KR101956446B1 - Controlling method of light energy penetration depth using ultrasonic energy and apparatus thereof - Google Patents
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Abstract
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치는, 광 에너지를 발생시키는 광원(light source); 및 상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성함으로써, 상기 광 에너지가 조사 대상(illuminated subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성되는 초음파 (US: Ultrasound) 트랜스듀서를 포함하고, 초음파가 조직에 전혀 손상을 주지 않는 범위 내에서 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 에어 버블을 생성하여, 광 침투 깊이를 증가시킬 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling depth of penetration of light using ultrasound energy, including: a light source for generating light energy; And an ultrasound transducer configured to increase an infiltration depth of the light energy into an illuminated subject by generating an air bubble using ultrasonic waves in a region where the light energy travels, And the intensity of the ultrasonic energy is controlled within a range in which the ultrasonic waves do not damage the tissue at all, whereby air bubbles can be generated and the depth of light penetration can be increased.
Description
본 발명은 초음파 에너지를 이용한 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a control method and apparatus using ultrasonic energy, and more particularly, to a method and apparatus for controlling the depth of penetration of light energy using ultrasonic energy.
광 영상 시스템은 대상체에 광 에너지를 조사한 후 대상체에서 반사, 흡수, 산란된 광 신호를 검출하여 높은 해상도의 대상체 내부구조 및 특성 영상화를 수행하는 장비이다. 또한 조사된 광 에너지를 흡수한 흡수체에서 발생하는 광음향 신호(photoacoustic signal)를 초음파 센서를 이용해 수신하여 특성화 영상을 형성하는데 사용하고 있으며, 광 에너지를 이용해 치료 효용성이 향상된 선택적 치료에도 사용된다. 광 에너지를 이용한 이러한 장점으로 인해 임상에서의 사용 범위가 크게 확대되고 있다. Optical imaging system is a device that irradiates light energy to a target object, detects optical signals reflected, absorbed, and scattered by the target object to perform a high resolution internal structure of the target object and imaging. In addition, photoacoustic signals generated from an absorber absorbing irradiated light energy are received by using an ultrasonic sensor to form a characteristic image, and they are also used for selective treatment with improved light utilization efficiency. Due to these advantages using light energy, the range of use in clinics is greatly expanding.
한편, 이러한 광 에너지를 이용한 의료 영상 장치 및 의료 치료 장치에서, 광산란(optical scattering)은 광 에너지 전달 깊이를 한정 짓는 주요 요소로 광학 이미지 및 치료에서 암상 활용도를 높이는데 큰 걸림돌이 된다. 즉, 깊게-위치된 타깃 영역(deep-lying target region)으로의 광 전달은 광학 이미징(optical imaging) 및 치료에서 가장 큰 어려움이다. 이러한 어려움은 생물학적 매체(biological media)에서의 광흡수(optical absorption)보다는 산란이 우세하기 때문에, 광산란이 이동 체제(ballistic regime)와 전송 수단 자유 경로 길이(transport mean free path length)를 결정하며, 이 길이가 1-2 mm로 매우 낮기 때문이다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여, 가이드 스타(guide star)에 기반하는 여러 광학적 포커싱 방법들이 제안되어왔다. 초음파(Ultrasound) 및 광음향(photoacoustic) 신호들이 비-광학적 접근법으로 가이드 스타를 비-침습적으로(non-invasively) 생성하는데 사용되어왔다. On the other hand, optical scattering is a major factor limiting the depth of light energy transfer in medical image devices and medical treatment devices using such light energy, which is a great obstacle to enhance utilization of the image in optical image and treatment. That is, light transmission to a deep-lying target region is the greatest challenge in optical imaging and therapy. This difficulty is due to scattering rather than optical absorption in biological media, so light scattering determines the ballistic regime and the transport mean free path length, This is because the length is very low, 1-2 mm. To overcome this difficulty, various optical focusing methods based on a guide star have been proposed. Ultrasound and photoacoustic signals have been used to non-invasively generate a guide star in a non-optical approach.
하지만, 이러한 방법들은 가이드 스타의 도움을 이용하는 광 포커싱을 위한 반복적인 파면 형성(iterative wavefront shaping)과 연관되고, 이는 생체 내에서(in vivo) 실시간 동작에 대하여 부담이 된다는 문제점이 여전히 있다. However, these methods are associated with iterative wavefront shaping for optical focusing using the help of a guide star, which is still a burden for real-time operation in vivo.
또한, 초음파 및 광음향 신호를 이용한 가이드 스타 방식의 최적 성능을 달성하기 위해서는 초음파 트랜스듀서(ultrasound transducer)가 광 전파 방향에 수직하게 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 구성은 내시경 광학 이미징 및 치료(endoscopic optical imaging and therapy)와 같은 임상 응용(clinical applications)의 구현 시 장애가 될 수 있다는 문제점이 있다. In addition, in order to achieve the optimum performance of the guide star system using the ultrasonic wave and the photoacoustic signal, it is preferable that the ultrasonic transducer is arranged perpendicular to the light propagation direction. However, such a configuration has the problem that it may be a hindrance to the implementation of clinical applications such as endoscopic optical imaging and therapy.
한편, 초음파는 생물학적 조직들의 초점 영역 부분에 국부적인 온도에 상승을 유발할 수 있으며, 국부적인 온도가 특정 수준(즉, 60°C 이상)에 도달하는 경우, 조직에 대한 열 손상이 초점 영역에서 발생한다; 고강도집속초음파(HIFU: 하이푸) 수술로 불리우는 비침습적 암 치료를 위하여 이러한 방법이 사용된다. 또한, 하이푸 수술에 사용되는 초음파 에너지보다 매우 낮은 에너지를 사용할 경우, 즉 생체조직에 영향을 주지 않은 수준의 초음파 에너지를 생체조직에 조사한 경우에도 초음파 집속영역에서 에어 버블이 생성되며 이때 초음파 에너지 조사를 멈추면 생성된 에어 버블이 사라지는 현상이 관측되었다.On the other hand, ultrasound can cause local temperature rise in the focal area portion of biological tissues, and if local temperature reaches a certain level (i.e., above 60 [deg.] C) do; This method is used for noninvasive cancer treatment called high intensity focused ultrasound (HIFU) surgery. In addition, when energy is used much lower than the ultrasonic energy used in the high-fu operation, that is, when ultrasonic energy is applied to the living tissue at a level not affecting the living tissue, air bubbles are generated in the ultrasonic focusing region, A phenomenon that the generated air bubble disappears is observed.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 에어 버블을 생성하여, 광 에너지 침투 깊이 제어 장치 및 제어, 이를 통한 광 에너지를 이용한 영상 및 치료 성능 향상 방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for generating air bubbles by controlling the intensity of ultrasonic energy, Improvement method.
본 발명의 또 다른 목적은 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 에어 버블을 생성하여, 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치를 제공함에 있다.It is still another object of the present invention to provide an apparatus for measuring and controlling the penetration depth of light energy by generating air bubbles by adjusting the intensity of ultrasonic energy.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood from the following description.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치는, 광 에너지를 발생시키는 광원(light source); 및 상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성함으로써, 상기 광 에너지가 조사 대상(illuminated subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성되는 초음파 (US: Ultrasound) 트랜스듀서를 포함하고, 초음파가 조직에 전혀 손상을 주지 않는 범위 내에서 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 에어 버블의 생성 영역의 크기를 조절하여, 이 영역을 통과하는 광 에너지의 침투 깊이를 증가시킬 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for controlling depth of penetration of light using ultrasound energy, including: a light source for generating light energy; And an ultrasound transducer configured to increase an infiltration depth of the light energy into an illuminated subject by generating an air bubble using ultrasonic waves in a region where the light energy travels, And adjusting the intensity of the ultrasonic energy within a range in which the ultrasonic waves do not damage the tissue at all to adjust the size of the area of the air bubble to be generated so that the penetration depth of the light energy passing through the area can be increased.
일 실시 예에서, 상기 영역에 상기 에어 버블이 없는 경우에 산란 매체(scattering medium)에 의하여 상기 광 에너지는 모든 방향으로의 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생한다. 또한, 상기 영역에 상기 에어 버블이 있는 경우 상기 광 에너지가 상기 에어 버블과의 충돌에 의해 전방에 해당하는 진행방향으로 미 산란(Mie scattering)이 발생됨에 따라 상기 조사 대상에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성될 수 있다.In one embodiment, when there is no air bubble in the region, the light energy is caused by scattering medium to cause Rayleigh scattering in all directions. Further, in the case where the air bubble is present in the region, the depth of penetration into the object to be irradiated increases as the scattering of light occurs in the traveling direction corresponding to the front due to the collision of the light energy with the air bubble. Lt; / RTI >
일 실시 예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 초음파의 강도(intensity)를 증가시켜서, 에어 버블의 생성 영역의 크기를 조절하여 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 더 증가되도록 구성될 수 있다.In one embodiment, the ultrasonic transducer is configured to increase the intensity of the ultrasonic wave to adjust the size of the region of the air bubble to be formed so that the depth of penetration of the light energy into the subject is further increased .
