KR20120039410A - 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치 및 그 방법 - Google Patents

복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 광원을 이용하여 혈관 패턴을 추출할 수 있는 혈관 이미징 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 제1 광신호 및 제2 광신호를 커플링한 후 커플링된 복수의 광신호를 제1 광로와 제2 광로로 분배하는 제1 커플링부와, 상기 제1 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(reference mirror)로 조사하고, 기준미러로부터 반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로로 출력하는 제1 서큘레이터와, 상기 제2 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(tissue)로 조사하고, 대상체로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로로 출력하는 제2 서큘레이터와, 상기 제3 광로와 제4 광로로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 입력된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하는 제2 커플링부와, 상기 제2 커플링부로부터 입력된 제1 광신호 및 제2 광신호에 대한 인텐서티를 이용하여 대상체에 대한 정보인 간섭신호를 각각 획득하는 수신처리부, 및 상기 수신처리부를 통해 획득된 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호를 이용하여 혈관 패턴을 추출하는 혈관패턴추출부를 포함한다.

Description

복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치 및 그 방법{DEVICE FOR IMAGING BLOOD VESSEL USING PLURAL LIGHT SOURCES AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 혈관 이미징 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 광원을 이용하여 혈관 패턴을 추출할 수 있는 혈관 이미징 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
현재, 의료 분야에는 다양한 형태의 진단용 기기가 사용되고 있으며, 이러한 진단용 기기 중에 광학센서를 사용하는 기기들이 주목받고 있다.
생체 조직에 대해 비접촉, 비침습적 방식으로 깊이 수 mm까지의 미세조직 관찰이 가능한 신기술인 광 가간섭성 단층촬영술(Optical Coherent Tomography; OCT)은 레이저 빛의 경로차 간섭 현상을 이용하여 3차원의 영상을 제공한다.
본 발명은 헤모글로빈(Hb)이나 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 아주 큰 파장대역의 광원과 흡수율이 아주 작은 파장대역의 광원을 사용하고, 복수의 광원이 전달되는 광로차에 의해 발생되는 간섭 신호를 통해 혈관 패턴 추출 및 이미징할 수 있는 혈관 이미징 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혈관 이미징 장치는, 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 제1 광신호 및 제2 광신호를 다중으로 커플링한 후 커플링된 복수의 광신호를 제1 광로와 제2 광로로 각각 분배하는 제1 커플링부; 상기 제1 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(reference mirror)로 조사하고, 기준미러로부터 반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로로 출력하는 제1 서큘레이터; 상기 제2 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(tissue)로 조사하고, 대상체로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로로 출력하는 제2 서큘레이터; 상기 제3 광로와 제4 광로로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 입력된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하는 제2 커플링부; 상기 제2 커플링부로부터 입력된 제1 광신호 및 제2 광신호에 대한 인텐서티를 이용하여 대상체에 대한 정보인 간섭신호를 각각 획득하는 수신처리부; 및 상기 수신처리부를 통해 획득된 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호를 이용하여 혈관 패턴을 추출하는 혈관패턴추출부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 광신호는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 높은 파장대역으로 250㎚ 내지 450㎚ 정도의 파장대역이고, 상기 제2 광신호는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 낮은 파장대역으로 750㎚ 내지 850㎚ 정도의 파장대역인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 제1 커플링부는, Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광신호를 다중으로 커플링하는 다중커플러; 및 상기 커플링된 복수의 광신호를 제1 광로와 제2 광로로 각각 분배하는 광분배기;를 포함하며, 상기 제2 커플링부는, 상기 제3 광로와 제4 광로로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 분배하여 출력하는 광커플러; 상기 광커플러로부터 입력된 광신호를 파장에 따라 분리하여 출력하는 제1 광분할기; 및 상기 광커플러로부터 입력된 광신호를 파장에 따라 분리하여 출력하는 제2 광분할기;를 포함한다.
상기 수신처리부는, 상기 제1 광분할기와 제2 광분할기로부터 각각 제1 광신호에 대한 인텐서티 신호를 수신하고, 각 인텐서티를 감산하여 간섭신호를 획득하는 제1 수신처리부; 및 상기 제1 광분할기와 제2 광분할기로부터 제2 광신호에 대한 인텐서티 신호를 각각 수신하고, 각 인텐서티를 감산하여 간섭신호를 획득하는 제2 수신처리부;를 포함한다.
