KR100352689B1

KR100352689B1 - 동기 발광 시스템

Info

Publication number: KR100352689B1
Application number: KR1019970701382A
Authority: KR
Inventors: 튜안 보-딘
Original assignee: 유티-배텔, 엘엘씨
Priority date: 1994-09-02
Filing date: 1995-09-01
Publication date: 2002-12-28
Also published as: CA2230777A1; WO1996007889A1; EP0778939A4; AU3583395A; US5599717A; US5938617A; AU712172B2; EP0778939A1; KR970705748A; BR9508693A; CA2230777C; NZ293404A

Abstract

생체 조직의 상태를 결정하거나 또는 화학적으로 식별하는 방법 및 장치는 광원(22)에 샘플을 노출시키고, 그리고 동기 발광 시스템(38, 50)을 이용하여 조직상태를 분석할 수 있는 스펙트럼을 생성하는 것을 포함한다.

Description

동기 발광 시스템{ADVANCED SYNCHRONOUS LUMINESCENCE SYSTEM}

레이저 유도 형광(LIF)은 최근에 일반 생체조직으로부터 종양을 구분하기 위한 방법으로서 연구되어 왔다. LIF기술은 또한 전암상태의 변색된 손상 부분을 특징화하고 일반 결장 조직의 선종성 용종 및 증식성 용종을 구별하기 위하여 이용되었다.

그 외에 일반 비보(vivo)에서 정상 색의 조직으로부터 선종성 조직을 구분하기 위하여 LIF를 사용하는 것이 연구되었다. 이러한 연구에서, 펄스형 질소 레이저-펌프형 색 레이저 시스템(370nm)과 같은 레이저는 여기 소스로서 이용되었다. 선종에 대한 이들 기술의 진단에 대한 감도, 특이성 및 예측값은 매우 양호하게 나타났다. 작은 숫자의 증식성 용종만이 시험되었기 때문에, 결장 신생물이 신뢰할 만큼 식별되는 지는 명확하지 않은데, 이는 형광하에서 관측된 차이가 형성장애에 특유한 합성물 변화로부터 발생하는지 또는 단순히 용종 및 결장 사이의 구조적 차이로부터 발생하는지를 알지 못하기 때문이다.

LIF 기술은 또한 비트로(vitro)에서 정상 색 조직으로부터 선종을 구분하기 위하여 이용된다. 1990년 카파리아 등에 의하여 이루어진 연구에서, 내시경 검사로 절개된 용종은 연속파(cw) 헬륨-카드뮴 레이저(325nm)를 이용하여 여기되고 따라서 그 결과 이러한 내시경 검사로 절개된 용종의 형광은 광학 다중채널-분석기 시스템으로 측정된다. 이들은 이들 데이타의 스텝형 다변수 선형 복귀(MVLR)로부터 LIF 기록을 근거로 비트로에서 선종성 용종(51 의 51)이 정상 색 조식(69 의 69)으로부터 신뢰성 있게 구분될 수 있다는 것을 발견했다. 또한 16의 15 증식성 용종은 정상 색 조직 범위 내에 있고, 따라서 절개된 조직의 신생물 색을 구분할 수 있다.

1992년 스코맥커등은 또한 비신생물 조직으로부터 신생물 조직을 구분하기 위한 MVLR 분석 방법을 이용하였다. 이들 데이타는 LIF 측정은 용종에 특유한 플루오르플로르(fluorplores)의 변화보다는 용종 형태의 변화를 감지하는 것을 제안하며, 용종의 직접 구분하는 것은 이러한 형태 변화이다. 스코맥커은 LIF에 의해 증식성 세포로부터 정상 그룹을 구분하는 것은 아직 시험되지 않았다고 결정했다.

상기 예는 일부 특정 성공에도 불구하고 LIF 기술은 한계를 가진다는 것을 나타낸다. 현재 상태에서 사용된 여기 소스로서 사용된 레이저는 높은 강도를 발생할 수 있지만 여기를 위한 선택적인 도구를 제공하지 못한다.

조직 형광은 조직에서 많은 화학적 종류의 형광의 중첩으로부터 발생하는 복합 과정이다. 형광 특성 변화가 많은 연구자에 의하여 보고되었지만, 이들 변화는 확실한 진단 목적에 유용한 독특한 "스펙트럼 기호"를 제공하는 것이 곤란하다.

스펙트럼 특이성 문제 외에, 암진단을 위한 현재 수단은 심각한 한계를 가진다. 레이저 기본 LIF 장치는 고정된 여기만을 이용할 수 있는 반면, 통상적인 스펙트럼미터(비레이저 장치)는 유용한 치료를 위해 빠른 동기 발광(SL) 스캐닝 성능을 제공하지 못한다.

