WO2014119945A1 - 다중 이미징 장치 - Google Patents

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WO2014119945A1
WO2014119945A1 PCT/KR2014/000885 KR2014000885W WO2014119945A1 WO 2014119945 A1 WO2014119945 A1 WO 2014119945A1 KR 2014000885 W KR2014000885 W KR 2014000885W WO 2014119945 A1 WO2014119945 A1 WO 2014119945A1
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WO
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signal
sample
laser beam
unit
oct
Prior art date
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PCT/KR2014/000885
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Inventor
김지현
전민용
이창호
한승훈
김세희
김철홍
Original Assignee
경북대학교 산학협력단
포항공과대학교 산학협력단
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Publication date
Application filed by 경북대학교 산학협력단, 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 경북대학교 산학협력단
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0073—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by tomography, i.e. reconstruction of 3D images from 2D projections
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B5/0093—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy
    • A61B5/0095—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy by applying light and detecting acoustic waves, i.e. photoacoustic measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G—PHYSICS
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    • G01B9/02029—Combination with non-interferometric systems, i.e. for measuring the object
    • G01B9/0203—With imaging systems
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    • G01B9/02091—Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics

Definitions

  • the present invention relates to an optical imaging device, and more particularly, multiple imaging, which simultaneously provides optical coherence tomography images and optoacoustic tomography images, using only one supercontinuum source device having a laser beam and having a wide half-width. Relates to a device.
  • OCT optical coherence tomography
  • PAT / PAM photoacoustic tomography
  • the OCT is an optical imaging apparatus based on a low interference interferometer, and acquires high-resolution tomographic images mainly by using light scattering of biological tissues
  • the PAT / PAM is an optoacoustic signal generated when a laser enters the biological tissues. Acquisition of a tomography imaging device, the imaging device using light absorption.
  • OCT and PAT PAM have different contrast mechanisms, providing complementary information about living tissue.
  • OCT measures the rate of blood flow by measuring Doppler signals and tomographic images, such as biopsy of biological tissues
  • PAT / PAM maps the distribution of light absorbers to the microvessels. Imaging and imaging of hypertonic oxygen saturation concentrations are obtainable. Accordingly, when OCT and PAT PAM can be simultaneously imaged, metabolism of biological tissues can be measured and used for various fields such as early diagnosis of cancer.
  • the two optical imaging devices can share the same optical system, there is an advantage in developing simultaneous imaging devices.
  • the OCT requires a broadband source
  • the PAT / PAM requires a Pulsed Laser.
  • the OCT determines the axial resolution (Axial resolution) by the full width of half maximum (FWHM) of the broadband light source, the biological tissue is more precisely imaged when using a light source having a wide half-width. can do.
  • Equation 1 The depth resolution of the OCT is calculated according to Equation 1, and Equation 1 indicates that the greater the half width of the broadband light source is, the finer the depth resolution becomes.
  • the PAT / PAM transmits a photoacoustic signal generated by the conversion of absorbed energy absorbed by an absorber in the body into a heat and a pressure in Nasi. It is a device that acquires by imaging and imaging. Therefore, a high energy fill laser is essential. ' Up to now, simultaneous imaging using different light sources has been performed to acquire two imaging devices simultaneously, but there is a problem in that the cost and the other optical equipment are required to combine the two light sources are inherent.
  • the present invention provides a multiplex imaging device that simultaneously provides optical coherence tomography (OCT) imaging and optoacoustic tomography (PAT PAM) imaging using only one supercontinuum source device having a full width at half width. For that purpose.
  • OCT optical coherence tomography
  • PAT PAM optoacoustic tomography
  • a multiple imaging apparatus comprising: a light source unit generating and outputting a laser beam having an ultra-wideband wavelength spectrum using a light source for outputting a laser beam having a single wavelength; A sample stage for placing a sample; An OCT signal output unit configured to measure an interference signal for a sample using the Fils laser beam, and detect and output an optical interference (OCT) signal from the interference signal; An optoacoustic signal output unit which acquires and outputs an optoacoustic signal generated by the Fils laser beam transmitted to the sample; A control unit for generating and outputting an OCT tomographic image by using the OCT signal provided from the OCT signal output unit, and generating and outputting an optoacoustic tomographic image using the optoacoustic signal provided from the optoacoustic signal output unit; Equipped with a single light source to output the OCT tomography image and the photoacoustic tomography image for the sample at the same time.
  • OCT optical interference
  • the multiple imaging apparatus further includes a stage driver for moving the sample stage, and the controller is configured to drive a drive signal for controlling the stage driver to scan the sample stage. It is desirable to produce and provide.
  • the OCT signal output unit comprises: a signal beam measuring unit for generating and outputting a signal beam including information on the sample by using the Fils laser gun; A reference beam generator for generating and outputting a reference beam having the same optical path as that of the signal range using the fill laser beam; An OCT signal generator for measuring an interference signal between the signal beam measuring unit and the reference beam generating unit and generating and outputting an OCT signal for a sample using the interference signal; And
  • the OCT signal generator may provide a fill laser beam having an ultra-wideband wavelength spectrum provided from the light source unit, divided into the signal beam measuring unit and the reference normal generator, and from the signal beam measuring unit and the reference normal generator An optocoupler for combining the provided signal range and the reference beam, respectively; And a spectrometer for detecting and outputting an optical interference signal from a combined signal of the signal beam and the reference beam provided from the optical coupler.