일 실시 예에서, 상기 초음파 트랜스듀서는 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter)을 갖는 형태로, 홀(hole)을 구비하고, 상기 내경에 해당하는 상기 홀을 통해 상기 광원으로부터 광 에너지가 상기 조사 대상에 인가될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 내경과 상기 외경을 갖는 링-형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, the ultrasonic transducer has a shape having an inner diameter and an outer diameter, and has a hole, through which the light energy from the light source passes through the hole corresponding to the inner diameter, It can be applied to the survey subject. For example, the ultrasonic transducer may be in the form of a ring having the inner diameter and the outer diameter, but is not limited thereto.
일 실시 예에서, 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이를 측정 또는 예측하고, 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되지 않는 것으로 판단되면, 상기 초음파의 강도가 증가되도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the control unit controls the intensity of the ultrasonic waves to be increased when the depth of penetration is determined to be not the desired level by measuring or predicting the depth of penetration of the light energy into the subject .
본 발명의 다른 양상에 따른, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법은, 광원(light source)을 이용하여 광 에너지를 발생시키는 광 에너지 발생 단계; 및 상기 광 에너지가 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록, 상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성하는 에어 버블 생성 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling depth of penetration of light using ultrasound energy, comprising: a light energy generating step of generating light energy using a light source; And an air bubble generating step of generating an air bubble using ultrasonic waves in a region where the light energy travels so that the depth of penetration of the light energy into the subject is increased.
일 실시 예에서, 상기 광 에너지 발생 단계에서, 상기 영역에 상기 에어 버블이 없는 경우에 산란 매체(scattering medium)에 의하여 상기 광 에너지는 모든 방향으로의 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생할 수 있다. 또한, 상기 에어 버블 생성 단계에서, 상기 영역에 상기 에어 버블이 있는 경우 상기 광 에너지가 상기 에어 버블과의 충돌에 의해 전방에 해당하는 진행방향으로 미 산란(Mie scattering)이 발생됨에 따라 상기 조사 대상에 침투되는 깊이가 증가되는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, in the light energy generating step, when there is no air bubble in the region, the light energy may be Rayleigh scattering in all directions by a scattering medium. Further, in the air bubble generating step, when the air bubble is present in the region, the light energy is scattered in the traveling direction corresponding to the forward direction due to the collision with the air bubble, The depth of penetration into the surface is increased.
일 실시 예에서, 초음파 트랜스듀서에 의한 초음파의 강도(intensity)를 증가시켜서, 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 더 증가되도록 하는 초음파 강도 증가 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the method may further include increasing the intensity of the ultrasonic wave by the ultrasonic transducer so that the depth of penetration of the light energy into the subject is further increased.
일 실시 예에서, 상기 에어 버블 생성 단계에서, 상기 광 에너지를 초음파 트랜스듀서의 홀(hole)을 통해 상기 광원으로부터 광 에너지가 상기 조사 대상에 인가되고, 상기 초음파 트랜스듀서는 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter)을 갖는 형태로, 상기 내경에 해당하는 상기 홀(hole)을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 내경과 상기 외경을 갖는 링-형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In one embodiment, in the air bubble generating step, light energy is applied to the object to be irradiated through the hole of the ultrasonic transducer from the light source, and the ultrasonic transducer has an inner diameter And a hole having an outer diameter, the hole corresponding to the inner diameter. For example, the ultrasonic transducer may be in the form of a ring having the inner diameter and the outer diameter, but is not limited thereto.
일 실시 예에서, 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이를 측정 또는 예측하는 침투 깊이 측정/예상 단계; 및 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되지 않는 것으로 판단되면, 상기 초음파의 강도가 증가되도록 제어하는 초음파 강도 증가 단계를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, a penetration depth measurement / estimation step of measuring or predicting a depth at which the light energy penetrates the subject; And controlling the intensity of the ultrasonic waves to be increased if it is determined that the penetration depth is not a desired level.
본 발명의 또 다른 양상에 따른, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치는 광 에너지를 발생시키는 광원으로서 레이저를 발생시키는 레이저 소스; 상기 레이저 소스와 상기 광에너지가 조사되는 샘플에 해당하는 팬텀(phantom) 또는 닭가슴살 사이에 배치되어, 초음파를 발생시키는 초음파 (US: Ultrasound) 트랜스듀서; 및 상기 초음파 트랜스듀서를 통해 상기 초음파 트랜스듀서와 상기 샘플 사이의 영역에 에어 버블(air bubble)이 생성되도록 제어하는 초음파 제어부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring / controlling the depth of penetration of light energy using ultrasound energy, comprising: a laser source for generating a laser as a light source for generating light energy; An ultrasound transducer disposed between the laser source and a phantom or a chicken breast corresponding to a sample irradiated with the light energy and generating ultrasonic waves; And an ultrasonic controller for controlling the ultrasonic transducer to generate an air bubble in an area between the ultrasonic transducer and the sample through the ultrasonic transducer.
일 실시 예에서, 상기 샘플과 일정 거리로 이격되어 후방에 배치되어, 상기 레이저 강도(intensity)를 측정하도록 구성된 CCD 카메라; 및 상기 샘플과 상기 CCD 카메라 사이에 배치되어 특정 파장의 광을 필터링하도록 구성되는 광학 필터(optic filter)를 더 포함할 수 있다.In one embodiment, a CCD camera configured to measure the laser intensity, the CCD camera being spaced apart from and spaced apart from the sample, the CCD camera being disposed behind the CCD camera; And an optical filter disposed between the sample and the CCD camera and configured to filter light of a specific wavelength.
일 실시 예에서, 상기 팬텀은 형광 다이(fluorescent dye)가 삽입(inject)되고, 상기 형광 다이는 제1파장의 상기 레이저를 흡수(absorb)한 이후에 제2파장의 형광(fluorescence)을 방사(emit)하고, 상기 광학 필터는 상기 제2파장의 형광만을 통과시키도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.In one embodiment, the phantom is injected with a fluorescent dye, which fluoresces the second wavelength of fluorescence after absorbing the laser of the first wavelength emit), and the optical filter is configured to pass only the fluorescence of the second wavelength.
일 실시 예에서, 상기 초음파 제어부는, 정현파 전기 신호(sinusoidal electric signal)을 발생시키도록 구성되는 함수 발생기(Function Generator); 상기 초음파의 강도(intensity)를 증가시키기 위해 상기 정현파 전기 신호를 증폭시키도록 구성되는 신호 증폭기(RF Amplifier); 및 공진 주파수로 상기 트랜스듀서를 여기(excite)하기 위해 임피던스 정합을 수행하는 정합 네트워크(Matching Network)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the ultrasound controller includes a function generator configured to generate a sinusoidal electric signal; A signal amplifier (RF Amplifier) configured to amplify the sinusoidal electric signal to increase the intensity of the ultrasonic wave; And a matching network that performs impedance matching to excite the transducer at a resonant frequency.
일 실시 예에서, 상기 레이저 소스는 가우시안 프로파일을 갖는 상기 제1파장의 연속 파(continuous wave) 레이저이고, 상기 레이저 소스에 연결되어 상기 레이저 소스를 턴 온 또는 턴 오프하여 상기 광 에너지를 조절하도록 구성되는 레이저 전력 모듈을 더 포함할 수 있다.In one embodiment, the laser source is a continuous wave laser of the first wavelength with a Gaussian profile and is configured to be coupled to the laser source to adjust the optical energy by turning the laser source on or off Lt; / RTI > laser power module.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to fully inform the owner of the scope of the invention.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 따르면, 초음파가 조직에 전혀 손상을 주지 않는 범위 내에서 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 에어 버블을 생성하여, 광 침투 깊이를 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, the intensity of the ultrasonic energy is controlled within a range in which the ultrasonic waves do not damage the tissue at all, thereby generating air bubbles and increasing the depth of penetration of light.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 따르면, 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 생성된 에어 버블에 의해 광 에너지가 전방으로 진행하는 성분이 증가하여, 광 침투 깊이를 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.Also, according to at least one embodiment of the present invention, there is an advantage that the light penetration depth can be increased by increasing the amount of forward light energy components generated by the air bubbles generated by adjusting the intensity of the ultrasonic energy.
도 1은 본 발명과 관련하여, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치의 구성도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 일정 두께의 조직-유사 팬텀 상의 광 강도 분포의 측정 결과를 도시한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 일정 두께를 갖는 탈체 닭 가슴살(ex vivo chicken breast)상의 광 강도 분포의 관찰 결과를 도시한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 형광 다이에서 방사되는 형광 강도의 변화를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치의 구성도를 나타낸다.1 is a block diagram of an apparatus for controlling the depth of penetration of light energy using ultrasound energy according to the present invention.
2 shows a measurement result of a light intensity distribution on a tissue-like phantom of a certain thickness according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows the observation result of the light intensity distribution on the ex-vivo chicken breast having a certain thickness according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 illustrates the change in fluorescence intensity emitted in a fluorescent die according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a method of controlling the depth of penetration of light energy using ultrasonic energy according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram of an optical energy penetration depth measurement / control test apparatus using ultrasound energy according to the present invention.
