KR20160128038A - 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법 - Google Patents

근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 의료용 광학 영상 장치에 관한 것으로, 구체적으로 근적외선 나노형광체를 이용하여 생체조직 내부 미세구조를 관찰하여 검진 및 치료와 특정부위의 외과 수술시에 실시간의 위치 정보를 시각적으로 확인할 수 있도록 한 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법에 관한 것으로, 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사 모듈과, 제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사 모듈을 구비하고 획득된 영상을 결합하여 출력하는 본체 모듈부;상기 본체 모듈부에 컨넥터를 통하여 연결되고, 줌렌즈 및 대안 렌즈를 사이에 두고 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브가 결합되는 프로브 모듈부;를 구비하고, 실시간의 컬러 영상과 근적외선 형광광체를 통한 특정 부위의 형광 영상을 결합하여 출력하는 것이다.

Description

근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법{Apparatus and System for Optical Imaging using Near Infrared Fluorescence and Method for controlling the same}
본 발명은 의료용 광학 영상 장치에 관한 것으로, 구체적으로 근적외선 나노형광체를 이용하여 생체조직 내부 미세구조를 관찰하여 검진 및 치료와 수술시에 실시간의 위치 정보를 시각적으로 확인할 수 있도록 한 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법에 관한 것이다.
영상 유도 수술 시스템(Image guided surgery system)은 일반적으로 수술도중 외과의사가 수술 도구(surgery instrument)의 위치를 정하는 것을 보조하기 위하여 이용되며, 더 나아가 수술 전 시뮬레이션 또는 수술 계획 수립에 이용될 수 있다.
수술, 특히 뇌 수술과 같은 신경외과 수술(neuro-surgery)의 경우에 외과의사가 환자의 수술부위를 직접 보면서 수술 도구를 움직인다는 것은 매우 어렵고 심지어 불가능하기까지 하다.
일반적으로 영상 유도 수술 시스템은 수술 전에 촬영한 CT(computed tomography) 영상 또는 MRI(magnetic resonance) 영상을 모니터와 같은 디스플레이 장치에 디스플레이하고 이러한 영상에 대응되는 수술 도구의 위치를 구하여 함께 디스플레이한다.
따라서, 외과 의사는 영상 유도 수술 시스템의 디스플레이 장치를 통해서 수술 진행중인 부위와 수술 도구의 상대적인 위치를 파악할 수 있고, 이러한 영상 유도 시스템에 의해 환자의 체내에서 위험한 부위를 다치지 않으면서 수술 도구들을 이용해 수술을 진행할 수 있다.
그러나 이러한 영상 유도 수술 시스템에 의한 수술시에는 영상의 스케일과 방향이 외과의사가 실제로 보는 것과 차이가 있어, 뇌 수술과 같이 정밀도를 요구하는 수술에서 의사가 정확하게 수술부위의 위치를 파악하는데 어려움이 많았으며, 이로 인해 메스 등의 수술 도구의 위치를 여러 차례 변환하는 경우가 많아 수술시간도 지연되고 부작용 발생 확률도 높았다.
이와 같은 영상 유도 수술 시스템의 단점을 보완하기 위하여 종래 기술의 대부분의 형광을 이용한 광학 영상 시스템 기법은 자외선 광의 및 형광체를 사용하여 형광의 흡수 손실, 체내조직에 의한 산란, 특정 조직의 자체 형광 특성으로 단위 세포 분석 및 바이오 재료의 특성 분석에 이용이 되고 있으며, 영상 유도 수술용으로는 부분적인 영상확인에 사용되고 있다.
그럼에도 대부분의 영상진단 시스템의 정보가 진단에 초점이 되어 있으며, 수술시 실시간으로 미세 부위의 확인이 불분명하여 의사의 경험에만 의존하여 영상 유도 수술이 진행되고 있다.
특히, 이러한 대부분의 영상기법은 조직 특이적 형광분자의 부재 및 실시간 촬영의 제한 등의 한계가 있으며, 현재는 부분적인 영상유도수술(Image-guided surgery) 만이 일반 광학 영상기법을 통해 시행되고 있다.