  • the signal range measuring unit may include: a prism for transferring a fill laser beam provided from the optical coupler to a sample, and changing an optical path to output a signal range reflected from the sample; And an objective lens positioned between the prism and the sample and refracting such that light transmitted from the prism is provided to focus on the sample.
  • the optoacoustic signal output unit includes: a transducer for acquiring an optoacoustic signal generated by the Fils laser beam delivered to the specimen; And an amplifier for amplifying and outputting the optoacoustic signal output from the transducer.
  • the light source unit comprises: a light source for providing a single wavelength pulsed laser beam; A collimation lens for collimating and outputting the single-wavelength laser beam; And an ultra-wide band receiving the collimated phil laser beam And a photonic crystal optical fiber which is converted into a fill laser beam having a wavelength spectrum and outputted.
  • a first objective lens positioned between the collimating lens and the photonic crystal optical fiber; And a second objective lens positioned at an output end of the photonic crystal optical fiber.
  • the present invention described above can reduce the cost of providing OCT and PAT / PAM imaging at the same time by using only one supercontimmm source device having a full width at the same time as a laser, and can simplify the configuration of the light source. And the effect of reducing the size.
  • the apparatus according to the present invention has an effect suitable for measuring a sample that changes in time.
  • 1 is a block diagram of a multiple imaging apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
  • 2 is a diagram illustrating wavelength-specific spectrum of an ultra-wideband light source according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates hourly fill laser information of an ultra-wide band light source according to a preferred embodiment of the present invention.
  • the present invention simultaneously provides OCT and PAT / PAM imaging using only one supercontinuum source device that is a field laser and has a wide half-width of more than 100m.
  • the multiple imaging apparatus includes a light source unit 100, a sample stage 200, a stage driving unit 203, an OCT signal output unit 300, an optoacoustic signal output unit 400, and a controller 600.
  • the light source unit 100 includes a fill laser 102, a collimating lens 104, a first objective lens 106, a photonic crystal optical fiber 108, and a second objective lens 110.
  • the sample stage 200 is to place a sample, preferably composed of a linear micro stage, and is connected to the stage driving unit 203 is movable up, down, left and right.
  • the stage driver moves the sample stage up, down, left, and right according to a drive signal from the controller to enable scanning.
  • the OCT signal output unit 300 measures an interference signal for a sample using a fill laser beam provided from the light source unit, and detects and outputs an OCT signal from the interference signal.
  • the OCT signal output unit includes a signal beam measuring unit 301, a reference beam generating unit 303, and an OCT signal generating unit 305.
  • the photoacoustic signal output unit 400 includes a transducer 402 and an amplifier 404. Hereinafter, each part of the light source part 100 is demonstrated.
  • the fill laser 102 emits a short wavelength fill laser, and a Q-switch fill laser (Teen Photonics, SNP-20F-100) that outputs a 1064 nm short wavelength laser at a rate of 20 kHz may be employed.
  • the collimating lens 104 collimates the short-wave field laser emitted from the fill laser 102 and outputs the short-wave field laser beam having a constant diameter.
  • the collimated short wavelength pil laser beam is coupled with a photonic crystal fiber (PCF) 108 via a first objective lens 106.
  • PCF photonic crystal fiber
  • the short-wavelength laser beam passes through a photonic crystal fiber 108 and is converted into a fill laser beam having an ultra-wideband wavelength spectrum.
  • FIG. 2 is wavelength-specific light source information measured for a Fils laser beam having an ultra-wideband wavelength spectrum output from the photonic crystal optical fiber 108 using an optical spectrum analyzer (OSA), with wavelengths ranging from 400 nm to 1700 nm. It has a constant power value between 700nm and 1500nm.
  • OSA optical spectrum analyzer
  • 3 is a time-based light source information measured for a Fils laser beam having an ultra-wideband wavelength spectrum output from the photonic crystal fiber 108 using an oscilloscope, and is output at a speed of about 20 kHz.
  • the Fils laser beam having the ultra-wide wavelength spectrum generated while passing through the photonic crystal optical fiber 108 is coupled to the optical fiber connected to the OCT signal output unit 300 through the second objective lens 110 to output the OCT signal output unit ( 300).
  • the OCT signal output unit includes a signal beam measuring unit 301, a reference beam generating unit 303, and an OCT signal generating unit 305.
  • the signal beam measuring unit 301 generates and outputs a signal range including information on the sample using the fill laser beam.
  • One embodiment of the signal beam measuring unit according to the preferred embodiment of the present invention includes a prism 202 and a third objective lens 204.
  • a portion of the fill laser beam incident on the sample stage 200 is delivered to the sample 500 and scattered by the idler sample 500 to be provided back to the optical coupler 302.
  • the laser beam scattered by the sample 500 and incident again to the optical coupler is called a signal range.
  • the prism 202 transfers the fill laser beam provided from the optical coupler to the sample, and changes the light path so that the signal beam reflected from the sample is output in the incident direction of the fill laser beam.
