KR20210082191A - 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치 및 방법 - Google Patents

시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치 및 방법 Download PDF

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브렌던 프란시스 케네디
치 팡
로완 윌리엄 샌더슨
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온코레스 메디컬 피티와이 엘티디
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Abstract

본 개시는 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치를 제공한다. 상기 장치는, 감지부를 갖는 몸체, 및 상기 몸체의 감지부에 위치하고 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 위치된 감지 표면을 갖는 감지 층을 포함한다. 상기 감지 층은 변형 가능하며, 미리 결정된 변형-종속적 광학 특성을 갖는다. 상기 장치는 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과된 광을 검출하도록 위치된 광 검출기를 더 포함한다. 상기 광학적 촉진 장치는, 감지 층의 감지 표면이 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하고 감지 층과 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력이 가해질 때, 감지 층의 미리 결정된 변형 또는 압력-종속적 광학 특성으로 인해, 시료 물질의 기계적 특성이 감지 층의 적어도 일부를 투과한 빛을 검출함으로써 측정될 수 있도록 배열된다.

Description

시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치 및 방법
본 발명은 일반적으로 광학적 촉진(optical palpation: OP)을 사용하여 시료 물질(sample material)의 기계적 특성을 평가하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 배타적이지는 않지만, 시료 물질의 탄성을 특성화하는 디지털 카메라 기반의 광학적 촉진 장치 및 방법에 관한 것이다.
광학적 이미징, 초음파 이미징 및 MRI를 기반으로 하는 탄성 영상기술(elastography)은 일반적으로 생물학적 조직과 같은 시료 물질의 변형을 측정하고, 샘플의 강성 및 기타 기계적 특성을 평가하는 데 사용된다.
최근 몇 년간, 광 간섭 단층촬영기술(optical coherence tomography: OCT) 기반의 탄성 영상기술 분야에서 괄목한 발전이 있었는데, 이것은 몇 마이크로미터의 해상도로 시료 물질 내에서 최대로 수 밀리미터 깊이까지의 정보를 제공한다. 예를 들어, 본 출원인은 광학적 촉진(OP) 기술을 개발하였는바, 이는 PCT 국제특허출원 번호 PCT/AU2016/000019에 개시되어 있다. 상기 개시된 OP 기술은 생물학적 시료의 표면에 대해 압축된 순응성 감지 층을 사용하고 OCT를 사용하여 감지 층과 조직 간의 힘에 기초하여 압축에 의해 야기된 층의 두께의 변화를 측정한다. OCT 기반의 광학적 촉진은 일반적으로 간섭측정기법(interferometry)에 의존한다.
본 발명은 추가적인 개량을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치(optical palpation device)가 제공되는 것으로서, 상기 장치는:
감지부를 갖는 몸체;
상기 몸체의 상기 감지부에 위치하며 상기 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 위치되는 감지 표면을 가지며, 변형 가능하며 소정의 변형-종속적(deformation-dependent) 광학 특성을 갖는 감지 층; 및
상기 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과된 광을 검출하도록 위치하는 광 검출기를 포함하되;
상기 광학적 촉진 장치는, 상기 감지 층의 감지 표면이 상기 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하고 상기 감지 층과 상기 시료 물질의 표면 영역의 적어도 일부를 통해 압력이 가해질 때, 상기 감지 층이 변형되며, 상기 감지 층의 상기 변형-종속적 광학 특성으로 인해 상기 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과된 빛을 감지함으로써 상기 시료 물질의 기계적 특성이 측정 가능하도록, 배치된다.
본 발명의 실시 예들은 단순화되고 비용 효과적인 광학적 촉진 장치를 제공한다. 또한, 상기 광학적 촉진 장치의 사용은 OCT 기반의 광학적 촉진 장치에 비해 단순화된다. 상기 장치는 상대적으로 경량이고, 휴대형일 수 있으며, 컴퓨터 등에 무선으로 연결되도록 배열될 수 있다.
특정한 일 실시 예에서, 상기 감지 층은 압축 가능하고 상기 변형-종속적 광학 특성은 압축 종속적 광학 특성이다. 상기 감지 층은 축 방향 부하에 대해 최소한의 측면 팽창(lateral expansion)을 겪도록 압축 가능할 수 있다.
상기 감지 층의 변형-종속적 광학 특성은 압축-종속적 투과율(compression-dependent transmissivity), 편광(polarisation), 광 흡수 또는 광 산란일 수도 있다. 대안적으로, 상기 변형-종속적 광학 특성은 적어도 감지 층의 일부를 통해 투과되는 광의 파장 범위와 관련될 수 있으며, 이로써, 예를 들어, 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과되는 광은 변형-종속적 색상을 갖는다.
일 예로서, 상기 변형 가능한 감지 층은 실리콘 물질을 포함하고, 상기 감지 층은 소정의 미리 결정된 불투명도를 갖도록 전체에 걸쳐 분포된 기공들(air cavities)을 가질 수 있다.
상기 광 검출기는 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD) 또는 CCD 어레이를 포함하는 카메라일 수 있다.
그 몸체는 길며 감지 층이 위치하는 일단에는 감지부를 가질 수 있다.
상기 광학적 촉진 장치는 소형의 휴대용(hand-held) 장치일 수 있다.
상기 광학적 촉진 장치는 광을 감지 층으로 지향시키기 위한 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 광원 및 광 검출기는 상기 몸체 내에 위치할 수 있다.
상기 광학 장치는 그 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 시료 물질에 대해 상기 장치 또는 감지 층의 위치를 검출하기 위한 동작 감지기(motion detector)를 더 포함할 수 있다.
상기 기계적 특성은 탄성일 수 있으며, 상기 검출된 광은 인가된 압력에 반응하여 감지 층에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 나타낼 수 있고, 상기 응력 및/또는 변형의 분포는 시료 물질의 기계적 특성과 관련된다.
일 실시 예에서, 시료 물질의 기계적 특성을 평가하는 것은 인가된 압력의 결과로서 시료 물질의 응력 변형을 판단하는 동작을 포함한다.
상기 광학적 촉진 장치는 감지 표면 영역들의 힘 및 결과적인 변위를 측정하기 위해 감지 층의 감지 표면에 배치된 적어도 하나의 변위 및 힘 측정 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 변위 및 힘 측정 장치는 인덴터(indenter: 압자)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 다수의 인덴터들은 시료 물질과 접촉하여 시료 물질에 대한 힘 및 인텐더가 조직 내로 밀려 들어가는 거리 양자의 측정을 가능하게 하기 위해 감지 표면에서 상기 감지 층에 통합된다.
상기 시료 물질은 생물학적 조직 또는 생물학적 재료일 수도 있다. 대안으로서, 상기 시료 물질은 불균일한 경도 또는 유연성을 가질 수 있는 중합체(폴리머) 재료와 같은 또 다른 탄성 또는 변형 가능한 재료를 포함할 수 있다.
상기 광학적 촉진 장치는, 감지 층이 시료 물질의 표면 영역과 간접적으로 접촉할 때, 상기 시료 물질은 감지 층에 직접 접촉하는 것을 방지하기 위한 투명 덮개(transparent sheath)와 같은 얇은 층을 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 상기 감지 층은 상기 덮개의 일부를 형성하거나 그 형태로 제공된다.
상기 광 검출기는 입체 카메라(stereoscopic camera)와 같은 카메라를 포함할 수 있다. 상기 광 검출기는 또한 스마트폰과 같은 장치를 포함할 수도 있다. 스마트폰과 같은 장치는 시료 물질을 배치하기 위한 분리 가능한 마이크로렌즈 및/또는 3D 프린팅 플랫폼을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 있어, 상기 광학적 촉진 장치는 로봇 수술 장치의 일부를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서, 상기 광학적 촉진 장치의 일부 또는 모든 구성 요소는, 광학적 촉진 장치가 사용 시 풍선 카테터(balloon catheter)가 그 안에 배치되는 시료 물질의 일부의 기계적 특성을 결정하는 데 사용될 수 있도록 배열된 풍선 카테터에 또는 그 내부에 배치된다. 상기 감지 층은 풍선 카테터의 풍선 외부에 위치할 수 있고 및/또는 그에 부착될 수도 있다.
상기 광학적 촉진 장치의 적어도 일부 또는 모든 구성 요소는 또한, 바늘, 프로브 또는 관절경(arthroscope)에 또는 그 안에 위치할 수 있으며, 상기 바늘, 프로브 또는 관절경은, 상기 감지 층이 이러한 바늘, 프로브 또는 관절경이 사용시 위치하는 시료 물질의 기계적 특성이 결정될 수 있도록 위치하는 윈도(window)를 갖는다.
상기 광학적 촉진 장치는 또한 장갑(glove)을 포함할 수 있으며, 상기 광학적 촉진 장치의 구성 요소는 사용자가 그 장갑을 착용하고 광학적 촉진 장치의 구성 요소와 함께 장갑의 일부를 시료 물질 위로 이동시킴으로써 광학적 촉진 측정이 가능하도록 상기 장갑에 일체로 결합될 수 있다.
또한, 상기 감지 층은 렌즈의 형태로 제공되고 상기 광학적 촉진 장치는 환자의 눈에 위치하여 눈의 안압 및/또는 경직도(stiffness)의 변화를 판단하도록 배치될 수도 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치가 제공되는바, 상기 장치는:
감지부를 갖는 몸체;
상기 몸체의 감지부에 위치하며 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 위치된 감지 표면을 가지며, 변형 가능하고 광학적으로 감지 가능한 마커 또는 패턴을 갖는 감지 층; 및
광학 시스템 대해 그리고 감지 층의 변형시 상기 마커 또는 패턴의 이동을 판단하는 데에 사용될 수 있는 정보를 제공할 수 있으며, 상기 정보는 빛의 전파 방향에 직교하는 평면에 대해 제공되는 광학 시스템을 포함하되;
상기 광학적 촉진 장치는, 감지 층의 감지 표면이 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하고 상기 감지 층과 상기 시료 물질의 표면의 적어도 일부의 양자에 걸쳐서 압력이 인가될 때, 상기 감지 층이 변형되고, 또한 상기 광학 시스템에 대한 마커 또는 패턴의 위치의 변화를 측정하여 상기 시료 물질의 기계적 특성에 관한 정보가 제공될 수 있도록, 배열된다.
