KR101651659B1

KR101651659B1 - 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101651659B1
Application number: KR1020150021500A
Authority: KR
Inventors: 이병일; 신인희; 엄주범; 송우섭
Original assignee: 한국광기술원
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-30
Also published as: JP2016147042A; JP6009053B2; KR20160099764A; US20160235361A1; US10987049B2; WO2016129751A1

Abstract

본 발명은, 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법에 있어서, 광을 조사하여 색소 병변의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 간섭신호를 수신하는 (a)단계; 및 간섭신호의 위상 정보를 이용하여 상기 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 (b)단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광이 조사되는 축방향의 측정범위를 향상시킴으로써, 색소 병변의 크기 정보를 광 간섭 단층촬영 원리를 이용하여 산출할 수 있는 이점이 있다.

Description

광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR QUANTIFICATION OF PIGMENTED SKIN LESION USING OCT}

본 발명은 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 피부치료의 모니터링이 가능하도록 육안으로 확인하기 힘든 색소 병변이 분해되는 정도를 정량화할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

피부에 나타나는 색소성 병변으로는 점, 주근깨, 잡티, 흑자, 검버섯, 오타 모반, 문신 등 다양한 형태가 있다. 일반적으로 이러한 색소성 병변은 자외선에 장시간 노출되어 멜라닌 색소가 과도하게 생성되거나 멜라닌 색소를 만드는 모반세포들이 뭉쳐져서 발생한다. 문신은 그림이나 문자를 영구적으로 나타내기 위해 피부에 상처를 만들고 색소 등을 고의로 넣는 것을 말한다.

의학적으로 문신은 외부로부터 피부의 안쪽에 질긴 막인 진피 내에 색소가 유입된 상태로 정의될 수 있다. 광 레이저는 색소 병변이 존재하는 특정 색소에 선택적으로 흡수될 수 있다. 광 레이저의 이러한 특성은 고에너지 방사선의 정밀한 광선이 국소화된 가열 및 원치 않는 조직의 파괴를 유도하는 수술과 미용 절차에 유용한 것으로 입증되어 있다. 이 경우, 광 펄스의 지속 시간 및 강도는 레이저 에너지가 펄스 동안 주변 조직으로 확산되는 정도 및 원치 않는 국소화된 증기화를 야기하는 정도에 영향을 줄 수 있다.

종래의 색소 병변의 치료 과정에서 나노초 펄스의 레이저는 깊은 열 침투에 의해 피부에 심각한 열 손상을 유발할 수 있다. 보다 상세하게, 레이저의 치료 기법은 색소 조직의 크기와 위치를 고려하여 펄스 길이를 조정하고, 선택적 광열분해 원리(selective photothermolysis)에 따라 색소 병변에만 광 에너지를 조사한다. 이로써 발생하는 광열 작용은 타겟팅된 모반세포가 레이저 에너지를 흡수하여 열을 발생시키고, 주변 조직으로 열전달이 일어나면서 색소 병변의 열분해를 유발한다.

그러나, 일반적으로 색소 병변의 열 이완 시간은 큐 스위칭 레이저(Q-switched laser)의 펄스 길이보다 짧은 30㎱이기 때문에 주변 조직에 열이 침투될 수 있다. 이는 피부의 열손상 및 합병증을 야기할 수 있으며, 색소 병변의 완벽한 제거를 어렵게 한다. 이러한 점을 극복하기 위해서는 색소 병변의 열 이완 시간보다 짧은 펄스를 이용하여 광 기계 및 광열 작용을 동시에 유발할 수 있어야 한다. 색소 병변의 이론적인 응력이완 시간의 경우 30 내지 200㎰로써 나노초 레이저에 비해 매우 짧은 시간을 요구한다. 색소 병변의 응력이완 시간에 대응하는 광 기계 및 광열의 동시 작용은 주변 조직의 손상을 최소화하면서 기계적 힘으로 색소를 더욱 작게 분해시킬 수 있다. 색소 병변은 작게 분해될수록 체내 대식 세포가 제거하거나 림프관을 통해 용이하게 배출되므로 그 제거율이 뛰어나게 된다. 최근에는 광 레이저 치료 기술의 진보로 1조분의 1초에 달하는 속도로 레이저 에너지를 전달하는 피코초 기술을 이용한 광 레이저가 개발되고 있다. 이와 관련된 종래 특허문헌으로, 미국등록특허 제7,586,957호 및 미국등록특허 제7,929,579호가 있다.

하지만, 종래에는 이러한 레이저 치료 기술과 융합될 수 있는 진단 시스템이 마련되지 못하여 치료중인 병변 조직의 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 없는 문제점이 있다. 일반적으로 치료중인 색소 병변은 피부의 표피 변화를 육안으로 확인함으로써 치료 경과를 판단할 수 있었다. 색소 병변 제거의 효율성 및 안정성을 검증하기 위해선 제거 중인 색소 병변이 정량적으로 평가될 수 있어야 한다. 피부치료 모니터링과 치료 과정을 최적화하기 위하여 레이저 치료 후 잔류 색소의 분해량을 측정하여 색소 병변을 정량화 할 수 있는 기술이 요구되는 실정이다.