따라서, 선택적인 화학적 분석 및 생물의학 진단과 마찬가지로 검출을 위한 새롭고 진보된 방법 및 장치가 요구된다.

본 발명은 화학적 분석 및 생물 의학적 진단 분야에 관한 것이며, 특히 생물 의학 진단을 수행하는 동기 발광을 이용하는 것에 관한 것이다. 다색 레이저 소스 또는 음향 광학 동조가능 필터와 결합된 광원은 전용 스펙트럼 기호를 가진 샘플 발광으로부터 유도되기 위하여 이용된다.

도 1은 통상적인(즉 고정된 여기) 레이저 유도 형광 및 본 발명의 레이저 유도 동기 발광을 이용하여, 각각의 조직 성분의 형광 스펙트럼을 도시하는 그래프;

도 2는 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 제 1실시예의 계략도;

도 3은 도 2의 장치에 이용될 수 있는 레이저 염색 유니트의 계략도;

도 4는 선택적인 레이저 염색 유니트의 계략도;

도 5는 다른 선택적인 레이저 염색 유니트의 계략도;

도 6은 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 다른 실시예의 계략도;

도 7은 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도;

도 8은 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도;

도 9는 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도;

도 10은 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도;

도 11은 여러 가지 타입의 조직에 대한 동기 발광의 예를 도시하는 디스플레이;

도 12는 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도;

도 13은 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도;

도 14는 본 발명에 따라 화학적 식별 및 생물의학 식별을 만들 수 있는 장치의 바람직한 또다른 실시예의 계략도.

본 발명의 목적은 의학적 진단이 가능하도록 동기 발광을 이용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상대적으로 빠르고, 개선된 정확도 및 효율성을 가지고 화학적 식별 및/또는 의학적 진단을 할 수 있는 장치 및 방법을 제공하여, 예를 들어, 일반적인 암치료의 이해 및 종양 검출을 용이하게 하는 것이다.

이러한 본 발명의 목적은 여기 방사선에 조직 샘플을 노출시켜 방출 방사선을 발생시키는 단계, 스펙트럼을 생성하기 위하여 여기 방사선의 파장 및 방출 방사선의 파장을 동기적으로 스캐닝하는 단계 및 조직 샘플의 상태와 스펙트럼을 상관시키는 단계를 포함하는 조직 샘플 테스팅 방법을 제공함으로써 달성된다.

본 발명의 그 외의 목적, 장점 및 특성은 이하의 첨부된 도면을 참조로 설명된다.

본 발명은 동기 발광(SL) 기술의 개선된 선택성과 여기 소스에서 레이저의 높은 강도를 결합하여 화학적 및 생물의학 진단을 수행한다. SL 방법의 일반 이론은 이미 티. 보-딘에 의한 "동기 여기 스펙트럼스코프", 이.엘. 웬리(플러넘 버플릭 코포레이션, 1981)에 의하여 "현대 형광 스펙트럼스코프"에 기술되어 있으며, 이는 여기에 참고로 설명된다.

정상 조직 및 암 조직의 진단을 위한 동기 발광 방법의 원리는 도 1에 설명된다. 현재 사용되는 형광 기술의 문제중 하나는 고정된 파장 여기 소스(예를 들어, 레이저)이다.

조직으로부터의 형광은 많은 생물적 성분(예를 들어, NADH, 프로피렌, 등)으로부터 발생한다. 각각의 성분은 도 1의 영역"A"에 도시된 바와 같이 결정된 스펙트럼 범위에서 발생하는 특정 흡수 및 방출 스펙트럼을 가진다. A에 도시된 스펙트럼은 다음과 같다:

a = 트립토판

b = 교원질

c = NADH

d = FAD

e = 프로피렌

따라서, A의 각각의 커브는 악성과 같이 비정상 상태의 존재에 대한 샘플링이 될 수 있는 조직의 각각의 성분의 형광을 나타낸다. ("NADH"는 니코티아미드 아데민 디누클레오티드를 나타내고, "FAD"는 플레빈 아데닌 디누클레오티드를 나타낸다.)

종래의 레이저 유도 형광(LIF)에서, 레이저 여기 방출 라인은 고정된다(예를 들어, 질소 레이저에 대해서는 337nm; 헬륨-카드뮴 레이저에 대해서는 325nm). 고정된 레이저 라인이 이용될 때, 최적 조건하에서 모든 생물학적 성분을 여기시키는 것은 곤란하지만, 불가능한 것은 아니다. 종래 LIF의 다른 중요한 제한은 상이한 종류의 방출로부터 조직의 형광이 발생한다는 사실 때문이며, 그 결과 도 1의 영역 "B"에 도시된 바와 같이 개별 성분으로부터의 방출 사이의 스펙트럼 중첩 때문에 정확하게 분해되지 않고 특색이 없는 스펙트럼이 나타난다. LIF에 이용된 레이저는 감도만을 증가시킬 수 있지만 선택성은 향상시킬 수 없다.

