KR101749602B1 - 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법 - Google Patents

비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법 Download PDF

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photoacoustic
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한상엽
김진영
이창호
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Abstract

본 발명은 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서; 상기 초음파 트랜스듀서와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부; 상기 초음파 트랜스듀서 및 상기 광 전달부와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서 방향으로 통과시키는 빔 결합부; 및 상기 빔 결합부와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부 방향으로 반사시키는 스캐너를 포함하되, 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
또한, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템은, 레이저를 공급하는 광원모듈; 상기 광원모듈로부터 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 상기 대상체가 상기 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 광음향 신호 획득모듈; 상기 광음향 신호 획득모듈로부터 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 증폭모듈; 상기 증폭모듈에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 데이터획득모듈; 및 상기 광음향 신호 획득모듈 및 상기 데이터획득모듈과 연결되어, 상기 광음향 신호 획득모듈을 구동시키는 제어모듈을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법에 따르면, 광음향파의 전달 매체로 물이 아닌 비전도성 유체를 이용함으로써, 유체 속에서 직접 빛과 광음향파의 스캐닝이 가능해져 높은 감도의 신호를 고속으로 얻을 수 있고, 갈바노 스캐너를 비전도성 유체 속에서 직접 구동시킴으로써, 높은 신호 대 잡음 비를 가지면서 고속 이미징이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 비전도성 유체를 광음향파의 전달 매체로 이용함으로써, 기존의 물 기반의 광음향 영상 장치에서 촬영이 불가능했던 CCD나 디스플레이 패널 등의 전자 제품과 같은 샘플들도 영상할 수 있다.

Description

비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법{OPTICAL RESOLUTION PHOTOACOUSTIC MICROSCOPY USING NON-CONDUCTIVE FLUID, AND PHOTOACOUSTIC IMAGE ACQUISITION SYSTEM AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 광해상도 광음향 현미경에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광음향 단층 촬영기술이란, 광학 시스템과 초음파 시스템이 결합된 새로운 방법의 영상 처리 방법을 말한다. 즉, 생체 조직에 광을 조사하면, 조직이 광 에너지를 흡수하고, 그 광 에너지를 흡수한 생체 조직은 열적-탄성 팽창(Thermoelastically expand)을 하며, 이러한 열팽창으로 인해 초음파가 생성되는데, 이를 광음향 효과(Photoacoustic effect)라고 하고, 열팽창으로 인해 생성되는 초음파 신호를 광음향 신호라고 한다. 이때, 이러한 광음향 신호를 이용하여 생체 조직 내부에 대한 영상을 획득하는 기술을 광음향 단층 촬영기술이라 한다. 광음향 단층 촬영장치는 이렇게 발생한 광음향 신호를 초음파 트랜스듀서를 통해 획득하고, 그 획득한 광음향 신호를 신호 처리하여 단층 영상정보를 생성한다.
이러한 광음향 영상에서 광음향파가 전달되기 위해서는 물이나 젤과 같은 전달매체가 반드시 필요하다. 기존의 광음향 영상장치에서는 광음향파의 전달 매체로 물을 사용하였고, 이는 물이 가지는 전도성에 의해 그 구성이나, 영상을 얻고자 하는 대상에 한계가 있었다. 또한, 2차원 스캐닝에 모터기반의 선형 스테이지를 사용하는 경우, 전체 시스템의 크기가 크고, 고속의 2차원 스캐닝이 사실상 어려웠으며, 2축 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)를 이용할 경우에는, 빠른 속도의 2차원 빛 스캐닝이 가능하지만, 모터를 기반으로 한 장치이기 때문에 물속에서 작동할 수 없어, 광음향파의 스캐닝이 불가능해 비초점 트랜스듀서를 이용하여 낮은 신호 대 잡음 비를 가지는 문제점이 있었다.
