KR101833855B1 - 진단 시스템 및 진단 방법 - Google Patents
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Abstract
진단 시스템 및 진단 방법이 제공된다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 각막 변성의 검출을 위한 진단 시스템 및 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 각막 변성의 검출을 위한 진단 방법에 관한 것이다. 계속해서 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 각막 변성의 조기 검출을 위한 진단 시스템 및 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 각막 변성의 조기 검출을 위한 진단 방법에 관한 것이다.
Description
본 개시는 일반적으로 진단 시스템 및 진단 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 검출을 위한 진단 시스템 및 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 검출을 위한 진단 방법에 관한 것이다. 계속해서 보다 구체적으로, 본 개시의 실시예들은 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 조기 검출을 위한 진단 시스템 및 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 조기 검출을 위한 진단 방법에 관한 것이다.
원추 각막은 중심 및/또는 부-중심 각막의 비염증성 얇아짐 및 가파름에 의해 특성화되는, 눈의 퇴행성 장애이다. 이들 구조적 변화들은 각막이 그것의 보통 완곡선보다 더 원뿔 형태가 되게 하며 치료되지 않을 때 환자의 눈의 비-가역적 시각적 장애로 이어지게 한다. 각막의 원추 각막 야기된 구조적 변화들은 또한, 추가로 진행된 원추 각막을 가진 LASIK(레이저 각막 절삭 성형술)이 나중에 각막 확장증들을 야기할 수 있으므로, LASIK 수술을 악화시키거나 또는 심지어 못하게 한다.
원추 각막에 의해 야기된 환자의 시각적 장애는 특수하게 적응된 안경들 또는 각공막콘택트 렌즈들에 의해 교정될 수 있다. 이들 교정들은, 그러나, 그것의 발병의 나중 단계에서 원추 각막을 위해 작동하지 않는다. 이 경우에, 단지 소위 각막 교차결합이 수행될 수 있으며, 이것은 발병을 정지시키거나 또는 적어도 속도를 줄일 수 있다. 완전한 시각적 재활은 결과적으로 가능하지 않다.
그러므로, 가능한 한 빨리 원추 각막을 검출하는 것이 바람직하다.
원추 각막 외에, 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성이 존재한다. 예를 들면, 투명 모서리 각막 변성 (약어: PMD; 또한 원추 각막으로 알려진)은 퇴행성 각막 상태이며, 이것은 통상적으로 각막의 하위 및 주변 영역에서 투명한, 양측성 얇아짐(확장증)에 의해 특성화된다. 특히, 각막의 중심은 온전한 중심 상피를 가진 정상 두께를 보여주지만, 하위 각막은 얇아진 주변 띠를 보인다. 윤부에 바로 인접한 각막의 부분, 보통 약 수 밀리미터들의 스트립은 해를 입지 않는다. 뿐만 아니라, 각막의 보우만(Bowman) 층이 없으며, 불규칙적일 수 있거나 또는 파열된 영역들을 가진다.
다음에, 용어(원추 각막)는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 임의의 각막 변성을 나타낼 수 있다. 그러므로, 본 명세서 전체에 걸쳐, 보다 특정한 용어(“원추 각막”)는 보다 일반적인 구절(“인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 각막 변성”)로 또는 “투명 모서리 각막 변성”과 같은, 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 각막 변성을 표현한 임의의 용어로 대체될 수 있다.
원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성을 검출하기 위한 기존의 진단 시스템들 및 진단 방법들은 단지 각막의 단층 촬영의 측정 및 이러한 단층 촬영에서 원뿔형 변형의 검출에 기초한다. 그러므로, 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성은 단지 발병의 비교적 늦은 단계에서만 검출될 수 있으며, 여기에서 환자의 시각적 장애가 이미 진행된다.
상기를 고려하여, 각막의 구조적 부분의 식별 및 상기 각막의 이러한 구조적 부분의 생물 역학적 속성의 식별을 허용하는, 진단 시스템 및 진단 방법을 제공하기 위한 요구가 있다. 보다 구체적으로, 진단 시스템 및 진단 방법을 제공하기 위한 요구가 있으며, 이것은 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 조기 검출을 허용한다.
본 개시는 다음의 조사 결과들에 기초한다:
조기 단계에서 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성을 검출하기 위해, 그에 의해 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성을 개시하는 것이 각막의 임상학적으로 나타내어진 거시적인 구조적 변화들이 생겨나기 전에, 신뢰 가능하게 진단될 수 있는, 각막의 파라미터들을 획득하는 것이 바람직하다.
각막 또는 각막의 내재된 구조의 단일 부분들은 선형-탄성, 동종 및/또는 등방성 재료로서 고려될 수 있다. 각막의 내재된 구조는 각막 상피, 보우만 층(또는 전방 한계 막으로서 알려진), 각막 기질(또한 고유질로서 알려진), 두아(Dua) 층, 데스메(Descemet) 막(또한 후방 한계 막으로서 알려진) 및 각막 내피를 포함한다.
병인학에 대해 및 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 발병 동안, 각막의 생물 역학적 속성들의 변화들이 관련될 가능성이 가장 높다.
생물 역학적 속성은 탄성기계적 속성 및/또는 점탄성 속성에 의해 표현될 수 있다. 이것들은 강성도 관련 속성들이다. 예를 들면, 생물-역학적 속성은 다음의 계수들 중 하나 이상에 의해 특성화될 수 있다:
ㆍ 등방성 동종 재료들을 설명할 수 있는 종방향 계수(M)(또한 P-파 계수 또는 구속 탄성 계수로서 알려진). 그것은 단축 변형 상태에서의 축 변형률에 대한 축 응력의 비로서 정의될 수 있으며, 여기에서 다른 비-축 변형률들의 모두는 0이다(즉, 0의 측방향 변형률(lateral strain)).
ㆍ 반대 힘들이 상기 축을 따라 인가될 때, 축을 따라 변형시키기 위해 매질의 인장 탄성 또는 성향을 설명할 수 있는, 영 계수(E)(또한 간단히 탄성 계수로서 불리우는). 그것은 인장 변형률에 대한 인장 응력의 비로서 정의될 수 있다.
ㆍ 반대 힘들에 의해 동작될 때, 전단하려는 오브젝트의 성향(일정한 볼륨에서 형태의 변형)을 설명할 수 있는, 전단 계수(G)(또한, 강성 계수로서 알려진, μ, mu 또는 라메(Lame)의 제 2 파라미터). 그것은 전단 변형률에 대한 전단 응력으로서 정의될 수 있다. 전단 계수(G)는 점성의 도출의 부분일 수 있다.
ㆍ 모든 방향들로 균일하게 로딩될 때, 모든 방향들로 변형하기 위한 매질의 성향 또는 체적 탄성을 설명할 수 있는, 체적 탄성 계수(K). 그것은 체적 변형률에 대한 체적 응력으로서 또는 압축률κ(또는 카파)의 역으로서 정의될 수 있다. 체적 탄성 계수(K)는 영 계수(E)의 3차원들로의 확장으로서 이해될 수 있다.
ㆍ 반대 힘이 축을 따라 인가될 때, 상기 축을 따라 변형하기 위한 매질의 성향 또는 인장 탄성을 또한 설명할 수 있는, 라메 제 1 파라미터(λLame)(또는 람다-라메(lambda-Lame)).
ㆍ 매질이 하나의 방향으로 압축될 때, 압축의 방향에 수직인 다른 두 개의 방향들로 팽창하기 위한 매질의 성향을 설명할 수 있는, 푸아송 비(ν)(또는 nu, 또한 푸아송 수로서 알려진). 그것은 압축의 부분(또는 퍼센트)으로 나뉘어진 팽창의 부분(또는 퍼센트) 또는 횡방향 대 축 변형률의 음의 비로서 정의될 수 있다.
