KR20220017009A - 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광 영상장치용 광조사장치에 관한 것으로서, 광원의 빛을 광섬유로 광조사장치에 전달하는 형광 영상장치용 광조사장치에 있어서, 액체 코어 광섬유를 광원전달용 광섬유로 사용하여, 광조사장치에 스펙클(speckle)이 없는 광원을 전달시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하여, 형상영상장치의 획득 영상 품질에 영향을 끼치는 광원을 스펙클 현상없이 전달하는 '형광 영상장치용 광조사장치'가 제공되는 이점이 있다.

Description

스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치{Light irradiation device for fluorescent imaging device without speckle}

본 발명은 형광 영상장치용 광조사장치에 관한 것으로서, 형광 영상장치 중에서 광원으로부터 발생되는 스펙클 현상을 제거하여 형광 영상 장치에서 획득하는 영상 품질을 개선시키는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치에 관한 것이다.

일반적으로 형광 영상 장치는 임상시험, 동물실험, 양상 유도 수술 등에서 한 개의 파장을 갖는 여기광(exciting light)을 집광하여 대물렌즈를 통과시켜 관찰부위에 조사하여 변화 및 구조를 관찰할 수 있는 장치로 사용된다.

형광 영상 장치에 대한 일반적인 소개는 대한민국 선등록특허 10-1172745 생체로부터 발생하는 다중 분광 광 영상 검출 및 광치료를 위한 복합 장치에 잘 나타나 있다.

이하, 이를 참고하여 형광 영상장치의 개발 연혁에 대하여 살펴보면, 각종 생물의학적 질환의 진단 및 치료를 위한 형광 현상에 대한 연구를 위해 살아있는 동물을 대상으로 전임상 연구가 시행되어 왔으며, 이후 임상 연구 및 임상 시험들이 이루어져 왔다.

이에 사용되는 형광 물질은 내인성(endogenous) 또는 외인성(exogenous)으로 발생할 수 있으며, 상기 내인성 형광물질(fluorphore)의 예로서 콜라겐, 엘라스틴, 케라틴(Keratin), NADH, 플라빈(Flavin), 포르피린(porphyrin) 등의 물질을 들 수 있다.

위와 같은 형광 물질은 생물 조직의 자가 형광(autofluorescence) 현상의 원인이 되며, 자가 형광의 검출 및 평가를 통해 생물 기관(organ)과 계통(system)의 생리(physiology) 기능 상태를 추적하여 종양 등과 같은 질환을 진단할 수 있다.

이러한 진단 목적을 위해, 생물 기관 외부로부터 광감작제(photosensitizer)와 같은 형광 약제를 생물 내에 투여할 수 있고, 투여된 광감작제는 악성 종양 조직에 선택적으로 고농도로 축적되는 바, 이 축적 부위에 특수 파장의 여기 광선을 쏘게 되면 이로부터 발생되는 형광에 의해 종양의 위치와 경계 면을 형광 관찰할 수 있다.

또한, 광감작제가 축적된 부위에서 여기 광선과의 반응에 의해 일중항산소(singlet oxygen)가 발생되고, 발생된 일중항산소는 외과적 수단을 사용하지 않고 광역학치료법(photo dynamic therapy)에 의해 종양 세포를 파괴시킨다.

한편, 형광조영술(angiogaphy)에서는 혈관에 주사된 형광 광감작제가 혈관을 순환하는 상황을 관찰하는 것으로서, 혈류 순환의 지연이나 이상, 혈관의 형태적 이상 등을 알 수 있고, 이를 통해 혈전증(thrombus)이 있는 위치를 파악할 수 있으며, 또한 형광 조영술을 사용하여 모든 망막 질환 대상, 그 중 안저에 발생하는 비정상적인 소견을 용이하게 발견할 수 있다.

또한, 상기 형광 광감작제를 사용한 형광 분자 영상 방법에 의해 생물학적으로 중요한 특정 물질의 국부적인 위치가 관찰되며, 이들의 양을 측정하고 약물의 전달을 제어하게 된다.

특히, 생물 조직에 투과되는 근적외선 파장은 자외선과 가시광선 파장에서 보다 훨씬 깊으므로, 근적외선 파장 범위에서 형광을 발생하는 형광 광감작제에 대해 주목받고 있다.

이에 따라, 형광 영상 장치에 가시광선 및 근적외선 파장 범위에서 감도를 갖는 단색(monochrome) 이미지 센서들이 자주 사용되어 왔고, 이 경우 형광 여기는 단일 파장을 내는 광원에 의해 이루어진다.

종래기술의 일례로서, 미국특허출원 US 2009/0203994(Method and apparatus for vasculature visualization with applications in neurosurgery and neurology. Gurpreet Mangat et al.) 및 WO 2008/070269(Methods, Software and systems for imaging. Brzozowski et al.)에는 외과 수술 동안 혈관계 및 혈관 손상 위치를 영상화하기 위해 제작된 장치가 개시되어 있는 바, 그 내용을 간략히 살펴보면 근적외선 파장범위에서 여기되고 형광을 발생하는 광감작제 인도시아닌 그린(Indocyanine Green)를 혈관에 투입하는 형광 조영술 방법이 사용된 점, 그리고 형광 여기를 위한 광원으로 레이저를 사용하였으며, 형광이 발광되는 혈관의 영상 촬영을 위해 흑백 프레임 형태에서 영상을 제공하는 단색 텔레비전 카메라를 사용한 점을 주된 특징으로 삼고 있다.

