KR101823122B1 - 광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도플러 간섭계와 광섬유(optical fiber)를 이용한 혈관 측정 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 곡면이 형성된 광섬유와 도플러 간섭계를 통해 수신한 광신호를 푸리에 변환하고, 푸리에 변환으로 얻은 위상(phase) 값으로 혈관의 위치와 혈류의 유속을 정량화할 수 있는 혈관 측정 장치에 관한 것이다.

Description

광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법{Device and system for detecting blood vessel based on fiber optic probe, method for manufacturing the device and method for detecting blood vessel using the system}

본 발명은 광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로는, 광섬유에 곡면이 형성된 스페이서를 포함시킴으로써 초점 거리 제어가 가능하고, 도플러 간섭계를 이용함으로써 비접촉식으로 측정이 가능하고, 실시간으로 혈관 정보를 획득할 수 있는 광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법에 관한 것이다.

최근 혈관이 좁아지거나 상당 부분이 막히는 심혈관 질환을 갖고 있는 환자의 수가 점차 증가하고 있다. 심혈관 질환을 갖고 있는 환자들 대부분은 폐쇄된 혈관을 치료하기 위해 심혈관 성형술이 필요하다. 심혈관 성형술은 혈관의 폐쇄된 부분을 잘라내고, 잘린 혈관을 문합하는 방법이 주로 이용되고 있다.

기존의 혈관 문합 수술은 육안으로 관찰되지 않는 미세 혈관의 주변 혈류가 원활하게 흐르는지 즉각적으로 확인할 수 있는 방법이 부재했다. 또한 수술 후 혈관 문합이 잘 이루어졌는지 확인이 불가능했기 때문에 문합 수술 후 혈관 문합이 잘 이루어지지 않은 경우, 혈관 주변의 조직에서 괴사가 일어나거나 내부 출혈 등 심각한 부작용으로 인해 생명에 지장이 있을 수 있다. 따라서 육안으로 쉽게 구별이 가능한 큰 혈관 위주의 문합만 이루어져왔다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로써, 혈관의 위치 측정 및 혈류 속도의 정량화가 가능하고, 긴 초점 거리 유지 및 초점 거리 조절이 가능할 수 있는 광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 혈관 측정 장치는 광원과 광원으로부터 조사된 광과 피검체로부터 반사되어 나오는 반사광을 일방향으로 인도하는 서큘레이터, 피검체로부터 반사되어 상기 서큘레이터를 통해 들어오는 광신호를 수신하는 검출부를 포함하는 도플러 간섭계, 서큘레이터에 일단이 연결된 광섬유 및 광섬유의 타단에 일단이 결합된 스페이서(spacer)를 포함할 수 있다.

광원은 스웹트 소스(swept source)를 포함할 수 있고, 스웹트 소스는 기설정된 속도로 레이저를 조사할 수 있다.

도플러 간섭계는 공통 경로 마하젠더(common-path Mach-Zhender) 간섭계일 수 있다.

스페이서는 광섬유의 코어와 동일한 소재로 이루어지고, 스페이서의 타단에는 아크 방전을 통해 곡면이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 혈관 측정 시스템은 상기 혈관 측정 장치와 혈관 측정 장치의 검출부로 들어온 제1 광신호와 제2 광신호를 비교하여 상기 피검체의 유체흐름을 판단하는 프로세서 및 프로세서의 판단 결과에 따라 외부로 소리를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.

제1 광신호와 제2 광신호는 시간의 흐름에 따라 인접한 광신호들이며, 프로세서는, 제1 광신호 및 제2 광신호를 푸리에 변환하며, 푸리에 변환된 광신호들의 위상차를 연산하여 상기 피검체의 유체흐름을 판단할 수 있다.

본 발명에 따른 혈관 측정 장치 제조 방법은 광섬유 일단의 코팅을 제거하여 코어 및 클래딩을 노출시키는 단계, 노출된 코어 및 클래딩 부분을 퓨전방전하여 스페이서의 일단을 상기 코어 및 클래딩 부분에 부착시키는 단계, 스페이서의 타단을 아크방전하여 곡면으로 성형하는 단계 및 광섬유의 타단을 도플러 간섭계에 접속시키는 단계를 포함할 수 있다.

