KR20140006157A - 광 스캐닝 프로브 및 및 이를 채용한 의료 영상 기기 - Google Patents

광 스캐닝 프로브 및 및 이를 채용한 의료 영상 기기 Download PDF

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KR20140006157A
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Abstract

개시된 광 스캐닝 프로브는 프로브 본체; 상기 프로브 본체 내에 배치된 것으로, 회전 구동되는 스캐너 및 상기 스캐너에서 스캐닝된 광의 경로를 바꾸는 다수의 반사면을 구비한 빔 리플렉터를 포함하는 광 스캐닝 유닛; 상기 광 입력부로부터 입력된 광을 상기 스캐너 쪽으로 가이드하는 광 파이버;를 포함한다. 또한, 개시된 의료 영상 기기는 검사 대상물에 광을 조사하는 상기 광 스캐닝 프로브;, 검사대상물에서 발생된 신호를 수신하는 수신부; 및 수신된 신호를 처리하는 신호처리부를 포함한다.

Description

광 스캐닝 프로브 및 및 이를 채용한 의료 영상 기기{Light scanning probe and medical imaging apparatus employoing the same}
본 개시는 광 스캐닝 프로브 및 이를 채용한 의료 영상 기기에 관한 것이다.
의료 영상(Medical Imaging) 분야에서는 Tissue (인체, 피부) 표면에 대한 정보와 함께 하부의 단층을 정밀 촬영하는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히 대부분의 암 (cancer)은 상피 세포 하부에서 발생하여 혈관이 존재하는 진피세포 내부로 전파되기 때문에 조기 발견이 가능할 경우 암에 의한 피해를 획기적으로 감소시킬 수 있다. 기존의 MRI, CT, 초음파 등의 이미징 기술은 피부를 관통하여 내부 단층을 촬영할 수 있지만 해상도가 낮아 사이즈가 작은 조기 암의 검출은 불가능하다. 반면 최근에 소개된 OCT (optical coherence tomography), OCM (optical coherence microscopy), PAT (photoacoustic tomography) 기술은 기존 방법과 달리 광을 이용하기 때문에 피부속 침투 깊이는 1~2 mm (OCT 경우), 30~50 mm (PAT 경우)로 낮지만 해상도가 초음파의 10배 정도로 높아 초기암의 진단에 유용할 것으로 기대된다.
이와 같이 광을 이용한 의료영상 기법을 내시경, 복강경, 수술로봇 등 인체 내부 진단에 적용하기 위해서는 광 소스로부터 광을 전달받아 인체내부로 보내야 하는데 이 때 광 프로브가 사용된다. 광 프로브는 검사 대상물의 일정 영역의 이미지를 얻기 위해 다양한 스캐닝 방식을 사용한다. 예를 들어, 여러 다발의 광 파이버를 사용하는 방식, 광 파이버를 직접 변형하여 광경로를 제어하는 방식, 다수의 빔 스플리터를 사용하여 광경로를 분할하는 방식이 사용된다.
본 개시는 검사 대상물의 일정 영역을 스캐닝하며 광을 조사하는 광 스캐닝 프로브 및 이를 채용한 의료 영상 기기를 제시한다.
일 유형에 따르는 광 스캐닝 프로브는 내부 공간을 가지며, 일단이 광 입력부가 되고 타단이 광 출력부가 되는 프로브 본체; 상기 프로브 본체 내에, 광 출력부에 대응하는 위치에 배치된 것으로, 회전 구동되는 스캐너 및 상기 스캐너에서 스캐닝된 광의 경로를 바꾸는 다수의 반사면을 구비한 빔 리플렉터를 포함하는 광 스캐닝 유닛; 상기 광 입력부로부터 입력된 광을 상기 스캐너 쪽으로 가이드하는 광 파이버;를 포함한다.
상기 다수의 반사면은 상기 스캐너의 회전 구동에 의해 서로 다른 방향에서 입사된 광을 외부로 출력되는 방향으로 반사시키도록 배치될 수 있다.
상기 다수의 반사면은 상기 스캐너의 회전 구동에 따라, 서로 다른 방향에서 입사된 광을 같은 방향으로 반사시키도록 각각의 배치 각도가 정해질 수 있다.
상기 빔 리플렉터는 다수의 반사부재로 이루어질 수 있다.
상기 반사부재는 미러 또는 프리즘을 포함할 수 있다.
상기 빔 리플렉터는 상기 다수의 반사면이 일체형으로 연결된 구조를 가질 수 있다.
