KR20120082730A - Enhancement of retina imaging quality and microsurgery resolution by using optically filtered led light having maximum absorption by blood in retina vessels - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A vascular imaging apparatus using a light emitting diode light source and a laser vascular surgery apparatus including the same are provided to improve surgery precision of retinal vessels by connecting the vascular imaging apparatus and a laser irradiation apparatus. CONSTITUTION: An LED system(110) generates an LED light source. A first optical system(120) includes a color filter changing the LED light source into an absorption wavelength range of blood inside a blood vessel. A monitoring apparatus(130) monitors a blood vessel tissue irradiating the LED light source having a wavelength range changed through the first optical system. The color filter is composed of a yellow filter(123) and a cyan filter(125) formed at the backend of the yellow filter.

Description

엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치와 이를 포함하는 레이저 혈관 수술 장치{Enhancement of retina imaging quality and microsurgery resolution by using optically filtered LED light having maximum absorption by blood in retina vessels}Vascular imaging apparatus using an LED light source and laser vascular surgical apparatus including the same {Enhancement of retina imaging quality and microsurgery resolution by using optically filtered LED light having maximum absorption by blood in retina vessels}

본 발명은 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치와 이를 포함하는 레이저 혈관 수술 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 백색광 LED(light emitting diode)로부터 발생한 빛의 파장 분포를 제어하여 망막 조직에 있는 혈관 내 혈액에 의한 광흡수가 최대화 되도록 함으로써 혈관이미지가 최대의 대조를 갖게 되는 혈관 이미지 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a vascular imaging apparatus using an LED light source and a laser vascular surgery apparatus including the same, and more particularly, to the blood in the blood vessels in the retinal tissue by controlling the wavelength distribution of light generated from a white light emitting diode (LED). By maximizing the absorption of light by the vascular image relates to a vascular imaging device having a maximum contrast.

또한, 주변 혈관과 혈관 이외의 조직과의 구별을 최적화함으로써 망막의 손상을 최소화 하면서 목표 부위의 선택적 제거능력이 탁월한 레이저 혈관 수술 장치에 관한 것이다.
In addition, the present invention relates to a laser vascular surgical device that is excellent in the selective removal of the target site while minimizing damage to the retina by optimizing the distinction between surrounding blood vessels and tissues other than blood vessels.

안구를 형성하는 다양한 내부구조는 근적외선(Near Infrared, NIR) 영역에서 매우 높은 투과도를 갖고 있으므로, 근적외선 광선이 매우 효과적으로 안구내부에 도달이 가능하다. 하지만 일반적인 NIR 레이저의 빛이 특정 망막 구조에 의해 흡수가 되지 않기 때문에 정교한 안구 수술을 위한 적용이 제한되어있다. 이 제한성은 초고속 NIR 레이저 소스를 적용하는 경우에는 해결할 수 있다. 비선형 흡수현상에 기초한 NIR 초고속 레이저 펄스를 집속은, 집속영역 이외의 부위에서의 최소한의 부수적인 손상과 함께 특정 조직부위 제거를 가능하게 한 명백한 예를 통해 보여진다. 이 기술은 제거, 천공 그리고 작은 초점 안에서 레이저 조사의 전달에 의한 조직 응고의 작업이 실현을 손쉽게 보여준다. 초고속레이저를 기본으로 한 초미세 수술은 주변조직에 최소한의 손상을 주면서 초미세 단위의 목표물에 선택적인 제거가 가능하기 때문에 하위세포 연구, 신경계 순환 연구, 신경계 손상과 신경 재생 연구를 위한 효과적인 방법이다.The various internal structures forming the eye have very high transmittance in the near infrared (NIR) region, so that the near infrared ray can reach the inside of the eye very effectively. However, the application of sophisticated eye surgery is limited because the light of a typical NIR laser is not absorbed by certain retinal structures. This limitation can be solved when using ultrafast NIR laser sources. The focusing of NIR ultrafast laser pulses based on nonlinear absorption phenomena is illustrated by the clear example that allows removal of certain tissue sites with minimal incidental damage outside the focusing region. This technique makes it easy to realize the work of tissue coagulation by removal, drilling and delivery of laser irradiation within a small focal point. Ultra-fast laser-based surgery is an effective method for subcellular research, nervous system circulation, nervous system regeneration and nerve regeneration research, as it allows selective removal of ultra-fine targets with minimal damage to surrounding tissues. .

1980년대 일상적인 개구수를 갖는 집속광학계를 이용하여 레이저 에너지를 안구내부에 집속할 수 있는 방안을 강구하는 많은 시도가 있었다. 이러한 시도를 통하여 2940nm 파장의 Er: YAG레이저에 의한 망막층의 제한된 제거가 최초의 선택적인 안구 내부의 조직제거 예이다. 이러한 시도는 그러나 망막 하부 층의 조직에 손상 없이 ILM의 제거에 적용할 수 없었다. 생체 밖에서의 망막 손상에서 최상의 해결방법은 Er: YAG를 적용하였을 때 4 um 였으나 제거된 시점부터 70 um깊이에서도 조직에서 열에 의한 변성은 발견되었다.In the 1980s, many attempts were made to focus laser energy into the eye using a focused optical system with a numerical aperture. With this approach, limited removal of the retinal layer by Er: YAG laser at 2940 nm wavelength is the first selective intraocular tissue removal example. This approach, however, could not be applied to the removal of ILM without damaging the tissue of the lower retinal layer. The best solution for ex vivo retinal injury was 4 um with Er: YAG, but thermal degeneration was found in tissues even at 70 um depth from the time of removal.

비정상적 세포분열과 신생혈관 형성은 증식성 당뇨병성 망막증(PDR: proliferative diabetic retinopathy)과 같은 위험한 안구질환을 대표하는 증상이다. 적절한 치료가 없다면, PDR이 진행된 환자는 최소한 50%가 5년 안에 실명에 이른다. PDR의 치료에서 열 레이저는 다발성 출혈이 발생하는 망막모세혈관을 막는데 이용하거나(focal photocoagulation), 새로운 비정상적인 혈관의 성장을 늦추기 위해 조직파괴방법 (scatter photocoagulations)이 공통적인 치료방법으로 사용된다. 이러한 비선택적인 망막 손상 방법에 의한 치료는 영구적인 시력손상을 초례 하는 결과를 가져온다. 이런 손상을 극복하기 위해, 적외선 레이저 소스들, CO2와 Holmium YAG레이저(optic fiber delivery 시스템을 거쳐)등이 안구질환 수술에서 시범적으로 진행되고 있다. 하지만, 충격파 영향과 열에 의한 주변 조직에 부수적인 손상이 나타남이 보고되어 왔다.Abnormal cell division and neovascularization represent symptoms of dangerous eye diseases such as proliferative diabetic retinopathy (PDR). Without proper treatment, at least 50% of patients with advanced PDR become blind within 5 years. In the treatment of PDR, thermal lasers are used to prevent retinal capillaries in which multiple hemorrhages occur (scatter photocoagulations) as a common treatment to slow the growth of new abnormal blood vessels. Treatment with this non-selective retinal injury method results in a permanent vision impairment. To overcome this damage, infrared laser sources, CO2 and Holmium YAG laser (via an optical fiber delivery system), are being piloted in eye disease surgery. However, incidental damage to surrounding tissues by shock wave effects and heat has been reported.

