KR101858732B1 - 의료용 내시경의 광전송장치 - Google Patents

의료용 내시경의 광전송장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광원에서 출사된 광을 전송광섬유를 통해 조사대상체로 전송하는 의료용 내시경의 광전송장치에 관한 것으로서, 광원과 전송광섬유 사이에 설치되어 광원에서 출사되는 광을 무편광상태로 변환하여 전송광섬유로 전송하는 무편광처리부를 구비한다. 이러한 의료용 내시경의 광전송장치에 의하면, 협대역의 광원을 적용시에도 광출력세기의 변동을 억제할 수 있어 의료 진단 및 시술의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

의료용 내시경의 광전송장치{optical transmission apparatus of medical endoscope}
본 발명은 의료용 내시경의 광전송장치에 관한 것으로서, 상세하게는 광원에서 출사된 광을 무편광상태로 변환하여 전송광섬유로 전송할 수 있도록 된 의료용 내시경의 광전송장치에 관한 것이다.
현재 의료분야에서 사용되고 있는 의료용 내시경은 직접볼 수 없는 환부에 진입시켜 환부를 관찰할 수 있도록 되어 있다.
이러한 의료용 내시경은 국내 등록특허 제10-0673413호 등 다양하게 게시되어 있다.
한편, 최근에는 병변에 따른 형광특성을 활용한 실시간 병변검출 방법이 특정파장의 협대역을 갖는 발광다이오드나 레이저를 이용하는 방식으로 다양하게 시도되고 있고, 광에 의한 치료를 함께 수행할 수 있는 구조가 요구되고 있다.
또한, 병변에 대한 안정적인 형광 특성 검출이나 병변 치료에 안정적인 광출력특성을 확보하기 위해서는 시간에 따라 광원의 광출력이 안정적으로 유지되어야 한다.
그런데, 협대역 발광다이오드나 레이저 광원의 편광특성이 내시경의 전송광섬유를 통해 전송되는 과정에서 전송 광섬유의 굽힘 또는 외부 진동 등에 의해 전송 광섬유의 출력단에서 출력되는 광의 편광상태가 시간에 따라 변한다.
이와 같이 내시경의 출력단을 통해 출력되는 광의 편광상태가 시간에 따라 변하면서 편광에 따른 프레즈넬(Fresnel) 반사 특성 변화로 광출력세기가 변하게 되고, 이러한 광출력 세기 변동은 안정적인 병변측정이나 치료를 방해하는 요인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광원에서 출사되는 광의 편광특성 변화에 대해 광출력세기 변화를 억제할 수 있는 의료용 내시경의 광전송장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 의료용 내시경의 광전송장치는 광원에서 출사된 광을 전송광섬유를 통해 조사대상체로 전송하는 의료용 내시경의 광전송장치에 있어서, 상기 광원과 상기 전송광섬유 사이에 설치되어 상기 광원에서 출사되는 광을 무편광상태로 변환하여 상기 전송광섬유로 전송하는 무편광처리부;를 더 구비한다.
상기 광원은 파장대역폭이 5nm 내지 100nm이고, 편광도가 0.2 이상 1이하인 것을 적용한다.
바람직하게는 상기 무편광처리부는 상기 광원으로부터 입력단을 통해 입사된 광을 무편광상태로 출력단을 통해 상기 전송광섬유로 출사할 수 있도록 코어와 클래드를 갖는 광섬유로 된 광섬유형 편광 스크램블러이며, 상기 광섬유형 편광 스크램블러는 상기 광섬유의 입력단과 출력단 사이에 직경이 40mm이하인 원형링 형태로 복수회 권회된 권선부분;을 구비하고, 상기 코어는 직경이 10 내지 100㎛이고, 상기 코어와 상기 클래드의 굴절율 차이는 입력광이 상기 광섬유를 도파하는 과정에서 다중 모드로 변환되도록 0.015 내지 0.090인 것을 적용한다.
또한, 상기 권선부분은 직경이 20mm 내지 30mm인 원형보빈에 상기 광섬유가 권회되어 형성된다.
상기 권선부분의 권회수는 5 내지 20회인 것이 바람직하다.