상기 감지 가능한 마커 또는 패턴은 감지 층에 고유한 것일 수 있다. 대안적으로, 상기 감지 가능한 마커 또는 패턴은 외부에서 코팅되거나, 움푹 패여 있거나, 상기 감지 층의 감지 표면에서 광원에 의해 생성된 구조일 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 광학 시스템은 마커 또는 패턴으로부터 반사되거나 투과된 광을 검출하도록 배치된 적어도 2개의 이격된 광 검출기(light detector) 요소들을 포함한다. 상기 적어도 2개의 검출기 각각에 의해 감지된 광은 상기 감지 층에 걸친 변형의 깊이-분포와 관련된 정보를 획득하는 데 사용될 수 있다. 각각의 광 검출기는 CCD(Charge Coupled Device) 또는 CCD 어레이를 포함하는 카메라일 수 있다.
대안적인 실시 예에서, 상기 광학 시스템은 감지 층을 통해 투과된 광을 검출하기 위하여, 마커 또는 패턴의 깊이 위치가 판단될 수 있도록 배치된, 마이크로 렌즈와 같은 광학 요소의 어레이를 포함한다. 상기 광학 시스템은 CCD 또는 CCD 어레이를 포함할 수 있는, 카메라의 형태로 제공될 수 있는 광 검출기를 포함할 수 있다.
상기 몸체는 신장형이며, 상기 감지 층이 위치하는 일단에 감지부를 가질 수 있다.
상기 광학적 촉진 장치는 광을 감지 층으로 지향시키기 위한 광원을 더 포함할 수 있다. 광원 및 광 검출기는 상기 몸체 내에 위치할 수 있다.
상기 광학적 촉진 장치는 휴대용(hand-held) 장치일 수 있다.
상기 광학 시스템은 입체 카메라(stereoscopic camera)와 같은 카메라를 포함한다. 상기 광학 시스템은 또한 스마트폰 기반의 장치를 포함할 수 있다. 상기 스마트폰 기반의 장치는 시료 물질을 배치하기 위한 분리 가능한 마이크로 렌즈 및/또는 3D 프린팅 플랫폼을 포함할 수 있다.
상기 마커들은 투명한 입자들을 포함할 수 있다. 상기 마커들은 또한 형광(fluorescent) 입자 또는 발광(photoluminescent) 입자를 포함할 수 있다.
상기 광학적 촉진 장치는 시료 물질의 사진과 기계적 특성을 동시에 획득할 수 있도록 배열된다.
상기 광학 장치는 상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 시료 물질에 대해 상기 감지 층 또는 장치의 위치를 검출하기 위한 동작 감지기(motion detector)를 더 포함할 수 있다.
상기 기계적 특성은 탄성일 수 있으며 상기 감지된 빛은 인가된 압력에 반응하여 상기 감지 층에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 나타낼 수 있으며, 상기 응력 및/또는 변형의 분포는 시료 물질의 기계적 특성과 관련된다.
일 실시 예에서, 시료 물질의 기계적 특성을 평가하는 동작은 인가된 압력의 결과로서 시료 물질의 응력 변형을 판단하는 동작을 포함한다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은:
본 발명의 제 1 또는 제 2 양태에 따른 광학적 촉진 장치;
상기 광학적 촉진 장치에 결합되고 상기 광 검출기에 의해 검출된 광과 관련된 정보를 나타내는 신호를 수신하도록 구성된 프로세서를 포함하되;
여기서 상기 정보는 상기 시료 물질의 기계적 특성의 측정값을 얻는 데 사용될 수 있다.
상기 시스템은 프로세서와 통신하는 그래픽 인터페이스를 추가로 포함할 수 있으며, 이것은 상기 정보를 사용하여 감지 층의 이미지를 형성하는 것을 용이하게 하며, 상기 이미지는 감지 층을 통해 그리고 적어도 (밑에 있는) 시료 물질을 통해 인가된 압력에 의해 야기되는 감지 층에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징을 포함한다.
상기 프로세서는 데스크톱 컴퓨터과 같은 컴퓨터, 모바일폰, 또는 태블릿 또는 임의의 다른 적절한 형태와 같은 임의의 다른 모바일 장치의 형태로 제공될 수 있다.
상기 프로세서는 유선으로, 또는 Wi-Fi 또는 블루투스 기술과 같은 무선으로 상기 광학적 촉진 장치에 연결될 수 있다.
상기 프로세서는 그래픽 처리 장치(GPU)를 포함하고, 감지 층의 실시간 이미지 및 인가된 압력으로 인한 상기 감지 층에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징들을 포함하는 실시간 이미지를 획득하기 위하여 GPU 알고리즘을 사용하여 프로세싱을 가속시킬 수 있다.
상기 프로세서는 또한 증강현실(AR) 또는 가상현실(VR)을 제공하도록 구성될 수 있으며, 여기서 감지 층의 각각의 실시간 이미지는 감지 층에 걸쳐서 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징을 포함하는 각각의 실시간 이미지와 중첩된다. 상기 각각의 중첩된 이미지는 시료 물질의 기계적 특성의 해당하는 정량적 수치가 표시되는 상태에서 화면에 투사되거나 VR 고글에 내장될 수 있다.
상기 프로세서는 적어도 2개의 이격된 광 검출기 각각으로부터 신호를 수신하도록 구성될 수 있으며, 그 각각의 신호는 적어도 2개의 광 검출기에 의해 감지된 광과 관련된 정보를 나타낸다. 상기 각각의 신호는 그래픽 인터페이스를 사용하여 감지 층의 광학 이미지를 형성하는 데 사용될 수 있으며, 상기 광학 이미지는 감지 층을 가로질러 변형의 깊이-분포를 나타내는 특징을 포함한다. 또한, 상기 프로세서는 상기 장치가 고정되어 있을 때 또는 상기 장치가 시료 물질을 가로질러 이동 또는 스캔 될 때 미리 결정된 주파수로 일련의 이미지를 취하도록, 이미지 검출기 일 수도 있는, 광 검출기를 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 프로세서는 상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치(위치의 변경)를 감지하기 위해 동작 감지기로부터 신호를 수신하도록 배열될 수 있으며, 이로써 상기 감지 층의 변형의 분포에 대한 맵 또는 스캔은 상기 장치가 시료 물질을 가로질러 이동 또는 스캔 될 때 이미지 시퀀스 및 동작 감지기의 정보를 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 시료 물질의 기계적 특성을 평가하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
시료 물질을 제공하는 동작;
상기 제 3 양태에 따른 시스템을 제공하는 동작을 포함하되;
상기 방법은:
감지 표면이 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 시료 물질에 대해 감지 층을 위치시키는 동작;
상기 감지 층 및 상기 시료 물질의 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력을 인가하는 동작; 및
상기 감지 층의 적어도 일부로부터 투과 또는 반사된 광을 검출하는 동작을 더 포함한다.
본 발명의 상기한 제 3 양태에 따른 시스템의 프로세서는 또한 시료 물질에 대해 감지 층 또는 광학적 촉진 장치의 위치를 나타내는 신호를 수신하도록 배열될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 상기 정보를 사용하여 감지 층의 이미지를 형성하기 위해 프로세서와 통신하는 그래픽 인터페이스를 제공하는 동작을 포함하되, 상기 이미지는 감지 층을 통해서 그리고 시료 물질의 밑에 있는 표면 영역의 적어도 일부를 통해서 인가된 압력에 의해 야기되는 감지 층을 가로지르는 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징을 포함한다.
상기 프로세서는 데스크톱 컴퓨터와 같은 컴퓨터, 또는 모바일폰, 또는 태블릿과 같은 다른 모바일 장치의 형태로 제공될 수 있다.
상기 방법은 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위해 인가된 압력의 결과로서 시료 물질의 변형을 판단하는 동작을 더 포함할 수 있다.
시료 물질의 변형은 상기 형성된 광학 이미지에서의 픽셀 분포를 마이크로프로세서 또는 GPU를 사용하여 분석함으로써 판단될 수 있다.
본 발명의 추가적인 실시 예에 따르면, 상기 방법은:
상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 상기 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치를 검출하기 위한 동작 감지기를 제공하는 동작;
상기 광학적 촉진 장치를 시료 물질의 다수의 표면 영역들에 걸쳐 이동시키면서, (i) 감지 층이 압축되도록 상기 감지 층 및 상기 시료 물질의 각 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력을 가하는 동작, 및 (ⅱ) 상기 시료 물질의 다수의 표면 영역들 각각에 대해 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과되거나 그로부터 반사된 빛을 동시에 감지하거나, 또는 상기 시료 물질에 걸쳐서 상기 장치가 이동하는 동안 빛을 순차적으로 감지하는 동작; 및
상기 시료 물질에 대해 감지 층 또는 상기 장치의 좌표의 이동 또는 변화를 검출하는 동작을 포함한다.
상기 방법은 시료 물질의 다수의 표면 영역들과 관련하여 감지 층을 가로지르는 응력의 분포를 나타내는 응력 맵(stress map)을 획득하도록 상기 감지된 움직임 또는 좌표의 변화에 따라 이미지 시퀀스를 조합하기 위하여 프로세서 및 그래픽 인터페이스를 사용하는 동작을 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 방법은 상기 감지 층을 가로지르는 변형의 깊이-분포와 관련된 정보를 획득하도록 상기 감지 층의 동일한 부분을 통해 투과되거나 반사된 광을 검출하기 위해 배치된 적어도 2개의 광 검출기를 포함하는 광학적 촉진 장치를 제공하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 방법은 변형의 깊이-분포를 나타내는 변형(strain) 이미지를 형성하고, 상기 감지 층을 가로지르는 응력(stress)의 분포를 나타내는 응력 맵을 상기 변형 이미지와 통합하고, 그리고 상기 변형 이미지와 응력 맵 양자를 VR 고글과 같은 AR 또는 VR로 표시하는 동작을 더 포함할 수 있다.
