KR20110113188A - 탁한 매체 내에 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 광학적 검사 장치 - Google Patents

Abstract

탁한 매체 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 광학적 검사 장치(10)가 제공된다. 이 광학적 검사 장치는 탁한 매체 내에 삽입되도록 구성된 샤프트 부분(21)을 포함하고, 샤프트 부분(21)은 탁한 매체 내로의 삽입 동안 최전방 부분이 되도록 구성된 팁 부분(22)을 포함한다. 광대역 광의 비임(11)을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원 장치가 팁 부분(21)의 영역에 제공된다. 광대역 광의 비임(11)은 상이하게 변조되는 상이한 파장 대역들(2a, 2b, ..., 2n)을 포함한다. 광대역 광을 검출하기 위한 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)가 샤프트 부분(21)의 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 영역에 제공된다.

Description

탁한 매체 내에 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 광학적 검사 장치 {OPTICAL EXAMINATION DEVICE ADAPTED TO BE AT LEAST PARTIALLY INSERTED INTO A TURBID MEDIUM}

본 발명은 탁한 매체 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 광학적 검사 장치에 관한 것이다.

본 출원에 관하여, 용어 "광"은 특히 400 nm과 1400 nm 사이의 범위의 파장들을 갖는 비-이온화 전자기 방사선을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 용어 검광기는 도입 광을 수신하고 이에 응답하여 수신된 광에 대응하는 전기 신호를 출력할 수 있는 장치를 의미한다. 용어 탁한 매체는 예로서, 인트라리피드(intralipid) 용액 또는 생물학적 조직 같은 높은 광 산란 계수를 갖는 재료로 구성된 물질을 의미하는 것으로 이해하여야 한다.

다수의 의학적 상황들에서, 생검들은 의학적 진단들을 확인하기 위한 유일한 방법이다. 바늘 생검들은 미세 바늘 흡인 세포학(FNAC), 미세 바늘 흡인 생검(FNAB) 또는 미세 바늘 흡인(FNA)이라고도 알려져 있다. 이런 바늘 생검들은 예를 들어, 현미경을 사용한, 병리학자에 의한, 신체 외부로 추출된 조직의 추가적 분석을 위해 포유류 신체, 즉, 인체 또는 동물 신체에 의해 형성되는 탁한 매체로부터 소량의 조직을 추출하기 위해 사용된다. 바늘 흡인 생검들은 특히 여성 유방들, 전립선들, 폐들, 갑상선 및 뼈의 검사를 위해 빈번히 사용된다. 수술적 생검에 비해, 바늘 흡인 생검들은 덜 침해적이고, 저가이고, 적은 시간이 소비되며, 생검을 받는 환자들의 회복 시간이 더 짧다. 예로서, 유방암의 진단을 위해 해마다 미국에서 대략 백만회의 바늘 생검들이 수행된다.

오늘날, 포유류 신체의 내부로부터 조직 샘플들을 취하기 위한 조직 생검들은 생검 바늘로부터의 피드백 없이 수행되고 있다. 결과적으로, 의사들은 바늘 팁의 바로 앞에 위치되어 있는 조직의 미소구조 및 분자 조성에 대한 정보가 부족하다. 결과적으로, 종종 샘플링이 필요한 조직 영역에 관한 바늘 팁의 위치가 불확실한 경우들이 있다.

이 문제점을 극복하기 위해, 생검 바늘로부터의 직접적 피드백이 없는 경우, 바늘 위치설정을 돕기 위해 다양한 다른 영상화 방법들을 사용하는 것이 알려져 있다. 이런 영상화 방법들은 X-선 영상, MRI(자기 공명 영상) 및 초음파 영상을 포함한다. 이들 방법들이 생검 바늘의 절대적 위치에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있지만, 조직(특정 관심의 대상인)에 관한 생검 바늘의 상대적 위치에 대한 필요한 정보가 얻어질 수 없는 경우가 빈번하다. 달성되는 공간적 해상도는 종종 작은 병리학적 덩어리들을 식별하기에는 부적합하다. 또한, 적용되는 영상화 방법들은 종종 양성과 악성 조직들 사이의 구별을 위해서는 부적합한 연성 조직 대비를 나타낸다. 다른 공통적 문제점은 적용된 영상화 방법들이 종종 생검 바늘의 경로인 작은 혈관들 또는 신경들을 식별하기에는 부적합한 대비를 제공한다는 것이다.

이들 단점들로 인해, 바늘 생검 동안 혈관들 또는 신경들이 비의도적으로 천공되는 경우들이 많다. 생검 바늘들로 천공된 혈관들은 환자에게 유해한데, 그 이유는 내부적 출혈이 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 신경들의 천공은 환자에게 특히 유해할 수도 있다. 이런 견지에서, 팁의 경사진 부분의 전방에(즉, 생검 바늘로 추출될 수 있는 조직으로부터의 영역에) 위치되어 있는 조직에 관한 정보를 취득하는 것이 중요할 뿐만 아니라, 바늘 팁의 최전방 부분의 전방에 위치되어 있는 조직(즉, 생검 바늘이 추가로 전향 이동되면 천공되게 되는 조직)에 관한 정보를 취득하는 것도 중요하다.

광섬유들을 통해 생검 바늘로부터 직접적 피드백을 제공할 가능성이 존재한다. 예로서, 광섬유들은 바늘 팁을 둘러싸는 조직에 대한 정보를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 조직들은 그 각각의 광학적 흡수 스펙트럼들에 의해 구별될 수 있다는 것이 알려져 있다(예로서, 조니오스(Zonios) 등의 "생체 내에서의 인간 선종성 상행결정 용종의 확산 반사 분광(Diffuse reflectance spectroscopy of human adenomatous colon polyps in vivo)"(Appl. Opt. 38(31), 1999, 6628-6637) 참조). 특히, 혈액 내에 존재하는 헤모글로빈은 두드러진 광학적 서명들을 제공한다.

