KR102252576B1

KR102252576B1 - 전산적 디포커싱 및 수차 제거를 적용한 광 간섭 단층 촬영법 및 이를 수행하기 위한 시스템

Info

Publication number: KR102252576B1
Application number: KR1020190164983A
Authority: KR
Inventors: 오왕열; 이병권
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2021-05-17

Abstract

전산적 디포커싱 및 수차 제거를 적용한 광 간섭 단층 촬영법 및 이를 수행하기 위한 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따른 OCT 이미징 수행 방법은, 연신펄스모드동기(Stretched Pulse Mode-Locked, SPML) 레이저 광원을 이용하여 광간섭단층촬영(optical coherence tomography, OCT)을 수행하는 단계와, 촬영한 전체 이미징 영역에 대해 전산적 디포커스 및 수차 교정(computational defocus and aberration correction, CDAC)을 적용하여 상기 전체 이미징 영역을 보정하는 단계를 포함한다.

Description

전산적 디포커싱 및 수차 제거를 적용한 광 간섭 단층 촬영법 및 이를 수행하기 위한 시스템{OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY USING COMPUTATIONAL DEFOCUS AND ABERRATION CORRECTION AND A SYSTEM PERFORMING THE SAME}

아래 실시예들은 전산적 디포커싱 및 수차 제거를 적용한 광 간섭 단층 촬영법 및 이를 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다.

광 간섭 단층 촬영법(Optical Coherence Tomography, OCT)은 빛의 간섭현상을 이용해 살아 있는 생체 조직을 비침습적으로 촬영하여 높은 신호 감도의 영상을 얻어낼 수 있는 기술이다. 특히 푸리에 영역 (Fourier-domain) OCT는 분광기나 가변파장 광원을 사용하여 한층 더 신호 감도를 높이고, 반사된 빛의 세기뿐만 아니라 전기장의 위상 정보까지도 얻어내는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 도플러 OCT나 편광 민감 OCT 등의 기법을 가능케 하여 조직의 구조뿐만 아니라 혈류나 복굴절 등 생체기능적인 정보까지도 추출할 수 있는 바탕이 되었다.

광 간섭 단층 촬영법을 이용하는 광학적 촬영 장치는 비접촉 방식에 의하여 절개 없이 대상체의 내부 영상을 촬영할 수 있는 장치이다. 광학적 촬영 장치는 빛의 간섭 현상을 이용하여 고속 3차원 영상을 획득할 수 있다.

실시예들은 샘플에 대해 높은 공간밀도 및 시간밀도로 광 간섭 단층 촬영을 수행하고 전산적 디포커스 및 수차교정을 적용하여 초점 흐려짐이나 초점이 맞지 않는 현상을 컴퓨터 연산만으로 보정할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.

일 실시예에 따른 OCT 이미징 수행 방법은, 연신펄스모드동기(Stretched Pulse Mode-Locked, SPML) 레이저 광원을 이용하여 광간섭단층촬영(optical coherence tomography, OCT)을 수행하는 단계와, 촬영한 전체 이미징 영역에 대해 전산적 디포커스 및 수차 교정(computational defocus and aberration correction, CDAC)을 적용하여 상기 전체 이미징 영역의 일부 또는 전부를 보정하는 단계를 포함한다.

상기 광간섭단층촬영을 수행하는 단계는, 적어도 하나 이상의 공진 스캐너(resonant scanner)를 이용하여 광간섭단층촬영을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 전산적 디포커스 및 수차 교정은, 간섭합성개구촬영(interferometric synthetic aperture imaging, ISAM) 및 전산적응광학(computational adaptive optics, CAO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 보정하는 단계는, 전산적응광학(CAO)을 선행한 후 간섭합성개구촬영(ISAM)을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 광간섭단층촬영을 수행하는 단계는, OCTA(OCT angiography) 촬영을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 OCTA 촬영을 수행하는 단계는, OCTA 촬영 결과에 기초하여 상기 전산적 디포커스 및 수차 교정에 필요한 수치를 최적화하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 OCTA 촬영을 수행하는 단계는, 3차원 입체 영역을 반복해서 스캔하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 스캔하는 단계는, 스캔 영역을 복수개의 구역으로 나누어 각 구역을 반복적으로 스캔하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 복수개의 구역은, 인접한 상기 각 구역이 일정 부분 겹치도록 설정된 복수개의 구역일 수 있다.

