KR20180066645A - 형광 내시경 시스템 - Google Patents

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KR20180066645A
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명승재
김상엽
배동준
배상문
이승락
원영재
박병준
방현진
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재단법인 오송첨단의료산업진흥재단
울산대학교 산학협력단
재단법인 아산사회복지재단
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Abstract

형광 내시경 시스템은 컬러 화상 모드 및 형광 화상 모드를 위한 빛을 생성하는 멀티 모드 광원을 포함한다. 광원으로부터의 광은 내시경을 이용하여 관찰 중의 조직에 전달하게 된다. 시스템은, 컬러 화상 및 형광 화상을 위한 컴팩트 카메라를 포함한다. 내시경을 이용하고 얻어지는 화상은 카메라 내에 고정하게 되는 빔 스플리터에 따라서 광학적에 분할하게 되고, 1 이상의 화상 센서상에 투영하게 된다. 제어기로부터의 화상 신호는, 시스템 처리/제어 장치로 처리하게 되고, 콘트라스트 증강 기능이 부여될 수 있다. 콘트라스트 증강 기능은, 통상의 조직과 초기 암에 관해서 의심스러운 조직과의 사이의 컬러 콘트라스트를 증가한다. 최종적으로, 시스템은 교정 특성을 포함하고, 시스템 성능은 다른 내시경과 함께 사용하게 될 수 있다.

Description

형광 내시경 시스템{FLUORESCENCE ENDOSCOPY SYSTEM}
본 발명은 일반적으로 의료용 화상 진단 시스템에 관한 것으로, 특히 특정 파장대를 이용한 형광 내시경 영상 시스템에 관한 것이다.
형광 내시경검사는 정상적인 조직과 초기 암의 의심의 어느 조직이라는 형광 반응의 차이를 이용하고 암 등의 검출 및 특정 위치의 검사 도구로서 이용한다. 형광 내시경 검사 중에 이용하게 되는 형광 발광 화합물 또는 형광 담체(fluorophore)가 광학 활성약이 의심이 되는 조직에 우선적으로 퇴적하게 되고, 이것들은 모든 조직에 존재하는 내재적인 형광 담체 일 수 있다.
조직으로부터의 형광은 전형적으로, 자동 형광 또는 자연 발광으로서 불린다. 조직의 자동 형광은 전형적으로, UV 및 가시 스펙트럼의 청색 부분의 흡수 대역 및 가시 스펙트럼의 녹색∼적색 부분의 발광대를 가지는 형광 담체에 의한 것이다. 초기 암의 의심의 어느 조직에 있어서, 자동 형광 스펙트럼의 녹색 부분은 현저히 억압하게 된다. 조직의 자동 형광에 근거하는 형광 내시경검사는, 이 스펙트럼의 차이를 이용하고, 의심의 어느 조직과 정상적인 조직을 구별한다.
본 발명은 형광 내시경 및 스펙트럼 분석 장치와 이를 이용한 암 진단방법에 관한 것이다.
암의 조기진단은 높은 완치율을 보이기 때문에 암 치료에 있어서 가장 중요 한 요소이다. 그러나 한 예로써 폐암의 경우 초기 진단은 흉부 X-ray 검사와 객담검사등이 있다. 흉부 X-ray 검사로는 중심부에 위치한 초기 폐암진단이 불가능하며, 유일한 비침습적 방법인 객담검사로는 단지 백색광을 이용한 현미경으로 세포의 형태를 검색하는 방법으로써, 세포학적 발견의 가변성 때문에 초기 암세포를 감별 진단하기가 어렵다. 더구나 초기암의 경우 증상을 동반하지 않기 때문에 임상검사 및 현미경 진단에서 예외대상이 될 수 있으며 방사선과적, 특수생화학, 면역학검사 방법의 민감도(sensitivity) 및 특이도(specificity)에 따라 진단의 가부가 결정되므로 진단 방법자체가 제한요소(limiting factor)로서 제한적일 수밖에 없는 실정이다(예로써 현재의 세포검색법의 폐암진단 sensitivity는 65%이다). 백색광을 이용한 내시경적인 검사방법도 형태적으로 발전된 종양의 검사는 비교적 쉬우나 초기 단계의 작은 종양의 감별은 매우어렵고 부위나 histology에 따라 검출이 않되는 경우가 많은 실정이다. 방광암의 경우에서도 in situ carcinoma, papiloma등은 백색 cystoscopy로 진단이 어렵다.