레이저에 의한 조직 제거의 현상은 optical breakdown 모델이나 thermo-mechanical 모델에서 묘사할 수 있다. optical breakdown 모델은 플라즈마 형성과 더불어 충격파 형성, 조직 제거와 cavitation 그리고 조직 손상으로 구성된다. 플라즈마 형성은 레이저 광 흡수가 낮은 물질 또는 투명한 상태에서 제한된 에너지를 위한 조직 제거가능성을 설명한다. 과도적인 열-역학변형 모델 (Thermo-mechanical transient model)은 광화학적인 레이저 어블레이션을 제외한 모든 레이저유발 제거반응에 해당한다. 광화학적 혹은 상태변이에 의한 과정이 없는 경우, 물질에 흡수된 에너지 전체는 대상물의 온도를 증가하는데 사용된다. 이러한 상태에서 대상물의 온도는 어떤 특정한 지역 (r)에서 T(r)표시할 수 있으며 이는 다음과 같은 식으로 표시된다.The phenomenon of tissue removal by laser can be described in optical breakdown or thermo-mechanical models. The optical breakdown model consists of plasma formation, shock wave formation, tissue removal and cavitation, and tissue damage. Plasma formation accounts for tissue removal for limited energy in materials with low laser light absorption or in a transparent state. The transient thermomechanical transient model covers all laser induced ablation reactions except photochemical laser ablation. In the absence of photochemical or state transitions, the entire energy absorbed by the material is used to increase the temperature of the object. In this state, the temperature of the object can be expressed as T (r) in any particular area (r), which is expressed as:

T(r) =r e(r)/CvT (r) = r e (r) / Cv

이때 r은 물질의 밀도이며 e(r)는 흡수된 에너지밀도이고 Cv는 단위 부피당 specific heat capacity이다. 또한 에너지가 특정 지역에 흡수되었을 때 열 확산에 의한 공간의 재 분포가 일어난다. 이 모델은 만약 펄스 지속이 조직 부피의 열 완화 시간보다 적을 때 손상부위의 제한적 발생이 관찰이 되는 것을 설명한다.Where r is the density of the material, e (r) is the absorbed energy density, and Cv is the specific heat capacity per unit volume. In addition, the redistribution of space by heat diffusion occurs when energy is absorbed in a particular area. This model explains that a limited occurrence of damage is observed if the pulse duration is less than the thermal relaxation time of the tissue volume.

강력한 초고속 레이저 빔에 의한 조사는 목표한 물질이 레이저 파장영역에서 선형흡수가 없는 경우에도 비선형적으로 다광자 흡수를 유발한다. 흡수된 에너지는 인접한 영역에 몇 피코초의 시간상수를 갖는 진동(혹은 포논)모드를 매개로하는 에너지 relaxation에 의하여 전파된다. 한편 레이저의 펄스폭이 이상의 전파의 시간 상수보다 짧은 경우 열 확산 없이 주로 전자에 의해 운송된다. 따라서 초고속레이저를 이용한 초미세 수술의 경우 주변조직에 열 손상을 최소화 할 수 있고 생물학적 조직에 차후에 일어나는 광 유도에 의한 기계적 충격 형성이 영향을 받지 않게 유지된다. 이것은 초미세 레이저 수술 과정이 열이 없다는 것을 효과적으로 보여준다.Irradiation with a powerful ultrafast laser beam causes non-linear multiphoton absorption even if the target material does not have linear absorption in the laser wavelength region. The absorbed energy is propagated by energy relaxation via an oscillation (or phonon) mode with a time constant of several picoseconds in the adjacent region. On the other hand, when the pulse width of the laser is shorter than the time constant of the above propagation, it is mainly carried by electrons without thermal diffusion. Therefore, in the case of ultrafine surgery using ultrafast laser, thermal damage to surrounding tissues can be minimized and mechanical shock formation due to subsequent light induction to biological tissues is maintained unaffected. This effectively shows that the ultrafine laser surgery process is free of fever.

한편 레이저 집속에 의한 물질 여기를 통하여 발생된 자유전자의 높은 밀도 형성은 목표한 물질에서 고밀도 플라즈마를 형성이 가능하다. 이는 세포 생존에 전혀 영향이 없이 세포 내부 미세구조들의 인위적으로 처리 가능한 방법으로써, 세포생물학에 잠재적인 큰 적용 가능성을 보여준다. 또한 초고속레이저를 비선형 광학 현상들을 기본으로 다-광자 흡수와 방출에 의한 높은 해상도의 3-D 이미지를 형성하는 새로운 형태의 3차원 입체 이미지 기술에 적용할 수 있다. 또한 이상의 기술적인 진보는 광역학적 치료에서 다중광자 흡수현상을 이용할 수 있다. 이러한 레이저는 700-1000nm의 파장 안에서 망막 제거에 적용할 빛 에너지를 거의 독점적으로 방출 할 수 있고 각각의 조직에 정밀하게 변경을 위한 생물의학에 적용을 위한 잠재적 원천이 된다.On the other hand, high density formation of free electrons generated through material excitation by laser focusing enables the formation of high density plasma in the target material. This is an artificially processable method of intracellular microstructures with no impact on cell survival, demonstrating the potential great potential for cell biology. Ultrafast lasers can also be applied to new forms of three-dimensional stereoscopic imaging techniques that produce high-resolution 3-D images by multi-photon absorption and emission based on nonlinear optical phenomena. The above technical advances can also take advantage of multiphoton absorption in photodynamic therapy. These lasers can emit almost exclusively light energy for retinal removal within the wavelength range of 700-1000 nm and are a potential source for biomedical applications for precise alteration in individual tissues.

초고속 레이저는 2001년에 Interlase Inc.에서 라식 (laser-assisted in situ keratomileusis)수술을 위해 이미 소개되었다. 이것은 유일하게 초고속 레이저가 생물학적 조직에서 최소한의 손상과 함께 조직에 정밀한 수술에 성공적으로 적용할 수 있다는 것을 보여준다.Ultrafast lasers were already introduced at Interlase Inc. in 2001 for LASER-assisted in situ keratomileusis surgery. This shows that the only ultrafast lasers can be successfully applied to precise surgery on tissues with minimal damage to biological tissues.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 백색광 LED 출력의 파장 분포 제어를 통해 안저 이미징에서 혈관 및 타 망막 조직의 차별성을 극대화한 고품질 이미지특성을 제공하는 혈관 이미지 장치를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention, through the wavelength distribution control of the white light LED output to provide a high-quality image characteristic that maximizes the differentiation of blood vessels and other retinal tissue in the ocular fundus imaging In providing a device.

또한, 상기 혈관 이미지 장치와 더욱 잘 제어된 레이저 조사장치를 연동함으로써 망막 상 혈관 수술정밀도를 효과적으로 향상 시키는 레이저 혈관 수술 장치를 제공함에 있다.
In addition, to provide a laser vascular surgery apparatus that effectively improves the vascular surgical accuracy on the retina by interlocking the blood vessel imaging device and a more controlled laser irradiation device.

본 발명의 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치는 엘이디 광원을 발생시키는 엘이디 시스템(110); 상기 엘이디 광원을 혈관 내 혈액의 흡수 파장 범위로 변환시키는 컬러 필터(Color Filter)를 구비한 제1 광학계(120); 및 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 조사한 혈관 조직을 모니터링 하는 모니터링 장치(130); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.The vessel imaging apparatus using the LED light source of the present invention comprises: an LED system 110 for generating an LED light source; A first optical system 120 having a color filter converting the LED light source into an absorption wavelength range of blood in a blood vessel; And a monitoring device 130 for monitoring blood vessel tissue irradiated with the LED light source whose wavelength range is converted through the first optical system 120. Characterized in that it comprises a.

이때, 상기 컬러 필터는, 옐로우필터(Yellow Filter, 123)와, 상기 옐로우필터(123)의 후단에 형성되는 시안필터(Cyan Filter, 125)로 구성되는 것을 특징으로 한다.In this case, the color filter may include a yellow filter 123 and a cyan filter 125 formed at a rear end of the yellow filter 123.

또한, 상기 엘이디 광원은 백색 조사광이 적용되고, 상기 제1 광학계(120)상의 컬러 필터를 통해 변환된 엘이디 광원의 파장 범위는 500nm~700nm 인 것을 특징으로 한다.In addition, the LED light source is a white irradiation light is applied, the wavelength range of the LED light source converted through the color filter on the first optical system 120 is characterized in that 500nm ~ 700nm.

아울러, 상기 혈관 이미지 장치는, 상기 제1 광학계(120)와 혈관 조직 사이에 구비되며, 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 540~550nm 및 570~580nm의 파장 범위로 분리하여 혈관 조직에 조사하는 편광 빔 분리기(140)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the blood vessel imaging apparatus is provided between the first optical system 120 and the blood vessel tissue, and the wavelength range of 540 ~ 550nm and 570 ~ 580nm for the LED light source whose wavelength range is converted through the first optical system 120 It is characterized in that it comprises a polarizing beam separator 140 for irradiating to the blood vessel tissue separated by.

또한, 상기 제1 광학계(120)상의 시안필터(125) 후단에는 제1 편광렌즈(151)가 구비되고, 상기 모니터링 장치(130)와 혈관 조직 사이에는 제2 편광렌즈(152)가 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, a first polarized lens 151 is provided at the rear end of the cyan filter 125 on the first optical system 120, and a second polarized lens 152 is provided between the monitoring device 130 and the blood vessel tissue. It features.

