KR20150014019A - 관절염 진단을 위한 다중 모드 광 영상장치 - Google Patents

관절염 진단을 위한 다중 모드 광 영상장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상의 3가지 영상의 획득이 가능하도록 이루어진 다중모드 광 영상장치에 관한 것으로, 보다 상세히는, 2개의 광섬유의 일단에, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 스페클 영상용 광원과, 400~700nm의 홍반 영상용 백색광원이 각각 장착되고, 상기 2개의 광섬유의 타단에 확산기가 장착되며, 빔분배기가 검출기인 CCD 카메라의 렌즈 아래 위치되며, 회전가능하도록 이루어진 편광기가 상기 확산기와 렌즈 앞단에 각각 위치되고, 관절염을 보다 정확하고, 보다 쉽고 빠르고 정량적으로 진단 할 수 있는 관절염 진단을 위한 다중모드 광 영상장치에 관한 것이다.
본 발명의 다중모드 광 영상장치는, 제1광섬유 전송체의 일단에 장착되며, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 광을 제1광섬유 전송체로 출사하는, 레이저 스페클 영상용 광원; 제2광섬유 전송체의 일단에 장착되며, 400 내지 700nm의 파장대의 백색 광을 제2광섬유 전송체로 출사하는, 홍반 영상용 광원; 제1광섬유 전송체를 통해 입사되는 레이저 광, 또는 제2광섬유 전송체를 통해 입사되는 백색 광을 확산, 조사하는, 광확산기; 광확산기의 다음에 위치되되, 광확산기와 수평으로 일직선을 이루도록 위치되며, 광확산기로부터 출사된 광을 선형 편광시키는, 제1편광기; 제1편광기의 다음에 위치되되, 제1편광기와 수평으로 일직선을 이루도록 위치되며, 제1편광기로부터 입사된 광을 샘플 스테이지위의 샘플에 출사하며, 샘플 스테이지의 샘플로부터 반사되어 입사된 광을 제2편광기로 출사하는, 빔분배기; 빔분배기의 위에 위치되되, 빔분배기와 수직으로 일직선을 이루도록 위치되며, 빔분배기로부터 입사된 광을 선형 편광시키는, 제2편광기; 제2편광기의 위에 위치되되, 결상렌즈가 제2편광기와 수직으로 일직선을 이루도록 위치되며, 제2편광기로부터 입사된 광을 결상렌즈를 통해 영상을 검출하는, 카메라;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

관절염 진단을 위한 다중 모드 광 영상장치{Multi-modal imaging device for arthritis diagnosis}
본 발명은 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상의 3가지 영상의 획득이 가능하도록 이루어진 다중모드 광 영상장치에 관한 것으로, 보다 상세히는, 2개의 광섬유의 일단에, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 스페클 영상용 광원과, 400~700nm의 홍반 영상용 백색광원이 각각 장착되고, 상기 2개의 광섬유의 타단에 확산기가 장착되며, 빔분배기가 검출기인 CCD 카메라의 렌즈 아래 위치되며, 회전가능하도록 이루어진 편광기가 상기 확산기와 렌즈 앞단에 각각 위치되고, 관절염을 보다 정확하고, 보다 쉽고 빠르고 정량적으로 진단 할 수 있는 관절염 진단을 위한 다중모드 광 영상장치에 관한 것이다.
류마티스 관절염은 다발성 관절염을 특징으로 하는 원인 불명의 만성 염증성 질환이다. 초기에는 관절을 싸고 있는 활막에 염증이 발생하지만 점차 주위의 연골과 뼈로 염증이 퍼져 관절의 파괴와 변형을 초래 관절뿐만 아니라 관절 외 증상으로, 빈혈, 건조증후군, 피하, 결절, 폐섬유화증, 혈관염, 피부 궤양 등 전신을 침범할 수 있는 질환이다.
류마티스 관절염의 중요한 특징은 침범된 관절의 통증과 종창. 진단에 중요한 증상은 손에서 많이 발견되는데 류마티스 관절염은 손가락의 중간마디와 손바닥 부위를 잘 침범하고, 손가락 끝마디의 관절은 잘 침범하지 않는 경향이 있다. 침범된 관절은 만지면 아프고 움직임이 제한되며, 손바닥의 홍반이 동반하며, 또한 손목을 뒤로 굽히는 데 장애가 생기고 손가락을 굽히는 데에도 장애가 있으며, 주먹을 꽉 쥘 수 없는 경우도 많으며, 이러한 증상은 진단뿐 아니라 질병의 활성도와 진행 정도를 파악하는 데 도움이 된다.
류마티스 관절염의 검사에는 혈액검사와 간기능 검사, 신장기능 검사 및 류마티스 인자 검사가 있다.