상기 코어와 클래드는 규소산화물(SiO2) 또는 규소산화물(SiO2)에 게르마늄산화물(GeO2), 붕소산화물(B2O3), 인산화물(P2O5), 티타늄산화물(TiO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 블화이온(F-) 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성된다. 또한, 클래드는 불화이온이 포함된 아크릴레이트계 수지가 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 의료용 내시경의 광전송장치에 의하면, 협대역의 광원을 적용시에도 광출력세기의 변동을 억제할 수 있어 의료 진단 및 시술의 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 의료용 내시경의 광전송장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 무편광처리부의 일 예를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 의료용 내시경의 광전송장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 의료용 내시경의 광전송장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 의료용 내시경의 광전송장치(100)는 광원(110), 무편광 처리부(130) 및 전송광섬유(150)를 구비한다.
여기서, 전송광섬유(150)는 광원(110)에서 무편광처리부(130)를 거쳐 진행광을 도파하여 환부와 같은 조사대상체로 출사할 수 있도록 환자의 환부내로 투입되는 내시경의 삽입부(170)에 연장되게 설치되어 있다.
내시경의 삽입부(170)에는 전송광섬유(150)를 통해 전송된 광을 환부와 같은 조사대상체로 직접 출사하거나, 집속렌즈를 통해 집속하여 출사하는 방식 등 공지된 다양한 방식으로 구축될 수 있다.
또한, 내시경의 삽입부(170)에는 환부로부터 발생되는 광을 수신하거나 촬상하는 요소가 탑재될 수 있음은 물론이다.
광원(110)은 발광다이오드 또는 레이저 광원이 적용된다.
또한, 광원(110)은 파장대역폭이 5nm 내지 100nm이고, 편광도가 0.2 이상 1이하인 것을 적용한다.
광원(110)의 중심파장은 300nm 내지 2000nm인 것을 적용한다.
참조부호 112는 광원(110)에서 출사된 광을 무편광 처리부(130)로 집속시키는 콜리메이팅 렌즈이다.
무편광처리부(130)는 광원(110)과 전송광섬유(150) 사이에 설치되어 광원(110)에서 출사되는 광을 무편광상태로 변환하여 전송광섬유(150)로 전송한다.
무편광처리부(130)는 통상적인 편광 스크램블러(Polarization Scrambler)가 적용될 수 있다.
편광 스크램블러는 입력광의 편광상태를 변화시켜서 출력광의 편광상태를 다양하게 만들어 출력광을 일정시간 동안 관찰할 때 출력광이 마치 편광이 되어 있지않는 것처럼 변환시켜주는 장치이다.
편광 스크램블러는 크게 능동형과 수동형이 있다.
능동형 편광 스크램블러는 외부 전기 변조신호를 광을 도파하는 소자 예를 들면 광섬유 또는 평판형 도파관에 인가하여 도파관의 편광상태를 변화시키는 방식이며, 국내 등록특허 제10-0282775호 등 다양하게 게시되어 있다.
또한, 수동형 편광 스크램블러는 외부 전기 변조 없이 입사광을 무편광상태로 변환시키는 방식이다.
수동형 편광 스크램블러 중 널리 알려져 이용되는 리오트 무편광기(Lyot depolarizer)는 두 개의 동일한 복굴절 매질 두 개를 서로의 광축이 45°로 어긋나게 결합하여 무편광화 하는 방식이다.
한편, 리오트 무편광기는 광원의 선폭이 넓은 경우에는 유용하나 5nm 내지 100nm로 좁은 선폭을 갖는 광원(110)에 적용하기 위해서는 복굴절 매질의 사용이 많아져서 부피가 커질 뿐만 아니라 광손실이 증가할 수 있다.
바람직하게는 무편광처리부(130)로서 도 2에 도시된 바와 같이 광원(110)으로부터 입력단(12)을 통해 입사된 광을 무편광상태로 출력단(17)을 통해 전송광섬유(150)로 출사할 수 있도록 코어(13)와 클래드(14)를 갖는 광섬유(11)로 된 광섬유형 편광 스크램블러(130a)가 적용된다.