상기 제1 광분할기 및 제2 광분할기로부터 제1 수신처리부로 각각 입력되는 제1 광신호는 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대이며, 상기 제1 광분할기 및 제2 광분할기로부터 제2 수신처리부로 각각 입력되는 제2 광신호는 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 것을 특징으로 한다.
상기 혈관패턴추출부는 상기 제1 수신처리부로부터 입력된 제1 광신호에 대한 간섭신호와 상기 제2 수신처리부로부터 입력된 제2 광신호에 대한 간섭신호 간의 차이를 계산하고, 계산된 인텐서티 차이가 설정된 임계값을 초과할 경우 혈관으로 인식하게 된다.
상기 기준미러는 대상체의 어느 한 지점에 대한 수직정보를 획득하기 위해 위치가 가변되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혈관 이미징 방법은, Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 높은 파장을 갖는 제1 광신호와 상기 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 낮은 파장을 갖는 제2 광신호를 커플링한 후 제1 광로와 제2 광로로 각각 분배하는 제1 단계; 상기 제1 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(reference mirror)로 조사하고, 기준미러로부터 반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로로 출력하는 제2 단계; 상기 제2 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(tissue)로 조사하고, 대상체로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로로 출력하는 제3 단계; 상기 제3 광로와 제4 광로로부터 각각 입력된 복수의 광신호를 결합한 후 결합된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여 출력하는 제4 단계; 및 상기에서 입력된 제1 광신호 및 제2 광신호의 인텐서티를 이용하여 대상체에 대한 정보인 간섭신호를 광신호별로 획득하고, 획득된 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호를 이용하여 Hb과 HbO2의 존재 여부를 판단하는 제5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제5 단계에서, 제1 광신호에 대한 간섭신호는 인텐서티 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 복수의 제1 광신호에 대한 인텐서티를 감산하여 획득하고, 제2 광신호에 대한 간섭신호는 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 복수의 제2 광신호에 대한 인텐서티를 서로 감산하여 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 제5 단계에서 Hb과 HbO2의 존재 여부를 판단할 때, 제1 광신호에 대한 간섭신호와 상기 제2 광신호에 대한 간섭신호 간의 인텐서티 차이를 계산하고, 계산된 인텐서티 차이가 설정된 임계값을 초과할 경우 혈관으로 인식하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 헤모글로빈(Hb)이나 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 아주 큰 파장대역의 광원과 흡수율이 아주 작은 파장대역의 광원을 사용하고, 복수의 광원이 전달되는 광로차에 의해 발생되는 간섭 신호를 통해 혈관 패턴을 추출함으로써, 혈관 패턴 추출이 용이함과 아울러 혈관 이미지를 고해상도로 생성하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 복수의 광신호를 이용한 혈관 이미징 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 헤모글로빈과 산화헤모글로빈에 대한 파장대별 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 복수의 광신호를 이용한 혈관 이미징 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 헤모글로빈 또는 산화헤모글로빈의 인식 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 대상체의 수평 방향의 스캐닝을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 대상체의 수직 방향에 대한 혈관 인식 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 의한 복수의 광신호를 이용한 혈관 이미징 장치를 나타낸 개념도로서, 혈관 이미징 장치(100)는 제1 광원(110)과 제2 광원(120), 제1 커플링부(130), 제1 서큘레이터(140), 제2 서큘레이터(160), 제2 커플링부(180), 수신처리부(190), 혈관추출부(210), 및 이미지생성부(220)를 포함하여 구성된다.
제1 광원(110)은 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 높은 파장대역의 제1 광신호를 발생하고, 제2 광원(120)은 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 낮은 파장대역의 제2 광신호를 발생한다.
여기서, 제1 광신호는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 높은 250㎚ 내지 450㎚ 사이의 파장대역을 가질 수 있고, 제2 광신호는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 낮은 750㎚ 내지 850㎚ 사이의 파장대역을 가질 수 있다.
제1 커플링부(130)는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 제1 광신호 및 제2 광신호를 다중으로 커플링한 후 커플링된 복수의 광신호를 제1 광로(101)와 제2 광로(102)로 각각 분배한다.
