KR102042864B1 - 혼탁 매질에서의 흡광 계수를 결정하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중첩 조명-검출 영역을 이용하여 혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수를 결정하는 방법으로서, a) 참조 시료를 사용한 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(CA)을 구하는 단계; b) 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 결정하기 위해, 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_Λ)을 이용하여 실제 시료에 대한 측정을 행하는 단계; C) 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수(R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하는 단계를 포함하고, 모델 함수(R_abs ^model)는, 산란 위상 함수(PF)에 대한 유효 광자 경로 길이(L_PF)의 의존성; 산란 위상 함수(PF)에 대한 무흡광 절대 반사율(R_abs ⁰)의 의존성의 조합에 대한 사전 지식에 기초하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링되는 혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위한 시스템 및 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다.

Description

혼탁 매질에서의 흡광 계수를 결정하기 위한 방법 {METHOD TO DETERMINE THE ABSORPTION COEFFICIENT IN TURBID MEDIA}

본 발명은 혼탁 매질의 흡광 계수를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 혼탁 매질의 흡광 계수를 결정하기 위한 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 프로세서가 혼탁 매질의 흡광 계수를 결정할 수 있도록 하는 명령을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품, 예를 들어 컴퓨터-판독가능 저장 매체에 관한 것이다.

생체 조직과 같이 광학적 혼탁 매질 내 상이한 흡광 물질의 농도에 대한 비침습적 측정이 시도되고 있다. 이를 위해 통상적으로 사용되는 방법은 이러한 광학적 혼탁 매질로부터의 반사광의 측정을 채용한다. 혼탁 매질로부터 반사된 광의 본질적인 부분은 매질을 통과하여 산란에 의해 매질 밖으로 향하게 된다. 이러한 측정의 주요 문제는 검출된 광자의 광로 길이가, 산란 위상 함수로도 언급되는 산란의 각 분포, 산란 계수 및 흡광 계수와 같은 광학적 특성에 상당히 의존한다는 점이다. 결과적으로, 검출된 광자의 경로 길이는 측정 기하학적 구조 및 광학적 특성에 종속되고, 파장에 따라 변경된다. 혼탁 매질에 있어서 흡수 분광법에 기초한 농도의 절대 측정은 대상 매질의 특성에 대한 경로 길이의 의존성에 의해 악화될 수 있다.

선행 기술로부터 알려진 고전적 반사 분광 장치는 종종 측정 동안 광을 전달 및 수집하기 위해 다수의 광섬유를 사용하였다. 그러나, 광을 전달/수집하기 위해 단일 광섬유를 구비하는 반사 프로브의 잠재적 이점은 많다. 단일 섬유 설계의 이점은 소형의 프로브 크기 및 단순한 장치 설계를 포함하여 내시경 또는 생검침을 통한 잠재적 악성 종양의 광학적 생검과 같은 임상 응용에 대해 다-섬유 프로브보다 더욱 적합하다는 점이다. 그러나, 단일 섬유를 사용할 때와 같이, 광원-탐지기 영역을 중첩시키는 것과 관련한 체제에서, 광 전송의 실증적 또는 분석적 설명은 존재하지 않는다.

혼탁 매질 내 흡광 계수를 결정하기 위한 중첩 조명-검출 영역을 사용하는 반사 분광 시스템의 일 실시예가 문헌 [Kanick et al. Phys. Biol. 54, 6991-7008 (2009)]으로부터 알려져 있다. 공지의 실시예에서, 대상이 되는 조직의 표면에 단일 섬유가 사용 및 위치되는 방법이 개시되어 있다. 섬유는 반사광을 수집하기 위해서뿐만 아니라, 조직에 대한 조명을 위해 사용된다.

환산 산란 계수(reduced scattering coefficient)뿐만 아니라 산란 위상 함수에 대한 광자의 유효 경로 길이의 의존성이 예상되고, 이것이 흡광 계수의 부정확한 결정을 야기할 수 있다는 점이 상기 공지의 방법의 단점이다.