  • the third objective lens 204 is positioned between the prism and the sample, and the light transmitted from the prism focuses on the sample and transmits the signal range scattered and reflected by the sample 500. Pass to prism 202.
  • the reference beam generator 303 generates and outputs a reference frame having the same optical path as that of the existing signal range using the fill laser beam.
  • One embodiment of the reference beam generator according to the preferred embodiment of the present invention is composed of a reference mirror 304 and a lens 306. A portion of the fill laser beam provided to the reference beam generator is transmitted to the reference mirror 304 through the lens 306 and reflected by the reference mirror 304 to the optical coupler 302.
  • the fill laser beam reflected by the reference mirror 304 and incident to the optical coupler is referred to as a reference beam.
  • the OCT signal generator 305 measures the interference signal of the signal range of the signal range measurement unit and the reference beam of the reference beam generator, and generates and outputs an optical interference signal, that is, an OCT signal for a sample, using the interference signal.
  • One embodiment of the OCT signal generator 305 according to a preferred embodiment of the present invention consists of an optical coupler 302 and a spectrometer 308.
  • the optical coupler 302 divides the pulse laser beam having an ultra-wide band wavelength spectrum provided from the light source unit into the signal beam measuring unit 301 and the reference beam generating unit 303, and provides the signal beam measuring unit. And combine and output the signal and reference frames provided from the reference beam generator, respectively.
  • the spectrometer 308 detects an optical interference signal from the combined signal of the signal beam and the reference beam provided from the optical coupler and outputs the optical interference signal to the controller.
  • the sample stage 200 is preferably composed of the linear micro stage, the sample 500 is mounted.
  • the sample stage 200 is connected to the stage driving unit 203 capable of linear fine driving, and moves up, down, left and right according to the drive signal provided from the controller.
  • the sample stage 200 can be moved finely in the vertical direction to scan the sample 500 in order to make a three-dimensional image by the drive of the stage driving unit.
  • the transducer 402 of the optoacoustic signal output unit 400 has an amplification wavelength of 40 MHz and is installed on the opposite side of the third objective lens 204 around the sample 500, and is used to generate the OCT image.
  • An optical acoustic signal generated when the Fils laser beam incident upon the sample 500 is focused through the three objective lens 204 is absorbed by the sample 500, and is provided to the amplifier 404.
  • the amplifier 404 amplifies the optoacoustic signal and transmits the signal to the controller 600 through a data acquisition (DAQ) board having a 100 MHz sampling.
  • the controller 600 obtains an optoacoustic tomography image based on the optoacoustic signal obtained through the DAQ board.
  • DAQ data acquisition
  • the control unit 600 is a computing system, and obtains an OCT image from a signal beam provided by the OCT signal output unit 300 and an optical interference signal of a reference frame, and provides the optical sound signal output unit 400.
  • Photoacoustic tomography (PAT PAM) images are acquired from the acoustic signals, displayed, and output.
  • the controller 600 may display the OCT image and the photoacoustic tomography image to overlap each other as illustrated in FIG. 4C or 4D, so as to facilitate the user's convenience.
  • the controller 600 may generate a motor driving signal for moving up, down, left, and right of the sample stage 206 for 3D imaging of the sample 500 and provide the motor driving signal to the stage driver.
  • FIG. 4 illustrates an example of acquiring multiple images using an ultra-wide band light source unit which simultaneously provides OCT and PAT PAM imaging.
  • the sample for acquiring the multiple images has a cross hair of a diameter of about 200 ⁇ m. It is installed.
  • 4 (a) shows two black hairs in a cross shape
  • FIG. 4 (b) shows one black and one white in a cross shape.
  • the present invention enables OCT and PAM / PAT imaging simultaneously by using one light source, beyond the limitation of the system of multiple imaging using two light sources.
  • the present invention can be widely used in optical imaging apparatus such as medical field.

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Abstract

본 발명에 따르는 다중 이미징 장치는, 단일 파장의 펄스 레이저빔을 출력하는 광원을 이용하여 초광대역 파장 스펙트럼을 갖는 펄스 레이저빔을 생성하여 출력하는 광원부; 시료를 배치하는 시료 스테이지; 상기 펄스 레이저빔을 이용하여 시료에 대한 간섭 신호를 측정하고, 상기 간섭 신호로부터 광간섭(OCT) 신호를 검출하여 출력하는 OCT 신호 출력부; 상기 시료에 전달된 상기 펄스 레이저빔에 의해 생성된 광음향 신호를 획득하여 출력하는 광음향 신호 출력부; 상기 OCT 신호 출력부로부터 제공되는 OCT 신호를 이용하여 OCT 단층 이미지를 생성하여 출력하고, 상기 광음향 신호 출력부로부터 제공되는 광음향 신호를 이용하여 광음향 단층 이미지를 생성하여 출력하는 제어부; 를 구비하여, 단일의 광원을 이용하여 상기 시료에 대한 OCT 단층 이미지와 광음향 단층 이미지를 동시에 출력한다.

