KR20010110420A

KR20010110420A - 내시경 진단용 자가 형광 영상화 시스템

Info

Publication number: KR20010110420A
Application number: KR1020017009361A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 에프. 주니어 풀검
Original assignee: 추후제출; 뉴턴 래보러토리스, 인코포레이티드
Priority date: 1999-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2001-12-13
Also published as: NZ513117A; US7846091B2; CN1341003A; DE60024059D1; AU3349200A; CA2359637A1; JP5088990B2; WO2000042910A1; US20020161282A1; EP1148810A1; EP1632173B1; EP1632173A1; US20110213252A1; ATE309739T1; WO2000042910A9; NZ529432A; US8764643B2; DE60024059T2; JP2002535025A; EP1148810B1

Abstract

비디오 내시경을 통해 조직의 자가 형광을 영상화하기 위한 시스템 및 방법을 개시한다. 그러한 시스템은 조직의 자가 형광을 유도할 수 있는 자외 광과 자가 형광을 거의 또는 전혀 유도하지 않는 가시 광의 양자를 제공할 수 있는 광원, 양자의 파장 대역을 동일한 겉보기 공간 및 각 방향 광도 분포로 조직에 전송하는 광학 시스템, 내시경의 말단 측 선단부에 있는 단일의 영상화 기준을 사용하여 결과적으로 생긴 가시 형광 영상 및 가시 반사 영상을 디지털 방식으로 얻기 위한 수단, 및 그러한 영상을 디지털 방식으로 처리하여 조직 이형성증의 부위를 지시하는 표시를 하기 위한 최종적인 위색채 영상을 생성하는 수단으로 이루어진다. 그러한 시스템은 기존의 비디오 내시경에 부속되거나 아니면 그 구조 중에 통합될 수 있다. 결합된 시스템은 정규 백색 광 영상화와 형광 영상화와의 사이에서 전자적으로 절환될 수 있다.

Description

내시경 진단용 자가 형광 영상화 시스템{AUTOFLUORESCENCE IMAGING SYSTEM FOR ENDOSCOPY}

진전된 단계의 암은 효과적으로 치료하기 곤란하므로, 이형성증(dysplasia) 또는 암종(carcinoma)과 같은 전암(前癌) 단계에서 암을 발견하는 것이 중요하다. 현재, 암의 조기 발견을 위해 가장 널리 이용되는 방법은 내시경을 통한 시각 검사인데, 그것은 이형성증과 관련된 조대한 구조적 변화를 인지하는 것에 의존하는 방법이다. 그러한 시각 검사는 궤양성 대장염 및 바레트 식도와 같은 평면형 이형성증의 표면 손상을 발견하는데는 덜 효과적이다. 그 경우, 그러한 손상을 감시하려면 생체 검사를 위한 대표적 위치를 선택하여 후속적으로 조직학적 분석을 하는 것이 필요하다. 그러나, 그와 같이 검사될 수 있는 것은 결장과 같은 넓은 표면의 단지 매우 작은 일부일 뿐이고, 작은 면적의 이형성증은 발견되지 않을 수도 있다. 평면형 이형성증을 발견하기 위한 보다 더 효율적인 방법이 있다면, 암 발병률, 사망률, 및 비용을 감소시키는 중요한 수단을 제공하게 될 것이다.

내시경 검사를 하는 동안에 이형성증을 발견하기 위한 유망한 기법은 적절한 파장의 광으로 조직을 조명하여 그 결과로 생긴 형광을 관찰하는 것과 관련되어 있다. 조직 형광은 여기 조명보다 더 긴 파장에서 발생되고 전형적으로 여기 조명보다는 매우 약하기 때문에, 그것을 검출하려면 일반적으로 분광 기법이 필요하다. 형광 정보를 이용하는 진단법은 크게 2개의 군으로 구분될 수 있다. 제1 군의 방법은 환자에 투여되어 종양 조직에 축적된 약물로부터 나오는 형광을 관찰하는 것이다. 제2 군의 방법은 조직 그 자체에 타고난 물질로서, 조직이 이형성일 때에 그 상대 농도가 변하는 물질로부터 발생되는 내생적 형광(endogenous fluorescence) 또는 자가 형광(autofluorescence)을 관찰하는 것이다. 그러한 2개의 일반적인 형광 진단법 중에서, 사전에 약제를 도포할 것을 필요로 하는 제1 방법은 보다 더 위해하다. 그러한 약제의 도포는 추가의 시간을 들게 하고, 불리한 부작용을 일으킬 잠재성을 수반한다. 자가 형광 검출에 의거한 방법은 덜 위해하고, 집단 검진용 내시경 검사에 더욱 적합하다.

예컨대, 정상의 결장 조직은 370 ㎚의 자외선으로 조명하였을 때에 도 1에 도시된 바와 같이 450 ㎚의 피크를 수반하는 넓은 청색 형광을 나타낸다. 그러한 형광은 결합 조직의 1차 단백질인 콜라젠(collagen)에 기인한 것인데, 그러한 콜라젠은 얇은 점막 층 내에서 발견되고 점막 하층의 주성분이기도 하다. 이형성 결장 조직의 형광은 그 구조 및 화학 성질의 변화로 인해 주어진 동일 조명에서 전형적으로 1/2 내지 1/3로 그 광도가 감소된다. 자외 여기 광 내지 자색 여기 광에 의해 생성되는 청녹색 가시 자가 형광에서의 그러한 감소는 이형성 조직의 1차 지표로서 확인되었다. 600 ㎚의 형광에 비해 680 ㎚의 상대 형광이 증가되는 것은 이형성증의 2차 지표이다.

자가 형광을 검출하는 진단 기구는 2개의 일반 군으로 구분될 수 있다. 제1 소군은 광섬유 프로브를 사용하여 조직에 대해 실질적으로 점측정(point measurement)을 실행하는 기구를 포함한다. 제2 소군은 상세한 2차원 영상을 생성하는 기구를 포함한다. 점검출(point detection) 기구는 조직에 대한 더욱 완벽한 분광 정보를 제공하는 이점이 있지만, 큰 조직 영역을 정기적으로 집단 검진하기에는 너무 느리고, 작은 부위의 이형성증을 놓칠 수도 있다. 결장과 같은 큰 조직 영역의 집단 검진에는 형광 영상화 내시경이 더욱 적합하다.

관심 대상의 부위에 도포된 형광 표지자의 농도를 감지하도록 설계된 형광 영상화 시스템은 상대적으로 높은 형광 수준을 측정하도록 최적화된 것으로서, 본래부터 약한 자가 형광을 측정하는데 필요한 추가의 기구상의 특징을 나타내고 있지 않다. 특히, 그러한 시스템은 여기 조명에 대한 충분한 대역외 필터링을 제공하여 그 광도가 전형적으로 여기 광도에 비해 1000배 이상 감소되는 자가 형광을 효율적으로 측정할 수 있도록 하는 방법을 행하지 못한다.

자가 형광을 측정하도록 특별히 설계된 형광 영상화 내시경은 선택된 여기파장 및 자가 형광의 광도 감소의 정도를 정량화하기 위한 방법을 기준으로 하여 다시 몇 개의 군으로 구분될 수 있다. 그러한 설계 사양은 예컨대 영상화 시스템의 필요 개수, 기구의 광기계적 복잡성, 및 실제 사용 시의 기구의 취급 특징에 영향을 미치기 때문에 기구에 대한 상업적 고려와 직접 연관되어 있다.

기존의 형광 영상화 내시경 시스템은 여기 파장용으로 440 ㎚ 부근의 청색 가시 광을 사용하고, 그 결과 약 500 ㎚의 형광 피크가 나타나게 된다. 그러한 기구는 442 ㎚의 헬륨/카드뮴 레이저를 휘도가 높고 제어가 용이한 여기 광원으로서 사용한다. 그것은 헬륨/카드뮴 레이저의 고비용으로 인해 상업 기구의 광원으로서는 비실용적이다.

다수의 카메라 및 기계적으로 스위칭된 광학 부품 및/또는 필터는 밀집된 영상화 섬유 관속(管束; fiber bundles)을 기초로 한 내시경의 사용을 필요로 하므로, 카메라 및 필터는 그것을 수용할 공간이 있는 내시경의 기부 측 단부에 위치될 수 있다. 밀집된 영상화 섬유 관속은 상당한 광 손실을 가져오고, 현재 비디오 내시경으로 얻을 수 있는 것만큼 선명한 영상을 제공하지 못한다.

본 발명의 전부 또는 일부는 미국 국립 보건원(National Institute of Health), 승인 제R44CA72626호, "결장 이형성증의 영상화를 위한 형광 분광계(Imaging Spectrofluorimeter for Colonic Dysplasia)"로부터 교부된 보조금에 의해 후원되었다. 미국 정부는 본 발명에의 일정 권리를 소유한다.

본 출원은 1999년 1월 26일자 미국 특허 출원 제09/238,664호의 부분 연속 출원인 1999년 7월 28일자 미국 특허 출원 제09/362,806호의 부분 연속 출원이고, 그 양 출원의 내용은 모두 본 출원에 참조로 포함된다.

도 1은 370 ㎚의 적외선으로 여기한 것에 의거한 정상 결장 조직 및 이형성 결장 조직의 형광 분광을 나타낸 그래프이고,

도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 광섬유 전송 프로브 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이며,

도 3은 별개의 광섬유 광 도파관을 사용하여 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경의 생체 검사 채널을 통해 자외 여기 광을 전송하는 본 발명의 형광 영상화 내시경의 실시예를 개략적으로 나타낸 선도이고,

도 4는 출력 영상의 생성을 위한 흐름도이며,

도 5는 본 발명에 따른 영상 획득 과정, 분석 과정, 및 표시 과정을 위한 타이밍 차트이고,

도 6a 내지 도 6c는 각각 본 발명에 따른 펄스 전류의 함수로서 나타낸 수은 아크 램프로부터의 자외 출력의 그래프이며,

도 7은 본 발명에 따른 컴퓨터 제어식 펄스 램프 전원을 개략적으로 나타낸 선도이고,

도 8a 내지 도 8d는 각각 본 발명에 따른 펄스 광원의 광기계 소자의 상세도이며,

도 9a 내지 도 9c는 각각 본 발명에 따라 사용되는 광 전송 섬유의 구성을 나타낸 도면이고,

도 10a 및 도 10b는 각각 별개의 광섬유 광 도파관을 사용하여 컬러 CCD 비디오 내시경의 생체 검사 채널을 통해 자외 여기 광을 전송하는 영상화 시스템의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 선도이며,

도 11a 내지 도 11d는 각각 자외 투과 조명 도파관을 내시경 중에 통합시키고 외부 자외 여기 광원을 어댑터 모듈에 의해 표준 백색 광원에 연결한 영상화 시스템의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이고,

도 12는 여기 광원과 백색 광원을 자외 투과 조명 도파관에 적합한 내시경용 조명 시스템 중에 완전히 통합시킨 영상화 시스템의 바람직한 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이며,

도 13a 및 도 13b는 각각 조명 및 집광 내시경 영상화 시스템의 다른 바람직한 실시예를 나타낸 도면이다.