상술한 견지에서, 생검 바늘의 측부들에서 광을 검출하는 것이 유리하다. 예로서, 이는 바늘 팁의 경사진 측부로부터 시작하여 바늘 샤프트에 도달하는 생검 바늘의 날카로운 팁 주변에서 이동하는 빛을 감지할 수 있다. 원론적으로, 광섬유를 통해 생검 바늘의 팁으로 광을 안내하여, 생검 바늘의 날카로운 팁의 전방의 조직으로 광을 안내할 수 있다. 또한, 그 단부들이 생검 바늘의 샤프트의 영역에 위치되어 있는 하나 이상의 다른 광섬유들에 의해 생검 바늘의 팁의 전방의 조직 영역에서 산란되는 빛을 수집하는 것이 가능하다. 광섬유들은 예로서, 생검 바늘의 샤프트 내에 통합될 수 있다. 그러나, 이런 시스템은 이하의 단점들을 갖는다: 산란된 광을 수집하기 위한 필요한 다중모드 섬유들은 통상적으로 0.2 범위의 수치개구들을 포함한다. 이는 광섬유의 단부에서 표면 상에 입사되는 광의 단지 소량만이 수집될 수 있게 한다. 또한, 복수의 광섬유들을 포함하는 생검 바늘들의 구성 및 제조는 고가이다. 이런 시스템으로 분광검사를 수행하기 위해, 즉, 각각의 광섬유의 단부에 의해 형성되는 각각의 검출 위치를 위한 산란된 광의 많은 수의 다양한 파장들 또는 파장 대역들의 분포를 취득하기 위해, 수집된 광은 특히 작은 강도들을 위해 구성된 분광계에 의해 분석되어야만 한다. 이 경우, 다수의 검출 위치들을 위한 스펙트럼들의 취득은 상당한 양의 시간을 필요로 할 수 있다.

본 발명의 목적은 더욱 신뢰성있게, 더 낮은 비용들로, 그리고, 감소된 데이터 취득 시간으로, 팁 부분의 전방에 위치된 탁한 매체의 영역의 스펙트럼 분석을 가능하게 하는, 탁한 매체 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 광학적 검사 장치를 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 1에 따른 탁한 매체 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 광학적 검사 장치에 의해 해결된다. 광학적 검사 장치는 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 샤프트 부분을 포함한다. 샤프트 부분은 탁한 매체 내로의 삽입 동안 최전방 부분이 되도록 구성된 팁 부분을 포함한다. 광대역 광의 비임을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원 장치가 샤프트 부분의 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 영역 내에 제공된다. 광대역 광의 비임은 상이하게 변조되는 상이한 파장 대역들을 포함한다. 광대역 광을 검출하기 위한 적어도 하나의 검광기가 샤프트 부분의 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 영역에 제공된다. 광학적 검사 장치가 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 생크 부분의 영역 내에 적어도 하나의 광원을 구비하기 때문에, 광대역 광의 비임은 의료 용례들의 경우에 특정 위치에 위치된 조직 같은 탁한 매체의 관심 영역을 향해 신뢰성있게 방사되고, 그 영역에서 산란될 수 있다. 광대역 광의 비임이 상이하게 변조된 상이한 파장 대역들을 포함하기 때문에, 복조 유닛과 조합된 단순한 검광기에 의해 분광검사 정보가 취득될 수 있다. 복조 유닛은 소형 전자 회로로서 구현될 수 있거나, 적절한 프로세서 상의 소프트웨어로 구현될 수 있다. 따라서, 정교하고 고가인 분광계들이 불필요해진다. 이에 관하여, 상이한 파장 대역들을 포함하는 광대역 광은 적어도 하나의 파장 대역의 연속적 파장 스펙트럼들을 갖는 다수의 파장들을 포함하는 광을 의미한다. 광대역은 광범위한 파장들이 포함된다는 것을 의미한다. 복수의 파장 대역들은 다양한 주파수들 및/또는 시간 순서열들로 변조될 수 있다. 적어도 하나의 검광기가 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 영역 내에 제공되기 때문에, 적어도 하나의 검광기에 의해 탁한 매체 내측에서 산란된 광이 직접적으로 검출될 수 있다. 따라서, 산란된 광은 단지 작은 수치 개구들만을 얻을 수 있다는 문제점을 초래하는 광섬유들과 결부될 필요가 없다. 또한, 복수의 검출 위치들이 제공되는 경우에, 각각의 검출 위치를 위한 추가적 광섬유(이는 산란된 광이 포유류 신체 같은 탁한 매체 외측에 위치된 분광계로 안내되어야만 하는 경우에 필요함) 대신, 검광기들로부터 탁한 매체 외부까지(예를 들어, 포유류 신체의 외부까지)의 전기적 접속부들만이 필요하다. 이는 현저한 비용 감소를 동반하며, 덜 복잡한 시스템을 도출한다. 특히, 적어도 하나의 검광기(또는 복수의 검광기들)가 샤프트 부분의 측부 영역에 배열될 수 있다.

적어도 하나의 검광기가 탁한 매체의 외부에 유지되도록 구성된 광학적 검사 장치의 부분에 전기적으로 연결되는 경우에, 적어도 하나의 분광기로부터의 신호에 포함된 분광검사 정보는 탁한 매체 외측에서 편리하게 분석될 수 있다. 복수의 검광기들이 샤프트 부분의 다양한 위치들에 제공되는 양호한 경우에, 이들 검광기들 모두는 탁한 매체 외부로 전기적으로 바람직하게 연결될 수 있다.

