KR101327515B1 - 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템은 펨토초 레이저빔을 발생시키는 펨토초 레이저 발생기, 상기 펨토초 레이저빔을 조절하여 상기 펨토초 레이저빔의 초점이 절개 대상물 위에 위치하도록 하는 절개 광학계, 상기 펨토초 레이저 발생기와 상기 절개 광학계 사이에 위치하며 상기 펨토초 레이저빔의 에너지 강도를 조절하는 파워 조절기, 상기 파워 조절기에 의해 에너지 강도가 감쇠된 상기 펨토초 레이저빔을 이용하여 상기 절개 대상물의 3차원 영상을 촬영하는 영상 촬영부를 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템은 동일한 펨토초 레이저 발생기를 사용하여 레이저 절개와 3차원 레이저 영상 촬영을 수행하므로 별도의 영상 장치가 필요하지 않아 비용을 절감할 수 있다.

Description

펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템{FEMTO SECOND LASER INCISION AND IMAGE SYSTEM}
본 발명은 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 정밀 수술에 사용되는 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템에 관한 것이다.
펨토초 레이저는 펨토초 단위의 펄스 폭을 가지는 펄스 레이저로서, 펨토초 레이저를 이용하여 정밀 수술을 진행하는 경우 펨토초 레이저는 플라즈마를 발생시켜 절개하는데, 이를 이용하여 적절한 파워를 이용하면 열 등에 의한 주변 조직의 손상을 최소화 할 수 있고, 수 마이크론 단위의 정밀 절개를 할 수 있다.
최근 펨토초 레이저는 안과의 정밀 수술에 이용되고 있다. 각막 굴절율 교정 수술에서는 각막 절편 제작에 펨토초 레이저가 사용되고 있으며, 최근 백내장 수술에서도 혼탁 수정체의 전낭 절개에 적용하는 정밀 수술 시스템이 개발되고 있다.
각막 절편 제작에서는 각막 절개면의 깊이의 선정이 중요하며, 절개면이 각막 표층에서 너무 깊으면 각막의 내피 세포 손상을 일으킬 수 있으며, 이 경우 내피 세포는 재생이 안 되므로 심각한 휴유증을 야기할 수 있다. 또한, 백내장 수술에서 혼탁 수정체의 전낭 절개에서는 수정체가 안구 내부에 위치하므로 절개 위치의 선정을 위해서는 3차원 영상을 통한 수정체의 위치 및 방향의 파악이 필수적이다.
이와 같이, 각막 절편 제작과 수정체 전낭 절개에는 절개하려는 3차원 위치 선정 및 확인을 위해 3차원 영상 기술이 필요하다. 이를 위해 최근에 개발되고 있는 펨토초 레이저 백내장 수술 장치는 공초점 현미경(confocal microscopy) 또는 광간섭촬영기(optical coherence tomography, OCT)등의 3차원 영상 장치를 추가하고 있다. 그러나, 이와 같은 부가적인 영상 장치는 펨토초 레이저 절개 시스템의 가격을 상승시키고, 촬영된 영상과 실제 절개할 위치간에 오차가 발생할 수도 있어 이에 대한 보정도 필요하게 된다.
본 발명은 전술한 배경 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 동일한 펨토초 레이저 발생기를 사용하여 레이저 절개와 3차원 레이저 영상 촬영을 수행하므로 비용 절감 및 절개 정확도를 확보할 수 있는 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템은 펨토초 레이저빔을 발생시키는 펨토초 레이저 발생기, 상기 펨토초 레이저빔을 조절하여 상기 펨토초 레이저빔의 초점이 절개 대상물 위에 위치하도록 하는 절개 광학계, 상기 펨토초 레이저 발생기와 상기 절개 광학계 사이에 위치하며 상기 펨토초 레이저빔의 에너지 강도를 조절하는 파워 조절기, 상기 파워 조절기에 의해 에너지 강도가 감쇠된 상기 펨토초 레이저빔을 이용하여 상기 절개 대상물의 3차원 영상을 촬영하는 영상 촬영부를 포함할 수 있다.
