KR101269455B1

KR101269455B1 - 광 간섭 영상화를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101269455B1
Application number: KR1020077008116A
Authority: KR
Inventors: 윤석현; 브레트 유진 보우마; 길레모 주니어 티어니; 요한 에프 데보어
Original assignee: 더 제너럴 하스피탈 코포레이션
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2013-05-30
Also published as: JP2008512686A; JP5215664B2; WO2006039091A3; EP2302364A2; US7365859B2; KR20070072515A; EP1787105A2; USRE44042E1; US20060055936A1; EP2302364A3; WO2006039091A2

Abstract

샘플, 예를 들어 생물학적 샘플의 영상화를 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 특히, 샘플 및 기준으로 전달되는 적어도 하나의 소스 전자기 방사선이 발생될 수 있다. 복수의 검출기가 이용될 수 있으며, 검출기 중 적어도 하나는 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호를 검출할 수 있다. 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 가질 수 있으며, 소정의 임계값보다 큰 적어도 하나의 제1 파워 레벨을 갖는 적어도 하나의 제1 부분과 적어도 하나의 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행하는 적어도 하나의 제2 부분을 갖는 지속 기간 동안 신호 중 적어도 일부분을 수신할 수 있다. 제2 부분은 소정의 임계값보다 작은 적어도 하나의 제2 파워 레벨을 가질 수 있으며, 특정 전기적 적분 시간의 예를 들어 대략 10% 보다 클 수 있는 시간 동안 지속된다.

광 간섭 단층촬영, 샘플, 소스 장치, 검출 장치, 전기적 적분 시간,

Description

광 간섭 영상화를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR OPTICAL COHERENCE IMAGING}

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2004년 9월 10일자로 출원되었으며 또한 전체 내용이 본 명세서 내에 참조되는 미합중국 특허출원 제60/608,800호에 기초한 우선권을 주장한다.

본 발명은 일반적으로 광 간섭 단층촬영(optical coherence tomography: OCT) 영상화에 관한 것이며, 특히, 높은 감도와 예를 들어 샘플 및 프로브 움직임으로 인한 감소된 아티팩트(artifact)를 수반하는 생물학적 샘플의 영상화를 가능하게 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

움직임으로부터 초래되는 영상 아티팩트는 화질을 열화시키며 영상의 부정확한 임상 해석을 야기할 수 있기 때문에 많은 의료 영상화 방식에서 중요한 연구 과제가 되어 왔다. 영상화될 물체(샘플)가 데이타 수집중에 움직이지만 영상 재구성 프로세스에서 정적 상태로 가정되는 경우에는 아티팩트가 발생할 수 있다. 각각의 영상화 방식에서, 움직임 아티팩트는 다른 형태와 다른 크기로 존재할 수 있다. 특정 영상화 방법에서 기본적인 움직임 효과를 이해하는 것은 결과적으로 초래되는 아티팩트를 방지하거나 보상하기 위한 기술의 개발을 향한 필수적인 단계이다. 주 파수 도메인 범위 설정을 이용하는 광 간섭 영상화 방법은 높은 영상 수집 속도 및 감도로 인해 최근 상당한 관심을 받고 있다.

두 개의 주파수 도메인 기법이 실증되어 왔는데, 즉 에이. 에프. 페처(A. F. Fercher) 등의 "후방 산란 스펙트럼 간섭법에 의한 안구내 거리의 측정(Measurements of intraocular distances by backscattering spectral interferometry)" 옵틱스 커뮤니케이션즈(Opt. Comm.) 117, 43-48 (1995), 지. 하우슬러(G. Hausler) 등의 "간섭 레이다 및 스펙트럼 레이다 - 피부 진단을 위한 새로운 도구(Coherence radar and spetral radar - new tools for dermatological diagnosis)" 저널 오브 바이오메디칼 옵틱스(J. Biomed. Opt.) 3, 21-31 (1998), 엠. 워츠코프스키(M. Wojtkowski) 등의 "고속 스펙트럼 광 간섭 단층촬영에 의한 실시간 생체내 영상화(Real time in vivo imaging by high-speed spectral optical coherence tomography)" 옵틱스 레터스(Opt. Lett.) 28, 1745-1747 (2003), 엔. 나시프(N. Nassif) 등의 "초고속 스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영에 의한 생체내 인간 망막 영상화(In-vivo human retinal imaging by ultrahigh-speed spetral domain optical coherence tomography)" 옵틱스 레터스29, 480-482 (2004), 에스. 에이치. 윤(S. H. Yun) 등의 "1.3 마이크로미터 파장에서 고속 스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영(High-speed spectral domain optical coherence tomography at 1.3 μm wavelength)" 옵틱스 익스프레스(Opt. Express) 11, 3598-3604 (2003)에 기재된 바와 같은 스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영(spectral-domain optical coherence tomography: SD-OCT), 및 에스. 알. 친(S. R. Chinn), 이. 스완슨(E. Swanson) 및 제이. 지. 후지모또(J. G. Fujimoto)의 "주파수 동조 가능한 광 소스를 이용한 광 간섭 단층촬영(optical cohernece tomography using a frequency-tunable optical source)" 옵틱스 레터스 22, 340-342 (1997), 비. 골루보빅(B. Golubovic) 등의 "Cr⁴⁺:포스터라이트 레이저의 급속 파장 동조를 이용하는 광 주파수 도메인 반사 측정(Optical frequency-domain reflectometry using rapid wavelength tuning of a Cr⁴⁺:forsterite laser)" 옵틱스 레터스 22, 1704-1706 (1997), 및 에프. 렉서(F. Lexer) 등의 "안구내 거리의 파장 동조 간섭법(Wavelength-tuning interferometry of intraocular distances)" 어플라이드 옵틱스(Appl. Opt.) 36, 6548-6553 (1997), 에스. 에이치. 윤(S. H. Yun) 등의 "고속 광 주파수 도메인 영상화(High-speed optical frequency-domain imaging)" 옵틱스 익스프레스 11, 2953-2963 (2003)에 기재된 바와 같은 광 주파수 도메인 영상화(optical frequency domain imaging: OFDI)로 실증되어 왔는데, 그 전체 내용은 본 명세서 내에 참조된다. SD-OCT 기법을 이용하여, 회절 격자와 전하 결합 소자(charge-coupled device: CCD) 어레이를 매개로 스펙트럼 간섭 무늬(spectral interference fringe)가 공간 도메인에서 측정될 수 있다. 예시적인 OFDI 기법에서, 스펙트럼 무늬는 주파수 가변 광 소스의 이용에 의해 시간 도메인으로 매핑(mapping)되며, 시간의 함수로서 광검출기에 의해 측정된다. 두 방법에서, 축방향 반사율 프로파일(A 라인)은 수집된 데이타의 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform)을 수행함으로써 획득된다. 에스. 에이치. 윤(S. H. Yun) 등의 "고속 광 주파수 도메인 영상화(High-speed optical frequency-domain imaging)" 옵틱스 익스프레스 11, 2953-2963 (2003), 알. 라이트게브(R. Leitgeb) 등의 "푸리에 도메인 대 시간 도메인 광 간섭 단층촬영의 성능(Performance of Fourier domain vs. time domain optical coherence tomography)" 옵틱스 익스프레스 11, 889-894 (2003), 제이. 에프. 드 보어(J. F. de Boer) 등의 "시간 도메인 광 간섭 단층촬영에 비교되는 스펙트럼 도메인에서의 개선된 신호 대 잡음비(Improved signal-to-noise ratio in spectral-domain compared with time-domain optical coherence tomography)" 옵틱스 레터스 28, 2067-2069 (2003), 및 엠. 에이. 코마(M. A. Choma) 등의 "가변 소스 및 푸리에 도메인 광 간섭 단층촬영의 감도 장점(Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography)" 옵틱스 익스프레스 11, 2183-2189 (2003)에 기재되고 전체 내용이 본 명세서 내에 참조되는 바와 같이, 푸리에 변환 프로세스가 단일 A 라인 주기에서 획득된 전체 데이타 세트의 적분을 포함하므로, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)가 시간 도메인 범위 설정에 비해 개선된다. SNR에서의 이러한 개선은 병에 대한 차단 및 큰 조직 용적의 감시와 같은 높은 영상 수집률을 요구하는 응용예에 대해 특히 유리하다. 그러나, 움직임에 의해 유도된 신호에서의 변화도 또한 전체 A 라인 수집 주기에 걸쳐 적분되므로, 적분 효과가 샘플 움직임에 대한 감도를 개선하는 것이 가능하다.

스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영(SD-OCT)은 생물학적 샘플의 단면 영상을 획득하기 위해 낮은 간섭 스펙트럼 간섭법을 이용한다. 파장의 함수로서의 간섭 무늬는 광대역 광 소스와 전하 결합 소자(CCD) 카메라에 기초한 분광계를 이용하여 측정된다. 샘플 또는 A 라인의 축방향 반사율 프로파일은 카메라 판독 데이타의 이산 푸리에 변환에 의해 획득될 수 있다. 이러한 영상화 기법은 최신 시간 도메인 OCT 시스템보다 한 오더의 크기만큼 빠른 급속 영상 수집 시간으로 생물학적 샘플의 고 품질 영상화를 실증하도록 최근 급속한 기술적 발전을 겪고 있다. 영상화 속도에서의 최근의 개선은 가까운 장래에 복수의 임상 응용분야에서 SD-OCT의 이용을 야기할 수 있다.

지금까지 이용되고 있는 SD-OCT 시스템은 초발광 다이오드(super luminescent diode: SLD)와 같은 연속파(continuous-wave: cw) 광역 스펙트럼 광 소스 또는 10 내지 100 MHz의 범위에서 높은 반복률을 갖는 초단파 모드 잠금식 펄스(ultrashort mode-locked pulse)를 이용하였다. 두 경우에서, CCD 어레이는 대개 일정하게 조사되며, 그러므로 CCD 카메라의 노출 시간은 단일 A 라인에 대한 신호 수집 시간을 결정한다. 이 경우, 영상 수집 동안에 간섭계의 경로 길이 변화는 간섭 무늬에서 위상 드리프트(phase drift)를 야기한다. 위상이 단일 A 라인 수집 동안에 μ을 초과하여 드리프트하면, 간섭 무늬는 완전히 삭제될 수 있으며, 결국 SNR의 열화를 초래한다. 이러한 움직임 아티팩트는 프로브 빔에 대한 샘플의 축방향 움직임에 의해 야기될 수 있다. 이에 비해, 횡방향의 샘플 움직임 또는 횡 방향의 빔 스캐닝은 무늬 워시아웃(fringe washout)을 초래하지는 않는다. 그러나, 횡 방향의 움직임은 횡방향 분해능과 SNR의 열화로 귀착될 수 있다. 생체내 의학적인 영상화에서, 움직임 효과는 다양한 소스로부터 일어날 수 있다. 주요 원인은 환자의 움직임, 심장 움직임, 혈류 및 맥박과 같은 생리학적 현상, 그리고 빔 스캐닝 또는 작업자 손의 제어되지 않은 움직임과 관련된 카테테르 이동을 포함할 수 있다. 또한, 기계적인 진동, 음파 및 온도 드리프트와 같은 환경 변화가 간섭계에서 경로 길이 차이를 변화시킬 수 있으며, 그 결과 무늬 워시아웃을 통한 SNR 열화를 초래한다. SD-OCT에 적절한 카메라가 대개 10 마이크로초보다 긴 노출 시간을 제공하면, 샘플 및 프로브 움직임이 흔한 생체 의학 응용예를 위한 무늬 워시아웃 문제의 해결책이 요구될 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 움직임 아티팩트를 줄이거나 제거하는 것이다.

