KR20220085321A

KR20220085321A - 비침습 3d 혈액 영상 및 성분 분석 장치

Info

Publication number: KR20220085321A
Application number: KR1020200175285A
Authority: KR
Inventors: 이민희
Original assignee: 이민희
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-22
Also published as: KR102491522B1; WO2022131612A1

Abstract

본 발명은 하기와 같은 구성을 가진다.
동일한 간격의 빗살무늬 형태의 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살을 발생하는 레이저광진동수빗살발생장치;
상기 레이저광진동수빗살발생장치에서 발생된 레이저 광 진동수 빗살을 광 분할하여 기준팔(reference arm)과 시료팔(sample arm) 각각에 분배하는 광섬유분할기;
기준팔을 구성하며, 상기 광섬유분할기에서 기준팔로 분배된 광을 반사하여 위상을 바꾸어주는 거울;
시료팔을 구성하며, 상기 광섬유분할기에서 시료팔로 분배된 광을 시료 표면에 주사(scan)하는 MEMS-미러시스템(Microelectromechanical System, 미세전자기계시스템);
상기 MEMS-미러시스템에서 발생된 광을 파장별로 나누어서 검출하는 제1수광부;
상기 제1수광부에 의해 변환된 파장별 전하 신호를 입력하여 스펙트럼 분석을 수행하고 그 결과를 정보처리장치로 전송하는 DSP(Digital Signal Processing, 디지털신호처리프로세서)를 포함한다.

Description

비침습 3D 혈액 영상 및 성분 분석 장치 {Apparatus for achieving 3D Blood Image and Component Analysis by non-inversive treatment}

본 발명은 의료 진단, 산업용 정밀 계측, 농수축산물에 대한 비파괴 검사 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있는 차세대 정밀 영상 촬영 기술인 광 간섭 단층촬영(OCT :Optical Coherence Tomography)에 관한 것으로서 특히, 비침습적 처리에 의하며, 수 μm이하의 고분해능을 가지며, 기존의 의료영상 촬영 기술로는 접근하기 힘든 인체 피하 조직 및 혈관 조직 등에 대한 3차원 이미지 획득이 가능하고 또한 성분 분석이 가능한 OFC(Optical Frequency Comb, 광 진동수 빗살)와 MEMS(Microelectromechanical System)를 이용한 3D혈액영상및성분분석장치에 관한 것이다.

광 간섭 단층촬영(OCT)는 시스템의 원리와 구조에 따라서 TD-OCT와 FD-OCT로 분류할 수 있다.

광 간섭 단층촬영(OCT)에 대한 연구는 90년도 초반에는 시간 영역(time-domain, TD)에서 많이 이루어졌으나, 90년도 중반 이후부터 주파수 영역(frequency-domain, FD)으로 확대되었다.

표 1은 OCT 종류 및 방식/원리를 간략하게 보인다.

OCT종류		방식/원리
TD(Time Domain)-0CT		마이켈슨 간섭계
FD(Fourier Domain)-OCT	SD-OCT	스펙트럼 영역(Spectral Domain)
	SS-OCT	?f음광원(Swept Light Source)/?f음소스(Swept Source)
PS-OCT		편광에 민간한 (Polarization-Sensitive)/복굴절에 의한 편광
DOCT(Doppler OCT)		도플러 효과(Doppler effect)

시간 영역 OCT(TD-OCT)는 간섭계의 기준팔(reference arm)에서의 광 경로를 가변함으로서 깊이 정보를 획득하여 영상을 구현한다. TD-OCT는 깊이 방향 스캐닝 (A-scanning)에 의해 간섭계의 기준팔에서의 광 경로가 가변된다. 위치가 변하는 기준팔과 시료팔(sample arm)에서의 광 경로가 일치할 경우에만 간섭이 일어나게 된다. 시간에 따라 깊이 스캐닝이 이루어지기에 시간 영역이라고 칭한다.

TD-OCT와 비교하여, FD-OCT는 기준팔의 광 경로를 변화시키지 않는다.

FD-OCT는

① 기준단의 물리적인 동작 없이 수광부에서 빛을 각각의 파장대별로 분리시켜 검출한 후, 고속 역 푸리에변환(inverse fast Fourier transform, IFFT)을 통하여 깊이 정보를 획득하는 방법과

② 파장 가변 레이저를 광원으로 사용하여 시료(sample) 깊이에 따른 비트신호(beat signal)를 획득, 이를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)함으로써 깊이 정보를 획득하는 방법 2가지로 분류할 수 있다.

전자는 spectral domain OCT(SD-OCT)이라 하고, 후자는 swept source OCT(SS-OCT)이라 한다.

SD-OCT는 광대역 광원, 간섭계, 깊이방향 스캐너(B-scanner), 횡 방향 스캐너(A-scanner), 수광부로 구성된다. 수광부는 광을 파장별로 나누어서 검출할 수 있도록 격자(grating)와 CCD(charge coupled devices)로 구성된다. 이로서 시료의 깊이에 대한 간섭은 파장 영역에서 이루어지게 되며, 이는 CCD를 통하여 병렬적으로 획득할 수 있다. 획득된 스펙트럼은 역 고속 푸리에 변환을 통하여 깊이에 대한 세기로 변환이 된다.

SS-OCT는 넓은 파장 가변 대역을 가진 파장 가변 레이저를 광원으로 사용한다. 이러한 광원을 간섭계에 입사시키면, 간섭계를 통하여 분기된 레이저들은 기준단과 시료단의 광 경로에서 차이가 발생하기 때문에 각기 반사가 되어 다시 만났을 경우, 다른 파장 및 다른 주파수 성분에 의하여 차주파수(difference frequency) 신호가 생성된다. 이러한 현상을 비팅(beating)이라 칭한다. 검출되는 한 주기의 비트 신호 안에는 각기 다른 깊이에 의한 비트 주파수(beat frequency)들이 담겨있다. 따라서 이를 고속 푸리에 변환함으로서 깊이에 대한 영상을 획득할 수 있다.

TD-OCT와 비교하여 FD-OCT는 A-스캐닝을 위한 물리적인 동작이 없기 때문에 고속으로 동작할 수 있으며, 레이저의 선폭(line width)이 좁을수록 또는 분광기의 성능이 높을수록 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)가 높아지는 장점이 있다. 하지만 기본적으로 FD-OCT의 영상처리에는 횡방향의 화소(pixel) 개수만큼의 FFT가 수행이 되어야 하므로 완전한 실시간 영상 구현은 아니다. 이를 보완하기 위해 현재 FD-OCT에 관련된 연구 분야들 중 실시간에 근접하는 FD-OCT의 구현에 관한 연구가 큰 비중을 차지하고 있다.

최근에는 FD-OCT방식에 속하면서 고화질 및 고속영상획득을 장점으로 가지는 고속 광대역 파장 발진 주파수 선형 스위핑 레이저 광원을 사용하는 SS-OCT(Swept Source-OCT) 기술이 정확한 영상을 얻기 위해 우수하기 때문에 각광을 받고 있다. 파장 스위핑 레이저의 광 출력이 빗살무늬 광 필터 모듈을 통과할 때 정현파 전기 신호가 출력된다.

SS-OCT의 파장 스위핑 레이저 광원의 구현을 위하여 시간에 따라 서로 다른 파장이 레이저의 공진기 내를 진행하여야 하는데, 발진 주파수 대 시간의 선형성이 유지되도록 파장 가변 필터 또는 회전 폴리곤 스캐너 모듈을 제어하는 것은 쉽지가 않다. 이 때문에 SS-OCT 시스템에서는 획득된 간섭 신호에 보정 과정을 수행하여 발진 파수의 비선형성을 보정하여주고 있다.

현재 알려진 보정 방법은 이 신호의 연속된 두 피크점간의 시간 간격은 비록 변할지라도 주파수(또는 파수 k) 간격은 일정하다는 사실에 기반을 둔다. 이를 바탕으로 k_nonlin대 t의 비선형 그래프를 얻어 보정을 수행한다. 발진 주파수(또는 파수)의 시간에 대한 비선형 스위핑을 보상하기 위하여 새로운 보정 방식을 제안하고 이를 적용한 SS-OCT시스템을 구현한 국내 연구진은 1310nm 대역의 SOA(Semiconductor Optical Amplifier)와 광섬유 페브리 페롯 파장 가변 필터 (FFP-TF : fiber fabry perot-tunable filter), 그리고 광섬유 지연선(fiber delay line)을 이용하여 주파수영역 모드 잠김(FDML : frequency domain mode locked) 방식 파장 스위핑 링 레이저(예를 들면, 55.027 kHz의 고속 왕복 스위핑과 9mW의 평균 출력 광 파워, 125 nm의 파장 스위핑)를 구성한다. 한편 이러한 보정 과정이 필요 없는 발진 주파수 선형 스위핑 레이저를 구현하려는 노력도 계속되고 있다.

In vitro(‘생체 내’를 의미하는 용어) 시료 단면 영상 기술에 이용한 White LED Optical Frequency Comb는 혈액을 채취하여 조사하는 CBC(Complete Blood Cell Count, 전체 혈구수 검사) 방법에는 적절한 방법이지만, 흐르는 혈액 세포에 적용하기에는 파워가 너무 크고 피부를 투과하기도 어려우며, NIR LD Array를 이용하여 빛을 동시에 비추면 혈액을 채취하지 않고도 유세포 분석을 할 수 있지만, 이 방법은 피부 아래 넓고 깊은 영역을 고해상도로 스캔할 수 없다는 단점이 있다.

저가형 공초점 현미경인 SCM은 780nm Holograpy Laser를 광원으로 사용하고, 일반 공초점 현미경의 Pinhole, Focusing lens, Photomultiplier 대신 4분할 Photo Detector와 Cylindrical lens를 사용하며, Optical Fiber를 사용하지 않고, 비 접촉적 방법으로 시료의 넓은 영역을 Scan할 수 있다. 그리고 Tilting Mirror와 Galvanometer를 사용하여, 일반적인 공초점 현미경과 같이 시료를 움직이거나 시스템을 움직이지 않고도, 고속으로 시료를 조사할 수 있다.

그리고 공초점 현미경인 CLSM(Confocal Laser Scanning Microscope)은 세포 생물학, 신경생리학, 의학, 약학, 식품, 금속, 반도체 등의 광범위한 분야에 걸쳐서 활용되고 있는데, 특히 생물 분야에서는 FITC나 Rhodamine, Fluo-3 와 같은 다양한 형광염료의 개발로 말미암아 세포내 Ca²⁺ 농도, H₂O₂ 와 pH의 변화를 살아있는 세포에서 직접 측정할 수 있다. 또한 immunostaining을 이용한 생체 세포내 구조물의 형태적 변화 관찰, 염색체 분석, 막 성분의 세포내 이동 현상 연구, 소포체나 미토콘드리아 등의 세포내 소기관의 연구, 세포간의 signal 전달의 가시화, immunochemical marking을 통한 면역계의 연구 등이 가능하다.

그렇지만, 종래의 광간섭 단층 장치에 있어서 하부 세포 단위의 이미지를 조사하는데, 단위세포의 분해능이나 해상도에서 개선이 필요하다.

