KR101934158B1 - Diffuse Optical Spectroscopy Probe built in auxiliary light source and its system - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광원(10,20)에서 방사된 광대역 빛이 확산 광 분광기 프로브까지 전달되도록 하는 광섬유(30), 입사된 빛을 전류로 변환하고 증폭하는 아발란치 포토다이오드(50), 상기 아발란치 포토다이오드를 제어하는 온도특성을 보상하는 회로를 포함하는 광수신장치 제어부, 측정하고자 하는 생체조직의 측정깊이에 따라 상기 광섬유(30)와 아발란치 포토다이오드(50) 사이의의 거리를 조절할 수 있는 거리조절장치(80), 로 이루어지고, 생체조직과 같은 혼탁 매질의 흡수 및 산란에 따라 수신 신호에 왜곡이 발생하지 않도록 보조광원(70)이 포함된 확산 광 분광 프로브 및 그 프로브가 탑재된 확산 광 분광 시스템을 특징으로 한다.The present invention relates to an optical fiber (30) for transmitting broadband light emitted from a light source (10, 20) to a diffused optical spectroscope probe, an Avalanche photodiode (50) for converting and amplifying incident light into a current, And a circuit for compensating a temperature characteristic for controlling the temperature of the optical fiber 30. The distance between the optical fiber 30 and the avalanche photodiode 50 is adjusted according to the measurement depth of the living tissue to be measured A diffusing optical spectroscopic probe including an auxiliary light source 70 such that distortion does not occur in a reception signal due to absorption and scattering of a turbid medium such as a living tissue, Lt; RTI ID = 0.0 > diffuse < / RTI >
Description
본 발명은 측정 오차 및 왜곡을 줄이기 위해 고효율 특성을 가지는 보조광원을 장착한 확산 광 분광 프로브 및 그 프로브가 탑재된 확산 광 분광 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a diffused light spectroscopic probe equipped with an auxiliary light source having high efficiency characteristics to reduce measurement errors and distortions, and a diffused light spectroscopy system equipped with the probe.
빛을 통하여 생체조직을 비절개식으로 영상화하거나 진단하는 기술이 지속적으로 발달되고 있으며, 빛의 파장 범위는 가시광선과 근적외선영역인 600~1100nm대역이 주로 사용된다. 생체조직에 빛을 조사하면 조직 내에서 흡수와 산란을 반복하면서 빛이 퍼져나가는 특징이 있다. 생체조직을 투과하여 나온 빛이나 생체 조직 내에서 반사되어 나온 빛을 측정하면 이 생체조직의 흡수계수와 산란계수와 같은 광학적 특성을 얻을 수 있다. 이러한 정보를 바탕으로 정상적인 생체 조직과 비정상적인 생체조직을 구분할 수 있으며, 사용되는 광원의 파장에 따라서 생체조직의 흡수계수와 산란계수가 결정되기 때문에 빛의 파장과 세기가 안정되도록 해야 한다.Techniques for imaging or diagnosing biopsy tissue through light are continuously being developed. The wavelength range of the light is in the range of 600 to 1100 nm, which is the visible light and near infrared region. When light is irradiated on a living tissue, light is scattered while repeating absorption and scattering in the tissue. Optical properties such as the absorption coefficient and scattering coefficient of the living tissue can be obtained by measuring light emitted through the living tissue or reflected from the living tissue. Based on this information, normal biomolecules can be distinguished from abnormal biomolecules, and the absorption coefficient and scattering coefficient of living tissue are determined according to the wavelength of the used light source, so that the wavelength and intensity of light should be stabilized.
생체조직의 흡수계수는 생체조직의 성분 정보를 나타내며 산란계수는 생체조직의 구조적 정보를 나타낸다. 생체조직의 광학적 특성을 측정하는 방식에는 광신호의 크기변화만 측정하는 방법, 광원의 주파수를 변경하면서 광신호의 크기변화와 위상변화를 모두 측정하는 방법, 그리고 매우 짧은 펄스형태의 광원을 사용하여 출력되는 광신호 사이의 시간차와 광신호의 퍼짐 정도를 측정하는 방법 등이 있다. 이러한 기술을 확산 광 분광기 또는 확산 광 단층촬영에 응용하여 의료용 진단기기에 사용되고 있다. The absorption coefficient of the living tissue represents the information of the biological tissue, and the scattering number represents the structural information of the living tissue. Methods for measuring the optical properties of biological tissues include a method of measuring only the magnitude of the optical signal, a method of measuring both the magnitude and phase changes of the optical signal while changing the frequency of the light source, And a method of measuring the time difference between the optical signals to be output and the spread of the optical signal. These techniques are applied to diffuse optical spectroscopy or diffuse optical tomography and are used in medical diagnosis devices.
