KR20170104511A - 안질환의 신체역학적 진단용 광학 기구 - Google Patents
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Abstract
안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 방법 및 시스템에는 브류앵 샘플 빔을 생성하기 위한 브류앵 광원, 및 SHG 샘플 빔을 생성하기 위한 제2 조화 진동 생성(SHG) 광원이 포함될 수 있다. 브류앵 샘플 빔 및 SHG 샘플 빔은 둘 다 초점 위치까지 공초점 방식으로 생물학적 조직 샘플에 대해 동시에 유도될 수 있다. 브류앵 샘플 빔으로부터 생성되는 브류앵 산란이 검출되어 샘플의 탄성역학적 특성 및 점탄성 특성을 결정할 수 있다. SHG 샘플 빔으로부터 생성되는 SHG 산란이 검출되어 샘플의 형태적 구조 표시를 결정할 수 있다. 샘플은 생체 내 인간 각막일 수 있다.
Description
본 개시는 분광측정 기구 및 방법, 보다 구체적으로는 안질환의 신체역학적 진단을 위한 광학 기구에 관한 것이다.
다양한 진단 및 임상 기구가 생물학적 문제의 생체내 조영, 특히 인간 눈에서의 구조 조영을 위해 개발되었다. 구체적으로, 광학 기구는 인간 눈의 상이한 섹션의 기하구조 및 광학 특징을 측정하기 위해 이용된다. 이러한 분석에 의해 제공되는 기하구조 및 광학 특징은 안과적 건강 상태를 진단하고 적합한 치료 계획을 개발하기 위한 시도에서, 환자의 개별 눈의 다양한 정도의 신체역학적 또는 생리적 모델링을 가능케 할 수 있다.
원추각막은 인간 눈의 변성 질환으로, 중심 또는 중심주위 각막에서 비염증성 박화 및 곡률 경사화를 특징으로 하여, 질환의 특징이 되는 원뿔형 각막을 생성한다. 원추각막이 진행됨에 따라 각막에서의 구조적 변화는 환자에서 상당한 시력 손상을 유도한다. 원추각막에 의해 유도되는 각막의 구조적 변화는 수술 후 각막 확장(또는 박화)으로 인한 증가된 위험 가능성으로 인해, 특정한 레이저 시력 교정술, 예컨대 레이저 보조 원 위치 각막절삭(라식, LASIK)술 또는 굴절교정 각막절제(PRK)술의 추가 합병증이 될 수 있다.
원추각막에 의해 유도되는 시력 손상은 특수 착용 안경 또는 각공막 콘택트 렌즈를 이용해서 어느 정도 교정될 수 있다. 그러나 이러한 조치는 원추각막이 후기 단계 병리로 진행되는 경우 효과적이 아닐 수 있다. 진행된 단계의 원추각막에 있어서, 각막 가교 치료가 수행되며, 현재 완전한 시력 재활이 예후되지 않지만, 병리를 중지시키거나 적어도 감속할 수 있다.
원추각막에 더하여, 다른 유형의 각막 변성이 인간 각막의 신체역학적 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 각막돌출로도 알려져 있는 투명 변연부 각막 변성(PMD)은 변성 비염증성 각막 질병으로, 전형적으로 각막의 하부 및 말초 영역에서 투명한 양측성 확장을 특징으로 한다. 특히, PMD 환자는 온전한 중심 상피를 갖는 각막 중심에서는 정상 두께를 나타낼 수 있는 반면, 하부 각막에서는 말초의 박화 밴드를 나타낼 수 있다. 변연부에 바로 인접한 각막 부분은 PMD의 대상이 될 수 있고, 전형적으로 약 수 밀리미터의 띠가 포함된다. PMD의 추가적 결과로서, 각막의 보우만층이 없거나, 불규칙하거나, 파열된 영역을 가질 수 있다.
눈 조직, 예컨대 각막 및 눈 수정체의 점탄성 특성의 광학 검사는 브류앵 산란(BS)을 이용해서 수행되어 왔으며, 이는 음자-광자 상호작용에 의해 입사 간섭광을 산란시키는 샘플링된 물질 내부의 위치-의존적 질량 밀도 변이에 의존한다. 눈 조직으로부터의 브류앵 산란광 빔을 분광측정에 의해 분석함으로써, 눈 조직의 특정한 신체역학적 특성, 예컨대 분석되는 눈 조직의 점탄성 특성이 결정될 수 있다. 브류앵 산란을 이용한 눈-조직의 점탄성 특성의 결정은 각막의 관련된 신체역학적 특성, 예컨대 경도 및 강성도에 대한 가교 치료의 실제적인 정성적 영향을 탐색하고 보고하기 위해, 자외(UV)선을 이용한 각막의 원추각막 가교 치료와 더불어 특히 유용할 수 있다.
또한, 각막의 미세한 생체구조는 눈 조직의 특정 영상을 생성하기 위해 다중광자 현미경을 이용해서 검사될 수 있다. 다중광자 조영 동안, 각막에서 상이한 구조가 다중광자 흡수를 통해 여기되고 자가형광을 거칠 수 있다. 대안적으로, 특정한 비-등방성 구조, 예컨대 각막 내의 콜라겐 피브릴이 비-선형 상호작용을 통해 샘플 빔 파장의 제2 조화 진동 생성(SHG) 또는 제3 조화 진동 생성(THG)을 위해 이용될 수 있다. 상기 방식으로, SHG 또는 THG 신호는 각막에서 다양한 구조의 위치 및 분포를 표시할 수 있다.
특히, SHG 신호는 각막에서 피브릴의 위치 및 분포와 연관되었다. 각막 피브릴의 배열 및 배향뿐만 아니라 이의 위치 및 밀도는 SHG 신호를 이용해서 분석되는 영역에서 각막의 광학적 및 기계적 특성과 연관될 수 있다. 광학 특성에는 투명도 및 산란이 포함될 수 있는 반면, 기계적 특성에는 탄성역학적 특성, 예컨대 강도가 포함될 수 있다. 진행된 단계의 안질환, 예컨대 원추각막 및 각막 이상증에서, 이환 눈 조직의 광학적 및 기계적 특성에서의 변화는 각막의 조면 구조에서 검출 가능한 것으로 알려져 있다. 따라서, SHG 신호를 이용하는 분석은 각막의 미세 구조를 검사하기 위해 적합한 방법일 수 있고, 안질환 병리의 조기 검출을 가능케 할 수 있다. 추가적으로, 펨토초(fs) 레이저를 이용한 특정한 라식술 동안 SHG 신호가 각막 피브릴로부터 생체내 생성되며, 라식 절제의 방향성 및 위치에 대한 식견을 제공할 수 있다.
