KR102580278B1 - 중이염 진단용 광 간섭 단층 촬영 장치 - Google Patents

Abstract

고막에 인접한 유체의 특성화를 위한 OCT 장치 및 방법은, 측정 경로 및 기준 경로를 갖는 스플리터에 결합되는 저-간섭성 소스를 갖는다. 상기 기준 경로는 길이에 대해 일시적으로 변조되며, 상기 기준 경로 및 측정 경로로부터의 조합된 신호가 검출기에 적용된다. 상기 검출기는, 고막에 선택적 자극원이 적용되었을 때, 응답 폭 및 시간 변화를 검사하며, 상기 고막에 인접한 유체의 점도를 나타내는 계량값을 형성하는 상기 응답 폭 및 시간 변화가 측정된다.

Description

중이염 진단용 광 간섭 단층 촬영 장치

본 발명은 광 간섭 단층 촬영(optical coherence tomography)(OCT) 장치에 관한 것이다. 특히 본 장치는 중이염(otitis media)(OM)의 진단에 사용하기 위한 OCT 장치에 관한 것이다.

중이염은 내이(inner ear)의 일반적인 질병으로서, 고막에 영향을 미치는 조직 염증 및 유체 압력을 수반한다. 중이염은 일반적으로 치료 없이 해결되는 바이러스성 감염이나, 또는 계속 진행되면 청력 상실이나 기타 유해하고 불가역적인 영향을 일으킬 수 있는 박테리아성 감염에 의해 유발될 수 있다. 불행하게도, 현재 이용 가능한 진단 장치를 사용하여 바이러스성 또는 박테리아성 감염을 구별하는 것은 어려우며, 상기 두 가지 근본적인 감염증에 대한 치료 방법은 전혀 다르다. 박테리아성 감염의 경우 항생제가 치료 선택지이지만, 바이러스 감염의 경우 감염증 자체가 저절로 소멸되는 경향이 있어서, 항생제는 비효과적일 뿐만 아니라, 항생제 내성을 유발하여 차후의 박테리아성 감염 치료 시에는 덜 효과적이다.
내이 감염증에 대한 가장 확실한 진단 도구는 침습성 절차인 고막 절개술(myringotomy)이며, 이는 삼출물 중의 감염 인자를 식별하기 위해 고막의 절개, 유체의 수거, 및 현미경하에서의 삼출물의 검사를 수반한다. 이 절차에 있어서는 합병증의 우려 때문에, 상기 절차는 병증이 심각한 경우에만 사용된다. 바이러스 감염증에 대한 항생제 처방이 박테리아의 항생제 내성에 영향을 미치는 것으로 여겨지며, 이 때문에, 바이러스 감염에는 항생제가 효과가 없고 항생제 내성은 치료 효과가 유효하지 못할 경우에는 일상생활에 더욱 심각한 결과를 초래할 수 있어 의료 종사자는 딜레마에 빠질 수 있다. 따라서, 중이염 진단을 위한 개선된 진단 도구가 필요하다.

미국 특허 출원 공개 공보 제2009/0185191호 미국 특허 출원 공개 공보 제2016/0007840호

본 발명의 제1 목적은 고막에 인접한 유체 타입을 식별하기 위한 비침습적 의료 장치이다.
본 발명의 제2 목적은 고막에 인접한 유체를 식별하기 위한 방법이다.
본 발명의 제3 목적은 고막에 인접한 필름(film)의 특성 식별을 위한 광 간섭 단층 촬영을 실시하기 위한 방법이다.
본 발명의 제4 목적은 고막에 인접한 유체 특성의 식별을 위한 광 간섭 단층 촬영을 실시하기 위한 장치이다.
본 발명의 제5 목적은 압력 자극원(pressure excitation source)을 고막에 결합함으로써 고막 및 인접 재료를 특성 평가하기 위한 장치 및 방법이며, 여기서 상기 고막은 저-간섭성(low coherence)을 갖는 광원에 의해 측정 경로를 통해 조명되고, 상기 저-간섭성 광원은 또, 기준 경로는 물론, 거울에도 결합하여, 상기 거울로부터의 반사 및 상기 고막으로부터의 반사가 합쳐져서 검출기에 제공되며, 기준 경로 길이는 고막을 포함하는 범위에 걸쳐 변조되고, 이에 따라 검출기는, 충분히 높은 속도에서의 상기 기준 경로 길이의 변조가 압력 자극에 응답하여 고막 위치의 추정을 가능케 하며, 이에 따라 고막 및 인접 유체의 특성 평가를 제공하도록, 반사된 광 에너지를, 상기 측정 경로를 통해 고막으로부터, 그리고 상기 기준 경로를 통해 거울로부터 수신한다.
