KR101585011B1 - 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템 - Google Patents

광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 생체(in vivo) 조직의 형태적 정보 및 조직으로부터 발생하는 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)을 동시에 측정할 수 있는 멀티 모드 내시현미경 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조를 제작된 내시현미경 프로브를 생체 내에 삽입하여 생체 내에서 방출되는 형광 신호의 시상수를 펨토초 펄스 레이저 및 TCSPC(Time correlated single photon counting) 모듈을 이용해 생체 내 조직의 특정 이온 농도, pH 등의 화학적, 형태적 정보를 함께 측정할 수 있는 내시현미경 시스템의 구조에 관한 것이다.

Description

광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템{Multi modal endomicroscopy using raster scanning of optical fiber}
본 발명은 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작된 내시현미경 프로브를 생체 내에 삽입하여 생체 내(in vivo) 조직의 형상 및 조직에서 발생하는 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 멀티 모드 내시현미경을 사용하여 근적외선 대역의 펨토초 펄스 레이저 및 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC, Time correlated single photon counting) 기술을 적용하여 계산함으로써 생체 내 조직의 특정 이온 농도, pH 등의 화학적 정보를 형태학적 정보와 함께 측정할 수 있는 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템에 관한 것이다.
도 1은 종래의 상하부 소화기 내시경 장치의 구성도이다.
상하부 소화기 내시경 장치는 환자 또는 예방적 검진시 사용되며, 내시경 선단부위가 계속 앞으로 진입된 후, 위장 또는 저위부 결장 등의 팽만에 의한 문제를 해결하기 위해 샤프트(shaft) 측면 외벽에 개구되는 관을 설치하여 감압조절, 수분주입, 배수기능 및 프로브 삽입을 가능하게 한다.
컴퓨터와 같은 제어장비와 전기적으로 연결되는 수조작부(2') 전방으로 샤프트(3')를 연결하고 샤프트(3')의 내측에는 샤프트(3')의 선단부(4')와 수조작부(2': clip)를 연결하는 수개의 튜브를 내장 설치하여 공기와 물의 주입과 흡입이 가능하고, 조명 및 카메라에 전원공급, 조직검사등 각종 작업 기구가 내입되게 한 것이 모두 내시경 화면상 보이는 선단부(4')쪽에서만 가능하게 한 소화기 내시경장치(1')에 있어서,
상기 샤프트(3')의 선단부(4')보다 후방 측벽에 구멍(5b',5c')을 관통하며, 수조작부(2') 하단에 형성된 주입구(5a')와 각각 D튜브(5')로 연결하여 감압조절하고, 수분주입과 배수가 되며, 프로브 삽입이 가능하게 구성하고, D튜브(5')에는 각각의 구멍(5b',5c') 인접한 부분에 전기적으로 연결된 압력센서(6')를 부착한 것으로서, 소화기 내시경장치(1')를 사용할 경우 내시경 검사 중 많은 환자들이 느끼고 있는 전방부 장기(십이지장, 상위부 결장)검사 중의 후방부 장기(위장, 저위부 결장) 팽만에 의한 고통을 제거하여 피검자들이 편안하게 검사할 수 있다.
특히 대장내시경(하부소화기 내시경)이 진입되는 샤프트(3')의 선단부(4')에서 공기 대신에 물을 주입하여 시야를 확보하면서 진입하고 주입된 수분은 D튜브(5')를 통해 배수되도록 설계되어 있어 효과적으로 내시경 진입이 가능하고 목적지 까지 진입한 후 후퇴할 때 공기를 주입하면서 병변여부를 관찰할 수 있다.
상하부 소화기 내시경 장치는 환자뿐 아니라 예방적 검진에서 피검자가 편안하게 내시경 검사를 하도록 유용하게 사용된다.
펨토초 레이저를 이용한 다광자 형광 현미경 기술은 형광 물질에 펄스 레이저와 같은 고출력 광원이 가해져 발생하는 다광자(Multi-photon) 신호를 검출하여 이미징화하는 기술로써, 근적외선(NIR, Near infra-red) 대역의 펨토초 레이저를 사용하면, 생체 내(in vivo) 존재하는 NADH(Nicotinamide adenine dinucleotide), FAD(Flavin adenine dinucleotide) 등의 자연형광(auto fluorescence) 물질을 생체에 유해한 자외선 레이저를 이용하지 않고 측정할 수 있으므로 많이 사용되고 있다. 또한 근적외선 대역의 펨토초 레이저는 자외선 레이저에 비해 투과 깊이가 깊어 생체 내 신호를 감지하는데에 유리한 측면을 가지고 있다.
형광 신호(fluorescence)의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC, Time correlated single photon counting) 기술은 시편에서 생성되는 형광 물질의 시상수 변화를 확률적 방법을 이용해 타 기술보다 비교적 정밀하게 측정할 수 있는 Time-domain FLIM(Fluorescence lifetime imaging microscope, 형광 수명시간 이미징 현미경)이 분야 기술로써 향후 인체를 대상으로 하는 질병 진단 분야에서 활발히 사용될 것으로 판단된다.