본 발명은 영상화 내시경에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 이형성증의 상피 조직으로부터 핵심 부위까지의 자가 형광을 영상화하기 위한 내시경 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 이형성 조직을 발견하기 위한 시스템은 결장, 식도, 구강, 경부, 및 폐에서 발견되는 것과 같은 점막 조직의 자가 형광을 이용한다. 본 발명의 내시경용 형광 영상화 시스템은 선택된 구역의 여기 광 파장 및 형광 정규화 방법을 사용한다. 그러한 사양은 백색 광과 형광의 양자의 영상화를 위한 비디오 내시경의 말단 측 선단부에 있는 비집약적인 하나의 영상화 기준(imaging detector)를 요하는 개선된 내시경에 제공되는 것이다. 영상화 기준은 CMOS 영상화 시스템, 전하 결합 장치(CCD), 또는 가시 광 구역 및 적외선 구역에서의 검출이 가능한 기타의 소형 2차원 영상화 센서와 같은 특이한 집적 회로로 될 수 있다.

본 발명의 시스템은 내시경 자체 내에 이동 부품을 필요로 함이 없이 백색 광 시각화 방법과 형광 시각화 방법간의 이쪽저쪽으로 전자적인 절환을 할 수 있게 된다. 내시경의 기부 측 단부에서 카메라 및 영상화 광학 기기를 제거함으로써 그 취급 특성이 현저히 개선된다. 컴퓨터에 의거한 영상화 시스템은 예컨대 10 ㎐ 이상의 재생 속도로 조직의 정량적 영상이 표시될 수 있도록 한다. 바람직한 실시예는 이형성증이 있을 가망성이 높은 영역을 지시하는 쉽게 볼 수 있는 위색채(false color) 오버레이를 사용한다. "위색채"가 의미하는 것은 각각의 화소의 특정 수준의 형광 광도에 색상 명암도가 배정된다는 것이다. 데이터 처리 시스템은 주어진 유형의 조직 조건에 적합한 색상계를 제공하도록 프로그램밍될 수 있다. 그러한 시스템은 컬러 휠(예컨대, 단색 CCD를 사용하는) 비디오 내시경과 함께 또는 컬러 영상화 센서 내시경과 함께 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서는 Wang 등의 1998년 1월 26일자 미국 특허 가출원 제60/072,455호에 개시된 바와 같이 근 자외선(near ultraviolet light)이 여기 파장으로서 선택된다. 그와 같이 300 내지 420 ㎚의 구역에서 선택함으로써 조직과 영상화 기준와의 사이에 추가의 필터를 마련할 필요성이 감소되거나 없어지는데,그것은 비디오 내시경에 사용되는 것과 같은 표준 전자 영상화 센서가 여기 광에 둔감하게 된다는 사실에 기인하는 것이다. 영상화 기준이 그에 대해 매우 민감하게 되는 적색 가시 광은 기준 영상을 얻으려는 목적으로 조직을 조명하기 위해 선택된다. 그러한 기준 광은 여기 광과 동일한 광 도파관(optical guide)을 통과하여 여기 광과 동일한 정규화 공간 분포 및 각 방향 분포로 조직을 조명하게 된다. 반사된 영상에 사용되는 광 및 형광 영상에 사용되는 광의 공간 광도와 각 방향 분포를 상호 연관시킴으로써 더욱 정확하고 진단상으로 유용한 영상화 시스템이 제공된다. 그러한 본 발명의 시스템은 기준 영상이 형광 영상을 정규화시키는데 사용되어 형광 광도의 국부적 감소를 정확하게 정량화시킬 수 있도록 한다. 다른 바람직한 실시예에서는 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경을 사용하여 기준 광과 여기 광을 순차적으로 인가하게 된다. 또 다른 바람직한 실시예에서는 컬러 CCD 비디오 내시경을 사용하여 형광 여기 광과 기준 광을 동시에 인가하게 된다.

비디오 결장경(colonoscope)의 제3 컬러 채널을 사용하여 추가의 기준 영상을 얻을 수 있다. 그러한 영상을 얻기 위해 조직 상으로 지향되는 기준 광은 자외선 여기 광에 의해 유도된 형광 분광에 가까운 중심 파장과 대역 폭을 수반하는 주로 청색의 색상으로 된다. 화소 대 화소를 기준으로 한 적색 기준 영상 R 에 대한 그러한 청색 기준 영상 B 의 B/R 비는 고유의 형광이 조직으로부터 나와서 영상화되기 전에 영상화된 조직의 어느 영역에서 화학 종(주로 헤모글로빈)이 그러한 고유의 형광의 일부를 흡수하였는지를 확인시켜 준다. 적색 기준 영상 R 에 대한 형광 영상 F 의 F/R 비를 얻음으로써 결과적으로 화소 대 화소를 기준으로 하여 이형성증과 같은 비정상 조직이 관심 대상의 영상화된 영역 중에 존재하는 지의 여부를 판정하는데 사용될 수 있는 2개의 파라미터, F/R 및 B/R이 제공된다.

본 발명의 전술된, 그리고 기타의 목적, 특징, 및 장점은 상이한 도면의 전체를 통해 동일한 도면 부호가 동일한 부분을 지시하고 있는 첨부 도면에 도시된 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 이후의 보다 더 상세한 설명으로부터 명확하게 파악될 것이다. 첨부 도면은 반드시 일정한 축척으로 도시된 것은 아니고, 그 대신에 본 발명의 원리를 예시하는데 중점을 둔 것이다.

본 발명은 이형성증의 상피 조직으로부터 핵심 부위까지의 자가 형광을 영상화하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 조직 자가 형광영상화 시스템은 내시경 자체를 개조함이 없이, 그리고 단지 내시경의 가시 광원의 광로에 단지 셔터만을 추가하여 가장 간단한 형태로 기존의 비디오 내시경 시스템 상에 부가될 수 있다는 점에서 선행 기술을 개선하고 있다. 즉, 내시경의 취급 특성이 현재 시판 중인 형광 영상화 시스템에 요구되는 바와 같이 기부 측 단부에 영상 증강 장치 및 외부 카메라를 부가함으로 인해 악영향을 받는 일이 없게 된다. 풀 컬러의 정규 가시 광 영상화와 형광 영상화간의 절환은 역시 현재의 시스템에 요구되는 바와 같이 임상 의사에 의한 물리적 조작에 의하기보다는 전자 스위치에 의해 이루어진다. 결과적으로 얻어진 형광 비디오 영상은 영상 중에서 조직으로부터의 형광이 정상 조직으로부터의 형광에 비해 감소된 영역이 어디인지를 위색채 오버레이가 지시하고 있는 친숙한 가시 광 영상(계조로 된)으로 임상 의사가 보는 진단 영상이 구성되도록 컴퓨터에 의해 처리된다. 그러한 영상은 현재의 시스템에 의해 제공되는 조합된 적색/녹색 비처리 형광 영상보다 훨씬 더 해석하기 쉬운데, 특히 적록 색맹인 임상 의사의 경우에 더욱 그러하다.

본 발명의 시스템은 단지 내시경의 말단 측 단부에 있는 단일의 영상화 기준만을 사용하여 정규 컬러 영상, 형광 영상, 및 가시 기준 영상을 얻는다. CCD 카메라가 그에 대해 둔감하거나 고정 필터를 사용하여 그에 대해 둔감하게 될 수 있는 자외 파장으로부터 짙은 자색 파장에 이르는 형광 야기 광을 사용함으로써 말단 측 단부에 카메라를 사용하는 것이 가능하게 된다. 그에 의해, 결과적으로 생기는 청색 파장으로부터 적색 파장에 이르는 조직 자가 형광의 광대역 집광이 허용되고, 그 결과 추가의 영상 증강을 필요로 함이 없이 효과적 비디오 신호를 얻는데 충분한 광이 생성된다. 그러한 형식의 형광 영상화는 "형상 영상화 내시경(Fluorescence Imaging Endoscope)"라는 제하의 Wang 등의 1999년 1월 26일자 미국 특허 출원 제09/238,664호에 의해 생체 중에서 행해진 바 있는데, 그 출원의 모든 내용은 본 출원에 참조로 포함된다.

선행 기술의 형광 영상화 시스템은 매우 약한 적색 파장의 형광을 영상화하여 청녹색 파장에서 얻어진 형광 영상과 비교하기 위한 영상을 제공하는데 의존하였다. 사용 가능한 적색 형광 영상을 제공하는데는 특히 추가로 영상을 증강시키는 것이 필요하다. 본 발명의 자가 형광 영상화 시스템 및 그 방법은 기준 영상을 얻기 위한 목적으로 추가의 적색 가시 광 조명을 조직에 공급함으로써 그러한 영상 증강에 드는 비용 및 어려움을 회피하고 있다. 그러나, 효과적이기 위해서는 자외 여기 광과 기준 광이 공통의 광 도파관을 통해 조직에 전송되어 동일한 각 방향 분포로 된 동일한 조명 개구로부터 나와야 한다. 그것은 여기 광 및 기준 광의 광학 기기의 세심한 설계를 필요로 한다. 기준 영상의 처리는 형광 영상에서는 일어나지 않는 가시 검경 반사와 같은 인위적 산물을 제거하기 위해 히스토그램 분석과 같은 다른 특징을 포함하게 된다.

본 발명에 따른 시스템의 특징은 자가 형광 영상화 시스템과 결합되는 내시경에 의존하여 몇 가지 상이한 형식으로 조합될 수 있다. 그러한 특징 중의 일부는 임상 의사가 기술을 채택하는 단계에서 내시경 자체 중에 내장될 수도 있다.

바람직한 실시예에서는 여기 조명과 기준 조명이 동일한 아크 램프 광원에 의해 발생되어 내시경의 생체 검사 채널을 통과하는 동일한 광섬유 프로브를 통해조직에 전송된다. 다른 실시예에서는 여기 광이 독립된 광원에 의해 발생되고, 다만 표준 자외 흡수 유리 관속에 대한 대체물로서 내시경 중에 내장된 자외 투과 조명 관속을 통해 조직에 전송된다. 기준 조명은 주로 청색인 형광의 영상화를 방해할 수 있는 청색 파장 및 적색 파장의 광을 흡수하는 적색 대역 필터에서의 스위칭에 의해 정규 백색 광 조명원으로부터 유도될 수 있다. 짙은 적색 광원 또는 근 적외 광원(예컨대, 670 ㎚ 이상의)은 정규 가시 조명에 영향을 미침이 없이 사용될 수 있고, 2색 소자와 결합되어 공통의 광로를 따라 전송될 수 있다. 또 다른 실시예에서는 표준 백색 광 조명원과 결합되어 자외 투과 광섬유 조명 관속을 구비한 내시경을 통해 조직에 전송될 수 있다. 자외선, 청색, 녹색, 및 적색의 4색을 생성하도록 회전 휠 광원을 개조하여 형광 영상화와 가시 광 영상화를 실행할 수도 있다.