특정한 일 실시 예에 있어, 상기 광학적 촉진 장치는 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치 또는 움직임을 검출하기 위한 카메라 및 동작 감지기를 포함하되, 상기 방법은:
상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 상기 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치를 감지하기 위한 동작 감지기를 제공하는 동작을 포함하고;
상기 감지 층과 상기 시료 물질의 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력을 인가하는 단계는, 상기 감지 층과 시료 물질의 적어도 일부의 양자를 통해 다양한 상이한 압력들을 적용하는 동작을 포함하되, 상기 다양한 상이한 압력을 적용하기 위해 상기 시료 물질에 대해 감지 층을 갖는 광학적 촉진 장치의 일부를 이동시키는 동작을 포함하고;
상기 감지 층의 적어도 일부로부터 투과 또는 반사된 광을 검출하는 단계는, 카메라를 사용하여, 일련의 압력에 대해 이미지가 검출되도록 상기 다양한 상이한 압력이 적용되는 동안 수행되고;
상기 시료 물질의, 예컨대, 응력과 같은, 기계적 특성은 압력 시퀀스에 대해 기록된 이미지로써 검출된 상기 감지 층의 광학적 특성의 변화로부터 결정될 수 있으며; 그리고
상기 시료 물질의 변형은 시료 물질에 대한 프로브의 판단된 움직임으로부터 결정될 수 있으며, 상기 움직임은 상기 제공된 동작 감지기를 사용하여 판단되며;
이에 의해, 상기 시료 물질의 비선형적인 기계적 특성이 결정될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 특정 실시 예들에 대한 다음의 설명으로부터 더욱 완벽하게 이해될 것이다. 여기서, 그 설명은 첨부된 도면을 참조하여 제공된다.
전술한 바와 같이 본 개시의 범위 내에 속할 수 있는 임의의 다른 형태에 불구하고, 이하에서는, 특정 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 단지 예시적으로 설명할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학적 촉진 장치를 도시한다.
도 2(a) 내지 2(h)는 본 발명의 실시 예에 따른 감지 층을 통한 광의 투과에 대하여 감지 층의 소정의 압축의 영향을 예시하는 사진들을 도시한다.
도 3(a)는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위해 사용되는 감지 층의 사진을 나타낸다.
도 3(b)는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 광학적 촉진 시스템을 사용하여 도 7(b)에 도시된 감지 층에서의 변형의 깊이-분포를 나타내는 사진을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 시료 물질의 기계적 특성을 평가하는 데 사용되는 광학 시스템의 개략도를 보여준다.
도 5는 본 발명의 추가 실시 예에 따른 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위해 사용되는 대안적 광학 시스템의 개략도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시료 물질의 기계적 특성을 평가하는 광학적 촉진 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 일 실시 예에 따른 광학적 촉진 장치를 포함하는 로봇 수술 장치의 개략도를 도시한다.
도 8은 일 실시 예에 따른 광학적 촉진 장치를 포함하는 풍선 카테터의 개략도를 도시한다.
도 9는 추가 실시 예에 따라서, 도 1 또는 도 4의 광학적 촉진 장치를 사용하여 수행된 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 방법을 예시하는 개략도를 도시한다.
도 10은 일 실시 예에 따라 장갑에 일체형으로 통합된 광학적 촉진 장치의 개략도를 도시한다.
도 11은 또 다른 실시 예에 따른 콘택트렌즈 시스템에 일체로 통합된 광학적 촉진 장치의 개략도를 도시한다.
본 발명의 실시 예들은 광학적 촉진(optical palpation)을 사용하여 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
광학적 촉진은 생물학적 조직 또는 생물학적 물질과 같은 시료 물질의 표면 응력을 맵핑하는 데 사용할 수 있는 기술이며, 여기서 압축 하중은 시료 물질의 가까이에 배치된 감지 층에 인가된다. 이것은 투명한 실리콘 물질을 포함하고 비-압축성인 변형 가능한 감지 층을 갖는 것으로 알리어져 있는바, 상기 인가된 하중을 횡단하는 평면에서 팽창하여 그의 부피를 보존함으로써 압축 하중이 인가될 경우 압축 및 변형하게 된다. 따라서 감지 층의 두께는 밑에 있는 물질의 국부적 강성에 반응하여 변화하며 OCT는 일반적으로 시료 물질 위에 배치된 감지 층에 대해 압축에 의해 도입된 두께의 변화를 측정하고 이미지화하는 데 사용된다. OCT 이미지는 감지 층의 응력 분포 또는 응력 맵을 인코딩하며, 이것은 시료 물질의 표면 응력과 관련된다. OCT 기반의 광학적 촉진은 일반적으로 변형의 깊이-분포와 관련된 정보를 획득하고 그 감지 층이 경험하는 변형을 더 판단하도록 상기 감지 층의 전체 두께에 대한 깊이 스캐닝(또는 깊이 구획화(depth sectioning))을 필요로 한다. 감지 층이 겪는 응력은 감지 층 물질의 알려진 응력-변형 곡선(stress-strain curve)과 그 판단된 변형을 기반으로 결정될 수 있다. 그 다음, 상기 결정된 응력 및 변형을 이용하여 시료 물질의 탄성을 정량적으로 결정할 수 있다.
본 발명은 감지 층이 겪는 (및 시료 물질의 표면에서의 응력을 나타내는) 표면 응력의 측정값을 얻을 수 있게 하고, 후속적으로, OCT 깊이 스캔의 필요 없이 시료 물질의 기계적 특성을 평가할 수 있도록 하는 단순화된 광학적 촉진 기술을 제안한다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 광학적 촉진 장치 및 광학적 촉진 방법은 디지털 카메라를 기반으로 한다. 기계적 특성은 시료 물질의 탄력성 또는 강성과 관련이 있으며, 시료 물질은 생물학적 조직일 수 있는데, 이에 의해 상기 방법 및 장치는 암치료를 위한 종양의 위치 및 크기에 대한 정보를 획득할 수 있는 암 주변부 영상처리(cancer margin imaging), 또는 피부과에서 흉터의 평가와 같은 의료 응용분야에 특히 사용될 수 있다. 의료 분야에서는 병든 조직과 같은 기형(abnormalities)이 생물학적 조직의 탄력성을 변화시킬 수 있다는 것이 실제로 알리어져 있다. 예를 들어, 암 조직은 일반적으로 주변의 건강한 부드러운 조직보다 더 "딱딱(stiffer)"하다. 대안적으로, 상기 시료 물질은 식품 재료와 같은 생물학적 물질일 수도 있으며, 여기서 식품 품질을 모니터하도록 응용이 될 수도 있다. 다른 실시 예에서, 상기 시료 물질은 불균일한 경도 또는 유연성을 가질 수 있는 중합체(polymer) 재료와 같은, 임의의 탄성적이거나 변형 가능한 물질일 수도 있다. 예를 들어, 비-의료적 응용은 직물 감지용일 수 있으며, 이 경우 시료 물질은 고무 또는 젤을 포함할 수도 있다.
당해 기술분야의 전문가라면, 다른 시료 물질뿐만 아니라 다른 응용 분야도 고려될 수도 있고, 점탄성(viscoelasticity) 또는 심지어 비선형 기계적 특성과 같은 다른 기계적 특성을 평가하기 위해 사용될 수도 있음을 또한 이해할 것이다.
특정한 일 실시 예에서, 상기 제안된 기술은 변형 가능하고 압축 가능한 감지 층(sensing layer)을 사용한다. 상기 감지 층은 그 감지 층의 적어도 표면 일부에 압력 또는 부하를 인가한 후 그 감지 층의 후속적인 압축 시에 변화하는 소정의 광학적 특성을 가지며, 즉, 상기 감지 층은 압축-종속적(compression-dependent)인 소정의 광학적 특성을 가지는 물질을 포함한다.
압축 가능한 감지 층의 사용은 다음과 같은 이유로 바람직하다. 압축 가능한 감지 층의 표면에 부하를 가하면 그 감지 층이 측면 방향으로는 확장되지 않고 압축되는데, 즉, 그 감지 층은 인가된 부하를 가로지르는 평면에서 확장되지 않으며, 여기서 그 감지 층의 체적은 보존되지 않는다. 그 결과, 비-압축성 감지 층을 사용할 때 발생할 수 있는 마찰 및/또는 표면 거칠기가 실질적으로 감소할 수 있으며, 밑에 있는 시료 물질의 서로 다른 '강성(stiffness)'의 함수로서 감지 층의 두께의 더 급격한 변화가 관찰 및 측정될 수도 있다. 광학적 촉진 기술의 유효 공간 해상도는 후속해서 개선될 수 있으며, 이것은 기계적 특성이 판단될 수 있는 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 특정 실시 예에 따른 광학적 촉진 장치(100)는 펜 형태의 휴대용(hand-held) 장치(100)로서, 감지부(104), 상기 감지부(104)에 위치하는 감지 층(106), 및 사용 시 상기 감지 층(106)을 통해 투과된 광이 검출될 수 있도록 위치된 광 검출기(108)를 갖는 몸체(102)를 포함한다. 본 실시 예에서, 몸체(102)는 가늘고 길며, 디지털 전하결합 장치(CCD) 카메라와 같은, 카메라의 형태로 제공되는 광 검출기(108)를 포함한다. 상기 감지 층(106)은 압축 가능하고, 압축-종속적 광학 특성을 가지며, 바람직하게는, 길쭉한 몸체(102)의 단부(109)에서 감지부(104)에 견고하게 고정된다. 상기 감지부(104)는, 바람직하게는, 상기 긴 몸체(102)의 단부(109)에 고정되는 이미징 윈도(imaging window)이며, 파손되거나 긁힐 경우 용이하게 교체될 수 있다. 상기 감지 층(106)은 시료 물질(114)의 표면 영역(112)과 직접 접촉하도록 위치된 감지 표면(110)을 갖는다. 대안적으로, 감지 표면(110)은 시료 물질(114)와 간접적으로 접촉할 수도 있고, 순응성 투명 수술용 덮개(compliant transparent surgical sheath)와 같은 라텍스 또는 다른 플라스틱 재료를 포함하는 얇은 층(도시되지 않음)이, 예를 들어, 생물학적 조직의 오염을 방지하고 멸균 상태를 보장하기 위하여 감지 표면(110)과 시료 물질(114) 사이에 배치될 수도 있다. 카메라(108)는 일반적으로 카메라(108)와 시료 물질(114)의 표면 영역(112) 사이의 작업 거리가 대략 몇 센티미터에 해당하도록 배치된다. 상기 광학적 촉진 장치(100)는, 감지 층(106)의 감지 표면(110)이 시료 물질(114)의 표면 영역(112)과 접촉하고 상기 감지 층(106) 및 시료 물질(114)의 표면 영역(112)의 적어도 일부의 양쪽에 걸쳐 압력이 인가될 때, 감지 층(106)이 압축되도록 배열되어, 상기 감지 층(106)의 미리 결정된 압축-종속적 광학 특성이 감지 층(106) 내의 빛에 영향을 미쳐서 카메라(108)에 의해 감지된 빛이 시료 물질(114)의 기계적 특성에 대한 척도가 되도록 한다.
