KR20200021708A - 가시광 및 근적외선 광을 모두 가시화할 수 있는 내시경 장치 - Google Patents

가시광 및 근적외선 광을 모두 가시화할 수 있는 내시경 장치 Download PDF

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Abstract

가시광 및 근적외선 광을 모두 가시화할 수 있는 내시경 장치가 제공된다. 내시경 장치는 메인 튜브, 상기 메인 튜브의 원위 단부에 위치하는 촬상 모듈 및 상기 메인 튜브의 근위 단부에 위치하는 제어 모듈을 포함하되, 상기 촬상 모듈은 촬상 대상에 가시광 및 근적외선 여기광 중 적어도 하나를 방출하는 광원 및 상기 촬상 대상에서 반사된 가시광 및 상기 근적외선 여기광에 의해 여기된 상기 촬상 대상에서 방출된 근적외선 광 중 적어도 하나를 수득하여 전기 신호를 생성하는 이미지 센서를 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 전기 신호에 따라 상기 촬상 대상의 가시광 영상 이미지 및 근적외선 영상 이미지 중 적어도 하나를 생성하는 촬상 제어부를 포함한다.

Description

가시광 및 근적외선 광을 모두 가시화할 수 있는 내시경 장치{Endoscope apparatus capable of visualizing both visible light and near-infrared light}
내시경 장치에 관한 것으로, 구체적으로 가시광선과 근적외선을 모두 가시화할 수 있는 이미지 센서를 포함한 광 시스템이 말단이 위치한 내시경 장치에 관한 것이다.
내시경은 인체 내부나, 기계 내부 등의 좁은 공간을 영상으로 촬영하여 관찰할 수 있도록 하는 것으로서, 특히 의료분야에 있어서의 내시경은 수술이나 부검과 같은 신체의 개복이나 절개 없이 소형 카메라를 이용하여 인체 내부(위, 기관지, 식도, 대내장, 소내장 등)를 관찰하여 그 이상 여부를 확인할 수 있게 한다.
근래에, 병변 부위 또는 수술 부위의 정확한 관찰을 위해 형광물질을 주입하고, 이로부터 근적외선 형광 영상을 취득하는 기술이 제안되고 있다. 대표적으로 인도시아닌 그린(Indocyanine green: ICG)이 널리 사용되고 있다. 인도시아닌 그린은 근적외선 대역대의 파장대를 가지므로 인체 내 투과율이 좋아 탐색 깊이가 깊어 임상에서 간 기능의 평가, 형광 혈관조영술, 그리고 염색약을 이용한 감시림프절 탐색 등에 사용되고 있다.
형광물질은 기본적으로 여기광(Excitation light)을 흡수한 뒤 에너지 변환을 통해 방출광(Emission light)을 방출한다. 인도시아닌 그린의 여기광(Excitation light)의 파장은 750nm ~ 800 nm이고, 이에 따라 방출되는 근적외선 광은 810 nm ~ 830 nm에서 최고치를 나타낸다.
종래의 내시경 장치 및 이미지 검출 시스템은 인도시아닌 그린에서 방출되는 근적외선 광을 검출하기 위해서는 일반적인 가시광 이미지 센서 모듈뿐만 아니라 상술한 근적외선 광 이미지 센서 모듈이 별도로 이용하였다. 즉, 근적외선 광과 가시광의 명확한 구분을 위해 최소 2대의 이미지 센서 모듈을 사용하였으며 양 모듈 사이에 위치한 렌즈나 거울과 같은 물리적인 수단으로 가시광 이미지 또는 근적외선 광 이미지를 검출하는 센서를 전환하였기에 이미지 검출 시스템 구축에 필요한 비용 및 부피가 크게 증가되었다. 또한, 이러한 이미지 센서 모듈은 내시경 장치의 근위 단부에 별도로 위치하고, 내시경 장치 내부에 위치한 광섬유를 통해 전달된 근적외선 방출광 또는 가시광을 수득하도록 구성되었다. 즉, 광섬유 방식으로 광을 전달받기에 내시경 장치가 형성하는 곡률 및 영상 이미지의 화질에 한계가 있었다.
따라서, 가시광선 및 근적외선을 모두 검출하는 이미지 센서가 내시경 원위 단부에 부착되어 보다 높은 곡률을 제공할 수 있고, 하나의 이미지 센서만으로도 가시광선과 근적외선을 명확히 구별할 수 있는 내시경 장치가 요구되고 있는 실정이다.
