KR101822969B1 - 근적외선과 cmos 영상 센서를 이용한 비침습 생체 이미징 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 근적외선을 생체에 조사하는 제 1 단계; 상기 생체를 통과한 근적외선을 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 이용하여 가시광으로 변환하는 제 2 단계; 및 상기 가시광을 CMOS 이미지 센서를 이용하여 수광하여 생체 이미징 영상을 생성하는 제 3 단계;를 포함하는 비침습 생체 이미징 방법을 제공한다.

Description

근적외선과 CMOS 영상 센서를 이용한 비침습 생체 이미징 방법 및 시스템{Method and system for in vivo bioimaging using extended near infrared ray and CMOS image sensor}
본 발명은 비침습 생체 이미징 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는, 근적외선과 CMOS 영상 센서를 이용하여 비침습 생체 이미징을 하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 생물학 및 의료현장에서 생체 이미지화된 정보를 얻기 위하여 다양한 종류의 영상장비가 활용되고 있다. 그 중에서도 광(light)을 이용한 생체영상 방법은 다른 영상기법에 비해 관찰자나 외과수술의사에게 실시간 정보를 주는 편리성 때문에, 광범위하게 사용되고 있다. 또한, 광학 영상에 사용되는 이미지 장비나 시약은 방사선과 같은 다른 영상 기법에서 사용되는 것들과 비교하여, 비교적 저가(low price)이고, 생체친화도가 높다는 장점이 있다. 그러나 가시광선(visible light)을 사용할 경우, 생체 내 투과도가 낮기 때문에, 생체 내에서 일어나는 현상을 형광을 이용하여 감지하는데 많은 어려움이 있다. 근적외선(near-infrared light)은 생체를 통한 빛의 투과도가 최대가 되기 때문에, 다양한 생체 영상 분야에 활용되고 있다.
하지만, 근적외선을 이용하여 생체 이미징을 구현하기 위해서는 고가의 장비를 사용해야 하는 문제점을 수반하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 근적외선을 사용하여 비침습 생체 이미징을 상대적으로 저비용으로 구현할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 비침습 생체 이미징 방법을 제공한다. 상기 비침습 생체 이미징 방법은 근적외선을 생체에 조사하는 제 1 단계; 상기 생체를 통과한 근적외선을 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 이용하여 가시광으로 변환하는 제 2 단계; 및 상기 가시광을 CMOS 이미지 센서를 이용하여 수광하여 생체 이미징 영상을 생성하는 제 3 단계;를 포함한다.
상기 비침습 생체 이미징 방법에서, 상기 제 1 단계는 상기 생체의 해부학적 관찰에 필요한 다양한 파장의 근적외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계는 상기 생체를 통과한 근적외선을 근적외선 통과필터부를 이용하여 특정 파장 대역의 근적외선만 통과시키는 단계 및 상기 특정 파장 대역의 근적외선을 상기 업컨버젼 나노파티클을 이용하여 가시광으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 비침습 생체 이미징 방법에서, 상기 제 1 단계에서 상기 근적외선의 파장은 900 내지 1600nm 의 범위를 가지며, 상기 제 2 단계에서 상기 가시광의 파장은 500 내지 700nm 의 범위를 가질 수 있다.
상기 비침습 생체 이미징 방법에서, 상기 제 3 단계에서 상기 CMOS 이미지 센서는 실리콘 기반의 CMOS 이미지 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 비침습 생체 이미징 시스템을 제공한다. 상기 비침습 생체 이미징 시스템은 CMOS 이미지 센서; 상기 CMOS 이미지 센서 상에 배치되며 근적외선을 가시광으로 변환시킬 수 있는 업컨버젼 나노파티클(UCNP); 상기 업컨버젼 나노파티클 상에 배치된 근적외선 통과필터부; 및 상기 근적외선 통과필터부 상에 배치된 근적외선 조사부;를 포함한다.
상기 비침습 생체 이미징 시스템에서, 상기 CMOS 이미지 센서는 실리콘 기반의 CMOS 이미지 센서를 포함할 수 있다.