이하에서, 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, numerals (e.g., first, second, etc.) used in the description of the present invention are merely an identifier for distinguishing one component from another.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description of the present invention when taken in conjunction with the accompanying drawings, It will be possible. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and are herein described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but on the contrary, is intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 발명과 관련하여, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치 및 이를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법에 대해서 살펴보기로 하자. 또한, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치에 대해서 살펴보기로 한다.In the context of the present invention, an optical energy penetration depth control apparatus using ultrasonic energy and a method of controlling the penetration depth of light energy using the apparatus will be described. In addition, a description will be given of a device for measuring and controlling the penetration depth of light energy using ultrasound energy.
이와 관련하여, 광(light)은 높은 공간-분해능 이미징(high spatial-resolution imaging), 높은 대비-분해능 이미징(high contrast-resolution imaging), 높은 민감도의 분자 이미징, 및 타깃-선택적 치료법을 위한 매력적인 수단이다. 또한, 광(light)은 이온화된 방사(ionizing radiation)와 연관된 리스크를 수반하지 않는다. 임상 응용(clinical applications)에서 광을 사용하는 것의 주요 한계점은 바이오 매체에서의 높은 광 산란에 의해 유발되는 가상의 이미징(superficial imaging) 및 치료 깊이(therapeutic depth)의 한계에 있다. 본 발명에서는, 입사광과 함께 전달된 초음파가 입사 광의 경로(pathway)에 에어 버블(air bubbles)을 생성하는 경우에 입사 광의 산란 및 이로 인한 디포커싱(defocusing)이 경감될 수 있어서, 광 침투가 증가함을 보이고자 한다. 조직 손상(tissue damage)을 회피할 정도로 충분히 낮은 강도로 에어 버블이 초음파에 의해 일시적으로 만들어질 수 있고, 주로 전방 방향으로 미 산란체(Mie scattering medium)으로 동작한다. 초음파 송신을 중단(cessation)할 경우, 초음파에 의해 발생되는 에어 버블은 사라지며, 다시 원래의 광 산란 특성으로 회귀가 이루어진다. 본 발명은 현재 광학 이미징 및 치료 기법들의 한계를 극복하기 위한 새로운 루트를 개척하는 것에 해당한다.In this regard, light is an attractive means for high spatial-resolution imaging, high contrast-resolution imaging, high-sensitivity molecular imaging, and target-selective therapy to be. Also, light does not involve risks associated with ionizing radiation. The main limitation of using light in clinical applications is the limitation of superficial imaging and therapeutic depth caused by high light scattering in biomedical media. In the present invention, scattering of incident light and hence defocusing can be alleviated when ultrasonic waves transmitted with incident light generate air bubbles in the path of incident light, . The air bubbles can be made temporarily by ultrasonic waves with a sufficiently low intensity to avoid tissue damage and operate mainly as a Mie scattering medium in the forward direction. When the ultrasonic transmission is cessed, the air bubble generated by the ultrasonic waves disappears and the return is made to the original light scattering characteristic again. The present invention corresponds to pioneering a new route to overcome the limitations of current optical imaging and treatment techniques.
도 1은 본 발명과 관련하여, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치의 구성도를 나타낸다. 한편, 도 1의 구성도에 따르면, 산란 매체(scattering media)에서 초음파-유도 에어 버블(ultrasound-induced air bubbles)에 기인하는 광 침투의 증가 원리를 알 수 있다.1 is a block diagram of an apparatus for controlling the depth of penetration of light energy using ultrasound energy according to the present invention. On the other hand, according to the configuration diagram of FIG. 1, the principle of increase of light penetration due to ultrasound-induced air bubbles in scattering media can be seen.
본 발명에서는, 초음파 에너지를 이용해 일시적으로 유도되는 에어 버블이 광 진행 영역에 생성되도록 하면 생물학적 조직에서 광 침투를 증가시킬 수 있다는 것이 제시된다.In the present invention, it is proposed that light penetration in a biological tissue can be increased by causing air bubbles, which are temporarily induced by ultrasonic energy, to be generated in the light propagation region.
이와 관련하여, 도 1의 (a)는 초음파(US: Ultrasound) 트랜스듀서(transducer) 없이 광원(light source)이 산란 매체(scattering medium)에 입사되는 경우를 도시한다. 이때, 도시된 바와 같이 광(light)은 확산(spread)되고, 모든 방향들로 산란되는 레일리 산란 매체(Rayleigh scattering medium)을 통해 광이 진행함에 따라 광의 강도(intensity)는 감소된다.1 (a) shows a case where a light source is incident on a scattering medium without an ultrasonic transducer. At this time, as shown in the figure, the light is spread and the intensity of the light decreases as the light travels through a Rayleigh scattering medium scattered in all directions.
한편, 도 1의 (b), (c)는 초음파(US) 트랜스듀서를 구비한 경우에 광원이 산란 매체(scattering medium)에 입사되는 경우를 도시한다. 한편, 도 1의 (c)는 도 1의 (b)에 비하여, 초음파(US)의 강도(intensity)가 증가함을 나타낸다. 도 1의 (b), (c)에 도시된 바와 같이, 초음파는 자신의 초점 영역(focal area)에 에어 버블(air bubbles)을 생성하고, 초음파 강도가 증가함에 따라 버블 개체들(bubble cloud)의 크기는 증가한다. 입사 광은 버블 개체들 내에서 미 산란(Mie scattering)을 겪게 되므로, 입사 광의 산란은 전방 방향(forward direction)에서 주로 발생하게 된다. 이러한 현상의 결과로서, 광 확산이 감소되고, 광 침투 깊이(light penetration depth)가 증가하게 된다.1 (b) and 1 (c) show a case where a light source is incident on a scattering medium in the case of using an ultrasonic (US) transducer. On the other hand, FIG. 1 (c) shows that the intensity of the ultrasonic wave US is increased as compared with FIG. 1 (b). 1 (b) and 1 (c), an ultrasonic wave generates air bubbles in a focal area of the ultrasonic wave, and as the ultrasonic intensity increases, The size increases. Since the incident light undergoes Mie scattering in the bubble entities, scattering of the incident light occurs mainly in the forward direction. As a result of this phenomenon, the light diffusion is reduced and the light penetration depth is increased.
다시 말하면, 도 1의 (a)는 레일리 산란 매체를 통해 진행하는 광이 모든 방향들로 산란되어서, 광이 매체를 통해 확산되고, 광 강도가 크게 감소되는 것을 초래하는 것을 보여준다. 특정 수준의 강도를 갖는 초음파가 매체 내부로 전송되는 경우에, 초점 영역 내부에서 에어 버블이 생성되고 미 산란 매체로서 동작한다. 광은 미 산란 체제에서 전방 방향으로 우세하게 산란되기 때문에, 광 에너지를 단독으로 조사하는 경우에 비하여, 버블 개체(bubble cloud)를 통한 광 전파는 덜 확산되므로 덜 디포커싱된다 (도 1의 (b)(c)). 이는 함께 전송되는 초음파의 강도가 에어 버블을 생성할 만큼 충분히 높고 세포 손상을 회피할 만큼 충분히 낮은 경우에, 광 침투 깊이가 증가됨을 의미한다.In other words, FIG. 1 (a) shows that light traveling through the Rayleigh scattering medium is scattered in all directions, causing light to diffuse through the medium, resulting in a significant decrease in light intensity. When an ultrasonic wave having a certain level of intensity is transmitted into the medium, an air bubble is generated inside the focus area and operates as a non-scattering medium. Since the light is scattered predominantly in the forward direction in the non-scattering regime, the light propagation through the bubble cloud is less diffused as compared with the case where the light energy alone is irradiated (see (b ) (c). This means that the depth of light penetration is increased if the intensity of the ultrasound transmitted together is high enough to produce air bubbles and low enough to avoid cell damage.
광 침투 깊이는 광학 산란과 관련된다. 한편, 원형 입자의 반경과 광 파장의 비에 따라, 광학 산란은 레일리 산란(Rayleigh scattering) 또는 미 산란(Mie scattering)으로 일반적으로 카테고리화된다. 레일리 산란은 입자 크기가 광 파장보다 훨씬 작은 경우 모든 방향들에서 발생한다. 반면에, 입자 크기가 광 파장과 비슷하거나 또는 조금 큰 경우에 해당하는 미 산란 영역에서, 입사 광은 전방 방향으로 주로 산란된다.The depth of light penetration is related to optical scattering. On the other hand, depending on the ratio of the radius of the circular particle to the light wavelength, optical scattering is generally categorized as Rayleigh scattering or Mie scattering. Rayleigh scattering occurs in all directions when the particle size is much smaller than the light wavelength. On the other hand, in a non-scattering region corresponding to a case where the particle size is similar to or slightly larger than the light wavelength, the incident light is mainly scattered in the forward direction.
