KR20210151534A - 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 관한 것으로, 피검체에 광을 조사하고, 상기 광이 조사된 상기 피검체의 내부 조직으로부터 방사되는 음향에 의해 형태가 변화하는 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 있어서, 상기 광을 조사하는 광원; 상기 광에 대하여 광학적으로 투명한 그래핀 막; 상기 광원에서 조사된 광을 상기 그래핀 막으로 향하는 측정광과 기준광으로 분할시키고, 상기 그래핀 막에서 반사되는 상기 측정광의 일부와 상기 기준광을 간섭시키는 간섭계; 및 상기 측정광의 일부와 상기 기준광이 간섭하여 형성되는 간섭광을 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함한다.

Description

그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치{PHOTOACOUSTIC DIAGNOSIS APPARATUS USING GRAPHENE MEMBRANE}
본 발명은 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 관한 것으로 그래핀의 광 투과성을 이용하여 피검체로부터 방사되는 음향에 의한 그래핀 막의 형태 변화를 측정하는 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 관한 것이다.
광음향(photoacoustic) 진단 기술은 광음향 효과를 이용하여 비침습적으로 생체조직을 형성화하는 기술이다. 광음향 진단을 위해 레이저의 짧은 전자기 펄스가 생체 조직에 입사되면 에너지의 일부분이 조직에 의해 흡수된 후 열로 변환되어 순간적인 열탄성 팽창(thermo-elastic expansion)을 일으킨다. 그 결과, 넓은 대역의 주파수를 갖는 초음파가 방출되고 이를 여러 방향에서 초음파용 트랜스듀서로 검출하여 이미지로 변환시킬 수 있다.
광음향 진단 기술은 전자기파를 초음파로 변환시켜 검출하기 때문에 광학적 이미징과 초음파 이미징의 특성을 혼합할 수 있는 장점을 가진다. 순수한 광학적 이미징 기법의 대조비(contrast)는 초음파 이미징에 비해 매우 높지만 연부조직(soft tissue)의 높은 광산란 때문에 생체 표면에서 특정 깊이까지만 영상화할 수 있는 단점을 가지고 있다, 이에 비하여 초음파 이미징은 태아 검사에 활용될 만큼 높은 공간 분해능(spatial resolution)을 가지고 있다. 광음향 이미징은 광학적 이미징의 단점인 낮은 영상화 깊이를 광음향 효과에 의한 초음파 변환으로 극복하여 높은 광학적 대조비와 높은 공간 분해능을 동시에 실현할 수 있다.
광음향 진단 기술은 구현하는 장치는 크게 레이저를 조사하는 광학부와 초음파를 측정하는 트랜스듀서로 구성된다. 초음파를 측정하는 트랜스듀서는 피에조(piezo) 방식과 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 방식이 있다. 피에조 방식은 초음파에 의한 압력에 의해 압전 물질 내에 전위가 형성되고 전위차인 전압을 측정하여 초음파를 측정하고, 멤스 방식은 초음파에 의한 압력에 의해 멤스 막의 형태가 변화하고 형태 변화에 의한 커패시턴스의 변화를 측정하여 초음파를 측정한다.
상술한 트랜스듀서는 광학적으로 불투명한 구조를 지니기 때문에 레이저를 조사하는 광학부와 일체화가 되기 어렵고 광학부와 별도의 모듈로 구성되기 때문에 상술한 트랜스듀서를 갖는 광음향 진단 장치는 그 크기를 줄이기 어렵고, 사용의 편의성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 고려하여, 광학적으로 투명한 그래핀 막을 이용하여 피검사체에 레이저를 조사하는 광학 구성과 조사된 레이저에 의해 피검사체에서 발생된 초음파를 측정하는 초음파 측정 구성이 일체형으로 통합된 광음향 진단 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치는, 피검체에 광을 조사하고, 상기 광이 조사된 상기 피검체의 내부 조직으로부터 방사되는 음향에 의해 형태가 변화하는 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 있어서, 상기 광을 조사하는 광원; 상기 광에 대하여 광학적으로 투명한 그래핀 막; 상기 광원에서 조사된 광을 상기 그래핀 막으로 향하는 측정광과 기준광으로 분할시키고, 상기 그래핀 막에서 반사되는 상기 측정광의 일부와 상기 기준광을 간섭시키는 간섭계; 및 상기 측정광의 일부와 상기 기준광이 간섭하여 형성되는 간섭광을 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함한다.
또한, 상기 간섭계는, 상기 광원에서 조사된 광을 상기 측정광과 상기 기준광으로 분할하는 광분할 수단, 및 상기 기준광을 반사시키는 미러를 포함한다.
또한, 상기 광분할 수단은, 상기 그래핀 막의 상기 광에 대한 투과율 및 반사율에 따라 상기 측정광과 상기 기준광의 세기 비율을 조절하여 상기 측정광과 상기 기준광을 분할한다.
또한, 상기 광원은 적외선을 조사한다.
또한, 상기 광검출기에 의해 검출된 상기 전기 신호를 통해 상기 그래핀 막의 형태 변화에 따른 간섭 무늬의 영상으로 표시하는 영상 처리부를 더 포함한다.
본 발명에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치는 광학적으로 일정한 투과도를 가지는 그래핀 막을 이용하여 피검사체에 레이저를 조사하는 광학 구성과 조사된 레이저에 의해 피검사체에서 발생된 초음파를 측정하는 초음파 측정 구성을 일체형으로 통합시킬 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 이용되는 그래핀 막의 광 파장에 따른 투과율을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 이용되는 그래핀 막의 두께에 따른 광 반사율을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치의 구성과 작용을 설명한다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나","A 또는 B 중 적어도 하나,""A, B 또는 C," "A, B 및 C 중 적어도 하나,"및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치의 개략적인 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치(100)는 피검체(10)에 그래핀 막(120)을 투과한 레이저 광을 조사하고, 레이저 광이 조사된 피검체(10)의 내부 조직으로부터 방사되는 음향 초음파(A)의 압력에 의해 형태가 변화하는 그래핀 막(120)을 이용하는 것으로서, 광원(110), 그래핀 막(120), 간섭계(130), 광검출기(140)를 포함한다.
광원(110)은 레이저 광을 출력하며, 적외선 레이저 광을 출력한다.
그래핀 막(120)은 탄소 원자들이 육각형의 꼭짓점에 존재하며 넓게 퍼진 육각형의 벌집 모양의 2차원 평면 결정 구조를 이루고, 원자 한 개의 두께로 이루어진다. 그래핀 막의 두께는 0.2 nm 정도이지만, 물리적 및 화학적 안정성이 높다.
그래핀 막(120)은 광원(110)에서 조사된 광을 일부는 투과시키고 다른 일부는 반사시키는 광원(110)에서 조사된 광에 대하여 광학적으로 투명한 성질을 가진다.
간섭계(130)는 광원에서 조사된 광(L1)을 그래핀 막(120)으로 향하는 측정광(L2)과 기준광(L3)으로 분할시키고, 그래핀 막(120)에서 반사되는 측정광의 일부(R)와 기준광(L3)을 간섭하게 한다. 간섭계(130)는 광원에서 조사된 광(L1)을 측정광(L2)과 기준광(L3)으로 분할시키는 광분할 수단(131)과 기준광(L3)을 반사시키는 미러(132)를 포함한다. 이 때, 광분할 수단(131)은 빔 스플리터이다.
광분할 수단(131)은 그래핀 막(120)의 광원에서 출력되는 광에 대한 투과율 및 반사율에 따라 측정광(L2)과 기준광(L3)의 세기 비율을 조절하여 측정광(L2)과 기준광(L3)을 분할한다. 광분할 수단(131)은 측정광(L2)과 기준광(L3)의 세기 비율을 조절하기 위하여 4분의 1 파장 지연판이나 반파장 지연판을 더 포함할 수 있다.
광검출기(140)는 그래핀 막에 의해 반사된 측정광의 일부(R)와 기준광(L3)이 간섭하여 형성되는 간섭광을 전기 신호로 변환시킨다. 광 검출기(140)은 포토 디텍터이다. 간섭광의 간섭 무늬는 측정광의 일부(R)와 기준광(L3)의 광 경로차에 의해 형성되며, 그래핀 막의 형태 변화에 따라 변화한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치(100)는 광검출기에 의해 검출된 전기 신호를 전달 받아 그래핀 막의 형태 변화에 따른 간섭광의 간섭 무늬를 영상으로 표시하는 영상 처리부를 더 포함한다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 이용되는 그래핀 막의 광 파장에 따른 투과율 및 그래핀 막의 두께에 따른 광 반사율을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3를 참조하면, 그래핀 막(120)은 하나의 층을 기준으로 다양한 파장의 광에 대해 97% 이하의 광 투과율을 가지며, 1500nm, 1550nm, 1600nm 파장의 광에 대해 0.5% 이하의 광 반사율을 가진다. 따라서, 그래핀 막(120)은 광원(110)에서 조사된 광에 대하여 광학적으로 투명한 성질을 가진다고 말할 수 있다. 광학적으로 투명한 그래핀 막의 특성 때문에 피검사체에 레이저를 조사하는 광학 구성과 조사된 레이저에 의해 피검사체에서 발생된 초음파를 측정하는 초음파 측정 구성이 일체형으로 통합될 수 있다.

