KR20240039441A - 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직(지질)의 광흡수 강도의 급격한 변화를 이용하여 뇌종양과 정상조직의 병변 경계를 정밀하게 확인할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 생체 조직의 광흡수 강도 변화를 이용하여 생체 조직 내부의 지질의 분포 및 단층 구조를 확인하기 위한 레이저 광원을 조사하는 광원부;피검체에 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 레이저 광원을 조사하여 되돌아온 빛의 파장별 세기를 검출하고, 되돌아온 빛으로 OCT 간섭 신호를 발생시키는 광간섭계부;피검체에 레이저 광원을 조사하여 광신호를 획득하는 광신호 획득부;레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직의 광흡수 강도의 변화를 이용하여 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 측정 및 분석하는 광신호측정부;를 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 광결맞음 단층 영상(OCT, optical coherence tomography) 기술에 관한 것으로, 구체적으로 레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직(지질)의 광흡수 강도의 급격한 변화를 이용하여 뇌종양과 정상조직의 병변 경계를 정밀하게 확인할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
두개강 내 조직에서 발생하는 원발성 뇌 종양은 여러 종류가 있으며 악성 뇌종양의 경우 예후가 좋지 않다고 알려져 있으며 그 중 뇌교종의 한 종류인 교모세포종은 수술 및 방사선 치료를 동반한 적극적인 치료에도 불구하고 매우 예후가 좋지 않은 질병이다.
악성 뇌종양의 좋은 예후를 위해서는 수술을 통한 뇌종양의 완전 절제가 현재까지 알려진 제일 좋은 방법이며 양성 뇌종양도 제한된 두개강에서 커질 경우 뇌압을 높이고 악성 뇌종양으로 변형될 수 있으므로 완전히 제거해야 한다.
현재 수술 전 뇌종양을 진단하는 방법은 자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI) 장치를 이용한 방법이 주로 사용되고 있으나 수술 중에는 전통적인 MRI 장치를 사용할 수 없고 또한 뇌종양은 사람 눈으로는 잘 보이지 않으므로 뇌종양을 완전히 제거하는 데에 어려움이 있다.
또한, 사람의 뇌는 사고하는 능력 및 시각, 촉각 등의 각종 신경계와 연결되어 있으므로 가능한 한 최대한의 정상 뇌조직을 보존하며 뇌종양 조직만을 제거해야 하며 따라서 수술 중 뇌종양 조직의 경계를 확인하는 기술이 매우 중요하다.
그러나 종래 기술의 OCT 영상 분야에서 사용하고 있는 1300 nm 파장 대역에서 지질에 의한 흡수 스펙트럼의 차이가 작고 빛의 투과 깊이 한계로 얕아 종양의 광학적 성분 분석이 어렵고 영상의 밝고 어두운 정도를 기준으로 조직을 분석하여 진단 결과의 신뢰성이 낮아서 임상 활용이 불가능하다.
이를 보완하기 위해서 근적외선 분광 분석이 가능한 다른 광영상 시스템을 부가적으로 장치하는 예가 있는데 이러한 기술은 OCT 영상 시스템의 가격과 복잡성을 증가하게 만든다.
이와 같이 종래 기술의 의료 영상 시스템은 수술 중 뇌종양 조직의 경계를 확인하는데 한계가 있어 수술중 추가적인 처치를 필요로 하는 문제가 있다.
