WO2015182860A1 - 레이저 유도 플라즈마 분광 장치 및 이를 이용한 의료 진단 장치 - Google Patents

레이저 유도 플라즈마 분광 장치 및 이를 이용한 의료 진단 장치 Download PDF

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WO2015182860A1
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변성현
이대훈
송영훈
김관태
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Definitions

  • the present invention relates to a laser-induced plasma spectroscopy apparatus, and more particularly, a laser-induced plasma spectroscopy apparatus using a plasma reactor having improved signal sensitivity using a plasma reactor, and a laser-induced plasma spectroscopy technique for analyzing a diagnosis target in real time. It relates to a medical diagnostic device using.
  • LIBS general laser induced breakdown spectroscope
  • ICP inductively coupled plasma
  • the laser-induced plasma spectroscopic analysis method maintains a high temperature by focusing a high-power laser beam on a target specimen to form a plasma that emits bright light, such as a breakdown at the focal point.
  • the target specimen is vaporized, atomized and ionized, and the atoms and ions may be in an excited state by the absorbed energy.
  • Atoms and ions in the excited state release energy after a certain time and return to the ground state. At this time, the emitted energy shows its own wavelength depending on the type of the element and the state of excitation.
  • raising the detection limit for each element of the target specimen can be said to be the direction of technology development of the laser-induced plasma spectroscopic analysis method.
  • the laser-induced plasma spectroscopy method may irradiate the laser twice or several times at intervals of several ns to ⁇ s in a condition that requires high sensitivity or is difficult to receive a signal.
  • the laser-induced plasma spectroscopic analysis technique described above can analyze the constituent elements of the object in real time, it is required to be used in medical fields such as disease diagnosis.
  • assistive imaging equipment such as magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT)
  • MRI magnetic resonance imaging
  • CT computed tomography
  • a complete cancer diagnosis requires a biopsy that takes two hours to several days, and even if cancer is detected in tissues removed from the body, it is still unknown how the cancer is distributed in the tissues existing inside the body. Therefore, it is very difficult to estimate the extent of the tissue to be excised and removed, and also requires openness for treatment.
  • An object of the present invention is to provide a laser-induced plasma spectroscopy apparatus using a plasma reactor to increase the intensity of the plasma generated from the sample to be analyzed or to extend the duration of the generated plasma to increase the detection limit for each element.
  • Another object of the present invention is to provide a medical diagnostic apparatus using laser-induced plasma spectroscopy technology for analyzing the constituent elements of a diagnosis target in real time.
  • an object of the present invention is to provide a medical diagnostic apparatus integrating a laser-induced plasma spectrometer and an endoscope, and comparing the ratio of the constituent elements of disease (eg cancer) tissues with that of normal tissues (eg
  • the diagnosis of a disease (eg cancer) is performed in real time based on different points of Na / K element ratio, Ca / Na element ratio, etc., and the element to be diagnosed by accessing a place accessible by a normal endoscope. It is to provide a medical diagnostic device for analyzing the components.
  • another object of the present invention is to provide a medical diagnostic apparatus that analyzes in real time the constituent elements of a diagnosis target even when the diagnosis target is outside of the body.
  • the laser head for irradiating a laser beam;
  • a focusing lens for focusing the laser beam on the target specimen;
  • a plasma reactor for controlling and amplifying the electron density and electron energy of the first plasma generated from the target specimen positioned at the focal point of the laser beam passing through the focusing lens;
  • a collection lens for focusing the second plasma amplified by the plasma reaction unit;
  • a spectrophotometer for analyzing the second plasma focused through the collection lens.
  • the plasma reaction unit may convert the first plasma to the second plasma by the dielectric barrier discharge.
  • the plasma reaction unit may include a housing formed of a dielectric disposed on the target specimen, and a pair of first pairs provided with an outer circumference of the housing and generating a second plasma by dielectric barrier discharge in the housing when a driving voltage is applied. It may include an electrode and a second electrode.
  • the plasma reaction unit may further include a gas supply unit supplying a discharge gas into the housing.
  • the housing is formed of quartz and may be formed in a cylindrical shape.
