KR101790988B1 - 말초신경의 선택적 검경을 위한 무표지 영상화 시스템 - Google Patents

Abstract

본 개시 내용의 구체예에 따르면, 신경섬유 수초의 독특한 층상구조로부터 나타나는 얇은 막 간섭 현상에 기반하여, 특정 여기 파장에서 말초신경으로부터 방출되는 강한 반사광을 감지함으로써 외부 표지 없이도 근육, 혈관, 지방, 인대 등 기타 조직에 비하여 선택적으로 말초신경을 영상화하기 위한 시스템 및 방법이 기재된다.

Description

말초신경의 선택적 검경을 위한 무표지 영상화 시스템 {Label-free Imaging System for Specific Detection of Peripheral Nerve}

본 개시 내용은 외부 표지를 사용하지 않고 생체 내에서 말초신경을 선택적으로 영상화하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 신경섬유 수초의 독특한 층상구조로부터 나타나는 얇은 막 간섭 현상에 기반하여, 특정 여기 파장에서 말초신경으로부터 방출되는 강한 반사광을 이용하여 외부 표지 없이도 혈관, 근육, 지방 등 기타 생체 조직에 비하여 말초신경을 선택적으로 영상화하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

생물학적 조직 및 기관을 영상화하는데 적합한 다양한 의학 기술이 알려져 있다. 이러한 기술의 예로는 전형적으로 엑스레이, 초음파, 자기공명 영상화, CT(computerized tomograph) 등이 있다.

한편, 최근에는 말초신경을 포함하는 신경 조직의 영상화 기술에 대한 요구가 증가하고 있는 바, 예를 들면 외과 수술 과정 중 이러한 말초신경은 주변 근육 및 지방 조직과 감별하기 어려울 수 있기 때문에 이를 구분하여 가이드하는 것이 필요하고, 이외에도 국소적 마취의 가이드 또는 당뇨 합병증으로 많이 발생하는 신경병증의 진단 및 이의 신경 자극 치료를 위한 가이드용으로도 말초신경에 대한 영상화가 요구되고 있다.

일반적으로, 말초신경계 뉴런의 축색(axon)은 슈반세포(Schwann cell)에 의하여 둘러싸여 있고, 중추신경계의 뉴런에서는 희소돌기아교세포(oligodendrocyte)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 슈반세포와 희소돌기아교세포의 세포막은 특수하게 분화되어 축색을 여러 층으로 둘러싸며 서로 융합된다. 이와 같이 축색을 둘러싸고 있는 여러 층의 융합된 슈반세포의 세포막 구조를 수초(myelin sheath)라고 하며, 수초를 이루고 있는 성분은 미엘린(myelin)이라고 한다. 운동신경, 지각신경 등 대부분의 말초신경을 이루는 뉴런의 축색이 수초에 둘러싸여 있는 반면, 그렇지 않은 경우도 있다.

수초에 의하여 둘러싸여 있는 축색을 유수 축색 또는 축색 돌기(myelinated axon) 또는 유수신경 섬유(myelinated nerve fiber)로 명명하는 한편, 수초에 의하여 둘러싸여 있지 않은 축색을 무수신경 축색(unmyelinated axon) 또는 무수신경 섬유(unmyelinated nerve fiber)라고 한다. 이때, 수초는 전파(propagation), 축색돌기의 절연(axonal insulation) 및 영양적 지원(trophic support)에 있어서 중요한 역할을 담당하는 복잡한 세포 구조이다. 축색이 주로 수분으로 이루어져 있는 반면, 미엘린 수초는 지질이 80%, 그리고 단백질이 20%를 구성하고 있다.

상술한 바와 같이 말초 신경의 영상화 분야의 경우, 체내(in vivo, intraoperative) 영상화 기술이 필수적이다.

예를 들면, 외과 수술 중 신경 조직과 다른 조직을 정확하게 구별하지 못할 경우에는 신경의 절단 또는 손상과 같은 부작용이 야기될 수 있는 문제점이 존재한다.

또한, 국소 마취에 있어서 말초신경에 대한 블로킹(peripheral nerve blocking) 과정이 요구되는 바, 타겟 신경 옆에 니들 및 국소 마취제를 위치시키는 것이 요구된다. 이와 같이 말초신경에 대한 블로킹의 성공 여부는 니들 팁(tip)의 위치 및 투여되는 약제의 후속 위치에 의하여 주로 결정된다. 이처럼, 국지적 마취를 위한 정확한 위치를 결정함에 있어서 신뢰성 있는 신경 위치 특정 기술이 요구되며, 이를 통하여 말초신경과 바로 인접하는 위치에 정확하고 안전하게 니들을 위치시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 말초신경의 위치를 정확하게 파악하는 것은 각종 외과 수술, 국소 마취, 신경병증 진단 및 신경 자극 치료에 필수적으로 요구되는 만큼, 이를 가능케 하는 영상화 기술의 개발이 절실하다.

이와 관련하여, 현재 신경 조직의 영상화 기술에 대하여 지속적인 연구가 진행되고 있는데, 예를 들면 (1) 전기적 자극(Electrical stimulation; 예를 들면 국내특허공개번호 제2009-0112728호, 국내특허번호 제1270935호 등), (2) 초음파(Ultrasound), (3) MRI, (4) 형광 프로브(Fluorescent probe; 예를 들면 Michael A Whitney et al., Fluorescent peptides highlight peripheral nerves during surgery in mice, Nature Biotechnology, Vol. 29, No. 4 (APRIL 2011)), (5) 3차 조화파 발생 고분해 현미경(Third Harmonic Generation microscopy), (6) 광간섭 단층 영상(Optical coherence tomography), (7) 라만 현미경(Raman microscopy), (8) 광음향 단층촬영(Photoacoustic tomography) 및 (9) 광학 분광기술(Optical spectroscopy)이 알려져 있다.

형광 프로브(또는 표지)를 이용한 기술의 경우, 전통적인 의학 영상화 분야에서는 비특이적 형광 프로브로서 인도시아닌 그린(ICG)과 같은 트리카보시아닌 계통의 염료가 사용되어 왔다. 택일적으로, 인프라시아닌 그린, 프루오레세인 이소티오시아네이트, 로다민 등의 형광 염료가 사용되고 있다. 형광 프로브는 특정 파장의 에너지에 의하여 여기될 때 보다 긴 파장의 빛을 방출하는 물질 또는 성분(작은 분자(염료), 단백질, 기타 중합체 또는 매크로 분자를 포함함)으로서 발광 파장의 빛을 검출하여 형광 프로브의 위치 및 농도를 추적할 수 있다(미국특허공개번호 제2014/0276008호 등). 구체적으로, 형광 프로브 기반의 외과 수술 가이드 기술은 수술 중 특정 조직 및 기관에 대한 시각적 대비 효과를 증대시켜 백색광 단독에 의한 효과에 비하여 절단 대상 조직과 보호 대상 조직 간에 보다 효과적인 시각적 구별 성능을 제공한다. 이를 위하여, 형광 표지를 이용한 공초점 및 이광자 현미경을 사용하는 기술이 알려져 있다(Kirby BB et al., In vivo time-lapse imaging shows dynamic oligodendrocyte progenitor behavior during zebrafish development. Nat Neurosci. 2006; 9:1506-11). 그러나 말초신경을 혈관, 근육, 지방 등 주요 생체 조직과 다르게 선택적으로 영상화하는 기술을 제공하지는 못하며, 상용화된 제품 중에 플루오로미엘린과 같은 형광 염료가 생체 영상화에 유용할 수는 있으나, 아직 임상 사용이 허용되어 있지 않다. 최근 들어 펩타이드 및 합성염료 기반의 말초신경 특이적 형광 프로브들이 많이 개발되어 보고되고 있으나 여전히 임상 시험에 들어간 후보 물질은 전무한 상태이다(Michael A Whitney et al., Fluorescent peptides highlight peripheral nerves during surgery in mice, Nature Biotechnology, Vol. 29, No. 4 (APRIL 2011) 등). 무엇보다 형광 프로브의 독성이 가장 문제시되는데, 실제 형광 조영제로서 안전성이 인정되어 FDA 및 식약청 승인을 거쳐 판매가 허용된 종류는 제한적이며 이중 말초신경을 선택적으로 염색하는 프로브는 존재하지 않는다.