또한, 상기 제1 광학계(120)는, 상기 옐로우필터(123)의 전단에 구비되는 복수의 볼록렌즈(121) 및 상기 옐로우필터(123)와 시안필터(125) 사이에 구비되는 복수의 평철렌즈(124)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the first optical system 120 includes a plurality of convex lenses 121 provided at the front end of the yellow filter 123 and a plurality of flat iron lenses provided between the yellow filter 123 and the cyan filter 125. It characterized in that it further comprises (124).

또한, 상기 혈관 이미지 장치는, 안구의 혈관 조직에 적용되는 것을 특징으로 한다.In addition, the blood vessel imaging device is characterized in that applied to the vascular tissue of the eye.

본 발명의 레이저 혈관 수술 장치는 엘이디 광원을 발생시키는 엘이디 시스템(110); 상기 엘이디 광원을 혈관 내 혈액의 흡수 파장 범위로 변환시키는 컬러 필터(Color Filter)를 구비한 제1 광학계(120); 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 조사한 혈관 조직을 모니터링 하는 모니터링 장치(130); 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원(210); 가이드 빔을 발생하는 가이드 광원(220); 치료 대상인 안구의 위치를 고정하는 고정부(230); 상기 모니터링 장치(130)와 고정부(230) 사이에 구비되는 제1 다이크로익 미러(160); 상기 레이저 광원 및 가이드 광원에서 발생하는 레이저 빔 및 가이드 빔을 상기 제1 다이크로익 미러(160)를 통해 고정된 안구에 조사하는 제2 광학계(240); 및 상기 제2 광학계(240) 상에 설치되며 상기 레이저 빔 및 가이딩 빔의 방향을 제어하는 갈바노 스캐너(250); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.Laser vascular surgery apparatus of the present invention includes an LED system 110 for generating an LED light source; A first optical system 120 having a color filter converting the LED light source into an absorption wavelength range of blood in a blood vessel; A monitoring device (130) for monitoring blood vessel tissue irradiated with an LED light source whose wavelength range is converted through the first optical system (120); A laser light source 210 for generating a laser beam; A guide light source 220 for generating a guide beam; Fixing unit 230 for fixing the position of the eye to be treated; A first dichroic mirror 160 provided between the monitoring device 130 and the fixing part 230; A second optical system 240 for irradiating a laser beam and a guide beam generated by the laser light source and the guide light source to the fixed eye through the first dichroic mirror 160; And a galvano scanner 250 mounted on the second optical system 240 to control the direction of the laser beam and the guiding beam. Characterized in that it comprises a.

이때, 상기 레이저 빔의 펄스폭은 150fs 이고 반복률은 1kHz인 것을 특징으로 한다.At this time, the pulse width of the laser beam is 150fs and the repetition rate is characterized in that 1kHz.

마지막으로, 상기 레이저 빔의 직경은 안구의 망막 표면 도달 시에 2.0~2.4um인 것을 특징으로 한다.
Finally, the diameter of the laser beam is characterized in that 2.0 ~ 2.4um when reaching the retina surface of the eye.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 혈관 이미지 장치와 이를 포함하는 레이저 혈관 수술 장치는 실시간으로 망막 혈관 이미지를 분석할 수 있는 알고리즘을 통하여 주변 망막 세포층이나 아래층에 어떠한 손상을 주지 않으면서 망막 혈관벽의 선택적 천공을 가능하게 하는 효과가 있다. 이러한 기술적인 진보는 향후 망막 질환의 조기 진단 및 초고속레이저를 기반하는 초정밀 치료를 하는데 응용성을 가질 것으로 기대된다.
The vascular imaging apparatus of the present invention and the laser vascular surgery apparatus including the same according to the above-described configuration are selective of the retinal vascular wall without any damage to the surrounding retinal cell layer or the lower layer through an algorithm capable of analyzing retinal vascular images in real time. It has the effect of enabling perforation. These technological advances are expected to have applicability for early diagnosis of retinal diseases and ultra-precision therapy based on ultrafast lasers.

도 1은 본 발명의 혈관 이미지 장치 개략도
도 2는 백색광 LED 파장 분포 제어 전 후의 조사광의 광분포도 및 혈액의 흡수 파장
도 3은 본 발명의 혈관 수술 장치 개략도
도 4는 본 발명의 혈관 이미지 장치를 바탕으로 초점의 깊이를 변화하며 취득된 온전한 돼지안구 내 망막 이미지
도 5는 도 4를 Prewitt operater를 이용하여 전환한 이미지
도 6은 각기 다른 이미지 분석 사이즈를 변화하며 얻어진 contrast value를 초점깊이에 따라 도시한 그래프
도 7은 각기 다른 이미지 분석 위치를 변화하며 얻어진 contrast value를 초점깊이에 따라 도시한 그래프
도 8은 본 발명의 혈관 이미지 장치를 이용하여 조사광의 편광판과 분석광의 편광판의 편광 각도를 변화하며 취득된 온전한 돼지 안구 내 망막 이미지
도 9는 도 8을 Prewitt operater를 이용하여 전환한 이미지
도 10은 각기 다른 이미지 분석 사이즈를 변화하며 얻어진 contrast value를 편광판 간의 각도에 대하여 도시한 그래프
도 11은 각기 다른 이미지 분석 위치를 변화하며 얻어진 contrast value를 편광판 간의 각도에 대하여 도시한 그래프
도 12는 안구 내 망막 상 초미세수술을 위한 초고속레이저 펄스 조사 전의 fundus image
도 13은 안구 내 망막 상 초미세수술을 위한 초고속레이저 펄스 조사 후의 fundus image
도 14는 수술을 시행한 영역에 대한 디지털 카메라 이미지
도 15는 다양한 플루언스의 초고속레이저펄스를 이용하여 망막 상 조직의 미세수술 후에 얻어진 망막 표면 및 망막의 세포층 아래조직을 단층 촬영한 결과
도 16은 초고속 레이저의 단일 펄스 스캔 후에 온전한 돼지 안구 내 망막 조직의 단층촬영 분석결과를 토대로 혈관 및 망막조직의 변화 형태를 "변화 없음"과 "ILM만의 제거" 그리고 "혈관벽 천공"의 3가지 손상 타입으로 구별하여 손상의 상호관계의 통계적 처리 결과
1 is a schematic view of a blood vessel imaging device of the present invention
2 is a light distribution diagram of absorption light and absorption wavelength of blood before and after white light LED wavelength distribution control.
3 is a schematic view of the vascular surgery apparatus of the present invention
4 is an intact intraretinal image obtained by changing the depth of focus based on the blood vessel imaging device of the present invention.
FIG. 5 is an image of FIG. 4 converted using a Prewitt operater.
6 is a graph showing contrast values obtained according to depths of focus while varying image analysis sizes.
FIG. 7 is a graph showing contrast values obtained according to depths of focus while varying image analysis positions.
8 is an intact intraocular retinal image obtained by varying the polarization angle of the polarizing plate of the irradiation light and the analysis light using the blood vessel imaging device of the present invention.
FIG. 9 is an image of FIG. 8 converted using a Prewitt operater.
10 is a graph showing the contrast values obtained by varying different image analysis sizes with respect to angles between polarizers.
FIG. 11 is a graph showing contrast values obtained by changing different image analysis positions with respect to angles between polarizers. FIG.
12 is a fundus image before ultrafast laser pulse irradiation for intraocular retinal ultrafine surgery.
Fig. 13 shows fundus image after ultrafast laser pulse irradiation for intraocular retinal ultrafine surgery.
14 is a digital camera image of the area undergoing surgery
FIG. 15 is a tomography of the surface of the retina and the tissues below the cell layer obtained after microsurgery of retinal tissue using ultrafast laser pulses of various fluences.
FIG. 16 shows three types of changes in vascular and retinal tissues: "no change", "removal of ILM only", and "vessel wall perforation" based on tomographic analysis of intact retinal tissue after a single pulse scan of ultrafast laser. Statistical processing of the correlation of damage by type

이하, 상기와 같은 본 발명의 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a blood vessel imaging apparatus using the LED light source of the present invention as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1을 참조하면, 본 발명의 혈관 이미지 장치는 엘이디 광원을 발생시키는 엘이디 시스템(110)과, 상기 엘이디 광원을 혈관 내 혈액의 흡수 파장 범위로 변환시키는 컬러 필터(Color Filter)를 구비한 제1 광학계(120)와, 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 조사한 혈관 조직을 모니터링 하는 모니터링 장치(130), 편광 빔 분리기(140), 제1 및 제2 편광렌즈(151, 152), 제1 다이크로익 미러(160) 및 검안렌즈(170)를 포함하여 구성된다.
Referring to FIG. 1, a blood vessel imaging apparatus of the present invention includes a LED system 110 for generating an LED light source and a color filter for converting the LED light source into an absorption wavelength range of blood in a blood vessel. Monitoring device 130, polarizing beam splitter 140, the first and second polarizing lenses for monitoring the vascular tissue irradiated by the optical system 120 and the LED light source is converted wavelength range through the first optical system 120 151, 152, a first dichroic mirror 160, and an optometry lens 170.