본 발명의 제6 목적은 측정 경로 및 기준 경로를 갖는 광 간섭 단층 촬영 시스템이며, 상기 기준 경로는 길이가 변조되고, 상기 측정 경로 및 기준 경로는 광 스플리터(optical splitter)를 통해 저-간섭성을 갖는 광원에 결합되며, 상기 기준 광 경로로부터 반사된 광 에너지 및 측정 광 경로로부터 반사된 광 에너지는 합쳐져서, 파장 스플리터에, 그리고 그 후 다수의 검출기에 제공되며, 저-간섭성 광원의 파장 스펙트럼 내의 파장의 하위 범위마다 하나의 검출기가 있어서, 상기 다수의 검출기는, 파장 특성에 따라서, 적어도 두 상이한 반사 재료에 대한 검출기 응답을 구별하는 제어기에 결합된다.

광 간섭 단층 촬영(OCT) 장치는, 제1 스플리터를 통과하여 그 후 제2 스플리터에 결합되는 광 에너지를 발생시키는 저-간섭성 광원을 가지며, 상기 제2 스플리터는 고막으로의 측정 광 경로 및 상기 광 에너지를 제1 스플리터로 복귀시키는 반사기(reflector)로의 기준 광 경로를 가지며, 상기 반사된 광 에너지는 상기 측정 광 경로로부터 반사된 광 에너지에 추가된다. 그 후, 조합된 반사된 광 에너지는, 제1 스플리터에 제공되어 광 에너지를 검출기로 지향시킨다. 상기 반사기는, 측정 광 경로 및 기준 광 경로가 경로 길이와 동일할 때, 검출기에 특정 측정 경로 심도로부터의 광 강도 및 선택적으로 일련의 광 스펙트럼 밀도가 표시되도록, 기준 광 경로의 축선을 따라 변위하여 공간적으로 변조된다. 상기 장치는, 측정 경로가 외이도(ear canal) 내로 지향된 상태에서 위치 결정되고, 상기 기준 광 경로의 축선을 따라 상기 반사기의 위치의 병진 이동을 통해 상기 기준 광 경로 길이를 변화시킴으로써 광 에너지를 고막으로 지향시키면, 고막의 광학 특성 평가 및 스펙트럼 특성의 측정이 실시될 수 있다. 게다가, 외부 압력 자극이 인가되어, OCT 측정 중 고막의 충동적 또는 정상 상태의 주기적 자극을 제공하고, 피크 응답 및 상기 피크 응답과 관련지어진 시간이 식별될 수 있다. 그 후, 고막의 시간적 특성 및 위치 변위가 검사되어, 상기 외부 압력 자극에 대한 고막 응답을 결정할 수 있다. 이어서, OCT 검출기 데이터로부터의 고막 응답의 평가는, 특정 점도 또는 생물막(biofilm) 특성과 상관될 수 있다. 상기 시간적 특성의 검사에 의해, 고막에 인접한 유체 점도의 추정값이 결정되고, 이어서 그 점도는, 치료 가능한 박테리아성 감염의 가능성과 상관될 수 있다.

도 1은 광 간섭 단층 촬영 특성 평가 시스템의 블록도를 도시한 도면이다.
도 2a는 기계적 액추에이터 변위 대 액추에이터 전압의 플롯을 도시한 도면이다.
도 2b는 액추에이터 전압 또는 전류에 의해 제어됨에 따른, 기준 경로 길이의 플롯을 경시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 고막 검사에 사용하기 위한 광 간섭 단층 촬영 특성 평가 시스템을 위한 블록도를 도시한 도면이다.
도 4는 다색성(polychromatic) 검출기를 도시하는 도면이다.
도 5a는 기준 길이의 변조를 위한 예시적인 자극 파형의 플롯을 도시하는 도면이다.
도 5b는 OME 등으로부터의 유체에 인접한 고막에 대한 검출기 신호, 및 정상적인 고막에 대한 검출기 신호를 도시하는 도면이다.
도 6은 고막 측정을 위한 광 도파관 시스템을 도시하는 도면이다.
도 7은 자극원을 구비한 고막 측정을 위한 광 도파관 시스템을 도시하는 도면이다.
도 8a는 반사된 응답 신호를 수반하는, 변형 가능한 표면 또는 막에 인가되는 정현파 자극에 대한 플롯을 도시하는 도면이다.
도 8b는 변형 가능한 표면 또는 막에 인가되는 자극 단계 및 상기 자극 단계에 대한 응답에 대한 플롯을 도시하는 도면이다.