스페이서는, 상기 스페이서의 타단을 통해 피검체에 광을 조사할 때 요구되는 피검체와의 작동거리(working distance)에 기반하여 종방향으로 기설정된 길이를 가질 수 있다.

곡면으로 성형하는 단계에서, 곡면의 원하는 곡률을 얻기 위해 아크방전시의 전압 및 전압 듀레이션을 조정하여 아크방전하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 곡면으로 성형하는 단계에서, 상기 아크방전시의 전압은 80 내지 100V이며, 전압 듀레이션은 500ms 내지 600ms인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 혈관 측정 방법은 혈관 측정 장치를 이용한 혈관 측정 방법으로써, 스페이서의 타단과 상기 피검체 사이의 거리를 작동거리만큼 접근시키는 단계, 작동거리에 도달하면 상기 광원의 광을 조사하여 상기 피검체에서 반사된 제1 광신호 및 제2 광신호를 검출하는 단계, 검출된 제1 광신호 및 제2 광신호를 푸리에 변환하여 푸리에 변환된 광신호들의 위상차를 연산하는 단계 및 연산된 결과에 따라 혈관의 혈류 흐름을 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

제1 광신호와 제2 광신호는 시간의 흐름에 따라 인접한 광신호들이다.

판단하는 단계는 연산된 위상차의 유무에 기반하여 상기 혈류 흐름을 판단하는 단계를 특징으로 한다.

연산하는 단계는 시간의 흐름에 따라 제2 광신호에 후속하는 제3 광신호와 제4 광신호를 푸리에 변환하여 제3 광신호 및 제4 광신호의 위상차를 연산하는 단계, 제1 광신호와 제2 광신호의 위상차 및 제3 광신호와 제4 광신호의 위상차의 평균값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

판단하는 단계는 계산된 평균값에 기반하여 상기 혈류 흐름 속도를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법은 도플러 광 간섭계를 이용하여 광신호를 검출하고 검출된 광신호를 푸리에 변환하여 얻은 위상 값을 통해 혈관의 위치와 혈류의 속도를 비접촉식 및 실시간으로 측정할 수 있다.

또한 광섬유 타단에 스페이서를 부착시키고 스페이서 타단에 곡면을 성형시킴으로써 긴 초점 거리 유지 및 초점 거리 조정이 가능하다.

또한 혈관의 위치를 즉각적으로 사용자에게 알려줌으로써 직관적이고 안전한 수술이 가능하다.

도 1은 본 실시예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 광섬유형 혈관 측정 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치 제조 방법의 순서도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치를 이용한 혈관 측정 방법의 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광섬유형 혈관측정장치, 이의 제조방법, 광섬유형 혈관측정시스템 및 광섬유형 혈관측정시스템을 이용한 혈관측정방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치의 개략도이다.

이하 도 1을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치 혈관 측정 장치(100)는 도플러 간섭계(120), 광섬유(142), 스페이서(144) 및 곡면(146)을 포함할 수 있다.

도플러 간섭계(120)는 광원(122), 서큘레이터(124) 및 검출부(126)를 포함할 수 있다.

여기서 도플러 간섭계(120)는 공통 경로 마하젠더 간섭계(common-path Mach-Zhender)를 포함하여 안정적인 위상 정보를 추출할 수 있다.

마하젠더 간섭계는 입사된 광신호를 2개의 암(arm)으로 분배하고 다시 이 신호를 결합하여, 각각의 암의 광경로의 길이 차에 의해 발생된 간섭현상을 이용하는 시스템이다.

광원(122)은 스웹트 소스(swept source)를 포함하여 스웹트 소스는 기설정된 속도로 레이저를 조사할 수 있다.

서큘레이터(124)는 광원(122)으로부터 조사된 광과 피검체로부터 반사되어 나오는 반사광을 일방향으로 인도할 수 있고, 검출부(126)는 피검체로부터 반사되어 나오는 반사광을 서큘레이터(124)를 통해 수신할 수 있다.

일례로, 스웹트 소스의 기설정된 속도가 100kHz일 경우, 초당 100k 개의 레이저를 조사할 수 있다. 조사된 레이저 한 개는 서큘레이터(124)를 통해 피검체에 조사되고 피검체로부터 반사되어 나오는 광은 서큘레이터(124)를 통해 검출부가 수신하게 된다.