제1 서큘레이터(140)는 상기 제1 광로(101)를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(150; reference mirror)로 조사하고, 기준미러(150)로부터 반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로(103)로 출력한다. 여기서, 제1 서큘레이터(140)는 콜리메이터(145; collimator)를 통해 기준미러(150)로 제1 광신호와 제2 광신호를 조사하게 되는 데, 기준미러(150)는 콜리메이터(145)를 통해 조사된 광신호를 콜리메이터(145)로 거의 반사(reflection)를 시키게 된다.
또한, 기준미러(150)는 대상체(10)의 한 지점에 대한 수직정보(z축)를 획득하기 위해 콜리메이터(145)와의 간격이 가변될 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
제2 서큘레이터(160)는 상기 제2 광로(102)를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(10; tissue)로 조사하고, 대상체(10)로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로(104)로 출력한다. 여기서, 제2 서큘레이터(160)는 렌즈(170)를 통해 대상체(10)로 제1 광신호와 제2 광신호를 조사하게 되는 데, 대상체(10)는 조직(tissue)의 특성에 따라 렌즈(170)를 통해 조사된 광신호를 반사 또는 산란시키게 된다.
제2 커플링부(180)는 상기 제3 광로(103)와 제4 광로(104)로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 입력된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여 출력한다.
수신처리부(190)는 상기 제2 커플링부(180)로부터 입력된 제1 광신호 및 제2 광신호에 대한 인텐서티(intensity)를 이용하여 대상체(10)에 대한 정보인 간섭신호를 각각 획득하게 된다.
데이터수집부(200)는 상기 수신처리부(190)를 통해 획득된 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호를 이용하여 혈관을 추출한 후 추출된 혈관에 대한 정보를 수집하여 혈관 이미지를 생성하게 된다.
일반적으로, 혈관을 구성하고 있는 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)은 인체를 구성하는 대부분의 다른 물질들과는 달리 파장대역에 따른 흡수 특성이 독특하다.
도 2의 흡수율 그래프에서 보듯이, 일반적으로 헤모글로빈은 중심파장이 400nm인 파장 대역에서 큰 흡수율을 보이며, 중심파장이 800nm인 파장 대역에서 작은 흡수율을 보인다. 파장에 따른 흡수율 그래프를 살펴보면 400nm 부근에서의 흡수율과 800nm 부근에서의 흡수율은 대략 100배 이상 차이가 난다.
본 발명은 이러한 특징을 이용하여 인체 내 혹은 동물 내의 혈관을 이미징하고자 한다. 혈관 내부에 주로 헤모글로빈과 산화헤모글로빈이 있기 때문에, 중심파장이 다른 광에 대하여 흡수율이 큰 차이를 보이는 현상을 이용하여 혈관의 이미징이 가능하다.
본 발명에서는 대상체(10)를 통해 출력되는 광신호와 기준미러(150)를 통해 출력되는 광신호 간의 간섭신호를 이용하여 이미징을 하게 된다. 기준미러(150)와 대상체(10)를 통해 출력되는 광신호는 동일한 경로를 겪지 않았기 때문에 광로차가 생기고 그 광로차는 대상체(10) 내부에서 광이 겪는 상황(반사, 산란 등)에서 기인한다. 즉, 기준미러(150)와 대상체(10)를 통해 출력되는 광신호들의 간섭신호는 대상체(10)에 대한 정보라는 것을 알 수 있다.
이와 같이 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 방식을 아래의 실시예를 통해 보다 구체적으로 살펴본다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 복수의 광신호를 이용한 혈관 이미징 장치를 나타낸 도면으로서, 도 3에서는 도 1에 비해 제1 커플링부(130)와 제2 커플링부(180), 수신처리부(190) 및 데이터수집부(200) 등에 대해 보다 구체적으로 나타내었다.