즉, 고속, 고감도, 고해상도 이미징을 위해서는, 빛과 광음향파가 전달되는 유체인 매질 내에서 빛과 광음향파 두 개를 동시에 빠르게 스캐닝할 수 있는 기술이 요구된다. 최근, 이러한 목표를 달성하기 위하여 물속에서 작동이 가능한 1축, 2축 MEMS mirror에 관련된 보고가 있었으나, MEMS mirror는 범용적인 제품이 아니고, 수작업으로 제작해야하는 것이어서 범용적으로 사용되기에는 한계가 있다. 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0010909호 및 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0053630호는 광음향이나 초음파를 이용한 영상 기기에 대한 선행기술 문헌을 개시하고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광음향파의 전달 매체로 물이 아닌 비전도성 유체를 이용함으로써, 유체 속에서 직접 빛과 광음향파의 스캐닝이 가능해져 높은 감도의 신호를 고속으로 얻을 수 있고, 갈바노 스캐너를 비전도성 유체 속에서 직접 구동시킴으로써, 높은 신호 대 잡음 비를 가지면서 고속 이미징이 가능할 수 있는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 비전도성 유체를 광음향파의 전달 매체로 이용함으로써, 기존의 물 기반의 광음향 영상 장치에서 촬영이 불가능했던 CCD나 디스플레이 패널 등의 전자 제품과 같은 샘플들도 영상할 수 있는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경은,
광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서;
상기 초음파 트랜스듀서와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부;
상기 초음파 트랜스듀서 및 상기 광 전달부와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서 방향으로 통과시키는 빔 결합부; 및
상기 빔 결합부와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부 방향으로 반사시키는 스캐너를 포함하되,
광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광 전달부는,
상기 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 상기 빔 결합부에 집광시키기 위한 대물렌즈를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 빔 결합부는,
레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 또는 금 소재일 수 있다.
바람직하게는, 상기 스캐너는,
갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)일 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템은,
레이저를 공급하는 광원모듈;
상기 광원모듈로부터 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 상기 대상체가 상기 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 광음향 신호 획득모듈;
상기 광음향 신호 획득모듈로부터 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 증폭모듈;
상기 증폭모듈에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 데이터획득모듈; 및
상기 광음향 신호 획득모듈 및 상기 데이터획득모듈과 연결되어, 상기 광음향 신호 획득모듈을 구동시키는 제어모듈을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광원모듈에서 공급되는 레이저는,
다이오드 레이저, 큐-스위치(Q-switch) 펄스 레이저, 다파장 변환 다이(Dye) 레이저 및 OPO 레이저 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는,
상기 광원모듈에서 공급된 레이저는 광섬유를 통해 상기 광음향 신호 획득모듈로 전달될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광음향 신호 획득모듈은,
비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경으로 구성되며,
상기 현미경은,
광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서;
상기 초음파 트랜스듀서와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부;
상기 초음파 트랜스듀서 및 상기 광 전달부와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서 방향으로 통과시키는 빔 결합부; 및
상기 빔 결합부와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부 방향으로 반사시키는 스캐너를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 현미경은,
광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 광 전달부는,
상기 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 상기 빔 결합부에 집광시키기 위한 대물렌즈를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 빔 결합부는,
레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 또는 금 소재일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 스캐너는,
갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)일 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법은,
(1) 광원모듈이 레이저를 공급하는 단계;
(2) 광음향 신호 획득모듈이 상기 단계 (1)에서 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 상기 대상체가 상기 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 단계;
(3) 증폭모듈이 상기 단계 (2)에서 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 단계; 및
(4) 데이터획득모듈이 상기 단계 (3)에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단계 (1)에서 공급되는 레이저는,
다이오드 레이저, 큐-스위치(Q-switch) 펄스 레이저, 다파장 변환 다이(Dye) 레이저 및 OPO 레이저 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)에서는,
상기 광음향 신호 획득모듈이 상기 단계 (1)에서 공급된 레이저를 광섬유를 통해 전달받을 수 있다.
