다. 이러한 영역에서의 계산된 비임 중첩은 98 % 이며, 그에 따라 물질(26)내의 동일한 입자들이 양 파동에 의해 동시에 조명된다.

기준 비임(20)은 선형 축(27)을 따라 일정한 속도로 이동하는 거울(24)로부터 반사되고, 각각 400 및 800 nm 에서 14.6 및 7.3 kHz 의 도플러 변화(Doppler shift)를 포함한다. 그 후, 그 기준 비임은 물질(26)로부터 후방으로 산란된 프로브 빛과 재조합되고 다이크로익(dichroic) 거울(30)으로 전송되며, 그 다이크로익 거울은 400 nm 성분과 800 nm 성분으로 분리하고 그 성분들을 각각의 자동-밸런스(auto-balanced) 광수신부들(32, 34)(New Focus 2007)로 보낸다. 구멍(36, 38)들이 감지부 전방에 위치되어 수집되는 빛의 양을 제한한다. 이러한 특정 실시예에서, 구멍들은 0.9 mm 의 반경을 가진다. 수집 렌즈(22)로부터 감지기까지의 거리는 약 50 cm 이다. 기준 비임의 일부는 제 2 비임 스플리터(25)에 의해 분리되어 제 2 다이크로익 거울(40)로 보내진다. 거울로부터의 2 개의 출력 성분들은 광수신부들의 기준 포트(port)(42, 44)로 보내진다. 이에 의해 2 개의 파동에서의 파워 요동(搖動)을 상쇄시킨다.

후방-산란된 프로브 비임과 적절하게 도플러 변화된 기준 비임의 간섭의 결과인 각 파동에서의 주파수 변환(heterodyne) 신호는, 광수신부에 의해 감지된다. 각 신호는 스탠포드 리서치(Stanford Research) 830 록-인 증폭기 어레이(lock-in amplifier array)(46, 48)를 이용하여 측정한다. 주파수 변환 신호의 크기는 디스플레이(50)나 오실로스코프에 디스플레이되고 및/또는 컴퓨터(52)에 의해 기록된다.

본 발명에 따른 표본의 측정 예에서, 약 3 mm 두께의 청정 젤라틴의 얇은 층을 구비한 큐벳(cuvette) 다음에 젤라틴내에 현탁된(suspended) 폴리스틸렌 미세 구(球) 층이 온다. 프로브 비임은 제 1 층을 통해 표본으로 들어가고, 제 1 및 제 2 층 간의 계면에 초점이 맞춰진다. 2 개 층들은 동일한 굴절율을 가지며, 그에 따라 그 들 사이에는 반사적인 계면이 생성되지 않는다. 따라서, 관측되는 주파수 변환 신호는 미세 구로부터의 산란에 의해서만 이루어지는 것으로 생각할 수 있다.

폴리스틸렌 미세 구는 0.53 내지 6.09 ㎛ 의 범위를 가지며, Bangs Laboratories, Polysciences Inc. 및 Spherotech Inc. 로부터 얻을 수 있다. 제 2 층내의 미세 구의 체적 농도는 본 표본들에서 1.3 % 로 유지된다. 약 850 ㎛³의 조명 체적에 기초하여, 프로브 비임의 초점에서의 웨이스트 및 그 간섭 길이에 의해 정해지는 바와 같이, 조명되는 미세 구의 평균 개수는 0.535 ㎛ 미세구에 대한 140 개로부터 6.1 ㎛ 미세 구에 대한 0.1 개까지 변화된다. 젤라틴에 대한 미세 구의 굴절지수 비는 독립적으로 1.19 ±0.01 로 측정된다. 젤라틴으로 이루어진 제 1 층내에서의 프로브 비임의 감쇠(attenuaton) 및 흡수를 설명하기 위해, 젤라틴으로 이루어진 제 2 층이 거울로 대체되는 큐벳으로부터의 주파수 변환 신호를 사용하여 결과들을 표준화한다.

