KR20240045955A

KR20240045955A - 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경

Info

Publication number: KR20240045955A
Application number: KR1020220177398A
Authority: KR
Inventors: 양준모
Original assignee: 울산과학기술원
Priority date: 2022-09-30
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2024-04-08
Also published as: KR20240045956A

Abstract

본 발명은 3차원 헬리컬 스캔이 가능한 광음향-초음파 내시경 기기에 관한 것으로, 프로브와 상기 프로브에 회전 동력과 풀백 병진 운동을 제공하는 구동 유닛을 구비하며, 상기 프로브는, 내부가 빈 상태로 일 방향으로 연장되고 일단이 차폐되고 타단이 개방된 카테터 튜빙과, 상기 카테터 튜빙의 상기 타단에 체결되며 상기 카테터 튜빙의 내부에 대응하는 관통공을 갖는 체결 너트와, 상기 체결 너트의 상기 관통공을 통해 상기 카테터 튜빙의 내부로 연장되며 내부가 빈 풀백 샤프트와, 상기 체결 너트와 상기 풀백 샤프트 사이에 개재되며 상기 체결 너트의 상기 관통공의 중심축을 중심으로 상기 풀백 샤프트를 일주(一周)하는 샤프트 씰을 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경을 제공한다.

Description

헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경{Helical scan photoacoustic-ultrasonic endoscope}

본 발명은 현재 임상에서 쓰이고 있는 초음파 내시경과 같이 가늘고 긴 프로브 형태로 구현되어 피검체 내부에 삽입, 그 주변의 단층 이미지를 제공할 수 있는 의료용 단층촬영 내시경 장치에 관한 것이다.

본 발명은 기존 초음파 내시경(endoscopic ultrasound)의 기능을 유지하면서 광음향 이미징(photoacoustic imaging) 정보를 동시에 제공해 줄 수 있는 이른바 융합형 광음향-초음파 내시경 (integrated photoacoustic and ultrasonic endoscopy: PAE-EUS) 기술과 관련이 있다.

종래의 기술에 따라 구현되는 소화기 내시경용 광음향-초음파 내시경 기기는 1) 프로브 내부에서 기계적 스캔을 수행하는 토크 코일과 센서 및 광학계 등으로 이루어진 회전체가 매칭 유체를 가두기 위해 프로브 내부에 필수적으로 구비되어야 하는 두 핵심 요소인 카테터 튜빙(즉, 외피)과 방사형 샤프트 씰(radial shaft seal)를 기준으로 단순한 2차원 회전 운동만을 수행할 수 밖에 없어 2차원 단층 영상 밖에 제공하지 못하는 한계가 있을 뿐더러, 2) 프로브와 그 구동 유닛 간에 분리 및 재결합 과정이 용이치 않아 사용자가 프로브를 교체할 시 까다로운 광 정렬(optical alignment)과 전기 신호가 지나갈 수 있도록 하는 전기 통로의 연결을 모두 마무리 하는 데 상당한 시간을 요하는 문제가 있었다. 특히, 광 정렬 과정을 단일 모드 (single mode) 광섬유에 기반한 내시경 기기에서 시행할 경우 더욱 오랜 광 정렬 시간이 필요하다.

본 발명에서는 일반적으로 광섬유 케이블의 말단부에 고정 및 마감(termination)을 위해 흔히 사용되는 2.5 mm 직경을 갖는 표준 세라믹 훼럴(ceramic ferrule)과 그에 맞도록 제작되는 FC/PC 커넥터 및 관련 전용 아답터를 바탕으로 프로브를 구동 유닛에 체결하는 즉시 해당 기술의 만족스러운 성취에 가장 핵심적이 요소라고 할 수 있는 정확한 "광 정렬"과 동시에 "전기적 통로의 연결"이 모두 완료될 수 있는 일 실시예를 도출하였다.

더불어 방사형 샤프트 씰과 소정의 길이를 갖는 풀백 샤프트를 구동 유닛이 아닌 프로브 쪽에 배치시킴으로써, 프로브 내부에서 회전하는 토크 코일과 스캐닝 팁이 회전 운동과 더불어 풀백 병진 운동을 함께 수행함에도 그 내부에 채워진 유체가 전혀 세지 않으면서 3차원 헬리컬 스캔이 가능하고 또 프로브와 구동 유닛 간의 분리 및 체결이 용이한 광음향-초음파 내시경 프로브의 개념 및 그를 구동할 수 있는 전용 구동 유닛 즉, 초음파 영상에 필요한 전기 펄스는 물론 광음향 영상에 필요한 레이저 빔(laser beam)의 전달과; 그들의 발사에 따라 결과적으로 발생되어 초음파 트랜듀서에 의해 검출된 후 기부쪽으로 전달되어져 오는 광음향-초음파 전기 신호를 원활히 교환할 수 있는 회전형 광-전자기 결합부, 그리고 이와 더불어 앞서 언급한 3차원 헬리컬 스캔이 카테터 내부에서 가능토록 하는데 필요한 회전 및 풀백 동력을 제공하는 기계 모듈을 모두 포함하는 장치를 도출하였다.

이러한 각각의 내용은 이미 그 자체만으로도 선행 기술에서 보여주지 못한 새롭고 진보적 개념을 포함하고 있는바, 그들의 결합적 사용이 제공해 줄 수 있는 효과를 보다 쉽게 설명하기 위하여 하나의 명세서에 상에 기술한다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 프로브와 상기 프로브에 회전 동력과 풀백 병진 운동을 제공하는 구동 유닛을 구비하며, 상기 프로브는, 내부가 빈 상태로 일 방향으로 연장되고 일단이 차폐되고 타단이 개방된 카테터 튜빙과, 상기 카테터 튜빙의 상기 타단에 체결되며 상기 카테터 튜빙의 내부에 대응하는 관통공을 갖는 체결 너트와, 상기 체결 너트의 상기 관통공을 통해 상기 카테터 튜빙의 내부로 연장되며 내부가 빈 풀백 샤프트와, 상기 체결 너트와 상기 풀백 샤프트 사이에 개재되며 상기 체결 너트의 상기 관통공의 중심축을 중심으로 상기 풀백 샤프트를 일주(一周)하는 샤프트 씰을 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 제공된다.

상기 구동 유닛은 상기 풀백 샤프트에 기계적으로 연결된 리니어 스테이지와 회전 트랜스포머를 구비할 수 있다.

상기 샤프트 씰은 상기 카테터 튜빙의 내부를 외부로부터 차폐할 수 있다.

상기 풀백 샤프트의 내부를 통과하여 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향으로 연장된 프로브측 광섬유와, 상기 프로브측 광섬유를 감싸고 상기 풀백 샤프트의 내부를 통과하여 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향으로 연장된 토크 코일과, 상기 토크 코일의 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향 부분에 연결된 스캐닝 팁을 더 구비할 수 있다.상기 풀백 샤프트, 상기 프로브측 광섬유, 상기 토크 코일 및 상기 스캐닝 팁은, 상기 카테터 튜빙이 연장된 방향 및 그 반대 방향으로, 상기 카테터 튜빙, 상기 체결 너트 및 상기 샤프트 씰에 대해 상대적으로 이동할 수 있다.상기 카테터 튜빙 내부를 채우는 매칭 유체를 더 구비할 수 있다.

