KR101166556B1 - 형광 센싱 프루브 및 이를 이용한 형광 검출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체 또는 동물 내에 분포하는 형광 색소가 결합되거나 포함되는 물질을 조직에 근접하여 고감도로 검출할 수 있는 형광 센싱 프루브 및 이를 이용한 형광 검출 방법에 관한 것이다.
이러한 형광 센싱 프루브는 감시림프절절제술탐지용이나 표적가이드수술시 이용될 수 있으며, 수술중에 인체 또는 동물의 피부 표면에 근접하여 필요에 따라 누르거나 방향을 바꾸는 등의 수술적인 기법에 적절히 이용할 수 있어 매우 실용적이다. 또한 이러한 형광 센싱 프루브는 기존의 형광 카메라를 이용한 방법과 비교했을 때 인체 또는 동물 내에 분포하는 형광 표적 물질을 보다 효과적으로 검출할 수 있으며, 형광 물질은 방사선의 위험이나 사회적 반감이 없고, 다양한 형광파장을 이용한 다중형광검출이 가능하기 때문에 넓은 임상적 활용에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Description

형광 센싱 프루브 및 이를 이용한 형광 검출 방법{Fluorescence sensing probe and fluorescence sensing method using the same}

본 발명은 형광 센싱 프루브 및 이를 이용한 형광 검출 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 인체 또는 동물 내에 분포하는 형광 색소가 결합되거나 포함되는 물질을 조직에 근접하여 고감도로 검출할 수 있는 형광 센싱 프루브 및 이를 이용한 형광 검출 방법에 관한 것이다.

1) 형광기술의 장점과 단점, 한계점

형광(fluorescence)은 대부분 생체에 무해하며, 비교적 간단한 장치를 통하여 이용되므로 비용적인 면에서 매우 효율적인 기술이다. 하지만 생체 특히 인체에 적용하기에는 투과력이 약하고 햇빛, 전등에서 나오는 빛과 같이 주변에 존재하는 빛에 의해 많은 영향을 받으며, 광원의 종류, 필터의 종류, 형광과 생체와의 상호 관계 등 여러 가지 요소가 영향을 줄 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 형광은 자가형광(autofluorescence)에 의하여 민감도가 떨어지는 한계가 있다. 그러나, 상술된 단점 및 한계점에도 불구하고 다양한 장점으로 인해 생체 특히 인체에서 여러 가지 방식으로 널리 사용될 가능성이 높은 기술이다.

2) 생체에 형광을 적용하는 관련 기술의 현황

형광을 생체에 적용하는 기술은 많은 종류가 있으며, 그 중에서도 형광을 포함하는 약품 또는 약제를 여러 가지 기전으로 생체 내에 분포시키고 생체 내의 형광의 분포 위치, 분포량 등을 생체의 바깥에서 비침습적으로 측정하는 기술이 형광을 생체에 적용할 때 중요한 기술 분야이다.

비침습적으로 생체 내의 형광의 분포 위치, 분포량을 측정하기 위해서 가장 널리 사용되는 방법은 형광 카메라를 이용하여 상기 생체 내의 형광을 영상으로 촬영하는 방법이다.

이러한 방법에 있어서, 형광을 포함하는 약품 또는 약제에서 나온 형광이 형광 카메라에 도달하여 이러한 형광이 전기적 신호로 변환되어 영상이 생성되는 과정 중에는 많은 변수가 발생할 수 있다. 그 중 가장 큰 변수는 형광을 일으키는 여기 광선이나 형광 광선이 통과하는 조직의 두께 및 종류와 같이 조직과 관련된 변수이다. 즉, 조직의 두께가 두꺼워지는 경우에는 조직으로부터 멀리 떨어진 형광 카메라로 형광을 감지하기 어렵게 된다. 또한 일반적으로 조직과 형광카메라 사이가 멀리 떨어져 있기 때문에 추가적으로 센싱되는 형광의 양이 줄어들어 민감한 측정에 불리하여 근접하여 측정하는 방법에 비해 감도가 현저하게 저하된다는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해, 형광 카메라가 가능한 많은 양의 형광 광선을 받을 수 있도록 강한 여기 광선을 조사하거나, 집광 능력이 보다 양호한 렌즈를 사용하거나, 조직에 덜 흡수되는 형광 광선의 종류를 사용하는 등의 여러 가지 방법을 이용하고 있는 실정이다.

이때 조직에 덜 흡수되는 형광 광선으로서, 생체 내에서의 투과력이 높은 근적외선 영역의 형광 광선이 유리하다. '근적외선 영역'은 빛의 스펙트럼에서 적색 바깥쪽의 영역을 의미하며, 일반적으로 적외선 중 파장이 가장 짧은 0.75 ~ 3㎛의 영역을 근적외선 영역이라고 한다.

