KR20130080078A - 의료용 광학적 영상 취득 장치의 렌즈 장치 - Google Patents

Abstract

광학적 방식에 의한 의료용으로 사용되는 장치의 영상 취득 장치에 관한 것으로서, 특히 광학적 영상 센서와 함께 사용되기 위한 렌즈 장치에 관한 것이다.
의료용으로 사용되는 장치는 다양하게 이용될 수 있으며, 예로서 치과용으로 사용되는 경우에는 광학 영상 모듈을 치열 내지 잇몸을 따라 이동하면서 복잡한 구강 구조에 치아를 중심으로 한 영상 및 잇몸 상태의 영상을 취득하기 용이하도록 구성된 장치에 대한 것이다. 또한 다른 예로서는 내시경 등에 사용되는 경우에는 종래의 장치에 비하여 해상도를 높이거나 시야각을 키울 수 있는 잇점이 있어서 사용에 있어서 편리함을 주거나 신뢰성을 높일 수 있는 장점이 있다.
의료용 광학적 영상 센서 모듈은 광학적 영상 센서를 포함하여 결상하기 위한 결상 광학계를 포함하고 있으며, 특히 결상 광학계에서 중요한 렌즈를 이용하여 성능을 향상하도록 되어 있어 환부 내지 관찰하고자 하는 부위의 표면을 중심으로 한 영상을 취득하는 것이므로, 적절한 조명을 하도록 구성하는 것과 이를 운용하기 위한 기술을 포함하여, 환부 내지 관찰 부위를 쉽게 영상을 구하는 기술을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 사용하여, 환자의 치아 및 잇몸 이나 기타 환부 내지 관찰 대상 부위의 국부적인 영상을 포함하여 전체의 영상을 용이하게 확인할 수 있어, 환자에게 신뢰성을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 환자와의 소통이 용이하여 보다 심도 깊은 치료에 다가가기 쉬운 장점이 있다.

Description

의료용 광학적 영상 취득 장치의 렌즈 장치{Lens System in Medical Optical Image System}

의료 분야의 치료 및 환자의 상태를 광학적 영상을 통하여 보여 주는 장치에서, 이를 구현하기 위한 광학적, 전자 및 기타 기술 분야에서 장치의 시스템 특성을 결정짓는 광학계 중 렌즈계 장치의 특성.

광학적 영상을 획득하기 위한 광학 기술 및 영상 데이터와 신호를 처리하기 위한 전자, 이를 구성하기 위한 장치 설계 기술 및 구현하기 위한 정밀 광기계 설계 기술과 성능을 결정짓는 렌즈계의 설계 및 제작

의료용에 사용되는 광학계는 다양한 특성이 요구되고, 고성능이 요구된다. 그 한 예로 치과 등에서 사용되고 있는 장치의 경우에는 구강구조의 특수성으로 인하여, 치아 혹은 잇몸과 관련된 다양의 환자의 증상을 확인하고, 그 자료를 확보하는 것은 매우 어렵고 고된 일이다. NMR 영상이나, X-Ray 영상과 달리 광학적 수단에 의한 영상은, 복잡한 구강 내외의 치아 상태나 잇몸의 상태를 확인하는 것을 매우 용이하게 할 뿐만 아니라, 환자에게 광학적 영상을 통하여 증상을 설명하기 쉬울 뿐만 아니라, 환자 자신의 경우, 통증 및 기타 증상을 설명하고 이를 치료하기 위한 의사 등과 의사 소통을 쉽게 할 수 있어, 광학적 영상 자료를 얻는 것은 좋은 일이라 할 수 있다. 그러나 구강의 구조는 매우 복잡하고 협소함에도 불구하고, 정밀하고 성능이 뛰어난 광학계를 구성하는데 어려움이 많아, 사용하는데 많은 제한이 있어, 사용이 늘어나지 않고 있는 것은 매우 안타까운 일이다.