광간섭 단층 영상(OCT)의 경우, 저가간섭성 간섭계(low coherence interferometry) 또는 백색광 간섭계(white-light interferometry)의 원리와 공초점 현미경 원리를 조합시켜 생체조직 내부의 미세구조를 영상화하는 방식으로, 기본적으로 가간섭성(coherence)이 매우 짧은 광원을 이용한 마이켈슨 간섭계를 이용한다. OCT를 이용한 구조적 형태학적 관찰을 통해서도 말초신경의 영상화가 가능하지만 기타 조직과 비교되는 말초신경 특이적 컨트라스트를 보여주지는 못한다.

이외에도, 현재 임상 현장에서 주로 쓰이고 있는 전기적 자극 방식은 포인트 시뮬레이션으로서 역치가 거리에 의존하기 때문에 협소한 부위에 대하여만 적용할 수 있고, 초음파를 이용한 방식은 콘트라스트 비(contrast ratio)가 낮기 때문에 유사 조직 대비 말초신경의 구분이 어렵다. 라만 현미경을 이용하는 방식의 경우, 장치 셋업이 복잡하고 상대적으로 높은 비용이 소요된다.

이외에도, 당업계에서 외부 표지를 이용하지 않는 기타 영상화 방식 역시 큰 잠재성을 갖고 있으나, 복잡한 장치 셋업 과정 및 입수가 용이하지 않은 설비를 필요로 하는 점과 복잡한 영상 후처리 과정으로 인한 실시간 영상화가 어려운 점 등으로 인하여 널리 적용되고 있지 않다.

따라서, 전술한 종래 기술의 한계를 해소함과 동시에, 형광 프로브와 같은 외부 표지 기술을 사용하지 않으면서 말초신경의 위치를 선택적으로 실시간 생체 영상화할 수 있는 기술에 대한 요구가 여전히 존재한다.

본 개시 내용에서는 종래에 알려진 생체 영상화 기술, 특히 형광 프로브와 같은 외부 표지 물질을 사용하지 않고도 인체 내 말초신경의 위치를 선택적으로 실시간 영상화할 수 있는 시스템 및 영상화 방법을 제공하고자 한다.

본 개시 내용의 제1 면에 따르면,

검사 대상 내 말초신경을 선택적으로 영상화하는 시스템으로서,

상기 검사 대상을 조사하도록 배치된 광원, 여기서 상기 광원은 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)을 제공하는 제1 광원, 및 가시 광 대역의 빔(beam)을 제공하는 제2 광원을 포함하며, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 검사 대상을 교대로 조사하도록 구성됨;

상기 제1 광원 및 상기 제2 광원으로부터 교대 조사된 각각의 빔이 말초신경의 막 간섭 현상을 거쳐 상기 검사 대상으로부터 방출되는 반사광 중 말초신경을 지시하는 제1 광 성분을 투과시키는 한편, 상기 제1 광 성분을 제외한 제2 광 성분을 반사하도록 배열된 빔 스플리터(splitter);

상기 제1 광 성분을 센싱하여 제1 이미지를 생성하는 제1 카메라; 및

상기 제2 광 성분을 센싱하여 제2 이미지를 생성하는 제2 카메라;

를 포함하는 시스템이 제공된다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 시스템은 제1 카메라 및 제2 카메라와 각각 연결되어 제1 이미지 및 제2 이미지를 정합한 오버레이(overlay) 이미지를 생성하는 프로세싱 장치를 더 포함할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 시스템은 상기 제2 광원으로부터 방출되는 빔으로부터 600 nm 이상의 파장대역을 갖는 광을 제거하기 위한 필터를 더 포함할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 시스템은 검사 대상으로부터 방출되는 반사광을 수집하거나 가이드하여 상기 빔 스플리터로 전달하는 렌즈 부재를 더 포함할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 빔 스플리터는 다이크로익 미러(dichroic mirror)일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 제1 광원은 협대역의 레이저, 램프 또는 LED일 수 있다. 구체적으로, 제1 광원은 아르곤 레이저, 헬륨/네온 레이저, 레이저 다이오드, 초광대역 레이저(supercontinuum laser), 펄스형 Ti : 사파이어 레이저(Pulsed Ti : sapphire Laser), 제논 램프, 수은 램프, 메탈할라이드 램프 또는 이의 조합일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 제2 광원은 광대역 광원으로서, 예를 들면 가시 광원일 수 있다. 구체적으로, 제2 광원은 백열 램프(백광 텅스텐 전구), 할로겐 램프, 광대역 LED, OLED, LDLS(Laser-Driven Light Source) 또는 이의 조합일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 제1 광원 앞에는 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)을 추출하기 위하여, 특정 파장 대역의 필터(band pass filter: 640/40 등, long pass filter: 600LP 등, multiple band pass filter)를 설치할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 제1 카메라 앞에는 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)만을 받아들이기 위하여, 그리고 상기 제2 카메라 앞에는 가시 광 영역의 빛을 받아들이기 위하여 특정 파장 대역의 필터(band pass filter: 640/40 등, long pass filter: 600LP 등, multiple band pass filter)를 설치할 수 있다.

본 개시 내용의 제2 면에 따르면,

검사 대상 내 말초신경을 선택적으로 영상화하는 방법으로서,

상기 검사 대상에 대하여 광원을 조사하는 단계, 여기서 상기 광원은 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)을 제공하는 제1 광원, 및 가시 광 대역의 빔(beam)을 제공하는 제2 광원을 포함하며, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원을 교대로 검사 대상에 조사함;

상기 제1 광원 및 상기 제2 광원으로부터 교대 조사된 각각의 빔이 말초신경의 막 간섭 현상을 거쳐 상기 검사 대상으로부터 방출되는 반사광을 빔 스플리터로 전달하는 단계, 여기서 상기 빔 스플리터는 말초신경을 지시하는 제1 광 성분을 투과시키는 한편, 상기 제1 광 성분을 제외한 제2 광 성분을 반사하도록 배열됨; 및

제1 카메라에 의하여 상기 제1 광 성분을 센싱하여 제1 이미지를 생성하는 한편, 제2 카메라에 의하여 상기 제2 광 성분을 센싱하여 제2 이미지를 생성하는 단계;

를 포함하는 방법이 제공된다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 방법은 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 정합하여 오버레이(overlay) 이미지를 생성하도록 프로세싱하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 제2 광원으로부터 방출되는 빔이 검사 대상에 조사되기에 앞서 필터링하여 600 nm 이상의 파장대역을 갖는 광을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면 이 필터는 600 nm 미만의 파장대역만 통과시키는 필터(600SP, short pass filter)일 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 상기 검사 대상으로부터 방출되는 반사광을 빔 스플리터로 전달하기에 앞서 상기 반사광을 렌즈 부재를 통하여 수집하거나 가이드하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 개시 내용의 구체예에 따라 제공되는 검사 대상 내 말초신경을 선택적으로 영상화하는 시스템 및 방법은 안전성과 같은 문제로 인하여 제한적으로 적용되거나, 좁은 부위에 대하여만 진단이 가능하거나, 또는 낮은 콘트라스트 비와 같은 문제점을 갖는 종래기술의 한계를 효과적으로 해소할 수 있다. 특히, 형광 물질과 같은 외부 표지 수단을 사용하지 않고도 말초신경을 구성하는 복수 층으로부터 기인하는 간섭 현상을 통하여 충분한 세기의 반사광을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 실질적으로 실시간 영상화 역시 가능하기 때문에 외과 수술, 신경병증(Neuropathy, 당뇨합병증 및 방사선 및 항암치료의 부작용으로 발생 가능)의 진단 및 신경자극 치료, 말초신경에 대한 국소 마취(peripheral nerve blocking) 등의 가이드에 있어서 중대한 장점을 갖는다. 예를 들면, 외과 수술 과정에서 집도의가 수술 중 말초신경이 손상되지 않게 남기고 수술을 할 수 있도록 한다. 이를 통해 갑상선암 수술의 부작용으로 인한 목소리 변화, 전립선암 수술의 부작용으로 인한 발기부전 및 요실금 등을 막을 수 있다. 따라서, 향후 광범위한 활용이 기대된다.