측정된 주파수 변환 신호의 진폭은 주로 3 가지 팩터(factor)에 따라 달라진다. 그 3 가지 팩터는 조명되는 미세 구의 개수, 프로브 비임내에서의 미세 구의 위치, 그 미세 구들이 생성하는 후방 산란의 양이다. 앞의 2 개의 팩터로부터 발생할 수 있는 에러는 그 두 팩터가 측정치를 잠재적으로 왜곡시키는 것 및 빛 산란 스펙트럼의 주기적인 구조를 가리는 것을 포함한다. 이러한 에러에 대한 기여는, 전술한 바와 같이, 400 및 800 nm 비임 성분들을 정렬시키고 초점에서 대략적으로 동일한 비임 웨이스트를 채용함으로써, 최소화 또는 제거될 수 있다. 이는 두 파동의 비임 성분들이 표본의 동일 영역을 조명할 수 있게 하고, 그에 따라 동일한 미세 구들을 조명할 수 있게 한다. 따라서, 두 파동에서의 신호들의 비율를 취함으로써, 미세 구의 개수 및 위치에의 의존성이 표준화된다.

일반적으로, 기준 비임에서, 산란체 군으로에서의 반사의 간섭으로부터의 주파수 변환 신호는 이하와 같이 표현된다. 즉:

E_r()이 감지부로 입사되는 기준 비임의 전기장(electric field)이고은 감지부 표면상의 공간 좌표일 때, E_T()은 기준 비임과 동일한 방향으로 극화(極化)된 신호 전기장의 진폭 성분이다. 이하에서, 전기장에 관한 모든 언급은 기준 비임의 극화 면에서 극화된 전기장을 의미하는 것이다. 기호 Δω는 변환 주파수를 나타내고, t 는 시간을 나타내며, Ψ_T()는 기준 필드에 대한 신호 필드의 관련 위상 변화를 나타낸다.는 감지기 영역에 걸친 평균을 나타내며 ｜...｜는 진폭을 나타낸다.

이때, Ψ_j,i()는 표본에서 정확히 j 산란이 일어났을 때의 i 번째 궤도와 관련된 산란된 전기장의 진폭을 나타내며, Ψ_j,i()는 관련 위상을 나타낸다.

식 1 의 오른쪽 항목은 다음과 같이 쓸 수도 있다. 즉:

이때, _r및 _j,i는 감지기 영역에 걸친 E_r() 및 _j,i()의 평균 평방근을 나타내고, _j,i()는 유효 평균 위상 변화를 나타낸다. 산란체로 입사되는 빛이 서로 상이한 각도에서 상이한 양으로 산란될 것이기 때문에, 산란된 필드의 위상 및 진폭은 감지기에 걸쳐서 반드시 평균화되어야 한다. 기준 필드는 감지기를 가로지르는 가우시안(Gaussian) 횡방향 공간 변화를 가지는 것으로 표시된다. a_j,i양은 공간 간섭 팩터이다. 그것은 _j,i()의 E_r()에 대한 상관성 뿐만 아니라, _j,i()의 균일성을 측정한다. 그것의 최대값은, 2 이고, _j,i()가 감지기 표면에 걸쳐 일정하고 _j,i()의 프로파일이 E_r()과 동일할 때 발생된다. _r및 _j,i는 단지 감지기의 평균 기준 강도 및 산란된 강도 각각의 평방근이라는 을 주지하여야 한다.

a_j,i는 j 값이 증가할 수록 매우 급격히 감소한다. 이것은, 한번 산란된 빛 과 다수번 산란된 빛의 양이 비슷할 때, 주파수 변환 측정치가 다수번 산란된 빛 보다 한번 산란된 빛을 감지하는 경향이 강하다는 것을 나타낸다. 이것은 조직과 같은 불투명한 매체의 표면에 인접하여 산란된 빛의 경우이다. 따라서, 이러한 경우에 측정된 주파수 변환 신호는 식(1b)의 a_j,i와 관련된 항목에 의해 어림잡을 수 있다.

오직 하나의 산란의 경우에 궤도의 개수가 조명되는 산란체의 개수 N 과 같기 때문에, 식(3)의 총수는 N 에서 종료된다는 것을 주지하여야 한다.

