KR101466749B1

KR101466749B1 - 광원 장치 및 이를 이용한 광 영상 진단 장치

Info

Publication number: KR101466749B1
Application number: KR1020130013819A
Authority: KR
Inventors: 박기환
Original assignee: 세종대학교산학협력단
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-11-28
Also published as: KR20140100730A

Abstract

광 영상 진단기기의 광원 장치는, 단일 파장의 광펄스를 출력하는 링 레이저 및 상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 디지털 신호 생성부를 포함한다.
또한, 광 영상 진단 장치는, 단일 파장의 광신호를 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 광원, 상기 광원에서 출력된 광을 기준 미러 및 대상체에 각각 출력하고, 상기 기준 미러 및 대상체에서 반사된 광으로부터 간섭광을 획득하는 광 간섭계 및 상기 대상체에서 반사된 각 파장의 광펄스 신호에 기초하여 이미지를 생성하는 광신호 처리부를 포함한다.

Description

광원 장치 및 이를 이용한 광 영상 진단 장치{LIGHT SOURCE AND OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 다파장 디지털 광신호를 출력하는 광원 장치 및 이를 이용하는 광 영상 진단 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 의료 분야 등에 첨단 의료 기기를 이용한 다양한 진단 방법 또는 수술 방법 등이 개발되고 있고, 이를 통해 의료 서비스의 품질도 더욱 향상되고 있다. 첨단 의료 기기 중에서도 영상 진단 기기분야에 대한 연구 개발이 매우 활발히 진행되고 있으며, 특히 컴퓨팅 기술, 영상 처리 기술, 통신 기술 등 다양한 정보 통신 기술이 비약적으로 발전함에 따라 영상 진단 기기의 성능도 날로 진보하고 있다.

현재, 영상 진단 기기로는 X 선 촬영 기기, 전산화 단층 촬영기(CT), 자기공명 영상 진단기(MRI), 초음파 영상 진단기(USS) 등이 개발되어 있는 상태이다. 그러나, 이러한 기기들은 장비의 크기가 매우 커서 이동성이 거의 없고, 고가이며, 방사능 유출과 같은 부수적인 단점도 가진다. 또한, 수백 마이크론 정도의 낮은 분해능을 갖기 때문에, 조직의 구조를 명확히 파악하기 어렵고, 매우 주의 깊은 판독이 요구된다.

한편, 1990년대에 들어 제시된 광 영상 진단 장치(OCT, Optical Coherence Tomography) 는 광을 대상체에 스캔하고, 대상체로 반사된 광으로부터 이미지를 생성한다. 이와 같이, 광 영상 진단 장치는 생체의 절개 없이 이미지를 획득할 수 있는 생체 진단기술로서, 현미경에 버금가는 해상도로 세포단위의 미세구조에 대하여 실시간으로 영상 획득을 가능하게 한다. 또한, 광 영상 진단 장치는 기존의 CT, MRI, PET 등과 비교하여 소형으로 구현할 수 있고, 제작 비용도 저렴한 편이고, 인체에 해가 없으며, 레이저의 선택에 따라 서브 마이크로(sub micro)급 고분해능 영상을 얻을 수 있다. 또한, 특정의 파장을 이용하면 화학적 구성 성분의 분석에도 이용이 가능하다는 장점을 가지고 있어, 미래의 생체 진단 기술로 관심을 끌고 있다.

이러한, 광 영상 진단 장치의 성능을 보장하기 위한 필요조건으로는 고속의 파장 주사 반복율, 넓은 주사 파장 대역폭, 높은 광파워, 극초단 펄스 광원 등을 들 수 있다. 다만, 현재까지의 연구 결과에 비추어 보면, 연속파를 반복적으로 생체 샘플에 주사하여 영상을 획득하고 있는데, 연속파의 증폭한계와 강한 연속파가 생체 조직에 끼치는 치명적 영향 때문에 높은 광 파워를 얻을 수 없고, 따라서 생체의 깊은 조직 까지는 촬영하기 어려운 상태이다. 현재까지 알려진 촬영 가능한 생체 조직의 깊이는 2~3 mm 정도이다. 또한, 낮은 주사 반복율의 한계는 실시간의 영상획득을 불가능하게 하여 연속파에 섞여 있는 잡음은 영상기기의 분해능을 감소시킨다.

