KR20080089467A - 유방암 조기진단을 위한 적외선 진단법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생체조직 내부의 환부구조를 확인하는 비파괴 검사법과 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 조기검진과 치료를 위해 인테그럴 스펙트럼 방법을 기반으로 적외선 신호를 수동-능동 분석하여 암세포를 포함한 여러 환부를 비파괴 감지하고 식별하는 방법과 장치에 관한 것이다.

Description

유방암 조기진단을 위한 적외선 진단법{A METHOD OF INFRARED TOMOGRAPHY, ACTIVE AND PASSIVE, FOR EARLIER DIAGNOSIS OF BREAST CANCER}
본 발명은 생체조직 내부의 환부구조를 확인하는 비파괴 검사법과 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 조기검진과 치료를 위해 인테그럴 스펙트럼 방법을 기반으로 적외선 신호를 수동-능동 분석하여 암세포를 포함한 여러 환부를 비파괴 감지하고 식별하는 방법과 장치에 관한 것이다.
현재 환부 상태를 검사하는 방법은 생검이 일반적인데, 이 방법은 조직을 떼어내야 해 고통스럽고 비용이 많이 들기 때문에 아주 문제점이 많다. 또 한번의 절개로 아주 제한된 부분만 생검할 수 있으며 환자는 이런 고가의 고통스런 검사를 여러번 하기도 쉽지 않다. 또, 생검 샘플을 보관했다가 전문 검사를 위해 실험실로 운반해야 한다. 이런 저장과 운반은 비용을 증가시키고, 샘플을 잘못 취급하거나 손상시키거나 분실하거나 결과를 받기까지 상당한 시간지연을 일으키는 위험도 있다. 이런 시간지연은 환자가 의사를 다시 만나야 함을 의미한다. 이렇게 되면 환자에게 불편과 비용증가를 초래하고, 제때 치료를 받지 못할 위험도 있다. 또, 대기시간이 길면 환자가 짜증을 내기도 한다. 끝으로, 생검검사는 상당히 많은 결과를 유도하는 현미경검사가 일반적이지만, 이런 결과는 애매모호한 것이 많다.
따라서, 의료검사 분야, 특히 암검사에서 안전하고 비파괴적인 검사법이 큰 관심을 끈다. 암은 서서히 진행하는 병으로, 정기검진을 통해 암으로 전이될 가능성이 있는 환부를 감시하기만해도 예방이 가능하다. 그러나, 건강한 환자기 정기검진에 참여하는데는 시간과 비용과 불편을 감수해야만 한다. 따라서, 위험한 종양이나 다른 위험한 종양을 양성상태와 안전하고 저렴하고 신속히 식별할 수 있어야 한다.
널리 알려진 능동법을 이용해 환부조직을 스펙트럼 분석하고 촬영하는 방법은 많은데, 그중에서도 가시광 파장과 적외선 파장, 마이크로파, 음향파, MRI, MRS, 자외선, X선을 이용하는 방법이 있다. 이에 대한 설명은 Fear, Stuchly의 "Microwave detection of breast tumors: comparison of skin subtraction algorithms", SPIE, vol. 4129, 2000, pp.207-217; R.F. Bren, D.A. Kieper, J.A. Rapelyea, S. Majewski의 "Evaluation of a high resolution, breast specific, small field of view gamma camera for the detection of breast cancer", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, vol. A497, 2003, pp.39-45.
X선은 60년대 초반부터 신체 내부의 이상을 찾아내는데 사용되었지만 인체에 위험하다는 이유로 암의 조기검진에는 적당치 않으며, 특히 단기간에 집중적인 재검진을 받아야 하는 환자에는 사용할 수 없다.
인체 내부의 구조를 검사하는데 유용한 음향 능동법은 유방암의 조기진단에는 효과적이지 않다. 전암환부는 크기가 밀리미터나 마이크로미터급으로 미세하여 음향을 이용해서는 찾아낼 수 없고, 수 센티미터급의 큰 구조만 음향으로 찾아낼 수 있다.
마이크로파 방식은 정상세포와 이상세포의 유전성 콘트라스트를 기반으로 한다. 이 기술은 아주 복잡하고 인체가 마이크로파에 노출되므로 위험할 수 있다. 또, 마이크로파 신호의 파장이 수 mm에서 수 cm이므로, 직경이 0.5mm 이하인 작은 구조는 식별할 수 없다. 이런 작은 구조는 암 조기검진에 아주 중요하다[Bruch, R의 "Development of X-ray and extreme ultraviolet (EUV) optical devices for diagnostics and instrumentation for various surface applications", Surface and Interface Anal. vol. 27, 1999, pp.236-246 참조].
MRI나 MRS 방법은 조직특징을 보이는 단층촬영 영상을 제공한다. 콘트라스트를 개선한 MR 연구는 유방조직내 작은 종양의 진단에 유용하고, 악성과 양성을 구분하는데에도 유용하다[U. Sharma, V. Kumar, N.R. Jagannathan의 "Role of magnetic resonance imaging (MRI), MR spectroscopy (MRS) and other imaging modalities in breast cancer", National Academy Science Letters-India, vol.27, No.11-12, pp.373-85, 2004 참조]. 인체 MRS는 정상조직과 병든조직의 생화학적 상태를 추정하는데 사용되었다. MR 방법은 아주 고가이고, 양성과 악성을 항상 구분할 수 있는 것도 아니며 미세석회화를 찾을 수 없다.
