KR102057959B1 - 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수술 중에 감마선 및 광학 신호를 동시에 영상화하여 복강경 또는 로봇 시술 중 암의 위치 분포를 신속하게 파악하고 감시 림프절 절제에 매우 효과적인 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치를 제공한다.

Description

수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치{An integrated optical/gamma hybrid imaging apparatus for surgical operation}
본 발명은 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 수술 중에 감마선 및 광학 신호를 동시에 영상화 할 수 있는 일체형 융합 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 복강경 수술(laparoscopic surgery)이란, 배꼽 부위에 0.5~1cm정도의 구멍을 뚫고 복강경을 삽입하여 가시광선 영상을 통해 해부학적 정보를 파악하고 레이저 특수외과 전기술 등 특수기구를 이용해 암과 전이 조직을 절제하는 수술을 의미한다. 복강경 수술을 통하여 개복 수술이 힘든 노인 등의 경우에도 암 수술을 할 수 있으며 개복 수술에 비하여 환자의 회복 기간을 획기적으로 단축할 수 있다. 최근 이러한 복강경 수술에 근적외선 형광 영상을 접목하여 기존의 가시광선만으로는 검출이 불가능한 암의 전이를 수술 중에 실시간으로 영상화가 가능하게 되었다. 하지만 근적외선 형광의 경우 조직 내의 산란으로 인해 투과 깊이가 10 mm이하로 제한되기 때문에 암이 조직 깊은 곳에 위치한 경우엔 검출이 불가능하다. 이를 해결하기 위해서는 조직투과도가 높은 감마선 방출핵종을 이용하여 감마 프로브로 암조직의 존재 여부를 판단하는 수술방법이 사용되고 있다. 따라서 근적외선 형광물질과 감마선 방출핵종이 표지된 융합 추적자를 이용하면 수술 중 암 검출의 민감도를 높일 수 있지만 아직까지 근적외선 영상과 감마 영상을 동시에 제공하는 융합된 장치는 개발되지 않았다. 이와 관련하여 대한민국 공개특허 제2018-0006668호는 복강경 수술용 융합영상장치에 대해 개시하고 있다.
그러나 상기 선행기술의 경우, 감마영상을 위해 400~500 nm 파장대가 할당 되면서 가시광선에서는 색보정 작업이 필요하고 광섬유다발을 사용하여 감마선의 에너지 정보를 가지고 있는 섬광을 전송하기 때문에 에너지 분해능이 악화되는 단점이 있다.
본 발명은 수술 중에 감마선 및 광학 신호를 동시에 영상화하여 복강경 또는 로봇 시술 중 암의 위치 분포를 신속하게 파악하고 감시 림프절 절제에 매우 효과적인 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 관한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 환부에 투여된 방사성 물질로부터 방출된 감마선과 반응하여 감마선 섬광영상을 얻기 위한 감마선 섬광결정, 상기 섬광결정으로부터 생성된 섬광을 검출하고 전기 신호로 변환하기 위한 광센서 어레이, 상기 광센서 어레이의 아날로그 출력신호를 디지털 신호로 변환시키는 데이터 획득장치, 감마선의 영상화 또는 계수방식을 위해 불필요한 배경감마선을 제거주고 넓은 영역의 영상을 획득하기 위한 콜리메이터, 가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광과 환부에 근적외선 방출 물질을 여기시켜 근적외선 영상을 획득하기 위해 근적외선 여기광을 생성하는 광원, 상기 근적외선 및 가시광선 영상을 획득하기 위한 광학 렌즈, 상기 근적외선 및 가시광선 영상을 전송하기 위한 릴레이 렌즈, 상기 방사성 물질에서 방출된 감마선을 검출하기 크리스탈 어레이, 상기 광센서 어레이로부터 생성된 전기신호의 채널수를 줄여주고 상기 감마선과 반응한 섬광결정의 위치를 결정해주는 전하분할 회로 및 상기 콜리메이터 및 감마선 섬광결정 중 어느 둘 이상의 부품들 간의 거리를 변화시킴으로써 근적외선, 감마선의 민감도 및 분해능을 조절할 수 있는 광학 메커니즘을 포함하는 가시광선과 근적외선 및 환부에 투여된 감마선 방사물질로부터 가시광선, 근적외선 및 감마선의 삼중 영상을 각각 획득하는 광학/감마영상모듈; 상기 릴레이 렌즈를 통해 전달된 영상으로부터 가시광선과 근적외선의 개별 영상을 분리한 후 각각의 전기신호로 변환하는 가시광선 영상처리부 및 근적외선 영상처리부를 포함하는 광전변환모듈; 상기 광전변환모듈의 가시광선 영상신호, 근적외선 영상신호 및 감마선 영상신호를 하나의 영상으로 정합하기 위한 매칭모듈; 및 상기 매칭모듈의 영상을 표시하기 위한 영상 표시모듈을 포함하는 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치가 제공된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치는 수술 중에 감마선 및 광학 신호를 동시에 영상화하여 종양 제거를 위한 복강경 또는 로봇 시술 중 암의 위치 분포를 광학/감마 정보를 통해 제공하고 이에 따라 감시 림프절 정확히 절제할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치의 구조를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 2는 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치의 광학/감마영상모듈의 구조를 개략적으로 도시한 그림과 사진이다.