주파수 변조 신호의 진폭은 이하와 같이 식(3)으로 부터 산출할 수 있다.즉:

_j,i가 상호관련되지 않고 영역내의 산란체의 개수 N 이 크다면, 식(4)내의 크로스(cross) 항목은 무시된다. 마지막 조건은 표본의 상이한 지점들에서 취한 충분한 측정치 개수에 걸쳐 평균을 구함으로써 만족될 수 있다. _j,i가 상호연관되지 않았다는 가정은, 산란체로부터 산란된 빛이 축적된 비-제로(non-zero) 위상 변화에 더하여, 여러가지 깊이의 산란체로부터의 빛이 이동하는 여러가지 주변 이송 거리로 인해 부가적인 무작위 위상 변화가 있다는 것에 의해, 이해될 수 있다. 이러한 측정에서, 이웃하는 산란체들 간의 평균 공간 거리가 적어도 1.8 ㎛ 또는 800 nm 파동의 약 2.2 배라면, 상기와는 다르게 산란된 빛이 기여하는 바는 상호연관될 것이다.

파동(λ)의 빛에 의해 조명되는 지름(D)의 미세 구를 구비한 매체에서, 감지기에 도달하는 산란체 마다의 평균 빛 강도의 평방근(λ, D)이 주어질 때, 평균 필드(λ, D)를 얻을 수 있다. 식(4)로부터의 주파수 변환 신호의 앙상블평균(ensemble average) 평방근은 이하와 같이 쓸 수 있다. 즉:

이때, _i는 초점 지점으로부터 i번째 산란체의 변위이다.(λ, D) 는 앙상블 평균된 주파수 변환 신호에 대한 a_j,i(λ,D, _i)의 기여를 설명하는 한정된 양이다. 이것은 산란 공정의 기본적인 특성화 이다. _r을 제외한 식(4)내의 모든 양은 λ,D 및 _i의 함수이며, 이것은 식(5)에서 명백해 진다.

강도-베이스 LSS 에서, 많은 파동에서 후방으로 산란되는 강도를 측정함으로써 N 을 알 수 있다. 그러한 측정과 관련한 보다 상세한 사항은 1997 년 10 월 10 일자로 출원된 미합중국 특허출원 제 08/948,734 호로부터 알 수 있으며, 그 출원의 전체 기재내용은 본 명세서에서 인용된다. 필드-베이스 LSS 에서도 마찬가지다. 불행하게도, 주파수 변환 신호가 두 파동에서만 측정된다면, N 이 정확하게 측정될 수 없다. 그러나, 두 파동에서의 비임 성분들이 양호하게 정렬되기 때문에, 그리고 그에 따라 동일한 초점 영역을 조명하기 때문에, 각각의 측정시에 동일한 산란체들이 양 파동으로 동시에 조명된다. 앙상블 평균을 제공하기 위해, 각각의 상이한 비임 위치에 대해서 및 총합에 대해서 M 을 H 의 각 측정치로 전환하고,그 후 각 파동에서의 모든 측정치를 합한다. 2 개의 합의 비율 R 은 N 에 대한 의존성을 제거한다.

통상적인 LSS 실험에서 반사 스펙트럼을 결정하는 산란 강도(λ, D)에 더하여, 필드-베이스 LSS 는 또한 파동-의존형 공간 간섭 팩터(λ, D)에 의해서 영향을 받는다. 이것은 필드-베이스 LSS 스펙트럼이 강도-베이스 LSS 스펙트럼과 다르다는 것을 나타낸다.

앙상블 평균 양(λ, D)√(λ, D)는 구형 대상체에 대한 미(Mie) 산란 이론으로부터 계산될 수 있다. 첫번째 것은 초점 지점으로부터 거리 _i에서 단일 산란체로부터의 주파수 변환 신호에 대한 기여를 나타낸다. 이것은 이하의 식에 의해 주어진다. 즉:

이때, E_i(λ, _i)는 산란체에서의 전기장 강도이고, S(λ, D, φ_iθ_i)는 기준및 입사 비임의 극화 평면에서의 진폭 함수이다. (S(λ, D, φ_iθ_i)는 복합 함수라는 것을 주지하여야 한다.) 이러한 표기에서, θ_i는 프로브 비임의 침투 방향을 한정하는 수직에 대응하는 각도이고, φ_i는 수직방향에 직각인 평면내의 각도로서 극화 방향을 따라 φ_i= 0 이다. θ_i및 φ_i는 기하학적 광학체에 의해및 _i와 관련될 수 있다. k 는 광학적 파수(wavenumber)이고 r 은 산란체로부터 감지기까지의 거리이다.

