KR102299504B1 - 다중초점 공초점내시경 - Google Patents

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KR102299504B1
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heating laser
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이승락
박병준
김병연
이기리
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재단법인 오송첨단의료산업진흥재단
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Abstract

다중초점 공초점내시경은 프로브레이저를 제공하는 공초점이미지유닛, 가열레이저를 제공하는 가열레이저부, 및 깊이 방향으로 초점거리의 제어가 가능한 내시경프로브를 포함한다. 이 경우, 상기 내시경프로브는, 상기 프로브레이저 및 상기 가열레이저를 전달하는 광섬유 유닛, 상기 광섬유 유닛을 통해 상기 프로브레이저를 제공받아 시료에 초점을 맞추는 초점렌즈, 및 상기 광섬유 유닛을 통해 상기 가열레이저를 제공받아 가열되며 굴절률이 변화하여, 상기 초점렌즈의 초점을 상기 시료의 깊이 방향으로 변화시키는 열가변렌즈를 포함한다.

Description

다중초점 공초점내시경{MULTI-FOCUS CONFOCAL ENDOSCOPY}
본 발명은 다중초점 공초점내시경에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내시경 진단에 적용되어 세포의 영상을 획득하되, 깊이 방향으로 3차원 공초점영상을 획득할 수 있는 다중초점을 가지는 공초점내시경에 관한 것이다.
일반적으로 공초점 이미징 시스템에서는, 측정 시료에서 반사되는 광 중에서 초점면에서 반사되는 광만을 선택하여 이미지를 획득하는 것으로, 이를 통해 일반적인 광학 현미경보다 선명한 이미지를 획득할 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 공초점 이미징 시스템을 통해, 3차원 공초점 영상을 획득할 수 있는데, 이는 깊이 방향으로 광학적 절편을 이용하는 것으로, 이러한 광학적 절편을 이용하기 위해 대물렌즈의 위치 또는 측정 시료의 위치를 깊이 방향으로 이동시키거나, 상대적으로 넓은 파장 대역을 가지는 레이저와 색수차 보정 기능이 없는 대물렌즈를 사용하여 레이저 파장에 다른 대물렌즈의 초점 위치를 변화시키는 방법을 사용하고 있다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1899711호에서는 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치를 개시하고 있다.
그러나, 상기와 같은 3차원 공초점 영상 획득이 가능한 공초점 이미징 시스템의 경우, 일반적인 광학 현미경에의 적용은 용이하나, 내시경에의 적용시 기계 구조적 한계나 임상적 한계로 그 적용이 제한적인 상황이다.
즉, 공초점내시경에 광학적 절편 기능을 추가하기 위해서는, 깊이 방향에 따른 렌즈 위치의 이동이 필요한데 내시경의 경우 공간적 또는 기구적 한계로 세부 설계가 어려우며 렌즈의 이동시 발생되는 전자파에 의한 의료기기의 안전성 문제가 야기될 수 있다.
나아가, 현재 시판되는 공초점내시경에 사용되는 레이저 파장은 별도로 승인된 형광조영제의 광학적 흡수 파장 대역폭에 의존하기 때문에, 480nm 또는 780nm 주파수 대역의 레이저를 이용하여 광학적 절편 없이 초점면에서만 영상을 획득하고 있을 뿐이다.