한편, 광 간섭 단층촬영(OCT: Optical Coherence Tomography) 기법은 생체 조직의 영상 구현을 위해 파동의 간섭 원리를 이용한다. 구체적으로, OCT는 조직으로 광을 조사하는 광원과 조직으로부터 반사된 광을 검출하는 수광 소자를 구비한다. 조사된 광은 조직 내부 모든 깊이 층에서 반사되며 반사된 광들의 경로차에 따라 수광 소자에서 간섭된 빛의 세기가 결정된다. OCT는 이러한 빛의 세기를 측정함으로써 피사체에 대한 정보를 얻는다. 일반적으로 OCT가 사용하는 광은 피부를 깊게 투과할 수 없어(약 2mm) 주로 세포막이나 망막 등의 연구에 이용되었다. 피부 속 색소 병변의 정보를 얻기 위해선 광이 조사되는 축방향의 측정범위를 향상시키는 것이 유리하며, 수~수십 nm크기의 조직으로부터 반사되어 간섭된 신호를 해석할 수 있어야 한다.

미국등록특허 제7,586,957호, 미국등록특허 제7,929,579호

본 발명은 치료용 광이 조사된 색소 병변의 분해 정도를 파악할 수 있도록, 광 단층 간섭 기법을 이용하여 색소 병변을 정량화할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다. 특히 본 발명은, 피코초 레이저와 같이 레이저 치료기술의 향상에 따라, 육안으로 확인하기 힘든 피부치료의 성능을 평가할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 광이 조사되는 축방향의 측정범위를 향상시킴으로써, 색소 병변의 크기 정보를 광 간섭 단층촬영 원리를 이용하여 산출할 수 있는 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법에 있어서, 광을 조사하여 색소 병변의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 간섭신호를 수신하는 (a)단계; 및 간섭신호의 위상 정보를 이용하여 상기 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 (b)단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

바람직하게, (a)단계는 광을 광 커플러를 통해 제1 분해광과 제2 분해광으로 분리하는 단계; 제1 분해광은 경로의 조절이 가능한 기준단으로 조사하고 제2 분해광은 색소 병변이 있는 피사체가 배치된 샘플단으로 조사하는 단계; 및 기준단으로부터 반사된 제1 분해광과 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광이 중첩되어 생성된 제1 간섭신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, (a)단계는 제1 분해광과 제2 분해광의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 기준단을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, (b)단계는 간섭신호의 위상을 맵핑(mapping)하여 맵핑된 영상으로부터 위상 변화량을 산출하고, 위상 변화량으로부터 색소 병변의 크기 정보를 산출할 수 있다. 이 경우, (b)단계는 간섭신호를 푸리에 변환하여 변환된 위상 데이터를 3차원 영상으로 맵핑(mapping)할 수 있다.

또한 본 발명은, 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법에 있어서,

제1 광을 조사하여 색소 병변의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 제1 간섭신호를 수신하는 (1)단계; 제1 광과 다른 파장을 갖는 제2 광을 조사하여 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 제2 간섭신호를 수신하는 (2)단계; 제1 간섭신호와 제2 간섭신호의 위상 정보로부터 중심파장을 산출하는 (3)단계; 및 제1 간섭신호의 위상 정보와 중심파장을 이용하여 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 (4)단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

바람직하게, (1)단계는 제1 광을 광 커플러를 통해 제1 분해광과 제2 분해광으로 분리하는 단계; 제1 분해광은 경로의 조절이 가능한 기준단으로 조사하고 제2 분해광은 색소 병변이 있는 피사체가 배치된 샘플단으로 조사하는 단계; 및 기준단으로부터 반사된 제1 분해광과 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광이 중첩되어 생성된 제1 간섭신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, (2)단계는 제2 광을 광 커플러를 통해 제3 분해광과 제4 분해광으로 분리하는 단계; 제3 분해광은 경로의 조절이 가능한 기준단으로 조사하고 제4 분해광은 색소 병변이 있는 피사체가 배치된 샘플단으로 조사하는 단계; 및 기준단으로부터 반사된 제3 분해광과 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제4 분해광이 중첩되어 생성된 제2 간섭신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게, 본 발명은 상기 제1 분해광과 상기 제2 분해광의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 기준단을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, (3)단계는 하기의 수학식으로부터 상기 중심파장이 산출될 수 있다.

[수학식]

여기서

는 중심파장,

는 제1 간섭신호의 파장,

는 제2 간섭신호의 파장을 의미한다.

바람직하게, (4)단계는 제1 간섭신호를 푸리에 변환하여 위상 데이터를 산출하는 단계; 위상 데이터에 중심파장을 2로 나눈 값을 영상으로 맵핑(mapping)하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 본 발명은, 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 시스템에 있어서, 광원으로부터 발생된 광을 제1 분해광과 제2 분해광으로 분리하는 광 커플러; 제1 분해광이 조사되고 경로의 조절이 가능한 기준단; 제2 분해광이 조사되고 색소 병변이 배치되는 샘플단; 기준단으로부터 반사된 제1 분해광과 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광이 중첩되어 생성된 간섭신호를 수신하는 광 디텍터; 및 간섭신호의 위상 정보를 이용하여 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 제어부를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

바람직하게, 제어부는 간섭신호의 위상을 맵핑(mapping)하여 맵핑된 영상으로부터 위상 변화량을 산출하고, 위상 변화량으로부터 색소 병변의 크기 정보를 산출할 수 있다.