본 발명에 따라, 광 소스와 적어도 하나의 검출기 어레이를 포함하는 영상화 장치/시스템이 제공된다. 본 발명의 하나의 예시적인 실시예에서, 광 소스는 양호하게는 검출기 어레이의 판독률과 같은 펄스 반복률로 예를 들어 Q 스위칭 또는 모드 잠금에 의해 펄스식 모드에서 광대역 스펙트럼을 방출할 수 있다. 펄스식 소스는 영상화를 위해 요구된 충분한 신호 대 잡음비를 제공하도록 충분한 평균 광 파워를 생성할 수 있는 반면, 출력 펄스의 비교적 짧은 지속 기간은 검출기의 적분 시간보다 실질적으로 짧은 유효 신호 적분 시간을 초래하며, 그 결과 고감도의 움직임 아티팩트 없는 영상화를 야기한다. 이러한 펄스식 소스 접근법은 전체-필드 광 간섭 단층촬영 및/또는 스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영에 관련될 수 있다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 광 소스는 양호하게는 검출기 어레이의 판독률 또는 A 라인률과 같은 반복률로 넓은 범위에 걸쳐 가변되는 비교적 협대역 스펙트럼을 방출하는 파장 가변 소스이다. 본 발명의 이러한 예시적인 실시예는 각각의 스펙트럼 요소와 관련된 간섭 신호가 A 라인 수집 시간보다 실질적으로 짧은 유효 적분 시간으로 측정되는 것을 허용한다. 이러한 예시적인 방안은 연속파 광대역 소스 또는 높은 반복의 모드 잠금식 펄스를 이용하는 종래 기술에서와 같이 무늬 워시아웃 문제를 제거할 수도 있다. 본 발명의 전술한 예시적인 실시예는 이중 밸런싱된 검출 및/또는 편광 다이버시티를 위한 두 개 이상의 검출기 어레이를 이용할 수 있는 한편, 광섬유 프로브를 추가로 이용할 수 있으며, 그 결과 높은 감도, 높은 속도 및 움직임 아티팩트로부터의 무결성을 구비한 생체내 의학적인 영상화를 가능하게 한다.

따라서, 샘플의 적어도 일부분을 영상화하는 시스템 및 방법의 예시적인 실시예가 제공된다. 특히, 적어도 하나의 소스 전자기 방사선이 발생되어 샘플 및 기준으로 전달될 수 있다. 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호는 복수의 검출기 중 적어도 하나를 이용하여 검출될 수 있다. 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 가질 수 있다. 이러한 검출기는 지속 기간 동안 소정의 임계값보다 큰 적어도 하나의 제1 파워 레벨을 갖는 적어도 하나의 제1 부분과 적어도 하나의 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행하는 적어도 하나의 제2 부분을 갖는 신호 중 적어도 일부분을 수신할 수 있다. 제2 부분은 소정의 임계값보다 작은 적어도 하나의 제2 파워 레벨을 가질 수 있으며, 특정 전기적 적분 시간의 대략 적어도 10%인 시간 주기동안 지속될 수 있다.

또한, 신호는 조합의 주파수 성분들 중 적어도 하나일 수 있으며, 특정 검출기는 이러한 주파수 성분을 수신할 수 있다. 소스 전자기 방사선은 펄스식 광대역 소스일 수 있는 소스 장치에 의해 발생될 수 있다. 펄스식 소스에 의해 발생된 소스 전자기 방사선은 특정 전기적 적분 시간당 단일 펄스일 수 있다. 펄스식 소스는 Q 스위치형 레이저(Q-switched laser), 공동 덤핑형 모드 잠금 레이저(cavity-dumped mode-lock laser) 및/또는 이득 스위치형 레이저(gain-switched laser)일 수 있다. 소스 장치에 의해 발생된 소스 전자기 방사선은 특정 전기적 적분 시간의 대략 많아야 90% 동안 지속되는 복사의 버스트일 수 있다. 복사의 버스트는 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 소스 전자기 복사는 (i) 대략 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장 및/또는 (ii) 중심 파장의 대략 1%보다 큰 스펙트럼 폭을 갖는 스펙트럼을 가질 수 있다. 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 소스 전자기 방사선은 대략 1 마이크로초보다 짧은 펄스 폭을 가질 수 있다. 방사선의 버스트의 지속 기간은 대략 1 마이크로초보다 짧을 수 있다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 소스 전자기 방사선을 발생시키는 소스 장치는 광 게이팅 스위치를 포함할 수 있다. 소스 전자기 방사선의 주파수는 시간에 따라 변화할 수 있다. 소스 전자기 방사선의 평균 주파수는 (i) 밀리초 당 100 테라헤르쯔보다 큰 동조 속도로 시간에 걸쳐 실질적으로 연속적으로 그리고/또는 (ii) 특정 전기적 적분 시간의 대략 90%보다 작은 반복 주기로 변화할 수 있다. 소스 전자기 방사선은 (i) 대략 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장을 구비하는 동조 범위 및/또는 (ii) 중심 파장의 대략 1%보다 큰 동조 범위를 가질 수 있다. 소스 전자기 방사선은 순간 라인 폭과 동조 범위를 가질 수 있으며, 순간 라인 폭은 동조 범위의 대략 10%보다 작다. 소스 장치는 (i) 동조 가능한 레이저, (ii) 동조 가능한 필터 및/또는 (iii) 매체를 포함할 수 있고, 매체와 관련된 비선형성에 기초하여 소스 전자기 방사선을 발생시킬 수 있다. 주파수는 실질적으로 (i) 시간에 따라 선형으로 그리고/또는 시간에 따라 사인파 형태로 변화할 수 있다.

검출기를 포함하는 검출기 장치가 제공될 수 있으며, 검출기 장치는 제1 및 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 광전자들의 전송을 게이팅하도록 구성된 전기 셔터를 포함하며, 또한 상기 광전자들의 전송을 허용하기 위한 게이팅의 시간 주기는 특정 전기적 적분 시간의 대략 90%보다 작다. 샘플은 생물학적 샘플일 수 있으며, 검출 장치는 적어도 하나의 전하 결합 소자를 포함할 수 있다. 소스 장치는 펄스식 광대역 소스일 수 있다. 제1 전자기 방사선, 제2 전자기 방사선 및/또는 조합의 스펙트럼을 주파수 성분들 중 적어도 하나로 분리하는 적어도 하나의 스펙트럼 분리 유닛이 제공될 수 있다.

본 발명의 이들 목적, 특징과 장점 및 다른 목적, 특징과 장점은 첨부된 특허청구범위와 관련시켜 본 발명의 실시예의 후술하는 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.

본 발명의 추가적인 목적, 특성 및 장점은 본 발명의 예시적인 실시예를 도 시하는 첨부된 도면을 참조하여 개시된 이하의 상세한 설명으로부터 명백할 것이며,

도 1은 통상적인 SD OCT 시스템의 예시적인 개략적인 도면이고,

도 2a는 통상적인 연속파(continuous-wave) 광 소스로부터 획득된 스펙트럼 및 시간 특성의 예시적인 그래프 세트이며,

도 2b는 고 반복률 모드 잠금식(high-repetition mode locked) 레이저 소스로부터 획득된 스펙트럼 및 시간 특성의 예시적인 그래프 세트이고,

도 3은 저 반복률 광대역 소스로부터 획득된 스펙트럼 및 시간 특성의 예시적인 그래프 세트이며,

도 4의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 저 반복 광대역 소스 장치의 예시적인 실시예의 블록도이고,

도 5의 (a) 내지 (d)는 예시적인 파장 가변 소스로부터 획득된 스펙트럼 및 시간 특성의 예시적인 그래프이며,

도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 예시적인 파장 가변 소스 장치의 예시적인 실시예의 블록도이고,

도 7의 (a)는 분광계 내의 CCD 어레이에 의한 연속파(continuous wave: cw) 광의 검출 신호의 예시적인 실시예이며,

도 7의 (b)는 분광계 내의 CCD 어레이에 의한 펄스식 광의 검출 신호의 예시적인 실시예이고,

도 7의 (c)는 분광계 내의 CCD 어레이에 의한 가변 광의 검출 신호의 예시적 인 실시예이며,

도 8의 (a)는 예시적인 펄스식 ASE 소스의 개략도이고,

도 8의 (b)는 예시적인 파장 가변 소스의 개략도이며,

도 9의 (a) 및 (b)는 예시적인 펄스식 ASE 소스로부터 획득된 예시적인 시간 및 스펙트럼 출력 특성인 신호들의 도면이고,

도 9의 (c) 및 (d)는 예시적인 가변 소스로부터 획득된 예시적인 시간 및 스펙트럼 출력 특성인 신호들의 도면이며,

도 10은 본 발명에 따른 SD OCT 시스템의 예시적인 실시예의 예시적인 블록도이고,

도 11은 세 개의 상이한 광 소스에서 샘플이 정적일 때(섹션 a, c 및 e), 0.8 mm에 걸쳐 80 Hz로 움직일 때(섹션 b, d 및 f) 수집된 종이의 SD-OCT 영상의 예시적인 도면이며,

도 12의 (a)는 도 11에 도시된 영상 a 및 b로부터 획득된, A-라인 지수 또는 시간의 함수로서의 각각의 A-라인에서의 256 깊이 지점의 반사율의 합과 전체 신호 파워의 변화량의 도면이고,

도 12의 (b)는 도 11에 도시된 영상 c 및 d로부터 획득된, A-라인 지수 또는 시간의 함수로서의 각각의 A-라인에서의 256 깊이 지점의 반사율의 합과 전체 신호 파워의 변화량의 도면이며,

도 12의 (c)는 도 11에 도시된 영상 e 및 f로부터 획득된, A-라인 지수 또는 시간의 함수로서의 각각의 A-라인에서의 256 깊이 지점의 반사율의 합과 전체 신호 파워의 변화량의 도면이고,

도 13은 도뇨관(catheter)의 회전 속도 및 광 소스를 갖는 본 발명에 따른 시스템의 예시적인 실시예를 이용하여 획득된 생체외 인간 관상 동맥의 예시적인 SD-OCT 영상의 도면 세트이며(섹션 A - 초당 4.5 회전, cw ASE 소스; 섹션 B - 초당 37.9 회전, cw ASE 소스; 섹션 C - 초당 4.5 회전, 가변 소스; 섹션 C(=D) - 초당 37.9 회전, 가변 소스),

도 14는 라인 펄스식 소스 또는 가변 소스 및 2차원 CCD 어레이를 이용하는 또 다른 예시적인 SD-OCT 시스템의 블록도이며, 또한

도 15는 펄스식 소스와 2차원 CCD 어레이를 이용하는 예시적인 전체-필드(full-field) OCT 시스템의 블록도이다.