도 1a 및 도 1b 각각은 본 개시 내용의 일 구체예에 있어서 말초신경을 구성하는 신경 섬유의 구조적 특성 및 얇은 막 간섭 현상 원리를 통한 신경 섬유의 영상화 원리를 도시하는 도면이고;
도 2a와 도 2b 각각은 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 수술 시 말초신경을 영상화하기 위한 반사 영상 시스템 및 이의 변형예를 개략적으로 도시하는 모식도이고;
도 3a는 실시예 1에서 이용된 생체 내 부위에 대한 광학적 특성을 평가하기 위한 적분구 장치가 구비된 시스템을 개략적으로 도시하는 모식도이고;
도 3b는 샘플링된 말초신경, 결합조직에 둘러싸인 말초신경, 혈관 및 근육을 나타내는 광학 현미경 사진이고;
도 4a는 실시예 1에 따라 입사광의 세기(power) 10 kHz 및 파장대 간격(interval) 5 nm 조건 하에서 조사되는 레이저 파장에 따른 투과도 및 반사도(20°, 40° 및 60°)의 측정값을 나타내는 그래프이고;
도 4b는 실시예 1에 따라 입사광의 세기(power) 40 Hz 및 파장대 간격(interval) 10 nm 조건 하에서 조사되는 레이저 파장에 따른 투과도 및 반사도(20°, 40° 및 60°)의 측정값을 나타내는 그래프이고;
도 5a 내지 도 5d는 실시예 2에 따라 여기 광인 레이저의 파장을 640 nm, 561 nm, 488 nm 및 408 nm으로 각각 설정한 경우, 지방 조직(fat), 대퇴동맥(femoral artery), 근육(muscle), 대퇴정맥(femoral vein), 대퇴신경(femoral nerve) 및 좌골신경(sciatic nerve)에 대한 반사영상 테스트 결과를 나타내는 이미지이고; 그리고
도 6은 640 nm 파장을 갖는 레이저의 조사 시 말초신경의 반사영상 테스트 결과를 나타내는 확대 이미지이다.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다. 또한, 개별 구성에 관한 세부 사항은 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다

"앞에" 및 "전단에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 구성 요소가 개재되거나 존재할 수도 있다. 이와 유사하게, "뒤에" 및 "후단에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "순차적으로"라는 표현 역시 상대적인 시간 개념으로 이해될 수 있다.

"말초신경"은 인체의 표면과 골격근, 각종 내부 장기로부터 수집된 감각을 중추신경으로 전달하고, 중추신경의 운동자극을 다시 이들에게 전달하는 통로 기관을 의미한다. 말초신경의 경우, 감각을 전달하는 신경 및 운동 신호를 전달하는 신경이 있다. 이러한 말초신경의 예로서, 상완신경총 신경(Brachial plexus nerve), 총비골신경(Common peroneal nerve), 대퇴신경(Femoral nerve), 외측넙다리피부신경(Lateral femoral cutaneous nerve), 정중신경(Median nerve), 요골신경(Radial nerve), 좌골신경(Sciatic nerve), 척수부신경(Spinal accessory nerve), 경골신경(Tibial nerve), 척골신경(Ulnar nerve) 등을 들 수 있다.

개시 내용의 요약

도 1a 및 도 1b 각각은 본 개시 내용의 일 구체예에 있어서 말초신경을 구성하는 신경 섬유의 구조적 특성 및 얇은 막 간섭 현상 원리를 통한 신경 섬유의 영상화 원리를 도시하는 도면이다.

도 1a에 있어서, 말초신경을 이루는 신경섬유는 수초상 구조로 둘러싸여 있는데, 이때 수초(미엘린)는 지질이 풍부한 복수의 층으로 이루어지는 얇은 막 구조로 이루어져 있다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 얇은 막 구조 중 상측에 위치하는 층의 표면에서 반사되는 빛과 하측의 층의 표면에서 반사되는 빛이 만나 간섭(interference) 현상, 구체적으로 막의 성질에 따라 특정 파장에서 보강 간섭(constructive interference) 및 상쇄 간섭(destructive interference)이 일어나 특정 반사 파장은 강화되는 반면, 다른 반사 파장은 억제된다.

그 결과, 보강 간섭이 일어날 경우에는 강한 반사광을 방출하기 때문에 영상화에 필요한 충분한 세기의 신호(signal)를 확보할 수 있다. 이때, 얇은 막을 구성하는 층들의 두께 및 개수가 선택적으로 반사되는 파장에 영향을 미치며, 또한 수초 두께의 불규칙성 정도, 지질의 조성 및 기타 국지적인 세포의 변수에 따라 추가적인 영향을 받을 수 있다. 따라서, 복수층의 얇은 막 구조로 이루어진 신경 섬유(말초신경)에 있어서 다양한 파장대에서 보강 간섭이 일어날 수 있고, 이로부터 얻어진 특성을 측정하여 특정 몇몇 파장대에서의 분광 반사 영상을 획득하여 결합(정합)하면 완전한 신경 섬유의 영상화를 도출할 수 있다.

상기 구체예에서 주목할 점은 도입되는 광의 여기(excitation) 파장에 따라 특이적인 말초신경의 반사광을 얻을 수 있다는 것이다. 즉, 특정 여기 파장 이상의 대역에서는 말초신경의 얇은 막 구조에 의한 보강 간섭 현상이 두드러짐에 따라 이로부터 유래하는 특이적인 반사광에 기초하여 영상화할 수 있는 반면, 이보다 낮은 여기 파장 대역에서는 영상화에 충분한 반사광을 얻을 수 없다. 따라서, 말초신경에 상당하는 이미지만을 선택적으로 또는 특이적으로 얻을 수 있게 된다.

이처럼, 일 구체예는 여기 광에 대한 말초신경의 특이적인 반사 특성을 기반으로 하며, 이때 여기 광원으로서, 적어도 약 600 nm, 구체적으로 약 600 내지 750 nm, 보다 구체적으로 약 620 내지 700 nm 파장 대역의 광을 사용할 수 있다.

또한, 광원의 세기가 약할 경우에는 말초 신경과 기타 조직(근육, 혈관 등) 간의 구별이 용이하지 않을 수 있기 때문에 반사광 측정 시 일정 세기 이상의 광원을 활용하여 노이즈 방해 없이 기타 조직에 비하여 말초신경으로부터 유래하는 보다 뚜렷한 신호(signal)를 측정할 수 있도록 적어도 약 5 mW/cm²의 광 조사를 사용하는 것이 유리할 수 있다.

일 구체예에 있어서, 검사 대상은 동물의 일부, 예를 들면 포유류, 보다 구체적으로 인체의 일부일 수 있다. 또한, 검사 대상은 피부 영역 또는 피부 아래 조직 영역(예를 들면, 외과 수술 중 및/또는 내시경을 이용한 수술 중 영상화되는 피하조직 영역)일 수 있다. 보다 구체적으로, 수술 부위는 이를 관찰하는데 사용되는 외과 수술용 현미경을 이용한 신경 수술 부위일 수 있다.

