KR100785279B1 - 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부 질환에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위한 광학 진단 장치에 관한 것으로서, 영상 픽업 헤드 내부에 복수의 여기 발광다이오드가 설치되되, 각 여기 발광다이오드가 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명할 수 있도록 각각의 조명중심축 각도가 조정된 상태로 설치되어, 피부 진단 대상 부위 전체를 모자이크 형태로 조명할 수 있도록 구성되고, 결국 대상 부위의 넓은 시야를 여기광에 의해 균일하게 조명할 수 있는 광학 진단 장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 광학 진단 장치에서 각각의 여기 발광다이오드는 대물 렌즈의 광축에 대하여 서로 다른 각도 또는 동일 각도로 설치되며, 이와 같이 설치된 여기 발광다이오드들로 구성된 광원의 빔들은 대상 부위의 시야를 균일하게 조명하게 된다. 또한 본 발명은 백색 광원으로서 워엄(warm white) 타입의 발광다이오드와 콜드(cold white) 타입의 발광다이오드를 적절히 혼합 배치하여 사용함으로써, 자연스러운 색의 전달이 가능하고, 자연스러운 컬러 영상을 획득할 수 있게 되는 광학 진단 장치에 관한 것이다.

광학 진단 장치, 발광다이오드, 형광, 여기광, 백색광, 균일도 향상

Description

조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치 {Apparatus for photo-diagnosis of skin disease using uniform illumination}

도 1은 본 발명에 따른 광학 진단 장치에서 여기 광원 및 백색 광원의 배치상태 및 조명상태를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 광학 진단 장치에서 여기 광원을 측면에서 도시한 도면으로서, 여기 광원의 조명각도 설계 예를 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 모자이크 조명 방식의 두 가지 예를 나타낸 도면으로, 'A'는 12개의 발광다이오드를 사용한 경우를, 'B'는 13개의 발광다이오드를 사용한 경우를 나타낸 도면,

도 4는 모자이크 조명 방식이 적용된 본 발명의 광학 진단 장치를 이용하여 형광이 균일하게 방출되는 표준 모형 및 피부 진단 대상 부위에서 획득된 형광 영상을 나타낸 도면,

도 5는 서로 다른 백색 발광다이오드에 의해 획득된 동일 피부 부위의 컬러 사진,

도 6은 종래기술에 따른 광학 진단 장비에서 여기 광원을 측면에서 도시한 도면,

도 7과 도 8은 종래기술에 따른 광학 진단 장비에서 여기 광원으로 사용되는 LED의 배열상태와 광 조사상태를 나타낸 도면,

도 9는 원형으로 배열된 발광다이오드들이 동일한 각도로 조명하도록 구성된 조명 시스템에 의해 획득된 형광 영상을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 카메라 10 : 여기 발광다이오드

20 : 백색 발광다이오드

본 발명은 피부 질환에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위한 광학 진단 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 영상 픽업 헤드 내부에 복수의 여기 발광다이오드가 설치되되, 각 여기 발광다이오드가 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명할 수 있도록 각각의 조명중심축 각도가 설정되어, 피부 진단 대상 부위 전체를 모자이크 형태로 조명할 수 있도록 설치되고, 결국 대상 부위의 넓은 시야를 여기광에 의해 균일하게 조명할 수 있는 광학 진단 장치에 관한 것이다.

또한 본 발명은 백색 광원으로서 워엄 타입의 발광다이오드와 콜드 타입의 발광다이오드를 적절히 혼합 배치하여 사용함으로써, 자연스러운 색의 전달이 가능하고, 자연스러운 컬러 영상을 획득할 수 있게 되는 광학 진단 장치에 관한 것이 다.

최근 화장품 가게나 피부관리소, 병원의 피부과 등에서는 자신의 피부상태를 측정 및 진단하여 자신의 피부상태에 맞는 화장품을 선택할 수 있도록 하거나 자신의 피부상태에 있어서의 문제점을 발견하고 그 해결책을 찾는데 도움을 주는 다양한 피부진단장치를 볼 수 있다.

이 중에서도 특히 피부에 특정 파장의 광선을 조사하여 상기 광선에 조사된 피부가 나타내는 특유의 형광색을 분석함으로써 피부상태를 진단하는 진단용 램프를 이용한 피부진단장치가 널리 사용되고 있다.

종래의 피부진단장치에 대하여 참조문헌을 참고하여 살펴보면 다음과 같다.

인체의 모공(毛孔)에는 피지(皮脂)를 만드는 피지선이 있으며, 건강한 상태의 인체에서는 피지선이 적당량의 피지를 모공에서 피부 표면으로 방출하여 피지막을 형성시키고, 피지막은 피부의 천연보호막으로 작용한다.

그런데, 건강하지 않은 상태의 인체는 과도한 피지를 분비하게 되는데, 과도하게 분비된 피지는 공기에 접하여 산화되고, 이때 산화된 피지는 딱딱해져 모공을 막히게 한다.

이와 같이 모공이 막힌 곳의 피지에는 세균이 번식하게 되는데, 이 세균의 내부에 포르피린(porphyrin)이라는 물질이 생성되며, 포르피린은 자외선에 반응하여 발광한다.

이에 따라 자외선에 반응하는 포르피린의 성질을 이용한 피부진단장치가 개발된 바 있다.

종래기술에 따른 피부진단장치에서는 어둠 상자 속에서 환자의 얼굴 전체에 자외선 램프로 자외선을 주사하고, 발광된 형광강도(intensity of fluorescence)의 변화를 검출기를 통하여 육안(肉眼)으로 관찰하는 방법을 사용한다.