류마티스 인자 검사에서, 류마티스 인자는 류마티스 관절염 환자 중 80%에서만 양성으로 나타나며, 또한 정상인에서도 7%는 양성으로 나올 수 있으므로 류마티스 인자가 양성이라고 하여 모두 류마티스 관절염이라고 진단할 수는 없다.
일반 혈액검사, 간기능 검사, 신장기능 검사로는 주로 치료제의 부작용이나 다른 장기의 침범은 없는지 감시하는데 사용된다.
현재 류마티스 관절염을 진단하는 기술로는 X-ray, CT, 초음파 영상, MRI, 핵의학영상 등이 사용되고 있으며, 최근에는 관절염 진단을 위하여 광학 기법들이 연구되고 있으나, 이렇다할 방법은 아직 제시되고 있지 않다.
최근에는 관절염 진단을 위하여 transillumination 영상, diffuse optical 영상, fluorescence 영상, bioluminescence 영상, photoacoustic 영상 등과 같은 광학 기법들이 연구되고 있다.
일반적으로, 레이저 스페클 영상은 생체 조직에 레이저를 조사하였을 때 발생하는 산란된 빛을 CCD 카메라와 같은 검출기를 통하여 영상으로 획득한 후에 영상 처리를 통하여 혈류를 측정하는 기법으로, 혈류 뿐만 아니라 혈관의 형태 및 관류의 영상화가 가능하여, 특히 혈관이 분포하는 영역의 영상 획득을 통하여 생체 조직의 다양한 정보를 제공한다. 그러나 아직 관절염 진단장치에는 적용된 바가 없다.
레이저 스페클를 이용하여 인체내 영상을 검출하는 장치로서, 일본 공개특허 특개2009-95350호를 들 수 있으나, 이는 레이저 광속을 펼쳐 안저에 조사하여 안저의 망막 혈관과 안저 내부 조직의 혈관층으로부터 반사된 빛을 광학 시스템을 이용하여 이미지 센서상에 레이저 스페클로서 결상하고, 레이저 스페클의 각 화소에 있어서, 수광량의 시간에 따른 변화 비율을 나타내는 양을 산출하고, 산출된 수치의 이차원 맵으로서 안저 혈류맵을 획득하고, 혈류맵 내에서 관찰되는 혈류분포 데이터 등을 이용하여 미리 등록된 개인 데이터와 비교하여 검사하는, 개인 인증 방법 및 장치에 관한 것이다.
일본 공개특허 특개2009-95350호는 관절염진단장치가 아니므로, 컬러 영상, 홍반 영상을 검출하는 구성을 구비하고 있지 않으며, 또한 회전가능한 편광기를 구비하고 있지 않으며, 관절염을 보다 정확하고, 보다 쉽고 빠르고 정량적으로 진단 할 수 없다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상의 3가지 영상의 획득이 가능하도록 이루어진, 관절염 진단을 위한 다중 모드 광 영상장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 2개의 광섬유의 일단에, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 스페클 영상용 광원과, 400~700nm의 홍반 영상용 백색광원이 각각 장착되고, 상기 2개의 광섬유의 타단에 확산기(diffuser)가 장착되며, 광축과 영상축을 일직선으로 하여 노이즈를 최소화하기 위한 빔분배기(Beam splitter)가 검출기인 CCD 카메라의 렌즈 아래 위치되어 이루어진, 관절염 진단을 위한 다중 모드 광 영상장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 샘플 표면의 반사를 제거하여 피부 내부에 정보를 정확하게 획득 가능하게 해주는 편광기가, 확산기와 렌즈 앞단에 각각 위치되되, 편광기는 회전이 가능하도록 이루어져, 0, 45, 90도의 편광된 영상 획득이 가능한, 관절염 진단을 위한 다중 모드 광 영상장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다중 모드 광 영상장치는, 제1광섬유 전송체의 일단에 장착되며, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 광을 제1광섬유 전송체로 출사하는, 레이저 스페클 영상용 광원; 제2광섬유 전송체의 일단에 장착되며, 400 내지 700nm의 파장대의 백색 광을 제2광섬유 전송체로 출사하는, 홍반 영상용 광원; 제1광섬유 전송체를 통해 입사되는 레이저 광, 또는 제2광섬유 전송체를 통해 입사되는 백색 광을 확산, 조사하는, 광확산기; 광확산기의 다음에 위치되되, 광확산기와 수평으로 일직선을 이루도록 위치되며, 광확산기로부터 출사된 광을 선형 편광시키는, 제1편광기; 제1편광기의 다음에 위치되되, 제1편광기와 수평으로 일직선을 이루도록 위치되며, 제1편광기로부터 입사된 광을 샘플 스테이지위의 샘플에 출사하며, 샘플 스테이지의 샘플로부터 반사되어 입사된 광을 제2편광기로 출사하는, 빔분배기; 빔분배기의 위에 위치되되, 빔분배기와 수직으로 일직선을 이루도록 위치되며, 빔분배기로부터 입사된 광을 선형 편광시키는, 제2편광기; 제2편광기의 위에 위치되되, 결상렌즈가 제2편광기와 수직으로 일직선을 이루도록 위치되며, 제2편광기로부터 입사된 광을 결상렌즈를 통해 영상을 검출하는, 카메라;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 다중 모드 광 영상장치는, 600~900nm의 파장대의 레이저 광 및 400 내지 700nm의 파장대의 백색 광을, 수평으로 일직선을 이루도록 위치시킨, 광확산기, 제1편광기, 빔분배기를 순서대로 통과시켜, 샘플 스테이지로 출사하며, 샘플 스테이지의 샘플로부터 반사되어 입사된 광을, 수직으로 일직선을 이루도록 위치시킨, 빔분배기, 제2편광기, 결상렌즈를 순서대로 통과시켜, 카메라에서 영상을 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.