도 1은 스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영(spectral domain optical coherence tomography: SD-OCT) 시스템의 예시적인 기본 구성을 도시한다. 광대역 광(10)은 커플러(20)에 의해서 샘플 아암(22)과 먼 단부에서 미러(26)로 종료되는 기준 아암(24)으로 분리된다. 샘플 아암의 단부에서 프로브(30)는 광을 샘플(40)로 전달하고 샘플로부터 후방 산란된 광을 수신한다. 두 개의 간섭계 아암으로부터 복귀된 광이 재결합되며, 또한 서큘레이터(44)에 의해서 시준기(collimator)(52), 회절 격자(diffration grating)(54), 렌즈(56), CCD 어레이(60), 카메라(62)로 이루어진 분광계(50)로 향하게 된다. CCD 어레이(60)의 각각의 화소는 파수 k=2π/λ의 함수로서 광 출력을 측정하는데, 이때 λ는 광 파장 이다. CCD 출력은 디지타이저(digitizer)(70)를 이용하여 디지탈화되며, 컴퓨터(74)내에서 처리된다. CCD 스캔 출력의 이산 푸리에 변환(discrete Fourier transform: DFT)은 샘플의 축방향 반사율 프로파일을 생성한다(A-라인). 2차원 단층촬영 영상은 프로브 빔이 횡방향을 따라 샘플 상으로 스캐닝됨에 따라 복수의 A-라인을 수집함으로써 획득될 수 있다. 이러한 예시적인 아키텍처와 전술한 동작 원리는 당업계에서 잘 알려져 있다.

종래 기술에서 이용된 광대역 광 소스는 두가지 형태로, 즉 도 2a에 도시된 바와 같은 연속파(continuous wave: cw)와 도 2b에 도시된 바와 같은 모드 잠금형 펄스식 소스(mode-locked pulsed source)로 분류될 수 있다. cw 소스는 일정한 스펙트럼과 일정한 출력 파워를 방출한다. 이 경우에, OCT 신호의 적분 시간은 검출기 어레이의 노출 시간과 같다. 이러한 cw 소스의 예는 초발광 다이오드, 증폭식 자발 방출(amplified spontaneous emission: ASE) 소스, 및 초연속(supercontinuum) 소스를 포함한다. 반면에, 모드 잠금식 소스는 서브 나노초 내지 수 펨토초 범위의 지속 기간에 10 MHz 내지 1 GHz의 비교적 높은 반복률로 매우 짧은 광 펄스를 방출한다. CCD의 노출 시간은 대개 10 마이크로초 내지 10 밀리초 정도이다. 결과적으로, 모드 잠금식 펄스는 전체 노출 시간에 걸쳐 CCD 어레이를 일정하게 조사하면서 필연적으로 연속파와 같이 거동한다. OCT에서 연속파 소스 및 모드 잠금식 소스의 이용은 두 개의 단점, 즉, (a) 비교적 긴 신호 적분 시간으로 인한 상당한 움직임 아티팩트(artifact) 및 (b) 검출기 어레이 내에서 100% 미만(<100%)의 신호 적분의 듀티 사이클인 경우의 SNR 열화를 갖는다. 본 발 명에 따른 예시적인 실시예는 이러한 문제에 대한 간단한 해결책을 제공한다.

본 발명의 하나의 예시적인 실시예는 예를 들어 생물학적 샘플과 같은 샘플의 영상화 시스템에 관한 것이며, 그 시스템은 샘플과 기준으로 전달된 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생시키는 소스 장치를 포함할 수 있다. 이러한 예시적인 시스템은 복수의 검출기를 갖는 적어도 하나의 검출 장치를 포함할 수 있으며, 검출기 중 적어도 하나는 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호를 검출할 수 있다. 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 가질 수 있으며, 지속기간 동안 소정의 임계값보다 큰 제1 파워 레벨을 구비하는 제1 부분과 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행하는 제2 부분을 갖는 신호의 적어도 일부분을 수신할 수 있다. 제2 부분은 소정의 임계값보다 작은 제2 파워 레벨을 가질 수 있으며, 특정 전기적 적분 시간의 대략 10%보다 큰 시간 주기동안 지속된다.

전자기 방사선은 양호하게는 700 내지 2000 나노미터 범위 내의 중심 파장을 구비하는 광이다. 검출기 어레이는 양호하게는 전하 결합 소자(charged-coupled device: CCD)이다. 예시적인 SD-OCT 시스템을 이용하여, 검출기 어레이에서 검출된 신호는 조합의 주파수 성분 또는 스펙트럼이다. 대개 스펙트럼은 회절 격자와 같은 스펙트럼 분리 소자를 이용하여 획득된다. 검출기 어레이로 스펙트럼을 획득하는 다수의 방법이 당업계에서 잘 알려져 있다. 전체-필드(full-field) OCT인 경우에, 신호는 조합의 광 파워이며, 이는 샘플 내의 특정 횡방향 위치에 링크된다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 소스 장치는 특정 전기적 적분 시간 당 단일 펄스를 발생시키거나 특정 전기적 적분 시간의 많아야 대략 90% 동안 지속되는 방사선의 버스트(a burst of radiation)를 생성하는 펄스식 광대역 소스일 수 있다. 각각의 버스트는 그 내부에 복수의 초단파 광 펄스를 포함할 수 있다. 펄스식 소스의 예는 Q 스위치형 레이저(Q-switched laser), 공동 덤핑형 모드 잠금 레이저(cavity-dumped mode-lock laser), 이득 스위치형 레이저(gain-switched laser)를 포함한다. 양호하게는, 펄스식 소스의 스펙트럼이 중심 파장의 대략 1%보다 큰 스펙트럼 폭 그리고 대략 1 마이크로초보다 짧은 방사선의 버스트의 펄스 폭 또는 지속 기간을 가질 수 있다. 소스 장치는 광대역 cw 소스와 CCD 어레이 내에 집적된 광 게이팅 스위치 또는 전기 셔터를 포함할 수 있다. 광 파워가 임계값보다 작은 시간 윈도우는 오프(OFF) 상태로 간주될 수 있으며, 파워가 임계값보다 큰 윈도우는 온(ON) 상태로 간주될 수 있다. 임계값이 양호하게는 온 상태 동안 파워 레벨의 50%보다 작지만, 전형적인 펄스식 소스는 온 상태와 오프 상태 사이에 훨씬 더 큰 파워 소멸을 제공할 수 있다. 단일 검출기 적분 시간 동안에 하나 또는 복수의 온 상태가 존재할 수 있지만, 전체 조사 스팬 또는 최초의 온 상태의 시작으로부터 마지막의 온 상태의 종료까지의 지속 기간이 양호하게는 검출기 적분 시간의 90%보다 짧다. 예를 들어, 조사 기간이 짧아질수록 움직임 아티팩트의 더 많은 억제가 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에서, 소스 장치는 출력 스펙트럼의 평균 주파수가 시간에 따라 변화하는 파장 가변 소스일 수 있다. 소스 전자기 방사선의 평균 주파수는 밀리초당 100 테라헤르쯔보다 큰 동조 속도로 시간에 걸쳐 실질적으로 연속적으로 그리고 특정 전기적 적분 시간의 대략 90%보다 작은 반복 주기로 반복적으로 변화할 수 있다. 소스 전자기 방사선의 동조 범위는 대략 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장을 구비하는 동조 범위, 중심 파장의 대략 1%보다 큰 동조 폭, 및 동조 범위의 대략 10%보다 작은 순간 라인 폭을 가질 수 있다. 이러한 소스 장치는 동조 가능 레이저, 라만 자기 주파수 편이(Raman self frequency shift)와 관련된 솔리톤 레이저(soliton laser), 또는 동조 가능 필터와 관련된 cw 광대역 소스를 포함한다. 평균 주파수는 시간에 따라 실질적으로 선형으로 또는 사인파 형태로 변화할 수 있다. 펄스식 소스인 경우에, 특정 화소에 의해 수신된 광 파워가 임계값보다 작은 시간 윈도우는 특정 화소에 대해 오프 상태로 간주될 수 있으며, 파워가 임계값보다 큰 윈도우는 온 상태로 간주될 수 있다. 임계값이 양호하게는 온 상태 동안 파워 레벨의 50%보다 작지만, 통상적인 펄스식 소스는 온 상태와 오프 상태 사이에 훨씬 더 큰 파워 소멸을 제공할 수 있다. 화소의 검출기 적분 시간 동안에, 하나 또는 복수의 온 상태가 존재할 수 있지만, 전체 조사 기간 또는 최초의 온 상태의 시작으로부터 마지막의 온 상태의 종료까지의 지속 기간은 양호하게는 화소 적분 시간의 90%보다 짧다. 조사 기간이 짧아질수록 움직임 아티팩트의 더 많은 억제가 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 샘플의, 대개 생물학적 샘플의 영상화하는 방법이 제공될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 소스 전자기 방사선이 샘플과 기준으로 전달되도록 발생될 수 있다. 연관된 신호의 적어도 일부분 은, 검출 장치의 복수의 검출기 중 적어도 하나의 검출기를 이용하여 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합으로 검출될 수 있다. 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 가질 수 있으며, 지속 기간 동안 소정의 임계값보다 큰 제1 파워 레벨을 구비하는 제1 부분과 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행하는 제2 부분을 갖는 신호의 적어도 일부분을 수신할 수 있다. 제2 부분은 소정의 임계값보다 작은 제2 파워 레벨을 가질 수 있으며, 특정 전기적 적분 시간의 대략 10%보다 큰 시간 동안 지속될 수 있다.