도 3은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치를 이용하여 직접 획득한 감마 에너지 스펙트럼, 섬광결정 지도 및 감마영상이다.
도 4는 광학/감마영상모듈의 중간 영역에 그린 렌즈가 위치하여 발생하는 손실 픽셀 정보를 보상하기 위한 알고리즘 및 픽셀 강도 계산식이다.
도 5는 상기 도 4의 방법을 이용하여 감마영상의 가운데 그린 렌즈 영역을 보상한 결과를 나타내는 그림이다.
도 6은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치의 그린 렌즈, 릴레이 렌즈 및 광전변환모듈의 기능을 개략적으로 나타내고 있는 개요도이다.
도 7은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치의 광전변환모듈을 이용하여 획득한 가시광선 및 근적외선 융합영상을 나타내고 있는 사진이다.
도 8은 도 1의 광학/감마영상모듈에서 콜리메이터를 탈착한 뒤 외부 검출기와 동시계수를 이용하여 양전자방출핵종의 위치분포를 영상화하기 위한 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치의 변형예를 도시하고 있는 개요도이다.
도 9는 종래 감마선 에너지 스펙트럼 획득 방법인 섬광결정-광섬유-실리콘 광증폭기 방식에 비교하여 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에서 섬광결정-실리콘 광증폭기 방식 채택에 따른 에너지 분해능 향상 결과를 나타내고 있는 그래프이다.
용어의 정의:
본 문서에서 사용되는 용어 "종양조직(tumor tissue)"은 악생 신생물 (malignant neoplasm)로서 발육속도가 빠르고 침습적이고 전이성인 조직을 나타낸다.
본 문서에서 사용되는 용어 "감시림프절(sentinel lymph node)"은 종양조직(tumor tissue)의 침윤이 진행되어 종양에서 전이가 일어날 경우 가장 먼저 전이가 일어나는 림프절로 종양에서의 전이 여부를 알 수 있는 중요한 지표로 작용한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "복강경 수술(laparoscopic surgery)"은 복부를 절개하지 않고 배꼽부위에 0.5~1cm정도의 구멍을 뚫고 배 안을 들여다보는 Full HD급 카메라가 부착된 복강경과 비디오 모니터 등을 통해서 레이저 특수외과 전기술 등 특수기구를 이용해 하는 미세수술을 의미한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "SiPM(Silicon Photo-multipiler) 검출기"는 종양에 집적된 추적자로부터 양전자(positron)가 방출되어 인체 내의 전자와 반응하면 최종적으로 2개의 511 keV 소멸방사선이 방출되고 상기 2개의 소멸 감마선이 복강 내 융합영상 모듈과 체외 검출기의 섬광결정과 반응하여 발생하는 섬광을 검출하여 동시신호를 얻는 역할을 한다.