본원 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 광원 장치를 제안하고, 이를 이용하는 광 영상 진단 장치를 제공한다.

이와 관련하여, 대한민국 공개 특허(제 2009-0104224, 발명의 명칭: 다파장 형광분광 및 간섭영상을 융합한 다중모드 조기 암진단 시스템 및 그 방법 )명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예에 따른 암 진단 시스템은 기 설정된 다파장의 여기 광을 생성하여 암 진단 조직으로 전달하고, 상기 암 진단 조직으로부터 출력되는 상기 여기 광에 대한 형광신호를 파장별로 분광하여 상기 형광신호의 분광 스펙트럼을 표시하는 표시부로 출력하는 형광분광 측정부, 광간섭 영상용 광을 생성하여 상기 암 진단 조직으로 전달하고, 상기 암 진단 조직에 대한 광간섭 영상을 검출하여 상기 광간섭 영상을 표시하는 상기 표시부로 출력하는 광간섭 영상 측정부 및 상기 다파장의 여기 광 및 상기 광간섭 영상용 광 중 어느 하나를 수신하여 상기 암진단 조직으로 전달하고, 상기 암 진단 조직으로부터 상기 여기 광에 대한 형광신호를 수신하여 상기 형광분광 측정부로 출력하며, 상기 암 진단 조직으로부터 상기 광간섭 영상용 광에 대한 광간섭 신호를 수신하여 상기 광간섭 영상 측정부로 출력하는 광 프루브를 포함한다.

전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 다파장 디지털 광신호를 출력할 수 있는 광 영상 진단 장치용 광원 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이러한 광원을 포함하는 디지털 광 영상 진단 장치(DOCT, Digital Optical Coherence Tomography)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 광 영상 진단기기의 광원 장치는, 단일 파장의 광펄스를 출력하는 링 레이저 및 상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 디지털 신호 생성부를 포함한다.

또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 광 영상 진단 장치는, 단일 파장의 광신호 를 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 광원, 상기 광원에서 출력된 광을 기준 미러 및 대상체에 각각 출력하고, 상기 기준 미러 및 대상체에서 반사된 광으로부터 간섭광을 획득하는 광 간섭계 및 상기 대상체에서 반사된 각 파장의 광펄스 신호에 기초하여 이미지를 생성하는 광신호 처리부를 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 광 영상 진단 장치를 위한 광원으로서 다파장 디지털 광신호를 사용할 수 있다. 이에 따라, 디지털 신호의 순간 피크치는 연속파 광 파워의 1000 배 이상도 가능하면서도, 평균 광파워는 낮기 때문에, 생체조직에 손상을 주지 않으며, 본 기술 분야의 오랜 연구과제인 비교적 깊은 곳에 위치한 생체 조직에 대해서도 영상 촬영이 가능하다.

또한, 종래 OCT 기술에 있어서 실시간 영상 획득의 제한을 초래하는 OCT의 낮은 주사 반복율을 1000배 이상 개선할 수 있어, 실시간 영상 진료를 가능하게 한다.

또한, 주사파장의 대역폭을 확장하는 효과를 가져오므로, 나노 단위의 분해능을 기대할 수 있다.

도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 광 영상 진단 장치를 도시한 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본원 발명의 일 실시예에 따른 광원 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 펄스 제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본원 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 생성의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본원 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 생성의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본원 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 생성부의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본원 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계를 도시한 도면이다.
도 8은 본원 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본원 발명의 일 실시예에 따른 광 영상 진단 장치를 도시한 도면이다.

광 영상 진단 장치(10)는 광원(100), 광 간섭계(200) 및 광신호 처리부(300)를 포함한다. 광원(100)은 광펄스를 생성하는 링 레이저(110)와 광펄스에 기초하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 디지털 신호 생성부(120)를 포함한다. 도면을 통해, 광원(100)의 구체적인 구성을 살펴보기로 한다.

도 2a 및 2b는 본원 발명의 일 실시예에 따른 광원 장치를 도시한 도면이다.

