KR102000979B1 - 광학 치료장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광학 치료장치 및 이의 동작 방법에 관한 것으로, 치료광(treatment beam)을 발생시키는 치료광 발생부, 상기 치료광 발생부로부터 발생된 치료광이 안저(fundus)에 위치한 치료 영역으로 진행하는 경로를 형성하는 빔 딜리버리부, 상기 치료광이 진행하는 경로를 따라 검측광(detecting beam)을 조사하고 치료 영역으로부터 산란 및 반사되는 상기 검측광의 스페클 변화 정보에 근거하여 치료 영역의 상태 정보를 감지하는 모니터링부 그리고, 상기 모니터링부에서 감지된 치료 영역의 상태 정보에 근거하여 상기 치료광 발생부의 구 동을 제어하는 제어부를 포함하는 광학 치료장치 및 이의 동작 방법을 제공한다.

Description

광학 치료장치 및 이의 제어방법 {AN OPTICAL TREATMENT APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING THAT}
본 발명은 광학 치료장치 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 치료가 진행되는 동안 치료 영역(treatment area)의 상태를 감지하여 치료 내용을 제어하는 광학 치료장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
최근 들어 인체 조직에 에너지를 전달할 수 있도록 광을 조사하여 조직의 상태를 변화시키는 방식으로 치료하는 기술이 널리 적용되고 있다. 특히, 레이저를 이용한 치료 장치는 피부 질환, 안(眼)질환, 신경 질환, 관절 질환, 부인과 질환 등 다양한 병변에 널리 사용되고 있으며, 이러한 치료 장치는 한국공개특허공보 제10-2014-0009846호를 비롯한 다양한 문헌에서 개시되어 있다.
이때, 치료가 제대로 진행되고 있는지를 확인하고, 지나치게 많은 광이 조사되어 타겟 조직과 인접한 위치까지 손상이 발생하는 것을 방지하기 위해, 치료 영역의 상태를 지속적으로 모니터링할 필요가 있다. 다만, 종래와 같이 CCD나 CMOS와 같은 광센서 또는 초음파 등을 이용하는 경우에는 치료 영역의 내부의 상태를 모니터링할 수 없거나 조직의 미세한 변화를 감지하는데 한계가 있었다.
한국공개특허공보 제10-2014-0009846호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 치료 중 치료 영역의 조직 내부의 상태 변화를 실시간으로 모니터링하고 이에 근거하여 치료를 진행할 수 있는 광학 치료장치 및 이의 구동 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 치료광(treatment beam)을 발생시키는 치료광 발생부, 상기 치료광 발생부로부터 발생된 치료광이 치료 영역으로 진행하는 경로를 형성하는 빔 딜리버리부, 상기 치료 영역으로 검측광(detecting beam)을 조사하고, 상기 치료 영역으로부터 반사되는 상기 검측광에 의한 간섭 정보에 근거하여 치료 영역의 상태 정보를 감지하는 모니터링부 그리고, 상기 모니터링부에서 감지된 상기 치료 영역의 상태 정보에 근거하여 상기 치료광 발생부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 광학 치료장치를 제공한다.
여기서, 상기 치료광이 하나의 치료 위치에 조사되는 동안 상기 모니터링부는 상기 검측광을 복수회에 걸쳐 상기 치료 위치에 조사하여 상기 치료 위치의 상태 정보를 감지한다. 그리고, 상기 모니터링부는 각 검측광에 의한 간섭 정보를 앞서 조사된 검측광에 의한 간섭 정보와 비교하여 상기 치료 영역의 상태 변화를 판단할 수 있다.
이때, 상기 모니터링부는 상기 검측광에 의한 간섭 정보 중 관심 깊이 영역에 해당하는 정보를 선택적으로 추출하고, 상기 관심 깊이 영역에 해당하는 정보에 근거하여 상기 치료 영역의 상태 정보를 판단하도록 구성된다.
여기서, 모니터링부는 상기 검측광에 의한 간섭 정보에 근거하여 상기 치료광이 상기 치료 영역에 흡수됨에 따라 발생하는 상기 치료 영역의 온도 변화를 감지한다. 구체적으로, 모니터링부는 기 저장된 레퍼런스 데이터와 상기 간섭 정보를 비교하여 상기 치료 위치의 온도를 감지할 수 있다.
나아가, 모니터링부는 상기 치료 영역의 상태를 감지하기 위한 적어도 두 개 이상의 알고리즘을 포함하고, 상기 각각의 알고리즘으로부터 감지된 상태 정보가 허용 범위 이상의 차이를 갖는 경우 이상 신호를 발생시키도록 구성할 수 있다.
이러한 광학 치료 장치는 상기 치료 영역은 피부, 망막 또는 전안부의 섬유주대(trabecular meshwork) 조직 중 어느 하나의 병변을 치료하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은, 전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 치료광 발생부를 구동하여 치료 영역으로 치료광을 조사하는 단계, 모니터링부를 구동하여 상기 치료광이 조사되는 치료 영역으로 검측광을 조사하고 상기 치료 영역으로부터 반사되는 상기 검측광에 의한 간섭 정보에 근거하여 상기 치료 영역의 상태 정보를 감지하는 단계 그리고, 제어부는 상기 감지된 상태 정보에 근거하여 상기 치료광 발생부의 동작을 조절하는 단계를 포함하는 광학 치료장치의 제어방법을 더 제공할 수 있다.
여기서, 상기 치료 영역의 상태 정보를 감지하는 단계는, 상기 검측광에 의한 간섭 정보 중 관심 깊이 영역에 해당하는 정보를 선택적으로 추출하는 단계 및 상기 추출된 관심 깊이 영역의 정보와 앞서 조사된 검측광에 의한 관심 깊이 영역의 정보를 비교하는 단계를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 관심 깊이 영역의 정보를 비교하는 단계는 상기 추출된 관심 깊이 영역의 정보와 상기 앞서 조사된 검측광에 의한 관심 깊이 영역의 정보의 상호상관(cross-corelation) 연산을 수행하도록 구성될 수 있다.
나아가, 상기 치료 영역의 상태정보를 감지하는 단계는, 기 저장된 레퍼런스 데이터를 참고하여 상기 연산된 값에 상응하는 치료 영역의 온도 정보를 결정하는 치료 영역 온도 결정 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 의할 경우, 치료 영역의 상태 정보를 검출하여 치료를 진행함으로서 최적화된 치료가 가능하며, 치료 영역 이외의 인접한 영역이 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 검측광의 스페클 패턴을 이용하여 상태 정보를 감지함으로써 미세한 상태 변화까지도 반영하여 치료를 진행하는 것이 가능하며, 획득되는 정보 중 특정 영역의 정보만을 추출하여 이를 분석함으로서 분석에 소요되는 시간을 최소화하여 실시간에 가까운 모니터링이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 치료장치를 개략적으로 도시한 개략도,
도 2는 타겟 위치로 치료광이 조사되는 모습을 도시한 도면,
도 3은 치료광 및 검측광이 조사되는 단층 구조를 도시한 도면,
도 4는 검출부에서 검출되는 신호의 일 예를 도시한 그래프,
도 5은 치료광 및 검측광이 조사되는 단층 구조를 도시한 도면,
도 6는 검출부에서 검출되는 신호의 일 예를 도시한 그래프,
도 7는 광학 치료장치의 구동 방법을 도시한 순서도,
도 8은 도 7에서 치료 영역의 상태를 감지하는 단계를 구체적으로 도시한 순서도,
도 9는 치료광에 의해 전달되는 에너지가 증가함에 따라, 검측광에 의한 간섭 신호의 값과 온도 변화를 나타낸 그래프,
도 10은 도 9에서 검측광에 의한 간섭 신호와 온도 관계를 나타낸 그래프,
도 11은 도 7에서 제1 모드 동작 및 제2 모드 동작의 예를 도시한 그래프,
도 12는 다른 실시예에 따른 도 7의 제1 모드를 동작의 예를 도시한 그래프이고,
도 13은 녹내장 병변 치료가 진행되는 전안부의 단면을 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 치료장치에 대해 구체적으로 설명하도록 한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치 관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 그리고 도면은 설명의 편의를 위해 발명의 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장하여 표시될 수 있다. 따라서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 각종 장치를 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시할 수 있음은 물론이다.