본 발명의 동기 발광 기술에 의하여,λ _cm및λ _cx는 두 개의 파장 사이에 일정 간격(△λ=λ _cm-λ _cx)을 가지도록 동기적으로 스캐닝된다. 각각의 성분의 동기 발광 스펙트럼은 동기 발광 기술의 대역 좁힘 효과 때문에 더욱 날카로워지며, 따라서 샘플 조직의 형광 스펙트럼은 용이하게 식별되는 날카로운 피크를 가지도록 분해된다. 이들은 피크 a', b', c', d' 및 e'로서 도 1에 도시된다.

본 발명에 따른 레이저 유도 동기 발광(LISL)의 이용은 종양 조직 및 정상 조직에 대하여 더 양호한 스펙트럼 기호를 제공한다. 종래 LIF 스펙트럼에서 식별할 수 없는 많은 민감한 스펙트럼 특성은 본 발명의 LISL 기술에서 발견될 수 있다.

LISL 기술을 수행할 수 있는 장치(20)가 도 2에 계략적으로 도시된다. 상기 장치는 소정 파장을 가진 빔(24)을 출력하는 레이저(22)를 포함한다. 상기 레이저(20)는 예를 들어 휴대가능한 펄스형 질소 레이저일 수 있다.

출력 빔(24)은 출력 빔(24)의 파장을 변경시키는 수단(26)에 연결된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 상기 수단은 다색 모듈(MDM)(26)이다. MDM(26)의 출력은 초점 렌즈(28)을 통하여 광섬유(또는 광섬유들)(30)에 전달된다. 광섬유(30)는 예를 들어 600㎛ 직경의 석영 광섬유와 같은 단일 광섬유일 수 있거나 또는 다중 광섬유 다발이 이용될 수 있다. 이들 광섬유 또는 광섬유들은 여기 방사선을 조사될 샘플로 전송한다.

광섬유(30)는 상기 출력 빔을 샘플(34)과 병치된 프로브(32)에 전송한다. 프로브(32)는 비보에서 측정을 위한 내시경의 작동 채널로 삽입될 수 있다. 광섬유(또는 섬유들)(36)은 샘플(34)의 형광을 검출기 수단(38)에 전송한다. 검출기 수단(38)은 단색화 장치(MON)(40) 및 광멀티플라이어(PM)(42)를 포함한다. 트리거로서 작용하는 펄스 발생기(PG)를 통하여 레이저 펄스와 동기화되는 유기화차 적분기(BCI)(44)는 형광 신호를 판독하고 처리하기 위하여 이용된다. 동기 스캐닝장치(SC)(48)는 여기 방사선(λ _cx) 및 방출 방사선(λ _cm)이 일정 간격(△λ)에서 유지될 수 있도록 한다. 휴대용 컴퓨터(50) 또는 다른 적당한 데이타 수집, 분석 및/또는 디스플레이 장치는 도 1의 C 영역에 도시된 것처럼 동기 발광 스펙트럼을 발생시키기 위하여 이용될 수 있다.

또한 테스팅은 샘플(34)에서 소정 화학 성분의 존재를 확인하기 위하여 수행될 수 있다. 실험에서, 장치(20)의 시제품은 680 젭토몰(10^-21몰)의 테트라신을 검출할 수 있다.

샘플(34)의 진단은 상기 샘플의 스펙트럼을 예를 들어 건강한 조직 샘플에 대한 스펙트럼과 비교함으로써 이루어질 수 있다. 또한 컴퓨터(50)의 프로그래밍은 미리 기록된 스펙트럼 또는 베이스라인 스펙트럼과 테스트 스펙트럼을 컴퓨터에 의하여 비교함으로써 비교와 진단을 할 수 있다.

MDM(26)은λ _cx를 스캐닝하기에 적당한 파장 범위를 형성할 수 있는 장치일 수 있다. 한 예가 도 3에 도시되며, 여기서 레이저 염색 유니트(52)는 3개의 염색 세포 A, B 및 C를 포함하며, 각각은 여기 파장 범위를 형성할 수 있는 염료를 포함한다. 예를 들어, 레이저 소스가 337nm의 질소 펌프 레이저라면, 셀 A내의 염료는 350-390nm의 파장 범위를 형성하도록 선택될 수 있다. 셀 B내의 염료는 390-420nm의 파장 범위를 형성하도록 선택될 수 있으며, 셀 C내의 염료는 420-450nm의 파장 범위를 형성하도록 선택될 수 있다. 염색 세포는 석영 크벳에 장착되며, 상기 석영 크벳을 통하여 펌프 레이저 출력이 통과한다. 동기 스캐닝 시스템(48)의 모터는 염색 세포를 변화시키고 적정 스캐닝 프로그램에 따라 염색 시스템의 격자를 조정한다.