대한민국특허청 등록특허 10-1312407(2013년09월27일) 대한민국특허청 등록특허 10-0551581(2006년02월13일)

본 발명은 광학 현미경으로는 관찰할 수 없는 시료의 깊이를 전처리 과정 없이 광역에 걸쳐서 고속으로 Scanning하여 3차원 영상으로 검사하는 OFC와 MEMS를 이용한 3D 이미지 혈액 영상 및 성분 분석 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 검사시간이 소요되던 침습을 기본으로 하는 종전 혈액검사의 애로사항을 극복한 새로운 패러다임의 OFC와 MEMS를 이용한 비침습3D혈액영상및성분분석장치를 제공하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 동일한 간격의 빗살무늬 형태의 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살을 발생하는 레이저광진동수빗살발생장치;

상기 레이저광진동수빗살발생장치에서 발생된 레이저 광 진동수 빗살을 광 분할하여 기준팔(reference arm)과 시료팔(sample arm) 각각에 분배하는 광섬유분할기;

기준팔을 구성하며, 상기 광섬유분할기에서 기준팔로 분배된 광을 반사하여 위상을 바꾸어주는 거울;

시료팔을 구성하며, 상기 광섬유분할기에서 시료팔로 분배된 광을 시료 표면에 주사(scan)하는 MEMS-미러시스템(Microelectromechanical System, 미세전자기계시스템);

상기 MEMS-미러시스템에서 발생된 광을 파장별로 나누어서 검출하는 제1수광부;

상기 제1수광부에 의해 변환된 파장별 전하 신호를 입력하여 스펙트럼 분석을 수행하고 그 결과를 정보처리장치로 전송하는 DSP(Digital Signal Processing, 디지털신호처리프로세서)를 포함한다.

여기서,상기 광섬유분할기에서 제공되는 간섭광을 제1포트로 입력하여 두 개의 포트(제2포트 및 제3포트)로 분배하는 광섬유순환기를 더 포함하고,

상기 제1수광부는 제2포트로 분배된 광을 입력하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 광섬유순환기에 의해 제3포트로 분배된 광을 입력하여 시료의 깊이에 따른 비트 신호(beat signal)를 획득하고, 비트 신호를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)함으로써 시료의 깊이 정보를 획득하는 제2수광부; 및

상기 제2수광부에 의해 얻어진 시료의 깊이 정보를 상기 정보처리장치로 전송하는 IDSP(ADC,ISP: Analog-to-Digital Converter, Internet service provider);

를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1수광부는 상기 광섬유순환기에 의해 제1포트로 분배된 광을 각각의 파장대별로 분리시키는 회절격자; 및

상기 회절격자에 의해 각각의 파장대별로 분리된 광을 파장별 전하 신호로 변환하는 CCD(Charged-Coupled Device, 전하결합소자)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2수광부는 상기 광섬유순환기에 의해 제2포트로 분배된 광을 입력하여 각각의 파장대별로 분리시키는 스캐닝회절격자와 상기 스캐닝회절격자에 의해 각각의 파장대별로 분리된 광을 파장별 전하 신호로 변환하는 포토디텍터로 구성되는 MEMS기반스캐닝회절격자(MEMS-SG; MEMS-Scanning Grating); 및

상기 MEMS기반스캐닝회절격자에 의해 얻어진 파장별 전하 신호를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)함으로써 시료의 깊이 정보를 획득하는 고속푸리에변환분광계(FFTS; Fast Fourier Transformation Spectrometer)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 시료에 입사한 레이저 광 진동수 빗살이 시료의 세포와 상호작용함으로써 발생하는 광을 시뮬레이션하여 상기 제2수광부에 제공하는 함수발생기(Functional Generator)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 광스캔방향 x축(spectrally transverse line)에 따른 반사광은 상기 제1수광부에 제공하여 성분 분석 정보를 얻고, 광축방향 z축(depth profile line)에 따른 반사광은 상기 제2수광부에 제공하여 실시간 단층촬영용 정보를 획득하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 MEMS-미러시스템은 시료를 통과하여 출력된 반사 광 신호가 비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양을 갖도록 조정하는 타임게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 타임게이트는 비선형 광학 시간 상관 게이트(Nonlinear optical time correlation gate) 또는 자극된 라만 산란(stimulated Raman scattering)에 의한 증폭 및 파라메트릭 증폭(parametric amplification)을 이용한 비선형 광학 시간 게이트인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 레이저광진동수빗살발생장치와 상기 광섬유분할기 사이에 개재되는 제1비구면렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 광섬유분할기와 상기 미러 사이에 개재되는 제2비구면렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고속푸리에변환분광계(FFTS; Fast Fourier Transformation Spectrometer)는 위너-킨친 정리(Winner-Khinchine Theorem) 알고리즘, 힐베르트 변환(Hilbert Transformation), 위상분해 기능 OCT(Phase-Resolved Functional OCT)를 수행하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 레이저광진동수빗살발생장치는 파장범위(750nm~1750nm)를 갖는 레이저 광 진동수 빗살을 발생하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 레이저 광 진동수 빗살은 서로 다른 일련의 파장들이 크기순을 가지고 시간 순서로 반복적으로 발생되는 것이거나 또는 서로 다른 일련의 파장들이 크기순을 가지고 동시에 반복적으로 발생되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 유세포 분석을 필요로 하는 다양한 영역에서 응용될 수 있으며, 특히 대중적으로 유용하게 활용될 수 있는 영역은 신성장 동력 산업 중 필요불급의 영역인 의료기기 영역이다.

기존에는 혈액검사를 하기 위하여 침습의 방식이 필수적이었으나 침습 방식은 통증을 수반하며 때로는 감염의 우려가 있다는 단점이 있었는데 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 비침습 처리를 이용할 수 있도록 함으로써 이를 극복하였다.

또한 혈액분석 과정에서 종전에는 전문가의 도움이 필수적이며 채취 이후 결과가 나올 때까지 일정 시간이 소요되었으나 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 실시간 분석과 결과가 모니터링 되는 장점이 있어 전문가 없이도 분석 결과를 통하여 자가진단이 가능하다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 Flow cytometry(유세포 분석기)처럼 액체 내에서 살아있는 다량의 세포를 분석할 수 있는 매우 강력한 툴이 될 수 있다. 유세포 분석은 세포의 크기, 형태, 기능적 특성을 제공하는데, 특히 혈관 내에서 흐르는 세포를 분석할 수 있는 in vivo flow cytometry (생체내 유세포 분석기)은 위급한 의료 환경에서 안정성과 신속성을 담보하는 새로운 임상학적 응용을 제공한다. 피부표면 아래의 혈관 내에서 흐르는 혈액 세포의 이미지에 관하여는 반사형 공초점(RCM: Reflectance confocal microscopy), 분광학적으로 해독하는 공초점 현미경(SECM; scanning electrochemical microscopy SCM), 광섬유를 이용하여 분광학적 해독하는 내시경(SEE: Spectrally Encoded Endoscopy)이 시도되어 괄목할 만한 성과를 이루었지만 장치의 크기가 크거나 하부 세포 단위의 이미지를 조사하는데 어려움이 있고, 단위세포의 분해능이나 해상도에서 개선이 필요한 바, 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 이러한 문제들을 해결하는데 괄목할 만한 성과를 이루었다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 일반적인 광학 현미경으로는 관찰할 수 없는 시료의 깊이를 전처리 과정 없이, 광역에 걸쳐서 고속으로 Scanning하여 3차원 영상으로 실시간 검사하는 것으로서, 침습을 기본으로 하기 때문에 상당한 검사 시간이 소요되던 종전 혈액검사의 애로사항을 극복한 새로운 패러다임의 창의적 발명이라 할 수 있다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치는 유세포 분석기로서 앞서 살펴본 바와 같이 의료 영역 외에도 다양한 영역에 사용될 수 있으며 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치의 핵심기술로서 자체 개발하는 광원 역시 창의적인 신개발품으로 그 용도가 광범위하다.

도 1은 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치를 보이는 구성도이다.
도 2는 광섬유분할기의 기능을 보이는 것이다.
도 3은 레이저 광을 시료에 조사하였을 때 발생되는 투과광의 특성을 보인다.
도 4는 광섬유순환기의 기능을 보인다.
도 5는 MEMS-SG/FFTS의 구성을 보인다.
도 6은 스캐닝회절격자의 기능을 보인다.
도 7은 도 1에 도시된 장치의 동작을 보이는 개념도이다.
도 8은 도 1에 도시된 레이저광진동수빗살발생장치의 상세한 구성을 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치의 구성 및 동작을 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살(Laser Optical Frequency Comb)을 이용하여, 세포 아래 혈액의 성분을 비침습적으로 조사하여 고해상도의 단층 영상 획득 및 스펙트럼 분석을 일체형으로 구성한 것이다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 FD-OCT방식에 속하면서 FD-OCT의 영상처리에 횡방향의 화소(pixel)개수 만큼의 FFT가 수행이 될 때, 실시간 영상 구현을 위하여, 광 스캔 x축 방향에 동시 다파장을 주사함으로써, 시료 내에서 세포 및 조직의 광 특성에 따라 동시 흡수 및 산란과 반사가 발생하도록 유도하고, 고속 광대역 파장 발진 주파수 선형 스위핑 레이저 광원을 이용하는 고화질 및 고속영상획득을 장점으로 가지는 SS-OCT(Swept Source-OCT)의 기술을 발진 파수를 혁신적으로 우수하게 사용할 수 있도록 동시 다파장 광 진동수 빗살 레이저 광원(210)으로 교체하고, 광섬유 분할기(220)에서 간섭한 광을 처리하기 위해 MEMS-미러시스템(240) 및 MEMS-SG/FFTS(274)를 사용한다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 Tilting Mirror와 Galvanometer를 사용하는 MEMS-미러시스템(240) 및 MEMS-SG/FFTS(274)을 사용하여 피부 아래의 넓고 깊은 영역을 비 접촉적 방법으로 고해상도로 스캔하고, 장비 소형화를 달성하며, 고화질 및 고속 영상 획득과 시료 성분 분석을 하고, 광 진동수 빗살의 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용함으로써, 외행성 물질(exogenous agents)을 이용하여 시료 내의 광흡수와 광산란의 분자대조를 얻는 분자영상(Molecular imaging) OCT보다 우수하게 단위세포의 분해능이나 해상도의 개선을 이룬다.

도 1은 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)를 보이는 구성도로서, 광신호 흐름에 따라 구성한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 레이저 광 진동수 빗살(Laser Optical Frequency Comb) 발생 장치(210), 광섬유분할기(Fiber Splitter, 220), 거울(Mirror, 230), MEMS-미러시스템(Microelectromechanical System mirror, 240), 광섬유순환기(Optical Fiber Circulator, 250), 회절격자(Grating, 262), CCD(Charged-Coupled Device, 전하결합소자), DSP(Digital Signal Processing, 디지털 신호처리 프로세서, 280), MEMS-SG/FFTS(MEMS-Scanning Grating/Fast Fourier Transformation Spectrometer, MEMS기반스캐닝회절격자/고속푸리에변환분광계)를 포함한다.

여기서, 광섬유분할기(220), 기준팔(Reference Arm) & 시료팔(Sample Arm), Tilting Mirror and micro Motor, MEMS Resonant scanner는 마이켈슨(f-2f)광 간섭계를 구성한다. Tilting Mirror and micro Motor 및 MEMS Resonant scanner는 MEMS-미러시스템(240)을 구성하는 구성요소이다.