다른 한 예로서 내시경 장비 가운데 광학계는 충분히 작은 촛점 거리를 가지고 있지만, 충분한 시야각을 확보하지 못하여 이동하면서 위치 혹은 방향을 바꾸어서 부족한 시야을 확보하여야 하는 경우가 발생한다.

따라서, 의료용으로 사용되는 광학계에서 충분히 작은 촛점거리를 필요할 뿐만 아니라, 충분한 시야각을 갖출 필요가 있다.

의료용 광학계에 있어서는 충분히 작은 촛점 거리를 가져야 할 뿐만 아니라, 적절한 시야각을 확보하여야 하는 것이 일반적이다.

한 예로서 협소한 구강 내에서 충분히 사용 가능하게 하기 위하여는 짧은 촛점거리를 갖도록 구성하는 것이 보다 중요하고 바람직하다. 또 다른 예로서 내장 내시경의 경우에는 충분한 시야각이 필요한 경우가 있다. 물론 다른 성능도 중요하지만, 현재의 장치를 기준으로 보아서 개선이 필요한 것은 위와 같다고 할 수 있다.

이러한 성능의 추가적 향상을 위하여는 영상을 얻고자 하는 영상센서와 광학계를 구성하는 렌즈계의 특성에 의하여 결정되어야 하지만, 영상 센서가 결정되어 있는 경우에는 결국 렌즈계를 어떻게 설계하느냐에 따라서 결정된다고 할 수 있다.

의료용으로 사용되는 광학장치로서는 대부분 광이 없는 곳에서 사용되기 때문에 주로 조명 장치와 함께 사용되는 것이 바람직하다. 최근에는 조명 장치로서 LED 광원을 사용하거나, 광파이버 등을 이용하는 것이 대부분이다.

광학계 가운데 렌즈계의 성능을 향상시키기 위하여 주요 특성 가운데, 촛점거리 등 몇 가지 특성이 결정되면, 각종 수차 등을 제거하기 위한 설계를 하는 것이 필요한 바, 대부분 경우에 있어서 색수차를 제거하고 일정이상의 해상도를 갖기 위하여는 여러 매수의 렌즈로 구성되는 것이 바람직하고, 적절하게 수차가 제거된 렌즈를 이용하여 장치를 구성하는 것이 바람직하다.

치료를 담당하는 의료진의 입장에서는 일차적으로 구조적으로 치료 부위 등을 확인하기 어려운 부분 등을 손쉽게 확인할 수 있으며, 치료 부위의 매우 작은 부위만을 보는 경우가 아닌 경우에는 넓은 영역의 상태를 살펴 볼 수 있어, 보다 근본적인 원인을 찾기 위한 검사 및 치료를 용이하게 할 수 있다. 환자의 입장에서는 장비를 오랜 기간 동안 동작하는 것으로 인하여 고통 내지 불편함을 감소할 수 있어서, 환자와 의료진 간의 의사 소통의 쉽게 할 수 있으며, 환자의 심리적 안정화를 가져올 수 있음과 동시에 신뢰성을 부여하기가 용이하다. 또한 의료진의 경우, 환자의 환부를 쉽게 전체적인 상황을 쉽게 정보를 얻기 용이하고 치료를 할 수 있어, 치료에 집중할 수 있는 이로움이 있다.

도1 치과에서 치아의 상태를 확인하기 위하여 사용하는 장치의 일례
도2 렌즈의 특성을 설명하기 위한 개념도
도3 렌즈계에서 렌즈와 물체 및 상(image)간의 관계를 나타내는 개념도
도4 는 구강 구조를 나타내는 것으로 장치를 사용하기 위한 부위에 대한 설명을 하기 위한 도면이다.
도5 는 소형렌즈의 일종인 볼렌즈 개념도이다.
도 6은 본발명의 예로서 결상 장치에 사용되기 위한 소형 렌즈의 개념도의 일례이다.
도 7은 굴절율이 변화하여 렌즈 역할을 하는 소자의 일례이다.
도 8은 본 발명의 일례로서 결상 장치에 사용되기 위한 소형 렌즈의 개념도의 다른 일례이다.