Ashwin B. Parthasarathy 외 4명, Intraoperative imaging of tumors with indo-cyanine green fluorescence with an endoscope, in Molecular guided surgery, 2015 Dale J. Waterhouse 외 4명, Design and validation of a near-infrared fluorescence endoscope for detection of early esophageal malignancy using a targeted imaging probe, in Molecular guided surgery, 2016
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 구체적으로, 가시광선과 근적외선을 모두 가시화할 수 있는 이미지 센서를 포함한 광 검출 시스템이 말단이 위치한 내시경 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내시경 장치는 메인 튜브; 상기 메인 튜브의 원위 단부에 위치하는 촬상 모듈; 및 상기 메인 튜브의 근위 단부에 위치하는 제어 모듈을 포함하되, 상기 촬상 모듈은 촬상 대상에 가시광 및 근적외선 여기광 중 적어도 하나를 방출하는 광원 및 상기 촬상 대상에서 반사된 가시광 및 상기 근적외선 여기광에 의해 여기된 상기 촬상 대상에서 방출된 근적외선 광 중 적어도 하나를 수득하여 전기 신호를 생성하는 이미지 센서를 포함하고, 상기 제어 모듈은 상기 전기 신호에 따라 상기 촬상 대상의 가시광 영상 이미지 및 근적외선 영상 이미지 중 적어도 하나를 생성하는 촬상 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 촬상 모듈은 상기 광원과 상기 촬상 대상 사이에 배치되고, 상기 가시광 및 근적외선 여기광만을 통과시키는 광원 필터; 상기 반사된 가시광 및 상기 근적외선 광을 상기 이미지 센서를 향하도록 집광하는 렌즈; 및 상기 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 위치하는 센서 필터를 더 포함하고, 상기 센서 필터는 자외선 영역에 해당하는 노이즈를 제거하는 제1 센서 필터, 적외선 영역에 해당하는 노이즈를 제거하는 제2 센서 필터 및 상기 가시광과 상기 근적외선 광의 경계 영역에 해당하는 노이즈를 제거하는 제3 센서 필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촬상 대상은 상기 가시광을 반사하는 제1 조직 및 상기 근적외선 여기광에 의해 여기되어 상기 근적외선 광을 방출하는 형광 물질을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촬상 제어부는 가시광 영상 이미지 촬영 모드 또는 근적외선 영상 이미지 촬영 모드로 상기 촬상 모듈의 촬상 모드를 전환할 수 있으며, 상기 광원은 상기 가시광 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 가시광을 상기 촬상 대상에 방출하고, 상기 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 근적외선 여기광을 상기 촬상 대상에 방출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이미지 센서는 매트릭스 배열된 복수의 화소로 구성된 수광부를 포함하고, 상기 복수의 화소 각각은 상기 가시광에 감응하는 적색 서브 화소, 녹색 서브 화소, 청색 서브 화소 및 상기 근적외선 광에 감응하는 근적외선 서브 화소를 포함하며, 상기 촬상 제어부는 상기 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에서, 상기 복수의 화소에 포함된 모든 근적외선 서브 화소가 근적외선을 검출하였는 지 여부를 각각 판단하고, 상기 판단 결과에 기초하여 상기 근적외선 영상 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촬상 제어부는 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호의 크기가 제1 기준치를 초과하고, 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호와 인접한 적색 서브 화소에서 검출된 전기 신호, 인접한 녹색 서브 화소에서 검출된 전기 신호, 인접한 청색 서브 화소에서 검출된 전기 신호를 각각 차감한 절대값이 제2 기준치 미만인 경우, 상기 근적외선 서브 화소가 근적외선을 검출한 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촬상 제어부는 제1 증폭 지수(aR), 제2 증폭 지수(aG), 제3 증폭 지수(aB)를 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호에 각각 곱하고, 상기 곱한 값들이 상기 제1 기준치를 초과하는 지 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촬상 제어부는 상기 제1 증폭 지수(aR), 상기 제2 증폭 지수(aG), 상기 제3 증폭 지수(aB)를 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호에 각각 곱하고 상기 곱한 값과 인접한 상기 적색 서브 화소, 상기 녹색 서브 화소 및 상기 청색 서브 화소에서 검출된 전기 신호를 각각 차감한 값의 절대값이 상기 제2 기준치 미만인지 여부를 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 내시경 장치는 상기 가시광 영상 이미지 및 상기 근적외선 영상 이미지를 표시하는 표시 모듈을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 내시경 장치는 촬상 모듈이 내시경 말단에 부착된 칩-온-팁(Chip-on-tip) 방식으로 구현되면서, 하나의 이미지 센서로 가시광과 근적외선 광을 모두 가시화할 수 있다. 따라서, 말단이 움직여야 하는 능동 내시경으로 용이하게 확장될 수 있으며, 광 섬유를 통해 이미지 센서로 광을 전달하는 종래 방식대비 더 높은 곡률과 화질을 제공할 수 있으며, 촬상 모듈이 종래 방식에 비해 간단해지므로 소형화와 저가화에 유리할 수 있다.
본 실시예에 따른 내시경 장치는 협소하거나 굴곡진 인체 내부에서 용이하게 사용될 수 있어 보다 다양한 수술 분야에 응용될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 내시경 장치는 근적외선 광을 선별하는 이미지 생성 방법을 제공하는 바, 근적외선 광과 가시광을 하나의 센서로 검출함에 따라 발생하는 오차를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 내시경 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 모듈과 촬상 대상을 도시한 개략도이다.