도 2a 및 도 2b는 여기 광과 가시 기준 광이 별개의 광섬유 프로브를 통해 조직에 전송되는 바람직한 실시예의 전체적인 부품을 나타낸 것이다. 광섬유 프로브(200)는 그 선단이 최종적으로 내시경(204)의 말단 측 선단부에 또는 그 부근에 놓여지는 상태로 표준 비디오 내시경(202)의 생체 검사 채널을 통해 통과된다. 임상 의사가 풋스위치(footswitch; 206)를 누르면, 내시경의 광원 및 비디오 프로세서(208)로부터의 정규 백색 광 조명이 셔터에 의해 오프로 절환된다. 그러한 백색 광은 내시경의 말단 측 선단부에 있는 2개의 광섬유 포트(210, 212)를 통해 정규적으로 조직을 조명한다. 그와 동시에, 여기 및 기준 조명원(214)에 있는 상보적인 셔터가 온으로 절환되어 여기 및 기준 광이 광섬유 프로브(200)를 통과할 수 있게된다. 여기 및 기준 광은 광섬유 프로브(216)로부터 나와 조직(218)을 조명한다. 비디오 영상 검출 시스템(220)은 결과적으로 생긴 형광 영상 신호 및 기준 영상 신호를 다시 내시경(202)을 통해 비디오 프로세서(208)로 전송하고, 그 비디오 프로세서(208)에서는 형광 영상 신호 및 기준 영상 신호가 국립 텔레비전 표준 위원회(National Television Standards Committee; NTSC) 비디오 포맷에 따른 표준 R, G, B의 상이한 컬러 채널 R 및 B로 변환된다. 그러한 2개의 채널은 컴퓨터 시스템(222)에 있는 프레임 그래버(framegrabber)에 의해 디지털화된다. 디지털화된 형광 영상 및 기준 영상은 형광이 정상 조직에 비해 감소된 영상 부위를 정량화하도록 실시간으로 함께 처리된다. 감소된 형광은 이형성증의 1차 지표이다. 이형성일 가망성이 있는 조직의 영역은 컴퓨터 모니터(224)에 표시되어 10 ㎐의 속도까지로 갱신되는 조직의 처리된 영상에서 위색채로 부각된다. 즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바람직한 실시예는 단지 내시경 시스템 비디오 프로세서에 백색 광원에 대한 내부 셔터를 부가하는 것만을 요하는 기존의 내시경/비디오 프로세서 시스템의 부속 부품이다. 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경의 경우에는 이후에 더욱 상세히 후술되는 바와 같이 여기 광원(214)이 여기 조명과 기준 조명을 순차적으로 제공하도록 구성된다. 컬러 CCD 비디오 내시경의 경우에는 여기 광원(214)이 역시 상세히 후술되는 바와 같이 여기 조명과 기준 조명을 동시에 제공하게 된다.

Wang 등에 의해 논증된 자가 형광 영상화 시스템은 아르곤 이온 레이저를 자외 여기 광원으로서 사용하였다. 380 내지 420 ㎚의 구역의 파장에서 동작하는 질화칼륨 레이저 다이오드와 같은 크기가 작고 낮은 전력으로 동작하는 고체 상태의레이저를 비롯한 다른 레이저 광원도 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 대략 365 ㎚ 수은 라인의 분광 대역을 수반하는 수은 아크 램프를 자외 여기 광원으로서 사용한다. 수은 아크 광원은 아르곤 이온 레이저보다 더 작고 덜 비싸며, 상대적으로 적은 전력을 필요로 하고, 공냉식이다. 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경과 함께 사용되는 자가 형광 영상화 시스템의 경우에는 아크 램프에 인가되는 전류가 펄스화될 수 있다. 컬러 휠 비디오 시스템에서는 정규 광원이 33 ms의 비디오 프레임 동안 비디오 프로세서와 결합되어 컬러 영상을 제공하는 적색, 녹색, 및 청색 광 펄스를 순차적으로 제공한다. 그러한 시스템은 자가 형광 영상화 모드에서 정규 청색 광 펄스를 자외 펄스로, 그리고 녹색 광 펄스를 자외 펄스와 동일한 광섬유를 통해 전송되는 (명목상으로 적색의) 기준 광 펄스로 대체시킨다. 청색 광이 정규적으로 온으로 되는 8 ms의 기간 동안 아크 램프 전류를 펄스화함으로써 자외 광원은 CW 램프 광도가 33 ms의 비디오 프레임 기간의 전체에 걸쳐 적분된 경우에 할 수 있는 만큼의 또는 그 이상의 여기 영향력을 조직에 미칠 수 있게 된다.

컬러 휠 비디오 시스템과 컬러 CCD 비디오 시스템의 모두에 있어서, 자가 형광 모드는 여기/기준 광원 및 정규 내시경 백색 광원에 있는 상보적인 셔터들을 제어하는 풋스위치에 의해 개시된다. 조직으로부터의 약한 형광을 영상화하기 위해서는 정규 내시경 조명을 차단하는 것이 필요하다. 2개의 상이한 자가 형광 영상화 모드가 사용될 수 있다. 하나의 모드에서는 처리된 자가 형광 영상으로부터의 단일 프레임의 위색채 오버레이가 직전(또는 직후)의 컬러 영상과 결합되어 컴퓨터스크린 상에 고정된다. 다른 하나의 모드에서는 처리된 형광 영상이 풋스위치를 누르고 있는 동안 연속적으로(영상 처리 시간을 감안하여 7.5 ㎐ 내지 10 ㎐로) 갱신된다. 연속 동작 모드에서는 가시 영상이 이형성증의 가망성이 있는 부위를 나타내는 위색채 오버레이를 수반한 계조로서 표시된다(왜냐하면, 그 영상이 단색 기준 조명으로 얻어지기 때문에).

도 3은 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경과 함께 사용하기 위한 형광 영상화 시스템의 바람직한 실시예의 전체적인 개략도를 나타낸 것이다. 컬러 휠 비디오 내시경의 정규 동작 모드에서는 내시경(300)의 말단 측 선단부가 신체의 중공 기관 속에 삽입되어 이형성 부위(304)를 포함할 수 있는 조직(302)의 영역을 관찰하게 된다. CCD 영상화 시스템 및 렌즈 하부 시스템(비디오 카메라)(306)의 양옆에는 정규 조명 개구(308, 310)가 위치된다.

정규 조명 광은 내시경의 전 길이에 걸쳐 연장되고 그 말단 측 선단부 부근에서 2 갈래로 분기되어 개구(308, 310)에서 종료되는 광섬유 관속(312)에 의해 전송된다. 조명원과 광섬유 관속과의 사이에 배치되어 디지털 신호(315)에 의해 제어되는 셔터(314)는 조명원 램프(316)를 끄지 않고도 백색 광 조명이 오프로 꺼질 수 있도록 한다. 도시된 유형의 내시경에서는 정규 컬러 영상이 회전 필터 휠(318)에 의해 제공되는 적색, 녹색, 및 청색 광 펄스로 얻어지는 3개의 연속된 영상을 결합함으로써 얻어진다. 그러한 유형의 내시경에 있는 CCD 기준은 400 내지 700 ㎚간의 모든 파장에 민감하지만, 자가 형광을 여기시키는데 사용되는 약 365 ㎚의 자외 여기 파장에는 둔감하다. 그것은 실리콘 센서 어레이의 설계 및 그어레이의 표면을 물리적으로 보호하는데 사용되는 광학 재료의 선택에 의거한 것이다. CCD 기준은 그 표면에 마주치는 모든 광을 연속적으로 적분하므로, CCD 열이 판독 전자 장치로 하향 이동되거나 아니면 영상 위에 줄이 생기는 효과가 보이게 될 동안에는 조명이 차단되어야 한다. 적색, 녹색, 및 청색 광 펄스는 8 ms의 지속 시간을 수반하고 그에 후속하여 그 동안 카메라 화소가 판독되는 5 ms의 암기를 수반하여 NTSC 표준에 부합되는 약 33 ms의 총 비디오 프레임 기간 또는 초당 29.97 프레임을 산출한다. CCD 카메라로부터의 아날로그 판독 신호는 케이블(320)을 통해 내시경 비디오 프로세서(322)에 전송된다.

3개의 연속적인 단색 영상은 디지털화되어 비디오 프레임의 말미에서 표준 컬러 비디오 신호로 결합된다. 프로세서는 2군의 적색, 녹색, 청색(RGB) 가산 동기화 출력을 수반한다. 하나의 출력 군의 컬러 신호(324)는 내시경 비디오 모니터(326)로 가서 조직의 정규 컬러 영상(328)을 표시하게 된다. 다른 하나의 군의 컬러 신호(330)는 자가 형광 영상 및 기준 영상을 얻고 처리하는 형광 영상화 컴퓨터 시스템(334)에 있는 비디오 프레임 그래버(332)로 가게 된다. 비디오 프로세서로부터의 표준 합성 컬러 신호 출력(336)은 국립 LM1881 비디오 동기화 분리기에 의거한 동기화 회로(338)로 간다. 그러한 동기화 회로(338)는 비디오 신호에서 비월 짝수 필드 및 홀수 필드가 언제 일어나지는지를 판정하여 홀수 필드 중에 높고 짝수 필드 중에 낮은 2진 디지털 신호(340)를 출력한다. 그러한 신호(340)는 형광 영상화 시스템의 전체를 통해 내시경 비디오 프로세서에 의해 세팅된 타이밍에 맞춰 그 기능을 동기화시키는데 사용된다.

자가 형광 영상화 동작 모드에 착수하기 위해, 임상 의사는 신호를 케이블(342)을 통해 컴퓨터(334)로 전송하는 풋스위치(341)를 누르게 된다. 동기화 신호(340)에 의해 결정되는 대로 다음 기회에 동기화되는 적절한 시기에 신호가 셔터 트리거 라인(315)을 통해 정규 조명원에 있는 셔터(314) 및 여기/기준 광원에 있는 셔터(343)에 전송된다. 그러한 셔터는 상보적이므로, 라인(315)을 통한 신호가 셔터(343)를 개방하는 동시에 셔터(314)를 닫게 된다. 그러면, 광학 기기 군(350)에 있는 셔터 휠을 회전시킴으로써 발생되는 여기 및 기준 광 펄스가 광섬유 프로브(344) 중으로 통과하게 된다. 프로브(344)는 생체 검사 채널 개구부(345) 속에 삽입되어 그 단부 창(346)이 내시경(300)의 말단 측 선단부에 또는 그것을 약간 넘어 위치될 때까지 채널을 따라 미끄러져 내려간다. 여기 및 기준 광 펄스는 내시경의 시야의 중심부를 조명한다. 조명의 각 방향 범위는 광학 소자(350), 섬유 개구의 수, 및 광섬유 프로브 단부 창(346)의 광학 특성에 의존하여 달라진다.