하나의 양태에서, 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위해 개시되는 방법에는 광학 시작점을 공유하는 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 생성하는 단계 및 생물학적 조직 샘플에서 초점 위치까지 공초점 방식으로 생물학적 조직 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계가 포함된다. 방법에는 초점 위치로부터 제1 샘플 빔에 의해 역산란된 제1 광자를 포함하는 제1 신호 빔을 검출하는 단계가 포함된다. 제1 신호 빔은 브류앵 산란 검출기를 이용해서 검출된다. 방법에는 또한 초점 위치로부터 제2 샘플 빔에 의해 역산란된 제2 광자를 포함하는 제2 신호 빔을 검출하는 단계가 포함된다. 제2 신호 빔은 제2 조화 진동 생성(SHG) 검출기를 이용하여 검출된다.
임의의 개시된 구현예에서, 방법에는 추가로 제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 탄성역학적 특성을 결정하는 단계, 제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 점탄성 특성을 결정하는 단계, 및 제2 신호 빔으로부터, 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 형태적 구조 표시를 결정하는 단계가 포함될 수 있다.
방법의 임의의 개시된 구현예에서, 공초점 방식으로 샘플에 대한 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에는 공통 광학 경로를 따른 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔의 전파 단계가 포함될 수 있다.
방법의 임의의 개시된 구현예에서, 제1 샘플 빔은 협대역 연속파 레이저를 이용해서 생성될 수 있고, 제2 샘플 빔은 펨토초-섬유 레이저를 이용해서 생성될 수 있고, 브류앵 산란 검출기에는 분광측정기가 포함될 수 있고, SHG 검출기에는 제2 신호 빔에 감수성인 광캐소드가 포함될 수 있다.
방법의 임의의 개시된 구현예에서, 제1 신호 빔에는 초점 위치로부터의 레일리 산란 광자 및 브류앵 산란 광자가 포함될 수 있는 반면, 제2 신호 빔에는 제2 샘플 빔 파장의 절반 파장의 광자가 포함될 수 있다. 방법의 임의의 개시된 구현예에서, 생물학적 조직 샘플은 인간 눈의 일부를 포함하는 생체내 생물학적 조직일 수 있다.
방법의 임의의 개시된 구현예에서, 공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에는 생물학적 조직 샘플 내 초점 위치의 축 위치를 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔에 평행한 제1 축을 따라 변화시키는 단계가 포함될 수 있다. 방법의 임의의 개시된 구현예에서, 공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에는 생물학적 조직 샘플 내 초점 위치의 측면 위치를 제1 축과 수직인 제2 축 및 제3 축 중 적어도 하나를 따라 변화시키는 단계가 포함될 수 있다. 방법의 임의의 개시된 구현예에서, 공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에는 생물학적 조직 샘플을 스캐닝하여 제2 신호 빔을 이용해서 이미지 데이터를 생성하는 단계가 포함될 수 있다. 방법에서, 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔은 생물학적 조직 샘플의 상이한 공통 위치로 유도될 수 있다. 방법에서, 스캐닝 단계에는 초점 위치의 축 위치 및 초점 위치의 측면 위치 중 적어도 하나를 변화시키는 단계가 포함될 수 있다.
또 다른 개시된 양태에서, 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 광학 기구에는 제1 샘플 빔을 생성하기 위한 제1 광원, 및 제2 샘플 빔을 생성하기 위한 제2 광원이 포함된다. 광학 기구에는 추가로 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 적층하여 조합된 샘플 빔을 생성하기 위한 제1 부분 거울이 포함된다. 광학 기구에는 또한 생물학적 조직 샘플에서 초점 위치로부터 제1 샘플 빔에 의해 역산란된 제1 광자를 포함하는 제1 신호 빔을 수신하기 위한 분광측정기를 포함하는 브류앵 산란 검출기가 포함된다. 광학 기구에는 추가로 초점 위치로부터 제2 샘플 빔에 의해 역산란된 제2 광자를 포함하는 제2 신호 빔에 감수성인 광캐소드를 포함하는 제2 조화 진동 생성(SHG) 검출기가 포함된다.
임의의 개시된 구현예에서, 광학 기구에는 추가로 공초점 방식으로 초점 위치까지 조합된 샘플 빔을 전파시키고, 공초점 방식으로 초점 위치로부터 제1 신호 빔 및 제2 신호 빔을 포함하는 조합된 신호 빔을 전파시키기 위한 제2 부분 거울이 포함될 수 있다.
임의의 개시된 구현예에서, 광학 기구에는 추가로 생물학적 조직 샘플에서 초점 위치의 축 위치를 조합된 샘플 빔에 평행한 제1 축을 따라 공초점 방식으로 변화시키기 위한 포커싱 요소가 포함될 수 있다. 임의의 개시된 구현예에서, 광학 기구에는 추가로 생물학적 조직 샘플에서 초점 위치의 측면 위치를 제1축에 수직인 제2축 및 제3축 중 적어도 하나를 따라 공초점 방식으로 변화시키기 위한 스캐닝 요소가 포함될 수 있다. 광학 기구에서, 포커싱 요소 및 스캐닝 요소 중 적어도 하나는 생물학적 조직 샘플을 스캐닝하여 제2 신호 빔을 이용해서 이미지 데이터를 생성하기 위한 것일 수 있다. 광학 기구에서, 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔은 둘 다 생물학적 조직 샘플의 상이한 공통 위치로 유도될 수 있다. 광학 기구에서, 포커싱 요소 및 스캐닝 요소 중 적어도 하나는 초점 위치의 축 위치 및 초점 위치의 측면 위치 중 적어도 하나를 변화시키기 위한 것일 수 있다.
광학 기구의 임의의 개시된 구현예에서, 제1 광원에는 협대역 연속파 레이저가 포함될 수 있으며, 제2 광원에는 펨토초-섬유 레이저가 포함될 수 있고, 브류앵 산란 검출기에는 분광측정기가 포함될 수 있고, SHG 검출기에는 제2 신호 빔에 감수성인 광캐소드가 포함될 수 있다.
광학 기구의 임의의 개시된 구현예에서, 제1 신호 빔에는 초점 위치로부터의 레일리 산란 광자 및 브류앵 산란 광자가 포함될 수 있는 반면, 제2 신호 빔에는 제2 샘플 빔 파장의 절반 파장의 광자가 포함될 수 있다. 광학 기구에서, 생물학적 조직 샘플은 인간 눈의 일부를 포함하는 생체내 생물학적 조직일 수 있다.
광학 기구의 임의의 개시된 구현예에서, 브류앵 산란 검출기는 제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직의 탄성역학적 특성을 결정하고, 제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직의 점탄성 특성을 결정하기 위한 것일 수 있다. 광학 기구의 임의의 개시된 구현예에서, SHG 검출기는 제2 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 형태적 구조 표시를 결정하기 위한 것일 수 있다.
본 발명 및 그 특징과 장점의 보다 완전한 이해를 위해, 이제 하기 설명을 첨부되는 도면과 함께 참조한다.
도 1은 안질환의 신체역학적 진단을 위한 광학 기구의 구현예의 선택된 요소의 구성도이다.
도 2는 안질환의 신체역학적 진단 방법의 선택된 요소의 순서도이다.
도 3은 안질환의 신체역학적 진단 방법의 선택된 요소의 순서도이다.
도 4는 안질환의 신체역학적 진단을 위한 신호 처리 시스템의 구현예의 선택된 요소의 구성도이다.