레이저 염색 유니트(54)에 대한 선택적인 실시예가 도 4에 도시된다. 유니트(54)는 각각의 광섬유(58, 60, 62)를 통하여 3개의 염색 세포(A, B, C)중 하나에 펌프 레이저 출력을 전달하는 광섬유 광멀티플라이어(MP)(56)를 포함한다.

레이저 착색 유니트(64)의 선택적인 실시예가 도 5에 도시된다. 3개의 염색 세포(A, B, C)중 하나로부터의 염료는 유동 세포(66)에 선택적으로 전달된다. 유동 제어 밸브(68, 70)는 세포(A, B, C)중 하나로부터의 염료를 전달하기 위하여 선택적으로 작동된다. 사용 후에, 염료는 적정 도관(72, 74, 76)을 통하여 세포로 복귀된다. 밸브 제어 및 펌프(도시안됨) 순환은 도 2의 컴퓨터(50)를 통하여 이루어질 수 있다.

장치(78)의 다른 실시예는 도 6에 도시된다. 장치(78)는 펄스형 빔(82)을 생성하는 레이저 소스(80)를 포함한다. 빔(82)은 다색 모듈(MDM)(84)를 통과한다. 스캐닝 레이저 여기 방사선은 초점 광학부(86) 및 광섬유(88)를 통하여 샘플(92)과 병치된 프로브(90)로 전달된다.

방출 방사선은 광섬유(94)에 의하여 픽업되고 초점 광학부(96)를 통하여 다색화 장치(PCH)(98) 및 다중채널 검출기(MD)(100)에 전달된다. 다중채널 검출기(100)는 광다이오드 어레이, 전하 결합 소자 또는 그 외의 유사한 소자일 수 있다.

동기화 소자(SD)(102)는 다중채널 검출기의 데이타 습득과λ _cx의 스캐닝을 동기화시킨다. 이러한 실시예에서, 다중 채널 검출기(100)는 도 6에 도시된 블랙박스 위에 기초한 동기 발광 신호를 생성한다. 이러한 데이타는 동기화 소자(102)를 제어하고 동기 발광 신호를 디스플레이 및/또는 저장하는 개인 컴퓨터에 의하여 수집될 수 있다. 각각의 시간 t_n에, 여기 파장λ _n이 점진적으로 변한다. 동기화 소자(102)는 방출 방사선 및 여기 방사선 사이에 일정한 간격△λ를 유지한다. 도 2의 레이저(22) 및 MDM(26) 또는 도 6의 레이저(80) 및 MDM(84)은 고체 스캐닝 레이저(예를 들어, 티타늄 사피르 레이저)에 의하여 대체될 수 있다.

도 7에 도시된 장치(104)는 광원(108)의 주파수를 스캐닝하도록 음향-광학 동조가능 필터(106)를 이용한다. 광원(108)은 광대역의 통상적인 광(예를 들어, 크세논 램프) 또는 광대역 출력(즉, 비스캐닝)을 가진 색 모듈이 장착된 레이저일 수 있다. ATOF(106)는 UV에서 광학 스펙트럼의 적외선 영역까지 동작할 수 있는 전기적으로 동조가능한 스펙트럼 대역통과 필터이다. 이는 이방성 매체를 통하여 이동하는 음향파를 가진 광의 상호작용을 통하여 동작한다. 음향 변환기는 수정의 한쪽 단부에 장착되며, 음향 흡수기는 다른 단부에 장착된다. 상기 변환기는 소정 주파수의 rf 소스(110)로부터의 고주파수 rf 신호를 압력파로 변환시키며, 상기 압력파는 소정 속도 V_a에서 수정을 통하여 측방향으로 전파한다.

수정의 대향하는 단부에서 음향 흡수기는 일차 음향파형을 변조하는 음향 반사를 제거하는 역할을 한다. 회절된 파장은 입사 k_i및 회절 k_d광자파 벡터 사이의운동 보존을 만족하도록 수정 내에서 자동으로 선택되며, 음향파 벡터 k_a는 다음과 같다.

k_d= k_i± k_a

rf 주파수 f_a를 변경함으로써 광학 동조가 이루어질 수 있으며, 상기 rf 주파수 f_a는 다음과 같이λ와 관련되며

λ=V_a(n_e- n_o) a/f_a

여기서 n_e및 n_o는 각각 과도파 및 정상파의 굴절율이며, a는 AOFF의 설계에 의존하는 파라미터이다.