Description

【명세세
【발명의 명칭】
다증 이미징 장치 【기술분야]
본 발명은 광학 이미징 장치에 관한 것으로， 더욱 상세하게는 필스 레이저 이면서 동시에 넓은 반치폭을 가지는 초광대역 광원 (Supercontinuum Source) 장 치 하나만을 이용하여 광간섭 단층 이미지와 광음향 단층 이미지를 동시에 제공 하는 다중 이미징 장치에 관한 것이다.
【배경기술】
광 간섭 단층 촬영 장치 (이) tical Coherence Tomography, OCT)와 광 음향 단층 촬영 장치 (Photoacoustic Tomography/Microscopy, PAT/PAM)는 3차원 비 침습적인 광학 이미징 장치로써 서로 다른 대조비 매커니즘을 바탕으로 하고 있다. 상기 OCT는 저간섭 간섭계를 기반으로 한 광 이미징 장치로써 주로 생체 조직의 광 산란을 이용하여 고해상도의 단층 이미지를 획득하고， 상기 PAT/PAM 는 레이저가 생체 조직에 입사하였을 때， 발생되는 광음향 신호를 획득하여 단층 이미징을 하는 장치로써， 광 흡수를 이용하여 이미징을 하는 장치이다.
이와같이 OCT와 PAT PAM은 서로 다른 대조비 메커니즘을 가지므로 생 체 조직에 대한 상호 보완적인 정보를 제공한다. 예를 들어， OCT는 생체 조직을 마이크로 스케일로 조직 검사와 같은 단층 구조 이미지와 도플러 신호를 측정하 여 혈류의 속도를 정보를 제공하며， PAT/PAM은 빛의 흡수체들의 분포를 맵핑함 으로써 미세 혈관 이미징 및 혈증 산소 포화 농도 둥의 이미지를 획득가능하다. 이에따라 OCT와 PAT PAM을 동시에 이미징할 수 있을 경우， 생체 조직 의 신진 대사량을 측정하여 암 조기 진단 등 다양한 분야에 웅용이 가능해진다. 또한 두 가지 광 이미징 장치는 같은 광학계를 공유하는 것이 가능하여 동시 이 미징 장치 개발에 장점이 있다.
하지만두 가지 광 이미징 장치를 동시에 이미징하기 위해서는서로 다른 특 성의 광원이 필요하다. 좀 더 설명하면， 상기 OCT의 경우 광대역 광원 (Broadband Source)이 필요하며， PAT/PAM의 경우 필스 레이저 (Pulsed Laser)가 필요하다. 특 히 상기 OCT는 광대역 광원의 반치폭 (FWHM; Full width of half maximum)에 의 해서 깊이 방향 해상도 (Axial resolution)가 결정이 되므로， 넓은 반치폭을 가지고 있 는 광원을 이용할 경우 더 세밀하게 생체 조직을 이미징할수 있다.
기존의 PAT PAM광원과 OCT광원의 특성이 앞서 설명한 바와 같이 상이 하므로， 단일의 광원을 같이 사용할 수가 없었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하 여， 본 특허에서는 광결정 광섬유 (Photonic crystal fiber;PCF)를 사용한 광학계를 구성하여 이와 같은 한계를 극복하였고 동일광원을 사용함으로써 발생하는 이미 징상의 장점을 확인할 수 있다.
상기 OCT의 깊이 방향 해상도 산출은 수학식 1에 따르며， 상기 수학식 1 은 광대역 광원의 반치폭이 크면 클수록 세밀한 깊이 방향 해상도를 가지게 됨을 나타낸다.
【수학식 1】
21η2 >ζ
Axial resolution = A 、
ᅀ λ
(λ0： Cknter wavelength, Δλ： FWHM) 상기 PAT/PAM는 필스 레이저가 생체에 입사하여 생체내 흡수체가 흡수 한 흡수 에너지가 열로 변환되고， 나증에 압력으로 변환되어 발생되는 광 음향 신 호를 트랜스듀서로 획득하여 이미징을 하는 장치이다. 따라서 높은 에너지를 가지 는 필스 레이저가 필수적이다. ' 현재까지 두 가지 이미징 장치를 동시에 획득하기 위해서， 서로 다른 광원 을 이용하여 동시 이미징을 진행하였으나， 가격적인 측면과 두 개의 광원을 합치 기 위해서 다른 광학 장비가 필요한 점 둥 문제가 내재되어 있었다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
본 발명은 필스 레이저이면서 동시에 넓은 반치폭을 가지는 초광대역 광 원 (Supercontinuum Source) 장치 하나만을 이용하여 광간섭 단층 (OCT)이미지와 광음향 단층 (PAT PAM) 이미징을 동시에 제공하는 다증 이미징 장치를 제공하 는 것을 그 목적으로 한다.
[기술적 해결방법]
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르는 다중 이미징 장치 는， 단일 파장의 필스 레이저범을 출력하는 광원을 이용하여 초광대역 파장 스펙 트럼을 갖는 필스 레이저빔을 생성하여 출력하는 광원부; 시료를 배치하는 시료 스테이지; 상기 필스 레이저범을 이용하여 시료에 대한 간섭 신호를 측정하고， 상 기 간섭 신호로부터 광간섭 (OCT) 신호를 검출하여 출력하는 OCT 신호 출력부; 상기 시료에 전달된 상기 필스 레이저범에 의해 생성된 광음향 신호를 획득하여 출력하는 광음향 신호 출력부; 상기 OCT신호 출력부로부터 제공되는 OCT신호 를 이용하여 OCT 단층 이미지를 생성하여 출력하고， 상기 광음향 신호 출력부로 부터 제공되는 광음향 신호를 이용하여 광음향 단층 이미지를 생성하여 출력하는 제어부; 를 구비하여， 단일의 광원을 이용하여 상기 시료에 대한 OCT 단층 이미 지와 광음향 단층 이미지를 동시에 출력한다.