도 1은 안질환의 신체역학적 진단을 위한 광학 기구의 구현예의 선택된 요소의 구성도이다.
도 2는 안질환의 신체역학적 진단 방법의 선택된 요소의 순서도이다.
도 3은 안질환의 신체역학적 진단 방법의 선택된 요소의 순서도이다.
도 4는 안질환의 신체역학적 진단을 위한 신호 처리 시스템의 구현예의 선택된 요소의 구성도이다.
하기 설명에서, 개시된 요지 대상의 논의를 촉진하는 예로서 상세사항을 나타낸다. 그러나 당업자에게는 개시된 구현예가 예시적이며 모든 가능한 구현예를 포괄하는 것이 아님이 자명하다.
본원에서 이용되는 참조 수치의 하이픈 표시 형태는 요소의 구체 예를 나타내며, 참조 수치의 하이픈 표시되지 않은 형태는 종합적 요소를 나타낸다. 따라서, 예를 들어, 장치 '12-1'은 장치 클래스의 하나의 예를 나타내며, 이는 종합적으로 장치 '12'로 나타낼 수 있고, 이 중 어느 것이든 일반적으로 장치 '12'로 나타낼 수 있다.
인간 각막의 신체역학적 안정성에 영향을 미치는 각막 변성, 예컨대 원추각막을 일으키는 안질환의 조기 검출을 위해, 다양한 안질환 병리 개시의 재현성 있는 진단에 적합한 광학적 검사 방법을 이용해서 각막을 물리적으로 분석하는 것이 바람직할 수 있다. 바람직한 광학 검사 방법은 각막의 임상적으로 발현되는 거시적 구조 변화가 출현하기 전에 각막 변성의 검출을 가능케 할 수 있다.
전형적으로, 눈 조직의 광학 검사를 위한 상이한 방법, 예컨대 브류앵 산란 및 다중광자 조영이 눈 조직에서의 조직에 대해 공간적으로 제어되지 않는 방식으로 별도로 수행된다. 별도의 광학적 검사 방법은 여러 진단 및 임상 적용에서 눈 조직의 물리적 특성을 더 잘 이해하고 특성규명하는 데 있어서 제약 요인일 수 있다.
따라서, 상이하고 공간적으로 연관되지 않는 광학 검사 방법은 여러 진단 및 임상 적용에서 눈 조직에서의 구조의 분석 및 특성규명을 제한할 수 있다. 하기 설명에서, 인간 각막을 포함하는 눈 조직으로부터 브류앵 산란 신호 및 SHG 신호의 공간적으로 정밀한 연관성을 확보할 수 있는 신체역학적 안질환을 위한 광학 시스템이 개시된다.
각막 또는 각막의 개별적인 구조 부분은 선형-탄성, 균질성 또는 등방성 물질로 특성규명될 수 있다. 각막의 생체구조에는 각막 상피, 보우만층(전방 경계막으로도 알려져 있음), 각막 기질(고유질로도 알려져 있음), 듀아층, 데스메막(후방 경계막으로도 알려져 있음) 및 각막 내피가 포함된다. 각막 안질환의 병인에 있어서 그리고 병리 동안, 각막의 신체역학적 특성의 변화는 안질환의 검출과 크게 관련되는 것으로 간주될 수 있다.
물질, 예컨대 인간 각막의 신체역학적 특성은 탄성역학적 특성 또는 점탄성 특성 또는 이의 조합으로 나타날 수 있고, 물질의 강성도와 관련될 수 있다. 신체역학적 특성은 상이한 계수를 이용해서 특성규명될 수 있다.
응력은 변형에 의해 유도되는 물질 내 복원력을 복원력이 적용되는 면적으로 나눈 것으로 정의될 수 있다. 장력은 물질의 원래 상태에 대한 응력에 의해 유도되는 물질의 기계적 치수 변화의 비로 정의될 수 있다.
종방향 계수 M(P-파 계수 또는 제한 계수로도 알려져 있음)은 등방성인 균질성 물질을 설명하기 위해 이용된다. 종방향 계수 M은 제로 측면 장력으로도 불리는 상태인 모든 다른 비-축 장력이 0인 단축 장력 상태에서 축 장력에 대한 축 응력의 비로서 정의된다.
영의 계수 E(탄성 계수로도 간단히 나타냄)는 신장 탄성을 설명하기 위해 이용된다. 물질의 신장 탄성은 대항력이 축을 따라 적용되는 경우의 축 변형 반응이다. 영의 계수 E는 신장 장력에 대한 신장 응력의 비로 정의된다.
레임의 제1 파라미터 λLame(그리스어: 람다-Lame)이 또한 신장 탄성을 설명하기 위해 이용된다.
전단 계수 G(경직도 계수, μ, 그리스어: 뮤, 또는 레임의 제2 파라미터로도 알려져 있음)는 대항력이 적용되는 경우 일정한 부피에서 물질의 전단 변형 반응을 설명하기 위해 이용된다. 전단 계수 G는 전단 장력에 걸친 전단 응력으로 정의되며, 물질의 점도를 유도하기 위해 이용될 수 있다.
체적 탄성률 K는 용적 탄성 또는 등방성 힘, 예컨대 기체압에 대한 물질의 등방성 변형 반응을 설명하기 위해 이용된다. 체적 탄성률 K는 용적 장력에 걸친 용적 응력으로 또는 압축력 κ(그리스어: 카파)의 역수로 정의된다. 체적 탄성률 K는 영의 계수 E의 3차원으로의 연장이다.
푸아송 비 ν(그리스어: 누, 푸아송 수로도 알려져 있음)는 제1 축에 따라 압축되는 경우, 둘 다 제1 축에 수직인 제2 축 및 제3 축으로 팽창되는 물질의 변형 반응을 설명하기 위해 이용된다. 푸아송 비 ν는 축방향 장력에 대한 횡방향 장력의 음의 비로 또는 압축 분율로 나눈 팽창 분율로 정의된다.
균질한 등방성 선형 탄성 물질에 있어서, 특정 식이 상술된 다양한 계수 간 상관관계를 설명하기 위해 이용된다. 예를 들어, 체적 탄성률 K, 영의 계수 E, 및 전단 계수 G는 식 1에 주어진 바와 같이 푸아송 비 ν와 관련된다.
또한, 체적 탄성률 K, 전단 계수 G, 및 종방향 계수 M은 식 2에 주어진 바와 같이 관련된다.