따라서, 비용 및 복잡도를 증가시키지 않고 뇌종양 조직의 경계를 정밀하게 확인할 수 있고, 비접촉적인 의료 영상 시스템으로 수술중 추가적인 처치를 최소화할 수 있도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 광결맞음 단층 영상(OCT, optical coherence tomography) 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직(지질)의 광흡수 강도의 급격한 변화를 이용하여 뇌종양과 정상조직의 병변 경계를 정밀하게 확인할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 측정 대상이 되는 생체 물질의 고유 광흡수의 크기가 OCT 영상기술의 가능한 깊이의 영상 범위 내에서 신호의 분석이 용이하도록 특이성을 갖는 감쇄 비율을 보이는 OCT 광원의 파장 대역을 분석에 이용하여 측정 및 분석의 효율성을 높인 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 생체에서의 광흡수와 광산란을 모두 고려하여 광손실을 최소화할수 있는 1700 nm 대역의 OCT 기술을 이용하여 뇌병변 부위의 광간섭 신호를 안정적으로 측정하고 파장대역별 광감쇄 계수 분석 알고리즘을 통해 지질의 밀도 변화를 정밀하게 관찰할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 다른 측정 기법이나 시스템을 적용하지 않는 단일 OCT 구조를 사용하여 신경외과의 뇌종양 수술중에 필요한 뇌종양 병변의 경계를 정밀하게 분석할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광대역 파장 가변 레이저나 광대역 광원을 피검체에 조사하여 생체 내부의 조직의 경계에서 반사 되어 돌아오는 빛을 광간섭계를 통해 감지하여 고해상도 단층 영상을 효율적으로 구성할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 1700 nm 대역의 광원으로 측정된 OCT 간섭신호를 대역을 나누어 지질의 흡수가 적은 대역에서의 광신호 감쇄 비율과 지질의 지질의 흡수가 많은 대역에서의 광신호 감쇄 비율을 상대적으로 비교하여 조직의 분광학적 정보를 효율적으로 획득할 수 있도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 성분(지질)에 광흡수가 급격하게 중가하면서 변화하는 1700 nm 대역과 상대적으로 광흡수가 약하게 일어나는 1650 nm 대역의 OCT 신호를 비교 분석하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 성분(지질)의 정밀한 비교분석이 가능하도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 빛이 장파장 대역으로 갈수록 빛의 산란이 작아져서 감쇄 비율이 작아지는 특성을 가지는 뇌종양 조직의 광감쇄 특성과 상반되도록 정상 뇌조직에서는 2차적인 물질에 의한 광흡수 효과가 더해져서 이와 반대의 경향을 갖고 장파장으로 갈수록 감쇄 비율이 증가하는 성질을 갖는 특성을 고려하여 2차물질에 의한 효과를 나누어서 분석하기가 용이해지고 선택 특수성을 갖는 파장을 사용하여 정밀한 측정 및 분석이 가능하도록 한 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템은 생체 조직의 광흡수 강도 변화를 이용하여 생체 조직 내부의 지질의 분포 및 단층 구조를 확인하기 위한 레이저 광원을 조사하는 광원부;피검체에 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 레이저 광원을 조사하여 되돌아온 빛의 파장별 세기를 검출하고, 되돌아온 빛으로 OCT 간섭 신호를 발생시키는 광간섭계부;피검체에 레이저 광원을 조사하여 광신호를 획득하는 광신호 획득부;레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직의 광흡수 강도의 변화를 이용하여 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 측정 및 분석하는 광신호측정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광원부에서 조사되는 파장대역은, OCT 광원의 파장이 장파장으로 바뀜에 따라 생체에서 광산란 효과에 의한 OCT 광신호 감쇄비율이 줄어드는 특징과 이와는 반대로 지질 성분을 가지고 있는 생체에서 지질의 광흡수 효과에 의한 광신호 감쇄비율이 커지는 특징을 모두 만족하는 1700nm 파장대역을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광원부는 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 1700 nm 파장대역과 광흡수가 상대적으로 약하게 일어나는 1650 nm 파장대역을 포함하는 광대역의 빛을 조사하고, 광신호측정부는 이들 파장대역의 빛을 조사하는 것에 의한 OCT 신호를 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 약한 파장대역과 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 파장대역으로 나누어 비교분석 하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 지질 성분을 구분하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광신호측정부는, OCT 간섭신호의 전체 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여 조직의 분광학적 정보를 얻어내어 정상 뇌조직과 뇌종양 조직을 분리하여 뇌종양 병변의 경계를 영상화하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광신호측정부는, 광신호 획득을 위한 샘플단의 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 윤곽 세기에 주는 영향을 최소화하기 위해서 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호를 측정하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광신호측정부는, 1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정한 OCT 간섭 신호를 광신호 획득부의 샘플단의 움직임에 관계없이 일정하게 광신호 감쇄 값을 추출하는 신호처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광신호측정부는 1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정이 가능한 OCT의 신호대 잡읍비의 손실을 방지하기 위하여, 해당 파장 대역의 광섬유 서큘레이터(optical fiber circulator), 편광유지 빔 스플리터(fiber beam splitter)와 광증폭 모듈(optical amplifier module)을 적용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광단층 영상 시스템을, 1700nm 대역의 파장가변 레이저와 광검출기를 조합한 구조, 또는 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)와 분광기를 이용한 구조로 구성하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법은 생체 조직의 광흡수 강도 변화를 이용하여 생체 조직 내부의 지질의 분포 및 단층 구조를 확인하기 위한 레이저 광원을 조사하는 광원 조사 단계;OCT 간섭신호로부터 스펙트럼을 복원하는 단계;OCT 간섭신호의 스펙트럼 전체의 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여 조직의 분광학적 정보를 획득하는 단계;정상조직과 뇌종양 병변의 경계를 구분하여 영상화하여 뇌종양의 병변 경계를 3차원적으로 확인할 수 있도록 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광원 조사 단계에서 조사되는 파장대역은, OCT 광원의 파장이 장파장으로 바뀜에 따라 생체에서 광산란 효과에 의한 OCT 광신호 감쇄비율이 줄어드는 특징과 이와는 반대로 지질 성분을 가지고 있는 생체에서 지질의 광흡수 효과에 의한 광신호 감쇄비율이 커지는 특징을 모두 만족하는 1700nm 파장대역을 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광원 조사 단계에서 조사되는 파장대역은, 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 1700 nm 파장대역과 광흡수가 상대적으로 약하게 일어나는 1650 nm 파장대역을 포함하는 광대역의 빛을 조사하고, 이들 파장대역의 빛을 조사하는 것에 의한 OCT 신호를 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 약한 파장대역과 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 파장대역으로 나누어 비교분석 하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 지질 성분을 구분하는 것을 특징으로 한다.