이러한 근적외선 영역의 빛은 전자 스펙트럼을 포함하여 열작용 외에 사진작용, 광전작용, 형광작용을 나타내고 소독이나 멸균, 관절 및 근육 등을 치료하는 작용을 하므로 일반적으로 공업용, 의료용으로 많이 이용된다. 특히 근적외선 영역의 빛은 생체 내에서 흡수가 다른 파장대에 비해 상대적으로 적어 비교적 생체 내의 깊은 부위에서 발생하는 근적외선도 생체 외부에서 검출이 가능하다.

현재 생체 내의 형광을 검출하는 방법은 상술된 형광 카메라와 광학 필터를 이용하여 눈으로 관찰하는 방법이 대표적이다. 주로 가시광선 영역에서 방출되는 형광 광선인 경우, 측정하고자 하는 형광광선이 속한 파장 영역만 통과시키는 광학 필터를 이용하여 눈으로 직접 관찰하는 방법을 이용할 수 있다. 하지만, 가시광선영역의 형광은 체내투과율이 낮아서 민감한 측정에는 불리하다는 단점이 있다. 형광카메라를 이용하는 방법은 눈에 보이지 않는 근적외선 영역의 형광을 사용하는 경우에 사용하기에 알맞다. 형광카메라를 추가로 사용하여야 하지만 근적외선의 특성상 체내투과율이 높아 민감한 측정에 유리하고 우리 눈에 보이지 않는 빛을 이용하므로 관찰부위를 어둡게 하는 등의 방법은 필요하지 않다.

그러나, 눈을 이용하거나 카메라를 이용하여 영상으로 살펴보는 방법은 비교적 넓은 부위를 관찰하는 데 편리하지만 형광 특유의 자가 형광과 생체 조직의 감쇠에 의한 민감도 저하로 비교적 조직이 깊은 경우 임상 응용에 이용하기는 어렵다는 문제점이 있다. 또한 넓은 부위를 관찰할 필요보다는 좁은 부위에 원하는 형광이 분포 혹은 존재하는지 여부를 관찰해야 되는 경우에는 영상을 얻기보다는 조직에 근접하여 사용하는 프루브 형태의 기기가 필요한 실정이다.

3) 감시림프절 생검 및 표적가이드수술과 관련된 기술의 한계점

(가) 감시림프절 생검관련

림프절 절제술은 유방암 등 여러 암의 수술치료에서 반드시 필요한 시술이지만 광범위하게 림프절이 절제되면 종양은 치료되더라도 림프절 부종 등 합병증을 야기할 수 있어 암치료 후 환자의 삶의 질을 현저히 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 '광범위 림프절 절제술'은 꼭 필요한 환자에서 최소한의 범위로 하는 것이 필요하다.

'광범위 림프절 절제술'이 필요한 환자를 찾거나, 림프절 절제의 범위를 결정하기 위해 사용하는 방법은 '감시림프절를 찾아내는 시술'이다. 감시림프절은 병변에서 최초로 배액되는 림프절을 의미한다. 감시림프절은 전체 림프절의 상태, 즉 종양의 전이유무를 대표할 수가 있다. 따라서 생체의 손상을 적게 하면서, 예를 들면 절개부위가 되도록 작게 하고 불필요하게 광범위하게 림프절을 절제하지 않으면서, 감시림프절을 떼어내게 되면 이 감시림프절만 검사하여 '광범위 림프절 절제술'의 시행 여부를 판단할 수 있다. 감시림프절을 찾기 위해서는 감시림프절에 배액되어 축적되는 진단약제를 투여하고 이를 다양한 방법으로 찾아내어 절제하고, 절제된 감시림프절을 최종적으로 병리적으로 확인하게 된다.

진단약제가 도달된 감시림프절에서 나오는 시그널을 감지하여 감시림프절을 찾는 방법은 현재 크게 두가지 방법, 방사성 물질과 색소를 이용하는 방법이 있다.

방사성 물질은 체조직의 투과능이 매우 양호하기 때문에 외부에서 시그널을 검출하기에 매우 용이하다. 감마 카메라를 이용하여 영상을 이용할 수 있고, 감마 검출기를 이용하여 측정도 가능하다. 그러나, 방사성 물질은 감마 카메라나 감마 검출기와 같은 특수장비가 필요하고 관련시설, 관련인가, 관련인력이 필요하므로 작은 병원이나 방사성관련 장비가 설치되지 않은 병원에서는 어려움이 있다.

색소는 특별한 장비가 필요없고, 관련시설, 관련인가, 관련인력 등이 필요없어 매우 편리한 방법이지만 감시림프절을 감지하는 능력이 떨어지기 때문에 단독으로 사용하기 보다는 방사성 물질을 이용하는 방법과 함께 사용하고 있다. 다만, 이 경우에는 상술된 문제점이 발생하게 된다.