이하에서 설명되는 광학 치료 장치는 다양한 병변을 치료하는 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 망막 조직에 발생된 병변을 치료하는데 적용될 수 있으며, 전안부를 타겟 조직으로 하는 치료에 적용될 수도 있으며, 피부 조직의 병변을 치료하는데 적용될 수도 있다. 따라서, 이하에서 예를 들어 설명하고 있는 병변에 본 발명의 용도가 한정되는 것은 아니며, 다양한 병변 치료에 널리 활용될 수 있음을 밝혀둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 치료장치를 개략적으로 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광학 치료장치(10)는 치료광(treatment beam)을 발생하는 치료광 발생부(100), 조준광(aiming beam)을 발생시키는 조준광 발생부(200), 그리고 치료광 및 조준광의 진행 경로 형성하는 빔 딜리버리부(400)를 포함한다. 나아가, 치료 영역의 상태 정보를 감지하기 위한 모니터링부(300) 및 상기 모니터링부에서 감지된 정보에 근거하여 치료광 발생부의 구동을 제어하는 제어부(500)를 더 포함한다.
치료광 발생부(100)는 치료광 광원 및 치료광 광원에서 생성되는 광의 특성을 가공하는 각종 광학 소자를 포함하여 구성될 수 있다. 치료광은 레이저로 구성되며, 치료광 광원은 레이저를 발진할 수 있는 Nd:YAG, Ho:YAG 등과 같은 레이저 매질 또는 레이저 다이오드를 포함하여 구성될 수 있다. 치료광 광원은 병변 내용 또는 에너지가 전달되는 타겟 조직의 특성을 고려하여 적합한 파장을 갖는 레이저를 조사하도록 설계된다. 그리고, 레이저를 여기시키기 위한 각종 전기 회로, 광학 필터, 그리고 셔터 등의 다양한 소자들을 포함할 수 있다.
한편, 조준광 발생부(200)는 치료 영역에 조사되는 조준광(aiming beam)을 발생시키는 구성이다. 조준광은 치료광을 조사하기 이전 또는 치료광이 조사되는 동안 시술자에게 치료광이 조사될 위치를 알려주는 구성이다. 조준광은 가시광 대역의 파장을 갖고, 시술자는 치료 영역에서 반사된 조준광에 의해 치료 영역을 확인할 수 있다.
조준광 발생부(200)는 치료광이 조사되는 위치에 대응하도록 단일 스팟(spot) 형태로 조준광을 조사할 수 있다. 또는 치료광이 연속적으로 조사되는 패턴을 표시할 수 있도록, 동시에 복수의 스팟을 형태로 조사하는 것도 가능하다. 이 이외에도, 조준광은 격자 형태 또는 경계선 형태로 조사되어, 치료광이 조사되는 영역을 표시하는 것도 가능하다.
다만, 시술자가 모니터와 같은 별도의 인터페이스를 통해 치료 영역을 확인하는 것이 가능한 경우, 조준광 발생부를 생략하여 실시할 수도 있다.
한편, 빔 딜리버리부(400)는 복수의 광학 소자로 구성되며, 치료광이 진행하는 광 경로를 구성한다. 그리고, 조준광 및 후술할 모니터링부의 검측광(probe beam) 또한 빔 딜리버리부를 따라 진행한다. 이 경우, 조준광 및 검측광은 치료광의 광 경로 중 적어도 일부를 공유하도록 구성될 수도 있고, 별도의 광 경로를 갖도록 구성하는 것도 가능하다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 빔 딜리버리부는 복수개의 빔 컴바이너(beam combiner)(420)를 구비한다. 이에 의해, 치료광, 조준광 및 검측광은 각각 빔 딜리버리부를 통과하여 치료 영역으로 조사될 수 있다. 그리고, 치료 영역으로부터 반사되는 조준광과 검측광은 각각 빔 딜리버리부(400)를 통해 시술자의 눈이 위치하는 렌즈(700) 방향으로 진행하거나, 모니터링부(300)로 다시 입사될 수 있다.
빔 딜리버리부(400)는 광이 조사되는 위치를 변경시키기 위한 스캐너(410)를 포함한다. 스캐너(410)는 적어도 하나 이상의 반사거울 및 이를 회전시키는 구동부를 포함하여 구성되며, 광이 반사되는 반사거울의 회전 위치가 바뀌면서 광이 조사되는 위치를 변경시킬 수 있다.
이 이외에도, 빔 딜리버리부(400)는 광을 집속시키거나 분산시키기 위한 복수개의 광학 렌즈 및 광학 필터 등의 광학 소자(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
빔 딜리버리부(400)의 말단에는 대물 렌즈(600)가 구비될 수 있다. 빔 딜리버리부를 통하여 진행하는 치료광, 조준광 또는 검측광은 대물렌즈를 통과하면서 집속되어 치료 영역으로 조사된다.
도 2는 환자의 치료 영역을 확대하여 그린 단면도이다. 타겟 조직은 조직의 표면에 위치할 수도 있으나, 도 2에 도시된 것과 같이, 병변에 따라 조직의 표면으로부터 소정 깊이만큼 내측에 배치된 내부 조직일 수 있다. 광학 치료장치에서 조사된 치료광은 치료 영역의 타겟 조직에 흡수된다. 타겟 조직은 치료광 조사에 의해 흡수되는 에너지가 증가함에 따라, 온도가 상승하여 열적 변성이 발생한다. 여기서, 열적 변성이라 함은 온도 상승에 야기되는 조직의 특성 변화, 조직의 괴사 또는 조직의 재생을 의미하는 것이며, 이러한 열적 변성에 의해 타겟 조직의 치료가 이루어질 수 있다.
여기서, 치료광이 지나치게 많이 조사되면, 타겟 조직 뿐 아니라 인접한 조직에도 열적 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광학 치료장치는 모니터링부(300)를 구비하고, 모니터링부(300)는 치료가 진행되는 동안 치료 영역의 상태 정보를 감지한다.
모니터링부(300)는 치료 영역으로 검측광을 조사한다. 치료 영역에 도달한 검측광은 치료 영역의 매질들에 의해 반사되며, 진행된 경로를 역행하여 모니터링부(300)로 다시 수광된다. 여기서, 타겟 조직이 치료 영역 표면으로부터 소정 깊이 내측에 위치하는 경우에도 검측광이 도달할 수 있도록, 검측광은 조직에 흡수되는 성질이 적고 투과성이 우수한 파장의 광으로 구성된다.
치료 영역을 통과하는 검측광은, 굴절율이 상이한 조직을 통과하거나, 조직의 경계면을 통과하면서 산란되거나 반사된다. 따라서, 반사되는 검측광은 치료 영역의 다양한 깊이에서 반사되는 광들의 조합일 수 있다. 예를 들어, 일부는 치료 영역의 표면에서 반사된 광도 존재하며, 치료 영역의 제1 깊이까지 진행한 후 반사된 광도 존재하며, 치료 영역의 제2 깊이 까지 진행한 후 반사된 광도 존재할 수 있다. 따라서, 반사된 검측광은 치료 영역의 표면으로부터 타겟 위치까지의 각각의 깊이에 위치하는 조직의 상태 정보를 포함할 수 있다.
