KR101380458B1

KR101380458B1 - 경동맥의 영상화를 위한 혈관 내 ２세대 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101380458B1
Application number: KR1020120080478A
Authority: KR
Inventors: 오왕열; 권오기; 김태환
Original assignee: 서울대학교병원 (분사무소); 한국과학기술원
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2014-04-14
Also published as: KR20140015749A

Abstract

경동맥의 영상화를 위한 혈관 내 2세대 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치가 개시된다. 대상체에 대한 광 가간섭 단층 촬영 신호를 검출하는 광 가간섭 단층 촬영 장치에서의 광 가간섭 단층 촬영 방법은, 파장변환 레이저(wavelength swept laser)를 이용하여 상기 대상체의 혈관 내벽을 관측하기 위한 프로브로 광 신호를 방사하는 단계; 및 상기 광 신호에 대한 간섭계를 이용하여 기준이 되는 반사 빛과 상기 혈관 내벽에서 반사되는 빛 간의 간섭 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 대상체의 혈관 내부에서 상기 광 신호의 투과율을 높이기 위한 혈액 대체액으로 조영제(contrast agent)가 사용됨에 따라 상기 대상체에 대한 혈관 조영술, 및 상기 혈관 내벽에 대한 영상화가 동시에 실시될 수 있다.

Description

경동맥의 영상화를 위한 혈관 내 ２세대 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치{INTRAVASCULAR 2ND GENERATION OCT IMAGING METHOD FOR CAROTID ARTERY IMAGING AND APPARATUS THEREOF}

본 발명의 실시예들은 광학 영상화 분야와 관련된 것으로, 더욱 상세하게는 광 간섭계를 이용한 의학 영상화 기술에 관한 것이다.

OCT(Optical coherence tomography)와 같은 광학적 단층 촬영 장치는, 비접촉 방식에 의하여 절개 없이 대상체의 내부 영상을 촬영할 수 있는 장치로서, 컴퓨터 단층 촬영(Xray computed tomography; CT), 초음파 영상촬영(ultrasound imaging), 자기 공명 영상 촬영기와 같은 기존의 계측 장비들이 갖는 인체 유해성 문제, 가격 문제 및 측정 분해능 문제를 보완한 영상 촬영 기술이다.

2세대 광 가간섭 단층촬영술(Second Generation Optical Coherence Tomography; 2nd OCT)은 파장변환 레이저의 경로 차에 의해 발생하는 간섭 현상을 이용하여 깊이 방향의 정보를 얻고 빔 스캐닝을 통해 고해상도 3차원 영상을 제공한다. 이는, 비접촉, 비침습적인 방식으로 적출 과정 없이 생체조직을 깊이 수 mm까지의 관찰이 가능하여 적출이 불가능한 혈관 계통의 영상화에 많이 응용되고 있다. 가장 널리 쓰이는 분야의 하나로 심장에 혈액을 제공하는 관상동맥의 혈관 내 영상화가 있다.

이러한 광 가간섭 단층촬영의 경우, 혈관을 안쪽에서 내시경적으로 영상화할 시 혈액이 빛을 흡수하여 빛이 혈관 내벽에 도달할 수 없기 때문에 광 투과율이 높은 다른 액체를 이용해 일시적으로 혈액을 대체할 필요성이 있다. 이를 위하여, 종래에는 1300nm 파장영역의 파장변환 레이저를 사용하고 광 가간섭 단층촬영 시 식염수를 주입하여 혈액을 밀어내고 촬영을 진행하는 방법을 이용하고 있다.

따라서, 경동맥 영상화 절차에서 사용하는 것 외에 추가적인 이물질을 주입하지 않고 경동맥 OCT 이미징을 수행할 수 있는 기술이 필요하다.

혈관 안쪽에서 경동맥의 혈관 내벽을 내시경적으로 영상화 하는 2세대 OCT 방법 및 장치를 제공한다.