그리고 OCT 간섭신호로부터 스펙트럼을 복원하기 위하여, 광신호 획득을 위한 샘플단의 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 윤곽 세기에 주는 영향을 최소화하기 위해서 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 분광학적 정보를 획득하는 단계에서, 1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정한 OCT 간섭 신호를 광신호 획득부의 샘플단의 움직임에 관계없이 일정하게 광신호 감쇄 값을 추출하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직(지질)의 광흡수 강도의 급격한 변화를 이용하여 뇌종양과 정상조직의 병변 경계를 정밀하게 확인할 수 있도록 한다.
둘째, 측정 대상이 되는 생체 물질의 고유 광흡수의 크기가 OCT 영상기술의 가능한 깊이의 영상 범위 내에서 신호의 분석이 용이하도록 특이성을 갖는 감쇄 비율을 보이는 OCT 광원의 파장 대역을 분석에 이용하여 측정 및 분석의 효율성을 높인다.
셋째, 생체에서의 광흡수와 광산란을 모두 고려하여 광손실을 최소화할수 있는 1700 nm 대역의 OCT 기술을 이용하여 뇌병변 부위의 광간섭 신호를 안정적으로 측정하고 파장대역별 광감쇄 계수 분석 알고리즘을 통해 지질의 밀도 변화를 정밀하게 관찰할 수 있도록 한다.
넷째, 다른 측정 기법이나 시스템을 적용하지 않는 단일 OCT 구조를 사용하여 신경외과의 뇌종양 수술중에 필요한 뇌종양 병변의 경계를 정밀하게 분석할 수 있도록 한다.
다섯째, 광대역 파장 가변 레이저나 광대역 광원을 피검체에 조사하여 생체 내부의 조직의 경계에서 반사 되어 돌아오는 빛을 광간섭계를 통해 감지하여 고해상도 단층 영상을 효율적으로 구성할 수 있도록 한다.
여섯째, 1700 nm 대역의 광원으로 측정된 OCT 간섭신호를 대역을 나누어 지질의 흡수가 적은 대역에서의 광신호 감쇄 비율과 지질의 지질의 흡수가 많은 대역에서의 광신호 감쇄 비율을 상대적으로 비교하여 조직의 분광학적 정보를 효율적으로 획득할 수 있도록 한다.
일곱째, 성분(지질)에 광흡수가 급격하게 증가하면서 변화하는 1700 nm 대역과 상대적으로 광흡수가 약하게 일어나는 1650 nm 대역의 OCT 신호를 비교 분석하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 성분(지질)의 정밀한 비교분석이 가능하도록 한다.
여덟째, 빛이 장파장 대역으로 갈수록 빛의 산란이 작아져서 감쇄 비율이 작아지는 특성을 가지는 뇌종양 조직의 광감쇄 특성과 상반되도록 정상 뇌조직에서는 2차적인 물질에 의한 광흡수 효과가 더해져서 이와 반대의 경향을 갖고 장파장으로 갈수록 감쇄 비율이 증가하는 성질을 갖는 특성을 고려하여 2차물질에 의한 효과를 나누어서 분석하기가 용이해지고 선택 특수성을 갖는 파장을 사용하여 정밀한 측정 및 분석이 가능하도록 한다.