바람직하게는, 상기 단계 (2)의 광음향 신호 획득모듈은,
비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경으로 구성되며,
상기 현미경은,
광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서;
상기 초음파 트랜스듀서와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부;
상기 초음파 트랜스듀서 및 상기 광 전달부와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서 방향으로 통과시키는 빔 결합부; 및
상기 빔 결합부와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부 방향으로 반사시키는 스캐너를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 현미경은,
광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 광 전달부는,
상기 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 상기 빔 결합부에 집광시키기 위한 대물렌즈를 포함할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 빔 결합부는,
레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 또는 금 소재일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 스캐너는,
갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)일 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경, 및 이를 이용한 광음향 영상 획득 시스템 및 방법에 따르면, 광음향파의 전달 매체로 물이 아닌 비전도성 유체를 이용함으로써, 유체 속에서 직접 빛과 광음향파의 스캐닝이 가능해져 높은 감도의 신호를 고속으로 얻을 수 있고, 갈바노 스캐너를 비전도성 유체 속에서 직접 구동시킴으로써, 높은 신호 대 잡음 비를 가지면서 고속 이미징이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 비전도성 유체를 광음향파의 전달 매체로 이용함으로써, 기존의 물 기반의 광음향 영상 장치에서 촬영이 불가능했던 CCD나 디스플레이 패널 등의 전자 제품과 같은 샘플들도 영상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경의 개략적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경의 초음파 트랜스듀서, 빔 결합부 및 스캐너의 개략적인 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경의 초음파 전파 속도 및 거리에 따른 감쇠 정도를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템의 기계적 도식을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템을 이용하여 획득한 광음향 영상을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법의 흐름을 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 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)은, 초음파 트랜스듀서(110), 광 전달부(130), 빔 결합부(150) 및 스캐너(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
초음파 트랜스듀서(110)는, 광음향 신호를 측정할 수 있다. 즉, 광을 흡수한 대상체로부터 열팽창에 의해 발생되는 초음파 신호인 광음향 신호를 검출할 수 있다.
광 전달부(130)는, 초음파 트랜스듀서(110)와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달할 수 있다. 이러한 광 전달부(130)는, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 빔 결합부(150)에 집광시키기 위한 대물렌즈(131)를 포함할 수 있다.
한편, 외부 광원으로부터 광 전달부(130)로 레이저를 전달하는 매개체는, 광섬유(Optical fiber)일 수 있다. 뿐만 아니라, 실시예에 따라서는, 자유 공간 내에서 렌즈나 미러 등을 통하여 전달 될 수도 있다.
빔 결합부(150)는, 초음파 트랜스듀서(110) 및 광 전달부(130)와 접하도록 배치되고, 광 전달부(130)를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 초음파 트랜스듀서(110) 방향으로 통과시킬 수 있다.
이와 같이, 빔 결합부(150)는, 레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 또는 금 소재일 수 있다.
또한, 실시예에 따라서, 빔 결합부(150)는, 레이저는 통과시키고, 광음향 신호는 반사시키는 특성을 가질 수 있으며, 이 경우에는, 실리콘 오일이 적용된 소재일 수 있다.
스캐너(170)는, 빔 결합부(150)와 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 빔 결합부(150)로부터 반사된 레이저를 대상체 방향으로 반사시키고, 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 빔 결합부(150) 방향으로 반사시킬 수 있다.
이러한 스캐너(170)는, 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)(170)일 수 있다. 즉, 이와 같이, 갈바노미터 스캐너(170)를 사용함으로써, 빛과 초음파를 빠른 속도로 동시에 스캐닝(Scanning)하면서 높은 신호 대 잡음 비(SNR)을 구현할 수 있다.
다만, 스캐너(170)의 종류를 이에 한정하는 것은 아니며, 갈바노미터 스캐너 외에 다른 통상적인 모터계열 장치일 수도 있다.
한편, 스캐너(170)의 거울 표면은, 유체 속에서 빛과 초음파를 동시에 반사시킬 수 있도록, 알루미늄 또는 금 코팅이 되어있을 수 있다.
한편, 본 발명에서 제안하는 광해상도 광음향 현미경(100)은, 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용할 수 있다.