상기 엘이디 시스템(110)은 빠른 스위칭 타임을 갖는 백색광 엘이디(CREE XR-E Q5, 180lm)로 구성된다. 또한 상기 엘이디 시스템(110)은 실시간의 연속적인 안저 이미지를 획득하기 위해 조사광으로 적용한다.The LED system 110 is composed of a white light LED (CREE XR-E Q5, 180lm) having a fast switching time. In addition, the LED system 110 is applied to the irradiation light to obtain a continuous fundus image in real time.

제1 광학계(120)는 상기 엘이디 시스템(110)으로부터 발생되는 엘이디 광원의 파장 분포를 제어하기 위한 구성으로 엘이디 광원을 공급받아 안구 조직에 조사하는 역할을 수행한다.The first optical system 120 is configured to control the wavelength distribution of the LED light source generated from the LED system 110 and serves to irradiate the eye tissue with the LED light source.

상기 제1 광학계(120)는 볼록렌즈(121), 아이리스(122), Y필터(123), 평철렌즈(124), 시안필터(125), 제1 미러(126)를 포함하여 이루어진다.The first optical system 120 includes a convex lens 121, an iris 122, a Y filter 123, a flat iron lens 124, a cyan filter 125, and a first mirror 126.

상기 볼록렌즈(121)는 집광성이 있는 중심이 볼록한 렌즈가 적용될 수 있다. 상기 볼록렌즈(121)를 통해 엘이디 광원을 초점에 모이도록 한다. 상기 볼록렌즈(121)는 복수 개가 구비된다. 초점 상에는 상기 아이리스(122)가 위치한다. 상기 아이리스(122)를 통해 엘이디 광원의 빛의 양을 조절하게 된다. 상기 아이리스(122)는 통상의 조리개 구성이 적용될 수 있다. 상기 아이리스(122)의 후단에는 옐로우 필터(123)가 위치한다. 상기 옐로우 필터(123)는 통상의 옐로우 필터(Yellow filter)가 적용되며, 녹감성(綠感性)유제와 적감성(赤感性)유제의 청감성(淸感性)을 제거하기 위해 사용한다. 즉 백색 엘이디 광원의 청색광을 제거하게 된다. 상기 옐로우 필터(123)의 후단에는 평철렌즈(124)가 위치한다. 상기 평철렌즈(124)는 일면이 평평하고 타면이 볼록한 렌즈를 말하며 본 발명에서는 3개의 평철렌즈(124a, 124b, 124c)의 조합으로 이루어지며, 아이리스(122)의 후단으로 조사되는 엘이디 광원을 집광하게 된다. 상기 옐로우 필터(123)의 후단으로부터 순차적으로 제1, 제2 및 제3 평철렌즈가 배치된다. 제1 평철렌즈(124a)는 150mm의 초점길이를 갖으며, 제2 평철렌즈(124b)는 300mm의 초점길이를 갖고, 제3 평철렌즈(124c)는 200mm의 초점길이를 갖는다. 상기 평철렌즈(124)의 후단에는 시안 필터(125)가 위치한다. 상기 시안 필터(125)는 통상의 시안 필터(cyan filter)가 적용되며, 녹감성 유제의 적감성을 제거하기 위해 사용한다. 즉 엘이디 광원의 적색광을 제거하게 된다. 상기와 같은 구성에 의해 파장 분포가 제어된 엘이디 광원은 녹색광에 가까운 파장 분포를 보이게 되고, 미러(126)를 통해 편광 빔 분리기(140)에 조사된다.The convex lens 121 may be a lens having a convex centered convex lens. Through the convex lens 121 to focus the LED light source. The convex lens 121 is provided in plurality. The iris 122 is positioned on the focal point. The iris 122 controls the amount of light of the LED light source. The iris 122 may be applied to a conventional aperture configuration. The yellow filter 123 is positioned at the rear end of the iris 122. The yellow filter 123 is a normal yellow filter is applied, it is used to remove the sensitization of the rust oil and red oil emulsion. That is, the blue light of the white LED light source is removed. The flat iron lens 124 is positioned at the rear end of the yellow filter 123. The flat lens 124 refers to a lens having one flat surface and a convex other surface. In the present invention, the flat iron lens 124 is a combination of three flat iron lenses 124a, 124b, and 124c, and condenses the LED light source irradiated to the rear end of the iris 122. Done. First, second and third flat iron lenses are sequentially disposed from the rear end of the yellow filter 123. The first flat iron lens 124a has a focal length of 150 mm, the second flat iron lens 124b has a focal length of 300 mm, and the third flat iron lens 124c has a focal length of 200 mm. The cyan filter 125 is positioned at the rear end of the flat iron lens 124. The cyan filter 125 is a conventional cyan filter is applied, it is used to remove the redness of the rust emulsion. That is, the red light of the LED light source is removed. The LED light source whose wavelength distribution is controlled by the configuration as described above shows a wavelength distribution close to green light, and is irradiated to the polarization beam splitter 140 through the mirror 126.

상기 제1 광학계(120)를 통해 제어된 엘이디 광원의 파장 범위는 도 2에 도시된 바와 같이 약 500nm~700nm이다.
The wavelength range of the LED light source controlled through the first optical system 120 is about 500 nm to 700 nm, as shown in FIG. 2.

또한, 엘이디 광원의 측정된 파워는 국제 레이저 안정 기준에 부합하며, 도 2에 도시된 바와 같이 혈관 조직 내 혈액의 파장은 헤모글로빈 흡수와 상응하는 두 개의 다른 최대값 흡수 밴드가 542nm와 576nm에 있음을 알 수 있다.In addition, the measured power of the LED light source meets international laser stabilization criteria, and as shown in FIG. 2, the wavelength of blood in the vascular tissue shows that there are two other maximum absorption bands corresponding to hemoglobin absorption at 542 nm and 576 nm. Able to know.

따라서 본 발명의 상기 제1 광학계(120)의 후단에 편광 빔 분리기(140)를 구성한다. 상기 편광 빔 분리기(140)는 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 540~550nm 및 570~580nm의 파장 범위로 분리하여 혈관 조직에 조사하는 역할을 수행한다.
Therefore, the polarizing beam splitter 140 is configured at the rear end of the first optical system 120 of the present invention. The polarizing beam splitter 140 serves to irradiate the vascular tissue by separating the LED light source whose wavelength range is converted into the wavelength range of 540 ~ 550nm and 570 ~ 580nm through the first optical system 120.

상기 모니터링 장치(130)는 CCD(131)와 제어부(132)로 구분된다. 상기 CCD(130)는 통상의 광전변환소자(Charged couple device)의 구성이 적용될 수 있으며, 제어부(132)는 PC(personal computer)와 모니터의 구성이 적용될 수 있다.
The monitoring device 130 is divided into a CCD 131 and a control unit 132. The CCD 130 may be configured with a conventional charged couple device, and the controller 132 may be configured with a personal computer (PC) and a monitor.

이때, 본 발명의 혈관 이미지 장치는 안구 조직 중 각막과 수정체 그리고 안구액과 망막으로부터 직접 반사(direct reflection)한 빛이 광검출기로 사용된 CCD에 도달되지 않도록 다음과 같은 구성을 갖게 된다.In this case, the vascular imaging apparatus of the present invention has the following configuration so that light reflected directly from the cornea and lens of the eye tissue and eye fluid and the retina does not reach the CCD used as the photodetector.