상기 비침습 생체 이미징 시스템에서, 상기 업컨버젼 나노파티클은 모듈 형태로 제공된 복수개의 업컨버젼 나노파티클을 포함하며, 상기 업컨버젼 나노파티클의 모듈은 상기 CMOS 이미지 센서의 각각의 픽셀 상에 배치될 수 있다.
상기 비침습 생체 이미징 시스템에서, 상기 근적외선 조사부는 생체의 해부학적 관찰에 필요한 다양한 파장의 근적외선을 조사할 수 있으며, 상기 근적외선 통과필터부는 특정 파장 대역의 근적외선만 통과시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 실내외 환경에서 근적외선과 일반 CMOS 영상 센서를 사용하여 엑스레이와 유사한 생체 영상을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 방법을 도해하는 순서도이다.
도 2는 파장대에 따른 광의 분류를 도해하는 도면이다.
도 3은 조직 내에서의 물-지방-단백질의 파장별 확장 근적외선의 흡수율을 나타낸 도면이다.
도 4는 물질 종류에 따른 파장별 광전 효율을 도해하는 도면이다.
도 5는 업컨버젼 나노파티클(UCNP)의 동작 원리를 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 시스템을 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 시스템을 사용하여 비침습 생체 이미징하는 방법을 도해하는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 방법을 도해하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 방법은 근적외선을 생체에 조사하는 제 1 단계(S100); 상기 생체를 통과한 근적외선을 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 이용하여 가시광으로 변환하는 제 2 단계(S200); 및 상기 가시광을 CMOS 이미지 센서를 이용하여 수광하여 생체 이미징 영상을 생성하는 제 3 단계(S300);를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 방법에서 사용되는 근적외선은, 파장대에 따른 광의 분류를 도해하는 도 2를 참조하면, 파장이 900nm 내지 1600nm 의 범위를 가지는 확장 근적외선(extended NIR, exNIR)으로 이해될 수 있다. 확장 근적외선(extended NIR, exNIR)은 통상적인 근적외선(NIR)에 비해 신체 내에서 덜 퍼지기 때문에 생체 이미징에 좀 더 적합하다. 또한 조직 내에서의 물-지방-단백질의 파장별 확장 근적외선의 흡수율을 나타낸 도 3을 참조하면, 조직에서의 물-지방-단백질의 파장별 확장 근적외선의 흡수율이 달라 장기의 종류, 성별, 조직의 나이 등을 구별할 수 있는 광학 표식으로 사용가능하다.
생체 조직은 대부분 물, 지방, 단백질로 구성되어 있고 확장 근적외선(exNIR)의 흡수체이므로 확장 근적외선을 이용하여 이미징이 가능하다. 예를 들면 975nm 파장 밴드에서의 물성분의 흡수율이 높고, 1075 nm 파장 밴드에서는 조직성분의 투과율이 높아 1075 nm/975 nm 비를 이용하면 해부학적인 특징을 관찰할 수 있으며, 엑스레이 영상과 유사한 결과를 만들어 낼 수 있다.
이러한 확장 근적외선(exNIR)을 이용하면 엑스레이보다 인체에 덜 유해하면서도 해부학적인 특징의 관찰이 가능한 비침습 생체 영상을 보다 빠르고 손쉽게 장소에 구애받지 않고 촬영 가능하게 된다.
하지만 확장 근적외선(exNIR)을 조사하여 생체 이미징을 하기 위해서는 900nm 내지 1600nm 대역에서 광전효율이 높은 InGaAs 영상 센서를 사용하는 것이 요구될 수 있다. 그러나, InGaAs 이미지 센서는 1M 픽셀당 $40,000로, 1M 픽셀당 $10인 Si 기반 CMOS 영상 센서에 비해 고가이다. Si 기반 CMOS 센서는 Si 기판 상에 CMOS 소자를 형성하여 구현한 이미지 센서를 의미할 수 있다.