대한민국 등록특허 제10-1899711호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 내시경 진단에 적용되어 세포의 영상을 획득하되, 공간적 또는 기구적 설계의 한계를 극복하여 깊이 방향으로 3차원 공초점영상을 획득할 수 있는 다중초점 공초점내시경을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 다중초점 공초점내시경은 프로브레이저를 제공하는 공초점이미지유닛, 가열레이저를 제공하는 가열레이저부, 및 깊이 방향으로 초점거리의 제어가 가능한 내시경프로브를 포함한다. 이 경우, 상기 내시경프로브는, 상기 프로브레이저 및 상기 가열레이저를 전달하는 광섬유 유닛, 상기 광섬유 유닛을 통해 상기 프로브레이저를 제공받아 시료에 초점을 맞추는 초점렌즈, 및 상기 광섬유 유닛을 통해 상기 가열레이저를 제공받아 가열되며 굴절률이 변화하여, 상기 초점렌즈의 초점을 상기 시료의 깊이 방향으로 변화시키는 열가변렌즈를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 내시경프로브는, 상기 열가변렌즈에 접촉하도록 배치되어, 상기 가열레이저를 통해 제공되는 열을 상기 열가변렌즈로 제공하는 열전달부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광섬유 유닛은, 상기 광섬유 유닛의 외측으로 연장되며, 상기 열전달부로 상기 가열레이저를 전달하는 단일 광섬유, 및 상기 단일 광섬유의 내측에 연장되며, 상기 열가변렌즈 및 상기 초점렌즈로 상기 프로브레이저를 전달하는 광섬유 번들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가열레이저부에서 발생된 상기 가열레이저는 상기 단일 광섬유로 제공되며, 상기 공초점이미지유닛을 통해 제공되는 상기 프로브레이저는 상기 광섬유 번들로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 단일 광섬유는 한 쌍으로 연장되며, 상기 가열레이저부와 상기 한 쌍의 단일 광섬유들 사이에 배치되며, 상기 가열레이저부에서 제공되는 가열레이저를 동일한 세기로 분배하여 상기 한 쌍의 단일 광섬유들로 각각 제공하는 광섬유 커플러를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가열레이저는 상기 공초점이미지유닛으로 제공되며, 상기 프로브레이저와 함께 상기 내시경프로브로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광섬유 유닛은, 상기 가열레이저와 상기 프로브레이저가 모두 통과하는 광섬유 번들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열가변렌즈는, 제공되는 광 에너지에 따라 온도가 가변되는 유체, 및 상기 유체를 커버하는 커버막을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버막은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 공초점이미지유닛은, 상기 프로브레이저를 발생시키는 프로브레이저부, 상기 시료로부터 반사된 광을 검출하는 검출부, 및 상기 프로브레이저를 상기 내시경프로브를 향하여 제공하고, 상기 시료로부터 반사된 광을 상기 검출부로 제공하는 복수의 렌즈들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가열레이저부에서 발생된 상기 가열레이저는, 상기 복수의 렌즈들 사이에 배치되는 광 분배기를 통해 상기 내시경프로브로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 별도의 기계적 또는 기구적 구동을 생략하면서도 렌즈의 초점을 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 시료에 대한 깊이 방향으로의 영상 촬영, 즉 광학적 절편 기능을 구현할 수 있다.
즉, 가열레이저를 통해 제공되는 열을 이용하여 열가변렌즈의 가열이 가능하며, 상기 열가변렌즈의 가열에 따라 굴절률이 변화하며 초점의 가변이 가능하게 된다.
이 경우, 상기 열가변렌즈에 열을 보다 효과적으로 제공하기 위해, 가열레이저를 통한 열 전달이 가능한 열전달부를 구비할 수 있으며, 가열을 위한 가열레이저를 별도의 단일 광섬유를 통해 프로브레이저와 구분하여 보다 효과적으로 제공할 수 있다.
이와 달리, 상기 열가변렌즈 자체를 광 흡수에 따른 열팽창이 가능한 유체 및 커버막 구조로 구현하고, 프로브레이저와 가열레이저가 모두 통과하도록 설계함으로써, 레이저를 전달하는 광섬유 유닛을 상대적으로 단순하게 설계하면서도 효과적인 굴절률 변화를 도모할 수도 있다.
이상과 같이, 상기 열가변렌즈가 구비되는 내시경프로브를 통해, 렌즈의 초점을 보다 효과적으로 가변할 수 있으며, 초점의 가변을 위한 복잡한 기구적 설계를 생략하고, 전자파 등의 발생을 방지할 수 있으므로, 인체의 내부로 삽입된 내시경에 적용되더라도 인체 조직에 야기할 수 있는 손상을 최소화하면서 깊이 방향으로의 영상을 다양하게 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중초점 공초점내시경을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 내시경 프로브를 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중초점 공초점내시경을 도시한 모식도이다.
도 4는 도 3의 내시경 프로브를 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 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.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 다중초점 공초점내시경을 도시한 모식도이다. 도 2는 도 1의 내시경 프로브를 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 다중초점 공초점내시경(10, 이하 공초점내시경이라 함)은 위 내시경 또는 대장 내시경과 같이 인체의 내부로 인입하여 특정 부위의 병변을 촬상하여 영상 또는 이미지로 관련 데이터를 획득하는 것으로, 병변에 해당하는 시료에 대한 영상 또는 이미지 데이터를 획득하는 것이다.