(나) 표적가이드수술 관련

일반적으로 수술은 병변을 절제하면서도 정상 조직의 손상을 최소화하고 기능의 손상도 최소화하는 것을 목표로 한다. 이러한 목표를 달성하기 위해서 가장 중요한 것은 병변을 정확히 찾고 병변과 주변 조직의 경계를 보다 정확히 구분하는 것이다.

그러나 병변과 주변 조직과의 경계를 구분하는 것이 쉽지 않은 경우가 많고, 특히 병변이 작은 경우에서는 더욱 힘들다. 한편 진단기술의 발전으로 미세병변을 발견하는 경우가 빈번해지고 있지만 진단을 할 때 발견한 미세병변을 수술 할 때 정확히 찾아 절제하는 것이 항상 용이하지는 않다. 미세병변이 진단 기기에는 발견되어도 수술자의 눈이나 수술 현미경에서는 보이지 않는 경우도 많고 특히 병변과 주변 조직과의 경계를 신뢰도 있게 찾는 것도 어려운 실정이다.

이러한 배경과 이유로 인해 미세병변 등의 위치를 여러 가지 방법으로 수술 중에 유도(즉, 표적을 가이드)하여 미세병변만 절제하는 수술치료가 각광받고 있다. 이러한 방식의 수술치료를 '표적가이드수술'로 부른다. 병변을 표적으로 하는 방법은 감시림프절표지와 유사하게 병변으로 선택적으로 축적되는 진단약제를 투여하고 이 약제의 분포를 확인할 수 있는 기구를 이용하여 수술 중에 이 약제의 위치를 확인하며 절제하게 되는 데 이렇게 하면 눈이나 수술현미경으로 잘 구분할 수 없는 미세병변을 신뢰성있게 절제할 수 있게 된다. 앞서 설명한 감시림프절도 일종의 표적가이드 수술의 일종이다. 이 방법도 역시 방사성 물질을 이용하는 방법이 매우 유리하기 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 방법 역시 방사성 물질을 사용한다는 한계로 인하여 상술된 문제점이 발생하게 된다.

따라서, 방사성 물질을 사용하지 않고도, 표적을 보다 효과적이고 편리하게 가이드할 수 있는 장치 및 방법이 필요한 실정이다.

본 발명의 목적은, 인체 또는 동물 내에 분포하는 형광 색소가 결합되거나 포함되는 물질을 조직에 근접하여 고감도로 검출할 수 있는 형광 센싱 프루브를 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 상기 형광 센싱 프루브를 이용하여 인체 또는 동물 내에 분포하는 형광 색소가 결합되거나 포함되는 물질을 검출할 수 있는 형광 검출 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 상기의 형광 검출 방법을 감시림프절절제술에 적용하는 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은, 상기의 형광 검출 방법을 표적 가이드 수술에 적용하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 형광 센싱 프루브는, 일정한 파장의 빛을 발산하는 광원; 상기 광원으로부터 발산되는 빛 중 생체 내에 포함되는 형광 물질을 여기시키는 여기광만을 선택적으로 투과시키는 여기 필터; 상기 형광 물질로부터 발산되는 형광만을 선택적으로 투과시키는 발산 필터; 및 상기 발산 필터를 통과한 형광을 검출할 수 있는 광감지소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "프루브"는 진공관 전압계(VTVM)나 오실로스코프 등의 입력 단자와 피측정점에 접촉시키기 위해 사용하는 것이며, 탐침(探針)이라고도 한다. 구성 소자는 측정하고자 하는 시그널에 따라 달라진다. 대표적으로 온도, 압력, pH 등이 있고 의료용으로 대표적인 것은 초음파 프루브이다. 입력은 일차원 시그널일수도 있고 2차원시그널 (영상 등)이나 3차원시그널 등 필요에 따라 고차원의 시그널일 수 있다. 본 명세서에서 기술하는 프루브는 의료 혹은 생물학적 응용을 목표로 하는 장비로, 보통 길쭉하고 가느다란 형태를 띠어 상처나 수술부위 등 특정 생체부위에 접촉하여 사용하기 편한 형태를 의미한다.

바람직하게는, 가시광선 및 근적외선 영역의 형광 물질을 체외에서 근접 혹은 접촉하거나, 수술부위에 접촉하는 방법으로 예민하게 탐지하는 것을 특징으로 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "근적외선 영역"은 당업계의 공지된 근적외선 영역을 일반적으로 지칭하는 것이다. 근적외선 영역의 파장을 이용하는 경우 피부를 절개하지 않고도 감시림프절의 위치를 확인할 수 있다는 장점이 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "가시광선 영역"은 빛의 스펙트럼 중 육안으로 보이는 범위의 파장을 가지는 영역을 말하며, 파장의 범위는 대체로 380~770nm이다. 가시광선 영역 내에서는 파장에 따른 성질의 변화가 각각의 색깔로 나타나며 빨강색으로부터 보라색으로 갈수록 파장이 짧아진다. 단색광인 경우 700~610nm는 빨강, 610~590nm는 주황, 590~570nm는 노랑, 570~500nm는 초록, 500~450nm는 파랑, 450~400nm는 보라색으로 보이게 된다.