상기 스캐너는 마이크로 미러를 포함할 수 있다.
또는, 상기 스캐너는 회전 다면경을 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 스캐너와 상기 빔 리플렉터 사이에 렌즈가 더 배치될 수 있다.
상기 광 스캐닝 프로브는 상기 빔 리플렉터를 상기 프로브 본체 내에 고정하는 투명 소재의 빔 가이드부를 더 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 프로브는 상기 스캐너에서 반사된 광의 광경로상에 배치되어, 입력된 광의 파워를 측정하는 파워 센서를 더 포함할 수 있다.
일 유형에 따르는 의료 영상 기기는 광원부; 상기 광원부에서의 광을 검사 대상물에 스캐닝 조사하는 것으로, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광 스캐닝 프로브; 검사 대상물로부터 발생된 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신부에 수신된 신호를 처리하여 영상신호를 생성하는 신호처리부;를 포함한다.
상기 광원부는 상기 검사 대상물로부터 초음파를 유도하는 펄스 레이저일 수 있다.
상기 수신부는 상기 검사 대상물에서 발생한 초음파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다.
상기 광 스캐닝 유닛은 상기 스캐너에서 반사된 광의 광경로상에 배치되어, 입력된 광의 파워를 측정하는 파워 센서를 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 파워 센서로부터의 신호를 피드백 받아 상기 광원부의 파워를 조절하는 제어부가 상기 의료 영상기기에 더 포함될 수 있다.
상술한 광 스캐닝 프로브는 구동 스캐너와 빔 리플렉터를 이용한 구조로서, 여러 다발의 광파이버를 이용하는 구조나 다수의 빔 스플리터를 이용하는 구성에 비해 보다 간소하고 컴팩트(compact)하며, 또한, 외부로부터 입력된 광을 검사 대상물의 일정 영역에 효율적으로 분배하여 스캐닝할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브의 개략적인 구성을 보인다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 광 스캐닝 프로브에 의한 광 스캐닝 동작 단계를 예시적으로 보인다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브의 개략적인 구성을 보인다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브의 개략적인 구성을 보인다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브의 개략적인 구성을 보인다.
도 7은 실시예에 따른 의료 영상 기기의 개략적인 구성을 보인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브(100)의 개략적인 구성을 보이며, 도 2a 내지 도 2c는 도 1의 광 스캐닝 프로브(100)에 의한 광 스캐닝 동작 단계를 예시적으로 보인다.
광 스캐닝 프로브(100)는 프로브 본체(110)와 프로브 본체(110) 내에 마련된 광 스캐닝 유닛(180) 및 광 파이버(120)를 포함한다.
프로브 본체(110)는 내부 공간을 가지며, 일단이 광 입력부(110a)가 되고 타단이 광 출력부(110b)가 되는 형상을 가진다. 즉, 광 입력부(110a) 쪽은 외부 광원과 연결될 수 있으며, 외부 광원으로부터 입력된 광은 광 파이버(120) 및 광 스캐닝 유닛(180)을 경유하여 광 출력부(110b) 쪽으로 출사된다.
실시예의 광 스캐닝 프로브(100)는 예를 들어, 의료 영상 기법을 사용하기 위해 진단에 필요한 광을 인체 내부의 일정 영역에 전달함에 있어, 영역 내에서 균일한 세기의 광이 조사될 수 있는 구성을 제시한다.
이를 위하여, 광 스캐닝 유닛(180)은 프로브 본체(110) 내에 광 출력부(110b)에 대응하는 위치에 배치되어 있으며, 회전 구동되는 스캐너(150)와 스캐너(150)에서 스캐닝된 광의 경로를 바꾸는 다수의 반사면을 구비한 빔 리플렉터(160)를 포함한다.
광 파이버(120)는 광 입력부(110)로 입력된 광을 스캐너(150) 쪽으로 가이드한다.
스캐너(150)는 도시된 바와 같이 구동 마이크로 미러로 이루어질 수 있으며, 구동원(미도시)에 의해 회전됨에 따라 광 파이버(120)를 통해 전달된 광을 다른 방향으로 스캐닝한다. 마이크로 미러의 구동을 위해, 예를 들어, 갈바노 모터, 피에조 액츄에이터 등 다양한 종류의 구동원이 사용될 수 있다.