도 3은 이미지 센서의 화소를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 이미지 센서에서 검출되는 광원 파장 대역을 나타낸 그래프이다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 근적외선을 방출하는 샘플을 근적외선 영상 이미지 촬영 모드로 촬영한 근적외선 영상 이미지이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 인지할 수 있다. 이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
본 명세서에서 "부", "모듈(module)", "서버(server)", "시스템" 또는 "장치"는 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 여기서 하드웨어는 CPU 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 내시경 장치의 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 모듈과 촬상 대상을 도시한 개략도이다. 도 3은 이미지 센서의 화소를 나타낸 개략도이다. 도 4는 본 발명의 이미지 센서에서 검출되는 광원 파장 대역을 나타낸 그래프이다.
본 명세서에 사용된 "내시경 장치"는 인체에 삽입되어 촬상 대상을 조명하고 촬상을 수행하는 장치로 한정되는 것은 아니다. 내시경 장치는 말단부에 위치하는 엔드 이팩터에 따라 삽입 위치 주변의 작업 대상물을 절개, 절단, 침투, 봉합, 접합(용접) 하거나, 작업 대상물에 약칠 또는 투약 등의 각종 작업을 수행할 수도 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내시경 장치(10)는 촬상 모듈(100), 제어 모듈(110), 메인 튜브(120) 및 표시 모듈(130)을 포함한다.
촬상 모듈(100)은 촬상 대상(140)에 광원을 방출하는 광원(101) 및 상기 촬상 대상(140)에서 방출되는 방출광을 수득하여 전기 신호를 생성하는 이미지 센서(102)를 포함한다. 상기 전기 신호는 수득된 광에 따라 포토 다이오드에 축적된 전하를 전압으로 변환한 값일 수 있다. 촬상 모듈(100)은 메인 튜브(120)의 원위 단부에 위치할 수 있다.
메인 튜브(120)의 원위 단부에는 촬상 모듈(100)이 위치하고 메인 튜브(120)의 근위 단부에는 제어 모듈(110)이 위치할 수 있다. 제어 모듈(110)과 촬상 모듈(100)은 기능적으로 분리되어 있을 뿐만 아니라, 메인 튜브(120)에 의해 공간적으로 분리될 수 있다. 메인 튜브(120)는 인체에 삽입되는 튜브체로, 미세한 두께의 중공일 수 있다. 메인 튜브(120)는 일 방향으로 일정 길이 이상 길게 연장된 형상으로, 스테인리스 등의 금속으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 가요성을 가지는 재질로도 형성될 수 있다. 메인 튜브(120)는 시술 전 수동으로 길이가 조절될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 시술 시 사용자의 요청에 따라 자동으로 조절될 수도 있다. 메인 튜브(120)는 가요성을 가질 수 있으며, 사용자의 필요에 따라 벤딩될 수도 있다. 메인 튜브(120)의 내부에는 촬상 모듈(100)의 동작에 필요한 배선 및 촬상 모듈(100)에서 생성된 전기 신호를 제어 모듈(110)로 전달하기 위한 배선 등이 위치할 수 있다.
제어 모듈(110)은 메인 튜브(120)의 근위 단부에 위치한다. 제어 모듈(110)은 메인 튜브(120)를 제어하는 동작 제어부(111) 및 촬상 모듈(100)을 제어하는 촬상 제어부(112)를 포함한다. 동작 제어부(111)는 메인 튜브(120)의 이동, 인체 내부로의 삽입, 벤딩 등과 같은 동작을 제어할 수 있다.
촬상 제어부(100)는 촬상 모듈(100)의 촬상 대상(140)의 영상 이미지의 생성 및 영상 이미지의 처리 등을 제어할 수 있다. 촬상 제어부(112)는 가시광 영상 이미지 촬영 모드 또는 근적외선 영상 이미지 촬영 모드로 촬상 모듈(100)을 촬상 모드를 전환할 수 있으며, 상기 촬상 모듈의 광원에서 방출되는 광의 파장은 상기 모드 전환에 대응하여 변환된다. 광원(101)은 상기 가시광 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 가시광을 상기 촬상 대상(140)에 방출하고, 상기 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 근적외선 여기광을 상기 촬상 대상(140)에 방출한다. 상기 모드에 대응하여 광원(101)에서 방출되는 광의 파장을 변환할 수 있다. 촬상 제어부(112)는 상기 모드에 대응하여 가시광 영상 이미지 또는 근적외선 영상 이미지를 생성할 수 있다.
촬상 제어부(112)는 생성된 가시광 영상 이미지 및 근적외선 영상 이미지를 표시 모듈(130)로 제공할 수 있으며, 표시 모듈(130)은 상기 가시광 영상 이미지 및 근적외선 영상 이미지를 표시할 수 있다. 표시 모듈(130)은 가시광 영상 이미지 촬영 모드에서 가시광 영상 이미지를 표시하여 사용자에게 제공할 수 있고, 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에서 근적외선 영상 이미지를 표시하여 사용자에게 제공할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 표시 모듈(130)은 연속된 프레임에서 각각 생성된 가시광 영상 이미지와 근적외선 영상 이미지를 오버랩하여 표시할 수 있다. 또한 몇몇 실시예에서, 표시 모듈(130)는 PIP 모드를 제공할 수 있다. 가시광 영상 이미지가 주화면으로 표시되고 근적외선 영상 이미지가 보조 화면으로 표시될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 근적외선 영상 이미지가 주화면으로 표시되고 가시광 영상 이미지가 보조 화면으로 표시될 수도 있다.