그러나, 기존 형광 시상수 내시현미경은 주로 자외선 대역의 레이저를 사용하여 인체에 유해하였으며, 인체에 해롭지 않은 근적외선 대역의 펨토초 펄스 레이저가 사용되지 않았다. 또한, 기존에 고안된 내시현미경은 주로 인체에 삽입되는 프로브 외부에 빔스캐닝 유닛이 존재하며, 광섬유 다발만을 이용해 레이저를 가이드하는 구조로써 영상 획득 시 광섬유 다발 모양이 그대로 나타나 영상의 질을 저하시키는 문제가 있었다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작된 내시현미경 프로브를 생체 내(in vivo)에 삽입하여 생체 내 형상 및 조직에서 나오는 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 멀티 모드 내시 현미경을 사용하고, 근적외선 대역의 펨토초 펄스 레이저 및 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC, Time correlated single photon counting) 기술을 적용하여 계산함으로써 생체 내 조직의 특정 이온 농도, pH 등의 화학적 정보를 형태학적 정보와 함께 측정할 수 있는 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 인체 내에 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 내시현미경 프로브 안에 삽입된 구조를 사용하며, 인체에 유해한 기존 자외선 대역의 레이저를 사용하지 않고 펨토초 펄스 레이저의 사용하여 인체에 해롭지 않고, 인체 내에 존재하는 자연형광 물질의 화학적 상태 변화(인체 내 조직의 특정 이온 농도, pH 등의 화학적 정보)를 측정함으로써 정밀한 질병 진단에 사용될 수 있는 멀티 모드 내시현미경을 제공한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위해, 내시현미경 시스템은, 펨토초 펄스 레이저; 상기 펨토초 펄스 레이저에서 광원의 그룹 속도 분산(Group velocity dispersion) 현상을 보상하는 처핑(chirping) 광학계; 상기 처핑 광학계로부터 출사되는 레이저의 집광하는 집광 렌즈부; 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작되며, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하여 압전 소자에 의해 래스터 스캐닝되는 레이저를 시편에 집광하기 위한 내시현미경 프로브; 상기 시편으로부터 검출되는 형광 신호를 레이저 신호와 분리할 수 있는 제1 빔스플리터; 상기 제1 빔스플리터로부터 분리된 형광 신호를 감지하는 제1 광검출부; 및 상기 제1 광검출부와 연결되어 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC, Time-correlated single photon counting) 모듈을 포함한다.
상기 처핑 광학계는, 적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절격자로 구성된다.
상기 처핑 광학계는, 광결정 광섬유(photonic crystal fiber)로 구성된다.
상기 내시현미경 프로브는 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유; 상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부; 상기 광섬유로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝하기 위한 튜브형 압전 소자; 상기 광섬유와 상기 튜브형 압전 소자가 결합되며, 상기 광섬유의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조; 상기 레버 구조 및 상기 압전 소자로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부; 및 상기 소형 렌즈부와 결합되며 시편의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부를 포함한다.
상기 광섬유는광섬유 코어(core)와 이웃한 적어도 하나 이상의 클래드(clad)를 포함한다.
상기 광섬유는 광섬유 코어(core)와 이웃한 적어도 하나 이상의 광섬유 다발을 가지는 광섬유를 포함한다.
상기 튜브형 압전소자는 x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며, 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가되는 일련의 과정을 통해 평면 상의 래스터 스캐닝이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 소형 렌즈부는 상기 광섬유로부터 나오는 레이저 신호를 평행빔으로 형성하는 앞단의 소형렌즈부; 및 상기 앞단의 소형렌즈부로부터 평행빔을 수신받아 상기 시편에 초점을 맺는 뒤측의 소형렌즈부;를 포함하며, 상기 뒤측 소형렌즈부는 광축방향의 구동부와 부착되어 레이저 초점의 axial 스캐닝이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은, 상기 제1 빔스플리터와 상기 제1 광검출부 사이에 형광 신호의 파장 대역을 선별하기 위한 광필터부를 더 포함한다.
상기 제1 광검출부는 적어도 하나 이상의 검출 채널을 가지며 상기 제1 광검출부 앞단에 적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절 격자로 구성된 분산 광학계를 더 포함하며, 형광 스펙트럼 이미지, 형광 시상수 스펙트럼 이미지의 획득되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광검출부는 적어도 하나 이상의 PMT(Photomultiplier tube) 또는 적어도 하나 이상의 포토 다이오드(PD,Photo diode)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 TCSPC 모듈은 상기 제1 광검출부의 느린 응답속도를 보완하며, 정밀한 형광 시상수 측정을 위해, 펄스 레이저로부터 나오는 레퍼런스 시점으로부터 상기 제1 광검출부로부터 광자(photon signal)가 검출되기까지 걸린 시간차이를 누적하여 얻어진 히스토그램의 시상수(lifetime)를 계산하는 방식으로써 상기 제1 광검출부, 상기 펨토초 펄스 레이저, PC와 연결되어 시상수 데이터를 계산, 전달하며, 상기 제1 광검출부를 통해 단광자 이미지, 다광자 이미지, Second harmonic 이미지, Third harmonic 이미지의 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 TCSPC 모듈은 상기 펨토초 펄스 레이저로부터 발생하는 펄스와 동기화 된 clock 신호를 받고 입력된 레퍼런스 클록 신호(Reference clock signal)와 상기 제1 광검출부에서 검출된 광자 신호(Photon signal)의 시간차를 계산하여 PC에 전달하고, PC에서 위치에 따른 누적된 시간차 데이터를 이용해 시상수(lifetime)를 계산하며, 상기 TCSPC 모듈에서 계산한 시간 차이와, 별도로 생성한 Pixel, Line, Frame clock을 상기 제어용 컴퓨터(PC)로 전달하면,
상기 제어용 컴퓨터(PC)는 특정한 위치에 따른 시상수(lifetime)를 구하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은 공초점 영상 신호를 검출하기 위해, 상기 제1 빔스플리터와 처핑 광학계 사이에 구비되는 제2 빔스플리터; 상기 제2 빔스플리터로부터 반사되는 신호를 결상하는 결상 광학부; 상기 결상 광학부로부터 결상된 신호를 핀홀 구멍을 통해 필터링하여 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및 상기 핀홀을 통과하는 상기 공초점 영상 신호를 검출하는 제2 광검출부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 내시현미경 시스템은, 펨토초 펄스 레이저; 상기 펨토초 펄스 레이저에서 광원의 그룹 속도 분산(Group velocity dispersion) 현상을 보상하는 처핑(chirping) 광학계; 상기 처핑 광학계로부터 출사되는 레이저의 집광하는 집광 렌즈부; 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작되며, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하여 압전 소자에 의해 래스터 스캐닝되는 레이저를 시편에 집광하기 위한 내시현미경 프로브; 상기 시편으로부터 검출되는 형광 신호를 레이저 신호와 분리할 수 있는 제1 빔스플리터; 상기 제1 빔스플리터로부터 분리된 형광 신호를 감지하는 제1 광검출부; 및 상기 제1 광검출부와 연결되어 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 TCSPC 모듈;을 포함하며,
상기 내시현미경 프로브는, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유; 상기 광섬유로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝하기 위한 증폭부; 상기 광섬유와 상기 증폭부가 결합되며, 상기 광섬유의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조; 상기 레버 구조 및 상기 증폭부로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부; 및 상기 소형 렌즈부와 결합되며 시편의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부를 포함한다.