도 1은 본 발명의 일례에 따른 광 간섭 단층 촬영 장치에 대한 블록도를 도시하고 있다. 하나의 도면에 나타낸 각 도면부호가 다른 도면에도 나타난 경우에는 동일한 기능을 갖는 것으로 이해하면 된다. 콜리메이트된 출력을 갖는 광대역 발광 다이오드(LED)와 같은 저-간섭성 소스(102)는 광 에너지를 경로(104)를 따라 제1 광 스플리터(106)에 발생시키고, 광 에너지는 제2 광 스플리터(108)까지 계속되고, 거기서 상기 광 에너지는 측정 광 경로(118)와 기준 광 경로(112)로 분할되며, 이들은 제2 스플리터(108)로부터 거울(110)로, 그리고 경로 길이 변조기(114)로 가는 구획을 포함한다. 상기 측정 광 경로(118)에서의 광 에너지는 고막(120)과 상호 작용하고, 반사된 광 에너지(110)는 경로(122)를 통해 검출기(124)로 역 전파되며, 거기서 거울(110) 및 스플리터(108)로부터 반사된 기준 광 경로(112)로부터의 광 에너지에 의해 결합되고, 조합된 반사된 광 에너지는 제1 스플리터(106)로, 그 후 거울(105)로, 그리고 경로(122)를 거쳐 검출기(124)로 전파된다.
상기 검출기(124)는 경로(122) 상에서 검출된 광 에너지의 세기에 대응하는 전기 신호를 발생시키는데, 이는 고막으로부터 반사된 광 에너지에 대한 경로 길이가 상기 기준 광 경로와 정확하게 동일한 길이일 때 정상 상태 최대치이고, 경로 길이 변조기(114)를 경시적으로 동작시키는 등에 의해, 기준 광 경로 길이가 어느 범위에 걸쳐 스위핑(소인)되는 경우, 일시적 최대치가 된다. 각 타입의 반사 막은 특성 검출기 신호를 생성한다. 예를 들어, 상기 기준 경로 길이가, 건강한 고막 등의 얇은 막 경계를 통과하여 횡단함에 따라, 단일 피크가 고막의 단일 반사 영역에 대응하는 결과가 되게 된다. 기준 경로 길이가 저-점도 감염성 삼출물을 함유하는 등의 유체성 귀(fluidic ear)를 통과하게 되면, 고막 반사의 초기 피크는 계속해서 반사된 신호의 광 감쇠로 인해 하강하는 진폭을 수반하는, 연장 반사 영역을 발생시키게 된다. 상기 기준 경로 길이가 박테리아성 감염을 수반하는 고막을 관통해서 횡단하는 경우, 박테리아성 박막이 고막의 반대 표면 상에 존재할 수 있는데, 이는, 보다 큰 축방향 반사 범위를 생성할 수 있고, 그 후, 높은 산란계수 및 그에 대응하여 증가된 감쇠를 보이는, 페데스탈(pedestal)이 이어질 수 있다. 게다가, 고막 뒤쪽의 세 타입의 유체(공기 대 묽은 유체 대 걸쭉한 유체)의 점도는, 고막 상에 가해진 압력 자극과는 상이하게 응답하게 된다. 따라서, 상기 기준 광 경로 길이와 선택적으로 고막에 인접하는 압력을 변조시켜, 검출기 출력 신호의 성질 및 자극 압력에 대한 응답을 검사하여, 고막에 인접한 유체의 유무, 고막에 인접한 박테리아와 같은 생물막의 유무, 및 고막에 인접한 유체의 점도를 결정하는 것이 가능하며, 이들은 모두 검출기 출력에 제시되는 측정 광 경로 길이 상의 고막의 움직임으로부터 생기는 것이다.
본 발명의 일례에 있어서, 상기 경로 길이 변조기(114)는 특성 평가될 고막(115)의 이동 영역에 대응하는, 도 1의 도면부호 126a으로부터 126d까지의 측정 경로 길이에 대응하는 거리만큼 기준 경로 길이를 변동시킨다. 상기 변조기(114)가 기준 경로 길이를 증가시킴에 따라서, 검출기에 전달되는 신호는 영역(126d)에 가까워지게 되며, 변조기(114)가 기준 경로 길이의 거리를 감소시킬 때는, 검출기에 전달되는 영역 신호는 영역(126a) 내에 있다.
도 2a는 액추에이터 전압 또는 전류와 경로 길이 변조기(114)의 축방향 변위 사이의 예시적인 관계를 도시하고 있으며, 이는 거울(114)에 결합되어 광 축선(112)을 중심으로 거울을 변조시키는 음성 코일 액추에이터를 위한 음성 코일 드라이버일 수 있는 기계적 드라이버 회로(116)에 의해 구동된다. 드라이버 및 경로 길이 변조기(114)의 타입은 변위 조정의 가장 높은 주파수에 의존하는데, 그 이유는 경로 길이 변조기(114)를 변위시키는 에너지는 이동하는 거울의 경우처럼 상기 경로 길이 변조기(114)의 질량과 관련되기 때문이다. 상기 거울 및 액추에이터는, 낮은 반사기 질량 및 이에 대응하는 더 빠른 거울 응답을 위해, 미세 전자 기계 시스템(micro electrical machined system)(MEMS)일 수 있다. 거울 사용으로 한정되지 않고, 다양한 다른 경로 길이 변조기를 이용하는 것이 가능하다.