메인 튜브(120)의 원위 단부에 위치한 촬상 모듈(100)은 엔드 이펙터일 수 있다. 메인 튜브(120)가 신체 내부로 삽입됨에 따라 촬상 모듈(100)은 촬상 대상(140)이 존재하는 위치로 이동될 수 있다. 본 실시예에 따른 내시경 장치(10)는 촬상 모듈(100)이 내시경 말단에 부착된 칩-온-팁(Chip-on-tip) 방식일 수 있다. 따라서, 말단이 움직여야 하는 능동 내시경으로 용이하게 확장될 수 있으며, 광 섬유를 통해 이미지 센서로 광을 전달하는 종래 방식대비 더 높은 곡률과 화질을 가질 수 있다. 또한, 촬상 모듈이 종래 방식에 비해 간단해지므로 소형화와 저가화에 유리할 수 있다.
일 실시예에서, 촬상 모듈(100)의 광원(101)은 복수로 구비될 수 있다. 광원(101)은 이미지 센서(102)를 기준으로 위, 아래 대칭적으로 위치할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 광원(101)은 LED일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 메인 튜브(120)의 내부를 통과하는 광섬유, 레이저 광원 또는 제논광원일 수도 있다.
광원(101)은 가시광 및 촬상 대상(140)의 형광물질을 여기시키는 근적외선 여기광 중 적어도 하나를 촬상 대상(140)에 방출할 수 있다. 광원에서 방출되는 가시광의 파장은 400nm ~ 700nm일 수 있고, 근적외선 여기광의 파장은 750nm ~ 800nm일 수 있다. 광원(101)은 가시광 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 가시광을 촬상 대상(140)에 방출하고, 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 근적외선 여기광을 촬상 대상(140)에 방출할 수 있다. 촬상 모듈(100)은 광원(101)과 촬상 대상(140) 사이에 배치되는 광원 필터(103)를 더 포함할 수 있다. 광원 필터(103)는 가시광 및 근적외선 여기광만을 통과시킬 수 있다. 광원 필터(103)를 통과한 가시광 및 근적외선 여기광은 촬상 대상(140)에 도달할 수 잇다.
촬상 대상(140)은 메인 튜브(120)가 삽입된 신체의 내부 조직으로 병변 부위 또는 수술 부위일 수 있다. 촬상 대상(140)은 가시광에 의해 조명되었을 때 백색광 또는 컬러 영상을 반사할 수 있는 제1 조직(141) 및 정확한 관찰을 위해 형광 물질과 같은 바이오 마커를 포함하는 제2 조직(142)을 포함할 수 있다. 예시적으로, 제1 조직(141)은 육안으로 관측이 가능한 조직일 수 있으며, 제2 조직(142)은 육안으로 정상적으로 관측이 어려운 조직일 수 있다. 또한, 제2 조직(142)은 제1 조직(141)로부터 식별이 필요한 조직으로 병변 부위 또는 수술로 제거되는 부위일 수 있다.
제1 조직(141)은 조명된 가시광을 백색광 또는 컬러 영상으로 반사할 수 있다. 제2 조직(142)에 포함된 형광 물질은 인도시아닌 그린(Indocyanine green: ICG)일 수 있으며, 근적외선 여기광을 흡수한 뒤 에너지 변환을 통해 근적외선 광을 방출하면서 형광을 발할 수 있다. 제2 조직(142)은 근적외선 여기광의 파장보다 긴 파장의 근적외선 광을 방출할 수 있다. 제2 조직(142)에서 방출되는 근적외선 광의 파장은 800nm ~ 870nm일 수 있다. 근적외선 광의 파장은 810 nm ~ 830 nm에서 최고치를 나타낼 수 있다. 따라서, 촬상 대상(140)에서 방출되는 근적외선 광을 검출한다면 제2 조직(142)만을 선택적으로 식별할 수 있다.
이미지 센서(102)는 촬상 대상(140)에서 반사되는 광 및 방출되는 근적외선 광을 검출하고, 수득된 광에 비례하여 전기 신호를 생성할 수 있다. 촬상 모듈(100)은 촬상 대상(140)과 이미지 센서(102) 사이에 배치되어 촬상 대상(140)에서 반사되는 광 및 방출되는 근적외선 광을 이미지 센서(102)를 향하도록 집광하는 렌즈(104)를 더 포함할 수 있다. 또한, 촬상 모듈(100)은 렌즈(104)와 이미지 센서(102) 사이에 배치되어 촬상 대상(104)에서 반사되는 광 및 방출되는 광 이외의 노이즈를 제거하는 센서 필터(105)를 더 포함할 수 있다. 센서 필터(105)는 센서 필터는 제1 센서 필터(105a), 제2 센서 필터(105b) 및 제3 센서 필터(105c)를 포함한다. 제1 센서 필터(105a)는 도 4에 도시된 제1 영역(UV stop), 자외선 영역에 해당하는 노이즈를 제거한다. 제2 센서 필터(105b)는 도 4에 도시된 제2 영역(IR stop), 적외선 영역에 해당하는 노이즈를 제거한다. 제3 센서 필터(105c)는 도 4에 도시된 가시광과 근적외선 광의 경계 영역에 해당하는 노이즈를 제거한다. 상기 경계 영역의 파장대역은 730nm ~ 800nm일 수 있다. 본 실시예에 따른 내시경 장치(10)는 하나의 수광 화소부로 근적외선 광과 가시광을 모두 검출할 수 있는 바, 제3 센서 필터(105c)가 가시광과 근적외선의 경계 영역의 파장을 제거함에 따라, 이미지 센서(102)의 근적외선 광 검출 의 정확성은 보다 향상될 수 있다. 또한, 도 4에 제1 내지 제3 센서 필터(105a, 105b, 105c)가 배치된 위치는 예시적인 것으로 센서 필터(105)의 배치 구조가 도 4에 개시된 내용에 한정되는 것은 아니다.