본 발명의 특정한 일 실시 예에서, 도 2a-2h에 도시된 바와 같이, 감지 층(106)의 압축-종속적 광학 특성은 압축-종속적 투과율(transmissivity)이다. 상기 감지 층(106)은 압축이 인가되지 않을 때는 불투명하고, 압력의 인가될 때는 투명하게 되도록, 즉 감지 층(106)을 가로질러 압력이 인가될 경우, 더 많은 빛이 상기 감지 층(106)을 통해 투과되도록 구성된다.
도 2a 내지 2h를 참조하면, 상이한 압력 레벨에서 인가된 부하가 감지 층(106) 내의 빛에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 예시(200)가 도시되어 있다. 특히, 도 2a 내지 2d는 손가락을 사용하여 감지 층(106)을 가로질러 증가하는 압력을 갖는 부하를 인가하는 경우의 시뮬레이션을 예시하는 이미지에 해당한다. 상기 감지 층(106)은, 예컨대, 접착제에 의해 유리판(202)에 고정되도록 함으로써, 감지 층(106)이 유리판(202)에 대해 '미끄러지거나(slip)' 움직이지 않도록, 그리고 부하의 적용이 본질적으로 감지 층(106)의 두께를 따르는 감지 층(106)의 압축으로 귀착되고 상기 감지 층(106)의 어떠한 횡 방향의 이동도 초래하지 않도록 한다. 도 2a는 가장 낮은 압력을 갖는 부하의 적용에 해당하는 반면, 도 2d는 가장 높은 압력을 갖는 부하의 적용에 해당한다. 도 2e 내지 2h는 디지털 CCD 카메라를 사용하여 형성된 이미지이며, 2a 내지 2d와 각각 연관된다. 부하가 증가하는 압력으로 인가됨에 따라, 상기 감지 층(106)은 그 인가된 부하 영역 내에서, 즉, 도 2g 및 2h의 영역(204 및 206)에서와 같이, 손가락이 압력을 인가하는 곳에서, 더 투명해진다는 것을 알 수 있다.
특정한 일 실시 예에서, 감지 층(106)은 설탕과 실리콘의 혼합물을 포함하고, 감지 층에 어떤 압축도 인가되지 않는 상태에서 특정한 불투명성을 달성할 수 있도록 하는 방법에 따라 제조된다. 실리콘이 경화함에 따라 설탕은 실리콘과 혼합되고, 설탕은 후속해서 물에 용해되어 공기 공동들이 그 전체에 분포된 감지 실리콘 층(106)을 얻도록 하고, 상기 감지 층(106)은 스폰지의 그것과 유사한 질감을 갖게 된다. 상기 감지 층(106) 내의 공기-실리콘 계면들은 빛의 반사를 야기하고 어떤 압축 부하도 인가되지 않을 때 상기 감지 층(106)의 초기의 불투명한 외관을 제공한다. 도 2a 및 2e는 감지 층에 매우 작은 압력이 가해질 때 감지 층(106)의 불투명성의 예를 도시한다.
감지 층(106)의 표면 영역에 압축 부하를 인가하면 그 감지 층(106) 내의 공기 공동의 압축 및 폐쇄를 가져오고, 이에 따라 증가한 양의 광이 감지 층(106)을 통해 투과될 수 있게 된다. 시료 물질(114)의 표면과 접촉하지 않는 감지 층(106)의 표면에 근접한 디지털 카메라를 상기 감지 층(106)의 감지 표면(110) 반대편 표면에 근접하게 배치함으로써, 디지털 카메라에 의해 검출된 빛의 변화는 시료 물질(114)의 표면 영역(112)에서의 응력과 직접적으로 관련된다. 감지 층에 공기 공동이 존재하면 그 감지 층의 압축성(compressibility)의 특성, 즉 상대적으로 낮은 포아송 비(Poisson's ratio)를 특징으로 하는 감지 층을 제공하는 데 도움이 되며, 여기서 감지 층이 압축의 방향을 가로지르는 방향으로 확장되는 경향이 상대적으로 최소화된다.
감지 층(106)은 본 발명의 실시 예들에 따른 광학적 촉진 장치의 몸체 부분의 소정의 감지부에 고정되기에 적절한 임의의 치수를 가질 수 있다. 펜형 광학적 촉진 장치(100)의 특정한 일 실시 예에서, 감지 층(106)은 대략 10mm의 직경 및 대략 1mm의 높이를 갖는 원통형 형상인 것으로 예상된다. 그러나 임의의 다른 형상 및/또는 치수가 또한 고려될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
카메라 기반의 광학적 촉진 장치(100)는 Wi-Fi 또는 블루투스를 사용하는 것과 같이, 그래픽 인터페이스(118)와 통신하는 마이크로프로세서(116)에 무선으로 결합되고, 이에 의해 시료 물질(114)의 기계적 특성을 평가하기 위한 시스템(120)이 형성된다. 마이크로프로세서(116)는 데스크톱 컴퓨터와 같은 컴퓨터의 형태로, 또는 태블릿 또는 모바일폰과 같은 모바일 기기의 형태로 제공될 수 있다. 마이크프로세서(116)는 사용 중 상기 광학적 촉진 장치(100)로부터 전기 신호를 수신하도록 구성되며, 상기 신호는 CCD 카메라(108)에 의해 검출된 빛과 관련된 정보이다. 이어서, 상기 정보는 마이크로프로세서(116) 및 그래픽 인터페이스에 의해 사용되어 이미지로 변환될 수 있다. 상기 이미지는 도 2e-2h에 예시된 것과 같은 유형일 수 있으며, 인가된 압력에 의해 영향을 받는 시료 물질(114)의 표면 영역(112)과 관련하여 감지 층(106)을 가로지르는 응력 및 변형의 분포를 나타낸다.
마이크로프로세서(116) 및 그래픽 인터페이스(118)에 무선으로 연결된 휴대용 펜형 장치(100)로서 상기 장치(100)의 구현은 유용성이 증진된 소형 광학적 촉진 장치를 제공하는 것을 가능케 한다. 휴대용 펜 형상의 광학적 촉진 장치(100)는, 예를 들어, 시료 물질의 외진(remote) 영역에 도달할 수 있으며, 이것은 의료 응용분야에서 기존의 OCT 기반의 광학적 촉진 시스템 또는 장치를 사용하여 쉽게 접근할 수 없는 생물학적 조직의 영역에 도달하는 데 특히 바람직하다. 추가로, 본 발명의 실시 예에 따라 정의된 광학적 촉진 장치와 관련된 비용은 종래의 OCT 기반의 광학적 촉진 장치와 관련된 비용보다 실질적으로 낮다.
그러나 카메라 기반의 광학적 촉진 장치(100)는, 대안적으로, 그래픽 인터페이스(118)와 통신하는 마이크로프로세서(116)에 유선으로 연결될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.
대안적인 실시 예에서, 다른 압축-종속적 광학 특성을 가지며, 예를 들어, 어떤 압축도 가해지지 않을 때는 투명하고 압력을 가하면 점점 흐려지도록 구성된 감지 층을 사용하는 것을 예상하는 것도 또한 이해될 것이다. 한편, 다른 실시 예에서, 상기 감지 층은 소정의 압축-종속적 광 편광(polarisation), 광 흡수(absorption) 또는 광 산란(scattering) 특성을 가질 수도 있다.
대안적인 실시 예에서, 변형 가능하지만 압축 가능하지는 않는 감지 층을 가지며, 미리 결정된 변형-종속적 광학 특성을 보유하는 감지 층을 갖는 것이 또한 예상될 수 있는데, 여기서 상기 감지 층은 압력을 가할 때 색상이 변하는 물질을 포함하되, 상기 색상의 변화는 사용시 디지털 카메라(108)에 의해 검출될 수 있고 시료 물질(114)의 표면 영역(112)에서의 응력과 관련된 감지 층(106)에 걸친 응력 및 변형의 분포를 나타내는 이미지를 형성하는 데 사용될 수 있다.
표면 영역(112)에서 시료 물질(114)의 탄성을 평가하기 위해서는, 인가된 부하의 결과로 인한 감지 층(106)의 두께의 변화를 직접 또는 간접적으로 측정함으로써 부하의 적용의 결과로 인한 상기 감지 층(106)을 가로지르는 변형이 판단되어야 할 것이다.
변형은 형성된 영상을 이용하여 간접적으로 판단될 수 있다. 이 실시 예에서, 상기 감지 층(106)의 압축-종속적 광학 특성은 광 검출기(108)에 의해 검출된 광 강도의 변화(압축-종속적 광학 특성이 압축-종속적 광 투과율인 실시 예에서)가 변형 값과 연관될 수 있도록 교정(캘리브레이션)된다. 그 결과, 광 검출기(108)에 의해 검출된 광의 변화는 감지 층(106)에 의해 겪는 변형의 측정으로서 사용될 수 있다.
대안적으로, 표면 영역(112)에서 시료 물질(114)의 변형 및 탄성은 그 시료 물질(114)의 표면 영역(112)과 접촉하는 감지 층(106)의 감지 표면(110)에 배치된 인덴터(indenter) 또는 인덴터들의 배열을 사용하여 직접 정량적으로 평가될 수 있다. 작은 인덴터는 압력의 인가 시 감지 층(106)의 두께를 따라 감지 표면(110)의 변위의 깊이를 측정하는 것을 가능하게 하며, 이것은 인가된 부하에 대해 횡 방향으로의 시료 물질(114)의 표면 영역(112)의 변위와 관련된다.
상기 압력의 인가의 결과로 감지 층(106)이 겪는 변형률(ε)은 일반적으로 다음과 같이 결정될 수 있다:
ε =
Figure pct00001
여기서, ε은 감지 층(106)의 변형에 관련되고, ΔL은 인가된 부하를 가로지르는 방향으로 감지 표면(110)의 변위의 깊이 및 압력의 적용으로 인한 감지 층(106)의 두께의 결과적인 변화에 관련된다. ΔL0는 적절한 부하의 인가 전의 감지 층(106)의 초기 두께와 관련된다. 더 구체적으로, 상기 감지 층(106)이 압축 가능하고 미리 결정된 압축-종속적 광학 특성을 보유하도록 이루어진 본 실시 예에서는, 인가된 부하의 결과에 따른 감지 층(106)의 초기 두께와 비교해 상기 감지 표면(110)의 변위 깊이를 감지 층(106)의 두께의 변화와 상관시키기 위한 교정(calibration)이 사용된다.