상기 풀백 샤프트의 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향의 반대 방향 끝단에 연결된, 커넥터를 더 구비할 수 있다.

상기 커넥터는 상기 샤프트 씰을 기준으로 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향의 반대 방향에 위치할 수 있다.

상기 스캐닝 팁에 전기적으로 연결되며 상기 토크 코일 내부를 통해 상기 커넥터로 연장된 마이크로 코액시얼 케이블을 더 구비하고, 상기 커넥터는, 상기 프로브측 광섬유가 통과할 수 있는 중심 홀을 갖는 훼럴과, 상기 훼럴의 적어도 일부를 감싸며 전기 전도성을 갖는 커넥터 하우징과, 상기 커넥터 하우징과 물리적으로 접촉하며 전기 전도성을 갖는 커넥터 너트와, 상기 훼럴과 상기 커넥터 하우징 사이에 개재되어 상기 훼럴을 상기 커넥터 하우징으로부터 전기적으로 절연시키는 커넥터 절연 부재를 구비하며, 상기 마이크로 코액시얼 케이블의 코어부는 상기 훼럴에 전기적으로 연결되고, 상기 마이크로 코액시얼 케이블의 쉴드부는 상기 커넥터 하우징에 전기적으로 연결될 수 있다.상기 구동 유닛은 아답터를 구비하고, 아답터는, 상기 훼럴의 일부가 삽입되는 스플릿 메이팅 슬리브와, 상기 훼럴의 적어도 일부를 감싸며 전기 전도성을 갖는 아답터 프레임과, 상기 스플릿 메이팅 슬리브와 상기 아답터 프레임 사이에 개재되어 상기 스플릿 메이팅 슬리브를 상기 아답터 프레임으로부터 전기적으로 절연시키는 아답터 절연 부재를 구비할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따라 광섬유용 표준 FC/PC 또는 FC/APC 커넥터를 기반으로 프로브와 구동 유닛을 결합할 수 있는 형태로 광음향-초음파 내시경을 구현하게 되면, 매우 가볍고 콤팩트한 크기 내에서 심지어 단일 모드 광섬유를 적용할 경우에도 광 결합 지점에서 매우 안정적이고 정밀한 광커플링을 신속히 성취할 수 있게 되어, 향후 관련 시술의 절차가 보다 편리하고 원활하게 진행될 수 있을뿐더러 그를 통해 얻어지는 3차원 영상도 훨씬 더 정확하고 신뢰할 수 있게 된다. 또한 제시된 방법으로 해당 커넥터부를 제작할 경우 생산에 필요한 비용이 매우 저렴한데다가 프로브가 파손될 시 해당 부위만을 교체하는 것도 가능하기 때문에, 관련 검사를 필요로 하는 환자들이 보다 저렴한 비용으로 관련 기술의 혜택을 얻을 수 있게 되며, 프로브의 연결부도 매우 작고 가볍게 구현될 수가 있어 시술 중 떨어뜨렸을 경우에도 파손될 확률이 현저히 줄어들게 된다.

본 발명이 제시한 개념은 주로 소화기 질환 진단용 내시경을 타깃으로 제시되었으나, 심혈관계 질환 진단과 같은 다양한 분야의 내시경 영역에 적용될 수 있다.

물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경의 전체적 구성과 작동 원리를 보여주는 모식도이다.
도 2a와 도 2b는 도 1의 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 포함하는 구동 유닛이 풀백 운동 하기 전과 후의 그 내부 상황을 보여주는 모식도들이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 포함하는 프로브를 실제 구현한 구성을 도시하는 사시도들이다.
도 4a는 광통신 분야에서 사용될 수 있는 광섬유 관련 부품들을 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 4b 내지 도 4g는 도 1의 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 포함하는 프로브와 구동 유닛 간의 광 결합 및 전기적 통로 형성 원리를 보여주는 모식도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경에서의 광 결합 시 고효율의 광 결합을 성취시킬 수 있는 방법을 보여주는 모식도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경에서의 광입력부의 구현 방법을 보여주는 모식도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경에서의 회전 트랜스포머의 위치 변경 가능성을 보여주는 모식도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하의 실시예에서, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다"고 할 때, 이는 그 다른 구성요소와 직접적으로 연결되는 것뿐만 아니라, 또다른 구성요소에 의해 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경의 전체적 구성과 작동 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경은, 피검체에 삽입되어 광음향-초음파 영상을 수행하는 프로브(200)와 그 프로브(200)가 광음향 및 초음파 영상을 수행하는데 필요한 레이저 펄스 및 전기 펄스를 제공하고 그와 더불어 프로브(200)에 회전 동력과 풀백 병진 운동을 제공해주는 구동 유닛(100)으로 크게 구성된다. 만약 본 발명에 따라 실시된 내시경 기기로 광음향-초음파 영상 시술을 시행하게 될 경우 프로브(200)의 FC/PC 커넥터(212) 및 체결 너트(230)는 구동 유닛(100) 내부의 FC/PC 아답터(117)와, 구동 유닛 케이스(101)에 구비되어 있는 체결 수나사(101-1)에 각각 순차적으로 체결되어 고정되어야 한다. 구동 유닛 케이스(101)는 후술하는 것과 같은 관통형 샤프트(115), 구동 기어(112), 기부 프레임(120) 및 리니어 스테이지(140)를 수용한다.

전술한 방식에 의해 두 부위가 체결된 상태를 전제로 전체적 동작 원리를 설명하면서, 각 요소들의 역할을 설명한다.

일반적으로 해당 기술 분야에서 개발되어 온 융합형 광음향-초음파 내시경 기기들은 스캐닝 팁이 회전하는 동안 소정의 개수를 갖는 초음파 펄스와 레이저 펄스들을 매우 빠른 시간에 서로 번갈아 가며 발사하고, 매 펄스가 발사된 직후에 피검체로부터 전파해 오는 이른바 "A-line"이라 불리는 1차원 응답 신호(초음파 또는 광음향 응답 신호)를 검출, 이들을 모두 각각 취합하여 2차원 초음파 & 광음향 영상을 구성한다.

먼저 하나의 A-line "초음파 신호"를 얻는 과정을 설명하면, 본 발명과 별개로 구비된 초음파 펄서/리시버(미도시)에서 생성된 매우 짧은 지속(duration) 시간을 갖는 고 전압 전기 펄스가 회전 트랜스포머(113)의 한쪽 코일부인 제2코일부(113-2)로 유입되고, 이후 즉각적으로 발생하는 전자기 유도 현상에 의해 회전 트랜스포머(113)의 다른 쪽 코일부인 제1코일부(113-1)로 넘어간 다음, 그 제1코일부(113-1)와 직접적으로 연결된 샤프트 내 도선(118)을 따라 후술될 FC/PC 아답터(117)와 FC/PC 커넥터(212) 간의 전기 결합 경로를 경유하여 프로브(200) 측의 풀백 샤프트(213)와 토크 코일(214) 내에 구비된 마이크로 코액시얼 케이블(215)을 따라 트랜듀서(223)로 흘러 들어 간다. 코액시얼 케이블(215)은 동축인 코어부(215-1, 도 4b 및 도 4c 참조)와 쉴드부(215-2, 도 4b 및 도 4c 참조)를 포함하는바, 도 1에서는 편의상 2가닥의 배선들로 도시하였다. 샤프트 내 도선(118) 역시 2가닥의 배선들로 도시되어 있는바, 이 역시 동축인 코어부와 쉴드부를 갖는 코액시얼 케이블 형상을 가질 수 있다. 전기 펄스를 받은 트랜듀서(223)는 압전 효과에 따라 그 전기 펄스를 초음파 웨이브로 변환하여 피검체 쪽으로 발사하고, 이후 피검체의 조직 속에서 반사되어오는 일부 초음파들은 기 언급한 트랜듀서(223)에 의해 검출 전술한 과정과 역순의 과정으로 초음파 펄서/리시버(미도시)로 흘러 들어가 최종 본 발명과 별개로 구비된 데이터 수집 장치에 의해 기록된다.