본 발명에 따르면, 광이 조사되는 축방향의 측정범위를 향상시킴으로써, 색소 병변의 크기 정보를 광 간섭 단층촬영 원리를 이용하여 산출할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따르면, 색소 병변의 분해 정도를 간섭신호의 위상 변화량을 이용하여 가시화함으로써 피부의 치료 정도 및 모니터링이 가능한 이점이 있다.

또한 본 발명은, 피코초 레이저와 같이 레이저 치료기술의 향상에 따라, 육안으로는 확인하기 힘든 레이저 치료기의 피부치료 성능을 평가할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 색소 병변의 분해 정도를 정량적으로 파악하여 색소 병변의 제거 효율성 및 안정성을 검증할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 간섭신호의 개념을 설명하기 위한 마이컬슨 간섭계의 구성도를 도시한 모습이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 간섭 단층촬영을 이용하여 색소 병변을 정량화하는 시스템의 구성도를 도시한 모습이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 간섭 단층촬영을 이용하여 색소 병변을 정량화하는 방법에 대한 순서도를 도시한 모습이다.
도 4는 위상 데이터가 매핑된 영상에서 mean free path 변화에 따른 위상값 변화량을 측정한 그래프를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 간섭신호의 개념을 설명하기 위한 마이컬슨 간섭계의 구성도를 도시한 모습이다. 도 1을 참조하면, 마이컬슨 간섭계는 광원(1), 광분리기(3), 가변거울(5), 고정거울(7), 광 디텍터(9)로 구성될 수 있다. 광원(1)으로부터 방출된 광은 광분리기(3)에 의해서 수직으로 나뉘게 된다. 나뉘어진 분해광은 가변거울(5)과 고정거울(7)로 각각 입사된다. 가변거울(5)과 고정거울(7)로부터 반사된 각각의 분해광은 광분리기(3)에서 공통경로를 따라 중첩되어 광 디텍터(9)로 입사된다. 본 명세서에서는 이와 같이 서로 다른 경로차를 따라 진행된 광이 중첩된 신호를 간섭신호(8)라 한다.

일반적으로 물체의 크기를 측정하기 위해서는 물체의 크기보다 파장이 작은 빛을 이용해야 한다. 하지만, 전술한 빛의 간섭 현상에 따른 간섭신호(8)를 이용하면 물체보다 큰 파장의 빛으로도 물체의 크기를 측정할 수 있다.

이와 관련하여 보다 상세하게 설명하면, 물체의 크기를 측정하는 것은 물체를 구성하는 두 경계면의 거리차를 측정하는 것으로 볼 수 있다. 이러한 경계면에서는 굴절률이 다르기 때문에 일부의 빛은 반사되고 일부의 빛은 투과된다. 두 경계면에서 각각 반사된 빛은 시간차이를 두고 검출기에 도달한다. 따라서, 빛의 시간차이는 두 경계면의 거리 정보를 갖고 있으며 이는 곧 물체의 크기 정보를 포함하고 있는 것으로 이해될 수 있다. 경계면에서 반사된 빛의 시간차를 이용하면, 세포 조직과 같이 수 내지 수십 nm로 작은 물체를 측정하기 위해서 조직의 크기보다 작은 파장의 빛을 이용하지 않아도 되는 이점이 있다.

다만, 반사된 빛의 시간차는 일반적으로 수~수십 피코초이므로 이를 측정하는 것은 쉽지 않다. 간섭신호(8)는 광원에서 방출된 하나의 빛이 다른 경로를 따라서 진행하다가 시간차를 두고 다시 합쳐진 신호를 말한다. 이 빛은 중첩의 원리에 따라서 공간상에서 하나의 빛으로 보여지며, 경로 간의 차이에 따라서 간섭된 빛의 위상이 달라진다. 색소 병변을 이루는 두 경계면의 거리가 빛의 파장보다 짧은 경우에도, 간섭된 빛은 위상 변화를 나타내므로 간섭된 빛의 위상 변화로부터 거리차를 측정할 수 있다.

간섭된 빛의 위상변화는 하기의 [수학식 1]과 같은 관계식을 갖는다.

