KR200447267Y1 - 측정시스템이 내장된 후두내시경 - Google Patents

Abstract

본 고안은 병변의 크기를 측정하기 위한 측정시스템이 내장된 후두내시경에 관한 것으로, 병변을 밝히기 위한 광원, 병변을 촬영하기 위한 촬영부, 서로 평행한 제1경사면 및 제2경사면을 가지고, 공기의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 반사판 및, 레이저광을 생성하는 레이저 다이오드를 구비하고, 레이저 다이오드에서 생성된 레이저광이 제1경사면에서 반사됨과 더불어 상기 반사판 내부로 굴절되고, 굴절된 레이저광은 제2경사면에서 반사되어 다시 제1경사면에서 상기 반사판 외부로 굴절됨으로써, 2개의 평행한 레이저 광이 병변에 조사된다. 이러한 후두내시경의 내부 또는 외부에, 촬영부에 의해 촬영된 병변의 크기를 계산할 수 있는 크기계산부가 구비되는데, 2개의 평행한 레이저광의 거리를 RS라 하고, 촬영된 이미지에서 병변의 측정 거리를 d₁이라 하고, 촬영된 이미지에서 병변에 조사된 2개의 레이저광 사이의 측정 거리를 d₂라 하면, 병변의 실제 크기 x는 RS×d₁/d₂ 와 같이 계산된다.

Description

측정시스템이 내장된 후두내시경{Laryngoscope having measurement system}

본 고안은 신체의 내부를 관찰할 수 있는 내시경에 관한 것으로, 특히 관찰 대상의 크기를 측정할 수 있는 측정시스템이 내장된 후두내시경에 관한 것이다.

신체 내부의 관찰에 있어 내시경의 도입은 신체 내부의 확대상을 제공하여 진단의 정확성을 높이는데 크게 기여하고 있다. 특히, 후두내시경의 경우, 환자의 환부로 삽입되는 내시경에 장착된 광원(light source)을 통해 빛을 밝혀주며, 광원(light source)에 의해 밝혀진 환부를 CCD 카메라가 촬영하여 모니터를 통해 디스플레이되면서 환부의 관찰 및 시술이 용이하게 되었다.

그러나, 내시경과 관찰 대상 사이의 거리에 따라 관찰 대상이 확대되는 정도는 변하게 되며, 그로 인해 병변의 병기설정을 위한 계측이나 병변의 변화를 관찰 하는데 어려움이 있다. 또한 병의 경과나 치료 정도에 따라 종양이나 염증 등의 크기나 형상이 달라질 수 있는데, 일정 시간 후에 재측정을 하는 경우 이전에 측정된 병변의 크기나 형상과 비교할 수 없으므로 상당히 불편한 점이 있다. 따라서 내시경 촬영 도중 간단하고 정확하게 병변의 크기를 측정하는 것은 임상의들의 오랜 바램이었다.

후두내시경을 이용하여 후두내 해부학적 구조물들의 위치변화와 크기, 종괴의 크기 등을 측정하는 방법은 많은 연구에서 다양하게 시도되어 왔다.

예를 들어, 'Nasri S'등은 1994년도에 'Ann Otol Rhinol Laryngol'에 'Noninvasive measurement of traveling wave velocity in the canine larynx'를 개시한 바 있다. 이러한 성대의 비디오상분석 시스템은, 성대를 촬영중인 비디오카메라를 일정 거리만큼 평행이동시킨 다음 비디오 상의 변형정도를 화소로 인식하여 길이를 측정하는 방식이다. 그러나, 이러한 방법은 복잡한 몇 개의 단계를 거쳐야 하므로, 전형적인 임상 이용시 많은 시간과 설비를 필요로 하는 문제점이 있었다.

또한, 'Larsson H'등은 2004년도에 'Logoped Phoniatr Vocol.'에 'Calibration of high-speed imaging by laser triangulation'를 개시한 바 있다. 구체적으로, 'Larsson' 등은 성대 움직임 측정에 있어 수평면상의 움직임 뿐만 아니라 수직면상의 움직임도 측정하기 위해 레이저 삼각측량법(laser triangulation)을 이용하였다.