광섬유(142)는 서큘레이터(124)의 일단에 연결되고, 광섬유(142)의 타탄에는 스페이서(spacer)(126)가 결합될 수 있다.

스페이서(126)가 광섬유(142)에 결합됨으로써 혈관 측정 장치의 작동 거리를 증가시킬 수 있어, 초점 거리를 증가시킬 수 있다. 이러한 스페이서(126)의 길이는 원하는 초점 거리에 따라 광섬유(142)의 종방향으로 상이하게 설계되어 제작될 수 있다.

스페이서(126)의 소재의 경우에 광섬유(142)의 코어의 소재와 동일할 수 있다. 즉, 광섬유(142)의 코어 측을 통해 전반사되어온 광이 스페이서를 만나 넓게 퍼져나갈 수 있게 된다. 이에 따라서 작동 거리(working distance)를 늘릴 수 있는 것이다.

더불어, 스페이서(126)의 타단에는 아크 방전을 통해 곡면(146)이 형성될 수 있다. 스페이서(126)의 타단에 곡면(146)을 형성시킴으로써 도플러 간섭계(120)에서 조사되는 광의 초점거리를 향상(증가)시킬 수 있다.

뿐만 아니라 볼렌즈를 광섬유에 접착시킴으로써 초점거리를 향상시킬 수도 있다. 그러나, 볼렌즈를 광섬유에 접착시키는 방법보다는 스페이서(126)의 일단을 광섬유의 일단에 접착시키고, 더불어 스페이서(126)의 타단을 곡면형태로 성형하는 방법을 사용하는 것이 곡면의 곡률 제어가 용이하여 더 큰 자유도를 갖는다.

구체적으로 곡면의 곡률 반경을 커지게 하면 커베이쳐(curvature)가 완만하여 작동 거리를 증가시킬 수 있고, 곡면의 곡률 반경을 작게 하면 커베이쳐(curvature)가 볼록해짐으로써 작동 거리를 감소시킬 수 있다.

반면에 아크방전을 통한 곡면 형성은 아크 방전시 최적화된 전압과 전압 듀레이션을 이용하여야 표면을 균일하면서도 일정하게 할 수 있다.

볼렌즈를 이용할 경우에는 접착제를 이용하여 광섬유의 끝단에 볼렌즈를 부착하여야 한다. 이 경우엔 상용화되어 판매되는 볼렌즈만 혈관 측정 장치에 이용해야하기 때문에 이용자가 원하는 조건의 광을 가이딩하는 광섬유를 제조하기 어렵다는 단점이 존재한다.

더불어 아크 방전을 통해 곡면을 형성하여 광을 가이딩하는 방법 외에 반사 인덱스(refractive index)의 차이를 통해 광학 설계된 그린렌즈를 이용하여 광을 가이딩할 수도 있다. 그린렌즈의 구체적인 원리는 아주 작은 크기로 설계된 마이크로 렌즈들을 연속적으로 배열하여 긴 작동거리를 형성하는 방식이다. 다수의 마이크로 렌즈들의 조합을 통해 긴 작동 거리를 형성할 수 있어, 곡면이 형성된 스페이서를 포함하는 광섬유의 역할을 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 광섬유형 혈관 측정 시스템의 개략도이다.

이하 도 2를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치(260)를 이용하는 혈관 측정 시스템(200)은 혈관 측정 장치(260), 상기 광섬유형 혈관 측정 장치(260)의 검출부로 들어온 제1 광신호와 제2 광신호를 비교하여 피검체인 혈관의 유체 흐름을 판단하는 프로세서(240) 및 프로세서(240)의 판단 결과에 따라 외부로 소리를 출력하는 출력부(220)를 포함할 수 있다.

여기서 제1 광신호(A-mode)에 대해서 혈관 측정 장치(260)의 광원(light source)인 스웹트 소스(swept source)와 관련하여 설명하기로 한다.