도 2b는 액추에이터 전압을 단계적으로 발생시키는 제어기(117)를 도시하고 있으며, 상기 액추에이터는 각 심도에서 일시적으로 정지된다. 예를 들어, 증가되는 액추에이터 구동이, T1부터 T2까지의 더 긴 기준 경로 길이가 되는 경우, 액추에이터 전압은 도 1의 변위 위치(126a)에 대응하는 위치(202a)일 수 있고, 다른 전압(202b, 202c, 202d)은 고막에 인접한 위치(126b, 126c 및 126d)에 각각 대응할 수 있다.
도 3은, 단일 측정 출력을 제공하도록 배치된 부재를 구비하는 예시적인 OCT 고막 특성 평가 시스템(302)을 나타내고 있다. 자유 공간 옵틱(free space optics)(광섬유와 같은 도파관 내에 갇히지 않는 광학 에너지)의 경우, 도 1 및 3의 시스템 스플리터와 콤바이너(combiner)는 부분 반사 거울이다. 도 3에 도시된 주요 부재는 도 1의 동일한 기능을 갖는 부재에 대응한다. 기준 광학적 경로를 재배치함으로써, 상기 시스템의 부재들은 도시된 바와 같이 봉입되어도 된다.
본 발명의 일례에 있어서, 검출기(124)는 인가되는 전체 광 강도에 응답하고, 특성 응답을 갖는, 단일의 전체 파장의 광 검출기일 수 있다. 본 발명의 다른 예에 있어서, 검출기(124)는 각 반사된 광 파장이 개별적으로 검출될 수 있게 단일 파장 필터, 또는 색채 스플리터와 다수의 검출기 부재를 구비해도 된다. 도 4는 색채 검출기(124A)로 들어가는 조준된 광 에너지(122)를 나타내며, 여기서 광은 굴절 프리즘(124B)에 의하여 다른 파장들로 분할되고, 굴절 프리즘은 파장(λ1, λ2, λ3, λ4)을 선형 또는 2D 검출기(124C) 상에 분리하고, 이어서, 선형 또는 2D 검출기는 파장별로 반사된 광 에너지에 대한 강도 맵(intensity map)을 제공할 수 있게 된다. 파장의 개별적인 검출은, 파장 흡수의 식별 특성이 특정 타입의 박테리아 또는 고막 병리학에 특유한 경우, 유용할 수 있다. 검출기 응답의 스펙트럼은 보통은 수 mm를 웃도는 심도 측정 능력을 수반하는 OCT 시스템을 위한 적외선(IR) 범위 내에 있을 수 있는 반사된 광 에너지 응답에 맞추어져 있다. 본 발명에 대한 일례에 있어서, 여러 가지 생물학적 재료에 대한 검출기 스펙트럼 응답이 메모리에 기억되고, 복수의 광 검출기로부터의 응답의 중첩과 비교된다. 예를 들어, 귀지(earwax), 건강한 고막, 염증성 고막(출혈성 고막), 박테리아성 유체, 삼출성 유체, 및 점착성 유체의 광 반사 특성이 템플릿 메모리(template memory)에 기억되고, 데이터 입수의 축방향 심도에 걸쳐 측정된 고막 응답의 스펙트럼 분포와 비교되어도 된다. 그 다음, 기준 광 경로 길이의 범위에 걸치는 각 축방향 심도에서의 검출기 응답이 제어기에 의하여 템플릿 메모리 스펙트럼 패턴의 각각의 스펙트럼 특성과 비교될 수 있고, 상기 제어기는 각각의 파장 및 상기 템플릿 메모리의 콘텐츠마다 검출기 응답을 검사하여, 이러한 제어기의 결정에 기초한 측정 경로 반사를 제공하는 재료의 타입을 추정한다. 귀지에 대한 스펙트럼 패턴의 검출은 검출기 응답으로부터의 귀지 스펙트럼 응답의 감산을 가져올 수 있고, 및/또는 검출기 응답에서 귀지가 검출된 것을 사용자에게 표시할 수 있고, 사용자는 고막의 다른 영역에 측정 광 경로를 포인트시킴으로써 배제할 수 있게 된다.
광 간섭 단층 촬영의 축방향 분해능은, 광 파장의 비율이기 때문에, 촬상되고 있는 구조의 축방향 두께가 겨우 백 미크론 정도에 불과한 경우라도, 개별적으로 광 스펙트럼을 바탕으로 각각의 구조를 특성 평가하는 것이 가능하다. 상기 시스템의 축방향 분해능은, 측정 축을 따라 그리고 고막의 축방향 범위에 걸쳐 극히 좁은 광 비임에 높은 공간 에너지를 제공함으로써 개선될 수 있다.
