KR20220141507A - 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브, 내시경 장치 및 카테터 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브는 광을 방출하는 광 섬유 레이저부, 측정하고자 하는 대상물과 상기 광 섬유 레이저부 사이에 배치되어 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광을 투과시키며, 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하는 투명 초음파 센서, 상기 투명 초음파 센서를 통해 대상물의 이미지를 획득하는 카메라를 포함할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치는 상술한 프로브와 스캐닝부 및 프런트 엔드부를 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치는 프런트 엔드부로부터의 광을 방출하는 광 섬유 레이저부, 측정하고자 하는 대상물과 상기 광 섬유 레이저부 사이에 배치되어 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광을 투과시키며, 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하여 상기 프런트 엔드부에 전달하는 투명 초음파 센서를 포함하는 카테터, 스캐닝부 및 프런트 엔드부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브, 내시경 장치 및 카테터 장치에 관한 것이다.
초음파 센서나 트랜스듀서는 압전 물질의 특징을 이용하여 전기 에너지를 음향 에너지로 변환한 뒤 이 에너지를 대상물인 물체에 전달하고 반사된 음향 에너지를 다시 전기적 신호로 변환하는 원리로 물체와의 물리적 거리 측정 및 물체의 영상 획득을 가능하게 하는 센서이다.
최근 들어, 고정밀도의 감지 동작, 고해상도 영상 및 사용자의 편의를 위해 광학 카메라, 레이저 등의 광학 기기 및 초음파 센서가 융합된 기술이 활발하게 개발되고 있다.
특히, 의료 진단에서의 정확성을 향상시킬 수 있는 장점이 있어, 기존에 초음파 영상 시스템과 광학 영상 시스템을 결합하거나, 초음파 영상 시스템과 광간섭 단층촬영 영상 시스템을 결합하거나, 초음파 영상 시스템과 형광 이미징 시스템을 결합하는 등의 연구가 진행되었다.
하지만, 기존의 초음파 센서는 불투명하기 때문에 투명한 매질이 요구되는 광학 기기와의 융합이 불가능하며, 또한 조사되는 레이저와 초음파 센서를 동일 축에 배열하는 것이 불가능하였다.
이러한 축외 배치는 여러 이유로 영상을 촬영함에 있어서 불리한 점이 있다. 예컨대, 시스템의 정렬이 불량해지거나, 복잡도가 증가하거나, 시스템 크기가 커지거나, 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아지는 등의 문제가 있었다.
이러한 불투명 초음파 센서의 문제를 해결하기 위하여 미국특허US8,784,321호에서는 불투명 초음파 센서의 단면 중 일부를 천공하여 광경로를 형성함으로써, 광경로와 초음파 경로가 같은 축에 위치하도록 하기도 하였다. 그러나 이 경우에도 초음파 센서의 단면 중 일부에서만 광이 투과할 수 있기 때문에, 초음파 센서의 광 비투과성으로 인한 문제점이 충분히 해결될 수는 없었다.
한편, 본 발명자는 한국 특허출원 제10-2020-0039208호("투명 초음파 센서 및 그 제조방법")에서 니오브산리튬(LNO: Lithium niobate) 기반 단결정 투명 초음파 센서 구조 및 그 제조 방법을 제시한 바 있고, 한국 특허출원 제10-2020-0110777호("투명 초음파 센서 기반 초음파 광학 복합 이미징 시스템")에서 투명 초음파 센서를 이용한 초음파 광학 복합 이미징 시스템을 제시한 바 있다.
이에, 해당 선행 연구에서 제시된 LNO 기반 단결정 투명 초음파 센서를 유용하게 활용할 수 있도록, 광음향 영상, 광간섭 단층촬영 영상, 형광 영상 및 빛을 사용하는 다양한 광학 영상을 초음파 영상과 함께 단일한 기기로 촬영하여 의료 분야에 활용할 수 있는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브, 내시경 장치 및 카테터 장치에 관한 후속 연구를 진행하게 되었다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 경로와 광 경로의 동축화를 가능케 하는 투명 초음파 센서를 활용하여 SNR을 개선하고 기기를 소형화할 수 있는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브, 내시경 장치 및 카테터 장치가 제공된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브는 광을 방출하는 광 섬유 레이저부. 측정하고자 하는 대상물과 상기 광 섬유 레이저부 사이에 배치되어 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광을 투과시키며, 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하는 투명 초음파 센서, 상기 투명 초음파 센서를 통해 대상물의 이미지를 획득하는 카메라를 포함할 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치는 상술한 프로브, 상기 프로브와 케이블로 연결되어 상기 프로브의 스캐닝 동작을 제어하는 스캐닝부; 및 상기 프로브에 상기 케이블을 통해 광 출력을 제공하고, 상기 프로브에 의해 획득한 이미지를 신호 처리하는 프런트 엔드부를 포함할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치는 사전에 설정된 대상체에 삽입되는 카테터, 상기 카테터와 케이블로 연결되어 상기 카테터의 스캐닝 동작을 제어하는 스캐닝부, 상기 카테터에 상기 케이블을 통해 광 출력을 제공하고, 상기 프로브에 의해 획득한 이미지를 신호 처리하는 프런트 엔드부를 포함하고, 상기 카테터는 상기 프런트 엔드부로부터의 광을 방출하는 광 섬유 레이저부, 측정하고자 하는 대상물과 상기 광 섬유 레이저부 사이에 배치되어 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광을 투과시키며, 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하여 상기 프런트 엔드부에 전달하는 투명 초음파 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 경로와 광 경로의 동축화를 가능케 하는 투명 초음파 센서를 활용하여 SNR을 개선하고 프로브 또는 카테터를 소형화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브의 개략적인 정면 사시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브의 개략적인 정면 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 프런트 뷰잉 타입의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c는 프런트 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터에 반사판이 추가된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 6a 내지 도 6i는 사이드 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터에 반사판이 추가된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 7a 내지 도 7d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 반사판의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 정면도이고, 도98b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서의 배면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 개략적인 일 방향 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 개략적인 분해 사시도이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서에서 평오목 형태의 평오목 음향 렌즈와 평볼록 형태인 평볼록 음향 렌즈가 사용될 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다.
도 13a와 도 13b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서에서 보정 렌즈가 사용되지 않는 때와 보정 렌즈가 사용된 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치에 의해 획득한 광음향 영상 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브의 개략적인 정면 사시도이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브의 개략적인 정면 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 프런트 뷰잉 타입의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c는 프런트 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터에 반사판이 추가된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 6a 내지 도 6i는 사이드 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터에 반사판이 추가된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 7a 내지 도 7d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 반사판의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 정면도이고, 도98b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서의 배면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 개략적인 일 방향 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 개략적인 분해 사시도이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서에서 평오목 형태의 평오목 음향 렌즈와 평볼록 형태인 평볼록 음향 렌즈가 사용될 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다.
도 13a와 도 13b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서에서 보정 렌즈가 사용되지 않는 때와 보정 렌즈가 사용된 때의 빛의 경로를 예시적으로 도시한 예이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치에 의해 획득한 광음향 영상 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치(100)는 내시경 프로브 또는 카테터(110), 조작부(120) 및 프론트엔드부(130)를 포함할 수 있다.
내시경 프로브 또는 카테터(110)는 사전에 설정된 대상체에 삽입되어 촬영하고자 하는 대상물의 초음파 이미지, 광음향 이미지 등을 획득할 수 있다. 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 상술한 바와 같이, 사전에 설정된 대상체에 삽입되어 촬영하고자 하는 대상물의 초음파 이미지, 광음향 이미지 등을 획득할 수 있는데, 예를 들어, 신체의 위장, 대장 등과 같은 장기에 삽입되는 내시경 프로브의 경우 외경이 5 ~15mm 정도일 수 있으며, 심혈관, 미세혈관 등과 같은 협소한 곳에 삽입되는 카테터의 경우 외경이 0.5~1mm 정도일 수 있다.
조작부(120)는 케이블을 통해 연결된 내시경 프로브 또는 카테터(110)의 움직임을 제어할 수 있다. 조작부(120)는 노브부(121), 석션 밸브(122), 에어/워터 밸브(123) 및 인스트루먼트 포트(124)를 포함할 수 있다.