상기 제1 광학계(120) 상에는 제1 편광렌즈(151)가 구비되고, 상기 모니터링 장치(130)와 상기 편광 빔 분리기(140) 사이에는 제2 편광렌즈(152)가 구비된다. 따라서 상기 제1 편광렌즈(151)와 제2 편광렌즈(152)를 통해 직접 반사(direct reflection)한 빛이 CCD(131)에 도달되지 않는 것이다.
A first polarization lens 151 is provided on the first optical system 120, and a second polarization lens 152 is provided between the monitoring device 130 and the polarization beam splitter 140. Therefore, light that is directly reflected through the first polarization lens 151 and the second polarization lens 152 does not reach the CCD 131.

또한, 본 발명의 혈관 이미지 장치는 제1 다이크로익 미러(dichroic mirror filter, 160)를 포함한다. 상기 제1 다이크로익 미러(160)는 정식으로는 다이크로익 필터 미러를 지칭한다. 상기 제1 다이크로익 미러(160)는 색보정용 필터로서 여타 다른 용도의 필터와는 달리 필터자신이 투과하는 파장의 보색 에 반사하는 특성을 지닌다.The blood vessel imaging apparatus of the present invention also includes a first dichroic mirror filter 160. The first dichroic mirror 160 formally refers to a dichroic filter mirror. The first dichroic mirror 160, as a filter for color correction, has a characteristic of reflecting on the complementary color of a wavelength transmitted by the filter itself unlike other filters.

상기 제1 다이크로익 미러(160)는 컬러용 확대기에서 컬러프린트의 색감조절을 위해 설치되어 있는 Y(yellow), M(magenta), C(cyan)의 색보정용 필터라 할 수 있다. 옐로우 필터의 경우 필터자체는 청색을 띤 거울처럼 보인다. 상기 제1 다이크로익 미러(160)를 사용할 엘이디 광원을 균일하게 하기 위하여 믹싱박스를 병용하기도 한다. The first dichroic mirror 160 may be referred to as a Y (yellow), M (magenta), C (cyan) color correction filter installed in the color expander to adjust the color of the color print. In the case of a yellow filter, the filter itself looks like a blueish mirror. The mixing box may be used in combination to uniformize the LED light source to use the first dichroic mirror 160.

요컨대 다이크로익 필터란 가시광선 중 일정범위의 파장광을 반사시키고 남은 것을 투과시키는 필터 역할을 하는 거울이라 할 수 있다. 상기 제1 다이크로익 미러(160)는 후술되는 혈관 수술 장치의 레이저 빔을 반사시키기 위한 구성으로 이하 후술하기로 한다.
In other words, the dichroic filter may be a mirror that serves as a filter that reflects a range of wavelengths of visible light and transmits the remaining light. The first dichroic mirror 160 has a configuration for reflecting a laser beam of a vascular surgery apparatus, which will be described later.

이하, 상기와 같은 본 발명의 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치를 포함하는 레이저 혈관 수술 장치의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a laser vascular surgery apparatus including a blood vessel imaging apparatus using the LED light source of the present invention as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3을 참조하면 본 발명의 혈관 수술 장치는 엘이디 광원을 발생시키는 엘이디 시스템(110)과, 상기 엘이디 광원을 혈관 내 혈액의 흡수 파장 범위로 변환시키는 컬러 필터(Color Filter)를 구비한 제1 광학계(120)와, 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 조사한 혈관 조직을 모니터링 하는 모니터링 장치(130)와, 레이저 빔을 발생하는 레이저 광원(210)과, 가이드 빔을 발생하는 가이드 광원(220)과, 치료 대상인 안구의 위치를 고정하는 고정부(230)와, 상기 모니터링 장치(130)와 고정부(230) 사이에 구비되는 제1 다이크로익 미러(160)와, 상기 레이저 광원 및 가이드 광원에서 발생하는 레이저 빔 및 가이드 빔을 상기 제1 다이크로익 미러(160)를 통해 고정된 안구에 조사하는 제2 광학계(240)와, 상기 제2 광학계(240) 상에 설치되며 상기 레이저 빔 및 가이딩 빔의 방향을 제어하는 갈바노 스캐너(250)로 구성된다.
Referring to FIG. 3, the vascular surgery apparatus of the present invention includes an LED system 110 for generating an LED light source and a first optical system including a color filter for converting the LED light source into an absorption wavelength range of blood in blood vessels. And a monitoring device 130 for monitoring blood vessel tissue irradiated with an LED light source whose wavelength range is converted through the first optical system 120, a laser light source 210 for generating a laser beam, and a guide beam. A guide light source 220 to be generated, a fixing part 230 for fixing a position of an eye to be treated, a first dichroic mirror 160 provided between the monitoring device 130 and the fixing part 230 and And a second optical system 240 for irradiating a laser beam and a guide beam generated by the laser light source and the guide light source to the fixed eye through the first dichroic mirror 160, and on the second optical system 240. Is installed on the laser And it consists of a galvanometer scanner (250) for controlling the direction of the guiding beam.

상기 레이저 광원(210)은 초고속 레이저 빔을 발생한다. 상기 레이저 빔은 Ti-sapphire(

Figure pat00001
)레이저로 구성되며, 펄스폭은 150fs이고, 1kHz의 반복률을 갖는다. 상기 레이저 빔은 제2 미러(241), 제2 다이크로익 미러(244), 제3 미러(245)를 통해 제2 빔 파장기(246)에 전달되고, 최종적으로 갈바노 스캐너(250)에 전달된다.The laser light source 210 generates an ultrafast laser beam. The laser beam is Ti-sapphire (
Figure pat00001
It consists of a laser, pulse width is 150fs, and has a repetition rate of 1kHz. The laser beam is transmitted to the second beam wavelength 246 through the second mirror 241, the second dichroic mirror 244, and the third mirror 245, and finally to the galvano scanner 250. do.

상기 가이드 광원(220)은 가이드 레이저 빔을 발생한다. 상기 가이드 레이저 빔은 Melles Griot Gas laser(

Figure pat00002
)레이저로 구성된다. 상기 가이드 레이저 빔은 제 4 미러(242), 제5 미러(243), 제2 다이크로익 미러(244) 및 제3 미러(245)를 통해 제2 빔 파장기(246)에 전달되고, 최종적으로 갈바노 스캐너(250)에 전달된다.The guide light source 220 generates a guide laser beam. The guide laser beam is Melles Griot Gas laser (
Figure pat00002
It consists of a laser. The guide laser beam is transmitted to the second beam wavelength 246 through the fourth mirror 242, the fifth mirror 243, the second dichroic mirror 244, and the third mirror 245, and finally The galvano scanner 250 is delivered.

따라서 상기 레이저 빔과 가이드 레이저 빔 및 안저 이미지용 엘이디 광원은 상기 제1 다이크로익 미러(160)를 통해 검안기(170)에 조합된다. 이때, 상기 레이저 빔과 가이드 레이저 빔은 안구의 제한된 부위에 레이저 조사를 가하기 위해 빔의 방향을 제어할 수 있는 갈바노 스캐너(250)를 통과하게 된다. 상기 검안기(170)는 36.0mm의 초점거리를 갖는다. 이때 상기 레이저 빔의 직경은 망막 표면에 도달 시에 약 2.2um이다. 여기서 실험 대상인 안구는 0.005M 소크루즈 용액(pH 7.4)이 채워진 챔버에 담긴 돼지 안구가 사용되며, 안구의 각막은 돼지 안구 렌즈 스스로의 광로 변화를 최소화하기 위하여 VFLATACS렌즈(232)로 고정시킨다. 따라서 상기 고정부(230)는 안구홀더(231)와 VFLATACS렌즈(232)로 구성된다.
Accordingly, the laser beam, the guide laser beam, and the LED light source for the fundus image are combined with the optometry 170 through the first dichroic mirror 160. At this time, the laser beam and the guide laser beam passes through the galvano scanner 250 that can control the direction of the beam to apply the laser irradiation to the limited area of the eye. The optometry 170 has a focal length of 36.0 mm. At this time, the diameter of the laser beam is about 2.2um when reaching the retina surface. The eye to be tested is a pig eye in a chamber filled with 0.005M socruise solution (pH 7.4), and the cornea of the eye is fixed with a VFLATACS lens 232 to minimize the optical path change of the pig eye lens itself. Accordingly, the fixing part 230 is composed of an eyeball holder 231 and a VFLATACS lens 232.