이에, 모니터링부(300)는 수광된 검측광에 의한 간섭 정보 변화를 분석하여, 치료 영역의 상태 변화 정보를 감지할 수 있다. 여기서, 치료 영역의 상태 변화 정보라 함은, 치료광이 조사되는 동안, 치료 영역에서 발생하는 조직의 온도 변화, 부피 변화, 굴절율 변화 또는 세포들의 이동 여부에 관한 정보 중 적어도 하나를 포함하며, 전술한 조직의 열적 변성 또한 포함하는 의미이다. 치료 영역에 치료광이 조사되면 조직의 온도가 상승하고, 이에 의해 조직의 부피가 변화하거나, 조직 특성이 변화하거나, 일부 조직이 이동하여 조직을 통과하는 광의 진행 특성이 변화한다(예를 들어, 광로 길이, 스페클(speckle) 패턴 등). 따라서, 치료가 진행되는 동안 검측광에 의한 간섭 정보 또한 변화하게 되고, 모니터링부는 이러한 간섭 정보의 변화에 근거하여 치료 영역의 상태 변화를 감지하는 것이 가능하다.
구체적으로, 본 실시예에 따른 모니터링부(300)는 OCT(Optical Coherent Tomography) 장치를 이용하여 구성될 수 있다. 이러한 OCT 장치는 광의 간섭 정보를 이용하여 조직의 단층 정보를 취득하는 구성이다. 구동 방식 및 측정 방식에 따라 TD OCT(Time Domain OCT), SD OCT(spectral domain OCT), SS OCT(swept source OCT) 등의 종류가 있으며, 본 실시예에서는 SD OCT 또는 SS OCT를 이용할 수 있다. 다만, 종래의 OCT는 수평 방향 좌표를 옮겨가면서(B-scan) 단층 정보를 획득하는 것에 비해, 본 실시예에서는 특정 치료 위치에 대해 모니터링을 진행하는 동안에는 별도의 B-scan 없이 Z-scan을 통해 동일한 위치에서 조직의 단층 정보를 취득하도록 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모니터링부(300)는 광원(light source)(310), 광 분배기(beam splitter)(320), 기준광 반사부(reference beam reflector)(330), 검출부(340) 및 프로세서(350)를 포함하여 구성된다.
광원(310)은 SD OCT의 경우 저 간섭광(low coherent beam)을 발생시키는 광원일 수 있고, SS OCT의 경우 광의 파장을 변화시킬 수 있는 스웹트 소스(swept source) 광원을 이용할 수 있다.
광원(310)으로부터 나온 광은 광 분배기(320)를 통과하면서 검측광과 기준광의 2개의 광으로 분할된다. 기준광은 제1 경로(P1)를 따라 기준광 반사부 방향으로 진행한 후, 기준광 반사부(330)로부터 반사된다. 검측광은 제2 경로(P2)를 따라 진행하여 빔 딜리버리부(400)를 통해 치료 영역까지 진행한 후 반사된다. 반사된 검측광과 기준광의 일부는 광 분배기(320)에서 결합되어 검출부(340)로 입사된다.
결합된 검측광과 기준광은 간섭이 발생되며, 검출부(340)는 수광되는 검측광과 기준광에 의한 간섭 정보를 이용하여 치료 영역의 상태 정보를 감지할 수 있다. 여기서, 검출부(340)는 SD OCT의 경우 어레이 디텍터(array detector)를 이용하며, SS OCT의 경우 포토다이오드(photo diode)를 이용하여 구성할 수 있다.
구체적으로, 검측광과 기준광이 결합되어 입사되면, 이를 파장대별로 분리하고 푸리에 변환(Fourier transform) 처리한 신호를 이용하여 치료 영역의 깊이에 따른 상태 정보를 획득하는 것이 가능하다. 검출부에서 검출되는 신호는 처리 내용에 따라 치료 영역에 대한 다양한 형태의 정보를 획득하는 것이 가능하며, 본 실시예의 경우 검측광의 스페클 패턴(speckle pattern) 정보를 획득할 수 있다.
보통 강한 응집력을 가지는 레이저 광원이 불규칙한 표면에 반사될 때 랜덤의 간섭효과를 발생시키는데 초창기에는 granularity라는 용어로 사용을 하다가 speckle이라는 용어로 대치되었다. 전형적인 speckle pattern의 확률분포함수는 negative exponential function의경향을 보인다.
사실 laser 연구의 초창기에는 speckle은 noise로 간주되어서 해상도를 저하시키는 원인으로 취급되었고, speckle을 제거하기 위한 많은 노력들이 이루어졌다. 그러나 최근에 speckle의 통계학적인 분석이 이루어지면서 실질적인 응용에 대해 관심을 가지게 되었다.
최근의 speckle은 조직으로부터 부분적인 응집을 가지면서 역 산란된 레이저로부터 얻어진 OCT 신호라고 정의된다. OCT 영상이 정지된 물체로부터 얻어지면 speckle 패턴 역시 시간적으로 정지된 특성을 보이게 된다. 만일 조직이 움직여서 움직이는 particle이 존재한다면, speckle 패턴 역시 시간에 따라 변하게 되고 픽셀간, 라인간, 프레임간의 speckle variance 계산에 의하여 그 움직임의 정도를 알 수 있게 된다. OCT Intensity(Iijk)로부터 얻어지는 speckle variance(SVijk)는 아래 수식에 의해서 구해진다.
Figure 112018042833339-pat00001
여기에서 N은 variance 계산에 참여한 전체 pixel 수, i, j, k는 A/B/C 스캔의 픽셀간, 라인간, 프레임간의 index를 나타낸다. 위의 수식에 의해서 구해진 SVijk의 통계학적 특성을 살펴보면, 조직의 형태에 따라서 다른 특성을 보인다는 것이 실험에 의해서 밝혀졌다. 조직이 solid한 경우에는 Gaussian distribution의 특성을 보이고 조직이 fluid한 경우에는 Rayleigh distribution의 특성을 보인다. 이 말은 샘플 조직에 따라서 구해지는 SVijk값의 측정 정확도가 달라질 수 있다는 것을 의미한다.
이처럼, 스페클 패턴은 광을 구성하는 광선 사이의 상호 간섭에 의해 발생하는 강도 패턴(intensity pattern)을 의미한다. 이러한 스페클 패턴은 광로의 위치에 따라 상이한 패턴을 형성할 수 있으며, 각 스페클 패턴에는 광이 조직을 통과하면서 발생하는 산란 정보 및 반사면의 표면 특성 등이 반영된다. 그리고, 광 경로상에 미세한 변화가 발생하게 되면 광선 사이의 간섭 패턴이 변화하여 해당 위치의 스페클 패턴이 변화하게 된다.
이처럼, 검출부(340)에서 검출하는 검측광의 스페클 패턴에는 치료 영역의 상태 정보가 반영된다. 따라서, 치료 중 스페클 패턴의 변화를 감지하여, 온도 상승, 조직 두께의 변화, 굴절율의 변화, 조직의 이동 등 치료 영역의 미세한 상태 변화를 파악하는 것이 가능하다.
따라서, 프로세서(350)는 검출부(340)에서 검출되는 신호(예를 들어, 스페클 패턴)의 변화를 분석하여 치료 영역의 상태 변화를 판단한다. 그리고, 치료 영역의 상태 변화가 감지되면, 이를 반영하여 치료 내용을 변경할 수 있도록 상태 변화 정보를 제어부(500)에 제공할 수 있다.
도 3은 치료광 및 검측광이 조사되는 치료 영역의 단층 구조를 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 모니터링부(300)는 치료가 진행되는 동안 치료 영역(S)로 검측광을 조사하고 반사되는 검측광을 이용하여 치료 영역의 상태 정보 변화를 감지한다(도 3 참조).
보다 구체적으로, 광원(310)은 치료가 진행되는 동안 치료 영역(S)으로 복수회에 걸쳐 검측광을 조사한다. 일 예로, 동일한 치료 영역에 복수회에 걸쳐 치료광이 조사되고, 검측광은 치료광과 동시에 또는 치료광과 번갈아가며 조사될 수 있다. 그리고, 검출부(340)는 반사되는 검측광에 의한 신호를 지속적으로 검출한다. 검출부에서 얻어지는 신호는 해당 시점에서 치료 영역의 상태 정보를 포함한다. 따라서, 본 실시예에 따른 모니터링부(300)는 각각의 치료광에 의한 치료 영역의 상태 정보를 실시간으로 획득하는 것이 가능하다.