따라서, 진단이 불분명하여 의사의 경험에만 의존하던 특정 질병(예, 췌장암) 수술의 경우 조직 특이적 조영제를 통해서만 진단 및 치료 가능한 문제 해결 및 환자의 생리학적 변화와 미세 수술 부위의 변화를 정확하게 평가할 수 있는 실시간 영상 유도 수술용 시스템개발의 필요성이 대두되어 미국을 비롯한 선진국을 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 이와 같은 현재까지의 연구 개발은 조직 특이적인 형광분자의 부재 및 고효율의 실시간 형광영상 획득 시스템의 제한 등의 한계가 있다.
한국공개특허번호 10-2013-0118086호 한국공개특허번호 10-2015-0019311호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 의료용 광학 영상 장치의 문제를 해결하기 위한 것으로, 근적외선 나노형광체를 이용하여 생체조직 내부 미세구조를 관찰하여 검진 및 치료와 특정부위의 외과 수술시에 실시간의 위치 정보를 시각적으로 확인할 수 있도록 한 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 조직 특이적인 형광분자의 부재 및 고효율의 실시간 형광영상 획득 시스템의 제한 등의 한계를 해결할 수 있도록 한 질병진단 및 치료를 위한 임상용 실시간 광학 영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 양성이온 성질을 가진 생체적합형 근적외선 나노형광체 개발과 이를 정확히 탐지해 낼 수 있는 고해상도 광학영상장비의 근적외선 광부품 개발을 통하여 암과 내분비계 질환의 추적영상 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브를 하부에 결합하여 미세부위의 체내의 영상 확인이 가능하도록 하고, 근적외선 파장을 사용 및 근적외선 나노형광체를 이용하여 생체조직 내부 미세구조를 관찰을 통한 검진 및 치료와 특정부위의 외과 수술에 실시간의 위치 정보를 시각적으로 확인 가능하도록 한 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치는 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사 모듈과, 제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사 모듈을 구비하고 획득된 영상을 결합하여 출력하는 본체 모듈부;상기 본체 모듈부에 컨넥터를 통하여 연결되고, 줌렌즈 및 대안 렌즈를 사이에 두고 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브가 결합되는 프로브 모듈부;를 구비하고, 실시간의 컬러 영상과 근적외선 형광광체를 통한 특정 부위의 형광 영상을 결합하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 본체 모듈부는, 상기 제 1,2 조사 모듈의 광 진행 경로에 각각 위치하여 대역 필터링을 하는 제 1,2BPF와,제 1,2BPF를 거친 제 1,2 조사 모듈의 광 진행 경로에 위치하여 파장에 따라 광을 선택적으로 통과시키는 다이크로익 필터와,다이크로익 필터에서 선택적으로 통과된 광의 경로를 구성하는 튜브와,튜브 일단에 위치하여 모터 구동으로 배율을 제어하는 모터라이즈 줌 렌즈와,모터라이즈 줌 렌즈와 결합되어 포커싱 제어를 하는 모터라이즈 포커싱 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1,2 조사 모듈은 650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1 조사 모듈은 칼라 채널 및 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고, 제 2 조사 모듈은 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1,2 조사 모듈은 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 형광 영상 획득을 위하여, 폴리메틴 인도시아닌 코어(polymethine indocyanine core)의 유도체 합성을 통하여 제조되고, 리간드와 결합한 최종 형태의 화합물의 표면 순전하(surface net charge)가 0가 되도록 디자인되는 근적외선 나노형광체를 사용하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템은 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사부를 제어하여 칼라 채널을 구성하는 칼라 채널 제어부 및 제 1 근적외선 형광 채널을 구성하는 제 1 근적외선 형광 채널 제어부;제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사하는 제 2 조사부를 제어하여 제 2 근적외선 형광 채널을 구성하는 제 2 근적외선 형광 채널 제어부;제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부의 제어에 의해 조사 영역에서 방출되는 광자를 측정하는 방출 광자 측정부;칼라 채널 제어부에 의한 칼라 영상 및 