도 3은 광대역 펄스식 소스에 기초한 본 발명에 따른 시스템 및 방법의 하나의 예시적인 실시예의 샘플 출력을 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이러한 소스는 검출기 어레이의 각각의 적분 윈도우 당 광 에너지의 단일 버스트, 또는 간단하게 "펄스"를 펄스와 검출기 어레이의 적분 윈도우 사이의 타이밍 동기화에 따라 방출한다. 이러한 소스의 예는 외부 강도 변조기(210)를 이용하는 시간 게이팅식(time-gated) cw 또는 모드 잠금식 광대역 소스(200)(도 4의 (a)에 도시됨), Q 스위치형 펌프 레이저(220)와 초연속 발생 매체(supercontinuum generation medium)(230)에 기초한 초연속 소스(도 4의 (b)에 도시됨), 그리고 펌프 레이저(240)와 비선형 매체(250)에 기초한 자기 Q 스위치형 초연속 소스(self-Q-switched supercontinum source) 또는 라만 소스(도 4의 (c)에 도시됨)를 포함할 수 있다. 이러한 소스의 이용은 펄스의 지속 기간과 같은 유효 신호 적분 시간을 초래하며, 유효 신호 적분 시간은 검출기 어레이 자체의 적분 시간보다 실질적으로 짧은 서브 마이크로초로부터 서브 나노초까지의 범위일 수 있다. 비록 단일 펄스 동작이 기재되었지만, 검출기 적분 시간보다 실질적으로 짧은 지속 기간 내에 펄스가 발생된다면 각각의 적분 시간 당 복수의 펄스를 방출하는 다른 광 소스가 이용될 수 있다. 안과와 같은 예시적인 임상 응용 분야에서, 망막에 조사될 수 있는 최대 광 에너지 또는 강도 레벨은 조직에 대한 잠재적인 손상에 의해 제한된다. 도 4의 (a)에 도시된 예시적인 장치를 이용하여, SLD 및 Ti:사파이어 모드 잠금식 레이저와 같은 고출력 파워를 방출하는 광대역 소스를 이용할 수 있으며, 듀티 사이클을 감소시키도록 출력을 시간 게이팅하고 그에 따라 샘플에 대한 유효 노출 에너지 레벨을 시간 게이팅할 수 있다.

도 5의 (a) 내지 (d)는 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 시간적으로 반복되면서 가변되는 협대역 스펙트럼을 실질적으로 방출하는 파장 가변 소스에 기초한 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예의 원리를 설명하기 위한 그래프를 도시한다. 도 5의 (c)는 출력 파장이 톱니 형태로 가변되는 가변 소스를 이용하여 발생된 예시적인 신호를 도시한다. 동조 사이클은 검출기 어레이의 적분 윈도우에 동기화된다. 이러한 예시적인 경우에, 각각의 검출기 요소는 유효 신호 적분 시간을 결정하는 오직 짧은 시간 동안에만 대응하는 파장을 구비하는 광을 수신할 수 있다. 수치적인 예로서, 전체 동조 범위가 150 nm이고 1300 nm에서 중심 설정되며 순간 라인 폭이 1 nm인 경우에, 유효 신호 적분 시간은 검출기 적분 시간의 오직 100분의 1일 수 있다.

도 6의 (a) 내지(c)에 도시된 바와 같이, 파장 가변 소스는 파장 스캐닝 필 터(310)에 의해 후속되는 통상적인 광대역 소스(300)를 이용하여 실행될 수 있다. 본 발명의 예시적인 변형예에 따라, 이득 매체(320), 동조 가능 필터(330), 및 레이저 공동(350) 내에서의 출력 커플러(340)을 이용한 파장 가변 레이저가 이용될 수 있다. 파장 가변 레이저는 분광계의 분해능보다 좁은 라인 폭을 얻도록 구성될 수 있으며, 이 경우 분광계 설계에서의 복잡도와 공차가 완화될 수 있다. 전술된 파장 가변 소스와 검출기 어레이의 조합은 광 주파수 도메인 영상화와 유사할 수 있으며, 또한 도플러 왜곡과 같은 움직임 아티팩트를 나타낼 수 있다. 움직임 아티팩트를 더 줄이기 위해, 파장 가변 소스는 유효 신호 적분 시간의 추가적인 감소의 장점과 함께 낮은 듀티 사이클 또는 Q 스위칭형 방법으로 동작될 수 있다. 또 다른 가능한 소스는 솔리톤 소스(360)와 라만 매체(370)를 이용하여 솔리톤 자기 주파수 편이에 기초하여 광역으로 동조 가능한 소스를 포함할 수 있다.

예시적인 통상적인 SD-OCT 시스템은 초발광 다이오드(super luminescent diode: SLD)와 같은 연속파(cw) 광역 스펙트럼 광 소스 또는 10 MHz 내지 100 MH 범위의 높은 반복률을 가진 초단파 모드 잠금식 펄스를 이용할 수 있다. 전체-필드 OCT 시스템은 대개 cw 열적(thermal) 광 소스를 이용하고 있다. 이러한 통상적인 시스템인 경우, CCD 어레이는 일정하게 조사되며, 그에 따라 CCD 카메라의 노출 시간은 단일 A 라인에 대한 신호 수집 시간을 결정한다. 그러나 A 라인 수집 시간 동안의 샘플 또는 프로브 움직임은 신호 페이딩 및 공간적인 분해능 열화와 같은 바람직하지 않은 다양한 아티팩트를 초래할 수 있다. 특히, 축방향 샘플 움직임으로 인하여, 검출된 스펙트럼 무늬의 가시성은 상당한 영상 페이딩을 초래하면서 상 당히 감소될 수 있다. SD-OCT에 적절한 카메라가 대개 10 마이크로초보다 긴 노출 시간을 제공한다는 것을 고려할 때, 무늬 워시아웃 문제에 대한 해결책은 샘플과 프로브 움직임이 흔한 생체 의학 응용 분야의 경우에 양호할 수 있다.

도 7의 (a) 내지 (c)는 세 개의 상이한 광 소스에 대한, 즉, 광대역 cw 소스(도 7의 (a) 참조), 광대역 펄스식 소스(도 7의 (a) 참조), 협대역 파장 가변 소스(도 7의 (a) 참조)에 대한, 예시적인 SD-OCT 시스템에서 신호가 검출되는 방법을 위해 분광계 내의 CCD 어레이에 의한 검출 신호의 예시적인 도면을 도시한다. 이 도면에서, 스펙트럼 분산된 광역 스펙트럼 광(400)이 CCD 어레이(410) 상에 입사되어, 각각의 CCD 화소는 소스 광의 협대역 부분을 수신한다. 수직 바(420)가 시간 윈도우를 표시하며, 그 시간 윈도우 동안에 카메라는 광자에 의해 발생된 전자를 적분한다. 도 7의 (a)는 SD-OCT 시스템의 통상적인 실행을 이용하여 획득된 신호를 도시한다. 도 7의 (b) 및 (c)에 도시된 신호를 발생시키는 시스템의 동작 원리는 후술된다.

특히, 도 7의 (b)는 CCD 판독률과 같은 반복률을 가진 짧은 광대역 펄스(430)의 트레인을 도시한다. 이러한 예시적인 시스템의 적분 시간은 카메라 판독 시간보다는 펄스 지속 기간에 의해 주어진다. 결과적으로, 스냅샷(snap-shot) A 라인 프로파일은 샘플 또는 프로브 움직임으로부터 자유롭게 획득될 수 있다. 이러한 예시적인 기법은 사진술에서의 스트로보스코우프 조사의 이용과 개념적으로 유사하다. 대부분의 생체 의학 응용 분야인 경우에 나노초 펄스는 움직임 아티팩트를 방지할 만큼 충분히 짧지만, 원칙적으로 이러한 접근법이 저 반복 모드 잠금 식 레이저의 이용을 통한 펨토초 시간 분해능 A 라인 수집을 제공할 수 있다. 그러나, 후속하는 분석은 짧은 지속 기간의 광대역 광의 단일 버스트들 또는 모드 잠금식 펄스의 단시간의 트레인을 포함하는 버스트들을 전달하는 임의의 펄스식 소스에 적합하다.

펄스식 소스 SD-OCT 시스템의 영상화 특성을 이해하기 위해, 축방향 움직임의 존재 하에서 펄스식 및 cw 동작에 대한 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)가 검토될 수 있다. 예를 들어, T_s와 T_e가 펄스의 지속 기간과 카메라의 전기적 적분 시간을 각각 나타낸다고 하자. 속도 v_z로 광 프로브 빔에 병렬로 축방향으로 이동하는 샘플인 경우에, v_z=0에서의 신호에 대해 정규화되는 신호 파워 S는

로 주어지며, 여기서 P(t)는 펄스의 시간 가변 광 파워를 나타내고, k₀=2π/λ₀는 중심 파장 λ₀에 대응하는 파수를 의미한다. 수학식 1은 사각 펄스인 경우에

을 산출하고, 반치폭(full-width-at-half-maximum: FWHM) 펄스 지속 기간으로서 T_s를 구비하는 가우시안 펄스인 경우에

을 산출하며, 여기서

는 펄스 지속 기간 T_s동안 전체 샘플 움직임을 나타낸다. 이들 표현은 펄스 지속 기간 동안에 샘플 움직임이 광 파장의 절반보다 큰 경우에 상당한 신호 페이딩이 발생한다는 것을 암시한다. 그러므로, 짧은 펄스식 기법( T_s<<T_e)은 움직임에 의해 유도된 신호 페이딩을 조건으로 통상적인 cw 동작에 대해 상당한 장점을 제공한다. 유사하게는, 펄스식 동작이 샘플 움직임과 횡방향 빔 스캐닝으로 인해 공간적인 분해능 열화와 같은 다른 움직임 아티팩트도 또한 억제할 수 있다는 것이 이해될 수 있다.

검출 대역폭이 카메라의 적분 시간에 의해서만 결정되므로, 펄스식 동작의 기본적인 잡음 특성은 cw 동작의 잡음 특성과 대략 동일할 것이다. 펄스식 소스 및 cw 소스가 동일한 평균 광 파워와 상대적인 강도 잡음(relative intensity noise: RIN)을 생성한다면, 펄스식 및 cw 소스들은 정적 샘플의 한계 내에서 동일한 SNR을 산출할 것이다.