레이저광진동수빗살발생장치(210)는 동일한 간격의 다중 파장을 가지는 빗살무늬 형태의 레이저 광 진동수 빗살((750nm-1750nm)을 발생한다.

이에 피부 아래 혈관 내 흐르는 혈액의 영상검출을 위해서는

첫째는 NIR 빛을 파장크기 순서대로 방사하지 않고 동시에 한꺼번에 방사해야 한다는 것이고,

둘째는 순간적으로 여러 가지 파장을 방사할 때 물질에 따라 흡수 파장이 각각 다르기 때문에 여러 파장의 혈액 내 세포에 대한 흡수 투과 반응에 가장 적합한 흡수 스펙트럼의 중간정도 강도의 흡수성을 이용하여야 한다는 것이고,

셋째는 고속의 영상 프레임과 높은 분해능을 제공할 수 있어야 한다는 등의 조건이 충족되어야 한다.

레이저광진동수빗살발생장치(210)에서 발생하는 레이저 광 진동수 빗살((750nm-1750nm)은 이러한 세 가지 요건을 충족하는 광원을 발생한다.

레이저광진동수빗살발생장치(210)에서 발생하는 레이저 광 진동수 빗살((750nm-1750nm)은 광대역 파장(750nm~1750nm)으로 진동수 영역에서 각각의 진동수 피크 선폭이 가늘고(mHz 이하 수준) 인체에 무해한 밝은 빛(100mW 이하 수준)을 가진다. 또한, 이웃하는 진동수 피크 사이의 간격이 매우 조밀하고(10⁵개/100nm), 시간 영역에서 펨토초(약 10fs 이하)의 펄스를 갖는다.

이러한 레이저광진동수빗살발생장치(210)의 구성은 추후 상세히 설명하기로 한다.

비구면렌즈(Aspheric Lense, 300-1~300-4)는 굴절면이 곡면으로 만들어져 있는 렌즈로 구면수차가 존재하지 않는 렌즈이다.

비구면렌즈(300-1~300-4)를 사용하는 이유는 레이저 광 진동수 빗살이 더불클래딩광섬유(Double Cladding Fiber, 304)에 전달될 때 구면수차(spherical aberration)로 인해 작은 원판 형태의 초점이 맺히는 현상이 발생하지 않도록 하기 위함이다.

더불클래딩광섬유(304)는 다중 모드 광 전송에서 광 비트를 형성하기에 유용한 광섬유이다. 더불클래딩광섬유(304)는 코어와 코어를 감싸는 링 형태의 실리카 클래드를 통한 2가지 광학 경로를 갖는다.

광섬유의 일종인 더불클래딩광섬유(304)를 이용하여 영상 카테터(catheter)를 제작할 경우 1,300nm대역의 OCT 영상 정보는 더불클래딩광섬유(304)의 클래드(clad)로 전달하고, 700~900nm 대역의 근적외선 영상 정보는 더불클래딩광섬유(304)의 코어(core)를 이용하여 전달함으로써, 두 영상 정보를 동시에 같은 위치에서 획득할 수 있을 뿐 아니라 높은 광 효율의 다기능 광 영상 시스템을 개발할 수 있다. 두 가지 광학경로를 갖는 광이 광 비트 신호를 형성하도록 해준다. 또한, 더불클래딩광섬유(304)는 시료단 부분의 시료 정보를 가지고 나온 비트 신호 부분과 기준단 거울(230) 부분에서 반사되어 나온 비트 신호 부분이 간섭할 때 잡음을 분리하는 역할도 한다.

더불클래딩광섬유(304)의 코어와 클래드 각각의 굴절률 차이에 의해 광신호는 대역에 따라 자동으로 더불클래딩광섬유(304) 내에서 분리된 영역(코어 및 클래드)를 따라 이동하고 일부가 맥놀이 신호를 형성한다.

광섬유분할기(220)는 레이저광진동수빗살발생장치(210)에서 발생된 레이저 광 진동수 빗살을 적절한 비율(예를 들어, 50:50)로 분할하여 기준팔과 시료팔에 분배한다.

도 2는 광섬유분할기의 기능을 보이는 것이다.

도 2를 참조하면, 광섬유분할기(220)는 광을 적절한 비율로 p-방향 및 s-방향으로 분할하여 통과하게 하는 장치인 것을 알 수 있다.

광섬유분할기(220)는 빔 스플리터(beam splitter) 역할을 하는 것으로서 본 발명에서는 일반적인 방식의 프리즘 렌즈 대신 광섬유 방식의 광섬유분할기를 사용한다.

비구면렌즈(300-2) 및 거울(230)은 광섬유분할기(220)에서 기준팔로 분배된 광을 반사하여 위상을 바꾸어준다.

더블클래딩광섬유(304)를 통하여 전달되는 광은 비규면렌즈(300-3)를 통하여 MEMS-미러시스템(240)에 입사되고 MEMS-미러시스템(240)에 의해 반사되어 시료(310)에 조사된다. 한편, 시료(310)에서 반사된 광은 MEMS-미러시스템(240) 및 TG(Time Gate, 302)를 통하여 더블클래딩광섬유(304)로 입력된다.

TG(Time Gate, 302)는 시료(310)로 부터 MEMS-미러시스템(240)을 거쳐 반사되어 나오는 레이저 광의 조정을 수행한다.

여기서, 조정이란 시료 통과 출력된 반사 광 신호가 비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양을 갖도록 조정하는 것을 말한다.

도 3은 레이저 광을 시료에 조사하였을 때 발생되는 투과광의 특성을 보인다.

일반적으로 시료는 혼탁한 산란 물질(turbid scattering medium)이다. 이러한 시료는 입사된 빛(incident collimated light)에 대하여 흡수(absorption), 산란(scattering), 반사(reflection)를 통하여 출력된 신호를 형성하며 이 출력된 신호가 평행한 격자무늬(collimating grid)특성을 갖는 MEMS-미러시스템(240)을 통과하면, 탄도 광(image-bearing ballistic light), 비행시간 광(time-of-flight light,“”그리고 확산 광(diffuse light)을 포함하게 된다.

즉, 시료(310)로부터 MEMS-미러시스템(240)을 통과한 광(transmitted light)은 1ps이하의 탄도 광(image-bearing ballistic light), 10ps이하의 비행시간 광(time-of-flight light,“”그리고 확산 광(diffuse light)을 포함한다.

피부세포 생체조직에서 700~950nm(고 분해능 파장 800nm-band) 대역의 광이 반사광(reflected light), 1100~1400nm(최적 투과 깊이파장 1250nm-band)대역의 광이 주로 확산 광(transmitted light)이다. 900~1040nm대역은 현재 OCT 이미징에는 이용하지 않고 있다. 광섬유 순환기(250)을 통과한 포트 2, 3 방향의 광은 제1 수광부(260)에서 주로 탄도광, 제2 수광부(270)에서 주로 확산광으로 처리된다.

도 3에 도시된 바와 같이 transmitted light은 비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양으로 가진다. 여기서, 확산광은 산란 물질을 통과할 때 얻을 수 있는 가능한 최고 공간분해능 0.2L(L은 산란물질의 두께)을 제공한다.

이 혼탁한 산란 물질(turbid scattering medium)을 통과한 비 일관적인 타임 게이트 이미징(Incoherent time-gated imaging)은 비선형 광학 시간 상관 게이트(Nonlinear optical time correlation gate) 또는 자극된 라만 산란(stimulated Raman scattering)에 의한 증폭 및 파라메트릭 증폭(parametric amplification)을 이용한 비선형 광학 시간 게이팅(Nonlinear optical time-gating)에 의한 이미징 이다.

TG(Time-Gate)는 시료 통과 출력된 반사 광 신호가 비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양을 갖도록 조정한다.

MEMS-미러시스템(240)은 축방향 스캐닝과 빠른 공명 스캔을 위한 시스템이다. MEMS-미러시스템(240)은 광섬유분할기(220)에서 시료팔로 분배된 광을 B-scan 방식에 따라 시료(310) 표면에 주사한다. MEMS-미러시스템(240)은 Resonant Faster Scanner 역할을 하는데, 시료팔(Sample Arm)을 구성하는 MEMS-미러시스템(240)에 부착된 미세 거울들을 이용하여 빛을 반사함으로써 시료(310)의 깊이 방향, 가로 방향 정보를 빛으로 얻어낸다. MEMS-미러시스템(240)은 Tilting Mirror and micro Motor 및 MEMS Resonant scanner를 포함한다.

기존의 2축 스캐닝 미러는 2개의 스캐닝 미러가 서로 이격된 2개의 축에 의하여 각각 구동되기 때문에 스캐닝 미러의 사이즈가 크고, 미러 액츄에이터 또한 커질 수밖에 없어서 장비의 경량화 및 소형화에 장애물로 작용하였다. 그러나 본 발명의 MEMS-미러시스템(240)은 1개의 미러가 2축 방향으로 회전하기 때문에 미러와 액츄에이터가 작아진다. 이에 따라, 부품의 사이즈가 크게 줄어들고, 작동 속도는 빨라지며, 작동에 필요한 에너지 소비도 작아진다.

MEMS-미러시스템(240)을 통하여 제공되는 시료(310)를 지나온 광은 1,300nm대역의 OCT신호와 700~900nm 대역의 근적외선 신호를 포함한다.

더블클래딩광섬유로 들어가는 신호들 중에서 1,300nm대역의 OCT신호는 주로 광축방향 z축 신호이고 700~900nm 대역의 근적외선 신호는 주로 광스캔방향 x, y축 신호이다.

시료(310)의 A scan은 x-y축 면으로 취하며, x축과 y축은 MEMS-미러시스템(240)에서 반사되어 시료(310)쪽으로 입사되는 광이 스캔하는 각각의 방향이므로 x축과 y축은 모두 광스캔 방향의 축이 된다.

이동하는 시료(310)의 실시간 영상을 위한 B scan은 z축으로 취하며, z축은 MEMS-미러시스템(240)에서 반사되어 시료(310)쪽으로 입사되는 광이 공 초점 방법에 의하여 광이 스캔하는 깊이 방향이므로 z축은 광축 방향의 축이 된다.

1,300nm대역이 주로 이동하는 더블클래딩광섬유(304)의 클래딩 내 이동 신호를 1,300nm대역의 OCT신호로 사용하였고, 근적외선 광 영역인 700~900nm 대역이 주로 이동하는 더블클래딩광섬유(304)의 코어 내 이동 신호를 700~900nm 대역의 근적외선 신호로 사용하였다.

시료인 피부 생체조직은 주로 830nm 파장에 민감하게 광학적 반응을 보인다. 동시 다파장 광 진동수 빗살은 750~1750nm(일부 수분이 흡수하는 광 대역은 발진 제외)을 가지고 있으므로 1300nm~1750nm의 파장 대역도 더블클래딩광섬유(304)에서는 주로 바깥 클래딩 부분으로 이동한다. 광축방향 z축 깊이에 따른 성분이 분해능에 주로 기여하게 된다.

기준광은 거울(230)에서 반사되어 위상이 변화하여 광섬유분할기(220)로 입사되고, 대물렌즈(316) 및 시료(310)를 통하여 정보를 얻은 광(이하, 시료광이라 함)도 광섬유분할기(220)로 입력된다. 광섬유분할기(220)에 입력된 기준광과 시료광은 서로 간섭하게 된다. 이러한 간섭에 의해 얻어지는 간섭광에는 시료(310)의 광학적 특성이 포함되게 된다.