제1 광원(110)으로부터 방출된 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 높은 파장대역의 제1 광신호와, 제2 광원(120)으로부터 방출된 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 낮은 파장대역의 제2 광신호는 각각의 콜리메이터(115, 125)를 통해 제1 커플링부(130)로 출력된다. 본 발명에서는 파장이 서로 다른 2개의 광원을 사용하게 되는 데, 2개의 파장은 헤모글로빈과 산화헤모글로빈에 대해 흡수율이 아주 큰 파장대역과 아주 작은 파장대역으로 결정되는 것이 바람직하다. 또한 파장 대역폭이 넓을수록 해상도(resolution)가 좋아지기 때문에 광원은 파장 대역폭이 넓은 것일수록 좋다. 상기에서 제1 광원(110)과 제2 광원(120)은 광섬유 기반의 초광대역 광원(Optical Fiber based Super continuum Light Source)이 될 수 있다.
상기에서 콜리메이터(collimator)는 광신호가 평행하게 나아가도록 만드는 장치로서, 도 3에서는 광신호가 광원에서부터 광로인 광섬유 안으로 들어갈 때나 광섬유에서 기준미러(150; reference mirror)로 가는 과정에서 사용된다. 광은 매질이나 공기를 진행하면서 퍼져나가게 되는데 콜리메이터는 광이 퍼지는 현상을 막고자 사용된다.
상기에서 제1 커플링부(130)는 다중커플러(131)와 광분배기(133)를 포함할 수 있다. 다중커플러(131)는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 제1 광신호와 제2 광신호를 다중으로 커플링하고, 광분배기(133)는 다중커플러(131)에 의해 커플링된 제1 광신호와 제2 광신호를 제1 광로(101)와 제2 광로(102)로 50:50 비율로 각각 분배하게 된다. 따라서, 제1 광로(101)와 제2 광로(102)에는 제1 광신호와 제2 광신호가 다중화된 동일한 광신호가 흐르게 된다. 여기에서, 다중커플러(131)는 파장분할다중(WDM) 커플러가 될 수 있고, 광분배기(133)는 50/50 커플러가 될 수 있다.
제1 서큘레이터(140)는 상기 제1 광로(101)를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(150; reference mirror)로 조사하고, 기준미러(150)로부터 거의 전반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로(103)로 출력한다. 여기서, 제1 서큘레이터(140)는 콜리메이터(145)를 통해 기준미러(150)로 제1 광신호와 제2 광신호를 조사하게 된다.
제2 서큘레이터(160)는 상기 제2 광로(102)를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(10; tissue)로 조사하고, 대상체(10)로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로(104)로 출력한다. 여기서, 제2 서큘레이터(160)는 렌즈(170)를 통해 대상체(10)로 제1 광신호와 제2 광신호를 조사하게 된다. 광신호가 렌즈(170)를 통해 조직으로 조사되면 광신호의 일부는 표면에서 반사되거나 조직의 내부로 입사된다. 입사된 광신호 중 일부는 조직의 물질에 따라 흡수되거나 산란을 일으키게 되며, 이 중에서 산란되거나 반사된 빛이 다시 렌즈(170)를 통해 들어오게 될 것이다. 만일, 조직이 혈관일 경우 제1 광신호는 거의 대부분이 혈관에 흡수되어 렌즈(170)로 돌아오는 광이 적을 것이고, 제2 광신호는 흡수력이 낮아 렌즈(170)로 돌아오는 광이 상대적으로 많을 것이다.
제2 커플링부(180)는 상기 제3 광로(103)와 제4 광로(104)로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 입력된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여 출력하게 되는 데, 제2 커플링부(180)는 구체적으로 광커플러(181)와 제1 광분할기(183) 및 제2 광분할기(185)를 포함하여 구성될 수 있다.
광커플러(181)는 상기 제3 광로(103)와 제4 광로(104)로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 50:50으로 분배하여 출력하고, 제1 광분할기(183)는 광커플러(181)로부터 입력된 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 다시 분리하여 출력하고, 제2 광분할기(185)도 상기 광커플러(181)로부터 입력된 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 다시 분리하여 출력한다. 상기에서 광분커플러(181)는 50/50 커플러가 될 수 있고, 제1 및 제2 광분할기(183, 185)는 파장분할다중(WDM) 커플러가 될 수 있다.
상기 수신처리부(190)는 제1 수신처리부(191)와 제2 수신처리부(193)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 수신처리부(191)는 상기 제1 광분할기(183)와 제2 광분할기(185)로부터 각각 제1 광신호에 대한 인텐서티(intensity) 신호를 수신하고, 각 인텐서티를 감산하여 간섭신호를 획득한다. 제2 수신처리부(193)는 제1 광분할기(183)와 제2 광분할기(185)로부터 제2 광신호에 대한 인텐서티 신호를 각각 수신하고, 각 인텐서티를 감산하여 간섭신호를 획득한다.