본 문서에서 사용되는 용어 "광학 메커니즘"은 융합영상 모듈과 광전변환 모듈의 광학 부품들 간의 연결된 구조체, 그리고 상기 광학 부품 사이의 거리를 조절할 수 있는 구동장치 및 제어모듈을 포함하는 광학구조체를 의미하며, 상기 광학 메커니즘에 내장된 광학 부품간의 거리를 변화시킴으로써 근적외선, 가시광선의 민감도 및 분해능을 조절할 수 있다.
본 문서에서 사용되는 용어 "전하분할회로(charge division circuit)"는 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치의 광센서 어레이로부터 생성되는 전기신호의 채널(16 내지 64 채널)을 4채널의 위치신호로 감소시켜주는 역할을 하는 회로를 의미한다.
발명의 상세한 설명:
본 발명의 일 관점에 따르면, 환부에 투여된 방사성 물질로부터 방출된 감마선과 반응하여 감마선 섬광영상을 얻기 위한 감마선 섬광결정, 상기 섬광결정으로부터 생성된 섬광을 검출하고 전기 신호로 변환하기 위한 광센서 어레이, 상기 광센서 어레이의 아날로그 출력신호를 디지털 신호로 변환시키는 데이터 획득장치, 감마선의 영상화 또는 계수방식을 위해 불필요한 배경감마선을 제거주고 넓은 영역의 영상을 획득하기 위한 콜리메이터, 가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광과 환부에 근적외선 방출 물질을 여기시켜 근적외선 영상을 획득하기 위해 근적외선 여기광을 생성하는 광원, 상기 근적외선 및 가시광선 영상을 획득하기 위한 광학 렌즈, 상기 근적외선 및 가시광선 영상을 전송하기 위한 릴레이 렌즈, 상기 방사성 물질에서 방출된 감마선을 검출하기 크리스탈 어레이, 상기 광센서 어레이로부터 생성된 전기신호의 채널수를 줄여주고 상기 감마선과 반응한 섬광결정의 위치를 결정해주는 전하분할 회로 및 상기 콜리메이터 및 감마선 섬광결정 중 어느 둘 이상의 부품들 간의 거리를 변화시킴으로써 근적외선, 감마선의 민감도 및 분해능을 조절할 수 있는 광학 메커니즘을 포함하는 가시광선과 근적외선 및 환부에 투여된 감마선 방사물질로부터 가시광선, 근적외선 및 감마선의 삼중 영상을 각각 획득하는 광학/감마영상모듈; 상기 릴레이 렌즈를 통해 전달된 영상으로부터 가시광선과 근적외선의 개별 영상을 분리한 후 각각의 전기신호로 변환하는 가시광선 영상처리부 및 근적외선 영상처리부를 포함하는 광전변환모듈; 상기 광전변환모듈의 가시광선 영상신호, 근적외선 영상신호 및 감마선 영상신호를 하나의 영상으로 정합하기 위한 매칭모듈; 및 상기 매칭모듈의 영상을 표시하기 위한 영상 표시모듈을 포함하는 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치가 제공된다.
상기 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 있어서, 상기 광전변환모듈의 가시광선 영상처리부는 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 파장별로 가시광선 또는 근적외선으로 분리하는 제1렌즈; 상기 입사된 광에서 400 내지 700 nm대의 가시광선을 분리하는 다이크로익 미러; 상기 가시광선의 노이즈를 제거하는 제1대역통과필터; 및 상기 가시광선을 전기신호로 변환하는 제1CCD를 포함할 수 있다.
상기 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 있어서, 상기 광전변환모듈의 근적외선 영상처리부는 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 파장별로 가시광선 또는 근적외선으로 분리하는 제1렌즈; 상기 입사된 광에서 790 내지 900 nm대의 근적외선을 분리하는 다이크로익 미러; 상기 근적외선의 노이즈를 제거하는 제2대역통과필터; 및 상기 근적외선을 전기신호로 변환하는 제2CCD를 포함할 수 있다.
상기 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 있어서, 상기 섬광결정은 GAGG(gadolinium aluminium gallium garnet), GSO(gadolinium oxyorthosilicate), LYSO(lutetium-yttrium oxyorthosilicate), LGSO(Lu2-xGdxSiO5), LuAG(lutetium aluminum garnet), LaBr3(Lanthanum(III) bromide), CeBr3(Ceriu(III)brimide), NaI(Sodium iodide), CsI(Cesium iodide) 또는 SrI(Strontium iodide)일 수 있다.