중첩 조명 및 검출 영역이 사용될 때 산란 계수 및 산란 위상 함수에 대해 알지 못한 상태에서 혼탁 매질의 흡광 계수를 결정하기 위한 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

이를 위해, 본 발명에 따른 방법은,

- 참조 시료를 사용한 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(C_λ)을 구하는 단계;

- 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 결정하기 위해, 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_λ)을 사용하여 실제 시료에 대한 측정을 행하는 단계;

- 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수(R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하는 단계를 포함하고,

- 모델 함수(R_abs ^model)는,

i. 산란 위상 함수(PF)에 대한 유효 광자 경로 길이(L_PF)의 의존성;

ⅱ. 산란 위상 함수(PF)에 대한 무흡광 절대 반사율(R_abs ⁰: absolute reflectance in the absence of absorption)의 의존성의 조합에 대한 사전 지식에 기초하여 미리 결정된 수학식을 사용하여 모델링된다.

복수의 상이한 공지의 실시예들 자체는 이러한 중첩 조명-검출 기하학적 구조를 제공하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 바람직한 실시예에서, 예를 들어 10 ㎛ 내지 3 mm의 치수를 갖는 단일 광 섬유가 사용된다.

본 발명에 따르면, 무흡광 시 반사율의 보정 평가는 환산 산란 계수 및 산란 위상 함수가 유효 광자 경로 길이에 대해 갖는 결합된 효과를 적절하게 산정하는데 사용된다. 이렇게 하여, 흡광 계수의 산정이 실질적으로 개선된다.

생체 조직의 측정에 대한 이러한 방법론의 응용은 조직 건강 상태를 정의함에 있어 유용할 수 있는 혈관 생리학의 태양들을 제공한다. 예를 들어, 빌리루빈, 베타-카로틴, 멜라닌, 글루코오스, 지방 및 물을 포함한 다른 광 흡수 물질의 농도뿐만 아니라, 혈용량 분율, 평균 맥관 직경 및 헤모글로빈 산소포화도가 결정될 수 있다. 또한, 상기 방법은 사용된 파장 영역에서 적절한 흡광 특성을 갖는 한, 약물, 조영제, 염료, 오염물질과 같은 조직 내 외래 물질의 농도를 측정하는데도 사용될 수 있다.

본 발명은 하기 이해를 기반으로 한다. 백색광 반사율 측정은 조직과 같은 광학적 혼탁 매질 시료의 흡광 및 산란 특성에 대한 정보를 제공한다. 구체적으로는, 흡광 계수 μ_a는 조직 생리학 측면에 관한 것이다. 반사율 스펙트럼으로부터의 μ_a의 정량적 산정은 유효 광자 경로 길이 L_SF에 미치는 μ_a, 환산 산란 계수 μ_s' 및 산란 위상 함수 PF의 영향에 대한 수학적 보정을 필요로 하는 것으로 밝혀졌다. 대표적인 이러한 수학적 관계의 예가 하기 수학식 1로 제공된다:

<수학식 1>

상기 수학식에서,

C_PF는 PF에 대한 L_SF의 의존성을 나타내고,

d_fiber는 측정에 사용된 섬유의 직경이다.

값 1.54, 0.18 및 0.64는 각각 실증적으로 설정된 상수 p1, p2, p3에 해당한다는 것을 이해할 것이다. 이들 계수는 문헌 [Phys. Biol. 54, 6991-7008 (2009)]에서 보고된 바와 같이 단일 섬유 실시예에 대해 설정되었으며, 상이한 조건 및 또는 실시예에 대해서는 상이한 값을 가질 수 있다.

