KR101737445B1 - Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제 - Google Patents

Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계; (1′) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계; (2) 상기 단계 (1) 및 (1′)에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계; (3) 상기 단계 (2)에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계; 및 (4) 상기 단계 (3)에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 광흡수도 및 광산란도 계산 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 (1) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계; (1′) 상기 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계; (2) 상기 단계 (1)에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계; 및 (3) 상기 단계 (1′) 및 (2)에서 계산된 광소멸도와 광흡수도로부터 광산란도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
뿐만 아니라, 본 발명은 광음향 조영제에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용하여 예측된 크기의 광음향 신호를 발생시키되, 상기 광음향 신호의 크기는, (1) 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계; (1′) 상기 조영제가 농도에 따라 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계; (2) 상기 단계 (1) 및 (1′)에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계; (3) 상기 단계 (2)에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계; 및 (4) 상기 단계 (3)에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계를 거쳐서 예측되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제에 따르면, 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 생체 내의 광 플루엔스를 계산하고, 실험을 통해 측정하여 알고 있는 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하며, 생성된 광음향 신호를 k-wave 시뮬레이션을 이용해 초음파 전달을 계산하여 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호 크기를 예측함으로써, 이러한 시뮬레이션 결과를 이용하여 광음향 신호를 최대화 할 수 있는 광흡수계수를 갖는 광음향 조영제를 개발할 수 있고, 광흡수계수와 광흡수도 및 광산란도를 계산하여 광음향 영상에 적합한 조영제를 개발할 수 있다.

Description

Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제{PHOTOACOUSTIC SIGNAL MAGNITUDE ESTIMATION METHOD USING MONTE CARLO AND K-WAVE SIMULATIONS, OPTICAL ABSORPTION AND OPTICAL SCATTERING DEGREE CALCULATION METHOD, AND PHOTOACOUSTIC CONTRAST WITH THE CORRESPONDING VALUES}
본 발명은 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제에 관한 것이다.
광음향 영상은 기존에 널리 사용하고 있는 초음파 장비에 레이저를 결합하여 쉽게 구현할 수 있어 임상 및 전임상 연구에서 활발한 사용이 되고 있으며, 다양한 병변의 진단 및 치료 모니터링에 이용되고 있다. 구체적으로는, 펄스 레이저에 의한 열팽창 현상에 의해 초음파가 생성되는 광음향 효과에 기반한 영상 기술로, 광학적 흡수에 의한 뛰어난 영상 대조비와 초음파 영상의 공간 분해능을 모두 갖는 특징이 있다. 이러한 광음향 영상은 인체에 무해한 빛과 초음파를 사용하기 때문에 안전하고, 표면뿐만 아니라 생체 내부 깊은 곳의 비이온화, 비침습적 영상을 실시간으로 얻을 수 있어 차세대 의료 영상 기술로 각광받고 있다.
한편, 광음향 영상의 경우 생체 내의 헤모글로빈, 지방 등을 조영제로 영상화 할 수 있지만, 대부분의 경우 생체 내 조영제만으로는 영상에 제한이 있기 때문에 다양한 형태의 광음향 조영제가 개발 및 보고되고 있다. 즉, 병변의 검출 및 진단을 위한 분자 영상을 위해 체외에서 합성된 조영제가 주로 이용된다. 조영제를 광음향 영상에 사용하기 위해 UV-vis-NIR 스펙트럼을 분석하여 물질의 흡수 성질을 분석하는 방법이 주로 이용되지만, 이는 실제 측정 물질의 광산란도와 광흡수도를 모두 포함하는 값이다.