앞서 주지된 바와 같이, 브류앵 산란은 눈 조직의 신체역학적 특성을 측정하기 위해 채용될 수 있다. 브류앵 산란에서, 음자로도 불리는 음향파는 물질 내부의 위치 의존적 질량 밀도 변이를 나타낼 수 있다. 질량 밀도 변이로 생성되는 편재된 압축으로 인해, 굴절률로도 알려져 있는 물질의 광학 밀도는 국소적으로 변할 수 있다. 광학 밀도 n에서의 국소적 변이는 공간적으로 주기적인 광학 밀도 변이를 일으킬 수 있고, 이는 물질에 입사하는 간섭광에 대한 회절 요소로서 거동한다. 간섭광이 물질로부터 편향되거나 반사됨으로써 이러한 회절 요소와 상호작용하는 경우 브류앵 산란이 일어난다. 음자는 주어진 속도로 물질 내를 이동하므로, 음자로부터 편향되거나 반사된 빛은 주파수(또는 파장)에서 도플러 이동을 거친다. 다시 말하면, 브류앵 산란된 광자는 비탄성 산란 공정으로 인해 입사 광자와 상이한 에너지를 가질 것이다. 광자 에너지의 변화는 식 3으로 주어지는, 주파수 f(또는 파장 λ)의 변화로서 표현될 수 있다.
식 3에서, c는 진공에서 빛의 속도이고, n은 비교란 물질의 광학 밀도이다. 브류앵 산란은 입사 광자의 주파수 f(또는 파장 λ)에 대해 양이거나 음일 수 있는 주파수 이동 f B (또는 파장 이동 λ B )를 일으킨다. 결과적으로, 비탄성 브류앵-산란 광자는 f ± f B 로 주어지는 가능한 주파수(또는 λ ± λ B 로 주어지는 가능한 파장)를 가질 것이다. 브류앵 산란 광의 스펙트럼에는 탄성적으로 편향되거나 반사된 광이 포함되어, 비탄성 브류앵-산란 광을 따라 주파수 f(또는 파장 λ)에서 레일리 피크를 형성하고, 적어도 하나의 추가적인 사이드 피크(사이드 밴드로도 불림)를 형성할 것이다. 사이드 피크가 입사 광자보다 높은 에너지를 갖는 산란된 광자로부터 생성되는 경우, f + f B (또는 λ - λ B )에서 스토크 피크가 관찰될 수 있다. 사이드 피크가 입사 광자보다 낮은 에너지를 갖는 산란된 광자로부터 생성되는 경우, f - f B (또는 λ + λ B )에서 반-스토크 피크가 관찰될 수 있다.
일반적으로, 브류앵-산란 광자는 브류앵-산란 광의 주파수 이동 f B 가 식 4에 주어진 바와 같이, 입사 광자 및 브류앵-산란 광자 간 산란각 θ에 의존하도록 전파 방향이 변화할 것이다.
식 4에서, n은 비교란 물질의 광학 밀도이고, V는 물질 내 음자의 속도이고, λ는 진공에서 입사 광자의 파장이고, θ는 산란각이다. 정의에 따르면, 입사 광자의 전파 방향은 입사 광자가 물질 표면과 직교하도록 θ가 0인 경우, 브류앵-산란 광자의 전파 방향과 역-평행이다. 식 4에서, 양(+)의 결과는 반-스토크 브류앵 피크에 대응하는 반면, 음의 결과(-)는 스토크 브류앵 피크에 대응한다. 파장 |λ B | << λ인 경우, 식 5는 f B 및 λ B 간 상관관계를 설명한다.
주파수 이동 f B 가 산란각 θ에 의존하는 경우, 각각의 산란각 θ는 특정한 주파수 이동 f B 와 연관된다. 주파수 이동의 최대 또는 최소값은 식 3에서 θ=0°로 설정함으로써 수득되어 식 6이 얻어지며, 이는 브류앵 산란 물질에 대해 직교하는 입사광 빔에 대응한다.
θ=0°인 특별한 경우, 주파수 이동 f B 는 종방향 브류앵 이동으로 불릴 수 있다.
브류앵 산란광 빔을 분광측정학적으로 분석하여, 산란 물질의 특정한 신체역학적 특성이 결정될 수 있다. 예를 들어, 복잡한 값의 종방향 계수 M은 식 7에 의해 주어진 바와 같이 음자 V의 속도에 의존한다.
식 7에서, ρ는 음자가 전파되는 물질의 질량 밀도이며, Δf B 는 브류앵 산란 사이드 밴드의 선폭이다.
선폭 Δf B 는 음자 수명의 역수에 대응하며, 물질을 통한 전파 동안 음자(음파)의 감쇠를 특징으로 한다. 하나의 구현예에서, 선폭 Δf B 는 스토크 또는 항-스토크 브류앵 피크의 절반 최대에서의 전폭(FWHM)으로 측정될 수 있다. 다른 구현예에서, 주파수 간격 Δf B 를 특징으로 하는 스펙트럼 폭의 또 다른 적합한 정의가 이용될 수 있다. 예를 들어, 모든 스펙트럼 성분의 진폭은 최대 진폭을 갖는 스펙트럼 성분의 특정된 분율 이상인 것으로 가정될 수 있다.
브류앵 산란 광자가 입사 광자에 대해 역-평행 방향으로 나오는 경우, 예컨대 θ=0°인 경우, 식 2에서 자명한 바와 같이, 전단 계수 G는 0일 것이고, 종방향 계수 M은 체적 탄성률과 같을 것이다. 이 경우, 복잡한 값의 종방향 계수 M에 대한 값 M 1 및 M 2 는 식 8 및 9에 의해 각각 주어질 것이다.
식 8에서, M 1 은 물질의 탄성역학적 특성을 설명하는 반면, 식 9에서, M 2 는 물질의 점탄성 특성을 설명한다. 따라서, 입사 빔(브류앵 샘플 빔으로도 불림)에 반응하여 물질로부터 역산란된 브류앵 산란광 빔(브류앵 신호 빔으로도 불림)의 사이드 밴드(스토크 또는 반-스토크) 중 하나의 주파수 이동 f B 를 측정함으로써, 물질의 탄성역학적 특성이 결정될 수 있다. 또한, 사이드 밴드의 선폭 Δf B 를 측정함으로써, 물질의 점탄성 특성이 결정될 수 있다.
브류앵 산란에 부가하여, 인간 각막으로부터의 SHG 신호는 각막에서 피브릴의 위치 및 분포와 연관되었다. SHG는 식 10에 의해 주어진 바와 같이, 전체-파장에서 여기에 반응하는 물질에 의한 절반-파장에서의 광자의 2차 비선형 방출을 나타낸다.
식 10에서, λ SHG 는 SHG 신호 빔에서 SHG 신호의 파장이며, λ 1 은 여기 빔(SHG 샘플 빔으로도 불림)의 파장이다.
인간 각막으로부터 SHG 신호에 대한 여기는 각막 생체구조의 이미지를 생성하기 위해 이용될 수 있는 SHG 신호의 정밀한 공간적 집합을 위해 원하는 샘플링 위치에 포커싱된 fs-섬유 레이저를 이용해서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 여기 영역은 인간 각막으로부터 SHG 신호를 수집하는 경우 수 마이크론 수준일 수 있다. 각막 내 피브릴은 콜라겐으로 이루어지며, 이는 매우 효과적인 비선형 SHG 신호원으로 알려져 있다. 또한, 여기 빔과 각막 콜라겐 피브릴의 비선형 상호작용은 콜라겐 피브릴의 위치, 배향, 밀도, 및 정렬에 의존하며, 이는 다양한 각막 조직의 생체구조 조건에 대한 상당한 식견을 제공하는 SHG 신호를 생성할 수 있다.