기존 경동맥 영상화 절차에서 사용하는 것 외에 추가적인 이물질을 주입하지 않고 카테터에서 혈관 내벽, 혈관 내벽에서 다시 카테터로 빛이 왕복하면서 발생하는 빛의 광 손실을 최소화 할 수 있는 2세대 OCT 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 대상체에 대한 광 가간섭 단층 촬영 신호를 검출하는 광 가간섭 단층 촬영 장치는, 상기 대상체의 혈관 내벽을 관측하기 위한 프로브로 광 신호를 방사하는 파장변환 레이저(wavelength swept laser); 및 상기 광 신호에 대한 간섭계를 이용하여 기준이 되는 반사 빛과 상기 혈관 내벽에서 반사되는 빛 간의 간섭 신호를 검출하는 검출기를 포함할 수 있다. 이때, 상기 대상체의 혈관 내부에서 상기 광 신호의 투과율을 높이기 위한 혈액 대체액으로 조영제(contrast agent)가 사용된다.

상기 간섭 신호는 상기 혈관 내벽에 대한 영상화에 이용되며, 상기 조영제가 혈액 대체액으로 사용됨에 따라 상기 대상체에 대한 혈관 조영술, 및 상기 혈관 내벽에 대한 영상화가 동시에 실시될 수 있다.

상기 파장변환 레이저는, 1000nm 이하 영역의 파장을 이용할 수 있다.

상기 파장변환 레이저는, 1000nm 이하 영역에서 이득(gain)을 가지는 증폭 매질(gain medium), 및 1000nm 이하 영역에서 통과 대역(pass band)의 변환이 가능한 가변 필터(tunable filter)로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 대상체에 대한 광 가간섭 단층 촬영 신호를 검출하는 광 가간섭 단층 촬영 장치에서의 광 가간섭 단층 촬영 방법은, 파장변환 레이저(wavelength swept laser)를 이용하여 상기 대상체의 혈관 내벽을 관측하기 위한 프로브로 광 신호를 방사하는 단계; 및 상기 광 신호에 대한 간섭계를 이용하여 기준이 되는 반사 빛과 상기 혈관 내벽에서 반사되는 빛 간의 간섭 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 대상체의 혈관 내부에서 상기 광 신호의 투과율을 높이기 위한 혈액 대체액으로 조영제(contrast agent)가 사용된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 경동맥의 혈관 내 영상화에 특화된 2세대 OCT를 통해 경동맥 질환의 진단 및 관찰을 위해 임상에서 위험부담을 최소화 하여 적용 가능한 고해상도 영상화 기법을 제공할 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 2세대 OCT의 영상화 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 있어서, 혈액 대체액으로 사용하는 조영제(예컨대, Xenetix)의 투과 깊이에 따른 투과 광량을 4가지 파장으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 2세대 OCT 장치의 기본 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 2세대 OCT 장치에 사용되는 파장 변환 레이저의 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 있어서, 경동맥의 영상화를 위한 혈관 내 2세대 OCT의 개념도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 경동맥을 혈관 안쪽에서 내시경적으로 영상화 하는 2세대 OCT 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에서는 혈관 조영술에서 사용하는 혈관 조영제(Contrast Agent)로 혈액을 대체하는 것과, 이를 바탕으로 한 혈관 조영술을 실시하면서 추가적인 주입물 없이 경동맥의 OCT 이미징을 동시에 수행하는 것, 그리고 1000nm 파장 영역의 파장 가변 레이저를 광원으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

혈액은 빛을 크게 흡수하기 때문에 경동맥의 혈관 내 영상화를 위해서는 혈액을 광 투과율이 높은 다른 액체를 이용해 일시적으로 대체할 필요성이 있다. 그리고, 종래에는 혈관 내 광간섭 단층촬영 기술의 경우, OCT 이미징을 위하여 식염수나 혈관 조영제 등 빛이 잘 투과하는 액체를 혈관 조영술 이후에 추가적으로 주입하여 혈액을 일시적으로 밀어내는 방식을 사용하고 있다.