광원(100)의 링 레이저(110)는 시간 축에서 광펄스의 점유시간이 펨토초 단위인 광신호를 생성하고, 광펄스의 주기를 가변한다. 링 레이저(110)는 광섬유를 이용하여 링(ring)을 구성하고, 펌핑광을 링 내부로 입사시켜 단일 파장의 광펄스를 출력한다. 이때, 광섬유로는 홀리 파이버(holly fiber), 비선형 계수를 크게 한 특수 단일 모드 광섬유(SMF) 등 비선형 특성이 큰 광섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 펌핑광으로는 980nm의 광 연속파를 사용할 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 도 2a에 도시된 광원 장치와 도 2b에 도시된 광원 장치는 펄스 제어부(117)의 구성에 차이점이 있다.

링 레이저(110)를 구성하는 광섬유의 종류와 캐비티(cavity)의 길이는 출력 광신호의 반치폭(FWHM, full width at half maximum)을 결정하는 요소일 뿐만 아니라, 광펄스 주기를 결정한다. 이렇게 결정된 광펄스 주기는 샘플영상의 속도를 좌우하는 중요한 요소이다. 그러나, 현실적으로 하나의 파장으로 구현할 수 없는 펨토초 단위의 광신호는 복수 개의 파장 성분을 포함하고 있어, 광신호가 광섬유 내를 통과할 때, 각 파장의 전파속도의 차이로 인하여 발생하는 신호 형태의 왜곡 현상, 즉 분산에 매우 취약하다. 따라서, 가능한 스펙트럼 선폭(spectral linewidth)이 좁은 광원의 개발이 필요한 상태이다.

링 레이저(110)는 제 1 광 커플러(111), 어븀 광섬유(112), 필터(113), 아이솔레이터(114), 제 2 광 커플러(115) 및 제 3 광 커플러(116)를 포함한다.

제 1 광 커플러(111)는 펌핑광을 링 레이저 내부로 결합시킨다. 제 1 광 커플러(111)를 통해 입사된 펌핑광은 어븀 광섬유(112)를 통과하면서 각 에너지 레벨의 캐리어가 여기되고, 여기된 캐리어의 천이에 의해 생성된 여러 파장대의 광신호가 증폭된다.

필터(113)는 증폭된 광신호에서 기준 파장보다 파장이 길거나, 짧은 성분을 제거하고, 기준 파장에 해당하는 성분을 출력한다. 예를 들면, 대역 통과 필터가 필터(113)로 사용될 수 있다.

아이솔레이터(114)는 링 레이저(110)내부의 광을 단일 방향으로 진행시켜 역방향 신호를 차단시키고, 광이 링 내부를 회전하도록 한다. 한편, 아이솔레이터(114)는 필터(113)의 후단에 접속된 것으로 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

제 2 광 커플러(115)는 광을 분기시켜, 광의 일부를 링의 외부로 출력한다. 예를 들면, 아이솔레이터(114)를 통과한 광의 90%는 링 내부에서 진행하도록 하고, 나머지 10%의 광은 제 2 광 커플러(115)를 통해 링의 외부로 출력되도록 한다. 이때, 광의 분기 비율은 사용자의 선택에 따라 변경 가능하다.

제 2 광 커플러(115)를 통해 외부로 출력된 광의 일부는 제 3 광 커플러(116)를 통해 모니터링 장치로 입력되고, 나머지 광은 디지털 신호 생성부(120)로 입력된다. 모니터링 장치에 입사된 광의 상태 정보를 기초로, 전체 광원의 동작이 제어될 수 있다.

펄스 제어부(117)는 제 2 광 커플러(115)에 의하여 링 내부를 진행하는 광 펄스의 주기를 조절하거나, 링에서 출력된 광 펄스의 주기를 조절한다. 즉, 도 2a에 도시된 펄스 제어부(117)는 링 내부를 진행하는 광 펄스의 주기를 조절하되, 예를 들면, 온도 조절기를 통해 광섬유의 길이, 굴절률을 조절함으로써 광 펄스의 주기를 조절한다. 또는, 피에조(piezo) 효과(또는 압전 효과)를 이용하여 광 펄스의 주기를 조절한다.