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부에 의한 제1,2 근적외선 형광 영상을 실시간으로 획득하는 영상 획득부;상기 영상 획득부에서 획득된 칼라 영상과 1,2 근적외선 형광 영상을 결합하는 영상 결합부;상기 영상 결합부에서 결합된 근적외선 형광을 이용한 광학 영상을 실시간으로 출력하는 영상 제공부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제 1,2 조사부는, 650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1 조사부는 칼라 채널 및 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고, 제 2 조사부는 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부는, 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 제 1,2 조사부는 영상 획득을 위한 촬상 장치로 CCD 모듈을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 제어 방법은 나노 형광체가 신체 특정 부위에 주입되면 칼라 채널 및 제1,2 근적외선 형광 채널을 구성하기 위한 제어를 하는 단계;제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부의 제어에 의해 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 단계;제 1,2 근적외선 형광 채널 구성에 따라 방출되는 광자 측정을 하는 단계;실시간으로 촬상되는 칼라 영상을 획득하고, 방출되는 광자 측정에 따른 제 1,2 근적외선 형광 영상을 칼라 영상에 실시간으로 결합하는 단계;칼라 영상과 1,2 근적외선 형광 영상이 결합된 근적외선 형광을 이용한 광학 영상을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 단계에서, 제 1,2 근적외선 형광 채널을 구성하기 위하여 근적외선을 조사하는 제 1,2 조사부에서의 근적외선 조사를 교번적으로 하거나, 광 진행 경로에 위치하여 파장에 따라 광을 선택적으로 통과시키는 다이크로익 필터(dichroic filter)에 의해 제 1,2 근적외선 형광 채널이 교번적으로 구성되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 실시간의 컬러 영상과 근적외선 형광광체를 통한 특정 부위의 형광 영상을 결합하여 치료 부위를 정확하게 판단할 수 있다.
둘째, 다양한 질병 조직 탐지와 목적한 생체 조직만을 가시화시킬 수 있도록 다채널 형태의 형광을 동시에 실시간으로 영상으로 획득 가능하다.
셋째, 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브를 하부에 결합하여 미세부위의 체내의 영상 확인이 가능하도록 하고, 진단과 치료의 동시 관찰이 가능하다.
넷째, 근적외선 나노형광체를 통해 질병조직 탐지능력을 높이고, 장시간의 영상유도 및 진단/치료가 가능하다.
다섯째, 근적외선의 서로 다른 여러 개의 파장에서 방출되는 광자를 컬러 영상과 같이 실시간으로 결합시켜 진단 및 치료 부위의 정확한 판단이 가능하기 때문에 다양한 응용분야에 적용이 가능하다.
여섯째, 조직을 세포수준으로 관찰해 질병 악성, 전이 정도 등의 정밀진단이 가능하고, 정상조직과 질병조직의 명확한 경계 제시 등 더 많은 병리학적 정보를 제공해 더욱 정확한 질병진단 및 치료를 가능하게 한다.
일곱째, 광학 영상 시스템을 저가로 구축할 수 있고, 높은 공간분해능으로 세포 수준의 탐지를 가능하게 하며, 비방사선 시스템이기 때문에 생체안정성이 뛰어나다.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 특성을 나타낸 구성도
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 구성도 및 파장 특성 그래프
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 상세 구성도
도 5는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 종단면 구성도
도 6은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템의 구성도
도 7은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템의 제어를 위한 플로우 차트
도 8a는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템을 통한 유방암 진단을 나타낸 이미지
도 8b는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템을 통한 췌장암 표적화 및 진단을 나타낸 이미지
이하, 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 특성을 나타낸 구성도이고, 도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 구성도 및 파장 특성 그래프이다.