그러나, 본 발명에서는 혈관 조영제로 혈액을 대체하는 방법을 이용하여 혈관 조영술을 실시하면서 동시에 추가적인 주입물 없이 경동맥의 OCT 이미징을 수행할 수 있도록 한다. 또한, 본 발명에서는 1000nm 영역의 파장가변 레이저를 광원으로 사용함으로써 카테터에서 경동맥의 내벽, 경동맥의 내벽에서 다시 카테터로 왕복하면서 생길 수 있는 흡수로 의한 광 손실을 최소화 할 수 있다.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 경동맥의 혈관 내 영상화에 특화된 2세대 OCT 방법 및 그 장치를 구체적으로 설명하기로 한다.

도 1은 기존의 경동맥 OCT 이미징 절차와 본 발명에 따른 경동맥 OCT 이미징 절차를 비교한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 일반적인 OCT 이미징은 조영제를 주입하여 혈관 조영술을 먼저 실시하고, 이미징 카테터를 혈관 내로 삽입한 후 혈액 대체 액체(예컨대, 식염수)를 추가적으로 주입하여 혈액을 밀어낸 다음, 경동맥의 OCT 이미징을 실시하는 순서로 진행된다. 상기한 절차의 OCT 이미징 방식은 불필요한 주입물을 추가적으로 주입한다는 점이 OCT 영상화의 경동맥 적용에 부정적인 요소로 작용할 수 있다.

이에, 본 발명에서는 혈관 조영술을 위한 조영제 주입과 OCT 이미징을 위한 혈액 대체액 주입이 각각 이루어지는 기존 방식과는 달리, 조영제를 이용하여 혈액을 대체하는 방식을 적용할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 OCT 이미징은 먼저 이미징 카테터를 혈관 내로 삽입한 후, 조영제를 혈액 대체 액체로 주입하여 혈액을 밀어낸 다음, 경동맥에 대한 조영술과 OCT 이미징을 동시에 수행하는 형태로 진행될 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 혈관 내 2세대 OCT 방법은 OCT 시스템의 이미징 카테터를 피검자의 몸 안쪽 혈관으로 삽입한 후, 혈관 속으로 조영제(Contrast Agent)를 주입하여 혈액을 밀어낸 다음, OCT 이미징을 수행하는 동시에 X-ray를 통한 혈관 조영술을 함께 실시한다.

따라서, 본 발명에서는 혈관 조영제를 이용한 혈액 대체 기법과, 경동맥의 OCT 영상화와 혈관 조영술을 동시에 수행하는 기법을 적용함으로써 추가적인 주입물 없이 경동맥의 영상화를 수행할 수 있다.

도 3은 혈액 대체액으로 사용하는 조영제의 투과 깊이에 따른 투과 광량을 4가지 파장으로 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 상용화 된 특정 조영제, 예컨대, Xenetix에 대하여 흡수 특성 실험 결과 850nm, 1060nm 1295nm 1626nm의 광원을 이용하여 조영제 깊이를 통과하였을 때 남아있는 광 출력(optical power)의 비율을 알 수 있다.

OCT 이미징 카테터가 직경 약 4~6mm 정도인 경동맥의 혈관 중앙에 위치할 때 카테터로부터 나온 빛이 혈관 벽에 맞고 후방으로 산란되어 돌아올 때 혈관 내에 주입된 조영제를 거치면서 흡수에 의한 광 손실이 발생하게 된다. 영역 별로 광 손실량을 살펴보면, 1295nm의 광원을 사용할 경우 약 50% 정도, 1060nm의 광원을 사용할 경우 약 5%정도, 850nm의 광원을 사용할 경우 5% 미만으로 손실이 있음을 알 수 있다.

이와 같은 광 손실의 추세를 고려하여 본 발명의 2세대 OCT 장치에서는 1000nm 이하의 광원을 사용함으로써 카테터에서 경동맥 내벽, 내벽에서 다시 카테터로 왕복하면서 발생되는 광 손실을 최소화 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 2세대 OCT 장치의 기본 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 일 실시예에 따른 2세대 OCT 장치는 파장변환 레이저(Wavelength-Swept Laser)(401), 간섭계 기준 암(reference arm)(402), 시편 암(sample arm)(403), 검출기(detector)(404)로 이루어져 있다.