음향파는 광결정 내에 전송 격자를 생성하는 수단으로서 고려될 수 있다. 입사빔의 각도를 변경하는 대신, 파장을 선택하기 위하여 정상 회절 격자에 대한 경우에, 전기 구동 신호의 주파수를 가변하여 동일한 각도에서 다른 파장의 광이 회절되도록 한다. 따라서 고정된 결정 방향 및 rf 발생기의 사용에 의하여, 동조가능 광소스가 광대역 소스(108)로부터 용이하게 생성된다.

도 7에 도시된 바와 같이, ATOF(106)의 출력은 광섬유(114)를 통하여 프로브(112)에 전달된 여기 방사선(λ _cx)이다. 방출 방사선(λ _cm)은 광섬유(118)를 통하여 제 2 ATOF(116)에 전달된다. 2개의 rf신호는 여기(λ _cx) 및 방출(λ _cm=λ _cx+△λ)스캐닝을 위하여 발생된다. 방출 ATOF의 출력은 스펙트럼 이미징을 위한 CCD 또는 PDA와 같은 광검출기 또는 적합한 다중채널 검출기(MD)(120)으로 전달된다.

도 7실시예의 변형은 도 8에 도시되며, 여기서 장치(122)는 프로브(126)에 전달된 여기 방사선(λ _cx)의 주파수를 스캐닝하는 수단을 제공하는 단일 ATOF(124)를 포함한다. 방출 방사선(λ _cm)은 ATOF(124)의 결정을 통과하는 여기 경로에 대하여 적정 각도θ에서 ATOF(124)를 통하여 복귀한다. ATOF의 결정은 TeO₂또는 다른 적당한 성질을 가진 재료로 만들어진다. 각도θ는λ _cm=λ _cx+△λ이 되도록 선택된다. 따라서, 도 8의 실시예에서, ATOF(124)는 여기 및 방출을 위하여 이용된다. 방출 및 여기에 대하여 다른 회절각도를 선택함으로써, 방출에 대하여 다른 회절 가도를 이용하여 여기에 대하여 (rf₁에 대하여)λ ₁을 선택하며 방출에 대하여λ ₁+△λ를 선택한다. 도 7의 실시예에서처럼, 단일 채널 검출기 또는 다중채널 검출기(MD)(128)는 방출 신호를 수신하기 위하여 이용된다.

도 9의 실시예에서, 장치(130)는 광원(134)의 파장을 스캐닝하는 단일 ATOF(132)를 이용한다. rf 소스는 두 개의 rf 신호를 선택적으로 ATOF(132)로 보낸다.

핑 및 게이팅 검출에 의하여, ATOF(132)는 선택적으로 여기 및 방출 방사선을 전송할 수 있다. 이전 실시예서와 마찬가지로, 프로브(136)는 관련된 테스트 샘플과 병치되며, 방출 방사선은 CCD와 같은 다중채널 검출기(138)에 의하여 검출된다.

도 10의 실시예에서, 장치(140)는 2개의 동시 출력(rf₁및 rf₂)을 제공하는rf소스를 가진 단일 ATOF(142)를 이용한다. rf₁신호는 여기 방사선(λ ₁)을 생성하고 rf₂는 방출 방사선(λ ₂=λ ₁+△λ)을 발생한다. 광원(144) 및 MD(146)는 이전 실시예에서처럼 제공된다. 회절빔의 강도는 ATOF(142)의 결정에 가해진 rf전력의 진폭 또는 크기를 가변하여 제어된다. 이러한 방법은 또한 록인 검출 기술에 대하여 필터링된 소스를 빠르게 변조 또는

핑하기 위하여 이용될 수 있다. ATOF 실시예의 다른 변헝은 광학 동조를 위하여 격자 대신 레이저 염료 소자와 ATOF의 통합을 포함한다. 또한, ATOF 소자는 도 6의 실시예에서처럼 두 개의 치수(SL) 이미징 스펙트럼을 검출하기 위하여 광멀티플라이어 대신 다중채널 검출기(PDA, CCD)에 통합될 수 있다.

본 발명은 암 종양 진단에 유용하다. 이는 종래 고정된 여기 레이저 유도 형광 기술보다 나은 선택성을 제공한다. 정상 및 암 조직의 스펙트럼 기호의 미세한 차이는 보다 용이하게 검출될 수 있다. 본 발명은 개선된 동기 스캐닝 선택성, 높은 레이저 여기 강도 및 고속 AOTF 스캐닝을 통합한다.