인간의 건강 상태를 알려 주거나 환부의 상태를 보다 정확하게 진단하기 위한 방법은 다양하다. 그 가운데에도, 광학적인 방법은 가장 신뢰성이 있는 방법으로서, 구강의 상태를 확인하거나 내시경을 통하여 장이나 위의 상태를 확인하는 방법에 있어서도 사용되고 있어, 매우 중요한 기술이다.

인간의 건강에 매우 밀접한 관계를 하는 구강의 상태를 확인하기 위하여 다양한 방법과 연구가 진행되어 왔는데 구강의 구조는 매우 복잡함은 물론이고, 구강 내외를 치료하기 위하여는 살펴야 할 부위가 한 면이 아니라, 치아를 중심으로 앞면, 뒷면 그리고 윗면, 또한 아랫부위 치아 등 다양한 부위를 관찰하여야 하는 어려움이 있으며, 또한 치아를 지지하는 잇몸의 상태를 관찰하기 위한 장치를 구성하는데 어려움이 많다.

즉 도 4와 같이 구강 구조를 살펴보면, 통상의 방법으로 영상을 취득할 수 있는 범위는 렌즈의 앞 부분의 일부분에 불과하므로, 실제 영상을 취득할 수 있는 범위는 매우 제한되어 있으며, 또한 렌즈의 초점거리에 따라서 매우 작은 영역만을 관찰하는 어려움이 있다.

또한 일반적으로 알려진 것과 같이, 사람의 특성에 따라서 입을 크게 벌릴 수 있는 사람이 있고, 그렇지 못한 사람 등의 개성차가 존재하여 다양한 치공구 즉 치과용 거울을 사용하거나 도1과 같은 형상을 가진 장치를 사용하여 구강 내의 치아 내지 잇몸의 일부의 영상을 취하고 있을 뿐이며, 또한 장기간 사용시 불편함을 가중시키고 있는 현실이다.

특히, 광학적 영상은 오랜 전통적인 방법으로 치과용 거울 등을 통한 육안 확인 방법이 일차적이고 또한 전부인 방법으로 채택되어 왔다. 육안에 의한 관찰 방법의 장점은 X-Ray 등의 영상에 의한 경우는 치아의 형태를 위주로 치근의 상태등을 주로 관찰하기 용이하나, 잇몸의 상태로서 바이러스의 감염이나, 기타 상처에 의한 치료를 경우와 치석 제거 등과 같이 구강 내의 이물질이나 기계적 기구적 방법을 동원하는데 매우 중요한 관찰 내지 확인 수단이다.

또한 종래의 육안으로 관측하는 방법은 치료를 받는 환자에게는 영상 자료를 확인할 수 없어 치료 결과를 가지고 확인하거나, 불완전 치료 내지 보완으로 인한 불편에 대한 의사 표시 내지 환자와 의사와의 의사 소통의 불편함을 해소하기가 쉽지 않은 어려움이 존재하였다. 특히, 치료 전후의 상태를 비교할 수 있는 방법이 없어서 어려움과 신뢰성에도 많이 부족하였다.

상기와 같은 어려움을 극복하기 위하여 최근의 영상 처리 소자의 개발로 인하여, 도1과 같은 장치가 사용되어 조금이나마, 그런 어려움을 감소시키게 되었다.