광섬유순환기(250)는 광섬유분할기(220)에서 출력된 간섭광을 회절격자(262) 및 MEMS-SG/FFTS(274a) 쪽에 각각 분배한다. 이러한 광섬유순환기(250)는 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)가 성분 분석 및 단층 영상 분석을 함께 수행하도록 하는 중요한 역할을 수행한다.

도 4는 광섬유순환기의 기능을 보인다.

도 4를 참조하면, 광섬유순환기(250)는 빛이 포트 1로 들어가면 포트2로 방출되지만, 포트2를 통해 방출된 빛 중 일부가 광섬유순환기(250)로 다시 반사되면 포트 1로는 나오지 않고 포트 3에서 대신 빠져나오게 하는 장치이다.

회절격자(262)는 광섬유순환기(250)에서 제공되는 임사광을 회절시켜 각각의 파장대별로 분리한다. 회절격자(262)는 빛을 입사시키면 여러 다른 방향으로 빗살을 회절시키는 장치로서 회절 방향은 격자의 배치와 빛의 파장에 따라 달라진다.

여기서, 입사광은 더블클래딩광섬유(304)의 코어를 통하여 전달되는 700~900nm 대역의 근적외선 신호이다.

CCD는 회절격자(262)에 의해 각각의 파장대별로 분리된 광을 전하로 변화시켜 이미지를 얻어내는 장치이며, 다른 방법으로 CMOS가 사용될 수도 있다.

DSP(280)는 CCD에 의해 변환된 파장별 전하 신호를 입력받아 스펙트럼 분석 곧, 성분 분석을 수행하는 것을 돕도록 정보처리장치(314)로 파장별 전하 신호를 입력한다. DSP(280)는 디지털 신호처리를 위해 특별히 설계된 장치이다.

MEMS-SG/FFTS(274)는 역고속 푸리에변환(IFFT) 또는 고속푸리에변환(FFT)을 시행하여 실시간 단층촬영 이미지 정보에 대한 스펙트럼 분석 곧, 성분 분석 정보를 획득한다. MEMS-SG/FFTS는 광섬유순환기(250)에서 제공되는 광을 입력받아 시료 깊이에 따른 비트 신호(beat signal)를 획득하고 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)함으로써 시료(310)의 깊이 정보를 획득한다.

함수발생기(Functional Generator, 308)는 생체신호를 시뮬레이션하는 것으로서, 실제 측정시에는 사용하지 않는다. 즉, 함수발생기(308)는 본 발명의 비침습3D 혈액 영상 및 분석 장치(200)를 시뮬레이션을 할 때 필요한 것이다. 함수발생기(308)는 테스트시 대물렌즈(316)의 하부에 위치하며, 측정시에는 제거된다.

MEMS-SG/FFTS(274a)의 역할은 시료(310)의 광특성 정보를 지닌 광을 Scanning Grating으로 파장별로 나누어 FFT를 통해 그 광특성을 찾아내는 것이다.

MEMS-SG/FFTS(274)는 스캐닝회절격자(274a)과 포토디텍터(274b)를 가지는 MEMS-SG 및 FFTS(274c)를 포함한다.

MEMS-SG(마이크로 스펙트로미터)는 MEMS 기반 분광센서이다.

한편, FFTS(274c)는 위너-킨친 정리(Winner-Khinchine Theorem) 알고리즘 및 힐버트 변환 & 위상분해 기능 OCT(Hilbert Transformation & Phase-Resolved Functional OCT) 알고리즘을 수행한다.

위너-킨친 정리(274c)는 시간영역에서 신호의 자기상관과 주파수 영역에서 스펙트럼 밀도와는 푸리에 변환 쌍 관계가 있다는 정리로서 이산시간 푸리에 변환을 처리하는 이론이다.

힐베르트 변환(Hilbert Transformation)은 푸리에 해석에서 주어진 함수의 고조파 쌍을 만들며, OFC의 다중 파장에 대한 이산시간 푸리에 변환의 역할을 한다.

위상분해 기능 OCT(Phase-Resolved Functional OCT)는 파워 스펙트럼으로부터 최소위상 함수의 위상을 계산하는 방법(디콘볼루션 연산자 계산에 이용)의 OCT이다.

도 5는 MEMS-SG/FFTS의 구성을 보인다.

도 5를 참조하면, MEMS-SG/FFTS(274)는 광섬유순환기(250)에서 제공되는 광을 입력받아 스캐닝회절격자(274a)를 통해 스캐닝하여 시료 깊이에 따른 비트 신호(beat signal)를 획득한다. MEMS-SG는 MEMS 기반의 분광 센서이다. 입사광은 MEMS 기반의 스캐닝회절격자(274a)에 의해 파장별로 분리되고 포토 디텍터(274b)에 의해 전기적 신호로 변환된다. 포토 디텍터(274b)에 의해 얻어진 스펙트럼 신호는 FFTS(274c)에 제공된다.

도 6은 스캐닝회절격자의 기능을 보인다.

도 6을 참조하면, 광섬유순환기(250)에서 출력되는 광이 입사광으로서 주어지며 파장의 개수는 10개 이상이다. 여기서, 입사광은 더블클래딩광섬유(304)의 클래드를 통하여 전달되는 1,300nm대역의 OCT신호이다.

입사광은 MEMS 기반의 스캐닝회절격자(274a)에 의해 파장별로 분리되고 포토 디텍터(274b)에 의해 전기적 신호로 변환된다.

MEMS-SG/FFTS(274)의 역할은 시료(310)의 광특성 정보를 지닌 광을 스캐닝 회절격자(274a)를 이용하여 파장별로 나누고 FFT를 통해 그 광특성을 찾아내는 것이다.

Fast Fourier Transformation(FFT,고속 푸리에 변환)은 컴퓨터를 사용한 푸리에 해석에서, 원 데이터의 푸리에 변환에서 직접 파워 스펙트럼 밀도를 계산하고, 단시간에 평활화 조작을 반복함으로써 안정한 스펙트럼을 구하는 방법이다.

위너-킨친 정리(Winner-Khinchine Theorem)는 ‘자기상관 함수의 푸리에 변환은 파워 스펙트럼이다’라는 것이다. 자기상관 함수를 사용하여 전력스펙트럼을 얻는 것은 대부분의 생체 신호가 매우 좁은 대역폭을 갖기 때문에 직접 푸리에 변환보다 선호되지만, 시간 영역에서 신호의 자기상관과 주파수 영역에서 스펙트럼 밀도와는 푸리에 변환쌍 관계가 있다는 정리로서 함수발생기(308) 역할을 하는 생체신호에서 잡음을 효과적으로 처리할 수 있다.

에너지 신호의 자기상관과 전력 스펙트럼은 결정 신호의 푸리에 변환쌍이며, 랜덤 과정 자기상관과 랜덤 과정 전력 스펙트럼 밀도는 랜덤 신호의 푸리에 변환쌍이다. 주파수와 무관한 화이트 노이즈, 주파수에 반비례하는 핑크 노이즈(프랙탈 노이즈), 주파수 제곱에 반비례하는 갈색 소음을 처리할 수 있다는 것이다.

위너-킨친 정리(Winner-Khinchine Theorem)를 수행하는 알고리즘은 FFTS를 수행하기 전해 수행되는 일종의 전처리 알고리즘에 해당한다.

스캐닝회절격자(274a), 포토디텍터(274b) 등으로 이루어지는 MEMS-SG는 고속푸리에 변환 분광계(FFTS, 274c))와 일체화 되어 있다. 고속푸리에 변환 분광계(FFTS, 274c)는 함수의 근삿값을 계산하는 알고리즘 모듈이다. 계산 속도를 표준점수 N에 대하여 O(NlogN)으로 줄일 수 있다.

O(NlogN)는 함수의 형태가 고정되지 않고 가변성을 갖는 함수 N logN의 큰 함수라는 의미이다.

고속 푸리에 변환은 아날로그 영역의 신호(시간 차원에 대한 신호)에 대하여 주파수 성분을 분석할 때 사용한다. 고속 푸리에 변환 분광계(FFTS, 274c)는 주파수 성분 분광기이다. 시료(310)의 광 특성 정보를 통한 성분이 해석될 수 있는 계이다. 고속 푸리에 변환에 의해 얻어진 정보는 IDSP(290)를 통해 정보처리장치(314)에서 사용가능하게 된다.

시료(310)에 입사한 레이저 광 진동수 빗살이 시료(310)의 세포와 상호작용함으로써 발생하는 광이 간섭계에서 보강/상쇄 간섭하고 광섬유순환기(250)를 지나서 두 곳의 수광부(제1수광부 및 제2수광부, 260 & 270) 각각에 입력된다.

함수발생기(308)는 생체신호를 시뮬레이션하는 것이다. 즉, 시료(310)에 입사한 레이저 빔이 시료(310)의 세포와 상호작용함으로써 발생하는 광을 시뮬레이션한다. Hilbert Transformation & Phase-Resolved Functional-OCT와 관련하여 함수 발생기는 테스트시 처리하여야 할 그 입력 신호를 제공한다.

제1수광부(260)는 CCD(264)에 연결된 회절격자(262)를 포함하며, 제2수광부(270)는 포토디텍터(274b, 도 5 참조)에 연결된 스캐닝회절격자(274a, 도 5 참조)를 포함한다.

IDSP(ADC,ISP: Analog-to-Digital Converter, Internet service provider, 290)는 아날로그 신호를 디지털신호로 바꾸어주며 인터넷을 이용하여 정보를 안전하게 전송하는 장치이다.

함수발생기(308)에서 발생된 생체신호는 마이크로 스펙트로미터(MEMS-SG)와 연결되고, 위너-킨친 정리(274c) 알고리즘, 힐베르트 변환 & 위상분해 OCT (Hilbert Transformation & Phase-resolved F-OCT) 기능을 수행하는 FFTS(274c)에 의해 처리된다.

USB DAQ(USB 연결 데이터 수집 시스템, 312, 도6 참조)는 물리적 환경의 샘플링 신호를 PC에서 사용할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 과정을 수행하도록 구성된 시스템이다.

도 7은 도 1에 도시된 장치의 동작을 보이는 개념도이다.

도 7을 참조하면, 도 1에 도시된 장치(200)는 크게는 광원, 간섭계, 수광부로 구성된다.

광원인 레이저광진동수빗살발생장치(210)에서 발생된 레이저 광 진동수 빗살은 광섬유분할기(220)에서 분할되어 하나의 광은 거울(230)을 통해 반사되고, 다른 하나의 광은 시료(310)에서 물리적 현상(반사, 흡수, 산란, 편광)이 일어난 정보를 가져와 광섬유분할기(220)에서 거울(230)을 통해 반사된 광과 상호 간섭하여 간섭광을 발생하고, 간섭광은 광섬유순환기(250)를 통하여 분기되어 광검출기(Photo Detector) 역할을 하는 수광부(260 & 270)로 입사된다.

동시 다파장 레이저 광 진동수 빗살은 자동 수동 모드록 된 수 펨초초 광이며(수 피코초까지 연장 가능), 본 발명에 사용된 것은 파장범위(750nm~1750nm)를 갖는 광대역 광 진동수 빗살이다.