일 실시예에 따른 OCT 시스템은, 상기 연신펄스모드동기(Stretched Pulse Mode-Locked, SPML) 레이저 광원을 이용하여 광간섭단층촬영(optical coherence tomography, OCT)을 수행하는 OCT 장치와, 촬영한 전체 이미징 영역에 대해 전산적 디포커스 및 수차 교정(computational defocus and aberration correction, CDAC)을 적용하여 상기 전체 이미징 영역의 일부 또는 전부를 보정하는 영상 처리 장치를 포함한다.

상기 OCT 장치는, 적어도 하나 이상의 공진 스캐너(resonant scanner)를 이용하여 광간섭단층촬영을 수행할 수 있다.

상기 영상 처리 장치는, 전산적응광학(CAO)을 선행한 후 간섭합성개구촬영(ISAM)을 적용할 수 있다.

상기 OCT 장치는, OCTA(OCT angiography) 촬영을 수행할 수 있다.

상기 OCT 장치는, OCTA 촬영 결과에 기초하여 상기 전산적 디포커스 및 수차 교정에 필요한 수치를 최적화할 수 있다.

상기 OCT 장치는, 3차원 입체 영역을 반복해서 스캔할 수 있다.

상기 OCT 장치는, 스캔 영역을 복수개의 구역으로 나누어 각 구역을 반복적으로 스캔할 수 있다.

상기 영상 처리 장치는 상기 OCT 장치 내에 구현될 수 있다.

도 1은 광 간섭 단층 촬영법에 적용되는 전산적 디포커스 및 수차 교정의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 OCT 시스템을 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 OCT 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 스캐너를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 영상 처리 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 6은 OCT 장치의 OCTA 촬영 동작을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1 또는 제2등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 실시예의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 광 간섭 단층 촬영법에 적용되는 전산적 디포커스 및 수차 교정의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

광간섭단층촬영법(Optical Coherence Tomography, OCT)은 빛의 간섭 현상을 사용하여 생체 조직을 비침습적으로 단층 촬영한다. 광간섭단층촬영법은 높은 신호 감도로 수 십 kHz에서 수 MHz에 이르는 A-scan 속도의 고속 3차원 이미지를 획득할 수 있는 기술이다.

광간섭단층촬영법을 이용하는 광학적 촬영 장치는 비침습 비접촉 방식에 의하여 절개 없이 대상체의 내부 영상을 촬영할 수 있는 장치이다. 이때, 광학적 촬영 장치는 빛의 간섭 현상을 이용하여 고속 3차원 영상 획득이 가능하다.

연신펄스모드동기(stretched pulse mode-locked, SPML) 레이저를 사용한 고속 MHz 광간섭단층촬영법(optical coherence tomography, OCT)은 샘플을 대물렌즈의 해상력보다 수 배 이상 높은 공간밀도와 순간 포착에 가까운 시간밀도로 촬영할 수 있다. 전산적 디포커스 및 수차 교정(computational defocus and aberration correction, CDAC)은 OCT 이미지에 적용되어 OCT 이미지의 깊이에 따른 초점 흐려짐이나 수차로 인해 초점이 맞지 않는 현상을 컴퓨터 연산만으로 보정할 수 있다.

광학촬영기법에 있어, 미시구조를 관찰하기 위해서는 높은 해상력(resolution)을 유지해야 한다. OCT 이미지의 경우 광축 방향 해상력(axial resolution)은 광원의 파장 스펙트럼 범위(spectral bandwidth)로 인해 결정되는 반면, 광축 수직 방향 해상력(lateral resolution)은 샘플에 레이저광을 비추는 광학기기의 성능 및 샘플 내 대물렌즈의 초점의 위치에 의해 결정된다.

CDAC은 푸리에 영역 OCT(Fourier-domain OCT)가 반사된 빛의 전자기장 세기와 위상 모두를 측정할 수 있음에 착안하여, 추가 기기 없이 고속, 고밀도 OCT 데이터만을 활용하여 광축 수직 방향 해상력을 샘플 전체 영역에서 대물렌즈의 한계 해상력으로 최적화할 수 있는 알고리즘이다. CDAC를 적용함으로써 이미지의 선명도뿐만 아니라 영상신호의 세기도 향상될 수 있다.

정량적 혈관조영술(quantitative angiography)과 같이 초점이 정확히 맞아야 하는 연구 분야에도 CDAC를 효과적으로 적용할 수 있다. 다만 CDAC을 적용하기 위해서는 국소적인 범위 내에서는 샘플의 움직임이 작거나 없어야 한다.

