KR102542585B1 - 피부 내 멜라닌 측정용 자유 스캐닝 펜타입 광음향 단층 센싱 시스템 - Google Patents

피부 내 멜라닌 측정용 자유 스캐닝 펜타입 광음향 단층 센싱 시스템 Download PDF

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Abstract

광음향 단층 센싱 시스템은, 레이저를 생성하는 광원부; 광원부와 광결합(Optical coupling)되어 상기 레이저를 조사하고, 광음향 신호를 획득하는 펜 타입(Pen-type) 프로브; 및 획득한 광음향 신호를 증폭시키고 데이터를 획득하는 신호획득부를 포함한다. 기존의 산란 기반 이미징 장비가 측정가능한 깊이보다 더 깊게 레이저를 투과시킬 수 있는 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템을 제공함으로써, 세포 모반의 깊이 방향 내비게이션 정보를 획득할 수 있음은 물론, 펜 타입의 프로브를 통해 측정 대상의 위치에 구애받지 않고 자유 스캐닝이 가능할 수 있다.

Description

피부 내 멜라닌 측정용 자유 스캐닝 펜타입 광음향 단층 센싱 시스템{FREE-REGION SCANNING PEN-TYPE PHOTOACOUSTIC TOMOGRAPHIC SENSING FOR MELANIN ASSESSMENT UNDER THE SKIN SURFACE}
본 발명은 피부 내 멜라닌 측정용 자유 스캐닝 펜타입 광음향 단층 센싱 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비침습적 피부 단층을 측정하는 피부 내 멜라닌 측정용 자유 스캐닝 펜타입 광음향 단층 센싱 시스템에 관한 것이다.
피부에 나타나는 색소성 병변으로는 점, 주근깨, 잡티, 흑자, 검버섯, 오타 모반 등 다양한 형태가 있다. 일반적으로 이러한 색소성 병변은 자외선에 장시간 노출되어 멜라닌 색소가 과도하게 생성되거나 멜라닌 색소를 만드는 모반 세포들이 뭉쳐져서 발생한다.
의학이나 피부 미용 측면에서 병변을 제거하기 위해서는 사전에 멜라닌 세포 모반의 깊이에 대한 정보 또는 멜라닌 세포의 밀도 등에 대한 정보가 필요하다.
하지만 종래의 측정피부의 표면부터 표피 및 진피에 존재하는 멜라닌 성분을 측정하는 방법으로는 육안검사 또는 현미경을 통한 피부의 색을 판단하고, 필요 시에는 생검을 통해 성분을 분석하는 방법 등이 존재한다. 특히 가장 대표적인 방법은 비침습적 방법으로써 산란 기반의 이미징 장비를 이용하여 측정하고 있지만, 산란 기반의 이미징 장비는 측정 가능한 깊이가 얕고 멜라닌 세포 모반의 깊이 방향을 알 수 없어 정확한 측정이 어렵다는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2014-0001453호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 산란 기반 이미징 장비가 측정가능한 깊이보다 더 깊게 레이저를 투과시켜 세포 모반의 깊이 방향 내비게이션 정보를 획득할 수 있는 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 흑색종의 깊이 방향 형성 정도를 측정하거나, 멜라닌 세포 모반의 피부 조직 내 위치에 따른 경계모반, 복합모반 및 진피내모반을 효율적으로 구분할 수 있는 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 악성 흑색종(Malignant melanoma)와 같은 피부 질환의 진단 및 수술 후 평가 등에 활용하거나 점 제거 수술의 전후 진단 및 평가에 활용되어 수술의 정밀도 및 평가의 효율성을 개선할 수 있는 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광음향 단층 센싱 시스템은, 레이저를 생성하는 광원부; 광원부와 광결합(Optical coupling)되어 상기 레이저를 조사하고, 광음향 신호를 획득하는 펜 타입(Pen-type) 프로브; 및 획득한 광음향 신호를 증폭시키고 데이터를 획득하는 신호획득부를 포함한다.
여기서 상기 펜타입 프로브는, 상기 레이저를 평행광으로 변환하는 콜리메이터; 평행광을 입력받아 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하는 액시콘 렌즈(Axicon Lens); 및 음향렌즈를 포함하고, 상기 액시콘 렌즈의 후단에 위치하여 광음향 신호를 획득하는 초음파 변환기를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 펜 타입 프로브는, 상기 베셀 빔을 통과시켜 특정 영역 또는 지점에 포커싱되도록 하되, 포커싱된 상기 베셀 빔의 축과 상기 광음향 신호가 획득되는 방향 축을 일치시키는 도넛 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 펜 타입 프로브는, 상기 콜리메이터, 상기 액시콘 렌즈, 상기 초음파 변환기 및 상기 도넛 렌즈의 중심축이 모두 동일선상에 위치하도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 도넛 렌즈는, 중심에 기설정된 크기의 홀(Hole)이 형성되고, 상기 홀에는 상기 초음파 변환기가 삽입되어 상기 초음파 변환기의 둘레에 위치할 수 있다.
