KR101134506B1

KR101134506B1 - 고분자 ｗｉｎｃ를 이용한 고해상도ｏｃｔ시스템

Info

Publication number: KR101134506B1
Application number: KR1020090091443A
Authority: KR
Inventors: 이재철; 김장환; 장경수
Original assignee: 주식회사 제씨콤
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2012-04-13
Also published as: KR20110034074A

Abstract

본 발명은 고분자 광대역 커플러(WINC: wavelength independent coupler)를 이용한 고해상도 OCT시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 종래 OCT(광결맞음 단층영상법; Optical Coherence Tomography) 시스템이 가지고 있던 측정 깊이와 분해능의 한계를 극복하여 조직이나 세포 등의 샘플 관찰시 고해상의 이미지를 구현함으로써 조직이나 세포 등의 미세한 부분까지 관찰할 수 있도록 하기 위해, 광원을 광대역으로 사용하고 원하는 파장대역을 모두 분배할 수 있는 고분자 WINC를 OCT 시스템에 적용하여서 된 고분자 WINC를 이용한 고해상도 OCT시스템에 관한 것이다.

Description

고분자 ＷＩＮＣ를 이용한 고해상도ＯＣＴ시스템{OCT SYSTEM USING HIGH MOLECULAR WINC}

본 발명은 조직이나 세포 등을 촬영하여 이미지를 제공하기 위한 OCT(광결맞음 단층영상법; Optical Coherence Tomography)(이하, 'OCT'라 약칭한다) 시스템에 고분자 광대역 커플러(WINC: Wavelength Independent Coupler)(이하, 'WINC'라 약칭한다)를 적용하여 대역폭을 늘리므로 고해상도의 이미지를 제공하는 고분자 WINC를 이용한 고해상도 OCT 시스템에 관한 것이다.

OCT는 저가간섭 간섭계(low coherence interferometry) 또는 백색광 간섭계(white-light interferometry)의 원리와 공초점 현미경 원리를 조합시켜 살아 있는 표피의 내부 미세 조직 단면을 영상화하여 볼 수 있는 고해상도의 이미징 시스템이다.

도 1은 도 1은 일반적으로 사용되는 OCT의 기본 원리를 설명하기 위한 구성도로서, 도 1을 참조하는 바와 같이, 광원(1)을 통해 나온 광은 광 분할기(beam splitter)에 의해 양분되는데, 한쪽은 대물렌드(미도시)를 통해 샘플(4)로 입사되고, 다른 한쪽은 기준 거울(reference mirror)(5)로 입사된다.

샘플(4)로 입사된 광은 샘플(4)의 조직 내부에 존재하는 세포나 상이한 조직 층 사이에 발생하는 굴절률 차이에 의해 산란이나 반사를 일으키고, 산란된 광 중에서 대물렌즈의 초점 심도 안에서 산란된 광만이 시스템으로 역입사되며, 역 입사된 광은 광분할기에 의해 기준거울에서 반사된 빛과 결합되어 검출기(detector)(6)에서 검출된다.

사용된 광원의 저가간섭성에 의해 기준 거울(5)에 의해 반사되어 나온 광과 산란광 사이에 광경로차가 가간섭거리 안에 있는 경우에는 두 광이 보강 또는 상쇄 간섭을 일으키고, 이때 기준거울(5)을 이동(scanning)하여 기준광의 광경로를 선형적으로 증가시킬 경우 샘플(4) 조직 내부의 미세구조에 의해 반사되는 광에 의한 간섭무늬를 깊이 별로 얻어낼 수 있다.

검출기(6)로 돌아온 광은 샘플(4) 내의 반사광과 기준거울(5) 위치에 따른 반사광의 광경로가 일치하였을 경우 샘플(4) 내부에 대한 각 지점의 반사계수 차이에 의해서 발생한 간섭신호세기가 발생한다. 이러한 간섭신호세기에 대하여 신호처리 기법을 적용함으로써 샘플(4) 내부의 단층영상을 얻을 수 있게 된다.

이는 근적외선 파장대의 광원의 간섭 원리를 응용하여 생체의 내부를 비접촉으로 조영하는 의료 영상 기법으로 최근 들어 해외에서 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주파수 영역 OCT 중 광원의 중심파장으로 쓰이는 것으로 주로 800nm 대역과 1300nm 대역이 있다. 여기서 1300nm 대역의 OCT는 게인 미디엄(gain medium)의 발달로 스위핑 소스(sweeping source)를 사용하는 것이 가능한 SS-OCT(sweeping source OCT)이다.