제1편광기와 제2편광기는 회전이 가능하도록 이루어진다.
카메라는 0도, 45도, 90도로 편광된 영상을 획득할 수 있으며, 카메라는 100만 화소 이상의 CCD 카메라이다.
본 발명의 다중 모드 광 영상장치는, 카메라에 출력된 영상을 디지탈신호로 변환하는 A/D 변환부; A/D 변환부로부터 수신된 영상을 수신하여 디스플레이부로 출력시키는 연산처리부; 연산처리부로부터 수신된 영상을 저장하는 메모리부를 더 포함한다.
샘플 스테이지의 샘플은 관절염이 있는 인체부위이다.
카메라는 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상 중 어느 하나를 촬영할 수 있다.
홍반 영상용 광원으로 발광다이오드를 이용한다.
본 발명은, 원통형으로 이루어지되, 내측에 제2편광기를 장착하고 있으며, 외측 하단에는 다수의 홈을 구비하는 편광기 고정대; 내측에 통공을 구비하고, 내측 벽에 다수의 베어링을 구비하며, 상기 다수의 베어링과 편광기 고정대의 다수의 홈이 결합하도록 이루어져, 편광기 고정대가 회동가능하게 장착되도록 이루어진 편광기 지지대; 를 더 포함한다.
제1편광기와 제2편광기가 동일 방향으로 하였을 때, 카메라는 0도로 편광된 영상을 획득하며, 제1편광기와 제2편광기의 방향이 서로 직교 하였을 때, 카메라는 90도로 편광된 영상을 획득하며, 제1편광기와 제2편광기의 방향의 각도차가, 동일 방향일때 보다는 크고, 서로 직교 하였을때 보다는 작을 경우, 카메라는 45도로 편광된 영상을 획득하는 것으로 한다.
본 발명은 홍반 영상용 광원 또는 레이저 스페클 영상용 광원 중 어느 하나만 구동되도록 이루어지되, 홍반 영상용 광원이 구동될 경우, 카메라는 컬러 영상을 검출하며, 레이저 스페클 영상용 광원이 구동될 경우, 카메라는 레이저 스페클 raw(가공되지 않은) 영상을 검출한다.
카메라에서 검출된 컬러 영상을, A/D 변환부를 통해, 연산처리부에서 수신하고, 연산처리부는, 수신된 컬러 영상의 각 화소 별로, 홍반 지수(EI, Erythema Index)를
Figure pat00001
(단, Rg는 컬러영상에서 녹색(Green) 채널의 영상을 추출하여 정규화(normalized)한 값이고, Rr는 컬러영상에서 적색(Red) 채널의 영상을 추출하여 정규화(normalized)한 값임)
에 의해 검출하여, 홍반영상으로 출력하며, 디스플레이부는 연산처리부로부터 수신된 홍반영상을 디스플레이한다.
카메라에서 검출된 레이저 스페클 raw(가공되지 않은) 영상을, A/D 변환부를 통해, 연산처리부에서 수신하고, 연산처리부는, 수신된 레이저 스페클 raw(가공되지 않은) 영상의 각 화소 별로, 스페클 대조도(Speckle Contrast)를
Figure pat00002
(단,σs는 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대한 표준편차이고, <I>는 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대한 평균강도임)
에 의해 검출하여, 레이저 스페클 영상으로 출력하며, 디스플레이부는 연산처리부로부터 출력된 레이저 스페클 영상을 디스플레이한다.