스웹트 소스를 광원으로 이용시에 예컨대, 초당 100kHz의 속도로 레이저 광을 방출하는 경우, 조사되는 하나의 레이저를 서큘레이터, 광섬유 및 스페이서를 지나 피검체인 혈관에 조사하고, 조사된 광신호가 피검체인 혈관에 도달하여 반사되어 다시 스페이서, 광섬유, 서큘레이터를 지나 검출부로 도달한 광신호를 제1 광신호라고 한다.

구체적으로 이러한 제1 광신호는 하나의 레이저 광에 대하여 피검체의 상이한 소재들의 경계면에서 각기 상이한 방향을 가지고 반사되어 온 여러개의 빛이 간섭을 일으켜 프린지(fringe)를 형성한 하나의 광신호이다.

더불어 매우 짧은 시간이 경과한 다음 광신호가 제2 광신호이다. 즉 매우 짧은 시간인 델타 시간를 사이에 두고 다음 광이 피검체에 도달하는데 피검체로부터 반사되어 온 광신호가 제2 광신호이다.

이러한 제1 광신호와 제2 광신호는 검출부에서 검출되고, 시간 순서대로 프로세서(240)의 메모리에 입력된다. 프로세서(240)는 메모리에 저장된 제1 광신호, 제2 광신호 및 그 이후에 계속적으로 저장되는 제N 광신호를 이용하여 연산을 수행한다.

프로세서(240)는 이러한 제1 광신호 내지 제N 광신호를 저장하며, 이들 중 순차적으로 인접된 광신호들(예컨대 제1 광신호, 제2 광신호/ 제3 광신호, 제4 광신호/ 제5광신호, 제6광신호/ … /제2n-1 광신호, 제2n 광신호)들을 푸리에 변환하여, 위상값만을 추출한다.

즉, 추출된 다수의 광신호의 위상 값은 시간 순으로 비교된다. 두 광신호 간의 위상 값 차이가 발생한 경우, 혈관에 혈류가 유속을 가지고 흐름을 알 수 있다. 혈류가 흐르는 것으로 판단되면 프로세서(240)는 출력부를 통하여 외부로 소리를 출력하도록 할 수 있다. 즉, 출력부(220)에서 소리가 출력됨으로써 즉각적으로 사용자는 혈류의 흐름을 판단할 수 있게 된다. 예시적으로 출력부(220)에 소리가 출력됨을 설명하였으나, 음성 뿐만 아니라 빛, 디스플레이 등 신호를 사용자가 오감을 통하여 인지할 수 있는 출력부라면 어떤 것이든 적용할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 광섬유형 혈관 측정 장치의 제조 방법의 순서도이다.

이하 도 3을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 먼저 광섬유 겉면의 플라스틱 코팅을 제거하여, 광섬유의 코어와 클래딩(cladding)을 노출시킨다. 노출된 코어와 클래딩 부분을 융착 접속기(fusion splicer)에 위치시켜 퓨전(fusion) 방전을 통해 스페이서의 일단을 광섬유의 노출된 코어 및 클래딩 부분에 부착시킨다.

여기서 퓨전 방전의 조건은 전압 100 내지 120V 및 전압 듀레이션 900 내지 1000ms일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 스페이서를 광섬유에 부착시킨 경우, 스페이서가 부착되지 않은 광섬유에 비해 작동 거리를 증가시킬 수 있다.

또한 스페이서의 길이에 따라 광섬유의 작동 거리가 결정되기 때문에 원하는 작동 거리만큼 스페이서의 길이를 조절하여 광섬유에 부착시킬 수 있다. 현재 이러한 작동 거리는 1400㎛까지 구현 가능하다.

이후 광섬유에 부착된 스페이서의 타단을 곡면으로 성형하기 위해 아크 방전을 수행한다. 아크 방전을 통해 스페이서에 곡면을 형성하는 방법은 외부에서 제조된 볼렌즈를 접촉시키는 방법과 달리 곡면의 곡률 반경을 조건에 따라 제어할 수 있어 작동 거리 및 해상도에 제한이 없다는 장점을 갖는다.

아크 방전을 수행할 때 원하는 곡면의 곡률을 얻기 위하여 전압 또는 전압 듀레이션(duration) 중 적어도 하나를 조정하여 아크 방전을 수행한다. 상술한 바와 같이 전압 또는 전압 듀레이션이 증가할수록 곡면의 곡률 반경이 감소하며, 일례로, 곡면의 곡률 반경이 감소되면 곡률이 증가하여 작동 거리를 감소시킬 수 있다.