  • the housing may be installed in a specimen support part that supports the target specimen, and accommodate the target specimen.
  • a laser guided plasma comprising a laser guide bundle coupled to a laser head to irradiate a laser beam to a diagnosis target and a spectroscopic guide bundle coupled to a spectrophotometer to receive a plasma signal generated at the diagnosis target.
  • Spectroscopic section And a probe provided with the laser guide bundle and the spectroscopic guide bundle and disposed close to the diagnosis object.
  • the laser guide bundle may include a first optical fiber connected to the laser head; And a focusing lens disposed in front of the first optical fiber in the probe to focus the laser beam delivered to the first optical fiber on the diagnosis target.
  • the spectroscopic guide bundle may include a second optical fiber connected to the spectrophotometer; And a collection lens disposed in front of the second optical fiber in the probe to receive and send a plasma signal generated from the diagnosis target to the second optical fiber.
  • the focusing lens and the collection lens may be disposed on the same plane at the end of the probe.
  • the laser beam may be a nanosecond pulsed laser beam or a femtosecond pulsed laser beam.
  • the method may further include a plasma reaction unit configured to control and amplify the electron density and the electron energy of the plasma signal generated in the diagnosis target, and the plasma signal amplified by the plasma reaction unit may be delivered to the spectral guide bundle.
  • a plasma reaction unit configured to control and amplify the electron density and the electron energy of the plasma signal generated in the diagnosis target, and the plasma signal amplified by the plasma reaction unit may be delivered to the spectral guide bundle.
  • an endoscope including an insertion tube that is accessible to the diagnosis object, a banding member provided on one side of the insertion tube connecting the insertion tube and the probe, and a controller provided on the other side of the insertion tube.
  • the endoscope may further include a light guide bundle, and the light guide bundle may include a third optical fiber connected to a light source, and a lens disposed in front of the third optical fiber in the probe.
  • the endoscope unit further includes an image capturing unit, the image capturing unit includes an objective lens provided in the probe to capture an image of the diagnosis target, a charge coupled device (CCD) disposed behind the objective lens to digitize the image, and It may include an image display unit connected to the charge coupling device for implementing a digital signal as an image.
  • the image capturing unit includes an objective lens provided in the probe to capture an image of the diagnosis target, a charge coupled device (CCD) disposed behind the objective lens to digitize the image, and It may include an image display unit connected to the charge coupling device for implementing a digital signal as an image.
  • CCD charge coupled device
  • the endoscope unit further includes an air / water supply unit, and the air / water supply unit includes an air / water nozzle provided at the probe to inject air or water to the diagnosis object, and an external air or the air / water nozzle connected to the air / water nozzle. It may include an air / water pump for supplying water.
  • the endoscope unit further includes a suction unit, and the suction unit is provided in the probe to extract tissue from the diagnosis subject or is disposed around the diagnosis subject and the suction channel, and the extraction / suction channel is connected and extracted. And a suction pump that sucks tissue or surrounding material.
  • the target specimen is provided with a plasma reaction unit to control and amplify the first plasma generated in the target specimen by the laser beam to the second plasma by the plasma reaction unit
  • the spectrophotometer has the effect of raising the detection limit of each element in the target specimen.
  • the laser-induced plasma spectroscopy unit by combining the laser-induced plasma spectroscopy unit with the endoscope unit or using a separate laser-induced plasma spectroscopy device, by receiving the plasma signal generated in the diagnosis target in real time to obtain the constituent elements of the diagnosis target It can be analyzed in real time.
  • a disease may be diagnosed in real time by analyzing a component of a diagnosis target in real time and comparing the ratio of the component of the target tissue (eg cancer tissue) to that of a normal tissue.
  • a disease eg cancer
  • the ratio of the component of the target tissue eg cancer tissue
  • an embodiment analyzes the components of the diagnosis object by accessing the diagnosis object directly with a probe while diagnosing a disease (eg, cancer), and uses a high-power laser or a discharge to diagnose the object without additional remodeling of the patient according to the result. You can also remove it immediately.
  • a disease eg, cancer
  • FIG. 1 is a block diagram of a laser induced plasma spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a plasma amplification unit installed on the specimen support unit of FIG. 1 to amplify the plasma generated from the target specimen.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a medical diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of the insertion tube connected to the controller of FIG.