표면 영역(112)의 영역에서 시료 물질(114)의 탄성에 대한 척도로서, 시료 물질(114)의 영률(Young's modulus) E는 일반적으로 하기의 식(1)에 따라 정량적으로 결정될 수 있다:
[수학식 1]
Figure pct00002
여기서, E는 실리콘 시료 물질의 영률과 관련되고, σsensing layer는 감지 층(106)에 걸쳐 판단된 응력에 관련되며, εsample material는 표면 영역(112)의 영역에서 시료 물질 내에 분포된 변형에 관련된다.
시료 물질(114)의 표면 영역(112)과 접촉하는 감지 층(106)의 감지 표면(110)에 배치된 인덴터를 사용하는 실시 예에서, 시료 물질(114)의 탄성의 정량적 측정은 하기의 식에 따라 보다 구체적으로 결정될 수 있다:
[수학식 2]
Figure pct00003
여기서,
Figure pct00004
은 시료 물질(114)의 감소한 계수(reduced modulus), 즉, 시료 물질(114)와 인덴터 탄성 변형의 조합이고,
Figure pct00005
및
Figure pct00006
는 각각 시료 물질(114)의 영률(Young's modulus) 및 포아송 비(Poisson's ratio)이고,
Figure pct00007
및
Figure pct00008
는 각각 인텐더의 영률 및 포아송 비이다. 위 수학식에서
Figure pct00009
및
Figure pct00010
는 사전에 특성화할 수 있고,
Figure pct00011
는 대부분의 고체 물질에 대해 추정될 수 있으며, 그리고
Figure pct00012
은 다음과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pct00013
여기서,
Figure pct00014
는 접촉 깊이
Figure pct00015
에서 압흔(indentation)의 투영된 영역이고,
Figure pct00016
는 인덴터 기하학적 구조를 기반으로 계산될 수 있으며,
Figure pct00017
는 미리 알려진 기하학적 상수이며,
Figure pct00018
는 인덴터 팁의 응력과 변위가 모두 본원의 장치 및 방법에서 측정 가능한 시료 물질과 접촉하는 상태에서 인덴터를 빼낼(unloading) 때의 응력-변위 곡선으로부터 표시될 수 있는 접촉의 강성이다. 따라서
Figure pct00019
은 위의 수학식(2)에서 측정 가능한 파라미터이다.
Figure pct00020
를 식(2)에 대입함으로써, 샘플
Figure pct00021
의 영률 값이 도출될 수 있다.
또한, 광을 감지 층으로 지향시키기 위해 광원(도시되지 않음)이 몸체(102) 내에 제공될 수도 있다. 다음으로, 상기 몸체(102) 내의 카메라(108)는 상기 광원으로부터 광을 수신하는 것에 응답하여 상기 감지 층(106)에 의해 투과된 광을 포착하도록 구성된다.
본 발명의 또 다른 특정 양태에 따르면, 감지 층(106)은 변형 가능하거나 이동 가능하고, 압축 불가능할 수 있다. 상기 감지 층(106)은 그 감지 층(106)의 감지 표면(110) 상에 인쇄되는 광학적으로 감지 가능한 마커(marker) 또는 패턴을 포함한다. 대안적으로, 상기 마커 또는 패턴은 감지 층(106)의 감지 표면(110)에서의 코팅 또는 움푹 들어간(indent) 형태일 수 있거나 또는 시료 물질 상의 소정의 광 구조 또는 패턴을 투사하는 광원에 의해 생성될 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 작은 반점(speckle) 형상의 패턴(302)을 포함하는 감지 층(106)의 사진(300)이 도시되어 있다. 이 실시 예에서, 상기 광학적 촉진 장치(100)는 인가된 부하에 응답하여 감지 층(106)의 변형시 광학 시스템에 대한 작은 반점 패턴(302)과 같은 마커 또는 패턴의 움직임을 판단하는 데 사용될 수 있는 정보를 제공할 수 있는 광학 시스템을 포함한다.
이 실시 예에서의 광학 시스템은, 2개의 이격된 광 검출기(108)와 같은, 2개의 이격된 광 검출기를 포함한다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 이러한 특정 실시 예에 따른 광학적 촉진 장치(100)의 입체적 광학 시스템(400)이 도시되어 있다. 상기 광학 시스템(400)은 거리 d만큼 이격된 카메라들의 형태로 제공되고 광의 전파 방향에 직교하는 평면에서 작은 반점 형상의 패턴(302)으로부터 반사되거나 투과된 광을 검출하도록 위치된 2개의 광 검출기들(402, 404)을 포함한다. 상기 광학 시스템(400)은 입체 시야를 생성하여 두 눈의 양안 시야를 시뮬레이션하도록 도모하는데, 이것은 사용 시 압력을 가할 때 감지 층(106)에 걸쳐 분포된 변형의 특징의 깊이에 관한 정보를 획득하는 것을 또한 가능하게 한다.
이 실시 예에서, 마이크로프로세서(116)와 유사한, 마이크로프로세서는 2개의 카메라(402, 404)로부터 정보를 수신하고, 감지 층(106)의 감지 표면(110)의 표면 영역(406, 408)의 2개의 각각의 이미지는 카메라들(402,404)과 각각 연관되어 형성될 수 있다. 상기 반점 패턴(302)은 두 개의 카메라(402, 404)에 의해 비교적 잘 인식되고 공동-등록될 수 있도록, 그리고 두 이미지 간의 상관관계를 얻을 수 있도록 배열된다. 상기 반점 패턴의 특징은 모든 곳에서 고유하므로, 간단한 상관 알고리즘으로 최소의 공동-등록 오류(co-registering error)가 달성될 수 있다.
도 4에서 볼 수 있는 것과 같이, 입체 시야에 있어, 카메라(402, 404)로부터 상대적으로 먼 거리 D에 위치한 요소는, 표면 영역(406, 408)으로부터 가장 먼 거리에 있는 지점(410)에 관하여 'uL - uR' 단편들에 의해 도 4에 표시된 것과 같이 작은 좌표상 차이 또는 작은 시차(disparity)를 갖는 두 개의 대응하는 광 검출기에 대한 초점으로 귀착될 것이다. 대조적으로, 카메라(402, 404)로부터 비교적 가까운 거리 D에 위치한 요소는, 지점(412)에 관하여 'uL - uR' 단편들로 표시된 것과 같이 높은 좌표상 차이 또는 높은 시차를 갖는 두 개의 대응하는 광 검출기에 대한 초점으로 귀착될 것이다. 카메라(402, 404)로부터 획득된 두 이미지의 공동 등록(co-registration)은 각각 시차 맵(disparity map)을 획득하는 것을 가능하게 하며, 이것은 감지 층(106) 내의 변형 요소의 깊이-분포에 대한 직접적인 정성적 표시이다.
도 3(b)는 도 3(a)의 감지 층(106) 및 도 4의 광학 시스템을 사용하여 획득된 변형의 깊이-분포를 나타내는 이미지(303)를 보이고 있다. 변형의 깊이-분포는 컬러 스케일(colour scale)의 형태로 정성적으로 표현되는데, 여기서 컬러 스케일(306)의 적색 끝단(304)은, 감지 층(106)의 대응하는 부분이 상기 인가된 부하의 결과로 덜 뚜렷한 변형을 겪는 것을 나타내는 컬러 스케일(306)의 청색 끝단(308)과 비교하여, 인가된 부하의 결과로 더 뚜렷한 변형을 겪는다는 것을 나타낸다.
디지털 이미지 프로세싱 알고리즘을 사용하여 수행된 이미지(300)의 픽셀 분포에 대한 분석은, 표면 영역(112)에서 시료 물질(114)이 겪는 변형과 관련되는, 감지 층(106) 내의 변형 요소에 대한 정량적 깊이 정보를 획득하는 것을 가능하게 한다.
카메라들(402, 404)을 포함하는 스테레오스코프(stereoscope: 입체경)는, 예를 들면, USB 내시경 카메라와 같은 몇 개의 기성품들에 의해 제작될 수 있다. 3D 프린팅 기술이 스테레오스코프의 형태 또는 모양, 예를 들어, 상기한 2개의 카메라들(402, 404)을 지지하기 위한 3D 프린팅 케이스를 맞춤으로 제작하는 데 사용될 수 있다.
도 4에 예시된 본 실시 예에서는 2개의 카메라(402, 404)를 예시하였지만, 2개를 초과하는 카메라들이 사용될 수도 있으며, 이것은 감지 층(106)을 가로지르는 변형의 깊이-분포를 제한하기 위해 더 정확한 정보를 획득하는 것을 가능하게 할 수 있음을 이해할 것이다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 광학적 촉진 장치(100)의 광 검출기(108)와 같은, 광학적 촉진 장치의 광 검출기가 스마트폰 기기 또는 다른 스마트폰 기반의 기기의 카메라 형태로 제공되는 것이 예상된다. 광학 시스템(400)을 포함하는 광학적 촉진 장치(100)의 실시 예에서, 상기 광학 시스템(400)은 스마트폰 기반의 장치를 포함하는 것으로 또한 예상할 수 있다. 이들 실시 예에서, 스마트폰 기반의 장치에는 시료 물질을 배치하기 위한 분리 가능한 마이크로 렌즈 및/또는 3D 프린팅 플랫폼이 추가로 장착될 수 있다.
도 5를 참조하면, 감지 층(106) 내의 변형 요소(변형 또는 이동 가능한, 비-압축성이며 반점 패턴을 포함함)의 깊이-분포의 직접적인 표시를 얻기 위해 사용될 수 있는 대안적인 광학 시스템(500)이 도시되어 있다. 상기 광학 시스템(500)은 감지 층을 통해 투과된 광을 검출하기 위한 마이크로 렌즈(502)의 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈(502)는 반점 패턴의 요소의 깊이 위치(d)가 결정될 수 있도록 배치된다. 상기 광학 시스템(500)은 변형 가능한 비-압축성 감지 층(106)의 광-필드 이미징을 수행하는 것을 가능케 하는데, 여기서 감지 층(106) 내의 변형 요소의 깊이-분포를 표시하는 이미지가 형성될 수 있다. 상기 광학 시스템(500)은 광 검출기(504), 광학적 촉진 장치(100)의 감지부(104)과 유사하게, 감지부에 배치된 메인 렌즈(506)를 더 포함한다. 마이크로 렌즈(502)는 메인 렌즈(506)로부터의 거리 din 및 광 검출기(504)로부터의 위치 fx에 위치된다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 감지 층(106)을 통해 투과된 각각의 광선(510)의 횡 위치 및 각도는 마이크로 렌즈(502)에 의하여 광 검출기(504)로써 감지될 수 있다. 망원경 광학 시스템(400)과 마찬가지로, 광 검출기(504)로부터 상이한 거리 d, d', d"에 위치한 요소들은 이들 요소의 상이한 픽셀 분포 D, D', D"로 귀착되고, 또한 깊이 정보는, 예를 들어, 디지털 이미지 프로세싱을 사용하여 형성된 이미지에서의 픽셀 분포를 분석함으로써 획득될 수 있다. 상기 스테레오스코프 광학 시스템(400)의 실시 예와 관련하여, 감지 층의 반점 패턴은 마이크로 렌즈(502) 및 광 검출기(504)에 의해 상대적으로 잘 인식되고 공동-등록될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 특정한 일 실시 예에 따른 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 카메라 기반의 광학적 촉진 방법(600)의 흐름도가 도시되어 있다.