또한, 상기 도넛 렌즈는, 일면은 평면으로 형성되고, 타면은 기설정된 곡률에 의해 포물면을 가지도록 형성되며, 상기 포물면이 상기 액시콘 렌즈를 향하도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 신호획득부는, 상기 획득한 광음향 신호를 증폭시키는 증폭모듈; 증폭된 광음향 신호에 대응되는 데이터를 획득하는 디지타이저; 및 상기 획득된 데이터를 출력하는 디스플레이를 포함할 수 있다.
상술한 본 발명의 일측면에 따르면, 기존의 산란 기반 이미징 장비가 측정가능한 깊이보다 더 깊게 레이저를 투과시킬 수 있는 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템을 제공함으로써, 세포 모반의 깊이 방향 내비게이션 정보를 획득할 수 있고, 악성 흑색종(Malignant melanoma)와 같은 피부 질환의 진단 및 수술 후 평가 등에 활용하거나 점 제거 수술의 전후 진단 및 평가에 활용되어 수술의 정밀도 및 평가의 효율성을 개선할 수 있다.
그리고 흑색종의 깊이 방향 형성 정도를 측정하거나, 멜라닌 세포 모반의 피부 조직 내 위치에 따른 경계모반, 복합모반 및 진피내모반을 효율적으로 구분할 수 있게 된다.
나아가 본 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템에 다중 파장을 활용하여 단일 지점에 대한 산소포화도의 변화 등 바이오 신호 등을 획득하는데 활용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기 및 도넛 렌즈의 결합을 설명하기 위한 도면이고, 그리고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펜 타입 프로브에서 레이저 전달 및 광음향 신호가 획득되는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환기(230) 및 도넛 렌즈(250)의 결합을 설명하기 위한 도면이고, 그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 펜 타입 프로브(200)에서 레이저 전달 및 광음향 신호가 획득되는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 펜 타입 광음향 단층 센싱 시스템은 피부의 표면 및 진피에 존재하는 멜라닌 성분을 측정하고 평가하며, 그 외에 혈액 등과 같은 여러 성분을 효과적이고 편리하게 측정하기 위해 광원부(100), 펜 타입(Pen-type) 프로브(200), 신호획득부(300)를 포함한다.
광원부(100)는 레이저를 생성하고 위해 펜 타입 프로브(200)와 광 결합을 통해 생성된 레이저를 전달하기 위한 것으로, 레이저 소스(110) 및 콜리메이터(120)를 포함한다.
광원부(100)는 단파장, 다파장, 또는 파장 가변 펄스 레이저를 생성할 수 있으며, 특정 파장 성분 또는 그 성분을 포함하는 단색광을 발생시키는 반도체 레이저, 발광 다이오드, 고체 레이저 또는 가스 레이저 등 다양한 레이저 소스(110)를 포함할 수 있는 것은 물론, 서로 다른 파장을 갖는 복수의 레이저 소스(110)를 포함하도록 마련될 수도 있다.
보다 구체적으로 본 실시예에 따른 광원부(100)는 서로 다른 생체 조직이 빛의 파장에 따라 각각의 다양한 흡수도를 갖고 있다는 것을 활용하기 위해 멜라닌 성분을 측정할 때는 700nm 대역의 파장을 생성하고, 혈관 등을 측정할 ‹š는 500nm 대역의 파장을 생성할 수 있는 레이저 소스(110)를 포함할 수 있다.
광원부(100)에 포함된 콜리메이터(120)는 펜 타입 프로브(200)와 광 결합을 위해 마련되는 것으로, 광원부(100)의 콜리메이터(120)는 펜 타입 프로브(200)의 콜리메이터(210)와 연결된다. 이를 통해 레이저 소스(110)로부터 생성된 레이저가 펜 타입 프로브(200)의 콜리메이터(210)로 전달되도록 한다.
따라서 본 실시예에 따른 광원부(100)는 광섬유를 통하여 평행 광선속을 형성하는 콜리메이터(120)를 통해 펜 타입 프로브(200)와 연결된다.
한편, 본 실시예에 따른 펜 타입 프로브(200)는 광원부(100)와 광 결합을 통해 광원부(100)로부터 생성된 레이저를 전달받아 촬영 대상에 조사하고, 촬영 대상으로부터 출력되는 광음향 신호를 획득하고 획득된 광음향 신호를 신호획득부(300)로 전달할 수 있다.
펜 타입 프로브(200)는 광섬유에서 나온 레이저를 소구경 평행광으로 변환시킨 후 베셀 빔을 생성하여 대상 영역에 라인 포커싱(lind focusing) 또는 에어리어 포커싱(area focusing)되도록 하는 광학 설계에 따른 구성 및 배치를 포함할 수 있으며, 이를 위해 본 발명에서의 펜 타입 프로브(200)는 콜리메이터(210), 액시콘 렌즈(220), 초음파 변환기(230), 음향렌즈(240) 및 도넛 렌즈(250)를 포함하도록 마련된다.