위와 같은 종래기술의 일례에 따른 장치에서는 근적외선 영상 및 가시광선 영상을 동시에 촬영할 수 없고, 방출되는 파장들이 각기 다른 수 개의 형광 영상들을 동시에 기록할 수 있는 장치의 구현을 위하여 단일 공통 광원을 형광 여기 광원으로 사용하였으며, 수 개의 각기 다른 파장을 방출하는 형광의 영상 검출을 위해서 수 개의 단색 이미지센서들을 사용하거나, 단일 단색 이미지센서를 수 개의 영상 검출 구역으로 나누는 방법이 적용되어 있다.

종래기술의 또 다른 예로서, 미국특허출원 US 2008051664(Autofluorescence detection and imaging of bladder cancer realized through a cystoscope)에는 근적외선 파장 범위에서 생물 내부 기관의 형광 진단을 위해 내시경과 함께 사용되는 장치로서, 방광경(cystoscope)을 통해 방광 암(bladder cancer) 영상 관찰을 위한 자가 형광(auto fluorescence) 검출 장치가 개시되어 있는 바, 생물 조직에 램프 및 레이저 광원들로부터 각자 다른 광도파관(light guide)을 통해 개별적으로 광 조사가 수행되고, 레이저 광 조사는 형광 여기를 위해 사용되며, 레이저 광 조사는 수 개의 레이저들로부터 양자택일로 수행될 수 있는 점 등을 특징으로 하고, 예로서 약 630 nm에서 발진하는 헬륨-네온 레이저(Helium-neon laser) 또는 532 nm에서 발진하는 Nd:YAG 다이오드 펌핑 고체 레이저(Nd:YAG diode-pumped solid-state laser)를 선택할 수 있다.

한편, 이와 같은 종래기술방식에서 형광 영상 장치에 사용되는 레이저 광원의 경우 스펙클 현상이 발생되어 발광 특성 저하 및 획득 영상 품질의 저하가 발생되는 문제점이 있다.

'스펙클 현상'이란 레이저 영상에서 간섭에 의해 산재된 점이 나타내는 현상으로서, 도 2에서 보여지는 바와 같이 레이저 간섭에 의해 영상에서 밝거나 혹은 어두운 점들이 산재되어 나타난다.

종래기술방식에서 이와 같은 스펙클을 제거하기 위해서 대한민국 선출원발명 10-2019-0093163 '다중파장광원을 기반으로 다중 형광 영상 동시 관측이 가능하고 시야면적 조절이 가능한 형광 영상장치용 광조사장치'에서 서로 다른 개구(aperture)로서 얻어진 신호들을 간섭에 의한 영향이 적어지도록 결합시켜 사용하는 노력이 투자되고 있으나 복잡한 제어없이 스펙클 현상을 완전히 제거시키는 방법 개발 필요성이 있다,

대한민국 선등록특허 10-1172745 '생체로부터 발생하는 다중 분광 광 영상 검출 및 광치료를 위한 복합 장치' 미국특허출원 US 2009/0203994(Method and apparatus for vasculature visualization with applications in neurosurgery and neurology. Gurpreet Mangat et al.) 미국특허출원 US 2008051664(Autofluorescence detection and imaging of bladder cancer realized through a cystoscope) 대한민국 선출원발명 10-2019-0093163 '다중파장광원을 기반으로 다중 형광 영상 동시 관측이 가능하고 시야면적 조절이 가능한 형광 영상장치용 광조사장치'

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 형상영상장치의 획득 영상 품질에 영향을 끼치는 광원을 스펙클 현상없이 전달하는 '형광 영상장치용 광조사장치'를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광원의 빛을 광섬유로 광조사장치에 전달하는 형광 영상장치용 광조사장치에 있어서, 액체 코어 광섬유를 광원전달용 광섬유로 사용하여, 광조사장치에 스펙클(speckle)이 없는 광원을 전달시키는 것을 특징으로 하는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 액체 코어 광섬유는 광섬유 코어에 PbSe quantum dot 기반 액체가 주입된 광섬유인것을 특징으로 하는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 액체 코어 광섬유는 선형 또는 비선형 나노 파티클을 포함하는 액체가 주입된 광섬유인것을 특징으로 하는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치로 되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 의하여, 형상영상장치의 획득 영상 품질에 영향을 끼치는 광원을 스펙클 현상없이 전달하는 '형광 영상장치용 광조사장치'가 제공되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명이 사용되는 형광영상장치의 구조도
도 2는 종래기술방식의 광원 스펙클 사진 및 그래프
도 3은 종래기술방식의 다양한 조건에서 획득한 광원 스펙클 사진 및 그래프
도4는 도2와 동일 조건에서 본원발명의 광원 사진 및 그패프
도 5는 도 3과 동일 조건에서 획득한 광원 사진 및 그래프

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 1은 본 발명이 사용되는 형광영상장치의 구조도이며, 도 2는 종래기술방식의 광원 스펙클 사진 및 그래프이며, 도 3은 종래기술방식의 다양한 조건에서 획득한 광원 스펙클 사진 및 그래프이며, 도4는 도2와 동일 조건에서 본원발명의 광원 사진 및 그패프이며, 도 5는 도 3과 동일 조건에서 획득한 광원 사진 및 그래프이다.