도 1은 빛의 파장에 따른 생체 성분의 광흡수 정도와 지질 성분이 많은 부분을 지났을 때 발생하는 광원의 스펙트럼 변화를 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 구성도
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 빛의 파장별로 변화하는 지질성분의 광흡수 특성 그래프
도 5는 1700 nm 대역의 광원으로 측정된 OCT 간섭신호를 대역을 나누는 범위와 과정을 나타낸 구성도
도 6은 지질 성분 부분을 통과한 OCT 신호로부터 스펙트럼을 복원하고 스펙트럼의 대역별로 변화하는 광감쇄 계수 특성 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광신호 획득단의 광섬유가 휘어지고 움직임에 따라서 발생하는 편광변화를 상쇄시키는 편광성분별 광신호 측정부 구성도
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신호대 잡음비를 향상시키고 안정적 신호 획득을 위한 광증폭기 구성도
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)과 분광기를 이용한 광단층 영상 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 구성도
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트
도 4는 빛의 파장별로 변화하는 지질성분의 광흡수 특성 그래프
도 5는 1700 nm 대역의 광원으로 측정된 OCT 간섭신호를 대역을 나누는 범위와 과정을 나타낸 구성도
도 6은 지질 성분 부분을 통과한 OCT 신호로부터 스펙트럼을 복원하고 스펙트럼의 대역별로 변화하는 광감쇄 계수 특성 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광신호 획득단의 광섬유가 휘어지고 움직임에 따라서 발생하는 편광변화를 상쇄시키는 편광성분별 광신호 측정부 구성도
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신호대 잡음비를 향상시키고 안정적 신호 획득을 위한 광증폭기 구성도
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)과 분광기를 이용한 광단층 영상 시스템 구성도
이하, 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 빛의 파장에 따른 생체 성분의 광흡수 정도와 지질 성분이 많은 부분을 지났을 때 발생하는 광원의 스펙트럼 변화를 나타낸 구성도이다.
본 개시에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
광결맞음 단층 영상(OCT, optical coherence tomography) 기술은 광대역 파장 가변 레이저나 광대역 광원을 피검체에 조사하여서 생체 내부의 조직의 경계에서 반사 되어 돌아오는 빛을 광간섭계를 통해 감지하여 고해상도 단층 영상을 구성하는 장치이다.
아래 표 1,2 에서처럼 뇌종양이 발생한 뇌의 회백질이나 백질 부분은 정상 뇌조직에 비하여 성분의 변화가 발생하게 되는데, 특히 뇌신경을 구성하는 지질의 감소가 뚜렷하게 나타나게 된다.
표 1은 뇌조직별 주요 물질의 구성 비율을 나타낸 것이다.
표 2는 뇌조직과 뇌종양 조직에서 지질(지방)의 구성비율을 나타낸 것이다.
뇌조직의 지질(지방) 성분은 1700 nm 파장대역에서 빛의 흡수율이 지질이 없는 종양 조직에 비해서 파장에 따라 급격히 변화한다.
지질을 많이 품은 조직을 1700 nm 대역의 빛이 지나가게 되면 광흡수가 많은 파장은 광신호의 세기가 약해지고, 흡수대역에서 벗어난 파장의 빛은 광흡수에 의한 손실이 발생하지 않아서 상대적으로 광신호 세기의 덜 약해진다.
따라서, 레이저 광원의 대역별로 광신호 감쇄 정도가 달라질 것이므로 지질 성분이 적어진 뇌종양 부분은 광신호 감쇄가 작고, 정상 뇌조직은 지질 성분이 많아서 상대적으로 광신호 감쇄가 클 것이므로 지질성분이 많은 부분을 구분하게 된다.
도 1은 빛의 파장에 따른 생체 성분의 광흡수 정도와 지질 성분이 많은 부분을 지났을 때 발생하는 광원의 스펙트럼 변화(좌)를 나타낸 것으로, (우)검은색 사각형 박스는 종양 영역이고, 붉은색 사각형 박스는 정상 뇌영역이다.
본 발명은 이와 같은 특성을 이용하는 것으로, OCT 기술은 비접촉 광영상 기술이고 고속으로 3차원 영상화가 가능하므로 수술중 혹은 수술전 뇌종양으로 예상되는 부위의 고해상도의 영상을 얻을 수 있다.