여기 및 기준 광 펄스는 자가 형광 영상 및 기준 영상이 적절히 얻어지도록 3개의 정규 조명 펄스 기간 중의 2개의 기간 동안 발생되어야 한다. 그러한 영상은 다음의 비디오 출력 프레임에서 내시경 비디오 프로세서로부터의 3개의 비디오 출력 채널 중의 2개의 채널에 나타난다. 광학 기기 군(350)의 여기(자외) 광로 및 기준(적색) 광로에 있는 셔터(352, 354)를 각각 회전시킴으로써 적절한 타이밍이 얻어진다. 그러한 셔터는 그에 공급되는 전압을 변경시킴으로써 제어될 수 있는 속도로 회전하는 직류(DC) 모터(356, 358)에 의해 구동된다. 셔터의 테두리 부근에 있고 광원 및 기준과 결합되는 기점 홀은 모터의 회전 시에 그 위상을 표시하는 각각의 모터에 대한 기준 펄스를 발생시킨다. 각각의 모터(358, 356)에 대한 위상 고정 루프(PLL)(362, 360)는 각각 모터 전압을 조정하여 그 각각의 모터에 대한 기준 펄스가 홀수 비디오 필드를 표시하는 동기화 펄스(340)의 상승 에지에 매칭되도록 한다.

기점 홀을 셔터에 적절히 위치시킴으로써 여기 광 펄스 및 기준 광 펄스가 카메라의 노출 시간에 맞춰 타이밍될 수 있다. 여기 펄스는 그 노출 기간이 다른 것보다 다소 더 길기 때문에(8.1 ms) 정규 청색 노출에 매칭되도록 타이밍될 수 있다. 기준 광 펄스는 노출 기간 중에서 그 다음으로 길기 때문에 정규 녹색 광 노출(5 ms)에 매칭되도록 타이밍된다. 정규 청색 노출 기간이 바로 그 다음에 오게 되는 정규 적색 노출 기간은 현재 사용되지는 않지만, 다른 분광 분석을 위한 추가의 자가 형광 또는 기준 영상이나 추가의 가시 반사 영상을 얻는데 채용될 수 있다. 여기 노출 동안에는 수은 램프로 가는 전류가 보다 더 높은 수준으로 상승되어 여기 광 출력을 증대시킬 수 있다. 램프 전원은 DC 전류 섹션(366)을 사용하여 아이들 전류를 유지하고 램프의 작동을 개시한다.

DC 섹션(366)에 병렬 접속된 컴퓨터 제어식 펄스 전류 섹션(368)은 병렬 커플링된 다수의 정전류원으로 신속하게 절환되어 영상화 시스템이 필요로 하는 대로 램프의 출력 전력을 변경할 수 있다. 전류 펄스는 회전 셔터를 잠그는 역할을 하는 것과 동일한 동기화 펄스(340)를 사용하여 비디오 시스템에 동기화된다. 컴퓨터 디지털 입/출력(I/O) 섹션(370)은 타이밍 펄스(340)와 결합되어 여기 노출 동안램프 전류를 상승시키는 디지털 펄스(372)를 출력한다. 병렬로 트리거링되는 정전류 섹션의 개수는 필요로 하는 일 세트의 디지털 제어 라인(374)에 의해 변경될 수 있다. 조직이 여기/기준 전송 프로브 창(346)에 충분히 밀접되면, 전류의 상승은 필요하지 않을 수도 있다. 자가 형광 영상의 피크 값이 전체 제어 프로그램(378)에 의해 감시되는 대로 컴퓨터 영상 분석 프로그램(376)에 의해 결정되는 허용 가능한 최소 수준으로 떨어지면, 추가의 전류 상승 섹션이 다음 노출에 필요한 대로 동작하게 된다.

일단 컴퓨터의 디지털 프레임 그래버에 의해 자가 형광 영상 및 기준 영상이 얻어지면, 분석이 시작된다. 내시경 카메라 시스템으로 얻어진 반사(형광이 아닌) 영상은 그 시야 내에 있는 조직 표면의 휘도를 측정한다. 조직 표면이 램버티앙(Lambertian)(경면이 아닌) 반사기라는 점에서 반사 영상 신호(비디오 영상의 각각의 개별 화소에 대해 비디오 프레임 그래버에 의해 디지털화되는 것과 같은)는 단일 조명원으로부터 조직까지의 거리(또는 다수의 조명원으로부터의 가중 거리)에 비례하고, 그 비디오 프레임 동안의 여기 조명의 적분된 에너지에 비례한다. 여기/기준 전송 프로브의 단부 창(346)은 카메라로부터 조직까지의 직접적인 시선 내에 있지 않으므로, 음영이 보이게 될 수 있다. 즉, 반사 영상은 카메라에 보일 수 있는 조직 표면에서 자가 형광 영상의 음영의 존재를 포함하여 여기 조명을 측정하는데 사용될 수 있다. 그것은 여기 조명과 가시 조명이 전술된 바와 같은 광원의 설계에 의해 제공되는 것과 동일한 횡 방향 광도 프로파일 및 각 방향 발산을 수반하여 동일한 개구로부터 방사되는 경우에만 그러하다는 것을 유념해야할 것이다. 예컨대, 표준 내시경의 조명 관속으로부터 나온 광원으로 얻어진 가시 반사 조명은 그 내시경의 생체 검사 채널을 통과하는 별개의 광섬유로부터 나온 여기 조명을 판정하는데는 채택될 수 없다. 그러나, 여기 및 기준 광 펄스를 내시경의 조명 관속을 통해 통과시킴으로써 동일한 개구 및 동일한 발산 조건이 충족될 수 있음을 유념해야 할 것이다.

가시 기준 영상을 사용하여 자가 형광 영상을 따라 이형성증의 가망성을 지시하는 위색채를 얻기 위한 단계의 순서는 다음과 같이 진행된다. 우선, 전체적으로 보았을 때에 프레임 그래버라기보다는 비디오 모니터에 접속된 비디오 프로세서에 의해 2개의 영상을 비디오 신호에 적용된 감마 계수에 대해 보정한다. 그것은 컴퓨터의 프레임 그래버에 의해 얻어진 디지털화된 영상이 조명 영향력(시간에 대해 적분된 광도)의 선형 함수로 되는 것을 보장한다. 이어서, 2개의 영상을 그 피크에 대해 정규화시키는데, 그것은 전체적으로 시계의 어딘가에 있는 이형성 조직이 아닌 부위이다. 기준 영상에는 기준 조명의 검경 반사에 의해 포화된 몇몇 화소가 있게 된다. 그러한 화소는 기준 영상의 히스토그램을 생성하여 그 영상을 피크 값에 대해 정규화시킴으로써 효과적으로 제거된다. 그것은 전체적으로 화소의 약 99 %를 포함한다.

이어서, 1의 값을 넘는 정규화된 기준 영상 화소(검경 반사)를 모두 1의 값으로 재설정한다. 자가 형광 영상에는 검경 반사가 없으므로, 그와 같이 히스토그램에 의거하여 정규화시키는 것은 불필요하다. 이어서, 화소 대 화소를 기준으로 하여 자가 형광 영상 값을 보정된 기준 영상 값으로 나누어 비 영상(ratio image)을 산출한다. 그와 같이 나누는 것은 자가 형광 영상 및 기준 영상의 화소 값이 최소 임계 조건보다 더 커서 신뢰성이 있는 측정이 이루어지도록 지나치게 적은 조명으로 분석을 시도하지 않음이 보장되는 경우에만 실행된다.

비 영상 화소 값이 미리 정해진 값(전형적으로 1/2 내지 1/3) 미만으로 떨어진다면, 그 화소는 조직 표면 상의 감소된 형광 부위를 나타내게 되는데, 그것은 이형성증의 지표이다. 이어서, 처리된 출력 영상에 있는 해당 화소를 위색채 상태로 설정하여 이형성증이 있을 상대적 가망성을 지시하도록 한다. 비 영상 화소 값이 1/3 미만이면, 처리된 해당 출력 영상 화소의 적색 값을 기준 영상의 값으로 설정하고, 그 화소의 녹색 및 청색 값을 0으로 설정한다(그것은 이형성증의 가망성이 높음을 지시하는 암적색임). 비 영상 화소 값이 1/2 내지 1/3이면, 처리된 출력 영상 화소의 녹색 값을 기준 영상 값으로 설정하고, 적색 및 청색 값을 0으로 설정한다(그것은 이형성증의 가망성이 중간 정도임을 지시하는 암록색임). 비 영상 화소 값이 1/2을 넘으면, 처리된 출력 영상 화소의 적색, 녹색, 및 청색 값을 모두 기준 영상 값으로 설정한다(그것은 조직이 정상임을 지시하는 암회색임). 그와 같이 처리된 출력 영상(386)은 시스템 컴퓨터(334)에 부착된 LCD 모니터(384)에 표시된다.

도 4는 환자가 준비되어 내시경을 체강 또는 인체에 삽입하고 그 내시경의 말단 측 단부가 관심 대상의 부위를 영상화하도록 위치된 후의 과정 순서(400)를 나타낸 것이다. 본 특정의 예에서는 우선 가시 기준 영상을 얻는다(402). 이어서, 그러한 기준 데이터를 보정하고(404), 히스토그램을 생성하며(406), 데이터를정규화시키고(408), 선택된 화소를 재설정하며(410), 임계 값을 적용한다(412). 형광 영상을 얻고 나서는(420), 영상을 보정하고(422), 정규화시키며(424), 임계 값을 적용하고(426), 비 영상을 산출한다(430). 이어서, 결과적으로 얻어진 출력 영상 또는 표시를 기준 영상과 비교하여 주어진 부위가 정상인지(440) 아니면 이형성인지(450)를 판정한다.

도 5는 영상화 과정의 1 사이클에 대한 타이밍 차트를 나타낸 것이다. 최대 비디오 출력 속도는 NTSC 표준에 의해 정해진 바와 같은 29.97 ㎐이다. 그 타이밍 차트는 포착을 위한 1 프레임 시간, 분석을 위한 2 내지 3 프레임 시간, 및 결과를 출력 영상 버퍼로 전송하기 위한 1 프레임 시간의 일부를 필요로 하는 시스템을 지시하고 있다. 결과적으로, 분석 영상에 대한 갱신 속도는 초당 7.5 프레임이 된다. 단일의 신속 프로세서로써 분석 시간을 감소시키고 그에 상응하게 갱신 속도를 초당 10 내지 15 프레임으로 증가시킬 수 있다. 예컨대, 포착과 표시와의 사이에 몇 개의 지연 프레임만을 수반하여 병렬로 동작하는 3개의 프로세서를 사용함으로써 초당 30 프레임의 출력 속도로 영상 분석을 실행할 수도 있다. 그러나, 갱신 속도를 증가시키려면 평균 램프 소실을 100 W 이하로 유지하도록 램프로 가는 펄스 전류에 대한 상한을 감소시키는 것이 필요하다. 또한, 도 5는 수은 램프 전류가 어떻게 형광 영상으로 귀결되는 청색 노출 기간 동안에만 상승되는지를 보여주고 있다. 다른 시간에는 램프가 감소된 전력으로 아이들링된다.