따라서 본 발명자는 암 세포에 선택적으로 축적되는 종양 특이적 photogem 등의 광감각제를 주입한 상태에서 필터링(filtering)된 청색광으로 광감각된 병변을 관찰했을 때 형광을 띠는 부분을 관찰하고, 또한 He-Ne 레이저광에 의해 여기된 조직에서 나오는 스펙트럼을 분석하여 정상 조직과 비교함으로써 암을 조기에 진단할 수 있는 장치 및 방법을 개발하게 되었다. 본 발명의 장치 및 방법은 보다 넓은 부위를 한번에 검사할 수 있고 또한 상기한 2가지 진단방법을 동시에 사용함으로써 암진단율을 높일 수 있다.
이러한 전술의 시스템은 전형적으로, 내시경의 삽입단에 위치하게 되는 카메라와 함께 미광센서가 설치되고, 또는 이용하게 되는 내시경과 맞추어 사용하게 된다. 특히, 기재하게 되는 카메라의 사이즈, 비용, 및 무게를 감소시키는 것이, 이것들 시스템에 대해 바람하다.
형광 내시경검사는 일반적으로 종래의 백색광 내시경검사의 부속으로서 행해지고 있었기 때문에, 동일 카메라 및 광원을 이용하고 컬러 화상 및 형광 화상의 양쪽을 얻을 수 있고 동시에 이러한 시스템에 대해 바람직하다.
예를 들면 형광 내시경검사 등의 비디오 시스템은, 다른 기관의 다양한 종류의 암을 검출하도록 최적화하고, 다른 종류의 내시경의 사용을 간단히 교정하게 될 것 같은 특징을 제공하는 것이 바람직한다. 이와 같은 시스템이, 외인적에 추가하게 되는 광활성약의 사용에 대하여 호환성이 걷더라도 또 바람직한다. 최후에,
통상의 세포와 의심이 있는 세포라는 콘트라스트가, 표시되는 형광 화상에 강조하게 될 수 있는 시스템의 필요성이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 본 발명에 의한 형광 내시경 비디오 시스템은 백색광, 형광 여기광, 또는 표준 반사광을 가지는 형광 여기광 중 어느 하나를 생성하는 멀티 모드에 있어서, 조작 가능하는 내시경의 광원과, 상기 광학창 하에 조직에 광을 전달하는 광가이드 및 광학창 하에서 조직으로부터의 반사되는 광을 수광하기 위한 화상 처리 가이드 또는 소형 카메라 중 어느 하나를 포함하는 내시경과,
내시경의 화상 처리 가이드로부터의 광을 수신하고, 컬러 화상 또는 멀티 채널 형광 및 반사 화상을 얻는 이익에 멀티 화상 모드에 있어서 조작 가능한 소형 카메라(얻어지는 화상은, 카메라가 고정하게 되는 빔스플리터에 따라 1개 이상의 화상 센서에 광학적에 분할하게 되고 투영하게 되고,
빔스플리터로부터의 빔의 일부는 컬러 화상을 얻는 화상 센서로 향해지고, 나머지 빔(단수 또는 복수)은 형광 화상 및/또는 반사 화상을 얻기 위해 단일 또는 제1의 빔에 맞추어 사용하게 되며,
컬러 비디오 신호라고 하고 화상 신호를 디지털화하고, 처리하고, 부호화하는 화상 프로세서 및 시스템컨트롤러와,
프로세서/컨트롤러에 있을 수 있는 콘트라스트 강조 기능(이 기능은, 형광/반사(또는 형광/형광)화상 신호의 상대 강도에 근거하게 되는 기준 화상 신호에 단일성의 없는 이득 계수를 적용함)으로 처리하게 되는 비디오 신호를 표시하는 컬러 비디오 모니터와, 시스템의 응답이 다른 내시경의 광학 특성 및/또는 다른 곳의 화상 신호 경로의 가변량을 교정할 수 있는 컬러 교정 기구를 포함한다.
본 발명은 검사 대상인 암조직의 형광영상과 스펙트럼을 실시간으로 관찰할 수 있는 장치 및 이를 이용한 암 진단방법을 제공할 수 있다.
본 발명은 암 세포에 선택적으로 축적되는 종양 특이적 photogem 등의 광감각제를 주입한 상태에서 필터링(filtering)된 청색광으로 광감각된 병변을 관찰했을 때 형광을 띠는 부분을 관찰(도2b 참조)하고, 또한 He-Ne 레이저 광에 의해 여기되어 검사 대상 조직에서 나오는 파장을 스펙트럼 분석기를 이용하여 분석할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다. 본 발명은 상기 2가지 진단방법을 동시에 사용할 수 있고 또한 보다 넓은 부위를 한번에 검사할 수 있는 장치 및 이를 이용한 암 진단방법을 제공할 수 있다.