여기서, 상기 제1 광분할기(183) 및 제2 광분할기(185)로부터 제1 수신처리부(191)로 각각 입력되는 복수의 제1 광신호는 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대이며, 상기 제1 광분할기(183) 및 제2 광분할기(185)로부터 제2 수신처리부(193)로 각각 입력되는 복수의 제2 광신호도 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대이다.
예컨대, 제1 광신호가 400㎚ 파장의 광신호이고, 제2 광신호가 800㎚ 파장의 광신호일 때, 제1 수신처리부(191)에는 모두 400nm 파장의 광신호만 입력될 것이고, 제2 수신처리부(193)에는 모두 800nm 파장의 광신호만 입력될 것이다. 제1 수신처리부(191)와 제2 수신처리부(193)는 입력되는 광신호의 파장만 다를 뿐 그 역할은 동일하다. 즉, 제1 수신처리부(191)는 입력된 복수의 제1 광신호의 인텐서티(intensity)를 감산하는 역할을 한다. 상기 복수의 제1 광신호의 인텐서티를 감산하는 이유는 400nm 파장대의 간섭정보만을 얻기 위함이다.
광커플러(181)에서는 기준미러(150)로부터 수신된 광신호와 대상체(10)로부터 수신된 광신호에서 400nm와 800nm끼리 서로 간섭을 일으킬 것이다. 이렇게 간섭된 광신호는 다시 반반씩 분할되어 제1 광분할기(183)와 제2 광분할기(185)로 전달된다. 여기서, 간섭된 광신호를 반반씩 분할하는 이유는 후단에서 간섭신호만을 얻기 위함이다.
제1 광분할기(183)에서 제1 수신처리부(191)로 입력되는 제1 광신호의 인텐서티를
Figure pat00001
(식1;
Figure pat00002
은 기준미러에서 오는 광의 인텐서티이고,
Figure pat00003
는 대상체로부터 오는 광의 인텐서티임)로 표현할 수 있고, 제2 광분할기(185)에서 제1 수신처리부(191)로 입력되는 제1 광신호의 인텐서티를
Figure pat00004
(식2)로 표현할 수 있다. 여기에서, 제1 수신처리부(191)는 식1과 식2를 감산하면 간섭항(
Figure pat00005
; 식3)만이 남는다.
상기에서 식1과 식2의 간섭항의 부호가 다른 이유는 제2 커플링부(180)를 거치면서 두 개 중 한 부분의 위상이 반전되었기 때문이다.
상기에서 언급했듯이, 제1 수신처리부(191)와 제2 수신처리부(193)의 역할은 제1 광신호(400㎚)와 제2 광신호(800㎚)가 동일하기 때문에, 상기 식1 내지 식3은 400nm대의 파장과 800nm대의 파장에 관계없이 모두 동일하게 적용된다.
본 발명에서 혈관 패턴을 추출할 때 간섭항을 이용하는 이유는 대상체(10)에서 반사 또는 산란되어 수신되는 광신호가 너무 미약하기 때문이다. 보편적으로 조직(tissue)에서는 많은 광신호가 흡수되고 조직(tissue)으로부터 돌아오는 광신호의 인텐서티(intensity)는 매우 작으므로, 그 신호를 측정하기가 어려울 수도 있다. 그 반면 기준미러(150)에서는 거의 모든 광신호가 반사되어 돌아온다. 간섭항을 이미지 정보로 이용하는 이유가 바로 이와 같은 사실 때문이다. 즉, 간섭항에서
Figure pat00006
을 기준미러(150)에서 오는 광의 인텐서티라고 가정하고,
Figure pat00007
를 대상체(10)에서는 광의 인텐서티라고 가정하면 간섭항은 두 광신호(
Figure pat00008
,
Figure pat00009
)에 대한 인텐서티의 곱으로 표현되므로 미세한 신호가 상대적으로 큰 신호와 곱해져 큰 신호로 만들 수 있다.