본 발명자는 InGaAs 이미지 센서 대신 업컨버전 나노파티클(UCNP)과 상대적으로 저가인 Si기반 CMOS 이미지 센서를 이용하여 InGaAs 센서를 사용한 것과 동일한 비침습 생체 이미징을 하는 방식을 제시하고자 한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 방법은 근적외선을 생체에 조사하는 제 1 단계(S100) 이후에 상기 생체를 통과한 근적외선을 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 이용하여 가시광으로 변환하는 제 2 단계(S200); 및 상기 가시광을 CMOS 이미지 센서를 이용하여 수광하여 생체 이미징 영상을 생성하는 제 3 단계(S300);를 포함한다.
물질 종류에 따른 파장별 광전 효율을 도해하는 도 4를 참조하면, InGaAs 이미지 센서는 900 내지 1600nm 의 파장대에서 광전 효율이 양호하며, 실리콘(Si) 기판 CMOS 센서는 400nm 내지 1000nm까지 광전 효율이 좋고 이후 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 1000nm 내지 1400nm 대역을 생체에 조사한 후에 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 사용하여 500nm 내지 700nm 대역으로 변환하면 상대적으로 저가인 실리콘(Si) 기판 CMOS 센서를 사용하여 이미징이 가능함을 발견하였다.
업컨버젼 나노파티클(UCNP)의 동작 원리를 도해하는 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 업컨버젼 나노파티클(UCNP) 분자 하나는 낮은 에너지(적외선)의 2 개 또는 그 이상의 광자를 흡수하여 높은 에너지(가시광)의 광자를 방출한다. 따라서 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 사용하여 1000~1400 nm 대역의 근적외선을 500~700 nm 대역의 가시광 영역으로 변환 가능하게 된다. Si 기반 CMOS 센서는 400~1000 nm까지 광전 효율이 좋고 이후 급격이 떨어지므로, 확장 근적외선(exNIR)을 촬영하기에는 적합하지 않으나 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 사용하여 가시광 파장대로 변환하면 일반 CMOS 영상 센서로 촬영이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 시스템을 도해하는 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 시스템을 사용하여 비침습 생체 이미징하는 방법을 도해하는 블록도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비침습 생체 이미징 시스템(1000)은 CMOS 이미지 센서(300); CMOS 이미지 센서(300) 상에 배치되며 근적외선을 가시광으로 변환시킬 수 있는 업컨버젼 나노파티클(230); 업컨버젼 나노파티클(230) 상에 배치된 근적외선 통과필터부(210)를 포함할 수 있다. 나아가, 근적외선 통과필터부(210) 상에 근적외선 조사부가 더 제공될 수도 있다.
CMOS 이미지 센서(300)는 실리콘 기반의 CMOS 이미지 센서를 포함할 수 있으며, 픽셀(332) 마다 형성된 포토다이오드(334)를 구비할 수 있다. 또한, CMOS 이미지 센서(300)는 포토다이오드(334) 상에 배치된 컬러필터(336) 및 마이크로렌즈(338)를 더 구비할 수도 있다.
업컨버젼 나노파티클(230)은 모듈 형태로 제공될 수 있다. 상기 모듈에서는 복수개의 업컨버젼 나노파티클 어레이(235)가 적어도 한 층 이상 배치되며, 플라즈몬 방출 향상 부재(233)를 더 구비할 수 있다. 업컨버젼 나노파티클(230)의 모듈은 CMOS 이미지 센서(300)의 각각의 픽셀(332) 상에 배치될 수 있다(도 6의 (b) 참조).
도 7을 참조하면, 확장 근적외선(exNIR) 조사부(110)에서는 해부학적 관찰에 필여한 다양한 파장의 근적외선을 생체(10)에 조사하고, 근적외선 통과필터부(210)에서는 해당 근적외선 대역만 통과시키고, UCNP 모듈부(230)에서는 근적외선을 가시광 영역으로 변환하고, 영상분석부(350)에서는 다양한 파장으로 조사한 확장 근적외선(exNIR) 촬영 영상을 조합하여 해부학적 관찰이 가능한 영상(30)을 생성한다.