-실험 예1Experimental Example 1

도 4에서 보여주는 바와 같이, 본 발명에서 고안된 이미징 방법을 적용하기 위하여 먼저 온전한 돼지 안구 내 망막의 이미지를 640 x 480의 해상도를 갖은 color CCD를 이용하여 초점을 이미지 평면을 중심으로 상하로 각각 -140 m to + 140 m 변화하면서 취득하였다. 앞서 밝힌 바와 같이 조명용 백색광 LED의 파장 분포를 혈액의 흡수 파장에 최대가 되도록 제어하였음으로 망막 상 타 조직이 green 색으로 보이는 반면에 혈관이 있는 부분은 세기가 약하기는 하나 여분의 red 쪽 파장의 난반사에 의하여 색이 red로 보인다. 이것은 더 나은 기저 이미지를 얻기 위해 그리고 혈관에 초고속 레이저 조사하는 동안 실시간으로 모니터링 하기 위한 이미지 시스템을 얻기 위해서 선택하였다.As shown in FIG. 4, in order to apply the imaging method of the present invention, an image of an intact porcine eye retina is first focused by using a color CCD having a resolution of 640 x 480 up and down about the image plane. Acquisition was made with a change of m to +140 m. As mentioned above, the wavelength distribution of the white light LED for illumination is controlled to be the maximum at the absorption wavelength of blood, so that the other tissues on the retina appear green, while the blood vessel part is weak, but the extra red wavelength diffuse reflection It looks red in color. This was chosen to obtain an image system for better basal image and real time monitoring during ultrafast laser irradiation of blood vessels.

도 5는 도 4의 취득된 이미지를 상기한 "Prewitt" operator에 기초한 알고리즘을 이용하여 변환(transform)된 이미지를 보여주고 있다. 특히 주목하여야 하는 사항은 예측한 바와 같이 혈관과 타 망막조직과의 경계면 및 경계선이 매우 뚜렷하게 구별되어 있음을 알 수 있다.FIG. 5 shows an image of the acquired image of FIG. 4 transformed using an algorithm based on the "Prewitt" operator described above. In particular, it should be noted that, as predicted, the interface and boundary between blood vessels and other retinal tissues are very clearly distinguished.

도 6은 처리하는 영역을 취득된 이미지의 중심점을 기준으로 25x25 pixels 크기부터 전체 이미지 크기까지 다양한 사이즈의 처리영역을 선택하여 각각의 contrast value를 초점 깊이에 대하여 변화를 보여주고 있다.FIG. 6 shows a change in contrast depth for each contrast value by selecting a processing area having various sizes ranging from 25x25 pixels to the overall image size based on the center point of the acquired image.

도 7은 분석대상 이미지 사이즈를 고정하고 (50x50픽셀) 분석 대상 지역을 이미지의 중심에서 가장자리까지 선택 부분을 변화하며 얻어진 contrast value 를 얻은 결과를 보여주고 있다. 이로부터 본 발명에서 고안한 방법이 얻어진 안저 망막이미지의 중심영역에서 분석 이미지 사이즈가 작은 경우, 이미징 초점 변화에 매우 민감하다는 것을 알 수 있었으며 이를 토대로 안저 망막의 최적화된 이미징이 파장 분포가 제어된 백색 LED광원을 이용하여 가능함을 보여주었다.
FIG. 7 shows a result obtained by fixing the image size to be analyzed (50x50 pixels) and changing the selection area from the center to the edge of the image to be analyzed. From this, it can be seen that when the analysis image size is small in the central region of the fundus retinal image obtained, the method of the present invention is very sensitive to the change of imaging focus. LED light source has shown that it is possible.

-실험 예2Experimental Example 2

도 8은 안구 구성물로부터의 직접적인 반사를 최소화하기 위하여 삽입한 편광 조절 소자간의 편광각에 대한 이미지 취득 결과를 보여준다. 즉 조명용 LED의 빛을 편광화 하도록 삽입한 편광판과 CCD 검출기 앞에 위치한 분석용 편광판의 편광 각도를 변화하면서 망막 이미지의 품질을 분석한 결과를 도시하였다. 이러한 직교하는 편광판을 이용한 광학적인 설계는 다양한 안구 내 조직에서 발생하는 직접반사 광이 검출기인 CCD에 도달하지 못하도록 하는 방법으로 이미 채택 발표되었다. 이러한 방법의 이론적인 근거는 안저 사진을 취득하는 하나의 방법으로 반세기전에 알려진 double-pass technique 에서 더욱 좋은 품질의 이미지를 취득하는 방법으로 매우 효과적이라고 보고된바 있다. 한편 이제까지는 이상의 double-pass technique이 주로 근적외선 영역에서 이미지를 획득하는 방법으로 적용되었다. 본 발명에서는 처음으로 백색광 LED를 이용하여 가시광선영역에서 이상의 방법을 고안하였다. 이미지 초점에 해당하는 이미징 평면 하에서 두 편광판의 편광각이 직교되는 90도를 중심으로 0도에서 180도 까지 5도 간격으로 다양한 편광각도에서 이미지를 취득하고 (도 8), 이를 상기 "Prewitt operator" 를 이용하여 변환된 이미지를 도 9에 도시하였다.8 shows image acquisition results for polarization angles between inserted polarization control elements in order to minimize direct reflection from the eyeball construct. That is, the results of analyzing the quality of the retinal image while changing the polarization angle of the polarizing plate inserted to polarize the light of the illumination LED and the analytical polarizing plate located in front of the CCD detector. Optical designs using these orthogonal polarizers have already been adopted as a way to prevent direct reflective light from various intraocular tissues from reaching the detector CCD. The theoretical basis of this method has been reported to be a very effective method of acquiring better quality images in the double-pass technique, which was known half a century ago as a method of acquiring fundus photography. In the meantime, the above double-pass technique has been mainly applied as a method of acquiring images in the near infrared region. In the present invention, the above method was devised for the first time in the visible light region using a white light LED. Acquire images at various polarization angles at intervals of 0 degrees to 180 degrees and 5 degrees centering on the 90 degrees at which the polarization angles of the two polarizers are orthogonal under the imaging plane corresponding to the image focus (FIG. 8), and the "Prewitt operator" The converted image is shown in FIG. 9.

도 10은 처리하는 영역을 취득된 이미지의 중심점을 기준으로 25x25 pixels 크기부터 전체 이미지 크기까지 다양한 사이즈의 처리영역을 선택하여 각각의 contrast value를 편광각도에 대하여 변화를 보여주고 있다.FIG. 10 illustrates a variation in polarization angle of each contrast value by selecting a processing area having various sizes ranging from a size of 25x25 pixels to an overall image size based on the center point of the acquired image.

도 11은 분석대상 이미지 사이즈를 고정하고 (50x50픽셀) 분석 대상 지역을 이미지의 중심에서 가장자리까지 선택 부분을 변화하며 얻어진 contrast value를 얻은 결과를 보여주고 있다. 이로부터 본 발명에서 제안한 방법이 얻어진 안저 망막이미지의 중심영역에서 분석 이미지 사이즈가 작은 경우, 두 다른 편광판의 편광각도에 대하여 contrast values가 매우 민감하게 변한다는 것을 알 수 있었으며 이를 토대로 안저 망막의 최적화된 이미징이 파장 분포가 제어된 백색 LED광원을 이용하여 가능함을 보여주었다FIG. 11 shows a result obtained by fixing the image size to be analyzed (50x50 pixels) and changing the selection area from the center to the edge of the image to be analyzed. From this, it can be seen that when the analysis image size is small in the central region of the fundus retinal image obtained by the present invention, the contrast values are very sensitive to the polarization angles of the two different polarizers. Imaging has been shown to be possible using white LED light sources with controlled wavelength distribution

상기 방법으로 최적화된 광학계 구성 조건에서 약 25 frames/sec (fps) 이상의 취득 속도를 갖고 얻어진 망막이미지를 기반으로 275 X 250 mm 사이즈가 되는 망막 상 특정 지역을 매우 빠르게 (scanning time = 475 ms) 레이저를 조사할 수 있었다. 이때 레이저 스캐닝 줄 수는 96이며 연속적으로 스캐닝 한 선 사이의 간격은 2.6 m이다. 이러한 스캔 조건은 사용된 레이저의 펄스열 속도인 1 kHz 이며 레이저 빔 사이즈가 초점면에서 2.2 mm인 점을 고려하면 초고속레이저 펄스간의 중복이 없음을 의미한다. 특히 동적인 이미지 취득을 통하여 pattern 인식 과정과 레이저 delivery를 위하여 사용된 Galvano scanner를 연동함으로써 안구가 움직임을 있다고 하드라도 레이저를 효과적으로 최초에 setting 된 영역을 동적으로 매우 효과적으로 추적(tracking)이 가능하다.
Very fast (scanning time = 475 ms) laser scans a specific area on the retina of 275 x 250 mm size based on the retinal image obtained with an acquisition speed of about 25 frames / sec (fps) or more under the optimized optical system configuration. Could investigate. In this case, the number of laser scanning lines is 96, and the interval between consecutive scanning lines is 2.6 m. This scan condition means that there is no overlap between the ultrafast laser pulses, considering that the pulse train speed of the laser used is 1 kHz and the laser beam size is 2.2 mm in the focal plane. In particular, the dynamic image acquisition enables the pattern recognition process and the Galvano scanner used for laser delivery to track the area where the eye is initially set, even though it is hard to move.