본 발명은 질병진단 및 치료를 위한 임상용 실시간 광학영상 시스템의 개발에 관한 것으로, 생체적합형 근적외선 나노형광체 기반의 광학영상 유도 수술용 시스템에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법은 근적외선 파장을 사용 및 근적외선 나노형광체를 이용하여 생체조직 내부 미세구조를 관찰을 통한 검진 및 치료와 특정부위의 외과 수술에 실시간의 위치 정보를 시각적으로 확인 가능하도록 한 것이다.
또한, 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브를 하부에 결합하여 미세부위의 체내의 영상 확인이 가능하도록 하고, 진단과 치료의 동시 관찰이 가능하다.
도 1에서와 같이, 이전 기술들과는 달리 실시간의 컬러 영상과 근적외선 형광과체의 특정 부위의 형광 영상을 결합하여 치료 부위를 정확하게 판단하는 것이 가능하고, 다양한 질병 조직 탐지와 목적한 생체 조직만을 가시화시킬 수 있도록 다채널 형태의 형광을 동시에 실시간으로 영상이 획득될 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 실시간 영상유도 수술용 광학영상 광부품 및 시스템 개발을 위하여 도 2a와 도 2b에서와 같이 수술영역 확보를 위해 넓은 시계(field of view, >10cm)와 긴 작동거리 (working distance, >25 cm)를 충족하는 동시에, 조직의 세포수준 관찰을 위한 10 LP이상의 해상도가 가능하도록 광학 시스템을 구성한다.
또한 하나의 컬러채널과 두 개의 근적외선 형광채널 (700nm/800nm)을 통해 정상조직과 질병조직의 명확한 경계제시를 영상으로 획득하며, 이를 위해 고감도 광학 필터링 기술, 광부품 기술 및 생체시스템의 역공학(reverse engineering) 모델을 세워 2D 형광이미지를 통한 3D 조직구조의 영상화 시스템을 구현한다.
여기서, 두 개의 근적외선 형광채널을 구성하기 위한 파장 대역은 (700nm/800nm)을 일 예로 설명하였으나, 이로 제한되지 않음은 당연하다.
본 발명의 일 실시 예에서는 두 개의 근적외선 형광채널을 구성하기 위한 파장 대역을 760nm/660nm로 하는 것을 예로 하였다.
이와 같은 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 상세 구성은 다음과 같다.
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 상세 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치의 종단면 구성도이다.
본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치는 본체 모듈부와 본체 모듈부의 하부에 결합되는 프로브 모듈부로 구성된다.
본체 모듈부는 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사 모듈(41)과, 제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사 모듈(42)과, 제 1,2 조사 모듈(41)(42)의 광 진행 경로에 각각 위치하여 대역 필터링을 하는 제 1,2BPF(43)(44)와, 제 1,2BPF(43)(44)를 거친 제 1,2 조사 모듈(41)(42)의 광 진행 경로에 위치하여 파장에 따라 광을 선택적으로 통과시키는 다이크로익 필터(dichroic filter)(45)와, 다이크로익 필터(dichroic filter)(45)에서 선택적으로 통과된 광의 경로를 구성하는 튜브(46)와, 튜브(46) 일단에 위치하여 모터 구동으로 배율을 제어하는 모터라이즈 줌 렌즈(47)와, 모터라이즈 줌 렌즈(47)와 결합되어 포커싱 제어를 하는 모터라이즈 포커싱 렌즈(48)를 포함한다.
그리고 프로브 모듈부는 본체 모듈부의 출력단에 컨넥터(49)를 통하여 연결되고, 줌렌즈(50) 및 대안 렌즈(51)를 사이에 두고 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브(52)가 결합되는 구조이다.
이와 같은 본체 모듈부 및 프로브 모듈부의 구성 형태 및 렌즈 배열은 일 예를 나타낸 것으로 도 3내지 도 5에서와 같은 형태 및 구조로 제한되지 않는다.
여기서, 제 1,2 조사 모듈(41)(42)은 650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성한다.
바람직하게는 제 1 조사 모듈(41)은 칼라 채널 및 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고, 제 2 조사 모듈(42)은 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성할 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
그리고 제 1,2 조사 모듈(41)(42)은 영상 획득을 위한 촬상 장치로 CCD 모듈을 구비한다.