따라서 실제 조영제의 광음향 영상 대조비를 확인하기 위해 광음향 영상 테스트를 통해 확인하고 원하는 물질의 설계 및 검증에 어려움이 있고, 광음향 영상에 최적화된 조영제를 합성하기 위해 추가적인 시간 및 비용이 소요되는 단점이 있다. 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0010908호는 광음향 및 초음파 이미징용 조영제에 대한 선행기술문헌을 개시하고 있고, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0126109호는 광음향 이미징 방법에 대한 선행기술문헌을 개시하고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 생체 내의 광 플루엔스를 계산하고, 실험을 통해 측정하여 알고 있는 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하며, 생성된 광음향 신호를 k-wave 시뮬레이션을 이용해 초음파 전달을 계산하여 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호 크기를 예측함으로써, 이러한 시뮬레이션 결과를 이용하여 광음향 신호를 최대화 할 수 있는 광흡수계수를 갖는 광음향 조영제를 개발할 수 있고, 광흡수계수와 광흡수도 및 광산란도를 계산하여 광음향 영상에 적합한 조영제를 개발할 수 있는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법은,
(1) 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계;
(1′) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계;
(2) 상기 단계 (1) 및 (1′)에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계;
(3) 상기 단계 (2)에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계; 및
(4) 상기 단계 (3)에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1)은,
몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 상기 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (1)은,
상기 생체 팬텀 안에서의 빛을 흡수하는 물질, 빛의 방향 및 상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 설정하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 빛의 산란을 시뮬레이션 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3)은,
k-wave 시뮬레이션을 이용하여 가상의 광음향 신호의 전달을 계산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조영제는,
반도체성 폴리머 나노입자, 탄소 나노튜브(nanotube), 금-은 나노새장(nanocage), 금 나노막대(nanorod) 및 금 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법은,
(1) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계;
(1′) 상기 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계;
(2) 상기 단계 (1)에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계; 및
(3) 상기 단계 (1′) 및 (2)에서 계산된 광소멸도와 광흡수도로부터 광산란도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1′)는,
UV-vis-NIR 분광광도계를 이용하여 상기 조영제의 자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 측정한 결과를 이용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (1′)의 광소멸도는,
상기 광흡수도와 광산란도를 합한 값으로 표현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)의 광흡수도는,
상기 광흡수계수와 비례할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조영제는,
반도체성 폴리머 나노입자, 탄소 나노튜브(nanotube), 금-은 나노새장(nanocage), 금 나노막대(nanorod) 및 금 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 광음향 조영제는,
Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용하여 예측된 크기의 광음향 신호를 발생시키되,
상기 광음향 신호의 크기는,
(1) 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계;
(1′) 상기 조영제가 농도에 따라 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계;
(2) 상기 단계 (1) 및 (1′)에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계;
(3) 상기 단계 (2)에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계; 및
(4) 상기 단계 (3)에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계를 거쳐서 예측되는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1)은,
몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 상기 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단계 (1)은,
상기 생체 팬텀 안에서의 빛을 흡수하는 물질, 빛의 방향 및 상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 설정하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 빛의 산란을 시뮬레이션 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (3)은,
k-wave 시뮬레이션을 이용하여 가상의 광음향 신호의 전달을 계산할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조영제는,
상기 광흡수계수와 스펙트럼 측정 결과를 이용하여 계산된 광흡수도 및 광산란도를 가질 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 광흡수도 및 광산란도는,
(1) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계;
(1′) 상기 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계;
(2) 상기 단계 (1)에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계; 및
(3) 상기 단계 (1′) 및 (2)에서 계산된 광소멸도와 광흡수도로부터 광산란도를 계산하는 단계를 거쳐서 계산될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 단계 (1′)는,
UV-vis-NIR 분광광도계를 이용하여 상기 조영제의 자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 측정한 결과를 이용할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 단계 (1′)의 광소멸도는,
상기 광흡수도와 광산란도를 합한 값으로 표현될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 단계 (2)의 광흡수도는,
상기 광흡수계수와 비례할 수 있다.