따라서, OCT 시스템(10)는 CDAC가 일반적으로 사용되는 공초점(confocal) 방식의 순차적 스캐닝 방식을 구현하기 위해 MHz 수준의 A-scan 속도를 보이는 SPML 레이저 광원을 사용할 수 있다.

푸리에 영역 OCT(FD-OCT) 촬영기구는 광원, 샘플 팔(sample arm), 기준 팔(reference arm), 광선분할기(beamsplitter), 광 검출기(photodetector), 제어 및 데이터 저장을 위한 컴퓨터로 구성될 수 있다.

샘플 팔은 샘플을 촬영하기 위한 거울 스캐너와 대물렌즈와 같은 광학 부속물로 구성되며, 기준 팔은 고정된 거울에 빛을 입사시키고 반사된 빛을 수득할 수 있도록 구성된다.

광 검출기는 넓은 파장대역을 가지는 광원을 쓰는 경우 분광기를 사용하며, 가변단일파장 광원을 쓰는 경우 고속 광 검출기를 사용한다. 샘플 팔과 기준 팔에서 되돌아온 빛을 간섭시키면, 광 검출기는 둘 사이의 간섭신호를 통해 샘플 팔에서 되돌아온 전기장의 진폭과 위상을 파장 및/또는 파수에 대한 함수로 측정할 수 있다. 이 때, 광 검출기는 파수에 대한 역 푸리에 변환을 적용하여 샘플의 각 깊이에서 반사되어 돌아오는 전자기파를 복소수로 표현할 수 있다.

OCT의 해상력은 수직 방향과 수평 방향이 각각 다른 변수에 의해 결정될 수 있다. 광축 방향 해상력(axial resolution)은 광원의 파장대역의 중심과 너비에 의해서 결정되며, 이를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같다.

여기서

는 점입자에서 산란되어 검출된 광신호의 진폭이 최댓값의 절반이 되는 두 지점 사이의 거리(full width at half-maximum amplitude, FWHM)를 가리키며,

와

은 각각 광원의 중심 파장과 FWHM 지점 사이의 너비를 가리킨다.

반면, 광축 수직 방향 해상력(lateral resolution)은 간섭계를 사용하지 않는 일반적인 공초점 현미경(confocal microscope)와 동일하게 중심 파장과 대물렌즈의 개구 수(numerical aperture, NA)에 의해서 결정된다. 광선 단면의 세기 분포가 원형 가우스 형태라고 가정할 때, 이를 수식으로 표현하면 수학식 2와 같다.

여기서 f와 D는 각각 대물렌즈의 초점 거리와 지름을 가리킨다.

비간섭 공초점 현미경과 OCT 사이에는 중요한 차이점이 있다. 비간섭 현미경의 경우 기하광학적인 방법으로만 깊이를 특정할 수 있으므로, 높은 NA의 대물렌즈를 사용해야만 초점 근방에서 오는 신호만을 골라낼 수 있다. 따라서 비간섭 현미경으로 3차원 영상을 촬영할 경우 높은 NA의 대물렌즈는 필수이며 또한 샘플을 광축 수직 방향과 광축 방향으로 3차원 스캔해야 한다.

이에 반해, FD-OCT는 아무런 물리적 스캔 없이 빛의 간섭과 결맞음을 이용해 파동광학적인 방법으로 깊이를 특정해낼 수 있다. 그러므로, FD-OCT 기기의 경우 일반적으로 낮은 NA의 대물렌즈를 사용하여 더 넓은 범위 내에서 비교적 일정한 광축 수직 방향 해상력을 유지할 수 있도록 설계한다.

이러한 설계를 통해 FD-OCT는 광축 방향 스캔의 필요성을 제거하고 거울의 회전에 의한 광축 수직 방향 2차원 스캔만을 채용하여 비간섭 현미경보다 월등히 향상된 속도와 광축 방향 해상력으로 고속 및 고해상도 촬영을 수행할 수 있다.

그러나 이와 같은 FD-OCT 설계는 초점에서 벗어난 부분의 광축 수직 방향 해상력이 디포커스 현상에 의해 초점 근처에 비해 떨어질 수밖에 없으며, 높은 NA의 대물렌즈를 사용할수록 광축 방향으로 초점 위치에서 많이 벗어날 시 광축 수직 방향 해상력이 더 많이 감소한다.