생체내 조영을 위해, 후향 SHG 신호(B-SHG)가 인간 각막으로부터 수득될 수 있다. B-SHG 신호 빔은 입사 SHG샘플 빔에 대해 대략 역-평행 방향으로 방출될 수 있고, 임의의 적합한 광학 검출 시스템에 의해 검출될 수 있다. 일부 구현예에서, 광전자 증배관(PMT)이 B-SHG 신호를 이용하여 조영의 고감도 적용을 위한 SHG 검출기로서 이용될 수 있다. 일부 구현예에서, PMT와 유사하지만 복수의 별도 채널을 이용해서 추가적인 공간적 해상도를 제공하는 다중-채널 플레이트 검출기가 SHG 검출기로 이용될 수 있다. SHG 검출기에는 샘플링된 물질로부터 복귀하는 측정 빔으로부터의 λ SHG 파장을 구별하기 위해 광학 필터가 장착될 수 있다. PMT 또는 유사한 광검출기가 이용되는 경우, λ SHG 파장에 대해 원하는 감도에 대한 광캐소드 물질이 선택될 수 있다. 또한, 일부 경우, SHG 샘플 빔의 편광화가 샘플링된 물질의 특정한 방출 모드에 대한 추가 선택성을 위해 채용될 수 있다. 편광-감수성 방출 모드는 샘플링된 물질이 인간 각막 조직인 경우, 콜라겐 피브릴의 형태적 특색에 관련될 수 있다. SHG 샘플 빔이 편광되는 경우, SHG 검출기에는 또한 SHG 신호 빔에서 다양한 편광 배향을 구별하기 위해 편광 필터가 포함될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 안질환의 신체역학적 진단을 위한 광학 기구(100)를 나타내는 구성도이다. 광학 기구(100)는 축적에 맞춰 그려지지 않았고 다만 도식적 표시이다. 나타낸 바와 같이, 광학 기구(100)는 인간 눈을 나타낼 수 있는 샘플(112)을 분석하기 위해, 특히 인간 눈의 각막(114)을 분석하기 위해 이용된다. 또한, 광학 기구(100)에서, 좌표 시스템(120)은, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(131)이 축 방향 Z로 샘플(112)을 향해 전파되도록 샘플(112)에 대해 축 방향 Z 및 측면 방향 X 및 Y를 정의한다. 이에 따라 광학 기구(100)는 공간적으로 관련되는 측정 방법을 이용해서 샘플(112)로부터 브류앵 신호 및 SHG 신호를 둘 다 동시에 포획할 수 있게 된다. 상기 방식으로, 광학 기구(100)는 여러 진단 및 임상 적용에서 샘플(112)에서 눈 조직의 특정한 물리적 특성의 개선된 분석 및 측정을 구현할 수 있다.
나타낸 바와 같이, 광학 기구(100)에는 SHG 샘플 빔(130)이 생성되는 SHG 광원(102)이 포함된다. SHG 광원(102)이 fs-섬유 레이저인 경우, λ 1 파장은 특정한 구현예에서 1030 나노미터(nm)일 수 있고, λ SHG 파장은 이에 따라 515 nm일 수 있다. 광학 기구(100)에는 브류앵 샘플 빔(132)이 생성되는 브류앵 광원(104)이 추가로 포함된다. 브류앵 광원(104)은 눈 조직에서 브류앵 산란에 적합한 임의의 협대역 광원일 수 있다. 일부 구현예에서, 브류앵 광원(104)은 532 nm의 파장 및 약 1 MHz의 선폭을 갖는 단일 모드 연속파 레이저이다. SHG 광원(102) 및 브류앵 광원(104)은 초점 위치(116)에서 샘플(112)에 대해 공초점으로 배치될 수 있고, 이는 포커싱 렌즈(124)를 이용해서 조정될 수 있다.
도 1에서, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)은 부분 거울(110-1)에서 단일 광학 경로로 조합된다. SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)의 조합된 빔은 샘플(112)에서 다양한 위치를 스캐닝하기 위해, 스캐너(118)를 이용해서 X-Y 면에서 공간적으로 조절될 수 있다. 스캐너(118)는 이에 따라 각막(114)에서의 상이한 관심 영역과 같이, 샘플(112)에서의 다양한 위치를 샘플링하기 위해 X-Y 면에서 초점 위치(116)를 조절할 수 있다. 스캐너(118)로부터, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)의 조합된 빔은 포커싱 렌즈(124)를 통해 부분 거울(110-2)에서 샘플(112)까지 전파될 수 있다. 포커싱 렌즈(124)는 Z 축을 따라 초점 위치(116)를 변화시키기 위해 임의의 적합한 기전을 이용해서 Z 축에서 조정 가능할 수 있다. 따라서, 도 1에 나타낸 구현예에서, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)은 SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132) 둘 다에 대한 공통 광학 시작점으로 작용하는 부분 거울(110-1)로부터의 공통 광학 경로를 따라 샘플(112)까지 전파된다.
부분 거울(110-2)로부터 샘플(112)을 향해, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)의 조합된 빔은 샘플(112)의 표면과 직교하거나 실질적으로 직교하는 방향으로 샘플(112)까지 전파될 수 있다. 조합된 빔이 특정 빔 폭을 갖는 정도까지, 포커싱 렌즈(124)는 포커싱 위치(116)에서 원하는 샘플 영역까지 SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)을 번들링할 수 있다. 이어서, SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133)의 조합된 빔은 샘플(112)로부터 부분 거울(110-2)을 향해 다시 산란될 수 있다. 광학 기구(100)에 도시된 샘플링 기하구조는 예시적인 것이며 상이한 구현예로 개질될 수 있음이 주지된다.
부분 거울(110-2)로부터 부분 거울(110-3)을 향해, SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133)의 조합된 빔은 천공(122)을 통해 전파될 수 있다. 천공(122)은 SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133)에 대해 공초점으로 배열될 수 있다. 천공(122)은, 예를 들어, 스캐너(118)에 따라, SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133)에서 광자를 특정한 스캔각으로 제한하기 위해 이용될 수 있다. 따라서, 천공(122)은 스캐너(118)에 의해 이용되는 스캔각에 따라 기계적으로 조정 가능할 수 있다. 다른 구현예에서, 포커싱 렌즈(124)는, 예를 들어 천공(122)이 고정된 경우, SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133)이 천공(122)과 정렬되도록, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)을 중심으로 맞추거나 정렬하기 위해 이용될 수 있다.
부분 거울(110-3)에서, SHG 신호 빔(131)은 검출 렌즈(126)를 통해 SHG 검출기(106)까지 유도될 수 있는 반면, 브류앵 신호 빔(133)은 검출 렌즈(128)를 통해 브류앵 검출기(108)까지 유도될 수 있다. 검출 렌즈(126 및 128)는 둘 다 SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133)에 대해 공초점으로 배열될 수 있다. SHG 검출기(106)는 전술된 바와 같이, PMT 또는 다중-채널 플레이트 검출기와 같이, SHG 신호 빔(131)에 대해 임의의 적합한 검출기일 수 있다.