또한 곡면의 곡률 반경이 증가되면 곡률이 감소하여 작동 거리를 증가시킬 수 있다.

따라서 곡면의 곡률에 따른 구체적인 전압 및 전압 듀레이션 설정을 다수의 실험을 통해 최적화된 값으로 조정하는 과정이 필요하다. 일례로, 작동 거리가 1400 μm를 갖는 혈관 측정 장치를 제조할 경우, 아크 방전의 적정 전압 및 전압 듀레이션 조건은 80 내지 1000V 및 500 내지 600ms이며, 보다 구체적으로 90V 및 550ms 일 수 있다. 타단에 곡면을 포함하는 스페이서가 부착된 광섬유의 일단은 도플러 간섭계에 접속되어 도플러 간섭계로부터 광신호를 전송받거나 도플러 간섭계에 광신호를 전송할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 광섬유형 혈관측정장치를 갖는 혈관측정시스템을 이용한 혈관 측정 방법의 순서도이다.

본 발명의 도 4를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 대해 설명하도록 한다.

도 4를 참조하면, 먼저 혈관 측정 장치의 스페이서 타단과 피검체 사이의 거리를 작동 거리만큼 접근시켜 초점을 맞추고, 이후 광원의 광을 피검체로 조사하여 피검체에서 반사된 제1 광신호 및 제2 광신호를 검출한다. 검출된 다수의 광신호들을 푸리에 변환하여 광신호들의 위상차를 연산하고, 연산된 결과에 따라 혈관의 혈류 흐름을 판단할 수 있다.

조사된 광이 피검체에 도달하고, 피검체로부터 반사된 광은 피검체의 깊이, 구성 성분 또는 움직임 등에 따라 다른 정보를 갖는다. 일예로, 피검체의 피부 층, 각 피부 층의 두께, 혈관 또는 혈액의 흐름 등에 따라 반사된 광의 신호가 달라질 수 있다.

피검체로부터 반사된 광은 다시 광섬유 및 서큘레이터를 통해 이동되어 검출부에 도달하게 된다. 수신된 제1 광신호와 제2 광신호는 시간의 흐름에 따라 인접한 광신호들이고, 제1 광신호가 수신된 후 광섬유를 이동시키지 않은 상태에서 피검체의 동일 지점에서 반사된 두 번째 광신호인 제2 광신호를 검출부에서 수신한다.

제1 광신호는 검출부에서 프로세서로 전송되고 프로세서의 메모리에 저장된 후 제2 광신호와 비교될 수 있다. 저장된 광신호들은 프로세서에서 고속으로 푸리에 변환될 수 있고, 프로세서는 광신호들의 위상차에 따라 혈류 흐름을 판단할 수 있다.

일예로, 광신호의 푸리에 변환은 cuda core processor(GPU)를 통해 고속으로 연산될 수 있다.

구체적으로, 광신호는 Z축 방향의 깊이 정보를 갖고 있고, 이때 표면을 Z₀라고 한다. Z₀의 신호와 다른 깊이 방향에서 도출된 정보들(Z₁, Z₂, Z₃ 등)은 서로 간섭을 일으키며 프린지(fringe)를 형성하게 된다. 이 프린지 하나를 제1 광신호라고 할 수 있다. 피검체로부터 반사되는 광을 검출부에서 수신 받을 때, 이 검출부는 광신호 하나의 신호를 파장에 대해서 인식한다. 광원에서 조사된 광의 파장과 K-domain 관계에 대한 정보는 광원의 설정된 조건으로 인해 이미 지정되어 있으므로, K-domain과 푸리에 관계에 있는 Z축에 대한 정보를 광신호의 K-domain을 푸리에 변환함으로써 도출할 수 있다.

이때 도출된 광신호 정보를 A_t(Z)라고 명명하고, 시간 t가 흐른 뒤 동일 지점에서 수신된 그 다음 광신호 정보를 A_t+1(Z)라고 정의할 수 있다.

푸리에 변환으로 도출된 광신호 정보 A_t(Z)의 값은 진폭 및 위상 정보를 모두 포함하는 복소수를 포함할 수 있다.