뇌종양의 성장에 따라서 변화한 지질의 밀도를 계산하기 위해서 지질이 잘 흡수하는 특별한 파장 대역의 OCT로 영상화할 수 있다. 1700 nm 중심 파장은 지질의 흡수가 급격히 변화하는 파장 대역이므로 추가적인 광분석 기술(NIRS) 없이도 지질의 분포 정보를 3차원적으로 획득할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명은 OCT 시스템의 샘플단의 회전과 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 윤곽 세기에 주는 영향을 최소화하기 위해서 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호 측정 구조를 사용할 수 있다.
그리고 본 발명은 1700 nm 파장대역의 편광 성분별 측정이 가능한 OCT의 구성을 위한 1700 nm 파장대역 수동 광소자를 통해서 해당 파장 대역에서 빛의 손실을 줄임으로써 지질(lipid)가 가지는 파장별 광흡수를 정확히 분석할 수 있도록 하고, 시스템 SNR에 가장 영향을 미치는 optical fiber circulator, 편광유지 fiber beam splitter의 삽입손실(insertion loss)를 최소화시키는 구성을 포함할 수 있다.
그리고 능동 광소자로서 1700 nm 파장대역에 최적화된 optical amplifier module을 사용하여 빛의 파워를 증가시킴으로써 분광분석 OCT 영상의 신호대 잡음비를 개선시키고 성분 분석의 정확도와 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 구성도이다.
본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템은 도 2에서와 같이, 생체 조직(지질)의 광흡수 강도 변화를 이용하여 생체 조직 내부의 지질의 분포 및 단층 구조를 확인하기 위한 레이저 광원을 조사하는 광원부(10)와, 피검체에 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 레이저 광원을 조사하여 되돌아온 빛의 파장별 세기를 검출하고, 되돌아온 빛으로 OCT 간섭 신호를 발생시키는 광간섭계부(20)와, 피검체에 레이저 광원을 조사하여 광신호를 획득하는 광신호 획득부(30)와, 레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직의 광흡수 강도의 변화를 이용하여 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 측정 및 분석하는 광신호측정부(40)를 포함한다.
여기서, 광원부(10)에서 조사되는 파장대역은 레이저 빛을 생체의 보다 깊은 곳까지 보내기 위해서 생체에서의 광흡수와 광산란을 모두 고려하여 광손실을 최소화할수 있는 1700nm 파장대역을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 광원부(10)는 성분(지질)에 광흡수가 급격하게 변화하는 파장대역(1700 nm 대역)과 상대적으로 광흡수가 약하게 일어나는 파장대역(1650 nm 대역)의 빛을 조사하고, 광신호측정부(40)는 이들 파장대역의 빛을 조사하는 것에 의한 OCT 신호를 비교분석 하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 성분(지질)의 비교 분석을 한다.
그리고 광신호측정부(40)는 OCT 간섭신호의 스펙트럼 전체의 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여서 조직의 분광학적 정보를 얻어내고 알고리즘을 통해 정상 뇌조직과 뇌종양 조직을 분리하여 뇌종양 병변의 경계를 영상화한다.
그리고 광신호측정부(40)는 광신호 획득을 위한 샘플단의 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 윤곽 세기에 주는 영향을 최소화하기 위해서 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호를 측정하는 구성을 포함할 수 있다.
그리고 광신호측정부(40)는 1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정한 OCT 간섭 신호를 광신호 획득부(30)의 샘플단의 움직임에 관계없이 일정하게 광신호 감쇄 값을 추출하는 신호처리 수단을 포함한다.
그리고 1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정이 가능한 OCT의 신호대 잡읍비의 손실을 방지하기 위한 해당 파장 대역의 광섬유 서큘레이터(optical fiber circulator), 편광유지 빔 스플리터(fiber beam splitter)와 광증폭 모듈(optical amplifier module)을 적용하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템은 1700nm 대역의 파장가변 레이저와 광검출기를 조합한 구조를 이용하거나, 다른 실시 예로 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)와 분광기를 이용한 구조로 구현할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 1700 nm 파장대역의 레이저 광원을 이용한 OCT 기술을 신경외과의 뇌종양 병변 구분 분야에 적용하여 (1) 보다 깊은 곳의 뇌종양의 구조를 영상화할 수 있고, (2) 물질 분석(지질) 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있고, (3) 비접촉적인 의료 영상 시스템으로 수술중 추가적인 처치를 최소화할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법은 레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직(지질)의 광흡수 강도의 급격한 변화를 이용하기 위하여, 1700 nm 대역의 OCT 기술을 이용하여 뇌종양의 구조를 영상화할 수 있고, 파장대역별 광감쇄 계수 분석 알고리즘을 통해 물질 분석(지질) 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 한다.