본 발명에서는 660~900nm의 파장, 더욱 구체적으로는 680nm의 파장을 가진 He-Ne 레이저 광을 사용함으로써 점액질하의 종양도 감별할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 의한 형광 내시경 비디오 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 형광 내시경 비디오 시스템의 단부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 형광 내시경 비디오 시스템을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1과 도 2는 여기 광과 가시 기준 광이 별개의 광섬유 프로브를 통해 조직에 전송되는 바람직한 실시예의 전체적인 부품을 나타낸 것이다. 광섬유 프로브(200)는 그 선단이 최종적으로 내시경(204)의 말단 측 선단부에 또는 그 부근에 놓여지는 상태로 표준 비디오 내시경(202)의 생체 검사 채널을 해 통과된다. 임상 의사가 풋스위치(footswitch; 206)를 누르면, 내시경의 광원 및 비디오 프로세서(208)로부터의 정규 백색 광 조명이 셔터에 의해 오프로 절환된다.
그러한 백색 광은 내시경의 말단 측 선단부에 있는 2개의 광섬유 포트(210, 212)를 통해 정규적으로 조직을 조명한다. 그와 동시에, 여기 및 기준 조명원(214)에 있는 상보적인 셔터가 온으로 절환되어 여기 및 기준 광이 광섬유 프로브(200)를 통과할 수 있게 된다. 여기 및 기준 광은 광섬유 프로브(216)로부터 나와 조직(218)을 조명한다.
비디오 영상 검출 시스템(220)은 결과적으로 생긴 형광 영상 신호 및 기준 영상 신호를 다시 내시경(202)을 통해 비디오 프로세서(208)로 전송하고, 그 비디오 프로세서(208)에서는 형광 영상 신호 및 기준 영상 신호가 국립 텔레비전 표준위원회(National Television Standards Committee; NTSC) 비디오 포맷에 따른 표준 R, G, B의 상이한 컬러 채널 R 및 B로 변환된다.
그러한 2개의 채널은 컴퓨터 시스템(222)에 있는 프레임 그래버(framegrabber)에 의해 디지털화된다. 디지털화된 형광 영상 및 기준 영상은 형광이 정상 조직에 비해 감소된 영상 부위를 정량화하도록 실시간으로 함께 처리된다. 감소된 형광은 이형성증의 1차 지표이다. 이형성일 가망성이 있는 조직의 영역은 컴퓨터 모니터(224)에 표시되어 10 ㎐의 속도까지로 갱신되는 조직의 처리된 영상에서 위색채로 부각된다.
즉, 도 1과 도 2에 도시된 바람직한 실시예는 단지 내시경 시스템 비디오 프로세서에 백색 광원에 대한 내부 셔터를 부가하는 것만을 요하는 기존의 내시경/비디오 프로세서 시스템의 부속 부품이다. 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경의 경우에는 이후에 더욱 상세히 후술되는 바와 같이 여기 광원(214)이 여기 조명과 기준 조명을 순차적으로 제공하도록 구성된다. 컬러 CCD 비디오 내시경의 경우에는 여기 광원(214)이 역시 상세히 후술되는 바와 같이 여기 조명과 기준 조명을 동시에 제공하게 된다.
도 3은 컬러 휠(단색 CCD) 비디오 내시경과 함께 사용하기 위한 형광 영상화 시스템의 바람직한 실시예의 전체적인 개략도를 나타낸 것이다. 컬러 휠 비디오 내시경의 정규 동작 모드에서는 내시경(300)의 말단 측 선단부가 신체의 중공기관 속에 삽입되어 이형성 부위(304)를 포함할 수 있는 조직(302)의 영역을 관찰하게 된다. CCD 영상화 시스템 및 렌즈 하부 시스템(비디오 카메라)(306)의 양옆에는 정규 조명 개구(308, 310)가 위치된다.
정규 조명 광은 내시경의 전 길이에 걸쳐 연장되고 그 말단 측 선단부 부근에서 2 갈래로 분기되어 개구(308, 310)에서 종료되는 광섬유 관속(312)에 의해 전송된다. 조명원과 광섬유 관속과의 사이에 배치되어 디지털 신호(315)에 의해 제어되는 셔터(314)는 조명원 램프(316)를 끄지 않고도 백색 광 조명이 오프로 꺼질 수 있도록 한다.
도시된 유형의 내시경에서는 정규 컬러 영상이 회전 필터 휠(318)에 의해 제공되는 적색, 녹색, 및 청색 광 펄스로 얻어지는 3개의 연속된 영상을 결합함으로써 얻어진다. 그러한 유형의 내시경에 있는 CCD 기준은 400 내지700 ㎚간의 모든 파장에 민감하지만, 자가 형광을 여기시키는데 사용되는 약 365 ㎚의 자외 여기 파장에는 둔감하다. 그것은 실리콘 센서 어레이의 설계 및 그 어레이의 표면을 물리적으로 보호하는데 사용되는 광학 재료의 선택에 의거한 것이다.