일반적으로 생체조직이라 하면 투명한 매질이 아닌 혼탁(turbid)한 매질이기 때문에 빛이 생체 내를 통과할 때 흡수와 더불어 많은 산란이 발생하게 되며, 이로 인해 생체조직을 통과한 후의 광신호는 매우 약하게 출력된다. 이렇게 약하게 출력되는 광신호를 감지하기 위해서 확산 광 분광기에 사용되는 측정용 프로브의 광수신장치에는 아발란치 포토다이오드 (APD: Avalanche Photo Diode)라는 고 이득의 광 검출소자를 사용해야 한다. 아발란치 포토다이오드는 수백 볼트의 높은 직류 전압을 전원으로 사용하는데, 이 전원의 전압에 따라 아발란치 포토다이오드의 증폭율이 결정된다. 아발란치 포토다이오드의 증폭률은 온도 변화에 따라 변하게 되고, 동일한 광신호가 입사된다고 하더라도 그 출력 신호가 달라져 왜곡이 발생하게 되고 정확한 생체조직의 특성을 검출할 수 없게 되므로 아발란치 포토다이오드의 증폭률을 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. In general, a living tissue is a turbid medium rather than a transparent medium. Therefore, when light passes through the living body, it absorbs and generates a large amount of scattering. As a result, the optical signal after passing through the living tissue is very weak do. In order to detect such a weakly output optical signal, a high-gain photodetecting device called an Avalanche Photo Diode (APD) should be used for a light receiving device of a measuring probe used in a diffused-light spectroscope. Avalanche photodiodes use a high DC voltage of several hundred volts as the power source, which determines the amplification factor of the avalanche photodiode. The amplification factor of the Avalanche photodiode changes according to the temperature change. Even if the same optical signal is incident, the output signal thereof is different and distortion occurs, and the characteristic of the biotissue can not be detected. Therefore, the amplification factor of the Avalanche photodiode It is very important to keep it constant.
생체조직을 통과한 후의 광신호를 광수신장치에서 더 잘 수신하기 위해서는 광원의 빛의 세기를 높이는 방법이 있다. 광을 이용한 의료용 진단기기의 기술이 발전하면서 가시광선과 근적외선 영역의 레이저 다이오드의 기술도 같이 발전하여 현재는 20mW이상의 고출력 레이저가 개발되고 있지만, 아직 20mW 이상의 출력을 낼 수 없는 파장도 존재한다. 종래의 확산 광 분광기에는 20mW 이상 출력을 내지 못하는 레이저 다이오드를 광원으로 사용할 경우, 생체 조직을 통과한 후의 빛의 세기가 광수신장치에서 검출할 수 없을 정도로 매우 약하기 때문에 사용이 어려웠으며, 측정된 신호에 왜곡이 발생하여 측정 오차가 커지는 문제가 있었다. 또한20mW 이상의 출력이 가능한 레이저 다이오드는 고출력을 내기 위해 많은 전력을 소비하는 단점이 있으므로, 광원의 소비전력을 줄이거나 저출력 레이저를 광원으로 사용할 수 있도록 하기 위한 기술이 필요하다.There is a method of increasing the light intensity of the light source in order to better receive the optical signal after passing through the living tissue in the light receiving device. With the development of technology for medical diagnostic devices using light, the laser diode technology of visible light and near infrared rays has developed as well, and now, a high power laser of 20 mW or more has been developed, but there is a wavelength that can not output an output of 20 mW or more yet. In the case of using a laser diode which can not produce an output of 20 mW or more in a conventional diffuse optical spectroscope as a light source, it is difficult to use because the intensity of light after passing through a living tissue is so weak that it can not be detected by a light receiving device. There is a problem that the measurement error is increased. In addition, a laser diode capable of output power of 20 mW or more has a disadvantage of consuming a large amount of power in order to output a high output. Therefore, a technique is required to reduce power consumption of a light source or to use a low output laser as a light source.