위와 대비하여 하나의 A-line "광음향 신호"를 얻는 과정을 같은 도면을 참조하면서 설명하면, 본 발명과 별개로 구비된 나노 초 (nano second) 수준의 펄스형 광원(미도시)에서 발생한 매우 짧은 지속(duration) 시간을 갖는 광 펄스가 별도로 구비된 광섬유(미도시) 등을 경유하여 구동 유닛(100)까지 전달되고, 이내 광입력기(102)를 통해 일 방향으로 연장된 관통형 샤프트(115) 내에 위치하는 구동부측 광섬유(111)를 향하여 발사, 그를 통해 FC/PC 아답터 프레임(117-1)에 의해 일 방향으로 연장된 관통형 샤프트(115)의 중심축을 따라 정확히 고정된 FC/PC 아답터(117)까지 이동된다. 참고로 아답터(117)는 관통형 샤프트(115)의 프로브(200) 방향 끝단에 기계적으로(직간접적으로) 연결되며 관통형 샤프트(115)의 내부에 대응하는 관통공을 갖는다. 이후 FC/PC 아답터(117)가 제공하는 매우 잘 정렬된 광 경로를 통해 FC/PC 커넥터(212)의 입구 부분부터 스캐닝 팁(220)에 이르기까지 분포해 있는 프로브측 광섬유(211)를 따라 해당 광 펄스가 이동, 끝내 렌즈 유닛(221)을 통해 방출된다. 이때 방출되는 빔의 크기는 렌즈 유닛(221)에 의해 적절히 설정될 수 있으며, 광반사기(222)에 의해 반사되어 피검 조직으로 보내져 광음향파를 생성한다. 이렇게 피검 조직 내에서 생성된 광음향 파의 일부는 트랜듀서(223) 쪽을 향하여 전파하게 되는데, 트랜듀서(223)에 의해 검출될 경우 전기 신호로 변환되어 이 역시 전술한 "검출된 초음파 신호"가 진행 했던 동일한 경로를 따라 초음파 펄서/리시버(미도시)로 흘러 들어가 최종 본 발명과 별개로 구비된 데이터 수집 장치에 의해 기록된다.

앞서 언급한 초음파 펄서/리시버(미도시)는 관련 분야에서 자명하게 사용되는 요소인 관계로 본 발명의 도면에는 포함시키지 않았으며, 그 위치는 구동 유닛(100) 내에 포함되거나 그 외부에 별개의 요소로서 구비될 수 있다.

이상 초음파 및 광음향 A-line 신호를 얻는 과정을 설명하였고, 지금부터 기계적인 동작 원리에 대해 설명한다.

프로브(200)는 카테터 튜빙(250), 체결 너트(230), 풀백 샤프트(213) 및 샤프트 씰(240)을 구비할 수 있다.

카테터 튜빙(250)은 내부가 빈 상태로 일 방향(도 1에서는 편의상 좌우 방향)으로 연장되고, (예컨대 도 1에 예시적으로 도시된 것과 같이 우측 끝단인) 일단이 차폐되고 (예컨대 도 1에 예시적으로 도시된 것과 같이 좌측 끝단인) 타단이 개방된 구조를 갖는다. 카테터 튜빙(250)은 플렉서블할 수 있다. 체결 너트(230)는 이러한 카테터 튜빙(250)의 타단에 체결되며, 카테터 튜빙(250)의 내부에 대응하는 관통공을 갖는다.

풀백 샤프트(213)는 체결 너트(230)의 관통공을 통해 카테터 튜빙(250)의 내부로 연장되며, 그 중심축을 따라 연장된 관통구를 가져, 전체적으로 내부가 빈 실린더 형상을 가질 수 있다. 이에 따라 프로브측 광섬유(211)는 풀백 샤프트(213)의 내부를 통과하여 카테터 튜빙의 일단 방향으로 연장될 수 있다. 프로브측 광섬유(211)를 감싸는 토크 코일(214) 역시 풀백 샤프트(213)의 내부를 통과하여 카테터 튜빙(250)의 일단 방향으로 연장될 수 있다. 스캐닝 팁(220)은 이러한 프로브측 광섬유(211)와 토크 코일(214)의 카테터 튜빙(250)의 일단 방향 부분에 연결될 수 있다. 참고로 도 1에서는 토크 코일(214)에 의해 감싸지는 프로브측 광섬유(211), 코액시얼 케이블(215) 등을 개략적으로 도시하기 위해, 토크 코일(214)의 (카테터 튜빙(250)의 타단 방향의) 일부분은 단면도로 도시하였다.

샤프트 씰(240)은 체결 너트(230)와 풀백 샤프트(213) 사이에 개재되며, 체결 너트(230)의 관통공의 중심축을 중심으로 풀백 샤프트(213)를 일주(一周)할 수 있다.

이러한 프로브(200)의 구성요소들 각각에 대한 상세한 설명은 후술한다. 물론 프로브(200)는 이 외의 다른 부가적인 구성요소들을 더 구비할 수 있다.

프로브(200)가 전술한 방법을 통해 구동 유닛(100)에 체결된 상태에서, 모터(130)가 생성하는 회전 동력이 피니언 기어(131)을 통해 구동 기어(112)측으로 전달되고, 이 동력은 마침내 구동 기어와 직간접적으로 연결된 관통형 샤프트(115), FC/PC 아답터 마운트 (116), 그리고 풀백 샤프트(213)의 카테터 튜빙(250)의 일단 방향의 반대 방향 끝단에 연결된 FC/PC 커넥터(212)로 FC/PC 아답터(117)를 통해 넘어가며, 이는 계속해서 FC/PC 커넥터(212)와 직간접적으로 연결된 풀백 샤프트(213), 토크 코일(214)을 통해 스캐닝 팁(220)까지 전달된다. 그 결과 언급된 요소들이 도 1에 표시된 회전운동을 표시하는 화살표의 방향으로 일제히 회전하게 되며, 매 회의 회전 마다 소정의 개 수만큼의 광음향 및 초음파 A-line 신호가 획득되는 즉시 각각 하나의 단층 이미지로 구성 화면(미도시)에 제시된다.