바람직하게는, 상기 여기 필터는 제1 광섬유의 일측과 연결되고 상기 발산 필터는 제2 광섬유의 일측과 연결되고, 상기 제1 및 제2 광섬유의 타측은 동일한 하우징 내에 수용되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 여기 필터 및 상기 발산 필터는 하나의 광섬유의 일측과 연결되고, 상기 광섬유의 타측을 동일한 하우징 내에 수용되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 하우징은 생체 표면에 접촉하여, 생체 내에 포함되는 형광 물질을 여기시키고 상기 형광 물질로부터 발산되는 형광을 검출하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광원은 레이저, 레이저 다이오드, LED, 할로겐 램프, 제논 램프 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광감지소자는 CCD, CMOS, 포토다이오드 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 형광 센싱 프루브는 검출된 형광을 증폭시킬 수 있는 증폭 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 형광 센싱 프루브는 검출된 형광을 표시할 수 있는 표시 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 형광 센싱 프루브는 검출된 형광을 표시할 수 있는 표시 장치를 더 포함하고, 상기 표시 장치는 상기 하우징 상에 제공되는 발광 장치인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 여기 필터 및 상기 발산 필터는 복수개 존재하거나 또는 선택적으로 교체될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 형광 검출 방법은, (a) 인체 또는 동물의 체내에 형광 색소가 결합되거나 포함된 물질을 주입하는 단계; 및 (b) 상술된 형광 센싱 프루브를 이용하여 인체 또는 동물의 체내의 형광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 형광 색소가 결합되거나 포함된 물질은 인도시아니그린이 표지된 인혈철알부민인 것을 특징으로 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "인도시아닌그린"은 널리 사용되는 근적외선 영역의 형광 영상용 염료로, 인체 또는 동물의 체내에 주입된 후 한 시간 정도 지나면 분해되어 없어지거나 대소변으로 배출되는 특성이 있어 인체 또는 동물의 체내에 사용 가능한 형광염료로 임상적 적용에 유리하다.

본 발명에 따르면, 인체 또는 동물 내에 분포하는 형광 색소가 결합되거나 포함되는 물질을 조직에 근접하여 고감도로 검출할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브는 감시림프절절제술 및 표적가이드수술에 적용할 수 있다는 효과가 발생한다.

본 발명에 따른 형광 센싱 프루브는 피부 표면 등에 접촉하여 누르거나 방향을 바꾸는 등의 방법을 이용하여 형광의 위치를 민감하게 감지하여 절제수술을 가이드할 수 있다. 그로 인해 임상적으로 유용하게 사용할 수 있고 결과적으로 생체 내에 분포한 형광 표적 물질을 기존의 형광 카메라를 이용한 방법과 비교했을 때 보다 효과적으로 검출할 수 있다는 효과가 발생한다. 따라서 형광 카메라 방법을 대체하거나 이와 병합하여 사용한다면 형광의 임상적 활용도가 혁신적으로 향상될 수 있게 된다.

또한, 형광 물질은 방사선표지물질과 달리 방사선의 위험이나 반감이 없고, 형광물질은 두 개이상의 다른 형광파장을 동시에 사용하는 다중신호영상(multiplexing imaging)이 가능하기 때문에 여러 개의 형광 표지자의 위치를 한번에 검출할 수가 있어 새로은 임상적 활용처를 찾을 수 있을 것으로 기대된다.

더욱이, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브는 형광 카메라를 이용하여 생체 내의 형광을 검출하는 경우 발생될 가능성이 높은 위음성 판단가능성을 감소시키고 표적 수술의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 기존의 방법과 비교했을 때 보다 적은 구성 요소와 인력 등을 이용하므로 감시림프절절제술을 여러 병원에서 활용하기 쉽도록 하고 여러 종류의 암으로 확장시키는 데 도움이 될 것이며 내시경, 복강경, 로봇 수술에서도 널리 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 센싱 프루브(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 포함하는 전체 시스템을 나타낸 도면이며,
도 3은 형광의 검출 유무를 도시한 사진이며, 도 3의 (a)는 마우스의 좌측 발바닥과 좌측 서혜부에서 형광이 검출되지 않은 사진이며, 도 3의 (b)는 마우스의 우측 발바닥과 우측 서혜부에서 형광이 검출된 사진이며,
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 감시림프절절제술을 시행하는 사진이며, 도 4의 (b)는 감시림프절로 생각되는 부위를 절제하고 이를 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 형광을 검출하여 감시림프절이 적절하게 절제되었음을 확인하는 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브 및 이를 이용한 형광 검출 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

<실시예>

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 센싱 프루브(100)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 포함하는 전체 시스템을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 설명하기로 한다.