본 발명의 다중모드 광 영상진단장치에 의하면, 2개의 광섬유의 일단에, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 스페클 영상용 광원과, 400~700nm의 홍반 영상용 백색광원이 각각 장착되고, 상기 2개의 광섬유의 타단에 확산기(diffuser)가 장착되며, 광축과 영상축을 일직선으로 하여 노이즈를 최소화하기 위한 빔분배기(Beam splitter)가 검출기인 CCD 카메라의 렌즈 아래 위치되어 이루어져, 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상의 3가지 영상의 획득이 가능하여, 관절염을 보다 정확하고, 보다 쉽고 빠르고 정량적으로 진단 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다중모드 광 영상진단장치는, 샘플 표면의 반사를 제거하여 피부 내부에 정보를 정확하게 획득 가능하게 해주는 편광기가, 확산기와 렌즈 앞단에 각각 위치되되, 편광기는 회전이 가능하도록 이루어져, 0, 45, 90도의 편광된 영상 획득이 가능하며, 이를 통해, 관절염의 보다 정확한 진단이 가능하다.
다시말해, 본 발명은, 관절염 병변에 대한 영상 획득이 가능하여 획득된 영상을 바탕으로, 기존의 진단에 많이 사용되던 육안 검사와 형태학적 검사를, 영상을 통하여 진단을 가능하게 한다는 장점이 있다.
본 발명은 레이저 스페클 영상과 홍반 영상을 통하여 육안으로 판별이 어려웠던 초기 진단 및 병변의 중증 정도를 진단할 수 있다.
본 발명은 기존에 오래 걸리던 진단 시간을 단시간으로 단축하였으며, 정량적 진단을 통해 병변 치료에 따라 예후를 보다 정확하게 시간에 따라 진단이 가능하게 한다.
본 발명은 여러 영상모드로 병변의 영상 획득이 가능하여 보다 정확한 진단이 가능하며, 영상 분석을 통한 정량적 분석이 가능하다.
본 발명은 관절염뿐만 아니라 예후가 비슷한 질병에 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 다중 모드 광 영상 기기를 이용한 관절염 진단 장치의 개략적인 구성을 설명하는 구성도이다.
도 2는 제2편광기의 회전구조를 나타내는 사진이다.
도 3은 도 2의 제2편광기의 회전구조를 설명하는 설명도이다.
도 4는 도 3은 제2편광기의 회전구조를 이용한 편광의 각도에 따른 영상의 일예이다.
도 5은 본 발명의 다중 모드 광 영상장치를 이용하여, 쥐의 발바닥을 촬상한 컬러 영상의 일예이다.
도 6는 도 5의 컬러 영상을 영상 처리를 통하여 획득한 홍반 영상이다.
도 7는 본 발명의 다중 모드 광 영상장치를 이용하여, 쥐의 발바닥을 촬상한 레이저 스페클 raw 영상의 일예이다.
도 8은 도 7의 레이저 스페클 raw 영상을 영상 처리를 통하여 획득한 레이저 스페클 영상이다.
이하, 본 발명에 의한 다중 모드 광 영상 기기를 이용한 관절염 진단 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 다중 모드 광 영상 기기를 이용한 관절염 진단 장치의 개략적인 구성을 설명하는 구성도로, 레이저스페클 영상용 광원(110), 홍반 영상용 광원(130), 광확산기(150), 제1편광기(170), 빔분배기(190), 샘플 스테이지(200), 제2편광기(210), 카메라(250), 연산처리부(310), 디스플레이부(320)를 포함한다.
레이저스페클 영상용 광원(110)은 레이저 스페클 영상 획득을 위한 레이저 광원으로, 600~900nm의 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저를 광원으로 한다. 레이저스페클 영상용 광원(110)의 출력은 제1광섬유 전송체(281)를 통해 전송된다.
홍반 영상용 광원(130)은 홍반 영상 획득을 위한 백색광원으로, 400~700nm의 발광다이오드(LED)를 광원으로 한다. 홍반 영상용 광원(130)의 출력은 제2광섬유 전송체(282)를 통해 전송된다.
제1광섬유 전송체(281)와 제2광섬유 전송체(282)는 하나의 다발로 묶어져서, 확산기(150)와 연결된다. 광섬유 전송체(290)에는 제1광섬유 전송체(281)와 제2광섬유 전송체(282)가 포함되어 있다. 다시말해, 레이저스페클 영상용 광원(110)과 홍반 영상용 광원(130)으로 이루어진 두 개의 광원이 조사 가능하도록, 두 개의 광섬유가 묶여 있는 2x1 광섬유의 끝단에 각각 레이저스페클 영상용 광원(110)과 홍반 영상용 광원(130)이 연결되어 있다.