이미지 센서(102)는 센서 필터(105)를 투과한 가시광 및 근적외선 광을 수득하여 각각 전기 신호로 변환할 수 있다. 이미지 센서(102)에서 변환된 전기 신호는 메인 튜브(120)내의 배선을 통해 제어 모듈(110)로 제공될 수 있다. 제어 모듈(110)의 촬상 제어부(112)는 전기 신호에 따라 촬상 대상의 영상 이미지를 생성할 수 있다.
이미지 센서(102)는 매트릭스 배열된 복수의 화소(PX)로 구성된 수광부를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 화소(PX) 각각은 상기 가시광에 감응하는 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G), 청색 서브 화소(B) 및 근적외선 광에 감응하는 근적외선 서브 화소(IR)를 포함한다. 이미지 센서(102)는 CMOS 이미지 센서일 수 있으며 각 서브 화소는 포토 다이오드를 포함할 수 있다. 각 서브 화소의 포토 다이오드는 검출에 광에 대응하여 축적된 전하를 전압으로 변환하여 전기 신호를 생성할 수 있다. 각 서브 화소는 특정 파장에 감응하도록 구성될 수 있다. 적색 서브 화소(R)는 가시광의 적색광에 비례하여 전압을 생성할 수 있으며, 녹색 서브 화소(G)는 가시광의 녹색광에 비례하여 전압을 생성할 수 있고, 청색 서브 화소(B)는 가시광의 청색광에 비례하여 전압을 생성할 수 있다. 각 서브 화소에 생성된 전기 신호는 순차적으로 판독되어 촬상 제어부(112)로 제공될 수 있다. 촬상 제어부(112)는 가시광 영상 이미지 촬영 모드에서 적색 서브 화소(R), 녹색 서브 화소(G), 청색 서브 화소(B)에서 제공된 전기 신호에 따라 촬상 대상(140)의 가시광 영상 이미지를 생성할 수 있다.
또한, 촬상 제어부(112)는 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에서 근적외선 서브 화소(IR)에서 제공되는 전기 신호에 따라 근적외선 영상 이미지를 생성할 수 있다. 구체적으로, 촬상 제어부(112)는 모든 근적외선 서브 화소(IR)가 근적외선을 검출하였는 지 여부를 각각 판단하고, 판단 결과에 기초하여 근적외선 영상 이미지를 생성할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 근적외선 광의 파장 영역에서 근적외선(NIR)은 가시광(R, G, B)에 비해 확연히 큰 세기를 나타내지 않으며, 가시광에 대한 감도가 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에서 광원(101)이 가시광선을 방출하지 않더라도 해당 내시경이 구현되는 공간에는 가시광이 존재할 수 있다. 근적외선 서브 픽셀(IR)은 근적외선이 아닌 가시광에서도 감응되어 전하가 축적될 수 있으며, 가시광에 의해서 축적된 전하에 오차가 발생할 수 있다.