또한 그 밖에 광을 사용한 질병 진단을 위하여 일반적으로 잘 알려진 할로겐, 크세논(Xenon), 메탈-할라이드(metal-halide), 수은 등의 램프를 사용한 광 섬유 광원이 사용되었다.

이러한 램프들은 특수한 의료 목적의 수단 및 기술적, 경제적인 면을 고려한 장비의 제작 요구 등에 의해 선택되었으며, 광범위하거나 선택적인 파장대의 다양한 광이 요구되는 복합작업이 필요한 경우에 단일 램프의 사용은 일반적으로 최적의 방법을 제공하지는 못하였다.

이 경우에 장비 개발자는 특수한 기능의 램프에 의존하거나 복수의 램프를 동시에 사용하여 단점을 보완하였는데, 특히 형광을 사용하는 질병 진단에서 여기광(excitation light) 조사에 의한 진단 대상으로부터 발생하는 형광 관찰 이외에 백색광(white light)에 의한 진단 부위의 전체 지형, 위치 및 색깔 등의 관찰이 필수적인 것으로 알려져 있다.

피부 질환에 5-ALA를 포함하는 광민감제(photosensitizer)를 사용하는 형광 진단(Fluorescence Diagnoses; FD) 및 광역학 치료법(Photo Dynamic Therapy; PDT) 활용의 장점 및 가능성, 최신 경향 등은 참조문헌[C.Fritch and T. Ruzichka, "Fluorescence Diagnosis and Photodynamic Therapy of Skin Diseases", Atlas and Handbook, 2003, Springer-Verlag.Wien]에 잘 나타나 있다.

상기 참조문헌에 따르면, 피부층의 형광상은 사진형태로 기록되며, 촬영을 위해 암실에서 진단 대상에 우드(Wood) 램프의 자외선을 0.25에서 1.5초 노출하고, 1600 ASA와 같이 고감도의 필름을 가지고 현상한다.

한편, 미국특허 제5,363,854호에서는 형광 영상 및 가시광의 편광에서 대조 영상을 검출하기 위해 단일의 케이싱에 광원과 함께 고정된 일반적인 비디오 카메라가 사용되었다.

여기서, 피부의 이형(anomalies), 특히 흑색종(melanoma)의 검출 방법 및 이를 수행하기 위한 장비는 피부 조사 부위를 2차원적으로 확장하여 연속적으로 조사하는 자외선 범위 및 가시광을 갖는 광원을 포함한다.

상기 카메라는 자외선의 광 조사에 의해 조사 부위의 영상 좌표 x, y에서 신호값 F(x,y)를 갖는 형광 영상과, 가시광의 광 조사에 의해 조사 부위의 영상 좌표 x,y에서 신호값 R(x,y)를 갖는 대조 영상을 기록하게 된다.

또한 메모리는 형광 영상 및 대조 영상의 적어도 하나의 신호값들을 저장하며, 메모리에 대응하는 프로세서는 같은 영상 좌표에서 형광 영상 및 대조 영상의 신호 값들의 각자의 비율 F(x,y)/R(x,y)로부터 형성된 영상 좌표에서 각자의 신호값 A(x,y)들을 갖는 출력 영상을 만들어 낸다.

장비의 접안렌즈를 통해 관찰되는 영상은 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 통해 두 개의 컬러 영상으로 재구성된 것이며, 광원은 연속 조건 또는 임펄스 조건에서 작동하되, 임펄스 조건에서는 에너지 절약 및 잡광의 영향을 감소시킬 수 있도록 되어 있다.

또한 피부 질환 검출 시스템은 조사 부위로부터 형광을 생성하기 위한 여기 광원을 포함하는데, 대조광과 함께 생성된 형광은 광 분리기(beam splitter)에서 나누어져 각자의 광학 경로로 보내지며, 각 광학 경로는 조사되는 조사 부위의 영상을 생성하고, 광 결합기는 각 다른 광학 경로에 의해 생성된 영상을 사용자의 육안을 통해 볼 수 있도록 제공한다.

그리고, 미국특허 제5,760,407호에서는 사람의 피부에 있는 여드름, 미소코메돈(microcomedon), 박테리아의 확인을 위한 장비가 제안된 바 있다.

한편, 정상 및 손상된 피부의 피부 질환 진단을 위하여 분광학적인 수단과 형태학적인 수단(spectroscopy and imaging method)에 의한 일련의 광학 진단 방법이 있다.

피부 치료의 경우도 전자파의 광 조사의 작용에 의한 광 치료 방법이 있으며, 이러한 일련의 광학 수단들 중에 형광 진단 및 광역학 치료(PDT)는 중요한 위치를 차지하고 있다.

형광 진단의 경우 주어진 조건에서 조직의 병적 상태 부위와 정상 조직 부위는 형광 특성이 다르게 관찰되며, 이러한 차이는 방사되는 파장 및 형광 밝기의 강도로 나타난다.

분광학적인 파장 분석 수단의 단점은 일 회 시행 동안에 피부 부위의 낮은 공간 분해능과 조사되는 점들의 수가 적다는 점이다.

관찰 부위에서 형광 영상을 획득하는 수단은 위의 단점을 제거하며, 많은 경우에 관찰되는 형광 영상은 단색 광(monochrome fluorescence imaging)으로 주어진 다.

따라서, 단색 형광 영상과 함께 형태학적인 정밀한 분석을 위해 같은 부위에 대하여 백색광으로 획득한 컬러 영상이 보충된다[simultaneous acquisition and display of morphological (color image) and physiological (fluorescence image) information)(DYADERM professional, Biocam GmbH; http://www.biocam.de].