다시 말해, 본 발명에 따른 2세대 OCT 장치는 대상체의 혈관 내벽을 관측하기 위한 프로브(probe)로 광 신호를 방사하는 파장변환 레이저(401)와, 파장변환 레이저의 광 신호에 대한 간섭계를 이용하여 기준이 되는 반사 빛과 혈관 내벽에서 반사되는 빛 간의 간섭 신호를 검출하는 검출기(404)로 구성될 수 있다.

상기한 구성에 따르면, 파장변환 레이저(401)가 특정 파장 영역을 한번 변환(sweep)할 때 한 깊이 방향의 정보가 얻어진다. 이때, 본 실시예에서는 1000nm 영역의 파장변환 레이저(401)를 광원으로 사용한다. 이에, 파장변환 레이저(401)의 경로 차에 의해 발생하는 간섭 현상, 즉 시편 암(403)에서 돌아오는 빛과 기준 암(402)에 의한 빛이 간섭을 일으키게 되는데, 이 간섭 신호의 주파수가 깊이에 따라 다르기 때문에 검출기(404)에서 측정되는 신호를 퓨리에 변환하게 되면 깊이 방향의 정보를 얻을 수 있다.

2세대 OCT 장치에 사용되는 파장변환 레이저(401)는 도 5에 도시한 바와 같이 빛을 내고 증폭시키는 증폭 매질(gain medium)(501)과 시간에 따라 통과 대역(pass band)을 변환할 수 있는 가변 필터(tunable filter)(502)로 이루어져 있다. 도 5는 파장변환 레이저의 다양한 구조를 도시한 것으로, (a)는 fiber based ring cavity laser 구조, (b)는 freespace ring cavity laser 구조, (c)는 freespace linear cavity laser 구조를 나타낸 것이다.

본 실시예에서는 1000nm 이하의 영역에서 이득(gain)을 가지는 증폭 매질(501)과, 1000nm 이하의 영역에서 사용 가능한 가변 필터(502)를 이용하여 2세대 OCT 장치의 광원인 파장변환 레이저를 구성할 수 있다.

도 6은 본 발명에 있어서, 경동맥의 영상화를 위한 혈관 내 2세대 OCT의 개념도이다.

도 6을 참조하면, 파장변환 레이저(601)에서 나온 빛이 커플러(coupler)(602)를 통해 일부는 기준 암(603)으로 전달되고 일부는 시편 암(604), 즉 혈관 내벽을 관측할 프로브 쪽으로 전달된다.

이때, 기준 암(603)에서는 기준 거울(reference mirror)(605)에서 반사되어 돌아온 빛이 광 서큘레이터(circulator)(606)를 통해 평형 검출부(balanced detection part)(610)로 전달된다.

그리고, 시편 암(604)에서는 회전 결합부(Rotary Junction)(607) 및 이미징 카테터(Imaging Catheter)(608)가 있어, 이미징 카테터(608)가 혈관에 삽입된 상태로 회전하면 2차원 이미지가 얻어지고 회전 결합부(607)가 뒤로 이동하면 3차원 이미지가 얻어질 수 있다. 이미징 카테터(608)가 삽입된 혈관의 내벽에서 반사되어 온 빛도 광 서큘레이터(606)을 통해 평형 검출부(610)로 전달된다.

여기서, 평형 검출부(610)는 시준기(collimator)(빛을 자유 공간으로 보내는 역할), 거울(mirror), 빔 스플리터(BS, beam splitter), 비교기 등으로 이루어질 수 있다. 상기한 구성에 의해, 평형 검출부(610)에서는 시편 암(604)에서 돌아오는 빛과 기준 암(603)에서 돌아오는 빛에 대하여 평형 검출 방법을 통해 빛의 간섭 정보를 측정할 수 있다.