  • FIG 5 is a partial perspective view of a probe provided at the end of the insertion tube.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI of FIG. 5.
  • laser head 2 focusing lens
  • specimen support portion 4 plasma reaction portion
  • optical fiber G discharge gap
  • endoscope 200 laser-induced plasma spectrometer
  • laser guide bundle 220 spectroscopic guide bundle
  • laser head 212 first optical fiber
  • focusing lens 221 spectrophotometer
  • lens 241 objective lens
  • CCD charge coupled device
  • suction pump 262 extraction / suction channel
  • FIG. 1 is a block diagram of a laser induced plasma spectrometer according to an embodiment of the present invention.
  • a laser induced plasma spectrometer is a spectrometer using a plasma reactor, and includes a laser head 1, a focusing lens 2, a specimen support unit 3, a plasma reaction unit 4, and a collection lens 5. And a spectrophotometer 6.
  • the laser head 1 is driven by power supplied from a laser power supply (not shown) to irradiate a laser beam with a pulse. Power can be supplied by AC or DC.
  • the focusing lens 2 focuses the laser beam to apply the laser beam to the target specimen 31.
  • the specimen support 3 is configured to support the target specimen 31 and is directed toward the focusing lens 2 and the collection lens 5.
  • the specimen support 3 is used when the target specimen 31 is small, and may not be used when the target specimen (not shown) is large.
  • the target specimen 31 when the target specimen 31 is small, the target specimen 31 is disposed on the specimen support 31, and the plasma reaction unit 4 accommodates the specimen 31. ) Can be installed.
  • the plasma reaction unit may be installed on one side of the target specimen.
  • the laser beam is focused through the focusing lens 2 to act on the target specimen 31 to generate the first plasma P1. That is, the laser beam generates the first plasma P1 while removing a small amount of mass from the surface of the focused target specimen 31.
  • the 1st plasma P1 starts to generate
  • the first plasma P1 emits light continuously during the initial stage of the cooling process (for example, 200 ⁇ 300 ns or less).
  • the plasma reaction unit 4 generates a second plasma P2 that is amplified by controlling the electron density and electron energy of the first plasma P1 generated in the target specimen 31. After several ⁇ s, each of the electron lines having a unique wavelength is emitted from the second plasma P2, and the plasma reaction unit 4 amplifies the emission of these electron lines by the generation of the second plasma P2. At this time, in order to increase the generated electron density and temperature, the discharge gas such as argon or helium may be additionally supplied into the plasma reaction unit 4.
  • the second plasma P2 is focused through the collection lens 5.
  • the collection lens 5 focuses the electron lines that are amplified and emitted.
  • the electron lines focused through the collection lens 5, ie their wavelengths, are input to the spectrometer 6 via the optical fiber 61.
  • the spectrophotometer 6 detects, measures, and analyzes wavelengths of the input second plasma P2. Since the first plasma P1 is amplified from the second plasma P2, the wavelength of the second plasma P2 detected by the target specimen 31 can be measured more easily and precisely. That is, the analysis sensitivity with respect to the second plasma P2 signal is increased.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a plasma amplification unit installed on the specimen support unit of FIG. 1 to amplify the plasma generated from the target specimen.
  • the plasma reaction unit 4 is configured to control and amplify the first plasma P1 to the second plasma P2 by dielectric barrier discharge.
  • the plasma reaction unit 4 is configured to convert the first plasma P1 generated from the target specimen 31 into the dielectric barrier discharge by the laser beam to generate the second plasma P2.
  • the plasma reaction unit 4 may be driven at a lower driving voltage (V) because it uses a dielectric barrier discharge (DBD).
  • the plasma reaction part 4 is disposed on the specimen support part 3 to accommodate the target specimen 31 and is formed on a dielectric material, and is provided on the outer circumference of the housing 43 so that the second plasma ( And a pair of first electrodes 41 and second electrodes 42 for generating P2).
  • the plasma reaction unit 4 may include a gas supply unit 44.
  • the gas supply unit 44 may include a discharge gas supply tank, a supply pipe, and the like to supply additional discharge gas into the housing 43.