인체내 이상부위를 찾아 식별하고 진단하는 광학적 방법은 기존의 생검의 문제점을 해결하도록 개발된 것이다. 광학적 방법은 2가지로 구분되는데, 첫째는 인테그럴 검사방식으로서, 공간적 신호분포를 측정해 (온도나 화학적 함량과 같은) 성질의 변화에 관한 정보를 습득하여, 정상부위와 이상부위의 경계를 표시한다. 두 번째 방식은 스펙트럼 방식으로, 다양한 주파수 대역에서 복사선 강도를 측정하는 것으로, 이상상태를 나타내는 정보를 근거로 이상부위를 식별하는데 유용하다.
내부조직을 평가하는 기존의 광학적 방법은 근적외선(NIR) 파장대의 빛의 능동조사를 기반으로 한다. 근적외선을 사용하는 이유는 안전하고 정상 피부조직을 침투하는 비파괴 검사가 가능하기 때문이다. 그러나, 광학적 촬영법, 광학적 스펙트럼 분석, 열촬영법과 같은 기존의 모든 기술은 단점이 있고 유방암과 암전구체의 검사와 식별에 완전히 적절한 것은 아니다.
형광법은 의심 부위에 자외선을 비춰 근적외선이나 가시광 범위의 형광스펙트럼을 검출하는 것으로, 정상조직과 암세포 사이의 형광스펙트럼 차이를 이용해 악성종양을 식별할 수 있다[Y. Chen, X. Intes, B. Chance의 "Development of high-sensitivity near-infrared fluorescence imaging device for early cancer detection", Biomedical Instrumentation & Technology, vol.39, No.1, pp.75-85, 2005]. 조기 암검진에 가장 큰 문제점은 암세포의 자동형광이 넒게 분포된 파장을 포함한 광대역에 걸쳐 약한 신호를 내고 인간의 조직에서 발견되는 다양한 화학약품으로 인한 다른 신호와 혼동된다는 것이다.
광자이동법은 근적외선의 몇몇 파장의 유방조직에서의 흡수와 산란 측정을 기반으로 한 또다른 비파괴 치료법이다[Shah, N., A.E. Cerrusi, D. Jakubowski, D. Hsianq, Butler, Tromberq의 "Spatial variations in optical and physiological properties of healthy breast tissue", Journal of Biomedical Optics, vol.9, No.3, 2004, pp.534-40 참조]. 이 방법은 옥시, 디옥시 헤모글로빈 과 지질과 물의 농도를 결정할 수 있다. 정상세포와 병든세포 사이의 이런 농도차가 환부를 나타낸다. 이상의 모든 근적외선 기술은 광자이동과 산란을 검출하는데 비용이 많이 드는 기술을 요한다. 또, 근적외선 방법 어떤 것도 양성과 악성을 구분할 수 없다.
협대역 중적외선(MIR; medium infrared) 방식은 로마분광법을 포함하고 (FTIR; Fourier-transform-infrared spectroscopy이라 하는) 중적외선 분광진단법을 근거로 한 방법으로, (FEW; fiber-optical evanescent wave method이라 하는) 광섬유 기술과 결합될 수 있다[Afanasyeva, Kolyakov, Letokhov의 "Diagnostic of cancer by fiber optic evanescent wave FTIR (FEW-FTIR) spectroscopy", SPIE, vol. 2928, 1996, pp.154-157; Afanasyeva, Kolyakov, Letokhov의 "Noninvasive diagnostics of human tissue invivo", SPIE, vol.3195, 1997. pp.314-322; Afanasyeva, Artjushenko, Kolyakov의 "Spectral diagnostics of tumor tissues by fiber optic infrared spectroscopy method", Reports of Academy of Science of USSR, vol. 356, 1997, pp.118-121; Afanasyeva, Kolyakov, Letokhov, Golovkina의 "Diagnostics of cancer tissues by fiber optic evanescent wave Fourier transform IR (FEW-FTIR) spectroscopy", SPIE, vol.2979, 1997, pp.478-486; Bruch, Sukuta, Afanasyeva의 "Fourier transform infrared evanescent wave (FTIR-FEW) spectroscopy of tissues", SPIE, vol.2970, 1997, pp.408-415; Sukuta의 "Factor analysis of cancer Fourier transform evanescent wave fiber-optical (FTIR-FEW) spectra", Lasers in Surgery and Medicine, vol.24, No.5, 1999, pp.325-329; Afanasyeva, Welser, Bruch의 "Numerous applications of fiber optic evanescent wave Fourier transform infrared (FEW-FTIR) spectroscopy for subsurface sgtructural analysis", SPIE, vol. 3753, 1999, pp.90-101]. 이들 기술은 3~5㎛나 10~14㎛ 정도의 좁은 파장대의 중적외선을 이용한다[Artjushenko, Lerman, Kryukov의 "MIR fiber spectroscopy for minimal invasive diagnostics", SPIE, vol.2631, 1995 참조]. 이 방법은 정상세포와 종양세포를 구분하는데 효과가 있지만, 파장대가 좁아 정상상태와 초기 암상태의 미묘한 차이를 구분할 수 없으며 양성세포가 전암세포를 거쳐 악성세포로 전이하는 것을 추적할 수 없다.