응력은 힘이 인가되는, 영역으로 나뉘어진 변형으로 인해 야기된 회복력으로서 정의될 수 있다. 변형률은 오브젝트의 원래 상태에 대한 응력에 의해 야기된 변화의 비로서 정의될 수 있다.
동종의 등방성 선형 탄성 매질에 대해, 서로 간에 계수들 위에서 연결하는 관계들이 추론될 수 있다. 예를 들면, 체적 탄성 계수(K), 영 계수(E) 및 전단 계수(G)는 푸아송 비(nu)를 통해 상호 연결된다:
추가 예로서, 체적 탄성 계수(K), 전단 계수(G) 및 종방향 계수(M)는 다음과 같이 상호 연결된다:
그러므로, 상기 계수들 중 일부가 알려져 있을 때, 다른 알려지지 않은 계수들이 그로부터 산출될 수 있다.
생물-역학적 속성을 측정하기 위해, 그것에 브릴루앙 산란(약어: BS)에 기초한 기술이 이용될 수 있다. 이와 같은 브릴루앙 산란이 알려져 있다. 간단히 말해서: 포논(음향 모드, 즉 음파와 같은)은 매질 내에서 위치 의존적 질량 밀도 변화들을 나타낸다. 이들 국소적 압축들 때문에, 매질의 광학 밀도(n)(즉, 굴절률)가 국소적으로 변한다. 이것은 공간적으로 주기적 광학 밀도 변화를 야기하며, 이것은 충돌하는 간섭 광에 대한 회절 격자를 나타낸다. 브릴루앙 산란은, 간섭 광이 그곳에 편향되거나 또는 반사됨으로써 이러한 공간적으로 주기적 광학 밀도 변화와 상호 작용할 때, 발생한다. 포논이 매질 내에서 이동하므로, 편향된/반사된 광은 도플러 시프트를 겪는다. 즉, 브릴루앙 산란된 광자들은 그것들의 에너지를 변경하며, 그런 이유로 브릴루앙 산란은 비탄성 산란 프로세스이다. 광자 에너지에서의 변화는 편향되지 않은/반사되지 않은, 즉 충돌하는 광의 주파수(f) 및 파장(λ)에 대하여 위 또는 아래로 주파수 시프트(fB) 및 파장 시프트(λB)를 야기하는 광의 주파수(f) 또는 광의 파장(λ)(여기에서 f 및 λ는 광의 진공 속도인 c 및 매질의 비-교란 광학 밀도인 n을 갖고 fㆍλ=c/n에 의해 상호 연결된다)의 변화에 대응한다. 결과적으로, 각각 비탄성 브릴루앙-산란된 광의 주파수는 f±fB이며 비탄성 브릴루앙-산란된 광의 파장은 λ±λB이고, 브릴루앙 산란된 광의 스펙트럼은 소위 레일리 피크(Rayleigh peak)를 형성한 탄성적으로 편향된/반사된 광 외에, 또한 적어도 하나의 부가적인 사이드 피크(side peak) 또는 사이드 밴드(side band), 소위 스토크스(Stokes) 및/또는 반-스토크스(anti-Stokes) 피크 또는 스토크스 및/또는 반-스토크스 브릴루앙 피크(Brillouin peak)를 형성하는 비탄성 브릴루앙-산란된 광(inelastically Brillouin-scattered light)을 포함한다. 일반적으로, 브릴루앙 산란된 광자들은 또한 그것들의 전파 방향을 변경하며, 여기에서 편향된/반사된 BS 광의 주파수 시프트(fB)는 아래에 의해 충돌하는 편향되지 않은/반사되지 않은 광 빔 및 편향된/반사된 브릴루앙 산란된 광 빔 사이에서의 산란 각(θ)에 의존한다:
여기에서
- n은 매질의 국소적 광학 밀도이고(포논에 의해 변경되지 않을 때),
- V는 포논의 속도이고(즉, 재료에서 음파의 속도 또는 음향 속도; 포논의 파장인 Λ 및 포논의 주파수인 Ω을 갖고 V=ΛㆍΩ),
- λ는 진공에서의 부수적(예로서, 편향되지 않은/반사되지 않은) 광 파의 파장이며,
- θ는 충돌하는 부수적(예로서, 편향되지 않은/반사되지 않은) 광 파의 전파 방향 및 편향된/반사된 브릴루앙 산란된 광파의 전파 방향 사이에서의 산란 각이다.
정의에 대하여, θ가 0일 때(즉, θ=0°), 충돌하는 편향되지 않은/반사되지 않은 광 파의 전파 방향은 편향된/반사된 브릴루앙 산란된 광파의 전파 방향에 역-평행한다. 각각 “-“ 부호는 스토크스 브릴루앙 피크에 대응하며 “+” 부호는 반-스토크스 브릴루앙 피크에 대응한다. 주파수 시프트(fB)는 |λB|≪λ에 대해 |fB|
cㆍnㆍ|λB|/λ2를 통해 파장 시프트(λB)에 대응한다.
주파수 시프트(fB)는 산란 각(θ)에 의존하므로, 각각의 산란 각(θ)은 특정 주파수 시프트(fB)와 관련된다. 주파수 시프트(fB=±2ㆍnㆍV/λ)의 최대/최소 값은 충돌하는 산란되지 않은/편향되지 않은/반사되지 않은 광 파의 반대 방향으로 편향되고/반사되는, 브릴루앙 산란된 광 빔에 대응하는, θ=0°에 대해 획득된다. θ=0°의 경우에, 주파수 시프트(fB)는 또한 종방향 브릴루앙 시프트로 불리운다.
브릴루앙 산란된 광 빔을 분광학적으로 분석함으로써, 매질의 생물 역학적 속성들이 결정될 수 있다. 예를 들면, 복소 값 종방향 계수(M)는 아래(Reiß 외의, “눈 렌즈의 유동학적 속성들을 결정하기 위해 공간적으로 분해된 브릴루앙 분광학(Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens)", 생물 의학적 옵틱스익 스프레스(Biomedical Optics Express), Vol. 2, No. 8, 페이지 2144-2159)에 의한 포논(V)의 속도에 의존한다:
여기에서
- ρ는 포논이 전파하는, 매질의 질량 밀도이며,
- ΔfB는 BS 편향된/반사된 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 라인 폭이다.
라인 폭(ΔfB)은 포논의 수명의 역에 대응하며 매질을 통한 전파 동안 포논(음파)의 감쇠를 특성화한다. 예를 들면, 라인 폭(ΔfB)은 스토크스 또는 반-스토크스 브릴루앙 피크 또는 주파수 간격을 특성화하는 스펙트럼 폭의 임의의 다른 적절한 정의의 반치 전폭(약어: FWMH)으로서 측정될 수 있으며, 그것을 통해 모든 스펙트럼 성분들의 크기는 최대 값을 가진 성분의 크기의 특정된 부분과 같거나 또는 그보다 크다.
브릴루앙 산란된 광 파가 충돌하는 산란되지 않은/편향되지 않은/반사되지 않은 광 파의 반대 방향으로 편향되고/산란될 때(즉, θ=0°), 전단 계수(G)는 기여하지 않으며(즉, G=0) 종방향 계수(M)는 체적 탄성 계수(K)와 같고(즉, M=K), 식(2)를 비교하자. 이 경우에, 식 (4)는 아래가 된다:
및
M1은 매질의 탄성기계적 속성을 설명한다. M2는 매질의 점탄성 속성을 설명한다.