바람직하게는, 상기 조영제는,
나노튜브(nanotube), 나노새장(nanocage), 나노막대(nanorod) 및 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나의 형태일 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제에 따르면, 몬테 카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 생체 내의 광 플루엔스를 계산하고, 실험을 통해 측정하여 알고 있는 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하며, 생성된 광음향 신호를 k-wave 시뮬레이션을 이용해 초음파 전달을 계산하여 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호 크기를 예측함으로써, 이러한 시뮬레이션 결과를 이용하여 광음향 신호를 최대화 할 수 있는 광흡수계수를 갖는 광음향 조영제를 개발할 수 있고, 광흡수계수와 광흡수도 및 광산란도를 계산하여 광음향 영상에 적합한 조영제를 개발할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법을 이용하여 가상 팬텀의 광음향 신호 크기를 계산한 결과를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광흡수도 및 광산란도 계산 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광흡수도 및 광산란도 계산 방법을 이용하여 다양한 나노입자의 광흡수도 및 광산란도를 계산한 결과를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법은, 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계(S10), 조영제의 농도에 따라 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계(S10′), 단계 S10 및 S10′에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계(S20), 단계 S20에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계(S30), 및 단계 S30에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계(S40)를 포함하여 구현될 수 있다.
단계 S10은, 생체 내의 광 플루엔스를 계산하는 단계이며, 여기서, 광 플루엔스란, 광량이라고도 불리며, 흡수체에 조사된 광량을 의미한다. 이때, 단계 S10은, 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 할 수 있다.
보다 구체적으로는, 생체 팬텀 안에서의 빛을 흡수하는 물질, 빛의 방향 및 초음파 트랜스듀서의 위치를 설정하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 빛의 산란을 시뮬레이션 하여, 이를 바탕으로 생체 내의 광 플루엔스를 계산할 수 있다.
단계 S10′는, 조영제의 광흡수계수를 계산하는 단계이며, 보다 구체적으로는, 조영제의 농도에 따른 광음향 신호를 측정하여 조영제가 발생시키는 광흡수계수를 계산할 수 있다. 실시예에 따라서는, 이러한 광흡수계수를 계산하는 과정은, 조영제의 농도에 따른 광음향 신호 측정 실험을 통해 수행될 수 있다.
한편, 여기서 조영제는, 반도체성 폴리머 나노입자, 탄소 나노튜브(nanotube), 금-은 나노새장(nanocage), 금 나노막대(nanorod) 및 금 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
단계 S20은, 광음향 신호를 생성하는 단계이며, 보다 구체적으로는 단계 S10에서 계산된 광 플루엔스와 단계 S10′에서 계산된 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성할 수 있다.
단계 S30은, 광음향 신호의 전달을 계산하는 단계이며, 이때, 단계 S20에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 k-wave 시뮬레이션을 이용하여 계산할 수 있다. 즉, 단계 S30은, k-wave 시뮬레이션을 이용하여 가상의 광음향 신호의 전달을 계산할 수 있다.
단계 S40은, 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계이며, 보다 구체적으로는, 단계 S30에서의 k-wave 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서 측정되는 광음향 신호의 크기를 예측할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법을 이용하여 가상 팬텀의 광음향 신호 크기를 계산한 결과를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법을 이용하면, 가상의 생체 조직 안에 있는 빛흡수 물질들의 광음향 신호 크기를 계산할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 2의 A에 도시된 바와 같이, 가상의 생체 팬텀 안에 빛을 흡수하는 물질(01, 02, 03)과 빛의 방향(수직 상하 방향으로 입사), 트랜스듀서의 위치(빛의 입사 방향과 마주보는 위치)를 설정하고, 팬텀 안의 빛 산란을 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용하여 계산할 수 있다. 이때, 빛을 흡수하는 물질은, 01, 02, 03으로 표시되고, 빛의 방향은 상하 방향으로 입사하도록 하며, 트랜스듀서의 위치는 빛의 입사 방향과 수직 방향에 위치하도록 하고, 광검출기는 빛의 입사 방향과 마주보는 곳에 위치하도록 할 수 있다.