  • one side of the housing 43 may be provided with a port 45 connected to the gas supply unit 44 to supply discharge gas such as argon, helium, air, or the like into the housing 43.
  • the port 45 may include a passage connecting the gas supply unit 44 and the inside of the housing 43.
  • the housing 43 may be formed of a dielectric, for example, quartz, and may be formed in a cylindrical shape and disposed at one side of the specimen support 3.
  • the housing 43 is formed by opening the opposite side of the specimen support 3 to which the laser beam is introduced for heat dissipation.
  • the small object specimen 31 is disposed inside the housing 43.
  • the first electrode 41 and the second electrode 42 have a discharge gap G therebetween.
  • the housing may be disposed on an upper side of the target specimen.
  • the first plasma P1 generated in the target specimen 31 located inside the housing 43 is amplified and converted into the second plasma P2. That is, while the electron density and the electron energy are controlled in the first plasma P1, the second plasma P2 is generated.
  • the low voltage driving by the dielectric barrier discharge reduces the energy required in the plasma reaction unit 4 and lowers the driving voltage V necessary for generating the second plasma P2 to reduce the load on the power supply device.
  • various chemical species, vibrationally excited species, ions and radicals are generated by the first plasma P1 generated by the laser beam.
  • the plasma reaction unit may include a first electrode and ground the specimen support portion spaced by the discharge gap, thereby forming a wall charge in the housing located between the first electrode and the specimen support portion to implement the dielectric barrier discharge.
  • the laser-induced plasma spectroscopy apparatus described above may be used to diagnose diseases such as cancer in body tissues.
  • a medical diagnosis apparatus using laser-induced plasma spectroscopy will be described.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a medical diagnostic apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a perspective view connecting the insertion tube to the controller of FIG.
  • the medical diagnostic apparatus includes an endoscope 100 and a laser guided plasma spectrometer 200.
  • the medical diagnosis apparatus is configured to approach the diagnosis subject with the endoscope 100, irradiate a laser beam to the diagnosis subject with the laser induced plasma spectroscope 200, and analyze the diagnosis subject from the plasma signal generated from the diagnosis subject.
  • the endoscope 100 may include an insertion tube 110, a banding member 120 provided on one side of the insertion tube 110, and a probe 130 connected to the banding member 120. Include.
  • the endoscope 100 further includes a controller 140 connected to the other side of the insertion tube 110.
  • Insertion tube 110 may be inserted into the body of the patient, or may be accessible to the outside of the body. That is, the insertion tube 110 is inserted into the body or moved outside the body to allow the probe 130 to approach the diagnosis object.
  • a bending member used in a known endoscope may be applied.
  • the bending member has a ring-shaped chain connected from the controller to the probe so that the probe can be bent in the same direction as the rotation direction of the controller by turning the controller. Since the bending member is bent at least 90 degrees in the front, rear, left, and right directions, the combination can be observed from all directions with the probe.
  • the probe 130 is connected to the bending member 120 to form the shortest end of the endoscope 100, and when the insertion tube 110 is inserted into or moved out of the body, a portion directly approaching a diagnosis target to be.
  • the probe 130 includes components for diagnosing a diagnosis target, and the controller 140 can supply the components necessary for the components of the probe 130 or take the necessary components from the components of the probe 130. .
  • the laser guided plasma spectrometer 200 includes a laser guide bundle 210 for irradiating a laser beam to a diagnosis target and a spectroscopic guide bundle 220 for receiving a plasma signal generated from the diagnosis target.
  • the laser guide bundle 210 and the spectroscopic guide bundle 220 are provided in the probe 130 and connected to the laser head 211 and the spectrophotometer 221 through the insertion tube 110, respectively.
  • the laser guide bundle 210 and the spectroscopic guide bundle 220 are connected to the controller 140 through the insertion tube 110.
  • the laser guide bundle 210 and the spectroscopic guide bundle 220 are approached to the diagnosis target by the probe 130 and the bending member 120 to face at various angles.
  • the laser beam generated by the laser head 211 may be a nanosecond pulsed laser beam or a femtosecond pulsed laser beam.