따라서, 모든 다른 조건들이 동일하면, 광 침투 깊이(light penetration depth)는 레일리 산란 매체에서보다 미 산란 매체에서 더 깊다. 생물학적 조직(Biological tissues)은 두 가지 경우의 산란 체제(scattering regimes)를 동시에 갖는 것을 특징으로 하고, 레일리 산란 및 미 산란의 정도는 생체조직에 따라 다르게 나타난다; 광 파장이 800 nm보다 작은 경우에 레일리 산란은 생물학적 조직들의 광산란 계수(reduced optical scattering coefficient)를 크게 증가시킨다.Thus, if all other conditions are the same, the light penetration depth is deeper in the non-scattering medium than in the Rayleigh scattering medium. Biological tissues are characterized by having two types of scattering regimes at the same time, and the degree of Rayleigh scattering and non-scattering varies depending on the biotissue; Rayleigh scattering greatly increases the reduced optical scattering coefficient of biological tissues when the light wavelength is less than 800 nm.
광학 산란은 또한 매체 온도에 의해 영향을 받는다. 예를 들어, 온도가 증가함에 따라, 표피(epidermis), 피하 조직(subcutaneous tissue), 및 레시틴 세포막(lecithin membrane)의 산란 계수들은 감소되는 반면에, 진피(dermis)의 경우에는 증가됨이 관찰되었다.Optical scattering is also influenced by the medium temperature. For example, as the temperature is increased, the scattering coefficients of the epidermis, subcutaneous tissue, and lecithin membrane are decreased while increased in the case of dermis.
이상에서는 본 발명에 따른 광 침투 깊이와 관련하여 광학 산란에 영향을 미치는 요소에 대해 살펴보았다. 이하에서는, 본 발명에 따른 광 에너지 침투 깊이 제어 장치(1000)의 구성요소에 대해 상세히 살펴보고자 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광 에너지 침투 깊이 제어 장치(1000)는 광원(100), 초음파 트랜스듀서(200)를 포함한다. The factors affecting optical scattering in relation to the depth of penetration according to the present invention have been described above. Hereinafter, components of the optical energy penetration
광원(100)은 광 에너지를 발생시키도록 구성되며, 일 예로 레이저를 발생시키도록 구성되는 레이저 발생부일 수 있다.The
초음파 트랜스듀서(200)는 상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성하도록 구성된다. 이에 따라, 초음파 트랜스듀서(200)는 상기 광 에너지가 조사 대상(illuminated subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성될 수 있다.The
한편, 도시된 바와 같이, 상기 영역에 상기 에어 버블이 없는 경우에 산란 매체(scattering medium)에 의하여 상기 광 에너지는 모든 방향으로의 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생하게 된다. 반면에, 상기 영역에 상기 에어 버블이 있는 경우 상기 광 에너지가 상기 에어 버블과의 충돌에 의해 전방에 해당하는 진행방향으로 미 산란(Mie scattering)이 발생된다. 이에 따라, 상기 조사 대상에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성될 수 있다.On the other hand, as shown in the figure, when there is no air bubble in the region, the light energy is Rayleigh scattering in all directions due to a scattering medium. On the other hand, when the air bubble is present in the region, Mie scattering occurs in the traveling direction corresponding to the front due to the collision of the light energy with the air bubble. Accordingly, the depth to be penetrated into the object to be irradiated can be increased.
또한, 초음파 트랜스듀서(200)는 초음파의 강도(intensity)를 증가시켜서, 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 더 증가되도록 구성될 수 있다.In addition, the
또한, 상기 초음파 트랜스듀서는 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter)을 갖는 링-형태로, 홀(hole)을 구비하고, 상기 홀을 통해 상기 광원으로부터 광 에너지가 상기 조사 대상에 인가될 수 있다.The ultrasonic transducer may be a ring-shaped ring having an inner diameter and an outer diameter, and may include a hole through which the light energy can be applied to the object to be irradiated have.
한편, 도시되지는 않았지만, 제어부는 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이를 측정 또는 예측한다. 또한, 상기 제어부(500)는 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되지 않는 것으로 판단되면, 상기 초음파의 강도가 증가되도록 제어한다. 이때, 상기 제어부는 상기 초음파의 강도를 증가시키되, 조직 손상을 일으키지 않는 범위를 임계값으로 할 수 있다.On the other hand, although not shown, the control unit measures or predicts the depth at which the light energy penetrates the subject. In addition, the
이러한 개념을 검증하기 위해, 광 에너지가 단독으로 조사된 경우와 광과 초음파 에너지를 동시에 조사한 경우로 나누어 일정한 두께를 갖는 조직-유사 팬텀(tissue-mimicking phantom) 상에서 조사된 광 에너지의 침투 깊이의 변화를 실험적으로 검증하였다. 이와 관련하여, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 일정 두께의 조직-유사 팬텀 상의 광 강도 분포의 측정 결과를 도시한다. 이때, 일정 두께 값은 8mm일 수 있으나, 이러한 값에 한정되는 것은 아니다. 먼저, 도 2의 (a)는 레이저 발광(irradiation)만이 전달되는 경우 CCD (CCD: charge-coupled device) 카메라에 의한 팬텀의 끝 부분에서 관찰되는 광 강도 분포를 도시한다. 한편, 도 2의 (b)는 수평 축(horizontal axis)에 따른 광 강도 분포 및 이에 대응하는 스무딩 스플라인 피팅 커브(smoothing spline fitting curve)를 도시한다. 또한, 도 2의 (c) 및 (d)는 레이저와 200W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 동시에 매체에 전달되는 경우 광 강도 분포를 도시한다. 또한, 도 2의 (e) 및 (f)는 레이저와 268W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 동시에 매체에 전달되는 경우 광 강도 분포를 도시한다. 또한, 도 2의 (g) 및 (h)는 레이저와 310W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 동시에 매체에 전달되는 경우 광 강도 분포를 도시한다.In order to verify this concept, a change in penetration depth of light energy irradiated on a tissue-mimicking phantom having a constant thickness, divided into cases in which the light energy was irradiated singly and light and ultrasonic energy were simultaneously irradiated Were experimentally verified. In this regard, Fig. 2 shows the measurement results of the light intensity distribution on a tissue-like phantom of a certain thickness according to an embodiment of the present invention. At this time, the predetermined thickness value may be 8 mm, but is not limited to these values. 2 (a) shows a light intensity distribution observed at an end portion of a phantom by a CCD (charge-coupled device) camera when only laser irradiation is transmitted. Meanwhile, FIG. 2 (b) shows the light intensity distribution along the horizontal axis and the corresponding smoothing spline fitting curve. 2 (c) and 2 (d) show the light intensity distribution when the laser and the ultrasonic wave having the intensity of 200 W / cm- 2 are simultaneously transmitted to the medium. 2 (e) and 2 (f) show the light intensity distribution when the laser and the ultrasonic wave having the intensity of 268 W / cm- 2 are simultaneously transmitted to the medium. 2 (g) and 2 (h) show the light intensity distribution when the laser and the ultrasonic wave having the intensity of 310 W / cm < 2 & gt ; are simultaneously transmitted to the medium.
전술된 바와 같이, 200, 268, and 310W/cm-2의 세 개의 상이한 초음파 강도들이 사용되었다: 이들은 초음파 초점 영역의 국부적인 온도에 상승을 초래하였다 : 각각 1, 3, 및 5°C. 이러한 작은 온도 상승으로 인하여 초점 영역에서 응고(coagulation)가 생성되지는 않는다. 또한, 닭 가슴 조직의 경우에 광 진행 경로에서 조직 응고가 유도된다면 25배 이상만큼 광학 산란의 증가를 초래하기 때문에 광 침투 깊이는 상당히 감소된다. Three different ultrasound intensities of 200, 268, and 310 W / cm-2 were used, as described above: They caused an increase in the local temperature of the ultrasound focus region: 1, 3, and 5 ° C respectively. This small temperature rise does not result in coagulation in the focus area. Also, in case of chick breast tissue, if the tissue coagulation is induced in the light propagation path, the light penetration depth is decreased considerably because it causes an increase of optical scattering by 25 times or more.
가우시안 빔 프로파일과 4 mm의 반폭 너비 (FWHM: full-width at half-maximum)를 갖는 레이저가 매체 내부로 전달된 경우 레이저가 상당히 산란되었고, 팬텀 내부로 진행한 이후에 디포커싱 되었다 (도 2의 (a)); 광 강도는 수평 축을 따라 강하게 변동됨을 알 수 있고, 초기 빔 프로파일은 사라진다 (도 2의 (b)).When a laser with a Gaussian beam profile and a full-width at half-maximum (FWHM) of 4 mm was delivered into the medium, the laser was significantly scattered and defocused after advancing into the phantom (a)); It can be seen that the light intensity varies strongly along the horizontal axis, and the initial beam profile disappears (FIG. 2 (b)).
평균 정규화 강도의 FWHM는 0.626으로 측정되었다. 반면에, 레이저와 동시에 초음파가 전송된 경우 산란 및 디포커싱의 효과는 경감되었다 (도 2(c) 에서 (h)).The FWHM of the average normalized intensity was measured to be 0.626. On the other hand, the effect of scattering and defocusing was reduced when ultrasonic waves were transmitted simultaneously with the laser (Fig. 2 (c) to (h)).