그러나, 이는 'High-Speed Tool Box'라는 특수한 소프트웨어가 있어야 가능하며, 매 기록 전후에 교정(calibration)이 필요하다. 교정은 5mm 간격의 점들과 레이저 광을 레코딩함으로써 이루어진다. 그리고, 발성 주기 동안 성대의 수직운동은 음성강도와 기본주파수 뿐만 아니라, 레이저 광이 성대의 어떤 위치에 있느냐에 따라 크게 영향을 받으므로, 정확한 측정을 위해서는 레이저 광이 성대 가장자리에서 적어도 1mm 바깥쪽에 있어야 된다고 하였다. 아울러, 삼각측량법은 내시경 끝과 레이저 광 사이에 정해진 거리가 있어야 하는데, 그 거리가 너무 작으면 측정의 정 확성이 떨어진다. 'Larsson' 등은 레이저 광과 내시경 광학축 사이에 일정거리로 9mm를 두었는데, 인두나 후두가 작은 환자에서는 후두개에 레이저 광이 가려서 보이지 않게 되는 단점이 있었다.

이렇게 중요한 임상적 유용성 때문에 후두내시경으로 후두 내부를 보면서 동시에 대상의 크기를 측정할 수 있는 여러 방법들이 개발되어 왔음에도 불구하고 아직까지 임상적으로 널리 이용되고 있지 못하는 이유는, 지금까지 개발되었던 것들이 여러 단계를 거침으로 인해 복잡하거나 그로 인해 정확도가 떨어지거나 혹은 소요되는 비용이 비싸거나 사용시 환자 혹은 사용자에게 심한 불편함을 주기 때문이었다.

본 고안은 상기한 점을 감안하여 고안된 것으로, 임상에서 간단히 사용가능하며 정확도가 우수한 레이저광을 이용한 측정 시스템이 내장된 후두내시경을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 병변의 크기를 측정하기 위한 측정시스템이 내장된 후두내시경에 있어서, 병변을 밝히기 위한 광원, 병변을 촬영하기 위한 촬영부, 서로 평행한 제1경사면 및 제2경사면을 가지고, 공기의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 반사판 및, 레이저광을 생성하는 레이저 다이오드를 구비하고, 레이저 다이오드에서 생성된 레이저광이 제1경사면에서 반사됨과 더불어 상기 반사판 내부로 굴절되고, 굴절된 레이저광은 제2경사면에서 반사되어 다시 제1경사면에서 상기 반사판 외부로 굴절됨으로써, 2개의 평행한 레이저 광이 병변에 조사되는 것이다.

이러한 후두내시경의 내부 또는 외부에, 상기 촬영부에 의해 촬영된 병변의 크기를 계산할 수 있는 크기계산부가 구비되는데, 2개의 평행한 레이저광의 거리를 RS라 하고, 촬영된 이미지에서 병변의 측정 거리를 d₁이라 하고, 촬영된 이미지에서 병변에 조사된 2개의 레이저광 사이의 측정 거리를 d₂라 하면, 병변의 실제 크기 x 는 RS×d₁/d₂ 와 같이 계산될 수 있다. 아울러, 반사판의 두께를 L이라 하고, 레이저광이 제1경사면에서 반사되는 각을 b라 하고, 반사판 내부로 굴절되는 각을 d라 하면, 2개의 평행한 레이저광의 거리 RS는 2L×tan d×sin b 와 같이 계산될 수 있다.

후두내시경에서, 반사판은 아크릴판인 것이 바람직하고, 레이저 다이오드에서 생성된 레이저광이 제1경사면에서 반사되는 각은 45도인 것이 바람직하며, 2개의 평행한 레이저 광은 병변에 직각으로 조사되는 것이 바람직하다.

본 고안에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경은 구조가 간단하여 일반 후두내시경과 비교해 무게와 크기, 사용면에서 더 불편하지 않다는 점에서 장점이 있다.

아울러, 본 고안에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경은 2개의 레이저 평행광을 이용하므로, 비침습적인 방법으로 정확하게 병변의 크기를 측정할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 고안이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 고안의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 고안의 바람직한 실시예에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경을 나타낸 예시도이다.