식(5) 및 식(6)으로부터, 그것은 다음을 따른다: 매질로부터 후방 산란된 브릴루앙 산란된 광 빔의 사이드 밴드들(스토크스 또는 반-스토크스) 중 하나의 주파수 시프트(fB)를 측정함으로써, 매질의 탄성기계적 속성과 관련되는 정보가 획득될 수 있다. 매질로부터 후방 산란된 브릴루앙 산란된 광의 사이드 밴드들 중 하나의 주파수 시프트(fB)를 측정함으로써 및 이러한 사이드 밴드의 라인 폭(ΔfB)을 측정함으로써, 매질의 점탄성 속성에 관련되는 정보가 획득될 수 있다. 보다 일반적으로, 주파수 시프트(fB) 및/또는 라인 폭(ΔfB)을 표현하는 데이터를 제공함으로써, 매질의 생물-역학적 속성들에 관한 정보가 획득될 수 있다.
본 개시에서, 진단 시스템 및 진단 방법이 제공된다.
진단 시스템은 광 간섭성 단층 촬영(약어: OCT) 디바이스를 포함하며, 이것은 제 1 파장(λ1)을 가진 제 1 측정 광 빔을 방출하도록 구성된다. 진단 시스템은 부가적으로 브릴루앙 산란(약어: BS) 분광계를 포함하며, 이것은 제 2 파장(λ2)을 가진 제 2 광 빔을 방출하도록 구성되며, 여기에서 제 2 파장(λ2)은 제 1 파장(λ1)과 상이하다. 진단 시스템은 또한 빔 결합기를 포함하며, 이것은 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔이 각막을 향해 동일한 광 경로를 따라 전파하도록 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔을 조합하도록 구성된다. 진단 시스템은 빔 유도 및 집속 디바이스를 더 포함하며, 이것은 각막 상에서의 또는 그것에서의 미리 결정된 위치(x,y,z)에서 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔을 함께 집속하도록 구성된다. 각막에 의해 및 그로부터, 제 1 및 제 2 광 빔은 이전에 각막 상에서의/에서의 미리 결정된 위치(x,y,z)에서 초점에 들어간 제 1 및 제 2 광 빔의 반대 방향으로 및 그것을 따라 뒤로 적어도 부분적으로 편향되고/반사되고/산란될 수 있다. 빔 결합기는 제 1 후방 산란된 광 빔이 OCT 디바이스에 들어가며 제 2 후방 산란된 광 빔이 BS 분광계에 들어가도록 각막으로부터 후방 산란된 제 1 및 제 2 광 빔을 분리한다. OCT 디바이스는 각막의 위치 의존적 구조적 속성을 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 1 광 빔을 간섭 측정으로 분석하도록 구성된다. BS 분광계는 후방 산란된 제 2 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 2 광 빔을 분광학적으로 분석하도록 구성된다.
각막의 위치 의존적 구조적 속성을 표현하는 OCT 데이터를 제공함으로써, 각막의 국소적 구조에 대한 공간적으로 분해된 정보가 획득될 수 있다. 부가적으로, 후방 산란된 제 2 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z))를 표현하는 BS 데이터를 제공함으로써, 각막의 탄성기계적 및 그에 따라 생물-역학적 속성에 대한 공간적으로 분해된 정보가 획득될 수 있다. 제 1 및 제 2 광 빔이 각막 상에서의 또는 그것에서의 동일한 국소적 위치(x,y,z)로 함께 집속됨에 따라, 국소적 구조 및 생물-역학적 속성은 각막 상에서/에서의 하나의 동일한 위치(x,y,z)와 관련된다. 그러므로, 진단 시스템은 각막의 구조적 부분의 식별 및 각막의 이러한 구조적 부분의 생물 역학적 속성의 식별을 허용한다.
뿐만 아니라, 특정 시간 기간에 걸쳐 각막을 모니터링하기 위한 진단 시스템을 사용할 때, 각막의 구조의 변화들 및 각막의 생물 역학적 속성의 변화들 양쪽 모두는 공간적으로 분해된 및 국소적으로 상관된 방식으로 관찰될 수 있다. 이러한 변화들은 각막의 무결성 또는 각막의 개시된 또는 심지어 진행된 원추 각막을 표시할 수 있다. 결과적으로, 진단 시스템은 원추 각막 또는 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성의 조기 검출을 허용한다.
진단 시스템의 추가 이점은 다음과 같다: 각막의 구조적 및 생물-역학적 특성화는 그것이 단지 제 1 및 제 2 광 빔의 방출에만 기초하므로, 빠르고 무접촉으로, 예를 들면, 비-외과적(non-invasive)이며 체내에서 수행될 수 있다. 더욱이, 제 1 및 제 2 광 빔을 조합한 빔 결합기 때문에, 진단 시스템은 각막의 구조적 및 생물 역학적 속성들의 동시 측정을 허용한다. 이것은 전체 진단 시간을 감소시킬 뿐만 아니라, 각막의 구조적 및 생물 역학적 속성들의 시간적 상관을 또한 보장한다.
OCT 디바이스는 푸리에 도메인에서의 OCT(요컨대: FD-OCT)에, 스펙트럼 도메인에서의 OCT(약어: SD-OCT)에 또는 스윕-소스(swept-source)(약어: SS-OCT)에서 이용하는 OCT에 기초할 수 있다. FD-OCT 및 SD-OCT는 통상적으로 특정한 스펙트럼 대역폭(Δλ1)의 광대역 광을 계속해서 방출하는 광원을 사용한다. SS-OCT는 통상적으로 스펙트럼적으로 협대역 광을 즉각적으로 방출하며 스펙트럼 대역폭(Δλ1)에 걸쳐 계속해서 동조되는 스펙트럼적으로 동조 가능한(즉, 방출된 광의 파장(λ1)에 대하여) 광원을 사용한다. 제 1 광 빔의 제 1 파장(λ1)은 OCT-스펙트럼의, 즉, 스펙트럼 대역폭(Δλ1)의 중심 파장일 수 있다. OCT 디바이스는 10 μm 이하의 축 분해능을 가질 수 있다. OCT 디바이스는 100 μm 이하의 측방향 분해능을 가질 수 있다. 제 1 광 빔은 제 1 간섭 광 빔일 수 있다. 제 1 광 빔의 제 1 파장(λ1)은 약 800 nm일 수 있다. OCT 디바이스의 스펙트럼 대역폭(Δλ1)은 약 100 nm일 수 있다.
OCT 디바이스는 초점 위치(x,y,z)에서 또는 그 부근에서 각막의 이미지를 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 1 광 빔을 간섭 측정으로 분석하도록 구성될 수 있다. OCT 디바이스는 각막의 위치 의존적 광학 밀도(n(x,y,z))(예를 들면, n(x,y,z)이 포논에 의해 교란되지 않을 때), 각막의 위치 의존적 질량 밀도(ρ(x,y,z)) 및/또는 각막의 위치 의존적 반사율(r(x,y,z))을 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 1 광 빔을 간섭 측정으로 분석하도록 구성될 수 있다.
산란은 일반적인 물리적 프로세스이며, 여기에서, 광과 같은, 몇몇 형태의 복사는 그것이 통과하는 매질에서 하나 이상의 국소화된 비-균일성들에 의해 직선 궤적으로부터 벗어나도록 강요된다. 이것은 또한 예를 들면, 반사 법칙에 의해 예측된 각도로부터, 반사된 복사의 편위를 포함할 수 있다. 결과적으로, 반사 또는 편향은 산란을 나타낼 수 있다. 특히, 후방 산란되는 임의의 광 빔이 또한 반사되고 및/또는 편향되는 것으로 고려될 수 있으며, 그 반대일 수 있다. 이러한 의미에서, 본 명세서 전체에 걸쳐, 용어(“후방 산란된(backscattered)”)는 “반사된”으로 및/또는 “편향된”으로 또는 그것의 임의의 임의 조합에 의해 대체될 수 있다.