선행 기술로부터의 공지의 방법에서, 생체내 조직에서 측정된 스펙트럼을 분석하기 위한 수학식 1의 실질적인 응용에는 C_PF를 산정하기 위한 조직 PF에 대한 추정뿐만 아니라, 하나 이상의 파장에서의 μ_s' 값에 대한 추정을 필요로 하였다. 이 접근법은 정확하지 않은 것으로 밝혀졌다.

또한, 단일 섬유 무흡광 반사율 R_abs ⁰는, μ_s'와 섬유 직경 d_fiber의 곱으로 정의되는 무차원 산란(dimensionless scattering)에 대해 PF-특이적 의존성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 그러나, 상기 발견은 임의의 중첩 조명-검출 기하학적 구조에서 일반화될 수 있다는 것을 이해할 것이다. R_abs ⁰와 무차원 산란 사이의 수학적 관계의 예는 하기 수학식 2로 제공된다:

<수학식 2>

상기 수학식에서,

η_c는 점근값, 즉 단일 섬유 수집 효율에 대한 확산 극한이고, 이는 섬유의 NA에 비례하며, NA=0.22인 단일 섬유에 대해 약 2.7%이다. P₄, P₅, P₆은 PF-특이적 파라미터이다. 단일 섬유 실시예의 경우, 수학식 2에서, P₅는 보통 4.3 내지 9.2의 범위 내에 있고, P₆은 보통 0.81 내지 1.14의 범위 내에 있고, P₄는 보통 1.07 내지 2.16의 범위 내에 있다는 것이 밝혀졌다. 수학식 1 및 수학식 2에서 명확하게 명시되지는 않았지만, C_PF, μ_s, R_abs는 산란 위상 함수 (PF)에 의존하는 변수임을 알 것이다. 따라서, 유효 광자 경로 길이 (L_PF) 및 무흡광 절대 반사율 (R_abs ⁰)은 산란 위상 함수 (PF)에 따라 달라진다. 본 발명의 일 태양에 따르면, 모델 함수 (R_abs ^model)는, 특히 산란 위상 함수 (PF)에 대한 L_PF 및 R_abs ⁰의 의존성에 관한 사전 지식을 이용하여 모델링된다.

따라서, 본 발명의 이해에 따르면, 먼저 참조 보정 측정이 수행된다. 매우 높은 산란 계수의 경우, 수집된 반사율은 보정 시료의 (흔히 미지의) 위상 함수에 대해 의존하지 않게 되고 확산 극한 η_c로 접근하기 때문에, 높은 산란 계수를 갖는 시료 (예를 들어, μ_s'd_fiber > 10)가 선택될 수 있다. 대안적으로, 시료의 위상 함수가 기지의 것인 경우에는, 더 작은 산란 계수를 갖는 시료를 사용할 수도 있다. 상기 측정은 섬유를 보정 시료와 접촉시켜 수행할 수 있다. 그러나, 다른 보정 기하학적 구조체가 사용될 수도 있다. 높은 산란 참조 시료가 사용된 경우에서의 절대 디바이스 보정 스펙트럼은 하기 보정 측정으로부터 계산될 수 있다:

<수학식 3>

상기 수학식에서,

C(λ)는 보정 시료를 사용한 측정 디바이스의 보정 스펙트럼을 나타내고,

S_reference(λ)은 보정 시료에 대해 측정된 미가공의 처리되지 않은 스펙트럼을 나타내고,

η_c(NA(λ))는 산란 시료의 최대 반사를 나타낸다. 또한, η_c(NA(λ))는, 보정 시료의 산란 계수가 파장 의존적인 경우, 파장에 따라 다소 달라질 수 있는 것으로 밝혀졌다.

보정 측정의 결과를 처리할 때, 이들은 또한 본 발명의 방법에서 하기 방식으로도 사용된다.

피검 시료 (조직)의 절대 반사율 스펙트럼은 하기와 같은 보정 데이터를 이용하여 얻을 수 있다:

<수학식 4>

상기 수학식에서,

R_abs(λ)는 매질의 절대 반사를 나타내고,

S_medium(λ)은 실제 시료 (조직)의 미가공의 처리되지 않은 스펙트럼을 나타낸다.