콜리메이터(210)는 레이저를 소구경 평행광으로 변환시켜 액시콘 렌즈(220) 측으로 조사한다.
한편 액시콘 렌즈(220)는 평행광으로부터 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하고, 촬영 대상을 향해 베셀 빔(Bessel beam)이 조사되도록 한다. 이러한 베셀 빔은 도 1에 도시된 바와 같이 일정한 경로를 가지고 촬영 대상을 향해 진행한다.
초음파 변환기(230)는, 레이저의 진행방향을 기준으로 액시콘 렌즈(220)의 후단에 위치하여 촬영 대상으로부터 방출되는 초음파에 기초하여 광음향 신호를 획득하며, 획득한 광음향 신호를 신호획득부(300)로 전달한다. 그리고 초음파 변환기(230)의 일단에는 음향렌즈(240)가 마련되는데, 이러한 음향렌즈(240)는 촬영 대상으로부터 방출되는 초음파를 수집하여 초음파 변환기(230)로 전달되도록 한다.
레이저의 전자기 펄스가 피부와 같은 생체 조직에 입사되면 에너지의 일부분이 조직 내 흡광물질에 흡수되고 열로 변환되어 열탄성 팽창을 일으키고, 그 결과로 넓은 대역의 주파수를 갖는 초음파가 방출됨으로써, 이렇게 방출된 초음파를 초음파 변환기(230)에서 광음향 신호로서 획득하게 된다.
도넛 렌즈(250)는 본 실시예에 따른 광음향 단층 센싱 시스템이 보다 더 깊은 영상화 깊이를 가지도록 하면서 신호대잡음비(Sigmal to noise ratio, SNR)를 높이도록 하기 위해 마련된다. 이를 위해 액시콘 렌즈(220)로부터 생성된 베셀 빔을 통과시켜 통과된 특정 영역 또는 지점에 포커싱되도록 하고, 베셀 빔이 촬영 대상을 향해 조사될 때 포커싱된 베셀 빔의 축과 음향렌즈(240)로 수집되는 촬영 대상으로부터 획득되는 광음향 신호의 획득 경로의 축을 일치시킬 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 도넛 렌즈(250)는 중심에 기설정된 크기의 홀(Hole)이 형성되고, 홀에는 초음파 변환기(230)가 삽입됨으로써 초음파 변환기(230)의 둘레에 위치한다. 도 2에 도시된 바와 같이 도넛 렌즈(250)의 일면은 평면으로 형성되고, 타면은 기설정된 곡률을 가지는 평면 볼록 렌즈로 형성되는데, 이 때 도넛 렌즈(250)의 지름은 25.4㎝이고, 중심두께는 12㎝ 내지 18㎝ 이내에서 선택될 수 있으며, 홀의 지름은 12㎝로 마련될 수 있다. 물론 이는 설명의 편의를 위한 예시적 사항으로 삽입되는 초음파 변환기(230)의 외직경 및 초점 거리 등을 고려하여 변경가능함은 물론일 것이다.
이러한 도넛 렌즈(250)를 통과한 베셀 빔은 일정 지점에 모이게 되고, 도 3에 도시된 바와 같이 베셀 영역(Bessel area)의 축과 광음향 신호를 획득하는 경로의 축이 일치됨으로써 이에 의해 본 실시예에 따른 펜 타입 프로브(200)는 깊은 측정(Deep sensing)이 가능한 것은 물론, 신호대잡음비를 높일 수 있게 된다.
따라서 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 도넛 렌즈(250)를 통해 본 광음향 단층 센싱 시스템은 종래의 산란 기반의 영상 이미징 장비의 영상화 깊이(~1mm)에 비해서 피부 표면으로부터 3~5mm까지의 영상화 깊이를 가지게 되므로 피부 표면 아래 깊은 영역을 측정할 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 펜 타입 프로브(200)는 콜리메이터(210), 액시콘 렌즈(220), 초음파 변환기(230), 음향렌즈(240) 및 도넛 렌즈(250)의 중심축이 모두 동일선상에 위치하도록 마련됨으로써, 파이버 기반 펜 타입의 손잡이용 프로브 형태로 마련될 수 있게 되고, 이에 의해 자유 스캐닝을 통한 사용자 친화적으로 쉽게 활용이 가능한 광음향 단층 센싱 시스템을 제공할 수 있게 된다.
한편, 상기 신호획득부(300)는 펜 타입 프로브(200)에서 획득한 광음향 신호를 증폭시키고, 데이터를 획득하기 위해 마련되는 것으로, 증폭모듈(310), 디지타이저(320) 및 디스플레이(330)를 포함할 수 있다.
증폭 모듈(310)은 초음파 변환기(230)에서 획득한 광음향 신호를 전달받아 증폭시킨다.
디지타이저(320)는 증폭된 광음향 신호에 대응되는 데이터를 획득한다.
디스플레이(330)는 디지타이저(320)에서 획득된 데이터를 영상으로 출력한다.
이상에서는 본 발명의 다양한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 광원부 110 : 레이저 소스
120 : 콜리메이터 200 : 펜 타입 프로브
210 : 콜리메이터 220 : 액시콘 렌즈
230 : 초음파 변환기 240 : 음향렌즈
250 : 도넛 렌즈 300 : 신호획득부
310 : 증폭 모듈 320 : 디지타이저
330 : 디스플레이