한편, 도 2b에 도시된 펄스 제어부(117’)는 링에서 출력된 광 펄스의 주기를 조절한다. 이를 위해, 광 펄스의 주기를 지연시키는 지연 소자를 이용한다. 도면을 통해 펄스 제어부(117’)의 상세 구성을 살펴보기로 한다.

도 3은 본원 발명의 일 실시예에 따른 펄스 제어부의 상세 구성을 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 펄스 제어부(117’)는 광 분파기(310), 복수의 지연 소자(320, 322, 324) 및 광 결합기(330)를 포함한다.

광 분파기(310)는 제 2 광 커플러(115)를 통해 링 외부로 출력된 광 펄스를 분할하여 복수의 광 펄스를 생성하고, 이를 각 지연 소자(320~324)로 전달한다. 예를 들어, 지연 소자가 n-1개 결합된 경우라면, 광 펄스는 n개로 분할되어 전달된다. 아울러, 광 펄스가 n개로 분할되면, 각 광 펄스의 피크 파워는 1/n로 축소된다.

각 지연 소자(320~324)는 광 분파기(310)의 출력단에 각각 결합되어 분할된 광의 펄스를 각각 지연시킨다. 지연 소자(320~324)는 서로 상이한 지연 시간을 갖도록 구성된 것으로, 예를 들면 지연 소자의 길이에 따라 지연 시간이 상이해지도록 한다. 예를 들면, 제 1 지연 소자(320)는 1psec만큼 광 펄스를 지연시키고, 제 2 지연 소자(322)는 5psec 만큼 광 펄스를 지연시키도록 구성될 수 있다.

광 결합기(330)는 각 지연 소자를 통과한 광 펄스를 다중화시킨다. 이때, 각 지연 소자를 통해 지연된 값에 따라 광 펄스의 주기가 제어된다. 예를 들어, 광 분파기(310)로 입력되기 전의 광 펄스의 출력 주기가 10psec 이고, 제 1 지연 소자(320)의 지연 시간은 0 이고, 제 2 지연 소자(322)의 지연 시간이 5psec 이라고 가정한다. 광 결합기(330)는 제 1 지연 소자(320)를 통과한 광 펄스의 출력 주기는 변함이 없고, 제 2 지연 소자(322)를 통과한 광 펄스는 5psec 만큼 출력주기가 지연되므로, 이 두 신호를 다중화시키면 광 펄스의 출력주기가 5psec 인 신호가 출력될 수 있다. 이와 같은, 구성에 따라 펄스 제어부(117’)로 입력되기 전 광 펄스의 주기를 조절할 수 있다.

한편, 이와 같은 펄스 제어부(117’)는 PLC(Planar Lightwave Circuit) 기법을 통해 구현할 수 있다.

종래 아날로그 광신호의 경우 스윕 형태로 광신호를 주사하기 때문에, 광펄스의 가변자체가 필요하지 않으며, 가능하지도 않다. 그러나, 본원 발명에서는 디지털 방식의 광신호이기 때문에 광 펄스의 주기를 가변할 수 있다. 한편, 광 펄스의 가변율은 스캔속도의 가변뿐만 아니라, 한 지점의 반복 주사 횟수를 결정할 수 있으므로, 해상도의 변화를 가져올 수 있다.

다시 도 2a 및 2b를 참조하면, 흡수체(118)는 광파워의 포화를 방지하기 위한 것으로, 회복시간이 1 피코(pico)초 이하인 탄소코팅의 CNT(carbon nanotube) 또는 그래핀(graphene)등을 사용할 수 있다.

이와 같은 구성의 링 레이저(110) 내부의 광신호는 링 내부를 반복적으로 진행하면서 광신호들의 결맞음이 최대가 되는 공진시에 최대 광신호가 제 2 광 커플러(115)를 통해 반복적으로 출력된다. 이러한 결맞음의 주기는 링 레이저(110)에서 출력된 광신호의 주기를 결정한다.