종래의 확산 광 분광 시스템에 사용되는 측정용 프로브의 광원은 서로 다른 파장으로 구성된 다수의 레이저 다이오드에 순차적으로 한 개씩 바이어스 전류와 변조 전류를 인가하는 방식을 사용하고 있다. 생체조직과 같은 혼탁(turbid) 매질에 레이저를 입사시켜 통과 혹은 반사되어 나오는 빛의 크기변화 또는 위상변화를 프로브 내의 광수신장치를 이용하여 측정한다. 혼탁 매질의 흡수 또는 산란이 클 경우 혼탁 매질에 의해 빛의 감쇄가 많이 발생하므로 광수신장치 내부의 아발란치 포토다이오드가 도 1과 같이 수신 한계값 보다 작은 빛을 온전히 수신하지 못하고 왜곡된 신호로 측정하는 문제가 발생한다. 기존에는 아발란치 포토다이오드의 수신 한계값을 낮추거나 레이저 다이오드의 광 출력을 키우는 방법으로 해결하고자 하였다. 하지만 수신 한계값을 낮추기 위해서는 아발란치 포토다이오드의 증폭률을 높여야 하므로 더 높은 전압의 전원과 고가의 아발란치 포토다이오드가 필요하게 되고, 레이저 다이오드의 출력을 높일 경우 하기와 같은 문제를 발생시킨다. A light source of a measurement probe used in a conventional diffuse optical spectroscopy system uses a bias current and a modulation current one by one sequentially to a plurality of laser diodes having different wavelengths. A change in size or phase of light passing through or reflected from a turbid medium such as a living tissue is measured using a light receiving device in a probe. When the absorption or scattering of the turbid medium is large, the attenuation of light due to the opaque medium occurs much, so that the avalanche photodiode in the optical receiver does not receive the light less than the reception limit as shown in FIG. 1, A problem of measurement occurs. In the past, we tried to solve this problem by lowering the reception threshold of avalanche photodiode or by increasing the light output of the laser diode. However, in order to lower the reception threshold value, the amplification factor of the avalanche photodiode must be increased, so that a higher voltage power supply and an expensive Avalanche photodiode are required. When the output of the laser diode is increased, the following problems arise.
첫째, 광 출력을 높일 경우, 도 4와 같이 레이저 다이오드의 출력이 선형적이지 않은 구간에서 광 신호가 출력될 수 있다. 이 경우 광원의 신호 자체에 왜곡이 발생하여 측정오차가 커지게 된다. First, when the light output is increased, an optical signal can be output in a section where the output of the laser diode is not linear as shown in FIG. In this case, distortion occurs in the signal itself of the light source, thereby increasing the measurement error.
둘째, 특정 파장의 저출력 레이저 다이오드는 경우 사용할 수 없게 되므로 레이저 다이오드의 파장을 선택함에 있어서 제약이 발생한다.Second, since the low-power laser diode of a specific wavelength can not be used, there is a restriction in selecting the wavelength of the laser diode.