특히, 본 실시예에서의 상기 공초점내시경(10)은, 상기 시료에 대한 깊이 방향으로의 촬영, 즉 깊이 방향으로의 광학적 절편을 이용하여 3차원 공초점영상을 획득하는 것이며, 이러한 3차원 공초점 영상의 획득을 위해, 별도의 기구적 또는 기계적 구동 메커니즘을 생략하면서, 전자기파를 이용하지 않아 인체 내부에서의 전자기파의 발생을 차단할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 공초점내시경(10)은 공초점이미지유닛(100), 내시경프로브(200), 가열레이저부(300)를 포함한다.
상기 공초점이미지유닛(100)은 프로브레이저(probe laser), 즉 시료에 광을 제공하여 상기 시료로부터 반사되는 반사광을 통해 상기 시료의 영상을 획득하는 레이저를 제공하는 것으로, 구체적으로는, 프로브 레이저부(110), 광 분배기(130), 레이저 스캐닝 모듈(140), 대물렌즈(170), 검출부(190), 핀홀(191), 및 복수의 제1 내지 제4 렌즈들(120, 150, 160, 180)을 포함한다.
상기 프로브레이저부(110)는 상기 프로브레이저(115)를 생성하는 레이저 발진 소스에 해당되며, 상기 프로브레이저부(110)를 통해 발생된 상기 프로브레이저(115)는 상기 제1 렌즈(120)를 통해 상기 광 분배기(130)로 제공된다.
상기 광 분배기(130)는 상기 프로브레이저부(110)에서 제공되는 프로브레이저(115)를 상기 내시경프로브(200)의 방향으로 제공하며, 이렇게 분배되는 상기 프로브레이저(115)는 상기 레이저 스캐닝 모듈(140)을 통해 일정 범위에서 스캐닝을 수행할 수 있도록 상기 내시경프로브(200)로 발진된다.
그리하여, 상기 레이저 스캐닝 모듈(140)을 통과한 상기 프로브레이저(115)는 상기 제2 렌즈(150), 상기 제3 렌즈(160) 및 상기 대물렌즈(170)를 통과하며 포커싱(focusing)되어 상기 내시경프로브(200)의 내부로 제공된다.
이 경우, 본 실시예에서, 상기 레이저 스캐닝 모듈(140)을 통과한 프로브레이저(115)가 상기 제2 및 제3 렌즈들(150, 160) 및 대물렌즈(170)를 통과하여 상기 내시경프로브(200)의 내부로 제공되는 것을 예시하였으나, 상기 렌즈들의 개수, 배치 및 조합은 다양하게 변경될 수 있다.
상기 가열레이저부(300)는 가열레이저(heating laser, 305)를 생성하는 레이저 발진 소스에 해당되며, 상기 가열레이저(305)는, 후술하겠으나 광이 열원으로 제공되는 레이저에 해당된다.
상기 가열레이저(305)는 1차적으로는 제1 단일 광섬유(310)를 통해 광섬유 커플러(320)로 제공된다.
상기 광섬유 커플러(320)는 상기 입사된 가열레이저(305)를 2개의 서로 균등한 세기를 갖는 가열레이저들(305)로 분리하여, 각각의 가열레이저들을 2개의 서로 다른 제2 단일 광섬유들(330)로 제공한다.
그리하여, 상기 가열레이저(305)는 2개의 가열레이저들로 분리되어 상기 제2 단일 광섬유들(330) 각각으로 제공된다.
본 실시예에서는, 상기 가열레이저(305)가 2개의 동일한 세기를 갖는 가열레이저로 분리되어 2개의 단일 광섬유들(330)을 통해 상기 내시경프로브(200)로 제공되는 것을 예시하였으나, 상기 가열레이저가 분리되는 개수 및 이에 따른 단일 광섬유들의 개수는, 필요한 가열레이저의 세기 등을 고려하여 다양하게 설계될 수 있다.
상기 내시경프로브(200)는 가변초점렌즈(210) 및 광섬유 유닛(220)을 포함한다.
우선, 상기 광섬유 유닛(220)은 상기 공초점이미지유닛(100)을 통해 제공되는 상기 프로브레이저(115)가 인입되는 광섬유 번들(222)과, 상기 가열레이저부(300)를 통해 제공되는 상기 가열레이저(305)가 인입되는 제3 단일 광섬유(221)를 포함한다.