현재의 비파괴 수동 중적외선 방법은 정상세포와 암세포의 복사율 차이를 근거로 환부의 컬러영상을 만드는데 열카메라나 FLIR 카메라를 사용한다. 이들 방법은 피부의 암(예; 흑색종이나 피부암)을 찾아내는데 아주 효과적이다. 피부종양의 적외선 영상은 각각의 환부의 a) 암조직 구조 형상의 비대칭성, b) 암조직 구조의 경계, c) 암조직 구조의 색상, d) 암조직 구조의 크기와 같은 4가지 요소를 의사에게 제공한다. 그러나, 이 방법도 유방암과 같은 인체내부 환부는 찾아낼 수 없다.
FLIR 카메라는 (인체의 복사에너지가 최대인) 7~13㎛의 파장에서 "흑체"로서의 인체에서 복사된 광자를 검출한다. 이 파장대는 인체와 비슷하게 280~320K의 온도를 갖는 배경 장애물로부터 많은 잡음이 생긴다. 이런 배경잡음때문에 현재의 기술로는 인체내부 환부에서 생기는 미약한 수동신호를 식별하기가 불가능하다.
인체에서 나오는 열량을 2~5㎛ 파장대의 "열파"로서 측정하는 열카메라도 FLIR 카메라와 비슷한 단점을 보인다. 열카메라는 FLIR 카메라보다 높은 온 도(350~400K)에 상응하는 좁은 파장대를 검출하여 배경잡음의 영향을 심각하게 받지는 않지만, 2~5㎛ 파장대에서 인체에서 나오는 수동 "흑체" 열파의 전체 강도가 너무 작아 수 mm 이상의 깊이의 환부를 찾기가 불가능하다.
따라서, 피부암을 찾는데 큰 효과를 보여온 수동 중적외선 검출법(FTIR, FEW, FLIR, 열카메라 등)을 이용한 현재의 비파괴방법은 피부 밑으로 1cm 이상의 깊이에 있는 유방암을 찾는데는 사용할 수 없다. 정상세포에 비해 종양의 온도가 자연적으로 0.1K 정도로 약간 높아서 상승된 복사선 강도라도 이런 깊이에서는 크게 감쇠되므로 일반 도구로는 결코 찾아낼 수 없다.
따라서, 생체조직내 수 cm 깊이에 있는 환부, 특히 암 전구체를 조기에 검진할 수 있는 비파괴 방법의 필요성은 말할 나위도 없다. 본 발명은 암세포에 의한 중적외선의 우선적 흡수를 근거로 한 능동 가열법을 채택해 이런 필요성을 충족함은 물론, 중적외선 복사강도의 미묘한 차이에 대한 감도를 증가시키는 차동측정법도 이용한다. 이런 개선된 열 콘트라스트와 감도를 이용해 환부의 형태와 암 전이단계를 구분하는 광흡수율과 열량 변화를 정밀하게 스펙트럼 검사한다. 따라서, 본 발명은 인체의 정상세포와 환부세포를 구분하는 극히 민감한 비파괴 방법을 제시한다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.
발명의 요약
본 발명은 생체조직 내부의 환부를 식별하는 비파괴 장치와 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명은 인테그럴 방식과 스펙트럼 방식을 근거로 적외선 신호를 능동/수동 분석하여 여러 종류의 종양, 환부, 암(유방암)을 비파괴 검색하고 식별하는 방법과 장치를 제공하여, 암전이를 조기 경보하고 치료하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 환자의 피하 환부를 비파괴 식별하는 방법이 제공된다. 이 방법은 정상세포가 아닌 환부를 가열하는 단계, 이런 가열에 의해 환부에서 나오는 복사선을 측정하는 단계, 및 이런 측정결과를 근거로 환부를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 환자의 피하 환부를 식별하기 위한 디텍터가 제공된다. 이 디텍터는 환부를 중적외선에 노출시켜 환부를 가열하기 위한 램프, 일정 노출기간이 지난 뒤 램프를 끄기 위한 타이머, 및 램프로 가열한 뒤 환부에서 나온 복사선을 측정하기 위한 중적외선 센서를 포함한다.
이런 본 발명의 방법에 있어서, 가열 단계에서 첫번째 파장대의 적외선을 환부에 조사하는데, 이런 첫번째 파장대는 복사선의 파장대와는 다르다.
또, 본 발명에 따른 방법은 두번째 파장대의 적외선을 환부에 조사하는 단계를 더 포함하거나, 첫번째 파장대의 파수가 1600~1700㎝-1인 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 방법에서, 복사선은 중적외선 파장대의 흑체 복사선을 포함하거나, 환부가 환자의 유방의 일부이거나, 가열단계가 일정 기간 진행된 다음 측정단계가 진행되거나, 측정결과가 복사선의 차별측정 결과인 것이 바람직하고, 이런 차별측정 결과가 콘트라스트이다.
또, 본 발명에 따른 방법은 추가로 환부 식별을 위해 스펙트럼 분석을 실행하는 단계나, 환부의 깊이를 결정하는 단계를 더 포함하기도 한다.