[수학식 1]

여기서

는 빛의 세기이며,

는 빛의 파장이고,

는 두 경계면의 거리차를 나타낸다. 종래의 OCT 기술은 전술한 원리에 따라 검출된 빛의 세기를 통해 색소 병변의 정보를 산출한다. 하지만, 동일한 거리차에 의해서 주어지는 빛의 간섭신호 세기는 절대적인 값이 아니며 경계면의 반사도와 투과도 그리고 물체의 흡수 정도에 따라 영향을 받기 때문에 가변하는 문제점이 있다. 그러므로, 간섭신호의 세기만으로 색소 병변의 크기를 측정하는 것은 부정확할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 실시예에서는 간섭신호를 제어하고, 제어된 신호의 위상처리를 통해 색소 병변의 크기를 정량화할 수 있는 시스템 및 방법에 관하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광 간섭 단층촬영을 이용하여 색소 병변을 정량화하는 시스템의 구성도를 도시한 모습이다. 도 2를 참조하면, 색소 병변의 정량화 시스템(10)은 광원(101), 광 커플러(103), 기준단(105), 샘플단(107), 광 디텍터(108) 및 제어부(109)를 포함할 수 있다. 본 실시예로, 간섭을 위한 간섭계로는 마흐젠더 간섭계가 사용될 수 있다. 또한 기준단(105)과 샘플단(107)이 하나로 된 공통경로 간섭계가 사용되어질 수 있다.

광원(101)은 인체의 피부(17)에 대한 진단용 모니터링 정보를 제공하기 위하여 진단용 광을 방출할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서 광원(101)이 방출하는 진단용 광은 피부의 색소 병변 크기를 정량화 하는데 이용될 수 있다. 진단용 광의 경로에는 아이솔레이터(1011)가 설치될 수 있다. 아이솔레이터(1011)는 광원(101)에서 방출된 진단용 광이 역으로 광원(101)에 입사되는 것을 차단할 수 있다.

광 커플러(103)에는 광원(101)에서 방출된 진단용 광이 입사된다. 광 커플러(103)는 입사된 진단용 광을 기준단(105)과 샘플단(107) 방향으로 분리하여 출력할 수 있다. 또한, 광 커플러(103)는 기준단(105)과 샘플단(108) 측에서 반사되어 생성된 간섭신호(15)를 광 디텍터(108) 방향으로 출력할 수 있다.

기준단(105)은 기준 미러(1055), 집속 렌즈(1053) 및 평행 변환 렌즈(1051)로 이루어질 수 있다. 기준 미러(1055)는 광 커플러(103)를 통해 분리된 제1 분해광(11)을 반사시켜 광 커플러(103)로 역 입사 시키도록 배치될 수 있다. 기준 미러(1055)는 제1 분해광(11)의 경로 길이를 조절할 수 있도록 선형 왕복 운동이 가능하다. 기준 미러(1055)는 입사되는 제1 분해광(11) 경로의 길이를 미리 설정할 수 있으며, 필요에 따라 제1 분해광(11) 경로의 길이를 조절할 수 있다.

기준 미러(1055)와 광 커플러(103) 사이에는 확산되는 제1 분해광(11)을 평행빔으로 변환하는 평행 변환 렌즈(1051)가 마련될 수 있다. 또한, 평행 변환 렌즈(1051)와 기준 미러(1055) 사이에는 제1 분해광(11)을 기준 미러(1055)에 집속시키는 집속 렌즈(1053)가 구비될 수 있다.

샘플단(107)은 평행 변환 렌즈(1071) 및 집속 렌즈(1073)로 이루어질 수 있고, 샘플단(107)에는 색소 병변이 있는 피사체(17)가 고정 배치될 수 있다.

진단용 광은 치료용 광이 조사된 이후 또는 치료용 광과 함께 색소 병변(17)으로 조사될 수 있다. 색소 병변(17)으로 조사된 제2 분해광(13)은 색소 병변(17)의 경계면에서 반사될 수 있다. 샘플단(107)은 간섭신호(15)의 3차원 위상 정보를 얻기 위해서 반사된 제2 분해광(13)을 2차원으로 스캔할 수 있다. 2차원 스캐너로는 MEMS 거울이 사용될 수 있다.

반사된 제2 분해광(13)은 색소 병변(17)의 제1 경계면에서 반사된 제1 반사광과, 색소 병변(17)의 제2 경계면에서 반사된 제2 반사광을 포함할 수 있다.

제2 분해광(13) 중 제2 반사광은 제1 반사광과 미세한 시간차이를 두고 광 커플러(103)로 역 입사된다. 결국, 광 커플러(103)에서는 역 입사된 제1 분해광(11)과 제1 반사광, 제2 반사광이 중첩되어 간섭신호(15)가 출력된다.

색소 병변(17)과 광 커플러(103) 사이에는 확산되는 제2 분해광(13)을 평행빔으로 변환하는 평행 변환 렌즈(1071)가 마련될 수 있다. 또한, 평행 변환 렌즈(1071)와 색소 병변(17) 사이에는 제2 분해광(13)을 색소 병변(17)에 집속시키는 집속 렌즈(1073)가 구비될 수 있다.

광 디텍터(108)는 반사되어 광 커플러(103)로 역 입사된 제1 분해광(11)과 제2 분해광(13)이 중첩되어 생성된 간섭신호(15)를 수신할 수 있다. 광 디텍터(108)는 광원(101)에서 발생되는 광이 파장가변광원일 경우에는 photodiode로 이루어지고, 광대역광원일 경우에는 회절격자(1083)를 사용하는 분광기로 이루어질 수 있다.