링 레이저(110)에서 출력된 광신호는 디지털 신호 생성부(120)의 광 증폭기(121)에 의하여 증폭되고, 디지털 신호 생성을 위하여 스펙트럼 확장 광섬유(123) 및 다파장 디지털 신호 생성부(125)를 거치게 된다.

도면을 통해 디지털 신호 생성부(120)의 구성을 살펴보기로 한다.

도 4와 도 5는 본원 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 생성의 개념을 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본원 발명의 일 실시예에 따른 디지털 신호 생성부의 구성을 도시한 도면이다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 디지털 신호 생성부(120)는 링 레이저(110)로부터 수신한 단일 파장의 광펄스(λ0)를 다 파장의 광펄스(λ1, ~ λn)로 변환한다. 이와 같이 생성된 디지털 신호의 순간 피크치는 연속파 광 파워의 1000 배 이상도 가능하면서, 평균 광파워는 낮기 때문에, 생체조직에 손상을 주지 않으며, 본 기술 분야의 오랜 연구과제인 비교적 깊은 곳에 위치한 생체 조직에 대해서도 영상 촬영이 가능하다.

디지털 신호 생성부(120)를 통해 생성된 디지털 신호는 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 동일 시점에 복수의 파장이 병렬 형태로 출력될 수 있다. 즉, 종전의 방식(OCT)에서는 각각의 파장이 순차적으로 출력되지만, 본 발명의 방식(DOCT)에서는 서로 다른 파장이 동일 시점에 출력될 수 있다.

또한, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 복수의 파장이 직/병렬 형태로 출력될 수 있다. 즉, 일부 파장(λ1, λ2)은 동일한 시점에 병렬 형태로 출력되면서, 다른 파장(λ1, λn-1)은 시간적으로 상이한 시점에 직렬 형태로 출력될 수 있다.

도 6을 참조하면, 디지털 신호 생성부(120)는 광 증폭기(121), 스펙트럼 확장 광섬유(123), 광 파장 분리기(126) 및 광 결합기(127)를 포함한다.

광 증폭기(121)는 링 레이저(110)에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 증폭한다. 예를 들면, EDFA(Erbium Doped Fiber Amplifier)와 같은 증폭기가 사용될 수 있다.

스펙트럼 확장 광섬유(123)는 증폭된 광신호의 스펙트럼을 확장시킨다. 예를 들면, DFF(Dispersion Flatted Fiber), 홀리 파이버(holly fiber), 단일 모드 광섬유(SMF) 등 비선형 특성이 큰 광섬유가 사용될 수 있다. 스펙트럼 확장 광섬유(123)를 통과한 광신호는 기준 파장(λ0)을 중심으로 다양한 파장(λ1, ~ λn)의 광신호를 포함하는 초연속(supercontinuum) 상태를 가질 수 있다.

광 파장 분리기(126)는 파장이 확장된 광펄스를 서로 상이한 파장의 광펄스 신호로 분리한다. 예를 들면, 광 파장 분리기(126)로는 배열 도파로 격자(AWG, Arrayed Waveguide Grating)가 사용될 수 있다. 스펙트럼 확장 광섬유(123)에 출력된 광신호를 광 파장 분리기(126)에 입력시켜 다파장의 디지털 광신호로 분리할 수 있다.

광 결합기(127)는 광 파장 분리기(126)에 의하여 분리된 다파장의 디지털 광신호를 결합 또는 다중화(multiplex)하여 출력한다. 광 파장 분리기(126)와 광 결합기(127) 사이에 배치된 각 파장별로 지연시간을 상이하게 조절하는 광 지연 소자(미도시 됨)를 통해, 광 결합기(127)는 광 파장 분리기(126)에서 출력된 서로 상이한 파장의 광펄스를 시간축상에서 직렬 또는 병렬로 정렬하여 출력한다.

다시 도 1을 참조하면, 광 간섭계(200)는 광원(100)에서 생성된 다파장 디지털 광신호를 기준 미러와 대상체에 각각 출력하고, 기준 미러 및 대상체에서 반사된 광으로부터 간섭광을 획득한다.

도 7은 본원 발명의 일 실시예에 따른 광 간섭계를 도시한 도면이다.