본 발명에 따른 다음 단계에서는, 측정된 스펙트럼 R_abs(λ)로부터 광학 특성을 추출한다. 이와 같은 스펙트럼 분석에서의 일반적인 문제는, 각 측정 지점에 대해 3가지 미지의 파라미터 (환산 산란 계수 μ_s', 산란 위상 함수 PF 및 흡광 계수 μ_a)가 계산되어야 함이 이해된다. 그 결과, 수학식은 단일 솔루션으로 수렴하지 않는다.

본 발명에 따르면, 파장 의존성 흡광 계수 μ_a(λ)는 측정된 절대 반사율 스펙트럼 R_abs(λ)과 모델 함수 R_abs ^model(λ) 사이의 차이를 최소화함으로써, 측정된 반사율 R_abs(λ)로부터 계산되고, 상기 모델 함수 R_abs ^model(λ)은 위상 함수 PF에 대한 유효 광자 경로 길이 L_SFmodel(λ)의 의존성(예를 들어, 수학식 1)과 위상 함수 PF에 대한 무흡광 절대 반사율 R_abs ⁰(λ)의 의존성(예를 들어, 수학식 2)의 조합에 대한 사전 지식을 기반으로 하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링된다. R_abs ^model(λ)은 람베르트-베르식(Lambert-Beer equation)을 이용하여, R_abs ^model(λ) = R_abs ⁰(λ)e^{(-□a(λ) L} _SFmodel ^(λ))에 따라 모델링될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 수학식 2에서, μ_s'를 R_abs ⁰로부터 산정하여, 수학식 1에서의 μ_s'의 잠재적인 오산정의 영향이, 상응하는 C_PF의 오산정에 의해 보상되도록 한다. 이러한 방식으로, 유효 경로 길이는 그의 실제값에 근접하고 (생물학적 조직의 경우 7.5% 이내), 심지어 C_PF 및 μ_s'가 부정확하게 명시되는 경우에도 그러하다. 바람직하게는, C_PF, P₄, P₅ 및 P₆의 값은 각각 0.944, 1.55, 6.82, 및 0.969로 선택되고, 이러한 파라미터의 선택은 산정된 경로 길이 L_SFmodel(λ)의 오차를 최소화한다.

그러나, 보상 효과는 C_PF, P₄, P₅ 및 P₆의 다른 조합된 값에 대해서도 일어날 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 수학식 1 및 수학식 2로 나타낸 것과는 상이한 수학적 표현을 이용하여 광자 경로 길이 L_SFmodel(λ) 및 절대 반사율 R_abs ⁰(λ)에 대한 위상 함수의 조합 효과를 설명할 수도 있다. 또한, R_abs ⁰(λ)를 조합된 C_PF-μ_s' 세트에 바로 연결시키는 색인표도 이용할 수 있다. 그러나, 수학식 중 코어 파라미터의 오산정에 대한 이러한 상기 보상 효과는, 놀랍게도 3가지 미지항을 갖는 단일 수학식의 풀이를 가능케 한다는 것이 밝혀졌다. 상기 보상 효과는 도 2를 참조하여 보다 상세히 제공될 것이다.

본 발명에 따른 방법의 실시예에서, 본 방법은 시료를 향해 광 빔을 전달하기 위해 또한 시료로부터 반사된 빔을 수집하기 위해 단일 섬유를 사용하는 단계를 더 포함한다.

충돌 및 반사된 빔 둘 모두는 동일한 섬유에 의해 전달될 수 있고, 이는 작은 섬유-프로브 프로파일을 가능케 하여 세침 흡인 바늘과 같은 얇은 바늘을 통한 측정을 용이하게 하므로, 상기 해결방안은 임상 목적을 위해 실시될 수 있다는 것이 밝혀졌다.