도 5a와 도 5b는 시간에 걸쳐 고막의 위치를 검출하는 데 사용되기 위한 본 발명의 실시예를 나타내고 있다. 제어기(117)는 경로 길이 변조기에 의하여 사용하기 위한 삼각 파형(502)을 생성시키고, 상기 변조기는 광 에너지를 고막으로 지향시키고, 이는 고막 부근에 액체가 있을 수 있고, 상기 액체는 특정 점도를 가질 수 있으며, 상기 점도는 박테리아 감염의 진행 동안에 증가한다는 것이 알려져 있다. 박테리아 감염은 고막과 같은 막의 표면에, 특정한 광 반사 특성을 갖고, 생물학적 필름을 형성하는 것으로 알려져 있다. 광 신호는 외이도를 통하여 특성 평가될 고막으로 지향되고, 도 5b의 검출기 응답은 도 3의 제어기(117)에 의하여 검사된다. 제1 세트의 파형(509)은 시간 도메인 응답을 나타내는데, 이는 제1 반사 계면에서 고막에 의하여 제공되는 날카로운 반사 광 계면의 강한 반사에 연관된 초기 피크(507)를 포함하고, 고막 뒤의 액체도, 경사 페데스탈(508)로서 표시되고, 심도에 따라 감쇠되는 신호를 생성한다. 상기 경사 페데스탈(508)의 존재는 고막 뒤에 액체가 존재한다는 것을 표시한다. 이는 파형(522)의 피크 등, 정상적인 고막에 관한 제2 세트의 응답(511)과 대비될 수 있고, 고막 뒤에 반사 액체가 존재하지 않기 때문에, 비교적 좁고, 단축된 지속 시간(520)을 갖는다.
본 발명의 추가적인 실시예에 있어서, 고막 자체는, 경시적으로 변조되는 에어 퍼프(air puff) 또는 공기압 공급원 등의 외부 자극원에 의해 변조되어도 된다. 외부의 압력 자극원이 제공되면, 예컨대, 압력 자극이 고막의 1% 미만의 변위를 제공하도록 선택된 경우, 상기 피크 광 신호의 상대적인 시간적 위치는 고막의 위치를 나타내게 된다. 상기 시스템의 리프레시율(refresh rate)은, 종래의 초음파 장치의 음향이 아니라 광이기 때문에, 고막의 조회 속도는 경로 길이 변조기(114)의 변조율에 의해서만 한정되고, 이는 종래의 초음파 시스템보다 몇배 정도로 고속일 수 있다. 추가로, 광 간섭 측정에 의존하는 광학 시스템의 축방향 분해능은, 초음파 시스템의 축방향 분해능을 훨씬 상회하며, 이는 변환기 링다운(transducer ringdown)에 의해 지배된다. 게다가, 공기와 고막 사이의 음향 임피던스 경계(acoustic impedance boundary)가 아주 크기 때문에, 고막 너머의 기관까지의 초음파의 투과 심도는 매우 제한된다. 이와는 대조적으로, 공기로부터 고막까지의 광 굴절률(refraction ratio) 인덱스는 이 경계를 횡단한 초음파 굴절률 비보다 몇배나 낮고, 따라서, 계면에서의 광 에너지 손실이 더 적다. 광 침투는 주로 고막과 고막 계면 너머의 기관에 연관된 산란 손실에 의하여 주로 제한되고, 이러한 손실은, 부분적으로, 아주 높은 광 에너지를 사용함으로써 경감될 수 있으며, 이는 듀티 사이클의 변조로 펄스화되어, 고막에 인가되는 평균 전력을 합리적으로 평균 전력 범위 내로 유지한다.
도 6은, 광 간섭 단층 촬영 시스템(600)의 광섬유의 예를 나타내고 있다. 제어기(618)는 다양한 서브 시스템을 협조시키고, 이는 저-간섭성 소스(602)를 유효하게 하는 것을 포함하고, 상기 저-간섭성 소스는 광 에너지를 광섬유(604)에 연결하고, 상기 광섬유는 상기 광 에너지를 제1 스플리터로 전달하고, 그 다음 광섬유(608)로, 그리고 제2 스플리터(610)로 전달한다. 제2 스플리터(610)로부터의 광 에너지는 두 경로로 지향되는데, 하나는 길이(Lmeas)를 갖는 고막까지의 측정 경로(612)이고, 다른 하나는 길이(Lref)를 갖는 개방 반사 섬유 단부(619)에서 종단되는 기준 광 경로(617)이며, 이 광 경로(617)는 PZT 변조기(614) 주위에 감기는 광섬유를 포함하고, 이는 선택적으로 거울식으로 광택처리된 단부 또는 광 반사 단부로 될 수 있으며, 상기 PZT 변조기는, 자극 전압이 PZT에 인가되면 치수 형상과 직경을 변화시킨다. 