광확산기(150)는 광원을 넓은 영역에 균일하게 조사하기 위한 수단으로, 레이저스페클 영상용 광원(110)과 홍반 영상용 광원(130)으로부터 입사되는 광을 확산한다. 즉, 광확산기(150)는, 샘플 스테이지(200) 위에 있는 샘플에 입사되는 광원을 균일하게 하기 위한 수단으로, 광섬유 전송체(290)의 끝 단에 위치된다.
제1편광기(170)는 선형편광기로, 광확산기(150)의 다음에 위치되며, 광확산기(150)를 통과한 광을 선형 편광 시킨다. 제1편광기(170)를 통과한 빛의 형태는 선형 편광된 빛의 형태로 발산이 되되, 광확산기(150)에서 나온 빛을 받아들여 수평 방향으로 편광된 빔을 생성한다. 제1편광기(170)는 편광 방향에 일치하는 일방향의 편광만을 통과시킨다.
본 발명에 사용된 편광기(170, 210)는 고정된 형태가 아니라 회전 가능한 형태로 되어 있는데 이는 편광의 각도가 고정되지 않고 변할 수 있다는 것을 의미한다. 편광 방향은 편광 각도에 따라서 다르게 되며, 두 개의 편광기(170, 210)의 편광 방향을 같은 방향으로 하였을 때를 0도라고 하고, 두 편광기(170, 210)의 방향이 서로 직교 하였을 때를 90도, 그 사이의 중간을 45도라고 하게 된다.
빔분배기(Beam splitter)(190)는 제1편광기(170)에서 입사된 수평 빔은 샘플 스테이지(200)로 출사한다. 또한, 빔분배기(190)는 샘플 스테이지(200)로부터 반사되어 입사된 광(수직빔)을 제2편광기(210)로 출사한다. 빔분배기(190)는 광축과 영상축을 일직선으로 하여 노이즈를 최소화하기 위해 결상렌즈(230)의 아래에 위치된다.
샘플 스테이지(200) 위에, 샘플로서, 관절염이 있는 부위를 위치시키며, 제1편광기(170)에서 빔분배기(190)를 통해 입사된 광은 샘플에서 반사되어 빔분배기(190)를 통해 제2편광기(210)로 전달된다.
제2편광기(210)는 샘플 스테이지(200)로부터 반사되어 빔분배기(190)를 통해 입사된 광을 카메라(250)의 결상렌즈(230)로 보내어 영상을 검출할 수 있게 한다. 제2편광기(210)는 회전 가능하도록 이루어져 있으며, 이는 편광의 각도가 고정되지 않고 변할 수 있다는 것을 의미하며, 편광 방향은 편광 각도에 따라서 다르게 된다.
제1편광기(170)와 제2편광기(210)는 샘플 표면의 반사를 제거하여 피부 내부에 정보를 정확하게 획득 가능하게 해주기 위해 사용된 것으로, 제1편광기(170)는 광확산기(150)의 다음에, 그리고 제2편광기(210)는 결상렌즈(230)의 앞단에 위치한다. 제1편광기(170)와 제2편광기(210)는 회전이 가능하여 0, 45, 90도의 편광된 영상 획득이 가능하다.
다시말해, 제1편광기(170)를 고정하고, 제2편광기(210)를 회전가능하도록 하며, 제1편광기(170)와 제2편광기(210)의 편광 방향을 같은 방향으로 하였을 때를 0도라고 하고, 두 개의 편광기의 방향이 서로 직교 하였을 때를 90도, 그 사이의 중간을 45도로 한다.
카메라(250)는 검출기로서, CCD 카메라로 이루어져, 제2편광기(210)를 통해 입사된 광을 검출한다. 카메라(250)는 결상렌즈(230)을 구비한다. 카메라(250)는 제2편광기(210)를 통해 입사된 광으로부터 영상을 촬상한다. 카메라(250)는 레이저 스페클 영상과 컬러 영상 획득이 모두 가능한 고해상도(100만 화소 이상)의 CCD 카메라를 사용한다.
본 발명에서는 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상의 3가지 영상의 획득이 가능하다.
A/D 변환부(미도시)는 카메라(250)에 출력된 영상을 A/D 변환부(미도시)를 통해 디지탈신호로 변환하여 연산처리부(310)로 전송한다.
키입력부(미도시)는 사용자가 설정한 홍반영상 검출모드, 또는 레이저 스페클영상 검출모드의 값을 읽어들여, 연산처리부(310)로 전송한다.