이러한 향상의 정도는 초음파 강도에 달려있다. 초음파 강도가 증가됨에 따라 광 강도의 변동들이 더 약해지고 광 강도 분포가 가우시안 형태에 근접하게 된다. 초음파 강도가 200, 268, 및 310W/cm-2로 증가함에 따라, 14.6, 19.0, 및 25.2%의 광 에너지 크기 향상률을 보이며, 이는 평균 정규화 강도가 각각 0.718, 0.745, 및 0.784로 증가되었음을 의미한다. 또한, 310W cm-2의 경우에 광 강도 분포는 가우시안 형태를 나타내고, 이 경우의 FWHM는 4.88 mm로 측정되었다. 초음파 강도가 증가함에 따라 광 강도가 증가하는 이유는 입사 초음파에 의해 유도되는 에어 버블의 검사를 통해 명확해질 수 있다; 초음파 강도가 증가함에 따라 전송된 초음파의 초점 영역 주변에서 생성되는 버블 개체가 성장됨이 관측되었다. 이러한 버블 개체의 성장은 수평 방향을 따라 깊이 방향을 따라 훨씬 더 큼을 알 수 있다. 이러한 결과는 초음파 강도가 증가하는 경우 깊이에 따라 미 산란 영역이 증가됨을 의미하므로, 입사 레이저 빔의 디포커싱이 더 작게 발생한다.The extent of this improvement depends on the ultrasound intensity. As the ultrasonic intensity increases, the variations in the light intensity become weaker and the light intensity distribution becomes closer to the Gaussian form. As the ultrasound intensity increased to 200, 268, and 310 W / cm-2, the optical energy magnitude enhancement was 14.6, 19.0, and 25.2%, which means that the average normalization intensities were increased to 0.718, 0.745, and 0.784, respectively . Also, in the case of 310W cm-2, the light intensity distribution shows a Gaussian form, and the FWHM in this case was measured as 4.88 mm. The reason that the intensity of light increases with increasing ultrasonic intensity can be clarified through inspection of air bubbles induced by incident ultrasound; It was observed that as the intensity of the ultrasonic waves increased, the bubble objects generated around the focus region of the transmitted ultrasonic waves grew. It can be seen that the growth of these bubble entities is much greater along the depth direction along the horizontal direction. This result indicates that the defocusing of the incident laser beam is smaller because it means that the non-scattering region is increased depending on the depth when the intensity of the ultrasonic waves is increased.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 일정 두께를 갖는 생체 밖 닭 가슴살(ex vivo chicken breast)상의 광 강도 분포의 관찰 결과를 도시한다. 이때, 일정 두께는 7mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3의 (a)는 레이저 발광만 전달된 경우 CCD 카메라에 의해 닭 가슴살의 끝 부분에서 관찰되는 광 강도 분포이다. 한편, 도 3의 (b)는 레이저와 310W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 매체에 모두 전달된 경우를 도시한다. 또한, 도 3의 (c)는 각각의 초음파 강도에서의 평균 광 강도와 레이저만 전송된 경우에 측정되는 강도에 비해 강도 증가의 비율을 도시한다.Meanwhile, FIG. 3 shows a result of observation of light intensity distribution on an ex vivo chicken breast having a certain thickness according to another embodiment of the present invention. At this time, the predetermined thickness may be 7 mm, but is not limited thereto. 3 (a) is a light intensity distribution observed at the end of a chicken breast by a CCD camera when only laser emission is transmitted. On the other hand, FIG. 3 (b) shows a case in which ultrasonic waves having a laser intensity of 310 W / cm.sup.- 2 are all transmitted to the medium. 3 (c) shows the ratio of the average light intensity at each ultrasonic intensity to the intensity increase relative to the intensity measured when only the laser is transmitted.
한편, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 일정 두께를 갖는 탈체 닭 가슴살(ex vivo chicken breast)상의 광 강도 분포의 관찰 결과를 도시한다. 이때, 일정 두께는 7mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3의 (a)는 레이저 발광만 전달된 경우 CCD 카메라에 의해 닭 가슴살의 끝 부분에서 관찰되는 광 강도 분포이다. 한편, 도 3의 (b)는 레이저와 310W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 매체에 모두 전달된 경우를 도시한다. 또한, 도 3의 (c)는 각각의 초음파 강도에서의 평균 광 강도가 레이저만 전송된 경우에 측정되는 강도 대비 증가되는 비율을 도시한다.Meanwhile, FIG. 3 shows the observation result of the light intensity distribution on the ex-vivo chicken breast having a certain thickness according to another embodiment of the present invention. At this time, the predetermined thickness may be 7 mm, but is not limited thereto. 3 (a) is a light intensity distribution observed at the end of a chicken breast by a CCD camera when only laser emission is transmitted. On the other hand, FIG. 3 (b) shows a case in which ultrasonic waves having a laser intensity of 310 W / cm.sup.- 2 are all transmitted to the medium. Also, Fig. 3 (c) shows the ratio of the average light intensity at each ultrasonic intensity to the intensity measured when only the laser is transmitted.
한편, 두께 7mm의 탈체 닭 가슴살(ex vivo chicken breast)에서 동일한 현상이 관찰되었다. 한편, 도 3의 (c)를 참조하면, 레이저만 전달되는 경우에 평균 정규화 강도는 0.56이었고, 함께 전송되는 초음파의 강도가 각각 200, 268, 및 310 W/cm-2로 증가한 경우에 평균 정규화 강도는 13.2, 19.5, 및 23.7%로 증가하였다. 또한, 광 강도 분포의 검사를 통해 초음파 강도가 증가함에 따라, 디포커싱된 양이 감소함을 알 수 있고, 이는 팬텀 실험의 결과 등과 부합된다. 닭 가슴살과 같은, 단백질로 주로 구성된 조직에 있어서 광 산란은 매체의 온도가 증가함에 따라 증가하기 때문에, 이러한 결과들은 입사 초음파에 기인하는 국부 온도 상승이 광 산란을 감소시키는 역할을 수행하지 않거나 또는 이러한 역할을 덜 수행한다는 것을 또한 의미한다.On the other hand, the same phenomenon was observed in ex vivo chicken breasts with a thickness of 7 mm. On the other hand, if the average normalized to increase in FIG. Referring to (c) of 3, and the average normalized intensity in the case where only the laser passing was 0.56, the strength of the ultrasonic wave to be transmitted with each 200, 268, and 310 W / cm -2 The intensity increased to 13.2, 19.5, and 23.7%. Also, it can be seen that as the intensity of ultrasound increases, the amount of defocused decreases through examination of the light intensity distribution, which is consistent with the results of the phantom experiment. These results suggest that local temperature rise due to incident ultrasound does not play a role in reducing light scattering, because light scattering increases in tissue composed mainly of proteins, such as chicken breasts, as the medium temperature increases. It also means that it performs less of a role.
한편, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 형광 다이에서 방사되는 형광 강도의 변화를 도시한다. 도 4에 따르면, 레이저와 310 W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 7mm의 두께에서 형광 다이를 포함하는 닭 가슴살 내부로 함께 전달되는 경우에, 입사 레이저와 형광 다이 사이에 상호작용에 응답하는 형광 방사가 증가됨을 알 수 있다.Meanwhile, FIG. 4 illustrates a change in fluorescence intensity emitted from a fluorescent dye according to another embodiment of the present invention. 4, when a laser and ultrasound with an intensity of 310 W / cm <" 2 & gt ; are delivered together into a chicken breast containing a fluorescent die at a thickness of 7 mm, Fluorescence emission is increased.
도 4에 도시된 바와 같이, 7mm의 깊이로 탈체 닭 가슴살 내부로 주입된 형광 다이(fluorescent dye)에서 방사된 형광이 검출되는 경우, 이와 같이 초음파와 광을 함께 전송하는 이점은 더 분명해질 것이다. 입사 레이저에 의하여 전적으로 유도되는 형광 방사는 0.71의 피크 정규화 강도를 나타내고, 반면에 이러한 값은 310 W/cm-2의 강도를 갖는 초음파가 함께 전달되는 경우에 증가된다; 시간 슬롯 1 및 2에서 증가율은 21.1%였다. 초음파 전송의 중단시에, 이러한 형광 강도는 0.72로 회복되었고, 이는 초기 값과 유사하였다 (도 4의 시간 슬롯 3 참조). As shown in FIG. 4, when fluorescence emitted from a fluorescent dye injected into the trunk chicken breast is detected at a depth of 7 mm, the advantage of transmitting ultrasonic waves and light together as described above will become more apparent. Fluorescent radiation totally induced by the incident laser exhibits a peak normalized intensity of 0.71, while this value is increased when ultrasound with an intensity of 310 W / cm-2 is delivered together; The rate of increase in
초음파와 레이저가 다시 전달되는 경우, 형광 강도는 초기 값에서 시간 슬롯 4 및 5에서 각각 (24% 및 20% 증가에 해당하는) 0.88 및 0.85로 증가하였다; 이러한 값들은 시간 슬롯 1 및 2에 대한 값들과 유사하다. 이러한 결과는 전송된 초음파가 조직 손상 또는 조직 특성의 영구적인 변화 없이 레이저 경로상에 있는 조직의 광 산란 특성을 일시적으로 미 산란으로 변경시킴을 의미한다. 그렇지 않으면, 광 강도의 경감(regression) 및 재-강화(re-augmentation)가 초음파에 의해 제어될 수 없다.When ultrasound and laser were delivered again, the fluorescence intensity increased to 0.88 and 0.85 (corresponding to 24% and 20% increments) in
이상에서는 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치에 대하여 살펴보았다. 다음에서는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법에 대하여 살펴보고자 한다. 이와 관련하여, 도 5는 본 발명에 따른 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법의 흐름도를 도시한다. 한편, 전술된 광 에너지 침투 깊이 제어 장치에 관한 내용이 광 에너지 침투 깊이 제어 방법에도 활용될 수 있음은 물론이다.In the above, the optical energy penetration depth control apparatus using ultrasonic energy was examined. In the following, a method of controlling the penetration depth of light energy using ultrasonic energy will be described. In this regard, FIG. 5 shows a flow chart of a method of controlling the depth of penetration of light energy using ultrasonic energy according to the present invention. It is needless to say that the content of the optical energy penetration depth control device described above can also be utilized in the optical energy penetration depth control method.