복수의 볼 베어링 열로 구성될 수 있으면서 기부 프레임(120)에 장착되는 볼 베어링 모듈(114)은 회전 스캔 시 관통형 샤프트(115)의 축이 떨지 않고 안정적으로 회전될 수 있는 기계적 조건을 제공하며, 언급한 관통형 샤프트(115)는 볼 베어링 모듈(114)의 내륜에 결합이 되어 그와 함께 매끄럽게 회전을 한다. 즉, 기부 프레임(120)은 관통형 샤프트(115)가 회전 가능하도록 볼 베어링 모듈(114)을 통해 관통형 샤프트(115)에 연결될 수 있다. 두 조의 코일부가 짝을 이루는 형태로 구비되는 회전 트랜스포머(113)의 제1코일부(113-1)는 관통형 샤프트(115)와 물리적으로 연결이 되어 있어 함께 회전할 수 있고, 제2코일부(113-2)는 기부 프레임(120)에 연결되어 있어 회전을 하지 않는다. 물론 관통형 샤프트(115)와 함께 회전할 수 있는 제1코일부(113-1) 및 그와 전기적으로 연결된 샤프트 내 도선(118)과 관통형 샤프트(115) 내에 별개의 요소로 구비된 구동부측 광섬유(111)도 회전 시 함께 회전할 수 있다. 참고로 도면에는 샤프트 내 도선(118)이 편의상 2가닥의 배선들로 도시되어 있는바, 샤프트 내 도선(118)은 예컨대 코액시얼 케이블 형상을 가질 수 있다. 2가닥의 배선들 중 하나는 제1코일부(113-1)의 코일의 일단에 전기적으로 연결되고, 2가닥의 배선들 중 다른 하나는 제1코일부(113-1)의 코일의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다. 샤프트 내 도선(118)이 코액시얼 케이블 형상을 가질 경우, 동축인 코어부와 쉴드부 중 어느 하나가 제1코일부(113-1)의 코일의 일단에 전기적으로 연결되고, 다른 하나가 제1코일부(113-1)의 코일의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다.

이와 마찬가지로 FC/PC 커넥터(212)와 연결된 풀백 샤프트(213) 및 토크 코일(214) 내에 구비된 마이크로 코액시얼 케이블(215)과 프로브측 광섬유(211), 그리고 풀백 샤프트(213) 내부를 충전하고 있는 에폭시 충전부(216)도 모두 함께 회전하게 된다.

본 발명에 따라 FC/PC 커넥터(212)와 FC/PC 아답터(117)를 사용하여 두 요소들을 서로 연결하게 되면, 각각의 요소 내에는 키(key)와 키 홈이 형성되어 있어서, 회전 시 두 요소가 미끄러지는 그런 문제가 전혀 발생하지 않고 동력을 전달할 수 있다.

본 발명에 따라 광음향-초음파 영상을 실 시 할 경우, 전술한 회전 스캔뿐만 아니라, 회전 스캔에 풀백 운동도 추가하여 3차원 영상 획득을 성취할 수 있다. 모터라이즈드 리니어 스테이지(140)가 바로 이를 위한 요소이며, 본 발명에 따라 모터라이즈드 리니어 스테이지(140)의 상단에 기부 프레임(120)이 연결되어 있어, 프로브(200) 내의 스캐닝 팁(220)이 일정한 속도로 회전함과 동시에 일정한 속도로 후퇴(즉, 도면에서 직선운동을 표시하는 화살표를 따라 좌측으로 이동)하는 운동이 추가될 수 있다. 이경우 풀백 힘(pullback force)이 관통형 샤프트(115)와 FC/PC 아답터(117)를 통해 그와 체결된 FC/PC 커넥터(212), 풀백 샤프트(213), 토크 코일(214), 그리고 스캐닝 팁(220)까지 전달되어, 결국 스캐닝 팁(220)이 카테터 튜빙(250) 내에서 헬리컬 운동을 형성하여 3차원 영상을 얻을 수 있게 된다. 즉, 관통형 샤프트(115)는 구동부측 광섬유(111), 구동 기어(112) 및 기부 프레임(120)과 함께, 리니어 스테이지(140)에 의해 관통형 샤프트(115)가 연장된 방향 또는 그 반대 방향으로 구동 유닛 케이스(101)에 대해 상대적으로 이동할 수 있다. 그리고 유사하게, 풀백 샤프트(213), 프로브측 광섬유(211), 토크 코일(214) 및 스캐닝 팁(220)은 FC/PC 아답터(117)에 기계적으로 연결되어, 카테터 튜빙(250)이 연장된 방향 및 그 반대 방향으로, 카테터 튜빙(250), 체결 너트(230) 및 샤프트 씰(240)에 대해 풀백 힘에 의해 상대적으로 이동할 수 있다. 물론 샤프트 씰(240)을 기준으로 카테터 튜빙(250)의 일단 방향의 반대 방향에 위치하는 FC/PC 커넥터(212) 역시 풀백 샤프트(213), 프로브측 광섬유(211), 토크 코일(214) 및 스캐닝 팁(220)과 함께 이동하게 된다. FC/PC 커넥터(212)와 풀백 샤프트(213)가 기계적으로 연결되어 있기 때문이다.

이상 도 1에서는 본 발명이 도출한 핵심 개념들만을 포함시킨 것으로, 해당 분야에서 통상적으로 상용되는 펄서/리시버 등의 장치가 구동 유닛(100) 내에 추가적으로 포함될 수 있으며, 더불어 이를 통제하기 위한 부가적인 콘트롤러 및 드라이버 장치도 적절히 추가될 수 있다.

도 2a와 도 2b는 도 1의 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 포함하는 구동 유닛이 풀백 운동 하기 전과 후의 그 내부 상황을 보여주는 모식도들로서, 도 2a는 전술한 방법에 따라 풀백 하기 전의 구동 유닛(100) 내부의 상태를 보여주는 모식도이고, 도 2b는 전술한 방법에 따라 풀백 한 후의 구동 유닛(100) 내부의 상태를 보여주는 모식도이다. 개입된 요소들의 명칭과 역할은 도 1 에서 이미 설명한 관계로 추가적인 설명은 생략하며, 도 2b에 도시한 바와 같이 풀백이 완료됨에 따라 모터라이즈드 리니어 스테이지(140) 상단에 부착된 기부 프레임(120)과 그와 체결된 요소들이 해당 도면의 구동 유닛 케이스(101)를 기준으로 모두 좌측 방향으로 이동해 있음을 볼 수 있다. 도 2를 통해 볼 때, 기부 프레임(120)과 연결되는 형태로 실시될 수 있는 광입력기(102)는 풀백 운동 시 기부 프레임(120)과 함께 이동하기는 하나 구동 기어(112) 및 구동부측 광섬유(111)와 함께 회전하지는 않도록 실시하는 것이 바람직하다.

물론 광음향-초음파 내시경의 프로브 전체를 해당 장치와 별도로 마련될 수 있는 모터라이즈드 리니어 스테이지 (motorized linear stage) 등에 부착한 후 그 프로브 전체를 일정한 속도로 후퇴시키는 방식으로 3차원 영상을 얻을 수는 있지만, 이 경우 카테터가 피검 조직을 쓸고 지나가게 되어 피검 조직의 행태를 물리적으로 왜곡시키거나, 심지어 암 조직과 같은 민감한 대상을 스캔할 경우에는, 암조직에 상처를 유발시키면서 암세포를 다른 부위로 퍼뜨리는 심각한 일을 유발시키게 된다. 또한 해당 기기가 일반적으로 소화기 내시경 분야에서 흔히 쓰이고 있는 비디오 내시경 또는 전자 내시경의 좁고 굴곡진 도구 채널을 통해 검사에 사용되기 때문에, 관련 시술 중에 프로브의 외피 부분 즉, 카테터 튜빙과 비디오 내시경의 도구 채널 간에 발생하는 물리적 저항과 마찰로 인해 프로브를 일정한 속도로 후퇴시키는 과정이 어렵게 되고, 결국 그로 인해 정확한 3차원 영상을 얻을 수 없다는 단점이 있다.