노브부(121)는 사용자의 조작에 따라 내시경 프로브 또는 카테터(110)의 움직임을 제어할 수 있으며, 석션 밸브(122)는 후술하는 내시경 프로브 또는 카테터(110)에 설치된 석션부의 석션 동작을 제어할 수 있고, 에어/워터 밸브(123)는 후술하는 내시경 프로브 또는 카테터(110)에 설치된 워터노즐기기의 동작을 제어할 수 있으며, 인스트루먼트 포트(124)는 후술하는 내시경 프로브 또는 카테터(110)에 설치된 겸자공을 통한 의료 기기의 동작을 제어할 수 있다.
프론트엔드부(130)는 광 섬유 케이블를 통해 레이저를 제공하는 레이저 소스(131)과 신호선를 통해 내시경 프로브 또는 카테터(110)에 초음파 신호를 송신하고 반사된 초음파 신호를 수신하여 신호 처리하며, 획득한 광음향 이미지 등을 신호 처리하여 디스플레이하는 신호 처리부(132)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브의 개략적인 정면 사시도이다.
도 1과 함께 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브(110)는 초음파 센서(111), 광 섬유 레이저부(112) 및 카메라(113)를 포함할 수 있다.
광 섬유 레이저부(112)는 프론트엔드부(130)의 레이저 소스(131)로부터 레이저를 전달받아 프로브(110) 외부로 광을 방출할 수 있다. 광 섬유 레이저부(112)는 광음향, OCT, NIRF (Near Infra Fluorescence), NIRS (Near Infra Spectroscopy), 형광 영상을 위한 다양한 파장의 레이저 기기가 될 수 있다. 또한 레이저 외에도 소형 카메라 (CCD, CMOS 센서), LED 등이 될 수 있다. 광 섬유 레이저부(112)는 1개만을 도시하였지만 제한된 크기 내에서 복수개 배치하여 복수개의 광학 이미지를 동시에 획득할 수도 있다.
투명 초음파 센서(111)는 측정하고자 하는 대상물과 광 섬유 레이저부(112) 사이에 배치되어 광 섬유 레이저부(112)에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 광 섬유 레이저부(112)에서 방출되는 광을 투과시키며, 신호선을 통해 프론트엔드부(130)의 신호 처리부(132)에 연결되어 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하여 초음파 이미지를 획득할 수 있다. 카메라(113)는 신호선을 통해 프론트엔드부(130)의 신호 처리부(132)에 연결되어 투명 초음파 센서(111)를 통해 대상물의 이미지를 획득하고, 획득한 이미지를 신호처리부(132)에 전달할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브(110)는 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광을 투명 초음파 센서(111)의 후면으로 통과하게 하여 빛과 초음파가 동일한 위치에서 광학/초음파 영상 또는 신호를 획득할 수 있으며, 기기의 부피가 줄어들어 기기의 여분의 부분에 겸자공의 개수를 늘려 다양한 수술 도구 등을 추가할 수 있고, 초음파/광학이 정확히 같은 위치 정보를 공유할 수 있기 때문에 종래의 초음파 및 광학 영상 간의 위치 불일치 문제를 극복할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브의 개략적인 정면 사시도이다.
도 2와 함께, 도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브(110)는 사전에 설정된 물질을 흡입하는 석션부(114), 겸자공(115) 및 워터를 분출하는 워터 노즐기기(116)를 더 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 기기의 부피가 줄어들어 기기의 여분의 부분에 겸자공의 개수를 늘려 절개, 봉합 등의 사전에 설정된 의료 기능을 수행하는 복수의 겸자공(115)을 구비할 수 있다.
먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브(110)는 투명 초음파 센서(111)를 통해 대상물의 초음파 이미지(a)를 획득할 수 있고, 도 3b를 참조하면, 카메라(113)를 통해 대상물의 이미지(b)를 획득할 수 있으며, 도 3c를 참조하면, 광 섬유 레이저부(112)와 투명 초음파 센서(111)를 이용하여 광음향 이미지(a,c)를 획득할 수 있고, 도 3d를 참조하면, 광 섬유 레이저부(112)를 단독으로 이용하여 형광 이미지(d)를 획득할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치(100)에 채용된 카테터는 상술한 내시경 프로브에서 카메라가 제외된 구성 외에 동작 및 구성이 유사하므로, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 프런트 뷰잉(front viewing) 타입 또는 사이드 뷰잉 타입(side viewing) 타입일 수 있다.
후술하는 도면에 도시된 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)에서 투명 초음파 센서는 초음파 신호를 포커싱하거나 방사할 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 프런트 뷰잉 타입의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 끝단에서 정면으로 초음파(a)를 송수신하는 투명 초음파 센서(111)의 후면에 광 섬유 레이저부(112)가 위치하여 투명 초음파 센서(111)를 통해 광(c)을 방출할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 투명 초음파 센서(111)와 광 섬유 레이저부(112) 사이에 광학 렌즈(117)를 배치하여 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광(c)을 포커싱할 수 있다. 광학 렌즈(117)는 GRIN 렌즈, ball 렌즈, convex 렌즈 등 다양할 수 있다.
도 4c를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 투명 초음파 센서(111)와 광 섬유 레이저부(112) 사이에 복수의 광학 렌즈(117)를 배치하여 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광(c)을 퍼트리는 각도 및 거리를 조절할 수 있다. 이때의 광학 렌즈(117)는 빛을 퍼뜨릴 수 있는 모든 렌즈 또는 디퓨저 등이 해당될 수 있다.
한편, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 반사판을 더 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c는 프런트 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터에 반사판이 추가된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 프런트 뷰잉 타입의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 반사판(118)을 더 포함하여, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)의 측면으로, 초음파를 송수신할 수 있고, 광을 방출할 수 있다. 마찬가지로, 카메라(미도시)가 포함되는 경우 대상물의 이미지를 획득할 수 있다. 반사판(118)은 투명 초음파 센서(111)의 앞단에 배치되어, 투명 초음파 센서(111)의 초음파와 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광의 각도를 변경시킬 수 있다.
도 6a 내지 도 6i는 사이드 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터에 반사판이 추가된 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터의 개략적인 구성도이다.
도 6a 내지 도 6i를 참조하면, 사이드 뷰잉 타입의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브 또는 카테터(110)는 초음파(a)를 송수신하는 투명 초음파 센서(111)의 후면에 광 섬유 레이저부(112)가 위치하여 투명 초음파 센서(111)를 통해 광(c)을 방출할 수 있으며, 투명 초음파 센서(111)와 광 섬유 레이저부(112) 사이에 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광의 각도를 변경시킬 수 있는 반사판(118)을 포함할 수 있다. 더하여, 반사판(118)과 광 섬유 레이저부(112) 사이에 광학 렌즈(117)를 배치하여 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광(c)을 포커싱하거나, 복수의 광학 렌즈(117)를 배치하여 광 섬유 레이저부(112)로부터의 광(c)을 퍼트리는 각도 및 거리를 조절할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 반사판의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에는 다양한 형태의 반사판이 사용될 수 있다. 반사판의 예시로는, 반사 거울, 프리즘, 빔스플리터, 다이크로익 거울 등이 대표적으로 있으며, 빛 또는 초음파를 반사시킬 수 있는 모든 형태의 반사판을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치의 개략적인 구성도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치(200)는 사이드 뷰잉 타입 프로브 또는 카테터인 경우 내시경 프로브 또는 카테터(210), 스캐닝부(220) 및 프론트엔드부(230)를 포함할 수 있다.
내시경 프로브 또는 카테터(210)는 사전에 설정된 대상체에 삽입되어 촬영하고자 하는 대상물의 초음파 이미지, 광음향 이미지 등을 획득할 수 있다.
스캐닝부(220)는 케이블을 통해 연결된 내시경 프로브 또는 카테터(210)의 스캐닝을 제어할 수 있다. 즉 스캐닝부(220)는 내시경 프로브 또는 카테터(210)을 360도 회전시켜 대상물의 초음파 이미지, 광음향 이미지 등을 획득하는 스캐닝 동작을 제어할 수 있다.
스캐닝부(220)는 모터(221), 광섬유 회전 관절부(222) 및 슬립링(slip sing)(223)을 포함할 수 있다.