광 간섭계(200)는 광 커플러(210), 콜리메이터(220, 222), 기준 미러(230), 스캐너(240), 광전 변환 소자(250)를 포함한다.

광 커플러(210)는 광원(100)에서 생성된 다파장 디지털 광신호를 동일한 비율로 분기하여 각각 기준 미러(230)와 스캐너(240)로 전송한다. 광 커플러(210)에서 분기된 광신호는 각각 콜리메이터(220, 222)를 경유하여 기준 미러(230)와 스캐너(240)로 전달된다. 기준 미러(230)로 전달된 광은 기준 미러(230)에서 반사되어, 광 커플러(210)로 입사된다. 스캐너(240)로 전달된 광은 분석대상이 되는 대상체로 조사되고, 대상체에서 반사된 광은 광 커플러(210)로 입사된다. 기준 미러(230)에서 반사된 광과 대상체에서 반사된 광으로부터 간섭광을 획득하는 과정은 일반적인 광 영상 진단 장치의 광 간섭계와 거의 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

광전 변환 소자(250)는 광 커플러(210)에서 출력된 광신호를 전기신호로 변환하여 광신호 처리부(300)로 전송한다.

도 8은 본원 발명의 다른 실시예에 따른 광 간섭계를 도시한 도면이다.

도 7의 실시예와는 달리 제 1 광전 변환 소자(250) 및 제 2 광전 변환 소자(252), 서큘레이터(270) 및 차동 증폭기(280)를 포함한다. 이때, 서큘레이터(270)는 제 1 단자 내지 제 3 단자를 포함하되, 광원(100)의 출력단과 제 1 단자가 결합되고, 커플러(210)와 제 2 단자가 결합되며, 제 1 광전 변환 소자(250)와 제 3 단자가 결합된다. 따라서, 광원(100)에서 출력된 광신호는 서큘레이터(270)를 경유하여 커플러(210)로 전달되고, 커플러(210)에서 출력된 광신호는 서큘레이터(270)를 경유하여 제 1 광전 변환 소자(250)로 전달된다.

또한, 차동 증폭기(280)는 제 1 광전 변환 소자(250) 및 제 2 광전 변환 소자(252)에서 출력된 전기 신호의 차분 성분을 증폭하여 광신호 처리부(300)로 전달한다.

본 발명의 다파장 디지털 광신호와 같이 넓은 대역의 파장에 대하여, 광 커플러(210)는 50:50의 분기비를 유지하기 어려울 수 있다. 따라서, 기준 미러(230)와 대상체로부터 반사된 광에 대하여 광 파워의 밸런스를 맞추기 위하여 별도의 광전 변환 소자(250, 252)를 이용하여 출력광을 전달한다.

즉, 기준 미러(230)에서 반사된 광은 커플러(210) 및 서큘레이터(270)를 경유하여 제 1 광전 변환 소자(250)로 전달된다. 그리고, 대상체로부터 반사된 광은 커플러(210)를 경유하여 제 2 광전 변환 소자(252)로 전달된다. 이와 같이, 별도의 광 전송 경로를 구비하여, 차동 성분을 증폭하기 때문에, 광 대역의 파장에 대하여 커플러(210)가 50:50의 분기비를 유지할 수 없어 발생하는 문제를 해소할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 광신호 처리부(300)는 광 간섭계(200)에서 전달받은 각 파장의 광펄스 신호에 기초하여 이미지를 생성하는 동작을 수행한다. 광신호 처리부(300)의 이미지 생성과정은 일반적인 광 영상 진단 장치와 거의 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

한편, 종래의 광원에 기반한 OCT 장치에서는 아날로그 광신호를 주사하고, 광전 변환 소자를 통해 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 이미지를 생성하기 때문에 A/D 컨버터가 필요하였다. 그러나, 본원 발명에서는 디지털 광신호를 주사하고 반사 된 디지털 신호를 수신하므로 A/D 컨버터가 필요하지 않다.