따라서 상기 도출된 광신호 정보 A_t(Z)는 A₀(Z)e^iθ로 표현할 수 있다.

여기서 θ는 위상 정보이고, 복소수 위상 라이브러리(library)를 통해 선택적으로 도출할 수 있다.

또한 위상 변이 값은 광신호 간의 위상 값의 차이를 계산하는 식, θ(t)-θ(t+1)을 통해 도출할 수 있다.

구체적으로 A_t(Z)를 A_t+1(Z)로 나누어 A₀(Z)/A₁(Z)*e^{iθ (t)-θ(t+1)} 값을 도출할 수 있으며, 상기 위상 추출 라이브러리를 통해 최종적으로 θ(t)-θ(t+1)를 도출할 수 있다.

위상 변이 값인 θ(t)-θ(t+1)가 0인 경우, 두 광신호의 위상 값 차이가 발생하지 않은 것으로, 혈류의 흐름이 없다고 판단할 수 있다. 따라서 피검체의 혈관이 존재하지 않거나, 혈관의 문합이 제대로 이루어지지 않아 혈류가 흐르지 않는다고 판단할 수 있는 것이다.

그러나 위상 변이 값인 θ(t)-θ(t+1)가 0이 아닌 경우, 두 광신호의 위상 값에 차이가 발생한 것으로, 혈류의 흐름이 있다고 판단할 수 있다. 따라서 피검체의 혈관이 존재하며, 혈관들 간의 문합이 제대로 이루어져 혈류가 이동한다고 판단할 수 있다.

또한 위상 변이 값인 θ(t)-θ(t+1)의 차이가 클수록 혈류의 유속이 더욱 빠르다고 할 수 있다.

더불어 시간의 흐름에 따라 제2 광신호에 후속하는 제3 광신호와 제4 광신호를 푸리에 변환하여 제3 광신호 및 제4 광신호의 위상차를 연산하고, 제1 광신호와 제2 광신호의 위상차 및 제3 광신호와 제4 광신호의 위상차의 평균값을 계산하여 혈류의 유속 값의 평균값을 도출할 수 있다.

혈관이 존재한다고 판단된 경우, 프로세서에서 출력부로 혈관 존재 신호를 전송하여 출력부에서 소리를 출력하여 사용자에게 혈관 존재 정보를 직관적으로 알려줄 수 있다.

또한 시간의 흐름에 따른 인접한 두 광신호의 위상 값 차이인 위상 변이 값을 통해 혈액의 속도를 정량적으로 계산할 수 있다.

실시예

혈관 측정 장치 제조 방법

광섬유의 플라스틱 코팅을 제거하여 코어와 클래딩만 남긴다. 코팅이 제거된 광섬유를 융착 접속기(furukawa s125 v2000)에 위치시킨 후 광섬유의 타단에 스페이서(FG124LA)를 접촉시킨다. 광섬유와 스페이서 사이를 전압 100V 및 전압 듀레이션 950ms의 조건으로 퓨전 방전시켜 부착시킨다. 부착된 스페이서의 길이를 원하는 작동 거리에 따라 조정하고, 길이 조정이 끝난 스페이서의 타단에 곡면을 형성시키기 위해 아크 방전시킨다. 렌즈와 피검체 사이를 최장 작동 거리인 1400μm로 조정하기 위해 아크 방전 조건은 전압 약 90V 및 전압 듀레이션 550ms로 설정한다. 곡면이 형성된 스페이서를 포함하는 광섬유는 도플러 간섭계에 접속된다.