또한, 높은 NA의 대물렌즈를 사용할수록 수차를 최소화하지 않으면 수차에 의해 해상력과 감도가 계획했던 것만큼 나오지 않을 수 있다. 특히, 망막 촬영처럼 각막이나 수정체 등의 투명한 생체 조직을 통과해서 촬영을 하는 경우, 대상에 따라 달라지는 미지의 수차가 항상 존재하기 때문에 감도와 해상력이 대상에 따라 크게 달라질 수 있으며, 이는 재현가능성이 중요한 의료 진단 기기에게 있어서는 치명적일 수 있다.

즉, 높은 최고 해상력과 최고 감도(sensitivity)를 얻기 위해서는 높은 NA의 대물렌즈를 이용하여 FD-OCT를 설계하여야 하지만, 높은 NA의 대물렌즈를 사용할수록 해상력이 감소할 수 있다.

간섭합성개구촬영(interferometric synthetic aperture imaging, ISAM)과 전산적응광학(computational adaptive optics)는 위와 같은 FD-OCT의 설계상 한계를 물리적인 부품 추가 없이 전산적인 방법만으로 극복하기 위해 고안된 기술이다.

전산적 디포커스 및 수차 교정법(computational defocus and aberration correction, CDAC)는 ISAM 및 CAO와 같은 기술은 통칭한다. CDAC는 맥스웰 방정식에 기반을 둔 회절 이론(diffraction theory)을 바탕으로 빛이 진행함에 따라 모이고 퍼지는 방식을 역산하여 디포커스와 수차 등으로 인한 초점 흐려짐을 교정할 수 있는 기술이다.

CDAC를 적용하면 높은 NA의 대물렌즈를 사용하면서도 별도의 추가 기기 없이 선명한 영상을 복원하는 것이 가능하다. CDAC는 스캔 도중에 혈류나 근육의 움직임 등으로 인해 단일 입자의 흐려진 영역이 훼손된 경우 적용할 수 없다. 즉, CDAC를 적용하기 위해서는 단일 산란 입자에서 발생한 신호가 디포커스나 수차로 인해 흐려져 분포하는 영역을 스캔하는 도중에 샘플에 움직임이 없어야 한다.

따라서, 종래까지 CDAC는 팬텀이나 죽은 생체조직의 OCT 이미지에 적용되었으며, 생체 안에서 보여준 CDAC의 경우 움직임을 최소화하기 위해 공초점 광학계를 사용하여 순차적으로 스캔하는 일반적인 OCT가 아닌 평행입사광을 사용하는 전역 OCT (full-field OCT)를 사용하였다.

도 2는 일 실시예에 따른 OCT 시스템을 개략적으로 보여주는 블록도이다.

OCT 시스템(10)은 SPML 레이저 광원을 이용하여 OCT 촬영을 수행할 수 있다. 예를 들어, OCT 시스템(10)은 SPML 레이저가 보유한 수 MHz 수준의 A-scan 속도를 활용하여 샘플의 움직임이 거의 없을 정도로 짧은 시간 안에 높은 3차원 공간 밀도로 OCT 전자기장 복소수 신호를 수득할 수 있다.

OCT 시스템(10)은 OCT 전자기장 복소수 신호를 전산 처리하여 초점에서 벗어났을 때 생기는 흐려짐 및/또는 안구의 각막, 수정체 등의 생체조직에서 비롯된 수차에 의한 흐려짐을 교정할 수 있다. 예를 들어, OCT 시스템(100)은 OCT 이미지에 ISAM 및/또는 CAO를 적용하여 디포커스 및 수차를 전산적으로 제거할 수 있다.

OCT 시스템(10)은 일반적인 공초점 스캔 방식의 OCT 기기에 CDAC를 적용하여 별도의 추가 장비 없이 선명한 OCT 및 혈관조영술을 구현할 수 있다.

OCT 시스템(10)은 OCT 장치(100) 및 영상 처리 장치(200)를 포함한다.

OCT 장치(100)는 상기 SPML 레이저 광원을 이용하여 OCT 촬영을 수행할 수 있다. 따라서, OCT 장치(100)은 수 MHz 수준의 샘플의 움직임을 무시할 수 있는 빠른 입체 스캔 속도를 보유하고 있어, 광축 수직 방향 해상력보다 수 배 이상 높은 A-scan 공간밀도로 촬영이 가능하다.