형광 센싱 프루브(100)는 광원(110), 여기 필터(120), 발산 필터(130) 및 광감지소자(140)를 포함한다. 또한, 선택적으로 증폭 장치(150) 및 표시 장치(160)를 더 포함할 수도 있다.

광원(110)은 일정한 파장의 빛을 발산하는 역할을 수행한다. 이러한 광원(110)은 레이저, 레이저 다이오드, LED, 할로겐 램프, 제논 램프 중 어느 하나일 수도 있으며, 이러한 것들의 조합일 수도 있다. 즉, 광원(110)은 사용되는 형광 물질의 종류에 따라 다양한 종류가 사용될 수 있다.

여기 필터(120)는 광원(110)으로부터 발산되는 빛 중 인체 또는 동물의 체내에 분포하고 있는 형광 물질을 여기시키는 여기광만을 선택적으로 투과시키는 역할을 수행한다. 이러한 여기 필터(120) 역시 사용되는 형광 물질의 종류에 따라 다양한 종류가 사용될 수 있다.

발산 필터(130)는 여기광에 의해 형광 물질로부터 발산되는 형광만을 선택적으로 투과시키는 역할을 수행한다. 이러한 발산 필터(130) 역시 사용되는 형광 물질의 종류에 따라 다양한 종류가 사용될 수 있음을 유의한다.

광감지소자(140)는 발산 필터(130)를 통과한 형광을 검출하는 역할을 수행한다. 이러한 광감지소자(140)는 CCD, CMOS, 포토다이오드 중 어느 하나일 수도 있으며, 이러한 것들의 조합일 수도 있다. 즉, 인체 또는 동물의 체내에 분호하고 있는 형광 물질로부터 발산되는 형광의 양을 정확하게 검출할 수 있는 한 광감지소자(140)의 종류는 특별히 제한되지 않는다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 여기 필터(120)는 제1 광섬유(120a)의 일측과 연결되고 발산 필터(130)는 제2 광섬유(130a)의 일측과 연결되고, 제1 광섬유(120a) 및 제2 광섬유(130a)의 타측은 동일한 하우징 내에 수용될 수 있다.

본 명세서에서, 제1 광섬유(120a) 및 제2 광섬유(130a)는 별개로 도시되었으나 1개의 광섬유를 가지고 제1 광섬유(120a) 및 제2 광섬유(130a)의 역할을 동시에 수행할 수도 있음을 유의한다.

즉, 광학 현상의 특성상 우수한 필터링 성능을 가지는 경우 광의 여기 및 발산을 1개의 광섬유를 이용하여 동시에 수행할 수 있도록 구성될 수 있음을 유의한다.

이러한 하우징(170)은 실제적인 프루브의 역할을 하는 것으로서, 일반적으로 길쭉하고 가느다란 형태를 띠어 상처나 수술부위 등 특정 생체부위에 접촉하여 사용하기 편한 형태를 갖게 된다. 즉, 사용자 또는 수술자는 이러한 하우징(170)을 손으로 집어 들고 특정 생체 부위를 접촉함으로써 형광의 분포 위치, 분포량을 이를 생체의 바깥에서 비침습적으로 측정할 수 있게 된다.

즉, 제1 광섬유(120a) 및 제2 광섬유(130a)의 타측은 동일한 하우징 내에 수용되고, 상기 하우징(170)의 선단이 생체 표면에 접근 또는 접촉함으로써, 동일한 하우징(170)의 선단을 통하여 여기광만 방출하여 생체 내에 포함되는 형광 물질을 여기시키고 형광 물질로부터 발산되는 형광을 검출할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예에서 광원(110) 및 광감지소자(140)는 각각 제1 광섬유(120a) 및 제2 광섬유(130a)와 연결되어 하우징(170)의 선단에서 여기광을 방출하거나 형광을 감지하도록 구성되나, 광원(110) 및 광감지소자(140)가 광섬유와 연결되지 않고 하우징(170) 내부에 직접 위치하여 직접적으로 여기광을 방출하거나 형광을 검출할 수도 있음은 물론이다. 즉, 이러한 경우에는 형광 센싱 프루브(100) 자체가 하나의 모듈로서 기능하여 광섬유 없이 무선으로도 작동 가능하도록 구성될 수 있게 된다.

증폭 장치(150)는 검출된 형광을 증폭시켜 형광의 민감도를 향상시키는 역할을 수행한다. 이러한 증폭 장치(150)는 PM튜브, 반도체, 진공관 중 어느 하나일 수도 있으며, 이러한 것들의 조합일 수도 있다. 즉, 다양한 증폭 장치가 이용될 수 있음을 유의한다.

한편, 이러한 증폭 장치(150)는 선택적으로 추가되는 구성으로서 사용자의 의도에 따라 적절하게 추가 또는 제외될 수도 있음을 유의한다.