여기에 기술된 여러 가지 실시예는 상업적으로 이용가능한 부품으로부터 조립될 수 있다. 예를 들어, 도 2에서, 레이저(22)는 매샤추세츠(미국) 뉴톤 레이저 사이언스의 모델 VSL-337 및 VSL-DYE로서 이용가능한 소형 질소/염색 레이저 시스템일 수 있다. 형광 방사선을 모으기 위하여 이용된 단색화 장치(38)는 뉴저지(미국)의 에디슨 ISA에 의하여 제작된 10 cm 초점 길이 모델 H-10 단색화 장치일 수 있다. 검출기(42)는 하마마트스 모델 R760 광멀티플라이어일 수 있다.

일부 실험에서 이용된 동조가능 레이저 출력의 펄스 에너지는 실험에서 이용된 파장 범위에 걸쳐 5-10

/펄스이다. 스텝퍼 모터는 색 모듈(26) 및 매사추세츠(미국) 코포레이션 오브 타우톤의 ADC카드로부터의 디지탈(TTL) 출력펄스를 이용한 단색화 장치(38)를 구동하기 위하여 이용된다. 광멀티플라이어(38)의 신호는 바람직하게 유개화차 적분기(44)에 입력되기 전에, 스탠포드 리서치 시스템 모델 SR445, DC-300MHz와 같은 고속 전치 증폭기로 증폭된다.

도 2 장치를 이용하여 수행된 실험에서, 스캔 속도는 10nm/s이다. 레이저 복사 속도는 15Hz이며 유개화차에서 시간 상수는 0.2초(3펄스 평균). 스캐닝 후에, 모든 스펙트럼은 2차 사비트즈키-골레이 37 포인트-스크싱 알고리즘을 이용하여 평탄화된다. 도 11은 본 발명의 장치에 연결된 컴퓨터에 의하여 발생된 디스플레이이며, 이는 여러 가지 종류의 조직의 동기 발광 스펙트럼을 도시한다. 도 11의 디스플레이에 대하여, 10nm의 여기 및 방출 사이의 파장 차이가 이용된다.

도 11에 디스플레이된 결과는 조직을 특성화하기 위하여 동기 발광(SL) 신호의 상이한 스펙트럼 특성을 이용하는 것이 가능하다는 것을 나타낸다. 실시예는 조직 샘플의 분해가 균일하다는 것을 보여주지만, 유사한 측정 방법이 또한 비보에서 조직 샘플 위에 직접적으로 이용될 수 있다.

정상 및 암 조직은 SL 신호에 의하여 더욱 구분될 수 있다. 여기서 설명된 기술 및 장치는 예를 들어 피부, 결장, 위, 경부암 등을 포함하여 여러 가지 응용에 이용될 수 있다.

또한 여기서 설명된 ATOF 실시예는 상업적으로 구입할 수 있는 부품으로부터조립될 수 있다. 도 12의 실시예에서, 장치(148)는 헬륨-카드뮴 레이저(150)(옴니크롬 모델 3074-6)을 포함하며, 상기 레이저의 출력은 실리카 클로드-실리카 코어 광섬유(152)에 전달된다. 광섬유(152)의 말단 단부로부터 방출된 레이저 방사선은 석영 렌즈(156)에 의하여 샘플 용액을 포함하는 석영 코벳샘플(154) 또는 샘플(조직)과 같은 샘플(154)위에 초점이 모아진다.

샘플로부터의 발광 신호는 여기빔에 대하여 직각으로 모아진다. 한쌍의 석영 렌즈(158, 166)(F/4)은 대략적으로 조준된 빔을 형성하기 위하여 이용된다. 글렌-테일러(편광) 프리즘(162)은 ATOF(164)(브림로스 모델 QZAF-.25-.65)로 선형 편광된 광만을 허용한다. 프리즘(162)의 편광각도는 ATOF(164)의 평광축과 정렬된다.

제 2글렌-테일러 프리즘(166)은 제 1프리즘(162)에 대하여 수직으로 향하여 비회절광을 차단한다. 석영 렌즈(168)는 광멀티플라이어(PM) 튜브(170)(하마마트수 모델 R928)위에 필터링된 광의 초점을 형성한다.

ATOF(166)은 250-650nm의 동작 스펙트럼 범위를 가질 수 있다. 스펙트럼 분해도는 0.9nm이며 회절 효율은 400nm에서 25%이다. ATOF에 인가된 고주파수 제어신호는16비트 컴퓨터 제어기 보드를 이용하여 도스형 컴퓨터(172)에 의하여 제어된다.

PM튜브(170)의 신호는 아날로그에서 디지탈로 변화되고 다음에 여러 가지 스캔 모드에 대하여 ATOF를 제어하도록 프로그램된 컴퓨터(172)에 의하여 처리된다. 실시간 데이타 디스플레이 모드가 또한 상기 프로그램에 결합될 수 있다.

도 13에서 레이저는 제 2 ATOF 가 장착된 광대역 광원에 의하여 대체된다.방출 및 여기 ATOF는 동기적으로 스캐닝될 수 있다.