한편, 본 발명에 따른 디텍터에 있어서, 중적외선 센서의 감도를 첫번째 파장대로 제한하기 위한 대역통과필터를 더 포함할 수도 있는데, 이 경우 두번째 파장대에서 복사선을 특정하기 위한 두번째 중적외선 센서를 더 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 첫번째 실시예의 디텍터;
도 2는 첫번째 파장대인 1500~1800㎝-1에서 양성 유방조직과 악성 유방조직의 중적외선 흡수율 분광그래프;
도 3은 첫번째 파장대인 1500~1800㎝-1에서 양성 유방조직과 악성 유방조직의 중적외선 콘트라스트 분광그래프;
도 4a는 두번째 파장대인 900~1200㎝-1에서 정상조직, 양성 유방조직, 악성 유방조직의 중적외선 흡수율 분광그래프;
도 4b는 세번째 파장대인 1400~1750㎝-1에서 정상조직, 양성 유방조직, 악성 유방조직의 중적외선 흡수율 분광그래프;
도 4c는 네번째 파장대인 2700~3600㎝-1에서 정상조직, 양성 유방조직, 악성 유방조직의 중적외선 흡수율 분광그래프;
도 5는 본 발명의 첫번째 실시예의 순서도;
도 6a는 본 발명에 따른 생체조직내 환부를 식별하는 장치의 두번째 예;
도 6b는 본 발명의 두번째 실시예의 순서도.
이하 첨부 도면들을 참조하여, 본 발명에 따라 피부병변을 확인하는 비파괴 방법과 장치의 원리와 동작에 대해 설명하겠지만, 이 설명은 단지 예를 든 것일 뿐이고 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아님을 알아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 내부조직 이상유무 디텍터(11)의 일례를 보여준다. 이 디텍터(11)의 4개의 적외선센서(22a~d)는 인체에서 나오는 열전도파(중적외선)를 검출한다. 적외선센서(22a~d)는 작동원리는 열감지카메라와 같지만 분광대역폭은 1 내지 20~40 ㎛ 정도로 더 넓다. 센서(22b~d)마다 대역통과필터(23b~d)가 하나씩 달려있어서, 센서(22a)는 광대역신호(1~30 ㎛)의 강도를 측정하고, 센서(22b~d)는 대역통과필터를 통과하는 협대역신호들을 측정한다.
센서(22a)는 넓은 대역폭을 이용해 인체에서 발산된 에너지를 "흑체"처럼 모을 수 있어, 인체 내부에서 나오는 약한 신호를 검출할 수 있다. 특히, 유방 내부의 비정상(예; 암)을 찾을 수 있다. 센서(22a)는 또한 배경과 주변 장애물에서 나오는 넓은 대역에 걸친 잡음도 모을 수 있다. SNR(signal to noise ratio; 신호 대 잡음비)를 높이기 위해, 본 발명에서는 (종래의 열감지카메라나 FLIR을 이용할 때처럼) 온도차를 이용하지 않고 복사강도차인 콘트라스트를 채택한다. 작은 복사강도차를 감지하는데 콘트라스트를 이용하는 것은 당 분야에 잘 알려져 있다. [A.T. Nesmyanovich, Ivchenoko, Milinevsky의 "Television system for observation of artificial aurora in the conjugate region during ARAKS experiments", Space Sci. Instrument, vol. 4, 1978, pp.251-252. Filipp, Oraevskii, Blaunshtein, Ruzhin, Evolution of Artificial Plasma Formation in The Earth's Ionosphere, Kishinev: Shtiintsa, 19986, 246 페이지].
콘트라스트 C=(R'-R")/(R'+R")이고, R'는 건강한 조직의 열량, R"는 비정상 부위의 열량이다. 대역폭이 다른 분광측정을 위한 콘트라스트는 위와 같지만, R'과 R"를 스펙트럼 밀도 R'(λ i )와 R"(λ i )로 대체한다. 각 대역에서 측정된 열량의 평균 스펙트럼 밀도를 계산하는 식은 S λi =R(λ i )/Δλ i 인데, S λi 는 λ i 대역(i번째 대역)의 열량의 평균 스펙트럼 밀도; R(λ i )는 λ i 대역에서 측정한 열량, Δλ i 는 i번째 대역의 스펙트럼폭이다.
흑체에서 복사된 스펙트럼 에너지밀도를 구하는 식은
Figure 112008055846381-PCT00001
310K)에서 흑체의 열량의 스펙트럼 밀도; εlt는 정상 생체조직의 열복사율, τlt는 정상 생체조직의 투과율; εcan은 암세포의 열복사율; τcan은 암세포의 투과율이다. 따라서, 주어진 파장대에서 신체에서 복사된 빛의 강도는 그 파장대에서의 흡수율에 비례해야 한다. 콘트라스트는 복사강도에 반비례하므로, 흑체의 콘트라스 트도 흡수율에 반비례하는데, 도 3과 도 2를 비교하면 이를 알 수 있다. 도 2는 다음 자료에서 행한 측정값을 기초로 한다: Afanasyeva, Kolyakov, Letokhov의 "Diagnostic of cancer by fiber optic evanescent wave FTIR (FEW-FTIR) spectroscopy", SPIE, vol. 2928, 1996, pp.154-157. Afanasyeva, Kolyakov, Letokhov, Golovkina의 "Diagnostics of cancer tissues by fiber optic evanescent wave Fourier transform IR (FEW-FTIR) spectroscopy", SPIE, vol. 2979, 1997, pp.478-486; Brooks, Afanasyeva, Bruch의 "FEW-FTIR spectroscopy applications and computer data processing for noninvasive skin tissue diagnostics in vivo", SPIE, vol. 3595, 1999, pp.140-151.