빔 리플렉터(160)는 다수의 반사부재로 이루어질 수 있으며, 예를 도시된 바와 같이, 제1반사부재(161), 제2반사부재(162), 제3반사부재(163) 및 제4반사부재(164)를 포함한다. 제1 내지 제4반사부재(1610(162)(163)(164)는 예를 들어, 글래스나 투명 플라스틱 소재 등 투광성 재질로 이루어진 빔 가이드부(170) 내에 고정 배치될 수 있다.
제1 내지 제4반사부재(161)(162)(163)(164)는 미러로 구성될 수 있으며, 각각 입사광을 반사시키는 반사면을 구비한다. 상기 반사면은 스캐너(150)의 회전 구동에 따라, 서로 다른 방향에서 입사된 광을 각각 광 스캐닝 프로브(100)의 외부로 출사시키도록 배치된다. 또한, 예를 들어, 상기 반사면은 스캐너(150)의 회전 구동에 따라, 서로 다른 방향에서 입사된 광을 같은 방향으로 반사시키도록 각각의 배치 각도가 정해질 수 있다.
도 2a를 참조하면, 스캐너(150)는 광 파이버(120)에서 입사된 광이 제1반사부재(161)를 향하여 반사되도록 그 위치가 구동된 상태이다. 제1반사부재(161)는 입사된 광의 경로를 변경하여 광 스캐닝 프로브(100)의 외부로 광을 출사한다.
도 2b를 참조하면, 스캐너(150)는 광 파이버(120)에서 입사된 광이 제2반사부재(162)를 향하여 반사되도록 그 위치가 구동된 상태이며, 제2반사부재(162)는 입사된 광의 경로를 변경하여 광 스캐닝 프로브(100)의 외부로 광을 출사한다.
도 2c 및 도 2d는 각각 스캐너(150)가 제3반사부재(163), 제4반사부재(164)를 향해 광을 조사하도록 구동된 상태로서, 제3반사부재(163), 제4반사부재(164)는 입사광의 경로를 변경하여 광을 외부로 출사한다.
도면들에서는 빔 리플렉터(160)가 네 개의 반사부재로 구성된 것으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 그 개수는 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 도면들은 스캐너(150)가 한 방향의 회전으로 구동되는 것을 예시하였으나, 스캐너(150)는 스캐닝 방향을 다양하게 할 수 있도록 2축 구동되는 구성을 가질 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브(101)의 개략적인 구성을 보인다.
본 실시예의 광 스캐닝 프로브(101)는 빔 리플렉터가 프리즘 형태의 제1 내지 제4반사부재(161')(162')(163')(164')로 구성된 점에서 도 1의 실시예와 차이가 있다. 즉, 제1 내지 제4반사부재(161')(162')(163')(164')는 굴절률 차이에 의한 전반사에 의해 입사광의 광경로를 바꾸게 된다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브(200)의 개략적인 구성을 보인다.
본 실시예는 광 스캐닝 유닛(280)이, 다수의 반사면이 일체형으로 연결된 구조로 빔 리플렉터(260)가 구성된 점에서 전술한 실시예들과 차이가 있다. 이 경우, 예를 들어, 광 파이버(120)를 통해 스캐너(150)에 펄스 형태의 광이 입사될 때, 스폿팅 타임(spotting time)의 조절에 여유(margin)가 있게 된다. 빔 리플렉터(260)의 반사면들은 미러면으로 구성될 수 있고, 또는, 굴절률 차이에 의한 전반사를 이용하는 구성일 수도 있다. 빔 리플렉터(260)를 이루는 다수의 반사면의 개수나 경사각은 도시된 형태외에 다양하게 변경될 수 있으며, 스캐너(150)의 위치도 빔 리플렉터(260)와의 관계를 고려하여 조절될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브(300)의 개략적인 구성을 보인다.
본 실시예는 광 스캐닝 유닛(380)이 다수의 반사면을 가지는 회전 다면경(rotating polygon mirror) 형태의 스캐너(350)를 구비하는 점에서 전술한 실시예와 차이가 있다. 스캐너(350)와 빔 리플렉터(260) 사이의 광경로에는 렌즈(352)가 더 배치될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 광 스캐닝 프로브(400)의 개략적인 구성을 보인다.