광섬유형 편광 스크램블러(130a)는 입력단(12)과 출력단(17) 사이에 연장된 광섬유(11)가 원형 보빈(20)에 다수회 권회된 권선부분(15)을 갖는 구조로 형성되어 있다.
광섬유(11)는 코어(13)와 코어(13)를 감싸는 클래드(14)를 갖는 구조로 형성되어 있고, 광섬유(11) 입력단(12)의 코어(14)를 통해 입사된 광을 무편광상태로 출력단(17)을 통해 출사할 수 있도록 되어 있다.
도시된 예에서는 광섬유(11)의 출력단(17)과 전송광섬유(150)는 커넥터(153)를 통해 결합되어 있다.
도시된 예와 다르게 전송광섬유(150)는 광섬유(11)와 동일 구조로 형성된 것을 연장하여 일체로 형성된 것을 적용할 수 있다.
광섬유(11)는 단일모드 전송광섬유(150)와 접속시 삽입손실을 줄일 수 있도록 코어(13)의 직경(a)은 10 내지 100㎛인 것이 적용된다.
또한, 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이는 0.015 내지 0.090을 갖게 형성된다.
클래드(14)의 직경(b)은 접속하는 전송 광섬유(150)와 동일하게 적용하며, 일 예로서 80 내지 250㎛로 형성된 것을 적용한다.
여기서, 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이는 입력광 예를 들면 1.5 내지 1.6㎛의 광이 입력단(12)을 통해 입사된 후 광섬유(11)를 도파하는 과정에서 굽힘 광손실을 최소화하면서 다중 모드로 변환되도록 하기 위한 것이다.
즉, 단일모드 예를 들면, LP01(HE11) 모드로 입력단(12)을 통해 입사된 광을 편광상태가 상호 다른 TM01, TE01, HE21, EH31 등의 다중 모드로 변환할 수 있도록 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이가 적용된다.
따라서, 편광상태가 상호 다른 다중 모드로의 변환에 의해 출력단(17)에서는 특정 편광이 존재하지 않는 무편광상태의 광이 출력된다.
여기서, 광섬유(11)를 통해 변환가능한 모드 수는 적어도 4개 이상이면서 광섬유 굽힘 손실이 최소화되도록 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이를 적용하는 것이 바람직하고, 광섬유 제조 관점에서 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이를 일정 수준 이상 키우는데 한계가 있다. 이에 따라, 앞서 설명된 바와 같이 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이는 0.015 내지 0.090이 적용된다.
권선부분(15)은 광섬유(11)의 입력단(12)과 출력단(17) 사이에 직경이 40mm이하인 원형링 형태로 복수회 권회된 부분을 말한다.
권선부분(15)의 직경이 커질수록 규모가 커지기 때문에 규모의 크기를 증가하지 않으면서 광섬유(11)의 기계적 안정성을 확보함과 아울러 굽힘손실을 최소화 할 수 있는 크기를 적용한다.
바람직하게는 권선부분(15)은 직경(D)이 20mm 내지 30mm인 원형보빈(20)에 광섬유(11)를 5 내지 20회의 권회수로 권회하여 형성한다.
여기서, 권선부분(15)의 직경(D)이 20mm 미만이면 광섬유이 기계적 안정성을 확보하기 어려우며 굽힘 손실이 커질 수 있다.
이러한 권선부분(15)은 원형보빈(20)에 접착제로 접합처리하면 된다.
도시된 예와 다르게 권선부분(15)은 다수회 권회한 다음 줄을 이용하여 권회된 부분이 풀리지 않게 복수군데에서 밴딩처리하여 형성될 수 있음은 물론이다.
한편, 코어(13)와 클래드(14)는 앞서 설명된 굴절율 차이를 갖게 형성하면 되고, 일 예로서, 규소산화물(SiO2)에 게르마늄산화물(GeO2), 붕소산화물(B2O3), 인산화물(P2O5), 티타늄산화물(TiO2), 알루미늄산화물(Al2O3) 중 어느 하나 이상을 포함시키면서, 성분비를 조절하여 목표하는 굴절률 차이를 갖게 형성할 수 있다.