신호강도를 높이고 SNR을 더 높이기 위해, 본 발명에서는 병소를 찾기 쉽도록 병소에 열을 가하는 능동법을 채택한다. 능동법에서, 중적외선 광원인 램프(24a)로 주파수대역 1600~1700 ㎝-1의 중적외선을 10mW/㎟ 강도로 유방에 조사하여 유방에 열을 가한다. 또는 낮은 강도로 열을 가할 수 있도록 램프(24a)에 조광기를 설치할 수도 있다. 정상조직은 1600~1700 ㎝-1의 중적외선을 흡수하지 않으므로(도 2, 4b 참조), 이런 파장의 빛은 건강한 조직에 열을 가하지 않고 통과한다. 한편, 1600~1700 ㎝-1의 중적외선은 암세포에 강력히 흡수되어 열을 가한다(도 2, 4b 참조). 즉, 1600~1700 ㎝-1의 중적외선은 건강한 세포 뒤에 가려진 암세포에만 열을 가한다. 도 4a~c는 다음 자료의 측정값을 기본으로 한다: Liu, Y. Zhang, Yan, X. Zhang, C. Li, W. Yang, D. Shi의 "Infrared absorption of human breast tissues in vitro", vol. 199-120, 2006, pp.132-136.
구체적으로, 램프(24a)는 타이머(26)에 의해 3분간 작동하면서 1600~1700 ㎝-1의 중적외선을 유방에 조사하여 주변 정상세포가 아닌 암세포만을 가열한다. 암세포와 주변 정상세포 사이의 온도차가 0.3~1°K까지 증가하면, 흑체 열복사에 변이를 일으키고, 이는 몇 ㎝의 정상세포 밑에있는 생체열 디텍터로도 충분히 감지할 수 있을 만큼 높다.
3분 뒤, 타이머(26)가 램프(24a)를 끄고 센서(22a~d)를 작동시키면, 유방에 대한 스캔이 일어나면서, 센서(22a)가 1~30㎛의 대역폭의 인티그럴 신호를 측정하는 반면, 센서(22b)는 1600~1700 ㎝-1, 센서(22c)는 1000~1050 ㎝-1, 센서(22d)는 3250~3350 ㎝-1의 좁은 대역폭의 신호들을 각각 측정한다. 도 4a~c에서 알 수 있듯이, 정상세포에 대한 센서(22a~c)의 대역에서는 흡수율에 있어서 정상세포에 비해 암세포는 훨씬더 높고 전암성 세포는 약간 더 높지만, 센서(22d)의 대역에서는 정상세포에 비해 암세포는 높고 전암성세포는 낮다.
도 2~3과 R'(λ i )와 R"(λ i )를 구하는 위의 식에서 알 수 있듯이, 양의 흡수율은 음의 콘트라스트에 해당한다. 따라서, 암세포 위치에서는 4개의 센서(22a~d) 모두 음의 콘트라스트를 검출하지만, 전암성 세포 위치에서는 3개의 센서(22a~c)만 음의 콘트라스트를 검출하고 나머지 센서(22d)는 양의 콘트라스트를 검출한다. 3분 간 10mW/㎟의 강도로 중적외선에 노출되면서 유방조직을 1K로 가열하는 것은 무해하고 고통도 없으며 비파괴적이다.
배경 잡음을 줄이기 위해 차가운 방에서 측정을 하고 유방의 외부를 플라스틱 프레임에서 안정시키는 동안 환자를 엎드리게 하고 관심구역의 피부조직을 선풍기로 식혔다.
도 2는 유방의 전암세포(101,102)와 암세포(103)와 같은 비정상 세포에서 일어난 적외선 흡수율의 분광분석 그래프이다. 전암세포(101,102)는 암세포로 전이되기 이전 단계의 세포이다. 이 분석결과는 Afanasyeva의 1996년과 1997년, 그리고 Brooks의 1999년 자료에 소개된 것이다. 도 2의 흡수율, 투과율, 복사율 및 콘트롸스트 사이의 관계를 근거로, 전암세포(151,152)와 암세포(153)의 콘트라스트를 도 3과 같이 제시한다.
도 2~3을 보면, 전암세포(101,102,151,152)와 암세포(103,153)는 1630 ㎝-1 부근에서 흡수율이 최대이다. 도 4b에서도 마찬가지로, 전암세포(202b)와 암세포(203b) 모두 1655 ㎝-1 부근에서 비슷한 결과를 보인다. 전술한 바와 같이, 1650 ㎝-1 부근의 대역의 적외선은 건강한 유방세포는 투과하되 전암세포와 암세포는 가열한다. 가열이 끝난 뒤, 환부의 높은 온도때문에 환부 복사된 흑체 중적외선으로 환부를 찾을 수 있다. 구체적으로, 1K 온도 상승만으로도 (환부에서 최대 3cm까지의) 피부에서 10-7~10-6 W/㎠의 중적외선 신호가 생기고, 이 신호는 일반적인 생체열 디텍터로 쉽고 정확하게 감지할 수 있다.
본 발명은 중적외선의 흡수율과 복사율의 스펙트럼 차이를 이용해 악성환부와 양성환부를 구분할 수 있다. 구체적으로 도 4c를 보면, 3300 ㎝- 1 에서는 유방암세포(203)는 정상세포(201c)보다 중적외선을 강하게 흡수하지만, 3000 ㎝- 1 에서는 전암세포(202c)가 정상세포(201c)보다 중적외선을 덜 흡수한다. 이상에서 알 수 있듯이, 3300 ㎝- 1 에서의 암세포(203c)에서의 흑체복사 콘트라스트는 음성이고 3000 ㎝- 1 에서의 전암세포(202c)의 흑체복사 콘트라스트는 양성이다.