도 6a 및 도 6b는 70 %를 초과하는 아이들 전류로 8 ms 동안 펄스 인가되는 100 W Hg 아크 램프로부터의 자외 출력 전력이 그 명목 정격 전력에 비해 5배 이상까지 그 입력 전력에 대한 대략 선형 함수가 됨을 나타내고 있다. 자외 노출 기간 동안 램프 전류를 상승시킴으로써 램프 출력 전력이 증가되고, 그것은 다시 넓은 면적의 조직이 이형성증에 대해 스캐닝될 수 있도록 한다. 또한, 그것은 펄스 대 펄스를 기준으로 하여 램프의 출력을 최적의 비디오 노출에 맞춰 조정하는 수단을 제공한다. 램프 방전은 전류와는 상관이 없이 아크에 걸쳐 거의 일정한 전압 강하를 유지하기 때문에, 램프 출력 전력은 실질적으로 전류에 비례한다. 그러나, 수은을 증기 상으로 유지하려면 램프에 대한 약 70 %의 전력이 항상 유지되어야 한다. 도 6c는 전류를 정격 CW 전류에 비해 5배까지 펄스화하는 것이 7.5 ㎐의 속도로 연속적으로 반복될 수 있음을 나타내고 있다.

도 7은 수은 아크 램프(700)에 접속되었을 때의 램프 전원의 블록 선도를 나타낸 것이다. DC 아이들 전류 회로(702) 및 고압(HV) 스타팅 펄스 회로(704)는 CW 100 W 수은 아크 전류용으로 설계된 단일의 상업용 전원으로 시판되고 있다. 트리거링되는 정전류 펄스 회로(706)는 형광 영상화 내시경의 특정 요건에 맞춰지도록 설계된다. 그러한 회로 4개가 병렬로 접속되어 아크 램프의 출력이 디지털 방식으로 5개의 상이한 전력 레벨(아이들을 포함) 중의 하나로 설정될 수 있도록 한다. 각각의 회로는 통과되는 전류를 고정된 레벨, 전형적으로 4 암페어의 정규 DC 전류에 상당하는 레벨로 유지하도록 그 저항을 조정하는 파워 MOSFET 스위치로 이루어진다. 그러한 회로는 조직을 적절히 조명하기 위해 그 전류의 상승이 요구될 때마다 컴퓨터에 의해 개별적으로 트리거링될 수 있다. 각각의 회로는 그 전류를 전류 리미터(712)를 통해 전원(710)에 의해 충전된 저장 커패시터(708)로부터 인출한다.그와 같이 제한되는 전류 설계는 아크 램프의 전력 취급 능력을 넘는 과부하가 걸리게 할 수 있는 오류 조건의 가능성을 최소화시킨다.

도 8a, 도 8b, 도 8c, 및 도 8d는 각각 여기/기준 조명원 광학 기기의 상세도를 나타낸 것이다. 도 8a의 단일 수은 아크 램프(800)는 자외/자색 여기 광 및 적색/근 적외 기준 광이 내시경의 말단 측 선단부에서 동일한 겉보기 광원 용적부(802)를 가질 필요가 있기 때문에 양자의 파장의 광원으로서 사용된다. 소형 100 W 수은 아크 램프의 아크 크기는 내시경의 선단부에 광을 전송하는데 사용되는 광섬유 중에 효율적으로 커플링되기 충분할 정도로 작은 0.5 내지 1.0 ㎜이다. 여기 빔 및 기준 빔을 위해 별개의 램프가 사용될 수 있지만, 그 경우에는 광원 광학 기기의 허용 오차 및 광원 아크의 배향이 더욱 임계적인 것으로 된다. 도 8a에 도시된 바람직한 단일 램프 광원 설계에서는 집광 광학 기기(804)가 단일의 융합 실리카 자외 투과 렌즈로서 개략적으로 도시되어 있다. 실제로, 다중 소자 렌즈 설계 또는 거울을 기초로 한 Schwarzschild 대물 렌즈가 사용되어 집광된 빔에서의 광학 수차를 감소시키게 된다. 그러한 집광 광학 기기는 미리 배향된 고정 타원형 반사기를 대체 광원으로서 구비하는 상업용 수은 아크 램프의 초점 용적부로부터 나오는 광을 시준(collimating)할 수도 있다. 집광 광학 기기(804)는 램프로부터 나오는 광을 시준하여 자외 및/또는 짙은 자색 파장을 반사하고 가시 파장을 투과하는 2색 거울(806)에 의해 그 광이 효과적으로 자외 성분 및 가시 성분으로 필터링될 수 있도록 한다.

2개의 회전 셔터(808, 810)가 전술된 바와 같은 비디오 프레임 동안 상이한시간으로 자외 여기 펄스 및 가시 기준 펄스를 생성할 수 있도록 하기 위해 3개의 광로로 분리하는 것이 필요하다. 2색 거울의 바로 다음에 있는 거울(812) 상의 자외 반사면 코팅은 그 광로에서 원하는 자외 광을 거의 100 % 반사하고, 2색 거울로부터 반사된 원하지 않는 가시 광의 대부분을 그 기판으로 내보낸다. "814"의 소자로 표시된 추가의 필터는 Schott UG-1 유리와 같은 흡광 필터 및 수은의 365 ㎚ 라인 상에 센터링된 다층 유전체 대역 패스 필터를 포함할 수 있다. 자외 광로는 460 ㎚의 조직 형광의 효율이 단지 약 0.1 %에 불과하기 때문에 가시 광을 상당한 정도로 내몰게 된다. 자외 노출 동안의 가시 광원의 광의 누출은 자가 형광 영상의 콘트라스트를 감소시킨다. 디지털 영상 처리 중에 그러한 누출에 대한 약간의 보정이 가능하지만, 그러한 보정은 항상 소량의 잡음을 결과에 부가시키게 된다.

기준 광로에 있는 제1 소자는 융합 실리카 시준 렌즈(804)의 굴절률이 자외 파장에 비해 가시 파장에서 낮게 되는 것에 대한 보정을 하는 옅은 렌즈(816)이다. 렌즈(804)의 위치에 Schwarzschild 대물 렌즈가 사용될 경우에는 그러한 설계가 단지 거울만을 사용하여 전체적으로 무색으로 되기 때문에 전술된 렌즈(816)가 필요하지 않게 됨을 유념해야 할 것이다. 선택적으로, 감쇠기가 "817"의 위치에서 기준 광로로 이동되어 가까운 검사 거리에서의 기준 영상이 포화되는 것을 방지할 수 있다. 그러한 감쇠기는 기준 조명의 필요로 하는 균일한 각 방향 분포를 유지하기 위해 기준 빔이 통과하는 영역에 걸쳐 균일해야 한다. 그러한 감쇠는 가변적으로 교차되는 편광기, 차동적으로 슬라이딩하는 선형 감쇠 웨지, 또는 전기 기계적으로 절환되는 고정치 감쇠기로써 실현될 수 있다. 기준 빔 광로에 있는 가시필터(818)는 도시된 시스템에서와 같은 순차적인 여기/기준 빔이 사용될 경우에는 자외 필터에 비해 덜 임계적이다. 기준 빔 파장은 헤모글로빈 흡수 대역을 회피하도록 선택되는데, 그것은 헤모글로빈의 상당한 흡수로 인해 기준 영상이 여기 조명 광도의 측정치에 상당한다는 것을 전제로 하는 분석에 오차가 도입되기 때문이다. 회전 셔터(808, 810)의 다음에는 필터가 후속된다.

셔터(808) 뒤의 가시 경로를 따라 계속하여 아래에, 광 대역 가시 반사 코팅(broadband visible reflective coating)을 가진 회전 미러(820)가 배치된다. 색 선별 미러(806)와 동일한 제 2 색 선별 미러(dichroic mirror; 822)는, 공통 경로 상에 자외선 여기 빔 및 가시 기준 빔을 재 결합시킨다. 자외선 및 가시 광선을 반사하는 또 하나의 회전 미러(824)가 두 개의 빔들을 포커싱 광학 기기(focusing optics; 826)를 향하여 지향시키고, 이 광학 기기는 이 빔들을 전달 섬유(delivery fiber; 828) 내로 결합시킨다. 회전 미러(824)는 시스템의 자외선 및 가시광선 경로들 양자의 반사 횟수를 동일하게 한다. 동일한 반사 회수로 인하여, 집광 광학 기기(collection optics; 804)의 위치에 대한 수은 아크(802)의 위치에 있어서 어떠한 변화라도, 여기 및 기준 빔들 모두에 대해 동일한 각도 편차를 초래하게 된다. 동일한 편차 각도들은 생체 조직 상에서의 여기 및 기준 빔들의 중첩(overlap)을 보장한다. 도 8a 내지 8c 에 도시된 시스템에서는, 결합된 빔들이 입사하는 빔과 동일한 방향으로 옵티컬 트레인(optical train)으로부터 출사하며, 또한 전체적으로 옵티컬 트레인의 작은 회전(rotation)이나 병진(translation) 하에서도 출력되는 빔들의 방향은 변하지 않고 유지된다.

도 8a 의 개구 스탑(aperture stop; 830)은, 자외선 여기 및 가시 기준 빔들이 전달 섬유(828)로 입사될 때 동일한 각도 컨버젼스(angular convergence)를 가지도록 보장한다. 포커싱 광학 기기(826)의 위치에서의 두 개의 빔들의 횡 방향 크기는, 두 개의 파장들에서의 아크의 유효 방사 체적(effective emitting volume)의 근소한 차이들과 두 개의 경로들 내에서의 광학 기기의 위치의 작은 편차들로 인하여, 반드시 약간의 차이를 보인다. 개구 스탑(830)은 두 개의 빔들의 외측 엣지(outside edge)가 약간 깍여 나가도록(clipped) 설정되며, 따라서 광학 섬유에 대한 최대의 입력 각도가 양자에 대해 동일하도록 보장한다. 도 8b 에는, 섬유 중심 축에 대하여, 광 섬유에 대한 입력 각도가, 현저한 정도로, 섬유 내에서 각각의 반사에 대해 유지되는 구성이 도시되었다. 일 방향으로부터의 시준된(collimated) 빔으로 섬유를 조명하게 되면, 일반적으로, 중심축에 대해 동일한 각도을 가지는, 섬유의 반대 단으로부터의 방사 광선의 콘(cone)이 발생한다. 이 광선은 섬유의 출사 개구 상에 걸쳐서 공간적으로 평준화되지만, 광선이 내시경의 길이를 따라 진행할 때 섬유 내에서의 벤드들(bends)로 인하여 각도는 천천히 전개된다(spread). 도시된 실시예에서는, 상기 자가형광 표준화 방법에 의해 요구되는 바와 같이, 기준 조명과 여기 조명의 표준화된 각도 강도 분포(normalized angular intensity distribution)가 밀접하게 매치되는(matched) 것이 보장된다. 예를 들어, 도 8c 에 도시된 바와 같이 영역(831) 내에서 표준화된 여기 조명을 표준화된 기준 조명이 국지적으로 초과하는 경우, 분석 결과는 이 영역에서의 감소된 자가 형광을 잘못 나타내게 된다. 표준화된 기준 조명이 표준화된 여기 조명 보다 둘 중 하나의인수(factor) 만큼 큰 경우에는, 분석 결과는 임계 조건이 50 % 로 설정될 때, 이형성증에 대한 잘못된 양의 표지(false positive indication)를 제공하게 된다. 유사하게, 표준화된 기준 조명이 어떤 영역에서 표준화된 여기 조명 보다 둘 중 하나의 인수만큼 작은 경우에는, 분석 결과는, 심지어 자가형광이 그 영역에서의 둘 중 동일한 인수만큼 실제로는 감소된 경우에 있어서도, 정상적인 조직임을 표시하게 된다. 이러한 큰 오차는 조명 필드(illumination field)의 중심에서는 발생할 가능성이 거의 없으나, 조명이 노이즈 레벨까지 강하하는 필드의 주변부(edges)에서는 발생 가능성이 있다. 기준 및 자가 형광 영상들 모두에 대해 부과되는 임계 조건들은, 노이즈 또는 엣지 효과(noise or edge effect)에 의해 너무 쉽게 영향을 받는 경우에는 분석이 시도되지 않도록 보장한다. 일반적으로, 도면 부호 860 으로 지시된 (표준화된) 기준 광의 강도 분포에 있어서 어떠한 변화도, 컴바이너(combiner)와 조직 표면 사이의 광학 통로를 따라 임의의 지점에서의 여기 광선의 강도 분포에 대해 상대적으로 20 % 이하로 유지되는 것으로, 설명된다. 조직 표면에서의 강도에 있어서 최소의 변화를 성취하는 것이 가장 중요하다. 따라서, 섬유(862)를 출사하는 빛은 각 θ 에 의해 한정되는 콘(cone) 내에 있어야 하며, 파면(wavefront; 864)를 따른 강도의 변화들은 잘못된 상 형성의 위험을 최소화 할 수 있도록 20 % 이하이어야 한다.