도 7의 오른쪽 상측에 보이는 바와 같이, 동시 다파장 레이저 광 진동수 빗살은 바람직하게는 서로 다른 일련의 파장들(λ₁, λ₁,...λ_n)이 크기순을 가지고 시간 순서로 반복적으로 발생되는 것(여기(exitation)에서 사용)이거나 또는 서로 다른 일련의 파장들이 크기순을 가지고 동시에 반복적으로 발생되는 것으로서, 이론적 반복률 수백MHz로 발생되는 펄스열을 가지는 레이저 광이다.

수광부(260 & 270)는 광을 파장별로 나누어서 검출할 수 있도록 회절격자(262)와 CCD(264)로 구성된 제1수광부(260)와 시료(310)의 깊이에 따른 비트 신호를 발생하고 고속 푸리에 변환을 수행하도록 스캐닝회절격자(274a)와 MEMS기반스캐닝회절격자/고속 푸리에변환 분광계(274)로 구성된 제2수광부(270)로 구성된다.

제1 및 제2수광부(260 & 270)를 통해 수광된 광은 DSP(280) 및 IDSP(290)에 의해 처리되어 각각 성분 분석 정보 및 깊이 정보가 얻어진다.

PC의 디스플레이를 통하여 시료(310)의 깊이에 따른 3차원 단층 영상과 그 단층 영상 중의 특정 이미지에 대한 디지털 성분 값을 볼 수 있다.

레이저광진동수빗살발생장치(210)의 출력광과 MEMS-미러시스템의 입력광이 PS에 따라 동기화 되어있어야 시료(310)에 대한 스캔을 적절히 구현할 수 있으며, 그에 따라, 제1수광부(260) 및 제2수광부(270) 각각에 적합한 광을 보낼 수 있고, 각각 IDSP(290)와 DSP(280)에서 PS에 따라 피드백을 줄 수 있다.

이하 본 발명의 동작을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 비침습 고분해능 3차원 혈액 영상 획득 및 성분 분석을 함께 수행하는 것을 특징으로 한다.

1) 비침습 고분해능 3차원 혈액 영상 획득

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)에 있어서 비침습고분해능 3차원 혈액 영상 획득하는 과정은 다음과 같다.

공초점 레이저 현미경(CLSM; Confocal Laser Scanning Microscope)의 원리와 유사하게, 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 레이저 광을 시료(310)에 쏘아 일정한 파장의 빛을 MEMS-미러시스템(240)로 스캔하여 간섭계에서 보강 간섭이 일어나는 빛만을 분리하여 그 시료(310)에 대한 측정 깊이를 얻을 수 있다. 시료(310)의 내부까지 윗부분에서 아랫부분까지 깊이 침투한 단층 이미지를 촬영하면 살아있는 세포를 3차원 입체 영상으로 관찰할 수 있다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 Swept Source OCT(파장?f음 또는 파장가변 OCT)방식으로서, 파장가변 레이저를 광원으로 사용하여 시료 깊이에 따른 비트 신호(Beat Signal)을 획득하고 이를 고속 푸리에 변환함으로서 깊이 정보를 획득한다.

먼저, 광원인 레이저광진동수빗살발생장치(210)는 동일한 간격의 다중 파장을 가지는 빗살무늬 형태의 레이저 광 진동수 빗살((750nm-1750nm)을 발생한다.

광섬유분할기(220)는 레이저광진동수빗살발생장치(210)에서 발생된 레이저 광 진동수 빗살을 적절한 비율(예를 들어, 50:50)로 분할하여 기준팔과 시료팔 즉, 거울(230)과 MEMS-미러시스템(240)에 분배한다.

비구면 렌즈(300-2) 및 거울(230)은 광섬유분할기(220)에서 기준팔로 분배된 기준광을 반사하여 위상을 바꾸어준다.

TG(Time Gate, 302)는 시료(310)로 부터 MEMS-미러시스템(240)을 거쳐 반사되어 나오는 레이저 광의 조정(비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양을 시료 통과 출력된 반사 광 신호가 갖도록 조정된 상태)을 수행한다.

기준광은 거울(230)에서 반사되어 위상이 변화하여 광섬유분할기(220)로 입사되고, 시료(310)를 통하여 정보를 얻은 광도 광섬유분할기(220)로 입력된다. 광섬유분할기(220)에 입력된 기준광과 시료광은 서로 간섭하게 된다. 이러한 간섭에 의해 얻어지는 간섭광에는 시료(310)의 광학적 특성이 포함되게 된다.

광섬유순환기(250)는 광섬유분할기(220)에서 출력된 간섭광을 제1수광부(260) 및 제2수광부(270)에 각각 분배한다.

시료(310)에 입사한 레이저 광 진동수 빗살이 시료(310)의 세포와 상호작용함으로써 발생하는 광이 거울(230), 광섬유순환기(250), MEMS-미러시스템(240) 등을 포함하는 간섭계에서 보강/상쇄 간섭하고 광섬유순환기(250)를 지나서 두 곳의 수광부(제1수광부 및 제2수광부, 260 & 270) 각각에 입력된다.

제2수광부(270)의 MEMS-SG/FFTS(274)는 역고속 푸리에변환(IFFT) 또는 고속푸리에변환(FFT)을 시행하여 시료(310)의 실시간 단층촬영 이미지 정보 즉, 깊이 정보를 획득한다. MEMS-SG/FFTS(274)는 광섬유순환기(250)에서 제공되는 광을 입력받아 시료 깊이에 따른 비트 신호(beat signal)를 획득하고 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)함으로써 상기 시료(310)의 깊이 정보를 획득한다.

함수발생기(308)는 시료(310)에 입사한 레이저 빔이 시료(310)의 세포와 상호작용함으로써 발생하는 광을 시뮬레이션한다. Hilbert Transformation & Phase-Resolved Functional-OCT와 관련하여 함수 발생기(308)는 장치(200)의 테스트시 처리하여야 할 입력 신호를 제공한다.

함수발생기(308)는 생체신호를 시뮬레이션하는 것으로서 실제 측정시에는 사용하지 않는다. 즉, 함수발생기(308)는 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)를 테스트 할 때만 필요한 것이다.

2) 성분 분석

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)에 있어서 성분 분석하는 과정은 다음과 같다.

광원인 레이저광진동수빗살발생장치(210)는 동일한 간격의 다중 파장을 가지는 빗살무늬 형태의 레이저 광 진동수 빗살((750nm-1750nm)을 발생한다.

TG(Time Gate, 302)는 시료(310)로부터 MEMS-미러시스템(240)을 거쳐 반사되어 나오는 레이저 광의 조정(비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양을 시료 통과 출력된 반사 광 신호가 갖도록 조정된 상태)을 수행한다.

제1수광부(260)의 비구면렌즈(300-4), 회절격자(262), 콜리메이팅 렌즈(306)는 광섬유순환기(250)에서 제공되는 간섭광을 회절시켜 각각의 파장대별로 분리한다. 회절격자(262)는 빛을 입사시키면 여러 다른 방향으로 빗살을 회절시키는 장치로서 회절 방향은 격자의 배치와 빛의 파장에 따라 달라진다.

CCD(264)는 회절격자(262)에 의해 각각의 파장대별로 분리된 광을 파장별 전하 신호로 변화시킨다.

DSP(280)는 CCD(264)에 의해 변환된 파장별 전하 신호를 입력받아 성분 분석을 수행하는 것을 돕도록 정보처리장치(314)로 파장별 전하 신호를 입력한다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)의 기술적 특성은 크게 세 가지로 나뉠 수 있다. 피부 아래 혈관 내에 있는 하부단위의 세포를 유세포 분석 방법으로 성분 분석 할 수 있는 기술을 이론적으로 구성함에 있어 첫째는 광원이다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)에 있어서 피부 내 조직에 투과되는 광원은 어떠한 부작용을 발생하지 않으면서도 높은 해상도를 담보하는 기술을 필요로 하는바 광 진동수 빗살(OFC; Optical Frequency Comb)은 이러한 요구에 부응하는 것이다.

광 간섭 단층촬영(OCT)분야에 연속파 저출력 광섬유 레이저로 만든 초연속광을 프랑스 연구진이 광결정 광섬유(PCF)의 길이 방향을 따라 영분산 파장(ZDW)을 변경함으로써 연속파 레이저(CWL)를 이용하여 스펙트럼의 가시 광 영역으로 확장된 초연속광(670~1350nm, 20W광펌핑, 19.5W출력)을 만들었다.

그러나 초연속광의 발생의 원리가 솔리톤 자기주파수 이동효과와 관련된 분산성 파동의 포획에 의한 것이므로, 광섬유 내부로 충분한 광 전력을 입사시키는 것이 중요함으로 변조불안정에 의한 높은 피크의 솔리톤 펄스열이 필요하며 650~1350nm에 이르는 평탄한 스펙트럼을 갖는다 하더라도, 이는 인체에 적용하기에는 너무 높은 출력을 산출한다.

초연속 레이저(Super Continuum Laser) 광원은 NIR을 활용하고 MEMS 미세거울과 공명 진동기를 이용하여 시료(310)를 스캔 할 수 있으나, 그 세기가 너무 강하여 피부 아래 혈관 내의 유세포인 혈액 분석에는 적당하지 않은 단점이 있다.

극초단 펨토초(femto second) 레이저 펄스는 모드 잠금(mode-locking)원리를 기반으로 생성되는 빛인데, 이 빛은 10⁵~10⁶개의 공진모드를 가지며, 모드 간의 위상이 일치하는 현상인 모드 잠금의 성질을 갖는다. 일반적으로 800nm 중심파장에서 100nm 대역폭을 가지는 Ti:Sapphire(타이타늄:사파이어) 펨토초 레이저의 경우 가우시안 펄스를 기준으로 9.41fs의 극초단 펄스가 생성된다. Ti:Sapphire 광 결정을 이득 매질로 하는 극초단 펨토초 레이저의 모드 잠금은 자체집속(self focusing)을 일으키는 Kerr effect와 같은 비선형 광학현상과 연관된다. 시간 영역에서는 커 효과와 유사한 비선형 현상인 포화흡수(saturable absorption)현상이 연관되며, 주파수 영역에서는 펄스 내에 생기는 굴절률의 시간변화에 의해 파장대역폭이 확대되는 자체위상변조(self phase modulation)현상이 발생한다. 비선형 광학 현상은 광섬유 코어에서의 첨두출력 및 광섬유 길이와 비례하므로 LMA(Large Mode Area)광섬유와 광 결정 광섬유(PCF, Photonic Crystal Fiber)가 사용되어 왔다. 광섬유기반 극초단 펄스 레이저는 형태에 따라 포화 흡수체(saturable absorber) 기반의 선형공진기, 8자형(Figure of eight) 공진기, 광섬유 링 공진기의 세 구조로 대별된다. 광섬유 링 공진기는 펄스의 세기에 따라 편광의 회전량이 변화하는 비선형 편광회전효과와 광섬유의 길이를 통해 펄스의 분산을 조절하여 좁은 펄스폭과 높은 출력을 형성하는 펄스분산보상순환 기법을 기반으로 모드 잠금을 효과적으로 수행하여 극초단 펨토초 펄스를 발생시킨다.

광섬유 기반의 고출력 이득매질은 큰 표면적 대 부피 비로 인해 열 발산에 있어서 큰 장점을 가지며, 시드 레이저와 펌프 레이저 간의 상호작용이 레일리 길이(Rayleigh length, 가우스 광속에서 광속이 퍼지지 않고 진행할 수 있는 거리의 척도)에 국한되지 않고 전 광섬유의 길이로 확장되므로 단일 투과(single pass)만으로 높은 증폭률을 얻을 수 있다. 펄스 펼침기와 압축기로 광섬유 소자를 이용하면 회절격자 쌍을 이용할 때보다 저출력 증폭을 할 수 있는 장점이 있다.