한편, 도 3에 의하면 1750 ㎝- 1 에서 암세포(153)의 콘트라스트가 거의 0으로 되고 전암세포(151,152)의 콘트라스트는 양의 값을 갖는다. 또, 도 4b에 의하면, 1750 ㎝- 1 에서는 흡수율이 전암세포(202b)가 정상세포(201b)보다 높지만 암세포(203b)는 정상세포(201b)보다 낮다. 이를 이용해 전암세포와 암세포의 조기 진단단계를 구분할 수 있다.
한편, 흡수율로 바로 다른 종류의 환부를 구분할 수 있다. 즉, 1650 ㎝-1 부근의 적외선을 유방에 조사하면, 암세포(103,153,203b)와 전암세포(101,102,151,152,202b) 모두 가열되어 광대역 적외선 스캔에 열점으로 나타나지만, 1550 ㎝-1 부근의 적외선으로 유방을 가열하면 암세포(103,153,203b)만 가열된 다. 따라서, 1650 ㎝- 1와 1550 ㎝-1 양쪽 적외선으로 조사되어 검출된 환부는 악성이지만, 1650 ㎝- 1 에만 나타나고 1550 ㎝-1 에는 나타나지 않는 환부는 모두 양성이다.
도 5는 본 발명의 일례의 순서도이다. 여기서는 중적외선의 흡수차로 인한 열량차를 이용해 전암세포나 암세포를 정상 유방세포와 구분하는 한편, 복사율 차이를 이용해 악성세포와 양성세포를 구분한다. 시작단계(302)에 이어 환자를 검진할 준비를 한다(304). 검진은 냉방룸에서 진행되고, 검진할 부위의 외부는 찬 공기에 의해 차갑게 유지된다. 환자의 스캔할 부위를 가능한한 움직이지 않게 두고(예컨대 1999년 미국특허 5,999,842에서는 환자를 엎드리게 한다), 수동 인테그럴 스캔을 한다(306). 이때 의사가 스캔을 하는 것이 좋다. 인테그럴 스캔 단계(306)에서 램프(24a)는 꺼둔다.
인테그럴 스캔 단계(306)에서, 센서(22a)는 광대역(333~10000㎝-1) 측정을 하지만 센서(22b~d)는 협대역 측정을 하여, 각각의 대역범위가 센서(22b)는 1600~1700㎝-1, 센서(22c)는 1000~1050㎝-1, 센서(22d)는 3250~3350㎝-1이다. 그 결과값이 저장된다(308). 비정상 열량 부위가 확인되면(310), 이 부위를 스펙트럼 스캔(312)으로 정밀검진한다. 스펙트럼 스캔(312)을 위해, 센서(22a~d)로 측정한 각각의 스펙트럼 대역에서 아무런 비정상 열량이 관찰되지 않은 부위에 대한 적외선 강도를 평균내서 스캔 결과값으로부터 배경 열량(R'; 311)을 결정한다(314). 이어서, 스펙트럼 스캔(312)을 실시하고 306의 스캔과정에서 비정상 열량을 보여준 부 위에 대한 R"(313)를 측정한다. 312의 스펙트럼 스캔 과정중에 306의 인테그럴 스캔보다 더 오랫동안 스캔부위 위에 디텍터(11)를 고정한다. 또, 스펙트럼 스캔(312)을 하는 동안, 디텍터(11)를 가능한한 피부에 가까이 두고 비정상 부위를 여러 각도로 스캔하여 피부 밑의 깊이를 포함해 3차원 영상을 얻는다. 앞에 설명한 식들을 사용해 비정상 열량부위의 콘트라스트(C)를 계산한다(315).
한편, 정밀검진을 위해 도 1의 디텍터를 인테그럴 스캔에 사용하지만, FTIR과 같은 풀스펙트럼 방법을 이용하기도 한다. 또는, 스펙트럼 내역에 관심이 없으면, 1개 대역에 대해서만 인테그럴 스캔을 실시하고, 상세한 스펙트럼 스캔에서만 여러 대역들을 측정한다.
인테그럴 스캔(306)에서 아무런 열량 이상이 감지되지 않으면(310), 수동 스펙트럼 스캔 단계(312~315)는 생략해도 된다.
수동스캔(306~315) 이후, 능동 인테그럴 스캔(316)을 한다. 이를 위해, 램프(24a)를 사용해 10mW/㎟의 강도로 1600~1700㎝-1의 중적외선에 관심부위 전체를 3분간 노출시킨다. 이동안 찬 공기와 선풍기를 사용해 피부 표면은 여전히 차게 유지한다. 도 2, 3, 4b에서 설명한 바와 같이, 1600~1700㎝-1의 중적외선은 정상세포는 투과하지만 암세포와 전암세포는 가열한다. 3분뒤 램프(24a)를 끄고 능동 인테그럴 스캔(316)을 한다. 능동 인테그럴 스캔(316)은 수동 인테그럴 스캔(306~315)과 같지만, 이상세포와 정상세포의 온도차가 높기 때문에 수동스캔에 비해 훨씬 더 민감하다. 환부와 배경의 복사레벨과 콘트라스트(317)의 결정은 수동 인테그럴 스 캔(306~315)과 거의 비슷하다.