상기 PZT 변조기(614)는, 상기 PZT 변조기(614)에 정현파 또는 구형파 자극이 공급되면, 직경을 증가 또는 감소시켜, 이에 따라 가변 길이(Lref)를 제공한다. 상기 PZT 변조기(614)는 또한 주파수 100Khz를 초과하는 고속 섬유 길이 변조가 가능하다. Lref 경로에서 광섬유의 길이를 급속하게 변화시키기 위하여 종래 기술에서 알려진 다른 섬유 길이 변조기가 사용될 수도 있으며, 상기 PZT 변조기(614)는 단지 참고적으로만 도시된 것이다. Lmeas 경로와 Lref 경로로부터 조합된 광 에너지는 상기 제2 스플리터(610)에 도달하여 상기 광섬유(608) 상에 복귀하여, PZT 변조기(614)로부터 반사되고 고막(650)으로부터 반사된 광 에너지의 합을 구성하게 된다. 조합된 광 에너지는 제1 스플리터(606)로 가는 경로(608)를 따라, 광섬유(620)를 통과하여, 검출기(622)까지 진행하고, 여기서 간섭성 광 에너지는 중첩 및 감산되어 그에 따라 검출기(622) 출력을 형성하고, 분석을 위하여 제어기(618)로 공급된다. 상기 제어기(618)는 또한, 도 5a의 전압 또는 전류 파형(502)과 같은 상기 PZT 변조기 자극 전압(616)을 생성하고, 또한 상기 저-간섭성 소스(602)를 유효하게 하는 신호를 생성시켜, 상기 검출기(622) 응답의 분석을 실시할 수 있고, 상기 검출기(622) 응답은 검출기(622)의 파장 응답에 걸치는 단일 강도의 값, 또는 도 4의 센서에 의해 제공되는 개별 파장 출력일 수 있다. 상기 제어기는, 상기 Lref 변조 기능과 조합되어 검출기 응답에 작용하고, 액체가 고막에 인접하여 존재할 가능성에 상관될 수 있는 삼출 계량값을 결정하고, 또 고막에 인접하는 액체의 점도의 표시값을 제공한다.
도 7은 도 6에서 이어지는 도면으로서, 바람직하게는 고막에 인가하기 위하여 50 데카-파스칼(daPa)을 밑도는 피크 압력으로 음성 코일 작동기 또는 다른 압력원에 의하여 작동되는 미세한 압력 변화를 전달하는 외부 고막 자극 생성기(704)를 수반한다. 상기 PZT 변조기(614)에 의한 기준 경로 길이의 변조는, 상기 자극 생성기(704)의 상기 고막 자극 생성기(704)의 최고 주파수 콘텐츠를 적어도 2배 초과하는 비율이며, 나이키스트(Nyquist) 샘플링 요건을 만족한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 기준 경로 길이는 연속적으로 작동되는 제1 변조기와 제2 변조기에 의하여 변조되고, 여기서 제1 변조기는 크지만 비교적 느린 기준 경로 길이 변화를 제공하고, 제2 변조기는 작지만 비교적 빠른 기준 경로 길이 변경을 제공한다. 이러한 방식으로, 상기 제1 변조기는 OCT 검사의 영역을 고막 주위에 중심을 둔 관심 영역 안에 둘 수 있도록 하고, 상기 제2 변조기는 상기 경로 길이를 빠르게 변경할 수 있어서, 압력 자극에 응답하여 고막 이동의 추정을 위하여, 경로 길이의 신속한 변경(및 그에 따른 높은 샘플링 비율)을 제공하는 것이 가능하다.
도 1과 도 3에서는 도면 부호 115, 도 6과 도 7에서는 도면 부호 650으로 도시된 고막에서는, 고막은 원위 꼭지점(도 1과 도 3의 119, 도 6과 도 7의 651)을 갖는 원뿔 형상을 가짐을 알 수 있고, 이는 이비인후학에서는 "광의 원뿔(cone of light)"로 알려져 있고, 이는 임상 검사 중, 입사 광 에너지에 대한 법선 표면을 제공하는 고막의 유일한 영역이기 때문이다. 마찬가지로, 선행 기술의 시스템의 초음파 소스(ultrasonic source)를 사용할 때, 상기 광 영역의 원뿔은 의미있는 반사된 신호 에너지를 제공하는, 고막의 유일한 부분이다. 본 발명의 광학 시스템은 상기 표면으로부터 반사된 광 에너지에 작용하고, 이는 산란된 광학 에너지를 위해, 입사 광에 대하여 법선 방향일 필요는 없고, 따라서 종래의 초음파 시스템에 비하여 우수한 다른 이점을 제공한다.