상기 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 있어서, 상기 콜리메이터는 확산형 콜리메이터, 핀홀 콜리메이터 또는 평행형 콜리메이터일 수 있고 상기 근적외선 방출 물질은 인도시아닌 그린(indocyanine green)일 수 있다.
상기 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 있어서, 상기 광학/감마영상모듈에서 콜리메이터를 탈착한 후 외부 검출기와 동시계수를 추가로 포함할 수 있고 상기 광학 렌즈는 그린(grin) 렌즈 또는 마이크로(micro) 렌즈일 수 있다.
상기 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치에 있어서, 상기 매칭모듈은 상기 데이터 획득장치와 광전변환모듈에서 획득한 감마선, 근적외선/가시광선 영상을 동일 시야를 갖도록 잡음 제거하는 컴퓨터(PC)로 구현되어 제1CCD 및 제2CCD로 들어온 감마선 신호 영상을 프레임마다 미디언 필터로 잡음을 제거하고 사전에 계산된 역치값 이상을 가지는 픽셀의 개수와 총 밝기 값을 계산하여 실시간 카운팅 모드로도 사용이 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
최근 암 수술에서 근적외선 형광과 감마선을 방출하는 융합 추적자를 사용하여 암의 림프절 전이 여부를 수술 중에 실시간으로 확인하는 기법이 사용되고 있다. 근적외선 형광 영상을 사용하면 가시광선 영상에서는 확인되지 않는 암 조직을 실시간으로 검출할 수 있지만 근적외선 형광의 경우 조직 투과 깊이가 10 mm 이하로 제한되기 때문에 암 조직이 조직 내 깊은 곳에 위치해 있으면 검출이 불가능하다. 반면에 조직 투과도가 수 cm 이상인 감마선을 이용하게 되면 근적외선으로는 확인이 불가능한 조직 깊은 곳에 위치한 암 조직도 검출이 가능하다. 따라서 근적외선 형광과 방사성의약품이 표지된 융합 추적자를 사용하게 되면 수술 중 암 검출의 민감도를 높일 수가 있다. 그러나 복강경 수술 중에 근적외선과 감마선을 동시에 획득하고 이를 영상으로 보여줄 수 있는 상업용 융합영상장치는 아직까지 개발되지 않았다. 이를 보완하기 위해 근적외선 영상 장치와 감마 프로브를 하나의 복강경에 단순히 집적시킨 장치가 개발되었으나 근적외선 영상용 광학계가 복강경의 가운데에 위치하지 못하고 한쪽으로 치우쳐져 있기 때문에 감마선과 근적외선 영상을 동일한 시야에서 얻을 수 없는 문제점이 있다. 또한 가시광선/근적외선/감마선 영상을 단일 장치로 동일한 영상평면(image plane)에 맺히게 하는 방법을 사용한 복강경 수술용 가시광선/근적외선/감마선 융합영상장치가 개발되었지만 감마선 유도 섬광 신호를 400~500 nm의 파장대에 할당하였기 때문에 가시광선 영상에서 추가적인 색 보정(white balancing) 작업이 필요하고 감마선 에너지 정보를 가지고 있는 섬광이 광섬유를 통과하면서 손실이 발생하여 에너지 분해능이 악화된다는 단점이 존재하였다. 이에 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 예의 노력한 결과, 감마선 검출기와 근적외선/가시광선 광학계를 하나의 복강경에 집적시켜 수술 중에 감마선 및 광학 신호를 동시에 영상화하여 암의 위치 정보를 제공하고 복강경 또는 로봇 시술 시 높은 민감도와 특이도로 악성 원발 종양 및 감시 림프절을 신속하고 정확하게 절제할 수 있는 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치를 개발하여 본 발명을 완성하였다(도 1).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 무게추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)의 구조를 개략적으로 도시한 개요도이다.