상기 시스템은 상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부;를 더 포함한다.
상기 증폭부는 튜브형 압전 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기존 형광 시상수 내시현미경은 주로 자외선 대역의 레이저를 이용하여 인체에 유해하였으나, 인체에 해롭지 않은 근적외선(NIR, Near infra-red) 대역의 펨토초 레이저를 사용하여 향후 인체에 안전하게 사용될 수 있다.
본 발명의 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템은 펨토초 펄스 레이저를 이용한 다광자 현미경 기술 및 분산 광학계를 사용하면, 일반 단일 파장의 레이저를 사용한 경우 보다 넓은 형광 파장 대역의 스펙트럼 신호를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 생체 내 조직에 존재하는 다양한 자연형광 물질을 검출할 수 있는 장점이 있다.
기존에 고안된 내시현미경은 주로 인체에 삽입되는 프로브 외부에 빔스캐닝 유닛이 존재하며 광섬유 다발만을 이용해 레이저를 가이드하는 구조로써 영상 획득 시 광섬유 다발 모양이 그대로 나타나 영상의 품질을 저하시키는 원인이 있었으나, 본 발명에 적용된 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 내시경의 프로브 안에 삽입된 구조를 사용하면 광섬유 다발의 모양을 제거해 주는 필터링 작업이 생략되므로 고해상도의 영상획득이 가능하다. 또한 기존에 빔 스캐닝 유닛이 프로브 안에 삽입된 기술은 원형 또는 리사주 패턴의 스캐닝을 수행할 수 밖에 없는 구조로써 중심부와 외각부의 스캔 영역이 불균일하다는 단점을 가지고 있다. 본 기술은 빔 스캐닝 유닛에 레버구조를 도입함으로써 비교적 균일한 래스터 스캐닝이 가능하다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 상하부 소화기 내시경 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내시현미경 시스템 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 내시현미경 프로브의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 래스터 스캐닝 시 전압의 파형 및 구동 범위 증폭의 원리를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브 안에 삽입된 구조로 제작된 내시현미경 프로브를 인체 내에 삽입하여 생체 내(in vivo) 조직의 형상 및 조직에서 발생하는 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 멀티 모드 내시현미경을 사용하여 근적외선(NIR, Near infra-red) 대역의 펨토초 펄스 레이저 및 시간 상관 단일 광자 계수(TCSPC, Time correlated single photon counting) 기술을 적용하여 계산함으로써 인체 내 조직의 특정 이온 농도, pH 등의 화학적 정보를 형태학적 정보와 함께 측정할 수 있는 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템을 제공한다.
본 발명은 내시현미경 시스템에 있어서, 기존 방식 처럼 인체에 해로운 자외선 레이저를 사용하지 않고, 인체에 해롭지 않은 근적외선 대역의 펨토초 레이저 및 TCSPC 모듈을 이용한 다광자 형광 시상수 현미경 기술, 광섬유의 래스터 빔스캐닝이 가능한 소형 프로브 제작 기술과 결합을 통해 멀티 모드 내시현미경을 구성하였다.
또한, 인체에 해롭지 않은 근적외선 대역의 펨토초 레이저는 기존 자외선 레이저에 비해 투과 깊이가 깊어 인체 내 신호를 감지하는데 유리하며, 인체에 해롭지 않다.
인체 내에 삽입되는 캡슐 내시현미경 프로브는 튜브형 압전 소자를 이용한 광섬유 스캐닝 방식을 사용하되, 기존에 사용되는 원형(Spiral) 또는 리사주(Lissajous) 스캐닝 방식이 아닌 래스터(Raster) 스캐닝 방식을 이용하여 Time-domain FLIM(Fluorescence lifetime imaging microscope, 형광 수명시간 이미징 현미경)을 사용하였다.
본 발명의 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템은 펨토초 펄스 레이저(1)가 광섬유(5)를 진행함에 따라 발생하는 그룹 속도 분산(group velocity dispersion)을 보상하기 위해, 레이저가 광섬유(5)에 전달되기 전, 처핑(chirping) 광학계(3)를 통과시켜 시편(8)으로부터 출사되는 형광 신호의 효율을 증가시킬 수 있다.