본 실시예와 같이 기준단(105)과 샘플단(107)으로 이루어진 간섭계에 의하면, 간섭신호(15)는 색소 병변(17)의 경계면 간의 거리차에 의해서만 빛의 세기가 결정되는 것과 달리 기준단(105)과 샘플단(107)에서 반사된 각각의 경계면과의 경로차에 의해서 간섭이 발생된다.

색소 병변(17)의 두 경계면간 거리차가 d 라고 한다면, 이에 해당하는 제1 반사광과 제2 반사광의 간섭신호가 발생하며, 이는 반사된 제2 분해광(13)으로 볼 수 있다. 또한, 기준단의 광 경로 길이가

이고 샘플단(107)에 놓인 색소 병변(17)의 첫 경계면까지의 광 경로 길이가

라면, 색소 병변(17)의 두 번째 경계면까지의 광 경로 길이는

+d 가 된다. 이 경우, 간섭신호(15)에는

-

인 제1 경로차와

-(

+d)인 제2 경로차가 존재한다. 보다 상세하게, 제1 경로차는 제1 분해광(11)과 제2 분해광(13) 중 첫 경계면에서 반사된 제1 반사광의 경로차이고, 제2 경로차는 제1 분해광(11)과 제2 분해광(13) 중 두 번째 경계면에서 반사된 제2 반사광의 경로차로 이해할 수 있다.

각각의 경로차에 해당되는 간섭무늬는 [수학식 1]에 의해서 광의 밝기가 결정된다. 본 실시예에 따르면, 기준 미러(1055)의 경로를 가변시킴에 따라 경로차가 변화되며, 이는 제1, 2 경로차 모두를 변화시킨다. 즉, 간섭신호(15)는 기준 미러(1055)의 경로 길이에 대한 함수로 두 경로차가 결정되며, 경로차

의 제어는[수학식 1]에 따라 간섭신호(15)의 위상값 (

)을 제어할 수 있다는 것을 의미한다.

간섭신호(15)의 위상값 (

)을 살펴보면, 경로차

이 0일 경우 코사인 함수는 최대값을 갖게 되며, 광 디텍터(18)에서는 간섭신호(15)가 가장 밝게 측정된다. 간섭계가 존재하지 않을 경우, 경로차

이 0인 정보는 크기의 정보가 없는 것과 같으므로 무용하지만, 본 실시예와 같이 간섭계가 존재할 경우 상기 경로차에 따른 간섭신호(15)의 위상값은 의미가 있다. 기준단(105)과 샘플단(107)의 간섭계가 존재할 경우, 기준 미러(1055)의 광 경로 길이는

가 되는 순간과

+d가 되는 순간, 간섭신호(15)의 위상이 0이 되어 가장 밝게 측정된다. 그러나, 시스템은 이러한 광 경로차의 측정 범위에 한계를 갖는다.

사용자는 제1 분해광(11)과 제2 분해광(13)의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 기준 미러(1055)를 조절할 수 있다. 기준단(105)과 샘플단(107)의 경로차는

=

-

로 표현할 수 있다. 보통의 시스템에서는 측정할 수 있는 경로차의 범위가 한정된다. 시스템의

측정 범위는 일반적으로 수 mm범위 이내이다. 따라서, 사용자는

값이 측정 가능한 범위가 될 수 있도록 기준 미러(1055)를 조절해야 한다. 이후, 사용자는 기준 미러(1055)를 고정하여 간섭신호(15)를 측정할 수 있다.

샘플단(107)의 각 경계면에서 발생된 경로차는 곧 색소 병변(17)의 크기 정보를 나타낸다. 이러한 경로차는 미세하여 거리 변수로 측정하기 어렵다. 종래의 OCT는 간섭된 빛의 세기가 Peak에서 Peak로 변화하는 파장의 길이로부터 피사체 경계면에 따른 경로차를 산출하여 피부의 단층 영상을 획득한다. 다만, 종래의 OCT와 같이 빛의 세기 변화로는 빛의 파장보다 작은 색소 병변(17) 조직의 크기를 측정할 수 없다. 이는 광원이 가지는 가간섭거리가 물체의 두께보다 넓은 경우, 물체의 두께를 구분할 수 없기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따른 실시예에서는 빛의 밝기가 아닌 빛의 위상정보를 이용하여 피사체 경계면에 따른 경로차를 산출한다. 간섭신호(15)의 위상 정보를 이용하면 광원 파장 이하의 경로차에 대한 정보를 획득할 수 있는 효과가 있다. 이는 도 3을 통해 후술한다.

광원(101)에서 발생되는 광이 광대역광원일 경우, 광 디텍터(108)와 광 커플러(103) 사이에는 평행 변환 렌즈(1081), 회절격자(1083), 집속 렌즈(1085)가 구비될 수 있다. 평행 변환 렌즈(1081)는 확산되는 간섭신호(15)를 평행빔으로 변환한다. 회절격자(1083)는 간섭신호(15)의 광을 파장별로 분리할 수 있다. 집속 렌즈(1085)는 회절격자(1083)를 거친 간섭신호(15)를 광 디텍터(108)로 집속시킨다.