OCT 기반의 광학적 촉진 기술과 마찬가지로, 본 방법은 시료 물질(114)의 탄성과 관련된 정보를 획득하는 것을 가능하게 한다. 그러나 본 방법은 컴팩트형 시스템 및 장치를 사용하여 구현할 수 있을 뿐만 아니라 무선으로도 구현할 수 있기 때문에 실질적으로 단순화되며, 이것은 상대적으로 접근하기 어려운 시료 물질의 영역에 도달하는 것을 가능하게 할 수 있기 때문에 생물학적 조직에 대한 의료상 응용에 특히 바람직할 수 있다.
단계 602에서, 예컨대, 시료 물질(114)과 같은, 시료 물질이 제공된다. 특정한 일 실시 예에서, 시료 물질(114)은 생물학적 조직이다. 그렇지만, 전술한 바와 같이, 상기 시료 물질(114)은, 대안적으로, 예컨대, 불균일한 경도(hardness) 또는 유연성을 가질 수 있는 중합체 재료와 같은, 임의의 탄성의 또는 변형 가능한 물질 또는 생물학적 물질일 수도 있다.
단계 604에서, 시료 물질(114)의 기계적 특성을 평가하기 위한, 광학적 촉진 장치(100), 또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치와 같은, 광학적 촉진 장치가 제공된다.
단계 606에서, 감지 층(106)은 감지 표면(110)이 표면 영역(112)과 직접 접촉하도록 시료 물질(114)에 대해 위치된다. 상기 감지 층(106)은, 대안적으로, 생물학적 조직의 오염을 방지하고 무균 상태를 보장하기 위해, 예를 들어, 감지 표면(110)과 시료 물질(114) 사이에 위치하는 라텍스 또는 외과용 덮개와 같은 다른 플라스틱 물질을 포함하는 얇은 층(도시되지 않음)을 사용하여, 감지 표면(110)이 표면 영역(112)과 간접적으로 접촉하도록 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
단계 608에서, 감지 층(106)과 시료 물질(114)의 표면 영역(112)의 적어도 일부를 가로질러 압력이 인가된다.
단계 610에서, 광학적 촉진 장치(100)의 광 검출기(108), 또는 광학 시스템(400)의 광 검출기(402 및 404), 또는 광학 시스템(500)의 광 검출기(504)는 감지 층(106)의 적어도 일부로부터 투과되거나 반사된 광을 검출한다. 감지된 광은 시료 물질의 기계적 특성에 대한 척도이다. 특히, 감지된 광은 인가된 압력에 응답하여 감지 층(106)에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 판단하는 데 사용된다.
그래픽 인터페이스(118)와 통신하는 마이크로프로세서(116)는 데스크톱 컴퓨터와 같은 컴퓨터, 또는 태블릿 또는 모바일폰과 같은 임의의 모바일 장치의 형태로 더 제공된다. 마이크로프로세서(116)는 광학적 촉진 장치(100)에 결합되어 상기 장치(100)로부터 전기 신호를 수신하도록 구성되며, 상기 신호는 광 검출기(108)에 의해 검출된 광과 연관된 정보를 표시한다. 다음으로, 상기 수신된 신호 및 해당 정보는 감지 층(106)의 이미지를 형성하기 위해 그래픽 인터페이스(118)에 의해 사용된다. 상기 이미지는 감지 층(106)을 통해 또한 시료 물질(114)의 밑에 있는 표면 영역(112)의 적어도 일부를 통해 상기 인가된 압력에 의해 야기된 감지 층(106)에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징을 포함한다. 따라서, 응력 및/또는 변형의 분포는 상기 인가된 압력에 의해 영향을 받는 시료 물질(114)의 표면 영역(112)과 관련된다. 상기 마이크로프로세서(116)는 또한, 표면 영역(112)에서 시료 물질(114)의 변형을 정량화하기 위해 광학 이미지에 걸치는 픽셀 분포의 분석을 수행하는 데 사용될 수 있다.
측정의 광학적 해상도는 일반적으로 감지 층(106)의 변형-종속적 광학적 특성이 감지 층(106)을 통해 투과된 광에 어떻게 영향을 미치는지, 보다 구체적으로는, 변형-종속적 광학적 특성의 동적 범위에 따라 달라진다. 또한, 측정의 광학 해상도는 감지 층(106)을 통해 투과된 빛의 변화를 감지하는 카메라(108)의 감도에 의존하거나, 또는 반점 패턴의 특징을 공동-등록하는 카메라(402, 404) 또는 광 검출기(504)의 감도에 의존한다.
통상적인 OCT 기반의 광학적 촉진 장치가 제공하는 광학 해상도는 일반적으로 100㎛ 내지 200㎛ 사이의 범위이다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 카메라 기반의 광학적 촉진 장치의 광학 해상도는 사용되는 광학 시스템의 해상도와 감지 층(106)의 물리적 변형에 따라 10㎛ 내지 200㎛ 사이에서 변할 수 있다. 특히, 상기 감지 층(106)이 압축 가능한, 즉 감지 층(106)의 횡 방향 이동이 제한되는 실시 예에 따르면, 카메라 기반의 광학적 촉진 장치의 광학 해상도는 가능하게는 10㎛ 내지 20㎛ 사이의 범위에서 달성할 수 있다. 또한, 표면 영역(112) 영역에서 시료 물질(114)의 탄성은 시료 물질(114)의 표면 아래 최대 3mm 깊이에서 평가될 수 있다. 이에 비해, 기존의 OCT 기반의 광학적 촉진 기술은 표면 아래 1-2mm 깊이에서 시료 물질의 탄성을 평가하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 카메라 기반의 광학적 촉진 장치(100) 및 방법(600)은 현재 알려진 광학적 촉진 기법과 비교하여 시료 물질(114) 내에서 유사한 광학 해상도 및 향상된 시야를 갖는 향상된 광학적 촉진 기술의 이점을 제공한다.
또한, 상기 방법(600)은 상기 장치(100)가 시료 물질(114)의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 시료 물질(114)에 대한 감지 층(106) 또는 상기 장치(100)의 위치를 감지하기 위한 동작 감지기(도시되지 않음)를 제공하는 동작을 포함할 수 있다. 따라서, 시료 물질(114)의 표면을 가로지르는 감지 층(106) 또는 장치(100)에 대한 x 및 y 좌표가 획득될 수 있다. 한편, 상기 방법(600)은 시료 물질(114)의 표면에 평행한 평면에서 시료 물질(114)의 다수의 표면 영역들(112)을 가로질러 광학적 촉진 장치(100)를 이동시키는 동작과 시료 물질(114)를 가로질러 다수의 표면 영역들(112) 각각에 대해 단계 608 및 610을 동시에 수행하는 동작을 포함할 수 있다. 따라서, 마이크로프로세서(116) 및 그래픽 인터페이스(118)는 상기 장치(100)가 시료 물질(114)를 가로질러 이동함에 따라 감지 층(106)의 일련의 이미지들을 형성하는 데 사용될 수 있어, 상기 감지 층(106)을 가로지르는 변형의 분포가 상기 장치(100)가 시료 물질(114)를 가로질러 이동되거나 스캔 될 때 추적 및 관찰될 수 있다. 대안적으로, 감지 층(106)의 이미지는 다수의 표면 영역(112) 각각에 대해 획득될 수 있고, 이어서 상기 마이크로프로세서(116) 및 그래픽 인터페이스(118)를 사용하여 시료 물질을 가로지르는 감지 층 또는 장치의 (x, y) 좌표의 함수로 각각의 이미지를 조합함으로써 다수의 조사된 표면 영역(112)을 포함하는 시료 물질(114)의 영역에 대해 감지 층을 가로지르는 변형의 분포의 하나의 이미지 특징을 형성하도록 할 수 있다. 시료 물질(114)의 표면에 평행한 평면에 시료 물질에 대하여 감지 층(106)의 좌표상의 이동 또는 변화를 검출하고, 또한 다수의 표면 영역들(112) 각각에 대한 이미지를 획득함으로써, 시료 물질(114)에 대한 감지 층(106) 또는 장치(100)의 위치를 추적할 수 있고, 시료 물질(114)의 다양한 스캔 영역(112)에 걸친 변형 및/또는 응력 분포의 전반적인 표현을 하나의 이미지로 획득하고 관찰할 수 있다. 따라서 시료 물질(114)의 응력 맵 및/또는 변형 맵이 획득될 수 있다. 이어서, 다수의 광학 이미지들 각각의 픽셀 분포는 변형의 정량적 측정을 획득하도록 디지털 이미지 프로세싱에 의해 분석될 수 있다. 상기 응력 값은 감지 층(106)을 포함하는 재료의 기지의 응력-변형 곡선으로부터 결정될 수 있고, 상기 시료 물질(114)의 탄성은 위에서 정의된 수학식(1)을 사용하여 정량적으로 결정될 수 있다.
상기 프로세서(116)는 GPU를 더 포함하고, GPU 알고리즘을 사용하여 프로세싱을 가속화함으로써 감지 층(106)의 실시간 이미지뿐만 아니라 인가된 압력에 의해 초래되는 감지 층을 가로지르는 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징을 포함하는 실시간 이미지를 획득할 수 있다.
다음으로, 상기 방법(600)은 추가로 VR 고글과 같은 AR 기기 또는 VR 기기를 사용하여 구현되는 것으로 예상되며, 이에 의해 감지 층(106)에 걸치는 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내는 특징을 포함하는 각각의 실시간 이미지가 감지 층(106)의 각각의 실시간 이미지와 중첩되고 스크린에 투사되거나 VR 고글에 삽입되도록 함으로써 터치감이 향상될 수 있다.