셋째, 고출력의 레이저 다이오드일 경우라도, 충분한 광 출력을 위해 레이저 다이오드에 많은 전류를 인가해야 하므로 많은 전력을 소모한다. Third, even in the case of a high-output laser diode, a large amount of electric power is consumed because a large current is required to be applied to the laser diode for sufficient light output.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 저출력 레이저 다이오드의 사용이 가능하므로 확산 광 분광 시스템에 사용되는 광원의 파장 선정의 폭을 넓게 하며, 레이저 다이오드의 선형적인 동작 구간 보다 큰 빛을 발생할 때 발생하는 광 출력의 왜곡이 발생하지 않도록 하고, 광원의 소모 전력을 줄일 수 있는 방법을 제공하는데 목적이 있다.Accordingly, it is possible to use a low-power laser diode to broaden the wavelength selection of a light source used in a diffuse-light spectroscopy system, It is an object of the present invention to provide a method of preventing distortion of an optical output and reducing power consumption of a light source.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 확산 광 분광 시스템에 사용되는 측정용 프로브는 광원(도5)에서 출력되는 다수의 파장의 빛이 확산 광 분광기의 프로브까지 전달되도록 하는 광섬유(30) 혹은 피부에 직접 접촉이 가능한 광스터브(25), 입사된 빛을 증폭된 전류로 변환하는 아발란치 포토다이오드와, 아발란치 포토다이오드에 고전압 전원을 제어하고 온도특성을 보상하기 위한 광수신장치 제어부, 광섬유(30)와 아발란치 포토다이오드(50) 사이의 간격을 조절할 수 있는 거리조절장치(80)로 이루어지고, 혼탁 매질(생체조직)의 높은 흡수 및 산란으로 아발란치 포토다이오드의 수신 한계값 보다 낮은 신호가 입력되더라도 왜곡이 발생하지 않도록 하는 보조광원(70)이 포함되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a measuring probe used in the diffuse-light spectroscopy system of the present invention includes an
본 발명은 보조 광원을 광수신 장치에 적용함으로써 광 출력의 세기가 약한 레이저 다이오드를 광원으로 사용하였다 할지라도 광수신장치 내의 아발란치 포토다이오드의 수신 한계값 이상의 범위가 되도록 위치시킬 수 있다. 따라서, 기존의 광수신 장치에서 발생했던 왜곡을 제거하거나 줄일 수 있으므로 종래에는 사용할 수 없었던 광 출력의 세기가 약한 파장의 레이저 다이오드를 사용할 수 있게 되어 확산 광 분광 시스템의 파장 선택의 폭을 넓힐 수 있다. 이와 더불어 종래처럼 20mW 이상의 고출력의 레이저 다이오드를 사용할 경우에도, 레이저 다이오드의 광 출력 세기를 줄임으로써 선형영역에서 변조시킴으로써 신호의 왜곡을 감소시킬 수 있기 때문에 전력 소모를 줄일 수 있다.The present invention can be applied to a light receiving device so that even if a laser diode having a weak light output intensity is used as a light source, the auxiliary light source can be positioned in a range not less than the reception threshold value of the avalanche photodiode in the light receiving device. Therefore, since the distortion generated in the conventional optical receiving apparatus can be eliminated or reduced, it is possible to use a laser diode having a weak optical output intensity, which can not be used in the past, and to broaden the wavelength selection of the diffused optical spectroscopy system . In addition, even when a laser diode having a high output power of 20 mW or more is used as in the prior art, the optical output intensity of the laser diode is reduced to reduce the signal distortion by modulating the laser diode in the linear region.
도 2와 같이 보조광원을 이용하면 높은 흡수와 산란 특성을 가진 혼탁 매질을 통과하여도 광수신 장치 내의 아발란치 포토다이오드의 출력신호가 왜곡이 없이 정상적으로 출력되는 것을 확인할 수 있다. 아발란치 포토다이오드의 출력 신호는 혼탁 매질을 통과한 광 신호의 크기와 보조 광원의 크기의 합으로 나타낼 수 있다. 따라서 아발란치 포토다이오드의 수신 한계값 보다 낮은 신호가 입력되더라도 보조 광원의 직류 성분이 더해짐으로써 수신된 신호가 아발란치 포토다이오드의 수신범위 내에 위치하도록 할 수 있다.As shown in FIG. 2, when the auxiliary light source is used, the output signal of the avalanche photodiode in the light receiving device is normally output without any distortion even if the light passes through the turbid medium having high absorption and scattering characteristics. The output signal of the Avalanche photodiode can be expressed as the sum of the magnitude of the optical signal passing through the turbid medium and the size of the auxiliary light source. Therefore, even if a signal lower than the reception threshold of the Avalanche photodiode is inputted, the DC component of the auxiliary light source is added so that the received signal can be positioned within the reception range of the Avalanche photodiode.
도 1은 광원의 신호가 높은 흡수와 산란 특성을 가진 혼탁 매질을 통과한 후, 광수신 장치 내의 아발란치 포토다이오드의 수신 한계값 이하로 광 세기가 약해짐을 나타낸다.
도 2는 광원의 신호가 높은 흡수와 산란 특성을 가진 혼탁 매질을 통과한 후의 광 신호가 보조광원과 더해져 광수신장치 내의 아발란치 포토다이오드의 수신 한계값 보다 커져 수신범위 내에 위치함을 나타낸다.