상술한 원리를 이용한 영상화 방식은 종래기술 중 간섭 현상을 이용하는 OCT와 하기의 점에서 구별된다.

OCT는 기본적으로 백색 광의 간섭 현상을 활용하는 기술로서, 생체 조직으로부터 반사된 광과 기준 미러(reference mirror)로부터 반사된 광 사이의 간섭 현상을 이용한다. 최근 개발된 OCT 기술의 경우, 완전 백색 광보다 대체적으로 근적외선 영역대의 광을 이용하여 조직에 대한 투과력을 높이고 있으나, 기본적으로 단파장 광원이 아니라 100 nm 이상의 밴드 폭(bandwidth)를 갖는 광대역 광원을 이용한다(broad-bandwidth light source, very wide spectrum light source). 이때, 가간섭성(coherence)이 높지 않은 저가간섭성 광원을 사용하여 um 영역대의 결맞음 길이(coherence length)를 얻음으로써 z축 분해능을 높이게 된다. 이와 같이, 생체 조직으로부터 반사된 광과 기준 미러로부터 반사된 광 사이의 간섭 현상을 통하여 경로 길이(path length) 및 굴절률의 차이를 알 수 있다. 가장 일반적인 형태인 시간영역 OCT(time domain OCT)의 경우, 기준 미러의 위치를 이동하면서 간섭 무늬의 변화를 관찰함으로써 위치 및 위치 변화 정보를 확보할 수 있고, 그 결과 형태학적 영상, 특히 단층활영 영상을 획득할 수 있다. 또한, 경로에 부합되는 반사광만을 감지함으로써 기타 다양한 산란광으로 인하여 야기되는 해상도의 저하를 방지하도록 한다.

반면, 본 구체예의 경우, 말초신경을 구성하는 복수의 층 중 특정 위치(예를 들면, 제1 층)에서 반사된 광과 또 다른 특정 위치(예를 들면, 제2 층)로부터 반사된 광의 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 활용한다. 이 경우, 광 경로의 차이는 광이 층 내부를 이동하는 정도에 의존하게 된다. 특히, 수술 현장에서 통상적으로 표면은 액체(혈액, 체액 등의 수분을 다량 함유하는 성분)로 구성되는데, 신경 조직의 표면층인 수초(myelin)의 경우에는 지방(lipid)으로 구성되어 있고, 중심 부분에는 액체 성분인 축색(axon)이 위치하고 있기 때문에 수초의 굴절률이 훨씬 크다. 따라서, 신경 조직의 표면층, 그리고 수초와 축색이 접촉하는 층에서 강한 반사광이 나타나고, 도 1b에 도시된 바와 같이 2개의 반사광이 특정 파장일 경우, mλ=2ndcosθ (m=정수, λ=입사광의 파장, n=굴절률(수초 층), d=수초의 두께, θ=수초로부터 축색으로 입사하는 광의 입사각)를 만족하는 조건에서 강한 보강 간섭이 일어나게 된다.

이처럼, 강한 보강 간섭을 일으키는 파장 중 혈관, 근육 등과 같은 주요 조직에서 반사 정도가 강하지 않은 파장대를 선정하여 신경(특히, 말초신경)에 특이적인 영상을 획득할 수 있는 것이다.

도 2a 및 도 2b 각각은 본 개시 내용의 예시적 구체예에 따라 수술 시 말초신경을 영상화하기 위한 반사 영상화 시스템 및 이의 변형예를 개략적으로 도시하는 모식도이다.

상기 도시된 구체예에 따른 영상화 시스템(100)은, 예를 들면 외과 수술 가이드용으로 적용될 경우, 원하지 않는 스펙트럼에 의하여 영향을 최소화할 수 있도록 외부의 주변 광으로부터 차단된 수술실 공간으로 둘러싸여 있을 수 있다.

영상화 시스템(100)을 구성하는 광원으로서 2가지 타입의 광원, 즉 제1 광원(12) 및 제2 광원(14)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 광원(12)은 적어도 약 600 nm의 파장 대역의 광을 방출할 수 있는 여기 광원이고, 제2 광원(14)은 광대역 광원으로서, 예를 들면 가시 광원(예를 들면, 백색 광원)일 수 있다. 이러한 제2 광원(14)은 후술하는 비디오 카메라에 대한 광원으로 작용할 수 있다.

상기 제1 광원(12)은, 예를 들면 협대역 레이저와 같은 레이저 광원, 협대역 램프 또는 협대역 LED일 수 있는데, 구체적으로 아르곤 레이저, 헬륨/네온 레이저, 레이저 다이오드, 초광대역 레이저(supercontinuum laser), 펄스형 Ti : 사파이어 레이저(Pulsed Ti : sapphire Laser), 제논 램프, 수은 램프, 메탈 할라이드 램프 또는 이의 조합일 수 있다. 이와 관련하여, 저렴하고 휴대성이 편리한 레이저 다이오드를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이때, 제1 광원(12)의 조사에 의한 생체 조직에서의 세기(intensity)는, 예를 들면 적어도 약 5 mW/cm², 구체적으로 약 20 내지 120 mW/cm², 보다 구체적으로 약 50 내지 100 mW/cm², 특히 구체적으로 약 70 내지 90 mW/cm² 범위일 수 있다.

또한, 제2 광원(14)은 백열램프(백광 텅스텐 전구), 할로겐 램프, 광대역 LED, OLED, LDLS(Laser-Driven Light Source) 또는 이의 조합일 수 있다. 이때, 제2 광원(14)의 생체 조직 조사 세기(intensity)는, 예를 들면 약 50 내지 120 mW/cm², 구체적으로 약 60 내지 100 mW/cm², 보다 구체적으로 약 70 내지 90 mW/cm² 범위일 수 있다. 다만, 제2 광원(14)으로서 가시 광원은 가시 광 파장 대역의 전부를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 가시 광 파장 대역의 일부를 포함하는 경우도 해당되는 것으로 이해될 수 있다.

예시적으로, 제2 광원의 파장 대역은, 예를 들면 약 200 nm에서 600 nm 미만, 구체적으로 약 350 내지 550 nm, 보다 구체적으로 약 400 내지 500 nm 범위일 수 있다.

선택적으로, 제1 광원(12) 및 제2 광원(14) 중 적어도 하나는 필요한 광 특성을 얻을 수 있도록 필터링될 수 있다. 예를 들면, 제2 광원(14)으로서, 특히 할로겐 광원을 사용할 경우, 이로부터 방출되는 광으로부터 600 nm 이상의 파장대를 갖는 광을 필터링하여 제거함으로써 가급적 가시 광으로만 조사하도록 하여 영상화의 정확도를 높일 수 있을 것이다. 이때, 필터로서, 예를 들면 단파장 투과 필터(short pass filter), 구체적으로 미국 Edmund Optics사의 SP600을 사용할 수 있다. 또한, 제1 광원 앞에는 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)을 추출하기 위하여, 선택적으로 특정 파장 대역의 필터(band pass filter: 640/40 등, long pass filter: 600LP 등, multiple band pass filter)를 설치할 수 있다.

도시된 구체예에 따르면, 제1 광원(12) 및 제2 광원(14)은 교대로 조사되는 바, 후술하는 바와 같이 오버레이 이미지를 용이하게 형성하기 위하여는 각 광원의 조사 시간은 약 10 내지 40 ms, 구체적으로 약 15 내지 35 ms, 보다 구체적으로 약 20 내지 33 ms 범위일 수 있다.