즉, 대상체에서 발생한 광음향 신호가 스캐너(170)에서 반사되어, 빔 결합부(150)를 통과하고 초음파 트랜스듀서(110)에서 검출되기까지, 광음향 신호의 매질, 즉, 매개체로 물과 같은 전도성 유체가 아닌, 비전도성 유체를 사용할 수 있다.
이러한 비전도성 유체는, 실시예에 따라서, 3M사의 Novec enginnering fluid, Perfluoro carbon, Novec HFE 등을 사용할 수 있다.
이와 같이, 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체를 사용함으로써, 본 발명에서 제안하는 광해상도 광음향 현미경(100)은, 물에서는 작동하지 못하는 갈바노미터 스캐너(170)를 사용할 수 있어, 빛과 광음향파의 동시 스캐닝이 가능해져, 높은 감도의 신호를 고속으로 얻을 수 있다.
또한, 물과 같은 전도성 유체를 사용할 경우에는 촬영이 불가능한 CCD나 디스플레이 패널 등의 전자 제품과 같은 샘플들도 영상할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)의 초음파 트랜스듀서(110), 빔 결합부(150) 및 스캐너(170)의 개략적인 구조를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)의 초음파 트랜스듀서(110), 빔 결합부(150), 및 스캐너(170), 보다 구체적으로는 갈바노미터 스캐너(170)는, 일렬로 수평하게 배치될 수 있으며, 실시예에 따라서, 이러한 초음파 트랜스듀서(110), 빔 결합부(150) 및 스캐너(170)는, 가로, 세로, 높이가 각각 70㎜, 40㎜, 20㎜에 불과한 소형 액체 수조에 모두 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)의 초음파 전파 속도 및 거리에 따른 감쇠 정도를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)은, 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체를 사용하며, 보다 구체적으로, 도 3의 (a)는 물과 비전도성 유체를 매개체로 한 경우 초음파의 전달 속도를 나타내고 있으며, 도 3의 (b)는 물과 비전도성 유체를 매개체로 한 경우 초음파의 감쇠 정도를 나타내고 있다. 이때, 비전도성 유체로는 3M사의 Novec enginnering fluid 7500인 hydrofluoroethers(HFE)를 사용하였다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 물과 비전도성 유체를 사용한 경우 초음파의 전달 속도는 각각 1536과 676m/sec로서, 비전도성 유체 내에서 전달 속도가 약 2.3배 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 물과 비전도성 유체를 사용한 경우 초음파의 감쇠 계수는 각각 0.0067과 0.0273㎜-1(1/㎜)로서, 비전도성 유체 내에서 상대적으로 초음파가 더 많이 감쇠되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바에 따르면, 비전도성 유체를 매개체로 사용할 경우 물에 비하여 민감도가 더 낮다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 3의 (c)는 비집속(좌) 및 집속(우) 초음파 탐지 형태일 경우의 신호 감도를 나타내고 있으며, 이에 따르면, 집속 초음파 탐지 형태가 비전도성 유체로 인한 광음향 신호의 손실을 효과적으로 방지할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템을 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템은, 광원모듈(10), 광음향 신호 획득모듈(20), 증폭모듈(30), 데이터획득모듈(40) 및 제어모듈(50)을 포함하여 구성될 수 있다.
광원모듈(10)은, 레이저를 공급할 수 있고, 광원모듈(10)에서 공급된 레이저는, 광섬유를 통해 광음향 신호 획득모듈(20)로 전달될 수 있다. 이때, 광음향 신호 획득모듈(20)로 전달된 레이저는 최종적으로 대상체로 방출되어 흡수될 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는, 광원모듈(10)에서 공급된 레이저는, 자유 공간에서 렌즈나 미러 등을 통해 광음향 신호 획득모듈(20)로 전달될 수도 있다.
여기서, 광원모듈(10)에서 공급되는 레이저는, 다이오드 레이저, 큐-스위치(Q-switch) 펄스 레이저, 다파장 변환 다이(Dye) 레이저 및 OPO 레이저 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
광음향 신호 획득모듈(20)은, 광원모듈(10)로부터 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 대상체가 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출할 수 있다. 이러한 광음향 신호 획득 모듈(20)은, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)으로 구성될 수 있다.