이와 같은 본원 발명의 구성에 따라, 광 영상 진단 장치에 디지털 다파장 광펄스를 공급할 수 있다. 이에 따라, 시스템의 잡음을 줄여 S/N 비를 향상할 수 있고, 높은 광파워를 얻을 수 있으며, 광대역의 수백 MHz 또는 1 GHz 이상의 주파수 주사 반복율은 종래 OCT의 수백 또는 수천배에 달하여 생체내의 깊은 곳까지 고분해능의 영상획득을 가능하게 한다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 광원 110: 링 레이저
120: 디지털 신호 생성부
200: 광 간섭계 300: 광신호 처리부

Claims

광 영상 진단기기의 광원 장치에 있어서,
단일 파장의 광펄스를 출력하는 링 레이저 및
상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 디지털 신호 생성부를 포함하되,
상기 디지털 신호 생성부는,
상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스의 스펙트럼을 확장시킨 후, 서로 상이한 파장의 광펄스 신호로 분리하고, 분리된 광펄스 신호를 결합하여 출력하는 광원 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 링 레이저는,
펌핑 광원,
상기 펌핑 광원에서 출력된 광을 증폭시키는 어븀 첨가 광섬유,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 단일 방향으로 회전시키는 아이솔레이터,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 분기하여 외부로 출력하는 광 커플러 및
상기 광 커플러에서 분기되어 링 내부를 회전하는 광의 펄스 주기를 조절하는 펄스 제어부를 포함하고,
상기 광 커플러를 통해 외부로 출력된 광은 상기 디지털 신호 생성부로 전달되는 광원 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 펄스 제어부는,
광섬유 온도 조절을 통해 상기 광의 펄스 주기를 조절하거나, 압전효과를 이용하여 상기 광의 펄스 주기를 조절하는 광원 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 링 레이저는,
펌핑 광원,
상기 펌핑 광원에서 출력된 광을 증폭시키는 어븀 첨가 광섬유,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 단일 방향으로 회전시키는 아이솔레이터,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 분기하여 외부로 출력하는 광 커플러 및
상기 광 커플러에서 분기되어 링 외부로 출력된 광의 펄스 주기를 조절하는 펄스 제어부를 포함하고,
상기 광 커플러를 통해 외부로 출력된 광은 상기 디지털 신호 생성부로 전달되는 광원 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 펄스 제어부는
상기 링 외부로 출력된 광을 분할하는 광 분파기,
상기 광 분파기의 출력단에 각각 결합되어 분할된 광의 펄스를 각각 지연시키는 복수의 지연 소자 및
상기 지연 소자를 각각 통과한 광을 다중화하는 광 결합기를 포함하는 광원 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 디지털 신호 생성부는,
상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 증폭하는 광 증폭기,
상기 광 증폭기를 통해 증폭된 광펄스의 스펙트럼을 확장시키는 스펙트럼 확장 광섬유,
상기 스펙트럼 확장 광섬유를 통해 파장이 확장된 광펄스를 서로 상이한 파장의 광펄스 신호로 분리하는 광 파장 분리기,
상기 광 파장 분리기를 통해 분리된 각 파장의 광펄스 신호의 지연 정도를 상이하게 조절하는 광 지연 소자 및
상기 서로 상이한 파장의 광펄스 신호를 결합하여 출력하는 광 결합기를 포함하는 광원 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 광 결합기는,
상기 광 파장 분리기에서 출력된 서로 상이한 파장의 광펄스를 시간축상에 직렬 또는 병렬 형태로 정렬하여 결합하는 광원 장치.
광 영상 진단 장치에 있어서,
단일 파장의 광신호를 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 광원,
상기 광원에서 출력된 광을 기준 미러 및 대상체에 각각 출력하고, 상기 기준 미러 및 대상체에서 반사된 광으로부터 간섭광을 획득하는 광 간섭계 및
상기 대상체에서 반사된 각 파장의 광펄스 신호에 기초하여 이미지를 생성하는 광신호 처리부를 포함하는 광 영상 진단 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 광원은,
단일 파장의 광펄스를 출력하는 링 레이저 및