전술한 특징에 따른 다중 이미징 장치에 있어서， 상기 다중 이미징 장치는 시료 스테이지를 이동시키는 스테이지 구동부를 더 구비하고， 상기 제어부는 시료 스테이지를 스캐닝시키기 위하여 상기 스테이지 구동부를 제어하는 구동신호를 생성하여 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 다중 이미징 장치에 있어서， 상기 OCT 신호 출력부 는， 상기 필스 레이저범을 이용하여 상기 시료에 대한 정보를 포함하는 신호빔을 생성하여 출력하는 신호빔 측정부; 상기 필스 레이저빔을 이용하여 상기 신호범과 동일한 광경로를 갖는 기준빔을 생성하여 출력하는 기준빔 생성부; 상기 신호빔 측정부의 신호빔과 상기 기준빔 생성부의 기준빔의 간섭 신호를 측정하고， 상기 간섭 신호를 이용하여 시료에 대한 OCT 신호를 생성하여 출력하는 OCT 신호 생성부; 를 구비하고，
상기 OCT 신호 생성부는， 상기 광원부로부터 제공되는 초광대역 파장 스 펙트럼을 갖는 필스 레이저 범을 상기 신호빔 측정부와 상기 기준범 생성부로 나 누어 제공하고, 상기 신호빔 측정부와 상기 기준범 생성부로부터 각각 제공되는 신호범과 기준빔을 결합하여 광 커플러; 및 상기 광 커플러로부터 제공되는 신호 빔과 기준빔의 결합 신호로부터 광간섭 신호를 검출하여 출력하는 분광기; 를 구 비하고，
상기 신호범 측정부는， 상기 광 커플러로부터 제공되는 필스 레이저범을 시료로 전달하고, 상기 시료로부터 반사된 신호범이 출력되도록 광 경로를 변경하 는 프리즘; 및 상기 프리즘과 상기 시료 사이에 위치하며， 상기 프리즘으로부터 전달되는 광이 상기 시료에 초점을 맞춰 제공되도록 굴절하는 대물렌즈;를 구비하 는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 다증 이미징 장치에 있어서， 상기 광음향 신호 출력부 는， 상기 시료에 전달된 필스 레이저 빔에 의해 생성된 광음향 신호를 획득하는 트랜스듀서; 및 상기 트랜스듀서로부터 출력된 광음향 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기；를 구비하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 다증 이미징 장치에 있어서， 상기 광원부는, 단일 파 장의 펄스 레이저빔을 제공하는 광원; 상기 단일 파장의 필스 레이저빔을 시준하 여 출력하는 시준화 렌즈; 및 상기 시준화된 필스 레이저 빔을 입력받아 초광대역 파장 스펙트럼을 갖는 필스 레이저 빔으로 변환시켜 출력하는 광결정 광섬유；를 구비하며，
상기 시준화 렌즈와 상기 광결정 광섬유 사이에 위치하는 제 1대물렌즈; 및 상기 광결정 광섬유의 출력단에 위치하는 제 2대물렌즈;를 더 구비하는 것이 바람 직하다.
【유리한 효과】
상기한 본 발명은 필스 레이저이면서 동시에 넓은 반치폭을 가지는 초광 대역 광원 (Supercontimmm Source) 장치 하나만을 이용하여 OCT와 PAT/PAM 이미징을 동시에 제공하는 원가절감은 물론이고 광원부의 구성을 단순화시킬 수 있음은 물론이고 크기도 감소시킬 수 있는 효과를 야기한다.
종래의 기술에 따라， OCT와 PATPAM 이미징을 동시에 제공하기 위하여 서로 다른 광원을 사용할 경우 두 광원의 초점이 서로 완벽히 일치하지 못하는 단점과 측정시간 동기화가 쉽지 않은 단점이 있다. 하지만， 본 발명과 같이 하나 의 광원을 사용할 경우， 측정위치가 항상 동일할 뿐만 아니라 측정 시간도 항상 동일하게 된다. 따라서， 본 발명에 따른 장치는 시간적으로 변화가 있는 시료를 측정하기에 적합한 효과를 가진다.
【도면의 간단한 설명】
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 이미징 장치의 구성도. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초광대역 광원의 파장별 스펙 트럼을 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초광대역 광원의 시간별 필스 레이저 정보를 예시한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한실시예에 따른 다증 이미징 결과를 예시한도면. 【발명의 실시를 위한 최선의 형태】
본 발명은 필스 레이저이면서 동시에 lOOOnm 이상의 넓은 반치폭을 가지 는 초광대역 광원 (Supercontinuum Source) 장치 하나만을 이용하여 OCT와 PAT/PAM 이미징을 동시에 제공한다.