제1 광원(12) 및 제2 광원(14) 각각으로부터 교대로 방출(또는 출사)된 광은 글라스 윈도우(11) 상에 위치하는 검사 대상(예를 들면, 수술 부위)을 조사한다. 이때, 글라스 윈도우(11)는 1차적으로 특정 물체를 올려 지지하기 위한 받침대 역할을 하기 때문에 반드시 글라스 재질로 한정할 필요는 없다. 택일적으로, 검정색의 흡수성이 높은 재질로 받침대를 사용할 수 있고, 외과 수술에서는 수술대에 해당될 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 광 확장(beam expansion) 및 균일한 조사(uniform illumination)를 위하여, 광 섬유, 구체적으로 다중모드(multimode) 광 섬유를 이용하여 제1 광원 또는 여기 광원(12) 및 제2 광원 또는 가시 광원(14) 각각으로부터 방출되는 광을 콜리메이터(collimator; 광원으로부터 발산하여 입사되는 광을 평행한 광으로 출사함) 및 디퓨저(diffuser)로 가이드하고, 빔 확산기(beam expander; 13, 15)를 통하여 검사 대상을 향하여 조사한다.

도시된 예에서는 제1 광원(12) 및 제2 광원(14)이 각각 상이한 방향으로 출사되는 방식으로 검사 대상으로 조사되고 있으나, 경우에 따라서는 제1 광원(12) 및 제2 광원(14)이 서로 같거나 평행한 방향으로 검색 대상을 교대 조사할 수도 있다.

도시된 구체예에 있어서, 제1 및 제2 광원 각각에 의하여 교대 조사된 검사 대상(예를 들면, 수술 부위)으로부터 반사되는 광(반사광)에 있어서, 제1 광원(12)으로부터의 여기 광에 의하여는 수초로 둘러싸인 축색돌기(myelinated axon) 부위가 보강 간섭에 의하여 증가된 세기로 반사될 수 있다.

이와 같이 제1 광원(12) 및 제2 광원(14)의 교대 조사에 의하여 검사 대상으로부터 반사된 광(반사광)은 빔 스플리터(17)의 전단에 배치된 렌즈 부재(16)를 통하여 수집되거나 가이드될 수 있다. 구체적으로, 렌즈 부재(16)는, 검사 대상으로부터 광을 수집하고 추후 반사 이미지 카메라(19) 및 비디오 카메라(21)에 의한 이미지 캡쳐를 위하여 광 또는 이미지를 가이드하는데 적합한 임의의 렌즈 요소, 구체적으로 줌 렌즈(zoom lens)를 포함할 수 있다.

특정 구체예에 있어서, 렌즈 부재(16)로서 줌 렌즈를 사용하는 경우, 렌즈 부재(16)는 파장이 영상화되는데 적합한 적어도 하나의 광학 코팅을 포함할 수 있고, 수동 방식 또는 자동 방식으로 줌(zoom) 기능을 조절할 수 있다. 이와 관련하여, 줌 비율(zoom ratio)은, 예를 들면 최대 약 6 배, 구체적으로 최대 약 5 배, 보다 구체적으로 약 2 내지 4 배의 범위일 수 있다. 따라서, 예를 들면 최소 10×10 (mm²)에서 최대 100×100 (mm²)까지의 넓이를 영상화할 수 있으며, 그 결과 수십 ㎛의 초미세 신경부터 수 mm의 일반적인 말초신경까지 구분할 수 있도록 한다.

이와 같이 수집된 반사광은 렌즈 부재(16)으로부터의 이미지 경로 상에 배치되는 빔 스플리터(17)를 통하여 필터링된다. 빔 스플리터(17)의 대표적 예로서 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 들 수 있다. 다이크로익 미러는 전형적으로 필름으로 코팅된 글라스 표면으로서, 예를 들면 특정 파정 대역의 광만을 선택적으로 투과시키는 한편, 나머지 파장 대역의 광은 반사(예를 들면, 약 90° 각도로 반사)하는 컬러 필터를 의미할 수 있다. 다이크로익 미러에 관한 원리 및 기본적인 구성은 당업계에 알려져 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 빔 스플리터(17)에 의하여 대략 600 nm 이상의 파장 대역의 광이 투과(통과)하는 반면, 대략 600 nm 미만의 파장 대역의 광은 반사될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 빔 스플리터(17)에 의하여, 약 600 nm 이상의 파장 대역을 갖는 반사광의 경우, 이중 적어도 약 90 %(구체적으로 적어도 약 95 %, 보다 구체적으로 적어도 약 99 %)가 제1 광 성분으로서 반사 이미지 카메라(reflectance image camera; 19) 방향으로 투과(통과)한다. 한편, 약 600 nm 미만의 파장 대역의 반사광의 경우, 이중 적어도 약 90%(구체적으로 적어도 약 95%, 보다 구체적으로 적어도 약 99%)가 제2 광 성분으로서 비디오 카메라(21) 방향으로 반사된다. 이때, 반사 이미지 카메라(19) 및 비디오 카메라(21)는, 예를 들면 광-민감성 칩, 예를 들면 CCD(charged coupled device) 센서 또는 CMOS 센서를 포함하는 광학 카메라일 수 있다.

예시적 구체예에 따르면, 상기 반사 이미지 카메라(제1 카메라) 앞에는 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)만을 받아들이기 위하여, 그리고 상기 비디오 카메라(제2 카메라) 앞에는 가시 광 영역의 빛을 받아들이기 위하여, 선택적으로(optionally) 특정 파장 대역의 필터(band pass filter: 640/40 등, long pass filter: 600LP 등, multiple band pass filter)를 설치할 수도 있다(도시되지 않음).

한편, 빔 스플리터(17)를 투과하는 제1 광 성분은 축색돌기의 얇은 막 구조 내 보강 간섭 현상에 의하여 생성되는 축색돌기 특유의 광 성분(또는 제1 이미지 성분)을 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 반면, 빔 스플리터(17)에 의하여 반사되는 제2 광 성분(또는 제2 이미지 성분)은 실질적으로 해부학적(anatomical) 이미지(구체적으로 해부학적 컬러 이미지)를 형성하게 되는 바, 이러한 해부학적 이미지 정보는 수술시에 중요한 기준 정보를 제공하게 된다. 이와 관련하여, 상기 구체예에서는 600 nm 이상의 근적외선 파장 없이도, 예를 들면 약 300 내지 600 nm 파장 범위의 가시 광 대역의 광만으로도 일정 수준 또는 그 이상의 컬러 이미지를 형성할 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 도 2a에서 도시된 바와 같이 빔 스플리터(17)에 의하여 투과된 광(제1 광 성분)은 바로 반사 이미지 카메라(19)로 전달되기보다는 릴레이 렌즈(18)를 경유하여 전달될 수 있다. 한편, 빔 스플리터(17)에 의하여 반사된 광(제2 광 성분) 역시 릴레이 렌즈(20)를 경유하여 비디오 카메라(21)로 전달될 수 있다. 이때, 릴레이 렌즈(18, 20)의 주된 기능은 렌즈 부재(16)로부터의 1차 이미지(primary image)를 카메라(19, 21) 내 CCD 칩으로 전달하는 것으로, 앞서 렌즈 부재(16), 특히 줌 렌즈에 의하여 맺힌 상(이미지)을 2가지 카메라(19, 21) 각각의 CCD 칩까지 연장하여 전달하게 된다. 이는 CCD 칩을 적어도 2개 사용하고 파장 대역을 구분해야 하기 때문에 광 경로를 연장할 필요성이 있기 때문이다. 예시적 구체예에 따르면, 릴레이 렌즈(18, 20)를 사용함으로써 광량은, 예를 들면 적어도 약 80%, 구체적으로 적어도 약 85%, 보다 구체적으로 적어도 약 90% 유지하면서 상(이미지)의 맺히는 위치를 연장시켜 줄 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 릴레이 렌즈(18, 20)로부터 카메라(19, 21)까지의 모든 광 경로 길이는 실질적으로 동일할 수 있다. 릴레이 렌즈(18, 20)는, 예를 들면 동일한 물체 거리 및 이미지 거리를 갖기 때문에 이미지의 크기(magnitude)를 변화시키지 않으며, 이미지는 반사 이미지 카메라(19) 및 비디오 카메라(21) 각각의 CCD 칩 상에 형성된다.