본 실시예의 광 스캐닝 프로브(400)는 스캐너(150)에서 반사된 광의 광경로상에 배치되어, 입력된 광의 파워를 측정하는 파워 센서(410)를 더 구비하는 점에서 전술한 실시예들과 차이가 있다. 파워 센서(410)에서 측정한 정보는 광 파이버(120)에 입력될 광을 제공하는 광원부에 피드백 될 수 있다. 도면에서는 도 1의 광 스캐닝 프로브(100) 구조에 파워 센서(410)가 더 구비된 것으로 도시되었으나, 다른 실시예로 도 3 내지 도 5의 구성에 파워 센서가 더 구비되는 구성이 사용될 수도 있다. 또한, 파워 센서(410)는 도시된 위치에 한정되지 않으며, 스캐너(150)에서 반사된 광의 광경로 상에 있는 어느 위치나 가능하다.
도 7은 실시예에 따른 의료 영상 기기(500)의 개략적인 구성을 보인 블록도이다.
의료 영상 기기(500)는 광원부(510), 광원부(510)에서의 광을 검사 대상물(object)에 스캐닝 조사하는 광 스캐닝 프로브(520), 검사 대상물(object)로부터 발생된 신호를 수신하는 수신부(550), 수신부(550)에 수신된 신호를 처리하는 신호처리부(560)를 포함한다.
예시된 의료 영상 기기(500)는 Photoacoustic tomography(PAT)를 이용하는 예이다. PAT는 레이저 펄스 조사에 의해 검사 대상물(object)인 세포 조직에서 발생하는 압력파(pressure wave)를 감지하여 영상을 구현하는 기술이다. 레이저가 액체나 고체와 같은 물질에 조사되면, 레이저가 조사된 물질이 광에너지를 흡수하여 순간적인 열에너지가 발생하고, 이 에너지는 열탄성(thermoelastic) 현상에 의해 음파(acoustic wave)를 발생시킨다. 검사 대상물(object)을 이루는 물질에 따라 빛의 파장에 따른 흡수율과 열탄성 계수가 다르기 때문에 같은 빛 에너지에 대해 서로 다른 크기의 초음파를 발생시킨다. 이러한 초음파를 검출하여, 비침습(non-invasive) 방법으로 인체 내부의 혈관 분포 및 미세한 조직의 특성 변화에 대한 이미지를 구현할 수 있다.
광원부(510)는 검사 대상물(object)로부터 초음파를 유도하는 펄스 레이저일 수 있으며, 펄스 폭은 대략 수 피코 초(pico-sec)에서 수 나노초(nano-sec)일 수 있다.
광 스캐닝 프로브(520)로는 검사 대상물(object)에 대한 일정 영역을 스캔하며 광을 조사할 수 있는 구성을 가지며, 예를 들어, 전술한 광 스캐닝 프로브(100)(101)(200)(300)(400) 중 어느 하나, 또는 이들이 조합된 형태가 사용될 수 있다.
광 스캐닝 프로브(520)를 통해 검사 대상물(objecy)에 광이 조사되면, 검사 대상물()에서 초음파가 발생된다. 레이저의 펄스 폭, 레이저의 펄스 플루엔스(fluence), 검사 대상물()의 레이저 흡수 계수, 반사 계수, 비열, 열팽창 계수 등에 따라 주파수 대역이나 크기가 다른 초음파가 발생한다. 즉, 검사 대상물(object)에 펄스 레이저가 조사되면, 검사 대상물(object)의 종류에 따라 다른 초음파가 발생하고, 이를 검출하여 검사 대상물(object)의 종류를 구분할 수 있는 영상의 획득이 가능하다.
수신부(550)는 초음파 수신부가 될 수 있으며, 예를 들어, 검사 대상물(object)에서 발생한 초음파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 트랜스듀서는 초음파에 의한 진동을 전기적 신호로 변환시키는 압전형 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT)일 수 있다. 압전형 초음파 트랜스듀서는 압전 형상을 나타내는 압전 세라믹, 단결정, 상기 재료와 고분자를 복합한 복합 압전 물질 등을 포함하여 이루어질 수 있다. 이외에도 트랜스듀서는 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer, cMUT), 자기형 초음파 트랜스듀서(magnetic micromachined ultrasonic transducer, mMUT), 광학형 초음파 검출기(Optical ultrasonic detection) 등으로 구현될 수 있다.
신호 처리부(560)는 수신부(550)에서 수신된 신호를 처리하여 영상 신호를 생성할 수 있다.
또한, 의료 영상 기기(500)는 사용자 인터페이스(590)와 제어부(530)를 더 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스(590)는 입력부와 디스플레이부를 구비할 수 있으며, 이를 이용하여 제어부(530)에 필요한 입력을 전송할 수 있다.