먼저, 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템을 이용하여 측정 대상물에 1700 nm 대역의 광원을 조사하여 OCT 측정을 한다.(S301)
이어, OCT 간섭신호로부터 스펙트럼을 복원한다.(S302)
그리고 OCT 간섭신호의 스펙트럼 전체의 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여 조직의 분광학적 정보를 획득하여 정상조직과 뇌종양 병변의 경계를 구분한다.(S303)
이어, 정상조직과 뇌종양 병변의 경계를 영상화한다.(S304)
그리고 OCT 고유의 구조 정보와 분광 분석 결과를 취합하여 뇌종양의 병변 경계를 3차원적으로 확인할 수 있도록 출력한다.(S305)
이와 같은 본 발명은 레이저 빛을 생체의 보다 깊은 곳까지 보내기 위해서 생체에서 광흡수와 광산란을 모두 고려하였을 때 광손실을 최소화할 수 있는 1700nm 파장대역의 광원을 이용한 OCT 영상 시스템을 이용하는 것이다.
또한, 성분(지질)에 광흡수가 급격하게 변화하는 파장대역 (1700 nm 대역)과 상대적으로 광흡수가 약하게 일어나는 파장대역 (1650 nm 대역)의 OCT 신호를 비교 분석하여 뇌종양의 구조와 물질 분석(지질) 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 한다.
본 발명은 뇌조직 특히 백질 부분의 주요 구성 물질인 지질의 지방 성분이 1700 nm 파장보다 긴 파장에서 빛의 흡수율이 지질이 없는 종양 조직에 비해서 파장에 따라 급격히 증가(10배이상)하는 특성을 이용한다.
지질을 많이 품은 조직을 1700 nm 대역의 빛이 지나가게 되면 광흡수가 많은 파장은 광신호의 세기가 약해지고, 흡수대역에서 벗어난 파장의 빛은 광흡수에 의한 손실이 발생하지 않아서 상대적으로 광신호 세기의 덜 약해진다.
따라서 측정된 OCT 광간섭신호를 대역을 나누어서 지질의 흡수가 적은 대역에서 광신호 감쇄 비율과 지질의 광흡수가 많은 대역에서 광신호 감쇄 비율을 상대적으로 비교하여서 지질이 적어진 뇌조양 조직과 지질이 충분히 있는 정상 뇌조직 부분을 구분하게 된다.
그리고 OCT 신호로부터 스펙트럼을 복원하고 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 분석하는 알고리즘 이용한다.
광대역 레이저 광원이 지질층을 통과하면서 광신호의 envelope 변화가 파장대역별로 비대칭적으로 일어나는데, OCT 간섭신호의 스펙트럼 전체의 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여서 조직의 분광학적 정보를 얻어낸다.
알고리즘을 통해 정상조직과 뇌종양 병변의 경계를 영상화한다.
따라서, OCT 고유의 구조 정보와 분광 분석 결과를 취합하여 뇌종양의 병변 경계를 3차원적으로 파악할 수 있도록 한다.
도 4는 빛의 파장별로 변화하는 지질성분의 광흡수 특성 그래프이다.
도 4에서와 같이 본 발명은 정상 뇌조직의 주요 구성물질인 지질의 지방 성분은 1700 nm 파장보다 긴 파장에서 빛의 흡수율이 지질이 없는 종양 조직에 비해서 파장에 따라 급격히 증가(10배이상)하는 특성을 이용하는 것이다.
지질을 많이 품은 조직을 1700 nm 대역의 빛이 지나가게 되면 광흡수가 많은 파장은 광신호의 세기가 약해지고, 흡수대역에서 벗어난 파장의 빛은 광흡수에 의한 손실이 발생하지 않아서 상대적으로 광신호 세기의 덜 약해진다.
도 5는 1700 nm 대역의 광원으로 측정된 OCT 간섭신호를 대역을 나누는 범위와 과정을 나타낸 구성도이다.
도 5에서와 같이, 1700 nm 대역의 광원으로 측정된 OCT 간섭신호를 대역을 나누어서 지질의 흡수가 적은 대역에서 광신호 감쇄 비율과 지질의 지질의 흡수가 많은 대역에서 광신호 감쇄 비율을 상대적으로 비교한다.