본 발명에 따른 방법의 추가의 실시예에서, 보정 및 시료 측정에 사용된 광은 복수의 단색 공급원에 의해 생성된다. 그러나, 연속적인 파장의 스펙트럼을 갖는 공급원도 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

광 빔에 대한 확산 매질의 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위한 본 발명에 따른 시스템은,

- 광 빔을 생성하도록 구성된 광원;

- 프로세서

를 포함하고,

상기 프로세서는,

a. 참조 시료를 사용한 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(C_λ)을 구하고;

b. 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 결정하기 위해, 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_λ)을 이용하여 실제 시료에 대한 추가 측정 결과를 구하고;

c. 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수 (R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하도록 구성되고,

상기 모델 함수 (R_abs ^model)는,

i. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 유효 광자 경로 길이 (L_PF)의 의존성;

ii. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 무흡광 절대 반사율 (R_abs ⁰)의 의존성의 조합에 대한 사전 지식에 기초하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링된다.

본 발명에 따른 시스템의 유리한 실시예는 특허청구범위의 종속항에 제공되어 있다.

본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램은 프로세서가 하기 단계를 수행하도록 하는 명령을 포함한다:

a. 참조 시료를 사용하여 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(C_λ)을 구하고;

b. 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)의 결정을 위해 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_λ)을 이용하여 실제 시료에 대한 측정 데이터를 구하고;

c. 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수 (R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하며,

d. 상기 모델 함수 (R_abs ^model)는 하기 조합에 대한 사전 지식을 기반으로 하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링된다:

i. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 유효 광자 경로 길이 (L_SF)의 의존성;

ii. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 무흡광 절대 반사율 (R_abs ⁰)의 의존성.

본 발명의 이들 및 다른 태양은 도면을 참조하여 보다 상세히 논의될 것이며, 동등한 참조 번호는 동등한 요소를 지칭한다. 도면은 예시의 목적으로 제시되고, 첨부된 특허청구범위의 범주를 제한하도록 사용될 수 없다는 것을 이해할 것이다.

도 1은 보정 측정 수행에 사용될 수 있는 시스템의 실시예를 도식적 방식으로 나타낸다.
도 2는 다수의 특성 곡선을 나타낸다.

도 1은 시료(8)에 대한 보정 측정 수행에 사용될 수 있는 시스템의 실시예를 도식적 방식으로 나타낸다. 이를 위해, 시스템(10)은 프로브(2), 분기형 광학 케이블(4)을 포함하며, 광학 케이블의 일단은 광원(6)에 연결되고 타단은 적합한 분광계(8)에 연결된다. 따라서, 광섬유(2)는 광원(6)으로부터의 광 빔을 시료로 전달하고 시료(8)로부터의 반사광을 수집하는 데 사용된다.

또한, 경면 반사를 최소화하기 위해 수직선에 대해 arcsin(NA/n_sample)보다 큰 각도로 프로브(2)를 연마하는 것이 유리함이 밝혀졌다. 상기에서, NA는 섬유의 수치적 구경이고 n_medium은 시료의 굴절률이다. 고 산란 시료의 경우 시료의 반사율은 R_sample =η_c(NA(λ))로 주어진다.

혼탁 매질(조직)의 흡광 계수를 결정할 경우,

에 따라 수학식 1을 람베르트-베르식에 사용해야 한다. 일반적으로, 수학식 1을 하기와 같이 기재할 수 있다.

<수학식 5>

앞서 나타낸 바와 같이, 수학식 5에서 조직의 PF 및 μs'는 기지의 값이 아니므로, C_PF는 미지값이고, 반사율 R_abs ⁰로부터의 μs'의 구체화는 또한 수학식 2에서의 정확한 상수 P₄, P₅, 및 P₆을 특정하기 위해 PF를 알 것을 요구함을 의미한다.