제어부(109)는 광 디텍터(108)가 수신한 간섭신호(15)의 위상을 분석하여 색소 병변의 크기정보를 산출할 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 제어부(109)에는 색소 병변의 크기 정보를 그래프로 시각화하여 표시하는 디스플레이가 포함될 수 있다.

이하 본 발명의 다른 실시예에 따른 색소 병변의 정량화 방법을 설명한다. 일 실시예로서, 색소 병변의 정량화 방법은, 광원(101)에서 광을 조사하여 색소 병변(17)의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 간섭신호(15)를 수신하는 (a)단계; 및 간섭신호의 위상 정보를 이용하여 색소 병변(17)의 크기 정보를 산출하는 (b)단계를 포함할 수 있다.

(a)단계는 광원(101)에서 방출된 광을 광 커플러(103)를 통해 제1 분해광(11)과 제2 분해광(13)으로 분리하는 단계; 제1 분해광(11)은 경로의 조절이 가능한 기준단(105)으로 조사하고 제2 분해광(13)은 색소 병변(17)이 있는 피사체가 배치된 샘플단(107)으로 조사하는 단계; 및 기준단(105)으로부터 반사된 제1 분해광(11)과 색소 병변(17)의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광(13)이 중첩되어 생성된 간섭신호(15)를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 반사된 제2 분해광(13)은 전술한 바와 같이 색소 병변(17)의 제1 경계면에서 반사된 제1 반사광과 제2 경계면에서 반사된 제2 반사광을 포함하는 용어이다.

또한, (a)단계는 제1 분해광(11)과 제2 분해광(13)의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 기준단(105)을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 기준단(105)의 기준 미러(1055)를 조절하여 제1 분해광(11) 경로의 길이를 가변함으로써 전술한

값을 조정한다.

(b)단계는 제어부(109)에서 수행될 수 있다. (b)단계는 간섭신호(15)의 위상 데이터를 추출할 수 있다. (b)단계는 추출한 위상 데이터를 2차원 영상으로 맵핑(mapping)하여 상기 영상으로부터 위상 변화량을 산출하고, 위상 변화량으로부터 색소 병변(17)의 크기 정보를 산출할 수 있다. 이 경우, (b)단계는 간섭신호(15)를 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 변환된 위상 데이터를 2차원 영상으로 맵핑할 수 있다.

광 디텍터(108)를 통해 검출한 간섭신호(15)는 [수학식 1]과 같이 광의 세기 및 위상 정보를 포함한다. (b)단계에서 이를 푸리에 변환한 결과는 하기의 [수학식 2]와 같은 관계식을 갖는다.

[수학식 2]

여기서

는 푸리에 변환된 간섭신호(15),

은 시스템 상수, exponential 항 내의 (

)는 간섭신호(15)의 위상 정보를 의미한다. (b)단계는, 간섭신호(15)의 위상(

=

)을 시간에 따라 측정할 수 있다. (b)단계는, 측정된 위상 데이터로부터 위상 이미지를 구현할 수 있다. 2차원 스캔을 통해 이러한 개별 위상 데이터는 3차원적인 위상 매핑이 가능하다.

(b)단계는 3차원적으로 위상이 매핑된 영상으로부터 입자의 크기별 산란 특성에 따른 평균자유행로(Mean Free Path) 변화를 계산하여 위상 변화량을 산출할 수 있다. 여기서

이므로, 위상 값 측정을 통한 경로차

는

와 같이 계산되어 나타낼 수 있다. 도 4는 위상 데이터가 매핑된 영상에서 mean free path 변화에 따른 위상값 변화량을 측정한 그래프를 나타낸다.

(b)단계는 위상 변화량을 일정 단위 간격으로 분류하여 히스토그램으로 측정 결과를 가시화 할 수 있다. 이 때 측정 공간에서의 위상 정보는 3D 피사체에서 광축 방향의 합산 정보로서 색소 병변(17)의 크기별 정보는 비율로 계산될 수 있다. 예를 들면 1um 이하 10%, 1-10um는 5%, 10~60um는 10%, 50~100um는 20%, 100~200um는 20%, 200~400um는 10% 등의 비율 값을 그래프로 표시할 수 있다.

광의 가간섭거리를 고려한 경로차의 최대 측정 범위는 조사된 광의 파장거리를 절반으로 나눈 값에 해당한다. 여기서 간섭신호(15)의 위상

는 0~2

라디안 범위 내에서 변화하므로, 조사된 광의 광 축방향 최대 측정범위(경로차의 측정범위)는

가 된다.

색소 병변의 정량화 방법의 제2 실시예로서, 피하 층의 색소 병변 정보를 얻기 위해서는 광축방향 측정범위가 향상되는 것이 바람직하다. 이는 파장이 다른 두 신호의 위상을 조합하여 새로운 중심파장을 산출함으로써 측정범위를 향상시킬 수 있다. 산출된 중심파장은 기존 광보다 긴 파장을 갖게 되어 광 디텍터의 측정범위가 길어질 수 있다.