도 8a는 100 daPa(데카 파스칼)p-p에 의해 고막 또는 표면 압력의 국소 영역을 변조시키기에 충분한 체적을 변위시키는 음성 코일 다이어프램 액추에이터를 사용하여 인가되는 정현파 파형(821) 등, 고막에 인가되는 자극 발생기(704)로부터의 예시적 정현파 압력 자극을 나타낸다. 아가청(20Hz를 밑도는) 주파수는, 자극 표면 주위의 국소 영역을 밀봉할 것을 요구할 수 있는 한편, 가청 주파수(20Hz 내지 20kHz의 범위) 및 초가청 주파수(super-audio frequencies, 20kHz를 상회하는)는 특성 평가될 고막까지 이르는 외이도를 밀봉하지 않고, 발생기(704)로부터의 가청파로서 충분히 전파될 수 있다. 상기 정현파 압력 자극(821)은, 상기 표면의 변조를 초래하고, 이는 플롯(832)으로 도시되어 있고, 표면 위치에 있어서의 변조는 동일한 양의 관련지어진 Lref 경로 길이의 변화에 대응한다. 파형(832)의 각각의 이산된 원(circle)은, Lref 경로 길이 및 고막 위치의 변화에 대응하는, OCT 측정 시스템(700)으로부터의 샘플 점을 나타내며, 각 점(332)은 이러한 하나의 샘플을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 일련의 정현파 변조 자극(821) 주파수가 인가되고, 각각 상이한 주기(822)를 수반하여, 응답(830)의 지연 및 Lref의 피크 변화는 조합하여 사용되며, 고막의 연성 혹은 탄성, 유체 점도, 또는 다른 고막 혹은 유체 특성을 추정한다. 본 실시예에 있어서는, 고막의 변위와 기준 경로의 경로 길이의 관련지어진 변화의 사이에는 1:1 관계가 존재하여, 피크 응답으로 나타난다. 예를 들어 도 5b의 스케일이 0, -0.5mm, -1mm, -0.5mm, 0mm, 0.5mm 등의 순서라면, 이는 이들과 동일한 거리만큼의 고막의 대응 변위를 나타낸다. 플롯(832)으로 도시된 바와 같이, 다양한 사이클 시간(822)을 수반하여 일련의 가청 및 아가청(sub-audio) 톤(tone)을 인가하고, Lref의 변화를 측정함으로써, 고막의 변위를 추정하고 또한 고막 뒤에 있는 유체의 점도 또는 탄성 등의 주파수 의존 특성을 추출하는 것이 가능하다. 예를 들어, 유체의 변화된 밀도 또는 점도와 관련지어진 예시적인 탄성 계량값 측정은 단계적 변화(step change)에 관한 표면이나 막 응답 시간(874)의 관련지어진 변화 또는 정현파 주파수에 관한 위상 지연(830)일 수 있다. 이런 방식으로, 표면의 주파수 도메인 응답은 일련의 자극(821)을 사용하여 일련의 표면 응답(832)을 측정함으로써 이루어질 수 있다. 도 6 및 도 7의 기준 경로 변조기(614) 또는 도 3의 거울(114)은, 상기 고막을 포함하도록 상기 기준 경로 길이의 중심을 맞추어, 제1 경로 길이 변조기와, 기준 경로 길이를 급속히 변동시키고 고막의 축방향 이동의 적절한 샘플링을 제공하는, 제2 경로 길이 변조기를 포함해도 된다.
도 8a는 그와 같은 일련의 자극에 의해 제공되고, 일련의 측정으로부터 표면 변위의 위상 대 주파수 응답 플롯을 발생시킬 수 있는, 정현파 자극을 도시하고 있는 반면, 도 8b는 도 8a의 시간 도메인 스텝 응답 균등물을 도시하고 있으며, 여기서 50 daPa 피크의 표면 스텝 압력 자극(862)이 고막에 인가되고, 이는 측정된 고막 변위 시퀀스(872)를 발생시킨다. 마찬가지로 변위 응답 플롯(872)을 위한 시간 지연(874) 및 진폭 응답(0.5 mm로 도시됨)에 기초하여 표면 응답을 특성 평가하는 것도 가능하다.
본 발명의 일 실시예에서는, 적외선 범위 소스와 같은 별도의 저-간섭성 광원(102 또는 602)이 투과 심도를 증가시키기 위해 사용되고, 또한 별도의 가시성 소스(도시되지 않음)가 고막 상에 측정 광학 경로를 지시하면서 특성 평가되고 있는 고막의 영역을 나타내기 위해 동축 방향으로 사용된다. 상기 광원(102 또는 602)은 산란을 감소시키고, 그에 따라 투과의 부가적인 심도를 제공하는, 적외선 소스여도 된다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서는, 상기 저-간섭성 광원(102 또는 602)은 가시성 광원이며, 이에 따라 착안할 고막 영역의 조명과, 또 전술한 바와 같이 고막의 변위 측정의 양쪽을 모두 제공한다.
본 실시예는, 본 발명을 이해하기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 각종 방법에 있어서, 광 에너지 전파를 위한 다른 타입의 도파관 및 다른 광원, 광 검출기, 그리고 기준 경로 길이(Lref)를 변조시키는 방법을 사용하여, 실시될 수도 있음을 인식해야 한다. 본 발명의 범위는 이하의 청구 범위에 의해 설명된다.