본 실시예에 따른 촬상 제어부(112)는 이러한 오차를 제거하고 근적외선 광만 검출하기 위해 근적외선 서브 픽셀(IR)에서 검출된 전압과 적색, 녹색, 청색 서브 화소(R, G, B)에서 출력된 전압을 모두 고려할 수 있다. 즉, 촬상 제어부(112)는 근적외선 서브 화소(IR)에서 전기 신호(검출된 전압값)가 제1 기준치(Kt)를 초과하는 지 여부 및 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호와 인접한 적색, 녹색, 청색 서브 화소(R, G, B)에서 출력된 전기 신호를 차감한 절대값이 제2 기준치(Ks) 미만인지 여부를 판단하여 근적외선 서브 화소(IR)가 근적외선을 검출하였는 지 여부를 판단한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촬상 제어부(112)는 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)이 제1 기준치(Kt)를 초과하는 지 여부를 결정할 수 있다. 여기서, 제1 기준치(Kt)는 최소 기준값일 수 있다. 상술한 바와 같이, 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)는 가시광에 따른 오차가 발생한 상태일 수 있으며, 각 가시광(R, G, B)은 서로 다른 감응성을 가질 수 있다. 따라서, 촬상 제어부(112)는 가시광에 따른 오차 및 가시광에 따른 편차를 제거하여 객관적인 비교를 하기 위해 제1, 제2, 제3 증폭 지수(aR, aG, aB)를 각각 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)에 곱하고, 곱한 값을 제1 기준치(Kt)와 비교하여 상기 곱한 값이 제1 기준치(Kt)를 초과하는 지 여부를 결정할 수 있다. 증폭 지수(aR, aG, aB)는 하기 수학식 1로 산출될 수 있으며, 촬상 제어부(112)는 하기 수학식 2와 같이 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)과 제1 기준치(Kt)를 비교할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, 제1 증폭 지수(aR)는 적색 서브 화소의 감응성을 고려한 증폭 지수 이다. 제2 증폭 지수(aG)는 녹색 서브 화소의 감응성을 고려한 증폭 지수 이다. 제3 증폭 지수(aB)는 청색 서브 화소의 감응성을 고려한 증폭 지수이다. mean(F)는 복수의 화소(PX)의 모든 근적외선 서브 화소(IR)에서 측정된 전기 신호의 평균, mean(R)은 복수의 화소(PX)의 모든 적색 서브 화소(R)에서 측정된 전기 신호의 평균, mean(G)은 복수의 화소(PX)의 모든 녹색 서브 화소(G)에서 측정된 전기 신호의 평균, mean(B)은 복수의 화소(PX)의 모든 청색 서브 화소(B)에서 측정된 전기 신호의 평균을 의미한다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, TR는 제1 증폭 지수(aR)를 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)에 곱한 값과 제1 기준치(Kt)를 비교한 결과 값으로 aR·f가 제1 기준치(Kt)을 초과하는 경우 '1'의 결과 값을 가지며, aR·f가 제1 기준치(Kt) 이하인 경우 '0'의 결과 값을 가진다. TG는 제2 증폭 지수(aG)를 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)에 곱한 값과 제1 기준치(Kt)를 비교한 결과 값으로 aG·f가 제1 기준치(Kt)을 초과하는 경우 '1'의 결과 값을 가지며, aG·f가 제1 기준치(Kt) 이하인 경우 '0'의 결과 값을 가진다. TB는 제3 증폭 지수(aB)를 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)에 곱한 값과 제1 기준치(Kt)를 비교한 결과 값으로 aB·f가 제1 기준치(Kt)을 초과하는 경우 '1'의 결과 값을 가지며, aB·f가 제1 기준치(Kt) 이하인 경우 '0'의 결과 값을 가진다. 촬상 제어부(112)는 상기 수학식 2를 통해 TR, TG 및 TB를 산출한다.
또한, 촬상 제어부(112)는 가시광에 따른 오차 및 가시광에 따른 편차를 제거하여 객관적인 비교를 하기 위해 제1, 제2, 제3 증폭 지수(aR, aG, aB)를 각각 근적외선 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)에 곱하고 곱한 값을 인접한 적색, 녹색, 청색 서브 화소(R, G, B)에서 검출된 전기 신호(r, g, b)을 차감한 값의 절대값이 제2 기준치(Ks) 미만인지 여부를 판단한다. 근적외선 대역에서 근적외선 광 및 가시광의 감도가 비슷한 것을 이용하여 근적외선 서브 화소와 인접한 가시광 서브 화소의 전기 신호의 차이의 절대값이 미리 설정된 역치 값인 제2 기준치(Ks) 미만인 경우 해당 근적외선 서브 화소(IR)는 근적외선 광을 검출한 것으로 판단할 수 있다. 즉, 근적외선 서브 화소가 근적외선 광을 검출하지 않고 의도하지 않은 가시광에 감응한 상태인 경우, 근적외선 서브 화소는 인접한 가시광 서브 화소에서 출력된 값에 비해 현저히 작은 전기 신호를 생성할 수 있다. 따라서, 촬상 제어부(112)는 근적외선 서브 화소의 출력된 값에서 인접한 서브 화소의 출력된 값을 차감한 절대값이 제2 기준치(Ks) 이상인 것으로 판단되는 경우, 근적외선 서브 화소는 근적외선 광을 검출하지 않은 것으로 판단할 수 있다. 여기서, 인접한 적색, 녹색, 서브 화소(R, G, B)는 판단 대상인 근적외선 서브 화소(IR)와 하나의 화소(PX)를 구성하는 적색, 녹색, 서브 화소를 의미한다. 상술한 비교는 하기 수학식 3과 같이 수행될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, r은 인접한 적색 서브 화소(R)의 검출된 전기 신호, g는 인접한 녹색 서브 화소(G)의 검출된 전기 신호, b는 인접한 청색 서브 화소(B)의 검출된 전기 신호를 의미한다. SR는
Figure pat00004
의 절대값과 제2 기준치(Ks)를 비교한 결과 값으로
Figure pat00005
의 절대값이 제2 기준치(Ks) 미만인 경우에는 '1'의 결과 값을 가지며,
Figure pat00006
의 절대값이 제2 기준치(Ks) 이상인 경우에는 '0'의 결과 값을 가진다. SG는
Figure pat00007
의 절대값과 제2 기준치(Ks)를 비교한 결과 값으로
Figure pat00008
의 절대값이 제2 기준치(Ks) 미만인 경우에는 '1'의 결과 값을 가지며,
Figure pat00009
의 절대값이 제2 기준치(Ks) 이상인 경우에는 '0'의 결과 값을 가진다. SB는
Figure pat00010
의 절대값과 제2 기준치(Ks)를 비교한 결과 값으로
Figure pat00011
의 절대값이 제2 기준치(Ks) 미만인 경우에는 '1'의 결과 값을 가지며,
Figure pat00012
의 절대값이 제2 기준치(Ks) 이상인 경우에는 '0'의 결과 값을 가진다.