브류앵 검출기(108)에는 레일리 산란을 브류앵 산란과 구별하기에 적합한 고해상 분광측정기가 포함될 수 있다. 레일리 산란 빔은 브류앵 산란 빔보다 상당히 더 큰 진폭을 가질 수 있고 산란 빔은 둘 다 분광학적으로 함께 비교적 가까울 수 있으므로, 브류앵 검출기(108)는 높은 분광 해상도 그리고 또한 높은 분광 대비도를 가질 수 있다. 특정 구현예에서, 브류앵 검출기(108)에는 광학 센서로서 전하-커플링 소자(CCD) 어레이가 포함될 수 있다.
광학 기구(100)의 작동 시, SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132)의 조합된 빔은 초점 위치(116)까지 공초점으로 전파될 수 있고, 이는 스캐너(118)를 이용해서 X-Y면에서 조절될 수 있다. 초점 위치(116)는 포커싱 렌즈(124)를 이용해서 Z에서 조절될 수 있다. 상기 방식으로, 샘플(112)에서 다양한 점, 선, 면적, 및 부피가 광학 기구(100)를 이용해서 스캐닝되고 분석될 수 있다.
초점 위치(116)에서, 브류앵 신호 빔(133)은 브류앵 검출기(108)에 의해 측정될 수 있다. 구체적으로, 브류앵 검출기(108)는 브류앵 신호 빔(133)에서 사이드 밴드(스토크 또는 반-스토크) 중 하나(또는 둘 다)의 주파수 이동 f B 를 측정할 수 있다. 브류앵 검출기(108)는 또한 사이드 밴드 중 하나 또는 둘 다의 선폭 Δf B 를 측정할 수 있다. 측정된 주파수 이동 f B 및 측정된 선폭 Δf B 로, 초점 위치(116)에서 탄성역학적 특성 및 점탄성 특성이 식 8 및 9에 대해 상기 설명된 바와 같이 결정될 수 있다.
동시에 그리고 동일한 초점 위치(116)로부터, SHG 신호 빔(131)이 SHG 검출기(106)에 의해 측정될 수 있다. 구체적으로 SHG 검출기(106)는 SHG 신호 빔(131)에서 λ SHG 파장의 신호 진폭을 등록할 수 있다. 특히, SHG 검출기(106)는 λ SHG 파장에서 작은 진폭에 감수성일 수 있다. λ SHG 파장의 신호 진폭은 초점 위치(116)에서 콜라겐 피브릴의 형태적 구조의 표시이므로, SHG 검출기(106)에 의해 등록된 신호 진폭이 샘플(112)에서 눈 조직의 특정 이미지를 생성하기 위해 이용될 수 있다. 상기 방식으로 SHG 검출기(106)에 의해 생성된 이미지 정보는 초점 위치(116)에서 탄성역학적 특성 및 점탄성 특성과 정밀하게 공간적으로 연관될 수 있다. 광학 기구(100)에 의해 생성된 생성 데이터는 초점 위치(116)에서 샘플(112) 상태의 보다 완전한 이해 및 분석을 제공하고, 다양한 안질환의 조기 신체역학적 진단을 가능케 할 수 있다.
광학 기구(100)의 다양한 구현예 또는 배열에서, 빔의 상이한 실현, 레이아웃 및 전환이 이용될 수 있음이 주지된다. 예를 들어, 광학 기구(100)에서 이용되는 광학 경로의 특정 부분에는 광섬유가 포함될 수 있다. 일부 구현예에서, 광학 기구(100)에서 이용되는 광학 경로의 특정 부분에는 광학 도파관이 포함될 수 있다. 광학 기구(100)에서 이용되는 광학 경로의 특정 부분은 매질, 예컨대 진공, 빈 공간, 기체 환경, 또는 분위기 내의 광학 경로를 나타낼 수 있다. 주어진 구현예에서, 편광 요소는 SHG 샘플 빔(130) 및 브류앵 샘플 빔(132) 중 적어도 하나와 함께 이용될 수 있고, 편광 필터는 SHG 신호 빔(131) 및 브류앵 신호 빔(133) 중 적어도 하나를 검출할 때 이용될 수 있다. 또 다른 배열에서, 스캐너(118)가 생략되고 또 다른 스캐닝 요소, 예컨대 대물 렌즈가 이용될 수 있다. 특정 구현예에서, 광학 기구(100)에 포함되는 광학 성분의 적어도 일부가 소형화되고, 콤팩트한 전체 유닛이 외부 스캐닝 요소에 의해 유지되고 샘플(112)에 대해 이동되도록 비교적 작은 질량 및 외부 치수를 갖는 콤팩트한 유닛으로 조합될 수 있다. 또한, 좌표 시스템(120)의 상이한 배향이 광학 기구(100)의 특정 구현예에서 이용될 수 있다.
다양한 구현예에서, 광학 기구(100)는 각막층-내 생체구조, 예컨대 인간 각막 기질 내 피브릴 또는 마이크로피브릴을 특성규명하거나 분석하기 위해 이용될 수 있다.
광학 기구(100)가 축적에 맞춰 그려지지 않았고 다만 도식적 표시임이 주지된다. 개시의 범위에서 벗어나지 않고, 광학 기구(100)의 개질, 추가, 또는 생략이 수행될 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이, 광학 기구(100)의 성분 및 요소는 특정 적용에 따라 통합되거나 분리될 수 있다. 또한, 광학 기구(100)의 작동은 더 많거나, 더 적거나, 또는 다른 성분에 의해 수행될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 본원에 기재된 바와 같이, 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 방법 200의 구현예의 선택된 요소의 구성도가 순서도 형태로 도시된다. 방법 200은 광학 기구(100)에 의해 실현될 수 있다(도 1 참고). 방법 200에 기재된 특정 작동은 선택적일 수도 있고 또는 상이한 구현예에서 재배열될 수도 있음이 주지된다.
방법 200은 단계 202에서 광학 시작점을 공유하는 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 생성함으로서 시작된다. 단계 204에서, 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔은 생물학적 조직 샘플에서 초점 위치까지 공초점 방식으로 생물학적 조직 샘플에 대해 전파된다. 단계 206에서, 초점 위치로부터 제1 샘플 빔에 의해 역산란된 제1 광자를 포함하는 제1 신호 빔은 브류앵 산란 검출기를 이용해서 검출된다. 단계 208에서, 초점 위치로부터 제2 샘플 빔에 의해 역산란된 제2 광자를 포함하는 제2 신호 빔은 제2 조화 진동 생성(SHG) 검출기를 이용해서 검출된다. 단계 210에서, 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 탄성역학적 특성 및 점탄성 특성이 제1 신호 빔으로부터 결정된다. 단계 212에서, 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 형태적 구조 표시가 제2 신호 빔으로부터 결정된다.