Claims (23)

1. 재료의 특성화를 위한 방법으로서,
   (a) 압력 자극을, 공기를 통해, 상기 재료의 또는 상기 재료에 인접한 하나 또는 그 이상의 막에 지향시키고, 상기 압력 자극은 상기 막에 이르는 외이도를 밀봉하지 않고 제공되는 단계와,
   (b) 측정 경로를 따라 제1 광 에너지를 지향시키고, 상기 측정 경로는 상기 막을 횡단하고, 상기 제1 광 에너지는 상기 재료와 상호 작용하는 단계와,
   (c) 기준 경로를 따라 제2 저-간섭성 광 에너지를 지향시키는 단계와,
   (d) 상기 제1 광 에너지가 상기 재료와 상호 작용하고 또한 상기 제1 및 제2 광 에너지가 상기 측정 경로 및 기준 경로를 각각 횡단한 후, 검출기에서 상기 제1 광 에너지와 제2 광 에너지를 조합하여, 상기 조합된 제1 및 제2 광 에너지가 상기 검출기에서 검출기 응답을 발생시키게 하는 단계와,
   (e) 상기 압력 자극에 반응하여, 상기 검출기 응답으로부터 막 계량값을 결정하고, 상기 막 계량값은 상기 재료의 탄성 또는 점도 중 적어도 하나를 포함하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 재료는 유체를 포함하는, 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 막 계량값은 상기 검출기 응답의 폭, 상기 검출기 응답의 페데스탈 폭, 또는 상기 검출기 응답의 반사 파장 프로파일 중 적어도 하나에 기초하는, 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 검출기 응답은 파장 의존형 응답을 포함하고, 선택적으로 상기 파장 의존형 응답을 적어도 하나의 알려진 재료의 템플릿 응답과 비교하는 단계를 더 포함하는, 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 자극은 에어 퍼프를 포함하는, 방법
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 자극은 충동 자극을 포함하는, 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력 자극은 주기적 자극을 포함하고, 선택적으로 상기 주기적 자극의 주파수는 20 Hz 내지 20 kHz의 범위 내에 있는, 방법.
8. 재료의 측정을 위한 시스템으로서,
   (a) 공기를 통해, 상기 재료의 또는 상기 재료에 인접한 하나 또는 그 이상의 막으로 지향되는 압력 자극을 발생시키도록 구성되고, 상기 압력 자극은 상기 막에 이르는 외이도를 밀봉하지 않고 제공되는, 자극 발생기와,
   (b) 기준 경로 및 측정 경로를 따라 광 에너지를 지향시키도록 구성되고, 상기 기준 경로는 상기 재료를 가로지르는, 간섭계 및
   (c) 상기 간섭계로부터 검출기 신호를 수신하고 이에 응답하여 계량값을 결정하도록 구성되고, 상기 계량값은 상기 재료의 점도 또는 탄성 중 적어도 하나를 포함하는 제어기
   를 포함하는, 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 계량값은 상기 검출기 응답의 폭, 상기 검출기 응답의 페데스탈 폭, 또는 상기 검출기 응답의 반사 파장 프로파일 중 적어도 하나에 기초하는, 시스템.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 재료는 유체를 포함하는, 시스템.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 계량값은 검출기 응답 폭, 페데스탈 폭, 또는 반사 파장 프로파일 중 적어도 하나에 기초하는, 시스템.
12. 제 8 항에 있어서,
    상기 압력 자극은, 에어 퍼프를 포함하는, 시스템.
13. 제 8 항에 있어서,
    상기 간섭계는 광원을 포함하며, 또한 선택적으로, 상기 광원은 발광 다이오드를 포함하는, 시스템.
14. 제 8 항에 있어서,
    상기 간섭계는 광대역 검출기를 포함하며, 또한 선택적으로, 상기 검출기는, 각각이 고유의 파장 범위에 응답하는 다수의 출력을 발생시키도록 구성되는, 시스템.
15. 제 8 항에 있어서,
    상기 간섭계는 광 에너지를 상기 기준 경로 및 측정 경로로 분할하는 제1 스플리터, 및 상기 기준 경로와 측정 경로를 조합하는 제2 스플리터를 포함하며, 또한 선택적으로, (i) 상기 제1 스플리터 및 상기 제2 스플리터는 부분 반사 거울을 포함하거나, 또는 (ii) 상기 제1 스플리터 및 상기 제2 스플리터는 광섬유를 포함하는, 시스템.
16. 제 8 항에 있어서,
    상기 기준 경로의 길이 또는 상기 측정 경로의 길이는, (i) 거울에 결합된 전압 또는 전류 제어형 액추에이터를 사용하여 변조되거나, 또는 (ii) 광섬유에 결합된 PZT 액추에이터를 사용하여 변조되는, 시스템.
17. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어기는 하나 이상의 다수의 알려진 생물학적 재료 중 하나의 템플릿 응답을 기억하는 메모리를 포함하고, 또한 선택적으로 상기 템플릿 응답은 귀지, 건강한 고막, 염증성 고막, 박테리아성 유체, 삼출성 유체, 또는 점착성 유체 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
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