도 8d 에는 여기/기준 소스 내의 회전 셔터 설계를 더욱 상세히 나타내는 도면이 도시되었다. 각각의 블레이드(blade)는 하나의 비디오 프레임 주기인 33.3 ms 에 일회전한다. 여기 셔터 블레이드(810)의 개구(832)에 의해 한정되는 각도는, 표준 청색 노출에 대해 8.1 ms 주기에 대응한다. 비디오 프레임에 대한 자외선 노출의 타이밍은, 도 3 에 도시된 바와 같은 동기화 신호(synchronization signal; 340) 상의 홀수 필드 마크(odd field mark)의 상승 엣지로의 여기 블레이드 기점(excitation blade fiducial; 834)을 통한 광학 펄스의 상승 엣지에 매칭(matching)되는 위상 동기 루프(phase-locked loop)에 의해 설정된다. 옵티컬 트레인 내에서의 여기 빔의 명백한 위치는 점원(dotted circle; 836)에 의해 표시되었다. 도시된 셔터 직경에 대한 빔 직경의 상대적 크기에 대해, 광 펄스의 전체 상승 시간은 1.7 ms 이며, 이것은 펄스의 전체 길이와 비교할 때 용인될 수 있는 것이다. 블레이드(810)는 가늘고, 무게가 가벼우며, 불투명하고, 스테인레스 강 또는 유리-섬유 강화 에폭시 등의 물질로 만들어진다.

관성 모멘트(moment of inertia)를 최소화함으로써, 위상 동기화 루프(PLL)에 의해 셔트의 회전 속도를 로킹(locking)하는 것이 단순화된다. 불투명성은 광 누설을 방지하는 데 있어 중요하다. 휠들의 중앙 허브(central hub; 840) 둘레로는 절개부들(cutouts; 838)이 형성되고 얇은 만곡부들(flexures; 842)이 남겨져 있는 데, 이러한 구조로 인해 휠은 회전시에 약간 가요성(flexible)을 가지게 되며, 모터의 회전 중심축에 대해 수직으로 유지되고, 따라서 모터 베어링에 대한 진동 및 응력이 최소로 유지된다. 셔터의 연속된 외측 엣지는, 가장 민감한 위치인 중심축으로부터의 최대 거리에서 타이밍 기점을 이동시키는 역할을 하며, 나아가 조립 및 시험 작업 중 부주의한 접촉이 일어나는 경우에 안전 기능을 수행한다. 가시 기준 셔터(844) 내의 개구는, 비디오 타이밍 시퀀스(video timing sequence)의 정규 녹색 또는 적색 주기에 매칭되도록 배치된다. 이 장치는, 각각의 풋스위치 신호(footswitch signal)에 대해 단일의 컬러 허상(single false color image)을 제공하거나, 또는 30 Hz 비디오 프레임 속도의 약수(submultiple)에서 일련의 처리 이미지들을 제공할 수 있다.

표준 퍼스널 컴퓨터 시스템은 초당 10 프레임의 속도로 습득된 데이터를 처리하고 허위의 컬러 영상을 업데이트(update)할 수 있는 데, 이 속도는 원활한 동작의 임프레션(impression)을 보장할 수 있을 만큼 충분히 빠른 속도인 동시에 펄스형 램프 전류의 상당한 증가를 허용할 수 있을 정도로 충분히 느린 속도이다. 더구나, 30 Hz 의 더 낮은 약수 (7.5 또는 6 Hz)에서의 작동은 적절한 실시간 피드백(real-time feedback)을 제공하며, 램프에서의 공칭(nominal) 100 W 평균 전력 소산(average power dissipation)을 초과함이 없이 더 높은 펄스형 교류를 가능하게 한다(따라서 더 밝은 UV 조명을 가능하게 한다).

도 9a 내지 9c 에는, 자외선 및 기준 광 펄스들을, 전술한 바와 같은 소스로부터 내시경 내의 생체 검사 채널(biopsy channel)을 거쳐 내시경의 원심단에 있는 조직으로 전달하는 광학 섬유 프로브(optical fiber probe)의 상세 도면이 도시되었다. 전달 섬유(900)는, 자외선 및 기준 파장의 광 모두를 전도시키고, 광원에 효율적으로 결합되며, 또한 내시경 팁(tip)의 가요성(flexibility)에 중요한 영향을 미치지 않도록 충분한 가요성을 가져야 한다.

섬유들은 다중의 소 직경 융합 실리카 섬유들로 만들어 질 수 있으며, 바람직하게는 시스템은 1.5 에서 2 mm 까지의 직경을 가지는 단일의 자외선-전도성 아크릴 섬유를 이용한다. 적절한 아크릴 섬유의 특정한 일 예로서, 토레이 산업(Toray Industries, Inc.)에서 제조하는 레이텔라 중합 광섬유(Raytela Polymer Optical Fiber)를 들 수 있다. 이 단일 섬유 장치는 다중 섬유 다발의 패킹 프랙션 손실(packing fraction losses)를 제거함으로써 결합 효율을 증가시킨다. 또한, 다양한 내부 공동들(internal cavities)을 제거함으로써, 과정들 사이에 소독 과정(disinfection process)의 신뢰도를 증가시킨다.

프로브의 팁에 있는 창(window; 902)은, 도 9b 에 도시된 바와 같이 간극들(906, 908, 910) 내의 저-형광 에폭시 및 슬리브(sleeve; 904)에 의해 지지된다. 가늘고, 생체 호환성의(bio-compatible), 열-수축 배관의 외장(sheath of heat-shrink tubing)은 광 섬유의 얇은 피복(cladding)을 보호한다. 섬유(900), 외장(912) 및 슬리브(904) 사이의 간극들 내의 위치(914)에서의 에폭시 밴드는 프로브를 봉합하여 감염으로부터 보호하고, 외장을 제 위치에 유지한다. 이러한 형태의 섬유는 0.5 의 개구수(numerical aperture; NA)를 가지는 데, 이는 빛이 60 도 이상의 최대 각도 콘(full-angle cone)으로 방사되는 것을 의미한다. 편평한 창을 가지는 프로브들은, 전형적인 내시경에 대해 120 도 최대 시야의 약 절반 만을 조명한다.

도 9c 에는, 평면 창(plane window; 902) 대신에 사용되며, 광섬유의 단부와 렌즈의 사이에 에어갭(air gap; 918)을 가지는 음성 렌즈(negative lens; 916)가 도시되었다. 상기 음성 렌즈는, 여기 조명 강도를 희생하여 조명되는 시야각을 증가시킨다. 추가적인 음성 렌즈들은 시야를 더욱 증가시킨다. 도 9c 의 것과 같은프로브 설계는 대 면적을 스캐닝할 수 있도록 최적화되며, 도 9b 의 평면 창 설계는 보다 국지적인 이형성증 영역을 스캐닝할 수 있도록 최적화된다. 이러한 창들 또는 렌즈들은 자외선 전도를 최적화할 수 있도록 융합 실리카 또는 UBK-7 으로 만들어 질 수 있다. 그러나, BK7 과 같은 밀리미터 두께의 공통 유리들은 여기 조명광의 상당 부분을 흡수하지 못한다. 렌즈들 또는 창들은 또한, 특정 형태의 전달 섬유내의 청색 형광 수준이 형광 영상의 질을 떨어뜨리는 경우, Schott UG-1 과 같은, 자외선 전도성, 청색 차단성 및 적색 전도성 유리로 만들어 질 수 있다. 이러한 부가적인 여과 기능은 상기 레이텔라(Raytela) 섬유를 사용하는 프로브 설계에서는 요구되지 않는 것이다.

바람직한 일 실시예에서는, 상기 프로브를 자외선 전도성 플라스틱으로 만들어 지기 때문에, 융합 실리카 구조와 비교할 때, 전체 프로브가 단 일회의 사용 후에 폐기되어야 한다는 점을 한계로 하여, 비용이 절감된다.

도 10a 및 10b 는, 도 3 에 도시된 자가형광 영상화 시스템이 표준의 컬러-CCD 비디오 내시경(1000)과 함께 사용될 수 있도록 어떻게 변형될 수 있는 가를 보여준다. 이러한 형태의 내시경에서, 상기 영상화 시스템(1002)은 CCD 디텍터 상의 분리 필터링된 화소(pixel)들을 이용하여 적, 녹 및 청색 광을 동시에 탐지한다. 이러한 형태의 비디오 시스템용의 조명 광원(illumination source; 1008)은, 연속성의 광 대역 백색 광을 방사하는 데, 이 백색 광은 상기의 변형된 자가형광 영상화 시스템에 사용되는 경우에도 여전히 셔터(1010)에 의해 턴-온 및 턴-오프 될 것을 필요로 한다. 본 실시예에서, 상기 여기/기준 광원(1018)은, 광학트레인(optical train; 1020)에 의해 두 개의 파장을 동시에 생성하는 데, 이 경우 자가형광이 피크(peak)를 이룰 때, 청색 및 녹색 파장에서 높은(1000 : 1 이상의) 광 리젝션(rejection; 기각율)을 나타낸다. 상기한 연속 조명광(continuous illumination)의 스펙트럼이 도 10b 에 도시되었다.