-실험 예3Experimental Example 3

도 12 내지 도 14는 안구 내 망막 상 초미세수술을 위한 초고속레이저 펄스 조사 전과 조사 후의 fundus image(도 12 조사 전, 도 13 조사 후) 및 시각화한 디지털 이미지(Cannon, Powershot A640) 보여준다(도 14). 망막 상 일차혈관이 (primary blood vessels) 포함된 망막 표면에 초고속 레이저 조사에 의하여, 혈관벽의 파괴로 인한 혈액의 계속적인 분출이 관찰되는 점은 50.6 J/cm2 이상의 레이저 플루언스에서 보여진다. 하지만, 낮은 플루언스에서는(25.3 J/cm2), 혈액의 분출이 관찰되지 않았다
Figures 12 to 14 show fundus images before and after ultrafast laser pulse irradiation (before irradiation of Figure 12 and after irradiation of Figure 13) and visualized digital images (Cannon, Powershot A640) for intraocular retinal ultrafine surgery (Figure 14). ). It is seen in laser fluence of 50.6 J / cm2 or more that ultra-fast laser irradiation on the retinal surface containing primary blood vessels on the retina results in continuous ejection of blood due to destruction of the vessel wall. However, at low fluence (25.3 J / cm2), no blood ejection was observed.

-실험 예4Experimental Example 4

도 15는 도 12 내지 도 14에서 보여주는 바와 같은 초고속레이저를 이용한 망막 상 미세수술 후에 얻어진 망막 표면 및 망막의 세포층 아래조직을 3차원으로 단층 촬영한 결과를 보여준다. 이때 사용된 단층촬영 기술은 optical coherence tomography (OCT)로써 망막 단면을 50 mm간격으로 연속적 이미지를 얻었다. OCT이미지를 취득함에 있어서 refractive index는 1.4로 고정하였으며 4 mm의 z-축방향 해상력을 가진다. 한편 이때 사용된 refractive index는 안구 유리 체의 구성 성분에 따라 (구성물 중 96.4%가 물임) 물의 값과 일치하도록 하였다. 레이저 플루언스가 2.5 J/cm2 보다 낮은 값에서는 혈관 혹은 망막 표면 모두 손상이 없는 것으로 나타났다. OCT이미지를 통해 혈관의 내피세포벽의 어떠한 손상이 없이 레이저 스캔에 의한 혈관의 손상만이 가능한 풀루언스는 5.1 J/cm2 임을 확인하였다. 혈관벽을 덮고 있는 ILM의 가시적인 손상과 함께 실제적인 혈관 천공은 25.3 J/cm2에서 일어나는 것을 확인하였다. 50.6 J/cm2 보다 높은 레이저 플루언스는, 혈관벽에서의 완벽한 천공에 의한 혈관으로부터 출혈의 흔적을 유도할 수 있었다. 더 증가된 레이저 플루언스 (101.2 J/cm2)에서는, 혈관에서의 상당한 양의 출혈 빈도가 증가함을 알 수 있다. FIG. 15 shows a three-dimensional tomography of the surface of the retina and the tissues below the cell layer obtained after microretinal surgery using the ultrafast laser as shown in FIGS. 12 to 14. The tomography technique used was optical coherence tomography (OCT) to obtain continuous images of 50 mm intervals of the retinal cross section. In the OCT image acquisition, the refractive index is fixed at 1.4 and has a z-axis resolution of 4 mm. Meanwhile, the refractive index used was consistent with the water value according to the composition of the ocular vitreous body (96.4% of the composition is water). At laser fluence values lower than 2.5 J / cm2, both blood vessel and retinal surfaces were intact. The OCT image confirmed that the FLUUNUS, which can only damage blood vessels by laser scanning without any damage to the endothelial cell walls of blood vessels, was 5.1 J / cm2. The actual vascular perforation occurred at 25.3 J / cm2 with visible damage to the ILM covering the vessel wall. Laser fluence higher than 50.6 J / cm 2 was able to induce traces of bleeding from blood vessels by perfect perforation in the vessel wall. At increased laser fluence (101.2 J / cm 2), it can be seen that a significant amount of bleeding frequency in the blood vessels increases.

가장 주요한 관찰 결과는 레이저 플루언스를 202.4 J/ cm2까지 증가한 상태에서도 망막 상부 구조인 ILM 및 혈관벽 이외의, 어떠한 망막층 하부를 지지하는 layered structure 에 가시적인 손상도 유발하지 않는 다는 것이다. 이 결과는 이전의 유사한 실험적인 보고와 완전히 다른 결과를 보여주고 있다. Rockwell et al 에 의한 최근 보고에서는 망막 세포 층 안에서의 레이저의 self-focusing이라는 비선형 광학 형상을 통하여 망막 세포층의 상당한 손상을 초래할 수 있도록 초고속 레이저 빔의 세기가 투과가 유도할 수 있다고 보고 된 바 있다. 한편 본 발명에 의한 고안에서는 혈관 크기보다 넓은 스캔 지역 (275 X 250 um)을 정확한 초점 형성과 단일 펄스만을 망막에 조사하였고 이는 헤모글로빈을 포함한 혈관벽의 낮은 임계치 때문에 발생하는 특정한 레이저 수술이외의 망막 주변 조직으로부터의 부수적인 손상이 유발되지 않는 것으로 판단된다.
The most important observation is that even with increased laser fluence of up to 202.4 J / cm2, no visible damage to the layered structure supporting any lower retinal layer other than the superretinal ILM and vessel wall is observed. This result is quite different from previous similar experimental reports. Recent reports by Rockwell et al have reported that the intensity of ultrafast laser beams can lead to transmission through a nonlinear optical shape called laser self-focusing within the retinal cell layer, resulting in significant damage of the retinal cell layer. In the design of the present invention, the scan area (275 X 250 um) wider than the size of blood vessels was irradiated with accurate focal formation and a single pulse to the retina, which is a tissue around the retina other than the specific laser surgery caused by the low threshold of the blood vessel wall including hemoglobin. It is believed that no incidental damage from