도 7의 (c)는 협대역 파장 가변 소스에 기초하는 또 다른 예시적인 펄스식 소스 SD-OCT 접근법을 이용하는 또 다른 예시적인 기법을 이용하여 발생된 신호를 도시한다. CCD 어레이(420)에 입사되는 광 스펙트럼(440)이 시간적으로 연속적으로 변화되므로, CCD 화소는 각각 짧은 시간 간격동안에만 대응하는 스펙트럼 성분을 수신한다. 펄스식 광대역폭 조사와 마찬가지로, 파장을 급속하게 가변시키는 것은 SD-OCT 신호가 무늬 워시아웃으로 인해 신호 페이딩으로부터 자유롭게 되는 것을 허용한다. 그러나, 펄스식 동작과 달리, 개별적인 "스펙트럼 펄스"는 CCD 화소에 동시에 도착하지 않는다.

도 7의 (c)에 도시된 선형 가변인 경우에, 가변 동작은 2003년 10월 27일자로 출원되었으며 또한 전체 내용이 본 명세서내에 참조되는 미합중국 특허출원 제60/514,769호에 기재된 바와 같이 광 주파수 도메인 영상화(optical frequency domain imaging: OFDI)와 대체로 유사하다. 이러한 예시적인 가변 동작에서, 스펙트럼 무늬는 가변 소스와 표준 광 다이오드을 이용하여 시간의 함수로서 측정된다. 그러므로, 두 개의 영상화 기법은 유사한 움직임 아티팩트를 나타낼 수 있다. 예시적인 OFDI 시스템에 의해 발생된 움직임 아티팩트의 발생은 공지되어 있다. 그러나, 예시적인 SD-OCT 시스템에서 가변 소스 동작은 그것이 소스의 선형 동조 기울기 또는 좁은 순간 라인 폭을 요구하지 않는다는 점에서 OFDI 시스템의 동작과 상이한데, 왜냐하면 이들 특성들은 검출 분광계에 의해 지배되기 때문이다. 파장 가변 레이저에서 동조 속도 및 파워가 선형성 및 순간 라인 폭에 대한 제약 요건에 의해 종종 제한된다는 것을 고려할 때, 이러한 구별이 중요하다.

예를 들어, 펄스식 소스 및 파장 가변 소스는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성될 수 있다. 게이팅 소자를 포함하는 본 발명의 예시적인 시스템의 블록 다이어그램이 도 8의 (a)에 도시된다. 펄스식 광대역 소스는 반도체 광 증폭기(450)(예를 들어, SOA, 필립스 CQF 882/e)로부터 cw 광대역 증폭식 자발 방출(amplified spontaneous emission: ASE)의 외부적인 시간 게이팅(time gating)에 의해 제공될 수 있다. 시간 게이팅 이전에 SOA의 출력은 450 mA의 주입 전류에서 7 mW 전체 파워를 구비하면서 1.3 마이크로미터에 중심 설정된 cw 비편광 ASE로서 특성화될 수 있다. cw ASE는 다각형 미러 스캐너(460) 및 서큘레이터(466)와 관련 된 렌즈(462, 464)를 포함하는 외부적인 광 게이팅 소자에 커플링될 수 있다. 다각형 미러는 9도의 면 대 면 각을 구비하면서 40개의 면을 갖는다. 출력에서 대략 5%의 듀티 사이클을 획득하기 위해, 시준 렌즈(462)와 초점 렌즈(464)의 초점 길이는 각각 11 mm와 100 mm일 수 있다. 18.94 kHz의 펄스 반복률을 생성하기 위해 다각형 스캐너가 초당 474번 회전될 수 있을 때, 도 9의 (a)는 InGaAs 광검출기 및 오실로스코우프(검출 대역폭 = 100 MHz)로 측정된 출력 펄스 트레인을 도시한다. 측정된 펄스 폭 및 대응하는 듀티 사이클은 각각 2.85 마이크로초(FWHM) 및 5.4%이다. 파워 미터(power meter)로 측정된 평균 출력 파워는 300 μW일 수 있다. 도 9의 (b)는 광 스펙트럼 분석기로 측정된 출력 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼은 1300 nm의 중심 파장과 66 nm의 FWHM을 구비하면서 입력 ASE의 것과 대략 동일할 수 있다.

도 8의 (b)는 파장 가변 레이저를 포함하는 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 실시예의 블록 다이어그램을 도시한다. 레이저는 동일한 SOA(450)와 광섬유 링 레이저 공동(468) 내의 다각 미러 스캐너(460)에 기초한 스캐닝 파장 필터를 이용하였다. 스캐닝 필터는 회절 격자(470)(mm당 830 라인), 4f 구성의 두 개의 렌즈(472; f=60mm, 474: f=63.5mm), 펄스식 소스에 이용된 바와 동일한 40면 다각형 미러 스캐너(460)로 구성되었다. 스캐닝 필터는 1320 nm 파장에서 중심 설정된 275 nm의 자유 스펙트럼 범위를 갖도록 구성될 수 있으며, 이는 CCD 카메라에 밀접하게 대응된 레이저 출력의 듀티 사이클을 초래할 수 있다(46%). 필터의 통과 대역이 SOA의 이득 대역폭의 범위를 넘어 스캔할 때, 소스는 아마도 레이징 임계값에 도달하지 않으며 단순히 ASE를 생성한다. 도 9의 (c)는 18.94 kHz의 가변 반복율에서 레이저 출력의 시간적인 특성을 도시한다. 출력 파워가 가우시안형 프로파일에 의해 변화하는 영역은 소스가 레이징 임계값을 지나 동작되었을 때에 대응한다. 이러한 영역의 범위를 넘어, 출력은 일정한 파워를 구비하는 ASE이다. ASE 레벨이 가변 레이저 동작 동안에 검출광에 얼마나 기여했는 지를 검출하기 위해, 필터와 SOA 사이의 공동 내에 5% 탭 커플러를 삽입함으로써 역행 전파(backward-propagating) ASE 파워가 측정되었다(도 9의 (c)에서 하부 자취선, 회색 라인). ASE가 SOA 내에서의 이득 포화로 인해 억제되었기 때문에 레이저 동작 동안에 ASE 레벨이 상당히 감소되었다. 레이저 대 ASE의 비는 레이징 동조 범위의 중심에서 16 dB 만큼 높게 도달되었다. 수평 바(bar, 녹색)는 카메라의 적분 윈도우를 나타내며, 이 적분 윈도우는 레이저 동조에 의해 동기화되었다. 파워 미터로 측정된 평균 출력 파워는 18 mW였다.

도 9의 (d)는 피크 홀드(peak-hold) 모드에서 광 스펙트럼 분석기로 측정된 예시적인 출력 스펙트럼을 도시한다. 피크 홀드 모드에서, 측정에 대한 ASE의 기여분은 소정 시간에서 레이저 광보다 훨씬 낮은 스펙트럼 밀도로 인해 무시할 만할 것이다. 그러므로, 측정된 스펙트럼은 가변 레이저의 동조 엔벨로프(tuning envelope)를 나타낸다. 1325 nm에 중심 설정되면서 동조 범위는 대략 135 nm였다. 가변 출력의 예시적인 순간 라인 폭은 가변 지연 간섭계(variable-delay interferometer)로 간섭 길이(coherence length)를 측정함으로써 결정된 바와 같이 대략 0.4 nm였다.

도 10은 본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 실시예의 블록 다이어그램을 도시한다. 이러한 예시적인 시스템은 에스. 에이치. 윤(S.H.Yun) 등의 "1.3 마이크로미터 파장에서 고속 스펙트럼 도메인 광 간섭 단층촬영(High-speed spectral domain optical coherence tomography at 1.3 μm wavelength)" 옵틱스 익스프레스 11, 3598-3604 (2003)에서 상세하게 그 밖의 다른 곳에서 상세하게 기재되어 있는 간섭계, 프로브, 및 검출 분광계를 포함한다. 요약하면, 이러한 예시적인 시스템은 광 소스(500), 스캐너 구동기(502), 스캐너 클록 발생기(504), 및 5% 탭(512), (선택 사양의) 광 협대역 필터(514), 광검출기(516) 및 TTL 발생 회로(518)를 포함하는 광 트리거 발생기(510)를 포함하였다. 협대역 필터(514)는 가변 소스 동작을 위해 이용되지만 펄스식 광대역 소스 동작을 위해 요구되지 않는다. 간섭계는 서큘레이터(520), 편광 제어기(522), 편광기(524), 10/90 커플러(534), 시준기(536), 중성 밀도 필터(538), 기준 미러(540), 갈바노미터 장착식 미러(542), 갈바노미터 구동기(544), 영상화 렌즈(546) 및 샘플(550)을 포함할 수 있다. 검출 아암은 시준기(562), 격자(564), 영상화 렌즈(566), CCD 선형 어레이(570) 및 카메라(572)를 갖는 분광계(560)를 포함할 수 있다. 18 μm와 1.1 mm의 FWHM 빔 직경과 공초점 길이(confocal length)를 각각 구비하는 샘플을 가로질러 횡방향의 빔 스캐닝을 제공하기 위해 프로브 내에 갈바노미터가 이용될 수 있다. 점선 상자로 도시된 검출 분광계(560)는 mm당 1200 라인을 구비하는 괘선형 회절 격자(ruled diffraction grating)(564)와, 초점 렌즈(566)(f=150 mm)와, 512 엘리먼트 InGaAs CCD 어레이(센서즈 언리미티드 인크.(Sensors Unlimited Inc.), SU512LX)를 구비하는 라인 스캔 카메라(line scan camera: LSC)로 구성되었다. 편광 제어기는 CCD에서 무늬 가시성을 최대화하도록 조정되었다. 1320 nm에서 중심 설정된 106 nm의 전체 파장 스팬은 0.1 nm의 스펙트럼 분해능을 구비하는 512 엘리먼트 CCD 어레이로 투사되었다.

카메라 판독은 소스 출력으로부터 발생된 외부 TTL 신호에 의해 트리거될 수 있다. 펄스식 광 소스의 경우에, 전기적인 트리거 펄스는 도 10의 점선 상자 내에 도시된 바와 같이 광 펄스로부터 직접 발생되었다. 가변 소스의 경우에, 레이저 출력은 서큘레이터와 0.2 nm 대역폭 및 90%의 반사율을 구비하는 섬유 브래그 격자 반사기의 조합을 통해 전달될 수 있다(협대역 필터 장치는 작은 점선 상자(510)에 의해 표시됨). 그런 다음, 광검출기는 레이저의 출력 스펙트럼이 브래그 격자의 반사 대역을 통해 가변되었을 때 발생된 짧은 펄스의 트레인을 검출할 수 있다. 광검출기 출력으로부터, TTL 트리거 펄스가 조정 가능한 위상 지연을 구비하며 발생되었다.