하나 또는 그 이상의 ATOF를 이용하는 실시예에서 광섬유의 사용은 제거될 수 있다. 도 13의 실시예에 도시된 바와 같이, 장치(174)는 장원(176) 및 여기 방사선 ATOF(178)을 포함한다. 분석될 표면(180)은 조준 광학부(182)를 통과한 후에 스캐닝 여기 방사선을 수신한다. 방출 방사선은 조준 광학부(184)를 통과하고 다음에 방출 ATOF(186), 그 다음에 이차원 검출기(2D)(188)로 전달된다. 이들 신호는 다음에 컴퓨터(190)에 의하여 스펙트럼으로 변조되고, 상기 컴퓨터 역시 두 개의 ATOF(178, 186)의 스캐닝을 제어한다. 각각의 표면의 포인트는 동기 발광 스펙트럼을 가진다. 이러한 실시예에서, 광원은 특정 포인트가 아닌 관련 영역을 조사하기 위하여 만들어진다. 따라서, 장치의 종류는 샘플 조직의 넓은 영역을 진단하기 위하여 이용될 수 있는데, 이는 광원에 의하여 CCD 검출 시스템의 관측 필드 하에서 조사된 영역 상의 모든 포인트의 전체 동기 발광 스펙트럼의 집합을 허용하기 때문이다.

광섬유가 도 13 실시예에 이용되지 않는 동안, 간섭성 광섬유 다발은 검출 프로세서에서 이미지의 개개의 화소를 전송하기 위하여 이용될 수 있다.

도 14의 실시예는 고압 크세논 램프와 같은 연속 광원(190)을 포함한다. 램프 출력은 한쌍의 석영 렌즈(192)를 통과하며, 상기 석영 렌즈는 대략적으로 조준된 빔을 형성한다. 글렌-테일러(편광) 프리즘(194)은 ATOF(196)으로 선형으로 편광된 광만을 통과하도록 하기 위하여 이용된다.

ATOF(196)의 출력은 제 2프리즘(198)을 통과하여 조직 샘플 상의 한포인트(202)에 렌즈(200)에 의하여 초점이 형성된다. 석영 렌즈(204)의 제 2쌍은 다른 편광 프리즘(206)을 통과하는 대략 조준된 빔을 형성한다. 포인트(202)에서 샘플의 방출 방사선은 제 2 ATOF(208)에 의하여 스캐닝된다.

프리즘(210)은 프리즘(206)에 대하여 수직으로 향하여 비회절광을 차단한다. 렌즈(212)는 광멀티플라이어 튜브(PM)(214) 위에 필터링된 광의 초점을 형성하도록 배치된다. 동기 발광 스펙트럼이 생성되어 데이타 획득 능력을 가진 개인 컴퓨터와 같은 적당한 분석기에 광멀티플라이어의 출력을 연결함으로써 분석된다.

바람직한 실시예가 본 발명을 설명하기 위하여 선택되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알 것이다.

Claims

조직 샘플을 테스팅하는 방법에 있어서,

여기 방사선에 조직 샘플을 노출시키는 단계와 방출 방사선을 발생시키는 단계;

스펙트럼을 생성하기 위하여 여기 방사선의 파장 및 방출 방사선의 파장을 동기적으로 스캐닝하는 단계; 및

조직 샘플의 상태와 스펙트럼을 상관시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 1항에 있어서,

상기 노출시키는 단계는 적어도 하나의 광섬유를 통하여 레이저 광원으로부터 조직 샘플로 출력빔을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 2항에 있어서,

조직 샘플 다음에 비보에 배치된 프로브로 레이저 광원의 출력을 전달하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 1항에 있어서,

상기 동기적으로 스캐닝하는 단계는 동기적으로 스캐닝하는 동안 여기 방사선의 파장 및 방출 방사선의 파장 사이에 일정한 간격을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 2항에 있어서, 상기 스캐닝하는 단계는 다수의 염료를 가진 색 모듈을 통하여 레이저 광원의 출력빔을 전달하는 단계 및 여기 파장의 범위를 얻기 위하여 염료를 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 2항에 있어서,

상기 스캐닝하는 단계는 염료 용기를 통하여 레이저 광원의 출력빔을 전달하는 단계 및 여기 파장의 범위를 얻기 위하여 염료 용기로 다수의 염료를 선택적으로 이동시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 1항에 있어서,

상기 동기적으로 스캐닝하는 단계는 제 1음향-광 동조가능 필터로 여기 방사선을 전달하는 단계 및 여기 파장의 범위를 얻기 위하여 제 1필터의 입력 고주파수를 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 7항에 있어서,