일 양태에 따라서, 적어도 하나의 검광기는 광다이오드이다. 광다이오드들은 높은 검출 효율 및 저 비용으로 편리하게 제조될 수 있다. 또한, 이들은 매우 콤팩트한 형태로 구현될 수 있으며, 그래서, 샤프트 부분으로의 통합, 샤프트 부분의 내부 또는 외부 표면 상에서의 콤팩트 배열 또는 샤프트 부분(생검 바늘의 경우에 탐침 같은) 내측의 중공 채널 내에 배치되는 코어 요소 상에서의 콤팩트 배열이 가능하다.

일 양태에 따라서, 샤프트 부분은 샤프트 부분에 대해 다양한 위치들에 배열된 복수의 검광기들을 구비한다. 이 경우에, 산란된 광에 포함된 분광검사 정보가 다양한 공간적 위치들에서 취득될 수 있다. 결과적으로, 팁 부분의 전방에 위치된 탁한 매체(예를 들어, 조직)의 영역의 특성들의 공간적 해상도가 가능해진다.

일 양태에 따라서, 광학적 검사 장치는 적어도 하나의 검광기로부터 수신된 신호의 스펙트럼 분석을 수행하도록 구성된 복조 및 분석 유닛을 포함한다. 이 경우에, 팁 부분의 전방의 탁한 매체의 영역에 대한 정보는 다양한 파장 대역들의 분포에 관해 분석된다. 결과적으로, 탁한 매체의 이 영역의 색소포 농도 및/또는 산란 특성들에 대한 정보가 신뢰성있게 얻어질 수 있다.

일 양태에 따라서, 복조 및 분석 유닛은 복수의 검광기들로부터의 신호들의 스펙트럼 분석을 수행하고 복수의 검광기들의 각각의 위치들에 대한 정보를 추가적으로 활용한다. 이 경우에, 공간적으로 해상된 분광검사 정보가 입수될 수 있으며, 이는 특히 팁 부분의 전방에서 탁한 매체의 관심 영역의 2 또는 그 이상의 차원의 이미지들을 재구성할 수 있게 한다.

일 양태에 따라서, 복조 및 분석 유닛은 탁한 매체의 관심 영역, 예를 들어, 팁 부분의 전방에 위치된 영역의 다-차원 이미지를 재구성하도록 구성된다. 이 경우에, 탁한 매체의 영역에 대한 취득된 정보는 편리하게 가시화된다. 이미지는 예로서, 2차원 또는 3차원 이미지일 수 있다. 그러나, 예를 들어, 제4 차원을 나타내기 위해 색상 스케일을 사용함으로써 4차원 또는 그보다 더 높은 차원의 이미지도 실현될 수 있다. 예로서, 이미지는 하나 이상의 색소포들의 공간적으로 해상된 분포 또는 공간적으로 해상된 방식으로 흡수 및/또는 산란 계수들을 나타낼 수 있다.

일 양태에 따라서, 샤프트 부분은 생검 바늘의 적어도 일부를 형성한다. 이 경우에, 신경들 또는 혈관들 같은 천공되지 않아야하는 조직이 비의도적으로 천공되는 것이 방지된다. 대안예에서, 샤프트 부분은 내시경의 또는 카테터의 적어도 일부를 형성한다.

일 양태에 따라서, 적어도 하나의 광원 장치는 광대역 광의 비임을 제공하도록 구성된 광 발생 유닛에 연결된 광 안내 구조체의 단부에 의해 형성된다. 이 경우에, 스펙트럼 코딩된 광대역 광의 비임이 탁한 매체 외부(예를 들어, 포유류 신체의 외부)에서 발생될 수 있고, 광 안내 구조체를 통해 팁 부분으로 편리하게 안내될 수 있다. 따라서, 스펙트럼 코딩된 광대역 광의 비임 발생이 높은 정확도로 실현될 수 있다. 광 안내 구조체는 예로서, 샤프트 부분의 재료 내에 배열될 수 있거나, 샤프트 부분 내측의 중공 채널 내에 배치되도록 구성된 코어 요소(생검 바늘의 경우에는 탐침 같은) 내에 제공될 수 있다. 예로서, 광 안내 구조체는 광 안내 섬유(광섬유)에 의해 형성될 수 있다.

일 양태에 따라서, 적어도 하나의 검광기가 바람직하게는 샤프트 부분으로부터 돌출하지 않도록 샤프트 부분의 재료 내에 매설된다. 이 경우, 적어도 하나의 검광기의 제공이 탁한 매체 내로의 샤프트 부분의 삽입에 부정적인 영향을 주지 않으며, 이는 탁한 매체가 살아있는 포유류 신체에 의해 형성되는 경우에는 특히 중요하다.

일 양태에 따라서, 광학적 검사 장치는 50MHz를 초과하는 주파수 범위의 고주파수 변조가 광대역 광의 비임 상에 부여되도록 구성된다. 이 고주파수 변조는 다양한 파장 대역들을 위한 특정 변조에 추가로 비임에 부여된다. 고주파수 변조는 팁 전방의 조직으로부터 광학적 산란 계수들 또는 형광 수명 계수들(천연 형광 또는 대비제들의 형광이 활용되는 경우에) 같은 추가적 광학 특성들을 추출하기 위해 사용될 수 있다.

일 양태에 따라서, 광학적 검사 장치는 포유류 신체 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 의료 장치이다. 이 경우에, 샤프트 부분은 포유류 신체 내로 삽입되도록 구성되고, 적어도 하나의 검광기가 샤프트 부분의 포유류 신체 내에 삽입되도록 구성된 영역 내에 배열된다.

적어도 하나의 광원 장치가 팁 부분의 영역에 제공되는 경우, 광대역 광의 비임은 의료 용례들의 경우의 조직 같은 최전방 팁의 전방에 위치되어 있는 탁한 매체의 영역을 향해 신뢰성있게 방출되고 그 내부에서 산란될 수 있다.