이제 도 3를 참조하면, 본원에 기재된 바와 같이, 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 방법 300의 구현예의 선택된 요소의 구성도가 순서도 형태로 도시된다. 방법 300은 광학 기구(100)에 의해 실현될 수 있다(도 1 참고). 특정 구현예에서, 방법 300에는 방법 200에서의 단계 204에 대해 추가로 상세사항이 포함될 수 있다. 방법 300에 기재된 특정 작동은 선택적일 수도 있고 또는 상이한 구현예에서 재배열될 수도 있음이 주지된다.
방법 300은 단계 302에서 생물학적 조직 샘플 내 초점 위치의 축 위치를 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔에 평행한 제1 축을 따라 변화시킴으로써 시작된다. 단계 304에서, 초점 위치의 측면 위치는 생물학적 조직 샘플 내에서 제1축에 수직인 제2축 및 제3축 중 적어도 하나를 따라 변화된다. 단계 306에서, 생물학적 조직 샘플을 스캐닝하여 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔이 둘 다 생물학적 조직 샘플에서 상이한 공통 위치로 유도되도록 제2 신호 빔을 이용하고 초점 위치의 축 위치 및 초점 위치의 측면 위치 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하여 이미지 데이터를 생성한다.
본원에 개시된 바와 같이, 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 방법 및 시스템에는 브류앵 샘플 빔을 생성하기 위한 브류앵 광원, 및 SHG 샘플 빔을 생성하기 위한 제2의 조화 진동 생성(SHG) 광원이 포함될 수 있다. 브류앵 샘플 빔 및 SHG 샘플은 둘 다 초점 위치까지 공초점 방식으로 생물학적 조직 샘플에 대해 동시에 유도될 수 있다. 브류앵 샘플 빔으로부터 생성되는 브류앵 산란이 검출되어 샘플의 탄성역학적 특성 및 점탄성 특성을 결정할 수 있다. SHG 빔으로부터 생성되는 SHG 산란이 검출되어 샘플의 형태적 구조 표시를 결정할 수 있다. 샘플은 생체 내 인간 각막일 수 있다.
도 2의 방법 200 및 도 3의 방법 300은 샘플 빔의 위치, 세기, 또는 다른 특성을 생성하거나 제어하고, 검출된 신호 빔을 처리하기 위해 프로그래밍된 컴퓨터를 이용해서 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 프로그래밍된 컴퓨터는 도 1에 나타낸 광학 기구(100)의 일부일 수 있다. 일부 구현예에서, 프로그래밍된 컴퓨터는 방법 200 또는 300의 적어도 특정한 일부를 수행하기 위해 유선 또는 무선 방식으로 광학 기구(100)에 연결될 수 있다. 프로그래밍된 컴퓨터에는 특수-목적 성분, 예컨대 SHG 광원(102), 브류앵 광원(104), 포커싱 렌즈(124), 부분 거울(110), 스캐너(118), SHG 검출기(106), 브류앵 검출기(108), 및 천공(122)과 통합된 성분이 포함될 수 있다. 예를 들어, 프로그래밍된 컴퓨터에는 검출되는 신호 빔에 반응하여 하나 이상의 상기 성분의 상태를 변화시키는 하나 이상의 스위치가 포함될 수도 있고, 또는 이를 제어할 수도 있다. 예를 들어, 신호 빔이 포커싱되지 않은 경우, 프로그래밍된 컴퓨터는 하나 이상의 스위치를 이용할 수도 있고 또는 다르게는 포커싱 렌즈(124), 부분 거울(110) 또는 천공(122)의 위치 또는 크기의 변화를 유도한다. 제1 예를 포괄하지 않는 또 다른 예에서, 신호 빔이 정확한 세기를 갖지 않는 경우, 프로그래밍된 컴퓨터는 하나 이상의 스위치를 이용할 수도 있고 또는 다르게는 SHG 광원(102) 또는 브류앵 광원(104)에서 변화를 유도한다.
검출된 신호 빔의 처리에는 샘플 빔의 위치, 세기, 또는 다른 특성을 생성하거나 제어하기 위한 양태 및 생물학적 조직 샘플의 신체역학적 특성에 관한 정보를 생성하기 위한 양태가 포함될 수 있다. 예를 들어, 일부 처리는 신호 빔의 하나 이상의 양태가 적절하지 않은 경우 경고를 생성할 수 있다. 일부 처리는 신체역학적 특성을 반영하는 시각적 디스플레이를 생성할 수 있다. 이러한 디스플레이는 특히 생물학적 조직 샘플에서 상이한 위치로부터의 신체역학적 특성이 포함되는 경우, 실시간으로 또는 일부 지연 후 생성될 수 있다.
프로그래밍된 컴퓨터에는 서로 통신할 수도 통신하지 않을 수도 있는 하나를 초과하는 컴퓨터가 포함될 수 있다. 예를 들어, 하나의 컴퓨터는 검출된 신호 빔에 관한 데이터를 수신하고 데이터를 이용하여 샘플 빔의 위치, 세기, 또는 다른 특성을 생성하거나 제어할 수 있는 반면, 별도의 컴퓨터는 검출된 신호 빔에 관한 데이터를 수신하고 정보를 이용하여 생물학적 조직 샘플의 신체역학적 특성에 관한 정보를 생성할 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 신호 처리 시스템(400)의 구현예의 선택된 요소를 예시하는 구성도가 제시된다. 도 4에 도시된 구현예에서, 신호 처리 시스템(400)에는 브류앵 검출기(108) 및 SHG 검출기(106)에 커플링된 컴퓨터 연산 장치(402)가 포함되는 반면, 컴퓨터 연산 장치(402)에는 종합적으로 메모리(410)로 확인되는 메모리 미디어에 공유된 버스(406)를 통해 커플링된 프로세서(404)가 포함된다. 나타낸 바와 같이, 신호 처리 시스템(400)에는 본원에 개시된 바와 같은 안질환의 신체역학적 진단을 위해 도 1에서의 광학 기구(100)가 포함될 수 있다.
다양한 구현예에서, 컴퓨터 연산 장치(402)에는 네트워크와 연동하기 위한 네트워크 어댑터가 포함될 수 있다. 컴퓨터 연산 장치(402)에는 다양한 입력 및 출력 장치로 연결하기 위한 주변장치 어댑터가 포함될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 연산 장치(402)는 본원에 기재된 바와 같이, 안질환의 신체역학적 진단을 위해 출력 신호를 수용하는 입력 장치를 통해 브류앵 검출기(108) 및 SHG 검출기(106)와 통신할 수 있다. 컴퓨터 연산 장치(402)는 또한 광학 기구(100)의 다양한 양태를 제어하기 위해 출력 장치를 통해, 브류앵 검출기(108), SHG 검출기(106), 또는 다른 성분과 통신할 수 있다.