제어부(530)는 사용자 인터페이스(590)에서 입력되는 명령에 따라 의료 영상 기기(500)를 이루는 각 구성요소들을 제어한다. 예를 들어, 광 스캐닝 프로브(520)의 스캐너 구동을 제어할 수 있다. 또한, 광 스캐닝 프로브(520)의 파워 센서로부터 측정된 신호를 피드백 받아 검사 대상물(object)에 일정한 파워의 광이 조사되도록 광원부(510)의 광 세기를 제어할 수 있다. 제어부(530)는 마이크로 프로세서 등으로 구현될 수 있다.
이상 설명에서는 PAT(Photoacoustic tomography)를 이용하는 의료 영상 기기의 구조를 예시하였지만, 예를 들어, OCT(optical coherence tomography)나 OCM (optical coherence microscopy)을 이용하는 구조에 광 스캐닝 프로브(520)가 채용될 수도 있다. 이 경우, 검사 대상물(object)에서 발생하는 신호의 종류에 따라 수신부에 구비된 검출 센서가 달라질 수 있으며, 수신부가 광 스캐닝 프로브(520)내에 포함되는 구성도 가능하다.
이러한 본원 발명인 광 스캐닝 프로브 및 의료 영상 기기는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 520 ...광 스캐닝 프로브 110...프로브 본체
120...광 파이버 150,350...스캐너
160...빔 리플렉터 161, 161'..제1반사부재
162, 162'..제2반사부재 163, 163'..제3반사부재
164, 164'...제4반사부재 170...빔 가이드부
180, 280, 380...광 스캐닝 유닛 352...렌즈
500...의료 영상 기기 510...광원부
530...제어부 550...수신부
560...신호처리부 590...사용자 인터페이스

Claims (16)

  1. 내부 공간을 가지며, 일단이 광 입력부가 되고 타단이 광 출력부가 되는 프로브 본체;
    상기 프로브 본체 내에, 광 출력부에 대응하는 위치에 배치된 것으로,
    회전 구동되는 스캐너 및 상기 스캐너에서 스캐닝된 광의 경로를 바꾸는 다수의 반사면을 구비한 빔 리플렉터를 포함하는 광 스캐닝 유닛;
    상기 광 입력부로부터 입력된 광을 상기 스캐너 쪽으로 가이드하는 광 파이버;를 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 반사면은
    상기 스캐너의 회전 구동에 의해 서로 다른 방향에서 입사된 광을 외부로 출력되는 방향으로 반사시키도록 배치된 광 스캐닝 프로브.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다수의 반사면은
    상기 스캐너의 회전 구동에 의해 서로 다른 방향에서 입사된 광을 같은 방향으로 반사시키도록 각각의 배치 각도가 정해진 광 스캐닝 프로브.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 빔 리플렉터는
    다수의 반사부재로 이루어진 광 스캐닝 프로브.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반사부재는 미러 또는 프리즘을 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너는 마이크로 미러를 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 빔 리플렉터는 상기 다수의 반사면이 일체형으로 연결된 구조를 갖는 광 스캐닝 프로브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스캐너는 회전 다면경을 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스캐너와 상기 빔 리플렉터 사이에 렌즈가 더 배치된 광 스캐닝 프로브.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 리플렉터를 상기 프로브 본체 내에 고정하는 투명 소재의 빔 가이드부를 더 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스캐너에서 반사된 광의 광경로상에 배치되어, 입력된 광의 파워를 측정하는 파워 센서를 더 포함하는 광 스캐닝 프로브.
  12. 광원부;
    상기 광원부에서의 광을 검사 대상물에 스캐닝 조사하는 것으로, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 광 스캐닝 프로브;
    검사 대상물로부터 발생된 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신부에 수신된 신호를 처리하여 영상신호를 생성하는 신호처리부;를 포함하는 의료 영상 기기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광원부는
    상기 검사 대상물로부터 초음파를 유도하는 펄스 레이저를 포함하는 의료 영상 기기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수신부는
    상기 검사 대상물에서 발생한 초음파를 전기적 신호로 변환하는 트랜스듀서를 포함하는 의료 영상 기기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 광 스캐닝 유닛은
    상기 스캐너에서 반사된 광의 광경로상에 배치되어, 입력된 광의 파워를 측정하는 파워 센서를 더 포함하는 의료 영상 기기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 파워 센서로부터의 신호를 피드백 받아 상기 광원부의 파워를 조절하는 제어부를 더 포함하는 의료 영상 기기.
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