Claims (5)

  1. 피검체에 광을 조사하고, 상기 광이 조사된 상기 피검체의 내부 조직으로부터 방사되는 음향에 의해 형태가 변화하는 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치에 있어서,
    상기 광을 조사하는 광원;
    상기 광에 대하여 광학적으로 투명한 그래핀 막;
    상기 광원에서 조사된 광을 상기 그래핀 막으로 향하는 측정광과 기준광으로 분할시키고, 상기 그래핀 막에서 반사되는 상기 측정광의 일부와 상기 기준광을 간섭시키는 간섭계; 및
    상기 측정광의 일부와 상기 기준광이 간섭하여 형성되는 간섭광을 전기 신호로 변환하는 광검출기를 포함하는, 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 간섭계는,
    상기 광원에서 조사된 광을 상기 측정광과 상기 기준광으로 분할하는 광분할 수단, 및
    상기 기준광을 반사시키는 미러를 포함하는, 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광분할 수단은,
    상기 그래핀 막의 상기 광에 대한 투과율 및 반사율에 따라 상기 측정광과 상기 기준광의 세기 비율을 조절하여 상기 측정광과 상기 기준광을 분할하는, 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은 적외선을 조사하는, 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 광검출기에 의해 검출된 상기 전기 신호를 통해 상기 그래핀 막의 형태 변화에 따른 간섭 무늬의 영상으로 표시하는 영상 처리부를 더 포함하는, 그래핀 막을 이용한 광음향 진단 장치.
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