그러나, 단색 광의 형광 영상은 피부의 개별적인 부위에서 파장의 차이를 나타내는 정보를 상실함에 따라 본질적으로 화상이 빈약할 수밖에 없으며, 특히 피부 자체에서 발생하는 고유 형광의 특성 연구에서 형광의 원인 규명을 어렵게 한다.

다파장 영상 시스템(multispectral imaging system) 수단을 통하여 형광 분광학적인 수단과 형광 영상 수단의 장점을 결합시키는 것은 가능하다[Hewett et al., 2000, "Fluorescence detection of superficial skin cancer", J. Mod. Opt. 47, 2021-2027].

그리고, 피부로부터 발생하는 형광의 기본적인 분광학적인 정보는 가시광선 영역으로부터 획득될 수 있으며, 따라서 다파장 영상 시스템으로서 고감도 컬러 카메라를 적용할 수 있고, 이를 통해 장치를 간단하게 하고 또한 공간 분해능을 증가시킬 수 있다.

한편, 피부 질환에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위한 진단 장비에서는 영상 픽업 헤드에 의해 피부 조직을 관찰할 수 있으며, 영상 픽업 헤드는 피부와 접촉해 관찰할 수 있는 시야 홀(view hole)을 통해 들어오는 피부 영상을 픽업하기 위한 영상 픽업 장치(image pick-up device)와 조명 시스템으로 구성된다.

그리고, 상기와 같은 영상 픽업 헤드의 조명 시스템에서 형광 여기 광원으로는 통상 395 ~ 405 nm의 조명 범위를 갖는 발광다이오드(LED)가 사용되고 있고, 백색 광원으로는 백색 발광다이오드가 사용되었다.

또한 조명광에 의한 진단 부위의 시야(field of view)(시야 홀을 통해 진단되는 영역)는 약 20 mm로 하는 것이 일반적이며, 광의 관찰은 텔레비전 카메라(예, 칼라 CCD-415 : 1/2인치, 782×582)을 통해 이루어질 수 있고, 이는 형광 및 백색광의 동시 영상 기록 및 영상 처리가 가능하다.

상기와 같이 피부 질환 진단 부위로부터 형광을 여기시키기 위한 여기 광원으로 종래에는 자외선 범위의 파장에서 발광하는 다이오드가 사용되고 있는데, 자외선 파장 범위에서 광을 조사하는 경우는 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 콜라겐의 여기 파장 범위(320 nm ~ 380 nm)로 여기광을 조사시킴에 따라서, 피부에 광범위하게 분포된 콜라겐으로부터 발생하는 400 nm 부근의 파란 형광에 의해, 피부의 다른 형광원으로부터 발생하는 형광을 관찰하기가 어렵다.

2) 여드름균(P.acne) 등에 포함되어 있는 포르피린의 주 흡수파장 범위가 400 nm 부근이므로, 형광 여기를 시키기 위한 광의 효율성이 떨어진다.

3) 사용하는 자외선이 인체에 해로우며, 피하 조직에 침투하기가 어렵다.

이 외에, 자외선 LED 광들을 이미지 픽업 광축에 대해 원형으로 배열하고 조명광축이 시야 홀의 중심을 향하도록 할 경우, 시야 홀 내에서 균일한 강도의 자외선 조명광을 얻기 위해서는 LED에서 비추는 조명 부위들을 서로 광축 중심으로 겹치게 해야 하므로, LED 광들에 의한 조명 면적의 범위는 매우 좁은 범위로 한계가 지어지는 단점이 있다.

즉, LED를 광원으로 사용할 경우에는 기본적으로 조명의 비균일성 문제를 가지게 되는데, 이는 개개의 LED가 중심에서는 조명 강도가 크고 주변으로 갈수록 조명 강도가 작아지는 특성을 가지기 때문이다.

물론, 복수의 LED를 영상 픽업 헤드 내에 원형으로 배열하여 사용할 경우에 있어서, 도 6에 나타낸 바와 같이 조명하는 부위들이 광축 중심으로 서로 겹쳐지도록 동일한 조명 각도로 LED(여기 발광다이오드)(10)를 설치하는 경우에는 조명 강도의 비균일성 문제가 어느 정도 해결될 수는 있으나, 이 경우에도 시야 중심부가 되는 피부 부위에서는 형광 영상 품질이 만족스럽지만 영상 주변부는 조명 강도가 불충분하여 영상 품질이 좋지 않으며, 특히 LED와 피부 부위 간의 충분한 거리를 확보해야 하고, LED 광들에 의한 조명 면적의 범위가 매우 좁은 범위가 되는 단점이 있다.

만일, 주변부를 잘 보기 위해 카메라의 감도를 증가시키면 중심부가 포화 조건이 된다.

이하, 종래기술에 따른 광학 진단 장치의 문제점, 즉 조명의 비균일성 문제점에 대하여 좀더 상세히 살펴보기로 한다.

발광다이오드 자체가 조명의 높은 균일성을 제공하도록 하기 위해서는 발광다이오드가 조명하는 반점의 중심과 경계 사이의 밝기 차이가 가능한 작아지도록 해야 한다.

가장 특성이 우수한 발광다이오드 중의 하나인 RL-UV2030(405 nm)을 표본 발 광다이오드로 사용하여, 발광다이오드 정점에서 조명 대상 부위까지의 거리를 달리하여 그 거리에 따른 빔의 반점 중심에서의 출력 밀도와, 반점 중심의 최대 밝기에 대해 50% 수준의 밝기를 나타내는 지점의 지름을 측정(광 출력 검출계(optical power meter) Q8230에서 지름 8 mm의 검출기를 이용하여 측정)하였을 때, 그 측정 결과는 하기 표 1과 같다.