이때, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)은, 초음파 트랜스듀서(110), 광 전달부(130), 빔 결합부(150) 및 스캐너(170)를 포함할 수 있으며, 각각의 구체적인 구성에 대해서는, 앞에서 도 1 및 도 2를 참조하여 상세히 설명한 바와 같으므로, 이하 생략한다.
증폭모듈(30)은, 광음향 신호 획득모듈(20)로부터 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭할 수 있다. 이러한 증폭모듈(30)은, 실시예에 따라서, 통상적인 펄서-리시버(Pulser-Receiver) 또는 고주파 증폭기(RF ampifier)로 구성될 수 있다.
데이터획득모듈(40)은, 증폭모듈(30)에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득할 수 있다. 즉, 데이터획득모듈(40)에서 대상체의 내부 영상을 최종적으로 획득할 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는, 데이터획득모듈(40)은, 광원모듈(10)에서 레이저를 방출하기 위한 동기 신호를 발생시킬 수 있고, 이때, 광원모듈(10)은, 데이터획득모듈(40)에서 발생된 동기 신호에 맞추어 레이저를 공급할 수 있다.
제어모듈(50)은, 광음향 신호 획득모듈(20) 및 데이터획득모듈(40)과 연결되어, 광음향 신호 획득모듈(20)을 구동시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 제어모듈(50)은, 광음향 신호 획득모듈(20)을 구성하는 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템의 기계적 도식을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템에 따르면, 데이터획득모듈(40)에서 발생된 동기 신호에 맞추어 광원모듈(10)이 레이저를 공급하게 되고, 공급된 레이저는, 광섬유 또는 자유 공간에서 렌즈나 미러 등을 통해 광음향 신호 획득모듈(20)을 구성하는 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)로 들어갈 수 있다.
보다 구체적으로는, 광원모듈(10)에서 공급된 레이저는, 평행하게 위치하는 두 개의 콜리메이터(collimator)와 그 사이에 위치하는 핀홀(pin hole) 및 대물렌즈(objective lens)(131)를 통과할 수 있다. 여기서 콜리메이터는, 광원모듈(10)에서 공급된 레이저를 평행광선으로 만들 수 있고, 대물렌즈(131)는, 콜리메이터를 통해 생성된 평행광선을 빔 결합부(150)에 집광시킬 수 있다.
이와 같이 광음향 신호 획득모듈(20)로 전달된 레이저는 현미경(100)을 통해 대상체로 방출되며, 대상체가 레이저를 흡수해 생성된 광음향 신호는 스캐너(170), 보다 구체적으로는 갈바노미터 스캐너(Galvanometer scanner)의 거울을 통해 반사되고, 이때, 스캐너(170)는, 제어모듈(50)에 의해 그 구동이 제어될 수 있다. 스캐너(170)를 통하여 반사된 광음향 신호는 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 매개체로 하여 빔 결합부(150)를 통과하고 초음파 트랜스듀서(110)에 전달되며, 초음파 트랜스듀서(110)에서 측정된 광음향 신호는 증폭모듈(30)에서 증폭되어 데이터획득모듈(40)로 전달된다. 최종적으로 전달된 광음향 신호는 신호처리를 거친 후, 광해상도 광음향 영상으로 얻어질 수 있다.
한편, 실시예에 따라서, 광음향 신호 획득모듈(20)은, 선형 스테이지(190)를 더 포함할 수 있고, 보다 구체적으로는, y축에 따른 용적 광음향 영상을 획득하기 위하여, y축 선형 스테이지(Y-axis linear stage)(190)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템을 이용하여 획득한 광음향 영상을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용하여, 고속, 고감도, 고해상도의 광음향 영상을 획득할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6의 영상은 광음향 신호의 매개체로 사용되는 비전도성 유체를 3M사의 Novec engineering fluid 7500을 사용하고, x축 방향으로는 1축 갈바노미터 스캐너, y축 방향으로는 선형 스테이지를 이용하여 획득한 영상으로서, 도 6의 (a)는, 실험용 쥐의 미소혈관계의 광음향 영상을 나타내고 있으며, (b)는, 광음향 영상에 상응하는 깊이 부호화 영상을 나타내고 있다.