도1의 장치의 동작 및 구성을 살펴보면, 우선 영상 센서로서 CCD image sensor 혹은 CMOS image sensor 등이 통상 많이 사용되어 바람직하며, 다른 형태의 광학적 센서를 사용하는 것도 가능하다. 광학적 상(image) 센서와 함께 소형 렌즈를 갖추고 있어 렌즈를 통하여 외부 광학적 물체를 광학적 이미지 센서에 영상을 맺히게 한다. 통상의 경우, 광학적 이미지 센서에서 얻게 되는 광학적 영상 자료는 전자적 기술에 의하여 컴퓨터 등과의 연결에 의해, 자료를 전송하거나 처리할 수 있다. 또한, 영상을 위하여 조명이 필요하고, 올바른 영상을 얻고자 하는 부위에 빛을 조사하기 위하여 LED 광원을 갖추도록 되어 있다. 이를 위하여 다양한 광학적 수단에 의하여 밝고 균일하고 넓게 조명을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

더불어 각종의 부가 장치를 추가하는 것이 바람직하다. 스위치 및 컴퓨터와의 연결(interface)장치 등과 각종 전원 연결부위와 신호선의 처리 및 메모리 장치 등이 추가되는 것이 바람직하다.

동작의 원리를 살펴보면, 우선 영상을 얻고자하는 부위로 장치를 가져가게 되고, 그 부위에 LED를 조사하여 부위의 밝기가 적절하게 되면, 원하는 부위의 광학적 특성이 렌즈를 통하여 광학적 영상이 영상 센서에 맺히게 된다. 이때 부위의 밝기나 너무 강하면, 영상을 정확하게 확보할 수 없으며, 너무 어두우면 제대로 자세하게 볼 수 없게 되어 적절한 영상을 얻기 어렵게 된다.

또한 보고자 하는 물체의 부위와 렌즈 그리고 영상 센서 간의 거리간의 조합은 렌즈와 물체간의 거리(s1), 렌즈와 영상간의 거리(s2), 초점거리(f)의 관계는

1/f = 1/s1 + 1/s2

를 형성하여야 정확한 영상(image)가 구성되게 된다. 통상 장치가 구성되면, 줌장치(zoom system)의 경우에는 초점거리가 바뀌게 되지만, 일반적으로 초점거리가 고정되게 되고,렌즈로부터 영상 위치 간의 거리가 한 장치에서 고정되므로, 적절한 위치를 확보하여야 선명한 영상을 확보하게 된다.

현재 일반적으로 사용되고 있는 렌즈의 초점거리(f)의 경우는 5~ 20 mm정도가 많이 알려지고 있다. 이렇게 초점거리가 길어지는 경우에는 물체와의 거리(s1)는 실 영상을 얻기 위하여는 최소한 초점거리( 5 ~ 20 mm)이상이 되어야 하므로 실제 의료용으로 인체에 사용되기에는 너무 초점거리가 긴 어려움이 있다.

그리하여 볼렌즈(ball lens)를 사용하는 경우 초점거리(Effective Focal Length)는

EFL = n D / 4 * (n -1)

n = 1.6

D = 2

인 경우로서

1.6 * 2 / 4 * ( 1.6 -1)

= 1.6 / 2 *. 0.6

= 1.333

정도의 EFL을 구할 수 있으며,

BFL = EFL - D/2

= 1.333 - 2/2

= 0.333

를 구할 수 있다. 그러나, 이런 경우에 있어서도, 충분한 해상도를 갖는 경우에 있어서도 큰 시야값을 갖기는 어렵다. 이런 경우에 있어서는 광축상에서의 화면의 질은 유지할 수 있으나, 축에서 벗어나면서 화면의 질은 급속도로 저하되어 결국에 있어서는 화면의 질을 확보할 수 없게 된다. 이런 경우에 있어서는 내시경에서 작동하는 경우나 구강내에서 사용하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

예를 들어

Surf Radius Thickness Glass

obj 0.0 2.0 Air

AST 0.85 1.7 LASFN9

2 -0.85 0.519369 Air

IMS

로서 상(image)까지의 거리는 0.519 로 되나, 물체에서 렌즈의 첫 면까지의 거리도 2.0에서 상기의 경우는 유효 초점거리(Effective Focal Length)는 0.924866 을 얻게 된다. 또 이를 바꾸어 보면