이 경우, 상기 제3 단일 광섬유(221)는, 상기 제2 단일 광섬유(330)가 서로 다른 2개의 단일 광섬유로 구분되므로, 각각의 구분된 제2 단일 광섬유(330)들과 연결되기 위해, 역시 2개의 서로 다른 단일 광섬유를 포함한다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제3 단일 광섬유(221) 역시 실시예에 따라 그 개수는 다양하게 변경될 수 있다.
상기 제3 단일 광섬유(221)는, 2개로 구분되는 경우, 각각 상기 광섬유 번들(222)의 상부 끝단 및 하부 끝단, 즉 상기 광섬유 유닛(220)의 외측을 따라 연장된다.
그리하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 번들(222)은 상기 광섬유 유닛(220)의 중앙을 따라, 상기 제3 단일 광섬유(221)는 상기 광섬유 유닛(220)의 외측을 따라 연장된다.
상기 가변초점렌즈(210)는 전단, 즉 시료(50)가 위치하는 측으로 배치되는 초점렌즈(211), 및 후단, 즉 상기 광섬유 유닛(220)이 위치하는 측으로 배치되는 열가변렌즈(212)를 포함한다.
나아가, 상기 가변초점렌즈(210)는, 상기 열가변렌즈(212)에 인접하도록 배치되는 열전달부(213)를 포함한다.
상기 열전달부(213)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 열가변렌즈(212)의 상측 및 하측에 접촉하도록 한 쌍이 구비될 수 있으며, 상기 한 쌍의 열전달부(213)는 각각 상기 한 쌍의 제3 단일 광섬유(221)로부터 가열레이저(305)를 제공받게 된다.
즉, 상기 광섬유유닛(220)의 상측을 따라 연장되는 상기 제3 단일 광섬유(221)는 상기 열가변렌즈(212)의 상측에 위치한 상기 열전달부(213)로 가열레이저(305)를 제공하며, 상기 광섬유유닛(220)의 하측을 따라 연장되는 상기 제3 단일 광섬유(221)는 상기 열가변렌즈(212)의 하측에 위치한 상기 열전달부(213)로 가열레이저(305)를 제공한다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제3 단일 광섬유들(221)은 상기 광섬유유닛(220)의 외곽을 따라 다양한 개수로 연장될 수 있으며, 이에 따라 상기 열전달부(213)도 각각의 제3 단일 광섬유들(221)로부터 가열레이저(305)를 제공받을 수 있도록 제3 단일 광섬유들(221)의 개수와 동일한 개수로 대응되도록 배열될 수 있다.
상기 열전달부(213)는 상기 전달받은 상기 가열레이저(305)를 통해 광 에너지를 열에너지로 변환하며, 이렇게 변환된 열에너지를 상기 열가변렌즈(212)로 제공한다. 이를 위해, 상기 열전달부(213)는 열전도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 열가변렌즈(212)는, 상기 광섬유 번들(222)과 일렬로 배열되어, 상기 광섬유 번들(222)을 통해 전달되는 상기 프로브레이저(115)를 제공받으며, 상기 열가변렌즈(212)를 통과한 상기 프로브레이저(115)는 상기 초점렌즈(211)를 통과하여 상기 시료(50)에 포커싱(focusing)된다.
상기 초점렌즈(211)는 상기 제공되는 프로브레이저(115)를 상기 시료(50)에 대하여 포커싱하는 렌즈로서, 상기 시료(50)에 포커싱되는 초점은, 상기 열가변렌즈(212)와 상기 초점렌즈(211)의 굴절률에 따라 변화하게 된다.
이 경우, 상기 초점렌즈(211)는 그 형상이 변화하지 않는 것으로, 결국, 상기 시료(50)에 포커싱되는 초점은 상기 열가변렌즈(212)의 굴절률에 따라 변화하게 된다.
한편, 상기 열전달부(213)를 통해 상기 열가변렌즈(212)로 제공되는 열에너지에 의해, 상기 열가변렌즈(212)의 온도가 변화하게 되며(열 제공시는 상승, 제공되는 열 소멸시는 하강), 이와 같이 상기 열가변렌즈(212)의 온도가 변화하게 되면 상기 열가변렌즈(212)의 굴절률은 변경되게 된다.
즉, 상기 열가변렌즈(212)는 굴절률이 변화하는 가변 굴절률을 가지는 렌즈이며, 이에 따라, 궁극적으로 상기 시료(50)에 포커싱되는 초점 역시 가변될 수 있다.