기존 내시현미경 시스템은 700 nm ~ 1000 nm 사이의 파장 대역과 10 ~ 1000 fs 사이의 펄스폭을 갖는 펨토초 펄스 레이저(1)가 사용되며, 상기 펨토초 펄스 레이저(1)가 광섬유(5) 코어를 통과하게 되면, 펄스의 그룹 속도 분산 현상이 일어나 펄스폭이 넓어지는 현상이 일어나기 때문에 다광자 현상의 효율이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명의 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템은 펨토초 펄스 레이저를 광섬유(5)에 통과하기 전, 처핑 광학계(3)를 통과시켜 그룹 속도 분산 현상을 역으로 보상해주며, 즉, 광섬유(5)를 통과한 후에 펄스폭의 넓어짐 현상이 완화되기 때문에, 시편(8)으로부터 방출되는 형광 신호의 측정 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명에서 사용될 수 있는 처핑 광학계(3)는 적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절격자를 이용할 수 있으며, 처핑 광학계에서 사용되는 프리즘 또는 회절격자의 갯수를 줄이기 위해 광학계 중간에 적어도 하나 이상의 거울 또는 적어도 하나 이상의 corner cube를 사용할 수 있다. 또한, 처핑 광학계(3)는 프리즘이나 회절격자 대신 광결정 광섬유 등의 역방향의 그룹 속도 분산 현상이 일어나는 매질을 통과함으로써 구성할 수 있다. 처핑 광학계(3)로부터 출사되는 레이저의 집광을 위한 집광 렌즈부(4)는 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성될 수 있으며, 사용되는 광섬유(5)의 코어(core)에 집광하기 위해 필요한 수차 구경(Numerical aperture)보다 큰 값의 수차 구경을 가지는 렌즈를 사용한다. 또한 시편(8)으로부터 출사되는 형광신호(9)는 광섬유 코어(core) 및 광섬유 코어 주위의 클래드(clad)나 광섬유 다발(bundle)로부터 출사되므로, 이로부터 출사되는 수차 구경(Numerical aperture)보다 큰 렌즈를 사용한다. 즉 광섬유 코어 보다 광섬유 클래드 및 다발의 수차 구경이 크기 때문에 광섬유 클래드(clad) 및 다발의 수차구경 이상의 값을 가지는 렌즈를 선정한다. 광섬유(5)로부터 출사되는 레이저를 스캐닝하기 위한 튜브형 압전소자(6)는 광섬유(5)와 연결되어 광섬유를 움직이며 스캐닝 할 수 있는 판형 압전소자(Bi-, Trimorph PZT)를 사용하고, 광섬유(5)를 움직이지 않고 광섬유(5)로부터 출사되는 레이저를 스캐닝할 수 있는 소형 MEMS mirror 등이 사용될 수 있다. 튜브형 압전 소자(6)는 4분할 튜브형 압전 소자를 사용하며, 광섬유(5)의 구동 범위를 증폭시키기 위해 레버구조(화살표 형상)가 이용된다.
펨토초 펄스 레이저를 조사한 후, 시편(8)으로부터 나오는 형광 신호(9)는 동일한 소형 렌즈부(24, 25), 광섬유(5), 집광 렌즈부(4)를 역으로 통과하며, 처핑 광학계(3)와 렌즈부(4) 사이에 위치한 제1 빔스플리터(10)에서 형광 신호의 분리된다. 레이저 신호(2)와 형광 신호(9)의 분리는 short pass filter, long pass filter 형태 모두 사용 가능하다. 도 2에서는 short pass filter를 사용하여 펄스 레이저 파장 대역은 투과, 형광 신호의 파장 대역은 반사하는 형태로 도식화 되었다. 이와는 반대로 long pass filter를 사용하여 펄스 레이저 파장 대역은 반사, 형광 신호의 파장 대역은 투과하는 형태로 구성할 수 있다. 제1 빔스플리터(10)와 제1 광검출부(12) 사이에는 형광 신호의 파장 대역을 선별하기 위한 광필터부(11)가 추가될 수 있다.
제1 광검출부(12)는 적어도 하나 이상의 PMT(Photomultiplier tube) 또는 적어도 하나 이상의 포토 다이오드(PD,Photo diode)를 사용할 수 있다.
TCSPC(Time-correlated single photon counting, 시간 상관 단일 광자 계수) 모듈(13)은 제1 광검출부(12)의 느린 응답속도를 보완하며, 정밀한 형광 시상수 측정을 위해, 펄스 레이저로부터 나오는 레퍼런스 시점으로부터 제1 광검출부(12)로부터 광자(photon signal)가 검출되기까지 걸린 시간차이를 누적하여 얻어진 히스토그램의 시상수를 계산하는 방법으로써 제1 광검출부(12), 펨토초 펄스 레이저(1), PC(14)와 연결되어 시상수 데이터를 계산, 전달한다. 상기 광검출부(12)를 통해 단광자 이미지, 다광자 이미지, Second harmonic 이미지, Third harmonic 이미지의 획득이 가능하다.
또한, 광검출부(12) 앞에 추가적으로 프리즘 또는 회절 격자를 추가하여 분산 광학계를 추가하면, 형광 스펙트럼 이미지, 형광 시상수 스펙트럼 이미지의 획득이 가능하다.
또한, 제1 빔스플리터(10)와 처핑 광학계(3) 사이에 추가적인 제2 빔스플리터(15)를 추가하고, 결상 광학부(16), 핀홀(17), 제2 광검출부(18)를 추가하여 상기 나열된 다양한 이미지들과 함께 공초점 모드의 이미지도 동시 영상 획득이 가능하다.
본 발명의 광섬유 래스터 스캐닝 방식의 멀티 모드 내시현미경 시스템은 공초점 영상 신호를 검출하고자 하는 경우, 상기 제1 빔스플리터(10)와 처핑 광학계(3) 사이에 구비되는 제2 빔스플리터(15); 상기 제2 빔스플리터(15)로부터 반사되는 신호를 결상하는 결상 광학부(16); 상기 결상 광학부(16)로부터 결상된 신호를 핀홀 구멍을 통해 필터링하여 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole)(17); 및 상기 핀홀을 통과하는 공초점 영상 신호를 검출하는 제2 광검출부(18);를 더 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 내시현미경 시스템 구조를 나타낸 도면이다. 펨토초 펄스 레이저(1)로부터 출사되는 광원(2)은 처핑 광학계(3)를 거치면서 역방향 그룹속도 분산이 일어나고, 집광 렌즈부(4)를 통해 광섬유(5)로 통과된다. 광섬유(5)로부터 출사되는 레이저 광원은 튜브형 압전소자(6)에 의해 스캐닝 되며, 소형 렌즈부(24, 25)에 의해 시편(8)에 집광된다.
시편(8)으로부터 나오는 형광 신호(9)는 다시 소형 렌즈부(24, 25), 광섬유(5), 집광 렌즈부(4)를 역으로 통과하며, 집광 렌즈부(4)와 처핑 광학계(3) 사이에 위치한 제1 빔스플리터(10)를 통해 형광 신호가 분리된다.
분리된 형광 신호(9)는 광필터부(11)를 거쳐 특정한 파장 대역이 선택되며, 광검출부(12)를 통해 특정 파장대역의 형광신호가 검출된다.