도 3은 제2 실시예에 따른 광 간섭 단층촬영을 이용하여 색소 병변을 정량화하는 방법에 대한 순서도를 도시한 모습이다. 도 3을 참조하면, 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법은 제1 간섭신호 수신 단계(S10), 제2 간섭신호 수신 단계(S30), 중심파장 산출 단계(S50) 및 색소 병변의 크기 정보 산출 단계(S70)를 포함할 수 있다.

제1 간섭신호 수신 단계(S10)는 광원(101)으로부터 제1 광을 조사하여 색소 병변(17)의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 제1 간섭신호(15a)를 수신한다.

제2 간섭신호 수신 단계(S30)는 광원(101)으로부터 제1 광과 다른 파장을 갖는 제2 광을 조사하여 상기 제1 경계면과 상기 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 제2 간섭신호(15b)를 수신한다.

중심파장 산출 단계(S50)는 제1 간섭신호(15a)와 제2 간섭신호(15b)의 위상 정보를 이용하여 새로운 중심파장을 산출할 수 있다. 색소 병변의 크기 정보 산출 단계(S70)는 제1 간섭신호(15a) 또는 제2 간섭신호(15b)의 위상 정보와 산출된 중심파장을 이용하여 색소 병변의 크기 정보를 산출할 수 있다.

제1 간섭신호 수신 단계(S10)는 제1 광을 광 커플러(103)를 통해 제1 분해광(11a)과 제2 분해광(13a)으로 분리하는 단계; 제1 분해광(11a)은 경로의 조절이 가능한 기준단(105)으로 조사하고 제2 분해광(13a)은 색소 병변(17)이 있는 피사체가 배치된 샘플단(107)으로 조사하는 단계; 및 기준단(105)으로부터 반사된 제1 분해광(11a)과 색소 병변(17)의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광(13a)이 중첩되어 생성된 제1 간섭신호(15a)를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 사용자는 제1 분해광(11a)과 제2 분해광(13a)의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 기준 미러(1055)를 조절할 수 있다.

제2 간섭신호 수신 단계(S30)는 제2 광을 광 커플러(103)를 통해 제3 분해광(11b)과 제4 분해광(13b)으로 분리하는 단계; 제3 분해광(11b)은 경로의 조절이 가능한 기준단(105)으로 조사하고 제4분해광(13b)은 색소 병변(17)이 있는 피사체가 배치된 샘플단(107)으로 조사하는 단계; 및 기준단(105)으로부터 반사된 제3 분해광(11b)과 색소 병변(17)의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제4 분해광(13b)이 중첩되어 생성된 제2 간섭신호(15b)를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.

중심파장 산출 단계(S50)는 제어부(109)에서 수행될 수 있다. 중심파장 산출 단계(S50)는 하기의 [수학식 3]에 의한 새로운 중심파장을 산출할 수 있다.

[수학식 3]

여기서

는 산출된 중심파장,

는 제1 간섭신호(15a)의 파장,

는 제2 간섭신호(15b)의 파장을 의미한다. 이와 같이 산출된 중심파장

는 측정대상에 광을 조사하기 전에 제1 광, 제2 광을 측정함으로써 사용자가 사전에 산출할 수도 있다. 사용자는 피사체에 존재하는 색소 병변(17)의 깊이에 알맞도록 중심파장

를 산출하여 실시할 수 있다.

크기 정보 산출 단계(S70)는 제어부(109)에서 수행될 수 있다. 제1 간섭신호(15a)를 푸리에 변환하여 위상 데이터를 산출하는 단계; 위상 데이터에 산출된 중심파장(

)을 2로 나눈 값을 3차원 영상으로 맵핑(mapping)하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 간섭신호(15a)를 푸리에 변환하여 위상 데이터를 산출하는 단계는 전술한 (b)단계의 수행과정과 동일하다.

종래의 OCT 방식을 포함하여 모든 위상 광측정기는 Phase wrapping (2

ambiguity) 문제를 가지고 있다. 이는 위상 광측정기의 위상이 0에서 2

범위 내에서 측정되고 샘플 변화에 해당하는 단위로 환산되는데 샘플에서의 변화가 2

를 넘어서는 경우 phase jump가 생기고 측정 결과에 혼란을 일으키는 것을 의미한다. 이와 같은 점을 고려하여, 크기 정보 산출 단계(S70)는 위상의 이미지 과정 중 위상 데이터에 산출된 중심파장(

)을 2로 나눈 값을 더하여 최종적인 위상 영상을 얻게 된다. 중심파장(

)을 2로 나눈 값은 몇 번 위상 jump가 일어났는지를 나타낸다. 중심파장의 산출 단계(S50) 및 크기 정보 산출 단계(S70)에 따른 Phase wrapping, 측정범위 향상은 동 출원인이 기 출원하여 등록된 한국등록특허 제10-1308433호에 공개된 바에 의하면 효과를 확인할 수 있으므로 자세한 원용은 생략한다.

이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 간섭계를 통해 간섭신호의 위상을 제어함으로써 측정 정확도를 향상시키고, 빛의 세기가 아닌 위상 정보를 추출함으로써 조사된 광의 파장보다 작은 크기의 물체 정보를 정량화할 수 있는 효과가 있다.