도시한 바와 같이, 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)의 기본적인 구조를 살펴 보면 먼저 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)를 사용하여 감시림프절을 절제하기 위해서는 환부에 감마선과 근적외선(NIR)을 방출하기 위한 섬광결정(131, scintillator crystals)(ICG-99mTc-콜로이드, 1 MBq + ICG) 물질을 투입할 필요가 있고 감마 핵종(gamma nuclide)의 위치분포를 영상화하기 위한 콜리메이터(135)가 구비된다. 이때 상기 환부에 투여된 감마선 방출물질(99mTc)로부터 감마선 영상을 얻기 위한 상기 섬광결정(131)은 GAGG(gadolinium aluminium gallium garnet), GSO(gadolinium oxyorthosilicate), NaI(Sodium iodide), CsI(Cesium iodide) 또는 SrI(Strontium iodide) 일 수 있으며 상기 콜리메이터는 핀홀 콜리메이터 또는 평행형 콜리메이터를 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)의 좌측에는 광학 및 감마영상을 획득하기 위한 광학/감마영상모듈이 구비되어 있는데 전하분할회로(122)로의 중심에 광학영상을 획득하기 위한 그린 렌즈(120), 감마선을 섬광으로 변환시키기 위한 크리스탈 어레이(125) 및 섬광신호를 전기신호로 변환시키기 위한 광센서 어레이(127)가 구성되어 있고 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)의 중심을 관통하여 가시광선/근적외선 영상을 광전변환모듈로 전송하기 위한 릴레이 렌즈(130)로 구성되어 있다.
또한, 상부에는 가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광 및 환부에 투여된 근적외선 방출 물질(ICG;indocyanine green)을 여기 시켜 근적외선 영상을 획득하기 위한 적외선 여기광을 생성하는 광원(134)이 구성되어 있다. 아울러, 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)의 우측에는 가시광선과 근적외선의 개별영상을 분리한 후 각각의 전기신호로 변환하는 광전변환모듈이 구성되어 있고 광전환모듈 상부에는 섬광결정(131)으로부터 생성된 섬광을 검출하기 위한 광센서 어레이(127)의 전기신호를 증폭시켜 주는 증폭기(150)가 구성되어 있다. 상기 광센서 어레이(127)는 그 가운데에 릴레이 렌즈(130)가 위치할 수 있도록 배열됨으로써 광학 영상의 시야가 감마 영상의 시야의 중간에 위치할 수 있고, 16 내지 64 채널로 생성되는 다채널의 광센서 어레이(127)의 출력신호를 4개의 위치신호로 줄여주는 전하분할회로(122), 전하분할회로(122)의 신호를 증폭기(150)로 전송시키기 위한 신호케이블(137), 증폭기(150)의 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환시키는 DAQ(152, 데이터 획득장치) 및 광센서 어레이(127)의 온도를 실시간으로 측정하고 온도에 따른 이득보상을 하기 위한 온도센서(133)를 구비한다. 이때 광센서 어레이(127)는 실리콘 광증폭기 또는 광전자증배관을 교체하여 사용할 수 있고 전하분할회로(122)를 이용함으로써 4채널 이상의 광센서 어레이(127)를 사용하더라도 필요한 DAQ(152) 채널수를 4개로 줄일 수 있다는 장점이 있다.
한편, 광전변환모듈은 릴레이 렌즈(130)로부터 생성된 가시광선과 근적외선 영상 중에서 파장별로 분리하여 가시광선은 제1렌즈(158), 다이크로익 미러(153), 제1대역통과필터(156), 및 제1CCD(157)을 이용하여 전기신호로 변환되고 근적외선은 제1렌즈(158), 다이크로익 미러(153), 제2대역통과필터(154)를 거쳐 제2CCD(155)를 통하여 전기신호로 변환된다. 따라서 상기 광전변환모듈을 이용하여 가시광선과 근적외선을 실시간으로 동시에 획득할 수 있다. 그 후, 상기 전기신호는 DAQ(152)로 전달되고 PC(미도시)를 통하여 감마영상, 가시광선영상 및 근적외선 영상을 실시간으로 정합하여 표시된다.