연산처리부(310)는 A/D 변환부(미도시)로부터 수신된 영상, 즉, 컬러 raw 영상, 레이저 스페클 raw 영상을 메모리부(미도시)에 저장하고, 디스플레이부(320)로 출력한다. 또한, 연산처리부(310)는 키입력부(미도시)로부터 수신된 검출모드(홍반영상 검출모드, 또는 레이저 스페클영상 검출모드)의 값에 따라, A/D 변환부(미도시)로부터 수신된 영상(컬러 raw 영상, 레이저 스페클 raw 영상)을 연산처리를 수행하고 그 결과를 메모리부(미도시)에 저장하고, 디스플레이부(320)로 출력한다.
연산처리부(310)는, 키입력부(미도시)로부터 홍반영상 검출모드의 값을 수신한 경우, A/D 변환부(미도시)로부터 수신된 영상(컬러 (raw) 영상)의 화소값을 수학식 1에 의해, 홍반영상의 영상처리를 수행한다.
Figure pat00003
EI(Erythema Index)는 홍반 지수를 나타내며 이 값이 곧 홍반의 정도를 나타낸다. Rg는 컬러영상에서 녹색(Green) 채널의 영상을 추출하여 정규화(normalized)한 값이고, Rr는 컬러영상에서 적색(Red) 채널의 영상을 추출하여 정규화(normalized)한 값이다. Rg과 Rr은 사용초기에 검출되어 저장할 수도 있고, 공장 출하시 저장될 수도 있다.
이렇게, 수학식 1을 이용하여 각 화소의 홍반지수를 검출하여 영상으로 나타내는 영상 처리를 하면, 홍반 영상을 획득하게 된다. 홍반 영상은 영상에서 붉은 정도를 나타내는 지표로써 본 발명에서는 관절염에 의한 피부의 염증 반응에 의해 피부가 붉어지는 정도를 측정하는 척도로 사용된다.
연산처리부(310)는, 키입력부(미도시)로부터 레이저 스페클영상 검출모드의 값을 수신한 경우, A/D 변환부(미도시)로부터 수신된 영상(레이저 스페클 (raw) 영상)의 화소값을 수학식 2에 의해, 레이저 스페클 영상의 영상처리를 수행한다.
Figure pat00004
C는 스페클 대조도(Speckle Contrast)이고, σs는 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대한 표준편차이고, <I>는 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대한 평균강도이다. 즉, 각 화소의 스페클 대조도를 계산하지 위해서는, 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대하여 표준편차, 평균강도를 계산하고, 이 값을 이용하여 스페클 대조도를 계산하게 된다.
수학식 2를 이용하여 각 화소의 스페클 대조도를 검출하여 영상으로 나타내는 영상 처리를 하면, 레이저 스페클 영상을 획득하게 된다. 레이저 스페클 영상은 영상에서 혈관이 있는 부분의 대조도 값이 다르게 나타나게 되며, 이 대조도 값은 혈류의 흐름에 따라 값이 다르게 표시가 되기 때문에 해당 영역에 혈관이 있는지 여부를 확인할 수 있게 해 주고, 있다면 혈류가 어떻게 흐르고 있는지 확인하는 척도로 사용되게 된다.
도 2는 제2편광기의 회전구조를 나타내는 사진이며, 도 3은 도 2의 제2편광기의 회전구조를 설명하는 설명도이고, 도 4는 도 3은 제2편광기의 회전구조를 이용한 편광의 각도에 따른 영상의 일예이다.
제2편광기(210)는 도 2의 (a)와 같이 원통형으로 이루어진 편광기 고정대 내에 고정, 장착되어 있다. 도 2의 (b)는 편광기 지지대로, 내측에 편광기 고정대가 장착하여 회동가능하도록 이루어지며, 베어링이 있는 형태를 구비한다. 도 2의 (c)는 편광기 고정대가 편광기 지지대에 장착되어 있는 예시도이다. 즉, 도 2의 (b)의 편광기 지지대는 회전이 가능하도록 베어링이 있는 형태를 이루고, 도 2의 (a)의 편광기 고정대의 외측면 하단에는 고랑과 같은 형태의 홈이 구비되어, 편광기 지지대에 장착되어, 베어링의 움직임이 가능하도록 이루어져 있다. 도 2의 (c)에서와 같이 장착되어, 편광기 고정대가 회전함에 따라 0, 45, 90도의 편광 영상 획득이 가능하게 된다. 편광기 고정대의 편광기 지지대내의 회전은 수동에 의해 이루어질 수도 있고, 모터(또는 액츄레이터)와 연결되어 회전할 수도 있다.
보다 상세히는, 도 3의 (a)에서와 같이, 편광기 고정대에 베어링 홈이 구비되며, 도 3의 (b)에서와 같이, 편광기 지지대에 베어링이 있어, 이 두 부분이 결합을 하도록 되어 있다. 편광기 고정대를 손(또는 모터)에 의해 회전하게 되면, 결과적으로 편광기가 회전하게 된다. 이때 0, 45, 90의 각도는, 영상이 제일 밝을 때(두개의 편광기의 편광 방향이 같을 때)를 0도로 하고, 영상이 어두울 때(두개의 편광기의 편광 방향이 직교일 때)를 90도하고, 그 중간 값을 45도로 하게 된다.