BS 분광계는 100μm 이하의 분해능을 가질 수 있다. 제 2 광 빔은 제 2 간섭 광 빔일 수 있다. (즉, 편향되지 않은, 반사되지 않은, 산란되지 않은) 제 2 광 빔의 제 2 파장(λ2)은 약 532 nm일 수 있다. 제 2 광 빔의 라인 폭, 예를 들면, 스펙트럼 분포의 FWHM은 10 MHz와 같거나 또는 그보다 작을 수 있다.
BS 분광계는 또한 후방 산란된 제 2 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z))을 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 2 광 빔을 분광학적으로 분석하도록 구성될 수 있다. 이러한 정보는 각막의 점탄성 속성을 나타낸다. 따라서, 진단 시스템은 각막의 구조적 부분의 식별 및 각막의 이러한 구조적 부분의 탄성기계적뿐만 아니라 또한 점탄성 속성(viscoelastic property)의 식별을 허용할 수 있다.
빔 유도 및 집속 디바이스는, 그것을 따라 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔이 각막 상에서 또는 그것에서의 초점에 들어가는, 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔의 지향 방향(directional orientation)(kx,ky,kz)을 조정하도록 구성될 수 있다. BS 분광계는 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 방향 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z,kx,ky,kz)를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 2 광 빔을 분광학적으로 분석하도록 추가로 구성될 수 있다. 다시 말해서: BS 분광계는 제 2 광 빔의 초점의 위치에 의존할 뿐만 아니라, 제 2 광 빔이 초점에 들어가는, 방향에 또한 의존하여, 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 주파수 시프트(fB(x,y,z,kx,ky,kz)를 표현한 BS 데이터를 제공할 수 있다. 이것은 텐서 표현에 대하여 각막의 탄성기계적 속성의 측정을 허용한다. 예를 들면, 주파수 시프트(fB(x,y,z,kx,ky,kz)의 위치 및 방향 분해된 측정은 (M1)j i와 같은 텐서-계수를 산출하기 위해 사용될 수 있다. 결과로서, 각막의 이방성 탄성기계적 속성이 관찰될 수 있으며, 이것은 개시된 원추 각막 또는 각막의 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성에 대한 추가 표시를 제공할 수 있다.
빔 유도 및 집속 디바이스는, 그것을 따라 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔이 각막 상에서 또는 그것에서의 초점에 들어가는, 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔의 지향 방향(kx,ky,kz)을 조정하도록 구성될 수 있다. BS 분광계는 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 방향 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z,kx,ky,kz)을 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 2 광 빔을 분광학적으로 분석하도록 추가로 구성될 수 있다. 다시 말해서: BS 분광계는 제 2 광 빔의 초점의 위치에 의존할 뿐만 아니라, 그것을 따라 제 2 광 빔이 초점에 들어가는, 방향에 또한 의존하여, 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 라인 폭(ΔfB(x,y,z,kx,ky,kz))을 표현한 BS 데이터를 제공할 수 있다. 이것은 텐서 표현에 대하여 각막의 점탄성 속성의 측정을 허용한다. 예를 들면, 주파수 시프트(fB(x,y,z,kx,ky,kz) 및 라인 폭(ΔfB(x,y,z,kx,ky,kz)의 위치 및 방향 분해된 측정은 (M2)j i와 같은 텐서-계수를 산출하기 위해 사용될 수 있다. 결과로서, 각막의 이방성 점탄성 속성이 관찰될 수 있으며, 이것은 개시된 원추 각막 또는 각막의 인간 각막의 생물 역학적 안정성에 영향을 주는 다른 각막 변성에 대한 추가 표시를 제공할 수 있다.
진단 시스템은 제어 및 분석 디바이스를 포함할 수 있다. 제어 및 분석 디바이스는 1-, 2- 또는 3-차원 방식으로 각막 상에서 또는 그것에서 초점의 미리 결정된 위치(x,y,z)를 스캔하도록 및/또는 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔이 각막 상에서 또는 그것에서 초점에 들어가는 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔의 지향 방향(kx,ky,kz)을 스캔하도록 빔 유도 및 집속 디바이스를 제어하기 위해 구성될 수 있다.
제어 및 분석 디바이스는 OCT 데이터로부터 공간적으로 분해된 위상적 및/또는 형태학적 구조를 산출하도록 구성될 수 있다. 제어 및 분석 디바이스는 초점 위치(x,y,z)에서 또는 그 부근에서 각막의 이미지를 OCT 데이터로부터 생성하도록 구성될 수 있다. 그러므로, 예를 들면, 각막의 지형도 또는 형태학이 획득될 수 있다. 이러한 획득은 각막의 전방 및/또는 후방 측면 또는 각막 상피, 보우만 층(또한 전방 한계 막으로서 알려진), 각막 기질(또한 고유질로서 알려진), 두아 층, 데스메 막(또한 후방 한계 막으로서 알려진) 및 각막 내피와 같은 각막의 내재 구조를 포함할 수 있다.
제어 및 분석 디바이스는 초점 위치(x,y,z)에서 OCT 데이터로부터 각막의 국소적 광학 밀도(n(x,y,z))(예를 들면, n(x,y,z)이 포논에 의해 교란되지 않을 때), 각막의 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z)) 및/또는 각막의 국소적 반사율(r(x,y,z))을 생성하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어 및 분석 디바이스는 각막의 내재 구조의 어떤 부분에서, 초점 위치(x,y,z)가 국소화되는지를, OCT 데이터로부터 이미지 프로세싱에 의해 식별하도록, 및 제어 및 분석 디바이스의 메모리에 이전 저장된 룩-업 테이블의 사용에 의해 각막의 대응하는 국소적 광학 밀도(n(x,y,z)), 각막의 대응하는 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z)) 및/또는 대응하는 국소적 반사율(r(x,y,z))을 이러한 내재적 구조 부분에 대해 연관시키도록 구성될 수 있다. 그러므로, 각막의 지형도/형태학 내에서 각각의 포인트(x,y,z)에 대해, 각막의 대응하는 국소적 광학 밀도(n(x,y,z)), 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z)) 및/또는 국소적 반사율(r(x,y,z))이 결정될 수 있다. 제어 및 분석 디바이스는 BS 데이터로부터 각막의 공간적으로 및/또는 방향성으로 분해된 탄성기계적 및/또는 점탄성 속성들을 산출하도록 구성될 수 있다. 이것은 공간적으로 및/또는 방향성으로 상관된 1D, 2D 또는 3D BS 분광학과 조합된 1D, 2D 또는 3D OCT 이미징을 허용한다. 그러므로, 각막의 지형도/형태학 내에서의 각각의 포인트(x,y,z)에 대해, 대응하는 국소적 탄성기계적 및/또는 점탄성 속성들이 결정될 수 있으며, 그에 따라 각막의 유동학과 각막의 지형도/형태학을 연관시킬 수 있다. 결과로서, 각막의 무결성의 정면을 향한 테스팅이 수행될 수 있으며, 그에 의해 각막의 개개의 구조/형태를 고려하는 각막의 생물-역학적 속성들(강성도와 같은)을 결정할 수 있다. 예를 들면: 건강한 또는 정상의 각막(국소적으로 솎아진 상피와 같은)에 비교하여 검사된 각막의 형태학에서의 이상 또는 편위가 있는 경우에, 탄성기계적 및/또는 점탄성 파라미터들의 정확한 측정들이 생물 역학적 속성들에서의 임의의 변화를 모니터링하기 위해 수행될 수 있다.
제어 및 분석 디바이스는 다음을 산출하도록 구성될 수 있으며
및/또는
여기에서
- M1는 각막의 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 실수 부분이고,
- M2는 각막의 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 허수 부분이고,
- λ2는 제 2 광 빔의 제 2 파장이고,
- ρ는 각막의 질량 밀도이고,
- n는 각막의 광학 밀도이고,
- fB는 후방 산란된 제 2 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 주파수 시프트이며,
- ΔfB는 후방 산란된 제 2 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 라인 폭이다.