그러나 본 발명에 따른 광음향-초음파 내시경의 경우, 카테터 튜빙(250)의 위치는 고정된 상태이고 카테터 튜빙(250) 내에서 FC/PC 커넥터(212), 풀백 샤프트(213), 토크 코일(214) 및 스캐닝 팁(220) 등이 풀백 운동을 하기 때문에, 즉, 카테터 튜빙(250)이 피검 조직에 대해 정지된 상태에서 토크 코일(214)과 센서 등의 내부 요소들만이 회전 운동과 방사형 샤프트 씰을 기준으로 미끄러지듯 후퇴하는 형태, 즉 헬리컬 운동을 실시하여 원하는 3차원 영상을 얻기에, 피검 조직에 대해 물리적 변형을 최소화 하여 피검 조직의 손상을 최소화하면서도 정확한 3차원 영상을 얻을 수 있다.

물론 종래의 프로브의 카테터 튜빙을 약간 변형하여, 해당 카테터 튜빙의 끝을 일정 구간 개방하고 거기에 그 개방된 구간만큼을 한쪽 끝이 막힌 또 다른 튜빙을 이른바 덧 씌우는 방식으로 추가 결합하여 3차원 스캔을 실시하는 것을 고려할 수도 있다. 하지만 이 경우 카테터 내에 음향 매칭(acoustic matching)을 위해 채워진 유체를 안정적으로 가두지 못해, 결국 실제 시술 도중에 매칭 유체가 새어 나와서 안정적인 신호 획득을 방해하고 그 결과 관련 시술이 길어지게 만드는 매우 불리한 문제가 발생할 수 있다. 하지만 본 발명에 따른 광음향-초음파 내시경의 경우, 도 3a와 도 3b를 참조하여 후술하는 것과 같이 방사형 샤프트 씰(240)을 이용하여 그러한 문제가 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

이에 대하여, 도 1의 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 포함하는 프로브를 실제 구현하여 프로브(200)의 풀백 전/후의 모습을 각각 보여주는 사시도들인 도 3a와 도 3b를 참조하여 구체적으로 설명한다. 각 요소들의 명칭과 역할에 대한 자세한 설명은 생략하여, 두 도면 내에 표시된 숫자 부호들은 도 1에 제시된 같은 숫자의 요소들에 대응되는 것으로 이해하면 된다.

만약 해당 프로브(200)를 구동 유닛(100)에 체결하여 실제 관련 시술에 사용하게 되면, 최초 도 3a에 제시된 위치에 있던 각 요소들이 회전 및 풀백 스캔 후 도 3b에 나타난 위치로 각각 이동하게 된다. 도 3b에 함께 제시된 두 확대 도면들은 각각 체결 너트(230)과 스캐닝 팁(220)의 모습으로 체결 너트(230)의 중심축에 구비된 방사형 샤프트 씰(240)이 풀백 샤프트(213), 토크 코일(214), 그리고 스캐닝 팁(220)의 회전 및 풀백 운동 과정에서 카테터 튜빙(250) 내부를 채우고 있는 매칭 유체(260)의 누수를 방지한다. 즉, 샤프트 씰(240)은 카테터 튜빙(250)의 내부를 외부로부터 차폐하는 역할을 할 수 있다.

도 2와 도 3에 제시된 일 실시예를 통해서 볼 때, 모터라이즈드 리니어 스테이지(140)의 스트록(stroke)과 풀백 샤프트(213)의 길이(L)가 관련 프로브의 풀백 가능 거리를 결정함을 알 수 있으며, 그 풀백 길이는 원하는 어플리케이션에 맞게 적절히 설정되어 실시 될 수 있다.

한편, 본 발명이 추구하고자 하는 것과 유사한 부류의 내시경 시술들은 통상적으로 모두 10분 이내에 완료가 되어야 하는데, 이는 광음향 영상에 필요한 고효율 & 고정밀 광 결합 과정을 그보다 훨씬 더 짧은 시간 내에 성취해야 함을 시사하며, 이러한 종합적 요건들을 살펴볼 때 구동 유닛과 프로브 간의 교체가 가능한 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경을 구현하는 것이 얼마나 도전적인지를 짐작케 한다.

본 발명에 따라 FC/PC 커넥터(212) 및 그와 연결된 풀백 샤프트(213)를 바탕으로 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경 장치를 실시하게 되면, 구동 유닛(100)에 프로브(200)를 체결할 시 FC/PC 커넥터(212)를 체결 너트(230) 속으로 쉽게 밀어 넣거나 빼낼 수가 있어 장착 과정에서의 편리함과 신속성을 제공할 수 있게 되어, 결과적으로 본 시술에 필요한 시간을 훨씬 더 많이 확보할 수 있다.

무엇보다도 본 발명에 따라 헬리컬 스캔이 가능하고 프로브와 구동 유닛간의 연결 분리가 가능한 광음향-초음파 내시경을 구현하게 되면 프로브의 연결 부위를 선행 문헌 4보다 훨씬 더 가볍고 콤팩트한 크기로 구현할 수 가 있게 되어, 만약 시술 중에 떨어뜨리더라도 그 파손의 확률도 훨씬 줄어들 수 있고, 또 프로브 교체 시간도 짧아져 관련 시술을 보다 원활하게 진행할 수 있고, 더불어 프로브 생산 단가도 현저히 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

도 4a는 광통신 분야에서 사용될 수 있는 광섬유 관련 부품들을 개략적으로 도시하는 사시도로서, 어떻게 프로브(200) 및 그 구동 유닛(100) 간의 신속한 전기 및 광 연결 통로의 확보를 성취할 수 있는지를 보여준다.

도 4a의 첫 번째 행 및 두 번째 행에 도시된 것과 같은 다양한 형태의 FC/PC 아답터와 광섬유의 말단에서 그 광섬유를 적절히 고정하고 마감(termination) 하는 데에 쉽게 적용할 수 있는 세라믹 훼럴 및 관련 커넥터류들을 활용하는 것을 고려할 수 있다. 도 4a의 네 번째 행에 도시된 FC/PC 커넥터는 도 4a의 첫 번째 행 및 두 번째 행에 도시된 것과 같은 FC/PC 아답터에 체결될 수 있은 관련 요소의 예로, 그 끝에는 도 4a의 세 번째 행에 도시된 것과 같은 정밀하게 가공된 세라믹 훼럴을 포함하고 있어 그에 장착된 광섬유가 훼럴의 중심부에 정확이 놓이게 해준다. 즉, 세라믹 훼럴(도 4c의 212-1)은 중심 홀을 가져 그 중심 홀을 프로브측 광섬유(211)가 통과하도록 할 수 있다.