그러나 극초단 펨토초 레이저 펄스 광원 제작을 위한 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier, SOA)나 큰 길이의 어븀 도핑 광섬유 증폭기(EDFA)는 처프펄스 증폭(Chirp-Pulse Amplification, CPA)과정에서 생체 유세포 분석(in vivo FCM)에 적용하기에는 높은 출력을 가지는 단점이 있다.

근적외선 광섬유 레이저의 이득매질로 널리 사용되고 있는 원소는 Er(Erbium, 어븀), Yb(Ytterbium, 이터븀), Nd(Neodymium, 네오디미움)등이며, 주요 발진파장은 어븀이 1550nm, 이터븀이 1060nm이다. 푸리에 변환에 의한 극초단 펨토초 레이저 펄스는 주파수 영역에서의 넓은 파장 대역폭에 대응하며, 일정한 간격의 펄스열은 동일한 간격으로 배열된 주파수 모드들에 대응되므로 펨토초 레이저 광 빗을 구성하는 m번 째 주파수 모드(f_m)는 모드간 간격에 해당하는 반복률(f_r, 광 검출기로 검출)과 절대 영주파수로부터의 차에 해당하는 옵셋 주파수(f₀, 비선형 f-2f간섭계로 측정)에 의해 f_m= mf_r+f₀ 로 간단히 정의된다. 광섬유 기반의 광학구성은 광 정렬이 쉽고 광 빗 운용의 안정성이 크게 높고, 공진기 및 증폭단계에서의 분산최적화를 통해 mHz이하 수준의 선폭의 획득을 구성할 수 있으며, 이는 광 결정 광 빗의 선폭과 비슷한 수준이 된다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는, 실시간, 초고속, 고 분해능 기능을 담보하는 광대역 밴드의 레이저광원 요구에 적합하고 또한 광 간섭 단층촬영(OCT)에 이용 가능한 광원으로서, 중심 파장이 각각 820nm(밴드폭 70nm, 780~850nm), 860nm(밴드폭 60nm, 830~890nm), 1020nm(밴드폭 100nm, 1000~1100nm)인 광대역 밴드의 초발광 레이저 다이오드 어레이, 중심파장이 1550nm인 파장 스위핑 레이저, Er 도핑된 광섬유, 노이즈 리젝션 필터가 장착된 커플러, 마하-젠더 간섭계, 처프된 광섬유 격자, 편광 조절기를 사용하여 위상 안정화된 초소형 다중 파장 레이저광진동수빗살발생장치(210)를 사용한다.

생체 안에서 흐르는 세포에 대한 분석(In vivo Flow Cytometry)은 생체학에서 세포 신진대사, 면역 기능, 세포 예정사와 연관되며, 의학 분야에서는 암, 세균감염, 심혈관의 비정상성, 비정상세포의 순환에 대한 연구에 박차를 가하게 한다. 이중에서 In vivo 연구는 in vitro에서의 거의 모든 이상적인 상황과 대비되어, 혈관과 주변조직(피부 층, 연결조직, 근육, 지방)내에서의 흡수, 산란, 자발형광에 대한 열악한 광학적 조건을 가지고 있으며, 혈관 단면에서 다중 세포 흐름의 존재, 깊이 있는 혈관들을 비침습적으로 접근하는 것에 대한 어려움, 고 분해능을 위하여 조직에 정면으로나 측면으로 강한 광선을 투과시키는 문제, 혈액이나 림프 흐름의 변수들에서의 안정성에서 제한을 갖고 있다.

이러한 문제의 해결은 광원과 매우 높은 연관성을 가지며 본 발명에 적용한 광 진동수 빗살은 이것에 가장 적합한 광원이라 할 수 있다.

곧, 위상 안정화된 광섬유 펨토초 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살이나 푸리에영역 위상 안정화된 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살은 미세 가공분야(자동차 산업, 조선 산업, 항공 산업, 중공업, 전기전자, 반도체 산업), 광통신분야 및 의·치학 분야(광 간섭 단층영상(OCT), 라만광섬유 레이저, 광자 결정 광섬유를 이용한 초 광대역 광원 이용)에 응용된다.

피부 아래 혈관 내 흐르는 혈액의 영상검출을 위해서는 아래 요건들이 충족되어야 하는데,

셋째는 고속의 영상 프레임과 높은 분해능을 제공할 수 있어야 한다는 것이다.

이러한 세 가지 요건을 충족하는 광원은 광대역 파장(750nm~1750nm)으로 진동수 영역에서 각각의 진동수 피크 선폭이 가늘고(mHz 이하수준) 인체에 무해한 밝은 빛(100mW 이하 수준)를 가져야 한다. 또한, 이웃하는 진동수 피크 사이의 간격이 매우 조밀하고(10⁵개/100nm), 시간 영역에서 펨토초(약 10fs 이하)의 펄스가 필요하다.

펨토초 레이저에서 파워가 큰 레이저를 이용하는 경우는 세포에 유해하므로 적절한 에너지가 필요하다. 따라서 인체에 적합한 높은 광 출력파워와 넓은 파장 스위핑 범위, 그리고 좁은 선폭을 가지는 FDML 파장 스위핑 광섬유 레이저는 다른 구조에 비해 투과 깊이, 분해능, 고속 영상 프레임 획득 등에서 우수한 특성을 보여주는데, 이것이 광대역으로 위상 안정화된 푸리에 영역 모드 잠금 광섬유 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살(FDML-FL-OFC)이다.

본 발명에 사용된 FDML-FL-OFC(다중 파장 레이저 광 진동수 빗살)은 기존의 고체 레이저에 비해 생체 효율은 높으면서 수명은 길고, 소형화와 경량화 및 가격경쟁력이 있는 광원 장치이다. 또한, 본 발명에 사용된 FDML-FL-OFC(다중 파장 레이저 광 진동수 빗살)은 광섬유 레이저가 갖는 가장 중요한 특징인 회절한계의 빔을 유지할 수 있으며, 놀라운 열 방출 효과가 있고, 인체에 안전한 출력을 갖는 광원 장치이다.

Microcirculation In vivo 영상을 위한 광학적인 기술은 다중 광자 현미경(MPM), 2차 조화 생성파(SHG) 응용, Doppler 광 간섭 단층촬영(D-OCT)과 관련한 장비들에 응용 가능하며, 광 형광 주기 영상 현미경(FIIM), 간섭성 비탄성 라만산란(CARS, 공 초점 또는 다 광자 내시 현미경, 확률론적 광학 재구성 현미경, 광 활성화된 국소 현미경등과 대비되어 응용될 것이므로 의료기기 분야로의 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살의 응용을 기대할 수 있다.

도 8은 도 1에 도시된 레이저광진동수빗살발생장치의 상세한 구성을 보인다.

도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)에 적용된 레이저광진동수빗살발생장치(210)는 루프 형태의 공진기(170)를 따라 노이즈 리젝션 필터(NRF, Noise Rejection Filter)가 장착된 커플러(130), 광섬유 증폭기(135), 마하젠더 간섭계(MZI, Mach-Zender Interferometer, 140), 파장선택부(150) 및 출력용 커플러(160) 등을 포함한다. 또한 공진기(170)에 레이저를 공급하는 구성으로, 전원공급장치(100), 전류-광 변환기(105), 레이저 다이오드 어레이(LDA, Laser Diode Array)(110), 스위핑 레이저(SSL, Swept Source Laser)(115) 및 광 커플러(120)를 포함한다.

먼저, LDA(110)는 전원공급장치(100)로부터 전류를 공급받아 레이저를 발생하며, SSL(115)는 전원공급장치(100)의 전류를 광으로 변환하는 전류-광 변환기(105)로부터 광을 입력받아 레이저를 발생한다. 여기서, LDA의 일예로 중심 파장이 각각 820nm, 860nm, 1020nm인 광대역 밴드의 초발광 레이저 다이오드 어레이(SLDA,Superluminescent Laser Diode Array)가 있으며, SSL의 일 예로 VT-DBR(Vernier-Tuned Distributed Bragg Reflector) 구조를 갖는 1550nm, 1310nm 또는 1060nm 중심파장의 광대역 밴드의 스위핑 레이저가 있다.

광 커플러(120)는 광섬유를 통해 출력되는 LDA(110)의 레이저 광과 SSL(115)의 레이저 광을 결합하여 NRF가 장착된 커플러(130)로 출력한다. 일 예로, 커플러는 LDA(110)의 레이저 광과 SSL(115)의 레이저 광을 2:1로 결합한다.

NRF(130)를 통해 신호대 잡음비(SNR, Signal to Noise Ratio)가 개선된 광은 광섬유 증폭기(135)를 통해 증폭되어 마하젠더 간섭계(140)에 입사된다. 여기서, 광섬유 증폭기로 어븀 도핑 광섬유(EDF) 또는 어븀 도핑 다중 파장 광섬유

(MW-EDF)가 사용될 수 있다. EDF는 상온에서 넓은 'homogeneous gain broadening' 특성으로 인해 강한 모드 경합(mode competetion)과 불안정한 발진을 일으켜서 다파장 EDF 레이저의 구현에 많은 어려움이 따르므로, 'homogeneous gain broadening' 특성을 감소시키기 위하여 EDF를 액체 질소(Liquid Nitrogen)에 담그거나, 어븀 첨가 이중 코어 광섬유(Eribum-Doped Twin-Core Fiber), 다중 양자샘 도파관(Multiple Quantum-Well Waveguide), 타원형 코어 EDF(Elliptical Core EDF) 등을 이용할 수도 있다.

마하젠더 간섭계(140)는 이전 통과한 보강 간섭된 임의 파장의 빛이 공진기(170)를 1회전하여 다시 마하젠더 간섭계(140)에 도착하였을 때, 공진기(170)에 입사되는 LLD와 SSL(115)의 결합 광과 동일 파장을 이루도록 서로 동기화시켜 광 비트 주파수를 생성한다.

마하젠더 간섭계(140)의 출력 빔은 파장선택부(150)로 입사된다. 파장선택부(150)는 광섬유 격자(FBG, Fiber Bragg Grating)를 이용하여 마하젠더 간섭계(140)를 통과한 빔의 주파수 특성이 동일한 간격을 갖는 빗살무늬 (comb like) 형태가 되도록 주파수를 변환하거나 스위칭한다.

파장선택부(150)의 출력 빔은 출력용 커플러(160)로 출력된다. 출력용 커플러(160)는 입사된 빔의 일정 부분을 NRZ가 장착된 커플러(130)로 출력한다. 예를 들어, 출력용 커플러(160)는 90:10 커플러로서, 공진기(170)에서 발진된 빔의 10%를 출력 단자로 출력하고, 나머지는 90% 출력 단자를 통해 NRF가 장착된 커플러(130)로 출력한다. 이로써 빔은 링 공진기에서 발진하게 된다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)는 피부 아래 혈관내의 혈액 세포를 실시간으로 scan하기 위해 광스캔방향 x축(spectrally transverse line)은 resonance scanner에 반사된 빔을 회절격자(262)에 사용하고, 광축 방향 z축(depth profile line)은 역고속 푸리에변환(IFFT) 또는 고속푸리에변환(FFT)을 시행하여 실시간 단층촬영용 정보를 획득하며, 고속 디지털 처리과정 IDSP(290)를 거쳐 PC에서 영상 및 성분 분석 스펙트럼을 구성한다.