측정 시스템이 내장된 후두내시경(100)은 크게 인체의 내부기관에 삽입되는 가이드관(101)과, 가이드관 후단부에 형성된 손잡이부(102)로 이루어진다. 검사자가 손잡이부(102)를 잡고 가이드관(101)을 피검자의 내부, 예를 들어 목 안으로 삽입하여 후두의 상태를 관찰할 수 있다. 일반적으로 후두내시경은 컴퓨터와 모니터()에 연결되고, 가이드관(101)의 말단에서 촬영된 영상을 모니터를 통해 보고 저장할 수 있다.

도 2는 본 고안의 바람직한 실시예에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경의 가이드관의 내부를 설명하기 위한 도면이다.

가이드관(101) 내부에는 광원(113), 촬영부(112), 반사판(111) 및 레이저 다이오드(110)가 구비된다. 광원(113)은 가이드관(101)이 삽입되는 신체 내부를 밝히기 위한 것으로서, 광다이오드(light emitted diode, LED)가 사용될 수 있다. 촬영부(112)는 병변을 촬영하기 위한 것으로 CCD 혹은 CMOS 이미지 센서를 이용할 수 있다.

레이저 다이오드(110)는 환부의 크기 측정을 위해 레이저광을 생성하는 역할을 하고, 이러한 레이저는 반사판(111)에서 반사 및 굴절되어 2개의 광이 되어 환 부에 이르게 된다. 반사판(111)은 레이저 다이오드(110)에서 생성된 레이저광과 비스듬한 각도를 갖는 제1경사면(111a)과 제2경사면(111b)을 갖는다(도 3 참조). 제1경사면(111a)과 제2경사면(111b)은 평행하며, 바람직하게는 반사판으로서 1개의 아크릴 판을 이용할 수 있다.

병변의 크기를 측정하기 위해 레이저광을 사용한 이유는 레이저광이 다른 광보다 단색성이 뛰어나며 퍼지지 않고(non-divergent) 곧바로 진행하는 빛이기 때문이다. 또 레이저 광은 코히런트(coherent) 광이라 광선을 렌즈로 집속하면 매우 작은 넓이로 집광할 수 있다.

아울러, 후두내시경(100)의 내부 또는 외부의 컴퓨터에는 촬영부(112)에 의해 촬영된 환부의 크기를 레이저광을 이용하여 계산할 수 있는 크기계산부(미도시)가 구비된다.

이하, 도 3을 참조하여 레이저광을 이용하여 환부의 크기를 계산하는 방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 3은 레이저 다이오드(110)에서 나온 레이저광이 반사판(111)에서 반사 및 굴절된 후 2개의 평행광이 되어 나오는 것을 설명하는 도면이다. 도 3에 도시된 것처럼, 반사판(111)으로서 한 개의 아크릴판을 이용하여 평행한 두개의 광이 조사되도록 고안하였다. 레이저광은 평면 아크릴판 앞면과 뒷면에서 반사되어 나오고, 이러한 2개의 레이저광은 항상 평행한 자동 평행광(auto-parallel)이 된다.

구체적으로, 레이저 다이오드(110)에서 나온 광은 제1경사면(111a)에 도달한 후 반사되는데, 이 때 레이저광의 입사각(a)과 출사각(b)은 정확하게 일치하게 된 다. 예를 들어, 레이저광의 입사각이 45도라면, 출사각도 45도이기 때문에 레이저광은 수직으로 반사되어 나가게 된다. 만약, 레이저 다이오드(110)에서 나오는 레이저광이 가이드관(101)의 축과 평행하다면, 제1경사면(111a)에서 반사된 광은 가이드관(101)의 축과 항상 직각이 된다.

그리고, 제1경사면(111a)에 도달한 레이저광은 공기와 아크릴의 매질의 차이로 인해 굴절이 일어난다. 이때, 굴절이 일어나는 정도는 두 매질의 굴절률의 비에만 의존하고 각각의 굴절률에는 무관한 스넬의 법칙이 적용된다.