도 4는 이렇게 얻어진 편광의 각도에 따른 영상의 일예로, 도 4의 (a)는 0도 편광 영상의 예이고, 도 4의 (b)는 45도 편광 영상의 예이고, 도 4의 (c)는 90도 편광 영상의 예이다.
본 발명의 다중 모드 광 영상장치를 통하여 획득되는 가공되지 않은 형태의 영상(raw 영상)은 크게 2가지 종류로, 컬러 영상과 레이저 스페클의 raw 영상이다. 그 중 컬러 영상은 영상을 획득할 때에 편광기의 각도를 설정하는 것에 따라 크게 0, 45, 90도 영상으로 세분화하여 획득이 가능하다. 이렇게 획득한 컬러 영상의 영상 처리를 통하여 홍반 영상 획득이 가능하다.
레이저 스페클의 raw 영상은 역시 영상 처리를 하여 레이저 스페클 영상을 획득하게 된다.
본 발명의 다중 모드 광 영상장치는 레이저광(레이저 스페클 영상용 광원)과 백색광(홍반 영상용 광원)을 동시에 조사는 가능 하지만, 영상을 획득할 때, 컬러 영상획득 시에는 백색광(홍반 영상용 광원)만 조사를 하고, 레이저 스페클 영상을 획득할 때에는 레이저 광(레이저 스페클 영상용 광원)만 조사하게 된다. 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상의 획득은, 영상 처리 과정을 통하여 획득하는 것인지 카메라로 직접 획득하는 것인지에 대한 차이이다.
도 5은 본 발명의 다중 모드 광 영상장치를 이용하여, 쥐의 발바닥을 촬상한 컬러 영상의 일예이고, 도 6는 도 5의 컬러 영상을 영상 처리를 통하여 획득한 홍반 영상이다.
도 5은 본 발명의 다중 모드 광 영상장치를 관절염 진단에 적용하기 위해, 실험한 결과로, 쥐의 발바닥을 촬상한 영상이다. 이는 컬러 영상이고 편광의 각도는 90도로서, 즉, 도 5은 90도 편광 컬러 영상이다. 도 6은 이를 영상 처리를 통하여 획득한 홍반 영상이다.
도 7는 본 발명의 다중 모드 광 영상장치를 이용하여, 쥐의 발바닥을 촬상한 레이저 스페클 raw 영상의 일예이고, 도 8은 도 7의 레이저 스페클 raw 영상을 영상 처리를 통하여 획득한 레이저 스페클 영상이다.
도 5과 도 7는 모두 카메라로부터 직접 획득하여 가공하지 않은 영상이고 도 6와 도 8은 영상 처리를 통하여 획득한 영상이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
110 : 레이저광원 130 : 백색광원
150 : 광확산기 170 : 제1편광기
190 : 빔분배기 200 : 샘플 스테이지
210 : 제2편광기 230 : 렌즈
250 : 카메라 281 : 제1광섬유 전송체
282 : 제2광섬유 전송체 290 : 광섬유 전송체
310 : 연산처리부 320 : 디스플레이부

Claims (19)

  1. 제1광섬유 전송체의 일단에 장착되며, 적외선 또는 근적외선 파장대의 레이저 광을 제1광섬유 전송체로 출사하는, 레이저 스페클 영상용 광원;
    제2광섬유 전송체의 일단에 장착되며, 400 내지 700nm의 파장대의 백색 광을 제2광섬유 전송체로 출사하는, 홍반 영상용 광원;
    제1광섬유 전송체를 통해 입사되는 레이저 광, 또는 제2광섬유 전송체를 통해 입사되는 백색 광을 확산, 조사하는, 광확산기;
    광확산기의 다음에 위치되되, 광확산기와 수평으로 일직선을 이루도록 위치되며, 광확산기로부터 출사된 광을 선형 편광시키는, 제1편광기;
    제1편광기의 다음에 위치되되, 제1편광기와 수평으로 일직선을 이루도록 위치되며, 제1편광기로부터 입사된 광을 샘플 스테이지위의 샘플에 출사하며, 샘플 스테이지의 샘플로부터 반사되어 입사된 광을 제2편광기로 출사하는, 빔분배기;
    빔분배기의 위에 위치되되, 빔분배기와 수직으로 일직선을 이루도록 위치되며, 빔분배기로부터 입사된 광을 선형 편광시키는, 제2편광기;
    제2편광기의 위에 위치되되, 결상렌즈가 제2편광기와 수직으로 일직선을 이루도록 위치되며, 제2편광기로부터 입사된 광을 결상렌즈를 통해 영상을 검출하는, 카메라;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  2. 600 내지 900nm의 파장대의 레이저 광 및 400 내지 700nm의 파장대의 백색 광을, 수평으로 일직선을 이루도록 위치시킨, 광확산기, 제1편광기, 빔분배기를 순서대로 통과시켜, 샘플 스테이지로 출사하며,
    샘플 스테이지의 샘플로부터 반사되어 입사된 광을, 수직으로 일직선을 이루도록 위치시킨, 빔분배기, 제2편광기, 결상렌즈를 순서대로 통과시켜, 카메라에서 영상을 검출하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1편광기는 고정되어 있으며, 제2편광기는 회전이 가능하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  4. 제3항에 있어서,
    카메라는 0도, 45도, 90도로 편광된 영상을 획득할 수 있는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  5. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    카메라는 100만 화소 이상의 CCD 카메라인 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  6. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    카메라에 출력된 영상을 디지탈신호로 변환하는 A/D 변환부;