촬상 제어부(112)는 상기 수학식 3를 통해 SR, SG, 및 SB를 산출한다. 또한, 촬상 제어부(112)는 하기 수학식 4와 같이 상기 산출된 TR, TG, TB, SR, SG, 및 SB이 모두 '1'의 결과 값을 가지는 경우 최종적으로 해당 근적외선 서브 픽셀(IR)이 근적외선을 검출한 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00013
촬상 제어부(112)는 상술한 과정을 모든 근적외선 서브 픽셀(IR)에 수행하여 근적외선의 검출 여부를 판단할 수 있으며, 판단 결과에 기초하여 근적외선 영상 이미지를 생성할 수 있다.
도 5(a) 내지 도 5(c)는 근적외선을 방출하는 샘플을 근적외선 영상 이미지 촬영 모드로 촬영한 근적외선 영상 이미지를 나타낸다. 구체적으로, 도 5(a)는 촬상 대상 샘플이며 하얀색으로 조명되고 있는 부분이 촬상된 영역을 나타낸다. 도 5(a)에서 IR PEN으로 표시된 부분은 근적외선을 방출하고 있으며, 상기 문자의 일부분을 촬상하여 근적외선 영상 이미지를 생성하였다. 도 5(b)는 이미지 처리 방법을 별도를 수행하지 않고 촬상 대상 샘플을 촬영한 근적외선 영상 이미지를 나타내며, 도 5(c)는 단순 임계값을 적용하여 이미지 처리를 수행한 근적외선 영상 이미지를 나타내고, 도 5(d)는 본 실시예에 따라 생성한 근적외선 영상 이미지를 나타낸다. 도 5(b) 내지 도 5(d)에서 근적외선이 검출된 이미지는 하얀색으로 도시하였다.
도 5(b) 및 도 5(c)는 촬상 대상 샘플에 촬상된 영역에서 근적외선이 방출되는 부분을 정확하게 식별하지 못한 것을 확인할 수 있으나, 본 실시예에 따라 생성한 도 5(d)의 경우 근적외선이 방출되는 부분이 비교적 정확하게 식별된 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에 따른 내시경 장치(10)는 촬상 모듈(100)이 내시경 말단에 부착된 칩-온-팁(Chip-on-tip) 방식으로 구현되면서, 하나의 이미지 센서로 가시광과 근적외선 광을 모두 가시화할 수 있다. 따라서, 말단이 움직여야 하는 능동 내시경으로 용이하게 확장될 수 있으며, 광 섬유를 통해 이미지 센서로 광을 전달하는 종래 방식대비 더 높은 곡률과 화질을 제공할 수 있으며, 촬상 모듈이 종래 방식에 비해 간단해지므로 소형화와 저가화에 유리할 수 있다. 또한, 근적외선 광을 선별하는 이미지 생성 방법을 제공하는 바, 근적외선 광과 가시광을 하나의 센서로 검출함에 따라 발생하는 오차를 최소화할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 내시경 장치
100: 촬상 모듈
101: 광원
102: 이미지 센서
103: 광원 필터
104: 렌즈
105: 센서 필터
110: 제어 모듈
111: 촬상 제어부
112: 동작 제어부
120: 메인 튜브
130: 표시 모듈
140: 촬상 대상

Claims (9)

  1. 메인 튜브;
    상기 메인 튜브의 원위 단부에 위치하는 촬상 모듈; 및
    상기 메인 튜브의 근위 단부에 위치하는 제어 모듈을 포함하되,
    상기 촬상 모듈은 촬상 대상에 가시광 및 근적외선 여기광 중 적어도 하나를 방출하는 광원 및 상기 촬상 대상에서 반사된 가시광 및 상기 근적외선 여기광에 의해 여기된 상기 촬상 대상에서 방출된 근적외선 광 중 적어도 하나를 수득하여 전기 신호를 생성하는 이미지 센서를 포함하고,
    상기 제어 모듈은 상기 전기 신호에 따라 상기 촬상 대상의 가시광 영상 이미지 및 근적외선 영상 이미지 중 적어도 하나를 생성하는 촬상 제어부를 포함하는 내시경 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 촬상 모듈은 상기 광원과 상기 촬상 대상 사이에 배치되고, 상기 가시광 및 근적외선 여기광만을 통과시키는 광원 필터;
    상기 반사된 가시광 및 상기 근적외선 광을 상기 이미지 센서를 향하도록 집광하는 렌즈; 및
    상기 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 위치하는 센서 필터를 더 포함하고,
    상기 센서 필터는 자외선 영역에 해당하는 노이즈를 제거하는 제1 센서 필터, 적외선 영역에 해당하는 노이즈를 제거하는 제2 센서 필터 및 상기 가시광과 상기 근적외선 광의 경계 영역에 해당하는 노이즈를 제거하는 제3 센서 필터를 포함하는 내시경 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 촬상 대상은 상기 가시광을 반사하는 제1 조직 및 상기 근적외선 여기광에 의해 여기되어 상기 근적외선 광을 방출하는 형광 물질을 포함하는 제2 조직을 포함하는 내시경 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 촬상 제어부는 가시광 영상 이미지 촬영 모드 또는 근적외선 영상 이미지 촬영 모드로 상기 촬상 모듈의 촬상 모드를 전환할 수 있으며,