프로세서(350)는 각각의 검측광에 의해 검출되는 신호를 비교하는 방식으로, 치료 영역의 상태 변화 여부를 감지할 수 있다. 예를 들어, 각 검측광(예를 들어, n 번째 검측광)에 의해 검출된 신호는 앞서 조사된 검측광(예를 들어, n-1 번째 검측광)에 의해 검출된 신호와 상호 상관(cross correlation) 분석된 값을 근거로 상태 변화 여부를 판단하는 것이 가능하다. 또는 각 검측광에 의해 검출된 신호와 기준이 되는 값(예를 들어, 1번째 검측광에 의한 신호)을 상호 상관 분석한 값을 근거로 상태 변화 여부를 판단하는 것도 가능하다. 본 실시예에서 상호 상관 연산의 대상이 되는 신호는 검출부에서 검출된 스페클 패턴 신호이나, 이 이외에도 다양한 형태의 신호를 이용할 수 있다.
도 4는 프로세서부에서 획득되는 신호의 일 예를 도시한 그래프이다. 여기서, 검출부(340)에서 검출되는 신호는 검측광의 진행 경로에 해당하는 치료 영역의 모든 깊이에 대한 정보를 포함한다. 따라서, 본 실시예에서는 검출부에서 검출된 신호 중 관심이 있는 특정 영역(이하, '관심 깊이 영역'이라함)(Dsel)의 정보만을 선택적으로 추출한 후, 추출된 관심 깊이 영역의 정보에 근거하여 상태 변화 여부를 감지할 수 있다.
SS-OCT(swept source OCT)를 기준으로 설명하면, SS-OCT에 사용된 간섭계의 샘플과 기준거울에서 돌아온 빛은 서로 간섭을 일으키게 된다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112018042833339-pat00002
여기서 z는 기준거울과 샘플 사이의 경로차를 나타낸다. 레이저광의 파수 k 와 파장 λ는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112018042833339-pat00003
SS-OCT에서 사용되는 Swept source 파장변환 레이저는 파수가 시간에 따라 선형적으로 변화하는 레이저이다. 따라서 변화하는 레이저 파수는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112018042833339-pat00004
위 식에서 k0는 초기의 파수이고 α는 상수이다. 이때 검출기에서 검출되는 신호를 단순화하여 단색 빛으로 가정하면 time-averaged photocurrent(I)와 최종적으로 얻으려는 간섭항은 각각 위에서 언급한 식과 같다. 위식에 사용된 파장 대신에 파수로 대체하면 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112018042833339-pat00005
위 식에서 reference mirror와 sample의 해당 지점과의 경로차 ΔL를 갖는 샘플내의 깊이를 z라고 하면 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112018042833339-pat00006
위 식에 레이저 파수를 대입하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018042833339-pat00007
이 식에서,
Figure 112018042833339-pat00008
,
Figure 112018042833339-pat00009
이고,
Figure 112018042833339-pat00010
이다. 이를 정리하면,
Figure 112018042833339-pat00011
여기에 일반적인 코사인 함수의 형태와 비교하면,
Figure 112018042833339-pat00012
와
Figure 112018042833339-pat00013
는 각각 주파수와 위상각을 나타냄을 알 수 있고, 다음 식으로 표시할 수 있다.
Figure 112018042833339-pat00014
Figure 112018042833339-pat00015
결국 위 식이 의미하는 것은 검출기에 입사되는 신호의 특정 주파수가 샘플 내에서의 특정 깊이와 일대일 대응이 되는 것이다. 간섭 신호를 푸리에 변환하여 얻은 스펙트럼 밀도함수(Spectral desity function)의주파수 성분은 샘플의 깊이 정보를 나타내고, 각 주파수 성분의 크기는 각 깊이에서의 상대적인 빛의 세기를 나타내게 된다.
최종적으로 검출기에서 얻게 되는 신호를 푸리에 변환을 하면 신호의 주파수에 따른 성분을 알 수 있고, 특정 주파수의 진폭이 결국 특정 깊이에서의 후방산란된 빛의 정보를 의미하게 된다. reference mirror를 움직이지 않고 광원을 시간에 따라 파장을 순차적으로 단파장에서 장파장으로 혹은 장파장에서 단파장으로 변환시켜 간섭되는 신호를 검출기에서 받아 푸리에 변환을 하게 되면 reference mirror를 움직여서 해당되는 샘플 깊이에서 신호를 받은 것과 같은 효과를 갖게 된다.
파장 폭이 넓은 가우시안 형태의 광원을 사용한다고 가정할 때 파장 변화 레이저는 파장 폭보다 좁은 폭의 필터가 있어서 필터가 광원의 스펙트럼의 단파장에서 장파장으로 혹은 장파장에서 단파장을 시간에 따라 파장영역을 이동하면서 필터의 위치에 해당하는 파장의 선폭을 갖는 빛이 발생하게 되는 방식으로 구성된다. SS-OCT에서 이 필터의 선폭이 좁으면 좁을수록 이미징 깊이가 깊어진다.
시간에 따라서 순차적으로 좁은 폭의 빛이 샘플에 조사되고 후방산란된 빛이 검출기에 간섭신호로 입력되는데, 좁은 폭의 빛이 간섭을 발생시켜 검출기로 들어 올 때 간섭을 일으키는 것이기 때문에 저 간섭성의 빛이 아닌 고 간섭성의 빛이 된다. 따라서 가간섭성 길이는 길고, 샘플의 빛이 도달하여 후방산란 되어 빛이 되돌아 올 수 있는 모든 깊이에서의 후방산란 정보를 검출기가 감지하게 된다. 가간섭성 길이가 길수록 샘플의 더 깊은 곳에서 후방산란된 빛이 간섭을 일으킬 수 있고, 간섭 신호를 검출기에서 받아들여 이미징 할 수 있다. 즉 필터의 선폭이 좁을수록 샘플내의 더 깊은 곳까지 이미징이 가능하게 된다.
구체적으로, 어느 하나의 검측광에 의해 신호가 검출되면 이 중 관심 깊이 영역(Dsel)의 정보만을 추출한다. 그리고 프로세서(350)는 해당 검측광(예를 들어, n번째 검측광)에 의한 관심 깊이 영역의 정보와 앞서 조사된 검측광(예를 들어, n-1번째 검측광)에 의한 관심 깊이 영역의 정보를 상호 상관시켜 상태 변화 여부를 판단할 수 있다(여기서, 검측광이 연속적으로 조사되는 동안 B-scan이 진행되지 않은 상태로 동일한 위치에 검측광이 조사된다).
이 경우, 검출된 신호 전체를 이용하여 연산처리를 하는 것에 비해 처리해야하는 연산량이 현저하게 감소하여 빠른 연산이 가능하다. 따라서, 상태 정보를 분석하는데 소요되는 시간을 최소화시켜 실시간에 가까운 모니터링이 가능하다.
나아가, 이전 신호와 현재 신호 사이의 변화를 감지하는 연산을 수행함에 있어, 상태 변화가 가장 활발하게 나타나는 관심 깊이 영역의 신호만을 선택하여 비교하는 경우, 신호 전체를 비교하는 경우에 비해, 변화율이 현저히 크게 나타난다. 따라서, 치료 영역의 상태 변화 여부를 정확하게 판단하는 것이 가능하다.
여기서, 관심 깊이 영역(Dsel)은 치료 중 타겟이 되는 조직이거나, 상태 변화가 가장 먼저 발생하는 조직이거나, 상태 변화량이 큰 조직이 위치하는 깊이 영역일 수 있다. 예를 들어, RPE 세포를 타겟 조직으로 치료를 진행하는 경우, 망막 조직에서 RPE 세포층이 위치하는 깊이를 관심 깊이 영역으로 설정할 수 있다. 또는, 각막을 치료하는 경우에는 스트로마 내 특정 깊이 영역을 관심 깊이 영역으로 설정하는 것도 가능하고, 피부 병변을 치료하는 경우 내피의 특정 조직의 깊이를 관심 깊이 영역으로 설정하는 것도 가능하다. 이 이외도 치료 병변에 따라 관심 깊이 영역을 상이하게 설정할 수 있다.