전술한 바와 같이, 두 개의 레이저는 18.939 kHz의 반복률에서 동작될 수 있다. 이러한 반복률은 카메라의 최대 판독률에 대응하였다. 트리거를 수신하자마자, 카메라는 24.4 마이크로초동안 광에 의해 발생된 전자를 적분하였으며, 후속하는 28.4 마이크로초 주기에서 적분된 전압이 판독될 수 있다. PPL 펄스 발생기에서 위상 지연을 조정함으로써, 카메라의 적분 시간 윈도우는 도 7의 (a) 및 (c)에 도시된 바와 같이 광 소스의 출력과 정렬되었다. 카메라 출력은 4 채널 12 비트 데이타 수집 보드(582)(내셔날 인스트루먼츠(National Instruments), NI PCI-6155) 로 디지탈화될 수 있고 퍼스널 컴퓨터(584)에서 처리될 수 있다. 데이타 프로세싱은, 영상을 생성하기 위한 고속 푸리에 변환 이전에, 0 패딩(zero padding), 내삽 및 선형 k 공간으로의 매핑을 포함할 수 있다.

SD-OCT 영상화는 세 개의 상이한 광원을 이용하여, 즉 (a) SOA로부터 직접 획득된 cw ASE, (b) 강도 게이팅 ASE 펄스(도 8의 (a)에 도시됨) 및 (c) 파장 가변 레이저(도 8의 (b)에 도시됨)를 이용하여 수행될 수 있다. 움직임 아티팩트를 검사하기 위해, 음향 스피커 상에 종이를 장착함으로써 샘플이 구성될 수 있다. 도 11은 비교 목적을 위해 상이한 세 개의 소스로부터 획득된 예시적인 영상을 도시한다. 종이 샘플이 정적 상태를 유지했을 때 cw 광, 펄스식 광 및 가변 광을 각각 이용하여 수집된 예시적인 OCT 영상이 도 11의 왼쪽편에 도시된다. 각각의 영상은 256 개의 축방향 및 500 개의 횡방향 화소를 포함하며, 2.1 mm의 깊이와 5 mm의 폭 만큼 지속되며, 또한 26.4 밀리초의 전체 시간에 걸쳐 수집되었다. 반사율에서 40 dB의 동적 범위에 걸쳐 로그 인버스 그레이 스케일(logarithmic inverse grayscale)을 이용하여 영상이 발생된다. 각각의 광 소스에 대해, 샘플을 조사하는 광 파워는 프로브 내에 중성 밀도 필터를 이용함으로써 대략 동일 레벨로 조정되었다. 각각의 광 소스에 대한 그레이 스케일 맵의 오프셋은 세 개의 정적 화상(도 11의 섹션 a, c 및 e 참조)이 거의 동일한 상수값을 나타내도록 미세하게 조정될 수 있다. 축방향으로 이동하는 샘플의 영상(도11의 섹션 b, d 및 f 참조)은 스피커가 0.8 mm의 피크 대 피크 진폭을 구비하는 80 Hz에서의 사인파형 파형으로 구동될 때 수집될 수 있다. 무늬 워시아웃(fringe washout)으로 인해 신호 페이딩은 cw ASE 소스(도 11의 섹션 b 참조)의 경우에 명확하다. 축방향 속도가 0일 때 오실레이션의 피크 및 밸리 근처를 제외하고는, 영상 콘트라스트 및 관통 깊이가 현저하게 열화될 수 있다. 이와 달리, 영상 d는 펄스식 소스를 이용해서 획득될 수 있으며 또한 상당히 감소된 영상 페이딩을 나타낸다. 신호 페이딩은 파장 가변 소스(도 11의 섹션 f 참조)를 이용하면서 관측될 수 없다.

신호 페이딩의 양을 정량화하기 위해, 각각의 A 라인을 따라 선형 파워의 단위에서의 화소값의 합은 도 11에 도시된 예시적인 영상으로부터 획득될 수 있으며, 이는 특정 A 라인에서 전체 신호 파워를 나타낸다. 31 번째 엘리먼트로부터 230 번째 엘리먼트까지 총 200개의 픽셀이 합에서 고려되었다. 그 결과는 도 12의 (a) 내지 (c)에 도시되었으며, 도 12의 (a)의 결과는 cw 소스(도 11의 섹션 a 및 b 참조)를 이용하여 획득된 신호에 대응하며, 도 12의 (b)의 결과는 펄스식 소스(도 11의 섹션 c 및 d)를 이용하여 획득된 신호에 대응하고, 도 12의 (c)의 결과는 가변 소스(도 11의 섹션 e 및 f)를 이용하여 획득된 신호에 대응한다.

각각의 그래프에서, 적분된 신호 파워는 정적 상태의 샘플 영상(밝은 라인)과 이동하는 샘플의 영상(어두운 라인)에 대한 A 라인 지수의 함수로서 도시된다. 밝은 라인에 의해 도시된 바와 같이, 프로브 빔이 대략 2 dB의 표준 편차로 샘플을 가로질러 스캐닝됨에 따라 정적 상태의 샘플에 대한 신호 파워는 얼룩(speckl)으로 인해 랜덤 변동(random fluctuation)을 나타낸다. 얼룩 평균치된 평균값은 샘플의 횡방향 위치, 유한 공초점 변수로 초래되는 변화량 및 결과적인 깊이 의존형 광 컬렉션 효율에 걸쳐 선형적으로 변화한다. 도 11의 섹션 b, d 및 f(어두운 라인)로 부터 획득된 신호 파워 트레이스는 움직임에 의해 유도된 신호 페이딩의 감소를 조건으로 펄스식 소스 및 가변 소스의 장점을 명확하게 실증한다.

시간 게이팅된 펄스는 24.4 마이크로초로부터 2.85 마이크로초까지 신호 적분 시간에서 계수 8.6의 감소를 제공할 수 있다. 0.4 nm의 순간 라인 폭을 갖는 가변 소스의 경우에, 개별적인 CCD 화소는 신호 적분 시간에서 325배(325-fold)의 감소를 나타내는 각각의 A 라인 수집당 오직 75 나노초동안만 조사될 수 있다. 수학식 1에 기초한 이론적인 곡선은 다음의 예외를 제외하고는 실험적인 결과와 양호한 일치를 보여주고 있다. 실험적인 잡음 플로어는 -14 dB보다 큰 신호 손실의 검출을 금지할 수 있으며, 도 12의 (c)에서 청색 곡선과 검은색 곡선 사이의 최대 3bB 만큼의 작은 차이는 두 샘플의 상이한 깊이에서의 불규칙한 프로브 수집 효율에 기인한 것으로 생각된다.

예시적인 SNR 분석은 펄스식 ASE 소스가 동일한 평균 광 파워의 cw ASE와 동일한 잡음 특성을 필연적으로 생성했다는 것을 나타낸다. 그러나, 파장 가변 레이저를 이용하여 수집될 수 있는 영상은, 동일한 평균 파워의 ASE 소스를 이용할 때 관측된 경우보다 깊이에 따라 10 내지 20 dB 더 높을 수 있는 잡음 플로어를 나타내었다. 이렇게 증가된 잡음 플로어는 DC로부터 CCD 적분 시간의 역수에 대응하는 41 kHz까지의 주파수 대역에서의 가변 레이저의 RIN에 기인하는 것으로 생각된다. 가변 소스로 획득된 최고 감도는 1 내지 2 μW의 기준 아암 파워에서 대략 -95 dB일 수 있다.

생체외 인간 관상 동맥의 예시적인 SD-OCT 영상화는 광섬유 카테테르의 이용 에 의해 실시될 수 있다. 광섬유 카테테르는 경사형 굴절률의 렌즈(graded-index lens)와 그 원단부에서의 90도 프리즘을 포함했으며, 최대 100인 초당 회전(revolutions per second: rps)의 회전 속도를 제공할 수 있는 고속 회전 조인트를 통해 간섭계에 연결되었다. 도 13은 18.94Kh의 동일한 A 라인 수집율에서 cw ASE 소스(도 13의 영상 A 및 B 참조)와 가변 소스(도 13의 영상 C 및 D 참조)로 획득된 예시적인 영상을 도시한다. 영상 A 및 B와 영상 C 및 D 사이의 차이는 카테테르의 회전 속도인데, 카테테르의 회전 속도는 영상 A 및 C인 경우에 9.5 rps로서 영상 당 2000 A 라인에 대응하며, 영상 B 및 D인 경우에 37.9 rps로서 영상 당 500 A 라인에 대응하였다. 간섭계의 0 지연은 샘플과 외부 프리즘 표면 사이에 위치되며, 그 결과 조직(p로 표시됨)의 영상에 중첩된 원형 아티팩트를 초래한다.

영상 A은 맥관(vessel)의 전형적인 OCT 영상을 표현할 수 있다. 이와 달리, 영상 B는 신호의 손실로 인한 명백한 반경 방향 줄무늬(streak)를 나타낼 수 있다. 이러한 영상 페이딩은 경로 길이에서의 카테테르에 의해 유도된 변조 에 주로 기인하는 것으로 생각되며, 회전 속도와 함께 증가한다. 경로 길이 변조는 세 개의 메카니즘으로부터 야기될 수 있다. 즉 (a) 중심이 어긋난(off-center) 물체의 회전 빔 스캐닝은 마치 프로브가 수축되거나 또는 샘플로 접근하는 것처럼 프로브 빔의 축방향 경로 길이 변동을 야기하며, (b) 회전하는 카테테르의 팁은 프로브와 샘플 사이의 거리를 변조하도록 보호 덮개(protection sheath) 내에서 요동할 수 있고, (c) 회전 조인트로부터의 기계적인 회전은 트위스트 또는 스트레인에 의해 카테테르 내측에서 광섬유의 길이를 변조할 수 있다. 프리즘 표면에 대응하는 원(p)도 또한 동일한 반경 방향 위치에서 콘트라스트의 상당한 손실을 겪고 있으므로, 이러한 제3 메카니즘은 이러한 특정 실험에서 두드러진 원인으로 생각되었다. 도 13의 영상 C 및 D는 가변 소스로 획득된 예시적인 SD-OCT 영상이다. 신호 페이딩은 영상 D에서 두드러지지 않으며, 펄스식 소스 접근의 장점을 명확하게 입증한다.