상기 영상 촬영부는 상기 펨토초 레이저빔을 통과시키는 동시에 상기 절개 대상부에서 발생한 영상 신호를 반사시키는 이색성 미러, 상기 이색성 미러에서 반사된 영상 신호를 수신하는 광센서를 포함할 수 있다.
상기 영상 신호는 이광자 형광 신호, 제2 고조파 발생 신호 및 제3 고조파 발생 신호를 포함할 수 있다.
상기 이색성 미러는 상기 절개 대상부에서 반사된 펨토초 레이저빔을 통과시킬 수 있다.
상기 영상 촬영부는 상기 이색성 미러를 통해 반사된 상기 영상 신호를 이용하여 상기 절개 대상물의 3차원 영상을 실시간으로 표시하는 영상 표시부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템은 동일한 펨토초 레이저 발생기를 사용하여 레이저 절개와 3차원 레이저 영상 촬영을 수행하므로 별도의 영상 장치가 필요하지 않아 비용을 절감할 수 있다.
또한, 레이저 절개와 3차원 영상 촬영이 연동되므로 영상 기반으로 레이저 절개부의 위치를 정확히 결정할 수 있어 안정적이고, 정밀한 레이저 절개를 수행할 수 있다.
또한, 동일한 펨토초 레이저 발생기를 사용하여 레이저 절개와 3차원 레이저 영상 촬영을 수행하므로 레이저 절개 전후의 3차원 영상의 촬영을 통해 절개 위치의 파악 및 선정, 절개 이후 결과 확인 등을 할 수 있어 휴유증을 최소화하고, 펨토초 레이저 기반 수술의 성공률을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템의 영상 촬영부의 설명도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템에 대하여 도 1 및 도 2를 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템의 전체 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템은 펨토초 레이저빔(1)을 발생시키는 펨토초 레이저 발생기(10), 펨토초 레이저빔(1)을 조절하여 펨토초 레이저빔(1)의 초점이 절개 대상물(100) 위에 위치하도록 하는 절개 광학계(20), 펨토초 레이저 발생기(10)와 절개 광학계(20) 사이에 위치하는 파워 조절기(30), 파워 조절기(30)에 의해 에너지 강도가 감쇠된 펨토초 레이저빔(1)을 이용하여 절개 대상물(100)의 3차원 영상을 촬영하는 영상 촬영부(40)를 포함한다.
절개 광학계(20)는 펨토초 레이저 발생기(10)와 절개 대상물(100) 사이에 위치한다. 절개 광학계(20)는 펨토초 레이저빔(1)의 확산을 방지하고 평행하게 진행하도록 하는 시준기(collimator)(21), 펨토초 레이저빔(1)을 반사하여 절개 대상물(100)의 모든 부분을 스캐닝하는 고속 스캐너(22), 고속 스캐너(22)를 통과한 펨토초 레이저빔(1)의 초점을 조절하는 내부 광학계(23) 및 절개 대상물(100) 앞에 위치하며 펨토초 레이저빔(1)의 초점이 절개 대상물(100) 위에 위치하도록 하는 대물 렌즈(24)를 포함한다.
파워 조절기(30)는 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 조절하며, 펨토초 레이저빔(1)을 레이저 절개에 이용하는 경우에는 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 높이고, 펨토초 레이저빔(1)을 절개 대상물(100)의 3차원 영상 촬영에 이용하는 경우에는 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 낮추게 된다.