표시 장치(160)는 광감지소자(140)에 의해 검출되는 생체 내의 형광 물질을 강도를 표시하는 역할을 수행한다. 그로 인해 표시 장치(160)는 형광 센싱 프루브(100)가 접촉하는 생체의 표면에서의 형광 물질의 분포를 정량적으로 외부에서 시인 가능하게 표시할 수 있게 된다. 이러한 표시 장치(160)의 구성은 공지된 기술을 사용하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 명세서에서, 표시 장치(160)는 하우징(170)과 떨어져 위치하는 별도의 모니터로 도시되었으나, 반드시 표시 장치(160)의 종류가 이러한 구성에 한정되는 것은 아님을 유의한다.

즉, 다른 실시예에서는, 표시 장치(160)가 하우징(170)에 직접적으로 부착되거나 하우징(170) 상에 제공되는 발광 장치일 수도 있다. 예를 들어, 표시 장치(160)가 하우징(170)에 직접 부착되거나 제공되는 발광 장치일 경우에는, 특정한 파장의 형광의 세기의 비례하여 발광 정도가 증가하거나 또는 검출되는 형광의 세기가 특정한 임계치 이상인 경우 발광하도록 구성될 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 사용자 또는 수술자가 시술 중에 고개 등을 돌리거나 시선을 다른 쪽으로 향하지 않고서도 형광 센싱 프루브(100)를 통하여 형광이 검출되었는지 여부를 보다 용이하게 알 수 있게 된다.

한편, 여기 필터(120) 및 발산 필터(130)는 복수개 존재하거나 또는 선택적으로 교체될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 그로 인해, 여러 가지 파장의 여기 광선과 형광 방출 파장을 한번에 받아 파장에 따라 나누어 검출하는 Multispectral 분석을 수행할 수 있게 되며, 2가지 이상의 형광물질에 대하여 다중 형광 검출이 가능하게 된다.

이러한 형광 센싱 프루브(100)는 복강경, 내시경, 로봇 수술 치료기 등의 광학 진단 치료 장비들과 상호 연계적으로 연결되어 사용될 수 있음은 물론이다. 또한 이러한 형광 센싱 프루브(100)는 기존의 초음파 장치 등과 같은 영상 장비와 결합되어 사용될 수도 있다.

즉, 이러한 구성으로 인하여, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)는 체내에 분포된 형광 색소를 포함한 물질을 탐지하기 위하여 체표면 또는 수술부위에 직접 밀착하고 압력을 가하는 등의 동작으로 형광 물질을 예민하게 탐지할 수 있으며, 직접 닿는 곳 주위의 국소 영역의 형광물질만을 탐지해 내어 공간적으로 정확하게 형광 물질의 분포부위를 확인할 수 있게 된다.

다시 한번 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)의 원리 및 장점을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)는 카메라처럼 형광의 공간적 분포를 영상으로 보여주는 장치는 아니며 형광 센싱 프루브(100)가 직접적으로 접촉하거나 접근한 주변의 형광의 양만을 측정하는 장치이다. 즉, 형광 센싱 프루브(100)에 가깝게 존재하면서 프루브의 앞쪽 좁은 각도 내에 존재하는 형광만을 측정하므로, 실제로는 프루브는 형광의 위치를 오히려 정확하게 감지하게 될 수 있게 된다. 즉 프루브를 생체의 표면에서 움직이며 측정하면 형광이 존재하는 공간적 분포를 추정할 수 있고 형광부위를 정확히 찾아 낼 수 있다. 이와 같은 사용 방식으로 인해 프루브는 수술이나 동물 실험 등에 적합하다.

또한 형광 센싱 프루브(100)는 사용 양태가 인체 또는 동물의 체내에 밀착하는 방식이므로, 형광방출 부위에 형광 카메라를 이용하는 방법에 비해 훨씬 강한 형광신호를 받게 되어 형광 카메라로 감지하기 어려운 약한 병변이나 작은 병변을 정밀하게 찾을 수 있다. 프루브는 조직에서 압력을 가하거나 형광의 진행을 막고 있는 부위, 예를 들어 뼈나 두터운 근육부위 등, 을 피해 적절한 각도와 위치를 잡을 수 있는 이점이 있다. 또한 프루브는 생체에 밀착하므로 주변 빛이나 다른 오차를 일으키는 변수가 끼어들 요소가 적은 좋은 점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)는 생체 표면에 직접 접촉하여 작동하므로 형광 카메라를 이용하는 방법과 달리 강한 입사 여기 광선을 이용할 수 있고 형광 방출광선도 효과적으로 수광할 수 있어 민감도가 증가하여 형광물질과 형광카메라의 단점을 극복할 수 있다.

더욱이 형광방출광선을 이용하여 이차원 혹은 3차원의 형광영상을 얻는 것이 아니라 모든 신호를 합한 강도만을 측정함으로 형광신호를 더욱 효율적으로 이용할 수 있고 증폭 장치를 연결함으로써 민감도가 상이한 형광검출방법에 더욱 효과적이다.