따라서, 펄스식 또는 게이팅 조사의 장점을 실현하기 위해 복수의 전략이 적용될 수 있다. 전통적인 광 소스는 cw SLD, 초연속 소스 또는 모드 잠금식 레이저를 포함한다. 이들 소스는 각각 외부적인 강도 변조 기법을 이용하여 펄스식 소스로 변환될 수 있다. 강도 변조기 또는 스위치로서, 전기 광학 또는 음향 광학 변조기 또는 주입 전류 변조기를 고려할 수 있다. 이와 달리, 빌트인 전기 셔터를 갖는 CCD 카메라가 이용될 수 있다. 그러나, 이러한 외부 게이팅 접근법은 광 파워의 손실을 초래하고 그에 따라 검출 감도를 열화시킬 수 있다는 점에서 중요한 단점을 갖는다. 그러나, 움직임이 무늬 워시아웃을 통해 상당한 신호 페이딩을 초래하는 상황에서, 외부적인 게이팅은 광 파워의 손실에도 불구하고 더 양호한 감도를 유도할 수 있다. 그러나, 다른 응용예에서 시스템에서 이용 가능한 광 파워는 샘플의 최대 허용 가능 노출에 의해 종종 제한된다. 이 경우에, 외부적인 게이팅은 강력한 소스로부터 시스템으로 입사하는 파워 레벨을 감쇠시키는 효율적인 방법일 것이다. 예를 들어, 안과적 망막 영상화는 800 nm의 파장에서 SD-OCT로 수행되어 왔다. 이러한 파장에서, 눈에 대한 최대 허용 가능 cw 노출은 미국 국립 표준 연구소(Americal National Standard Institute: ANSI)에 따라 대략 600 내지 700 μW로 제한된다. 이러한 응용을 위해, 상업적으로 입수 가능한 모드 잠금식 Ti:사 파이어 레이저로부터 출력을 게이팅할 수 있고, 시스템에 충분한 출력을 여전히 제공하면서 한 오더(order)의 크기 이상 만큼 움직임에 대한 감도를 감소시킬 수 있다.

외부적인 게이팅 대신에, 다양한 파워 효율적인 내부 변조 기법이 이용될 수 있다. 예를 들어, Q 스위칭 및 공동 덤핑은 초단파 펄스식 레이저에 적용할 수 있는 잘 알려진 기법이다. 수 내지 수십 kH의 반복율을 구비하는 Q 스위칭형 초연속 소스가 보고되어 있고, 예시적인 SD-OCT 시스템의 이용에 적절할 수 있다. 움직임 아티팩트를 감소시키는 장점에 더하여, 펄스식 소스 접근의 감소된 무늬 워시아웃도 또한 순차적인 위상 디더링(phase dithering)에 기초하여 직교(quadrature) 무늬 검출을 용이하게 할 수 있다.

본 명세서에 기재된 바와 같이 파장 가변 소스의 이용은 본질적으로 그렇지 않은 경우에 좁은 순간 라인 폭과 완화되는 동조 선형성을 포함하는 덜 융통적인(less-flexible) OFDI 소스 요건을 허용할 수 있는 OFDI와 SD-OCT 기법 사이의 하이브리드이다. 이 경우에, 분광계의 높은 분해능 및 선형성이 비선형성 섬유에서의 솔리톤 자기 주파수 편이(soliton self-frequency shifting)에 기초하여 공명 스캔되는 패브리-페롯 필터(resonantly scanned Febry-Perot filter) 또는 동조 가능 소스와 같은 비선형성 동조 엘리먼트를 가변 레이저에 수용시킬 수 있다. 또한, 가변 레이저의 순간 라인 폭에 대한 완화된 요건은 더 높은 출력 파워의 생성을 용이하게 할 수 있다.

본 발명에 따른 시스템의 또 다른 예시적인 실시예에서, CCD 어레이는 각각 2차원 어레이일 수 있다. 2차원의 동시성 스캐닝은 2차원 어레이를 이용하여 수행될 수 있으며, 여기서 어레이의 하나의 축을 따라 스펙트럼 정보가 부호화되는 반면 2차원을 가로질러 공간 정보가 부호화된다. 도 14는 라인 소스(600), 렌즈(604), 빔 분리기(610), 및 2차원 CCD 어레이(620)를 포함할 수 있는 이러한 예시적인 시스템의 블록 다이어그램을 도시한다. 조직은 양호하게는 라인 빔에 의해 조사되며, 샘플에서 조사된 부분은 어레이의 1차원 상에 영상화되는 반면, 광은 어레이의 나머지 방향으로 스펙트럼 분산된다. 이전에 논의된 바와 같이, 연속적인 소스를 구비하는 긴 적분 시간들은 움직임 아티팩트와 무늬 워시아웃을 야기한다. 또한, 2차원 어레이의 판독 시간은 1차원 어레이의 판독 시간보다 길다. 펄스식 소스를 이용함으로써, 움직임 아티팩트와 무늬 워시아웃이 방지될 수 있으며, 여기서 어레이의 노출 시간은 프레임 전달률보다 상당히 짧다. 광 강도가 라인에 걸쳐 분포되므로, 더 강한 파워가 조직 상에 입사되도록 허용된다. 100 펨토초보다 긴 펄스 지속 기간을 갖는 펄스식 소스를 이용할 때, 소스는 안과 응용예에서 반연속(semi-continuous)으로 취급될 수 있다. 그러므로, 높은 피크 파워가 짧은 시간에 걸쳐 이용될 수 있는 반면, 평균 파워는 조직의 광 노출 동안 ANSI 표준을 따른다. 또한, 가변 소스는 라인 조사와 결합되어 이용될 수 있으며, 여기서 검출기는 1차원 어레이 또는 2차원 어레이일 수 있다. 1차원 어레이의 경우에, 전체 라인에 대한 조직 정보는 1차원 어레이에 의해 연속적으로 각각의 파장에 대해 수집된다. 2차원 어레이을 이용함으로써, 파장은 어레이의 2차원을 따라 부호화된다.

본 발명의 또 다른 예시적인 실시예로서, 도 15에 블록 다이어그램으로서 도 시된 바와 같이, 펄스식 소스가 전체-필드 광 간섭 단층촬영에서 이용될 수 있다. 검출기 어레이는 대개 2차원 CCD 어레이이다. 전체-필드 OCT에 대한 동작 원리 및 일반적인 시스템은 당업계에서 잘 알려져 있다. 전체-필드 OCT는 대개 마주보이는(en face) 영상을 생성한다. SD-OCT에 대한 초기의 기재와 같이, 펄스식 소스 접근법은 대개 2차원인 CCD 어레이에서 유효 신호 수집 시간을 효율적으로 감소시킨다. 반복률은 CCD 어레이의 프레임 판독률에 대응한다. 전형적인 전체-필드 OCT 기법이 스펙트럼 도메인 간섭계에 기초하지 않으므로, 가변 소스 접근은 움직임 아티팩트를 조건으로 전체-필드에서 장점을 제공하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 가변 반복률이 CCD 판독률에 대응하는 가변 소스는 통상적인 광대역 소스에 대한 대안적인 소스로서 전체-필드 OCT를 위해 여전히 이용 가능할 수 있다. 이는 시간 적분 방식으로 CCD에 의해 관측된 가변 스펙트럼이 동일한 스펙트럼 포락선의 광대역 스펙트럼과 동일하기 때문이다. 광소스(700)는 양호하게는 콜러(Kohler) 구성에서 할로겐 또는 텅스텐 램프와 같은 공간적으로 비간섭인 소스이지만 전체-필드 영상화에서 움직임 아티팩트를 감소시키기 위해 펄스식 체제에서 동작된다. 소스 빔은 빔 분리기에 의해 기준과 샘플로 분할된다. 높은-NA 대물 렌즈(710)가 대개 이용된다. 기준 미러(540)는 위상 디더링이 헤테로다인 검출을 실현시키도록 PZT와 같은 기계적인 액츄에이터에 부착될 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명은 관상 동맥 영상화, GI 트랙트, 안과적 영상화부터 동적 생물학적 또는 화학적 프로세스, 이동하는 재료 및 성분의 모니터링까지의 범위에서 다양한 영상화 응용예에 이용될 수 있으며, 높은 감도, 높은 속도 및 움직임 아티팩트 없는 영상화가 양호하다.

전술한 기재는 단지 본 발명의 원리를 설명한다. 본 명세서의 기재를 고려하면 당업자들에게 다양한 수정과 변형이 명백하게 이해될 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 발명은 2003년 10월 27일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/514,769호 및 2003년 1월 24일자로 출원된 국제특허출원 제PCT/US03/02349에 기재되며 또한 전체 내용이 본 명세서내에 참조되는 예시적인 방법, 시스템 및 응용예와 함께 이용할 수 있다. 당업자라면 본 명세서에 명백하게 도시되거나 기재되지 않았더라도 본 발명의 원리를 구현하고 따라서 본 발명의 사상과 범위 내에 있는 다양한 시스템, 장치 및 방법을 개발할 수 있다는 사실이 이해될 수 있을 것이다. 또한, 위에서 참조된 모든 공개 문헌, 특허, 및 특허 출원은 그 전체 내용이 본 명세서내에서 참조된다.