이에, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 시료(50)를 향하는 상기 프로브레이저(115)의 초점은 다양하게(z, z′, z″) 가변될 수 있으며, 이를 통해 상기 시료(50)의 깊이 방향으로 다양한 깊이에서의 촬영이 가능하게 된다.
이 경우, 도 2에 예시된 초점들의 개수는 예시적인 것이며, 상기 열가변렌즈(212)로 인가되는 열의 양을 제어함으로써, 다양한 초점들에서의 촬영이 가능할 수 있다.
한편, 상기 시료(50)로 제공된 상기 프로브레이저(115)는 상기 시료(50)에서 반사되어 상기 내시경 프로브(200), 상기 대물렌즈(170), 상기 제3 렌즈(160), 상기 제2 렌즈(150) 및 상기 레이저 스캐닝 모듈(140)을 통과하여 상기 광 분배기(130)로 제공되며, 상기 광 분배기(130)는 상기 반사된 프로브레이저(195)를 상기 제4 렌즈(180)를 향하여 제공한다.
그리하여, 상기 제4 렌즈(180)를 통과하며 포커싱된 상기 반사된 프로브레이저(195)는 핀홀(191)을 통과하여 검출부(190)로 제공된다.
이에, 상기 검출부(190)에서는, 상기 반사된 프로브레이저(195)로부터 광세기 정보를 추출하여 상기 시료(50)에 대한 영상을 획득하게 된다.
이 경우, 상기 시료(50)에 대한 영상은 다양한 깊이에서의 3차원 영상에 해당되므로, 상기 검출부(190)는 결국, 상기 시료(50)에 대한 3차원 공초점 영상을 구현할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 다중초점 공초점내시경을 도시한 모식도이다. 도 4는 도 3의 내시경 프로브를 도시한 모식도이다.
본 실시예에 의한 공초점내시경(11)은 가열레이저부(301)가 제공하는 가열레이저(305)의 제공 상태, 및 내시경프로브(201)의 구조를 제외하고는, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 상기 공초점내시경(10)과 실질적으로 동일하므로, 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 참조번호를 사용하고 중복되는 설명은 이를 생략한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 공초점내시경(11)에서는, 상기 프로브레이저부(110)를 통해 발생된 프로브레이저(115)가 제1 렌즈(120)를 통과하여 제1 광분배기(130)에서 분배되어, 상기 레이저 스캐닝 모듈(140), 상기 제2 및 제3 렌즈들(150, 160), 및 상기 대물렌즈(170)를 통과하며 상기 내시경프로브(201)로 제공되는 것은 동일하다.
다만, 본 실시예에서는, 상기 가열레이저부(301)에서 발생되는 가열레이저(305)가, 광렌즈(321)를 통해 포커싱되며 제2 광분배기(135)로 제공되며, 상기 제2 광분배기(135)에서 상측, 즉 상기 내시경프로브(201)를 향하는 방향으로 분배되어 제공되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 제2 광분배기(135)는 상기 제3 렌즈(160)와 상기 대물렌즈(170)의 사이에 배치되는 것으로, 상기 가열레이저(305)를 상기 대물렌즈(170)를 통과하여 상기 내시경프로브(201)를 향하도록 분배하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 실시예에서는, 상기 대물렌즈(170)를 통해 상기 프로브레이저(115)와 상기 가열레이저(305)가 동시에 상기 내시경프로브(201)로 제공되게 된다.
상기 내시경프로브(201)는 가변초점렌즈(230) 및 광섬유유닛(240)을 포함한다.
우선, 상기 광섬유 유닛(240)은, 일방향으로 연장되는 하나의 광섬유 번들(241)을 포함하며, 이에 따라, 상기 대물렌즈(170)를 통과한 상기 프로브레이저(115)와 상기 가열레이저(305)는 동시에 상기 광섬유 번들(241)로 인입된다.
상기 가변초점렌즈(230)는 초점렌즈(231)와 열가변렌즈(232)를 포함하는데, 상기 광섬유 번들(241)을 통과한 상기 프로브레이저(115)와 상기 가열레이저(305)는 우선 상기 열가변렌즈(232)로 입사하게 된다.
본 실시예에서 상기 열가변렌즈(232)는 커버막(234)과 상기 커버막(234)의 내부에 채워지는 유체(233)로 구성된 것으로, 상기 유체(233)는 광 흡수성이 우수하며 광 흡수에 따라 광에너지가 열에너지로 변환되어 상기 커버막(234)과 함께 팽창 또는 수축하게 된다.