모터(221)는 내시경 프로브 또는 카테터(210)를 회전시키는 토크를 제공할 수 있다. 광 섬유 회전 관절부(222)는 모터(221)의 토크에 따라 회전되는 내시경 프로브 또는 카테터(210)에 연결되어 회전하는 광 섬유 케이블(fiber b)과 프런트 엔드부(230)에 연결되어 고정된 광 섬유 케이블(fiber a) 간의 동축 정렬을 제공할 수 있다. 고정된 광 섬유 케이블(fiber a)와 모터에 의해 회전하는 광 섬유 케이블(fiber b) 간은 대략 수 um 이격되어 있으며, 점선과 같이 고정된 광 섬유 케이블(fiber a)로부터 회전하는 광 섬유 케이블(fiber b)로 레이저가 전달될 수 있고, 광 섬유 회전 관절부(222)는 모터(221)의 토크에 따라 회전되는 내시경 프로브 또는 카테터(210)에 연결되어 회전하는 광 섬유 케이블(fiber b)과 프런트 엔드부(230)에 연결되어 고정된 광 섬유 케이블(fiber a) 간에 동축 정렬을 제공하여 점선과 같이 고정된 광 섬유 케이블(fiber a)로부터 회전하는 광 섬유 케이블(fiber b)로 레이저가 전달되도록 할 수 있다. 슬립링(223)는 프런트 엔드부(230)에 연결되어 고정된 신호선(line b)과 모터(221)에 의해 회전하는 내시경 프로브 또는 카테터(110)에 연결되어 회전하는 신호선(line b) 간의 전기적 연결을 제공할 수 있다.
프론트엔드부(230)는 광 섬유 케이블(fiber a)를 통해 레이저를 제공하는 레이저 소스(231)과 신호선(line a)를 통해 내시경 프로브 또는 카테터(210)에 초음파 신호를 송신하고 반사된 초음파 신호를 수신하여 신호 처리하며, 획득한 광음향 이미지 등을 신호 처리하여 디스플레이하는 신호 처리부(232)를 포함할 수 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 정면도이고, 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서의 배면도이며, 도 10운 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 개략적인 일 방향 단면도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치에 채용된 투명 초음파 센서의 개략적인 분해 사시도이다.
도 9a 및 도 9b에 도시한 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서(111)는 원형의 평면 형상을 갖는 원형 형태를 갖고 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 9a 및 도 9b 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서(111)는 우측에서부터 보호층(111-1), 보호층(111-1) 뒤에 위치하는 음향 렌즈를 갖는 정합부(111-3), 정합부(111-3)뒤에 위치하는 위치하는 압전부(111-5), 압전부(111-5)와 연결되어 있는 제1 및 제2 하우징(111-7a, 111-7b), 압전부(111-5) 뒤에 위치하는 후면층(111-6), 제1 및 제2 하우징(111-7a, 111-7b) 사이에 위치하는 절연부(111-8), 그리고 제2 하우징(111-7b) 뒤에 위치하는 보정 렌즈부(111-9)를 구비할 수 있다.
보호층(111-1)은 투명 초음파 센서(111)를 물리적 및 전기적으로 보호하고, 초음파 신호를 조사하고자 하는 매질, 즉 대상물과의 음향 임피던스 (acoustic impedance)의 차이를 줄이기 위한 것이다. 따라서, 보호층(111-1)은 보호 기능을 구비하고 있고 액체(예, 물)와 생체 간의 음향 임피던스 매칭을 실시하는 정합층으로 동작할 수 있다.
이러한 보호층(111-1)은 투명한 물질로 이루어질 수 있다. 한 예로, 보호층(111-1)은 투명한 폴리머(polymer)인 파릴렌(parylene)를 함유할 수 있다.
본 예에서, 보호층(111-1)의 음향 임피던스는 약 284 Mrayls일 수 있다.
이러한 보호층(111-1)은 도 10 및 도 11에 도시한 것처럼, 압전부(111-5)의 전면 및 측면 그리고 투명 초음파 센서(111)의 가장 가장자리에 위치하고 있는 제2 하우징(111-7b)의 측면에 위치할 수 있다.
따라서, 보호층(111-1)은 결국 투명 초음파 센서(111)의 전면과 측면을 구성할 수 있다.
보호층(111-1) 뒤에 위치하는 정합부(111-3)는 압전부(111-5)에서 발생되는 초음파 신호를 조사하고자 하는 매질, 즉 대상물과의 음향 임피던스(acoustic impedance)의 차이를 줄이기 위한 것이다.
즉, 압전부(111-5)의 동작에 위해 초음파 신호가 생성될 때, 공기가 아닌 물, 생체조직 또는 다른 매질내에서의 효율적인 초음파 신호의 전달을 위해서는 해당 매질의 음향 임피던스를 최대한 조정해야 초음파 에너지의 손실을 최소화할 수 있다.
본 예의 정합부(111-3)의 각 음향 렌즈는 빛과 초음파 신호의 초점 조절이 가능한 음향 렌즈를 이용한 포커싱 타입(focused type)일 수 있다.
이와 같이, 정합부(111-3)가 초점 조절 기능을 구비하고 있으므로, 대상물에 의해 반사되어 투명 초음파 센서(111)로 입사되는 초음파 신호는 정확하게 압전부(111-5)의 원하는 위치에 맺히게 된다.
따라서 이러한 정합부(111-3)의 초점 조절 기능에 의해, 압전부(111-5)에서 출력되는 초음파 신호에 의해 획득되는 초음파 영상의 초점 조절이 이루어져 선명한 초음파 영상이 획득될 수 있다.
이로 인해, 투명 초음파 센서(111)의 동작에 의해 획득되는 영상의 선명도가 향상되어 초음파 신호가 조사된 대상물의 원하는 부위에 대한 선명한 영상 획득이 이루어질 수 있다.
또한 정합부(111-3)가 음향 렌즈를 이용하므로 표면의 굴곡이 일정하고 표면의 투명도가 향상되어 대상물로 조사되거나 대상물로부터 반사되는 초음파 신호의 송수신 시 초음파 신호의 손실량을 감소시킬 수 있다.
또한, 필요에 따라 정합부(111-3)에 추가적인 투과막이나 차단막을 형성하여 원하는 파장대의 신호만을 투과하거나 차단할 수 있다.
정합부(111-3)에 구비된 음향 렌즈는 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 및 투명한 실리콘류 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
이러한 음향 렌즈는 음향 렌즈의 기능에 따라 선택될 수 있다.
예를 들어, 음향 렌즈가 음향 임피던스의 정합 기능을 실시하는 정합층으로 기능하는 경우, 압전부(111-5)에 구비되어 있는 압전물질이 PVDF나 PVDF-TrFE 등의 폴리머(polymer) 형태가 아닌 경우에는 음향 렌즈는 유리류로 제작되는 것이 좀 더 바람직할 수 있다
즉, 압전 물질이 LNO(lithium niobite)나 PMN-PT로 이루어지는 경우, 음향 임피던스가 30~40Mrayls로 높으나, 유리류의 경우 10~15Mrayls으로 낮아 음향 임피던스의 매칭에 용이한 음향 임피던스 수치를 갖고 있고, 또한 투명도가 매우 좋아, 압전 물질이 폴리머 형태가 아닌 경우에는 음향 렌즈를 유리류로 제작될 수 있다.
하지만, 음향 임피던스의 정합 기능을 수행하는 정합층이 이미 제작되어 있는 경우, 음향 렌즈는 투명한 에폭시류나 투명한 실리콘류로 제작될 수 있다.
즉, 대략 30~40 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 압전 물질과 대략 1~2 Mrayls의 음향 임피던스를 가지는 생체조직이나 물(즉, 초음파를 조사하고자 하는 매질) 사이에 정합 기능을 수행하는 정합층(대략 7~20 Mrayls)이 이미 존재하면 별도의 음향 임피던스 매칭 동작이 불필요하여 생체조직이나 물과 비슷한 음향 임피던스를 가지는 에폭시류나 실리콘류(대략 1~3 Mrayls)가 적절하다. 즉, 에폭시류와 실리콘류의 음향 임피던스는 생체조직이나 물과 거의 비슷한 음향 임피던스를 갖고 있으므로, 별도의 음향 임피던스 매칭이 불필요하기 때문이다.
또한, 음속(speed of sound)과 음향 렌즈의 재료에 대한 음속을 고려하여, 음향 렌즈의 곡면에 대한 곡률과 오목인지 볼록인지 결정할 수 있다.
예를 들어, 음향 렌즈를 유리류로 제작하는 경우, 광학 렌즈를 사용할 수 있다. 이때, 유리류는 물보다 광속이 빨라 평오목(plano-concave)과 같은 오목 형태로 음향 렌즈가 설계될 수 있다(도 12a 참조).
음향 렌즈가 투명한 에폭시류로 제작되는 경우, 1차적으로 제작된 음향 렌즈에 연마 공정을 실시해 최대한 투명도를 향상시켜 최종적으로 음향 렌즈를 완성해야 한다. 이처럼, 음향 렌즈가 에폭시류로 이루어진 경우에도, 에폭시류 가 물보다 광속이 빨라 음향 렌즈 역시 평오목 형태로 제작될 수 있다.