M1 및/또는 M2의 산출을 위해, 제어 및 분석 디바이스는 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z))에 대한 일정한 질량 밀도(ρ=ρ(x,y,z)=ρconstant)를 독출하도록 및/또는 제어 및 분석 디바이스의 메모리로부터 국소적 광학적 밀도(n(x,y,z))에 대한 일정한 국소적 광학 밀도(n=n(x,y,z)=nconstant)를 독출하도록 구성될 수 있다. M1 및/또는 M2의 산출을 위해, 제어 및 분석 디바이스는 초점 위치(x,y,z)에서 OCT 데이터로부터 각막의 국소적 광학 밀도((n(x,y,z))(예를 들면, n(x,y,z)가 포논에 의해 교란되지 않을 때), 각막의 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z))를 생성하도록 구성될 수 있다.
분석 디바이스는 각각의 공간 위치에 대해 각막의 위상적 및/또는 형태학적 구조가 각막의 대응하는 탄성기계적 및/또는 점탄성 속성들과 연관되도록 BS 데이터와 OCT 데이터를 공간적으로 상관시키도록 구성될 수 있다. 각막의 동일한 영역의 결과로서, 형태학(고도로 분해된 국소적 곡선, 기질의 두께 변화들, 보우만 막의 상피 탈구의 두께 등) 및 그것과 상관된 공간적으로 및/또는 방향성으로 분해된 탄성기계적 및/또는 점탄성 파라미터들 양쪽 모두가 알려져 있다. 그러므로, 각막의 공간적으로 분해된 기하학적 구조는 각막의 공간적으로 및 방향성으로 분해된 강성도와 함께 추출될 수 있다.
빔 결합기는 광 회절 격자 또는 프리즘 등과 같은 다이크로익 미러(dichroic mirror) 또는 분산 광학 요소일 수 있다. 빔 결합기는 적어도, 적어도 제 1 광 빔의 제 1 파장(λ1) 및 OCT 디바이스의 스펙트럼 대역폭(Δλ1)을 커버하는 제 1 파장 범위(R1) 내에서 제 1 반사율을 가질 수 있다. 제 1 파장 범위(R1)의 최소 값은 λ1-Δλ1/2와 같거나 또는 그보다 작을 수 있다. 제 1 파장 범위(R1)의 최대 값은 λ1+Δλ1/2와 같거나 또는 그보다 클 수 있다. 빔 결합기는 적어도 제 2 광 빔의 제 2 파장(λ2) 및 스펙트럼 대역폭(Δλ2)을 커버하는 제 2 파장 범위(R2) 내에서 제 2 반사율을 가질 수 있다. 제 2 파장 범위(R2)의 최소 값은 λ2-Δλ2/2과 같거나 또는 그보다 작을 수 있다. 제 2 파장 범위(R2)의 최대 값은 λ2+Δλ2/2와 같거나 또는 그보다 클 수 있다.
빔 결합기는 제 1 파장 범위(R1) 및 제 2 파장 범위(R2)가 분리되도록 구성될 수 있다. 빔 결합기는 제 1 반사율 및 제 2 반사율이 상이하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 빔 결합기의 제 1 반사율은 약 10% 이하, 예로서 5% 이하일 수 있으며, 빔 결합기의 제 2 반사율은 약 90% 이상, 예로서 95% 이상일 수 있으며, 그 반대일 수 있다. 제 2 스펙트럼 대역폭(Δλ2)은 약 10, 15, 20, 25, 30, 50 또는 100 GHz에 대응할 수 있다.
용어(반사율)는 반사도 또는 반사된 입사 전자기력의 부분을 나타낼 수 있다. 50% 미만의 반사율은 투과율 또는 투과를 표현하거나 또는 그것으로서 이해될 수 있다. 특히, 빔 결합기의 투과율 또는 투과의 값(T(λ))은 100% 마이너스 빔 결합기의 반사율의 값(R(λ)), 즉 T(λ)=1-R(λ)에 의해 주어질 수 있다. 다시 말해서: 빔 결합기는 빔 결합기 내에서의 광의 흡수가 작고, 무시해도 될 정도이거나 또는 심지어 0이도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 약 10% 이하, 예로서 5% 이하의 빔 결합기의 제 1 반사율은 약 90% 이상, 예로서 95% 이상의 빔 결합기의 투과율 또는 투과를 표현하거나 또는 그것으로서 이해될 수 있다.
“빔 결합기의 제 1 반사율은 약 10% 이하, 예로서 5% 이하일 수 있으며 빔 결합기의 제 2 반사율은 약 90% 이상, 예로서 95% 이상일 수 있으며, 그 반대일 수 있다”에서 어구 “그 반대일 수 있다(vice versa)”이 언급된다. 이것은 빔 결합기가 제 1 광 빔을 투과하며 제 2 광 빔을 반사함으로써 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔을 조합하도록 구성될 수 있음을 의미한다. 대안으로서, 빔 결합기는 제 1 광 빔을 반사함으로써 및 제 2 광 빔을 투과함으로써 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔을 조합하도록 구성될 수 있다. 이들 대안들은 OCT 디바이스 및 BS 분광계의 재배열 또는 교환을 허용한다.
진단 방법은 다음의 단계들을 포함한다:
- 광 간섭성 단층 촬영(약어: OCT) 디바이스로부터 제 1 파장(λ1)을 OCT 광 빔을 방출하는 단계,
- 브릴루앙 산란(약어: BS) 분광계로부터 제 1 파장(λ1)과 상이한 제 2 파장(λ2)을 가진 제 2 광 빔을 방출하는 단계,
- 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔이 각막을 향해 동일한 광 경로를 따라 전파하도록 빔 결합기에 의해 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔을 조합하는 단계,
- 빔 유도 및 집속 디바이스에 의해 각막 상에서 또는 그것에서의 미리 결정된 위치(x,y,z)에서 제 1 광 빔 및 제 2 광 빔을 함께 집속하는 단계,
- 각막의 위치 의존적 구조적 속성을 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 OCT 디바이스에 의해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 1 광 빔을 간섭 측정으로 분석하는 단계, 및
- 후방 산란된 제 2 광 빔의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 BS 분광계에 의해 빔 결합기를 통해 각막으로부터 후방 산란된 제 2 광 빔을 분광학적으로 분석하는 단계.
진단 방법 또는 진단 방법의 개개의 단계들이 이 설명에서 설명되는 정도로, 진단 방법 또는 진단 방법의 개개의 단계들은 적절히 구성된 진단 시스템 및/또는 진단 시스템의 개개의 디바이스에 의해 실행될 수 있다. 유사한 언급들이 진단 방법 단계들을 실행하는 진단 시스템 및/또는 진단 시스템의 개개의 디바이스들의 동작 모드의 설명에 적용한다. 이러한 정도로, 이러한 설명의 장치 특징들 및 방법 특징들은 동등하다.
본 개시의 추가 특징들, 이점들 및 기술적 효과들은 첨부한 도면들을 참조하여 대표적인 실시예들의 다음의 설명으로부터 명백해질 것이며, 여기에서:
도 1은 진단 시스템을 개략적으로 예시한다,
도 2는 도 1에서 진단 시스템의 빔 결합기(beam combiner)의 투과율 및 반사율을 개략적으로 예시한다(축척에 맞춰 도시되지 않음), 및
도 3은 도 1의 진단 시스템에 의해 실행된 진단 방법을 개략적으로 예시한다.