능동이든 수동이든 어떤 스캔에서도 열량이 비정상인 부위가 관찰되지 않으면(319), 환자가 환부가 없다고 진단하고(320) 과정을 종료한다(340).
열량이상부위가 관찰되면(319), 이 부위에 능동 스펙트럼스캔(328)을 하여 시험한다. 이를 위해, 먼저 이상이 없는 몇몇 부위를 능동스캔하여(324) 배경의 스펙트럼강도 R'(λ i )를 결정해야 한다(325). 도 5의 경우, 인테그럴 스캔에서 이상이 발견된 열량은 아주 약하다. 따라서, 인테그럴 스캔의 결과값들을 분석하면서, 스펙트럼 스캔의 감도를 높이기 위해 일정 가열시간(5분)으로 타이머(26)를 설정하는데, 이 시간은 능동 인테그럴 스캔의 가열시간 3분보다 길다. 그러나, 환자를 장시간 열에 노출시키는 것은 좋지 않으므로, 환부를 의심할 이유가 없던 초기 스캔 동안에는 감도보다는 노출 최소화가 더 중요해 3분간만 노출을 했다. 환부가 의심되면, 감도를 높이기 위해 가열 강도를 높일 필요가 있다. 능동 스펙트럼 스캔(328)을 위한 배경 복사레벨을 결정하기 위해, 이상이 발견되지 않은 몇몇 부위를 램프(24a)로 가열하면서 스캔하되(324), 각 스펙트럼 대역폭은 λ 1=333~10000㎝-1, λ2=1600~1700㎝-1, λ3=1000~1050㎝-1, λ4=3250~3350㎝-1이다. 몇몇 정상부위의 스캔 결과값들을 평균내여 각각의 능동 스펙트럼 대역 λ i 에 대한 배경레벨 R'(λ i )를 결정한다(325). 이런 편균화법은 국부적인 잡음의 영향을 줄이는데 도움이 된다.
5분간의 스펙트럼 스캔(328)으로 각각의 대역 λ i 에 대한 배경레벨 R'(λ i ) 를 결정한(325) 다음, 이상의 확인된 부위를 램프(24a)로 5분간 가열한다(326). 이어서, 이상 부위를 스캔하여(328) 국부적인 능동 스펙트럼 복사강도 R"(λ i )를 결정한다(329). 이런 2가지 스펙트럼 결과값 R'(λ i )와 R"(λ i )를 이용해 콘트라스트(330)를 계산한다.
여러 파장대의 결과값들을 비교해(332) 분석을 시작하여 검출부위가 양성인지 여부를 결정한다(334). 콘트라스트 C(λ i )=[R'(λ i )-R'(λ i )]/[R'(λ i )+R'(λ i )]가 i=1, 2, 3에서 음수이고 i=4에서 양수이며 2개 대역 사이의 스펙트럼 콘트라스트 ([R"(λ 2 )-R"(λ 3 )]/[R"(λ 2 )+R"(λ 3 )])가 0.5 미만이면, 이 부위는 양성으로 결정하고(334), 그렇지 않으면 양성이 아니라고 결정한 다음 환자를 정밀검사한다.
도 5의 실시예에서는 각종 환부를 신속히 판단하는데 스펙트럼 스캔을 이용하여, 스캔할 때마다 유방을 한번씩 가열하되 스캔 사이사이에 냉각을 끌 필요는 없다. 그러나, 스펙트럼 결과값에 혼동이 있을 수 있다. 특히, 1600~1700㎝-1 파장대의 중적외선은 주변 조직보다 종양전구체를 더 높은 온도로 가열한다. 또, 수동식에서는 암전구체는 높은 대사활동 때문에 정상조직보다 더 뜨거운 것이 보통이다. 따라서, 환부와 건강한 조직이 같은 온도임에도, 3300㎝-1에서 전암세포의 복사율이 정상세포의 복사율보다 낮지만, 이 대역폭에서 높은 온도의 환부의 복사율이 낮은 온도의 정상세포보다 더 높을 수 있다. 따라서, 도 4c의 음성 콘트라스트가 도 5의 실시예에서는 관찰되지 않을 수 있다. 한군데서 2 파장대의 복사율을 비교 하는 스펙트럼 콘트라스트를 이용할 때 이런 어려움이 예상되면(예; C(λ m ,λ n )=[R"(λ m )-R"(λ n )]/[R"(λ m )+R"(λ n )]), 도 5의 방법으로 악성종양과 양성종양을 구분하기가 어려울 수 있다.
319에서 관찰된 모든 환부가 양성이라고 결정되면(334), 능동/수동 결과값들을 비교한다(335). 어떤 환부도 수동 인터그렐 스캔(310)에서 확인할 정도로 큰 것이 발견되지 않으면(336), 환자가 건강하다고 판단하고 내보낸다. 319에서 관찰된 모든 환부가 양성으로 결정되었지만(334) 일부 환부는 수동 인터그렐 스캔(310)에서 확인할 정도로 크다면(336), 환자를 정밀검진한다(338). 정밀검진은 좀더 신중하게 이상부위를 재차 스캔하는데, 이때 여러 파장대의 중적외선으로 조사한 뒤 스캔하기도 하고 다른 여러 정밀검사를 하기도 한다(도 6 참조).