다만, 도 2b에 도시된 바와 같이 상술한 릴레이 렌즈(18, 20) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있다.

특정 구체예에서, 반사 이미지 카메라(19)는, 예를 들면 전자증배 카메라(EMCCD 카메라)일 수 있는데, 이러한 타입의 카메라는 전자증배 회로를 이용하여 광 신호를 증폭하여 관측하는 초고감도 카메라로 알려져 있다. 또한, 비디오 카메라(21)는, 가시 광 스펙트럼 내 검사 대상(예를 들면, 수술 부위)의 이미지를 캡쳐하는데 적합한 임의의 비디오 카메라일 수 있다. 상기 비디오 카메라(21)는, 예를 들면 컬러 카메라, 구체적으로 24-비트의 컬러 CCD 카메라일 수 있으며, 독일 PCO AG사에서 시판 중인 카메라를 사용할 수 있다.

예시적 구체예에 있어서, 릴레이 렌즈(18, 20)를 거쳐 상기 반사 이미지 카메라(19) 및 비디오 카메라(21) 각각으로 생성된 제1 이미지 및 제2 이미지는 후속적으로 프로세싱 단계를 거칠 수 있다. 이를 위하여, 본 구체예에 따른 영상화 시스템(100)은 반사 이미지 카메라(19) 및 비디오 카메라(21) 각각으로부터 병렬적으로 얻어지는 이미지들을 프로세싱하여 실질적으로 실시 간 모드에 의하여 제1 이미지 및 제2 이미지를 기반으로 정합된 오버레이 이미지를 형성하기 위한 프로세싱 장치(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 정합된 오버레이 이미지를 디스플레이 장치(도시되지 않음) 상에 표시할 수 있다. 상술한 프로세싱 장치는 카메라(19, 21)로부터 각각 이미지를 수용하고, 원하는 이미지를 얻을 수 있도록 프로세싱하고, 그리고 상기 프로세싱된 이미지를 디스플레이로 전달하는데 적합한 임의의 소프트웨어 및/또는 하드웨어를 포함할 수 있다. 이러한 디스플레이 장치의 예로서, 텔레비전, 고 해상도 텔레비전, 컴퓨터 모니터 또는 프로세싱 장치로부터 신호를 받아 디스플레이하도록 구성된 기타 장치를 들 수 있다. 이처럼, 상기 예시된 영상화 시스템(100)은, 제1 광원(12)으로부터 조사된 광이 말초신경의 다층 구조의 얇은 막에서의 간섭 효과에 의하여 얻어지는 특성 이미지(제1 이미지), 그리고 육안으로(예를 들면, 외과 수술 중 집도의가 육안으로) 검사 대상(예를 들면, 수술 부위)을 인지할 수 있는 컬러 이미지(제2 이미지) 중 적어도 하나, 특히 적어도 제1 이미지를 캡쳐하여 말초신경의 특성(예를 들면, 위치, 형태, 분포 등)을 인지할 수 있도록 한다.

추가 구체예에 따르면, 영상화 시스템(100)은 선택적으로 프로세싱 장치에 추가적으로 제어 디바이스(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 이러한 제어 디바이스는 (i) 광원(12, 14), 카메라(19, 21), 및/또는 프로세싱 장치를 제어하고, 그리고/또는 (ii) 빔 스플리터(17)를 통과하는 이미지(제1 광 성분 또는 제1 이미지 성분), 빔 스플리터(17)에 의하여 반사되는 이미지(제2 광 성분 또는 제2 이미지 성분), 그리고 상기 2가지 이미지가 결합(또는 정합)된 오버레이 이미지 중 적어도 하나를 디스플레이할 수 있도록 제어할 수 있다.

도시된 영상 시스템에 있어서, 각각 얻어진 2개의 이미지를 결합(또는 정합)하여 오버레이 이미지를 얻는 구체적인 원리는 하기와 같이 설명할 수 있다.

제1 광원 및 제2 광원의 교대 조사에 의하여 검사 대상으로부터 반사된 광(반사광) 중 제1 광 성분(또는 제1 이미지) 및 제2 광 성분(또는 제2 이미지; 예를 들면 가시 광 이미지)는, 예를 들면 약 10 내지 30 Hz, 구체적으로 약 15 내지 25 Hz의 빈도로 교대 획득될 수 있고, 각각 얻어진 2가지 이미지를 소프트웨어(예를 들면, MathWorks사의 Matlab 등의 프로그램)에 의하여 결합(또는 정합)함으로써 오버레이 이미지(overlay image)를 얻을 수 있다. 예를 들면, 약 10 내지 40 ms(구체적으로 약 20 내지 33 ms) 동안 제2 광원으로부터 가시 광을 조사하여 컬러 이미지(제2 이미지)를 획득하고, 그 다음 예를 들면 약 10 내지 40 ms(구체적으로 약 20 내지 33 ms) 동안 제1 광원으로부터 특정 파장 대역(적어도 600 nm)의 여기 광을 조사하여 반사 이미지(제1 이미지)를 획득한다.

그 다음, 반사 이미지에서 미리 측정된 특정 노출시간에서의 CCD 노이즈 이미지를 차감하고, 다시 최대 강도 값(maximum intensity value)의 일정 값(대략 5%)을 역치(threshold value)로 설정하여 그 이하의 값을 제거할 수 있다. 이후, 재차 미디언 필터링(median filtering) 등의 과정을 거쳐 육안으로 용이하게 감지할 수 있도록 준컬러 이미지(pseudo-color image)로 변경하는 과정을 거치도록 한다. 이러한 프로세싱 과정을 거쳐 신경(말초신경) 이미지를 측정된 컬러 이미지에 오버레이(overlay)시켜 새로운 이미지를 형성할 수 있다. 이에 따라, 디스플레이(예를 들면, LabVIEW와 같은 소프트웨어가 사용됨)에는 주로 3개의 영상 채널이 보여진다. 즉, 컬러 해부 이미지, 반사 신경 이미지, 그리고 해부 이미지와 신경 영상의 결합(정합) 이미지가 디스플레이될 수 있다.

상술한 교대 이미지화 과정은 순차적이기는 하나, 빠른 속도로 이루어지므로 육안으로는 실질적으로 동시에 감지되는 효과를 제공하게 되고 정합 이미지 역시 복잡한 프로세싱 과정을 거치지 않을 수 있기 때문에 통상의 컴퓨터를 사용하더라도 실질적으로 동시에 디스플레이할 수 있다.

더욱이, 도시된 구체예에 있어서, 반사광은 기존의 형광 특성을 이용한 형광 이미지에 비하여 광 강도가 유의미한 수준으로 크기 때문에 노출 시간을 축소할 수 있고, 더 나아가 EMCCD 등의 고감도 검출장치(detector)를 이용함으로써 신속하게 이미지를 획득할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

생체조직 샘플에 대한 광학 특성 평가

본 실시예에서 사용된 생체조직 샘플의 광학 특성 평가 시스템을 구성하는 개별 장치는 하기와 같다.