TCSPC 모듈(13)은 광검출부(12)에서 검출된 광자 신호들의 펨토초 펄스 레이저(1)와의 시간차를 계산하여 PC(14)에 전달하고, PC(14) 위치에 따른 누적된 시간차 데이터를 이용해 시상수(lifetime)를 계산할 수 있다.
TCSPC 모듈(13)은 펨토초 펄스 레이저(1)로부터 발생하는 펄스와 동기화 된 clock 신호를 받아들이며, 입력된 레퍼런스 클록 신호(Reference clock signal)와 광검출부(12)로부터 검출된 광자 신호(Photon signal)와의 시간 차이를 계산한다.
TCSPC 모듈(13)에서 계산한 시간 차이와, 별도로 생성한 Pixel, Line, Frame clock을 제어용 컴퓨터(PC, 노트북)(14)로 전달하면, 제어용 컴퓨터(PC,노트북)(14)는 특정한 위치에 따른 시상수(lifetime)를 구할 수 있다. 한 픽셀에 대한 시상수 값을 구하기 위해 적어도 100개 이상의 시간 차이 데이터가 누적되어야 정확한 값을 구할 수 있다.
또한 PC(14)는 특정한 위치로 빔스캐닝을 시키기 위한 작동 신호(actuation signal)를 생성하여 내시현미경 프로브의 구동기(7)에 전달한다. 제1 빔스플리터(10)와 처핑 광학계(3) 사이에 추가적인 제2 빔스플리터(15)를 추가하는 경우, 시편(8)으로부터 반사된 신호가 분리되며, 결상 광학부(16), 핀홀(17), 광검출부(18)을 추가하여 공초점 영상획득이 가능하다.
본 발명의 내시현미경 시스템은, 펨토초 펄스 레이저(1); 상기 펨토초 펄스 레이저(1)에서 광원의 그룹 속도 분산(Group velocity dispersion) 현상을 보상하는 처핑(chirping) 광학계(3); 상기 처핑 광학계(3)로부터 출사되는 레이저의 집광하는 집광 렌즈부(4); 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛(5,6,7)이 프로브안에 삽입된 구조로 제작되며, 상기 집광 렌즈부(4)로부터 집광된 레이저를 가이드 하여 압전 소자(6)에 의해 래스터 스캐닝(raster scanning)되는 레이저를 시편(8)에 집광하기 위한 내시현미경 프로브(5,6,7); 상기 시편(8)으로부터 검출되는 형광 신호를 레이저 신호와 분리할 수 있는 제1 빔스플리터(10); 상기 제1 빔스플리터(10)로부터 분리된 형광 신호를 감지하는 제1 광검출부(12); 및 상기 제1 광검출부(12)와 연결되어 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 TCSPC(Time-correlated single photon counting) 모듈(13)을 포함한다.
상기 처핑 광학계(3)는 적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절격자(Grating)로 구성된다. 회절격자는 좁은 등간격 슬릿 또는 홈 모양의 격자구조로 된 광학 소자로써 "Grating"이라고 부르며, 좌우 틸팅(tilting)으로 격자의 간격과 파장(wavelength)으로 결정되는 회절광을 회절격자 쌍으로 전달된다.
상기 처핑 광학계(3)는 광결정 광섬유(photonic crystal fiber)로 구성된다.
상기 내시현미경 프로브(21)는 상기 집광 렌즈부(4)로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유(5); 상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부(19); 상기 광섬유(5)로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝(raster scanning)하기 위한 튜브형 압전 소자(6); 상기 광섬유(5)와 상기 튜브형 압전 소자(6)가 결합되며, 상기 광섬유(5)의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조(K,L); 상기 레버 구조 및 상기 압전 소자로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부(24,25); 및 상기 소형 렌즈부(24,25)와 결합되며 시편(8)의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부(7)를 포함한다.
상기 광섬유(5)는 광섬유 코어(core)와 이웃한 적어도 하나 이상의 클래드(clad)를 포함한다. 클래드는 하나 이상의 광섬유를 감싸는 구조이다.
상기 광섬유(5)는 광섬유 코어(core)와 이웃한 적어도 하나 이상의 광섬유 다발을 가지는 광섬유를 포함한다.
상기 튜브형 압전소자(6)는 x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며, 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가되는 일련의 과정을 통해 시편 이미지를 획득하기 위해 평면 상의 래스터 스캐닝(raster scanning)이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
래스터 스캐닝의 구현을 위해 빠른 스캐닝을 담당하는 축(x축 또는 y축)으로부터 도 4에 도시된 바와 같이 삼각파형 또는 사인파형의 주기적인 전압신호가 인가된다. 빠른 스캐닝을 담당하는 축과 직교하는 느린 스캐닝을 담당하는 축(y축 또는 x축)은 점진적으로 증가하는 전압신호가 인가된다. 튜브형 압전 소자(6)의 사분면의 마주보는 면은 서로 절대값이 같으나 부호가 다른 전압신호가 인가된다. 구동기(7)로부터 스캐닝 되는 레이저를 측정하고자 하는 시편(8)으로 집광하는 소형 렌즈부(24, 25)는 적어도 하나 이상의 구면 렌즈 또는 적어도 하나 이상의 비구면 렌즈 또는 적어도 하나 이상의 GRIN 렌즈 등으로 구성할 수 있다. 소형 렌즈부와 결합되며 광축(axial) 방향의 구동기(7)를 통해 시편(8)의 광축 방향에 따른 신호 획득이 가능하다. 구동기(7)는 PZT 구동기, 자석 및 코일을 이용한 구동기, 형상 기억 합금(Shape memory alloy)을 이용한 구동기 등이 사용될 수 있다.
상기 소형 렌즈부(24,25)는 상기 광섬유로부터 나오는 레이저 신호를 평행빔으로 형성하는 앞단의 소형렌즈부(24); 및 상기 앞단의 소형렌즈부로부터 평행빔을 수신받아 상기 시편에 초점을 맺는 뒤측의 소형렌즈부(25);를 포함하며, 상기 뒤측 소형렌즈부(25)는 광축방향의 구동부(7)와 부착되어 레이저 초점의 axial 스캐닝이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은, 상기 제1 빔스플리터(10)와 상기 제1 광검출부(12) 사이에 형광 신호의 파장 대역을 선별하기 위한 광필터부(11)를 더 포함한다.