또한, 상기 장치(100)와 같은, 또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치와 같은 카메라 기반의 광학적 촉진 장치는 중첩된 각각의 이미지가 스크린에 투사된 상태로 수술용 로봇 또는 영상 내시경 내에 통합될 수도 있으며, 이것은 수술 중 촉각을 이용한 감각의 제공을 가능케 한다.
도 7은 광학적 촉진 장치(100) 또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치에 해당할 수도 있는 카메라 기반의 광학적 촉진 장치(702)를 포함하는 로봇 수술 장치(700)의 예를 도시한다. 상기 광학적 촉진 장치(702)는 외과용 암(surgical arms)의 하나로서 작동하여, 로봇 수술 장치(700)가 디지털 카메라를 사용하여 외과수술 부위를 관찰하고 상기 감지 층(106) 및 상기한 방법(600)을 사용하여 시료 물질(도시되지 않음)의 기계적 특성을 측정할 수 있도록 한다. 또한, 시료 물질의 측정된 기계적 특성에 관한 정보는 수술 부위, 즉 조사할 시료 물질의 촉각을 이용한 감지 및/또는 영상화를 통해 로봇 수술 장치(700)의 오퍼레이터를 안내하는 데 사용될 수 있다. 상기 로봇 수술 장치(700)는 다른 수술용 암(arms) 또는 도구(704)들을 더 포함할 수도 있다.
도 8은 광학적 촉진 장치(100) 또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치에 해당할 수 있는, 카메라 기반의 광학적 촉진 장치의 일부 구성 요소가 풍선 카테터(balloon catheter)(800)에 또는 그의 내부에 위치하는 실시 예를 예시한다. 풍선 카테터(800)는 풍선(802) 및 카테터(804)를 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 광학적 촉진 장치(또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치를 위한 입체 카메라(806, 806'))의 카메라(806)는 풍선(802) 내에 위치하고, 광학적 촉진 장치의 감지 층(808)은 풍선(802)의 외부에 위치하되 그 풍선(802)의 외부 표면에 부착된다. 시료 물질(도시되지 않음)의 기계적 특성을 측정하기 위해, 풍선(802)은 처음에 수축되고 카테터(804)는 시료 물질의 표적 부위, 예를 들어, 시료 물질은 생물학적 조직인 기도 또는 혈관 내에 삽입된다. 카테터가 표적 부위에 도달하면, 풍선이 팽창되어 감지 층(808)이 시료 물질에 대해 압축된다. 다음으로, 광학적 촉진 장치의 카메라(들)를 사용하여, 상기한 방법(600)을 사용해 탄성과 같은, 시료 물질의 기계적 특성을 측정할 수 있다. 상기 광학적 촉진 장치 및 풍선 카테터는, 기계적 특성의 측정과 동시에, 카메라(들)를 사용하여 대상 부위의 사진을 획득하도록 추가로 배열될 수 있다. 시료 물질이 생물학적 조직인 특정한 이례에 있어, 카테터는 광학적 촉진 장치와 함께 작동하는, 블레이드 또는 유체 배출기(fluid drainer)와 같은, 다른 수술 도구를 추가로 통합할 수도 있다. 측정 및 작동이 완료되면, 풍선(802)은 다시 수축되고 카테터를 측정 부위에서 빼낼 수 있다.
대안적으로, 광학적 촉진 장치(예를 들어, 광학적 촉진 장치(100) 또는 광학 시스템 400 또는 500을 포함함)의 적어도 일부 또는 모든 구성 요소가 바늘, 프로브에 또는 관절경에, 또는 그 안에 배치되고, 상기 바늘 프로브 또는 관절경은 광학적 촉진 장치의 감지 층이 위치하는 윈도(창)를 가짐으로써, 상기 바늘, 프로브 또는 관절경이 사용시 배치되는 시료 물질의 기계적 특성이 결정될 수 있도록 구성하는 것을 또한 예상할 수 있음이 더욱 이해될 것이다.
도 9는 본 개시 내용의 실시 예에 따른 카메라 기반의 광학적 촉진 장치가 시료 물질의 비선형 기계적 특성을 결정하는 데 사용되는 추가적인 응용을 예시하고 있다. 도 9는 상기 방법(600)이, 902, 902' 및 902"에 예시된 바와 같이, 다양한 상이한 압력을 적용함으로써 시료 물질(900)의 비선형 기계적 특성을 측정하는 데 추가로 사용되는 경우의 실시 예를 예시한다. 상기 광학적 촉진 장치(904)는 이러한 특정 실시 예에서 2개의 카메라(906, 906'), 이미징 윈도(908) 및 실리콘 감지 층(910)을 갖는 스테레오스코프를 포함한다. 상기 광학적 촉진 장치(904)는 대안적으로는 하나의 카메라(906)를 포함할 수도 있음을 이해할 것이다. 상기 광학적 촉진 장치(904)는 시료 물질(900)의 부분(912) 및 감지 층(910)을 연속적으로 압축하는 데 사용되며, 감지 층(910)을 갖는 광학적 촉진 장치(904)는 다양한 다른 압력을 적용하도록 시료 물질(900)에 대해 이동된다. 카메라(들)(906)는, 다양한 압력이 적용되면서 광학적 촉진 장치(904)가 시료 물질(900)에 대해 이동함에 따라, 예를 들어, 초당 24 프레임 또는 그 이상의 프레임 속도로 압축된 층의 연속적인 영상을 녹화할 수 있다. 시료 물질(900)의 응력 맵은 감지 층(910)의 녹화된 영상으로부터 획득될 수 있으며, 시료 물질(900)의 변형률은 그 시료 물질(900)에 대한 광학적 촉진 장치(904)의 이동 속도로부터 계산될 수 있으며, 이는 광학적 촉진 장치(904)에 내장된 자이로스코프를 사용하여 측정될 수 있다. 시료 물질의 응력 및 변형을 판단함으로써, 시료 물질(900)의 탄성을 추정할 수 있다. 특히, 시료 물질의 비선형 접선 계수(nonlinear tangent modulus)와 같은, 시료 물질의 비선형 기계적 특성을 측정할 수 있는데, 이는 연속적인 응력 맵이 서로 다른 변형 지점에서 획득될 수 있기 때문이다.
도 10은 광학적 촉진 장치(100) 또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치와 같은 본 개시의 실시 예들에 따라 제공된 카메라 기반의 광학적 촉진 장치가 외과수술용 장갑(1000)에 통합되어 있는 구성의 추가 실시 예를 예시하고 있다. 카메라 기반의 광학적 촉진 장치(1002)는 장갑(1000)의 일부에 부착되며, 이것은 외과 오퍼레이터가 사용시 장갑을 착용하고 표적 시료 물질의 응력의 측정 및, 상기 방법(600)의 단계 606 내지 610을 수행함으로써 대상 생물학적 조직과 같은, 표적 시료 물질의 기계적 특성의 평가를 진행할 수 있도록 배열된다. 대상 시료 물질 또는 조직의 사진도 획득할 수 있다. 게다가, 장갑을 착용한 외과수술 오퍼레이터는 응력 측정치를 획득하고 해당 물질의 미리 결정된 영역에 걸쳐 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위해 광학적 촉진 장치(1002)를 포함하는 장갑(1000)의 일부를 시료 물질 위로 이동할 수도 있다. 일단 측정이 완료되면, 상기한 카메라 기반의 광학적 촉진 장치(1002)는 외과 오퍼레이터가 다른 외과 수술을 수행하기 위해 외과용 장갑(1000)으로부터 분리될 수 있다. 상기한 카메라 기반의 광학적 촉진 장치의 외과수술용 장갑에 대한 호환성 덕분에, 이러한 특정한 예에서 조직과 같은, 시료 물질의 기계적 특성을 측정하는 데 필요한 시간이 실질적으로 줄어들 수 있다는 이점을 제공할 수 있다.
본 실시 예는 수술용 장갑과 관련하여 설명되었지만, 상기 광학적 촉진 장치는 다른 유형의 장갑에 통합될 수도 있으며, 이것은 시료 물질은 생물학적 조직에만 한정되지 않을 수도 있는 다른 응용 분야와 관련하여 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
도 11은 광학적 촉진 장치(100) 또는 광학 시스템(400 또는 500)을 포함하는 광학적 촉진 장치와 같은, 본 개시 내용의 실시 예들에 따라 제공된 카메라 기반의 광학적 촉진 장치가 콘택트렌즈 시스템(1100)에 통합되어 있는 구성의 또 다른 실시 예를 예시한다. 이 실시 예에서, 광학적 촉진 장치의 감지 층은 환자의 눈(1104)의 표면에 배치되도록 배열된 렌즈(1102)의 형태로 제공된다. 안압이 변화함에 따라 감지 층(1104)의 두께가 그에 따라 변화한다. 상기 광학적 촉진 장치의 카메라(1106)는 감지 층(1104)의 두께의 변화가 측정될 수 있도록 배열됨으로써, 눈의 안압 및/또는 경직도 변화가 판단될 수 있다.
문맥상 명시된 언어 또는 필요한 함축으로 인해 달리 요구하는 경우를 제외하고, 본 발명의 후술하는 청구범위 및 전술한 상세한 설명에서, "포함한다"라는 단어 또는 "포함하되, 포함하는"과 같은 변형어들은 포괄적인 의미로, 즉, 언급된 특징의 존재를 명시하지만 본 발명의 다양한 실시 예들에서 추가적인 특징의 존재 또는 추가를 배제하지는 않는 것으로 사용된다.