  • a nanosecond pulsed laser with a pulse time of several nanoseconds (10 -9 seconds) obtains a plasma signal by damaging a portion of a solid solid specimen, such as a mineral (e.g., several micrograms). Analyzes can cause heating and damage of biological tissues. Therefore, Nd: YAG nanosecond pulse laser, which is a nanosecond pulse laser, can be utilized.
  • femtosecond pulsed lasers provide the same peak power as nanosecond pulsed lasers, the pulse time is much shorter (several femtoseconds (10 -15 seconds)) compared to nanosecond pulsed lasers, thereby reducing the energy delivered to the diagnosis target. Can be. Thus, femtosecond pulsed lasers do not unnecessarily heat or damage the object to be diagnosed.
  • the laser guide bundle 210 includes a first optical fiber 212 connected to the laser head 211, and a focusing lens disposed in front of the first optical fiber 212 at the probe 130. (213).
  • the focusing lens 213 focuses a laser generated by the laser head 211 and transmitted through the first optical fiber 212 to a diagnosis target.
  • the high power pulse laser focused on the diagnosis object by the focusing lens 213 strikes the diagnosis object to generate plasma.
  • the spectroscopic guide bundle 220 includes a second optical fiber 222 connected to the spectrophotometer 221, and a collection lens 223 disposed in front of the second optical fiber 222 at the probe 130.
  • the collection lens 223 receives the plasma signal generated at the diagnosis target.
  • the plasma signal received by the collection lens 223 is sent to the spectrophotometer 221 through the second optical fiber 222.
  • the plasma signal generated by the high-output pulsed laser focused by the focusing lens 213 has various inherent wavelengths depending on the type of elements constituting the diagnosis target.
  • the spectrophotometer 221 graphically displays the signal strength according to the wavelength of the plasma signal.
  • the inspector can compare the intensity graph according to the wavelength of the plasma signal with the intensity graph according to the wavelength of the plasma signal of the normal diagnosis object to determine whether there is an abnormality of the diagnosis object, and furthermore, the condition of the diagnosis object, namely, a disease Or it can be determined whether the cancer.
  • the specific ratio of the elements constituting the tissue according to the type of various diseases, including cancer by using a specific change for example, Na / K element ratio, Ca / Na element ratio, etc.
  • specific diseases or Cancer progression can be determined.
  • the medical diagnostic apparatus may further include a plasma reaction unit for amplifying the plasma signal generated in the diagnosis target.
  • the plasma reaction unit may control and amplify the electron density and the electron energy of the plasma signal generated in the diagnosis target, which corresponds to the plasma reaction unit 4 of FIGS. 1 and 2 described above. Omit.
  • the plasma signal amplified by the plasma reaction unit is delivered to the spectral guide bundle.
  • the plasma signal amplified by the plasma reactor is received by the collection lens 223 and sent to the spectrophotometer 221 through the second optical fiber 222.
  • the focusing lens 213 and the collection lens 223 are disposed on the same plane at the end of the probe 130. 6 shows an example.
  • the focusing lens and the collection lens may have a structure in which an end portion of the probe is recessed inward for sensitivity of the light receiver. At this time, the focusing lens and the collection lens are not in the same plane at the end of the probe, and the optical path perpendicular to the focusing lens and the collection lens is crossed at the point where the substance to be diagnosed becomes plasma.
  • the focusing lens 213 may focus the high output pulse laser on the diagnosis target, and the collection lens 223 may effectively receive the plasma signal generated at this time.
  • the endoscope 100 may further include a light guide bundle 230.
  • the light guide bundle 230 includes a third optical fiber 232 connected to the light source 231, and a lens 233 disposed in front of the third optical fiber 232 in the probe 130.
  • the third optical fiber 232 effectively transmits the light of the light source 231 to the diagnostic object so as to capture an image of the diagnostic object, and for this purpose, the lens 233 is provided in front of the third optical fiber 232. Although not shown, a lens is provided on the opposite side of the third optical fiber 232.
  • the light guide bundle may not be provided in the laser guided plasma spectroscopy apparatus for diagnosing the outside of the body where the probe is not inserted into the body and exposed to a sufficient bright environment.