S(λ, D, φ_iθ_i)는 이하와 같이 표현될 수 있다. 즉:

이때, S₁(λ, D, θ_i) 및 S₂(λ, D, θ_i)는 산란체와 관련한 평면내의 그리고 평면외의 산란에 대한 미(Mie) 이론에 의해 주어진 진폭 함수이다.

식(4)로 부터, 앙상블 평균 양(λ, D)√(λ, D)는 N = 1 과 관련한 주파수 변환 신호의 앙상블 평균의 평방근과 같다. 다시 말해, 그 것은 단일 산란체의 주파수 변환 기여 항목으로 표현될 수 있다.

이때, Q 는 앙상블 평균내의 요소(element)의 개수이다.

이러한 식을 이용하여, 직경이 0.1 내지 7.0 ㎛ 인 미세 구에 대한 R 의 예상치를 얻을 수 있다. 그 후, 결과는 5 % 의 직경변화에 걸쳐 평균화되어, 주어진 표본에서의 미세 구의 분포를 설명한다. 이러한 분포는 제조자에 의해 주어진 크기 분포와 밀접한 관계가 있다.

측정된 데이터를 도 2 에 나타냈다. 각 테이터 지점은 여러가지 표본 위치에서 취한 30 또는 45 측정치로 이루어 진다. 산란체 위치에 걸친 평균화는, 각 파동에서 측정된 주파수 변조 신호의 평방근을 취함으로써 결정된다. 그 후, 결과치의 비율 R 을 계산하고 도표에 표시한다.

도표에서 실선은 이론적인 적용을 나타낸다. 그러한 적용은 개략적으로 전술한 과정을 이용하여 이루어졌다. 적용 공정에서, 감지기의 구멍 크기는 자유 파라미터(parameter)였다. 최적의 적용은 400 nm 측정의 경우에 0.9 mm 대신에 0.7 mm 의 반경을 필요로 한다. 이것은, 감지기에서 입사 비임의 오정렬이 가능할 수 있다는 것으로 설명될 수 있으며, 그러한 오정렬은 보다 작은 유효 감지 영역을 초래할 수 있다.

그러한 적용은 직경이 5 미크론 이하의 미세 구에 대한 측정치와 아주 잘 일치된다. 보다 큰 미세 구에 대하여는, 입사 평면 파동 필드를 가정하는 미(Mie) 산란에 기초한 측정은 미세 구의 크기가 비임 웨이스트(약 6 미크론)와 비슷해짐에 따라 정확하지 않게 된다.

필드-베이스 LSS 및 강도-베이스 LSS 모두가 스펙트럼에 걸친 산란 변화를측정함으로써 산란체의 상대적인 굴절 지수 및 크기를 결정하는 한편, 필드-베이스 LSS 는 두가지 중요한 방법에서 강도-베이스 LSS 와 상이하다. 먼저, 필드-베이스 LSS는 후방으로 산란된 빛의 강도 변화에 대해서 뿐만 아니라 산란된 파동에서의 위상면(phase front) 변화에 대해서도 민감하다. 둘째로 필드-베이스 LSS는 측정될 지역의 보다 큰 국부화(localization)가 가능하게 한다.