그러나 NIR(1000nm 이상) 대역에서는 픽셀수가 1000개 이상인 인듐갈륨아세나이드(InGaAs) CCD의 확보가 매우 어려우며 이에 따라 1300nm 대역의 OCT 시스템은 측정 깊이와 분해능의 향상에 제약을 받는 단점이 있으며, 이로 인해 고해상도의 이미지 구현이 어려워서 샘플 관찰시 오차를 수반하는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 광원을 광대역으로 사용하고 원하는 파장대역을 모두 분배할 수 있는 고분자 WINC를 OCT 시스템에 적용하여 종래 OCT 시스템이 가지고 있던 측정 깊이와 분해능의 한계를 극복하여 샘플 조직의 미세한 부분까지 관찰할 수 있도록 하는 고분자 WINC를 이용한 고해상도 OCT시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광원을 광대역으로 사용하고 원하는 파장대역을 모두 분배할 수 있는 고분자 WINC를 OCT 시스템에 적용하여 샘플의 측정 깊이와 분해능을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 기존의 OCT에서 문제가 되고 있는 측정 깊이 및 분해능을 향상시키기 위해 광원을 광대역으로 사용하고 원하는 파장대역을 모두 분배할 수 있는 고분자 WINC를 사용함으로써 샘플 조직의 측정 깊이와 분해능을 향상시킬 수 있게 되어 실시간으로 고해상도의 이미지를 구현할 수 있으며, 이에 따라 샘플 측정 오차를 감소시켜서 신뢰도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하며, 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 형태를 보인 예시에 불과하므로, 도면 및 이하의 설명이 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.

도 2는 OCT에서 광원의 대역폭과 깊이방향으로의 해상도(resolution) 관계를 나타낸 식과 그래프이다.

도 2를 참조하는 바와 같이 가우시안 모양의 광원에 대해 측정되는 광전류의 값은 아래의 식 1에 따라 나타난다.

[식 1]

식 1의 두 항은 빠르게 진동하는 cos항과 느리게 진동하면서 포락선을 나타내는 함수(exponential)항으로 구성되어 있다. 광원이 가우시안 모양일 경우 간섭신호에서 반치폭(Full width at half maximum, FWHM)에 해당하는 길이는

이며, 여기서

는 가우시안 광원의 표준편차이다.

광원을

의 가우시안으로 가정하면 주파수는

이고, 표준편차는

이다.

따라서

로 나타낼 수 있다. 여기서

는 광원의 중심파장이다.

이러한 관계식은 의미있는 간섭신호가 되기 위한 조건으로서 OCT 시스템이 분해 가능한 축방향의 해상도(axial resolution)를 나타낸다. 이 식에 의하면 축방향 해상도는 광원의 조건에 의존한다. 즉 중심파장이 짧고 넓은 대역폭을 가진 광원은 그 해상도가 향상된다는 것을 알 수 있다.

광원의 선택은 샘플의 조건에 따라서 바뀔수 있으며, OCT의 경우 샘플은 불투명한 생체 샘플이고 이로부터 반사되는 광은 샘플 내부에서 흡수 및 산란이 가장 적을 때 투과 깊이가 길어지고 이미지화가 가능하다.

따라서 광학적으로 인체에 가장 투명한 파장대역은 1000nm 부근이나 1000nm대역의 광원을 사용하는 경우에 널리 사용하는 파장대역이 아니므로 여러 광학부품이 이를 뒷받침하지 못하므로 시뮬레이션의 적용에 적합하지 않다.

이와 달리 1300nm의 파장은 널리 사용되는 파장대역이면서도 OCT 시스템에서의 샘플 측정시 광학적으로 우수하므로 이 대역 파장을 이용하여 하기 도 3 및 도 4와 같이 시뮬레이션하였다.

도 3은 고분자 WINC의 설계도이고, 도 4는 고분자 WINC의 실제 대역폭 측정 결과를 보인 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하는 바와 같이, 파장 무관형 커플러는 두 방향성 결합기에 위상차를 부여함으로써 결합비가 파장에 따라 증가하는 것을 억제한다.

마하젠더형 파장 무관형 커플러의 결합율에 영향을 미치는 변수는 결합 길이 L1, L2와 도파로 간의 간격이고, 경로차에 의한 간섭 효과에 의한 출력(output)의 광분기 조정은 높이(h)에 의해 결정된다.

컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 높이(h)를 변화시키면서 측정하여 전파장(1.26~1.64um)에 걸쳐 분기비가 50%로 가장 좋은 특성을 갖는 높이(h)를 찾을 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 고분자 WINC가 적용된 OCT 시스템의 구성도이다.

도 5를 참조하는 바와 같이 본 발명의 고분자 OCT 시스템은 광원(1)과, 기준거울(5) 및 검출기(6)를 포함하는데, 이에 관한 구성 및 작용 관계를 도 1을 참조하여 상세하게 설명하였고, 또한 공지된 구성이므로 이에 관한 반복 설명은 생략한다.