특히, 클래드(14)는 산화물계 유리 조성 대신 불화이온(F-)이 포함된 아크릴레이트계 수지가 적용될 수 있다.
이러한 코어(13)와 클래드(14)에 적용되는 조성물의 예로서, 실리카(SiO2), 게르마노실리케이트(SiO2-GeO2), 알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3), 포스포로실리케이트(SiO2-P2O5), 티타노실리케이트(SiO2-TiO2), 보로실리케이트(SiO2-B2O3), 보로게르마노실리케이트(SiO2-GeO2-B2O3), 보로알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3-B2O3), 보로포스포로실리케이트(SiO2-P2O5-B2O3), 보로티타노실리케이트(SiO2-TiO2-B2O3), 포스포로게르마노실리케이트(SiO2-GeO2-P2O5), 알루미노게르마노실리케이트(SiO2-GeO2-Al2O3), 티타노게르마노실리케이트(SiO2-GeO2-TiO2), 포스포알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3-P2O5), 티타노알루미노실리케이트(SiO2-Al2O3-TiO2), 티타노포스포실리케이트(SiO2-P2O5-TiO2) 등이 적용될 수 있다.
또한, 클래드(14)에 적용되는 아크릴레이트계 수지의 예로서, 우레탄 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 에스테르 아크릴레이트 또는 라디칼 발생형 모노머 등이 사용될 수 있다.
또한, 코어(13) 또는 클래드(14)에 첨가물질을 첨가하여 상호 간의 굴절율 차이가 원하는 차이값을 갖게 조성할 수 있다.
일 예로서, 코어(13)는 게르마노실리케이트(SiO2-GeO2)로 조성하고, 클래드(14)는 불화이온(F-)이 첨가된 포스포실리케이트(SiO2-P2O5+F-)로 1차 클래딩을 조성하고, 불화이온이 첨가된 실리카(SiO2+F-)로 2차 클래딩을 조성한 구조로 형성될 수 있다.
다른 예로서, 코어(13)는 실리카(SiO2)로 조성하고, 클래드(14)는 불화이온(F-)이 첨가된 우레탄아크릴레이트로 클래딩을 조성한 구조로 형성한다.
한편, 코어(13)의 직경(a)이 10 내지 100㎛일 때 4개 이상의 다중모드를 지원하기 위한 조건을 정규주파수(V: nomalized frequency parameter)로 표현하면 정규주파수 3.27 이상의 값을 갖도록 광섬유(11)를 형성하면 된다.
여기서, 정규주파수는 아래의 수학식 1로 표현되는 파라미터이다.
Figure 112016089377465-pat00001
여기서, NA는 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이에 의한 개구수(numerical aperture)이고, a는 코어(13)의 직경이다.
또한, 코어(13)의 직경(a)과 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이(Δn) 그리고 원형보빈(20)의 직경(D)은 광섬유(11)의 굽힘손실을 결정하는 주요 인자들로써 서로 상관관계를 가지기 때문에, 광섬유(11)의 굽힘손실이 0.3dB 미만이 되기 위해선 주요 인자들로 표현되는 성능 지수(Figure of merit, F)가 25 이상이고 360 이하를 갖는 것이 바람직하다.
여기서, 성능지수는 아래의 수학식 2로 표현되는 파라미터이다.
Figure 112016089377465-pat00002
코어(13)의 직경(a)이 10㎛이고, 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이가 0.015이며, 직경 20mm 원형보빈(20)에 5회 권회한 광섬유(11)에 대해 0.3 내지 2.0㎛의 입력광을 입사시켜 출력단(17)을 통해 검출된 출력광을 분석한 결과, 최대밴딩 손실값은 0.21dB로 나타났다. 이 경우 V값은 3.276 내지 21.837이고 F는 30이다.
또한, 코어(13)의 직경(a)이 100㎛이고, 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이가 0.090이며, 직경 30mm 원형보빈(20)에 5회 권회한 광섬유(11)에 대해 0.3 내지 2.0㎛의 입력광을 입사시켜 출력단(17)을 통해 검출된 출력광을 분석한 결과, 최대밴딩 손실값은 0.22dB로 나타났다. 이 경우 V값은 79.191 내지 527.937이고 F는 27이다.