도 3은 확산 광 분광 시스템에 사용되는 측정용 프로브가 탑재된 확산 광 분광 시스템 블록도의 일 실시 예이다.
도 4는 레이저 다이오드의 전류에 의한 광 출력 특성 그래프와 AC 입력 변조 신호 입력에 따른 선형 구간과 비선형 구간에서의 광 출력 신호의 비교도이다.
도 5는 확산 광 분광 시스템에 사용되는 측정용 프로브의 광원으로 사용 가능한 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치이다.
도 6는 본 발명의 보조광원을 구비한 측정용 프로브의 구성도의 일 실시 예이다.Figure 1 shows that after the light source signal passes through a turbid medium with high absorption and scattering characteristics, the light intensity is weaker below the receive threshold of the avalanche photodiode in the light receiver.
Fig. 2 shows that the optical signal after passing through the turbid medium having the high absorption and scattering characteristics of the light source is added to the auxiliary light source and is larger than the reception limit value of the avalanche photodiode in the light receiving device, and is located within the reception range.
3 is an embodiment of a diffusion optical spectroscopy system block diagram in which a measurement probe used in a diffused light spectroscopy system is mounted.
FIG. 4 is a graph showing the optical output characteristics of the laser diode according to the current and the optical output signals of the linear and non-linear sections according to the AC input modulation signal input.
5 is a multi-wavelength laser diode beam synthesizer that can be used as a light source of a measurement probe used in a diffused light spectroscopy system.
6 is a block diagram of a measurement probe having an auxiliary light source according to an embodiment of the present invention.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하면, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the exemplary embodiments set forth herein. The present invention is not limited to these embodiments.
도 3은 확산 광 분광 시스템에 사용되는 측정용 프로브가 탑재된 확산 광 분광 시스템의 일 실시 예를 나타내며, 광원의 주파수를 변경하면서 광신호의 크기변화와 위상변화를 모두 측정하는 호모다인 방식의 측정용 프로브의 블록도이다. 호모다인 방식 시스템의 동작은 다음과 같은 순서로 이루어진다. 신호처리부는 신호발생장치에서 주파수를 가진 전기 신호를 발생하도록 제어한다. 상기 주파수는 50MHz에서 500MHz이내에서 가변이 가능하며, 단일 주파수 성분의 전기 신호이다. FIG. 3 shows an embodiment of a diffused-light spectroscopy system equipped with a measurement probe used in a diffused-light spectroscopy system. The diffused-light spectroscopy system includes a homodyne method for measuring both a magnitude change and a phase change of an optical signal while changing a frequency of a light source Fig. The operation of the homodyne system is performed in the following order. The signal processor controls the signal generator to generate an electric signal having a frequency. The frequency is variable within 50 MHz to 500 MHz and is an electrical signal of a single frequency component.
신호발생장치에서 발생된 신호가 신호분배기를 통해 두 개의 출력으로 나누어지게 되며, 그 중 하나의 신호는 제1증폭기와 가변감쇄기, 레이저 구동회로를 통해 레이저 다이오드 광원에 전달되어 광신호로 출력된다. 상기 가변감쇄기는 상기 레이저 다이오드 광원의 광출력 특성에 따라 신호의 크기를 가변 시킬 수 있다. 신호분배기에서 출력되는 다른 하나의 신호는 고정감쇄기를 지난 후 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되어 기준신호로 사용된다.A signal generated by the signal generating device is divided into two outputs through a signal distributor. One of the signals is transmitted to a laser diode light source through a first amplifier, a variable attenuator, and a laser driving circuit, and is output as an optical signal. The variable attenuator may vary the magnitude of the signal according to the optical output characteristics of the laser diode light source. The other signal output from the signal distributor is input to the signal magnitude and phase measuring device after passing through the fixed attenuator, and is used as a reference signal.