자가형광 탐지를 위해, 상보 셔트들(complementary shutters; 1010, 1024)이 전술한 바와 같이 트리거되어, 여기 및 기준 광 모두에 의해 동시에 생체 조직(tissue)이 발광 된다(illuminated). 그리고 나서, 자외선-유도(UV-induced) 자가형광(주로 460 nm 에서의)은 CCD 카메라 내의 청색-감응형(blue-responsive) 화소들에 의해 감지된다. 적색 기준 반사율 영상(red reference reflectance image)은 적색-감응형 화소들에 의해 탐지된다. 컬러 CCD 카메라들은 대개 전자식 셔터링(electronic shuttering)을 이용하며, 따라서 그들은 리드아웃(readout)을 위한 암주기(dark period)를 필요로 하지 않는다. 본 실시예에서, 여기/기준 광원(1018) 내의 회전식 셔터들은, 디텐트(detent)에 의해 개방 위치에서 정지되거나, 또는 자가형광 시스템이 컬러 비디오 내시경과 함께 사용되는 경우에는 다같이 제거된다. 따라서, 상기 자외선 조명(illumination)은 상기 프레임(frame)의 전체 33 ms 동안 지속되어, 집적된 가시 형광 및 기준 신호들을 증가시키고 펄스형 전류 공급에 대한 필요성을 제거한다. 더구나, 램프 전류 공급기(lamp current supply; 1022)는, 램프를 과열시킴이 없이, 단독 영상들에 대하여 간헐적으로 펄스 작동될 수 있다. RGB NTSC 신호의 적색 채널 상에 나타나는 기준 영상 및 청색 채널 상에 나타나는 자가형광 영상에 의하여 전술한 바와 같이 분석이 진행될 수 있다.

본 발명에 따른 형광 영상 내시경에서는, UV-여기 광 펄스 및 가시-기준 광 펄스 모두가, 표준 내시경의 생체검사 채널(biopsy channel)을 통하여 삽입되는 광학 프로브(optical probe)를 통하여 생체 조직으로 전달된다. 그 대신에, 만약 내시경의 조명 관속(illumination bundle)이 가시 광선들 뿐 아니라 자외선도 전도시킬 수 있도록 변형될 수 있다면, 여기 및 기준 광은 그 번들을 통하여 전달될 수도 있을 것이다. 이 때의 요건은, 여기 광선 및 기준 광선이, 심지어 서로 다른 소스로부터 발진되는 경우라도, 그들이 내시경의 원심단으로부터 출사될 때, 동일한 각도 분포를 가져야 할 것으로, 유지된다.

도 11a 내지 도 11d 에는, UV-전송형 내시경, 정규의 영상 형성을 위한 표준 백색 광원, 분리형 여기 광원 및 커플링 박스를 이용하는 자가형광 영상화 시스템의 일 실시예가 도시되었다. 이 시스템은, 하나의 유니트 내에 백색광, 여기 및 기준 기능을 결합한 전용 광원 이전에 변형된 내시경이 개발된다면, 사용될 수 있다. 이러한 중간적 기구에서는, 어댑터 박스(1100)가 UV-전송형 비디오 내시경의 전기/광학 연결 플러그(1104)와 표준 백색광 조명장치(illuminator; 1102) 사이에 설치된다. 광학 연결 플러그(1106)는 가시 광원(1102) 내로 일반적으로 직접 끼워져서, 조명광(illumination light)을 집광하여 내시경의 조명 관속 내로 전달한다. 본 실시예에서는 그 대신에, 광학 연결 플러그(1106)는 어댑터(1100) 내로 끼워지며, 어댑터의 반대 단부 상의 동일한 연결 플러그(1108)가 가시 광원(1102) 내로 끼워진다. 한 세트의 영상화 광학 기기(imaging optics; 1110)는 플러그(1108)의 출사 개구(exit aperture)로부터 방사되는 빛을 플러그(1106)의 입사 개구(entranceaperture)로 전달한다. 이 영상화 광학 기기 세트는 또한, 광섬유(1112)로부터 출사하는 별도의 광원으로부터의 여기 광을, 플러그(1106)의 입사 개구로 전달한다.

상기 영상화 광학 기기 세트는, 도 11b 에 상세히 도시되었다. 여기 조명광의 가시 조명광(visible illumination)과의 공통 중심축(common axis) 상으로의 결합은, 색 선별 빔 스플리터 큐브(dichroic beamsplitter cube; 1114)에 의해 성취된다. 하나의 애크러맷(achromat; 색 지움 렌즈; 1118)이, 플러그(1108)의 출사 개구의 지점(1118)으로부터 발산되는 가시 광선을, 시준한다. 제 2 애크러맷(1120)은 이 광선을 다시 집속하여, 플러그(1106)의 입사 개구 상의 지점(1122) 상에 다시 초점을 형성한다. 한 세트의 융합 실리카 렌즈들(fused silica lenses; 1124, 1126)은, 여기 인도 섬유(excitation delivery fiber; 1112)의 출사 개구 상의 지점(1128)으로부터의 광선을 근소하게 시준한다. 이 렌즈들의 위치는, 상기 애크러맷(1120)이 자외선 파장에 대해 보정되지 않기 때문에, 지점(1122) 상으로의 지점(1128)의 최적의 영상을 제공하도록 실제로 조정된다.

본 실시예에서, 기준 조명은 가시광원으로부터의 표준 적색 조명광에 의해 이루어진다. 필터(1130)는, 자외선, 청색광 및 녹색광 파장을 현저하게 감쇠시키는 적색광 흡수 유리로 만들어진다. 필터(1130)는, 도 11c 에 도시된 바와 같이 활주형 베이스(sliding base; 1134) 상에 장착되며, 자가 형광 영상이 사용될 때는 전자 기계식으로(electromechanically) 광학 통로(optical path) 내로 스위칭된다(switched). 자외선 광원 내의 셔터(shutter)는 그와 동시에 개방된다. 그러면, 생체 조직이, 컬러 비디오 내시경이 사용되고 있는 경우 동시에, 또는 컬러 휠 비디오 내시경(color wheel video endoscope)이 사용되고 있는 경우 순서적으로, 자외선 및 기준 광선 양자에 의해 조명된다. 필터(1132)는, 표준 조명이 사용되어 렌즈(1116)의 초점이 일정하게 유지될 때, 전자 기계식으로 스위칭된다.

내시경 조명 관속(1136)이 자외선 전도성이며 또한 유연하고 긴 내구성을 가지기 위해서는, 정규의 유리 섬유 보다는 융합 실리카 광섬유로 만들어져야 한다. 두 재료 사이의, 투명도가 아닌, 주된 광학 특성 차이는, 융합 실리카 섬유가 유리 섬유 보다 일반적으로 더 낮은 개구수(numerical aperture)를 가진다는 점이다. 이것은, 융합 실리카 섬유에서는 중심축으로부터 더 작은 각도에서 빛이 집광되고 발광된다는 것을 의미한다. 상기 조명 관속은 지점(1138)에서 둘로 나누어지며, 빛은 내시경의 원심단에 있는 광학 출구들(optical ports; 1140, 1142)로부터 출사된다. 출구들(1140, 1142) 내의 렌즈 부재들 또한, 기존의 유리 섬유형 내시경 용과 동일한 조명 각도를 유지할 수 있도록, 변형되어야(더욱 음성으로 만들어져야) 한다.

내시경의 원심단에 있는 비디오 영상 탐지 시스템(1144)은, 그 신호들을 내시경 내의 전기 도선들(1146)을 거쳐 다시 연결 플러그(1104)의 전기 커넥터(1147)로 전송한다. 어댑터 박스(1100)의 결합 커넥터(mating connector)는 이 신호들을 집속하는(collect) 데, 이 신호들은 어댑터(1100)를 가로질러 연결 플러그(1148)로 전달되며, 상기 어댑터 박스는 비디오 프로세서 내로의 전기적 연결을 완성하는 플러그(1147)과 동일하다. 그리고 나서, 자가 형광 및 기준 영상의 분석이 전술한 바와 같이 진행된다.

일단 상기 자외선-가능형 내시경(UV-capable endoscope)이 사용 가능해지면,전체 자가 형광 영상 능력이 상기 내시경 시스템 그 자체에 구비될 수 있도록, 여기 소스(excitation source)가 내시경 광원 및 비디오 프로세서 내에 설치될 수 있다. 이러한 바람직한 실시예가 도 12 에 개략적으로 도시되었다. 전기/광학 연결 플러그(1200)가 여기/기준/백색 광원 및 비디오 프로세서(1202)에 직접 결합된다. 이 시스템은, 색 선별 큐브 빔 컴바이너 시스템(dichroic cube beam combiner system; 1204) 및 기준 광 필터 시스템(reference light filter system; 1206)을 이용하여, 외부 어댑터를 필요로 하지 않고도, 도 11a 내지 11d 에 도시된 실시예와 완전히 동일하게 작동된다.

가시 청-녹 자가형광(visible blue-green autofluorescence)의 전체적인 감소는, 여태까지 설명된 영상화 시스템들에서는, 생체 조직 이형성증(tissue dysplasia)의 주된 표지(primary indicator)이다. 상기 영상화 시스템들에서는, 자가 형광의 감소는 조직 이미지에서의 각각의 화소에 대해 단일의 변수로서 특징 지워 진다. 이러한 감소의 특정한 원인들은, 본 출원의 참조 문헌으로 인용된, 1996 년 판, IEEE Trans. Biomed. Eng., 43(2), 113-122 의 "인간 결장 조직 형광의 형태학적 모델(Morphological Model of Human Colon Tissue Fluorescence)"에서 조니오스 등(Zonios et. al)에 의해, 설명된 바 있다. 주된 형광단(fluorophore)는 콜라겐(collagen)인데, 이것은 결합성 조직(connective tissue) 내의 단백질로서, 얇은 점막(mucosal layer) 내에서 발견되며 점막 하층(submucosal layer)의 주된 성분이다. 점막 내의 세포들이 확장되어 충만한 콜라겐이 누설될 때, 그리고 증가한 유관조직화(increased vascularization)로 인하여 조직 내에 헤모글로빈이 증가할때, 이형성증 조직(dysplastic tissue)에서의 자가형광은 감소한다. 헤모글로빈은 자가형광 특성을 일부 흡수한다. 조직의 고유 형광(흡수가 결여된 경우의)과 조직 내의 헤모글로빈의 수준 양자를 판별하는 능력은, 영상화 시스템이 이형성증의 가능성을 정확히 결정하는 능력을 개선시킨다.

이상에서 설명한 영상 장치들은, 표준 컬러-휠 (흑백 CCD) 비디오 결장경{standard color-wheel (monochrome CCD) video colonoscope}의 33 ms 동안의 포착 주기(acquisition period) 내에서 세 개의 유용한 영상 주기들 중 둘을 이용한다. 그 중 하나의 주기 동안, 자외선 여기 광은 조직이 조명하며, 자가 형광 영상 F 가 습득된다. 두 번째 주기 동안, 가시 적색 광이 조직을 조명하며, 기준 영상 R 이 습득되는 데, 이 영상은 조직 상의 자외선 조명의 강도 분포를 결정한다. 상기 두가지 영상들의 비율은, 그 지점에서의 전체 자가형광의 상대적 수주을 나타내는 영상 내의 모든 화소에 대해, 단일의 변수 F/R 을 생성한다. 이형성증의 가능성이 있는 곳에서의 영상의 가장 밝은 부분에 대한 알고리즘은 주로, 각각의 화소에 대한 F/R 변수에 적절한 임계치들(threshold values) 중 하나를 할당하는 것이다.