한편, 코어(13)의 직경(a)이 10㎛이고, 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이가 0.012이며, 직경 20mm 원형보빈(20)에 5회 권회한 광섬유(11)에 대해 0.3 내지 2.0㎛의 입력광을 입사시켜 출력단(17)을 통해 검출된 출력광을 분석한 결과, 최대밴딩 손실값은 119.74dB로 나타났다. 이 경우 V값은 2.931 내지 19.542이고 F는 24이다.
또한, 코어(13)의 직경(a)이 20㎛이고, 코어(13)와 클래드(14)의 굴절율 차이가 0.015이며, 직경 20mm 원형보빈(20)에 5회 권회한 광섬유(11)에 대해 0.3 내지 2.0㎛의 입력광을 입사시켜 출력단(17)을 통해 검출된 출력광을 분석한 결과, 최대밴딩 손실값은 0.70dB로 나타났다. 이 경우 V값은 6.551 내지 43.675이고 F는 15이다.
이러한 광섬유형 편광 스크램블러(130a)에 의하면, 삽입손실을 저감시킬 수 있으면서 구조가 단순화되는 장점을 제공한다.
이상에서 설명된 의료용 내시경의 광전송장치에 의하면, 협대역의 광원(110)을 적용시에도 광출력세기의 변동을 억제할 수 있어 의료 진단 및 시술의 안정성을 확보할 수 있다.
11: 광섬유 12: 입력단
15: 권선부분 17: 출력단
20: 원형 보빈 110: 광원
130: 무편광처리부 150: 전송광섬유

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 광원에서 출사된 광을 전송광섬유를 통해 조사대상체로 전송하는 의료용 내시경의 광전송장치에 있어서,
    상기 광원과 상기 전송광섬유 사이에 설치되어 상기 광원에서 출사되는 광을 무편광상태로 변환하여 상기 전송광섬유로 전송하는 무편광처리부;를 더 구비하고,
    상기 무편광처리부는
    상기 광원으로부터 입력단을 통해 입사된 광을 무편광상태로 출력단을 통해 상기 전송광섬유로 출사할 수 있도록 코어와 클래드를 갖는 광섬유로 된 광섬유형 편광 스크램블러이며,
    상기 광섬유형 편광 스크램블러는
    상기 광섬유의 입력단과 출력단 사이에 직경이 40mm이하인 원형링 형태로 복수회 권회된 권선부분;을 구비하고,
    상기 코어는 직경이 10 내지 100㎛이고, 상기 코어와 상기 클래드의 굴절율 차이는 입력광이 상기 광섬유를 도파하는 과정에서 다중 모드로 변환되도록 0.015 내지 0.090이고,
    상기 코어의 직경(a)와, 상기 코어와 상기 클래드의 굴절율 차이(Δn) 및 상기 권선부분의 직경(D)에 의한 성능지수(F)는 25 내지 360이고,
    상기 성능지수(F)는
    Figure 112018011780572-pat00006
    이며,
    상기 권선부분은 직경이 20mm 내지 30mm인 원형보빈에 상기 광섬유가 권회되어 형성된 것을 특징으로 하는 의료용 내시경의 광전송장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 권선부분의 권회수는 5 내지 20회인 것을 특징으로 하는 의료용 내시경의 광전송장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 코어와 클래드는 규소산화물(SiO2) 또는 규소산화물(SiO2)에 게르마늄산화물(GeO2), 붕소산화물(B2O3), 인산화물(P2O5), 티타늄산화물(TiO2), 알루미늄산화물(Al2O3), 불화이온(F-) 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 의료용 내시경의 광전송장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 클래드는
    불화이온(F-)이 포함된 우레탄 아크릴레이트, 에폭시 아크릴레이트, 에스테르 아크릴레이트 또는 라디칼 발생형 모노머 아크릴레이트계 수지로 형성된 것을 특징으로 하는 의료용 내시경의 광전송장치.





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