포함된 도면들을 참조로하는 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 본 발명의 추가적 특징들 및 장점들이 얻어진다.
도 1은 제1 실시예에 따른 광학적 검사 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 광학적 검사 장치의 샤프트 부분의 최전방 부분을 개략적으로 도시한다.
도 3은 코어 요소가 삽입되어 있는 도 2의 샤프트 부분을 개략적으로 도시한다.
도 4는 광 발생 유닛을 개략적으로 도시한다.

이제, 도 1 내지 도 4를 참조로 본 발명의 실시예를 설명할 것이다. 광학적 검사 장치(10)는 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 부품(20)을 포함한다. 본 발명의 일 예시적 실시예로서 도면들을 참조로 설명되는 광학적 검사 장치(10)는 의료 장치에 의해 형성되며, 본 경우에, 부품(20)은 포유류 신체(즉, 인체 또는 동물 신체)로 삽입되도록 구성된다. 본 경우에, 탁한 매체는 포유류 신체에 의해 형성된다. 도면들을 참조로 설명되는 예시적 실시예에서, 부품(20)은 생검 바늘에 의해 형성된다. 부품(20)은 팁 부분(22)을 포함하는 샤프트 부분(21)을 갖는다. 탁한 매체 내로의 삽입 동안, 팁 부분(22)은 샤프트 부분(21)의 최전방 부분을 형성한다. 샤프트 부분(21)은 실질적 원형 단면을 갖는 관형 형상을 가지며, 팁 부분(22)의 영역에서 경사진 형상을 포함한다. 샤프트 부분(21)은 중공 채널(30)을 구비하며, 이 중공 채널은 생검 바늘의 도시된 예에서 포유류 신체로부터 조직 샘플들을 추출하도록 기능한다. 샤프트 부분(21)은 중공 채널(30)이 중공 채널(30) 내에 배열될 수 있는 코어 요소(31)에 의해 채워지도록 구성된다. 코어 요소(31)는 팁 부분(22)이 조직 샘플을 취할 위치에 배치되고 나서 중공 채널(30)로부터 후퇴될 수 있다. 생검 바늘의 설명된 경우에, 코어 요소(31)는 탐침(mandrin)에 의해 형성된다.

도 2는 중공 채널(30) 내에 배치된 코어 요소(31)를 갖지 않는 샤프트 부분(21)을 도시한다. 도 3은 코어 요소(31)가 삽입되어 있는 샤프트 부분(21)을 도시한다. 부품(20)은 이하에 더 상세히 설명될 바와 같은 광 발생 유닛(80)에 연결된다. 광 발생 유닛(80)은 상이하게 변조될 수 있는 상이한 파장 대역들을 포함하는 광대역 광의 비임(11)을 제공한다. 예시적 실시예에서, 비임(11)은 본 예에서 광섬유로 형성되어 있는 광 안내 구조체(23)를 통해 팁 부분(22)으로 안내된다. 본 명세서에 제공된 예에서, 광 안내 구조체(23)는 코어 요소(31)의 중앙에 배열되어 있다. 팁 부분(22)의 영역에 위치되어 있는 광 안내 구조체(23)의 일 단부는 광대역 광의 비임(11)이 팁 부분(22)의 전방에 위치된 조직으로 방출될 수 있도록 구성된다(샤프트 부분이 포유류 신체 같은 탁한 매체 내로 삽입되는 방향으로). 따라서, 광학적 검사 장치(10)는 광이 이 영역에서 산란되도록 광대역 광의 비임(11)이 팁 부분(22)의 전방에서 탁한 매체(예를 들어, 조직)의 영역으로 방출될 수 있다.

또한, 광대역 광을 검출하기 위한 적어도 하나의 검광기가 팁 부분(22)에 인접한 샤프트 부분(21)의 영역에 특히 샤프트 부분(21)의 측부에서 제공된다. 도면들에 도시된 예시적 실시예에서, 세 개의 검광기들(27a, 27b, 27c)이 샤프트 부분(21) 상에, 특히, 이들이 샤프트 부분(21)으로부터 돌출하지 않도록 샤프트 부분(21)의 재료 내에 매설되어 제공된다. 검광기들의 수는 본 예에 한정되지 않으며, 다른 수의 검광기들(심지어 높은 수들)이 제공될 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 또한, 하기의 설명으로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 단 하나의 검광기가 제공되는 것도 가능하다. 검광기들(27a, 27b, 27c)은 예로서, 광다이오드들로 형성된다. 검광기들(27a, 27b, 27c)은 각각의 전기 접속부들(28)을 통해 복조 및 분석 유닛(32)에 연결된다. 복조 및 분석 유닛(32)은 예를 들어, 이에 따라 구성된 컴퓨터에 의해 형성될 수 있다. 샤프트 부분(21)의 영역에서, 전기적 접속부들(28)은 예로서, 샤프트 부분(21)의 외부면 상에 배열될 수 있다. 본 경우에, 이들은 바람직하게는 보호 코팅에 의해 손상으로부터 보호된다. 이런 보호 코팅은 또한 전기적 접속부들을 절연하기 위해서도 사용될 수 있다. 대안적으로, 전기적 접속부들(28)은 또한 샤프트 부분(21)의 재료 내에 매설되거나 중공 채널(30) 내에 배열될 수도 있다.

이제, 도 4를 참조로 광 발생 유닛(80)을 설명한다. 광 발생 유닛(80)은 광대역 광의 시준된 비임(2)을 방출하는 광원(1)과, 대역 분리기(3)와, 공간 광 변조기(4)와, 광 조합 유닛(6)을 포함한다.