대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

10: 색소 병변의 정량화 시스템 11: 제1 분해광
13: 제2 분해광 15: 간섭신호
17: 색소 병변 101: 광원
1011: 아이솔레이터 103: 광 커플러
105: 기준단 1051: 평행 변환 렌즈
1053: 집속 렌즈 1055: 기준 미러
107: 샘플단 1071: 평행 변환 렌즈
1073: 집속 렌즈 108: 광 디텍터
1081: 평행 변환 렌즈 1083: 회절 격자
1085: 집속 렌즈 109: 제어부
S10: 제1 간섭신호 수신 단계 S30: 제2 간섭신호 수신 단계
S50: 중심파장 산출 단계
S70: 색소 병변의 크기 정보 산출 단계

Claims

(a) 광을 조사하여 색소 병변의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 간섭신호를 수신하는 단계; 및
(b) 상기 간섭신호의 위상 정보를 이용하여 상기 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 단계를 포함하되
상기 (b)단계는,
상기 간섭신호의 위상을 맵핑(mapping)하여 맵핑된 영상으로부터 위상 변화량을 산출하고,
상기 위상 변화량으로부터 상기 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 (a)단계는,
상기 광을 광 커플러를 통해 제1 분해광과 제2 분해광으로 분리하는 단계;
상기 제1 분해광은 경로의 조절이 가능한 기준단으로 조사하고 상기 제2 분해광은 색소 병변이 있는 피사체가 배치된 샘플단으로 조사하는 단계; 및
상기 기준단으로부터 반사된 제1 분해광과 상기 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광이 중첩되어 생성된 상기 간섭신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 (a)단계는,
상기 제1 분해광과 상기 제2 분해광의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 상기 기준단을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 (b)단계는,
상기 간섭신호를 푸리에 변환하여 변환된 위상 데이터를 3차원 영상으로 맵핑(mapping)하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
(1) 제1 광을 조사하여 색소 병변의 제1 경계면과 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 제1 간섭신호를 수신하는 단계;
(2) 상기 제1 광과 다른 파장을 갖는 제2 광을 조사하여 상기 제1 경계면과 상기 제2 경계면으로부터 반사되어 생성된 제2 간섭신호를 수신하는 단계;
(3) 상기 제1 간섭신호와 상기 제2 간섭신호의 위상 정보로부터 중심파장을 산출하는 단계; 및
(4) 상기 제1 간섭신호의 위상 정보와 상기 중심파장을 이용하여 상기 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 단계를 포함하되,
상기 (3)단계는,
하기의 수학식으로부터 상기 중심파장이 산출되는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
[수학식]

여기서
는 중심파장,
는 상기 제1 간섭신호의 파장,
는 상기 제2 간섭신호의 파장.
제 6 항에 있어서,
상기 (1)단계는,
상기 제1 광을 광 커플러를 통해 제1 분해광과 제2 분해광으로 분리하는 단계;
상기 제1 분해광은 경로의 조절이 가능한 기준단으로 조사하고 상기 제2 분해광은 상기 색소 병변이 있는 피사체가 배치된 샘플단으로 조사하는 단계; 및
상기 기준단으로부터 반사된 제1 분해광과 상기 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제2 분해광이 중첩되어 생성된 상기 제1 간섭신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 (2)단계는,
상기 제2 광을 광 커플러를 통해 제3 분해광과 제4 분해광으로 분리하는 단계;
상기 제3 분해광은 경로의 조절이 가능한 기준단으로 조사하고 상기 제4분해광은 상기 색소 병변이 있는 피사체가 배치된 샘플단으로 조사하는 단계; 및
상기 기준단으로부터 반사된 제3 분해광과 상기 색소 병변의 제1, 2 경계면으로부터 반사된 제4 분해광이 중첩되어 생성된 상기 제2 간섭신호를 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 제1 분해광과 상기 제2 분해광의 광 경로차가 시스템의 측정범위에 해당되도록 상기 기준단을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
삭제
제 6 항에 있어서,
상기 (4)단계는,
상기 제1 간섭신호를 푸리에 변환하여 위상 데이터를 산출하는 단계;
상기 위상 데이터에 상기 중심파장을 2로 나눈 값을 영상으로 맵핑(mapping)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 방법.
광원으로부터 발생된 광을 제1 분해광과 제2 분해광으로 분리하는 광 커플러;
상기 제1 분해광이 조사되고 경로의 조절이 가능한 기준단;
상기 제2 분해광이 조사되고 색소 병변이 있는 피 사체가 배치된 샘플단;
상기 기준단으로부터 반사된 제1 분해광과 상기 색소 병변의 제1, 2 경계면으로 부터 반사된 제2 분해광이 중첩되어 생성된 간섭신호를 수신하는 광 디텍터; 및
상기 간섭신호의 위상 정보를 이용하여 상기 색소 병변의 크기 정보를 산출하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 간섭신호의 위상을 맵핑(mapping)하 여 맵핑된 영상으로부터 위상 변화량을 산출하고, 상기 위상 변화량으로부터 상기 색소 병변의 크기 정 보를 산출하는 것을 특징으로 하는 광 간섭 단층촬영을 이용한 색소 병변의 정량화 시스템.
삭제