도 5에 도시된 바와 같이, 광 에너지 침투 깊이 제어 방법은 광 에너지 발생 단계(S510), 에어 버블 생성 단계(S520), 침투 깊이 측정/예상 단계(S530) 및 초음파 강도 증가 단계(S540)를 더 포함한다. 한편, 전술된 단계들은 나열된 순서에 한정되는 것이 아니라, 응용에 따라 자유롭게 변형하여 실시하는 것이 가능하다. 예를 들어, 광 에너지 발생 단계(S510)와 에어 버블 생성 단계(S520)는 동시에 수행되거나 또는 에어 버블을 생성한 이후에 광 에너지를 발생시키는 것도 가능하다.5, the light energy penetration depth control method may further include a light energy generating step S510, an air bubble generating step S520, a penetration depth measuring / anticipating step S530, and an ultrasonic intensity increasing step S540 . Meanwhile, the above-described steps are not limited to the listed order, but can be freely modified depending on the application. For example, the light energy generating step (S510) and the air bubble generating step (S520) may be performed at the same time or may generate light energy after air bubbles are generated.
광 에너지 발생 단계(S510)는, 광원(light source)을 이용하여 광 에너지를 발생시킨다. 한편, 에어 버블 생성 단계(S520)는 상기 광 에너지가 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록, 상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성한다.In the light energy generating step S510, light energy is generated using a light source. The air bubble generating step S520 generates an air bubble using ultrasonic waves in a region where the light energy travels so that the depth of penetration of the light energy into the subject is increased.
이때, 광 에너지 발생 단계(S510)에서, 상기 영역에 상기 에어 버블이 없는 경우에 산란 매체(scattering medium)에 의하여 상기 광 에너지는 모든 방향으로의 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생한다, 반면에, 에어 버블 생성 단계(S520)에서, 상기 영역에 상기 에어 버블이 있는 경우 상기 광 에너지가 상기 에어 버블과의 충돌에 의해 전방에 해당하는 진행방향으로 미 산란(Mie scattering)이 발생됨에 따라 상기 조사 대상에 침투되는 깊이가 증가한다. 또한, 에어 버블 생성 단계(S520)에서, 상기 광 에너지를 초음파 트랜스듀서의 홀(hole)을 통해 상기 광원으로부터 광 에너지가 상기 조사 대상에 인가된다. 이때, 상기 초음파 트랜스듀서는 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter)을 갖는 형태로, 상기 내경에 해당하는 상기 홀(hole)을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 트랜스듀서는 상기 내경과 상기 외경을 갖는 링-형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.At this time, in the light energy generating step S510, when there is no air bubble in the region, the light energy generates Rayleigh scattering in all directions by a scattering medium, In the air bubble generation step (S520), when the air bubble is present in the region, the light energy is scattered in the forward direction corresponding to the forward direction due to the collision with the air bubble, Lt; / RTI > increases. Further, in the air bubble generating step (S520), the light energy is applied to the object to be irradiated through the hole of the ultrasonic transducer from the light source. In this case, the ultrasonic transducer may have an inner diameter and an outer diameter, and may include holes corresponding to the inner diameter. For example, the ultrasonic transducer may be in the form of a ring having the inner diameter and the outer diameter, but is not limited thereto.
한편, 침투 깊이 측정/예상 단계(S530)는 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이를 측정 또는 예측한다. 이때, 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되지 않는 것으로 판단되면, 상기 초음파의 강도가 증가되도록 제어하는 초음파 강도 증가 단계(S540)를 수행할 수 있다. 이때, 초음파 강도를 증가시키는 것은 조직 손상을 일으키지 않는 범위에서 수행될 수 있다. On the other hand, the penetration depth measurement / prediction step S530 measures or predicts the depth at which the light energy penetrates the subject. At this time, if it is determined that the penetration depth does not become a desired level, an ultrasonic intensity increasing step (S540) may be performed to control the intensity of the ultrasonic waves to be increased. At this time, increasing the ultrasonic intensity can be performed within a range that does not cause tissue damage.
한편, 침투 깊이 측정/예상 단계(S530)를 수행하지 않고, 바로 초음파 강도 증가 단계(S540)를 수행하는 것도 가능하다. 이때, 초음파 강도 증가 단계(S540)는 초음파 트랜스듀서에 의한 초음파의 강도(intensity)를 증가시켜서, 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 더 증가되도록 한다.It is also possible to perform the ultrasound intensity increasing step S540 without performing the penetration depth measuring / anticipating step S530. At this time, the step of increasing the ultrasonic intensity (S540) increases the intensity of the ultrasonic wave by the ultrasonic transducer so that the depth of penetration of the light energy into the subject is further increased.
한편, 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되는 것으로 판단되면, 저 수준 침투 깊이 조정 여부 판단 단계(S550)를 수행할 수 있다. 즉, 저 수준 침투 깊이 (low level penetration depth) 조정 여부 판단 단계(S550)에서, 상기 침투되는 깊이를 더 낮은 위치로 조정할 필요가 있는 경우, 초음파 강도를 감소시키면서 초음파 검사를 수행할 수 있다. 이때, 감소하는 초음파 강도는 증가시킨 초음파 강도에 대응하여 단계별로 감소하는 초음파 강도 값일 수 있다. 또는, 감소하는 초음파 강도는 조정될 필요가 있는 더 낮은 위치에 대응하는 감소된 초음파 강도 값 또는 상기 감소된 초음파 강도 값에서 일정 마진을 고려한 값일 수 있다.On the other hand, if it is determined that the penetration depth is a desired level, the low penetration depth adjustment determination step S550 may be performed. That is, if it is necessary to adjust the penetration depth to a lower position in the low level penetration depth adjustment step S550, the ultrasonic inspection can be performed while reducing the ultrasonic intensity. At this time, the decreasing ultrasonic intensity may be an ultrasonic intensity value that decreases stepwise in accordance with the increased ultrasonic intensity. Alternatively, the decreasing ultrasonic intensity may be a reduced ultrasonic intensity value corresponding to a lower position that needs to be adjusted, or a value considering a certain margin in the reduced ultrasonic intensity value.
반면에, 저 수준 침투 깊이 조정 여부 판단 단계(S550)에서, 상기 침투되는 깊이를 더 낮은 위치로 조정할 필요가 없다면, 이전에 결정된 초음파 강도로 초음파 송신을 수행할 수 있다. 여기서, 이전에 결정된 초음파 강도는 가장 최근에 초음파 강도 증가 단계(S540)에서 결정된 초음파 강도일 수 있다.On the other hand, if it is not necessary to adjust the penetration depth to a lower position in the low level penetration depth adjustment step S550, ultrasound transmission may be performed with the previously determined ultrasonic intensity. Here, the previously determined ultrasonic intensity may be the ultrasonic intensity most recently determined in the ultrasonic intensity increasing step (S540).
이상에서는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치와 제어 방법에 대해 살펴보았다. 다음으로, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치에 대해 살펴보기로 한다. 한편, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치와 제어 방법에 관한 내용은 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치와 결합되어 활용될 수 있음은 물론이다.In the foregoing, the apparatus and control method of the penetration depth of light energy using ultrasonic energy have been described. Next, the optical energy penetration depth measurement / control test apparatus using ultrasonic energy will be described. It should be understood that the details of the apparatus and control method of the penetration depth of light energy using ultrasonic energy can be utilized in combination with the apparatus for measuring and controlling the penetration depth of light energy.
이와 관련하여, 도 6은 본 발명에 따른 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치의 구성도를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 침투 깊이 측정/제어 시험 장치(1000')는 레이저 소스(100'), 초음파 트랜스듀서(200'), CCD 카메라(300'), 광학 필터(optic filter, 400') 및 초음파 제어부(500')를 포함한다.In this regard, FIG. 6 shows a configuration diagram of an apparatus for measuring and controlling the penetration depth of light energy using ultrasound energy according to the present invention. 6, the penetration depth measurement / control apparatus 1000 'includes a laser source 100', an ultrasonic transducer 200 ', a CCD camera 300', an optical filter 400 ' And an ultrasonic wave controller 500 '.