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 관찰되는 시야에 대해 필요한 조명을 얻기 위해 하나의 발광다이오드만을 사용해서는 원하는 조명을 얻기가 어렵다.

즉, 대상 부위와 가까운 거리에서 조명을 할 경우에 조명 빔의 지름이 충분하지 않으며, 원거리에서 조명을 할 경우에는 광의 출력 밀도가 부족하다.

따라서, 조명의 출력 밀도를 증가시키기 위해서는 사용하는 발광다이오드의 수를 증가시킬 필요가 있으며, 균일한 조명을 위해서 발광다이오드들의 다양한 배열 구성을 생각할 수 있다.

가장 간단한 방식은 카메라(1) 앞에 12개의 발광다이오드(10)를 사용하되, 발광다이오드(10)들의 조명중심축(C2) 방향을 도 6에 나타낸 구조에서와 같이 시야의 중심으로 향하게 하는 것인데, 이 경우 시야의 지름은 21.4 mm로 균일한 조명을 획득할 수 있으며, 이 경우 시야의 중심에서 계산된 출력 밀도 크기는 9.9 mW/㎠이다.

그러나, 이러한 배열은 영상 픽업 헤드의 케이스 내에서 발광다이오드의 고정판으로부터 진단 대상이 되는 부위(시야 홀 부위)까지, 그리고 발광다이오드로부터 진단 대상이 되는 부위까지 상당한 자유공간을 요구하며, 발광다이오드와 진단 대상 부위까지의 거리가 충분하지 않으면 안 된다.

예로 언급된 수치에서 이러한 거리는 60 mm 이상이 되어야 한다.

결국, 발광다이오드(10)로부터 피부 진단 부위에 밀착되는 시야 홀까지의 거리가 길어지기 때문에 충분한 거리 확보를 위하여 영상 픽업 헤드의 전체 길이가 길어질 수밖에 없다.

다른 방법으로, 발광다이오드의 수를 증가시켜 발광다이오드들과 대상 부위와의 자유공간을 줄이기 위해서 발광다이오드들을 케이스의 시야 홀에 보다 접근시키는 방법이 있으며, 이 경우에서 여기 광원으로 사용되는 LED의 배열상태와 광 조사상태를 도 7과 도 8에 나타내었다.

이 경우는 형광 여기 광원으로 20개의 발광다이오드(10)가 사용되었으며, 이들 중에 12개의 발광다이오드는 도 7에서와 같이 안쪽으로 20 mm 지름의 원형으로 등간격 균일하게 배열되되, 도 8에서와 같이 카메라(1) 중심축이 되는 이미지 픽업 광축(C1)을 기준으로 각도 16°의 조명중심축(C2) 각도(α)를 가지도록 배치되고, 진단 대상 부위(시야 홀 부위)로부터는 약 30 mm의 거리를 가지도록 위치된다.

그리고, 나머지 8개의 발광다이오드는 도 7에서와 같이 28 mm 지름의 원형으로 배열되되, 4개씩 도면상의 좌측과 우측으로 배열되고, 상기 12개의 발광다이오드와 동일 각도로 기울어져 동일한 조명중심축 각도(α)를 가지도록 배치되나 상기 12개의 발광다이오드보다는 진단 대상 부위에 약 8 mm 가까이 위치된다.

이와 같이 진단 대상 부위에 보다 가까이 배치되는 8개의 추가적인 발광다이오드는 광축에 대해 오른쪽 및 왼쪽 가장자리 영역을 조명하기 위한 보조 조명이다.

이러한 배치에서 각 발광다이오드의 요구되는 전류의 정격 조건은 20 mA, 최대 30 mA이며, 시야 중심(진단 대상 부위의 중심)에서 조명 출력 밀도는 정격 조건에서 8.5 mW/㎠, 강제 조건(30 mA)에서 12 mW/㎠이다.

이러한 조명 시스템에 의한 피부 진단 부위 및 표준 모형에서 획득된 영상을 도 9의 'A'로 나타내었는데, 이에 나타낸 바와 같이 시야의 중심부에서 형광 영상의 품질은 양호하였으나, 조명 강도가 불충분하여 영상의 주변부는 영상 품질이 좋지 않다.

도 9는 원형으로 배열된 발광다이오드들이 동일한 각도로 조명하도록 구성된 조명 시스템에 의해 획득된 형광 영상으로서, 'A'는 형광에서 피부 부위(gain 8, N=0, gamma=20, R=G=B=0)(160 mA)의 형광 영상이며, 'B'는 'A'와 같은 조건에서 검출기(카메라)의 광 감도를 올렸을 경우의 형광 영상이다.

그리고, 도 9에서 'C'는 표준 모형의 형광 영상을 나타내는데, 등고선은 밝기 최대값에 대해 30, 40, 50, 70 %의 밝기로 구성되고, 등고선의 지름은 시야의 대각선 크기(20.8 mm)에 대해 72, 63, 54 및 40 %에 해당한다.

또한 도 9에서 'D'는 'C'의 조건에 대해 삼차원 밝기 분포 그래픽을 나타낸 것이다.

만일, 주변부를 잘 보기 위하여 카메라의 감도를 증가시키면 'B'의 영상과 같이 중심부가 포화 조건이 되는데, 이러한 조명의 비균일성을 핫 스폿(hot spot)이라 하며, 핫 스폿 상태는 조명 강도에 대한 삼차원 표시에 의해 쉽게 알 수 있다(도 9의 'D' 참조).