이와 같은 본 발명에서는 형광 영상 획득을 위한 생체적합형 근적외선 나노형광체를 사용하고, 생체적합형 근적외선 나노형광체를 폴리메틴 인도시아닌 코어(polymethine indocyanine core)의 여러 유도체의 합성을 통하여 제조한다.
또한, 다양한 리간드와의 화학적 결합을 통해 표적탐지를 가능하게 하며, 리간드와 결합한 최종 형태의 화합물의 표면 순전하(surface net charge)가 0가 되도록 디자인한다.
디자인된 나노형광체는 정맥주사시 4시간 이내에 90%이상의 양이 신장을 통해 배출이 일어나도록 하여, 일반조직에서의 비특이성 신호가 최소화되어 표적조직에 높은 신호대비를 가능하게 한다.
즉, 이와 같은 나노형광체는 생체내 순환과 배출의 경로에 최적화된 것으로, 정맥주사 후 혈관 내/외부에서의 평형상태가 효율적으로 형성되어 목적한 조직에 빠르게 이동하며, 잔여물은 일반조직에 흡수되지 않으면서 신장을 통해 여과(renal filtration)되는 배출 경로를 가진다.
형광분자는 분자수준에서의 세포표면흡착(membrane binding) 및 세포내 흡수 (endocytosis)가 이루어지며, 이는 분자 자체의 높은 특이성(specificity), 감도 (sensitivity), 그리고 높은 분리능력(selectivity)을 가능하게 만든다.
본 발명은 이와 같은 나노형광체를 이용하여 췌장암 진단에 적용 및 암조직 탐지와 같은 미세 조직의 영상화가 가능하도록 한 것이다.
이전의 형광물질(예, methylene blue)은 탐지할 수 없는 작은 암세포까지도 높은 해상도를 갖고, 실시간 영상화, 다채널 영상화할 수 있도록 한다.
또한, 근적외선 영역(650-900nm)에서의 광학 영상은 생체 기관에 관한 광학적 특성이 우수하기 때문에(높은 광투과도, 낮은 흡광도 및 산란도, 낮은 자가형광), 적절한 나노형광체를 사용시 표적 조직영상을 실시간으로 이끌어 낼 수 있다.
따라서 충분한 수술 시계를 확보할 수 있는 광학시스템과의 조합에 의해 효율적인 영상유도수술을 가능하게 하고, 광영상 시스템을 저가로 구축할 수 있고, 높은 공간분해능으로 세포 수준의 탐지를 가능하게 하며, 비방사선 시스템이기 때문에 생체안정성이 뛰어나다는 장점도 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치를 구비하는 시스템 및 그의 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템은 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사부(64)를 제어하여 칼라 채널을 구성하는 칼라 채널 제어부(61)와, 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사부(64)를 제어하여 제 1 근적외선 형광 채널을 구성하는 제 1 근적외선 형광 채널 제어부(62)와, 제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사하는 제 2 조사부(65)를 제어하여 제 2 근적외선 형광 채널을 구성하는 제 2 근적외선 형광 채널 제어부(63)와, 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부(62)(63)의 제어에 의해 조사 영역에서 방출되는 광자를 측정하는 방출 광자 측정부(66)와, 칼라 채널 제어부(61)에 의한 칼라 영상 및 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부(62)(63)에 의한 제1,2 근적외선 형광 영상을 실시간으로 획득하는 영상 획득부(67)와, 영상 획득부(67)에서 획득된 칼라 영상과 1,2 근적외선 형광 영상을 결합하는 영상 결합부(68)와, 영상 결합부(68)에서 결합된 근적외선 형광을 이용한 광학 영상을 출력하는 영상 제공부(69)를 포함한다.
여기서, 제 1,2 조사부(64)(65)는 650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성한다.
바람직하게는 제 1 조사부(64)는 칼라 채널 및 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고, 제 2 조사부(65)는 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성할 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
그리고 제 1,2 조사부(64)(65)는 영상 획득을 위한 촬상 장치로 CCD 모듈을 구비한다.