OCT 장치(100)는 적어도 하나 이상의 공진 스캐너(resonant scanner)를 이용하여 OCT 촬영을 수행할 수 있다. 예를 들어, OCT 장치(100)는 빠른 스캔을 위해 한쪽 방향은 공진 스캐너를 이용하여 OCT 촬영을 수행할 수 있다.

즉, OCT 장치(100)는 SPML 레이저와 공진 스캐너를 사용해 고속, 고밀도로 OCT 촬영을 수행할 수 있다. 예를 들어, OCT 장치(100)는 고속, 고밀도로 OCT 촬영을 통해 혈류가 있는 샘플 안에서도 모든 산란입자들이 거의 정지 상태로 보이는 이미지를 얻을 수 있다.

일 예로, 영상 처리 장치(200)는 OCT 장치(100)가 촬영한 이미지에 CDAC 알고리즘을 적용하여 디포커스 및 수차를 전산적으로 교정할 수 있다. 예를 들어, 이미지에 대해 영상 처리 장치(200)는 수차를 교정하는 CAO를 선행하고 후에 디포커싱을 교정하는 ISAM을 적용하는 방식으로 진행할 수 있다. 특히, OCT 장치(100)가 망막을 촬영하는 경우, 영상 처리 장치(200)는 CAO를 선행하고 후에 ISAM을 적용할 수 있다.

다른 예로, 영상 처리 장치(200)는 OCT 장치(100)가 촬영한 이미지에 ISAM만 적용할 수 있다. 특히, OCT 시스템(10)이 기타 소동물 뇌혈관, 관상동맥 등의 샘플을 촬영하는 경우 수차를 무시할 수 있으므로 영상 처리 장치(200)는 ISAM만 적용하여 이미지를 보정할 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 OCT 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

OCT 장치(100)는 샘플의 관찰 영역에 대응하는 이미지 데이터를 획득하기 위한 간섭 신호들을 획득할 수 있다.

OCT 장치(100)는 레이저(laser; 110), 커플러(coupler; 130), 스캐너(scanner; 150), 기준 암(reference arm; 170), 및 검출기(detector; 190)를 포함할 수 있다.

레이저(110)는 커플러(130)를 통해 빛의 일부를 기준 암(170)으로 출력하고, 빛의 일부를 샘플 암(sample arm)으로 출력할 수 있다. 샘플 암은 스캐너(150)로 관찰하는 샘플의 관찰 영역을 의미할 수 있다.

레이저(110)는 연신펄스모드동기(stretched pulse mode-locked, SPML) 레이저로 구현될 수 있다. SPML 레이저(110)는 MHz 수준의 A-scan 속도를 제공할 수 있다. 따라서, SPML 레이저(110)를 이용하는 OCT 장치(100)는 수 MHz 수준의 생체 샘플의 움직임을 무시할 수 있을 만큼 빠른 입체 스캔 속도를 보유할 수 있어, 광축 수직 방향 해상력보다 수 배 이상 높은 A-scan 공간밀도로 촬영을 수행할 수 있다.

레이저(110)는 스캐너(150)를 통해 출력된 빛의 일부를 샘플의 관찰 영역으로 전달할 수 있다. 예를 들어, 샘플 암에서는 레이저(110)로부터 출력된 빛의 일부가 샘플의 관찰 영역에서 산란(또는 반사)될 수 있다. 관찰 영역에서 산란된 빛은 스캐너(150) 및 커플러(130)를 통해 검출기(190)로 전달될 수 있다.

기준 암(170)에서는 레이저(110)로부터 출력된 빛의 일부가 반사될 수 있다. 기준 암(170)에서 반사된 빛은 커플러(130)를 통해 검출기(190)로 전달될 수 있다. 예를 들어, 기준 암(170)은 기준 거울(reference mirror) 및 시준기(collimator)로 구현될 수 있다.

검출기(190)는 샘플 암, 예를 들어 샘플의 관찰 영역으로부터 산란(또는 반사)되어 전달되는 빛과 기준 암(170)으로부터 반사되어 전달되는 빛에 대하여 평형 검출 방법을 통해 빛의 간섭 신호(또는 간섭 정보)를 검출할 수 있다. 예를 들어, 검출기(190)는 시준기(collimator), 거울(mirror), 빔 스플리터(beam splitter), 비교기 등으로 구현될 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 스캐너를 개략적으로 보여주는 도면이다.