혈관추출부(210)는 상기 제1 수신처리부(191)로부터 입력된 제1 광신호에 대한 간섭신호와 상기 제2 수신처리부(193)로부터 입력된 제2 광신호에 대한 간섭신호 간의 인텐서티 차이를 계산하게 되고, 계산된 인텐서티 차이가 설정된 임계값을 초과할 경우 헤모글로빈과 산화헤모글로빈으로 인식하게 된다. 즉, 혈관추출부(210)는 제1 수신처리부(191)와 제2 수신처리부(193)로부터 도 4와 같은 간섭신호에 대한 인텐서티를 순차적(대상체의 수평 스캔에 따라)으로 수신하게 되고, 한 지점에서의 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호 간의 인텐서티 차이를 계산하게 되고, 계산된 인텐서티 차이를 설정된 임계값과 비교하여 헤모글로빈, 즉 혈관의 존재 여부를 판단하게 된다.
상술한 바와 같이 제1 광신호(400㎚)의 경우 헤모글로빈과 산화헤모글로빈에 대한 흡수력이 상당히 높으므로 제1 광신호에 대한 간섭신호의 인텐서티가 미약하며, 제2 광신호의 경우 헤모글로빈과 산화헤모글로빈에 대한 흡수력이 상당히 낮으므로 제2 광신호에 대한 간섭신호의 인텐서티가 커야한다. 이 2가지 조건을 모두 만족하는 지점을 찾으면, 그곳에 헤모글로빈과 산화헤모글로빈이 존재하는 곳이다. 이와 같이 헤모글로빈과 산화헤모글로빈이 많은 곳이 혈관이므로 혈관의 위치와 형태를 파악할 수 있다.
이미지생성부(220)는 상기 혈관패턴추출부(210)를 통해 수집된 3차원 혈관 정보들을 이용하여 대상체(10)의 혈관에 대한 이미지를 생성하여 화면상에 표시할 수 있다.
상기 혈관패턴추출부(210)와 이미지생성부(220)는 컴퓨터(퍼스널 컴퓨터, 노트북 등)에 내장된 혈관 패턴 추출 및 이미지 생성을 위한 IC칩 또는 소프트웨어일 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 의한 3차원 혈관 이미징 방식을 설명하기 위한 도면이다.
대상체(10)의 전체 조직을 3차원으로 이미징하기 위해서는, 기본적으로 도 5와 같이 제2 서큘레이터(160)와 연결된 렌즈(170)를 대상체(10) 상에서 수평(xy 방향)으로 이동하며 대상체(10)를 스캐닝한다.
하지만, 본 발명에서는 대상체(10)의 xy축 방향뿐만 아니라 z축 방향(깊이)으로도 모든 간섭항을 얻어서 이미지를 표현하게 된다. 이를 위하여 도 5와 같이 xy 방향으로 스캐닝하기 전에, 도 6과 같이 대상체(10)의 한 지점(렌즈의 위치가 어느 한 지점에서 고정됨)에서 기준미러(150)의 위치를 콜리메이터(145)로부터 순차적으로 이동시킨다. 기준미러(150)의 위치가 콜리메이터(145)로부터 멀어질수록 대상체(10)의 깊은 조직에 대한 측정이 가능하다.
본 발명의 혈관 이미징 장치는 일종의 간섭계이므로, 기준미러(150)를 거친 광신호와 대상체(10)를 거친 광신호의 광로차를 가지고 간섭을 일으킨다. 그 간섭신호를 이용하여 이미징을 한다. 가간섭성(coherence)은 간섭을 일으키는 광로차의 크기를 결정한다. 이때 광대역의 광은 간섭을 일으킬 수 있는 광로차가 한정되어 있다. 광로차가 어느 정도 이상이 되면 서로 간섭을 일으키지 않는다. 제1 수신처리부(191)와 제2 수신처리부(193)에서는 동일 파장에 대한 복수의 광신호를 통해 간섭항만을 얻기 때문에 간섭을 일으키지 않으면 제1 수신처리부(191)와 제2 수신처리부(193)에서 출력되는 신호는 없다. 이와 같은 사실을 이용하여 대상체(10)의 깊이 방향으로의 간섭항을 모두 구할 수 있다.