이러한 관심 깊이 영역(Dsel)은 기 설정된 값을 이용하는 것도 가능하나, 본 실시예에서는 사용자가 치료 병변 및 환자의 특성을 고려하여 인터페이스(미도시)를 통해 설정할 수 있도록 구성할 수 있다. 환자에 따라 치료 영역의 조직의 형상 및 두께 등이 상이하므로, 치료 영역의 단층 영상 등을 먼저 확보한 후 이를 고려하여 관심 깊이 영역을 설정하는 것이 가능하다.
이와 같이, 프로세서(350)는 추출된 관심 깊이 영역(Dsel)의 신호를 비교하여 치료 영역의 상태 변화를 판단하며, 이러한 판단 방식은 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
일 예로, 추출된 신호의 변화량이 이전 신호와 비교하여 기 설정된 값(제1 설정값) 이하인 경우 치료 영역의 상태 변화가 없는 것으로 판단하고, 변화량이 기 설정된 값 이상인 경우 치료 영역의 상태 변화가 있는 것으로 판단할 수 있다.
또 다른 예로, 추출된 신호의 신호값(또는 신호의 변화량) 기 저장된 레퍼런스 데이터와 비교하여 치료 영역의 온도를 판단할 수 있다. 조직의 특성에 따라, 모니터링부를 통해 검출되는 신호값은 에너지가 전달되는 양과 선형적으로 비례하지 않을 수 있다. 예를 들어, 조직이 변성되거나, 괴사되는 온도에서는 신호값이 급격하게 변화한다. 따라서, 이러한 변성 또는 괴사가 치료의 목표 또는 치료의 완료 시점이 아닌 경우, 신호값에 의해 치료 완료 여부를 판단하는 것은 곤란할 수 있다. 게다가, 이러한 조직의 변성 또는 괴사가 치료의 목표 또는 치료의 완료 시점이라고 하더라도, 해당 시점에 도달하기 이전에는 신호값의 변화가 상대적으로 미세하기 때문에 치료 완료 시점에 얼마나 근접하였는지 등의 정보를 파악하는 것이 곤란한다. 따라서, 본 실시예의 광학 치료 장치는 검측광에 의해 검출되는 신호값(또는 신호의 변화량)과 이에 상응하는 온도 정보에 대한 레퍼런스 데이터를 구비할 수 있다. 그리고, 프로세서는 치료 중 검출되는 신호를 레퍼런스 데이터와 비교하여 관심 깊이 영역의 온도 정보를 실시간으로 판단할 수 있다. 이 경우, 조직의 변성 또는 괴사가 진행되기 이전에도 타겟 조직의 온도를 지속적으로 감지하면서, 치료 내용을 다양하게 구성하는 것이 가능하다.
이 이외에도, OCT를 이용한 안구 온도 측정방법을 적용하는 것도 가능하다. 이는 크게 두가지로 분류할 수 있으며, 하나는 phase에 기반한 방법이고, 나머지 하나는 intensity/speckle에 기반한 방법이다. Phase에 기반한 방법에는 Doppler optical coherence tomography (DOCT), Optical Microangiography (OMAG), phase variance (pv) OCT 등이 있고, intensity/speckle에 기반한 방법으로는 Split-Spectrum Amplitude Decorrelation Algorithm (SSADA), speckle variance (sv) OCT 등이 있다.
이 중, pvOCT와 svOCT를 비교할 경우, 메커니즘 측면에서 pvOCT는 샘플의 같은 위치를 연속적으로 얻어지는 OCT A/B/C 스캔의 phase의 차이를 구하는 것이고, svOCT는 intensity/speckle의 차이를 구하는 등 상당히 유사하다. 또 다른 방법에 비해 pvOCT와 svOCT는 방향에 대해서는 독립적인 특성을 갖는다(다른 말로는 방향을 측정할 수 없다). pvOCT와 svOCT의 차이점도 존재하는데, pvOCT는 축방향의 벌크 모션에서 발생하는 백그라운드 Doppler phase shifts를 매우 정밀하게 제거해야 하고, 또 해상도가 phase noise와 tissue motion의 움직임에 영향을 받는 등의 단점이 있다. 그에 반해 svOCT는 A/B/C 스캔상에서 variance만 구하면 되는 아주 간단한 프로세싱이 장점이다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 모니터링부(300)는 관심 깊이 영역(Dsel), 즉 타겟 조직이 위치하는 깊이에 해당하는 신호 정보를 선택적으로 추출하여 처리함으로서, 치료 중 타겟 조직의 상태 정보를 감지할 수 있다. 특히, 치료 중 타겟 조직의 치료가 완료되는 시점의 정보 뿐 아니라, 치료 과정 중 온도가 상승하는 동안의 미세한 상태 변화까지 모니터링 하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시예에 의할 경우 치료광의 과잉 조사로 인해 인접 조직에 열적 손상이 가해지는 것을 방지할 수 있고, 원하는 만큼의 에너지를 정확하게 전달함으로서 최적의 치료를 진행하는 것이 가능하다.
이상에서는, 모니터링부가 검측광에 의한 간섭 정보를 이용하여 치료 영역의 상태를 자체적으로 감지하는 알고리즘을 중심으로 설명하였다. 다만, 모니터링부는 이 이외에도 치료 영역의 상태를 감지하는 알고리즘을 복수개로 구비하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 음파 센서를 이용하여 치료 조직의 변성에 의해 발생되는 음파 신호의 변화를 감지하는 알고리즘을 더 포함할 수도 있고, 이미지 촬영 장치를 이용하여 치료 영역의 이미지 변화를 감지하는 알고리즘을 더 포함하여 구성할 수 있다.
이 경우, 모니터링부는 치료 내용 또는 타겟 조직의 특정을 고려하여 복수의 알고리즘 중 어느 하나를 선택하여 치료 영역의 상태를 감지할 수 있다. 또는, 복수의 알고리즘을 이용하여 치료 영역의 상태를 동시에 감지하면서, 각각의 알고리즘을 통해 측정되는 값을 비교하여 치료 상태를 파악하는 것도 가능하다. 그리고, 각 알고리즘을 통해 측정되는 값이 허용된 오차를 벗어나는 경우, 어느 하나의 알고리즘에 이상이 발생한 것으로 판단하여 이를 사용자에게 전달하는 등의 제어가 가능하다.
한편, 제어부(500)는 치료광 발생부(100), 조준광 발생부(200), 빔 딜리버리부(400) 등 각종 구성요소의 동작을 제어하는 구성이다. 이때, 모니터링부(300)에서 감지된 치료 영역의 상태 정보는 제어부(500)로 전달되고, 제어부(500)는 치료 영역의 상태 정보에 근거하여 각종 구성요소를 제어할 수 있다.
그 중에서도 제어부(500)는 치료 영역의 상태 정보에 따라 치료광 발생부(100)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 치료광의 출력, 치료광의 펄스 시간, 치료광을 구성하는 펄스 사이의 시간 또는 치료광의 집속 정도 등 치료광의 파라미터를 다양하게 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 광학 치료장치(10)는 모니터링부에서 치료 진행 과정을 모니터링 하고, 이를 고려하여 제어부는, 별도의 사용자 조작 없이, 자동적으로 치료 내용을 조절함으로서 최적의 치료를 진행할 수 있다. 이와 같은 광학 치료 장치는 다양한 병변을 치료하는 용도로 구성될 수 있으며, 이하에서는 광학 치료 장치가 적용될 수 있는 병변의 예를 설명한다.
망막 병변 치료
전술한 광학 치료 장치는 황반 변성과 같이 안저 영역에서 발생하는 각종 병변을 치료하기 위한 용도로 구성될 수 있다. 도 5는 치료 영역에 해당 하는 환자의 망막 조직을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 망막의 조직은 일반적으로 내경계층(internal limiting layer), 신경 섬유층(nerve fiber layer), 신경절세포층(ganglion cell layer), 내망상층(inner plexiform layer), 내과립층(inner nuclearlayer), 외망상층(outer plexiform layer), 외과립층(outer nuclearlayer), 외경계층(external limiting layer), 광수용 세포층(photo receptor layer), RPE 층(retinal pigment epithelial layer)의 10개의 층으로 이루어진다.