파워 조절기(30)와 절개 광학계(20)의 시준기 사이에는 셔터(shutter)(50)가 위치한다. 셔터(50)는 펨토초 레이저빔(1)의 경로를 차단 또는 개방한다. 펨토초 레이저빔(1)의 경로를 정확한 위치에 위치시키기 위해 펨토초 레이저빔(1)을 정렬해야한다. 그러나, 펨토초 레이저빔(1)을 온(on) 및 오프(off)시키는 경우에는 그 때마다 펨토초 레이저빔(1)의 경로가 차이나므로 매번 펨토초 레이저빔(1)을 정렬해야 하고, 펨토초 레이저빔(1)을 계속 온(on) 시키는 경우에는 절개 대상물(100)에 부담을 주게 된다. 이러한 문제점을 방지하고 3차원 영상 촬영시나 레이저 절개시만 펨토초 레이저빔(1)을 사용할 수 있도록 하기 위해 펨토초 레이저빔(1)을 일시적으로 차단 또는 개방하는 셔터(50)를 설치한다.
영상 촬영부(40)는 펨토초 레이저빔(1)을 통과시키는 동시에 절개 대상물(100)에서 발생한 영상 신호를 반사시키는 이색성 미러(dichroic mirror)(41), 이색성 미러(41)에서 반사된 영상 신호를 수신하는 광센서(42) 및 절개 대상물(100)의 3차원 영상을 실시간으로 표시하는 영상 표시부(43)를 포함한다. 펨토초 레이저빔(1)의 스캐닝 시 절개 대상물(100)에서 발생한 영상 신호는 이광자 형광 신호(two photon fluorescence, TPF), 제2 고조파 발생 신호(second harmonic generation, SHG), 그리고 제3 고조파 발생 신호(third harmonic generation, THG)를 포함한다.
이광자 형광 신호(TPF)는 펨토초 레이저빔(1)에 의해 절개 대상물(100)인 안구 내부에서 발생하는 이광자 흡수(two photon absorption) 현상에 의해서 나오는 영상 신호이다. 이러한 이광자 형광 신호(TPF)를 이용하여 안구 내부의 구조를 촬영할 수 있다.
제2 고조파 발생 신호(SHG)는 펨토초 레이저빔(1)에 의해 절개 대상물(100)인 안구 내부의 각막 콜라겐층(cornea collagen layer)에서 발생하는 영상 신호이다. 각막 콜라겐층에서는 특정 파장의 광이 입사되는 경우 입사광의 반 파장을 가지는 영상 신호인 제2 고조파 발생 신호(SHG)가 발생한다.
또한, 제3 고조파 발생 신호(third harmonic generation, THG)는 펨토초 레이저빔(1)에 의해 절개 대상물(100)인 안구 내부에서 발생하는 영상 신호로서, 안구 내부에 특정 파장의 광이 입사되는 경우 입사광의 1/3 파장을 가지는 영상 신호인 제3 고조파 발생 신호(THG)가 발생한다.
이색성 미러(41)에서 반사된 영상 신호는 촬영 광학계(44)에 의해 초점 등이 조절되며, 미러(45)에서 다시 반사되어 영상 표시부(43)로 전달된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템의 영상 촬영부의 설명도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 이색성 미러(41)는 기준 파장(λp) 이상의 광은 투과시키고 기준 파장(λp) 이하의 광은 반사시킨다. 즉, 이색성 미러(41)의 기준 파장(λp)이 500nm이고, 이색성 미러(41)로 입사되는 펨토초 레이저빔(1)의 파장(λ1)이 800nm인 경우 펨토초 레이저빔(1)은 이색성 미러(41)를 통과하게 된다. 그러나 절개 대상물(100)에서 발생한 영상 신호 예컨대, 이광자 형광 신호(TPF)의 파장(λ2)은 400nm정도이므로 이광자 형광 신호(TPF)는 이색성 미러(41)에서 반사되며 절개 대상물(100)에서 반사된 펨토초 레이저빔(1)은 다시 이색성 미러(41)를 통과하게 된다. 다른 영상 신호인 제2 고조파 발생 신호(SHG) 및 제3 고조파 발생 신호(third harmonic generation, THG)도 펨토초 레이저빔(1)의 파장보다 작으므로 이색성 미러(41)에서 반사된다.