이러한 광섬유 전용 훼럴은 FC/PC 커넥터로 마감된 두 개의 다른 광섬유 케이블을 도 4a의 첫 번째 행에 도시된 "FC/PC to FC/PC 아답터"를 이용하여 연결할 시에도 두 케이블을 체결하는 즉시 두 광섬유의 중심 축이 상당한 수준의 정밀도 내에서 서로 정렬이 되는 엄청난 편리성을 준다. 그 이유는 정밀하게 가공된 훼럴의 몸체의 일부가 FC/PC 아답터 내부에 포함된 도 4a의 마지막 행에 도시된 것과 같은 스플릿 메이팅 슬리브에 의해 삽입되는 즉시 서로 매우 긴밀하게 피팅(fitting)되기 때문이다. 그 정렬 과정에서 핵심 역할을 하는 스플릿 메이팅 슬리브는 브론즈나 세라믹 등으로 제작되며, 한쪽 표면이 마치 슬릿팅 톱(slitting saw)으로 절단된 것과 같은 형상이 있어, 서로 다른 두 훼럴이 그 속으로 서로 마주보듯이 진입할 경우 그 슬리브 자체가 가지고 있는 탄성력에 의해 두 훼럴과 긴밀한 물리적 접촉을 형성시켜 주며, 더불어 두 훼럴의 중심축이 서로 잘 정렬될 수 있도록 해준다.

도 4b 내지 도 4g는 도 1의 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경이 포함하는 프로브와 구동 유닛 간의 광 결합 및 전기적 통로 형성 원리를 보여주는 모식도들이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광음향-초음파 내시경은 언급한 스플릿 메이팅 슬리브를 포함하고 있는 FC/PC to FC/PC 아답터(도 4a의 첫 번째 행에 도시된 아답터)와 세라믹 훼럴, 그리고 그러한 세라믹 훼럴을 포함하고 있는 FC/PC 커넥터를 포함할 수 있는데, 도 4b와 도 4c는 그 일 실시예에 따라, 언급한 요소들을 바탕으로 도 1 에 제시한 프로브(200)와 구동 유닛(100) 간의 광 경로 연결 (optical coupling) 및 전기적 통로 형성 방법을 각각 묘사한 모식도를 나타낸다.

먼저 광 경로의 연결 원리에 있어서는, 도 4b에 도시한 바와 같이 도 1 에서 언급된 구동부측 광섬유(111)가, FC/PC 아답터(117)의 관통공에 삽입되며 중심 홀을 갖는 구동부측 세라믹 훼럴(111-1)의 중심 홀을 통과함에 따라, 프로브(200)에 포함된 FC/PC 커넥터(212) 내의 세라믹 훼럴(212-1)에 꽂힌 프로브측 광섬유(211)와 FC/PC 아답터(117) 내에서 매우 정밀하게 결합 정렬될 수 있다. 즉, FC/PC 커넥터(212)를 FC/PC 아답터(117)에 꽂아 체결하는 행위만으로도, 구동측 훼럴(111-1)의 일부와 프로브(200)의 세라믹 훼럴(212-1)의 일부가 스플릿 메이팅 슬리브(117-2, 도 4c 참조)에 삽입되어, 프로브측 광섬유(211)가 구동부측 세라믹 훼럴(111-1)의 중심 홀(hole)에 있는 구동부측 광섬유(111)와 매우 정밀하게 광 정렬이 되는 것이다. 실제 이러한 방법은 서로 다는 두 단일 모드 (single mode) 광섬유의 연결에 흔히 적용되고 있는 바, 도 4b에 도시한 매우 간단한 방법만으로도 높은 수준의 광 커플링을 성취시킬 수 있다. 해당 도면에서 도면 부호 "212-3"으로 표현된 부분은 FC/PC 커넥터(212)의 너트 부분을 가리키는 것으로 FC/PC 커넥터(212)가 FC/PC 아답터(117)에 체결되면서 그 너트 부분만 보이게 된 것이다.

FC/PC 커넥터와 아답터를 이용하면서 동시에 전기적 통로의 형성하는 방법에 있어서는, 도 4c에 도시한 바와 같이 통상적인 FC/PC 커넥터와 아답터 및 세라믹 훼럴을 기존 형태에서 약간 변형 또는 처리하여 제작함으로 구현될 수 있다. 도 4c는 도4b를 그 중심축을 따라 자른 단면도로 이해할 수 있는데, FC/PC 아답터(117)는 구동측 훼럴(111-1)의 일부가 삽입되며 전기 전도성을 갖는 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)와, 구동측 훼럴(111-1)의 적어도 일부를 감싸며 전기 전도성을 갖는 아답터 프레임(117-1)과, 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)와 아답터 프레임(117-1) 사이에 개재되어 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)를 아답터 프레임(117-1)으로부터 전기적으로 절연시키는 아답터 절연 부재(117-3)를 포함할 수 있다. 물론 FC/PC 아답터(117)는 FC/PC 아답터 내 전선(117-4) 등을 더 포함할 수 있다. 전술한 샤프트 내 도선(118)의 코어부와 쉴드부 중 어느 하나는 아답터 프레임(117-1)에 전기적으로 연결되고, 다른 하나는 FC/PC 아답터 내 전선(117-4)을 통해 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)에 전기적으로 연결될 수 있다.

계속 도 4c를 참조하며 각 요소들의 역할을 설명한다. 코액시얼 케이블(215)은 동축인 코어부(215-1)와 쉴드부(215-2)를 포함하는바, (도 4b 및) 도 4c에서는 편의상 2가닥의 배선들로 도시하였다. 프로브(200) 내부에 포함되면서 마이크로 코액시얼 케이블(215)의 코어부(215-1)와 전기적으로 연결된 FC/PC 커넥터(212) 내의 세라믹 훼럴(212-1)의 표면에는 도금, 증착, 또는 스퍼터링 등의 방법으로 전도성 처리가 되어 있어, 그 훼럴이 FC/PC 아답터(117) 내에 위치하면서 그 역시 전도성 처리가 된 스플릿 메이팅 슬리브(117-2) 내부로 삽입될 경우, 서로 간에 전기적 연결이 자동적으로 형성 되게 되며, 더 나아가 언급한 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)의 표면에 땜이 되는 방식으로 연결되어 있는 FC/PC 아답터 내 전선(117-4)을 통해 관통형 샤프트(115) 내 도선(118)의 코어측 전선까지 전기적으로 연결이 되게 된다.

마이크로 코액시얼 케이블(215)의 쉴드부(215-2)는 FC/PC 커넥터(212)의 일부 요소이자 전기 전도성을 가지며 세라믹 훼럴(212-1)의 적어도 일부를 감싸는 FC/PC 커넥터 하우징(212-2)에 연결되어 있어, 그와 물리적으로 접촉하면서 전기 전도성을 갖는 FC/PC 커넥터 너트(212-3)를 통해, 역시 그와 물리적으로 체결되어 있으며 세라믹 훼럴(212-1)의 적어도 일부를 감싸는 FC/PC 아답터 프레임(117-1)까지 이어지는데, FC/PC 아답터 프레임(117-1)이 샤프트 내 도선(118)의 쉴드 측과 연결되어 있어 결국 외부 기기와 전기적으로 이어지게 된다.