본 발명에 따라, μs'의 잠재적 오산정(mis-estimation)이 대응하는 C_PF의 오산정에 의해 보상되도록 반사율 R_abs ⁰로부터 μs'를 산정한다.

C_PF가, R_abs ⁰로부터의 μs'를 산정하는 데 사용된 위상 함수에 적절하게 연관(즉, C_PF가 수학식 2의 P₄, P₅, 및 P₆ 값에 연관)된다면 C_PF/(μs')^p2의 비율이 실제값과 대략 동등(생물학적 조직의 경우 7.5% 이내)하다는 것이 밝혀졌다.

고 각도 산란 이벤트의 가능성이 보다 높아지는 경우, 입사 광자가 수집될 가능성이 보다 높아지기 때문에 R_abs ⁰는 증가하고, 상기 수집된 광자가 단경로를 이용하기 쉽기 때문에 광자 경로 길이 L_SF는 감소한다.

도 2에, 다수의 특성 곡선이 제공되며, 여기서 C_PF=0.944, P₄=1.55, P₅=6.82 및 P₆=0.969인 곡선이 본 발명의 실시에 최적 곡선임이 밝혀졌다. 도 2는 상이한 후방산란 컴포넌트를 갖는 상이한 기지의 위상 함수 PF를 가지는 기지의 시료의 3가지 예시적인 실시예에 대한 R_abs ⁰ 와 μs'd_fiber 사이의 관계를 도시한다. C_PF 값 및 위상 함수 PF에 대한 P₄, P₅, 및 P₆ 값이 또한 이들 선택된 PF 각각에 대해 표시되어 있다. 도 2에 나타낸 그래프는 앞서 논의된 수학식 2를 이용하여 계산되었다.

조직과 같은 미지의 시료인 경우, 수학식 1 및 2를 활용한 광자 경로 길이 L_SF 계산에는 역시 미지인 위상 함수 PF에 대한 추정이 필요하다.

위상 함수 PF는 C_PF=0.944, P₄=1.55, P₅=6.82 및 P₆=0.969 (도 2의 실선으로 표시된 곡선 1 참조)으로 특성화된다는 추정이 특히 적합하다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 또한 기지의 시료에 적용된 몬테 카를로 시뮬레이션을 이용하거나 수학식 2를 이용하여 산출될 수 있는 임의 다른 대체 곡선 또는 도 2에 제공된 다른 곡선을 이용하여 수학식을 푸는 것도 가능하다. 그러나, 반사율 특성이 조직과 같은 피검 시료로부터 예측될 수 있는 반사율에 근접한 곡선을 선택하는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다.

도 2의 곡선번호 1에 대응하는 수학식 2의 추정된 위상 함수 PF에 관련해 앞서 논의된 P₄, P₅ 및 P₆를 활용하면 측정 반사율 R_abs ⁰(Real)에 기초하여 미지의 시료에 대한 μs'(Est)의 산정 값을 산출할 수 있다.

수학식 1, 수학식 2 및 도 2의 그래프를 분석할 때 하기의 효과가 밝혀졌다. 미지의 시료의 실제 시료 위상 함수 PF가 추정 PF보다 더 높은 후방산란 컴포넌트를 특징으로 한다면(예를 들어, 도 2의 실제 곡선 2에 대응하는 파라미터의 실제 조합이 C_PF=0.86, P₄=1.24, P₅=4.47 및 P₆=0.82임), μs'(Est) > μs'(Real)이므로 μs'는 R_abs ⁰(Real)로부터 과잉 산정될 수 있다. 도 2의 대응 주석 참조.

그러나, 추정된 시료 곡선 1에 대응하는 초기 추정된 C_PF (0.944)는 "실제" 시료 곡선 2에 대응하는 "실제" C_PF (0.86)보다 크다. 따라서, C_PF 의 과잉 산정이 수학식 1에서 L_SF에 대한 μs'의 과잉 산정의 효과를 보상한다.