-실험 예5Experimental Example 5

도 16은 도 15에서 보여주는 초고속 레이저의 단일 펄스 스캔에 의한 온전한 돼지 안구 내 조직의 OCT 실험적인 결과를 일차 혈관의 변화 형태를 "변화 없음"과 "ILM만의 제거" 그리고 "혈관벽 천공"의 3가지 손상 타입으로 구별하여 각각의 형태의 손상을 상호관계 통계적 처리를 한 결과를 보여 주고 있다. 혈관 위의 ILM의 제거는 약 5.1 J/cm2 의 플루언스에서 처음 관찰되고, 그 증가 정도는 25.3 ~ 50.6 J/cm2 로 플루언스의 증가에 따라 더욱 선명하게 보이고, 151.8 J/cm2 보다 높은 플루언스에서는 포화상태를 보인다. 한편, 혈관 천공은12.7 J/cm2 보다 높은 플루언스의 레이저 조사에 의해 보여진다. 두 가지 다른 손상을 위한 임계 플루언스의 결정을 위해서, 낮은 플루언스에서 % 확률로 추정하였다. 혈관 위의 ILM 손상 임계 플루언스와 혈관벽 천공은 각각 2.0 J/cm2 와 5.3 J/cm2 로 정해졌다. 이 값은 이전에 보고된 생체밖 상태에서 돼지 안구 내 ILM 손상 임계값인 2.2 J/cm2 및 혈관 천공에 해당하는 5.9 J/cm2 과 매우 잘 일치함을 알 수 있다.
FIG. 16 shows OCT experimental results of intact porcine intraocular tissues by a single pulse scan of the ultrafast laser shown in FIG. 15. Three types of primary blood vessel change are "no change", "ILM only removal" and "vascular wall perforation." It shows the result of correlation statistical processing of each type of damages by classifying them as damage types. The removal of ILM on blood vessels is first observed at fluences of about 5.1 J / cm2, with an increase of 25.3 to 50.6 J / cm2 that appears more pronounced as the fluence increases and higher than 151.8 J / cm2 Is saturated. Vascular perforation, on the other hand, is shown by laser irradiation with a fluence higher than 12.7 J / cm 2. For determination of critical fluences for two different injuries, we estimate the percentage probability at low fluences. ILM damage critical fluence and vessel wall perforation on vessels were set at 2.0 J / cm2 and 5.3 J / cm2, respectively. It can be seen that this value is very consistent with the previously reported ex vivo state of ILM damage threshold of 2.2 J / cm2 in pig eye and 5.9 J / cm2 corresponding to vascular perforation.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
The technical spirit should not be interpreted as being limited to the above embodiments of the present invention. Various modifications may be made at the level of those skilled in the art without departing from the spirit of the invention as claimed in the claims. Therefore, such improvements and modifications fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.

100 : 혈관 이미지 장치
110 : 엘이디 시스템 120 : 제1 광학계
130 : 모니터링 장치 140 : 편광 빔 분리기
151 : 제1 편광렌즈 152 : 제2 편광렌즈
160 : 제1 다이크로익 필터 170 : 검안렌즈
200 : 혈관 수술 장치
210 : 레이저 광원 220 : 가이드 광원
230 : 고정부 240 : 제2 광학계
250 : 갈바노 스캐너
100: blood vessel imaging device
110: LED system 120: the first optical system
130: monitoring device 140: polarized beam splitter
151: first polarized lens 152: second polarized lens
160: first dichroic filter 170: optometry lens
200: blood vessel surgery apparatus
210: laser light source 220: guide light source
230: fixing part 240: second optical system
250: galvano scanner

Claims (10)

엘이디 광원을 발생시키는 엘이디 시스템(110);
상기 엘이디 광원을 혈관 내 혈액의 흡수 파장 범위로 변환시키는 컬러 필터(Color Filter)를 구비한 제1 광학계(120); 및
상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 조사한 혈관 조직을 모니터링 하는 모니터링 장치(130);
를 포함하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
LED system 110 for generating an LED light source;
A first optical system 120 having a color filter converting the LED light source into an absorption wavelength range of blood in a blood vessel; And
A monitoring device (130) for monitoring blood vessel tissue irradiated with an LED light source whose wavelength range is converted through the first optical system (120);
Blood vessel imaging device using an LED light source comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 컬러 필터는,
옐로우필터(Yellow Filter, 123)와, 상기 옐로우필터(123)의 후단에 형성되는 시안필터(Cyan Filter, 125)로 구성되는 것을 특징으로 하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
The method of claim 1,
The color filter,
And a yellow filter (123) and a cyan filter (125) formed at a rear end of the yellow filter (123).
제 1항에 있어서,
상기 엘이디 광원은 백색 조사광이 적용되고, 상기 제1 광학계(120)상의 컬러 필터를 통해 변환된 엘이디 광원의 파장 범위는 500nm~700nm 인 것을 특징으로 하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
The method of claim 1,
White light is applied to the LED light source, and the wavelength range of the LED light source converted through the color filter on the first optical system 120 is 500nm to vascular imaging device using an LED light source, characterized in that.
제 3항에 있어서,
상기 혈관 이미지 장치는,
상기 제1 광학계(120)와 혈관 조직 사이에 구비되며, 상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 540~550nm 및 570~580nm의 파장 범위로 분리하여 혈관 조직에 조사하는 편광 빔 분리기(140)를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
The method of claim 3, wherein
The blood vessel imaging device,
It is provided between the first optical system 120 and the blood vessel tissue, and the LED light source is converted to a wavelength range of 540 ~ 550nm and 570 ~ 580nm through the first optical system 120 to irradiate the blood vessel tissue Blood vessel imaging apparatus using an LED light source, characterized in that it comprises a polarizing beam splitter (140).
제 2항에 있어서,
상기 제1 광학계(120)상의 시안필터(125) 후단에는 제1 편광렌즈(151)가 구비되고, 상기 모니터링 장치(130)와 혈관 조직 사이에는 제2 편광렌즈(152)가 구비되는 것을 특징으로 하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
The method of claim 2,
A first polarized lens 151 is provided at the rear end of the cyan filter 125 on the first optical system 120, and a second polarized lens 152 is provided between the monitoring device 130 and the blood vessel tissue. A blood vessel imaging device using an LED light source.
제 5항에 있어서,
상기 제1 광학계(120)는,
상기 옐로우필터(123)의 전단에 구비되는 복수의 볼록렌즈(121) 및 상기 옐로우필터(123)와 시안필터(125) 사이에 구비되는 복수의 평철렌즈(124)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
6. The method of claim 5,
The first optical system 120,
Further comprising a plurality of convex lenses 121 provided in front of the yellow filter 123 and a plurality of flat iron lens 124 provided between the yellow filter 123 and the cyan filter 125 Blood vessel imaging device using an LED light source.
제 1항에 있어서,
상기 혈관 이미지 장치는,
안구의 혈관 조직에 적용되는 것을 특징으로 하는 엘이디 광원을 이용한 혈관 이미지 장치.
The method of claim 1,
The blood vessel imaging device,
A blood vessel imaging device using an LED light source, characterized in that applied to the vascular tissue of the eye.
엘이디 광원을 발생시키는 엘이디 시스템(110);
상기 엘이디 광원을 혈관 내 혈액의 흡수 파장 범위로 변환시키는 컬러 필터(Color Filter)를 구비한 제1 광학계(120);
상기 제1 광학계(120)를 통해 파장 범위가 변환된 엘이디 광원을 조사한 혈관 조직을 모니터링 하는 모니터링 장치(130);
레이저 빔을 발생하는 레이저 광원(210);
가이드 빔을 발생하는 가이드 광원(220);
치료 대상인 안구의 위치를 고정하는 고정부(230);
상기 모니터링 장치(130)와 고정부(230) 사이에 구비되는 제1 다이크로익 미러(160);
상기 레이저 광원 및 가이드 광원에서 발생하는 레이저 빔 및 가이드 빔을 상기 제1 다이크로익 미러(160)를 통해 고정된 안구에 조사하는 제2 광학계(240); 및
상기 제2 광학계(240) 상에 설치되며 상기 레이저 빔 및 가이딩 빔의 방향을 제어하는 갈바노 스캐너(250);
를 포함하는 레이저 혈관 수술 장치.
LED system 110 for generating an LED light source;
A first optical system 120 having a color filter converting the LED light source into an absorption wavelength range of blood in a blood vessel;
A monitoring device (130) for monitoring blood vessel tissue irradiated with an LED light source whose wavelength range is converted through the first optical system (120);
A laser light source 210 for generating a laser beam;
A guide light source 220 for generating a guide beam;
Fixing unit 230 for fixing the position of the eye to be treated;
A first dichroic mirror 160 provided between the monitoring device 130 and the fixing part 230;
A second optical system 240 for irradiating a laser beam and a guide beam generated by the laser light source and the guide light source to the fixed eye through the first dichroic mirror 160; And
A galvano scanner 250 mounted on the second optical system 240 and controlling the direction of the laser beam and the guiding beam;
Laser vascular surgery apparatus comprising a.
제 8항에 있어서,
상기 레이저 빔의 펄스폭은 150fs 이고 반복률은 1kHz인 것을 특징으로 하는 레이저 혈관 수술 장치.
The method of claim 8,
And a pulse width of the laser beam is 150 fs and a repetition rate is 1 kHz.
제 8항에 있어서,
상기 레이저 빔의 직경은 안구의 망막 표면 도달 시에 2.0~2.4um인 것을 특징으로 하는 레이저 혈관 수술 장치.
The method of claim 8,
The diameter of the laser beam is a laser vascular surgery apparatus, characterized in that 2.0 ~ 2.4um when reaching the surface of the retina of the eye.
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