본 발명에 의하면 상기 광원(1)은 광대역폭의 광신호를 출력하며, 광대역 광신호는 예컨대 LED 광원, 초발광다이오드 광원 등일 수 있다.

또한, 광원(1)에서 출력한 광신호를 샘플(4)과 기준거울(5)로 각각 분기 전송하는 동시에 샘플(4)과 기준거울(5)에서 반사된 신호를 검출기(6)로 전송하기 위한 장치로서 원하는 파장대역을 모두 분배할 수 있는 고분자 광대역 커플러(WINC)가 구비된다.

상기 고분자 광대역 커플러(WINC)는, 2개의 커플러와 서큘레이터를 포함하며, 이는 도시된 바와 같이 광원(1)에서 출력된 광대역의 광신호를 조직 검사용 샘플(4)과 기준거울(5)로 각각 분기 전송하는 제1커플러(3)와, 상기 샘플(4) 및 기준거울(5)에서 각각 산란 및 반사된 광신호를 출력하는 서큘레이터(3')와, 상기 서큘레이터(3')에서 출력된 광신호를 수신하여 검출기로 전송하는 제2커플러(3")로 이루어진다.

바람직한 실시 형태로서 상기 광원(1)에서 출력된 광신호를 가우시안 형태의 스펙트럼으로 변환시키기 위해 상기 광원(1)과 제1커플러(3) 사이에 격자 형태의 광섬유로 이루어진 광필터(2)가 더 구비될 수 있다.

이러한 구성에 의한 작용을 설명하면 다음과 같다.

광원(1)에서 출력된 광대역 광신호는 광필터(2)에 의해서 가우시안 형태의 스펙트럼으로 분광하여 제1커플러(3)로 입력된다.

상기 제1커플러(3)는 입력된 광신호 중 일부를 촬영 대상물인 샘플(4) 조직으로 출력하고, 나머지는 기준미러(5)로 출력한다.

이때 샘플(4)로 입사된 광은 샘플(4)의 조직 내부에 존재하는 세포나 상이한 조직 층 사이에 발생하는 굴절률 차이에 의해 산란이나 반사를 일으키는데 산란된 광 중에서 렌즈의 초점 심도 안에서 산란된 광은 서큘레이터(3')로 입력된다.

한편, 기준거울(5)에서 반사된 광신호 역시 서큘레이터(3')로 입력되며, 양방향에서 입력된 광신호를 제2커플러(3")로 출력되어 검출기(6)로 이송된다. 이때 기준거울(5)을 이동(scanning)하여 샘플(4)의 종류에 따라 시뮬레이션 된 높이를 조절함으로써 서큘레이터(3')로 입력되는 양방향의 광신호 분기비 각각 50%로 조절하여 최적의 측정 결과를 도출할 수 있다.

도 6은 일반 OCT의 촬영 영상과 본 발명에 의한 OCT 시스템의 촬영 영상을 대비한 이미지도이다.

도 6을 참조하는 바와 같이, 일반 OCT 시스템을 통해 구현된 이미지(좌측)에 비하여 본 발명과 같이 광대역의 광신호를 사용하는 동시에 고분자 광대역 커플러(WINC)가 적용된 고분자 OCT 시스템을 통해 구현된 이미지(우측)의 해상도가 우수함을 알 수 있고, 이는 샘플 조직의 측정 깊이와 분해능을 향상시킨 결과이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 일반적으로 사용되는 OCT의 기본 원리를 설명하기 위한 구성도이다.

도 3은 고분자 WINC의 설계도이다.

도 4는 고분자 WINC의 실제 대역폭 측정 결과를 보인 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

1... 광원 2... 광필터

3... WINC 커플러 4... 샘플

5... 기준반사경

Claims

광원과, 기준거울 및 검출기를 포함하여 샘플의 조직을 촬영하여 영상 이미지를 제공하는 공지의 광결맞음 단층촬영(OCT) 시스템에 있어서,

광대역의 신호를 출력하는 광원과, 원하는 파장대역을 분배 가능하게 하는 고분자 광대역 커플러(WINC);로 이루어지되,

상기 광원과 고분자 광대역 커플러 사이에 광원에서 출력된 광신호를 가우시안 스펙트럼으로 변환하는 광필터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 고분자 WINC를 이용한 고해상도 OCT시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 고분자 광대역 커플러(WINC)는,

광원에서 출력된 광대역의 광신호를 조직 검사용 샘플과 기준거울로 각각 분기 전송하는 제1커플러와,

상기 샘플 및 기준거울에서 각각 산란 및 반사된 광신호를 출력하는 서큘레이터와,

상기 서큘레이터에서 출력된 광신호를 수신하여 검출기로 전송하는 제2커플러로 이루어진 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 고분자 WINC를 이용한 고해상도 OCT시스템.
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