이 중 RPE 세포층은 위의 10개의 층 중 후측 방향의 경계층을 형성하며, 타이트 정션(tight junction)구조로형성된다. 그리고 RPE 층의 하측으로는 맥락막(Bruch's membrane)이 위치한다. 이러한 RPE 층은 맥락막 하부에 위치하는 혈관 등으로부터 영양분 및 산소를 광 수용체(photo receptor)에 공급하고, 광 수용체로부터 생성되는 노폐물을 맥락막을 통해 배출하는 역할을 한다.
여기서, RPE 층을 형성하는 일부의 RPE 세포가 정상적인 기능을 수행하지 못하게 되면, 해당 RPE 세포와 대응되는 위치의 광 수용체들은 정상적으로 영양 또는 산소가 공급되지 않아 괴사하게 된다. 따라서, 본 실시예에 따른 광학 치료장치는 정상적인 기능을 수행하지 못하는 RPE 세포에 치료광을 조사하여 RPE 세포를 선택적으로 괴사시키고, 이로 인해 새로운 RPE 세포의 재생을 유도할 수 있다.
이러한 치료를 진행할 수 있도록, 광학 치료 장치는 대물 렌즈(600)와 인접한 위치에 컨택트 렌즈(미도시)를 구비하고, 컨택트 렌즈에 환자의 눈을 위치시킨 상태에서 치료를 진행한다.
그리고, 치료광 발생부(100)는 가시광선 또는 근적외선 영역의 파장을 갖는 치료광을 조사한다. 해당 파장의 광은 망막의 전방에 위치하는 세포층(첫 번째 세포층 내지 아홉 번째 세포층)에는 거의 흡수되지 않고 투과한 후, RPE 세포층의 RPE 세포 내부에 존재하는 멜라노좀에 흡수된다. 따라서, 치료광이 조사되어 멜라노좀에 흡수되는 에너지의 양이 증가함에 따라 멜라노좀의 온도가 상승하여 해당 RPE 세포에 열적 손상이 발생한다. 이는 온도가 상승함에 따라 멜라노좀의 표면에 미세기포(microbubble)이 발생하고, 미세기포가 점차적으로 성장함에 따라 해당 RPE 세포가 선택적으로 괴사되는 것으로 이해된다. 그리고, 열적 손상이 발생한 RPE 세포의 위치에는 새로운 RPE 세포가 재생되어 치료가 이루어진다.
여기서, 치료광이 지나치게 많이 조사되면, 치료광이 조사된 RPE 세포 뿐 아니라 인접한 RPE 세포와 광 수용체에도 열적 손상이 발생할 수 있다. 따라서, 광학 치료장치의 모니터링부(300)가 치료가 진행되는 동안 치료 영역의 상태 정보를 감지한다.
모니터링부(300)는 전술한 방식과 같이 검측광에 의한 간섭 신호를 이용한다. 이에 의해 획득되는 신호는 망막 표면으로부터, 광수용층, RPE 세포층, 부르크막층의 상태 정보를 모두 포함할 수 있다(도 6 참조). 여기서, 치료광의 대부분은 RPE 세포층에 흡수되어, RPE 세포층의 온도가 상승하면서 상태가 변화하므로, 본 실시예에서는 관심 깊이 영역을 RPE 세포층을 포함하는 깊이로 설정할 수 있다. 예를 들어, 망막 표면으로부터 외측 방향(도 6을 기준으로 하측 방향)으로 두께의 50% 지점으로부터 100% 지점에 이르는 영역을 관심 깊이 영역으로 설정하는 것도 가능하고, 보다 구체적으로는 망막 표면으로부터 망막 두께의 70% 지점으로부터 100% 지점에 이르는 영역을 관심 깊이 영역으로 설정하는 것도 가능하다.
이처럼, 모니터링부는 RPE 세포층을 포함하는 관심 깊이 영역(Dsel)의 정보만을 선택적으로 추출한다. 그리고, 전술한 방식과 같이 추출된 신호를 이전 검측광에 의한 관심 깊이 영역의 신호와 비교하거나, 기준값과 비교하여 치료 영역의 상태 변화 여부를 감지할 수 있다. 그리고, 제어부는 모니터링부에서 감지되는 치료 영역의 상태 정보에 근거하여 치료 내용을 제어할 수 있다.
이하에서는 망막 치료를 위한 광학 치료장치의 구동 방법을 보다 구체적으로 설명한다.
도 7은 망막 치료를 위한 광학 치료장치의 구동 방법을 도시한 순서도이다. 환자의 병변에 대한 검사 결과에 따라 치료 영역이 결정되면, 환자의 안구를 컨택트 렌즈부(600)에 고정시킨다(S10).
그리고, 제어부(500)는 치료광 발생부(100)을 구동하여 컨택트 렌즈부(600)에 고정된 환자의 안저로 제1 모드(M1)로 치료광을 조사한다(S20). 제1 모드에서 치료광은 복수회에 걸쳐 조사되며, 단위 시간 당 치료 영역의 단위 면적으로 제공되는 에너지가 낮은 크기부터 순차적으로 증가하는 패턴으로 조사된다. 이에 의해, 치료 영역으로 과도한 에너지를 전달하여 인접 조직에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
전술한 단계가 진행되는 동안, 모니터링부(300)는 복수회에 걸쳐 치료광이 조사되는 위치로 검측광을 조사하고, 반사되는 검측광을 수광하여 치료 영역의 상태를 지속적으로 감지한다(S30). 이때, 각각의 검측광은 치료광과 동시에 조사되거나, 검측광과 치료광이 번갈아가며 조사되도록 제어될 수 있다.
도 8은 도 7에서 치료 영역의 상태를 감지하는 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다. 이하에서는 도 8을 참고하여, 본 단계를 보다 상세하게 설명한다.
우선, 모니터링부(300)의 광원은 치료광이 조사되는 치료 영역으로 검측광을 조사한다(S31). 조사된 검측광은 치료 영역에 해당하는 망막의 내측까지 진행한 후 산란 또는 반사된다.
그리고, 검출부(340)는 산란 또는 반사되는 검측광과 기준광의 간섭 정보로부터 검측광의 스페클 패턴을 검출한다(S32). 여기서, 검측광의 스페클 패턴은 검측광이 통과한 망막 단층의 각각의 깊이에 따른 정보가 포함될 수 있다.
검출된 스페클 패턴 중 관심 깊이 영역, 즉 RPE 세포층을 포함하는 일부 영역에 대한 스페클 패턴을 추출한다(S33). RPE 세포층은 치료광에 의해 상태 변화가 가장 민감하게 발생하는 영역이다. 따라서, 검출부(340) 또는 프로세서(350)는 검측광의 스페클 패턴 중 불필요한 깊이 영역에 대한 정보는 제외시키고, 관심이 있는 RPE 세포층의 스페클 패턴 정보를 추출한다.
프로세서(350)는 추출된 RPE 세포층의 스페클 패턴 변화 정보에 근거하여 치료 영역의 상태, 구체적으로는 치료 영역의 RPE 세포층의 상태를 판단한다(S34). 이때, 프로세서(350)는 본 검측광(예를 들어, n번째 검측광)에 의한 RPE 세포층의 스페클 패턴 정보와 이전 검측광(예를 들어, n-1번째 검측광)에 의한 RPE 세포층의 스페클 패턴 정보를 상호 상관(cross correlation)시켜 변화량을 검출하는 방식으로 치료 영역의 상태를 감지한다. 또는 본 검측광(예를 들어, n번째 검측광)에 의한 RPE 세포층의 스페클 패턴 정보와 최초 검측광(예를 들어, 1번째 검측광)에 의한 RPE 세포층의 스페클 패턴 정보를 상호 상관(cross correlation)시켜 변화량을 검출하는 방식으로 치료 영역의 상태를 감지하는 것도 가능하다.