CCD 기준은 그 표면에 마주치는 모든 광을 연속적으로 적분하므로, CCD 열이 판독 전자 장치로 하향 이동되거나 아니면 영상 위에 줄이 생기는 효과가 보이게 될 동안에는 조명이 차단되어야 한다. 적색, 녹색, 및 청색 광 펄스는 8 ms의 지속 시간을 수반하고 그에 후속하여 그 동안 카메라 화소가 판독되는 5 ms의 암기를 수반하여NTSC 표준에 부합되는 약 33 ms의 총 비디오 프레임 기간 또는 초당 29.97 프레임을 산출한다. CCD 카메라로부터의 아날로그 판독 신호는 케이블(320)을 통해 내시경 비디오 프로세서(322)에 전송된다.
공개특허 10-2014-전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
300 : 내시경
304 : 이형상 부위
308, 310 : 정규 조명 개구
316 : 조명원 램프

Claims (8)

  1. 형광 내시경 검사 영상 시스템에 있어서,
    백색광, 형광 여기광, 또는 기준 반사광을 포함하는 형광 여기광을 생성하는 멀티 모드 광원과,
    조직 샘플을 조사하고 상기 조직에 따라서 생성하게 되는 상기 반사광 또는 형광을 집광하도록 상기 광원으로부터 생성된 광을 환자에게 향하기 위한 내시경과,
    상기 내시경의 삽입부분에 형성하게 되고, 그 내시경에 따라서 집광하게 되는 빛을 수취하도록 배치하게 되는 카메라이고,
    컬러 화상 센서와, 저광 화상 센서와, 기준 화상 센서와, 상기 내시경으로부터 수취된 광을 적어도 2개의 빔으로 분할하고, 상기 적어도 2개의 빔 중 제1 빔을 그 컬러 화상 센서상으로 향하기 위한 빔스플리터와,
    상기 빔스플리터로부터 적어도 2개의 빔 중 제2 빔을 수취하고, 상기 제2 빔 중 2개의 스펙트럼 성분으로 분할하고, 제1 스펙트럼 성분을 상기 저광 화상 센서 상에 투영함과 동시에 제2 스펙트럼 성분을 상기 기준 화상 센서 상에 투영하는 2 색성 스플리터 및 필터 어셈블리는 상기 제2의 빔을 2개의 스펙트럼 성분에 분할하고, 상기 2개의 스펙트럼 성분을 상기 저빛 화상 센서 및 상기 기준 화상 센서에 투영하고,
    상기 컬러 화상 센서의 전면에 배치하게 되는, 하나 이상의 필터와,
    상기 컬러 화상 센서, 상기 기준 화상 센서, 및 상기 저광 화상 센서의 위에 화상을 투영하는 1 이상의 광학 화상 소자와,
    상기 하나 이상의 센서로부터 수취되는 화상 신호를 영상 신호로서 디지털 처리 및 부호화하기 위한 화상 프로세서/컨트롤러와,
    상기 영상 신호를 표시하기 위한 영상 모니터를 포함하는 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 색성 스플리터 및 필터 어셈블리는, 상기 저광 화상 센서 및 상기 기준 화상 센서에 의해 수취되는 광이 실질적으로 녹색 파장 또는 적색 파장의 광으로 구성되는 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 색성 스플리터 및 필터 어셈블리는 상기 광 화상 센서 및 상기 기준 화상 센서에 의해 수취되는 광이 실질적으로 청색 파장 또는 적색 파장의 광으로 구성됨과 동시에, 상기 제 2 빔을 청색 대역 및 적색 대역으로 분할하는 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 스플리터 전류원은 펄스 전류원인 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 내시경 시스템은 내시경의 생체 검사 채널을 통해 연장되는 광섬유인 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 화상 프로세서 및 컨트롤러는 상기 형광 화상 센서 및 상기 기준 화상 센서의 게인 응답을 특정함으로써 상기 시스템의 광신호 응답을 교정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 화상 프로레서 및 컨트롤러는 상기 형광 화상 센서 및 상기 기준 화상 센서의 상기 특정된 게인 응답에 근거하여, 형광응답 신호패스와 기준화상 신호패스와의 사이를 정수 게인비를 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 카메라는 체외에 부착된 상기 내시경의 일부에 부착되는 것을 특징으로 하는 형광 내시경 시스템
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