한편, LED의 조명광 조사 방향이 람베르시안(Lambertian) 분포를 가지도록 한 경우에는 균일한 조명을 제공할 수 있는데, 람베르시안 조명은 넓은 범위에 광을 조명하므로, 특정 대상 부위에서 획득되는 광의 밝기 출력 밀도가 상대적으로 낮은 문제가 있고, 따라서 만족스러운 영상 획득이 불가하다.

만족스러운 영상 획득을 위해 조명광의 밝기 밀도를 증가시키고자 할 경우에는 많은 수의 LED를 사용해야 하는데, 이는 진단 장비의 크기를 증가시킨다.

또한 람베르시안 조명에서 LED들에 의해 분산되는 조명광의 출력은 장비의 케이스 등을 가열시켜 진단 대상자에게 화상 또는 불쾌감을 줄 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 영상 픽업 헤드 내부에 복수의 여기 발광다이오드가 설치되되, 각 여기 발광다이오드가 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명할 수 있도록 각각의 조명중심축 각도가 조정된 상태로 설치되어, 피부 진단 대상 부위 전체를 모자이크 형태로 조명할 수 있도록 구성되고, 결국 대상 부위의 넓은 시야를 여기광에 의해 균일하게 조명할 수 있는 광학 진단 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 백색 광원으로서 워엄 타입의 발광다이오드와 콜드 타입의 발광다이오드를 적절히 혼합 배치하여 사용함으로써, 자연스러운 색의 전달이 가능하고, 자연스러운 컬러 영상을 획득할 수 있게 되는 광학 진단 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 피부 부위에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위하여 영상 픽업 헤드의 케이스 내에 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드와 형광 여기용 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드가 설치되어 있는 광학 진단 장치에 있어서, 상기 영상 픽업 헤드의 케이스 전단 시야 홀에 접촉되는 피부 진단 대상 부위가 복수의 형광 여기광에 의해 복수의 개별 면적이 조합된 모자이크 형태로 조명될 수 있도록, 상기 복수의 형광 여기용 발광다이오드가 이미지 픽업 광축을 기준으로 하여 미리 정해진 조명중심축 각도를 가지도록 설치되어서, 각각의 형광 여기용 발광다이오드가 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치를 제공한다.

여기서, 각각의 상기 형광 여기용 발광다이오드는 400 nm의 가시광선 파장을 사용하는 발광다이오드인 것을 특징으로 한다.

그리고, 각각의 상기 형광 여기용 발광다이오드로서 400 nm의 가시광선 파장을 사용하는 복수의 발광다이오드가 상기 이미지 픽업 광축을 중심으로 원형으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드는 광 스펙트럼에 있어 빨간 성분이 우세한 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 파란 성분이 우세한 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 혼합 설치되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드는 형광 여기용 발광다이오드의 바깥쪽으로 원형 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 하나씩 번갈아 가면서 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은, 피부 부위에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위하여 영상 픽업 헤드의 케이스 내에 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드와 형광 여기용 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드가 설치되어 있는 광학 진단 장치에 있어서, 상기 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드는 광 스펙트럼에 있어 빨간 성분이 우세한 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 파란 성분이 우세한 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 혼합 설치되는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치를 제공한다.

여기서, 상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드는 형광 여기용 발광다이오드의 바깥쪽으로 원형 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 하나씩 번갈아 가면서 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 피부 질환에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위한 광학 진단 장치에 관한 것으로서, 발광다이오드(LED)를 사용하여 조명의 균일성을 향상시킨 광학 진단 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 광학 진단 장치는 조명의 균일성을 최대한 확보하기 위하여 영상 픽업 헤드 내에 배열되는 발광다이오드들의 조사방향을 최적화한 것으로서, 관측 및 진단 대상이 되는 피부 표면상의 조명 시야(시야 홀을 통해 진단되는 영역) 내에서 모자이크 형태의 조명이 이루어지도록 발광다이오드들의 배치를 최적화하여 구성한 것이다.

우선, 본 발명의 광학 진단 장치에서는, 형광을 여기시키기 위한 여기 광원으로서, 여드름균의 포르피린 또는 ALA(5-aminolevulinic acid) 등 형광 염료의 최대 흡수파장 범위인 400 nm 부근의 가시광선 파장을 사용하는 발광다이오드가 사용된다.

상기와 같은 발광다이오드를 사용함으로써, 광의 흡수 효율성을 높일 수 있게 되며, 특히 사용하는 조명광의 파장이 콜라겐의 여기 광 범위에 해당하지 않으 므로 광범위하게 분산된 파란 형광을 배제할 수 있는 바, 더욱 선명한 배경과 피하 조직, 모세 혈관, 다종으로부터 발생하는 형광 등을 용이하게 관찰할 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 목적은 발광다이오드의 적절한 배치에 의해 형광 영상의 균일성을 향상시키고자 함에 있는 바, 이를 위해서는 종래의 문제점 극복을 위한 고려와 함께 발광다이오드, 광학필터들, 발광다이오드들이 차지하는 면적, 이 외에 추가되는 각종 부품들의 크기와 관련된 제한을 고려해야 하며, 주어진 제한을 고려하여 균일한 형광 영상을 획득하기 위한 만족스러운 구성은 첨부한 도 1 ~ 도 3에 나타낸 바와 같다.

도 1은 본 발명에 따른 광학 진단 장치에서 영상 픽업 헤드의 케이스 내부에 카메라 중심축이 되는 이미지 픽업 광축을 중심으로 원형으로 배열되는 여기 광원 및 백색 광원의 배치상태 및 조명상태를 나타낸 도면이다.

또한 도 2는 본 발명에 따른 광학 진단 장치에서 영상 픽업 헤드의 케이스 내부에 원형으로 배열되는 여기 광원을 측면에서 도시한 도면으로서, 여기 광원의 조명각도 설계 예를 나타낸 도면이다.