스캐너(150)는 샘플에 대해 스캐닝을 수행하여 샘플에 대한 신호를 획득할 수 있다. 스캐너(150)는 제1 스캐너(151), 제2 스캐너(155) 및 컨트롤러(159)를 포함할 수 있다.

도 4에서는 스캐너(150)가 두 개의 스캐너, 예를 들어 제1 스캐너(151) 및 제2 스캐너(155)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 스캐너(150)는 한 개의 스캐너 또는 세 개 이상의 스캐너들로 구현될 수 있다.

제1 스캐너(151)는 샘플의 제1 방향에 대해 스캐닝을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향은 샘플에 대해 수평 방향일 수 있다. 제1 스캐너(151)는 스캐닝으로 획득한 신호들을 컨트롤러(159)로 전송할 수 있다.

제2 스캐너(155)는 샘플의 제2 방향에 대해 스캐닝을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제2 방향은 샘플에 대해 수직 방향일 수 있다. 제2 스캐너(155)는 스캐닝으로 획득한 신호들을 컨트롤러(159)로 전송할 수 있다.

스캐너(150)는 적어도 하나 이상의 공진 스캐너(resonant scanner)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 스캐너(151)는 공진 스캐너일 수 있다.

스캐너(150)는 매우 빠르게 반복적으로 광선을 스캔해야 하기 때문에 통상적인 검류계 스캐너(galvanometer scanner)로 쫓아가기 어려울 수 있다. 따라서, 스캐너(150)는 빠른 스캔을 위해 제1 방향을 스캔하는 제1 스캐너(151)를 공진 스캐너로 구현할 수 있다.

컨트롤러(159)는 제1 스캐너(151) 및 제2 스캐너(155)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(159)는 영상 처리 장치(200)로부터 수신한 제어 신호에 따라 제1 스캐너(151) 및/또는 제2 스캐너(155)를 제어할 수 있다.

컨트롤러(159)는 제1 이미지 데이터를 획득하기 위해 제1 스캐너(151)가 샘플의 제1 방향에 대해 스캐닝을 수행하도록 제1 스캐너(151)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(159)는 제1 스캐너(151)가 제1 방향에 대해 스캐닝을 수행하도록 제어하고, 제2 스캐너(155)가 고정 위치에 위치되도록 제어할 수 있다.

컨트롤러(159)는 제2 이미지 데이터를 획득하기 위해 제2 스캐너(155)가 샘플의 제2 방향에 대해 스캐닝을 수행하도록 제2 스캐너(155)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(159)는 제2 스캐너(155)가 제2 방향에 대해 스캐닝을 수행하도록 제어하고, 제1 스캐너(151)가 고정 위치에 위치되도록 제어할 수 있다.

컨트롤러(159)는 스캐닝으로 획득한 신호들을 영상 처리 장치(200)로 전송할 수 있다.

도 5는 도 2에 도시된 영상 처리 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.

영상 처리 장치(200)는 프로세서(210) 및 메모리(250)를 포함할 수 있다.

프로세서(210)는 수신한 데이터 및 메모리(250)에 저장된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(210)는 메모리(250)에 저장된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(210)는 메모리(250)에 저장된 영상 처리 장치로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서(210)에 의해 유발된 인스트럭션(instruction)들을 실행할 수 있다.

프로세서(210)는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.

프로세서(210)는 OCT 장치(100)가 촬영한 이미지들을 수신할 수 있다. 프로세서(210)는 OCT 장치(100)가 촬영한 이미지들을 처리할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 OCT 장치(100)가 촬영한 이미지에 CDAC 알고리즘을 적용하여 디포커스 및 수차를 전산적으로 교정할 수 있다.

프로세서(210)는 OCT 이미지에 대해 ISAM을 적용할 수 있다.

ISAM의 핵심 연산은 수득한 OCT 데이터를 광축 수직 방향으로 푸리에 변환해서 3차원 푸리에 영역으로 이동한 후 위상을 더해 주고 데이터를 재배치하는 것이다. 3차원 푸리에 영역에서 OCT 영상과 디포커싱이 교정된 ISAM 영상의 관계는 수학식 3과 같다.

이러한 과정에서 샘플 내에서 대물렌즈 초점의 광축 방향 위치가 변수로 사용되는데, 초점의 광축 방향 위치를 육안으로는 정확히 가늠할 수 없으므로 최종 결과 영상의 선명도를 수치화하여 이를 극대화하는 값으로 추산한다.