일반적으로 형광 영상 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 광원을 전달하는 광섬유(10)와 광섬유 연결모듈(20), 광조사 장치 세팅 디스크(30), 영상촬영장치로 크게 구분된다.

광조사장치는 이와 같은 형광 영상 장치에서 광원()을 전달하는 부분을 의미하는 것으로서, 도 1의 실시예에서는 광섬유(10)와 광섬유 연결모듈(20), 광조사 장치 세팅 디스크(30)가 여기에 속한다.

도 1의 실시예에서 광조사 장치 세팅 디스크(30)는 도넛형 조명장치로 이해할 수 있는 것으로서, 도넛형 몸체에 광섬유가 방사형으로 연결되어 하방으로 광을 조사하고, 중심 도넛홀을 통해 영상촬영장치가 촬영대상물을 촬영하게 된다.

도 1의 실시예에서 상기 영상촬영장치는 광학계(40)와 이미지처리 프로세서(50)로 구분된다.

종래기술방식에서는 광원의 스펙클을 제거하기 위하여 상기 광조사 장치 세팅 디스크(30)에 결합되는 광원을 다르게 하거나, 광원의 조사 각도를 조절하는 틸팅장치를 부여하고 있었다.

본 발명에서는 이와 같은 형광 영상장치의 광조사장치에 사용하는 광섬유(10)를 액체 코어 광섬유로 사용함으로써 스펙클을 제거시키고 있다.

본 발명에서 실험한 액체 코어 광섬유는 광섬유 코어에 PbSe quantum dot 기반 액체 또는 선형 또는 비선형 나노 파티클을 포함하는 액체가 주입된 광섬유가 실험되어 스펙클이 제거되는 것을 확인하였으나, 다른 종류의 액체 코어 광섬유에서도 동일하게 스펙클이 제거되는 것으로 판단하고 있다.

이하 실험예와 함께 본 발명의 효과에 대하여 살펴보기로 한다.

도 2는 종래기술방식에 의한 형광 영상장치의 광원 촬영사진과 영상 분석 그래프를 나타낸 것이다.

도 2에서 종래기술방식의 광섬유를 이용하여 광원을 전달하는 경우, 획득 영상에서 보여지는 바와 같이 스펙클(2)이 흰반점으로 촬영되어 있다.

이와 같은 스펙클이 있는 상태의 광원이 피사체에 조사되면, 임상 결과가 변질될 정도의 영상 훼손이 발생될 수 있으므로 스펙클의 제거는 필수적이라 할 수 있다.

도 2의 그래프는 영상 속에서 밝기 변화를 나타낸 것으로서, 돌출 파형(1)이 존재하는 것은 영상의 밝기가 불규칙하다는 것을 의미한다.

도 3은 종래기술방식의 광섬유를 사용했을 때, 다양한 파장과 세기에 대해서 동일하게 스펙클이 발생됨을 보여주고 있다.

도 4는 도 2와 동일 조건에서 본 발명을 사용한 광원 촬영 사진과 영상 분석 그래프이다.

도 4의 그래프에서 보여지는 바와 같이 파형이 돌설되지 않고 완만한 곡선을 이루고 있고 영상에서도 스펙클이 존재하지 않음을 알 수 있다.

도 5는 도 3과 동일 조건으로 다양한 파장과 세기에 대해서 실험한 것으로, 도 3과 달리 전체적으로 스펙클이 제거되었음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은 광원을 종류를 변경하거나, 파장의 변경, 조사 각도의 변경 등의 기술적 노력없이 광섬유만을 변경함으로서, 스펙클이 현저하게 감소되는 이점이 있음을 알 수 있다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

1 : 돌출 파형
2 : 스펙클
10 : 광섬유
20: 광섬유 연결모듈
30 : 광조사 장치 세팅 디스크
40 : 광학계
50 : 이미지처리 프로세서
60 : 다이스

Claims (3)

1. 광원의 빛을 광섬유로 광조사장치에 전달하는 형광 영상장치용 광조사장치에 있어서,
   액체 코어 광섬유를 광원전달용 광섬유로 사용하여, 광조사장치에 스펙클(speckle)이 없는 광원을 전달시키는 것을 특징으로 하는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치.
2. 제1항에 있어서 상기 액체 코어 광섬유는
   광섬유 코어에 PbSe quantum dot 기반 액체가 주입된 광섬유인것을 특징으로 하는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치.
3. 제1항에 있어서 상기 액체 코어 광섬유는
   선형 또는 비선형 나노 파티클을 포함하는 액체가 주입된 광섬유인것을 특징으로 하는 스펙클이 없는 형광 영상장치용 광조사장치.

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