레이저 소스(100')는 광 에너지를 발생시키는 광원으로서 레이저를 발생시킨다. 초음파 트랜스듀서(200')는 상기 레이저 소스(100')와 상기 광에너지가 조사되는 샘플에 해당하는 팬텀(phantom) 또는 닭 가슴살 사이에 배치되어, 초음파를 발생시킨다. 한편, 상기 레이저 소스(100')는 가우시안 프로파일을 갖는 상기 제1파장의 연속 파(continuous wave) 레이저일 수 있다. 한편, 상기 CW 레이저에 한정되는 것이 아니라, 펄스 형태의 펄스 파(PW: Pulse Wave)일 수 있다. 또한, 레이저 소스(100')는 상기 레이저 소스에 연결(100')되어 상기 레이저 소스를 턴 온 또는 턴 오프하여 상기 광 에너지를 조절하도록 구성되는 레이저 전력 모듈(110)을 더 포함할 수 있다.The laser source 100 'generates a laser as a light source for generating light energy. The ultrasonic transducer 200 'is disposed between the laser source 100' and a phantom or chicken breast corresponding to the sample to which the light energy is irradiated, thereby generating ultrasonic waves. Meanwhile, the laser source 100 'may be a continuous wave laser of the first wavelength having a Gaussian profile. On the other hand, it is not limited to the CW laser, but may be a pulsed wave (PW). The laser source 100 'may further include a
CCD 카메라(300')는 상기 샘플과 일정 거리로 이격되어 후방에 배치되며, 상기 초음파의 강도(intensity)를 측정하도록 구성된다. 광학 필터(400')는 상기 샘플과 상기 CCD 카메라(300') 사이에 배치되어 특정 파장의 광을 필터링하도록 구성된다.The CCD camera 300 'is spaced apart from the sample by a predetermined distance, and is disposed behind and is configured to measure the intensity of the ultrasonic wave. An optical filter 400 'is disposed between the sample and the CCD camera 300' and is configured to filter light of a specific wavelength.
초음파 제어부(500')는 상기 초음파 트랜스듀서(200')를 통해 상기 초음파 트랜스듀서(200')와 상기 샘플 사이의 영역에 에어 버블(air bubble)이 생성되도록 제어한다.The ultrasonic control unit 500 'controls the air bubble to be generated in the region between the ultrasonic transducer 200' and the sample through the ultrasonic transducer 200 '.
한편, 침투 깊이 측정/제어 시험 장치(1000')에서 팬텀에 형광 다이가 삽입되는 경우에는 다음과 같은 동작이 수행될 수 있다. 즉, 상기 팬텀에는 형광 다이(fluorescent dye)가 삽입(inject)되고, 상기 형광 다이는 제1파장의 상기 레이저를 흡수(absorb)한 이후에 제2파장의 형광(fluorescence)을 방사(emit)한다. 이때, 상기 광학 필터(400')는 상기 제2파장의 형광만을 통과시키도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.On the other hand, when a fluorescent dye is inserted into the phantom in the penetration depth measurement / control apparatus 1000 ', the following operation can be performed. That is, a fluorescent dye is injected into the phantom, and the fluorescent dye emits a fluorescence of a second wavelength after absorbing the laser of the first wavelength . In this case, the optical filter 400 'is configured to pass only the fluorescence of the second wavelength.
또한, 상기 초음파 제어부(500')는 함수 발생기(Function Generator, 510), 신호 증폭기(RF Amplifier, 520) 및 정합 네트워크(Matching Network, 530)를 포함할 수 있다. 함수 발생기(510)는 정현파 전기 신호(sinusoidal electric signal)을 발생시키도록 구성된다. 신호 증폭기(520)는 상기 초음파의 강도(intensity)를 증가시키기 위해 상기 정현파 전기 신호를 증폭시키도록 구성된다. 또한, 정합 네트워크(530)는 상기 트랜스듀서(200')를 효과적으로 진동시키기 위해 임피던스 정합을 수행한다.The ultrasound controller 500 'may include a
이상에서 살펴본 바와 같이, 광 이미징 및 치료의 분야에 있어, 초음파-보조 광 침투 증가는 유용하다. 이론적으로, 초음파 초점 영역의 위치 및 크기에 대한 제한은 없다. 그러므로, 전술된 내용은 광에너지 치료(photodynamic therapy)를 위한 넓은 균일 빔 및 광학 이미징에 대하여 바람직한 타이트하게 포커싱된 광학 빔(tightly focused light beam)과 함께 사용될 수 있다. As discussed above, in the field of optical imaging and therapy, an increase in ultrasound-assisted light penetration is useful. In theory, there is no limitation on the position and size of the ultrasonic focusing region. Therefore, the foregoing can be used with a wide uniform beam for photodynamic therapy and a tightly focused light beam, which is desirable for optical imaging.
깊게-배치된 타깃에 대하여, 광학 경로를 따라 에어 버블을 생성하기 위해 특히 긴 초점 깊이로 설계된 초음파 트랜스듀서가 사용될 수 있다. 또한, 초음파가 관심 영역 내에 버블 개체를 만들어낼 수 있다면, 초음파 및 광의 입사각들의 임의의 구성들이 가능하고, 이는 실시간 내시경 응용에 대하여 특히 유용하다.For a deeply-placed target, an ultrasonic transducer designed specifically to have a long focal depth may be used to create an air bubble along the optical path. In addition, if the ultrasonic waves are capable of producing bubble entities within the region of interest, any configurations of the angles of incidence of ultrasound and light are possible, which is particularly useful for real-time endoscopic applications.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 따르면, 초음파가 조직에 전혀 손상을 주지 않는 범위 내에서 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 에어 버블을 생성하여, 광 침투 깊이를 증가시킬 수 있다는 장점이 있다. According to at least one of the embodiments of the present invention, the intensity of the ultrasonic energy is controlled within a range in which the ultrasonic waves do not damage the tissue at all, thereby generating air bubbles and increasing the depth of penetration of light.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 따르면, 초음파 에너지의 강도를 조절함으로써 생성된 에어 버블에 의해 광 에너지가 전방으로 진행하는 성분이 증가하여, 광 침투 깊이를 증가시킬 수 있다는 장점이 있다.Also, according to at least one embodiment of the present invention, there is an advantage that the light penetration depth can be increased by increasing the amount of forward light energy components generated by the air bubbles generated by adjusting the intensity of the ultrasonic energy.
한편, 본 발명에 따른 초음파 에너지 유도 광 영상 및 치료 장치 및 상기 초음파 에너지 유도 광 영상 및 치료 장치의 제어 방법에서 소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능 뿐만 아니라 각각의 구성 요소들은 별도의 소프트웨어 모듈로도 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리에 저장되고, 제어부(controller) 또는 프로세서(processor)에 의해 실행될 수 있다.Meanwhile, according to the software implementation in the ultrasonic energy induced optical imaging and treatment apparatus and the ultrasonic energy induced optical imaging and treatment apparatus according to the present invention, not only the procedures and functions described in the present specification but also respective components are separately Lt; RTI ID = 0.0 > software module. Each of the software modules may perform one or more of the functions and operations described herein. Software code can be implemented in a software application written in a suitable programming language. The software code is stored in a memory and can be executed by a controller or a processor.
1000: 광 에너지 침투 깊이 제어 장치
1000': 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치
100: 광원 100': 레이저 소스
110: 레이저 전력 모듈
200, 200': 초음파 트랜스듀서
300, 300': CCD 카메라 400, 400': 광학 필터
500: 제어부 500: 초음파 제어부
510: 함수 발생기 520: 신호 증폭기
530: 정합 네트워크1000: Optical energy penetration depth control device
1000 ': Optical energy penetration depth measurement / control test device
100: light source 100 ': laser source
110: laser power module
200, 200 ': Ultrasonic transducer
300, 300 ':
500: controller 500: ultrasonic controller
510: function generator 520: signal amplifier
530: matching network
Claims (15)
광 에너지를 발생시키는 광원(light source); 및
상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성함으로써, 상기 광 에너지가 조사 대상(illuminated subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성되는 초음파 (US: Ultrasound) 트랜스듀서를 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치.An optical energy penetration depth control apparatus using ultrasonic energy,
A light source for generating light energy; And
An ultrasound transducer configured to generate an air bubble using an ultrasonic wave in a region where the light energy travels to increase the depth at which the light energy penetrates an illuminated subject, Incorporating depth control device for optical energy penetration using ultrasonic energy.
상기 영역에 상기 에어 버블이 없는 경우에 산란 매체(scattering medium)에 의하여 상기 광 에너지는 모든 방향으로의 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생하고,
상기 영역에 상기 에어 버블이 있는 경우 상기 광 에너지가 상기 에어 버블과의 충돌에 의해 전방에 해당하는 진행방향으로 미 산란(Mie scattering)이 발생됨에 따라 상기 조사 대상에 침투되는 깊이가 증가되도록 구성되는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치.The method according to claim 1,
When there is no air bubble in the region, the light energy is Rayleigh scattering in all directions due to the scattering medium,
When the air bubble is present in the region, the depth of penetration into the object to be irradiated increases due to the occurrence of Mie scattering in the traveling direction corresponding to the forward direction due to the collision of the light energy with the air bubble , A device for controlling the penetration depth of light energy using ultrasonic energy.