예를 들어, 도 7과 같이 조직의 깊이에 따라 세 부분에서 돌아오는 광이 있다고 가정한다. 그리고, 기준미러(150)는 도 6과 같이 이동된다고 가정한다. 조직의 ①번 깊이에서 돌아오는 광이 기준미러(150)와의 광로차가 간섭이 일어나는 만큼의 광로차가 되었다면 간섭신호를 얻게 되고 나머지 부분에서는 광로차가 간섭이 일어나는 만큼의 광로차보다 커서 간섭이 일어나지 않는다. 그러나 조금 더 기준미러(150)를 이동시키게 되면 간섭이 일어나는 광로차보다 크게 되어 ①번 깊이의 간섭신호가 사라진다. 다음 ②번 깊이에서 돌아오는 빛이 기준미러(150)와의 광로차가 간섭이 일어나는 만큼의 광로차가 되게 된다. 이 경우에도 ②번 깊이에서 나오는 광과 기준미러(150)로부터의 광이 서로 간섭을 일으켜 ②번 깊이에서의 간섭신호를 얻게 되고, 나머지 깊이는 간섭을 일으키는 광로차보다 커서 간섭신호가 없다. 또다시 기준미러(150)가 더 움직이면서 간섭을 일으키는 광로차를 벗어나게 되어 간섭신호가 나오지 않게 되고, 다음 ③번 깊이도 위와 같은 방식으로 간섭을 일으켜 ③번 깊이에서의 간섭신호를 얻게 된다. 즉, 광의 가간섭성(coherence)과 광대역, 및 기준미러(150)의 이동을 통해서 대상체(10)의 한 지점에서 깊이 방향의 간섭 정보를 각각 독립적으로 얻어낼 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명에서는 헤모글로빈과 산화헤모글로빈의 흡수율 차이에 의해 혈관 패턴을 추출할 수 있다. 혈관 이미징이 이용될 수 있는 곳은 종양의 발견, 증식 및 소멸 과정이다. 종양 부근에 존재하는 혈관은 일반적인 조직에 분포하는 혈관과 다른 분포를 갖기 때문이다. 따라서 혈관 이미징을 하여 종양이 발생된 부분을 발견해낼 수 있다.
또한, 종양의 치료 과정에서 같은 시간 간격으로 혈관 이미징을 하면서 변화하는 혈관의 형태를 보면서 종양의 치료 효과가 나타는지의 여부도 알 수 있을 것이다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 대상체(tissue) 110: 제1 광원
120: 제2 광원 130: 제1 커플링부
131: 다중커플러 133: 광분배기
140: 제1 서큘레이터 145: 콜리메이터
150: 기준미러 160: 제2 서큘레이터
170: 렌즈 180: 제2 커플링부
181: 광커플러 183: 제1 광분할기
185: 제2 광분할기 190: 수신처리부
191: 제1 수신처리부 193: 제2 수신처리부
200: 데이터수집부 210: 혈관패턴추출부
220: 이미지생성부

Claims (17)

  1. 헤모글로빈(Hb)과 산화헤모글로빈(HbO2)에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 제1 광신호 및 제2 광신호를 커플링한 후 커플링된 복수의 광신호를 제1 광로와 제2 광로로 분배하는 제1 커플링부;
    상기 제1 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(reference mirror)로 조사하고, 기준미러로부터 반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로로 출력하는 제1 서큘레이터;
    상기 제2 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(tissue)로 조사하고, 대상체로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로로 출력하는 제2 서큘레이터;
    상기 제3 광로와 제4 광로로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 입력된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하는 제2 커플링부;
    상기 제2 커플링부로부터 입력된 제1 광신호 및 제2 광신호에 대한 인텐서티를 이용하여 대상체에 대한 정보인 간섭신호를 각각 획득하는 수신처리부; 및
    상기 수신처리부를 통해 획득된 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호를 이용하여 혈관 패턴을 추출하는 혈관패턴추출부;를 포함하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광신호는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 높은 파장대역이고, 상기 제2 광신호는 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 낮은 파장대역인 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 광신호는 250㎚ 내지 450㎚ 정도의 파장대역이고, 상기 제2 광신호는 750㎚ 내지 850㎚ 정도의 파장대역인 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 커플링부는, Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 서로 다른 파장을 갖는 복수의 광신호를 다중으로 커플링하는 다중커플러; 및 상기 커플링된 복수의 광신호를 제1 광로와 제2 광로로 각각 분배하는 광분배기;를 포함하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 커플링부는, 상기 제3 광로와 제4 광로로부터 입력된 광신호를 각각 결합한 후 분배하여 출력하는 광커플러; 상기 광커플러로부터 입력된 광신호를 파장에 따라 분리하여 출력하는 제1 광분할기; 및 상기 광커플러로부터 입력된 광신호를 파장에 따라 분리하여 출력하는 제2 광분할기;를 포함하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수신처리부는,