도 8에서는 모니터링 과정에서 조사되는 복수개의 검측광 중 하나의 검측광에 의한 단계를 도시하고 있으나, 본 단계는 복수개의 검측광이 조사되는 동안 모든 검측광에 대해 전술한 단계(S31 내지 S34)를 반복적으로 수행함으로서 치료 중 지속적으로 치료 영역의 RPE 세포층의 상태 정보를 감지할 수 있다.
다시, 도 7을 중심으로 설명하면, 전술한 단계를 통해 감지된 치료 영역의 상태 정보가 감지되면, 상태 정보가 기 설정된 기준값 이상으로 변화했는지 여부를 판단한다(S40). 본 단계는 전술한 단계에서 진행한 스페클 패턴의 변화량이 기 설정된 기준값의 이상인지 여부로 판단하며, 이에 근거하여 제어부는 치료 내용을 제어하는 것이 가능하다.
한편, 본 발명은 전술한 방식과 상이한 방식으로 RPE 세포 상태 감지하는 것도 가능하다. 위에서는 모니터링부가 각 검측광에 의한 스페클 패턴의 변화량 자체를 이용하여 RPE 세포의 상태 변화를 감지하는 방식이다. 이에 비해, 다른 예로서, 각 검측광에 의해 발생되는 스페클 패턴을 이용하여 치료 영역의 온도값을 감지하는 방법으로, RPE 세포의 상태를 감지할 수 있다(S34).
도 9는 치료광에 의해 전달되는 에너지가 증가함에 따라, 검측광에 의한 간섭 신호의 값과 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 전달되는 에너지가 증가함에 따라 온도는 선형적으로 증가하는 것에 비해(T), 검측광에 의한 간섭 신호는 상대적으로 미세하게 변화하다가 RPE 세포가 괴사되는 시점에서 급격하게 변화하는 양상을 나타낸다(V). 따라서, RPE 세포가 괴사되기 이전의 시점부터 치료 영역의 상태를 정확하게 판단하기 위해, 별도의 레퍼런스 데이터를 이용하여 치료 영역의 온도를 감지하도록 구성할 수 있다.
도 10은 레퍼런스 데이터의 일 예를 도시한 그래프이다. 도 10의 a에서는, 간섭광에 의한 스페클 신호의 상호 상관 값의 분포를 나타낸 것이며, 온도에 따라 상이한 분포를 나타내고 있다. 도 10의 a에 의할 경우, 픽셀 번호 0에서 측정된 값의 경우 온도에 따른 식별성이 없으나, 픽셀 번호 10에서 측정되는 값의 경우 온도에 따른 값의 차이가 명확하게 존재한다. 따라서, 도 10의 b와 같이, 픽셀 번호 10과 온도의 상관 관계를 나타내는 레퍼런스 데이터를 구축할 수 있다.
이처럼, 검측광에 의해 감지되는 신호를 연산한 값 중 온도에 따라 차별성을 명확한 값을 이용하여, 검출된 값과 온도 사이의 레퍼런스 데이터를 다양하게 구성할 수 있다. 이러한 레퍼런스 데이터는 사전에 제공되는 데이터일 수도 있고, 또는 치료를 진행하기 앞서 환자의 테스트 영역에 테스트 광을 조사하면서 측정된 값을 이용하여 레퍼런스 데이터를 구축하는 것도 가능하다.
이와 같이, 모니터링부는 검측광에 의한 스패클 패턴 중 RPE 세포층에 상응하는 스패클 패턴이 추출되면, 이에서 얻어지는 값과 레퍼런스를 비교하여 RPE 세포층의 온도를 판단하는 방식으로 RPE 세포의 상태를 감지할 수 있다(S34). 그리고, RPE 세포의 온도가 기 설정된 기준값(예를 들어, 기준온도)을 초과했는지 여부를 판단하고(S40), 제어부는 이에 근거하여 치료 내용을 제어하는 것이 가능하다.
한편, S40 단계에 의해 치료 영역의 상태 정보가 기준값 이하인 것으로 판단되면, 제어부(500)는 현재 진행 중인 제1 모드(M1)로 치료를 지속할 수 있도록 제어할 수 있다. 반면, 치료 영역의 상태 정보가 기준값을 초과한 것으로 판단되면, 제어부(500)는 치료광 발생부가 제2 모드(M2)로 전환하여 동작하도록 제어할 수 있다(S50).
도 11는 도 7에서 제1 모드 동작 및 제2 모드 동작의 예를 도시한 그래프이다. 전술한 바와 같이, 제1 모드(M1)에서 치료광 발생부(100)은 단위 시간 당 치료 영역의 단위 면적으로 전달되는 에너지가 순차적으로 증가하도록 치료광을 발생시킨다. 이에 비해, 제2 모드(M2)에서는 RPE 세포의 온도가 기 설정된 온도와 인접한 온도로 상승한 것으로 판단하고, 단위 시간 당 치료 영역의 단위 면적으로 전달되는 에너지가 더 이상 증가하지 않고 현 상태를 유지하도록 치료광을 발생시킬 수 있다(도 11의 a). 또는, 제1 모드에 비해 단위 면적으로 전달되는 에너지의 증가 폭을 줄이도록 치료광을 발생키는 것도 가능하다(도 11의 b).
이와 같이, 제2 모드(M2)로 치료광이 조사되는 동안에도 모니터링부(300)는 지속적으로 검출되는 신호에 근거하여 치료 영역의 상태 정보를 모니터링한다. 그리고, RPE 세포가 기 설정된 온도에 도달하였는지 여부에 대한 신호(예를 들어, RPE 세포가 괴사되는 것에 대응되는 신호)가 감지되는지 여부를 지속적으로 판단한다.
위의 과정을 통해, 치료 완료 신호가 감지되기 전까지는 제2 모드(M2) 동작을 지속할 수 있고, 치료 완료 신호가 감지되는 시점에서는 해당 치료 영역에 치료광을 조사하는 것을 종료하고 다음 치료 영역으로 치료광 조사 위치를 변경하여 다른 치료 영역에서 치료를 진행하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 광학 치료장치의 구동 방법을 진행함에 있어, 단위 시간 당 치료 영역의 단위 면적으로 전달되는 에너지를 순차적으로 증가시키는 제1 모드(M1)를 제어함에 있어 도 11에서는 치료광 펄스의 출력을 순차적으로 증가시키는 방식으로 제어하였다. 다만, 이는 일 예로서 치료광의 출력 이외의 다른 변수를 제어하여 제1 모드를 구현하는 것도 가능하다.
도 12은 도 7의 제1 모드 동작의 다른 예들을 도시한 그래프이다. 예를 들어, 도 12의 a와 같이 치료광 발생부가 동일한 펄스 지속 시간(pulse durationtime)을 갖는 동일한 출력의 펄스를 발생시키되, 각 펄스 사이의 오프 시간(off time)을 점차적으로 줄임으로서 단위 면적 당 전달되는 에너지의 크기를 순차적으로 증가시킬 수 있다. 또는 도 12의 b와 같이 동일한 출력의 펄스를 발생시키되 각 펄스의 펄스 지속 시간을 점차적으로 증가시킴으로서 단위 면적 당 전달되는 에너지의 크기를 순차적으로 증가시킬 수 있다. 이 이외에도, 도 12의 c와 같이 치료광의 하나의 펄스가 동일한 출력을 갖는 복수개의 단위 펄스로 이루어지도록 조사하되, 하나의 펄스를 구성하는 단위 펄스의 개수를 순차적으로 증착시키거나, 도 12의 d와 같이 치료광을 점차적으로 집속시키는 방식으로 치료 영역의 단위 면적당 전달되는 에너지의 크기를 순차적으로 증가시키도록 구성하는 등 다양한 방식으로 제1 모드 및 제2 모드를 구현할 수 있다.