그리고, 도 3은 본 발명에 따른 모자이크 조명 방식의 두 가지 예를 나타낸 도면으로, 도 3의 'A'는 12개의 발광다이오드를 사용한 경우를, 도 3의 'B'는 13개의 발광다이오드를 사용한 경우를 나타낸다.

본 발명에 따른 광학 진단 장치에서는, 영상 픽업 헤드의 케이스 내에서 형광 여기 광원으로 사용되는 복수의 여기 발광다이오드(10)가 카메라(1) 전방으로 설치되어 케이스 전단의 시야 홀을 통해 피부 진단 대상 부위를 조명하도록 함에 있어서, 도시한 바와 같이 피부 진단 대상 부위에 모자이크 형태의 조명이 이루어지도록 각 여기 발광다이오드(10)가 배치된다.

이러한 모자이크 조명 방식의 적용을 위하여 복수의 여기 발광다이오드(10)들은, 도 1과 도 3에서와 같이, 영상 픽업 헤드의 케이스 내에 카메라(1) 중심축이 되는 이미지 픽업 광축(C1)을 중심으로 하여 원형 또는 직사각형 등 소정 배열 형태(도시한 예에서는 원형)로 등간격 배열되되, 이미지 픽업 광축(C1)을 기준으로 한 조명중심축(C2) 각도(α)가 각각 서로 상이한 각도 또는 동일한 각도의 미리 설정된 각도를 가지도록 각 여기 발광다이오드(10)들이 설치된다.

특히, 본 발명의 광학 진단 장치에서, 도 1과 도 3에 나타낸 바와 같이, 케이스 전단 시야 홀에 접촉된 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적에 대하여, 각 여기 발광다이오드(10)가 할당된 개별 면적을 조명하도록 그 조명중심축 각도(α)가 조정되어서 설치되며, 이에 따라 케이스 내 복수의 여기 발광다이오드(10)가 피부 진단 대상 부위 전체를 각각의 개별 면적이 조합된 모자이크 형태로 조명할 수 있게 된다.

도 1을 참조하면, 모자이크 조명 방식을 위한 발광다이오드(10)들의 배열상태가 도시되어 있는 바, 도 1에서 지름 5 mm와 6 mm의 이중선 동심원(12) 부분은 형광을 여기시키기 위한 발광다이오드(10)들의 고정 위치를 나타낸다.

그리고, 직사각형(2)은 시야 영역, 즉 영상 픽업 헤드의 시야 홀 영역을 나타낸 것으로, 이는 시야 홀에 접촉된 피부 진단 대상 부위의 영역에 해당하며, 진 단을 위해서 발광다이오드(10)에 의해 균일한 조명이 이루어져야 하는 영역이다.

가는 빗금선으로 표시된 원(3)들은 각 발광다이오드(10)에 의해 조명되는 영역을 표시한 것으로, 이 원(3)들은 진단 대상 부위의 전체 영역에서 미리 할당된 개별 면적에 대해 각 발광다이오드(10)가 조명하게 되는 영역을 표시한 것이며, 각 발광 다이오드(10)가 조명하게 되는 영역은 조명중심축(C1)이 설정되는 각도에 의해 결정된다.

빗금선으로 표시된 상기 원(3)들의 중심은 각 발광다이오드(10)의 조명중심축(C1)과 대상 부위의 표면이 만나는 교차점에 해당한다.

그리고, 컬러 영상 획득을 위해 백색 광원으로 사용하는 발광다이오드(20)는 형광 여기용 발광다이오드(10) 배열의 바깥쪽으로 원형 또는 직사각형 등 소정 배열 형태(도시한 예에서는 원형)를 이루어 등간격 배열되는데, 도 1에서 지름 3 mm의 바깥에 배치된 원(21)은 백색 광원의 고정 위치를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 각 형광 여기용 발광다이오드(10)가 이미지 픽업 광축(C1)을 기준으로 조명중심축(C2)의 각도(α)를 달리하여 설치됨을 보여주고 있는데, 모자이크 방식의 조명을 위해 시야 영역의 할당된 개별 면적에 대하여 각 발광다이오드(10)가 해당 개별 면적을 조명해야 하는 바, 이를 구현하기 위해 각 발광다이오드(10)의 조명중심축 각도(α)가 설정된 예를 보여주고 있다.

도 2에서 도면부호 11은 여기 필터를 나타낸다.

그리고, 도 3은 본 발명의 광학 진단 장치에서 복수의 발광다이오드(10)들이 원형으로 배열된 상태를 보여주고 있으며, 조명의 균일성을 증가시키기 위해 진단 되는 대상의 시야에 모자이크 조명이 이루어지는 예를 보여주고 있다.

도 3에서와 같이 사용되는 형광 여기용 발광다이오드(10)의 수는 적절히 조정이 가능한데, 도 3의 'A'와 같이 12개의 발광다이오드(10)를 사용할 경우에는 전체적으로 직사각형 영역에 대해 모자이크 조명이 가능하도록 각 발광다이오드의 광 조사방향(조명중심축 방향)이 설정될 수 있고(직사각형 모자이크 조명), 도 3의 'B'와 같이 13개의 발광다이오드(10)를 사용할 경우에는 전체적으로 육각형 면적에 대해 모자이크 조명이 가능하도록 각 발광다이오드의 광 조사방향이 설정될 수 있다(육각형 모자이크 조명).