단일 입자 빛 산란은 산란 진폭 S(λ, D, φ, θ)에 의해 특징지어 지며, 그 진폭은 각도 좌표에 따라 변화하는 위상을 가지는 복합 함수이다. 이러한 위상은 강도-베이스 LSS 에서는 측정되지 않는다. 이와 대조적으로, 필드-베이스 LSS 는 위상 변화에 매우 민감하다. 이러한 것을 설명하기 위해, 평면형 파동 입사 필드에서의 측정을 살펴본다. 감지기에 의해 측정된 단일 산란체로부터의 평균 산란 강도는 다음과 같이 표현될 수 있다. 즉:

식(7)로부터, 입사 필드 및 기준 필드 모두가 평면 파동인 유사한 필드-베이스 LSS 실험이 다음과 같은 형태의 주파수 변환 신호를 제공할 것이다. 즉:

평균 기준 필드 강도 ² _r을 무시하면, 이들 두 식들 간에 작지만 중요한 차이를 볼 수 있다. 식(10)에서, S(λ, D, φ, θ)의 크기는 감지기 영역에 걸친 평균화 이전에 취해지는 반면, 식(11)에서는 작동 순서가 역전된다. 따라서, 필드-베이스 LSS에서 위상 변화가 중요해지며, 측정되는 신호는 산란된 빛의 위상면 균일성의 정도에 비례한다. 미(Mie) 이론에서 나타난 바와 같이, 위상면 균일성은 (D/λ)의 함수로서 감소되며, 소정 크기의 산란체에 대해서, 스펙트럼에 걸친 변화는 강도-베이스 LSS 보다 필드-베이스 LSS 경우에 크다. 다시 이것은, 산란체 크기의 계산을 보다 용이하고 보다 정확하게 할 수 있게 한다.

상기 이론은 앙상블-평균 공간 간섭 팩터(λ,D)를 채용하여, 위상면 균일성 정도를 정량화 한다. σ(λ,D)는 f(λ,D, φ, θ)에 근본적으로 관련된다는 것을 주지하여야 한다. 식(10) 및 식(11)을 식(5)에 대입하고 N = 1 로 설정하면(상기 계산이 단일 산란체에 대한 것과 같이), 다음 식이 얻어진다. 즉:

식(12)는, 기준 필드 및 입사 필드 모두가 균일하고 비-균일 입력 필드에 맞게 적절하게 변형된 경우에만, 적용가능하다는 것을 알아야 한다.

(λ,D)의 물리적 중요성을 명확히 하기 위해, 식(10) 및 식(11)을 산란 크로스 부분 σ(λ,D) 및 위상 함수 항목 f(λ,D, φ, θ)[12]로 다시 표현한다. 위상 함수는 산란된 빛의 각도 강도 분포를 나타내는 표준화된 함수이다. 그 함수는아래의 식에 의해 얻어진다. 즉:

식(10)은 다음과 같이 표현된다.

주파수 변환 신호에 대한 대응 식인 식(11)은(λ,D)에 대하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. 즉:

강도-베이스 빛 산란 측정에서, 산란 크로스 부분 σ(λ,D) 및 이방성 팩터 g(λ,D)는 산란 공정을 특징짓는데 종종 이용된다. 이와 대조적으로, 필드-베이스 빛 산란에서의 산란 공정의 내역은 S(λ, D, φ, θ)로부터 유도된 3 번째 파라미터인 공간 간섭성 팩터(λ,D)를 필요로 한다.

위상 변화에 대한 이러한 민감도에 추가하여, 필드-베이스 LSS는 연구를 위해 상당히 좁은 영역을 국부화 할 수 있는 이점을 가진다. 이러한 국부화는, OCT 에 의해 실증된 바와 같이, 저-간섭성 간섭계에 의해 달성될 수 있다. 공간적인 국부화는 간섭 길이에 의해 제한되며, 통상적인 펨토초 레이저 비임은 연구를 위한 영역을 수십 미크론으로 국부화할 수 있다. 이것은, 다른 산란체에 의해 둘러싸여 있는 경우에도, 단일 세포 핵과 같은 각각의 분리된 산란체를 선택적으로 조사할 수 있는 가능성을 열어준다. 한번에 하나의 산란체를 조사하는 것은 계산 역시 간단하게 한다. 단일 산란체에서, 식(4)의 크로스-항목은 나타나지 않을 것이며, 그에 따라 수많은 표본에 걸쳐 평균을 구할 필요가 없다. 주파수 변환 기술에 의해 허용되는 큰 민감성으로 인해, 필드-베이스 LSS 의 전체-스펙트럼 반응이 광학적 파장 보다 상당히 작은 산란체 특성을 분석하는 수단을 제공할 것이다.