도 1은 광 간섭성 단층 촬영(약어: OCT) 디바이스(12)를 포함하는, 진단 시스템(10)을 도시하며, 이것은 약 800 nm의 제 1 파장(λ1)을 가진 제 1 간섭 광 빔(14)을 방출하도록 구성된다. 예로서, OCT 디바이스(12)는 푸리에 도메인에서의 OCT(약어: FD-OCT)에 기초하며 특정한 스펙트럼 대역폭(Δλ1)의 광대역 광으로서 제 1 광 빔(14)을 방출하는 광원을 포함하고, 즉 제 1 광 빔(14)의 스펙트럼 분포의 반치전폭(full width at half maximum)(약어: FWHM)은 약 100 nm이다. 제 1 광 빔(14)의 제 1 파장(λ1)은 OCT-스펙트럼의, 즉 스펙트럼 대역폭(Δλ1)의 중심 파장이다. 제 1 광 빔(14)의 스펙트럼 분포는 도 2에서 파선들에 의해 개략적으로 예시된다. OCT 디바이스는 대표적으로 10μm 미만의 축 분해능을 가진다.
진단 시스템(10)은 부가적으로 브릴루앙 산란(약어: BS) 분광계(16)를 포함하며, 이것은 약 532 nm의 제 2 파장(λ2)을 가진 제 2 간섭 광 빔(18)을 방출하도록 구성된다. (산란되지 않은) 제 2 광 빔(18)의 스펙트럼 분포의 FWHM은 10 MHz 미만이다. (산란되지 않은) 제 1 광 빔(18)의 스펙트럼 분포는 도 2에서 λ2에서 점선 피크에 의해 개략적으로 예시된다.
진단 시스템(10)의 빔 결합기(20)는 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)이 눈(26)의 각막(24)을 향해 동일한 광 경로(22)를 따라 전파하도록 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)을 조합하도록 구성된다.
예로서, 빔 결합기(20)는 다이크로익 미러로서 실현된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 빔 결합기(20)는 적어도, 적어도 제 1 광 빔(14)의 제 1 파장(λ1) 및 OCT 디바이스(12)의 스펙트럼 대역폭(Δλ1)을 커버하는 제 1 파장 범위(R1) 내에서 약 90% 이하, 예로서 약 95% 이하의 투과율(T(λ))을 가진다. 제 1 파장 범위(R1)의 최소 값은 λ1-Δλ1/2보다 작으며 제 1 파장 범위(R1)의 최대 값은 λ1+Δλ1/2보다 크다. 빔 결합기(20)는 적어도 제 2 광 빔(18)의 제 2 파장(λ2) 및 스펙트럼 대역폭(Δλ2)을 커버하는 제 2 파장 범위(R2) 내에서 약 90% 이상, 예로서 95% 이상의 반사율(R(λ))을 가진다. 그것은: T(λ)=1-R(λ)을 적용한다. 제 2 스펙트럼 대역폭(Δλ2)은 약 30 GHz에 대응한다. 제 2 파장 범위(R2)의 최소 값은 λ2-Δλ2/2보다 작으며 제 2 파장 범위(R2)의 최대 값은 λ2+Δλ2/2보다 크다. 빔 결합기(20)는 제 1 파장 범위(R1) 및 제 2 파장 범위(R2)가 분리되도록 구성된다.
진단 시스템(10)은 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 더 포함하며, 이것은 빔 결합기(20) 및 각막(24) 사이에서의 광 경로(22)에 배열된다. 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 각막(24) 상에서 또는 그것에서의 미리 결정된 위치(x,y,z)에서 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)을 함께 집속하도록 구성된다. 이러한 의미에서, 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 공간 위치(x,y,z)를 조정하도록 구성되며, 여기에서 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)은 각막(24)에서 또는 그것 상에서 집속된다. 부가적으로, 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 그을 따라 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)이 공간 위치(x,y,z)(도 1 및 도 3 비교)에서 각막(24) 상에서 또는 그것에서의 초점에 들어가는, 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(kx,ky,kz)을 조정하도록 변경 가능하다.
예를 들면, 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 두 개의 수직으로 배향된 회전 축 주위에서 회전 가능한 적어도 한 쌍의 검류계 미러들(도시되지 않음)을 가진 스캐닝 유닛(30)을 포함한다. 스캐닝 유닛(30)은 공간 방향들(x 및 y)(도 1 및 도 3에서 좌표 시스템을 비교)을 따라 2-차원 방식으로 초점 위치(x,y,z)를 스캐닝하도록 변경 가능하다. 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 각막(24) 상에서 또는 그것에서 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)을 집속하기 위해 및 각막(24)에 의해 및 그로부터 편향되고/반사되고/산란되는, 광을 수집하기 위해 대물렌즈(32)를 더 포함한다. 대물렌즈(32)는 OCT 디바이스(12)의 측방향 분해능 및 BS 분광계(16)의 분해능이 100μm 미만, 에로서 50μm이도록 구성된다. 대물렌즈(32)의 초점 길이는 공간 방향(z)(다시 도 1 및 도 3에서의 좌표 시스템을 비교)을 따라 1-차원 방식으로 초점 위치(x,y,z)를 스캐닝하기 위해 공간 방향(z)을 따라 변경 가능하다.
각막(24)에 의해 및 그로부터, 제 1 및 제 2 광 빔(14, 18)은 전에 각막(24) 상에서/각막내 미리 결정된 위치(x,y,z)(도 1에서 14, 18, 22를 따라 화살표들을 비교)에서의 초점에 입사된 제 1 및 제 2 광 빔(14, 18)의 반대 방향으로 및 화살표를 따라 뒤로 부분적으로 편향/반사/산란된다. 후방 산란된 제 1 및 제 2 광 빔들(14, 18)은 빔 결합기(20)를 향해 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 통해 다시 지나간다. 빔 결합기(20)는 제 1 후방 산란된 광 빔(14)이 OCT 디바이스(12)에 들어가며 제 2 후방 산란된 광 빔(18)이 BS 분광계(16)에 들어가도록 각막(24)으로부터 후방 산란된 제 1 및 제 2 광 빔(14, 18)을 분리한다. 이러한 의미에서, 빔 결합기(20)는 또한 빔 분배기다.
OCT 디바이스(12)는 각막(24)의 위치 의존적 구조적 속성을 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기(20)를 통해 각막(24)으로부터 후방 산란된 제 1 광 빔(14)을 간섭 측정으로 분석하도록 구성된다. 예를 들면, OCT 디바이스(12)는 초점 위치(x,y,z)에서 또는 그 부근에서 각막(24)의 이미지를 표현한 OCT 데이터를 제공하도록 및 각막(24)의 위치 의존적 질량 밀도(ρ(x,y,z))뿐만 아니라 각막(24)의 위치 의존적 광학 밀도(n(x,y,z))를 표현한 OCT 데이터를 제공하도록 구성된다.
BS 분광계(16)는 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 및 방향 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z))뿐만 아니라 위치 및 방향 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 빔 결합기(20)를 통해 각막(24)으로부터 후방 산란된 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하도록 구성된다. 브릴루앙 산란된 제 2 광 빔(18)의 스펙트럼 분포는 도 2에서 λ2에서의 점선 피크 및 2개의 점선 사이드 밴드들/피크들에 의해 개략적으로 예시된다. 주파수 시프트(fB)는 |fB|
cㆍnㆍ|λB|/λ2를 통한 파장 시프트(λB)에 대응하며 주파수 라인 폭(ΔfB)은 |λB|≪λ에 대해 |ΔfB|
cㆍnㆍ|ΔλB|/λ2을 통한 파장 라인 폭(ΔλB)에 대응한다.