Claims (40)

  1. 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치에 있어서,
    상기 장치는:
    감지부를 갖는 몸체;
    상기 몸체의 감지부에 위치하며 상기 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 위치되는 감지 표면을 가지며, 변형 가능하며 소정의 변형-종속적 광학 특성을 가지는 감지 층; 및
    상기 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과된 광을 검출하도록 배치된 광 검출기를 포함하되;
    상기 광학적 촉진 장치는, 상기 감지 층의 감지 표면이 상기 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하고 상기 감지 층과 상기 시료 물질의 표면 영역의 적어도 일부를 통해 압력이 가해질 때, 상기 감지 층은 변형되며, 상기 감지 층의 상기 변형-종속적 광학 특성으로 인해 상기 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과된 빛을 감지함으로써 상기 시료 물질의 기계적 특성이 측정 가능하도록 배열되는 것인 광학적 촉진 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 감지 층은 압축 가능하고, 상기한 변형-종속적 광학 특성은 압축-종속적 광학 특성인 것인 광학적 촉진 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 감지 층은 축 방향 부하에 대해 최소한의 측면 팽창을 겪도록 압축 가능한 것인 광학적 촉진 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 층의 변형-종속적 광학 특성은 압축-종속적 투과율, 편광, 광 흡수 또는 광 산란인 것인 광학적 촉진 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형-종속적 광학 특성은 적어도 감지 층의 일부를 통해 투과되는 광의 파장 범위와 관련되며, 이로써 상기 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과되는 광은 변형-종속적 색상을 가지는 것인 광학적 촉진 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치는 휴대용 장치 또는 영상 내시경인 것인 광학적 촉진 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서,
    광을 상기 감지 층으로 지향시키기 위한 광원을 더 포함하고, 상기 광원 및 광 검출기는 상기 몸체 내에 위치되는 것인 광학적 촉진 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 시료 물질에 대해 상기 감지 층 및/또는 상기 장치의 위치를 검출하기 위한 동작 감지기를 더 포함하는 광학적 촉진 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계적 특성은 탄성이고, 상기 검출된 광은 인가된 압력에 응답하여 상기 감지 층에 걸치는 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내고, 상기한 응력 및/또는 변형의 분포는 시료 물질의 기계적 특성과 관련되는 것인 광학적 촉진 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    감지 표면 영역들의 힘 및 결과적인 변위를 측정하기 위해 상기 감지 층의 감지 표면에 위치된 적어도 하나의 변위 및 힘 측정 장치를 더 포함하는 광학적 촉진 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료 물질은 생물학적 조직 또는 생물학적 물질인 것인 광학적 촉진 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 카메라를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 카메라는 입체(스테레오스코프) 카메라인 것인 광학적 촉진 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 스마트폰 형의 장치를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 스마트폰형 장치는 시료 물질을 배치하기 위한 분리 가능한 마이크로 렌즈 및/또는 3D 프린팅 플랫폼을 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치는 로봇 외과수술 장치의 일부를 형성하는 것인 광학적 촉진 장치.
  17. 제1항 내지 제 13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치의 적어도 일부 또는 모든 구성 요소는 상기 광학적 촉진 장치가 사용시 풍선 카테터가 위치하는 시료 물질의 일부의 기계적 특성을 판단하는 데 사용될 수 있도록 배열된 풍선 카테터에 또는 그 내부에 위치되는 것인 광학적 촉진 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 감지 층이 풍선 카테터의 풍선 외부에 위치되고/되거나 풍선에 부착되는 것인 광학적 촉진 장치.
  19. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치의 적어도 일부 또는 모든 구성 요소는 바늘, 프로브 또는 관절경(arthroscope)에 또는 그 안에 위치되고, 상기 바늘, 프로브 또는 관절경은, 상기 바늘, 프로브 또는 관절경이 사용시 배치되는 시료 물질의 기계적 특성이 판단될 수 있도록 감지 층이 배치되어 있는 윈도(창)를 갖는 것인 광학적 촉진 장치.
  20. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    장갑을 포함하고, 상기 광학적 촉진 장치의 구성 요소들은, 사용자가 상기 장갑을 착용할 때, 사용자가 상기 시료 물질 위로 상기 광학적 촉진 장치의 구성 요소들과 함께 장갑의 일부를 이동시킴으로써 광학적 촉진 측정이 가능하도록, 상기 장갑에 일체로 통합되는 것인 광학적 촉진 장치.
  21. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 감지 층은 렌즈 형태로 제공되는 것인 광학적 촉진 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치는 환자의 눈에 배치하고 눈의 안압 및/또는 강직도의 변화를 판단하기 위해 배열되는 것인 광학적 촉진 장치.
  23. 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 광학적 촉진 장치에 있어서,
    상기 장치는:
    감지부를 갖는 몸체;
    상기 몸체의 감지부에 위치하며 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 위치된 감지 표면을 가지며, 변형 가능하고 광학적으로 감지 가능한 마커 또는 패턴을 갖는 감지 층; 및
    광학 시스템 대해 그리고 감지 층의 변형시 마커 또는 패턴의 이동을 판단하는 데에 사용될 수 있는 정보를 제공할 수 있으며, 상기 정보는 빛의 전파 방향에 직교하는 평면에 대해 제공되는 광학 시스템을 포함하되;
    상기 광학적 촉진 장치는, 감지 층의 감지 표면이 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하고 상기 감지 층과 상기 시료 물질의 표면의 적어도 일부에 걸쳐 압력이 가해질 때, 상기 감지 층이 변형되고, 상기 광학 시스템에 대한 상기 마커 또는 패턴의 위치의 변화를 측정함으로써 상기 시료 물질의 기계적 특성에 관한 정보가 제공될 수 있도록 배열되는 것인 광학적 촉진 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 마커 또는 패턴으로부터 반사 또는 투과된 광을 검출하도록 배치된 적어도 2개의 이격된 광 검출기 구성 요소를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  25. 제23항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 감지 층을 통해 투과된 광을 검출하기 위한, 상기 마커 또는 패턴의 깊이 위치가 판단될 수 있도록 배치되는, 마이크로 렌즈와 같은 광학 요소의 어레이를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치는 휴대용 장치인 것인 광학적 촉진 장치.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 카메라를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 카메라는 입체 카메라인 것인 광학적 촉진 시스템.
  29. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 스마트폰 기반의 장치를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 스마트폰 기반의 장치는 시료 물질을 배치하기 위한 분리 가능한 마이크로 렌즈 및/또는 3D 프린팅 플랫폼을 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  31. 제23항 내지 제30항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 마커들은 투명한 입자들을 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  32. 제20항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마커들은 형광 입자 또는 발광 입자를 포함하는 것인 광학적 촉진 장치.
  33. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 시료 물질의 사진 및 기계적 특성이 동시에 획득될 수 있도록 배열되는 것인 광학적 촉진 장치.
  34. 제23항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 시료 물질에 대해 상기 감지 층 또는 상기 장치의 위치 또는 이동을 검출하기 위한 동작 감지기를 더 포함하는 광학적 촉진 장치.
  35. 제23항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계적 특성은 탄성이고, 상기 검출된 광은 인가된 압력에 응답하여 상기 감지 층에 걸친 응력 및/또는 변형의 분포를 나타내고, 상기 응력 및/또는 변형의 분포는 시료 물질의 기계적 특성과 관련되는 것인 광학적 촉진 장치.
  36. 시료 물질의 기계적 특성을 평가하기 위한 시스템에 있어서,
    선행하는 청구항 중의 어느 한 항에 따른 광학적 촉진 장치; 및
    상기 광학적 촉진 장치에 결합되고 상기 광 검출기에 의해 검출된 광과 관련된 정보를 나타내는 신호를 수신하도록 구성된 프로세서를 포함하되;
    상기 정보는 상기 시료 물질의 기계적 특성의 측정치를 얻는 데 사용될 수 있는 것인 시스템.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 프로세서는 Wi-Fi 또는 블루투스 기술을 사용하는 것과 같이, 유선 방식으로 또는 무선으로 상기 광학적 촉진 장치에 결합되는 것인 시스템.
  38. 시료 물질의 기계적 특성을 평가하는 방법에 있어서,
    시료 물질을 제공하는 동작;
    제36항 또는 제37항에 따른 시스템을 제공하는 동작을 포함하되;
    상기 방법은:
    감지 표면이 시료 물질의 표면 영역과 직접 또는 간접적으로 접촉하도록 시료 물질에 대해 감지 층을 위치시키는 동작;
    상기 감지 층 및 상기 시료 물질의 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력을 인가하는 동작; 및
    상기 감지 층의 적어도 일부로부터 투과 또는 반사된 광을 검출하는 동작을 더 포함하는 방법.
  39. 제35항에 있어서,
    상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 상기 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치를 검출하기 위한 동작 감지기를 제공하는 동작;
    상기 광학적 촉진 장치를 시료 물질의 다수의 표면 영역들에 걸쳐 이동시키는 한편, (i) 감지 층이 압축되도록 상기 감지 층 및 상기 시료 물질의 각 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력을 가하는 동작, 및 (ⅱ) 상기 시료 물질의 다수의 표면 영역들 각각에 대해 감지 층의 적어도 일부를 통해 투과되거나 그로부터 반사된 빛을 동시에 감지하거나, 또는 상기 시료 물질에 걸쳐서 상기 장치가 이동하는 동안 빛을 순차적으로 감지하는 동작; 및
    상기 시료 물질에 대해 감지 층 또는 상기 장치의 좌표의 이동 또는 변화를 감지하는 동작을 더 포함하는 방법.
  40. 제35항에 있어서,
    상기 광학적 촉진 장치는 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치 또는 움직임을 검출하기 위한 카메라 및 동작 감지기를 포함하되, 상기 방법은:
    상기 장치가 시료 물질의 표면에 대해 이동 또는 스캔 될 때 상기 시료 물질에 대해 감지 층 또는 장치의 위치를 감지하기 위한 동작 감지기를 제공하는 동작을 포함하고;
    상기 감지 층과 상기 시료 물질의 표면 영역의 적어도 일부의 양자를 통해 압력을 적용하는 단계는, 상기 감지 층과 시료 물질의 적어도 일부의 양자를 통해 다양한 상이한 압력들을 적용하는 동작을 포함하되, 상기 다양한 상이한 압력을 적용하기 위해 상기 시료 물질에 대해 감지 층을 갖는 광학적 촉진 장치의 일부를 이동시키는 동작을 포함하고;
    상기 감지 층의 적어도 일부로부터 투과 또는 반사된 광을 검출하는 단계는, 카메라를 사용하여, 일련의 압력에 대해 이미지가 검출되도록 상기 다양한 상이한 압력이 적용되는 동안 수행되고;
    상기 시료 물질의 응력과 같은 기계적 특성은 압력 시퀀스에 대해 기록된 이미지로써 검출된 감지 층의 광학적 특성의 변화로부터 결정될 수 있으며; 그리고
    상기 시료 물질의 변형은 시료 물질에 대한 프로브의 결정된 움직임으로부터 결정될 수 있으며, 상기 움직임은 상기 제공된 동작 감지기를 사용하여 판단되며;
    이에 의해, 상기 시료 물질의 비선형적인 기계적 특성이 결정될 수 있는 것인 방법.
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