도 3 은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예를 도시하며, 그 실시예는 광원(82)과, 빛을 두개의 경로로 나누는 비임 스플리터(80)를 포함하며, 제 1 경로는 렌즈(74)를 통해 측정되는 조직 또는 물체로 연장되고, 제 2 경로는 렌즈(66)를 통과하고 거울(64)에서 반사되며 비임 스플리터(80)를 통해 측정되는 물체로부터 되돌아 오는 빛과 함께 렌즈(78)을 통해 감지기 시스템(76)으로 연장도니다. 이러한 실시예에서, 렌즈(66) 및 거울(64) 모두는 측정중에 거리(70)를 따라 변위된다. 또한, 렌즈(66)는 제 2 방향(68)으로 변위되어, 전달 방향을 변경할 수 있다. 기준 필드의 각도를 스캔하면서 렌즈(66) 및 거울(64)을 스캐닝함으로써, 감지기 평면에서 기준 필드의 위치가 고정 유지된다. 도 4a 및 4b 는 본 발명을 이용하여 이루어진 측정치의 각도 의존성을 그래프로 나타낸다. 도 5a 및 5b 는 단일층의강도 측정치 및 경로 지연을 나타낸다. 이러한 측정치의 각도 분해능(resloution)은 약 0.45 mrad 이고, 종방향 분해능은 약 11.6 ㎛ 이다.

도 6 은 자동 상보(autocorrelation) 방법을 채용한 측정치가 조직내의 세포 구조 또는 하부 세포 구조의 변화에 대한 정보 및 영상을 제공하는 공정을 개략적으로 도시한다. 도 7 은 비드(bead)의 묽은 현탁액에 의해 산란된 He-Ne 레이저를 이용하여 빛의 강도로서의 상보 측정치의 결과를 그래프에 도시한다. 0.51 msec 의 자동 상보 시간은 0.22 미크론 비드에 의한 빛의 복수 산란과 양립된다.

도 8 에는, 전술한 본 발명의 방법 및 빛 산란 스펙트로스코프 시스템과 관련한 수집부 및/또는 빛 공급용 섬유 광학 시스템(200)이 도시되어 있다. 광원은, 광섬유(204)의 기저부 단부에 연결되는 적어도 2 개의 파장(λ₁, λ₂)을 포함하는 비임(202)을 제공한다. 섬유 광학 시스템에 포함되는 비임 스플리터(206)는 각각 섬유(208, 210)를 통해서 그리고 렌즈(216, 214)를 통해서 빛 성분들을 공급한다. 제 1 빛 성분은 방향(220)을 따라 이동하는 거울(220)에 의해 반사되고, 섬유(210, 212)를 통해 되돌아 간다. 제 2 빛 성분은 조직(218)상으로 배향되고, 조직에 의해 산란된 빛은 섬유(208, 212)를 통해 되돌아 간다. 다이크로익(dichroic) 거울(230)은 감지기(240, 242)에 의해 각각 감지되는 2 개의 파장(λ₁, λ₂)으로 분리한다. 주파수 변환 감지 시스템(250, 252)을 사용하여, 도 1 과 관련하여 전술한 바와 같이 감지된 시스템을 처리한다. 여기서 설명하는 시스템은 표준형 내시경과 함께 사용되어, 인체의 생체내 조직 또는 내강(內腔)으로부터 얻어지는 진단정보를 제공할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하고 도시하였지만, 소위 당업자는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 범위내에서 많은 형식이나 세부사항을 변경할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims

물질 측정 방법으로서:

제 1 파장의 제 1 비임 및 제 2 파장의 제 2 비임을 가지는 공간 간섭성 빛으로 물질내의 대상 영역을 조명하는 단계와;

상기 제 1 파장 및 제 2 파장을 가지는 기준 빛을 가변 경로 길이를 가지는 광학 경로를 따라 배향하는 단계와;