공기와 아크릴의 굴절률비가 1.49라면, 레이저광의 입사각(c)이 45도일 때 굴절각(d)은 28.1도가 된다. 굴절된 광은 다시 아크릴판의 제2경사면(111b)에 의해 반사되는데, 이 경우에도 반사의 법칙에 따라 입사각(e)과 반사각(f)은 일정하게 된다. 또한, 제1경사면(111a)에 도달하는 각(g)은 동일하게 28.1도이며, 공기중으로 굴절되어 나올 때 각도(h)는 들어갈 때의 각도와 같이 45도가 된다. 즉, 아크릴판에서 공기로의 상대 굴절률은 1/1.49, 즉 0.66이므로 입사각(g)이 28.1도일 때 굴절각(h)은 45도가 되는 것이다.

따라서, 제1경사면(111a)에서 반사된 첫번째 광선과 제2경사면(111b)에서 반사된 두번째 광선은 반사판(111) 외부에서 항상 평행하게 되는 것이다. 다만, 제1경사면(111a)으로 입사된 레이저광이 항상 반사판 내부로 굴절되기 위해서 반사판(111)의 굴절율은 공기의 굴절율보다 큰 것이 요구된다. 또한, 제1경사면(111a)으로 입사된 레이저광이 전반사되지 않기 위해서 입사각(c)이 임계각보다 작아야 함은 물론이다.

도 3에 도시된, 참조거리(RS;reference scale), 즉 첫번째 광선과 두번째 광선 사이의 거리는 2 x 아크릴판의 두께(L) x tan 28.1°(굴절각 d) x sin 45°(반사각 b)와 같이 구할 수 있다. 따라서 레이저광의 제1경사면(111a)으로의 입사각과 반사판의 굴절율과 두께가 정해진다면, 참조거리를 항상 계산할 수 있게 된다.

도 4는 본 고안에 의한 후두내시경에서 조사된 레이저광이 평면에 도달한 모습을 나타내는 사진이다.

실험에서는 레이저광의 모양과 크기, 두 레이저광 사이의 거리를 쉽게 측정하기 위해 모눈종이를 사용하였다. 평면의 모눈종이에 레이저광을 조사해 비교해 보았으며, 대상(모눈종이)과 내시경 사이의 거리에 따른 두 레이저 광 사이의 거리와 레이저광 자체의 모양 및 크기 변화가 있는지도 살펴보았다.

결과적으로, 평면에 비친 두 점 사이의 참조거리(RS)는 대상과 내시경 사이의 거리, 레이저광선이 평면에 비추는 각에 상관없이, 항상 일정함을 알 수 있었다. 다만, 참조거리(RS)가 매우 작은 값이라고 해도, 실제 사용시 정확성을 위해 레이저광이 평면에 비추는 각은 직각인 것이 바람직하다.

도 5는 병변의 크기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼, 두 평행광 사이의 거리(RS)는 항상 일정하므로, 후두내시경 촬영 시 이미지를 저장하여 간단한 비례식 계산으로 병변의 크기를 계산해 낼 수 있다.

예를 들어, 2개의 레이저광이 가이드관으로부터 수직으로 나오고 2개의 광의 참조거리(RS)가 4mm라고 할 때, 병변의 실제 크기 x는 다음과 같이 구할 수 있다. 촬영된 이미지에서 병변의 측정 거리를 d₁이라 하고, 촬영된 이미지에서 병변에 조사된 2개의 레이저광 사이의 측정 거리를 d₂라 하면, 병변의 실제 크기 x는 다음과 같은 비례식으로 나타내어질 수 있다.

d₁:d₂ = x: 4mm

따라서, x = 4d₁/d₂ 로부터 계산할 수 있다.

도 6은 본 고안에 의한 측정시스템이 내장된 후두내시경에서 조사된 레이저광이 실제 정상인의 후두에 도달한 모습을 나타내는 사진이다.

실험에서는 두 평행광을 진성대에 조사하여 항상 일정한 거리로 조사되는지 알아보았다. 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 좌측 진성대에 레이저광을 조사하였을 때, 도 4에 나타낸 삽입 전 실시한 두 광 사이의 거리와 같은 거리를 갖는 평행광을 관찰할 수 있었다.

이러한 본 고안에 의한 후두내시경은 항상 평행한 두 레이저 광을 조사하기 위해 평행한 2개의 경사면을 갖는 하나의 반사판을 장착하므로, 내시경 내부에 두 개의 반사판을 평행하게 장착하는 것보다 방법은 더 간단하지만, 평행한 광선을 조사하는데 있어서는 더 정교하다고 할 수 있다. 또한 두 레이저 광이 항상 평행하므로 이 측정시스템은 교정(calibration)을 할 필요가 없다는 장점도 있다.