도 2는 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합 영상장치(100)의 광학/감마영상모듈의 개략적인 구성을 나타내는 그림 및 사진이다. 도시한 바와 같이, 광학/감마영상모듈은 전하분할회로(122)의 중심에 광학 영상을 획득하기 위한 그린 렌즈(120)가 위치하고 전면에 걸쳐 감마선 신호를 검출하고 이를 섬광신호로 변환하기 크리스탈 어레이(125), 섬광 신호를 전기신호로 변환하기 위한 광센서 어레이(127)가 배열된다.
상기 광학/감마영상모듈은 섬광결정(131)에서 감마선과의 반응으로 섬광이 생성되고 광센서 어레이(127)에서 직접 검출이 가능하기 때문에 감마선 정보의 손실을 최소화하여 광학영상과 감마영상의 시야를 동일하게 매칭시켜 수술 중 의사에게 제공할 수 있다. 한편, 감마선의 측정은 감마선이 섬광결정(131)과 반응하여 생성되는 섬광을 측정하는데 이때 140 keV 감마선 검출에 사용할 수 있는 섬광결정(131)의 요건은 조해성이 없어야 하고, 자체 자연방사능을 포함해서는 안 되며 가능한 섬광량이 많아야 하기 때문에 GAGG 또는 GSO를 사용하는 것이 바람직하나 도 8에 도시한 바와 같이 양전자방출핵종에 의해 발생하는 511 keV 소멸감마선을 검출할 때는 외부 검출기와 동시계수(151)를 해야 하기 때문에 자체 자연방사능을 가지고 있는 LYSO, LGSO, LuAG, LaBr3 또는 CeBr3 등도 사용가능하다. 또한 영상장치의 감마선 민감도와 위치분해능은 콜리메이터(135)의 두께와 구멍의 크기, 선원의 깊이 등에 의해서 결정되고 그린 렌즈(120) 및 릴레이 렌즈(130)가 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)의 중간에 위치하기 때문에 섬광결정(131)과 광센서 어레이(127)는 가운데에 1~2 mm의 직경을 남겨둔 채로 배열이 되어야 하며 상기 중간 영역은 감마영상에서는 손실된 픽셀로 나타나게 된다. 따라서 감마영상의 중간 픽셀의 손실된 정보를 복원하기 위해서는 픽셀 복원 알고리즘이 중요하므로 DAQ(152)를 통해 들어온 감마 영상에서 광학렌즈로 인해 비어있는 가운데 픽셀 영역을 인접 픽셀들의 밝기 분포로부터 보정하는 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)를 이용하여 Co-57핵종에서 방출되는 122 keV감마선을 텅스텐 콜리메이터 없이 검출하여 획득한 감마 에너지 스펙트럼, 섬광결정 지도 및 감마영상이고(상단) 직경 1 mm의 텅스텐 콜리메이터를 이용하여 서로 15 mm떨어진 두 개의 Co-57 핵종의 감마영상을 획득한 결과이다(하단).
도 4는 광학/감마영상모듈의 가운데 영역에 그린 렌즈(120)이 위치함으로써 발생하는 감마영상에서 손실된 픽셀 정보를 보상하기 위한 알고리즘을 나타내는 그림이다. 상기 감마영상에서 가운데 픽셀의 정보 P는 인접 픽셀 N4(P)와 대각선으로 인접하는 픽셀 ND(P)의 밝기 비율로부터 구할 수 있는데 상기 픽셀 복원 알고리즘을 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)에 적용한 결과 도 5에 도시한 바와 같이, 감마영상의 가운데 그린 렌즈(120) 영역을 보상하여 가운데 픽셀이 있을 때와 비교하여 80%이상의 정확도로 픽셀 값을 복원하는 것을 관찰하였다.