즉, 본 발명에 따른 FC/PC 커넥터는 그에 포함되어 있는 세라믹 훼럴이 전기적 전도 특성을 갖는 것이 기존과 다르며, 이를 통해 정밀한 광 결합(광 정렬)은 물론 전기적 결합을 동시에 실현할 수 있어, 사용 시 FC/PC 커넥터(212)의 체결 너트(212-3)를 FC/PC 아답터 프레임(117-1)에 체결하는 것 만으로 매우 신속하게 두 경로를 연결해 줄 수 있게 되고, 그 결과 관련 시술에 필요한 시간을 더 확보할 수 있게 된다. 더불어 FC/PC 커넥터(212)는 체결 너트(212-3)와 키 홈이 있어서, FC/PC 아답터 프레임(117-1)과 체결 시 회전 동력이 지연 또는 소실되거나 풀백 과정에서 체결 부위가 빠지는 일 등이 발생하지 않는다. 물론 FC/PC 커넥터의 훼럴(212-1)과 하우징(212-2)간의 전기적 절연을 위하여, 훼럴(212-1)과 하우징(212-2) 사이에 개재되도록 그 내부에는 절연 부재(212-4)가 포함되는 것이 바람직하다. FC/PC 아답터(117)의 경우 역시 그 내부에 전기적 절연이 필요한 관계로, 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)와 아답터 프레임(117-1) 사이에 개재되어 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)를 아답터 프레임(117-1)으로부터 전기적으로 절연시키는 절연 부재(117-3)가 포함되는 것이 바람직하다.

FC/PC 아답터(117)와 FC/PC 커넥터(212) 간의 전기적 연결 방법에 있어서는 도 4c에서 예시된 전도성 처리를 한 세라믹 훼럴(212-1)을 적용하는 방법 외에도 세라믹 훼럴(212-1)의 일부 표면 또는 그 주위에 FC/PC 커넥터 하우징(212-2)과는 전기적으로 절연된 튜브 또는 링 모양을 갖는 추가적 전도성 요소를 포함시켜 실시 될 수 있으며, 이 경우 연결 지점의 보다 긴밀한 접촉을 위하여 그 주위에 탄성력을 제공해주는 스프링 등과 같은 요소도 추가될 수 있다. 물론 그 튜브 또는 링 모양을 갖는 전도성 부재는 마이크로 코액시얼 케이블(215)의 코어부(215-1)와 전기적으로 연결되어야 하는 요소이다.

도 4d는 실제 구현한 예시물들을 바탕으로 도 4c에 도시된 핵심 요소들의 소정 단위별 외형을 보여주며, 도 4e는 체결 시 그들이 실제 서로 맞물리는 관계를 보여주는 도면이며, 도 4f는 FC/PC 아답터(117)까지 포함되었을 때의 모습으로 도 4c를 실제 실시했을 때의 외형으로 이해하면 된다. 물론 이경우 FC/PC 아답터(117)는 전술한 바와 같이 전도성 스플릿 메이팅 슬리브(117-2)를 포함한다는 점(도 4g 참고)이 통상적인 FC/PC 아답터(도 4a 예시물 참고)와의 차이이다.

이상 FC/PC 커넥터와 아답터 그리고 세라믹 훼럴 등을 바탕으로 프로브(200)와 구동 유닛(100) 체결 시 광 결합은 물론 전기적 통로를 형성시키는 방법을 기술하였다. 본 발명에 적용될 수 있는 FC/PC 커넥터와 아답터 그리고 세라믹 훼럴 등의 기본 형태들은 본 명세서상에서 예시한 것들보다 훨씬 더 다양할 수 있다. 어쨌든 본 발명은 이들 통상적인 요소를 바탕으로 두 연결 통로를 간단히 실현할 수 있는 방법을 게시하고 있어, 관련 부위의 크기를 대폭 줄일 수가 있다는 점이 핵심적인 특징이다.

본 발명에 적용될 수 있는 세라믹 훼럴로는 Φ2.5 mm 직경을 갖는 Thorlabs사의 CF270-10 등이 있을 수 있으며, 반드시 세라믹 재질로 실시되어야 하는 것은 아니다. 또한 세라믹 훼럴의 직경은 2.5 mm로 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 그 직경은 변경될 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경의 관통형 샤프트(115) 내에는 압전 포지셔너(111-2)가 추가로 구비될 수 있다. 도 4에서는 통상적인 FC/PC 커넥터 및 아답터를 바탕으로 광 결합을 성취시키는 방법을 게시하였으나, 프로브에 사용되는 광섬유의 코어 굵기가 매우 가늘 경우 제시된 방법만으로는 체결 지점에서 매우 높은 수준의 광 결합 효율을 성취시키기 힘들 수 있다. 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경에서의 광 결합 시 고효율의 광 결합을 성취시킬 수 있는 방법을 보여주는 모식도인 도 5에 제시한 바와 같이, 관통형 샤프트(115) 내에 압전 포지셔너(111-2)를 추가하고 그를 바탕으로 광음향-초음파 내시경을 사용하기 전에 구동부측 광섬유(111)과 프로브측 광섬유(211) 간의 자동 광 정렬 과정을 시행함으로써 양자간의 광 결합 효율을 더욱 높일 수 있다.

일반적으로 세라믹 훼럴은 광 산란성이 있는 재질로 이루어져 그 중심 홀로 빛이 진입하지 않고 그 주변으로 입사할 경우 광산란성에 의해 빛이 산란되게 된다. 그러므로 이 산란 광(즉, 원래 의도한 바 대로 프로브측 광섬유 211로 진행하지 않고 backscatter되는 빛)의 강도를 압전 포지셔너(111-2) 주변에 별도로 배치된 광 센서(미도시)로 측정하면서 압전 포지셔너(111-2)의 중심축에 꽂힌 구동부측 광섬유(111)의 광 발사 방향을 조정하게 되면 좀 더 높은 광 결합을 성취시킬 수 있다. 물론 구동부측 광섬유(111)의 끝에는 GRIN 또는 볼 렌즈 등 추가적인 광 포커싱 부재(미도시)를 부착하여 구동부측 광섬유(111)에서 방출되는 레이저 빔을 프로브측 광섬유(211)의 입구에 좀 더 효율적으로 집속시킬 수 있다.

이와 같이 압전 포지셔너(111-2)를 이용한 자동 광 정렬 과정은 관련 절차에 필요한 요소들(미도시)이 기기의 사용 전에 소정의 전기적 경로를 통해 압전 포지셔너(111-2)에 자동 연결되고 자동 분리되는 형태로 이루어질 수 있다. 이러한 과정에서 필요할 수도 있는 전기적 신호와 전력을 회전 트랜스포머를 활용하여 전달할 수도 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경에서의 광입력부의 구현 방법을 보여주는 모식도들이다. 또 다른 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경의 (도 1, 도 2a 및 도 2b에서 광입력기(102) 근방에 점선으로 표시한) 회전 광결합부는 도 6a 및 도 6b에서 점선으로 표시하며 제시한 예시와 같이 여러 형태로 변형되어 실시될 수 있다.

도 6a를 참고하면, 회전 운동할 수 있는 구동부측 광섬유(111)와 매우 근접한 위치에 위치하면서 구동부측 광섬유(111)와는 달리 회전하지 않는 형태로 구동부측 광섬유(111)에 빛을 전달해주는 화이버형 광입력기(103)를 적용하여 회전 광결합부를 실시할 수 있으며, 이 경우 화이버형 광입력기(103)의 끝에는 앞서 언급하 바와 같이 GRIN 또는 볼 렌즈 등이 추가될 수 있다.