음향 렌즈가 투명한 실리콘류로 제작되는 경우에도 에폭시류의 경우와 같이, 별도의 연마 공정을 실시하여 완성된 음향 렌즈를 최대한으로 향상시켜야한다. 이 경우, 실리콘류는 물보다 광속이 느리기 때문에 유리류와 에폭시류의 경우와는 달리 음향 렌즈는 평볼록(plano-convex) 형태와 같은 볼록 형태로 제작될수 있다(도 12b 참조). 이처럼, 음향 렌즈가 평볼록 형태로 제작되는 경우에, 음향 렌즈는 빛을 모으는 기능을 가질 수 있다.
압전부(111-5)는, 도 10 및 도 11에 도시한 것처럼, 압전층(111-5a), 압전층(111-5a)의 뒷면과 앞면에 각각 위치하는 제1 및 제2 전극층(111-5b, 111-5c)을 구비할 수 있다.
압전층(111-5a)는 압전 효과 및 역압전 효과가 발생하는 층으로서, 이미 기술한 것처럼, LNO(lithium niobite), PMN-PT, PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나인 압전 물질을 함유할 수 있다
LNO의 전기기계 결합 계수(electromechanical coupling coefficient)는 약 0.49로 매우 높아 그 만큼 전기-기계 에너지 변환 효율이 매우 좋다.
또한, LNO는 유전율(dielectric permittivity)이 낮아서, 압전층(111-5a)이 LNO로 이루어지는 경우 커다란 개구부를 갖는 단일 소자 트랜스듀서(large aperture single element transducer)에 투명 초음파 센서의 사용이 적합할 수 있다.
또한, LNO는 퀴리온도(Curie temperature)가 높아서 고온에서도 잘 견딜 수 있어, 내열성이 양호한 투명 초음파 센서(111)의 개발이 이루어질 수 있다.
이에 더해, 압전층(111-5a)을 LNO로 형성하는 경우, 10 내지 400MHz 중심 주파수를 갖는 단일 소자 초음파 센서의 개발도 용이하게 이루어질 수 있다.
압전층(111-5a)이 PMN-PT를 함유하는 경우, PMN-PT의 압전 성능 (piezoelectric performance)(d33 ~ 1500-2800 pC/N) 및 전기기계 결합 계수 (k>09)가 매우 높으므로, 투명 초음파 센서(111)의 성능이 향상될 수 있다.
이러한 PMN-PT는 LNO와 달리 유전율이 높아서 작은 구경의 단일 또는 어레이 초음파 트랜스듀서(small aperture single or array ultrasound transducer)에 적합한 투명 초음파 센서(111)의 개발이 이루어질 수 있다.
또한, 압전층(111-5a)이 PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나를 함유하는 경우, 다음과 같은 특징을 가질 수 있다.
PVDF 및 PVDF-TrFE은 폴리머막(Polymer film) 형태를 갖고 있고 가요성(flexible)을 갖고 신장 가능한(stretchable) 압전층(111-5a)의 제작이 가능할 수 있고, 이로 인해 압전층(111-5a)의 두께를 감소시킬 수 있고 얇아진 두께만큼 약 100MHz대의 높은 주파수 대역의 신호를 위한 투명 초음파 센서(111)로의 제작이 가능할 수 있다.
또한 PVDF 및 PVDF-TrFE은 비교적 낮은 전기기계 결합 계수 와 높은 수신 상수(receiving constant)를 갖고 있고, 다른 압전 물질에 비해 넓은 대역폭을 갖고 있으며, 단일 소자나 어레이 형태의 소자 모두 제작이 용이할 수 있다
여기서 단일 소자(예, 단일 초음파 트랜스듀서)는 압전 물질을 포함한 모든 구성의 개수가 1개인 초음파 트랜스듀서를 의미할 수 있다. 또한, 어레이 형태의 소자(예, 어레이 초음파 트랜스듀서)는 압전 물질을 포함한 모든 구성의 개수가 복수 개(n개)인 초음파 트랜스듀서일 수 있고, 일반적으로 병원에서 주로 사용하는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 형태는 리니어(linear) 형태, 볼록(convex)형태, 2D 매트릭스(matrix)등일 수 있다.
본 예의 경우, PMN-PT와 비슷하게 작은 구경의 단일 또는 어레이 초음파 트랜스듀서 모두 제작이 가능할 수 있다.
이러한 압전층(111-5a)의 물질 특징은 다음의 표에 같이 요약될 수 있다.
(표)
압전층(111-5a)의 전면과 후면에 각각 위치하는 제1 및 제2 전극층 (111-5b, 111-5c)은 도시하지 않는 구동신호 발생기로부터 (+) 구동 신호와 (-) 구동 신호를 각각 수신하여 압전층(111-5a)에 역압전 효과를 발휘해 초음파 신호가 대상물 (200) 쪽으로 전달될 수 있도록 하고, 반대로, 대상물에 의해 반사되어 수신되는 초음파 신호에 의한 압전층(111-5a)의 압전 효과에 의해 생성되는 전기 신호를 수신해 외부로 출력할 수 있도록 한다.
이러한 제1 및 제2 전극층(111-5b, 111-5c)은 이미 기술한 것처럼 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, AgNW(은나노와이어), ITO, 탄소나노 튜브 및 그래핀(graphene) 중 적어도 하나를 함유할 수 있다.
도 10에 도시한 것처럼, 제1 하우징(111-7a) 및 제2 하우징(111-7b)과의 용이한 결합을 위해, 제1 전극층(111-5b)의 크기와 제2 전극층(111-5c)의 크기는 서로 상이할 수 있다.
따라서, 도 10에 도시한 것처럼, 원형의 평면 형상을 갖는 제1 및 제2 전극층(111-5b, 111-5c)에서, 제2 전극층(111-5c)이 직경(또는 지름)은 제1 전극층(111-5b)의 직경과 상이하여, 제2 전극층(111-5c)의 일부(예, 가장자리부)는 제1 전극층(111-5b)의 가장자리부에서부터 외부로 도출될 수 있다.
압전 물질에 전기적 신호(예, 펄스 신호)를 가하게 되면 압전 물질(즉, 압전층(111-5a))이 앞뒤로 진동하여 초음파 신호를 발생하는데 대상물을 향해 있는 압전층(111-5a)의 전면뿐만 아니라 그 반대인 후면으로도 초음파 신호가 발생한다.
이때, 후면으로 발생한 초음파 신호는 대상물로 향하지 않기때문에 이처럼 후면에서 발생하는 초음파 신호는 노이즈 신호로 작용하게 된다.
또한, 대상물에 의해 반사되어 되돌아오는 초음파 신호의 일부는 정합부(111-5)를 통과하여 보정 렌즈부(111-9) 쪽으로 출력될 수 잇다.
따라서, 후면층(111-6)은 압전부(111-5)의 후면에 위치하여 압전부(111-5)의 후면에서 발생하는 초음파 신호를 감쇠시키고 대상물에 의해 반사되는 초음파 신호를 감쇠하는 역할을 수행할 수 있다.
이처럼, 후면층(111-6)이 압전부(111-5)의 후면(즉, 반사되는 초음파 신호가 입사되는 압전부(111-5)의 전면의 반대편에 위치한 면)에 위치하므로, 입사되는 초음파 신호는 압전부(111-5)이 후면을 통과하지 않게 된다.
이로 인해, 압전부(111-5)의 후면을 통과하는 초음파 신호에 의한 불필요한 신호 간섭을 방지하며, 압전부(111-5)로 반사되는 초음파 신호의 손실을 방지하여 링 다운 신호(ring down signal)를 감소시켜 링 다운 현상을 줄일 수 있다.
링 다운이란 불필요한 신호들이 시간 축으로 길게 늘어져 있는 현상으로서, 영상 생성에 악영향을 미치는 요인이다.
따라서, 후면층(111-6)은 이러한 링 다운 현상을 줄이기 위해 음향 임피던스와 두께 중 적어도 하나를 조정하여 적절한 후면층(111-6)을 제작할 수 있다.
높은 음향 임피던스를 가지는 물질로 후면층(111-6)을 제작하면 링 다운 현상이 감소하고, 시간 축에서 링다운 현상이 줄어든다는 것은 주파수 영역에서 대역폭이 넓어진다는 의미와 유사하다. 하지만, 그 대신 초음파 신호의 송수신 시 전체 초음파 신호의 크기 또한 후면층(111-6)에 의해 감쇠될 수 있다.