도 2의 B에 도시된 바와 같이, 도 2의 A의 설정대로 Monte Carlo 시뮬레이션을 수행한 결과, 01에서의 광 플루엔스의 경우 03에 가려져 02에서의 광 플루엔스보다 낮은 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 2의 C에 도시된 바와 같이, 빛의 입사 방향을 도 2의 A에서와 같이 Forward 방향에서 조사하였을 때(좌)와, 그와 반대 방향인 Backward 방향에서 조사하였을 때(우) 각각의 광음향 신호의 전달을 k-wave 시뮬레이션을 통해 계산할 수 있다.
도 2의 D에 도시된 바와 같이, 도 2의 C의 설정대로 k-wave 시뮬레이션을 수행한 결과, Forward 방향에서 빛을 조사한 경우, 01에서의 광 플루엔스가 도 2의 B에 도시된 바와 같이 낮기 때문에, 도 2의 C의 시뮬레이션 결과 계산된 광음향 신호의 크기도 작은 것을 확인할 수 있다. 즉, 광 플루엔스와 광음향 신호의 크기는 비례하는 것을 확인할 수 있다.
이상 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법을 이용하면, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션의 결과를 이용하여 예측되는 광음향 신호의 크기를 최대화 할 수 있는 광흡수계수를 갖는 광음향 조영제를 개발할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광흡수도 및 광산란도 계산 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광흡수도 및 광산란도 계산 방법은, 조영제의 농도에 따라 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계(S100), 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계(S100′), 단계 S100에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계(S200), 및 단계 S100′ 및 S200에서 계산된 광소멸도와 광흡수계수로부터 광산란도를 계산하는 단계(S300)를 포함하여 구현될 수 있다.
단계 S100은, 광흡수계수를 계산하는 단계이며, 앞에서 도 1을 참조하여 상세히 설명한 단계 S10′와 같이, 조영제의 농도에 따른 광음향 신호를 측정하여 조영제가 발생시키는 광흡수계수를 계산할 수 있다. 실시예에 따라서는, 이러한 광흡수계수를 계산하는 과정은, 조영제의 농도에 따른 광음향 신호 측정 실험을 통해 수행될 수 있다.
또한, 여기서 조영제는, 반도체성 폴리머 나노입자, 탄소 나노튜브(nanotube), 금-은 나노새장(nanocage), 금 나노막대(nanorod) 및 금 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
S100′는, 광소멸도를 계산하는 단계이며, 이때, UV-vis-NIR 분광광도계를 이용하여 조영제의 자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산할 수 있다.
한편, 여기서, 광소멸도는, 광흡수도와 광산란도를 합한 값으로 표현될 수 있다.
단계 S200은, 광흡수도를 계산하는 단계이며, 이때, 단계 S100에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산할 수 있다. 여기서, 광흡수도는 광흡수계수와 비례할 수 있다.
즉, 보다 구체적으로는, 광흡수계수는 광흡수도와 비례하므로, 조영제의 농도에 따라 측정된 광음향 신호의 크기로부터 계산된 광흡수계수 값을 이용하여 광흡수도를 계산할 수 있다.
단계 S300은, 광산란도를 계산하는 단계이며, 보다 구체적으로는, 단계 S100′에서 계산된 광소멸도와 단계 S200에서 계산된 광흡수도로부터 광산란도를 계산할 수 있다. 즉, 단계 S100′에서 계산된 광흡수도와 광산란도의 합으로 표현되는 광소멸도에서 단계 S200에서 계산된 광흡수도를 뺀 값이 광산란도 값일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광흡수도 및 광산란도 계산 방법을 이용하여 다양한 나노입자의 광흡수도 및 광산란도를 계산한 결과를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광흡수도 및 광산란도 계산 방법을 이용하면, 다양한 나노입자의 광흡수도 및 광산란도를 계산할 수 있다.
이때, 도 4의 A는 Au-Ag nanocage(내축 33.4㎚, 외축 45㎚), B는 Au-Ag nanocage(내축 24㎚, 외축 32㎚), C는 Au nanorod(길이 44㎚, 폭 19.8㎚), D는 Au nanosphere(지름 150㎚)의 광흡수도 및 광산란도를 각각 계산한 결과이다.