    상기 광원은 상기 가시광 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 가시광을 상기 촬상 대상에 방출하고, 상기 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에 대응하여 근적외선 여기광을 상기 촬상 대상에 방출하는 내시경 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 매트릭스 배열된 복수의 화소로 구성된 수광부를 포함하고, 상기 복수의 화소 각각은 상기 가시광에 감응하는 적색 서브 화소, 녹색 서브 화소, 청색 서브 화소 및 상기 근적외선 광에 감응하는 근적외선 서브 화소를 포함하며,
    상기 촬상 제어부는 상기 근적외선 영상 이미지 촬영 모드에서, 상기 복수의 화소에 포함된 모든 근적외선 서브 화소가 근적외선을 검출하였는 지 여부를 각각 판단하고, 상기 판단 결과에 기초하여 상기 근적외선 영상 이미지를 생성하는 내시경 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 촬상 제어부는 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호의 크기가 제1 기준치를 초과하고, 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호와 인접한 적색 서브 화소에서 검출된 전기 신호, 인접한 녹색 서브 화소에서 검출된 전기 신호, 인접한 청색 서브 화소에서 검출된 전기 신호를 각각 차감한 절대값이 제2 기준치 미만인 경우, 상기 근적외선 서브 화소가 근적외선을 검출한 것으로 판단하는 내시경 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 촬상 제어부는 하기 수학식 1로 계산되는 제1 증폭 지수(aR), 제2 증폭 지수(aG), 제3 증폭 지수(aB)를 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호에 각각 곱하고, 상기 곱한 값들이 상기 제1 기준치를 초과하는 지 여부를 하기 수학식 2와 같이 판단하는 내시경 장치.

    [수학식 1]
    Figure pat00014


    여기서, mean(F)는 복수의 화소(PX)의 모든 근적외선 서브 화소(IR)에서 측정된 전기 신호의 평균, mean(R)은 복수의 화소(PX)의 모든 적색 서브 화소(R)에서 측정된 전기 신호의 평균, mean(G)은 복수의 화소(PX)의 모든 녹색 서브 화소(G)에서 측정된 전기 신호의 평균, mean(B)은 복수의 화소(PX)의 모든 청색 서브 화소(B)에서 측정된 전기 신호의 평균을 의미한다.

    [수학식 2]
    Figure pat00015

    여기서, Kt는 상기 제1 기준치, TR는 제1 증폭 지수(aR)를 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호(f)에 곱한 값과 제1 기준치(Kt)를 비교한 결과 값, TG는 제2 증폭 지수(aG)를 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호(f)에 곱한 값과 제1 기준치(Kt)를 비교한 결과 값, TB는 제3 증폭 지수(aB)를 서브 화소(IR)에서 검출된 전기 신호(f)에 곱한 값과 제1 기준치(Kt)를 비교한 결과 값이다.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 촬상 제어부는 상기 제1 증폭 지수(aR), 상기 제2 증폭 지수(aG), 상기 제3 증폭 지수(aB)를 상기 근적외선 서브 화소에서 검출된 전기 신호에 각각 곱하고 상기 곱한 값과 인접한 상기 적색 서브 화소, 상기 녹색 서브 화소 및 상기 청색 서브 화소에서 검출된 전기 신호를 각각 차감한 값의 절대값이 상기 제2 기준치 미만인지 여부를 하기 수학식 3과 같이 판단하는 내시경 장치.

    [수학식 3]
    Figure pat00016


    여기서, Ks는 상기 제2 기준치, r은 인접한 적색 서브 화소에서 검출된 전기 신호, g는 인접한 녹색 서브 화소에서 검출된 전기 신호, b는 인접한 청색 서브 화소에서 검출된 전기 신호를 의미한다. SR는
    Figure pat00017
    의 절대값과 제2 기준치(Ks)를 비교한 결과 값, SG는
    Figure pat00018
    의 절대값과 제2 기준치(Ks)를 비교한 결과 값, SB는
    Figure pat00019
    의 절대값과 제2 기준치(Ks)를 비교한 결과 값이다.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 가시광 영상 이미지 및 상기 근적외선 영상 이미지를 표시하는 표시 모듈을 더 포함하는 내시경 장치.
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