반대로, 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 가지는 물질로 후면층(111-6)을 제조하면 링 다운 현상을 크게 감소하지 않지 않고 대역폭이 감소하지만, 초음파 신호의 송수신 양을 증가시킬 수 있다.
후면층(111-6) 역시 투명한 비도전성 물질로 이루어질 있고, 예를 들어, 투명한 에폭시류(예, Epotek301)나 투명한 유리류로 이루어질 수 있다.
후면층(111-6)이 Epotek301로 이루어지는 경우, 음향 임피던스가 31Mrayls로 낮은 음향 임피던스를 갖는 경우 낮은 신호 감쇠(damping)가 이루어져 투명 초음파 센서(111)는 비교적 높은 신호 획득이 가능해질 수 있다.
또한, Epotek301는 380 nm ~ 2000 nm 파장에서 약 95% 이상의 투명 도를 갖는 것과 같이 매우 높은 투명도를 갖고 있고, 상온에서 경화가 이루어지므로 후면층(111-6)의 제조가 용이하다.
후면층(111-6)이 유리로 이루어지는 경우, 투명도와 평탄도가 높고 별도의 경화 공정이 불필요하다.
유리가 약 13 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 경우, 후면층(111-6)에서 높은 신호 감쇄 작용으로 펄스 길이(pulse length)가 줄어들어 링 다운 효과가 감소하지만 투명 초음파 센서(111)의 주파수의 대역폭을 증가시키는 효과가 발휘될 수 있다.
이러한 후면층(111-6)은 필요에 따라 생략될 수 있다.
제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)는 이미 기술한 것처럼 각각 제1전극층(111-5b)과 제2 전극층(111-5c)에 연결되어 있다. 따라서, 이러한 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)는 전기 신호의 전달이 이루어지는 도전성 물질(예를 들어, 구리)을 함유한 투명한 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
따라서, 제1 하우징(111-7a)은 도 3에 도시한 것처럼 제1 신호선(L1)을 통해 해당 신호를 수신 받아 제1 전극층(111-5b)으로 전달하고, 반대로 제1 전극층(111-5b)로부터 인가되는 신호를 제1 신호선(L1)으로 출력할 수 있다.
제2 하우징(111-7b) 역시 제1 신호선(L1)과는 별개의 신호선인 제2 신호선(L2)을 통해 해당 신호를 수신 받아 제2 전극층(111-5c)으로 전달하고, 반대로 제2 전극층(111-5c)으로부터 인가되는 신호를 제2 신호선(L2)으로 출력할 수 있다.
본 예에서, 제1 신호선(L1)으로 입력되는 신호는 펄스 신호일 수 있고, 제2 신호선(L2)으로 유입되는 신호가 접지 신호나 쉴드 신호(-)일 수 있어, 제1 하우징(111-7a)은 펄스 신호를 제1 전극층(111-5b)으로 전달하고 제2 하우징(111-7b)는 접지 신호를 제2 전극층(111-5c)으로 전달할 수 있다.
이러한 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)은 도 4에 도시한 것처럼 링(ring) 형상을 갖고 있고, 각 접해 있는 해당 전극층(111-5b, 111-5c)의 가장자리부, 즉 원형의 측면과 접하게 위치할 수 있다.
즉, 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b) 내부에 위치한 빈 공간 속으로 제1 전극층(111-5b)과 제2 전극층(111-5c)이 삽입되어 장착될 수 있다.
따라서, 도 9에 도시한 것처럼, 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)은 투명 초음파 센서(111)이 실제 액티브 영역(AR1)에 주변에서 에워싸게 위치하여, 제1 및 제2 하우징(111-7a, 111-7b), 실질적으로는 제1 하우징(111-7a)에 의한 액티브 영역(AR1)의 감소를 최소화할 수 있다.
이처럼 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)은 전기 신호를 해당 전극층(111-5b, 111-5c)에 전달하는 역할을 수행하므로, 전도성이 양호한 물질을 함유할 수 있다.
제1 하우징(111-7a)은 빛의 수신이 이루어지는 압전층(111-5a)의 후면 전체에 위치하고 있는 제1 전극층(111-5a)의 가장자리부(즉, 테두리부)에 위치하므로, 최대한 얇은 폭(W11)을 가지는 것이 좋고, 배선 저항 등으로 인한 신호의 손실율을 최소화하기 위해 최대한 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
제2 하우징(111-7b)은 도 9 및 도 10에 도시한 것처럼 제1 전극층(111-5b) 보다 큰 직경을 갖는 제2 전극층(111-5c)과 결합되므로, 제1 하우징(111-7a)보다 큰 직경을 갖고 있다.
또한, 제2 하우징(111-7b)은 제1 하우징(111-7a)보다 외각에 위하여 투명 초음파 센서(111)를 보호하는 역할을 수행하므로, 제1 하우징(111-7a)의 폭과 두께보다 큰 폭과 두께를 가질 수 있다.
따라서, 도 10에 도시한 것처럼, 제2 하우징(111-7b) 내에 제1 전극층(111-5b)과 제1 하우징(111-7a)이 위치할 수 있다.
또한, 이미 기술한 것처럼, 외부로 노출되는 제2 하우징(111-7b)의 외측면은 보호층(111-1)으로 덮여 있어 노이즈 신호가 제2 하우징(111-7b)을 통해 투명 초음파 센서(111)로 유입되지 못하도록 한다.
도 10 및 도 11에 도시한 것처럼, 제2 하우징(111-7b)은 압전층(111-5a)의 광 수신 면적에 영향을 미치지 않으므로, 크기는 필요에 따라 증가시킬 수 있다.
또한, 제2 하우징(111-7b)에 나사선(111-7b1)이나 커넥터 등을 형성하여 제2 하우징(111-7b)에 원하는 광학 부품을 결합할 수 있다. 이런 경우, 제2 하우징(111-7b)은 다른 부품과의 결합을 위한 결합부로서 기능할 수 있다.
절연부(111-8)는 각 해당하는 전기 신호를 해당 전극층(111-5b, 111-5c)에 전달하는 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b) 사이에 해당 하우징(111-7a, 111-7b)과 접하게 위치하여 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)을 절연하여 전기적인 합선이나 쇼트(short)를 방지할 수 있도록 하며, 제1 하우징(111-7a)과 제2 하우징(111-7b)의 위치를 고정하는 역할을 수행할 수 잇다.
이러한 절연부(111-8)는 비전도성 에폭시와 같이 투명한 절연 물질로 이루어질 수 있다. 정합부(111-3)가 한 예로서, 평오목(plano-concave)한 형태의 음향 렌즈를 사용하는 경우, 대상물에서 반사되어 입사되는 빛과 초음파 신호는 정합부(111-3)의 음향 렌즈에 의해 초점이 조절되지만 정합부(111-3)를 통과한 후에는 빛퍼짐 현상이 발생할 수 있다(도 13a 참고).
따라서, 정합부(111-3)에 사용된 음향 렌즈의 형상과 반대인 평볼록(plano-convex)한 형태의 보정 렌즈부(111-9)를 후면층(111-7) 앞에 위치시키며 이러한 빛의 굴절 현상을 보상하여 빛 퍼짐 현상을 방지할 수 있다(도 13b 참고).
이때, 보정 렌즈부(111-9)의 곡률은 최종적으로 빛을 어느 위치에 위치시키는 지에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.
이처럼, 보정 렌즈부(111-9)는 초음파 신호의 초점에 무관하게 빛의 초점에만 영향을 미치지만, 정합부(111-3)의 음향 렌즈는 초음파 신호의 초점과 빛의 초점 모두에게 영향을 미칠 수 있다.
이러한 보정 렌즈부(111-9)는 필요에 따라 생략될 수 있고, 또한, 보정 렌즈부(111-9)를 변경하여 빛의 초점 거리를 조정할 수 있다.
또한, 보정 렌즈부(111-9)는 반사되어 수신되는 초음파 신호의 초점과 빛의 초점을 동시에 조절하는 공초점 기능을 가질 수 있다. 하지만, 보정 렌즈부(111-9)가 공초점 기능을 구비할 경우, 투명 초음파 센서(111)를 통과하기 전의 빛의 형태를 고려하여 보정 렌즈부(111-9)를 설계해야 한다.
본 예에서, 보정 렌즈부(111-9)는 한 매의 렌즈를 구비하지만, 이에 한정되지 않고 평볼록 렌즈와 같은 한 매의 렌즈 이외에도 수차 보정을 위한 렌즈를 추가적으로 구비하여, 복수 매의 렌즈를 구비할 수 있다.