도 4의 A 내지 D에 도시된 바와 같이, 위의 나노입자들 모두 각 물질의 파장에 따른 광소멸도(ext.)는 650㎚ 부근에서 피크가 형성되어 있으나, 본 발명에서 제안하는 광흡수도 및 광산란도 계산 방법을 이용하여 계산하였을 때 광흡수도(abs.) 및 광산란도(sca.)에서는 차이가 있는 것을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 4의 A, B, C에 도시된 바와 같이, Au-Ag nanocage와 au nanorod의 경우에는 650㎚ 부근에서 광흡수도가 크고 반대로 광산란도가 작기 때문에 광음향 조영제로 사용하기에 적합하지만, 도 4의 D에 도시된 바와 같이, Au nanosphere의 경우에는, 650㎚ 부근에서 광산란도가 크고 반대로 광흡수도는 작기 때문에 광음향 조영제로 사용하기에 부적합한 것을 확인할 수 있다.
이상 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 광흡수도 및 광산란도 계산 방법에 따르면, 광흡수계수와 UV-vis-NIR 흡수 스펙트럼 결과를 이용하여 광흡수도 및 광산란도를 계산함으로써, 광음향 영상에 적합한 조영제를 개발할 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 본 발명의 일실시예에 따른 광음향 조영제는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용하여 예측된 크기의 광음향 신호를 발생시킬 수 있고, 이때, 광음향 신호의 크기는, 앞에서 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같은, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법의 구성 단계인 단계 S10, S10′, S20 내지 S40을 거쳐서 예측될 수 있으며, 각 단계의 세부적인 내용은 앞에서 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한 바와 같으므로, 이하 생략한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 광음향 조영제는, 광흡수계수와 스펙트럼 측정 결과를 이용하여 계산된 광흡수도 및 광산란도를 가질 수 있고, 이때, 광흡수도 및 광산란도는, 앞에서 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 바와 같은, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법의 구성 단계인 단계 S100, S100′, S200 및 S300을 거쳐서 계산될 수 있으며, 각 단계의 세부적인 내용은 앞에서 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한 바와 같으므로, 이하 생략한다.
아울러, 이러한 본 발명에서 제안하는 광음향 조영제는, 나노튜브(nanotube), 나노새장(nanocage), 나노막대(nanorod) 및 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나의 형태일 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
S10: 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계
S10′, S100: 조영제의 농도에 따라 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계
S20: 단계 S10 및 S10′에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계
S30: 단계 S20에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계
S40: 단계 S30에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계
S100′: 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계
S200: 단계 S100에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계
S300: 단계 S100′ 및 S200에서 계산된 광소멸도와 광흡수도로부터 광산란도를 계산하는 단계

Claims (20)

  1. Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법으로서,
    (1) 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계(S10);
    (1′) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계(S10′);
    (2) 상기 단계 (1) 및 (1′)에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계(S20);
    (3) 상기 단계 (2)에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계(S30); 및
    (4) 상기 단계 (3)에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 하는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (1)은,
    몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 상기 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단계 (1)은,
    상기 생체 팬텀 안에서의 빛을 흡수하는 물질, 빛의 방향 및 상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 설정하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 빛의 산란을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (3)은,
    k-wave 시뮬레이션을 이용하여 가상의 광음향 신호의 전달을 계산하는 것을 특징으로 하는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 조영제는,
    반도체성 폴리머 나노입자, 탄소 나노튜브(nanotube), 금-은 나노새장(nanocage), 금 나노막대(nanorod) 및 금 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법.