상기 초음파 트랜스듀서는 초음파의 강도(intensity)를 증가시켜서, 상기 에어 버블의 생성 영역의 크기를 조절하여 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 더 증가되도록 구성되는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치.The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic transducer is configured to increase an intensity of an ultrasonic wave to adjust a size of an area of the air bubble to be generated so that the depth of penetration of the light energy into the subject is further increased, The penetration depth control device using optical energy.
상기 초음파 트랜스듀서는 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter)을 갖는 형태로, 상기 내경에 해당하는 홀(hole)을 구비하고, 상기 홀을 통해 상기 광원으로부터 광 에너지가 상기 조사 대상에 인가되는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치.The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic transducer has an inner diameter and an outer diameter and has a hole corresponding to the inner diameter, wherein light energy is applied from the light source to the irradiation object through the hole , A device for controlling the penetration depth of light energy using ultrasonic energy.
상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이를 측정 또는 예측하고, 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되지 않는 것으로 판단되면, 상기 초음파의 강도가 증가되도록 제어하는 제어부를 더 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 장치.The method of claim 3,
Further comprising a control unit for measuring or predicting the depth of penetration of the light energy into the subject and controlling the intensity of the ultrasonic wave to increase when it is determined that the depth of penetration does not become a desired level, A device for controlling the penetration depth of light energy using energy.
광원(light source)에서 광 에너지를 발생시키는 광 에너지 발생 단계; 및
상기 광 에너지가 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 증가되도록, 상기 광 에너지가 진행하는 영역에 초음파 트랜스듀서가 발생한 초음파를 이용하여 에어 버블(air bubble)을 생성하는 에어 버블 생성 단계를 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법.A method for controlling the penetration depth of light energy using ultrasound energy in a device for controlling depth of penetration of light,
A light energy generating step of generating light energy in a light source; And
And an air bubble generating step of generating an air bubble using ultrasonic waves generated by the ultrasonic transducer in a region where the light energy travels so that the depth of penetration of the light energy into the subject is increased , Depth Control Method of Optical Energy Penetration using Ultrasonic Energy.
상기 광 에너지 발생 단계에서,
상기 영역에 상기 에어 버블이 없는 경우에 산란 매체(scattering medium)에 의하여 상기 광 에너지는 모든 방향으로의 레일리 산란(Rayleigh scattering)이 발생하고,
상기 에어 버블 생성 단계에서,
상기 영역에 상기 에어 버블이 있는 경우 상기 광 에너지가 상기 에어 버블과의 충돌에 의해 전방에 해당하는 진행방향으로 미 산란(Mie scattering)이 발생됨에 따라 상기 조사 대상에 침투되는 깊이가 증가되는 것을 특징으로 하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법.The method according to claim 6,
In the light energy generating step,
When there is no air bubble in the region, the light energy is Rayleigh scattering in all directions due to the scattering medium,
In the air bubble generating step,
When the air bubble is present in the region, the depth of penetration into the object to be irradiated increases due to the occurrence of Mie scattering in the traveling direction corresponding to the forward direction due to the collision of the light energy with the air bubble A method of controlling penetration depth of light energy using ultrasonic energy.
상기 초음파 트랜스듀서에서 초음파의 강도(intensity)를 증가시켜서, 상기 에어 버블의 생성 영역의 크기를 조절하여 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이가 더 증가되도록 하는 초음파 강도 증가 단계를 더 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법.The method according to claim 6,
The intensity of the ultrasonic wave is increased in the ultrasonic transducer so that the depth of penetration of the light energy into the subject is further increased by adjusting the size of the region of the air bubble to be generated, Further comprising the step of controlling the penetration depth of light energy using ultrasonic energy.
상기 에어 버블 생성 단계에서,
상기 초음파 트랜스듀서는 내경(inner diameter)과 외경(outer diameter)을 갖는 형태로, 상기 내경에 해당하는 홀(hole)을 구비하며,
상기 초음파 트랜스듀서는 상기 광 에너지를 상기 홀(hole)을 통해 상기 광원으로부터 광 에너지가 상기 조사 대상에 인가하는 것을 특징으로 하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법.The method according to claim 6,
In the air bubble generating step,
Wherein the ultrasonic transducer has an inner diameter and an outer diameter and has a hole corresponding to the inner diameter,
Wherein the ultrasonic transducer applies the light energy to the object to be irradiated through the hole from the light source.
제어부가 상기 광 에너지가 상기 조사 대상(subject)에 침투되는 깊이를 측정 또는 예측하는 침투 깊이 측정/예상 단계; 및
상기 제어부에서 상기 침투되는 깊이가 원하는 수준이 되지 않는 것으로 판단되면, 상기 초음파의 강도가 증가되도록 제어하는 초음파 강도 증가 단계를 더 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 제어 방법.9. The method of claim 8,
A penetration depth measuring / predicting step in which a control unit measures or predicts a depth at which the light energy penetrates the subject; And
Further comprising an ultrasonic intensity increasing step of controlling the intensity of the ultrasonic wave to increase when the controller determines that the penetration depth does not become a desired level.
광 에너지를 발생시키는 광원으로서 레이저를 발생시키는 레이저 소스;
상기 레이저 소스와 상기 광에너지가 조사되는 샘플 사이에 배치되어, 초음파를 발생시키는 초음파 (US: Ultrasound) 트랜스듀서; 및
상기 초음파 트랜스듀서를 통해 상기 초음파 트랜스듀서와 상기 샘플 사이의 영역에 에어 버블(air bubble)이 생성되도록 제어하는 초음파 제어부를 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치.A device for measuring and controlling the penetration depth of light energy using ultrasound energy,
A laser source for generating a laser as a light source for generating light energy;
An ultrasound transducer disposed between the laser source and the sample to be irradiated with the light energy to generate ultrasonic waves; And
And an ultrasonic wave controller for controlling the ultrasonic transducer to generate air bubbles in the area between the ultrasonic transducer and the sample through the ultrasonic transducer.
상기 샘플과 일정 거리로 이격되어 후방에 배치되어, 상기 광 에너지 강도(intensity)를 측정하도록 구성된 CCD 카메라; 및
상기 샘플과 상기 CCD 카메라 사이에 배치되어 특정 파장의 광을 필터링하도록 구성되는 광학 필터(optic filter)를 더 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치.12. The method of claim 11,
A CCD camera configured to be spaced apart from the sample and spaced apart from the sample and configured to measure the light energy intensity; And
Further comprising an optical filter disposed between the sample and the CCD camera and configured to filter light of a specific wavelength.
상기 샘플은 형광 다이(fluorescent dye)가 삽입(inject)되고,
상기 형광 다이는 제1파장의 상기 레이저를 흡수(absorb)한 이후에 제2파장의 형광(fluorescence)을 방사(emit)하고,
상기 광학 필터는 상기 제2파장의 형광만을 통과시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치.13. The method of claim 12,
The sample is injected with a fluorescent dye,
The fluorescent die emits fluorescence of a second wavelength after absorbing the laser of the first wavelength,
Wherein the optical filter is configured to pass only the fluorescence of the second wavelength.
상기 초음파 제어부는,
정현파 전기 신호(sinusoidal electric signal)을 발생시키도록 구성되는 함수 발생기(Function Generator);
상기 초음파의 강도(intensity)를 증가시키기 위해 상기 정현파 전기 신호를 증폭시키도록 구성되는 신호 증폭기(RF Amplifier); 및
공진 주파수로 상기 트랜스듀서를 여기(excite)하기 위해 임피던스 정합을 수행하는 정합 네트워크(Matching Network)를 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치.12. The method of claim 11,
The ultrasonic wave controller may include:
A function generator configured to generate a sinusoidal electric signal;
A signal amplifier (RF Amplifier) configured to amplify the sinusoidal electric signal to increase the intensity of the ultrasonic wave; And
And a matching network that performs impedance matching to excite the transducer with a resonant frequency. ≪ Desc / Clms Page number 20 >
상기 레이저 소스는 가우시안 프로파일을 갖는 상기 제1파장의 연속 파(continuous wave) 레이저이고,
상기 레이저 소스에 연결되어 상기 레이저 소스를 턴 온 또는 턴 오프하여 상기 광 에너지를 조절하도록 구성되는 레이저 전력 모듈을 더 포함하는, 초음파 에너지를 이용한 광 에너지 침투 깊이 측정/제어 시험 장치.14. The method of claim 13,
Wherein the laser source is a continuous wave laser of the first wavelength having a Gaussian profile,
Further comprising a laser power module coupled to the laser source and configured to adjust the optical energy by turning the laser source on or off, wherein the laser power module is configured to measure the optical energy penetration depth using the ultrasonic energy.
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