광원(1)은 높은 파워 및 밝기를 갖진 광이 방출되도록 선택된다. 본 내용에서, 백색광은 광이 의도된 측정을 지원하기에 충분히 넓은 광학 파장 대역폭을 갖는다는 것을 의미한다. 즉, 비임(2)은 많은 복수의 파장들, 바람직하게는, 가시광, IR 및/또는 NIR을 포함하는 파장들의 연속적인 광대역을 포함한다. 광원(1)은 펄스형일 수 있다. 예로서, 광원(1)은 초연속 생성에 기초한 극도로 밝은 백색광원이다. 예로서, 이는 천공 파이버(holey fiber)를 통해 전파하는 강한 펨토-세컨드 광 펄스들을 사용함으로써 달성된다. 그러나, 백색광을 방출하는 매우 간단한 램프를 사용하는 것도 가능하다. 비임(2)의 광대역 폭은 이하에서 명백해질 바와 같이 많은 수의 스펙트럼 지점들이 취득될 수 있게 한다. 본 내용에서, 용어 "스펙트럼 지점들"은 상이한 파장들 또는 주파수들을 각각 갖는 측정된 신호들을 위해 사용된다. 따라서, 많은 수의 스펙트럼 지점들은 많은 수의 상이한 파장들 또는 주파수들 각각에 대응한다.

광대역 광의 시준된 비임(2)은 대역 분리기(3)로 지향된다. 대역 분리기는 광대역 광의 비임(2)에 포함된 복수의 파장 대역들(2a, 2b, ..., 2n)을 공간적으로 분리하도록 구성된다. 예로서, 대역 분리기(3)는 광대역 광의 비임(2)에 포함된 파장들의 다양한 대역들을 공간적으로 분할하도록 구성된 격자에 의해 형성될 수 있다. 그러나, 또한, 이는 예로서, 프리즘 같은 다른 종류의 파장 분산 소자에 의해 형성될 수도 있다. 다양한 파장 대역들은 파장 범위에 관하여 동일한 폭을 가질 필요도 없고, 서로에 관한 파장 간격(파장 간격)이 동일할 필요도 없다는 것을 주의하여야 한다.

공간적으로 분리된 파장 대역들(2a, ..., 2n)은 파장 대역들(2a, ..., 2n) 각각이 특정 변조를 받게 되는 방식으로 분리된 파장 대역들을 공간적으로 변조하기 위해 공간적 광 변조기(SLM)(4)으로 안내된다. 본 실시예에서, 공간적 광 변조기(4)는 투과형으로 이루어진다. 그러나, 공간적 광 변조는 반사형 배열로 실현될 수도 있다. 공간적 광 변조기(4)는 입력 렌즈(41)와, 광 변조 유닛(42)과, 출력 렌즈(43)와, 변조 소스(5)를 포함한다. 입력 렌즈(41)는 별개의 파장 대역들의 각각의 비임들을 평행하게 만든다. 광 변조 유닛(42)은 광 변조 유닛(42)의 동작을 제어하는 변조 소스(5)에 연결된다. 광 변조 유닛(42)은 기계적으로, 예를 들어, 전용 Nipkow-형 디스크 또는 초퍼 또는 회전 다각형 등의 형태로 실현될 수 있다. 바람직하게는, 광 변조 유닛(42)은 마이크로-거울 장치 또는 액정 장치에 의해 형성된다. 또한, 광 경로 내에 직렬로 배치된 이들 요소들 중 임의의 조합이 가능하다. 예로서, 급속 반복(주기성) 변조를 제공하는 하나의 요소와 강도의 저속 가변 조절을 제공하는 다른 요소가 제공될 수 있다.

본 기술 분야에 알려진 광 변조의 다양한 방식들이 적용될 수 있다. 예로서, 주파수 분할 멀티플렉싱이 적용될 수 있거나, 시간 분할 멀티플렉싱이 적용될 수 있거나, 양자 모두가 적용될 수 있다. 파장 대역들(채널)의 변조가 수행되는 변조 체계는 변조 소스(5)와 협력하는 광 변조 유닛(42)에 의해 제공된다.

독립적으로 변조된 파장 대역들(2a, 2b, ..., 2n)은 예를 들어, 다른 격자 또는 다른 파장 분산 요소에 의해 형성될 수 있는 광 재조합 유닛(6)에 의해 스펙트럼 인코딩된 광대역 광의 시준된 비임(11)으로 재조합된다. 본 실시예에서, 대역 분할기(3), 광 재조합 유닛(6), 렌즈들 및 광 변조 유닛(42)은 소위 4-f 구성으로 배열된다. 그러나, 본 발명은 이런 배열에 제한되지 않는다.

스펙트럼 인코딩된 광대역 광의 시준된 비임(11)은 그후 상술된 바와 같이 생크 부분(21)의 팁 부분(22)으로 안내된다. 예시적 실시예에서, 스펙트럼 인코딩된 광대역 광의 비임(11)은 광 발생 유닛(80)의 광 안내 구조체(23)에 커플링된다.

이제, 광학적 검사 장치(10)의 동작을 설명한다. 상술한 바와 같이, 샤프트 부분(21)이 탁한 매체 내에 삽입되어 있을 때, 스펙트럼 인코딩된 광대역 광의 비임(11)은 팁 부분(22)의 전방에 위치된 탁한 매체의 영역을 향해 출사된다. 탁한 매체의 탁한 특성에 기인하여, 광은 팁 부분(22)의 전방에 위치된 탁한 매체의 영역 내에서 다수회 산란된다(도 3에 복수의 화살표들로 개략적으로 표시된 바와 같이). 산란된 광의 일부는 검광기들(27a, 27b, 27c) 상에 입사된다. 입사광에 응답하여, 검광기들(27a, 27b, 27c)은 각각 입사광에 대응하는 전기 신호를 발생시킨다. 이들 전기 신호들은 전기 접속부들(28)을 통해 복조 및 분석 유닛(32)으로 전송된다. 상술한 바와 같이 스펙트럼 인코딩된 탁한 매체를 조명하기 위해 사용되는 비임(11)에 기인하여, 분광검사 정보가 검광기들(27a, 27b, 27c)로부터의 전기 신호들에 기초하여 분석될 수 있다.