상기 레이저 다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 생체조직에 조사되고 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란을 거친 후 보조광원에서 출력되는 광 세기와 더해진다. 상기 보조광원과 더해진 광 신호는 광수신장치 내의 아발란치 포토다이오드로 입사되어 전기신호로 변환되며, 상기 아발란치 포토다이오드의 동작을 위해 온도보상 특성을 위한 고전압 직류 전원 공급장치가 필요하다. 상기 고전압 직류 전원 공급장치에는 상기 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하고 상기 온도에 따라 자동으로 증폭률을 일정하게 제어하는 온도보상회로가 포함된다. The optical signal output from the laser diode light source is irradiated to the living tissue through the optical fiber and is added to the light intensity output from the auxiliary light source after being absorbed and scattered in the living tissue. The optical signal added to the auxiliary light source is incident on the Avalanche photodiode in the optical receiver and converted into an electrical signal. A high voltage DC power supply for temperature compensation is required for operation of the Avalanche photodiode. The high-voltage DC power supply includes a temperature compensation circuit that measures the temperature of the Avalanche photodiode and automatically controls the amplification factor according to the temperature.
상기 아발란치 포토다이오드에서 출력되는 전기신호는 자체증폭기를 통해 증폭된 후 제2 증폭기를 거쳐 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되며, 상기 고정감쇄기를 지난 후 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되는 기준신호와 비교함으로써 광수신장치에 입력되는 광신호의 크기변화 및 위상변화를 측정한다. The electrical signal output from the avalanche photodiode is amplified through a self amplifier and then input to a signal magnitude and phase measurement device via a second amplifier. After passing through the fixed attenuator, And measures the size change and the phase change of the optical signal inputted to the light receiving device.
수식(1)은 상기 위상변화를 도출하기 위한 수식이며, 수식(2)는 상기 크기변화를 도출하기 위한 수식이다. 상기 프로브의 다른 파장으로 구성된 다수의 레이저 다이오드에 순차적으로 한 개씩 상기 신호발생장치에서 발생된 모든 주파수 신호를 입력하고 생체를 통과한 후의 광신호의 크기변화와 위상변화를 측정한다. 상기 측정된 크기변화와 위상변화를 각 파장별로 나누어 주파수 변화에 따른 크기변화와 위상변화 측정값을 Lenvenberg-Marquardt 라는 비선형 최소자승법을 이용하여 피팅(Fitting)을 한다. 수식(3)의 값이 최소값이 되는 경우에 대한 흡수계수 μa 와 산란계수 μ's를 구한다. 흡수계수와 산란계수를 이용하여 성분분석을 하면 생체조직의 산소헤모글로빈, 지방, 물과 같은 성분의 구성 정보를 얻을 수 있다. Equation (1) is a formula for deriving the phase change, and Equation (2) is a formula for deriving the magnitude change. All of the frequency signals generated in the signal generating device are sequentially input to a plurality of laser diodes constituted by other wavelengths of the probe sequentially and the magnitude and phase changes of the optical signal after passing through the living body are measured. The size change and the phase change are divided for each wavelength, and the magnitude change and the phase change measurement value according to the frequency change are fitted using a nonlinear least squares method called Lenvenberg-Marquardt. The absorption coefficient μ a and the scattering coefficient μ ' s for the case where the value of the equation (3) becomes the minimum value are obtained. Component analysis using the absorption coefficient and scattering coefficient can give information on the composition of components such as oxygen hemoglobin, fat, and water in living tissues.
도 4의 (b) 같이 광 출력 신호가 입력된 변조 신호와 다른 왜곡된 형태가 된다. 출력 광과 입력전류의 비율이 선형적인 구간에서는 도 4의 (a)와 같이 AC 변조 신호와 동일한 형태의 광 출력 신호가 나타나지만 레이저 다이오드의 출력을 높여 포화 영역까지 사용하게 된다면 도 4의 (b)와 같이 AC 변조신호와 다른 왜곡된 광 출력 신호가 나타나게 된다. 광수신장치의 수신 범위에 빛이 입사된다고 할지라도 광원의 신호가 왜곡되었기 때문에 광 수신 자체에서 수신된 측정 신호 또한 왜곡되는 문제가 발생한다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 고효율의 레이저 다이오드 또는 LED를 광수신기의 근처에 추가하여 변조하지 않은 직류 광 출력이 방출하는 방법을 제안한다. 이 방법을 사용하면 높은 흡수도 및 산란도를 가지는 매질을 통과할지라도 변조된 파장의 빛은 보조 광원의 직류 광 출력과 합산하여 광 수신기의 수신범위에 위치하기 때문에 광수신장치에서의 왜곡을 방지할 수 있다. 또한 광수신장치 근처에 보조 광원이 위치하기 때문에 저출력의 레이저 또는 LED를 사용이 가능하여 저전력으로 보조 광원을 구동시킬 수 있다. As shown in FIG. 4 (b), the optical output signal is distorted differently from the input modulated signal. If the ratio of the output light to the input current is linear, an optical output signal of the same type as that of the AC modulation signal is generated as shown in FIG. 4A. However, if the output of the laser diode is increased to the saturation region, A distorted optical output signal different from the AC modulated signal appears. Even if light is incident on the reception range of the optical receiver, there is a problem that the measurement signal received by the optical receiver itself is distorted because the signal of the light source is distorted. To solve these problems, we propose a method of adding a high efficiency laser diode or LED to the vicinity of the optical receiver to emit unmodulated DC light output. Using this method, the light of modulated wavelength is combined with the DC light output of the auxiliary light source and is located in the receiving range of the optical receiver, even though it passes through medium having high absorbency and scattering degree. can do. Also, since the auxiliary light source is located near the optical receiver, it is possible to use a low-power laser or LED, thereby driving the auxiliary light source with low power.