메모리(410)는 여러 가지 중에서, 임의의 다양한 영구 메모리 미디어, 휘발성 메모리 미디어, 비휘발성 메모리 미디어, 및 외장형 메모리 미디어를 나타낼 수 있다. 메모리(410)는 명령어, 데이터, 또는 둘 다를 저장하도록 작동 가능할 수 있다. 나타낸 바와 같이, 메모리(410)는 프로세서(404)에 의해 실행 가능한 명령어 또는 코드, 즉 운영 체계(OS, 412), 및 안질환 진단 애플리케이션(414)을 저장한다. 운영 체계(412)는 UNIX 또는 UNIX-유사 운영 체계, Windows® 패밀리 운영 체계, 및 임베딩된 운영 체계, 또는 또 다른 적합한 운영 체계일 수 있다. 안질환 진단 애플리케이션(414)은 상술된 바와 같이, 방법 200 및 300 그리고 연관된 기능의 적어도 특정 부분을 실현하기 위해 프로세서(404)에 의해 실행 가능한 명령어 또는 코드를 나타낼 수 있다.
상기 개시된 요지 대상은 제한적이 아니라 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 첨부되는 청구범위는 본 개시의 실제 요지 및 범위 내에 속하는 모든 이러한 개질, 개선, 및 다른 구현예를 포함하도록 의도된다. 따라서, 법에 의해 허용되는 최대 범위까지, 본 개시의 범위는 하기 청구범위 및 이의 균등부의 가장 광의의 허용 가능한 해석에 의해 결정되어야 하며, 상기 상세한 설명에 의해 제약되거나 제한되어서는 안 된다.
Claims (18)
- 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 방법으로서,
광학 시작점을 공유하는 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 생성하는 단계;
제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 생물학적 조직 샘플에서 초점 위치까지 공초점 방식으로 생물학적 조직 샘플에 대해 전파시키는 단계;
초점 위치로부터 제1 샘플 빔에 의해 역산란된 제1 광자를 포함하는 제1 신호 빔을 검출하는 단계로서, 제1 신호 빔은 브류앵 산란 검출기를 이용해서 검출되는, 단계; 및
초점 위치로부터 제2 샘플 빔에 의해 역산란된 제2 광자를 포함하는 제2 신호 빔을 검출하는 단계로서, 제2 신호 빔은 제2 조화 진동 생성(SHG) 검출기를 이용해서 검출되는, 단계를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에 공통 광학 경로를 따른 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔의 전파 단계가 포함되는 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
제1 샘플 빔이 협대역 연속파 레이저를 이용해서 생성되며;
제2 샘플 빔이 펨토초-섬유 레이저를 이용해서 생성되고;
브류앵 산란 검출기에 분광측정기가 포함되고; 및
SHG 검출기에 제2 신호 빔에 감수성인 광캐소드가 포함되는 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 신호 빔에 초점 위치로부터의 레일리 산란 광자 및 브류앵 산란 광자가 포함되고, 제2 신호 빔에 제2 샘플 빔 파장의 절반 파장의 광자가 포함되는 방법. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
생물학적 조직 샘플이 인간 눈의 일부를 포함하는 생체내 생물학적 조직인 방법. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 탄성역학적 특성을 결정하는 단계;
제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 점탄성 특성을 결정하는 단계; 및
제2 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 형태적 구조 표시를 결정하는 단계를 추가로 포함하는 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에 생물학적 조직 샘플 내 초점 위치의 축 위치를 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔에 평행한 제1 축을 따라 변화시키는 단계가 포함되는 방법. - 제7항에 있어서,
공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에 생물학적 조직 샘플 내 초점 위치의 측면 위치를 제1축에 수직인 제2축 및 제3축 중 적어도 하나를 따라 변화시키는 단계가 포함되는 방법. - 제8항에 있어서,
공초점 방식으로 샘플에 대해 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 전파시키는 단계에 생물학적 조직 샘플을 스캐닝하여 제2 신호 빔을 이용해서 이미지 데이터를 생성하는 단계가 포함되며, 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔은 둘 다 생물학적 조직 샘플에서 상이한 공통 위치로 유도되고, 스캐닝 단계는 초점 위치의 축 위치 및 초점 위치의 측면 위치 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는 방법. - 안질환의 신체역학적 진단을 수행하기 위한 광학 기구로서,
제1 샘플 빔을 생성하기 위한 제1 광원;
제2 샘플 빔을 생성하기 위한 제2 광원;
제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔을 적층하여 조합된 샘플 빔을 생성하기 위한 제1 부분 거울;
생물학적 조직 샘플에서 초점 위치로부터 제1 샘플 빔에 의해 역산란된 제1 광자를 포함하는 제1 신호 빔을 수신하기 위한 분광측정기를 포함하는 브류앵 산란 검출기; 및
초점 위치로부터 제2 샘플 빔에 의해 역산란된 제2 광자를 포함하는 제2 신호 빔에 감수성인 광캐소드를 포함하는 제2 조화 진동 생성(SHG) 검출기를 포함하는 광학 기구. - 제10항에 있어서,
공초점 방식으로 초점 위치까지 조합된 샘플 빔을 전파시키고; 및 공초점 방식으로 초점 위치로부터 제1 신호 빔 및 제2 신호 빔을 포함하는 조합된 신호 빔을 전파시키기 위한 제2 부분 거울을 추가로 포함하는 광학 기구. - 제10항 또는 제11항에 있어서,
생물학적 조직 샘플에서 초점 위치의 축 위치를 조합된 샘플 빔에 평행한 제1 축을 따라 공초점 방식으로 변화시키기 위한 포커싱 요소를 추가로 포함하는 광학 기구. - 제12항에 있어서,
생물학적 조직 샘플에서 초점 위치의 측면 위치를 제1축에 수직인 제2축 및 제3축 중 적어도 하나를 따라 공초점 방식으로 변화시키기 위한 스캐닝 요소를 추가로 포함하는 광학 기구. - 제13항에 있어서,
포커싱 요소 및 스캐닝 요소 중 적어도 하나가 생물학적 조직 샘플을 스캐닝하여 제2 신호 빔을 이용해서 이미지 데이터를 생성하기 위한 것이며, 제1 샘플 빔 및 제2 샘플 빔은 둘 다 생물학적 조직 샘플에서 상이한 공통 위치로 유도되고, 초점 위치의 축 위치 및 초점 위치의 측면 위치 중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는 광학 기구. - 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 광원이 협대역 연속파 레이저를 포함하며;
제2 광원이 펨토초-섬유 레이저를 포함하고;
브류앵 산란 검출기에 분광측정기가 포함되고; 및
SHG 검출기에 제2 신호 빔에 감수성인 광캐소드가 포함되는 광학 기구. - 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
제1 신호 빔에 초점 위치로부터의 레일리 산란 광자 및 브류앵 산란 광자가 포함되고, 제2 신호 빔에 제2 샘플 빔 파장의 절반 파장의 광자가 포함되는 광학 기구. - 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
생물학적 조직 샘플이 인간 눈의 일부를 포함하는 생체내 생물학적 조직인 광학 기구. - 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
브류앵 산란 검출기가 제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직의 탄성역학적 특성을 결정하고; 및 제1 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직의 점탄성 특성을 결정하기 위한 것이며,
SHG 검출기가 제2 신호 빔으로부터 초점 위치에서 생물학적 조직 샘플의 형태적 구조 표시를 결정하기 위한 것인 광학 기구.
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