이상에서, 전술한 광학 치료장치의 동작 방법에서는 치료 영역의 상태 정보에 따라 두 개의 모드로 치료 내용을 제어하는 내용을 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위해 단순한 예를 구성한 것이며, 환자의 병변 내용 및 치료 영역에 따라 다양하게 변형하여 설계할 수 있음은 물론이다.
나아가, 본 실시예에서는 모니터링부에서 검출한 신호를 치료 영역의 상태를 모니터링하는 용도로만 활용하였으나, 별도의 디스플레이를 구비하고 치료 영역의 단층 영상을 디스플레이에 표시하여 사용자가 치료 중 치료 영역의 RPE 세포 상태를 직접 확인할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
녹내장 병변 치료
녹내장은 안압의 상승에 의한 시신경의 손상되는 병변으로, 안내(intraocular) 유체가 배출되는 경로를 확보하여 적정 안압을 유지시키는 방식으로 치료가 진행된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 광학 치료 장치를 이용하여, 전안부의 림버스(Limbus) 부군에 위치하는 섬유주대(trabecualr meshwork, TM) 조직 상에 치료광을 조사하여 유체가 배출되는 특성을 개선할 수 있다.
이러한 치료를 진행하기 위해, 광학 치료 장치는 대물 렌즈(600)와 인접한 위치에 반사경이 포함된 컨택트 렌즈(미도시)를 구비하고, 컨택트 렌즈에 환자의 눈을 위치시킨 상태에서 치료를 진행한다(도 13 참조).
그리고, 치료광 발생부(100)는 전술한 망막 병변을 치료하는 경우와 마찬가지로, 멜라노좀에 흡수되는 파장의 광을 갖는 치료광을 이용할 수 있다. TM 조직은 RPE 세포와 마찬가지로 멜라노좀과 같은 색소 성분을 포함한다. 따라서, 치료광이 조사됨에 따라 TM 조직으로 에너지가 전달되어, 이에 의해 TM 조직에 열적 손상이 발생하여 유체의 배출이 원활하게 이루어질 수 있다.
그리고, 치료광이 조사되는 동안 모니터링부(300)는 검측광을 조사하여, 검측광에 의한 간섭 정보에 근거하여 타겟 위치의 상태를 실시간으로 판단한다. 이때, 모니터링부(300)는, 망막 병변 치료 방식과 마찬가지로, 간섭 정보 중 관심 깊이 영역에 해당하는 정보를 추출하여 이를 이용하여 상태 정보를 판단하도록 구성된다. 이때, 깊이 방향(도 13의 D)은 치료광 및 검측광이 진행하는 방향이며, 관심 깊이 영역은 TM 조직이 위치하는 영역(도 13의 Dsel)일 수 있다.
이러한 치료광의 조사 방식과 모니터링 방식은 전술한 망막 병변 치료에서 설명한 사항과 실질적으로 동일하므로, 구체적인 장치의 구성 및 구동 방법은 망막 병변 치료에서 설명한 내용으로 갈음한다.
피부 병변 치료
전술한 광학 치료 장치는 각종 피부 병변을 치료에도 적용될 수 있다. 피부 병변은 병변 내용에 따라 다양한 타겟 위치(예를 들어, 모낭, 멜라노좀, 콜라겐 층)에 치료광을 조사하여 에너지를 전달하는 방식으로 치료가 진행될 수 있다.
그리고, 모니터링부(300)는 치료가 진행되는 동안 치료 영역의 상태 정보를 감지한다. 이때의 관심 깊이 영역은 타겟 조직이 위치하는 모낭, 멜라노좀 또는 콜라겐 등이 배치되는 영역일 수 있다. 따라서, 모니터링부(300)는 검측광에 의한 간섭 정보 중 해당 관심 깊이 영역에 해당하는 간섭 정보를 추출한 후, 이를 이용하여 치료 영역의 상태 정보를 판단할 수 있다.
이러한 치료광의 조사 방식과 모니터링 방식은 전술한 망막 병변 치료에서 설명한 사항과 실질적으로 동일하므로, 구체적인 장치의 구성 및 구동 방법은 망막 병변 치료에서 설명한 내용으로 갈음한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대해 상세하게 기술하였으나, 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 전술한 예 이외에도 다양한 병변을 치료하는데 적용될 수 있다. 그리고, 본 발명이 속하는 기술 분야에 대해 통상의 지식을 가진 사람이면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 기술적 특징의 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음은 밝혀둔다.

Claims (21)

  1. 치료광(treatment beam)을 발생시키는 치료광 발생부;
    상기 치료광 발생부로부터 발생된 치료광이 치료 영역으로 진행하는 경로를 형성하는 빔 딜리버리부;
    상기 치료광에 의한 치료 영역의 치료 경과를 모니터링하기 위해, 상기 치료광이 조사되는 동안 상기 치료 영역으로 검측광(detecting beam)을 조사하고, 상기 치료 영역으로부터 반사되는 상기 검측광에 의한 간섭 정보에 근거하여 치료 영역의 상태 정보를 감지하는 모니터링부; 그리고,
    상기 모니터링부에서 감지된 상기 치료 영역의 상태 정보에 근거하여 상기 치료 영역으로 조사되는 상기 치료광의 파라미터를 조절하고, 상기 치료광 발생부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 모니터링부는 상기 검측광에 의한 간섭 정보 중 관심 깊이 영역에 해당하는 정보를 선택적으로 추출하고, 상기 모니터링부는 상기 관심 깊이 영역에 해당하는 정보에 근거하여 상기 치료 영역의 상태 정보를 판단하고,
    상기 모니터링부는 특정 위치로 치료광이 조사되는 동안 B스캔을 진행하지 않고 상기 특정 위치로 복수회에 걸쳐 검측광을 조사하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 치료광이 하나의 치료 위치에 조사되는 동안 상기 모니터링부는 상기 검측광을 복수회에 걸쳐 상기 치료 위치에 조사하여 상기 치료 위치의 상태 정보를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모니터링부는 각 검측광에 의한 간섭 정보를 앞서 조사된 검측광에 의한 간섭 정보와 비교하여 상기 치료 영역의 상태 변화를 판단하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관심 깊이 영역은 사용자가 인터페이스를 통해 직접 설정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 검측광에 의한 간섭 정보에 근거하여 상기 치료광이 상기 치료 영역에 흡수됨에 따라 발생하는 상기 치료 영역의 온도 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 검측광에 의한 간섭 정보를 획득하고, 기 저장된 레퍼런스 데이터와 상기 간섭 정보를 비교하여 상기 치료 영역의 온도를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 치료 영역으로부터 산란 또는 반사되는 상기 검측광의 스페클 패턴 정보를 검출하여 상기 치료 영역의 상태 정보를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 치료 영역의 온도가 상승하면 상기 치료 영역에 위치한 조직의 부피 또는 굴절율이 변하여 상기 검측광이 진행하는 광로 특성이 변경되고,
    상기 모니터링부는 상기 검측광이 상기 광로 특성 변화에 따른 스페클 패턴의 변화를 감지하여 치료 영역의 상태 변화를 감지하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 모니터링부는
    상기 검측광을 치료 영역으로 조사하는 광원,
    상기 치료 영역으로부터 반사되는 상기 검측광에 의한 간섭 정보를 검출하는 검출부 및
    상기 검출부에 검출된 간섭 정보에 근거하여 상기 치료 영역의 상태 변화를 판단하는 프로세서를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 모니터링부에서 감지된 치료 영역의 상태 정보가 기준값 이하이면, 상기 치료 영역의 단위 면적당 전달되는 에너지가 점차적으로 증가하도록 상기 치료광 발생부를 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 모니터링부는 상기 치료 영역의 상태를 감지하기 위한 두 개의 알고리즘을 포함하고,
    상기 각각의 알고리즘으로부터 감지된 상태 정보가 허용 범위 이상의 차이를 갖는 경우 이상 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 치료 영역은 피부, 망막 또는 전안부의 섬유주대(trabecular meshwork) 조직 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광학 치료장치.
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