따라서, 이색성 미러(41)에 의해 절개 대상물(100)에서 반사된 펨토초 레이저빔(1)은 광센서(42)로 전달되지 않고, 영상 신호만 선별되어 광센서(42)로 전달된다.
광센서(42)는 광전 증배관(photomultiplier tube, PMT)일 수 있으며, 절개 대상물(100)에 대한 레이저 절개를 하기 전에 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 낮추어 절개 대상물(100) 예컨대 안구(Eyeball)의 복수개의 세포층의 3차원 영상을 먼저 촬영한다. 이를 통해 레이저 절개 시술자인 의사들은 안구 각막에서 어느 정도 깊이까지 레이저 절개가 안전하게 이루어질 수 있는지에 대한 정보를 얻을 수 있고, 백내장의 경우 혼탁 수정체의 전낭의 3차원 위치도 파악할 수 있다. 이와 같이, 광센서(42)는 레이저 절개 전에 절개 대상물(100) 내부의 3차원 영상 정보를 얻는 장치이다.
영상 표시부(43)는 씨씨디 장치(CCD)일 수 있으며, 절개 대상물(100)에 대한 레이저 절개 시 절개 대상물(100)의 3차원 영상을 실시간으로 표시한다. 의사들은 영상 표시부(43)를 통해 레이저 절개 과정을 실시간으로 관찰할 수 있다.
이와 같이, 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 조절하는 파워 조절기(30), 절개 대상물(100)의 3차원 영상을 촬영하는 영상 촬영부(40)를 설치함으로써, 레이저 절개 전 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 낮춰 절개 대상물(100)의 3차원 영상을 촬영하고, 에너지 강도를 높여 레이저 절개를 진행할 수 있다. 또한, 레이저 절개를 확인하기 위해 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도를 낮추고 3차원 영상을 촬영할 수 있다. 3차원 영상 촬영 시에는 펨토초 레이저빔(1)의 에너지 강도가 낮으므로 절개 대상물(100)인 안구에 해가 없다.
또한, 동일한 펨토초 레이저빔(1)을 이용하여 레이저 절개와 3차원 레이저 영상 촬영을 수행할 수 있으므로 제조 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10: 펨토초 레이저 발생기 20: 절개 광학계
30: 파워 조절기 40: 영상 촬영부
41: 이색성 미러 42: 광센서
43: 영상 표시부

Claims (5)

  1. 펨토초 레이저빔을 발생시키는 펨토초 레이저 발생기,
    상기 펨토초 레이저빔을 조절하여 상기 펨토초 레이저빔의 초점이 절개 대상물 위에 위치하도록 하는 절개 광학계,
    상기 펨토초 레이저 발생기와 상기 절개 광학계 사이에 위치하며 상기 펨토초 레이저빔의 에너지 강도를 조절하는 파워 조절기,
    상기 파워 조절기에 의해 에너지 강도가 감쇠된 상기 펨토초 레이저빔을 이용하여 상기 절개 대상물의 3차원 영상을 촬영하는 영상 촬영부
    를 포함하고,
    상기 영상 촬영부는 상기 펨토초 레이저빔을 통과시키는 동시에 상기 절개 대상부에서 발생한 영상 신호를 반사시키는 이색성 미러,
    상기 이색성 미러에서 반사된 영상 신호를 수신하는 광센서
    를 포함하며,
    상기 영상 신호는 이광자 형광 신호, 제2 고조파 발생 신호 및 제3 고조파 발생 신호를 포함하는 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 이색성 미러는 상기 절개 대상부에서 반사된 펨토초 레이저빔을 통과시키는 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템.
  5. 제1항에서,
    상기 영상 촬영부는 상기 이색성 미러를 통해 반사된 상기 영상 신호를 이용하여 상기 절개 대상물의 3차원 영상을 실시간으로 표시하는 영상 표시부를 더 포함하는 펨토초 레이저 절개 및 영상 시스템.
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