  • the endoscope 100 may further include an image capturing unit 240.
  • the image capturing unit 240 is provided in the probe 130 to arrange an objective lens 241 for capturing an image of a diagnosis target, and a charge coupled device (CCD) 242 disposed at the rear of the objective lens 241 to digitize the image.
  • CCD charge coupled device
  • an image display unit 243 connected to the charge coupling element 242 by a cable to implement a digital signal as an image.
  • the charge coupled device (CCD) 242 arranges thousands of photosites, i.e., pixels, for sensing light on a surface thereof.
  • the CCD 242 detects light that is irradiated through the light guide bundle 230 and reflected from the diagnosis target.
  • the CCD 242 is positioned directly behind the objective lens 241 in the probe 130 to convert the optical image into an electrical signal, and the image display unit 243 connected to the CCD 242 converts the electrical signal into an image signal to produce an image. Represented by As a result, the diagnosis object inside the body can be viewed as an image.
  • the endoscope 100 may further include a transmitter / transmitter 250.
  • the air supply / transmission unit 250 may be provided in the probe 130 to inject air or water to the diagnosis target.
  • the air / water supply unit 250 includes an air / water nozzle 252 for injecting the air / water pump 251.
  • the air / water pump 251 supplies air or water from the outside, and the air / water nozzle 252 is connected to the air / water pump 251 by a conduit (not shown) and provided to the probe 130 to provide air / water.
  • the diagnosis object is cleaned by spraying air or water supplied from the water pump 251 to the diagnosis object.
  • the endoscope 100 may further include a suction unit 260.
  • the suction unit 260 includes a suction pump 261 and an extraction / suction channel 262 provided in the probe 130.
  • the suction pump 261 is connected to the extraction / suction channel 262 to suck out tissue or surrounding material extracted from the diagnosis object and take it out of the body.
  • the extraction / suction channel 262 provides a passage through which the extracted tissue or material around the object can be taken out. Therefore, the surroundings of the diagnosis object can be cleaned.
  • the controller 140 is connected to various components of the laser-induced plasma spectroscopic endoscope apparatus on one side, and connected to external equipment (configurations described on the right side of the controller in FIG. 3) on one side to adjust and control the components. Consists of.
  • the medical diagnostic apparatus of an embodiment may determine whether cancer of a target tissue is diagnosed without performing a separate biopsy that takes a long time while performing surgery in real time, irradiates a laser to a wide range of tissues, and detects elemental components. By analyzing the exact range of lesions, the excision site can be minimized. .
  • the medical diagnostic apparatus of an embodiment directly accesses a diagnosis target accessible by a conventional endoscope without opening the patient, directly observes the diagnosis target, and directly irradiates and spectroscopy a laser on a part that appears to be malignant, and diagnoses cancer in real time. To judge. This determination can easily determine whether the cancer tissue is removed and the exact site of removal.
  • the medical diagnostic apparatus of one embodiment is configured to be suitable when the diagnosis object is located inside the body.
  • the diagnosis may be outside of the body. Even in this case, the medical diagnosis apparatus of another embodiment of the present invention can be used.
  • the medical diagnostic apparatus of another embodiment of the present invention may not selectively include an insertion tube and a bending member in the medical diagnostic apparatus of the above-described embodiment.
  • another embodiment of the medical diagnostic apparatus includes a laser guide bundle 210 connected to a laser head 211, a spectroscopic guide bundle 220 connected to a spectrophotometer 221, and a laser guide. And a probe 130 having a bundle 210 and a spectroscopic guide bundle 220.
  • the light guide bundle 230 and the image capturing unit 240 is further included.
  • the light guide bundle 230 spreads light transmitted from the light source 231 through the third optical fiber 232 to secure a wide field of view.
  • the image capturing unit 240 captures an image of the diagnosis target through the objective lens 241 and transmits the image to the CCD 242 attached directly to the image capturing unit 243 to display an image.
  • Another embodiment of the medical diagnostic apparatus is formed of an optical probe or a light guiding arm in the form of an arm, which has convenient mobility and operability, and analyzes an element of a diagnosis target in real time when the diagnosis target is located outside of the body. To do this.