도 6은 지질 성분 부분을 통과한 OCT 신호로부터 스펙트럼을 복원하고 스펙트럼의 대역별로 변화하는 광감쇄 계수 특성 그래프이다.
OCT 신호로부터 스펙트럼을 복원하고 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 분석하는 알고리즘 이용하는데, 도 6에서와 같이 광대역 레이저 광원이 지질층을 통과하면서 OCT 간섭신호의 스펙트럼 전체의 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여서 조직의 분광학적 정보를 얻어낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 획득단의 광섬유가 휘어지고 움직임에 따라서 발생하는 편광변화를 상쇄시키는 편광성분별 광신호 측정부 구성도이다.
광신호 획득부(30)는 광단층 영상을 얻기 위해서 독립적으로 움직이게 되는데, 획득단의 광섬유가 휘어지고 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 세기에 영향을 주게된다.
이때 발생하는 영향을 최소화하여 광감쇄 신호의 측정 정확도를 향상시키기 위해서 도 7에서와 같이 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호 측정 구조를 사용한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 신호대 잡음비를 향상시키고 안정적 신호 획득을 위한 광증폭기 구성도이다.
도 8은 1700 nm 파장대역의 편광 성분별 측정이 가능한 OCT의 구성을 보이고 있는데, 안정적 신호 획득을 위해서 가장 영향을 미치는 optical fiber circulator, 편광유지 fiber beam splitter와 도 6의 1700 nm 파장대역에 최적화된 optical amplifier module을 적용한다.
도 9는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)과 분광기를 이용한 광단층 영상 시스템 구성도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 OCT 기술은 1700nm 대역의 파장가변 레이저와 광검출기를 조합한 구조를 이용하거나, 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)와 분광기를 이용한 구조로 광학 설계를 수정하여 사용하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법은 신경외과의 뇌종양 수술중에 필요한 뇌종양 병변의 경계를 분석하기 위해서 1700 nm 파장대역의 레이저 광원을 이용한 OCT 기술을 적용하여 뇌병변 부위의 광간섭 신호를 안정적으로 측정하고 파장대역별 광감쇄 계수 분석 알고리즘을 통해 지질의 밀도 변화를 관찰하고, 다른 측정 기법이나 시스템을 적용하지 않는 단일 OCT 구조를 사용하여서 뇌종양 병변을 분석할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 광원부
20. 광간섭계부
30. 광신호 획득부
40. 광신호 측정부
20. 광간섭계부
30. 광신호 획득부
40. 광신호 측정부
Claims (13)
- 생체 조직의 광흡수 강도 변화를 이용하여 생체 조직 내부의 지질의 분포 및 단층 구조를 확인하기 위한 레이저 광원을 조사하는 광원부;
피검체에 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 레이저 광원을 조사하여 되돌아온 빛의 파장별 세기를 검출하고, 되돌아온 빛으로 OCT 간섭 신호를 발생시키는 광간섭계부;
피검체에 레이저 광원을 조사하여 광신호를 획득하는 광신호 획득부;
레이저 광원의 파장에 따른 생체 조직의 광흡수 강도의 변화를 이용하여 물질 분석 및 정상 뇌조직의 병변 경계를 확인할 수 있도록 측정 및 분석하는 광신호측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광원부에서 조사되는 파장대역은,
OCT 광원의 파장이 장파장으로 바뀜에 따라 생체에서 광산란 효과에 의한 OCT 광신호 감쇄비율이 줄어드는 특징과 이와는 반대로 지질 성분을 가지고 있는 생체에서 지질의 광흡수 효과에 의한 광신호 감쇄비율이 커지는 특징을 모두 만족하는 1700nm 파장대역을 사용하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광원부는 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 1700 nm 파장대역과 광흡수가 상대적으로 약하게 일어나는 1650 nm 파장대역을 포함하는 광대역의 빛을 조사하고,
광신호측정부는 이들 파장대역의 빛을 조사하는 것에 의한 OCT 신호를 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 약한 파장대역과 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 파장대역으로 나누어 비교분석 하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 지질 성분을 구분하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광신호측정부는,
OCT 간섭신호의 전체 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여 조직의 분광학적 정보를 얻어내어 정상 뇌조직과 뇌종양 조직을 분리하여 뇌종양 병변의 경계를 영상화하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 4 항에 있어서, 광신호측정부는,
광신호 획득을 위한 샘플단의 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 윤곽 세기에 주는 영향을 최소화하기 위해서 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호를 측정하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 5 항에 있어서, 광신호측정부는,