도 7은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템의 제어를위한 플로우 차트이다.
먼저, 나노 형광체를 신체 특정 부위에 주입하고(S701), 칼라 채널 제어부(61) 및 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부(62)(63)의 제어에 의해 칼라 채널 및 제1,2 근적외선 형광 채널을 구성하기 위한 제어를 수행한다.(S702)
여기서, 나노 형광체는 폴리메틴 인도시아닌 코어(polymethine indocyanine core)의 여러 유도체의 합성을 통하여 제조하고, 다양한 리간드와의 화학적 결합을 통해 표적탐지를 가능하게 하며, 리간드와 결합한 최종 형태의 화합물의 표면 순전하(surface net charge)가 0가 되도록 디자인하여 사용한다.
이어, 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부(62)(63)의 제어에 의해 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성한다.(S703)
여기서, 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 과정은 제 1,2 조사부(64)(65)에서의 근적외선 조사를 교번적으로 하거나, 광 진행 경로에 위치하여 파장에 따라 광을 선택적으로 통과시키는 다이크로익 필터(dichroic filter)에 의해 구성될 수 있다.
제 1,2 근적외선 형광 채널 구성에 따라 방출되는 광자 측정을 한다.(S704)
그리고 실시간으로 촬상되는 칼라 영상을 획득하고(S705), 방출되는 광자 측정에 따른 형광 영상을 칼라 영상에 실시간으로 결합하여(S706) 칼라 영상과 1,2 근적외선 형광 영상이 결합된 근적외선 형광을 이용한 광학 영상을 출력한다.(S707)
마찬가지로, 제 1,2 근적외선 형광 채널은 650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성한다.
바람직하게는 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고, 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성할 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
도 8a는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템을 통한 유방암 진단을 나타낸 이미지이다.
그리고 도 8b는 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템을 통한 췌장암 표적화 및 진단을 나타낸 이미지이다.
이와 같은 본 발명에 따른 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치 및 시스템 그리고 그의 제어 방법은 생체적합형 근적외선 나노형광체를 통한 질병조직 탐지능력의 향상과 목적한 생체 조직만을 가시화시켜 실시간 영상화를 통하여 진단 및 치료에 사용 가능하도록 하여 장시간의 영상유도 수술에 적용할 수 있도록 한 것이다.
적외선 영역 (650~900 nm) 에서의 광학영상은 생체 기관에 관한 광학적 특성이 우수하기 때문에(높은 광투과도, 낮은 흡광도 및 산란도, 낮은 자가형광), 적절한 나노형광체를 사용시 표적 조직 상을 실시간으로 이끌어 낼 수 있다.
본 발명은 이와 같은 특성을 고려하여 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브를 하부에 결합하여 미세부위의 체내의 영상 확인이 가능하도록 하고, 근적외선 파장을 사용 및 근적외선 나노형광체를 이용하여 생체조직 내부 미세구조를 관찰을 통한 검진 및 치료와 특정부위의 외과 수술에 실시간의 위치 정보를 시각적으로 확인 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
61. 칼라 채널 제어부 62. 제 1 근적외선 형광채널 제어부
63. 제 2 근적외선 형광채널 제어부 64. 제 1 조사부
65. 제 2 조사부 66. 방출 광자 측정부
67. 영상 획득부 68. 영상 결합부
69. 영상 제공부

Claims (13)

  1. 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사 모듈과, 제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사 모듈을 구비하고 획득된 영상을 결합하여 출력하는 본체 모듈부;
    상기 본체 모듈부에 컨넥터를 통하여 연결되고, 줌렌즈 및 대안 렌즈를 사이에 두고 인트라바이탈(Intravital) 및 내시경용(Endoscope) 프로브가 결합되는 프로브 모듈부;를 구비하고,
    실시간의 컬러 영상과 근적외선 형광광체를 통한 특정 부위의 형광 영상을 결합하여 출력하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 본체 모듈부는,
    상기 제 1,2 조사 모듈의 광 진행 경로에 각각 위치하여 대역 필터링을 하는 제 1,2BPF와,
    제 1,2BPF를 거친 제 1,2 조사 모듈의 광 진행 경로에 위치하여 파장에 따라 광을 선택적으로 통과시키는 다이크로익 필터와,
    다이크로익 필터에서 선택적으로 통과된 광의 경로를 구성하는 튜브와,
    튜브 일단에 위치하여 모터 구동으로 배율을 제어하는 모터라이즈 줌 렌즈와,
    모터라이즈 줌 렌즈와 결합되어 포커싱 제어를 하는 모터라이즈 포커싱 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 제 1,2 조사 모듈은 650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치.