또한 형광 프루브는 수술 중에 수술자가 손으로 직접 다룰 수 있어 수술자가 매우 익숙하게 다룰 수가 있다.

또한 입사여기광선과 탐지하는 형광방출광선을 조절함으로써 여러 파장의 형광물질을 동시에 측정할 수 도 있어 다중형광모드검출이 가능하다. 본 발명의 형광프루브로 탐지하는 형광물질로는 기본적으로 여기(excitation)과 방출(emmission) 영역만 충분이 다르다면 제한 없이 사용 가능하다. 인체에서의 적용을 위해서는 인체내부에서의 감쇠가 적은 근적외선영역의 형광 색소가 유리하다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명에 따른 형광 검출 방법을 아래에서 구체적으로 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 형광 검출 방법은 (a) 형광 색소가 결합되거나 포함된 물질을 주입하는 단계; 및 (b) 제1항 내지 제8항에 따른 형광 센싱 프루브를 이용하여 형광을 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

실험 재료의 구입

광원은 Coherent사의 780nm의 LD 레이저를 이용하였다. 구체적인 사양은 파장은 784.1 nm, 전력은 31.54 mW, 전류는 118 mA이었다.

광섬유 케이블은 Edmunds optics사의 dual branch light guides (NT54-202) 광섬유 케이블을 이용하였다. 직경은 약 1/4 인치이었다.

광감지소자로서 WATEC사의 WAT-902H2 supreme의 형광 카메라를 이용하였다. 카메라 렌즈에는 820nm이상의 파장만을 통과시키는 발산 필터로서 long pass filter (Thorlabs)를 설치하였다.

수신된 영상 시그널은 LCD 모니터로 연결하여 형광을 검출하였다.

형광 물질은 인도시아닌그린표지 알부민을 이용하였다.

실험에 사용한 마우스는 중앙실험동물에서 구입하였다.

실험예 : 마우스 감시림프절 검출 실험

마우스의 좌측 뒷발의 발바닥에 알부민을 피하주사하고 우측 뒷발의 발바닥에 인도시아닌그린표지 알부민을 피하주사하였다. 각각 10ul 씩 주사하였다.

주사후 30분 경과 후 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 양측 발바닥, 양측 서혜부에 접촉하여 형광을 검출하였다. 이후 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 감시림프절을 검출하고 수술기구를 이용하여 감시림프절을 박리하고 절제후 형광이 검출되는 것을 확인하였다.

결과에 대한 고찰

도 3은 형광의 검출 유무를 도시한 사진이며, 도 3의 (a)는 마우스의 좌측 발바닥과 좌측 서혜부에서 형광이 검출되지 않은 사진이며, 도 3의 (b)는 마우스의 우측 발바닥과 우측 서혜부에서 형광이 검출된 사진이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)에 의하여, 알부민이 주사된 좌측발바닥과 좌측서혜부에서는 형광이 검출되지 않았으나, 인도시아니그린이 표지된 알부민이 주사된 우측은 발바닥과 서혜부에서는 강한 형광이 측정됨을 알 수 있었다.

도 4의 (a)는 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 감시림프절절제술을 시행하는 사진이며, 도 4의 (b)는 감시림프절로 생각되는 부위를 절제하고 이를 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 형광을 검출하는 사진이다.

도 4를 참조하면, 절제된 조직을 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 확인하였을 때 강한 형광이 검출되었고 절제된 부위에는 형광이 현저히 감소됨을 알 수 있었다. 그리고, 절제된 조직을 병리 검사를 시행하였고 그 결과 림프절조직임이 확인되었다. 즉, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 이용하여 매우 정확하게 감시림프절을 절제할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이하, 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)를 적용하여 인체에 수행할 수 있는 시술에 따른 효과를 검토하기로 한다.

본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100)가 감시림프절표지자 탐지에서 사용되는 예를 살펴보면, 형광 색소가 결합된 감시림프절표지자를 종양조직부위에 주사하면 형광 색소감시림프절표지자(이하 형광표지자)는 림프관으로 흘러 들어간 다음 림프관으로 따라 이동하여 림프절로 이동한 후 림프절에서 이동속도가 느려지거나 흡착하게 된다. 첫 번째로 만나는 이 림프절이 감시림프절이다. 이 림프절은 형광표지자를 다량 포함하고 있는 상태이며 유방암의 경우 주로 겨드랑이에 분포한다. 겨드랑이 내의 피하연부조직 주로 지방조직내에 분포한다. 이러한 감시림프절은 인체의 경우 적어도 수 cm의 깊이의 연부조직 아래에 위치하고 있어서 연부조직의 광흡수로 인해 형광을 얻기 위한 광원의 접근이 어렵다. 따라서, 비교적 흡수가 적은 파장의 광원을 이용하고 레이저와 같은 강한 광선을 조사하거나 주변의 일반광의 입사를 막는 등의 노력하는 경우 미약하게 형광 카메라를 통하여 감시림프절을 영상으로 볼 수 있다.