  6. 광흡수도 및 광산란도 계산 방법으로서,
    (1) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계(S100);
    (1′) 상기 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계(S100′);
    (2) 상기 단계 (1)에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계(S200); 및
    (3) 상기 단계 (1′) 및 (2)에서 계산된 광소멸도와 광흡수도로부터 광산란도를 계산하는 단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 단계 (1′)는,
    UV-vis-NIR 분광광도계를 이용하여 상기 조영제의 자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하는 것을 특징으로 하는, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 단계 (1′)의 광소멸도는,
    상기 광흡수도와 광산란도를 합한 값으로 표현되는 것을 특징으로 하는, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 단계 (2)의 광흡수도는,
    상기 광흡수계수와 비례하는 것을 특징으로 하는, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 조영제는,
    반도체성 폴리머 나노입자, 탄소 나노튜브(nanotube), 금-은 나노새장(nanocage), 금 나노막대(nanorod) 및 금 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법.
  11. 광음향 조영제로서,
    Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용하여 예측된 크기의 광음향 신호를 발생시키되,
    상기 광음향 신호의 크기는,
    (1) 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하여 생체 내의 광 플루엔스(optical fluence)를 계산하는 단계(S10);
    (1′) 상기 조영제가 농도에 따라 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계(S10′);
    (2) 상기 단계 (1) 및 (1′)에서 계산된 광 플루엔스와 광흡수계수를 이용하여 가상의 광음향 신호를 생성하는 단계(S20);
    (3) 상기 단계 (2)에서 생성된 가상의 광음향 신호의 전달을 시뮬레이션을 이용하여 계산하는 단계(S30); 및
    (4) 상기 단계 (3)에서의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 초음파 트랜스듀서에서의 광음향 신호의 크기를 예측하는 단계(S40)를 거쳐서 예측되는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  12. 제11항에 있어서, 상기 단계 (1)은,
    몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용하여 상기 생체 내에서의 빛의 산란을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  13. 제12항에 있어서, 상기 단계 (1)은,
    상기 생체 팬텀 안에서의 빛을 흡수하는 물질, 빛의 방향 및 상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 설정하고, 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 빛의 산란을 시뮬레이션 하는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  14. 제11항에 있어서, 상기 단계 (3)은,
    k-wave 시뮬레이션을 이용하여 가상의 광음향 신호의 전달을 계산하는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  15. 제11항에 있어서, 상기 조영제는,
    상기 광흡수계수와 스펙트럼 측정 결과를 이용하여 계산된 광흡수도 및 광산란도를 갖는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광흡수도 및 광산란도는,
    (1) 조영제의 농도에 따라 상기 조영제가 발생시키는 광음향 신호를 측정하여 광흡수계수를 계산하는 단계(S100);
    (1′) 상기 조영제의 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하여 광소멸도를 계산하는 단계(S100′);
    (2) 상기 단계 (1)에서 계산된 광흡수계수로부터 광흡수도를 계산하는 단계(S200); 및
    (3) 상기 단계 (1′) 및 (2)에서 계산된 광소멸도와 광흡수도로부터 광산란도를 계산하는 단계(S300)를 거쳐서 계산되는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  17. 제16항에 있어서, 상기 단계 (1′)는,
    UV-vis-NIR 분광광도계를 이용하여 상기 조영제의 자외선, 가시광선, 근적외선 스펙트럼을 측정한 결과를 이용하는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  18. 제16항에 있어서, 상기 단계 (1′)의 광소멸도는,
    상기 광흡수도와 광산란도를 합한 값으로 표현되는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  19. 제16항에 있어서, 상기 단계 (2)의 광흡수도는,
    상기 광흡수계수와 비례하는 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
  20. 제11항에 있어서, 상기 조영제는,
    나노튜브(nanotube), 나노새장(nanocage), 나노막대(nanorod) 및 나노스피어(nanosphere) 중에서 선택된 어느 하나의 형태인 것을 특징으로 하는, 광음향 조영제.
KR1020160034925A 2016-03-23 2016-03-23 Monte Carlo 및 k-wave 시뮬레이션을 이용한 광음향 신호 크기 예측 방법, 광흡수도 및 광산란도 계산 방법, 및 해당 값들을 갖는 광음향 조영제 KR101737445B1 (ko)

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