    상기 제1 광분할기와 제2 광분할기로부터 각각 제1 광신호에 대한 인텐서티 신호를 수신하고, 각 인텐서티를 감산하여 간섭신호를 획득하는 제1 수신처리부; 및 상기 제1 광분할기와 제2 광분할기로부터 제2 광신호에 대한 인텐서티 신호를 각각 수신하고, 각 인텐서티를 감산하여 간섭신호를 획득하는 제2 수신처리부;를 포함하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 광분할기 및 제2 광분할기로부터 제1 수신처리부로 각각 입력되는 제1 광신호는 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 광분할기 및 제2 광분할기로부터 제2 수신처리부로 각각 입력되는 제2 광신호는 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 혈관패턴추출부는 상기 제1 수신처리부로부터 입력된 제1 광신호에 대한 간섭신호와 상기 제2 수신처리부로부터 입력된 제2 광신호에 대한 간섭신호 간의 차이를 계산하고, 계산된 차이가 설정된 임계값을 초과할 경우 혈관으로 인식하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준미러는 대상체의 어느 한 지점에 대한 수직정보를 획득하기 위해 위치가 가변되는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 서큘레이터는 렌즈를 통해 대상체로 광신호를 송수신하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 혈관패턴추출부를 통해 수집된 3차원 혈관 정보들을 이용하여 대상체의 혈관에 대한 이미지를 생성하는 이미지생성부를 더 포함하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치.
  13. Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 높은 파장을 갖는 제1 광신호와 상기 Hb과 HbO2에 대해 흡수율이 낮은 파장을 갖는 제2 광신호를 커플링한 후 제1 광로와 제2 광로로 분배하는 제1 단계;
    상기 제1 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 기준미러(reference mirror)로 조사하고, 기준미러로부터 반사되어 수신된 복수의 광신호를 제3 광로로 출력하는 제2 단계;
    상기 제2 광로를 통해 입력된 복수의 광신호를 대상체(tissue)로 조사하고, 대상체로부터 반사 또는 산란되어 수신된 복수의 광신호를 제4 광로로 출력하는 제3 단계;
    상기 제3 광로와 제4 광로로부터 각각 입력된 복수의 광신호를 결합한 후 결합된 복수의 광신호를 파장에 따라 제1 광신호와 제2 광신호로 분할하여 출력하는 제4 단계; 및
    상기에서 입력된 제1 광신호 및 제2 광신호의 인텐서티를 이용하여 대상체에 대한 정보인 간섭신호를 광신호별로 획득하고, 획득된 제1 광신호와 제2 광신호에 대한 간섭신호를 이용하여 Hb과 HbO2의 존재 여부를 판단하는 제5 단계;를 포함하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제1 광신호는 250㎚ 내지 450㎚의 파장을 가지고, 상기 제2 광신호는 750㎚ 내지 850㎚의 파장을 갖는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제5 단계에서 제1 광신호에 대한 간섭신호는, 인텐서티의 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 복수의 제1 광신호에 대한 인텐서티를 감산하여 획득하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 제5 단계에서 제2 광신호에 대한 간섭신호는, 인텐서티 크기가 서로 동일하고 간섭항의 위상은 서로 반대인 복수의 제2 광신호에 대한 인텐서티를 서로 감산하여 획득하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 방법.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 제5 단계에서 Hb과 HbO2의 존재 여부를 판단할 때, 제1 광신호에 대한 간섭신호와 상기 제2 광신호에 대한 간섭신호 간의 인텐서티 차이를 계산하고, 계산된 인텐서티 차이가 설정된 임계값을 초과할 경우 혈관으로 인식하는 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 방법.
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