상기 제1 광검출부(12)는 적어도 하나 이상의 검출 채널을 가지며 상기 제1 광검출부(12) 앞단에 적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절 격자로 구성된 분산 광학계를 더 포함하며, 형광 스펙트럼 이미지, 형광 시상수 스펙트럼 이미지의 획득되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 광검출부(12)는 적어도 하나 이상의 PMT(Photomultiplier tube) 또는 적어도 하나 이상의 PD(Photo diode)를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 TCSPC 모듈(13)은 상기 제1 광검출부(12)의 느린 응답속도를 보완하며, 정밀한 형광 시상수 측정을 위해, 펄스 레이저로부터 나오는 레퍼런스 시점으로부터 상기 제1 광검출부(12)로부터 광자(photon signal)가 검출되기까지 걸린 시간차이를 누적하여 얻어진 히스토그램의 시상수(lifetime)를 계산하는 방식으로써 상기 제1 광검출부(12), 상기 펨토초 펄스 레이저(1), PC(14)와 연결되어 시상수 데이터를 계산, 전달하며, 상기 제1 광검출부(12)를 통해 단광자 이미지, 다광자 이미지, Second harmonic 이미지, Third harmonic 이미지의 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 TCSPC 모듈(13)은 상기 펨토초 펄스 레이저(1)로부터 발생하는 펄스와 동기화 된 clock 신호를 받고 입력된 레퍼런스 클록 신호(Reference clock signal)와 상기 제1 광검출부(1)에서 검출된 광자 신호(Photon signal)의 시간차를 계산하여 PC에 전달하고, PC에서 위치에 따른 누적된 시간차 데이터를 이용해 시상수(lifetime)를 계산하며, TCSPC 모듈(13)에서 계산한 시간 차이와, 별도로 생성한 Pixel, Line, Frame clock을 상기 제어용 컴퓨터(PC, 노트북)(14)로 전달하면,
상기 제어용 컴퓨터(PC, 노트북)(14)은 특정한 위치에 따른 시상수(lifetime)를 구하며, 시편 이미지의 한 픽셀에 대한 시상수 값을 구하기 위해 적어도 100개 이상의 시간 차이 데이터가 누적되어야 정확한 값을 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은 공초점 영상 신호를 검출하기 위해, 상기 제1 빔스플리터(10)와 처핑 광학계(3) 사이에 구비되는 제2 빔스플리터(15); 상기 제2 빔스플리터(15)로부터 반사되는 신호를 결상하는 결상 광학부(16); 상기 결상 광학부(16)로부터 결상된 신호를 핀홀 구멍을 통해 필터링하여 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole)(17); 및 상기 핀홀(17)을 통과하는 상기 공초점 영상 신호를 검출하는 제2 광검출부(18)를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 내시현미경 시스템은, 펨토초 펄스 레이저; 상기 펨토초 펄스 레이저에서 광원의 그룹 속도 분산(Group velocity dispersion) 현상을 보상하는 처핑(chirping) 광학계; 상기 처핑 광학계로부터 출사되는 레이저의 집광하는 집광 렌즈부; 광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작되며, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하여 압전 소자에 의해 래스터 스캐닝되는 레이저를 시편에 집광하기 위한 내시현미경 프로브; 상기 시편으로부터 검출되는 형광 신호를 레이저 신호와 분리할 수 있는 제1 빔스플리터; 상기 제1 빔스플리터로부터 분리된 형광 신호를 감지하는 제1 광검출부; 및 상기 제1 광검출부와 연결되어 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 TCSPC 모듈;을 포함하며,
상기 내시현미경 프로브는, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유; 상기 광섬유로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝하기 위한 증폭부; 상기 광섬유와 상기 증폭부가 결합되며, 상기 광섬유의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조; 상기 레버 구조 및 상기 증폭부로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부; 및 상기 소형 렌즈부와 결합되며 시편의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부를 포함한다.
상기 시스템은 상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부;를 더 포함한다.
상기 증폭부는 튜브형 압전 소자를 사용하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 내시현미경 프로브의 내부 구조를 나타낸 도면으로, 광섬유(5)는 구동부와 얇은 가이드(20)와 결합되어 있으며, 반대쪽 끝은 압전소자 고정부(22)를 통해 프로브 하우징에 고정되어 있다. 튜브형 압전 소자로 된 구동부(6)에 전압을 인가하면, 가이드(20)와 광섬유(5)가 움직이며, 광섬유(5)는 광섬유 고정부(19)에 의해 고정이 되어있어 레버구조를 통해 구동범위가 증폭되어 소형 렌즈부(24) 앞단에는 광섬유의 큰 변형량이 발생한다. 광섬유(5)로부터 나오는 레이저 신호는 앞단의 소형렌즈부(24)에 의해 평행빔으로 변형되며, 뒤측의 소형렌즈부(25)에 의해 시편(8)에 초점을 맺는다. 뒤측 소형렌즈부(25)는 광축방향의 구동기(7)와 부착되어 레이저 초점의 axial 스캐닝이 가능하다.
내시현미경 프로브(21)는 상기 집광 렌즈부(4)로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유(5); 상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부(19); 상기 광섬유(5)로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝(raster scanning)하기 위한 튜브형 압전 소자(6); 상기 광섬유(5)와 상기 튜브형 압전 소자(6)가 결합되며, 상기 광섬유(5)의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조(K,L); 상기 레버 구조 및 상기 압전 소자로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부(24,25); 및 상기 소형 렌즈부(24,25)와 결합되며 시편(8)의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부(7)를 포함한다.
튜브형 압전소자(6)는 x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며, 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가되는 일련의 과정을 통해 평면 상의 래스터 스캐닝(raster scanning)이 이루어진다.