Surf Radius Thickness Glass

obj 0.0 1.5 Air

1 0.95 0.1 BAF13 Aspheric

AST 0.85 1.7 LASFN9

3 -0.85 0.753959 Air

IMS

등으로 변경을 하는 경우에는 EFL은 0.969349 로서 촛점거리의 값이 변하고 또한 물체에서 렌즈의 첫 면까지의 값의 변화도 2.0에서 1.5로 상까지의 거리도 0.754로서 변경하게 된다. 이 경우에는 비구면 계수를 변경하거나 조정함으로써 각종 수차를 줄일 수 있어 성능의 향상을 기할 수 있다.

상기의 두 예는 하나의 볼렌즈를 중심으로 하나는 볼렌즈를 사용한 경우에 대한 것이며, 다른 하나는 볼렌즈에 굴절율이 다른 비구면 렌즈를 결합한 경우에 대한 것이다. 그렇지만, 이것은 단지 하나의 예에 불과하고 다양하게 설계하여 이용할 수 있다. 볼의 형태를 갖는 렌즈를 사용하지 않아도 되고, 굴절율이나 형상에 대한 제한을 받지 않아도 됨은 당연하다.

다른 한 예를 추가로 들어보면,

Surf Radius Thickness Glass

obj 0.0 1.5 Air

1 0.95 0.1 BAF13 Aspheric

AST 0.85 1.7 LASFN9

3 1.05 0.3 BK7 Aspheric

4 -0.85 0.753959 Air

IMS

상기와 같이 동일한 굴절율에 대하여 면의 형상과 두께를 조정하여 렌즈의 특성을 조절하는 경우에 비하여, 굴절율이 균일하지 않는 경우도 있기 때문에 기타 평면의 형상을 갖거나 봉의 형상을 가진다 하더라도 상기와 같은 렌즈 방정식을 만족하여야 하는 것은 잘 알려져 있다. 이와 같은 특성을 갖는 경우로서 일반적으로 그린(GRIN) 렌즈를 사용할 수도 있다.

그린(GRIn) 렌즈의 경우는 위치에 따라서 굴절율이 변하게 되는데, 이것을 이용하여 빛이 굴절하게 되는 특성을 이용하여 통상의 렌즈와 같이 작용한다. 이런 경우에는 평판인 경우에도 굴절률이 균일한 경우의 구면 등의 형상을 갖는 렌즈와 동일하게 작용을 한다.(도7) 최근에는 설계기술의 발달로 그린(GRIN) 렌즈에 대하여 형상의 변화를 주어서 다양한 성능을 내면서 각종 수차를 줄이는 렌즈를 제작 내지 생산이 가능하도록 되어 있다.(도8)

통상 상기와 같이 구성되는 경우 각각의 렌즈의 성능 등을 적절하게 배분하여 각종 수차를 최소화하도록 분배하는 것은 가능하고, 물체의 크기 및 영역 등을 적절하게 분배하여 설계하여 제작된 부품을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 렌즈계라 하여 적절하게 구성하고, 영상 센서를 포함한 모듈을 광학계라 하여 적절하게 거리 및 렌즈와 렌즈의 간격을 두도록 하여 적절하게 수차 및 초점거리, 백포커스 (back focus)등을 조정하는 것이 바람직하다.

영상을 취득하는 방법은 신체 내외의 구조에 따라서 예를 들면 구강 구조의 한 면을 따라서 이동하면서 영상센서모듈을 이동시키면서 주사하여 영상을 취득하면 된다. 이때, 도면에 표시되지 않았으나, 각종 LED 소자를 포함하여 적절하게 빛이 조사되어 충분한 영상을 확보하기 위한 광학적 소자 내지 구조물이 추가되는 것이 바람직하다.