도 6은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)의 광전변환모듈의 기능을 개략적으로 나타내고 있는 개요도이다. 도시한 바와 같이, 광학 영상을 획득하기 위해서는 초점이 맺힌 영상을 직경 2 mm이하의 릴레이 렌즈(130)를 이용하여 광전변환모듈로 전송한다. 상기 광전변환모듈의 구조는 크게 다이크로익 미러(153), 제1대역통과필터(156) 및 제1CCD(157)로 구성된 가시광선 영상처리부 및 다이크로익 미러(153), 제2대역통과필터(154) 및 제2CCD(155)로 구성된 근적외선 영상처리부로 구성된다. 상기 광전변환모듈에서 가시광선 및 근적외선 영상을 전기신호로 변환하는 과정을 설명하면, 릴레이 렌즈(130)를 통해 입사된 광은 다이크로익 미러(153)에서 400-700 nm대의 가시광선이 분리되고 제1대역통과필터(156)은 상기 가시광선만을 통과시켜 노이즈를 제거한다. 그 후, 제1CCD(157)가 상기 400-700 nm대의 가시광선을 전기신호로 변환한다. 또한, 다이크로익 미러(153)에 입사된 광에서 제2대역통과필터(154)는 790-900 nm대의 근적외선만을 통과시켜 노이즈를 제거하며, 제2CCD(155)는 상기 790-900 nm대의 근적외선을 전기신호로 변환한다. 그 후, 광전변환모듈에서 USB를 통해 입력된 각 개별 CCD 카메라 영상 및 DAQ(152, 데이터 획득장치)로부터 획득한 감마영상을 동일 시야를 갖도록 매칭시키고 잡음을 제거하는 소프트웨어를 실행하여 삼중 합성된 영상을 PC의 모니터를 통해 출력한다. 도 7을 참고하면 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)의 광전변환모듈을 이용하여 획득한 가시광선 및 근적외선 융합영상을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)의 다른 구현예를 나타내고 있는 개요도이다. 이는 도 1의 광학/감마영상모듈에서 콜리메이터(135)를 탈착한 뒤 외부검출기 및 동시계수(151)를 이용하여 단일광자방출핵종 뿐만 아니라 양전자방출핵종을 검출하여 위치분포를 영상화하기 위함이다.
도시한 바와 같이, 근적외선 형광은 인도시아닌 그린을 사용하고 감마선 방출 방사성동위원소는 140 keV 감마선을 방출하는 99mTc을 사용한다. 또한 가시광선 검출은 복강 내에 광원(134)을 비추어 수술 부위의 시각적 영상을 획득함과 동시에 근적외선 검출은 근적외선 발광다이오드의 여기 빛 경로에 제2대역통과필터(154)를 장착하여 ~750 nm 부근의 근적외선으로 인체에 투여한 ICG를 조사하고, 방출된 780~900 nm 부근의 근적외선은 제2CCD(155)로 검출한다. 아울러, 99mTc에서 방출되는 140 keV의 감마선이 콜리메이터(135)를 통과한 후 그린 렌즈(120) 및 릴레이 렌즈(130)를 중심으로 배열된 섬광결정(131)과 반응하여 발생되는 각각의 섬광 위치를 광센서 어레이(127)를 이용하여 검출한다. 따라서 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)는 가시광선, 근적외선, 감마선의 시야를 동일하게 처리함으로써 수십 초(예컨대, 10초) 내에 가시광선/근적외선/감마선 융합영상을 신속하게 제공하여, 수술 중 의사가 상기 융합영상을 보면서 감시림프절을 정확하게 제거할 수 있는데 도 9를 참조하면 종래 감마선 에너지 스펙트럼 획득 방법인 섬광결정-광섬유-실리콘 광증폭기 방식에 비교하여 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)의 섬광결정-실리콘 광증폭기 방식을 사용하였을 때 에너지 분해능이 매우 향상된 결과를 확인할 수 있다.