이에, OCT 이미징을 위한 컴퓨터(630)에서는 평형 검출부(610)에서 측정된 간섭 정보를 DAQ(High-speed Data Acquisition)(620)를 통해 수집하여 이미지 프로세싱을 통해 이미지를 만들 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 혈관 조영제를 이용한 혈액 대체 기법과, 혈관 조영술과 OCT 이미징 절차를 동시에 실시하는 기법을, 혈관 OCT 영상화와 관련된 기술에 적용할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 혈관 내 광 가간섭 단층촬영 장치에 1000nm 이하를 중심 파장으로 하는 파장가변 레이저를 적용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 경동맥의 혈관 내 영상화에 특화된 2세대 OCT를 통해 경동맥 질환의 진단 및 관찰을 위해 임상에서 위험부담을 최소화 하여 적용 가능한 고해상도 영상화 기법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 시스템을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령(instruction) 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 또한, 상술한 파일 시스템은 컴퓨터 판독이 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

601: 파장변환 레이저
602: 커플러
603: 기준 암
604: 시편 암
605: 기준 거울
606: 광 서큘레이터
607: 회전 결합부
608: 이미징 카테터
610: 평형 검출부

Claims

대상체에 대한 광 가간섭 단층 촬영 신호를 검출하는 광 가간섭 단층 촬영 장치에 있어서,
상기 대상체의 혈관 내벽을 관측하기 위한 프로브로 광 신호를 방사하는 파장변환 레이저(wavelength swept laser); 및
상기 광 신호에 대한 간섭계를 이용하여 기준이 되는 반사 빛과 상기 혈관 내벽에서 반사되는 빛 간의 간섭 신호를 검출하는 검출기
를 포함하고,
상기 대상체의 혈관 내부에서 상기 광 신호의 투과율을 높이기 위한 혈액 대체액으로 조영제(contrast agent)가 사용되고,
상기 간섭 신호는 상기 혈관 내벽에 대한 영상화에 이용되며,
상기 조영제가 혈액 대체액으로 사용됨에 따라 상기 대상체에 대한 혈관 조영술, 및 상기 혈관 내벽에 대한 영상화가 동시에 실시되는 것
을 특징으로 하는 광 가간섭 단층 촬영 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 파장변환 레이저는,
1000nm 이하 영역의 파장을 이용하는 것
을 특징으로 하는 광 가간섭 단층 촬영 장치.
제1항에 있어서,
상기 파장변환 레이저는,
1000nm 이하 영역에서 이득(gain)을 가지는 증폭 매질(gain medium), 및 1000nm 이하 영역에서 통과 대역(pass band)의 변환이 가능한 가변 필터(tunable filter)로 이루어지는 것
을 특징으로 하는 광 가간섭 단층 촬영 장치.
대상체에 대한 광 가간섭 단층 촬영 신호를 검출하는 광 가간섭 단층 촬영 장치에서의 광 가간섭 단층 촬영 방법에 있어서,
파장변환 레이저(wavelength swept laser)를 이용하여 상기 대상체의 혈관 내벽을 관측하기 위한 프로브로 광 신호를 방사하는 단계; 및
상기 광 신호에 대한 간섭계를 이용하여 기준이 되는 반사 빛과 상기 혈관 내벽에서 반사되는 빛 간의 간섭 신호를 검출하는 단계
를 포함하고,
상기 대상체의 혈관 내부에서 상기 광 신호의 투과율을 높이기 위한 혈액 대체액으로 조영제(contrast agent)가 사용되고,
상기 간섭 신호는 상기 혈관 내벽에 대한 영상화에 이용되며,
상기 조영제가 혈액 대체액으로 사용됨에 따라 상기 대상체에 대한 혈관 조영술, 및 상기 혈관 내벽에 대한 영상화가 동시에 실시되는 것
을 특징으로 하는 광 가간섭 단층 촬영 방법.
삭제
제5항에 있어서,
상기 광 신호를 방사하는 단계는,
1000nm 이하 영역의 파장변환 레이저를 광원으로 사용하는 것
을 특징으로 하는 광 가간섭 단층 촬영 방법.
제5항에 있어서,
상기 광 신호를 방사하는 단계는,
1000nm 이하 영역에서 이득(gain)을 가지는 증폭 매질(gain medium), 및 1000nm 이하 영역에서 통과 대역(pass band)의 변환이 가능한 가변 필터(tunable filter)로 이루어진 파장변환 레이저를 광원으로 사용하는 것
을 특징으로 하는 광 가간섭 단층 촬영 방법.