<다중 이미징 장치의 구성 >
상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 이미징 장치의 구성을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
상기 다중 이미징 장치는 광원부 (100)， 시료 스테이지 (200), 스테이지 구동 부 (203)， OCT 신호 출력부 (300)， 광음향 신호 출력부 (400) 및 제어부 (600)로 구성 된다.
상기 광원부 (100)는 필스 레이저 (102)와 시준화 렌즈 (104)와 제 1대물렌즈 (106)와 광결정 광섬유 (108)와 제 2대물렌즈 (110)를 구비한다.
상기 시료 스테이지 (200)는 시료를 배치하는 것으로서， 선형 마이크로 스 테이지로 구성되는 것이 바람직하며， 스테이지 구동부 (203)에 연결되어 상하좌우 이동가능하다. 상기 스테이지 구동부는 제어부로부터의 구동 신호에 따라 시료 스 테이지를 상하좌우로 이동시켜 스캐닝이 가능하도록 한다.
상기 OCT 신호 출력부 (300)는 상기 광원부로부터 제공되는 필스 레이저 범을 이용하여 시료에 대한 간섭 신호를 측정하고 상기 간섭 신호로부터 OCT신 호를 검출하여 출력한다. 상기 OCT 신호 출력부는 신호빔 측정부 (301)， 기준빔 생성부 (303) 및 OCT신호 생성부 (305)를 구비한다.
상기 광음향신호출력부 (400)는 트랜스듀서 (402) 및 증폭기 (404)를 구비한다. 이하， 광원부 (100)의 각부에 대해 설명한다.
상기 필스 레이저 (102)는 단파장 필스 레이저를 출사하며， 1064 nm단파장 의 레이저를 20 kHz의 속도로 출력하는 Q-switch 필스 레이저 (Teen Photonics, SNP-20F-100)가 채용될 수 있다. 상기 시준화 렌즈 (104)는 상기 필스 레이저 (102)가 출사하는 단파장 필스 레이저를 시준하여 일정한 직경을 갖는 단파장 필스 레이저 빔으로 출력한다. 상기 시준된 단파장 필스 레이저 범은 제 1대물렌즈 (106)를 통해 광결정 광 섬유 (Photonic crystal fiber;PCF)(108)와 커플링된다.
상기 단파장 필스 레이저 빔은 광결정 광섬유 (108)를 통과하면서 초광대역 파장 스펙트럼을 갖는 필스 레이저 범으로 변환된다.
도 2는 광 스펙트럼 분석기 (이 Dtical Spectrum Analyzer: OSA)를 이용하여 상기 광결정 광섬유 (108)로부터 출력되는 초광대역 파장 스펙트럼을 가지는 필스 레이저 범에 대해 측정한 파장별 광원 정보로써， 400nm에서 1700nm까지 파장을 가지며， 700nm에서 1500nm사이에서 일정한 파워값을 가진다.
도 3은 오실로스코프를 이용하여 상기 광결정 광섬유 (108)로부터 출력되는 초광대역 파장 스펙트럼을 가지는 필스 레이저 빔에 대해 측정한 시간별 광원 정 보로써， 약 20 kHz의 속도로 출력된다.
상기 광결정 광섬유 (108)를 통과하면서 생성된 초광대역 파장 스펙트럼을 가지는 필스 레이저 빔은 제 2대물렌즈 (110)를 통해 OCT 신호 출력부 (300)에 연결 된 광섬유와 커플링되어 OCT신호 출력부 (300)로 제공된다.
상기 OCT 신호 출력부는 신호빔 측정부 (301)， 기준빔 생성부 (303) 및 OCT 신호 생성부 (305)를 구비한다. 이하， 상기 OCT 신호 출력부 (300)의 각부에 대해 설명한다. 상기 신호빔 측정부 (301)는 상기 필스 레이저빔을 이용하여 상기 시료에 대 한 정보를 포함하는 신호범을 생성하여 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따 른 신호빔 측정부의 일 실시형태는 프리즘 (202) 및 제 3 대물렌즈 (204)로 구성된다. 상기 시료 스테이지 (200)로 입사된 필스 레이저 범의 일부는 시료 (500)에 전달됨과 아을러 시료 (500)에 의해 산란되어 다시 광 커플러 (302)에 제공된다. 이하, 시료 (500)에 의해 산란되어 다시 광 커플러로 입사되는 레이저 범을 신호범이라 한다. 상기 프리즘 (202)은 광 커플러로부터 제공되는 필스 레이저빔을 시료로 전 달하고， 상기 시료로부터 반사된 신호빔올 상기 필스 레이저 범의 입사방향으로 출력되도록 광 경로를 변경시킨다.
상기 제 3 대물 렌즈 (204)는 상기 프리즘과 상기 시료 사이에 위치하여， 상 기 프리즘으로부터 전달되는 광이 상기 시료에 초점을 맞춰 전달하고， 상기 시료 (500)에 의해 산란되어 반사된 신호범을 상기 프리즘 (202)으로 전달한다.