- 레이저 광원: EQ-99(Energetiq Technology, Inc.사의 Broadband Laser-Driven Light Source; Spectral Output: 100-1000 nm)

- 스펙트로미터(spectrometer): 동우옵트론사의 Monora 200

- 광 절단기(chopper): Edmound Optics사의 Mini Optical Chopper

- 신호 증폭기(current preamplifier): Stanford Research Systems사의 STR 570

- 록-인 증폭기(lock-in amplifier): Stanford Research Systems사의 STR 830

- 적분구(integrating sphere): Thorlabs사의 IS236A-4

- 광검출기(photodetector): Thorlabs사의 FDS010

- 제어 소프트웨어: Computer LabVIEW(National Instruments, Austin, Texas)

본 실시예에서는 여기 광원의 파장을 변화시키면서 샘플링된 생체 내 말초신경의 광학적 특성을 평가하였으며, 이와 함께 비교를 위하여 결합조직에 둘러싸인 말초신경, 혈관 및 근육에 대하여도 광적 특성을 평가하였다. 전술한 광학 특성 분석을 위한 적분구 장치가 구비된 시스템의 모식도를 도 3a에 나타내었으며, 샘플링된 결합조직에 둘러싸인 말초신경, 말초신경, 혈관 및 근육 각각에 대한 광학 현미경 사진을 도 3b에 나타내었다.

- 광학 특성 평가 시스템의 작동 원리

레이저 광원으로부터 방출된 광을 회절격자(Diffraction grating) 및 슬릿(slit)으로 구성된 스텍트로미터를 거쳐 특정 파장을 선별한다. 선별된 파장의 레이저 광은 광 섬유를 통하여 가이드되고, 가이드된 레이저 광은 광 절단기에 의하여 미리 설정된 타이밍 또는 주파수로 절단됨으로써 레이저 광 출력(output)의 타이밍을 조절한다. 이와 같이 조절된 레이저 광을 입사광용 포트를 통하여 적분구(내부에 고반사율의 물질(백색)로 코팅한 구(Lambertian 반사면)로서 약한 반사광도 포획하도록 설계됨) 내로 도입한다. 이때, 입사된 광이 샘플을 투과하고 반사되도록 적분구 외벽의 복수(도시된 평가 시스템에서는 2개)의 지점에 생체 샘플을 위치시키는데, 구체적으로 투과도(transmittance)를 측정하기 위한 샘플 및 반사도(reflectance)를 측정하기 위한 샘플을 배치한다.

한편, 적분구의 검출기용 포트에는 광 검출기가 구비되는데 상기 광 검출기는 포토다이오드 기반의 검출기로서 200 내지 1100 nm까지 높은 감도로 적분구 내 반사광을 검출하고, 이의 광 파워(optical power)를 감지하여 전류로 변환시키는 기능을 한다(감지된 전류는 입사광의 광량에 비례함).

그 다음, 광 검출기에 의하여 변환된 전류(신호)는 신호증폭기를 통하여 증폭되며, 동시에 노이즈를 차단하여 후속 증폭 과정에서 노이즈까지 증폭되는 것을 사전에 방지한다. 신호증폭기를 통하여 1차적으로 증폭된 전류 신호는 록-인 증폭기에서 추가적으로 증폭되며, Computer LabVIEW에 의하여 스펙트럼 데이터 또는 컴퓨터 신호를 획득하고, 그리고/또는 이를 저장한다. 이때, Computer LabVIEW는 스펙트로스코피의 셋업을 제어하는 기능도 하게 된다.

- 생체 조직 샘플의 투과도 및 반사도 측정

집쥐(Rat, 12주령, 수컷)의 대퇴부에 위치한 좌골신경을 채취하여 결합 조직에 둘러싸인 경우 및 결합 조직을 깨끗하게 제거한 2개의 샘플을 준비하였다. 또한, 대퇴부의 주변 근육 조직, 그리고 결찰(ligature)을 통하여 혈관(대정맥, vena cava)을 채취하였다. 채취된 샘플을 슬라이드 글라스 상에 위치시킨 후에 물(식염수; saline)을 약간 떨어뜨려 건조되지 않도록 한 후에 투과도 및 반사도를 측정하였다.

본 실시예에서는 전술한 적분구 기반의 광학 특성 평가 시스템(Spectroscopy)을 이용하였으며, 400-800 nm 또는 300-1000nm 파장 대역에 걸쳐 20°, 40° 및 60°로 입사각을 각각 변화시키면서 반사광을 측정하였다. 또한, 입사광의 세기(10 kHz 및 40 Hz) 및 파장대의 간격(5 nm 및 10 nm) 역시 변화시켜 측정하였다.

(a) 입사광의 세기(power) 10 kHz 및 파장대 간격(interval) 5 nm 조건 하에서 조사되는 레이저 파장 변화에 따른 말초신경 및 혈관 결합조직에 둘러싸인 말초신경의 투과도(transmittance) 및 반사도(reflectance: 20°, 40° 및 60°)의 측정값, 그리고 (b) 입사광의 세기(power) 40 Hz 및 파장대 간격(interval) 10 nm 조건 하에서 조사되는 레이저 파장에 따른 말초신경 및 혈관 결합조직에 둘러싸인 말초신경의 투과도(transmittance) 및 반사도(reflectance: 20°, 40° 및 60°)의 측정값을 각각 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 이와 함께, 대조군으로서 혈관 및 근육 각각에 대하여 측정된 투과도 및 반사도 역시 도 4a 및 도 4b에 나타내었다.

상기 도면에 나타난 바와 같이, 신경 조직에서 높은 반사광을 나타내는 파장대역은 약 600 내지 700 nm(즉, 600 nm 이상)이었으며, 상기 파장대역에서 대조군인 근육 조직 및 혈관에 비하여 뚜렷하게 높은 반사 특성을 나타내었다. 또한, 약 470 내지 480 nm의 파장대역에서 피크 파장을 보였고, 약 550 내지 580 nm에서 실제 반사광의 세기는 다른 파장대에 비하여 높지 않았으나, 근육 조직 및 혈관과 비교하면 다소 높은 수준이었다.

이와 같이, 적어도 600 nm의 파장 대역에서 높은 반사광 세기를 얻을 수 있는 이유는 말초신경을 구성하는 복수 층에서의 보강 간섭 현상에 의하여 말초신경으로부터 높은 세기(intensity)의 반사광이 방출되었기 때문으로 판단된다.

실시예 2

여기 광원의 파장에 따른 반사 영상 테스트

본 실시예에서는 특정 파장대에서의 반사 이미지를 분석하여 말초신경의 영상화에 적합한 여기 광의 파장대를 선정하기 위하여 복수의 후보 파장대에서의 영상을 확보하였다. 이때, 복수의 후보 파장대(Ex)로서 640 nm, 561 nm, 488 nm 및 408 nm을 각각 설정하였다.

구체적으로, 공초점 레이저 스캐닝 현미경(Nikon, A1 Rsi)을 이용하였으며, 분석 대상 생체 조직으로 지방 조직(fat), 대퇴 동맥(femoral artery), 근육(muscle), 대퇴정맥(femoral vein), 대퇴신경(femoral nerve) 및 좌골신경(sciatic nerve)을 사용하였다. 각각의 생체 조직에 대하여는 단일 파장으로만 조사하도록 특정 레이저를 사용하였다. 또한, 검출 시 별도의 필터를 사용하지 않고 모든 반사광을 수집하도록 하였으며(Em(emission): No filter), 검출기는 PMT (photomultiplier tube)를 사용하여 감도를 증가시켰다.

집쥐(Rat, 12주령, 수컷)의 대퇴부에 위치한 좌골신경(sciatic nerve) 및 허벅지 부위의 대퇴신경(femoral nerve)을 각각 채취하였고, 또한 주변 근육 조직, 지방 조직, 그리고 결찰을 통하여 채취한 혈관(대퇴정맥(femoral vein) 및 대퇴동맥(femoral artery))을 대조군으로 하여 평가하였다.

슬라이드 글라스 상에 개별 샘플을 위치시키고, 물(식염수; saline)을 약간 떨어뜨려 건조되지 않도록 한 후에 커버 글라스로 덮어 측정하였다. 해당 여기 파장의 레이저 광으로부터 얻어진 지방 조직, 대퇴동맥, 근육, 대퇴정맥, 대퇴신경 및 좌골신경 각각의 반사 영상을 도 5a 내지 도 5d에 나타내었다.