1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정한 OCT 간섭 신호를 광신호 획득부의 샘플단의 움직임에 관계없이 일정하게 광신호 감쇄 값을 추출하는 신호처리 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 5 항에 있어서, 광신호측정부는 1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정이 가능한 OCT의 신호대 잡읍비의 손실을 방지하기 위하여,
해당 파장 대역의 광섬유 서큘레이터(optical fiber circulator), 편광유지 빔 스플리터(fiber beam splitter)와 광증폭 모듈(optical amplifier module)을 적용하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광단층 영상 시스템을,
1700nm 대역의 파장가변 레이저와 광검출기를 조합한 구조,
또는 1700nm 대역의 광대역광원(SLED)와 분광기를 이용한 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템. - 생체 조직의 광흡수 강도 변화를 이용하여 생체 조직 내부의 지질의 분포 및 단층 구조를 확인하기 위한 레이저 광원을 조사하는 광원 조사 단계;
OCT 간섭신호로부터 스펙트럼을 복원하는 단계;
OCT 간섭신호의 스펙트럼 전체의 스펙트럼의 대역별 광감쇄 계수를 지질층 통과 전후에 비교하여 조직의 분광학적 정보를 획득하는 단계;
정상조직과 뇌종양 병변의 경계를 구분하여 영상화하여 뇌종양의 병변 경계를 3차원적으로 확인할 수 있도록 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법. - 제 9 항에 있어서, 광원 조사 단계에서 조사되는 파장대역은,
OCT 광원의 파장이 장파장으로 바뀜에 따라 생체에서 광산란 효과에 의한 OCT 광신호 감쇄비율이 줄어드는 특징과 이와는 반대로 지질 성분을 가지고 있는 생체에서 지질의 광흡수 효과에 의한 광신호 감쇄비율이 커지는 특징을 모두 만족하는 1700nm 파장대역을 사용하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법. - 제 9 항에 있어서, 광원 조사 단계에서 조사되는 파장대역은,
지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 1700 nm 파장대역과 광흡수가 상대적으로 약하게 일어나는 1650 nm 파장대역을 포함하는 광대역의 빛을 조사하고,
이들 파장대역의 빛을 조사하는 것에 의한 OCT 신호를 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 약한 파장대역과 지질 성분에 의해 광흡수 변화가 큰 파장대역으로 나누어 비교분석 하여 정상 뇌조직과 뇌종양 조직의 지질 성분을 구분하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법. - 제 9 항에 있어서, OCT 간섭신호로부터 스펙트럼을 복원하기 위하여,
광신호 획득을 위한 샘플단의 움직임에 따라서 발생하는 편광 변화가 광간섭 신호의 윤곽 세기에 주는 영향을 최소화하기 위해서 1700 nm 대역에서 동작하는 편광 성분별 광간섭 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법. - 제 9 항에 있어서, 분광학적 정보를 획득하는 단계에서,
1700 nm 파장대역의 편광성분별 측정한 OCT 간섭 신호를 광신호 획득부의 샘플단의 움직임에 관계없이 일정하게 광신호 감쇄 값을 추출하는 것을 특징으로 하는 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템의 제어 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020220118028A KR20240039441A (ko) | 2022-09-19 | 2022-09-19 | 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220118028A KR20240039441A (ko) | 2022-09-19 | 2022-09-19 | 근적외선 광원을 이용한 뇌종양의 병변 분석이 가능한 광단층 영상 시스템 및 이의 제어 방법 |
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| KR20240039441A true KR20240039441A (ko) | 2024-03-26 |
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ID=90473058
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| KR (1) | KR20240039441A (ko) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| KR20120039410A (ko) | 2010-10-15 | 2012-04-25 | 한국과학기술원 | 복수의 광원을 이용한 혈관 이미징 장치 및 그 방법 |
| KR20160129599A (ko) | 2015-04-30 | 2016-11-09 | 한국과학기술원 | 동맥 경화반의 조직 분류를 위한 이중 파장 광 가간섭 단층촬영 장치 및 이를 이용한 동맥 경화반의 조직 분류 방법 |
| KR20170031813A (ko) | 2015-09-11 | 2017-03-22 | 연세대학교 산학협력단 | 다중 광학 융합영상 기반 실시간으로 뇌종양을 진단하는 방법 및 장치 |
-
2022
- 2022-09-19 KR KR1020220118028A patent/KR20240039441A/ko unknown
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