Claims (7)

  1. 레이저를 생성하는 광원부;
    광원부와 광결합(Optical coupling)되어 상기 레이저를 조사하고, 광음향 신호를 획득하는 펜 타입(Pen-type) 프로브; 및
    획득한 광음향 신호를 증폭시키고 데이터를 획득하는 신호획득부를 포함하고,
    상기 펜타입 프로브는,
    상기 레이저를 평행광으로 변환하는 콜리메이터;
    평행광을 입력받아 베셀 빔(Bessel beam)을 생성하는 액시콘 렌즈(Axicon Lens); 및
    음향렌즈를 포함하고, 상기 액시콘 렌즈의 후단에 위치하여 광음향 신호를 획득하는 초음파 변환기를 포함하고,
    상기 베셀 빔을 통과시켜 특정 영역 또는 지점에 포커싱되도록 하되, 포커싱된 상기 베셀 빔의 축과 상기 광음향 신호가 획득되는 방향 축을 일치시키는 도넛 렌즈;를 더 포함하며,
    상기 도넛 렌즈는,
    세포 모반의 깊이 방향 내비게이션 정보를 획득하기 위해 피부 표면으로부터 소정의 깊이까지의 영상화 깊이를 갖도록 일면은 평면으로 형성되고, 타면은 기설정된 곡률에 의해 포물면을 가지도록 형성되며, 상기 포물면이 상기 액시콘 렌즈를 향하도록 마련되는 것을 특징으로 하는, 광음향 단층 센싱 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 펜 타입 프로브는,
    상기 콜리메이터, 상기 액시콘 렌즈, 상기 초음파 변환기 및 상기 도넛 렌즈의 중심축이 모두 동일선상에 위치하도록 마련되는 것을 특징으로 하는, 광음향 단층 센싱 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도넛 렌즈는,
    중심에 기설정된 크기의 홀(Hole)이 형성되고, 상기 홀에는 상기 초음파 변환기가 삽입되어 상기 초음파 변환기의 둘레에 위치하는 것을 특징으로 하는, 광음향 단층 센싱 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신호획득부는,
    상기 획득한 광음향 신호를 증폭시키는 증폭모듈;
    증폭된 광음향 신호에 대응되는 데이터를 획득하는 디지타이저; 및
    상기 획득된 데이터를 출력하는 디스플레이를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광음향 단층 센싱 시스템.
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