도 5a에 따르면, 640 nm의 여기 파장에서 말초신경에 해당하는 대퇴신경 및 좌골신경의 경우, 다른 조직에 비하여 반사광이 가장 강하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 6에 나타낸 대퇴신경 및 좌골신경에 대한 확대 반사 영상을 살펴보면 말초신경에서 수초로 둘러싸인 축색돌기(Myelinated axon)에서 특히 강한 반사광이 방출됨을 알 수 있다.

반면, 도 5b 내지 5d에 따르면, 600 nm 미만의 여기 파장에서 테스트 대상인 지방, 대퇴부 동맥, 근육, 대퇴정맥, 대퇴신경 및 좌골신경 모두에 대하여 특이적인 반사광이 나타나지 않았다.

이처럼, 말초신경에 대하여 특이적인 반사광을 방출하도록 하는 여기 파장 대역을 도출하기 위하여 실시예 1의 스펙트로스코피 데이터로부터 가장 유력한 후보 여기 파장대로 고려되었던 600 nm 이상(구체적으로, 600 내지 700 nm)의 파장대역에 속하는 640 nm에서 강한 반사광 영상을 얻을 수 있었다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (21)

1. 검사 대상 내 말초 신경을 선택적으로 영상화하는 시스템으로서,
   상기 검사 대상을 조사하도록 배치된 광원, 여기서 상기 광원은 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)을 제공하는 제1 광원, 및 가시 광 대역의 빔(beam)을 제공하는 제2 광원을 포함하며, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 10 내지 40 ms의 간격을 두고 검사 대상을 교대로 조사하도록 구성됨;
   상기 제1 광원 및 상기 제2 광원으로부터 교대 조사된 각각의 빔이 말초신경의 막 간섭 현상을 거쳐 상기 검사 대상으로부터 방출되는 반사광 중 말초신경을 지시하는 제1 광 성분을 투과시키는 한편, 상기 제1 광 성분을 제외한 제2 광 성분을 반사하도록 배열된 빔 스플리터(splitter);
   상기 제1 광 성분을 센싱하여 제1 이미지를 생성하는 제1 카메라;
   상기 제2 광 성분을 센싱하여 제2 이미지를 생성하는 제2 카메라; 및
   제1 카메라 및 제2 카메라와 각각 연결되어 제1 이미지 및 제2 이미지를 정합한 오버레이(overlay) 이미지를 생성하는 프로세싱 장치;
   를 포함하고,
   여기서, 상기 제1 광원으로부터 조사된 빔은 적어도 600 nm 파장 대역 중 선정된 단일 파장의 빔이고, 상기 제2 광원은 600 nm 미만의 파장 대역을 갖는 광대역 광원이며, 그리고
   상기 제1 이미지는 말초 신경의 특성 이미지인 한편, 상기 제2 이미지는 해부학적 이미지인 시스템.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 반사광을 수집하거나 가이드하기 위하여 상기 빔 스플리터의 전단에 배치되는 렌즈 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제1항에 있어서, 상기 빔 스플리터는 다이크로익 미러(dichroic mirror)인 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 광원은 아르곤 레이저, 헬륨/네온 레이저, 레이저 다이오드, 초광대역 레이저(supercontinuum laser), 펄스형 Ti : 사파이어 레이저(Pulsed Ti : sapphire Laser), 제논 램프, 수은 램프, 메탈 할라이드 램프 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2 광원은 백열 램프(백광 텅스텐 전구), 할로겐 램프, 광대역 LED, OLED, LDLS(Laser-Driven Light Source) 또는 이의 조합인 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 광원의 생체 조직 조사 세기(intensity)는 적어도 5 mW/cm²인 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 광원으로부터 방출되는 빔으로부터 600 nm 이상의 파장대역을 갖는 광을 제거하기 위한 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2 광원의 파장 대역은 200 nm에서 600 nm 미만의 범위이고, 또한 상기 제2 광원의 생체 조직 조사 세기는 50 내지 120 mW/cm² 범위인 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제3항에 있어서, 상기 렌즈 부재는 줌 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 카메라 및 상기 제2 카메라 각각의 전단에 상기 제1 광 성분 및 상기 제2 광 성분이 경유할 수 있도록 릴레이 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제1항에 있어서, 상기 제1 광원으로부터 조사된 빔은 640 내지 700 nm의 파장 대역 중 선정된 단일 파장의 빔인 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제1항에 있어서, 상기 제1 광원 앞에 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam) 중 단일 파장의 빔을 추출하는 특정 파장 대역의 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제1항에 있어서, 상기 제1 카메라 앞에 적어도 600 nm 파장 대역 중 선정된 단일 파장의 빔만을 받아들이기 위하여, 그리고 상기 제2 카메라 앞에 600 nm 미만의 파장 대역을 갖는 가시광 영역의 빛을 받아들이기 위하여 각각 특정 파장 대역의 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 검사 대상 내 말초 신경을 선택적으로 영상화하는 방법으로서,
    상기 검사 대상에 대하여 광원을 조사하는 단계, 여기서 상기 광원은 적어도 600 nm 파장 대역의 빔(beam)을 제공하는 제1 광원, 및 가시 광 대역의 빔(beam)을 제공하는 제2 광원을 포함하며, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원을 10 내지 40 ms의 간격을 두고 교대로 검사 대상에 조사함;
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원으로부터 교대 조사된 각각의 빔이 말초신경의 막 간섭 현상을 거쳐 상기 검사 대상으로부터 방출되는 반사광을 빔 스플리터로 전달하는 단계, 여기서 상기 빔 스플리터는 말초신경을 지시하는 제1 광 성분을 투과시키는 한편, 상기 제1 광 성분을 제외한 제2 광 성분을 반사하도록 배열됨;
    제1 카메라에 의하여 상기 제1 광 성분을 센싱하여 제1 이미지를 생성하는 한편, 제2 카메라에 의하여 상기 제2 광 성분을 센싱하여 제2 이미지를 생성하는 단계; 및
    상기 제1 이미지 및 상기 제2 이미지를 정합하여 오버레이(overlay) 이미지를 생성하도록 프로세싱하는 단계, 이때 상기 오버레이 이미지는 상기 제1 이미지 및 제2 이미지와 함께 실시간 모드로 생성됨;
    를 포함하며,
    여기서, 상기 제1 광원으로부터 조사된 빔은 적어도 600 nm 파장 대역 중 선정된 단일 파장의 빔이고, 상기 제2 광원은 600 nm 미만의 파장 대역을 갖는 광대역 광원이며, 그리고
    상기 제1 이미지는 말초 신경의 특성 이미지인 한편, 상기 제2 이미지는 해부학적 이미지인 방법.
16. 삭제
17. 제15항에 있어서, 상기 검사대상으로부터 방출되는 반사광을 빔 스플리터로 전달하기에 앞서 상기 반사광을 렌즈 부재를 통하여 수집하거나 가이드하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제15항에 있어서, 상기 제2 광원으로부터 방출되는 빔이 검사 대상에 조사되기에 앞서 필터링하여 600 nm 이상의 파장대역을 갖는 광을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제15항에 있어서, 상기 제1 광 성분은 600 nm 이상의 파장을 갖는 반면, 상기 제2 광 성분은 600 nm 미만의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제15항에 있어서, 상기 말초신경은 상완신경총 신경(Brachial plexus nerve), 총비골신경(Common peroneal nerve), 대퇴신경(Femoral nerve), 외측넙다리피부신경(Lateral femoral cutaneous nerve), 정중신경(Median nerve), 요골신경(Radial nerve), 좌골신경(Sciatic nerve), 척수부신경(Spinal accessory nerve), 경골신경(Tibial nerve) 또는 척골신경(Ulnar nerve)인 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제15항에 있어서, 상기 방법은 외부 표지를 사용하지 않고 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.

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