이러한 구조를 갖고 투명 초음파 센서(111)의 액티브 영역(AR1)에 위치하는 모든 구성요소(예, 111-1~111-6, 111-9)가 빛의 투과가 이루어지는 투명한 재료로 이루어져 있는 본 예의 투명 초음파 센서(111)의 특징을 다음과 같을 수 있다.
먼저, 정합부(111-3)의 동작에 의해 광학 임피던스의 매칭, 즉 정합이 이루어지므로 투명 초음파 센서(111)에서 출력되는 신호의 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 정합부(111-3)에 사용된 초점 조절 기능을 구비한 음향 렌즈의 사용으로 인해, 대상물에 의해 반사되는 빛과 초음파 신호의 초점 조절이 이루어져 압전부(111-5)의 정확히 원하는 위치에 빛과 초음파 신호가 맺히게 할 수있다. 이로 인해, 투명 초음파 센서(111)에서 출력되는 신호에 의해 획득되는 초음파 영상의 선명도가 크게 향상되어, 해당 대상물의 존재 여부뿐만 아니라 감지된 대상물의 정확한 형상도 파악할 수 있게 된다.
또한, 이미 기술한 것처럼, 투명 초음파 센서(111)를 이루는 구성 요소(예, 11-16, 19)가 투명한 유리류, 투명한 에폭시류, 투명한 실리콘류와 같이 모두 투명한 재료로 이루어져 있으므로, 광 섬유 레이저부(112)에서 출력되는 빛은 바로 투명 초음파 센서(111)를 통과하여 해당 대상물 쪽으로 조사될 수 있다.
이로 인해, 투명 초음파 센서(111)를 구비한 광학 시스템의 배치가 자유롭고 광학 시스템이 설치되는 공간의 활용도가 향상될 수 있다.
또한, 사용자의 필요에 따라 보정 렌즈부(111-9)를 선택적으로 사용할 수 있으며, 보정 렌즈부(111-9)를 변경하여 빛의 초점 거리를 조절할 수 있다.
또한, 음향 렌즈로서 400-1000nm용 코팅을 한 평오목 형태의 광학 렌즈가 사용되는 경우, 400-1000 nm에서 빛의 투과가 잘 이루어져, 초음파 영상의 선명도가 향상될 수 있다.
평오목 형태의 광학 렌즈를 음향 렌즈(111-3)로 사용하는 경우, 음향 렌즈에 의한 빛의 퍼짐 형상은 발생하나 보정 렌즈부(111-9)에 의한 빛 퍼짐 형상이 보완되고 원하는 지점에 빛의 초점을 조정할 수 있다. 이처럼, 보상 렌즈의 사용에 의해 음향 렌즈의 선택의 폭이 넓어질 수 있다.
이러한 음향 렌즈(111-3)와 보정 렌즈부(111-9)에 의한 초점 조절에 의해 빛의 형상(shape)이 유지되고, 이로 인해, 미세한 포커스가 유지 될 수 있어 고해 상도의 광학 영상(예, 광음향 영상이나 광간섭 단층촬영 영상)이 획득될 수 있다.
또한, 투명 초음파 센서(111)의 하우징을 구성하는 제1 및 제2 하우징 (111-7a, 111-7b)에 각각 제1 및 제2 신호선(L1, L2)을 연결하여 투명 초음파 센서(111)의 제1 및 제2 전극(111-5b, 111-5c)으로의 전기 신호를 인가하므로, 신호선(L1, L2)의 연결을 용이하게 실시할 수 있다.
더욱이, 외측 하우징인 제2 하우징(111-7b)에 나사선(111-7b1) 등을 형성하여 다른 광학 소자와의 연결이나 결합을 용이하게 할 수 있다. 이처럼, 광학 모듈(100)에서 출사되는 빛의 경로와 전혀 무관한 부분에 위치하고 있는 제2 하우징(111-7b)에 필요한 광학 소자의 결합이 이루어지므로, 빛은 정상적으로 손실없이 투명 초음파 센서(111)의 압전부(111-5)로 입사되고 또한 투명 초음파 센서(111)의 중심을 법선 방향으로 통과하므로 빛과 초음파 신호와의 정렬이 용이하게 이루어질 수 있다.
여기서 수직의 의미는 빛이 투명 초음파 센서(예, 투명 초음파 트랜스듀서)의 입사면과 수직을 이루는 방향으로 직진한다는 의미일 수 있다.
이처럼, 수직으로 빛을 초음파 센서로 입사시킬 경우, 빛과 초음파 신호의 초점 위치가 정확히 일치할 수 있어, 투명 초음파 센서로부터 얻어지는 영상의 선명도는 더욱 향상될 수 있다.
이미 기술한 것처럼, 공기와 매질 간의 음향 임피던스 차이에 따른 매질 내에서의 초음파 에너지 손실을 최소하기 위한 정합층이 존재할 수 있다.
이러한 정합층은 1개 이상일 수 있다.
비교예에서, 이러한 정합층의 형성을 다음과 같이 이루어질 수 있다.
초음파 신호의 매질이 물이나 생체조직(15 Mrayls)이라고 할 때, 압전층이 LNO(345 Mrayls) 또는 PMN-PT(371 Mrayls)의 경우 초음파 에너지의 최대 송수신 효율을 위해 음향 임피던스 매칭이 필요하다. 이런 경우, 371 Mrayls에서 15 Mrayls 사이가 되는 물질로 1개 이상이 정합층이 필요할 수 있다.
이때, KLM simulation tool(PiezoCAD, PZFLEX 등)을 이용하여 특정 매칭층을 생성하였을 때 물이나 생체조직에서 전달되는 초음파 신호의 파형을 시뮬레이션을 통해 확인하여 적절한 정합층의 물질을 찾아야 하고, 생성된 정합층의 두께 또한 초음파 파형의 영향을 미치기 때문에 두께 역시 파형에 영향을 크게 주므로 정합층의 두께를 조절하며 적절한 두께를 찾아야 한다. 이론적으로 파동 에너지의 최소 손실의 두께는 파동 방정식에 의해 원하는 λ/4의 두께에서 최소 손실이된다(c = λ*f, c: speed of sound 약 1480 m/s, λ: 파장, f: 원하는 중심 주파수)
통상적인 초음파 센서에서는 흔히 실버 파우더(silver powder)와 에폭시(epoxy)의 혼합물(79 Mrayls)로 첫번째 정합층을 생성한다. 이때, 실버 파우더와 에폭시의 혼합 비율에 따라 음향 임피던스의 조절이 가능하며, 한 예로, 실버파우더:에폭시 = 3:125일 수 있다.
그런 다음, 파릴렌(28 Mrayls) 코팅을 통해 두번째 정합층을 생성할 수 있다.
압전층이 PVDF 또는 PVDF-TrFE인 경우(약 4 Mrayls)에는 파릴렌 코팅만을 사용하여 하나의 정합층을 생성할 수 있다. 여기서 파릴렌 코팅에 의해 형성된 정합층은 정합층의 역할뿐만 아니라 외부로부터 보호 및 절연의 역할도 수행할 수 있다.
하지만, 본 예에 따른 투명 초음파 센서(111)의 경우에는 액티브 영역(AR1)에 위치하는 구성요소(예, 11-16, 19)가 투명하므로, 압전층을 구성하는 LNO나 PMN-PT의 경우 유리를 이용하여 정합층(111-3)을 생성할 수 있다. 이때, 유리의 원재료(예, borosilicate glass =13 Mrayls, Crown glass=142 Mrayls, Quartz=145 Mrayls, plate glass = 107 Mrayls, sodalime glass = 13 Mrayls)에 따라 조금씩 달라서 원하는 유리를 적절하게 선택하여 사용할 수 있다.
그런 다음, 두번째 정합층(예, 2~6 Mralys)으로는 투명한 에폭시류나 실리콘류(예, PDMS)를 사용하여 생성할 수 있고, 세번째 정합층으로는 팔리렌 코팅을 이용하여 생성할 수 있다. 이 때, 두번째 정합층의 생성은 생략하고 바로 파릴렌 코팅을 이용하여 첫 번째 정합층(예, 13) 위에 두 번째 정합층(예, 11)을 형성할 수 있다. 이런 경우에도, KLM 시뮬레이션을 통한 결과 시뮬레이션 파형을 이용하여 원하는 정합층의 생성을 실시할 수 있다.