도 5는 케이스(10)와 다수개의 레이저발생부로 이루어진 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치의 실시 예이다. 도 5의 (a)는 광섬유과 결합이 가능한 형태로서 광섬유 결합 형태의 다파장 레이저이고, 도 5의 (b)는 광스터브(25)를 통해 광원의 빛이 출력되어 생체조직의 표면에 직접 빛을 입사할 수 있도록 구성한 광스터브(25) 형태로서, 광스터브(25) 형태의 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치이다.5 is an embodiment of a multi-wavelength laser diode beam synthesizing apparatus comprising a
레이저 다이오드는 주로 가시광선과 근적외선 영역인 600~1100nm 대역의 파장이 사용되며, 상기 신호발생장치로부터 출력되는 주파수 신호에 따라 광 출력이 가능해야 한다. 상기 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치는 다수의 레이저 다이오드를 하나의 코어를 갖는 광섬유 또는 광스터브(25)에 집광시키는 의료용 광원이다. 다수의 파장을 하나의 광섬유에 집광시키기 때문에 넓은 파장 대역에 대해 광 손실이 낮다.The laser diode has a wavelength of 600 to 1100 nm, which is a visible light region and a near infrared region, and is capable of outputting light according to a frequency signal output from the signal generating apparatus. The multi-wavelength laser diode beam synthesizer is a medical light source for condensing a plurality of laser diodes to an optical fiber or
도 6은 본 발명의 보조광원을 구비한 측정용 프로브의 구성도의 일 실시 예이다. 상기 프로브는 광원과 연결된 광섬유(30), 광수신장치 제어부, 기준점 지시부(40), 아발란치 포토다이오드(50), 보조광원(70), 거리조절기(80), 외부 케이스(90)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 광섬유(30)는 하나의 코어와 이를 감싸고 있는 클래딩으로 구성된 광섬유이며, 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치에서 집광된 빛이 상기 광섬유를 통하여 생체 조직에 조사된다. 기준점 지시부(40)는 생체조직을 측정할 때 측정 위치를 시각적으로 기준점을 확인할 수 있는 부분이다.6 is a block diagram of a measurement probe having an auxiliary light source according to an embodiment of the present invention. The probe includes an
아발란치 포토다이오드(50)는 고 이득의 광 검출소자이며, 입사된 작은 양의 빛을 전류로 변환한다. 이는 광수신장치 제어부와 연결되어 광수신장치를 구성하는 요소가 된다. 상기 광수신장치 제어부는 상기 아발란치 포토다이오드(50)의 증폭률이 안정되도록 고전압 직류전원 공급장치를 제어하여 아발란치 포토다이오드의 증폭률이 안정되도록 하는 온도 보상회로를 포함하며, 아발란치 포토다이오드를 통해 변환된 전류 신호를 증폭하기 위한 자체증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다. The
보조광원(70)은 레이저 다이오드 광원으로부터 출력된 신호가 혼탁 매질(생체조직)의 높은 흡수 및 산란으로 인해 아발란치 포토다이오드에 수신 한계값 보다 낮은 신호로 입력되더라도 왜곡이 발생하지 않도록 한다. 상기 보조광원은LED 또는 고효율 레이저 다이오드와 같이 저전력 광 출력 소자이며, 자동 광 세기 조절 장치에 의해 일정한 빛이 방출될 수 있도록 제어된다.The auxiliary
확산 광 분광기에서 프로브의 거리 조절 장치(80)는 상기 광섬유와 아발란치 포토다이오드 사이의 거리를 조절할 수 있는 기능을 한다. 광섬유와 아발란치 포토다이오드 사이의 거리에 따라 측정하고자 하는 매질내에서 빛의 경로가 달라지게 되며, 광원과 광수신장치의 거리가 멀어짐에 따라 측정되는 생체조직 내의 측정 깊이는 증가하게 된다.The
10 광원
20 케이스(광원)
30 광섬유
40 기준점 지시부
50 아발란치 포토다이오드
70 보조광원
80 거리조절기
90 외부 케이스10 light sources
20 cases (light source)
30 optical fiber
40 Reference point indicator
50 Avalanche Photodiode
70 Auxiliary light source
80 Distance adjuster
90 outer case
Claims (10)
다수개의 레이저 발생부로 이루어진 다파장 레이저 빔 합성장치,
상기 레이저 발생부에서 방사된 광대역 빛이 상기 확산 광 분광기 프로브까지 전달되도록 하는 광섬유,
입사된 빛을 전류로 변환하고 증폭하는 광수신장치,
상기 광섬유와 상기 광수신장치의 거리에 따라 측정하고자 하는 매질의 측정깊이를 조절할 수 있는 거리조절장치,