그러나 상기 방법은 영상을 얻는 과정이 번거롭고 수술 조작을 하면서 영상을 계속 살펴보는 것은 불편하며, 또한 앞서의 이유로 예민도가 떨어진다. 현재 널리 사용되는 방사성 동위원소 림프절 표지자는 감마 카메라로 영상을 얻을 수 있지만 실제 사용은 방사성 프루브를 이용하여 림프절을 찾고 있으며 이러한 방법이 임상적으로 환자진료에 확립되어 있다.

따라서 형광 표지자의 경우도 형광 카메라보다는 본 발명에 따른 형광 센싱 프루브(100) 형태의 접촉식 방법이 좀더 임상적으로 편리하고 예민도도 높을 것으로 판단되어 앞서 기술된 문제점의 해결방안으로 제시한다.

또한 형광 센싱 프루브(100) 형태는 감시림프절 수술에서만 적용가능한 것이 아니라 형광 표지자를 이용하는 다른 형태의 수술, 시술, 실험등에 널리 사용될 수 있다. 대표적으로 여러 가지 생체표적물질에 결합하는 다양한 형광표지자들의 분포를 확인하는 데도 널리 이용될 수 있다. 예를 들어 특정암에 높게 결합하는 형광표지자를 주사하고 형광표지자가 분포하는 특정암을 찾아 수술하고자 한다면 수술을 통하여 암부위로 접근하여 형광프루브로 더욱 정밀하게 암의 분포를 확인하면서 절제할 수가 있다. 또한 미세한 종양 등 수술시 시각적으로 확인하기 어려운 경우, 미세종양 부위를 수술 전에 미리 형광물질로 표지하고 수술하면서 형광프루브로 확인하고, 수술로 절제된 병변에서도 형광을 측정하여 떼고자 하던 부위가 잘 절제되었는 지 확인할 수 있다. 이처럼 형광프루브는 다양한 사용처에 널리 이용 가능하다.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>
100 : 형광 센싱 프루브
110 : 광원
120 : 여기 필터
120a : 제1 광섬유
130 : 발산 필터
130a : 제2 광섬유
140 : 광감지소자
150 : 증폭 장치
160 : 표시 장치
170 : 하우징

Claims (11)

1. 하우징을 포함하는 형광 센싱 프루브를 이용하여, 연부조직 아래에 위치한 감시림프절인 목적물에 흡착된 형광 물질에서 발산되는 형광을 감지하는 방법에 있어서,
   (a) 상기 목적물에 흡착되도록 상기 형광 물질이 주입되는 단계;
   (b) 상기 하우징을 상기 연부조직 상부에 눌러 압착하는 단계;
   (c) 상기 형광 센싱 프루브의 광원이 빛을 발산하는 단계;
   (d) 상기 형광 센싱 프루브의 여기 필터가 상기 발산된 빛 중 여기광만을 선택적으로 투과시키는 단계;
   (e) 상기 목적물에 흡착된 상기 형광 물질이 상기 여기광에 의해 여기되어 형광을 발산하는 단계;
   (f) 상기 형광 센싱 프루브의 발산 필터가 상기 발산되는 형광만을 선택적으로 투과시키는 단계; 및
   (g) 상기 형광 센싱 프루브의 광감지소자가 상기 선택적으로 투과된 형광을 감지하는 단계
   를 포함하며,
   상기 (b) 단계는 상기 (c) 단계 내지 상기 (g) 단계와 함께 이루어지며, 상기 (b) 단계로 인하여 상기 선택적으로 투과된 형광을 흡수하는 상기 연부조직의 두께가 얇아지며, 이로 인하여 상기 목적물의 감지율이 증가되는 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 (g) 단계 이후,
   (h) 상기 형광 센싱 프루브의 증폭 장치가 상기 감지된 형광을 증폭시키는 단계;
   (i) 상기 형광 센싱 프루브의 표시 장치가 상기 증폭된 형광을 표시하는 단계; 및
   (j) 상기 표시 장치에 표시된 증폭된 형광을 이용해서 상기 목적물이 제거된 후 상기 목적물에서 발산되는 형광을 재감지하는 단계
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 표시 장치는 상기 하우징 상에 제공되는 발광 장치이며,
   상기 발광 장치는 상기 (g) 단계에서 감지된 형광의 세기에 비례하여 발광 정도가 증가하는 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 표시 장치는 상기 하우징 상에 제공되는 발광 장치이며,
   상기 발광장치는 상기 (g) 단계에서 감지된 형광의 세기가 기설정된 세기 이상인 경우 발광하는 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 광원은 레이저, 레이저 다이오드, LED, 할로겐 램프, 제논 램프 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 광감지소자는 CCD, CMOS, 포토다이오드 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 여기 필터 및 상기 발산 필터는 복수개 존재하거나 또는 선택적으로 교체될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
   형광물질을 이용한 목적물 감지 방법.
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