상기 기준빔 생성부 (303)는 상기 필스 레이저빔을 이용하여 기 신호범과 동일한 광경로를 갖는 기준범을 생성하여 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기준빔 생성부의 일 실시형태는 기준미러 (304) 및 렌즈 (306)로 구성된다. 상 기 기준빔 생성부로 제공되는 필스 레이저 빔의 일부는 렌즈 (306)를 통해 기준미 러 (304)로 전달됨과 아울러 기준미러 (304)에 의해 반사되어 다시 광 커폴러 (302) 로 제공된다. 본 명세서에서는 기준미러 (304)에 의해 반사되어 다시 광 커플러로 입사되는 필스 레이저 빔을 기준빔이라 한다.
상기 OCT 신호 생성부 (305)는 상기 신호범 측정부의 신호범과 상기 기준 빔 생성부의 기준빔의 간섭 신호를 측정하고, 상기 간섭 신호를 이용하여 시료에 대한 광 간섭 신호 즉， OCT 신호를 생성하여 출력한다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 OCT 신호 생성부 (305)의 일 실시형태는 광 커플러 (302) 및 분광 기 (308)로 구성된다.
상기 광 커플러 (302)는 상기 광원부로부터 제공되는 초광대역 파장 스펙트 럼을 갖는 펄스 레이저범을 상기 신호빔 측정부 (301)와 상기 기준빔 생성부 (303) 로 나누어 제공하고， 상기 신호빔 측정부와 상기 기준빔 생성부로부터 각각 제공 되는 신호범과 기준범을 결합하여 출력한다.
상기 분광기 (308)는 상기 광 커플러로부터 제공되는 신호빔과 기준빔의 결 합 신호로부터 광 간섭신호를 검출하여 상기 제어부로 출력한다.
이하， 상기 시료 스테이지 (200) 및 스테이지 구동부 (203)에 대하여 설명한다. 상기 시료 스테이지 (200)는 상기 선형 마이크로 스테이지로 구성되는 것이 바람직하여， 시료 (500)가 거치된다. 한편， 상기 시료 스테이지 (200)는 선형 미세 구 동이 가능한 스테이지 구동부 (203)와 연결되어， 제어부로부터 제공되는 구동신호 에 따라 상하좌우로 이동한다. 특히 시료 스테이지 (200)는 스테이지 구동부의 구 동에 의해， 3차원 이미지를 만들기 위하여 시료 (500)를 스캐닝할 수 있도록 상하 좌우 방향으로 미세 이동 가능하다.
이하， 상기 광음향 신호 출력부 (400)의 각부에 대해 설명한다.
상기 광음향 신호 출력부 (400)의 트랜스듀서 (402)는 40MHz의 증심파장을 가지며 시료 (500)를 중심으로 상기 제 3대물렌즈 (204)의 반대편에 설치되며, 상기 OCT 이미지 생성을 위해 제 3대물렌즈 (204)를 통해 시료 (500)에 초점이 맞춰진 상 태에서 입사되는 필스 레이저 범이 시료 (500)에 흡수됨에 따라 발생되는 광음향 신호를 획득하여 증폭기 (404)에 제공한다.
상기 증폭기 (404)는 광음향 신호를 증폭한 후에 100 MHz의 샘플링을을 가 지는 DAQ(Data Acquisition) 보드를 통해서 제어부 (600)로 전달한다. 상기 제어부 (600)는 상기 DAQ 보드를 통해 획득된 광음향 신호를 토대로 한 광음향 단층 이 미지를 획득한다.
상기 제어부 (600)는 컴퓨팅 시스템 둥으로， 상기 OCT 신호 출력부 (300)가 제공하는 신호빔과 기준범의 광 간섭신호로부터 OCT 이미지를 획득하고, 상기 광음향 신호 출력부 (400)가 제공하는 광음향 신호로부터 광음향 단층 (PAT PAM) 이미지를 획득하여 표시하여 출력한다.
상기 제어부 (600)는 상기 OCT 이미지와 광음향 단층 이미지를 도 4의 (c) 또는 (d)에 도시한 바와 같이 중첩되게 표시하여 사용자의 편이를 도모할 수 있다. 또한 상기 제어부 (600)는 상기 시료 (500)의 3차원 이미징을 위해 상기 시 료 스테이지 (206)의 상하좌우 이동을 위한 모터구동신호를 생성하여 상기 스테이 지 구동부에 제공할 수도 있다. <다중 이미징 결과 >
도 4는 OCT와 PAT PAM 이미징을 동시에 제공하는 초광대역 광원부를 이용하여 다중 이미지를 획득한 예를 도시한 것으로， 상기 다중 이미지의 획득을 위한 시료는 약 200 um의 직경을 가지는 머리카락을 십자모양으로 설치한 것이다. 도 4의 (a)는 두 개의 검정색 머리카락을 십자모양으로 설치한 것이고， 도 4의 (b)는 하나는 검정색， 하나는 흰색을 십자모양으로 설치한 것이다.
상기 OCT는 시료의 산란 정보를 이용하여 이미징하므로， 머리카락의 색깔 에 상관없이 십자형태의 이미징이 가능하다. 그러나 PAT/PAM의 경우 시료의 흡 수 정보를 이용하여 이미징하므로， 흰색 머리카락의 경우 레이저가 흡수되는 것이 극히 미약하여 레이저를 흡수한 후에 광 음향 신호를 발생시키기 어려워 십자형태 의 이미징이 어렵다. 이에따라 상기 도 4의 (a)에 대해 이미징하면, 도 5의 (c)와 같이 OCT와 PAT PAM 이미징이 모두 수행되나， 도 5의 (b)에 대해 이미징하면， 도 5의 (d)와 같이 OCT의 경우 흰색 머리카락까지 이미징되지만， PAT/PAM의 경우 검정색만 이미징된다.