이와 같이 본 발명의 광학 진단 장치에서는 복수의 형광 여기용 발광다이오드(10)가 대물렌즈의 광축(카메라 중심축이 되는 이미지 픽업 광축임)에 대해 다양한 각도로 설치되어 각 형광 여기용 발광다이오드가 진단 대상 부위의 시야를 부분별로 조명하도록 함으로써, 발광다이오드들로 구성된 광원의 빔들이 균일하게 대상 부위의 시야를 조명할 수 있게 되고, 이에 의해 조명의 균일성이 향상될 수 있게 된다.

첨부한 도 4는 모자이크 조명 방식이 적용된 본 발명의 광학 진단 장치를 이용하여 형광이 균일하게 방출되는 표준 모형 및 피부 진단 대상 부위에서 획득된 형광 영상을 나타낸 도면으로서, 'A'는 표준 모형의 형광 영상을, 'B'는 표준 모형의 형광 밝기 분포에 대한 삼차원 그래픽을, 'C'는 피부 부위의 형광 영상(gain 8, N=0, gamma=20, R=G=B=0)(160 mA)을, 'D'는 동일한 피부 부위의 백색광 영상을 나타낸다.

도 4의 형광 표준 모형 영상인 'A'에서 빨간색의 선은 형광 최대값의 70% 수준까지의 밝기를 나타내는 경계선이며, 표준 모형의 형광 밝기는 삼차원 분포 그래픽 'B'를 통해 잘 알 수 있다.

도 4의 'A'와 'B'를 참조하면, 시야 대부분의 영역이 상기한 경계선 안에 위치하며, 상기한 모자이크 조명 방식의 조명 시스템을 적용할 경우에 종래의 조명 시스템과 비교하여 조명의 균일성이 크게 향상됨을 알 수 있다.

또한 본 발명의 조명 시스템에 의하면 발광다이오드와 대상 부위 사이의 거리가 밀접하여 보다 적은 수의 발광다이오드를 사용하더라도 만족스러운 형광 영상('C')을 제공할 수 있게 된다.

도 4의 형광 영상을 획득하기 위하여 여기광으로 400 nm 근방의 파장을 갖는 발광다이오드를 선택하였고, 여기 광원으로 사용되는 발광다이오드(10) 앞에 형광 영상의 명암 대비를 향상시키기 위하여 여기 필터(shortpass or bandpass)(11)를 설치하였으며(도 2 참조), 이 여기 필터(11)는 형광 여기용 발광다이오드(10)의 상층부에 구성된 렌즈로부터 발생하는 기생 형광을 제거하는 역할을 한다.

그리고, 상기 여기 발광다이오드의 측면을 열에 강한 불투명한 관으로 둘러 쌓을 수 있다.

한편, 형광 영상 관찰을 위해 광 검출기(CCD 텔레비전 카메라) 앞에 차폐 필터를 설치하여 피부로부터 반사되는 여기광이 광 검출기로 유입되는 것을 차단시킬 수 있다.

상기 차폐 필터는 백색 광원으로 사용되는 발광다이오드를 켠 상태에서는 백 색광에 의해 획득된 영상의 색상 품질을 향상시키기 위하여 검출기로 향하는 광의 경로 상에서 제거된다.

백색광에서 조명의 충분한 밝기와 균일성은 어렵지 않게 도달할 수 있다.

이것을 위한 실례로 대상 부위의 시야 네 구석에 백색 발광다이오드를 설치하고 상기 백색 발광다이오드가 확산 조명을 갖게 하는 것으로 충분하다.

백색광 조건에서 더욱 어려운 것은 정확한 색상의 전달이며, 백색 광원은 일반적으로 가시광 전체에 걸쳐 고른 밝기를 나타내지 못한다.

이러한 파장에 따른 밝기의 차이는 발광제의 성분에 의해 결정되는데, 백색 발광다이오드의 경우도 각 제품마다 가시광선 범위에서 더 우세하게 밝은 파장 범위가 존재한다.

실례로 광 스펙트럼에 있어 HB3b-449 AWD(Huey Jann El., Taiwan - hueyjann.com) 제품의 경우는 빨간 성분(warm white)이 우세하며, BL-BZ43V1(Bright Led Electronics corp., Taiwan)의 경우는 파란 성분(cold white)이 우세하다.

본 발명의 광학 진단 장치에서는 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드(20)가 원형 또는 직사각형 등으로 배열되어 설치됨에 있어서 빨간 성분이 우세한 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 파란 성분이 우세한 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 혼합 설치된다.

즉, 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 번갈아 가면서 교대로 혼합 배치되며, 백색광 조건에서 더욱 자연스러운 색 상의 전달을 위해 상기와 같은 발광 다이오드들의 혼합에 의해 더욱 우수한 컬러 영상이 획득될 수 있다.

이때, 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드는 하나씩 번갈아 가면서 교대로 설치될 수 있다.

또한 상기한 백색 광원은 균일한 조명을 위해 확산 조명을 하도록 할 수 있다.

첨부한 도 5는 서로 다른 백색 발광다이오드에 의해 획득된 동일 피부 부위의 컬러 사진으로서, 'A'는 광 스펙트럼에 있어 빨간 성분이 우세한 워엄 타입 발광다이오드(HB3b-449 AWD)를 사용하였을 때 사진이며, 'B'는 파란 성분이 우세한 콜드 타입 발광다이오드(BL-BZ43V1)를 사용하였을 때 사진이다.

그리고, 'C'는 본 발명에 따른 백색 광원 배치상태를 적용한 상태, 즉 워엄 타입 발광다이오드와 콜드 타입 발광다이오드를 혼합한 배치(HB3b-449 AWD + BL-BZ43V1)에서 획득된 컬러 사진이다(gain 8, N=0, gamma=20, R=G=B=0).