대상의 크기를 측정할 수 있는 측정시스템이 장착된 후두내시경은 잠재적 이용 가능성이 많다. 종양의 병기 설정을 하는데 있어 후두 내 병변을 계측할 때, 또 는 치료 후 병변의 크기 감소를 추적 관찰하는데 유용하다.

또한 상기도 호흡곤란이 있는 경우에는 성문 틈을 측정하는데에도 사용할 수 있으며, 편측 마비의 경우에는 갑상성형술 이식면적을 계산할 때, 레이저 룰러로 내전 시 성문 결손 면적을 측정할 수 있다. 그리고 성대 편위 정도, 해부학적 기준점 사이의 거리를 측정할 수도 있다. 특히 후두 비디오 스트로보스코피(videostroboscopy)와 함께 사용하면 발성하는 동안 성대의 변동을 측정하는데 유용하다.

도 1은 본 고안의 바람직한 실시예에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경을 나타낸 예시도,

도 2는 본 고안의 바람직한 실시예에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경의 가이드관의 내부를 설명하기 위한 도면,

도 3은 도 2에 도시된 레이저 다이오드에서 나온 레이저광이 반사판에서 반사 및 굴절된 후 2개의 평행광이 되어 나오는 것을 설명하는 도면,

도 4는 본 고안에 의한 후두내시경에서 조사된 레이저광이 평면에 도달한 모습을 나타내는 사진,

도 5는 본 고안에 의한 측정 시스템이 내장된 후두내시경을 이용하여 병변의 크기를 측정하는 방법을 설명하기 위한 예시도,

도 6은 본 고안에 의한 측정시스템이 내장된 후두내시경에서 조사된 레이저광이 실제 정상인의 후두에 도달한 모습을 나타내는 사진이다.

Claims (6)

1. 병변의 크기를 측정하기 위한 측정시스템이 내장된 후두내시경에 있어서,

   병변을 밝히기 위한 광원;

   병변을 촬영하기 위한 촬영부;

   서로 평행한 제1경사면 및 제2경사면을 가지고, 공기의 굴절율보다 큰 굴절율을 갖는 반사판 및;

   레이저광을 생성하는 레이저 다이오드를 구비하고,

   상기 레이저 다이오드에서 생성된 레이저광이 제1경사면에서 반사됨과 더불어 상기 반사판 내부로 굴절되고, 굴절된 레이저광은 제2경사면에서 반사되어 다시 제1경사면에서 상기 반사판 외부로 굴절됨으로써, 2개의 평행한 레이저 광이 병변에 조사되는 것을 특징으로 하는 후두내시경.
2. 제1항에 있어서,

   상기 후두내시경의 내부 또는 외부에, 상기 촬영부에 의해 촬영된 병변의 크기를 계산할 수 있는 크기계산부가 구비되되,

   2개의 평행한 레이저광의 거리를 RS라 하고, 촬영된 이미지에서 병변의 측정 거리를 d₁이라 하고, 촬영된 이미지에서 병변에 조사된 2개의 레이저광 사이의 측정 거리를 d₂라 하면, 병변의 실제 크기 x는 RS×d₁/d₂ 와 같이 계산되는 것을 특징으 로 하는 후두내시경.
3. 제2항에 있어서,

   반사판의 두께를 L이라 하고, 레이저광이 제1경사면에서 반사되는 각을 b라 하고, 반사판 내부로 굴절되는 각을 d라 하면, 2개의 평행한 레이저광의 거리 RS는 2L×tan d×sin b 와 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 후두내시경.
4. 제1항에 있어서,

   상기 반사판은 아크릴판인 것을 특징으로 하는 후두내시경.
5. 제1항에 있어서,

   상기 레이저 다이오드에서 생성된 레이저광이 제1경사면에서 반사되는 각은 45도인 것을 특징으로 하는 후두내시경.
6. 제5항에 있어서,

   2개의 평행한 레이저 광은 병변에 직각으로 조사되는 것을 특징으로 하는 후두내시경.

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