결론적으로 본 발명의 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치(100)는 본 발명에 따른 일체형 광학/감마 융합 영상장치는 가시광선/근적외선/감마선 융합 영상을 동시에 획득하여 신속하게 제공하여 복강경 및 로봇 수술시 높은 민감도와 특이도로 감시 림프절을 절제할 수 있어, 불필요하게 광범위한 림프절 제거에 따라 발생되는 부작용을 줄일 수 있어 고령 노인의 생활의 질을 크게 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 환부에 투여된 방사성 물질로부터 방출된 감마선과 반응하여 감마선 섬광영상을 얻기 위한 감마선 섬광결정,
    상기 섬광결정으로부터 생성된 섬광을 검출하고 전기 신호로 변환하기 위한 광센서 어레이,
    상기 광센서 어레이의 아날로그 출력신호를 디지털 신호로 변환시키는 데이터 획득장치,
    감마선의 영상화 또는 계수방식을 위해 불필요한 배경감마선을 제거주고 넓은 영역의 영상을 획득하기 위한 콜리메이터,
    가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광과 환부에 근적외선 방출 물질을 여기시켜 근적외선 영상을 획득하기 위해 근적외선 여기광을 생성하는 광원,
    상기 근적외선 및 가시광선 영상을 획득하기 위한 광학 렌즈,
    상기 근적외선 및 가시광선 영상을 전송하기 위한 릴레이 렌즈,
    상기 방사성 물질에서 방출된 감마선을 검출하기 크리스탈 어레이,
    상기 광센서 어레이로부터 생성된 전기신호의 채널수를 줄여주고 상기 감마선과 반응한 섬광결정의 위치를 결정해주는 전하분할 회로 및 상기 콜리메이터 및 감마선 섬광결정 중 어느 둘 이상의 부품들 간의 거리를 변화시킴으로써 근적외선, 감마선의 민감도 및 분해능을 조절할 수 있는 광학 메커니즘을 포함하는 가시광선과 근적외선 및 환부에 투여된 감마선 방사물질로부터 가시광선, 근적외선 및 감마선의 삼중 영상을 각각 획득하고 콜리메이터를 탈착한 후 외부 검출기와 동시계수를 추가로 포함하는 광학/감마영상모듈;
    상기 릴레이 렌즈를 통해 전달된 영상으로부터 가시광선과 근적외선의 개별 영상을 분리한 후 각각의 전기신호로 변환하는 가시광선 영상처리부 및 근적외선 영상처리부를 포함하는 광전변환모듈에 있어서, 상기 가시광선 영상처리부는 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 파장별로 가시광선 또는 근적외선으로 분리하는 제1렌즈; 상기 입사된 광에서 400 내지 700 nm대의 가시광선을 분리하는 다이크로익 미러; 상기 가시광선의 노이즈를 제거하는 제1대역통과필터; 및 상기 가시광선을 전기신호로 변환하는 제1CCD를 포함하고 상기 근적외선 영상처리부는 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 파장별로 가시광선 또는 근적외선으로 분리하는 제1렌즈; 상기 입사된 광에서 790 내지 900 nm대의 근적외선을 분리하는 다이크로익 미러; 상기 근적외선의 노이즈를 제거하는 제2대역통과필터; 및 상기 근적외선을 전기신호로 변환하는 제2CCD를 포함하는 광전변환모듈;
    상기 광전변환모듈의 가시광선 영상신호, 근적외선 영상신호 및 감마선 영상신호를 하나의 영상으로 정합하기 위한 매칭모듈; 및
    상기 매칭모듈의 영상을 표시하기 위한 영상 표시모듈을 포함하는 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬광결정은 GAGG(gadolinium aluminium gallium garnet), GSO(gadolinium oxyorthosilicate), LYSO(lutetium-yttrium oxyorthosilicate), LGSO(Lu2-xGdxSiO5), LuAG(lutetium aluminum garnet), LaBr3(Lanthanum(III) bromide), CeBr3(Ceriu(III)brimide), NaI(Sodium iodide), CsI(Cesium iodide) 또는 SrI(Strontium iodide)인, 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 콜리메이터는 확산형 콜리메이터, 핀홀 콜리메이터 또는 평행형 콜리메이터인, 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 근적외선 방출 물질은 인도시아닌 그린(indocyanine green)인, 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광학 렌즈는 그린(grin) 렌즈 또는 마이크로(micro) 렌즈인, 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 매칭모듈은 상기 데이터 획득장치와 광전변환모듈에서 획득한 감마선, 근적외선/가시광선 영상을 동일 시야를 갖도록 잡음 제거하는 컴퓨터(PC)로 구현되어 제1CCD 및 제2CCD로 들어온 감마선 신호 영상을 프레임마다 미디언 필터로 잡음을 제거하고 사전에 계산된 역치값 이상을 가지는 픽셀의 개수와 총 밝기 값을 계산하여 실시간 카운팅 모드로도 사용이 가능한 것을 특징으로 하는 수술용 일체형 광학/감마 융합영상장치.
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