본 예에 따른 투명 초음파 센서(111)에서는 한 예로서 borosilicate로 제작된 공학 렌즈를 첫 번째 정합층으로 사용하고 파릴렌 코팅을 통해 첫 번째 정합층 위에 두 번째 정합층을 형성하여, 음향 임피던스 매칭과 외부로부터 보호 및 신호 절연을 실시하였다.
이미 기술한 것처럼, 이 광학 렌즈는 음향 임피던스 매칭의 기능뿐 만 아니라 압전층에서 발생된 초음파 신호를 집속, 즉 포커싱하는 역할도 수행할 수 있다.
투명 초음파 센서(111)는 주로 영상 획득 용도로 사용되었기 때문에 초음파 신호의 집속은 높은 해상도 및 높은 민감도(sensitivity)에 큰 영향을 미치는 요소이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치에 의해 획득한 광음향 영상 결과를 나타내는 도면이다.
도 14를 참조하면, 4.0 mm 홀에 머리카락을 붙이고, 4.0 mm 홀에 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치의 카테터를 삽입하여 광 음향 이미지 획득이 가능한지를 실험하였으며, 도시된 바와 같이, 카테터를 앞, 뒤로 움직이고 회전시키면서 획득한 3D 데이터를 단면 영상, X-Y plane, X-Y plane 등으로 표현한 것이다. 머리카락으로 측정한 측면 해상도는 282 um로 확인되었다.
도 15를 참조하면, 4.5 mm 홀에 리프 스켈레톤(leaf skeleton) 팬텀을 말아서 붙이고, 4.0 mm 홀에 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치의 카테터를 삽입하여 광 음향 이미지 획득이 가능한지를 실험하였으며, 도시된 바와 같이, 카테터를 앞, 뒤로 움직이고 회전시키면서 획득한 3D 데이터를 X-Z plane, X-Y plane, X-Y plane 등으로 표현한 것이다.
기존의 불투명 초음파 센서를 사용한 초음파-광음향 내시경 및 혈관내 카테터는 제한적인 공간 내에서 광섬유 및 초음파 센서를 모두 위치시키기가 상당히 어려울 뿐만 아니라, 레이저 시야와 초음파 시야를 동시에 일치시키기가 매우 어렵다. 또한 혈관 내 질병에 대한 정확한 진단을 하기 위해 OCT, 형광, 적외선 등 다양한 방법도 사용될 수 있는데 (각 시스템마다 관찰되는 것이 다름), 제한적인 크기에서 시스템을 개발하기가 매우 힘들다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 초음파 센서를 사용하면 제한적인 공간을 최대한 활용할 수 있으며, 다양한 광학 모듈을 결합하는 데에도 용이하다. 또한, 기존의 초음파 센서를 사용할 경우 광 경로 상에 존재하는 광학계 사용에 제한이 있을 수 있으나 투명 초음파 센서를 사용하면 어느 위치에서 광학계를 사용하는 데에 자유로움이 있다. 더하여, 투명 초음파 센서는 다양한 일반 광학 영상장비와도 결합하여 종합적 정보를 제공할 수 있다. 특히, 내시경이나 카테터는 이미 초음파와 광학 영상(광음향/OCT/형광/NIRS/NIRF 영상 등)을 결합하는 연구가 많이 진행되고 있다. 하지만, 몸속 관이나 혈관 등으로 직접 영상 장비를 삽입해야하는 만큼, 그 크기가 매우 제한된다. 투명 초음파 센서와 광학 영상 장비와의 결합은 크기를 최소화하는데 최적화된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100,200: 본 발명에 따른 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치 또는 카테터 장치
110,210: 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 프로브 또는 카테터
111: 투명 초음파 센서
111-1: 보호층
111-3: 정합부
111-5: 압전부
111-6: 후면층
111-7: 하우징
111-7a: 제1 하우징
111-7b: 제2 하우징
111-8: 절연부
111-9: 보정 렌즈부
112: 광 섬유 레이저부
113: 카메라
114: 석션부
115: 겸자공
116: 워터 노즐
117: 광학 렌즈
118: 반사판
120: 조작부
121: 노브부
122: 석션 밸브
123: 에어/워터 밸브
124: 인스트루먼트 포트
220: 스캐닝부
221: 모터
222: 광 섬유 회전 관절부
223: 슬립링
130,230: 프론트엔드부
131,231: 레이저 소스
132,232: 신호처리부
L1: 제1 신호선
L2: 제2 신호선
line a: 고정된 신호선
line b: 회전하는 신호선
fiber a: 고정된 광 섬유 케이블
fiber b: 회전하는 광 섬유 케이블
110,210: 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 프로브 또는 카테터
111: 투명 초음파 센서
111-1: 보호층
111-3: 정합부
111-5: 압전부
111-6: 후면층
111-7: 하우징
111-7a: 제1 하우징
111-7b: 제2 하우징
111-8: 절연부
111-9: 보정 렌즈부
112: 광 섬유 레이저부
113: 카메라
114: 석션부
115: 겸자공
116: 워터 노즐
117: 광학 렌즈
118: 반사판
120: 조작부
121: 노브부
122: 석션 밸브
123: 에어/워터 밸브
124: 인스트루먼트 포트
220: 스캐닝부
221: 모터
222: 광 섬유 회전 관절부
223: 슬립링
130,230: 프론트엔드부
131,231: 레이저 소스
132,232: 신호처리부
L1: 제1 신호선
L2: 제2 신호선
line a: 고정된 신호선
line b: 회전하는 신호선
fiber a: 고정된 광 섬유 케이블
fiber b: 회전하는 광 섬유 케이블
Claims (60)
- 광을 방출하는 광 섬유 레이저부;
측정하고자 하는 대상물과 상기 광 섬유 레이저부 사이에 배치되어 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광을 투과시키며, 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하는 투명 초음파 센서; 및
상기 투명 초음파 센서를 통해 대상물의 이미지를 획득하는 카메라
를 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제1항에 있어서,
사전에 설정된 물질을 흡입하는 석션부;
사전에 설정된 의료 기능을 수행하는 복수의 겸자공; 및
워터를 분출하는 워터 노즐
중 적어도 하나를 더 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제1항에 있어서,
상기 광 섬유 레이저부로부터의 광의 경로를 사전에 설정된 각도로 변경시키는 반사판
을 더 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 광 섬유 레이저부로부터의 광의 특성을 조절하는 광학 렌즈
를 더 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제4항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 복수개 구비되는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제1항에 있어서,
상기 투명 초음파 센서는,
광학 임피던스 매칭을 실시하고 투명한 재료로 이루어져 있는 정합부;
상기 정합부 뒤에 위치하고 투명한 재료로 이루어져 있는 압전층;
상기 압전층의 후면과 전면에 각각 위치하여 각각 투명한 도전성 물질로 이루어져 있는 제1 전극층 및 제2 전극층;
상기 제1 전극층에 연결되어 있는 제1 하우징; 및
상기 제2 전극층에 연결되어 있는 제2 하우징
을 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제6항에 있어서,
상기 정합부는 음향 렌즈를 구비하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제7항에 있어서
상기 음향 렌즈는 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 평면 렌즈 중 어느 하나의 형태를 갖는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제6항에 있어서,
상기 정합부는 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 및 투명한 실리콘류 중 적어도 하나를 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제6항에 있어서,
상기 투명 초음파 센서의 상기 압전층은 광학적으로 투명한 특성을 지닌 압전 재료인, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제10항에 있어서,
상기 압전층은 LNO, PMN-PT, PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나를 함유하는,투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제6항에 있어서,
상기 투명 초음파 센서의 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 광학적으로 투명한 특성을 지닌 전극인, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 각각 AgNW, ITO, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 하나를 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제6항에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 크기는 서로 상이한, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제14항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 각각 가운데 빈 공간을 갖는 링 형태로 이루어져 있는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제15항에 있어서,
상기 제1 하우징은 상기 제1 전극층의 가장자리부에 접하게 배치되고, 상기 제2 하우징은 상기 제2 전극층의 가장자리부에 접하게 배치된, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제16항에 있어서,
상기 제2 하우징의 내부 공간 속에 상기 압전층, 상기 제1 전극층 및 상기 제1 하우징이 위치하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제16항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 도전성 물질을 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제16항에 있어서,
상기 제1 하우징에 연결되어 있는 제1 신호선과 상기 제2 하우징에 연결되어있는 제2 신호선을 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제15항에 있어서,
상기 제1 전극층에 접하게 위치하고 초음파 신호를 감쇠시키는 후면층을 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제20항에 있어서,
상기 후면층은 상기 제1 하우징으로 에워싸여져 있는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제21항에 있어서,
상기 후면층은 투명한 유리류나 투명한 에폭시류를 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제16항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제1 하우징 사이에 위치하고 투명한 절연 물질로 이루어져 있는 절연부를 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제16항에 있어서,
상기 정합부 앞에 위치하고 음향 임피던스 정합을 실시하는 보호층을 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제24항에 있어서,
상기 보호층은 파릴렌을 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제16항에 있어서,
상기 정합층 뒤에 위치하고 있고 상기 정합층을 통과한 빛의 초점을 조절하며 투명한 재료로 이루어져 있는 보정 렌즈를 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 제26항에 있어서,
상기 보정 렌즈는 볼록 형태를 갖는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 프로브.