구강 내외에 사용하는 것과는 달리 대장 등에 사용하여 내부로부터 영상을 얻기 위하여는 사용하는 것도 가능하다. 이런 경우의 기구적 결합 방식을 고려하여 구성하는 것 외에 주의하여야 할 사항은 각각의 광센서 모듈과 함께 조광을 하기 위하여 추가로 구성된 LED와 각종 광학적 기능을 갖는 소자를 반대 방향에 있는 광센서 소자에 광학적 소음(Noise)가 발생할 수 있는 것에 주의를 하여야 한다. 또한 이와 더불어, LED나 발광소자 내지 광원을 이용하여 조광을 하는 경우는 물체에 균일하게 조광하기 위한 광학 소자를 구성하거나, 멀리 광을 전달하기 위하여 광학 소자를 구성할 수 있다.

그러나, 용도에 따라서 동일한 발광 소자 내지 영상 센서 모듈이 다수개 존재하여 결합하여 사용하는 경우 서로 간에 광학적 노이즈(Noise)로 작용할 수 있다. 이런 경우에 원하지 않는 결과를 방지하기 위하여 각종 광기능적 구조물의 설계를 하는 것도 가능하나, 다른 방법은 각종 발광소자로서 LED를 적절한 시간 내에서만 구동하도록 펄스 구동하는 것이 바람직하다. 그렇게 하여 필요한 시간 내에서만 조광을 하고, 그 시간 내에서만, 영상 센서 내에 맺힌 영상 데이터를 취하도록 하는 것이 바람직하고 복잡하지 않고 경제적인 수단으로 성능을 높이는 것으로 볼 수 있다. 이런 경우는 특히 다수의 광센서 모듈이 움직이는 경우에 적절하게 응용하면 별 어려움이 없이 광학적 간섭이 없이 좋은 영상을 얻을 수 있어 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 종래에서와 같은 좁은 영역에서의 영상의 품질을 넓은 영역에 대한 영상을 취할 수 있도록 하거나, 보다 고품질의 영상을 얻을 수 있도록 하여 구강 내외의 주요 부분 내지 위장 등에서 관찰 대상이나 환부에서 원하는 부분의 영상을 취득하는 것이 가능하다.

영상 자료는 컴퓨터 등과 연결되어 전송되어 지게 되며, 광학적 영상을 보고, 각종 증상을 보고 치료 등의 조치를 취할 수 있거나, 증상을 인지하게 된다.

현재 해당 사항 없음

Claims (9)

1. 광학적 방식에 의하여 인체내의 광학적 영상을 취득하는 장치로서, 광학적 영상 센서와 결합되어 있거나 다른 광학적 수단을 통하여 연결되어 있으며, 조명용 장치 내지 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치로서
   상면과 물체면의 거리가 인체 내의 측정 공간보다 작은 것을 특징으로 하는 장치
   
2. 제1항에 있어서,
   두개 이상의 렌즈 소자를 포함한 렌즈를 갖는 것을 특징으로 하는 장치
   
3. 제1항에 있어서,
   렌즈의 직경보다 긴 렌즈 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 장치
   
4. 제 1항에 있어서,
   렌즈의 끝단에서 상면까지의 거리가 렌즈의 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 장치
   
5. 제 1항에 있어서,
   영상 정보를 컴퓨터 등 기타 장치에 전송하는 기능이 부가된 것을 특징으로 하는 장치
   
6. 제 1항에 있어서,
   볼(ball)렌즈가 렌즈의 구성 렌즈로서 결합된 것을 특징으로 장치
   
7. 제1항에 있어서,
   광원을 사용하여 조광을 하기 위한 방법에, 펄스를 사용하여 일정시간 동안만 조명을 하도록 하는 것을 특징으로 하는 장치
   
8. 제1항에 있어서,
   그린(GRIN) 렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치
   
9. 제1항에 있어서,
   비구면을 포함하는 렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 장치
   
   

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