지금까지 근적외선과 Si 기반 CMOS 영상 센서를 이용하여 엑스레이 영상과 같은 비침습 생체 영상을 획득하는 방법 및 시스템을 설명하였다. 이에 따르면, 비침습 생체 이미징 시스템은 특정대역의 근적외선을 조사하는 부, 특정대역의 근적외선을 통과시키는 부, 특정대역의 근적외선을 가시광으로 변환하는 부, 가시광 영상을 획득하는 부, 가시광 영상을 조합하여 생체 이미징 영상을 생성하는 부로 나누어진다. 이에 따르면, 실내외 환경에서 일반 CMOS 영상 센서를 사용하여 엑스레이와 유사한 생체 영상을 획득할 수 있다. 즉, 일반 CMOS 카메라를 이용하여 확장 근적외선 촬영을 수행하고 분석하여 엑스레이 영상과 같이 해부학적 관찰이 가능한 영상을 생성하는 방식으로 구조적으로 간단하고 소형화가 가능하며, 엑스레이에 비해 인체에 안전하게 유사 엑스레이 영상을 획득 가능하여 장소에 구애받지 않고 손쉽게 골절 등을 분석하여 응급처치가 가능한 장점을 기대할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110 : 확장 근적외선 조사부
210 : 근적외선 통과필터부
230 : 업컨버젼 나노파티클
300 : CMOS 이미지 센서
332 : 픽셀
334 : 포토다이오드
336 : 컬러필터
338 : 마이크로렌즈
350 : 영상분석부
1000 : 비침습 생체 이미징 시스템

Claims (8)

  1. 근적외선을 생체에 조사하는 제 1 단계;
    상기 생체를 통과한 근적외선을 업컨버젼 나노파티클(UCNP)을 이용하여 가시광으로 변환하는 제 2 단계; 및
    상기 가시광을 CMOS 이미지 센서를 이용하여 수광하여 생체 이미징 영상을 생성하는 제 3 단계;
    를 포함하는, 비침습 생체 이미징 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는 상기 생체의 해부학적 관찰에 필요한 다양한 파장의 근적외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 제 2 단계는 상기 생체를 통과한 근적외선을 근적외선 통과필터부를 이용하여 특정 파장 대역의 근적외선만 통과시키는 단계 및 상기 특정 파장 대역의 근적외선을 상기 업컨버젼 나노파티클을 이용하여 가시광으로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비침습 생체 이미징 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서 상기 근적외선의 파장은 900 내지 1600nm 의 범위를 가지며, 상기 제 2 단계에서 상기 가시광의 파장은 500 내지 700nm 의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는, 비침습 생체 이미징 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 3 단계에서 상기 CMOS 이미지 센서는 실리콘 기반의 CMOS 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비침습 생체 이미징 방법.
  5. CMOS 이미지 센서;
    상기 CMOS 이미지 센서 상에 배치되며 근적외선을 가시광으로 변환시킬 수 있는 업컨버젼 나노파티클(UCNP);
    상기 업컨버젼 나노파티클 상에 배치된 근적외선 통과필터부; 및
    상기 근적외선 통과필터부 상에 배치된 근적외선 조사부;
    를 포함하는, 비침습 생체 이미징 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 CMOS 이미지 센서는 실리콘 기반의 CMOS 이미지 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 비침습 생체 이미징 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 업컨버젼 나노파티클은 모듈 형태로 제공된 복수개의 업컨버젼 나노파티클을 포함하며, 상기 업컨버젼 나노파티클의 모듈은 상기 CMOS 이미지 센서의 각각의 픽셀 상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 비침습 생체 이미징 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 근적외선 조사부는 생체의 해부학적 관찰에 필요한 다양한 파장의 근적외선을 조사할 수 있으며, 상기 근적외선 통과필터부는 특정 파장 대역의 근적외선만 통과시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 비침습 생체 이미징 시스템.
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