100 : 광섬유형 혈관 측정 장치
120 : 도플러 간섭계
122 : 광원
124 : 서큘레이터
126 : 검출부
142 : 광섬유
144 : 스페이서
146 : 곡면
200 : 혈관 측정 시스템
220 : 출력부
240 : 프로세서
260 : 혈관 측정 장치

Claims (15)

1. 피검체로부터 반사되어 들어오는 광신호를 수신하는 검출부를 포함하는 혈관 측정 장치; 및
   상기 검출부로 들어온 제1 광신호와 제2 광신호를 비교하여 피검체의 유체흐름을 판단하는 프로세서를 포함하며,
   상기 프로세서는,
   시간의 흐름에 따라 제2 광신호에 후속하는 제3 광신호와 제4 광신호를 푸리에 변환하여 상기 제3 광신호 및 제4 광신호의 위상차를 연산하여, 상기 제1 광신호와 제2 광신호의 위상차 및 제3 광신호와 제4 광신호의 위상차의 평균값을 계산하는,
   혈관 측정 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 광신호와 제2 광신호는 시간의 흐름에 따라 인접한 광신호들이며,
   상기 프로세서는, 상기 제1 광신호 및 제2 광신호를 푸리에 변환하며, 푸리에 변환된 광신호들의 위상차를 연산하여 상기 피검체의 유체흐름을 판단하는,
   혈관 측정 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 혈관 측정 장치는,
   광원;
   상기 광원으로부터 조사된 광과 피검체로부터 반사되어 나오는 반사광을 일방향으로 인도하는 서큘레이터; 및
   상기 검출부;를 포함하는 도플러 간섭계;
   상기 서큘레이터에 일단이 연결된 광섬유; 및
   상기 광섬유의 타단에 일단이 결합된 스페이서(spacer);를 포함하고,
   상기 검출부는,
   상기 피검체로부터 반사되어 상기 서큘레이터를 통해 들어오는 광신호를 수신하는,
   혈관 측정 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 광원은,
   스웹트 소스(swept source)를 포함하고,
   상기 스웹트 소스는 기설정된 속도로 레이저를 조사하는,
   혈관 측정 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 도플러 간섭계는 공통 경로 마하젠더(common-path Mach-Zhender) 간섭계인,
   혈관 측정 시스템.
6. 제3항에 있어서,
   상기 스페이서는,
   상기 광섬유의 코어와 동일한 소재로 이루어지고,
   상기 스페이서의 타단에는 아크 방전을 통해 곡면이 형성된,
   혈관 측정 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 프로세서의 판단 결과에 따라 외부로 소리를 출력하는 출력부를 더 포함하는,
   혈관 측정 시스템.
8. 제3항에 있어서,
   상기 스페이서는, 상기 스페이서의 타단을 통해 피검체에 광을 조사할 때 요구되는 피검체와의 작동거리(working distance)에 기반하여 종방향으로 기설정된 길이를 갖는,
   혈관 측정 시스템.
9. 제6항에 있어서,
   상기 곡면은,
   아크 방전 시 전압 및 전압 듀레이션을 조정하여 형성되는,
   혈관 측정 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 아크 방전 시의 전압은 80 내지 100V이며, 전압 듀레이션은 500ms 내지 600ms인 것을 특징으로 하는,
    혈관 측정 시스템.
11. 광섬유의 타단에 일단이 결합된 스페이서의 타단과 피검체 사이의 거리를 작동거리만큼 접근시키는 단계;
    상기 작동거리에 도달하면 광원의 광을 조사하여 상기 피검체에서 반사된 제1 광신호 및 제2 광신호를 검출하는 단계;
    상기 검출된 제1 광신호 및 제2 광신호를 푸리에 변환하여 푸리에 변환된 광신호들의 위상차를 연산하는 단계; 및
    상기 연산된 결과에 따라 혈관의 혈류 흐름을 판단하는 단계;를 포함하며,
    상기 연산하는 단계는,
    시간의 흐름에 따라 제2 광신호에 후속하는 제3 광신호와 제4 광신호를 푸리에 변환하여 상기 제3 광신호 및 제4 광신호의 위상차를 연산하는 단계; 및
    상기 제1 광신호와 제2 광신호의 위상차 및 제3 광신호와 제4 광신호의 위상차의 평균값을 계산하는 단계를 포함하는,
    혈관 측정 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 광신호와 제2 광신호는 시간의 흐름에 따라 인접한 광신호들인,
    혈관 측정 방법.
13. 제11항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 연산된 위상차의 유무에 기반하여 상기 혈류 흐름을 판단하는 단계인,
    혈관 측정 방법.
14. 삭제
15. 제11항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    상기 계산된 평균값에 기반하여 상기 혈류 흐름의 속도를 판단하는 단계를 포함하는,
    혈관 측정 방법.
    

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