튜브형 압전소자(6)는 원통형 PZT로써, 광섬유(5)와 연결되는 k지점의 자유단의 중앙을 관통하고, 압전소자 고정부(22)에 의해 고정되며, x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가되면 레버 구조로 형성되는 자유단의 K지점의 미세 움직임 보다 L지점이 더 많이 움직이게 되어 신호가 증폭되는 효과를 제공한다.
소형 렌즈부(24,25)는 상기 광섬유로부터 나오는 레이저 신호를 평행빔으로 형성하는 앞단의 소형렌즈부(24); 및 상기 앞단의 소형렌즈부로부터 평행빔을 수신받아 상기 시편에 초점을 맺는 뒤측의 소형렌즈부(25);를 포함하며, 상기 뒤측 소형렌즈부(25)는 광축방향의 구동부(7)와 부착되어 레이저 초점의 axial 스캐닝이 가능하다.
도 4a, b는 래스터 스캐닝 시 전압의 파형 및 구동 범위 증폭의 원리를 나타낸 도면으로 튜브형 압전소자(6)의 x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며, 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가된다. 일련의 과정을 통해 평면 상의 래스터 스캐닝이 이루어진다.
이하, 레버구조에 대해 좀더 설명한다. 먼저 튜브형 압전소자는 4부분으로 구분되되 하나의 튜브형태를 이루는 압전소자를 사용하다. 도 4b에서 보는바와 같이 압전소자는 x축으로 이동하도록 형성된 좌우에 배치된 압전소자(도 4b의 A, B 참조)와 y축으로 이동하도록 형성된 상하에 배치된 압전소자(도 4b의 C, D 참조)로 형성된다. 이때 좌우에 배치된 압전소자에 크기는 같고 서로 반대부호를 전압을 인가하면, 한쪽은 팽창하고 한쪽은 수축함에 따라 압전튜브의 자유단(도 4a의 S 참조)은 수축한방향(좌측 또는 우측)으로 이동한다. 마찬가지로 상하에 배치된 압전소자에 크기는 같고 서로 반대부호를 전압을 인가하면, 한쪽은 팽창하고 한쪽은 수축함에 따라 압전튜브의 자유단(도 4a의 S 참조)은 수축한방향(상측 또는 하측)으로 이동한다. 이렇게 하여 압전튜브의 자유단을 x축과 y축으로 이동제어가 가능하다. 이러한 자유단의 이동을 통해 자유단과 일정거리(도 3의 L 참조) 떨어진 곳에 위치한 광섬유 끝단(도4a 의 T 참조)은 자유단에서의 이동거리보다 더 많이 증폭되어 이동된다. 이러한 윈리를 통해 압전소자의 미소변위를 증폭하여 xy 축으로 스캐닝하는 광섬유끝단(T 참조)의 변위를 수행하게 된다.
내시 현미경에서, 래스터 스캐닝(Raster scanning)은 빔을 예를 들면, 소화기계의 위장 등의 인체 내 조직(tissue)에 해당하는 시편의 이미지를 획득하기 위해 개별적으로 화소를 좌에서 우로, 그리고 우에서 아래로 빠르게 스캐닝하는 수평 주사를 연속적으로 실행하여 인체 내부를 촬영한 라스터 이미지를 생성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
1: 펨토초 펄스 레이저 2: 광원(레이저 신호)
3: 처핑 광학계 4: 집광 렌즈부
5: 광섬유 6: 튜브형 압전소자
7: 광축(axial) 방향의 구동기 8: 시편[샘플(x,y,z)]
9: 시편으로부터 나오는 신호 10: 제1 빔스플리터
11: 광필터부 12: 광검출부
13: TCSPC 모듈 14: PC
15: 제2 빔스플리터 16: 결상광학계
17: 핀홀 18: 검출부
19: 광섬유 고정부 20: 가이드
21: 내시 현미경 프로브 22: 압전소자 고정부
23: 렌즈 고정부 24, 25: 소형 렌즈부

Claims (19)

  1. 내시현미경 시스템에 있어서,
    펨토초 펄스 레이저;
    상기 펨토초 펄스 레이저에서 광원의 그룹 속도 분산(Group velocity dispersion) 현상을 보상하는 처핑(chirping) 광학계;
    상기 처핑 광학계로부터 출사되는 레이저의 집광하는 집광 렌즈부;
    광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작되며, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하여 압전 소자에 의해 래스터 스캐닝되는 레이저를 시편에 집광하기 위한 내시현미경 프로브;
    상기 시편으로부터 검출되는 형광 신호를 레이저 신호와 분리할 수 있는 제1 빔스플리터;
    상기 제1 빔스플리터로부터 분리된 형광 신호를 감지하는 제1 광검출부; 및
    상기 제1 광검출부와 연결되어 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 TCSPC(Time-correlated single photon counting) 모듈;
    을 포함하는 내시현미경 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처핑 광학계는,
    적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절격자로 구성되는 내시현미경 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처핑 광학계는,
    광결정 광섬유(photonic crystal fiber)로 구성되는 내시현미경 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내시현미경 프로브는,
    상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유;
    상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부;
    상기 광섬유로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝하기 위한 튜브형 압전 소자;
    상기 광섬유와 상기 튜브형 압전 소자가 결합되며, 상기 광섬유의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조;
    상기 레버 구조 및 상기 압전 소자로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부; 및
    상기 소형 렌즈부와 결합되며 시편의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부;
    를 포함하는 내시현미경 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광섬유는 광섬유 코어(core)와 이웃한 적어도 하나 이상의 클래드(clad)를 포함하는 내시현미경 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광섬유는 광섬유 코어(core)와 이웃한 적어도 하나 이상의 광섬유 다발을 가지는 광섬유를 포함하는 내시현미경 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 튜브형 압전소자는