그 다음, 사실 실제 위상 함수 PF가 위상 함수 PF에 대해 추정된 값보다 더 작은 후방산란 컴포넌트를 갖는다면(예를 들어, 실제 시료 PF가 추정된 곡선 2가 아니라 도 2의 곡선 3에 대응), 도 2의 추정된 R_abs ⁰ 곡선 2를 이용하여 얻어진 결과의 μs'(Est)가 하향 추정될 것이다. 따라서, 이 경우에도 보상 효과 - 즉, 이 경우에 추정된 C_PF (0.944) 가 "실제" C_PF (1.0)보다 작기 때문에 수학식 1에서 C_PF 의 하향 산정이 일어난다.

바람직하게는, 추정된 산란 위상 함수 PF^assumed의 경우, γ= 1.6 내지 1.8의 감마값이 사용되고, 상기 감마는 γ= (1-g₂) / (1-g₁)에 따른 산란 위상 함수의 제1 및 제2 모멘트(각각 g₁ 및 g₂)에 관련된다.

산정된 위상 함수 PF의 추정을 통한 C_PF 및 μs'의 오산정의 상호 관련된 보상 효과는 비율 C_PF ^est/C_PF ^real 및 (μs'(Est)/μs'Real))^0.18의 평가에 의해 추가로 분석될 수 있다.

상기 2개의 메트릭이 둘 다 유니티(unity)보다 작거나 둘 다 유니티보다 크고, 이는 L_SF의 산정값에 대한 보상 효과를 나타낸다는 것이 밝혀졌다. 또한, 이 효과의 정도는 매우 유사하다: C_PF ^est/C_PF ^real은 생물학적 조직에서 0.9 내지 1.12 범위인 한편, (μs'(Est)/μs'(Real))^0.18은 R_abs ⁰으로부터 μs'(Est)를 계산하기 위해 수학식 2를 사용한 경우에는 0.85 내지 1.25 범위이다.

도 2의 삽입도(I)는 상기 2개 메트릭의 비율(보상 팩터로 정의됨)의 히스토그램 플롯을 도시한다. 경로 길이에 대한 C_PF 및 μs'의 오산정의 효과의 완전한 보상은 1.0의 보상 팩터를 제공할 것임이 이해될 것이다. 이 히스토그램은 약 1.0을 중심으로 데이터의 76%가 이 값의 5% 이내에 있고, 데이터의 99%가 이 값의 10% 이내에 있는 좁은 분포를 명확하게 보여준다.

본 발명의 구체적인 예가 상기 설명되었지만, 본 발명은 설명과는 달리 실시될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 수학식에서 특정 혼탁 매질에 대해, 상이한 상수가 사용될 수 있다. 그러나, 적합한 상수를 결정하는 방법은 본 발명을 실시할 때 당업계 기술자의 통상의 기술 범위 내에 있을 것이다.

Claims (19)