상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 수신하여, 다파장의 광펄스로 변환하여 다파장 디지털 광신호를 출력하는 디지털 신호 생성부를 포함하는 광 영상 진단 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 링 레이저는,
펌핑 광원,
상기 펌핑 광원에서 출력된 광을 증폭시키는 어븀 첨가 광섬유,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 단일 방향으로 회전시키는 아이솔레이터,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 분기하여 외부로 출력하는 광 커플러 및
상기 광 커플러에서 분기되어 링 내부를 회전하는 광의 펄스의 주기를 조절하는 펄스 제어부를 포함하고,
상기 광 커플러를 통해 외부로 출력된 광은 상기 디지털 신호 생성부로 전달되는 광 영상 진단 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 펄스 제어부는,
광섬유 온도 조절을 통해 상기 광의 펄스 주기를 조절하거나, 압전효과를 이용하여 상기 광의 펄스 주기를 조절하는 광 영상 진단 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 링 레이저는,
펌핑 광원,
상기 펌핑 광원에서 출력된 광을 증폭시키는 어븀 첨가 광섬유,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 단일 방향으로 회전시키는 아이솔레이터,
상기 어븀 첨가 광섬유에서 출력된 광을 분기하여 외부로 출력하는 광 커플러 및
상기 광 커플러에서 분기되어 링 외부로 출력된 광의 펄스 주기를 조절하는 펄스 제어부를 포함하고,
상기 광 커플러를 통해 외부로 출력된 광은 상기 디지털 신호 생성부로 전달되는 광 영상 진단 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 펄스 제어부는
상기 링 외부로 출력된 광을 분할하는 광 분파기,
상기 광 분파기의 출력단에 각각 결합되어 분할된 광의 펄스를 각각 지연시키는 복수의 지연 소자 및
상기 지연 소자를 각각 통과한 광을 다중화하는 광 결합기를 포함하는 광 영상 진단 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 디지털 신호 생성부는,
상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스의 스펙트럼을 확장시킨 후, 서로 상이한 파장의 광펄스 신호로 분리하고, 분리된 광펄스 신호를 결합하여 출력하는 광 영상 진단 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 디지털 신호 생성부는,
상기 링 레이저에서 출력된 단일 파장의 광펄스를 증폭하는 광 증폭기,
상기 광 증폭기를 통해 증폭된 광펄스의 스펙트럼을 확장시키는 스펙트럼 확장 광섬유,
상기 스펙트럼 확장 광섬유를 통해 파장이 확장된 광펄스를 서로 상이한 파장의 광펄스 신호로 분리하는 광 파장 분리기,
상기 광 파장 분리기를 통해 분리된 각 파장의 광펄스 신호의 지연 정도를 상이하게 조절하는 광 지연 소자 및
상기 서로 상이한 파장의 광펄스 신호를 결합하여 출력하는 광 결합기를 포함하는 광 영상 진단 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 광 결합기는,
상기 광 파장 분리기에서 출력된 서로 상이한 파장의 광펄스를 시간축상에 직렬 또는 병렬로 정렬하여 결합하는 광 영상 진단 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 광 간섭계는,
상기 광원에서 출력된 광을 분기하는 커플러
상기 커플러를 통해 분기된 제 1분기광이 입사되는 기준 미러 및
상기 커플러를 통해 분기된 제 2 분기광을 대상체에 출력하는 스캐너를 포함하는 광 영상 진단 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 광 간섭계는,
상기 광원에서 출력된 광을 제 1 단자로 수신하는 서큘레이터,
상기 서큘레이터의 제 2 단자로 출력된 광을 분기하는 커플러
상기 커플러를 통해 분기된 제 1분기광이 입사되는 기준 미러,
상기 커플러를 통해 분기된 제 2 분기광을 대상체에 출력하는 스캐너,
상기 커플러에서 분기되어 상기 서큘레이터의 제 2 단자로 입력된 후, 상기 서큘레이터의 제 3 단자로 출력된 광을 수신하는 제 1 광전 변환 소자,
상기 대상체에서 반사된 후 상기 커플러에서 분기된 광을 수신하는 제 2 광전 변환 소자,
상기 제 1 광전 변환 소자에서 출력된 전기 신호와 상기 제 2 광전 변환 소자에서 출력된 전기 신호의 차분 성분을 증폭하는 차동 증폭기를 포함하는 광 영상 진단 장치.