이와 같이 본 발명은 기존에 두 개의 광원을 사용하여 다중 이미징하던 시스템의 한계를 벗어나서 하나의 광원을 이용하여 OCT와 PAM/PAT 이미징을 동시에 가능하게 한다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나， 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며， 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 웅용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고， 이러한 변형과 웅용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
【산업상 이용가능성】
본 발명은 의료분야 등의 광영상 이미징 장치에 널리 사용될 수 있다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 1】
단일 파장의 필스 레이저빔을 출력하는 광원을 이용하여 초광대역 파장 스펙트럼을 갖는 필스 레이저범을 생성하여 출력하는 광원부;
시료를 배치하는 시료 스테이지;
상기 필스 레이저빔을 이용하여 시료에 대한 간섭 신호를 측정하고， 상기 간섭 신호로부터 OCT신호를 검출하여 출력하는 OCT신호 출력부;
상기 시료에 전달된 상기 필스 레이저범에 의해 생성된 광음향 신호를 획 득하여 출력하는 광음향 신호 출력부;
상기 OCT신호 출력부로부터 제공되는 광 간섭 신호를 이용하여 OCT 이 미지를 생성하여 출력하고， 상기 광음향 신호 출력부로부터 제공되는 광음향 신호 를 이용하여 광음향 단층 이미지를 생성하여 출력하는 제어부;
를 구비하여， 단일의 광원을 이용하여 상기 시료에 대한 OCT 이미지와 광 음향 이미지를 동시에 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치.
【청구항 2】
제 1항에 있어서， 상기 다증 이미징 장치는 시료 스테이지를 이동시키는 스테이지 구동부를 더 구비하고，
상기 제어부는 시료를 스캐닝하기 위하여 상기 스테이지 구동부를 제어하 는 구동신호를 생성하여 제공하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치.
【청구항 3】
제 1항에 있어서， 상기 OCT신호 출력부는
상기 필스 레이저빔을 이용하여 상기 시료에 대한 정보를 포함하는 신호 범을 생성하여 출력하는 신호빔 측정부; 상기 필스 레이저빔을 이용하여 상기 신호빔과 동일한 광경로를 갖는 기 준빔을 생성하여 출력하는 기준빔 생성부;
상기 신호빔 측정부의 신호빔과 상기 기준빔 생성부의 기준범의 간섭 신 호를 측정하고， 상기 간섭 신호를 이용하여 시료에 대한 광 간섭 신호를 생성하여 출력하는 OCT신호 생성부;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치. 【청구항 4】
제 3항에 있어서， 상기 OCT신호 생성부는 .
상기 광원부로부터 제공되는 초광대역 파장 스펙트럼을 갖는 필스 레이저 범을 상기 신호빔 측정부와 상기 기준범 생성부로 나누어 제공하고， 상기 신호빔 측정부와 상기 기준빔 생성부로부터 각각 제공되는 신호빔과 기준범을 결합하여 출력하는 광 커플러; 및
상기 광 커플러로부터 제공되는 신호빔과 기준빔의 결합 신호로부터 광 간섭신호를 검출하여 출력하는 분광기;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 다증 이미징 장치.
【청구항 5】
제 4항에 있어서， 상기 신호빔 측정부는，
상기 광 커플러로부터 제공되는 필스 레이저빔을 시료로 전달하고， 상기 시료로부터 반사된 신호범이 출력되도록 광 경로를 변경하는 프리즘; 및
상기 프리즘과 상기 시료 사이에 위치하며, 상기 프리즘으로부터 전달되는 광이 상기 시료에 초점을 맞춰 제공되도록 굴절하는 대물렌즈;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치. 【청구항 6】
제 1항에 있어서， 상기 광음향 신호 출력부는
상기 시료에 전달된 필스 레이저 빔에 의해 생성된 광음향 신호를 획득하 는 트랜스듀서; 및
상기 트랜스듀서로부터 출력된 광음향 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기; 를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치.
【청구항 7】
제 1항에 있어서， 상기 광원부는，
단일 파장의 필스 레이저범을 제공하는 광원;
상기 단일 파장의 필스 레이저범올 시준하여 출력하는 시준화 렌즈; 및 상기 시준화된 필스 레이저 빔을 입력받아 초광대역 파장 스펙트럼을 갖 는 필스 레이저 빔으로 변환시켜 출력하는 광결정 광섬유;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치.
【청구항 8】
제 7항에 있어서，
상기 시준화 렌즈와 상기 광결정 광섬유 사이에 위치하는 제 1대물렌즈; 및 상기 광결정 광섬유의 출력단에 위치하는 제 2대물렌즈;
를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치.
【청구항 9】
제 1항에 있어서， 상기 광원부는 lOOOnm 이상의 반치폭을 갖는 초광대역 광원인 것을 특징으로 하는 다중 이미징 장치.
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