조명된 빛에 반응하여 물질로부터 산란된 빛을 감지하고 경로 길이를 변화시키면서 기준 빛을 감지하는 단계와; 그리고

감지된 산란 빛 및 감지된 기준 빛으로부터 주파수 변환 신호를 발생하는 단계를 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 대상 영역의 영상을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 조직의 영역내의 물질의 크기를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 비임 및 제 2 비임은 대상 영역내의 초점 영역을 조명하는 방법.
제 1 항에 있어서, 다수의 제 1 및 제 2 파장으로 물질을 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 산란된 빛과 기준 빛을 조합하고 이어서 조합된 빛을 감지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 조직 영역내의 물질의 굴절 지수를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 데이터를 전자기적 메모리에 저장하고 그 데이터를 기준 데이터와 비교하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 빛을 전달하기 위해 섬유 광학 장치를 이용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 저 간섭성 광원을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 대상 영역으로부터 후방으로 산란된 빛을 감지하는단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 측정되는 물질내에서의 깊이를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 대상 영역에서 겹쳐지도록 제 1 비임 및 제 2 비임을 정렬하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
물질 측정용 광학 시스템으로서:

제 1 파장의 제 1 비임 및 제 2 파장의 제 2 비임을 가지는 공간 간섭성 빛으로 물질내의 대상 영역을 조명하는 광학 시스템 및 광원과;

상기 제 1 파장 및 제 2 파장을 가지고, 가변 경로 길이를 가지는 광학 경로를 따르는 기준 빛 비임과;

상기 가변 경로 길이를 조절하는 액츄에이터와; 그리고

조명된 빛에 반응하여 물질로부터 산란된 빛을 감지하고 경로 길이를 변화시키면서 기준 빛을 감지하는 감지기 시스템으로서, 감지된 산란 빛 및 감지된 기준 빛으로부터 주파수 변환 신호를 발생하는 감지기 시스템을 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 대상 영역의 영상을 형성하도록 물질을 가로질러 제 1 비임 및 제 2 비임을 스캔하는 스캐닝 조립체를 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 대상 영역내의 조직 구조의 크기를 계산하는 데이터 프로세서를 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 제 1 비임 및 제 2 비임은 대상 영역내의 초점 영역을 조명하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 다수의 제 1 및 제 2 파장을 방출하는 광원을 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 광원은 제 1 및 제 2 파장을 발생시키는 레이저 시스템을 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 섬유 광학 프로브를 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 광원은 파장을 조절할 수 있는 레이저를 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 상기 물질을 통한 비임 경로를 변경하는 스캐너를 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 22 항에 있어서, 상기 스캐너는 물질에 대한 비임 경로의 각도를 변경하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 시간 상보 시스템을 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 섬유 광학 커플러 및 간섭계를 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 16 항에 있어서, 상기 구조는 세포 또는 세포 핵을 포함하는 광학 시스템.
제 14 항에 있어서, 기준 데이터가 저장된 메모리를 구비한 컴퓨터를 추가로 포함하는 광학 시스템.
물질 분석 방법으로서:

조명된 빛에 반응하여 물질로부터 산란된 빛을 감지하고 경로 길이를 변화시키면서 기준 빛을 감지하는 단계와;

감지된 산란 빛 및 감지된 기준 빛으로부터 주파수 변환 신호를 발생하는 단계와: 그리고

상기 주파수 변환 신로를 기준 데이터와 비교하는 단계를 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 대상 영역의 영상을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 조직의 영역내의 물질의 크기를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 제 1 비임 및 제 2 비임이 물질의 대상 영역내의 초점 영역을 조명하는 방법.
제 28 항에 있어서, 다수의 제 1 및 제 2 파장에서 물질로부터의 빛을 감지하는 단계를 추가로 포함하는 광학 시스템.
제 28 항에 있어서, 산란된 빛과 기준 빛을 조합하고 이어서 조합된 빛을 감지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 조직 영역내의 물질의 굴절 지수를 측정하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 데이터를 전자기적 메모리에 저장하고 그 데이터를 기준 데이터와 비교하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 빛을 수집하기 위한 섬유 광학 장치를 이용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 저 간섭성 광원을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 대상 영역으로부터 후방으로 산란된 빛을 감지하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 측정되는 물질내에서의 깊이를 조절하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제 28 항에 있어서, 대상 영역에서 겹쳐지도록 제 1 비임 및 제 2 비임을 정렬하는 단계를 추가로 포함하는 방법.