상기 동기적으로 스캐닝하는 단계는 제 2음향-광 동조가능 필터로 방출 방사선을 전달하는 단계 및 방출 파장의 범위를 얻기 위하여 제 2필터의 입력 고주파수를 변경시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 7항에 있어서,

상기 동기적으로 스캐닝하는 단계는 여기 방사선에 대한 소정 각도에서 제 1 필터로 방출 방사선을 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
제 7항에 있어서,

상기 동기적으로 스캐닝하는 단계는 상기 제 1필터로 방출 방사선을 전달하는 단계, 상기 제 1펄터를 통하여 여기 및 방출 방사선을 선택적으로 통과시키기 위하여 상기 제 1필터에 2개의 고주파수 신호를 선택적으로 제공하는 단계 및 상기 제 1필터가 여기 방사선을 전송하지 않을 때 방출 방사선을 선택적으로 검출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 방법.
조직 샘플을 테스팅하는 장치에 있어서,

방출 방사선을 발생시키도록 여기 방사선에 조직 샘플을 노출시키는 수단;

스펙트럼을 생성하기 위하여 여기 방사선의 파장 및 방출 방사선의 파장을 동기적으로 스캐닝하는 수단; 및

조직 샘플의 상태와 스펙트럼을 상관시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 11항에 있어서,

상기 노출시키는 수단은 빔을 출력하는 레이저이며, 상기 동기적으로 스캐닝하는 수단은 다수의 염료를 가진 다색 모듈을 포함하며, 상기 다수의 염료 각각은 특정 범위에서 레이저빔의 파장을 변경시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 11항에 있어서,

상기 노출시키는 수단은 빔을 출력하는 레이저이며, 상기 동기적으로 스캐닝하는 수단은 동기적으로 스캐닝하는 동안 여기 방사선의 파장 및 방출 방사선의 파장 사이에 일정한 간격을 유지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 11항에 있어서,

상기 노출시키는 수단은 빔을 출력하는 레이저 소스이며, 상기 스캐닝하는 수단은 다수의 염료를 가진 색 모듈을 통하여 레이저 소스의 출력빔을 전달하는 단계 및 여기 파장의 범위를 얻기 위하여 상기 염료를 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 11항에 있어서,

상기 노출시키는 수단은 광원을 포함하며, 상기 스캐닝하는 단계는 여기 파장의 범위를 얻기 위하여 선택된 가변 입력 고주파수를 가진 제 1음향-광 동조가능 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 15항에 있어서,

상기 동기적으로 스캐닝하는 수단은 방출 파장의 범위를 얻기 위하여 선택된 가변 입력 고주파수를 가진 제 2음향-광 동조가능 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
조직 샘플을 테스팅하는 장치에 있어서,

여기광을 생성하는 광원;

여기광을 수신하고 소정 범위 내에서 여기광의 파장을 스캐닝하는 제 1음향-광 동조가능 필터;

스캐닝된 여기광을 수신하여 이를 목표 조직 샘플에 초점을 맞추는 제 1초점 렌즈;

다수의 파장을 가진 방출광을 발생시키는 목표 조직 샘플;

방출광을 수신하고 스캐닝된 여기광과 동조적으로 소정 범위 내에서 소정 범위 내에서 방출장의 파장을 스캐닝하는 제 1음향-광 동조가능 필터; 및

동기적으로 스캐닝된 여기광 및 방출광을 검출하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 17항에 있어서,

시준된 광빔을 생성하기 위하여 광원 및 제 1필터 사이에 배치된 제 1시준기 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 18항에 있어서,

상기 제 1시준기 수단은 제 1쌍의 시준 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 18항에 있어서,

선형으로 편광된 광만을 제 1필터로 통과시키기 위하여 상기 제 1시준기 수단 및 제 1필터 사이에 배치된 제 1편광 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 20항에 있어서,

상기 제 1편광 수단은 제 1프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 21항에 있어서,

비편광된 광을 차단하기 위하여 상기 제 1필터 및 제 1초점 렌즈 사이에 배치된 제 2편광 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 22항에 있어서,

상기 제 2 편팡 수단은 상기 제 1프리즘에 대하여 수직방향으로 제 2프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 23항에 있어서,

시준된 광빔을 생성하기 위하여 제 1초점 렌즈 및 제 2필터 사이에 배치된 제 2시준기 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 24항에 있어서,

상기 제 2시준기 수단은 제 2쌍의 시준 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 24항에 있어서,

선형으로 편광된 광만을 제 2필터로 통과시키기 위하여 상기 제 2시준기 수단 및 제 2필터 사이에 배치된 제 3편광 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.
제 26항에 있어서,

비편광된 광을 차단하기 위하여 상기 제 2필터 및 검출기 수단 사이에 배치된 제 4편광 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 샘플 테스팅 장치.