프로세서(210)는 OCT 이미지에 대해 CAO를 적용할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 AO를 전산적으로 재현하는 방식으로 CAO를 적용할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 광축 방향으로는 공간 영역(space domain)이고 광축 수직 방향으로는 푸리에 영역인 상태에서, 저니키 다차함수(Zernike polynomial)들에 적정한 계수를 부여해 선형 조합해서 수차에 해당하는 위상을 보정할 수 있다.

이는 푸리에 평면에 MEMS 가변성 거울을 두는 것으로 수차를 보정하는 AO의 방식을 그대로 전산적으로 재현한 것이다. 저니키 다차함수의 계수들 역시 ISAM에서 초점 위치와 마찬가지로 최종 결과 영상의 선명도를 수치화하여 이를 극대화하는 값으로 추산할 수 있다.

도 6은 OCT 장치의 OCTA 촬영 동작을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

OCT 장치(100)는 OCT 혈관조영술(OCT angiography, OCTA) 촬영을 수행할 수 있다.

소동물의 뇌와 같이 산란이 심한 조직의 경우 산란입자의 밀도가 높아서 CDAC를 적용해도 빛의 세기 영상만으로는 변화가 미미할 경우에도 혈관조영술로 보는 모세혈관의 선명도에는 여전히 큰 개선이 있을 수 있으므로 이와 같은 조직에도 CDAC의 효용이 있다.

생체 조직 내에서 OCTA 촬영을 수행하려면 일반적으로 0.1 ms에서 20ms 사이의 시간차로 반복 스캔을 해서 신호의 세기나 위상에 변화가 있는 부분을 추출해야 한다. 그보다 더 짧은 시간차의 경우 모세 혈관의 느린 혈류를 제대로 검출할 수 없고, 그보다 더 긴 시간차의 경우 샘플의 미동에 의해 혈류 정보가 가려질 가능성이 크다.

SPML과 공진 스캐너를 사용하면 B-scan 수득 속도가 수십 kHz 수준까지 올라가므로, OCT 장치(100)는 OCTA 이미지를 얻기 위해 B-scan이 아닌 3차원 입체 영역을 반복해서 스캔할 수 있다. 3차원 입체 영역을 반복하여 스캔하는 경우 같은 영역을 반복해서 스캔한 인접한 두 시점 사이가 적당한 시간차를 보이기 때문에 OCT 장치(100)는 혈류를 효과적으로 검출할 수 있다.

전체 스캔 영역(600)을 연속적으로 스캔한 이후 다음 스캔을 실시한다면 두 스캔 사이의 시간차가 지나치게 길어질 수 있으므로, OCT 장치(100)는 전체 스캔 영역(600)을 몇 개의 구역(600-1, 600-2, 600-3, … , 600-n)으로 나눈 뒤 한 구역(600-1, 600-2, 600-3, …, 600-n)을 반복적으로 입체 스캔한 뒤 다음 구역(600-1, 600-2, 600-3, …, 600-n)을 스캔할 수 있다. 이때, 데이터에 중복되는 부분이 있어야 매끄럽게 영상을 연결할 수 있기 때문에, OCT 장치(100)는 인접한 두 스캔 구역(600-1, 600-2, 600-3, …, 600-n)이 일정 부분 겹치도록 설정 할 수 있다.

적용 분야의 특성상 고속 입체 스캔이 불가한 경우도 있는데, 관상동맥이나 소화기관 같이 내부에 카테터나 프로브를 삽입해야 하는 분야가 대표적으로, 빔 회전 장치의 속도 한계로 인해 스캔 속도가 제약을 받는 경우이다. 이러한 사례에 SPML 레이저를 적용하는 경우 매우 고밀도의 B-scan을 얻을 수 있어, 2차원 이미지 안에서 CDAC를 한 쪽 방향으로만 적용할 수 있다. 회절 이론에서 광축(z축)에 수직한 방향들인 x축, y축은 서로에 대해 수직을 이루고 영향을 주고받지 않는 독립적인 성질을 가진다. 따라서 3차원 입체 영상에 적용하는 것과 동일한 CDAC 알고리즘을 2차원 영상에 적용해도 상응하는 디포커스나 수차 교정 효과를 얻을 수 있다.