도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템을 이용하여 획득한 광음향 영상에서, 혈관계에 포함되는 동맥 및 정맥이 명확히 구별되고 있으며, 뿐만 아니라, 도 6의 (a)에는 모세혈관 또한 명확히 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 비전도성 유체 및 갈바노미터 스캐너(170)를 사용하여 고감도, 고해상도의 광음향 영상을 획득할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 방법은, 광원모듈(10)이 레이저를 공급하는 단계(S100), 광음향 신호 획득모듈(20)이 단계 S100에서 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 대상체가 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 단계(S200), 증폭모듈(30)이 단계 S200에서 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 단계(S300), 및 데이터획득모듈(40)이 단계 S300에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 단계(S400)를 포함하여 구현될 수 있다.
이때, 단계 S10 내지 S40의 광원모듈(10), 광음향/초음파 획득모듈(20), 증폭모듈(30) 및 데이터획득모듈(40)의 구체적인 구성은, 앞에서 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한 바와 같으므로, 이하 생략한다.
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.
100: 현미경 110: 초음파 트랜스듀서
130: 광 전달부 131: 대물렌즈
150: 빔 결합부 170: 스캐너
190: 선형 스테이지 10: 광원모듈
20: 광음향 신호 획득모듈 30: 증폭모듈
40: 데이터획득모듈 50: 제어모듈
S100: 광원모듈이 레이저를 공급하는 단계
S200: 광음향 신호 획득모듈이 단계 S100에서 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 대상체가 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 단계
S300: 증폭모듈이 단계 S200에서 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 단계
S400: 데이터획득모듈이 단계 S300에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 단계

Claims (20)

  1. 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)으로서,
    광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서(110);
    상기 초음파 트랜스듀서(110)와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부(130);
    상기 초음파 트랜스듀서(110) 및 상기 광 전달부(130)와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부(130)를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서(110) 방향으로 통과시키는 빔 결합부(150); 및
    상기 빔 결합부(150)와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부(150)로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부(150) 방향으로 반사시키는 스캐너(170)를 포함하되,
    상기 스캐너(170)는 갈바노미터 스캐너(170)(Galvanometer scanner)이고, 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용하며, 상기 갈바노미터 스캐너(170)를 비전도성 유체 속에서 직접 구동시키는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광 전달부(130)는,
    상기 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 상기 빔 결합부(150)에 집광시키기 위한 대물렌즈(131)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경.
  3. 제1항에 있어서, 상기 빔 결합부(150)는,
    레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 또는 금 소재인 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경.
  4. 삭제
  5. 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 시스템으로서,
    레이저를 공급하는 광원모듈(10);
    상기 광원모듈(10)로부터 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 상기 대상체가 상기 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 광음향 신호 획득모듈(20);
    상기 광음향 신호 획득모듈(20)로부터 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 증폭모듈(30);
    상기 증폭모듈(30)에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 데이터획득모듈(40); 및
    상기 광음향 신호 획득모듈(20) 및 상기 데이터획득모듈(40)과 연결되어, 상기 광음향 신호 획득모듈(20)을 구동시키는 제어모듈(50)을 포함하는 것을 특징으로 하되,
    상기 광음향 신호 획득모듈(20)은,
    비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)으로 구성되며,
    상기 현미경(100)은,
    광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서(110);
    상기 초음파 트랜스듀서(110)와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부(130);
    상기 초음파 트랜스듀서(110) 및 상기 광 전달부(130)와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부(130)를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서(110) 방향으로 통과시키는 빔 결합부(150); 및
    상기 빔 결합부(150)와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부(150)로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부(150) 방향으로 반사시키는 스캐너(170)를 포함하고,
    상기 스캐너(170)는 갈바노미터 스캐너(170)(Galvanometer scanner)이고, 상기 현미경(100)은 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용하며, 상기 갈바노미터 스캐너(170)를 비전도성 유체 속에서 직접 구동시키는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상획득 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 광원모듈(10)에서 공급되는 레이저는,
    다이오드 레이저, 큐-스위치(Q-switch) 펄스 레이저, 다파장 변환 다이(Dye) 레이저 및 OPO 레이저 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 광원모듈(10)에서 공급된 레이저는 광섬유를 통해 상기 광음향 신호 획득모듈(20)로 전달되는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제5항에 있어서, 상기 광 전달부(130)는,
    상기 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 상기 빔 결합부(150)에 집광시키기 위한 대물렌즈(131)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템.