    A/D 변환부로부터 수신된 영상을 수신하여 디스플레이부로 출력시키는 연산처리부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  7. 제6항에 있어서,
    연산처리부로부터 수신된 영상을 저장하는 메모리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  8. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    샘플 스테이지의 샘플은 관절염이 있는 인체부위인 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  9. 제6항에 있어서
    카메라는 컬러 영상, 레이저 스페클 영상, 홍반 영상 중 어느 하나를 촬영하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  10. 제1항에 있어서,
    홍반 영상용 광원으로 발광다이오드를 이용하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  11. 제3항에 있어서,
    원통형으로 이루어지되, 내측에 제2편광기를 장착하고 있으며, 외측 하단에는 다수의 홈을 구비하는 편광기 고정대;
    내측에 통공을 구비하고, 내측 벽에 다수의 베어링을 구비하며, 상기 다수의 베어링과 편광기 고정대의 다수의 홈이 결합하도록 이루어져, 편광기 고정대가 회동가능하게 장착되도록 이루어진 편광기 지지대;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  12. 제3항에 있어서,
    제1편광기와 제2편광기가 동일 방향으로 하였을 때, 카메라는 0도로 편광된 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  13. 제3항에 있어서,
    제1편광기와 제2편광기의 방향이 서로 직교 하였을 때, 카메라는 90도로 편광된 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  14. 제3항에 있어서,
    제1편광기와 제2편광기의 방향의 각도차가, 동일 방향일때 보다는 크고, 서로 직교 하였을때 보다는 작을 경우, 카메라는 45도로 편광된 영상을 획득하는 것으로 하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  15. 제6항에 있어서,
    홍반 영상용 광원 또는 레이저 스페클 영상용 광원 중 어느 하나만 구동되도록 이루어지되,
    홍반 영상용 광원이 구동될 경우, 카메라는 컬러 영상을 검출하며,
    레이저 스페클 영상용 광원이 구동될 경우, 카메라는 레이저 스페클 raw(가공되지 않은) 영상을 검출하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  16. 제15항에 있어서,
    카메라에서 검출된 컬러 영상을, A/D 변환부를 통해, 연산처리부에서 수신하고,
    연산처리부는, 수신된 컬러 영상의 각 화소 별로, 홍반 지수(EI, Erythema Index)를
    Figure pat00005

    (단, Rg는 컬러영상에서 녹색(Green) 채널의 영상을 추출하여 정규화(normalized)한 값이고, Rr는 컬러영상에서 적색(Red) 채널의 영상을 추출하여 정규화(normalized)한 값임)
    에 의해 검출하여, 홍반영상으로 출력하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  17. 제16항에 있어서,
    디스플레이부는 연산처리부로부터 수신된 홍반영상을 디스플레이 하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  18. 제15항에 있어서,
    카메라에서 검출된 레이저 스페클 raw(가공되지 않은) 영상을, A/D 변환부를 통해, 연산처리부에서 수신하고,
    연산처리부는, 수신된 레이저 스페클 raw(가공되지 않은) 영상의 각 화소 별로, 스페클 대조도(Speckle Contrast)를
    Figure pat00006

    (단,σs는 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대한 표준편차이고, <I>는 각 화소를 둘러싸고 있는 9개의 화소에 대한 평균강도임)
    에 의해 검출하여, 레이저 스페클 영상으로 출력하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.
  19. 제18항에 있어서,
    디스플레이부는 연산처리부로부터 출력된 레이저 스페클 영상을 디스플레이 하는 것을 특징으로 하는 다중모드 광 영상장치.


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