복조 및 분석 유닛(32)에서, 검광기들(27a, 27b, 27c)에 의해 검출된 신호들은 검광기들(27a, 27b, 27c)의 각각의 위치들에서 탁한 매체로부터 발산된 확산 광 내에 포함된 분광검사 정보를 복원하기 위해 복조 유닛에 의해 디코딩/복조된다. 신뢰성있는 복조를 가능하게 하기 위해, 복조 및 분석 유닛(32)은 광 발생 유닛(80) 내의 변조 소스(5)로부터 변조 신호(25)를 제공받는다. 변조 신호(25)는 수행된 변조를 나타낸다. 변조 신호(25)는 복조 및 분석 유닛(32)이 적절한 복조 동작을 수행할 수 있게 한다. 복조 및 분석 유닛(32)의 복조 유닛은 예로서, 비교적 비용 효율적이고 소형인 전자 회로로 실현될 수 있다. 대안적으로, 이는 복조 및 분석 유닛(32) 내의 디지털 프로세서 상에서 운용되는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 어떤 경우든, 각각의 검광기들(27a, 27b, 27c) 상에 입사된 광 상의 탁한 매체에 의해 각인된 바와 같은 매체 특정 광학 스펙트럼들이 높은 검출 효율로 다양한 검출 위치들에 대응하여 얻어질 수 있다. 다양한 파장 대역들의 상술한 스펙트럼 인코딩에 기인하여, 복조 프로세스에 의해 각각의 검광기를 위한 분광검사 정보가 취득될 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 복조 및 분석 유닛(32)은 광학적 스펙트럼을 결정하기 위해 각각의 검광기(27a, 27b 또는 27c)로부터의 신호 내의 주파수 성분을 분석한다. 따라서, 각각의 파장 대역들의 강도 분포들이 검광기들(27a, 27b, 27c)로부터의 전기 신호들로부터 결정될 수 있다. 따라서, 설명된 광학적 검사 장치(10)는 고가의, 부피 큰 분광계들을 필요로 하지 않는 분광검사를 가능하게 한다.

또한, 복조 및 분석 유닛(32)은 다양한 검광기들(27a, 27b, 27c)의 공간적 위치에 대한 정보를 활용할 수 있고, 검광기들에 걸친 광의 다양한 강도 분포들을 평가할 수 있다.

예시적 실시예에서, 복조 및 분석 유닛(32)은 제공된 분광 검사 정보로부터 팁 부분(22)의 영역의 탁한 매체의 이미지들을 재구성하기 위해 광학적 토모그래피의 원리를 사용하여 다양한 검광기들(27a, 27b, 27c)에 대응한 신호들을 처리하도록 구성된다. 복조 및 분석 유닛(32)은 탁한 매체의 특성들 중 적어도 하나의 이미지를 재구성하기 위해 본 기술 분야에 알려진 다수의 다양한 재구성 알고리즘들을 활용할 수 있다. 따라서, 분광검사 및 공간적 정보의 조합이 예를 들어, 해부학적 구조체들을 구별하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 혈관들이 신경들로부터 구별될 수 있다. 바늘 팁의 수 밀리미터 전방에 위치되어 있는 경우에도 다양한 해부학적 구조체들이 식별될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 따라, 시준된 백색 광원으로부터의 서로 다른 폭 및/또는 간격을 가질 수 있는 다수의 사전규정된 파장 대역들(채널들)이 대역 분리기(3) 및 공간적 광 변조기(4)(SLM)를 사용하여 주파수 도메인 및 시간 도메인에서 각각 코딩될 수 있다. 파장 대역들은 광 재조합 유닛(6)에 의해 단일 시준된 비임(11)으로 재조합된다. 가능하게는 임의적으로 큰 광학적 대역폭(백색광)의 시준 및 인코딩된 비임(11)이 팁 부분 전방의 탁한 매체의 영역을 조명하기 위해 사용된다. 본 실시예에 따라서, 탁한 매체로부터 방출되는 분산 광은 복수의 검광기들(27a, 27b, 27c)에 의해 검출된다. 검광기들로부터의 각각의 신호들은 서로 다른 검출 위치들에서의 광학적 스펙트럼들이 높은 검출 효율로 얻어지도록 변조된다. 각각의 수신된 신호들은 각각의 검출 위치에 대해 디코딩/복조되어 분광검사 정보를 복원하고, 이에 따라, 탁한 매체로부터 방출되는 광 상에 탁한 매체에 의해 각인된 바와 같은 매체 특정 광학 스펙트럼들을 획득한다.

다양한 파장 대역들이 비-사인파형 형태로, 예로서, 구형파들을 사용하여 변조되도록 공간적 광 변조기(4)를 작동시킬 수 있다.

또한, 인접한 채널들(파장 대역들)이 검출측 상의 변형된 RF 도메인에 인접하지 않는 복합 변조 체계가 이어지도록 공간적 광 변조기(4)를 동작시킬 수도 있다. 이 경우에, 관련 채널들은 독립적으로 변조되고, 그래서, 검출 위치들에서 검출된 확산 광에 대응하는 신호들을 복조하는 복조 및 분석 유닛(32)에 대하여, 이들 관련 채널들이 서로 인접하게 위치되지 않는다.