두 번째로는 자기공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI) 또는 초음파를 사용하는 영상 기술보다 뛰어난 고해상도의 단층영상을 제공할 수 있는 광 간섭 단층촬영방법인 OCT이다.

OCT는 광간섭 영역 반사측정(optical coherence domain reflectometery, OCDR)기술을 기본으로 한다. OCT는 자기공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI) 또는 초음파를 사용하는 영상 기술보다 고해상도의 단층영상을 제공할 수 있다. 이는 초음파나 전파보다 주파수가 높은 광을 이용하기 때문이다. 또한 비접촉으로 조직을 검사할 수 있으며, 생체를 이온화 시키거나, 방사선에 노출시키지 않기 때문에 인체에 무해하다. 또한 영상을 획득하기 위한 생체의 사전처리(treatment)가 필요하지 않으며 실시간으로 영상을 구현할 수 있다.

이러한 특성들을 가진 OCT는 의료영상 시장에서의 시장규모가 확대되고 있는 추세이다. OCT의 산업적인 파급효과는 의료분야에서만 한정되지 않는다. OCT의 성능은 광학소자뿐 아니라 신호획득을 위한 하드웨어(hardware), 효율적인 데이터의 흐름 및 제어를 위한 소프트웨어(software)로서 결정된다. 광학, 전자, 의료 분야가 융합된 기술 집약적인 분야로서 다른 산업으로의 파급효과가 매우 크다.

이러한 OCT는 저 간섭성 광원과 간섭계를 이용하여 생체 내부 영상을 구현하는 차세대 영상기술로서 마이크로미터 단위의 해상도를 가지며 생체 내부 영상을 비절개, 비침습적으로 획득할 수 있다. 나아가 OCT는 마이크로미터 단위의 해상도를 갖는 광 단층촬영 기술이므로 살아있는 생체의 내부구조를 빠른 속도로 획득할 수 있다.

기존에 연구 개발된 공초점 현미경들은 시료가 고속으로 유동하거나 시료의 깊이가 2mm단위보다 큰 경우인 혈관 내 혈액 세포 같은 내부 구조에 대해서는 하부세포단위로 이미지를 형성하는 것은 곤란하다는 단점이 있다.

본 발명에 사용되는 광 간섭 단층 촬영(optical coherence tomography, OCT)은 피부 세포 3mm 아래 혈관 내의 혈액 세포(유세포)를 실시간으로 분석할 수 있는 장비로서 저가 및 소형으로 구성이 가능하다.

본 발명에 적용된 레이저광진동수빗살발생장치(210)에서 발생되는 '다중 파장 레이저 광 진동수 빗살'은 고출력 펨토초 레이저와 달리 출력이 수mW에 불과한 약한 빛으로서, 파장 ?f음 레이저를 광펌핑 레이저로 사용하고, 1개의 NRF(노이즈 리젝션 필터), 처프펄스증폭(Chirped-Pulse Amplification)을 통해 적절한 증폭을 구성하고, 제어컨트롤 소형 칩과 연결되며 본 발명에 따른 비침습3D 혈액 영상 및 분석 장치(200) 내의 마이켈슨(f-2f) 간섭계로 연결된다.

피부 밑 혈관 내의 세포에 대한 in vivo flow cytometry를 위하여 근적외선 광원의 일종인 '다중 파장 레이저 광 진동수 빗살'을 이용하는데, 이 때 흡광도의 변위를 측정하는 chemometrics 방법이 요구된다.

근적외선 흡수도는 중적외선대에 존재하는 작용기 -CH, -OH, -NH 결합대의 기본분자진동에너지의 결합대와 배음대로 나타나는데, 그 흡광 에너지는 중적외선에서 유래되는 기본 분자 진동 에너지보다 그 흡광도의 크기가 매우 작으므로(1/10, 1/1000) 전처리 없이 그대로 측정할 수 있다. 근적외선 분광 광도계의 광원으로부터 NIR 빛이 시료에 조사되면, 시료는 분자진동에 관련된 파장의 빛을 흡수하여, 시료를 통과한 해당파장의 빛은 강도(Intensity)가 감소한다.

이는 시료 내 특정물질의 농도와 조사된 빛의 광 경로와 관련되며 (Beer의 법칙), 그 변이는 검출기에 의해 검출되고 측정된 스펙트럼은 정량 및 정성 분석에 이용된다. 흡수 스펙트럼에서 각 피크는 그 물질의 화학 구조 중에 어떤 성분의 작용기가 그 파장의 빛에 공진한다는 것을 의미한다.

그와 같은 파장은 110개 정도 알려져 있고, 일반적으로 하나의 작용기가 복수의 흡수파장을 가지고 있다. 생체 내의 세포 영상을 관찰함에 있어 형광물질을 가미하지 않고 더 깊은 침투를 통해서 결과를 얻기 위해서는 가시광선 보다 더 긴 파장의 빛이 필요하다.

그래서 SS(swept source)-OCT에서는 광대역 밴드(broad bandwith)의 레이저 광원을 사용하는 것이다.

본 발명에서 사용되는 레이저 광 주파수 빗살은 모드 잠금 광섬유 펨토초 레이저의 일종이나 소형화가 가능하고, 출력 및 광주파수의 안정성이 높으며, 진동 및 외란에 강인한 동시에 유지 보수가 용이하여, 다양한 산업적 응용에 매우 적합하다.

NIR 영역 750~2500nm에서 주요 혈중 성분들(헤모글로빈, 글루코스, 알부민, 감마-글로불린, 트리아세틴)의 스펙트럼 분석을 위해 혈중 조직의 산란 효과와 타 성분의 영향을 고려한 파장 선택은 Water Displacement Effect(특정 성분의 농도 변화에 따른 물의 상대적인 부피 변화(광의 흡수 변화 수반)를 고려한 스펙트럼 보정)이 필요하다. 혈중 성분들의 정확한 흡수 peak의 농도 변화에 따른 선형성이 알려져 있으므로 혈당, 콜레스테롤 농도 측정이 가능하다.

4개의 주요한 water absorption feature의 파장중심은 0.97 ㎛ (2V1+V3), 1.2㎛ (V1+V2+V3),1.45 ㎛ (V1+V3), 1.9 ㎛ (V2+V3) 근방에 있으며 물의 상에 의존한다.

헤모글로빈흡수 peak은 0.935㎛, 1.690㎛, 1.740㎛, 2.056㎛, 2.170㎛, 2.290㎛, 2.350㎛이다. 4개의 주요한 water absorption feature는 물의 3가지 fundamental vibration transitions과 다양한 overtone들의 결합을 포함한 진동천이들로부터 발생한다.

3개의 fundamental vibration transitions은 2.73 ㎛(3657cm^-1)에 중심을 둔 H-O-H symmetric stretch mode transition 인 V1,6.27 ㎛(1595cm^-1)에 중심을 둔 H-O-H symmetric stretch mode transition 인 V2 , 2.66 ㎛(3756cm^-1)에 중심을 둔 H-O-H asymmetric stretch mode transition인 V3 이다.

0.97 ㎛ water absorption feature는 증기로부터 액체로 상 변환 시 34nm 파장이 편이하며, 액상에서 증기로 상변환시 57nm 파장이 편이 한다. 그러나 흡수계수는 1.45 ㎛ 와 1.9 ㎛에서의 흡수계수보다 매우 작다.

그리고 NIR대역의 헤모글로빈흡수 peak은 935nm,1690nm, 1740nm, 2056nm, 2170nm, 2290nm, 2350nm인데, 400~600nm에서는 생체조직의 혈색소에 의한 흡수와 연조직에 의한 산란이 너무 크며, 600~800nm에서는 헤모글로빈의 산화 환원에 따른 흡수도차이로 총 헤모글로빈의 측정에는 부적합하다.

1440~1900nm에서는 물의 매우 큰 흡수peak[1.45 ㎛ (V1+V3),1.9 ㎛ (V2+V3)]을 포함하는 것이 광의 인체 투과 깊이에 제약을 준다.

1600~1800nm에서는 유기화합물이 공통적으로 가지는 CH의 Stretching mode의 Overtone Band이 존재한다. 2100~2400nm에서는 CH와 CCH, OCH의 Combination Band가 존재한다. 피부아래 물은 이 밴드의 파장을 매우 잘 흡수한다.

그러므로 헤모글로빈농도의 비침습적 측정의 효과적인대역은 800~1300nm이다. 스펙트럼으로부터 농도를 계산하는 알고리즘은 다음과 같으며 광학계구성은 위에서 기술한 바와 같다

NIR영역 750~2500nm에서 글루코스의 스펙트럼분석 및 빛과의 상호작용의 흡광도 강도는 다음을 고려하여 구성하였다. 750-1000nm에서의 C-H, O-H결합의 굽힘과 신축방식의 진동, 2000-2500nm에서의 신축과 굽힘 방식의 비선형적 조합, 1500-1800nm에서의 C-H결합의 신축방식의 1차 배음, 800-1200nm에서의 2차 배음과 고차의 조합을 고려하면, NIR대역의 글루코스 흡수 peak에 대한 효과적 측정방식은 1210nm(2차 배음대역-분산방식의 NIR분광분석기, 고농도 시료측정의 2차 미분스펙트럼 FTS가능)에서 Si/PbS 검출기가 탁월하며, 1688nm(1차 배음대역-배열광다이오드 NIR 분광분석기, 헤모글로빈 영향 1690nm 배제시)에서 InGaAs PD Array 검출기가 탁월하며 2125nm, 2276nm, 2325nm(조합대역-푸리에 변환 NIR 분광분석기, 물 영향2~2.5 μ배제시), PbS/InGaAs 검출기가 탁월하고, 인체 내에 존재 가능한 글루코스 농도는 0~600mg/dl이므로, 측정한 스펙트럼 정보를 다변량 분석법으로 검량하는 모델을 만들고, 부분 최소 제곱 회귀분석법(partial least squares regression, PLSR)을 사용하고 분산보정 (MSC, multiplicative scatter correction), 1,2차 미분 등의 전처리법을 사용한다.

푸리에 변환 근적외선 분광분석기(FT-NIR spectrometer)는 일시에 전체 스펙트럼을 얻을 수 있고 간섭계와 빔 분할기를 이용하여 신호 대 잡음비(S/N)를 개선하고 좋은 주파수 정확도, 속도, 내장된 자료처리 능력을 가지고 있으므로 물과 헤모글로빈의 영향을 배제하려면 1210nm에서의 피크를 검출하는데 가장 적합하다.

세포핵의 굴절률은 1.35~1.37, 세포질의 굴절률은 1.4~1.45이므로 반사광의 측정을 통한 영상 획득을 위하여 굴절률 변화가 0.1 미만인 물질로 부터의 반사광을 검출할 수 있어야 한다.

세 번째로는 성분 분석 및 신호처리이다.