진단 시스템(10)은 또한 제어 및 분석 디바이스(34)를 포함한다. 제어 및 분석 디바이스(34)는 OCT 디바이스(12) 및 BS 분광계(16)를 제어하기 위해 및 OCT 데이터 및 BS 데이터를 수신하기 위해 각각의 연결 선들(36 및 38)을 통해 OCT 디바이스(12) 및 BS 분광계(16)와 연결된다. 제어 및 분석 디바이스(34)는 또한 빔 유도 및 집속 디바이스(28)가 미리 결정된 3-차원 방식으로 각막(24) 상에서 또는 그것에서 초점의 미리 결정된 위치(x,y,z)를 스캔하며 또한 그것을 따라 제 1 광 빔(14) 및 제 2 광 빔(18)이 미리 결정된 방식으로 x,y,z에서 각막(24) 상에서 또는 그것에서 초점에 들어가는 지향 방향(kx,ky,kz)을 스캔하도록 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 제어하기 위해 연결 선(40)을 통해 빔 유도 및 집속 디바이스(28)에 연결된다.
예를 들면, 제 1 및 제 2 빔(14, 18) 양쪽 모두가 도 3에서 대시 기호로 된 화살표들로서 표시된다. 빔 유도 및 집속 디바이스(28)의 제 1 상태에서, 제 1 및 제 2 빔(14, 18)은 제 1 방향(kx1,ky1,kz1)을 따라 제 1 초점 위치(x1,y1,z1)에 들어가며 kx1,ky1,kz1의 반대 방향으로 그로부터 뒤로 산란된다. 빔 유도 및 집속 디바이스(28)의 제 2 상태에서, 제 1 및 제 2 빔(14, 18)은 제 2 방향(kx2,ky2,kz2)을 따라 제 1 초점 위치(x1,y1,z1)에 들어가며 kx2,ky2,kz2의 반대 방향으로 그로부터 뒤로 산란된다. 빔 유도 및 집속 디바이스(28)의 제 3 상태에서, 제 1 및 제 2 빔(14, 18)은 제 3 방향(kx3,ky3,kz3)을 따라 제 1 초점 위치(x1,y1,z1)에 들어가며 kx3,ky3,kz3의 반대 방향으로 그로부터 뒤로 산란된다. 빔 유도 및 집속 디바이스(28)의 제 4 상태에서, 제 1 및 제 2 빔(14, 18)은 제 1 방향(kx1,ky1,kz1)을 따라 제 2 초점 위치(x2,y2,z2)에 들어가며 kx1,ky1,kz1의 반대 방향으로 그로부터 뒤로 산란된다. 제 1 방향(kx1,ky1,kz1)은 x 방향에 대응할 수 있고, 제 2 방향(kx2,ky2,kz2)은 y 방향에 대응할 수 있으며 제 3 방향(kx3,ky3,kz3)은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 좌표 시스템의 좌표 시스템의 z 방향에 대응할 수 있다.
제어 및 분석 디바이스(34)는 OCT 데이터로부터 공간적으로 분해된 위상적 및 형태학적 구조를 산출하도록 구성된다. 예를 들면, 제어 및 분석 디바이스(34)는 OCT 데이터로부터 초점 위치(x,y,z)에서 또는 그것의 부근에서 각막(24)의 이미지를 생성하도록 구성된다. 부가적으로, 제어 및 분석 디바이스(34)는 OCT 데이터로부터 초점 위치(x,y,z)에서 각막(24)의 국소적 광학 밀도(n(x,y,z))(n(x,y,z)가 포논에 의해 교란되지 않을 때) 및 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z))를 생성하도록 구성된다. 예를 들면, 제어 및 분석 디바이스(34)는 각막(24)의 내재 구조의 어떤 부분에서 초점 위치(x,y,z)가 국소화되는지를 OCT 데이터로부터 이미지 프로세싱에 의해 식별하며, 제어 및 분석 디바이스(34)의 메모리(도시되지 않음)에 저장된 룩-업 테이블의 사용에 의해 각막(24)의 대응하는 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z))뿐만 아니라 대응하는 국소적 광학 밀도(n(x,y,z))를 이러한 내재 구조 부분에 대해 연관시킨다. 그러므로, 각막의 지형도/형태학 내에서의 각각의 포인트(x,y,z)에 대해, 각막(24)의 대응하는 국소적 광학 밀도(n(x,y,z)) 및 국소적 질량 밀도(ρ(x,y,z))가 결정된다.
제어 및 분석 디바이스(34)는 또한 BS 데이터로부터 각막(24)의 공간적으로 및 방향성으로 분해된 탄성기계적 및 점탄성 속성들을 산출하도록 구성된다. 예를 들면, 제어 및 분석 디바이스(34)는 다음을 산출하며,
및
여기에서
- M1는 각막(24)의 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 실수 부분이고,
- M2는 각막(24)의 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 허수 부분이고,
- λ2는 제 2 광 빔(18)의 제 2 파장이고,
- ρ=ρ(x,y,z)는 OCT 데이터로부터 추출된 각막(24)의 국소적 질량 밀도이고,
- n=n(x,y,z)은 또한 OCT 데이터로부터 추출된 각막(24)의 국소적 광학 밀도이고,
- fB는 BS 데이터로부터 추출된 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 주파수 시프트이며,
- ΔfB는 BS 데이터로부터 추출된 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 라인 폭이다.
제어 및 분석 디바이스(34)는 각각의 공간적 위치(x,y,z)에 대해, 각막(24)의 위상적 및 형태학적 구조가 각막(24)의 대응하는 탄성기계적 및 점탄성 속성들과 연관되도록 BS 데이터와 OCT 데이터를 공간적으로 상관시키도록 추가로 구성된다.
그 결과, 각막(24)의 동일한 영역에 대해, 형태학(고도로 분해된 국소적 곡선, 기질의 두께 변화들, 보우만 막의 상피 탈구의 두께 등과 같은) 및 그와 상관된 공간적으로 및 방향성으로 분해된 탄성기계적 및 점탄성 파라미터들 양쪽 모두가 알려져 있다. 그러므로, 그것에는 각막(24)의 공간적으로 및 방향성으로 분해된 강성도와 함께 각막(24)의 공간적으로 분해된 기하학적 구조가 추출될 수 있다.
달리 분명하게 서술되지 않는다면, 도면들에서 동일한 참조 부호들은 동일한 또는 동일하게-동작하는 요소들을 나타낸다. 또한, 개개의 실시예들과 관련되어 도면들에서 설명된 특징들 및/또는 수정들의 임의의 조합이 상상 가능하다.