본 발명의 두번째 실시예에 대해 도 6a~b를 참조하여 설명한다. 여기서는 중적외선의 흡수차로 인한 열량차는 물론 복사율차를 이용해 건강한 세포, 악성종양 및 양성종양을 구분한다. 따라서, 본 실시예는 도 5의 예비진단이 애매할 경우의 정밀진단인 셈이다.
도 6a는 환자의 유방 내부의 환부를 식별하는 시스템의 두번째 예를 보여준다. 이 시스템의 중적외선 램프는 2개이다. 첫번째 램프(24b)는 첫번째 파장대인 1600~1700㎝-1에서, 두번째 램프(24c)는 두번째 파장대 1600~1700㎝-1에서 각각 적외선에너지를 조사한다. 시스템의 디텍터(400)에 달린 2개의 생체열센서(22e,22f)는 333~10,000㎝-1 파장대의 중적외선에 민감하고 대역통과필터(23e)는 교환 가능하다. 따라서, 디텍터(400)는 333~10,000㎝-1의 광대역에서는 물론 파장대를 조정하면서 스캔한다.
도 6b는 이 시스템의 순서도이다. 도 5의 304 단계와 마찬가지로 환자를 준비한다(404). 램프(24b)를 사용해 첫번째 파장대인 1600~1700㎝-1에서 10mW/㎟의 강도로 중적외선을 스캔부위에 3분간 조사한다(406). 이 파장대의 중적외선은 종양과 양성환부 모두 흡수된다. 이어서, 1600~1700㎝-1 파장의 필터(23e)가 달린 디텍터(400)를 사용해 이 부위를 스캔한다(408). 즉, (가능한 가장 강한 신호를 얻는) 에너지의 대부분을 받는 광대역 333~10000㎝-1과, (최적의 SNR을 얻는) 환부를 가장 강력히 표시해야 하는 파장대인 1600~1700㎝-1에서 동시에 스캔한다(408).
이 부위를 평형상태로 냉각하는데(409), 이때 시간이 걸려 불편할 수는 있지만, 전암세포 부위들을 냉각하지 않으면 다음 단계에서 악성세포와 구분하기 힘들 수 있다. 평형상태에 도달하면, 램프(24c)를 사용해 첫번째 파장대인 3250~3350㎝-1에서 10mW/㎟의 강도로 중적외선을 스캔부위에 3분간 조사한다(410). 이 파장대의 중적외선은 종양에는 잘 흡수되지만 양성세포에는 흡수되지 않는다. 이어서, 3250~3350㎝-1 파장의 필터(23e)가 달린 디텍터(400)를 사용해 이 부위를 스캔한다(412). 즉, (가능한 가장 강한 신호를 얻는) 에너지의 대부분을 받는 광대역 333~10000㎝-1과, (최적의 SNR을 얻는) 환부를 가장 강력히 표시해야 하는 파장대인 3250~3350㎝-1에서 동시에 스캔한다(408).
이상 부위가 발견되지 않으면(414), 환자를 퇴원시키고, 발견되고(414) 이 부위가 첫번째 주사(408)에서는 정상 중적외선보다 높은 중적외선을 복사하되 두번째 주사(412)에서는 복사하지 않으면, 환부를 양성으로 판정하고(416) 양성환부가 암세포로 전이되지 않음을 확인한 뒤 환자를 퇴원시킨다(424). 한편, 첫번째와 두번째 스캔(408,412) 모두에서 정상 복사율보다 높게 복사가 일어나면, 이 환부를 악성으로 판정하고(418) 환자를 정밀검진한다(422). 마찬가지로, 다른 복사가 두번째 스캔(412)에서는 발견되고 첫번째 스캔(408)에서는 발견되지 않으면, 결론을 내지 않고(420) 환자를 정밀검진한다(422).

Claims (15)

  1. 환자의 피하 환부를 비파괴 식별하는 방법에 있어서:
    a) 정상세포가 아닌 환부를 가열하는 단계;
    b) 이런 가열에 의해 환부에서 나오는 복사선을 측정하는 단계; 및
    c) 이런 측정결과를 근거로 환부를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 단계에서 첫번째 파장대의 적외선을 환부에 조사하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 첫번째 파장대가 상기 복사선의 파장대와 다른 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, d) 두번째 파장대의 적외선을 환부에 조사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 첫번째 파장대의 파수가 1600~1700㎝-1인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복사선이 중적외선 파장대의 흑체 복사선을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 환부가 환자의 유방의 일부인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가열단계가 일정 기간 진행된 다음 측정단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 측정결과가 복사선의 차별측정 결과인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 차별측정 결과가 콘트라스트인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, d) 환부 식별을 위해 스펙트럼 분석을 실행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, d) 환부의 깊이를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징 으로 하는 방법.
  13. 환자의 피하 환부를 식별하기 위한 디텍터에 있어서:
    a) 환부를 중적외선에 노출시켜 환부를 가열하기 위한 램프;
    b) 일정 노출기간이 지난 뒤 램프를 끄기 위한 타이머; 및
    c) 램프로 가열한 뒤 환부에서 나온 복사선을 측정하기 위한 중적외선 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디텍터.
  14. 제13항에 있어서, d) 상기 중적외선 센서의 감도를 첫번째 파장대로 제한하기 위한 대역통과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디텍터.
  15. 제14항에 있어서, e) 두번째 파장대에서 복사선을 특정하기 위한 두번째 중적외선 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디텍터.
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