이 때, 상기 유체(233)로 공급되는 광 에너지는 상기 광섬유 번들(241)을 통과한 상기 가열레이저(305)에 의해 공급된다.
즉, 상기와 같이, 상기 열가변렌즈(232)를 구성하는 유체(233)가 상기 커버막부(234)와 함께 상기 가열레이저(305)의 공급에 따라 열을 흡수하며 팽창하게 되면(상기 가열레이저(305)의 제공이 중단되면 열을 방출하여 수축하게 됨), 상기 열가변렌즈(232) 전체의 굴절률이 변화하게 된다.
이와 달리, 상기 유체(233)는 상기 가열레이저(305)의 공급에 따라 열을 흡수하여 가열되는 것으로, 별도의 팽창이 없어도, 가열되는 것만으로 상기 열가변렌즈(232)의 굴절률이 변화할 수도 있다.
한편, 상기 커버막(234)은 상기 유체(233)를 커버하는 막구조인 것으로, 예를 들어, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함할 수 있다.
따라서, 상기 열가변렌즈(232)를 통과하는 상기 프로브레이저(115)는 상기 초점렌즈(231)를 통해 상기 시료(50)에 포커싱되는 경우, 굴절률이 가변될 수 있으며, 이에 따라, 상기 시료(50)의 깊이 방향으로 다양한 깊이로 레이저를 조사할 수 있게 된다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 시료(50)를 향하는 상기 프로브레이저(115)의 초점은 다양하게(z, z′, z″) 가변될 수 있으며, 이를 통해 상기 시료(50)의 깊이 방향으로 다양한 깊이에서의 촬영이 가능하게 된다.
이 경우, 도 4에 예시된 초점들의 개수는 예시적인 것이며, 상기 열가변렌즈(232)로 인가되는 열의 양을 제어함으로써, 다양한 초점들에서의 촬영이 가능할 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
한편, 상기 시료(50)로 제공된 상기 프로브레이저(115)는 상기 시료(50)에서 반사되어 상기 내시경 프로브(201), 상기 대물렌즈(170), 상기 제2 광 분배기(135), 상기 제3 렌즈(160), 상기 제2 렌즈(150) 및 상기 레이저 스캐닝 모듈(140)을 통과하여 상기 제1 광 분배기(130)로 제공된다.
이 경우, 상기 제2 광 분배기(135)는 상기 제3 렌즈(160) 방향으로, 상기 제1 광 분배기(130)는 상기 제4 렌즈(180) 방향으로, 상기 반사된 프로브레이저(195)를 제공한다.
그리하여, 상기 제4 렌즈(180)를 통과하며 포커싱된 상기 반사된 프로브레이저(195)는 핀홀(191)을 통과하여 검출부(190)로 제공된다.
이에, 상기 검출부(190)에서는, 상기 반사된 프로브레이저(195)로부터 광세기 정보를 추출하여 상기 시료(50)에 대한 영상을 획득하게 된다.
이 경우, 상기 시료(50)에 대한 영상은 다양한 깊이에서의 3차원 영상에 해당되므로, 상기 검출부(190)는 결국, 상기 시료(50)에 대한 3차원 공초점 영상을 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 별도의 기계적 또는 기구적 구동을 생략하면서도 렌즈의 초점을 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 시료에 대한 깊이 방향으로의 영상 촬영, 즉 광학적 절편 기능을 구현할 수 있다.
즉, 가열레이저를 통해 제공되는 열을 이용하여 열가변렌즈의 가열이 가능하며, 상기 열가변렌즈의 가열에 따라 굴절률이 변화하며 초점의 가변이 가능하게 된다.
이 경우, 상기 열가변렌즈에 열을 보다 효과적으로 제공하기 위해, 가열레이저를 통한 열 전달이 가능한 열전달부를 구비할 수 있으며, 가열을 위한 가열레이저를 별도의 단일 광섬유를 통해 프로브레이저와 구분하여 보다 효과적으로 제공할 수 있다.
이와 달리, 상기 열가변렌즈 자체를 광 흡수에 따른 열팽창이 가능한 유체 및 커버막 구조로 구현하고, 프로브레이저와 가열레이저가 모두 통과하도록 설계함으로써, 레이저를 전달하는 광섬유 유닛을 상대적으로 단순하게 설계하면서도 효과적인 굴절률 변화를 도모할 수도 있다.