도면들에 도시된 예시적 실시예에서, 복조 및 분석 유닛(32)으로부터 광 발생 유닛(80) 내의 변조 소스(5)로 피드백 신호(26)가 제공된다. 이 피드백 신호(26)에 의해, 광대역 광을 위해 사용되는 인코딩 체계는 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)로부터의 광학적 신호들에 의존하여 동적으로 변경될 수 있다. 예로서, 파장 대역들의 순서 및/또는 분포가 측정치들 사이에서 변경될 수 있고, 다양한 측정치들의 결합 결과들이 누화의 영향을 식별 및 억제하기 위해 취해질 수 있다. 예로서, 선험적으로 알려진 스펙트럼의 특징은 하나의 구성에서 다른 더욱 민감하지만 중요한 특징을 차폐할 수 있지만, 채널 순서 및/또는 분포의 다른 구성에서는 그렇지 않다. 따라서, 파장 대역들의 순서 및/또는 분포가 변경되는 경우, 더 민감한 특징이 해석될 수 있다. 파장 대역들을 재분산시키는 대신, 이들은 누화를 감소시키도록 강도 면에서 재스케일링 될 수도 있다. 더 작은 입력 신호들에 관한 더 큰 입력 신호들의 다운 스케일링은 전자 증폭기들의 동적 범위가 더욱 최적의 방식으로 선택될 수 있고 그래서 시스템의 총 동적 범위가 개선될 수 있다는 추가적 장점을 갖는다.

본 실시예의 변형예에 따라서, 50MHz를 초과한 범위의 주파수들을 포함하는 고주파수 변조가 스펙트럼 인코딩된 광대역 광의 비임(11)에 부여된다. 이런 고주파수 변조는 광학적 산란 계수들(광자 밀도 웨이브 분석의 경우에) 및/또는 형광 수명 계수들 같은 추가적 광학 특성들을 재료로부터 추출하기 위해 유리하게 사용될 수 있다.

비록, 다수의 검광기들이 제공되는 일 실시예를 설명하였지만, 팁 부분 전방의 탁한 매체의 영역에서의 분광검사는 샤프트 부분의 영역에 하나의 검광기를 제공함으로써 이미 실현될 수 있다. 종래 기술에서와 같이 분광검사를 위해 분광계와 조합된 적어도 하나의 광섬유 대신, 단지 비용효율적 검광기와 복조 및 분석 유닛(32)에 대한 전기적 접속부만이 필요하다. 제안된 구현예에 따라서, 날카로운 바늘 팁의 바로 전방에서 산란된 광의 광학적 스펙트럼이 검광기에 의해 분광계를 필요로 하지 않고 취득된다.

제안된 구현예에서, 날카로운 팁 부분(22)의 바로 전방의 탁한 매체(예를 들어, 설명된 생검 바늘의 경우에는 조직)의 마이크로구조 및 분자 조성에 대한 정보가 얻어질 수 있다.

팁 부분의 영역에서의 탁한 매체의 2 또는 그 이상의 차원의 이미지가 재구성되는 구현예에 관하여, 이하의 사항들이 보유된다: 더 많은 검광기들이 샤프트 부분의 영역에 제공될수록 더 양호한 이미지가 재구성될 수 있다. 그러나, 추가적 분광검사 검출기를 추가하는 비용들은 단지 추가적 검광기 및 대응 전기 배선을 추가하는 비용들 뿐이다. 이는 광섬유와 분광계에 의해 분광검사 분석이 실현되는 해법에 비해 특히 유리하다.

적어도 하나의 검광기가 탁한 매체(예를 들어, 포유류 신체) 내에 삽입되는 샤프트 부분(21)의 영역 내에 직접적으로 제공되기 때문에, 광섬유들 내로 산란된 광을 커플링시키는 것에 고유한 작은 수치 개구들의 문제점들(산란된 광의 단지 작은 부분만이 검출될 수 있게 함)이 극복된다.

비록, 검광기들(27a, 27b, 27c)이 샤프트 부분(21)의 재료 내에 매설되는 실시예에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예로서, 복수의 검광기들은 샤프트 부분(21) 둘레에 감겨져 그에 부착되어 있는 가요성 포일 상에 제공될 수 있다.

비록, 광 안내 구조체(23)가 코어 요소(31)(예를 들어, 탐침에 의해 형성됨) 내에 배열되는 실시예에 관하여 설명하였지만, 생크 부분(21)이 재료 내에 광 안내 구조체를 배열하는 것도 가능하다.

비록, 적어도 하나의 검광기가 샤프트 부분(21)의 외주 상의 위치에 배열되는 것을 이제까지 설명하였지만, 예로서, 코어 요소(21) 내에 적어도 하나의 검광기를 배열하는 것도 가능하다.

적어도 두 개의 검광기들(27a, 27b, 27c)이 제공되는 구현에에서, 하나의 검광기의 신호가 다른 검광기에 대응하는 신호들을 위한 기준으로서 사용되는 차등 분광검사를 수행하는 것도 가능하다. 차등 분광검사 처리는 예를 들어 아멜링크(Amelink) 및 스테렌보르그(Sterenborg)에 의해 "상이한 경로길이 분광을 사용하는 탁한 매체의 국부 광학 특성들의 측정(Measurement of the local optical properties of turbid media using differential pathlength spectroscopy)"(Appl. Opt. 43, 2004, 3048-3054)에 설명되어 있다.

비록, 광 발생 유닛(80)이 탁한 매체 외측에 유지되는 광학적 검사 장치(10)의 일부에 제공되는 실시예를 설명하였지만, 다른 구현예들도 가능하다. 예로서, 광 발생 유닛은 생크 부분(21) 내측에 배열될 수도 있다. 예로서, 미니어쳐 백색 LED(예를 들어, Lumileds® 또는 Nichia® 또는 InfiniLED®에 의해 판매되는) 형태의 작은 광대역 광원이 샤프트 부분(21) 내에 제공될 수 있다. 이러한 광원의 주파수 변조는 예로서, 시간적으로 급속히 변하는 공동의 길이를 갖는 작은, 로우-피네스 Fabry-Perot 요소에 의해 수행될 수 있다. 이 유형의 변조에 대한 추가적 세부사항들은 펭그(Peng) 등에 의해 "포리에 변형 방출 수명 분광계(Fourier transform emission lifetime spectrometer)"(Opt. Lett. 32(4), 2007, 421-423)에 개시되어 있다.