1. 중첩 조명-검출 영역을 이용하여 혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수를 결정하는 방법이며,
   a. 참조 시료를 사용한 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(C_λ)을 구하는 단계;
   b. 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 결정하기 위해, 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_λ)을 이용하여 실제 시료에 대한 측정을 행하는 단계;
   c. 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수(R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하는 단계
   를 포함하고,
   d. 상기 모델 함수(R_abs ^model)는,
   i. 산란 위상 함수(PF)에 대한 유효 광자 경로 길이(L_PF)의 의존성;
   ⅱ. 산란 위상 함수(PF)에 대한 무흡광 절대 반사율(R_abs ⁰)의 의존성의 조합에 대한 사전 지식에 기초하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링되는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 시료를 향해 광 빔을 전달하기 위해, 그리고 상기 시료로부터 반사된 빔을 수집하기 위해 단일 섬유를 사용하는 단계를 더 포함하는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   조명에 사용되는 광점(light spot)이 반사된 빔의 광점과 중첩하는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   측정에 사용되는 광은 복수의 단색 공급원에 의해 생성되는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   측정에 사용되는 광은 파장의 연속 스펙트럼을 포함하는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 혼탁 매질는 조직인
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 흡광 계수 μ_a는 헤모글로빈, 빌리루빈, 베타-카로틴, 멜라닌, 시토크롬, 글루코오스, 지질 및 물로 이루어진 군으로부터 선택된 흡수성 분자의 농도 또는 패키징에 관련되는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   추정된 산란 위상 함수 PF^assumed의 경우, γ= 1.6 내지 1.8의 감마값이 사용되고, 상기 감마는 γ= (1-g₂) / (1-g₁)에 따른 산란 위상 함수의 제1 및 제2 모멘트(각각 g₁ 및 g₂)에 관련되는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   보정 측정의 경우에, μ_s'd_fiber > 10이 성립되는 산란 계수를 갖는 산란 참조 시료가 사용되는
   혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    보정 측정의 경우에, 기지의 위상 함수 및 산란 계수를 갖는 참조 시료가 사용되는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 방법.
11. 중첩 조명-검출 영역을 이용하여 혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수를 결정하는 시스템이며,
    - 광 빔을 생성하도록 구성된 광원;
    - 프로세서
    를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    a. 참조 시료를 사용한 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(C_λ)을 구하고;
    b. 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 결정하기 위해, 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_λ)을 이용하여 실제 시료에 대한 추가 측정 결과를 구하고;
    c. 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수 (R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하도록 구성되고,
    상기 모델 함수 (R_abs ^model)는,
    i. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 유효 광자 경로 길이 (L_PF)의 의존성;
    ii. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 무흡광 절대 반사율 (R_abs ⁰)의 의존성의 조합에 대한 사전 지식에 기초하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링되는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
12. 제11항에 있어서,
    측정 데이터에 기초한 스펙트럼 분석을 행하기 위한 분광계를 더 포함하는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 단색 공급원을 포함하는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
14. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 시료를 향해 광을 전달하기 위한, 그리고 상기 시료로부터 반사된 광을 수집하기 위한 단일 섬유를 더 포함하는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 섬유는 중재 기구(interventional instrument)에 제공되는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
16. 제15항에 있어서,
    상기 중재 기구는 생검침인
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
17. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    보정 측정의 경우에, μ_s'd_fiber > 10을 갖는 산란 참조 시료가 사용되는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
18. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    보정 측정의 경우에, 기지의 위상 함수 및 산란 계수를 갖는 참조 시료가 사용되는
    혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수 결정 시스템.
19. 중첩 조명-검출 영역을 이용하여 혼탁 매질의 파장 의존성 흡광 계수를 결정하는 컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터-판독가능 저장 매체이며,
    a. 참조 시료를 사용한 참조 측정으로부터 보정 스펙트럼(C_λ)을 구하는 단계;
    b. 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 결정하기 위해, 시료에 대해 측정된 미가공 스펙트럼(S_medium) 및 보정 스펙트럼(C_λ)을 이용하여 실제 시료에 대한 측정 데이터를 구하는 단계;
    c. 파장 의존성 흡광 계수를 결정하기 위해, 측정된 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)과 모델 함수 (R_abs ^model) 사이의 차이를 최소화함으로써 절대 반사율 스펙트럼(R_abs)을 이용하는 단계
    를 프로세서로 하여금 수행하도록 하는 명령을 포함하고,
    d. 상기 모델 함수 (R_abs ^model)는,
    i. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 유효 광자 경로 길이 (L_PF)의 의존성;
    ii. 산란 위상 함수 (PF)에 대한 무흡광 절대 반사율 (R_abs ⁰)의 의존성의 조합에 대한 사전 지식에 기초하여 미리 결정된 수학식을 이용하여 모델링되는
    컴퓨터 프로그램을 기록한 컴퓨터-판독가능 저장 매체.

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