더 나아가, 도 6b에 제시한 바와 같이 관통형 샤프트(115)의 내부를 광이 자유롭게 진행할 수 있는 중공형으로 제작하여, 원거리에서 쏴주는 형태로도 실시할 수 있다. 이는 본 발명에 따라 실시 될 수 있는 기부 프레임(120)의 길이가 상당히 짧게 형성 될 수 있는 관계로, 원하는 광 개구수(numerical aperture)를 유지하면서 어렵지 않게 구현될 수 있다. 물론 이 방법을 실시할 경우 초점 지점에서의 빔 직경(beam diameter)을 프로브측 광섬유(211)의 코어 직경보다 크게 형성시킬 수도 있는데, 이를 통해 프로브측 광섬유(211)가 회전의 중심축에 정확히 놓이지 않더라도 원하는 광 결합(또는 광 전달)을 성취시킬 수 있다. 또한 도 6b의 형태로 회전 광결합부를 실시할 경우, 광입력기(102)에 앞서 도 5에서 언급한 압전 포지셔너를 추가하여 광 입력의 정확도를 높일 수도 있다. 이때 광입력기(102)는 내시경 장치를 사용하는 과정에서 전혀 회전하지 않는 관계로, 영상 획득 중(즉, 프로브의 회전 병진 운동 중)에도 광 발사 방향을 자유롭게 제어할 수 있다는 추가적 장점이 생기게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경에서의 회전 트랜스포머의 위치 변경 가능성을 보여주는 모식도이다. 도 7에 도시된 것과 같이, 또 다른 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경의 회전 트랜스포머(113)는 어플리케이션에 따라 그 위치가 바뀔 수 있다.

도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경의 회전 트랜스포머(113)의 위치는 볼 베어링 모듈(114)의 우측으로 이동 되는 형태로 실시 될 수 있으며, 이 경우 도면의 113-1측만 회전하게 된다. 더 나아가 선행 문헌 4와 같이 구동 기어(112)의 바깥 쪽, 즉 도 7에서 구동 기어(112)의 좌측부상으로 이동될 수도 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 구동 유닛 101: 구동 유닛 케이스
101-1: 체결 수나사 102: 광입력기
103: 화이버형 광입력기 111: 구동부측 광섬유
111-1: 구동부측 세라믹 훼럴 111-2: 압전 포지셔너
112: 구동 기어 113: 회전 트랜스포머
114: 볼 베어링 모듈 115: 관통형 샤프트
116: FC/PC 아답터 마운트 117: FC/PC 아답터
117-1: FC/PC 아답터 프레임 117-2: 스플릿 메이팅 슬리브
117-3: FC/PC 아답터 내 절연 부재 117-4: FC/PC 아답터 내 전선
118: 샤프트 내 도선 120: 기부 프레임
130: 모터 131: 피니언 기어
40: 모터라이즈드 리니어 스테이지 200: 프로브
211: 프로브측 광섬유 212: FC/PC 커넥터
212-1: FC/PC 커넥터 세라믹 훼럴 212-2: FC/PC 커넥터 하우징
212-3: FC/PC 커넥터 너트 212-4: FC/PC 커넥터 내 절연 부재
213: 풀백 샤프트 214: 토크 코일
215: 마이크로 코액시얼 케이블
215-1: 마이크로 코액시얼 케이블 코어부
215-2: 마이크로 코액시얼 케이블 쉴드부
216: 에폭시 충전부 220: 스캐닝 팁
221: 렌즈 유닛 222: 광반사기
223: 트랜듀서 224: 말단 케이싱
230: 체결 너트 240: 방사형 샤프트 씰
250: 카테터 튜빙 260: 매칭 유체

Claims

프로브와 상기 프로브에 회전 동력과 풀백 병진 운동을 제공하는 구동 유닛을 구비하며, 상기 프로브는,
내부가 빈 상태로 일 방향으로 연장되고, 일단이 차폐되고 타단이 개방된, 카테터 튜빙;
상기 카테터 튜빙의 상기 타단에 체결되며, 상기 카테터 튜빙의 내부에 대응하는 관통공을 갖는, 체결 너트;
상기 체결 너트의 상기 관통공을 통해 상기 카테터 튜빙의 내부로 연장되며, 내부가 빈, 풀백 샤프트; 및
상기 체결 너트와 상기 풀백 샤프트 사이에 개재되며 상기 체결 너트의 상기 관통공의 중심축을 중심으로 상기 풀백 샤프트를 일주(一周)하는, 샤프트 씰;
을 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제1항에 있어서,
상기 구동 유닛은 상기 풀백 샤프트에 기계적으로 연결된 리니어 스테이지와 회전 트랜스포머를 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제1항에 있어서,
상기 샤프트 씰은 상기 카테터 튜빙의 내부를 외부로부터 차폐하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제1항에 있어서,
상기 풀백 샤프트의 내부를 통과하여 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향으로 연장된, 프로브측 광섬유;
상기 프로브측 광섬유를 감싸고, 상기 풀백 샤프트의 내부를 통과하여 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향으로 연장된, 토크 코일; 및
상기 토크 코일의 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향 부분에 연결된 스캐닝 팁;
을 더 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제4항에 있어서,
상기 풀백 샤프트, 상기 프로브측 광섬유, 상기 토크 코일 및 상기 스캐닝 팁은, 상기 카테터 튜빙이 연장된 방향 및 그 반대 방향으로, 상기 카테터 튜빙, 상기 체결 너트 및 상기 샤프트 씰에 대해 상대적으로 이동할 수 있는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제4항에 있어서,
상기 카테터 튜빙 내부를 채우는 매칭 유체를 더 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제4항에 있어서,
상기 풀백 샤프트의 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향의 반대 방향 끝단에 연결된, 커넥터를 더 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제7항에 있어서,
상기 커넥터는 상기 샤프트 씰을 기준으로 상기 카테터 튜빙의 상기 일단 방향의 반대 방향에 위치하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제7항에 있어서,
상기 스캐닝 팁에 전기적으로 연결되며 상기 토크 코일 내부를 통해 상기 커넥터로 연장된 마이크로 코액시얼 케이블을 더 구비하고,
상기 커넥터는,
상기 프로브측 광섬유가 통과할 수 있는 중심 홀을 갖는 훼럴;
상기 훼럴의 적어도 일부를 감싸며 전기 전도성을 갖는 커넥터 하우징;
상기 커넥터 하우징과 물리적으로 접촉하며 전기 전도성을 갖는 커넥터 너트; 및
상기 훼럴과 상기 커넥터 하우징 사이에 개재되어 상기 훼럴을 상기 커넥터 하우징으로부터 전기적으로 절연시키는 커넥터 절연 부재;
를 구비하며,
상기 마이크로 코액시얼 케이블의 코어부는 상기 훼럴에 전기적으로 연결되고, 상기 마이크로 코액시얼 케이블의의 쉴드부는 상기 커넥터 하우징에 전기적으로 연결된, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.
제9항에 있어서,
상기 구동 유닛은 아답터를 구비하고, 아답터는,
상기 훼럴의 일부가 삽입되는 스플릿 메이팅 슬리브;
상기 훼럴의 적어도 일부를 감싸며 전기 전도성을 갖는 아답터 프레임; 및
상기 스플릿 메이팅 슬리브와 상기 아답터 프레임 사이에 개재되어 상기 스플릿 메이팅 슬리브를 상기 아답터 프레임으로부터 전기적으로 절연시키는 아답터 절연 부재;
를 구비하는, 헬리컬 스캔 광음향-초음파 내시경.