  4. 제 1 조사 모듈은 칼라 채널 및 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고,
    제 2 조사 모듈은 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1,2 조사 모듈은 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 형광 영상 획득을 위하여,
    폴리메틴 인도시아닌 코어(polymethine indocyanine core)의 유도체 합성을 통하여 제조되고,
    리간드와 결합한 최종 형태의 화합물의 표면 순전하(surface net charge)가 0가 되도록 디자인되는 근적외선 나노형광체를 사용하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 장치.
  7. 제 1 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 1 조사부를 제어하여 칼라 채널을 구성하는 칼라 채널 제어부 및 제 1 근적외선 형광 채널을 구성하는 제 1 근적외선 형광 채널 제어부;
    제 2 파장 대역을 갖는 근적외선을 조사하는 제 2 조사하는 제 2 조사부를 제어하여 제 2 근적외선 형광 채널을 구성하는 제 2 근적외선 형광 채널 제어부;
    제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부의 제어에 의해 조사 영역에서 방출되는 광자를 측정하는 방출 광자 측정부;
    칼라 채널 제어부에 의한 칼라 영상 및 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부에 의한 제1,2 근적외선 형광 영상을 실시간으로 획득하는 영상 획득부;
    상기 영상 획득부에서 획득된 칼라 영상과 1,2 근적외선 형광 영상을 결합하는 영상 결합부;
    상기 영상 결합부에서 결합된 근적외선 형광을 이용한 광학 영상을 실시간으로 출력하는 영상 제공부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 제 1,2 조사부는,
    650 ~ 900nm 근적외선 영역에서 서로 다른 파장 대역의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 제 1 조사부는 칼라 채널 및 760nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하고,
    제 2 조사부는 660nm 파장의 근적외선 형광 채널을 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부는,
    제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템.
  11. 제 7 항에 있어서, 제 1,2 조사부는 영상 획득을 위한 촬상 장치로 CCD 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템.
  12. 나노 형광체가 신체 특정 부위에 주입되면 칼라 채널 및 제1,2 근적외선 형광 채널을 구성하기 위한 제어를 하는 단계;
    제 1,2 근적외선 형광 채널 제어부의 제어에 의해 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 단계;
    제 1,2 근적외선 형광 채널 구성에 따라 방출되는 광자 측정을 하는 단계;
    실시간으로 촬상되는 칼라 영상을 획득하고, 방출되는 광자 측정에 따른 제 1,2 근적외선 형광 영상을 칼라 영상에 실시간으로 결합하는 단계;
    칼라 영상과 1,2 근적외선 형광 영상이 결합된 근적외선 형광을 이용한 광학 영상을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템의 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 제 1,2 근적외선 형광 채널을 교번적으로 구성하는 단계에서,
    제 1,2 근적외선 형광 채널을 구성하기 위하여 근적외선을 조사하는 제 1,2 조사부에서의 근적외선 조사를 교번적으로 하거나,
    광 진행 경로에 위치하여 파장에 따라 광을 선택적으로 통과시키는 다이크로익 필터(dichroic filter)에 의해 제 1,2 근적외선 형광 채널이 교번적으로 구성되도록 하는 것을 특징으로 하는 근적외선 형광을 이용한 광학 영상 시스템의 제어 방법.
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