대안으로서, 광 발생 유닛은 파장들의 다양한 대역들을 방출하도록 구성된 복수의 광원들을 포함할 수 있다. 다양한 광원들은 다양한 특성들로, 예를 들어, 다양한 주파수들로 변조될 수 있다. 이는 예로서, 시간에 걸쳐 각각의 광원들에 전달되는 파워를 독립적으로 변조함으로써 달성될 수 있다. 상술한 변조와 유사하게, 복수의 광원들이 생크 부분(21)에 배열될 수 있다.

비록, 생검 바늘에 대한 본 발명의 적용을 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이는 또한 카테터들 또는 내시경들 같은 다른 의료 장치들에 적용될 수도 있다. 광학적 감지와 카테터들의 조합은 다수의 견지들에서 임상적으로 가치가 있을 수 있다는 것이 발견되었다. 본 발명은 디자인의 현저한 단순화를 제공하며, 검출 감도의 개선을 제공한다.

따라서, 복수의 용례들, 특히, 의료적 용례들에 매우 적합한 광학적 검사 장치가 설명되었다. 특히, 이는 신경들과 혈관들 같은 핵심 구조체들에 대한 손상을 피하도록 바늘 생검 안내의 분야에 사용될 수 있다. 이는 혈관들 및/또는 신경들의 검출을 위한, 및/또는 충전된 혈액과 유체 사이의 구별을 위해서 등의 바늘 경로 내의 조직들의 바늘에 기초한 특성화를 위해 사용될 수 있다. 또한, 광학적 검사 장치는 예를 들어, 뇌에 삽입되는 바늘의 경우에 뇌 조직, 혈관들 및/또는 혈류를 감시하기 위해 사용될 수 있다.

카테터 용례들에 관하여, 광학적 검사 장치는 예로서, 동맥들 내의 플라크(plaque)를 특성화하기 위해 사용될 수 있다. 내시경 용례들에 관하여, 이는 예를 들어, 내시경 이미지로부터 볼 수 있는 조직으로부터 및/또는 내시경의 샤프트 외부의 조직으로부터 분광검사 정보를 획득하기 위해 사용될 수 있다.

비록, 단지 광학적 검사 장치의 의료적 용례들을 실시예로서 설명하였지만, 신선도, 품질 및 성분을 테스트하기 위해 식품을 광학적으로 검사하는 것 같은 비의료적 용례들도 가능하다. 예로서, 광학적 검사 장치는 예를 들어, 버터들, 오일들 및 스프레드(예를 들어, 땅콩 버터) 같은 식품의 물 및/또는 지방 함량의 검사, 알콜(에탄올) 함량의 검사 및/또는 예를 들어, 매일의 생산물의 신선도 검사를 위해 사용될 수 있다.

Claims (14)

1. 탁한 매체 내로 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성되는 광학적 검사 장치(10)로서,
   상기 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성되는 샤프트 부분(21)으로서, 상기 탁한 매체 내로의 삽입 동안 최전방 부분이 되도록 구성되는 팁 부분(22)을 포함하는 상기 샤프트 부분(21)과,
   상기 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 상기 샤프트 부분(21)의 영역에 제공되는 광대역 광의 비임(11)을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 광원 장치로서, 상기 광대역 광의 상기 비임(11)은 상이하게 변조되는 상이한 파장 대역들(2a, 2b,..., 2n)을 포함하는, 상기 적어도 하나의 광원 장치와,
   상기 샤프트 부분(21)의 상기 탁한 매체 내로 삽입되도록 구성된 영역 내에 제공되는, 광대역 광을 검출하기 위한 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)를 포함하는 광학적 검사 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)는 상기 탁한 매체 외부에 유지되도록 구성된 상기 광학적 검사 장치의 일부분에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)는 광다이오드인 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트 부분(21)은 상기 샤프트 부분(21)에 대해 서로 다른 위치들에 배열되는 복수의 검광기들(27a, 27b, 27c)을 구비하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학적 검사 장치(10)는 상기 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)로부터 수신된 신호의 스펙트럼 분석을 수행하도록 구성된 복조 및 분석 유닛(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조 및 분석 유닛(32)은 복수의 검광기들(27a, 27b, 27c)로부터의 신호들의 스펙트럼 분석을 수행하고, 추가적으로, 상기 복수의 검광기들(27a, 27b, 27c)의 각각의 위치들에 대한 정보를 활용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복조 및 분석 유닛(32)은 상기 탁한 매체의 관심 영역의 다-차원 이미지를 재구성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트 부분(21)은 생검 바늘, 카테터 또는 내시경의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원 장치는 상기 광대역 광의 비임(11)을 제공하도록 구성된 광 발생 유닛(80)에 연결된 광 안내 구조체(23)의 단부에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 광 안내 구조체(23)는 상기 샤프트 부분(21)의 재료 내에 또는 상기 샤프트 부분 내측의 중공 채널(30) 내에 배치되도록 구성된 코어 요소(31) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검광기(27a, 27b, 27c)는 상기 샤프트 부분(21)의 재료 내에 매설되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학적 검사 장치(10)는 상기 광대역 광의 비임(11) 상에 50MHz를 초과하는 주파수 범위의 고주파수 변조가 부여되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학적 검사 장치는 포유류 신체 내에 적어도 부분적으로 삽입되도록 구성된 의료 장치인 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원 장치는 상기 팁 부분(22)의 영역 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 광학적 검사 장치.
    
    
    

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