Claims

샘플의 적어도 일부분을 영상화하는 시스템에 있어서,

샘플과 기준으로 전달되는 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생시키는 소스 장치, 및

복수의 검출기를 포함하되, 상기 검출기 중 적어도 하나는 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호를 검출할 수 있는 적어도 하나의 검출 장치를 포함하며,

상기 신호는 상기 조합의 주파수 성분들 중 적어도 하나이고,

상기 제1 전자기 방사선, 상기 제2 전자기 방사선 및 상기 조합 중 적어도 하나에 대한 스펙트럼을 상기 주파수 성분들 중 적어도 하나로 분리하는 적어도 하나의 스펙트럼 분리 유닛을 더 포함하고,

상기 복수의 검출기 중 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 갖고, 상기 적어도 하나의 특정 검출기는 지속기간 동안 소정의 임계값보다 큰 적어도 하나의 제1 파워 레벨을 갖는 적어도 하나의 제1 부분과 상기 적어도 하나의 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행함과 아울러 상기 소정의 임계값보다 작은 적어도 하나의 제2 파워 레벨을 갖는 적어도 하나의 제2 부분을 갖는 상기 신호의 적어도 일부분을 수신하며, 또한 상기 적어도 하나의 제2 부분은 특정 전기적 적분 시간의 적어도 10%인 시간주기 동안 지속 되고,

상기 특정 전기적 적분 시간을 제공하는 상기 검출된 신호에 근거하여 상기 샘플과 관련된 적어도 하나의 이미지를 생성하는 적어도 하나의 프로세싱 장비를 더 포함하고,

상기 적어도 하나의 이미지는 표면 아래의 상기 샘플과 관련된 적어도 일부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이미지의 상기 적어도 일부분은 상기 전달된 방사선이 샘플에 영향을 미치는 표면 위치 아래의 일정 깊이에 있는 샘플을 나타냄을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 특정 검출기는 상기 주파수 성분들 중 상기 적어도 하나를 수신하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 소스 장치는 펄스식 광대역 소스인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제4항에 있어서, 상기 펄스식 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 특정 전기적 적분 시간당 단일 펄스인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제5항에 있어서, 상기 펄스식 소스는 Q 스위치형 레이저(Q-switched laser), 공동 덤핑형 모드 잠금 레이저(cavity-dumped mode-lock laser), 및 이득 스위치형 레이저(gain-switched laser) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제4항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 특정 전기적 적분 시간의 많아야 90%동안 지속되는 방사선의 버스트인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제7항에 있어서, 상기 방사선의 버스트는 복수의 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제4항에 있어서, 상기 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장을 갖는 스펙트럼을 가지는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제9항에 있어서, 상기 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 중심 파장의 1%보다 큰 스펙트럼 폭을 갖는 스펙트럼을 가지는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제5항에 있어서, 상기 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 1 마이크로초보다 짧은 펄스 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
샘플의 적어도 일부분을 영상화하는 시스템에 있어서,

샘플과 기준으로 전달되는 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생시키는 소스 장치, 및

복수의 검출기를 포함하되, 상기 검출기 중 적어도 하나는 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호를 검출할 수 있는 적어도 하나의 검출 장치를 포함하며,

상기 복수의 검출기 중 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 갖고, 상기 적어도 하나의 특정 검출기는 지속기간 동안 소정의 임계값보다 큰 적어도 하나의 제1 파워 레벨을 갖는 적어도 하나의 제1 부분과 상기 적어도 하나의 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행함과 아울러 상기 소정의 임계값보다 작은 적어도 하나의 제2 파워 레벨을 갖는 적어도 하나의 제2 부분을 갖는 상기 신호의 적어도 일부분을 수신하며, 또한 상기 적어도 하나의 제2 부분은 특정 전기적 적분 시간의 적어도 10%인 시간주기 동안 지속 되고,

상기 신호는 상기 조합의 주파수 성분들 중 적어도 하나이고,

상기 적어도 하나의 특정 검출기는 상기 주파수 성분들 중 상기 적어도 하나를 수신하고,

상기 소스 장치는 펄스식 광대역 소스이고,

상기 방사선의 버스트의 지속 기간은 1 마이크로초보다 짧은 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 소스 장치는 광 게이팅 스위치(optical gating switch)를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선의 주파수가 시간에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선의 평균 주파수가 밀리초 당 100 테라헤르쯔보다 큰 동조 속도로 시간에 따라 실질적으로 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제15항에 있어서, 상기 평균 주파수는 상기 특정 전기적 적분 시간의 90%보다 작은 반복 주기로 반복적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장을 갖는 동조 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제17항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 중심 파장의 1%보다 큰 동조 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 순간 라인 폭과 동조 범위를 가지며, 또한 상기 순간 라인 폭은 상기 동조 범위의 10%보다 작은 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 소스 장치는 동조 가능한 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 소스 장치는 동조 가능한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 소스 장치는 매체를 포함하며, 또한 상기 소스 장치는 상기 매체와 관련된 비선형성에 기초하여 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생시키는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 주파수는 실질적으로 시간에 따라 선형으로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제14항에 있어서, 상기 주파수는 실질적으로 시간에 따라 사인파 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 검출기 장치는 제1 및 제2 전자기 방사선의 상기 조합과 관련된 광전자들의 전송을 게이팅하도록 구성된 전기 셔터를 더 포함하며, 또한 상기 광전자들의 전송을 허용하기 위한 상기 게이팅의 시간은 상기 특정 전기적 적분 시간의 90%보다 작은 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 샘플은 생물학적 샘플인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제3항에 있어서, 상기 검출 장치는 적어도 하나의 전하 결합 소자(charged-coupled device)를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 소스 장치는 펄스식 광대역 소스인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 상기 검출 장치는 적어도 하나의 전하 결합 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 시스템.
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샘플의 적어도 일부분을 영상화하는 방법에 있어서,

샘플과 기준으로 전달되는 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생시키는 단계, 및

상기 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 상기 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호 중 적어도 일부분을 검출 장치의 복수의 검출기 중 적어도 하나의 검출기를 이용하여 검출하는 단계를 포함하며,

상기 신호는 상기 조합의 주파수 성분의 적어도 하나이고,

상기 제1 전자기 방사선, 상기 제2 전자기 방사선, 혹은 상기 조합 중 적어도 하나에 대한 스펙트럼을 상기 주파수 성분들 중 적어도 하나로 분리하는 단계를 더 포함하고,

상기 복수의 검출기 중 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 갖고, 상기 적어도 하나의 특정 검출기는 지속기간 동안 소정의 임계값보다 큰 제1 파워 레벨을 구비하는 제1 부분과 상기 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행함과 아울러 제2 부분을 갖는 상기 신호의 적어도 일부분을 수신하며, 또한 상기 제2 부분은 상기 소정의 임계값보다 작은 제2 파워 레벨을 구비함과 아울러 상기 특정 전기적 적분 시간의 10%보다 큰 시간 동안 지속 되고,

상기 특정 전기적 적분 시간에 제공된 상기 검출된 신호에 근거한 상기 샘플과 관련된 상기 적어도 하나의 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하고,

상기 적어도 하나의 이미지는 표면 아래의 상기 샘플과 관련된 적어도 일부분을 포함하고, 상기 적어도 하나의 이미지의 상기 적어도 일부분은 상기 전달된 방사선이 샘플에 영향을 미치는 표면 위치 아래의 일정 깊이에 있는 샘플을 나타냄을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
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제31항에 있어서, 상기 적어도 하나의 특정 검출기는 상기 주파수 성분들 중 상기 적어도 하나를 수신하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제33항에 있어서, 상기 발생 단계는 펄스식 광대역 소스인 소스 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제34항에 있어서, 상기 펄스식 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 특정 전기적 적분 시간당 단일 펄스인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제35항에 있어서, 상기 펄스식 소스는 Q 스위치형 레이저, 공동 덤핑형 모드 잠금 레이저, 및 이득 스위치형 레이저 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제34항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 특정 전기적 적분 시간의 많아야 90% 동안 지속 되는 방사선의 버스트인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제37항에 있어서, 상기 방사선의 버스트는 복수의 펄스를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제34항에 있어서, 상기 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장을 갖는 스펙트럼을 가지는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제39항에 있어서, 상기 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 중심 파장의 1%보다 큰 스펙트럼 폭을 갖는 스펙트럼을 가지는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제35항에 있어서, 상기 펄스식 광대역 소스에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 1 마이크로초보다 짧은 펄스 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
샘플의 적어도 일부분을 영상화하는 방법에 있어서,

샘플과 기준으로 전달되는 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생시키는 단계, 및

상기 샘플로부터 수신된 적어도 하나의 제1 전자기 방사선과 상기 기준으로부터 수신된 적어도 하나의 제2 전자기 방사선의 조합과 관련된 신호 중 적어도 일부분을 검출 장치의 복수의 검출기 중 적어도 하나의 검출기를 이용하여 검출하는 단계를 포함하며,

상기 복수의 검출기 중 적어도 하나의 특정 검출기는 특정 전기적 적분 시간을 갖고, 상기 적어도 하나의 특정 검출기는 지속기간 동안 소정의 임계값보다 큰 제1 파워 레벨을 구비하는 제1 부분과 상기 제1 부분에 인접하여 선행하거나 후행함과 아울러 제2 부분을 갖는 상기 신호의 적어도 일부분을 수신하며, 또한 상기 제2 부분은 상기 소정의 임계값보다 작은 제2 파워 레벨을 구비함과 아울러 상기 특정 전기적 적분 시간의 10%보다 큰 시간 동안 지속 되고,

상기 신호는 상기 조합의 주파수 성분들 중 적어도 하나이고,

상기 적어도 하나의 특정 검출기는 상기 주파수 성분들 중 상기 적어도 하나를 수신하고,

상기 소스 장치는 펄스식 광대역 소스이고,

상기 방사선의 버스트의 지속 기간은 1 마이크로초보다 짧은 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제33항에 있어서, 상기 소스 장치는 광 게이팅 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제33항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선의 주파수가 시간 에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선의 평균 주파수가 밀리초 당 100 테라헤르쯔보다 큰 동조 속도로 시간에 따라 실질적으로 연속적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제45항에 있어서, 상기 평균 주파수는 상기 특정 전기적 적분 시간의 90%보다 작은 반복 주기로 반복적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 700 나노미터와 2000 나노미터 사이의 중심 파장을 갖는 동조 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제47항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 상기 중심 파장의 1%보다 큰 동조 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 소스 장치에 의해 발생된 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선은 순간 라인 폭과 동조 범위를 갖고, 상기 순간 라인 폭은 상기 동조 범위의 10%보다 작은 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 소스 장치는 동조 가능한 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 소스 장치는 동조 가능한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 소스 장치는 매체를 포함하며, 또한 상기 소스 장치는 상기 매체와 관련된 비선형성에 기초해서 상기 적어도 하나의 소스 전자기 방사선을 발생하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 주파수는 시간에 따라 실질적으로 선형으로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제44항에 있어서, 상기 주파수는 시간에 따라 실질적으로 사인파 형태로 변화하는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제33항에 있어서, 상기 검출기 장치는 제1 및 제2 전자기 방사선의 상기 조합과 관련된 광전자들의 전송을 게이팅하도록 구성된 전기 셔터를 더 포함하며, 또한 상기 광전자들의 전송을 허용하기 위한 상기 게이팅의 시간은 상기 특정 전기적 적분 시간의 90%보다 작은 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제33항에 있어서, 상기 샘플은 생물학적 샘플인 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제33항에 있어서, 상기 검출 단계는 적어도 하나의 전하 결합 소자를 포함하는 검출 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제31항에 있어서, 상기 발생 단계는 펄스식 광대역 소스인 소스 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
제31항에 있어서, 상기 검출 단계는 적어도 하나의 전하 결합 소자를 포함하는 검출 장치에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 샘플 영상화 방법.
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