광대역 광원을 기준단(reference arm)과 시료단(sample arm)으로 나누어준 뒤, 기준단의 거울(230)에서 반사되어 돌아온 빛과 시료단의 산란 조직에서 산란되어 돌아온 빛을 간섭시켜 획득한 간섭신호를 처리하여 조직의 단층영상을 복원하며, 동시에 회절격자를 이용하면, 각 진동수 스펙트럼을 얻어서 기존 성분에 대한 스펙트럼과 비교함으로써 성분 분석을 할 수 있다.

성분 분석에 있어서, 회절격자에 의해 파장별로 나눠진 광은 광검출기 PD(Photo Detector)에 의하여 스펙트럼을 얻는다. 그리고 시료에서 정보를 가지고 나온 광 곧, 공명스캐너를 통과한 광과 기준단에서 반사된 광은 간섭을 통해 영상정보를 가지고 있으며 이것은 CCD/CMOS로 획득된다.

시료와 광섬유를 통과한 간섭형 광은 microspectrometer에 내장된 초소형 오목 회절격자(grating)에 의하여 파장대별로 분리되어 광 검출기(CCD/CMOS) 및 증폭회로에 의해 전기적 신호로 변환된다.

이 전기적 신호는 A/D변환기에 의해 디지털 신호로 바뀌어 내장 통신 채널을 통해 DSP(280)로 전송된다. 검출부 온도, 적분시간, 이득측정변수는 소프트웨어(S/W)로 조절이 가능하다. 수 처리(미분 ,스펙트럼 data의 smoothing)와 신호 전처리기능(시료의 밀도와 온도 입자크기에 따른 산란과 잡음과 시료의 불균일성에 기인한 기준선의 이동 보정)은 GAP법, Savitsky-Golay법, 표준화 Normalization, 다분산 보정 Multiplicative Scatter Correction(MSC), 표준정규화와 디트렌딩 Standard Normal Variate and Detrending(SNV and dtr)과 다변량 회귀분석 (Multi-Variate Regression, MVR), 다중 선형 회귀분석(Multiple Linear Regression, MLR)인 주성분 분석법 (Principle Component Analysis,PCA), 부분 최소제곱법(Partial Least Squares, PLS)을 통해 헤모글로빈 농도, 글루코스 농도, 알부민, 감마-글로불린, 트리아세틴의 스펙트럼분석을 Water Displacement Effect를 고려함으로써 혈액 내 세포의 스펙트럼 분석을 실시간으로 구성하고 데이터 베이스와 비교하여 성분을 분석하게 된다.

본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)의 특성은 다음과 같다.

①고 분해능(기존 성분 분석 분해능의 1차수 개선),

②초저잡음(기존 성분 분석 분해능의 4차수 감소),

③고속처리(1200nm-1750nm에서 1024 data points, 100scans, acquisition time 0.8s).

④ x축 scanning을 위한 공명진동수 수㎑의 공명스캐너 이용.

⑤초고속 데이터 획득 시스템

⑥피부 표면 아래의 혈관 내 3차원 단층촬영 영상의 획득

⑦초소형 장비(20cm×10cm×5cm이내)

본 발명의 비침습3D혈액영상및분석장치(200)는 동시 다중 파장 광 진동수 빗살의 분해능이 일반적인 OCT 광원의 분해능인 ㎛ 단위로부터 nm단위로 개선되어 있기 때문에 고 분해능(기존 성분 분석 분해능의 1차수 개선)이 가능하다.

본 발명의 비침습3D혈액영상및분석장치(200)는 광원의 분해능의 1차수 개선, 시료 스캐닝에서 선대선 스캔으로 인한 1차수 속도 개선, 광원을 광 진동수 빗살로 사용함으로 인한 2차수 잡음개선 등으로 4차수 잡음 감소가 가능하다.

손바닥 모세혈관 시료의 면당 가로축 스캐닝 0.1mm내에 약 10개의 혈구가 있고, 시료의 면당 세로축 스캐닝 0.5mm내에 약 50개의 혈구가 있으며, 시료 깊이 약 3mm내에 약 300개층의 혈구가 있는 경우 선대선 스캔을 갖는 x축 스캐닝을 위한 미러 공명스캐너 진동수는 수백 kHz이상이 되어야 한다. 현재 상용의 MEMS 공명스캐너 진동수(resonant Scanner frequency)는 10kHz를 가지고 있으며, 선 스캔 비율(A-line scan rate)는 초당 100kHz이상의 깊이영상 정보를 처리할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)의 일반적 특성은 다음과 같다.

① 유세포 분석기

② 비침투식 방법으로 혈액의 관찰

③ 피부표면 아래의 혈관 내 3차원 단층촬영 영상의 획득

④ 노트북 PC에 연결하여 사용 가능

또한, 본 발명에 따른 비침습3D혈액영상및성분분석장치(200)의 광학적 특성은 다음과 같다.

① 700nm-1750nm 근적외선레이저 광주파수 빗살 이용

② 초고분해능 이미지 포착

③ 주사 제어와 데이터처리 개선을 통한 처리의 고속화 실현

여기서, 주사제어란 상용의 MEMS 구동형 레이저 빔 스캐닝 기술로서 빠른 스캔 축(fast scan axis, horizontal)과 느린 스캔 축(slow scan axis, vertical)을 가진 빠른 공명스캐너 (f=29kHz)를 가지고 레이저 빔을 제어하는 것을 말한다.

200...3D혈액영상및성분분석장치
210...레이저광진동수빗살발생장치
220...광섬유분할기 230...거울
240...MEMS-미러시스템(Microelectromechanical System mirror)
250...광섬유순환기 260...제1수광부
262...회절격자 264...CCD(Charged-Coupled Device, 전하결합소자)
270...제2수광부 274a...스캐닝회절격자
274...MEMS기반스캐닝회절격자/고속푸리에변환분광계(MEMS-SG/FFTS; MEMS-Scanning Grating/Fast Fourier Transformation Spectrometer)
280...DSP(Digital Signal Processing, 디지털신호처리프로세서)
290...IDSP(ADC,ISP: Analog-to-Digital Converter, Internet service provider)
300-1 ~ 300-4...비구면렌즈 302...타임게이트 304...더블클래딩광섬유 306...렌즈 308...함수발생기(Functional Generator) 310...시료
312...USBDAQ 314...정보처리장치(PC) 316...대물렌즈

Claims

동일한 간격의 빗살무늬 형태의 다중 파장 레이저 광 진동수 빗살을 발생하는 레이저광진동수빗살발생장치;
상기 레이저광진동수빗살발생장치에서 발생된 레이저 광 진동수 빗살을 광 분할하여 기준팔(reference arm)과 시료팔(sample arm) 각각에 분배하는 광섬유분할기;
기준팔을 구성하며, 상기 광섬유분할기에서 기준팔로 분배된 광을 반사하여 위상을 바꾸어주는 거울;
시료팔을 구성하며, 상기 광섬유분할기에서 시료팔로 분배된 광을 시료 표면에 주사(scan)하는 MEMS-미러시스템(Microelectromechanical System, 미세전자기계시스템);
상기 MEMS-미러시스템에서 발생된 광을 파장별로 나누어서 검출하는 제1수광부;
상기 제1수광부에 의해 변환된 파장별 전하 신호를 입력하여 스펙트럼 분석을 수행하고 그 결과를 정보처리장치로 전송하는 DSP(Digital Signal Processing, 디지털신호처리프로세서); 를 포함하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제1항에 있어서, 상기 광섬유분할기에서 제공되는 간섭광을 제1포트로 입력하여 두 개의 포트(제2포트 및 제3포트)로 분배하는 광섬유순환기;를 더 포함하고,
상기 제1수광부는 제2포트로 분배된 광을 입력하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제2항에 있어서, 상기 광섬유순환기에 의해 제3포트로 분배된 광을 입력하여 시료의 깊이에 따른 비트 신호(beat signal)를 획득하고, 비트 신호를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)함으로써 시료의 깊이 정보를 획득하는 제2수광부; 및
상기 제2수광부에 의해 얻어진 시료의 깊이 정보를 상기 정보처리장치로 전송하는 IDSP(ADC,ISP: Analog-to-Digital Converter, Internet service provider);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제3항에 있어서, 상기 제1수광부는 상기 광섬유순환기에 의해 제1포트로 분배된 광을 각각의 파장대별로 분리시키는 회절격자; 및
상기 회절격자에 의해 각각의 파장대별로 분리된 광을 파장별 전하 신호로 변환하는 CCD(Charged-Coupled Device, 전하결합소자); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제4항에 있어서, 상기 제2수광부는 상기 광섬유순환기에 의해 제2포트로 분배된 광을 입력하여 각각의 파장대별로 분리시키는 스캐닝회절격자와 상기 스캐닝회절격자에 의해 각각의 파장대별로 분리된 광을 파장별 전하 신호로 변환하는 포토디텍터로 구성되는 MEMS기반스캐닝회절격자(MEMS-SG; MEMS-Scanning Grating); 및
상기 MEMS기반스캐닝회절격자에 의해 얻어진 파장별 전하 신호를 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT)함으로써 시료의 깊이 정보를 획득하는 고속푸리에변환분광계(FFTS; Fast Fourier Transformation Spectrometer);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제5항에 있어서, 시료에 입사한 레이저 광 진동수 빗살이 시료의 세포와 상호작용함으로써 발생하는 광을 시뮬레이션하여 상기 제2수광부에 제공하는 함수발생기(Functional Generator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제3항에 있어서, 광 경로를 제공하기 위한 광섬유는 더블클래딩광섬유(double-cladding fiber)이고, 700~900nm 대역의 근적외선 신호는 상기 더블클래딩광섬유의 코어(core)를 통하여 전달하고, 1,300nm대역의 OCT신호는 상기 더블클래딩광섬유의 클래드(clad)를 통하여 전달하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제7항에 있어서, 광스캔방향 x축(spectrally transverse line)에 따른 반사광은 상기 제1수광부에 제공하여 성분 분석 정보를 얻고, 광축방향 z축(depth profile line)에 따른 반사광은 상기 제2수광부에 제공하여 실시간 단층촬영용 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제1항에 있어서, 상기 MEMS-미러시스템은 시료를 통과하여 출력된 반사 광 신호가 비 일관적인 타임 게이트 곡선 모양을 갖도록 조정하는 타임게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제9항에 있어서, 상기 타임게이트는 비선형 광학 시간 상관 게이트(Nonlinear optical time correlation gate) 또는 자극된 라만 산란(stimulated Raman scattering)에 의한 증폭 및 파라메트릭 증폭(parametric amplification)을 이용한 비선형 광학 시간 게이트인 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저광진동수빗살발생장치와 상기 광섬유분할기 사이에 개재되는 제1비구면렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제11항에 있어서, 상기 광섬유분할기와 상기 미러 사이에 개재되는 제2비구면렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제5항에 있어서, 상기 고속푸리에변환분광계는 위너-킨친 정리(Winner-Khinchine Theorem) 알고리즘, 힐베르트 변환(Hilbert Transformation) & 위상분해 기능 OCT(Phase-Resolved Functional OCT)를 수행하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제1항에 있어서, 상기 레이저광진동수빗살발생장치는 파장범위 (750nm~1750nm)를 갖는 레이저 광 진동수 빗살을 발생하는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.
제14항에 있어서, 레이저 광 진동수 빗살은 서로 다른 일련의 파장들이 크기순을 가지고 시간 순서로 반복적으로 발생되는 것이거나 또는 서로 다른 일련의 파장들이 크기순을 가지고 동시에 반복적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 비침습 3D혈액 영상 및 성분 분석장치.