  11. 제5항에 있어서, 상기 빔 결합부(150)는,
    레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 또는 금 소재인 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 시스템.
  12. 삭제
  13. 광해상도 광음향 현미경(100)을 이용한 광음향 영상 획득 방법으로서,
    (1) 광원모듈(10)이 레이저를 공급하는 단계;
    (2) 광음향 신호 획득모듈(20)이 상기 단계 (1)에서 공급된 레이저를 전달받아 대상체로 방출하고, 상기 대상체가 상기 레이저를 흡수하여 발생시키는 광음향 신호를 검출하는 단계;
    (3) 증폭모듈(30)이 상기 단계 (2)에서 검출된 광음향 신호를 전달받아 증폭하는 단계; 및
    (4) 데이터획득모듈(40)이 상기 단계 (3)에서 증폭된 신호를 이용하여 영상처리를 통해 이미지데이터를 획득하는 단계를 포함하되,
    상기 단계 (2)의 광음향 신호 획득모듈(20)은,
    비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경(100)으로 구성되며,
    상기 현미경(100)은,
    광음향 신호를 측정하는 초음파 트랜스듀서(110);
    상기 초음파 트랜스듀서(110)와 수직방향으로 위치하도록 배치되고, 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 전달하는 광 전달부(130);
    상기 초음파 트랜스듀서(110) 및 상기 광 전달부(130)와 접하도록 배치되고, 상기 광 전달부(130)를 통해 전달된 레이저는 반사시키며, 대상체로부터 발생한 광음향 신호는 상기 초음파 트랜스듀서(110) 방향으로 통과시키는 빔 결합부(150); 및
    상기 빔 결합부(150)와 상기 대상체 사이에 위치하도록 배치되고, 상기 빔 결합부(150)로부터 반사된 레이저를 상기 대상체 방향으로 반사시키고, 상기 대상체로부터 발생한 광음향 신호를 상기 빔 결합부(150) 방향으로 반사시키는 스캐너(170)를 포함하고,
    상기 스캐너(170)는 갈바노미터 스캐너(170)(Galvanometer scanner)이고, 상기 현미경(100)은 광음향 신호의 매개체로 비전도성 유체(Nonconducting fluid)를 사용하며, 상기 갈바노미터 스캐너(170)를 비전도성 유체 속에서 직접 구동시키는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 단계 (1)에서 공급되는 레이저는,
    다이오드 레이저, 큐-스위치(Q-switch) 펄스 레이저, 다파장 변환 다이(Dye) 레이저 및 OPO 레이저 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 단계 (2)에서는,
    상기 광음향 신호 획득모듈(20)이 상기 단계 (1)에서 공급된 레이저를 광섬유를 통해 전달받는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제13항에 있어서, 상기 광 전달부(130)는,
    상기 외부 광원으로부터 공급된 레이저를 상기 빔 결합부(150)에 집광시키기 위한 대물렌즈(131)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 빔 결합부(150)는,
    레이저는 반사시키고, 광음향 신호는 통과시키는 특성을 갖도록 알루미늄 소재인 것을 특징으로 하는, 비전도성 유체를 이용한 광해상도 광음향 현미경을 이용한 광음향 영상 획득 방법.
  20. 삭제
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