OCT 시스템(10)은 고속 OCT 촬영의 장점을 활용하여 전역 OCT나 적응광학(adaptive optics) 장비와 같은 특수한 OCT 장비를 사용하지 않고도 데이터 수득 후 전산 처리만으로 디포커싱과 수차 문제를 해결할 수 있다. 따라서, OCT 시스템(10)은 높은 NA의 입사광을 사용하면서 긴 깊이 범위에서 선명한 초점을 유지할 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims

연신펄스모드동기(Stretched Pulse Mode-Locked, SPML) 레이저 광원을 이용하여 광간섭단층촬영(optical coherence tomography, OCT)을 수행하는 단계; 및
촬영한 전체 이미징 영역에 대해 전산적 디포커스 및 수차 교정(computational defocus and aberration correction, CDAC)을 적용하여 상기 전체 이미징 영역의 일부 또는 전부을 보정하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제1항에 있어서,
상기 광간섭단층촬영을 수행하는 단계는,
적어도 하나 이상의 공진 스캐너(resonant scanner)를 이용하여 광간섭단층촬영을 수행하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제1항에 있어서,
상기 전산적 디포커스 및 수차 교정은,
간섭합성개구촬영(interferometric synthetic aperture imaging, ISAM) 및 전산적응광학(computational adaptive optics, CAO) 중 적어도 하나를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제1항에 있어서,
상기 보정하는 단계는,
전산적응광학(CAO)을 선행한 후 간섭합성개구촬영(ISAM)을 적용하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제1항에 있어서,
상기 광간섭단층촬영을 수행하는 단계는,
OCTA(OCT angiography) 촬영을 수행하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제5항에 있어서,
상기 OCTA 촬영을 수행하는 단계는,
OCTA 촬영 결과에 기초하여 상기 전산적 디포커스 및 수차 교정에 필요한 수치를 최적화하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제5항에 있어서,
상기 OCTA 촬영을 수행하는 단계는,
3차원 입체 영역을 반복해서 스캔하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제7항에 있어서,
상기 스캔하는 단계는,
스캔 영역을 복수개의 구역으로 나누어 각 구역을 반복적으로 스캔하는 단계
를 포함하는 OCT 이미징 수행 방법.
제8항에 있어서,
상기 복수개의 구역은,
인접한 상기 각 구역이 일정 부분 겹치도록 설정된 복수개의 구역인
OCT 이미징 수행 방법.
연신펄스모드동기(Stretched Pulse Mode-Locked, SPML) 레이저 광원을 이용하여 광간섭단층촬영(optical coherence tomography, OCT)을 수행하는 OCT 장치; 및
촬영한 전체 이미징 영역에 대해 전산적 디포커스 및 수차 교정(computational defocus and aberration correction, CDAC)을 적용하여 상기 전체 이미징 영역을 보정하는 영상 처리 장치
를 포함하는 OCT 시스템.
제10항에 있어서,
상기 OCT 장치는,
적어도 하나 이상의 공진 스캐너(resonant scanner)를 이용하여 광간섭단층촬영을 수행하는
OCT 시스템.
제10항에 있어서,
상기 전산적 디포커스 및 수차 교정은,
간섭합성개구촬영(interferometric synthetic aperture imaging, ISAM) 및 전산적응광학(computational adaptive optics, CAO) 중 적어도 하나를 포함하는
OCT 시스템.
제10항에 있어서,
상기 영상 처리 장치는,
전산적응광학(CAO)을 선행한 후 간섭합성개구촬영(ISAM)을 적용하는
OCT 시스템.
제10항에 있어서,
상기 OCT 장치는,
OCTA(OCT angiography) 촬영을 수행하는
OCT 시스템.
제14항에 있어서,
상기 OCT 장치는,
OCTA 촬영 결과에 기초하여 상기 전산적 디포커스 및 수차 교정에 필요한 수치를 최적화하는
OCT 시스템.
제14항에 있어서,
상기 OCT 장치는,
3차원 입체 영역을 반복해서 스캔하는
OCT 시스템.
제16항에 있어서,
상기 OCT 장치는,
스캔 영역을 복수개의 구역으로 나누어 각 구역을 반복적으로 스캔하는
OCT 시스템.
제17항에 있어서,
상기 복수개의 구역은,
인접한 상기 각 구역이 일정 부분 겹치도록 설정된 복수개의 구역인
OCT 시스템.
제10항에 있어서,
상기 영상 처리 장치는 상기 OCT 장치 내에 구현되는 OCT 시스템.