고전압전원 및 아발란치 포토다이오드를 제어하는 광수신장치 제어부로 이루어지고, 매질의 흡수도 및 산란도에 따라 왜곡이 발생하지 않도록 보조장치가 포함되는 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.In a diffused-light spectroscopy system equipped with a diffused-light spectroscopy probe and its probe,
A multi-wavelength laser beam synthesizer comprising a plurality of laser generators,
An optical fiber for allowing broadband light emitted from the laser generator to be transmitted to the diffused optical spectroscope probe,
An optical receiver for converting the incident light into a current and amplifying the current,
A distance adjusting device for adjusting a depth of a medium to be measured according to a distance between the optical fiber and the optical receiver,
A high voltage power source, and an optical receiver control unit for controlling the Avalanche photodiode, and an auxiliary device is included to prevent distortion from occurring depending on the degree of absorption and scattering of the medium.
상기 보조장치는 보조광원인 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.The method according to claim 1,
Wherein the auxiliary device is a light source for auxiliary light.
상기 레이저 발생부는 가시광 및 근적외선 영역을 모두 포함하는 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.3. The method of claim 2,
Wherein the laser generation unit includes both a visible light region and a near-infrared region.
상기 레이저 발생부는 레이저 다이오드로 하는 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.The method of claim 3,
Wherein the laser generator is a laser diode.
상기 광섬유는 하나의 코어 및 클래딩 구조인 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.The method according to claim 1,
Wherein the optical fiber is a core and a cladding structure.
상기 레이저 발생부는 레이저 다이오드에서 방사된 빛이 전달되는 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.6. The method of claim 5,
Wherein the laser generator transmits the light emitted from the laser diode.
상기 광수신장치를 구성하는 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 상기 온도에 따라 자동으로 상기 아발란치 포토다이오드의 증폭률을 일정하게 해주는 온도보상회로가 형성된 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.The method according to claim 1,
A temperature sensor for measuring the temperature of the avalanche photodiode constituting the optical receiver, and a temperature compensation circuit for automatically adjusting the amplification factor of the avalanche photodiode according to the temperature. Spectroscopic probe.
상기 보조광원이 자동 광 세기 조절 장치에 의해 일정한 빛이 방출될 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 확산 광 분광기 프로브.3. The method of claim 2,
Wherein the auxiliary light source is controlled to emit a predetermined light by the automatic light intensity adjusting device.
상기 보조광원은 상기 아발란치 포토다이오드로부터 일정거리에 위치한 것을
특징으로 하는 확산 광분광기 프로브.9. The method of claim 8,
The auxiliary light source is located at a certain distance from the Avalanche photodiode
A diffuse optical spectroscope probe characterized by.
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