    x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며, 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가되어 평면 상의 래스터 스캐닝이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 소형 렌즈부는
    상기 광섬유로부터 나오는 레이저 신호를 평행빔으로 형성하는 앞단의 소형렌즈부; 및
    상기 앞단의 소형렌즈부로부터 평행빔을 수신받아 상기 시편에 초점을 맺는 뒤측의 소형렌즈부;를 포함하며,
    상기 뒤측 소형렌즈부는 광축방향의 구동부와 부착되어 레이저 초점의 axial 스캐닝이 가능한 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빔스플리터와 상기 제1 광검출부 사이에 형광 신호의 파장 대역을 선별하기 위한 광필터부를 더 포함하는 내시현미경 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광검출부는
    적어도 하나 이상의 검출 채널을 가지며 상기 제1 광검출부 앞단에 적어도 하나 이상의 프리즘 또는 적어도 하나 이상의 회절 격자로 구성된 분산 광학계를 더 포함하며, 형광 스펙트럼 이미지, 형광 시상수 스펙트럼 이미지의 획득되도록 하는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제1항에 있어서,
    상기 제1 광검출부는
    적어도 하나 이상의 PMT(Photomultiplier tube) 또는 적어도 하나 이상의 포토 다이오드(PD,Photo diode)를 사용하는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 TCSPC 모듈은
    상기 제1 광검출부의 느린 응답속도를 보완하며, 정밀한 형광 시상수 측정을 위해, 펄스 레이저로부터 나오는 레퍼런스 시점으로부터 상기 제1 광검출부로부터 광자(photon signal)가 검출되기까지 걸린 시간차이를 누적하여 얻어진 히스토그램의 시상수(lifetime)를 계산하는 방식으로써 상기 제1 광검출부, 상기 펨토초 펄스 레이저, PC와 연결되어 시상수 데이터를 계산, 전달하며,
    상기 제1 광검출부를 통해 단광자 이미지, 다광자 이미지, Second harmonic 이미지, Third harmonic 이미지의 획득하는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 TCSPC 모듈은
    상기 펨토초 펄스 레이저로부터 발생하는 펄스와 동기화 된 clock 신호를 받고 입력된 레퍼런스 클록 신호(Reference clock signal)와 상기 제1 광검출부에서 검출된 광자 신호(Photon signal)의 시간차를 계산하여 PC에 전달하고, PC에서 위치에 따른 누적된 시간차 데이터를 이용해 시상수(lifetime)를 계산하며,
    상기 TCSPC 모듈에서 계산한 시간 차이와, 별도로 생성한 Pixel, Line, Frame clock을 상기 제어용 컴퓨터(PC)로 전달하면,
    상기 제어용 컴퓨터(PC)는 특정한 위치에 따른 시상수(lifetime)를 구하는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    공초점 영상 신호를 검출하기 위해,
    상기 제1 빔스플리터와 처핑 광학계 사이에 구비되는 제2 빔스플리터;
    상기 제2 빔스플리터로부터 반사되는 신호를 결상하는 결상 광학부;
    상기 결상 광학부로부터 결상된 신호를 핀홀 구멍을 통해 필터링하여 초점 경로 상에 검출 영역 밖에서 들어오는 빛을 차단하고 초점 평면 밖(out-focus)의 신호를 제외하고 초점 평면 안(in-focus)의 신호만을 수신받는 핀홀(pinhole); 및
    상기 핀홀을 통과하는 상기 공초점 영상 신호를 검출하는 제2 광검출부;
    를 더 포함하는 내시현미경 시스템.
  15. 내시현미경 시스템에 있어서,
    펨토초 펄스 레이저;
    상기 펨토초 펄스 레이저에서 광원의 그룹 속도 분산(Group velocity dispersion) 현상을 보상하는 처핑(chirping) 광학계;
    상기 처핑 광학계로부터 출사되는 레이저의 집광하는 집광 렌즈부;
    광섬유 래스터 빔스캐닝 유닛이 프로브안에 삽입된 구조로 제작되며, 상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하여 압전 소자에 의해 래스터 스캐닝되는 레이저를 시편에 집광하기 위한 내시현미경 프로브;
    상기 시편으로부터 검출되는 형광 신호를 레이저 신호와 분리할 수 있는 제1 빔스플리터;
    상기 제1 빔스플리터로부터 분리된 형광 신호를 감지하는 제1 광검출부; 및
    상기 제1 광검출부와 연결되어 형광(fluorescence) 신호의 시상수(lifetime)를 측정할 수 있는 TCSPC 모듈;을 포함하며,
    상기 내시현미경 프로브는,
    상기 집광 렌즈부로부터 집광된 레이저를 가이드 하기 위한 광섬유;
    상기 광섬유로부터 출사되는 레이저를 래스터 스캐닝하기 위한 증폭부;
    상기 광섬유와 상기 증폭부가 결합되며, 전압 신호가 인가되면 레버 구조로 형성되는 자유단의 K지점의 미세 움직임 보다 L지점이 더 많이 움직이게 되어 상기 광섬유의 스캐닝 영역을 증폭하는 레버 구조;
    상기 레버 구조 및 상기 증폭부로부터 스캐닝되는 레이저를 측정하고자 하는 시편으로 집광하기 위한 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성된 소형 렌즈부; 및
    상기 소형 렌즈부와 결합되며 시편의 광축(axial)방향의 스캐닝을 담당하는 구동부;
    를 포함하는 내시현미경 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광섬유를 고정하는 광섬유 고정부;를 더 포함하는 내시현미경 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 증폭부는 튜브형 압전 소자를 사용하는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 튜브형 압전소자는
    x축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대부호를 가지는 삼각파 또는 사인파 형태의 주기적인 전압신호가 인가되며, y축 두 면으로는 크기는 같고 서로 반대 부호를 가지며, 점진적으로 증가하는 전압 신호가 인가되어 평면 상의 래스터 스캐닝이 이루어지는 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 소형 렌즈부는
    상기 광섬유로부터 나오는 레이저 신호를 평행빔으로 형성하는 앞단의 소형렌즈부; 및
    상기 앞단의 소형렌즈부로부터 평행빔을 수신받아 상기 시편에 초점을 맺는 뒤측의 소형렌즈부;를 포함하며,
    상기 뒤측 소형렌즈부는 광축방향의 구동부와 부착되어 레이저 초점의 axial 스캐닝이 가능한 것을 특징으로 하는 내시현미경 시스템.
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