- 사전에 설정된 대상체에 삽입되고, 제1항 내지 제3항 및 제6항 내지 제27항 중 한 항의 프로브; 및
상기 프로브에 케이블을 통해 광 출력을 제공하고, 상기 프로브에 의해 획득한 이미지를 신호 처리하는 프런트 엔드부를 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치.
- 제28항에 있어서,
상기 프로브는
상기 광 섬유 레이저부로부터의 광의 특성을 조절하는 광학 렌즈
를 더 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치.
- 제29항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 복수개 구비되는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치.
- 제28항에 있어서,
상기 프로브와 상기 케이블로 연결되어 상기 프로브의 움직임을 제어하는 조작부를 더 포함하고,
상기 조작부는
사용자의 조작에 따라 상기 프로브의 움직임을 제어하는 노브부;
상기 프로브에 설치된 석션부의 석션 동작을 제어하는 석션 밸브;
상기 프로브에 설치된 워터노즐기기의 동작을 제어하는 에어/워터 밸브; 및
상기 프로브에 설치된 겸자공을 통한 의료 기기의 동작을 제어하는 인스트루먼트 포트
를 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치.
- 제28항에 있어서,
상기 프로브와 상기 케이블로 연결되어 상기 프로브의 스캐닝 동작을 제어하는 스캐닝부를 더 포함하고,
상기 스캐닝부는
상기 프로브를 회전시키는 토크를 제공하는 모터;
상기 모터의 토크에 따라 회전되는 상기 프로브에 연결되어 회전하는 상기 광 섬유 레이저부과 상기 프런트 엔드부에 연결되어 고정된 광 섬유 레이저부 간의 동축 정렬을 제공하는 광 섬유 회전 관절부; 및
상기 프런트 엔드부에 연결되어 고정된 신호선과 상기 모터에 의해 회전하는 프로브 간에 연결되어 회전하는 신호선 간의 전기적 연결을 제공하는 슬립링
을 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 내시경 장치.
- 사전에 설정된 대상체에 삽입되는 카테터; 및
상기 카테터에 케이블을 통해 광 출력을 제공하고, 상기 카테터에 의해 획득한 이미지를 신호 처리하는 프런트 엔드부를 포함하고,
상기 카테터는
상기 프런트 엔드부로부터의 광을 방출하는 광 섬유 레이저부; 및
측정하고자 하는 대상물과 상기 광 섬유 레이저부 사이에 배치되어 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광을 투과시키며, 상기 광 섬유 레이저부에서 방출되는 광과 동축 정렬되고, 상기 대상물에 초음파를 방사하고 반사된 초음파를 수신하여 상기 프런트 엔드부에 전달하는 투명 초음파 센서
를 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제33항에 있어서,
상기 카테터는
상기 광 섬유 레이저부로부터의 광의 경로를 사전에 설정된 각도로 변경시키는 반사판
을 더 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제33항 또는 제34항에 있어서,
상기 카테터는
상기 광 섬유 레이저부로부터의 광의 특성을 조절하는 광학 렌즈
를 더 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제35항에 있어서,
상기 광학 렌즈는 복수개 구비되는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제33항에 있어서,
상기 투명 초음파 센서는,
광학 임피던스 매칭을 실시하고 투명한 재료로 이루어져 있는 정합부;
상기 정합부 뒤에 위치하고 투명한 재료로 이루어져 있는 압전층;
상기 압전층의 후면과 전면에 각각 위치하여 각각 투명한 도전성 물질로 이루어져 있는 제1 전극층 및 제2 전극층;
상기 제1 전극층에 연결되어 있는 제1 하우징; 및
상기 제2 전극층에 연결되어 있는 제2 하우징
을 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제37항에 있어서,
상기 정합부는 음향 렌즈를 구비하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제38항에 있어서
상기 음향 렌즈는 오목 렌즈, 볼록 렌즈, 평면 렌즈 중 어느 하나의 형태를 갖는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제37항에 있어서,
상기 정합부는 투명한 유리류, 투명한 에폭시류 및 투명한 실리콘류 중 적어도 하나를 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제37항에 있어서,
상기 투명 초음파 센서의 상기 압전층은 광학적으로 투명한 특성을 지닌 압전 재료인, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제41항에 있어서,
상기 압전층은 LNO, PMN-PT, PVDF 및 PVDF-TrFE 중 적어도 하나를 함유하는,투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제37항에 있어서,
상기 투명 초음파 센서의 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 광학적으로 투명한 특성을 지닌 전극인, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제43항에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층은 각각 AgNW, ITO, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 적어도 하나를 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제37항에 있어서,
상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층의 크기는 서로 상이한, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제45항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 각각 가운데 빈 공간을 갖는 링 형태로 이루어져 있는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제46항에 있어서,
상기 제1 하우징은 상기 제1 전극층의 가장자리부에 접하게 배치되고, 상기 제2 하우징은 상기 제2 전극층의 가장자리부에 접하게 배치된, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제47항에 있어서,
상기 제2 하우징의 내부 공간 속에 상기 압전층, 상기 제1 전극층 및 상기 제1 하우징이 위치하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제47항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제2 하우징은 도전성 물질을 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제47항에 있어서,
상기 제1 하우징에 연결되어 있는 제1 신호선과 상기 제2 하우징에 연결되어있는 제2 신호선을 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제46항에 있어서,
상기 제1 전극층에 접하게 위치하고 초음파 신호를 감쇠시키는 후면층을 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제51항에 있어서,
상기 후면층은 상기 제1 하우징으로 에워싸여져 있는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제52항에 있어서,
상기 후면층은 투명한 유리류나 투명한 에폭시류를 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제47항에 있어서,
상기 제1 하우징과 상기 제1 하우징 사이에 위치하고 투명한 절연 물질로 이루어져 있는 절연부를 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제47항에 있어서,
상기 정합부 앞에 위치하고 음향 임피던스 정합을 실시하는 보호층을 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제55항에 있어서,
상기 보호층은 파릴렌을 함유하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제47항에 있어서,
상기 정합층 뒤에 위치하고 있고 상기 정합층을 통과한 빛의 초점을 조절하며 투명한 재료로 이루어져 있는 보정 렌즈를 더 포함하는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제57항에 있어서,
상기 보정 렌즈는 볼록 형태를 갖는, 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제33항에 있어서,
상기 카테터와 상기 케이블로 연결되어 상기 카테터의 움직임을 제어하는 조작부를 더 포함하고,
상기 조작부는
사용자의 조작에 따라 상기 카테터의 움직임을 제어하는 노브부;
상기 카테터에 설치된 석션부의 석션 동작을 제어하는 석션 밸브;
상기 카테터에 설치된 워터노즐기기의 동작을 제어하는 에어/워터 밸브; 및
상기 카테터에 설치된 겸자공을 통한 의료 기기의 동작을 제어하는 인스트루먼트 포트
를 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
- 제33항에 있어서,
상기 카테터와 상기 케이블로 연결되어 상기 카테터의 스캐닝 동작을 제어하는 스캐닝부를 더 포함하고,
상기 스캐닝부는
상기 카테터를 회전시키는 토크를 제공하는 모터;
상기 모터의 토크에 따라 회전되는 상기 카테터에 연결되어 회전하는 광 섬유 레이저부과 상기 프런트 엔드부에 연결되어 고정된 광 섬유 레이저부 간의 동축 정렬을 제공하는 광 섬유 회전 관절부; 및
상기 프런트 엔드부에 연결되어 고정된 신호선과 상기 모터에 의해 회전하는 카테터 간에 연결되어 회전하는 신호선 간의 전기적 연결을 제공하는 슬립링
을 포함하는 투명 초음파 센서 기반 광학-초음파 융합 카테터 장치.
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