도 13a 및 13b 에 도시되고 이하에서 설명되는 개선된 영상화 시스템은, 더욱 완전한 분광 분석(spectroscopic analysis)을 할 수 있도록, 부가적인 가시 반사율 영상(additional visible reflectance image)을 습득하는 제 3 의 영상 주기를 이용한다. 이 시스템에서는, 청색광이 지배적으로 조직 상에 조사되는 데, 이 광은 자외선 여기 광에 의해 유발되는 형광 스펙트럼에 근사한 중앙의 파장과 대역폭을 가진다. 전술한 바와 같이, 이 청색광은 자외선 여기 조명 및 가시 적색 기준 조명과 동일한 각도 강도 분포(angular intensity distribution)를 가지며, 동일한 조명 포트들(illumination ports)을 통해 출사된다. 그 결과로서의 청색 반사율 영상 B 는 조직 내의 화학 종(chemical species)이 이러한 청색 파장들에서 빛을 흡수하는 영역, 그리고 그에 따라 흡수 과정들에 의해 고유의 자가형광이 감소하는 조직의 영역들을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 적색 기준 영상 R 은 조직 표면에서의 세 개의 모든 파장들의 조명 강도의 척도로서 이용된다. 따라서, 화소-대-화소 기준의 흡수(주로 헤모글로빈)를 나타내는 특정한 변수는 B/R 비율이다. 두 개의 변수들, 즉 F/R 및 B/R 은, 화소-대-화소 기준에서 조직의 영상 영역이 이형성증을 나타내는 것을 판별하는 데 유용하다. 두 개의 기본적인 방법들이 사용될 수 있다. 그 하나의 방법에서는, 전술한 바와 같이 임계치가 적용되는 단일의 수정된 F/R 변수를 생성하는 고유 형광(intrinsic fluorescence)의 참 값(true value)을 더욱 근사하게 지시할 수 있도록, F/R 비율이 B/R 변수에 의해 보정될 수 있다. 제 2 의 과정에서는, F/R 및 B/R 변수들에 의해 정의되며 이형성증의 확률을 나타낼 수 있는 2 차원 표면이 사용된다. 두 가지 모두의 경우에서, 어디가 가장 밝게 조명될 지를 결정하기 위한 임계치들이, 그 영역들로부터 얻어진 생체 검사 샘플들(biopsy samples) 에 대한 병리학 리포트(pathology report)의 결과들을 이용하여 임상 테스트(clinical test) 동안, 측정된 F/R 및 B/R 값들을 비교함으로써, 결정된다.

도 13a 및 13b 에 도시된 시스템은 전술한 바와 같은 수은 아크 램프 소스(mercury arc lamp source; 1300)를 이용한다. 동일한 광학 소자들(1302,1304)이, 자외선 파장과 전 범위의 가시 광선 파장들 모두를 포함하는 생성된 광선을 집광하고(collect) 시준하는(collimate) 데 이용된다. 자외선 조명의 광학 경로는 동일하게 유지된다. 색 선별 미러(dichroic mirror; 1306)는 대부분의 자외선과 일부 가시광을 자외선-반사 회전 미러(UV-reflective turning mirror; 1308)로 반사시킨다. 다시 말해, 대부분의 자외선은 반사되는 반면에, 대부분의 가시 광선은 기판(1308) 내로 흡수된다. 자외선 밴드패스 필터(UV bandpass filter; 1310)는 거의 모든 나머지 가시광선을 제거하며, 따라서 자외선 만이 타이밍 휠(timing wheel; 1312)에 도달한다. 타이밍 휠(1312)은, 계속 진행하는 자외선이 비디오 결장경(video colonoscope)의 하나의 노출 주기 동안 전송되도록 보장한다. 또 다른 색 선별 미러(1314) 및 전체 반사 미러(자외선 및 가시 광선 양자; 1318)는, 자외선을 포커싱 렌즈(1318)로 지향시킨다. 아이리스(iris; 1320)는 전달 섬유(delivery fiber; 1322)로 입사하는 자외선의 각도 범위를 한정한다. 전달 섬유(1322)는, 모든 파장의 조명 광선들을 결장경의 말단부 까지 이동시켜 조직을 조명한다.

상기의 개선된 자가형광 영상화 시스템과 전술한 시스템들과의 차이는 시스템을 통한 가시 광선들의 경로에 있다. 청색 및 적색 파장 광들 모두는, 가시 타이밍 휠(visible timing wheel; 1324)에 접근한다. 이 휠은 비디오 결장경에 대해 두 개의 나머지 노출 주기들 동안에 빛이 통과할 수 있도록 하는 두 개의 개구들을 가진다. 상기 휠 개구들 중의 하나는 기준 영상 R 에 대한 적절한 파장의 광선을 통과시키는 적색 필터(1326)에 의해 덮혀 진다(covered). 이 파장들은, 조직 내에서의 헤모글로빈 흡수 대역과 빛을 조직으로 전달하는 데 사용되는 광섬유 내의 흡수 대역 모두를 회피할 수 있도록 선택된다. 필터링 될 빛은, 다중층 색 선별 코팅이 사용될 수 있도록 잘 시준되는 데, 컬러 유리 또는 플라스틱으로 만들어 진 단순 흡수 필터들로서 충분하다. 타이밍 휠(1324) 상의 제 2 개구는, 여기 광선에 의해 생성되는 고유 형광의 스펙트럼과 거의 유사한 광 대역 청색 필터(broadband blue filter)에 의해 커버된다(covered). 이 필터의 특정 밴드패스 스펙트럼은, 헤모글로빈에 의해 흡수되는 파장의 빛을 포함하며, 또한 충분히 재생 가능하여, 귀결되는 프로그램이 다른 장치들에 의해서도 사용될 수 있다. 제 2 개구는 비디오 결장경의 제 3 노출 주기에 부합한다(match). 도 13b 에 도시된 바와 같은, 두 개의 휠 상의 타이밍 홀들(timing holes; 1330, 1332)을 관통하여 진행하는 빛에 감응하는 광전 디텍터들(photoelectric detectors)은, 비디오 결장경의 비디오 포착 시스템(video acquisition system)에 의해 타이밍 휠들을 유지하는 위상 동기 루프들(phase-locked loops)에 대해 전기적 펄스 신호들을 제공한다.

개선된 3-컬러 진단 시스템(improved three-color diagnostic system)과 2-컬러 시스템(two-color system)의 나머지 차이점들은, 청색 및 적색 가시 광선들 모두를 반사해야 하는 반사 미러(1334), 그리고 가시 파장에서 융합 실리카 컬렉션 렌즈(fused silica collection lens; 1306)의 더욱 긴 초점 거리를 보정하는 장-초점 애크러매틱 렌즈(achromatic long-focus lens; 1336)를 포함한다.

이상에서는, 본 발명의 특정의 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 기술 분야의 당업자에게는, 첨부된 도면에 의해한정되는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이, 형태와 세부적 내용에 있어서 여러 가지 변화가 가능함은 이해될 수 있을 것이다.

Claims

조직에서 가시 형광을 유도하는 여기 광 및 기준 광을 생성하기 위한 광원;

여기 광과 기준 광을 공통의 광로 상으로 결합시켜 그 결합된 광이 그것을 조직으로 전송하는 광 도파관 중으로 커플링되도록 하는 광학 결합기;

조직의 형광 영상 및 기준 영상을 검출하는 영상 센서; 및

형광 영상과 기준 영상을 처리하여 조직의 처리된 출력 영상을 생성하는 데이터 프로세서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 광원은 아크 램프인 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제2항에 있어서, 아크 램프 전류원은 펄스 전류원인 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 광 도파관은 내시경의 생체 검사 채널을 통해 연장되는 광섬유인 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 영상 센서는 내시경의 말단 측 선단부에 위치되는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 여기 광과 기준 광은 순차적으로 방출되어 단색 영상 센서가 제1 프레임 기간 동안 형광 영상을 검출하고 제2 프레임 기간 동안 반사된 영상을 검출하도록 하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 여기 광과 기준 광은 동시에 방출되어 각각의 영상이 컬러 감응 영상 센서, 형광 영상을 검출하는 청색 채널, 및 기준 영상을 검출하는 적색 채널에 의해 검출되도록 하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 여기 광은 300 내지 420 ㎚의 구역에 있는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 광원은 적색 또는 적외 구역에 있는 파장을 수반하는 기준 광원을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 광 도파관은 말단 측에 렌즈가 장착된 광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 여기 광은 기준 광에서의 각 방향 배향과 동일한 각 방향 배향으로 되는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 선택된 파장의 기준 조명을 추가로 구비하여 제2 기준 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제12항에 있어서, 광원 및 그 광원으로부터 나오는 광을 필터링하는 제1 필터 휠을 추가로 구비하여 제1 기준 조명 파장과 제2 기준 조명 파장을 제공하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
제1항에 있어서, 광원으로부터 나오는 광을 필터링하는 필터를 구비한 필터 휠을 추가로 포함하여 형광 조명을 제공하는 것을 특징으로 하는 형광 영상화 시스템.
조직의 형광 영상 및 조직의 기준 영상을 검출하는 단계; 및

형광 영상을 기준 영상과 함께 처리하여 조직의 출력 영상을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제15항에 있어서, 아크 램프 광원을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제16항에 있어서, 아크 램프 전류원을 펄스화하는 단계를 추가로 포함하는것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제15항에 있어서, 단색 영상 센서로 영상을 순차적으로 검출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제15항에 있어서, 자가 형광 영상을 검출하는 청색 채널 및 기준 영상을 검출하는 적색 채널을 구비한 컬러 감응 영상 센서로 영상을 검출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제15항에 있어서, 여기 광과 기준 광을 광섬유에 커플링시켜 기준 광의 정규화된 광도와 여기 광의 정규화된 광도에서의 변동이 여기 광과 기준 광을 결합시키는 결합기 사이의 광로를 따른 파면의 임의의 지점에서 20 % 미만이 되도록 하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
파장이 300 내지 420 ㎚의 구역에 있는 여기 광을 제공하는 단계;

기준 광을 제공하는 단계;

여기 광과 기준 광을 공통의 광로 상으로 결합시켜 여기 광의 광도가 광로의 임의의 지점에서 기준 광의 정규화된 광도에 대해 20 % 미만으로 변하도록 하는 단계;

여기 광에 기인하는 조직의 형광 영상 및 기준 광에 기인하는 조직의 기준영상을 내시경 프로브의 말단 측 단부에 있는 영상화 센서로써 검출하는 단계; 및

형광 영상과 기준 영상을 처리하여 조직의 출력 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제21항에 있어서, 형광 영상과 기준 영상간의 비를 결정하여 처리된 영상을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제21항에 있어서, 여기 광에 대한 기준 광의 상대 광도 또는 각 방향 분포를 조정하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제21항에 있어서, 파장이 상이한 제1 및 제2 기준 영상을 검출하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.
제21항에 있어서, 청색 기준 영상 및 적색 기준 영상을 검출하여 청색 기준 영상과 적색 기준 영상의 화소 대 화소 비로부터 제3 기준 영상을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 조직 형광 영상화 방법.