이상과 같이, 상기 열가변렌즈가 구비되는 내시경프로브를 통해, 렌즈의 초점을 보다 효과적으로 가변할 수 있으며, 초점의 가변을 위한 복잡한 기구적 설계를 생략하고, 전자파 등의 발생을 방지할 수 있으므로, 인체의 내부로 삽입된 내시경에 적용되더라도 인체 조직에 야기할 수 있는 손상을 최소화하면서 깊이 방향으로의 영상을 다양하게 획득할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 11 : 공초점내시경 100, 101 : 공초점이미지유닛
110 : 제1 레이저 발생부 130 : 광분배기
170 : 대물렌즈 190 : 검출부
200, 201 : 내시경프로브 210, 230 : 가변초점렌즈
212, 232 : 열가변렌즈 220, 240 : 광섬유 유닛
300, 301 : 가열레이저부 310, 330 : 단일 광섬유
320 : 광섬유 커플러 321 : 광렌즈

Claims (11)

  1. 프로브레이저를 제공하는 공초점이미지유닛, 가열레이저를 제공하는 가열레이저부, 및 깊이 방향으로 초점거리의 제어가 가능한 내시경프로브를 포함하고,
    상기 내시경프로브는,
    상기 프로브레이저 및 상기 가열레이저를 전달하는 광섬유 유닛;
    상기 광섬유 유닛을 통해 상기 프로브레이저를 제공받아 시료에 초점을 맞추는 초점렌즈; 및
    상기 광섬유 유닛을 통해 상기 가열레이저를 제공받아 가열되며 굴절률이 변화하여, 상기 초점렌즈의 초점을 상기 시료의 깊이 방향으로 변화시키는 열가변렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내시경프로브는,
    상기 열가변렌즈에 접촉하도록 배치되어, 상기 가열레이저를 통해 제공되는 열을 상기 열가변렌즈로 제공하는 열전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광섬유 유닛은,
    상기 광섬유 유닛의 외측으로 연장되며, 상기 열전달부로 상기 가열레이저를 전달하는 단일 광섬유; 및
    상기 단일 광섬유의 내측에 연장되며, 상기 열가변렌즈 및 상기 초점렌즈로 상기 프로브레이저를 전달하는 광섬유 번들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가열레이저부에서 발생된 상기 가열레이저는 상기 단일 광섬유로 제공되며,
    상기 공초점이미지유닛을 통해 제공되는 상기 프로브레이저는 상기 광섬유 번들로 제공되는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단일 광섬유는 한 쌍으로 연장되며,
    상기 가열레이저부와 상기 한 쌍의 단일 광섬유들 사이에 배치되며, 상기 가열레이저부에서 제공되는 가열레이저를 동일한 세기로 분배하여 상기 한 쌍의 단일 광섬유들로 각각 제공하는 광섬유 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열레이저는 상기 공초점이미지유닛으로 제공되며, 상기 프로브레이저와 함께 상기 내시경프로브로 제공되는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광섬유 유닛은,
    상기 가열레이저와 상기 프로브레이저가 모두 통과하는 광섬유 번들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열가변렌즈는,
    제공되는 광 에너지에 따라 온도가 가변되는 유체; 및
    상기 유체를 커버하는 커버막을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 커버막은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  10. 제1항에 있어서, 상기 공초점이미지유닛은,
    상기 프로브레이저를 발생시키는 프로브레이저부;
    상기 시료로부터 반사된 광을 검출하는 검출부; 및
    상기 프로브레이저를 상기 내시경프로브를 향하여 제공하고, 상기 시료로부터 반사된 광을 상기 검출부로 제공하는 복수의 렌즈들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가열레이저부에서 발생된 상기 가열레이저는, 상기 복수의 렌즈들 사이에 배치되는 광 분배기를 통해 상기 내시경프로브로 제공되는 것을 특징으로 하는 다중초점 공초점내시경.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0630898A (ja) * 1992-06-01 1994-02-08 Citation Medical Corp 内視鏡
JP2016202613A (ja) * 2015-04-23 2016-12-08 国立大学法人埼玉大学 生体装着型小型顕微鏡および内視鏡
KR101899711B1 (ko) 2017-02-07 2018-09-17 한국광기술원 색수차 렌즈를 이용한 공초점 영상 구현 장치

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