'A'의 사진을 보면 대체로 영상이 붉은 색 느낌을 받도록 표현되고 있으며, 'B'의 사진을 보면 대체로 영상이 파란 색 느낌을 받도록 표현되고 있는 바, 자연스러운 색 전달이 이루어지지 않고 있다.

그러나, 본 발명에서와 같이 워엄 타입과 콜드 타입의 백색 발광다이오드를 혼합하여 사용한 경우에는 'C'의 사진에서 알 수 있는 바와 같이 자연스런 색으로 표현된 영상을 획득할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 광학 진단 장치에서는 형광에서 획득된 조직상태가 명확히 확인될 수 있도록 하기 위하여 카메라를 통해 획득된 형광 영상과 백색광 영상을 컴퓨터의 도움으로 픽셀마다 서로 겹쳐지도록 하게 되는데, 컴퓨터 디스플레이 영상에서 변화되는 투명도에 의해 보여질 수 있다.

그리고, 광학 진단 장비에서 진단 작업의 편리성을 위해 영상 출력이 이루어지는 디스플레이 장치는 영상 픽업 헤드, 즉 카메라 헤드에 직접 설치될 수도 있으며, 카메라 헤드의 시야 홀의 면 밖에 위치한 피부 부위의 예리한 영상 획득을 위하여 카메라 헤드의 광학 시스템은 정밀한 초점 장치를 포함할 수 있다.

또한 작업의 편리성을 위해 정밀한 초점 장치는 전자 구동 장치 또는 자동 초점 장치로 구현될 수 있으며, 다양한 배율을 가지고 피부 부위의 식별이 가능하도록 하기 위해 카메라 헤드가 광학 또는 디지털 줌 시스템을 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학 진단 장치는 종래의 광학 진단 장치에 비하여 다음과 같은 장점을 가진다.

1) 영상 픽업 헤드 내부에 복수의 여기 발광다이오드가 설치되되, 각 여기 발광다이오드가 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명할 수 있도록 각각의 조명중심축 각도가 조정된 상태로 설치되어, 피부 진단 대상 부위 전체를 모자이크 형태로 조명하게 되고, 결국 대상 부위의 넓은 시야를 여기광에 의해 균일하게 조명할 수 있게 된다. 본 발명의 광학 진단 장치에서 각각의 여기 발광다이오드는 대물 렌즈의 광축에 대하여 서로 다른 각도 또는 동일한 각도로 설치되며, 이와 같이 설치된 여기 발광다이오드들로 구성된 광원의 빔들은 대상 부위의 시야를 균일하게 조명하게 된다.

2) 여드름균을 비롯하여 주요 형광 염료들의 주 광흡수대인 400 nm 부근의 가시광 파장을 여기광으로 사용함에 따라 피하 조직, 모세 혈관, 다종의 형광을 고품질 형광 영상으로 관찰할 수 있다.

3) 균일한 조명광을 제공할 수 있게 됨에 따라 대상 부위의 단순한 관찰뿐만 아니라 광의 강도에 대한 정량적 관찰이 가능해진다.

4) 백색 광원으로서 워엄 타입의 발광다이오드와 콜드 타입의 발광다이오드를 적절히 혼합 배치하여 사용함으로써, 자연스러운 색의 전달이 가능하다. 즉, 백색 발광다이오드의 색 특성에 따라 적절한 혼합이 이루어지면서 자연스러운 색의 컬러 영상을 획득할 수 있게 되는 것이다.

5) 백색광 배경에 형광이 중첩되어 보여짐에 따라 형광이 발생하는 위치에 대한 정확한 판단이 가능해진다.

Claims (9)

1. 피부 부위에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위하여 영상 픽업 헤드의 케이스 내에 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드와 형광 여기용 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드가 설치되어 있는 광학 진단 장치에 있어서,

   상기 영상 픽업 헤드의 케이스 전단 시야 홀에 접촉되는 피부 진단 대상 부위가 복수의 형광 여기광에 의해 복수의 개별 면적이 조합된 모자이크 형태로 조명될 수 있도록, 상기 복수의 형광 여기용 발광다이오드가 이미지 픽업 광축을 기준으로 하여 미리 정해진 조명중심축 각도를 가지도록 설치되어서, 각각의 형광 여기용 발광다이오드가 피부 진단 대상 부위의 미리 할당된 개별 면적을 조명하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   각각의 상기 형광 여기용 발광다이오드가 400 nm의 가시광선 파장을 사용하는 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   각각의 상기 형광 여기용 발광다이오드로서 400 nm의 가시광선 파장을 사용 하는 복수의 발광다이오드가 상기 이미지 픽업 광축을 중심으로 원형 또는 직사각형 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드는 광 스펙트럼에 있어 빨간 성분이 우세한 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 파란 성분이 우세한 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 혼합 설치되는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드는 형광 여기용 발광다이오드의 바깥쪽으로 원형 또는 직사각형 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,

   상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다 이오드가 하나씩 번갈아 가면서 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
7. 피부 부위에 대한 백색광 관찰 및 형광 진단을 위하여 영상 픽업 헤드의 케이스 내에 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드와 형광 여기용 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드가 설치되어 있는 광학 진단 장치에 있어서,

   상기 백색 광원으로 사용되는 복수의 발광다이오드는 광 스펙트럼에 있어 빨간 성분이 우세한 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 파란 성분이 우세한 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 혼합 설치되는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드는 형광 여기용 발광다이오드의 바깥쪽으로 원형 배열되는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.
9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,

   상기 워엄 타입의 백색 광원 발광다이오드와 콜드 타입의 백색 광원 발광다이오드가 하나씩 번갈아 가면서 교대로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 조명의 균일도를 향상시킨 광학 진단 장치.

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