Claims (15)
- 진단 시스템에 있어서,
제 1 파장(λ1)을 가진 제 1 광 빔(14)을 방출하도록 구성되는, 광 간섭성 단층 촬영(OCT) 디바이스(12),
상기 제 1 파장(λ1)과 상이한 제 2 파장(λ2)을 가진 제 2 광 빔(18)을 방출하도록 구성되는, 브릴루앙 산란(BS) 분광계(16),
상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 각막(24)을 향해 동일한 광 경로(22)를 따라 전파하도록 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)을 조합하도록 구성되는 빔 결합기(20),
상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 미리 결정된 위치(x,y,z)에 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)을 함께 집속하도록 구성되는 빔 유도 및 집속 디바이스(28), 및
상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(directional orientation)(kx,ky,kz)을 스캔하도록, 상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 제어하도록 구성된 제어 및 분석 디바이스(34) ― 상기 지향 방향(kx,ky,kz)을 따라 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점(x,y,z)에 들어감 ―
를 포함하며,
상기 OCT 디바이스(12)는 상기 각막(24)의 위치 의존적 구조적 속성을 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 1 광 빔(14)을 간섭 측정으로 분석하도록 추가로 구성되며,
상기 BS 분광계(16)는 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하도록 추가로 구성되는,
진단 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 BS 분광계(16)는 또한 상기 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z))을 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하도록 추가로 구성되는,
진단 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(kx,ky,kz)을 조정하도록 추가로 구성되고 ― 상기 지향 방향(kx,ky,kz)을 따라 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점에 들어감 ―,
상기 BS 분광계(16)는 또한 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 방향 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z,kx,ky,kz))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하도록 추가로 구성되는,
진단 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)는 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(kx,ky,kz)을 조정하도록 추가로 구성되며 ― 상기 지향 방향(kx,ky,kz)을 따라 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점에 들어감 ―,
상기 BS 분광계(16)는 또한 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 방향 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z,kx,ky,kz))을 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하도록 추가로 구성되는,
진단 시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어 및 분석 디바이스(34)는, 1-, 2-, 또는 3-차원 방식으로 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점의 상기 미리 결정된 위치(x,y,z)를 스캔하도록, 상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 제어하도록 추가로 구성되고,
상기 제어 및 분석 디바이스(34)는:
상기 OCT 데이터로부터 공간적으로 분해된 위상적 또는 형태학적 구조를 산출하거나; 또는
상기 BS 데이터로부터 상기 각막(24)의 공간적으로 분해된 탄성기계적 또는 점탄성 속성들을 산출하는 것
중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는,
진단 시스템. - 청구항 5에 있어서,
상기 제어 및 분석 디바이스(34)는,
, 또는
중 적어도 하나를 계산하도록 추가로 구성되고,
여기에서,
- M1는 상기 각막(24)의 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 실수 부분이고,
- M2는 상기 각막(24)의 상기 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 허수 부분이고,
- λ2는 상기 제 2 광 빔(18)의 제 2 파장이고,
- ρ는 상기 각막(24)의 질량 밀도이고,
- n은 상기 각막(24)의 광학 밀도이고,
- fB는 상기 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 주파수 시프트이며,
- ΔfB는 상기 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 라인 폭인,
진단 시스템. - 청구항 5에 있어서,
상기 제어 및 분석 디바이스(34)는 각각의 공간적 위치(x,y,z)에 대해, 상기 각막(24)의 상기 위상적 또는 형태학적 구조는 상기 각막(24)의 대응하는 탄성기계적 또는 점탄성 속성들과 연관되도록 상기 BS 데이터와 상기 OCT 데이터를 공간적으로 상관시키도록 추가로 구성되는,
진단 시스템. - 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 결합기(20)는 적어도 제 1 파장 범위(R1) 내에서 제 1 반사율을 가지며, 적어도 제 2 파장 범위(R2) 내에서 제 2 반사율을 가지는 다이크로익 미러이고,
상기 제 1 파장 범위(R1)는 적어도 상기 제 1 광 빔(14)의 제 1 파장(λ1) 및 상기 OCT 디바이스(12)의 스펙트럼 대역폭(Δλ1)을 커버하고, 상기 제 2 파장 범위(R2)는 상기 제 2 광 빔(18)의 상기 제 2 파장(λ2) 및 스펙트럼 대역폭(Δλ2)을 커버하며,
상기 제 1 파장 범위(R1) 및 상기 제 2 파장 범위(R2)는 분리되며 상기 제 1 반사율 및 상기 제 2 반사율은 상이한,
진단 시스템. - 진단 방법에 있어서,
OCT 디바이스(12)로부터 제 1 파장(λ1)을 가진 제 1 광 빔(14)을 방출하는 단계,
브릴루앙 산란(BS) 분광계(16)로부터의 상기 제 1 파장(λ1)과 상이한 제 2 파장(λ2)을 가진 제 2 광 빔(18)을 방출하는 단계,
상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 각막(24)을 향해 동일한 광 경로(22)를 따라 전파하도록 빔 결합기(20)에 의해 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔을 조합하는 단계,
빔 유도 및 집속 디바이스(28)에 의해 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 미리 결정된 위치(x,y,z)에 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)을 함께 집속하는 단계,
상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(kx,ky,kz)을 스캔하도록, 상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 제어 및 분석 디바이스(34)에 의해 제어하는 단계 ― 상기 지향 방향(kx,ky,kz)을 따라 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점(x,y,z)에 들어감 ―,
상기 각막(24)의 위치 의존적 구조적 속성을 표현한 OCT 데이터를 제공하기 위해 상기 OCT 디바이스(12)에 의해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 1 광 빔(14)을 간섭 측정으로 분석하는 단계, 및
후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 BS 분광계(16)에 의해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하는 단계를 포함하는,
진단 방법. - 청구항 9에 있어서,
또한 상기 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 위치 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z))을 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 BS 분광계(16)에 의해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 분광학적으로 분석하는 단계를 더 포함하는,
진단 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)에 의해 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(kx,ky,kz)을 조정하는 단계 ― 상기 지향 방향(kx,ky,kz)을 따라 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 상기 미리 결정된 위치(x,y,z)의 초점에 들어감 ―, 및
상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 방향 의존적 주파수 시프트(fB(x,y,z,kx,ky,kz))를 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 BS 분광계(16)에 의해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 추가로 분광학적으로 분석하는 단계를 더 포함하는,
진단 방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)에 의해 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)의 지향 방향(kx,ky,kz)을 조정하는 단계 ― 상기 지향 방향(kx,ky,kz)을 따라 상기 제 1 광 빔(14) 및 상기 제 2 광 빔(18)이 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점에 들어감 ―, 및 또한 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 방향 의존적 라인 폭(ΔfB(x,y,z,kx,ky,kz))을 표현한 BS 데이터를 제공하기 위해 상기 BS 분광계(16)에 의해 상기 빔 결합기(20)를 통해 상기 각막(24)으로부터 후방 산란된 상기 제 2 광 빔(18)을 추가로 분광학적으로 분석하는 단계를 더 포함하는,
진단 방법. - 청구항 9 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 진단 방법은,
제어 및 분석 디바이스(34)를 사용하여 상기 빔 유도 및 집속 디바이스(28)를 제어함으로써 1-, 2-, 또는 3-차원 방식으로 상기 각막(24) 상의 또는 상기 각막(24) 내의 초점의 상기 미리 결정된 위치(x,y,z)를 스캐닝하는 단계
를 더 포함하고,
상기 진단 방법은,
상기 OCT 데이터로부터 공간적으로 분해된 위상적 또는 형태학적 구조를 산출하는 단계; 또는
상기 제어 및 분석 디바이스(34)에 의해 상기 BS 데이터로부터 상기 각막(24)의 공간적으로 분해된 탄성기계적 또는 점탄성 속성들을 산출하는 단계
중 적어도 하나를 더 포함하는,
진단 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 제어 및 분석 디바이스(34)에 의해
또는
중 적어도 하나를 산출하는 단계를 더 포함하며,
여기에서
- M1는 상기 각막(24)의 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 실수 부분이고,
- M2는 상기 각막(24)의 상기 복소 종방향 계수(M=M1+iM2)의 허수 부분이고,
- λ2는 상기 제 2 광 빔(18)의 제 2 파장이고,
- ρ는 상기 각막(24)의 질량 밀도이고,
- n은 상기 각막(24)의 광학 밀도이고,
- fB는 상기 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 주파수 시프트이며,
- ΔfB는 상기 후방 산란된 제 2 광 빔(18)의 상기 브릴루앙 산란 야기된 사이드 밴드의 라인 폭인,
진단 방법. - 청구항 13에 있어서,
각각의 공간적 위치에 대해, 상기 각막(24)의 위상적 또는 형태학적 구조는 상기 제어 및 분석 디바이스(34)에 의해 상기 각막(24)의 대응하는 탄성기계적 또는 점탄성 속성들과 연관되도록 상기 BS 데이터와 상기 OCT 데이터를 공간적으로 상관시키는 단계를 더 포함하는,
진단 방법.
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