  • the medical diagnostic apparatus of another embodiment analyzes the constituent elements of the cancer tissue in real time, and compares the ratio of the constituent elements with those of the normal tissue and various cancer tissues, so that the diagnosis target is normal or It can be used to determine whether a particular cancer is present
  • the effect of increasing the intensity or the duration of the plasma generated from the target specimen there is an effect of increasing the detection limit for each element in the target specimen with a spectrophotometer.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 플라즈마 분광장치는, 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드, 레이저 빔을 대상 시편에 집속시키는 포커싱 렌즈, 상기 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 빔의 초점에 위치하는 대상 시편에서 발생되는 제1플라즈마의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭하는 플라즈마 반응부, 상기 플라즈마 반응부에서 증폭된 제2플라즈마를 집속하는 컬렉션 렌즈, 및 상기 컬렉션 렌즈를 통하여 집속되는 제2플라즈마를 분석하는 분광도계를 포함한다.

Description

레이저 유도 플라즈마 분광 장치 및 이를 이용한 의료 진단 장치
본 발명은 레이저 유도 플라즈마 분광 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마 반응기를 이용하여 신호의 감도를 개선한 플라즈마 반응기를 이용한 레이저 유도 플라즈마 분광 장치와, 실시간으로 진단대상을 분석하는 레이저 유도 플라즈마 분광 기술을 이용한 의료 진단 장치에 관한 것이다.
일반적인 레이저 유도 플라즈마 분광 분석방법(LIBS, laser induced breakdown spectroscope)은 원자방출 분광법의 한 종류로서, 고주파 유도 결합 플라즈마(ICP, inductively coupled plasma)와 유사하다.
레이저 유도 플라즈마 분광 분석방법은 고출력 레이저 빔을 대상 시편에 집속시키면 초점에서 방전현상(breakdown)과 같은 밝은 빛이 방출되는 플라즈마를 형성하며, 높은 온도를 유지한다.
플라즈마 속에서 대상 시편은 증기화되어 원자화(atomization) 및 이온화(ionization) 되고, 흡수된 에너지에 의하여 원자 및 이온은 여기 상태(excited state)로 존재할 수 있다.
여기 상태의 원자 및 이온은 일정 시간이 지나면 에너지를 방출하고 다시 바닥 상태(ground state)로 돌아간다. 이때 방출되는 에너지는 원소의 종류 및 여기 상태에 따라 고유의 파장을 나타낸다.
이 파장을 분광도계(UV-vis spectrometer)에 의하여 스펙트럼을 해석함으로써 대상 시편에 대한 정성 및 정량적 분석이 가능하게 된다. 따라서 레이저 유도 플라즈마 분광 분석방법은 대상 시편에서 발생하는 플라즈마 신호를 정밀하게 측정하는 것이 중요하다. 즉 발생하는 플라즈마 신호에 대한 분석 감도가 중요하다.
즉 더 적은 레이저 에너지를 사용하여, 대상 시편의 훼손을 최소화 하면서, 대상 시편에 대한 각 원소별 검출 한계를 높이는 것이 레이저 유도 플라즈마 분광 분석방법의 기술 개발 방향이라 할 수 있다.
레이저를 맞아서 대상 시편으로부터 발생되는 플라즈마 신호는 수 μs 동안 유지된 후 곧 사라지게 된다. 따라서 레이저 유도 플라즈마 분광 분석방법은 높은 감도를 요구하거나, 신호를 받기 어려운 조건에서는 레이저를 수 ns~μs 간격을 두고, 두 번 또는 여러 번에 걸쳐 조사할 수도 있다.
한편, 전술한 레이저 유도 플라즈마 분광 분석 기술은 대상물의 구성 원소 성분을 실시간으로 분석할 수 있으므로, 질병 진단과 같은 의료 분야에 활용할 필요성이 요구된다.
일례를 들면, 현재는 암 진단에 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI) 및 컴퓨터단층촬영(computed tomography, CT)과 같은 보조적인 영상 장비가 활용되고 있다. 그러나 이러한 영상 장비는 조직에 대한 화학적인 정보를 제공할 수 없고, 조직의 형상에 대한 보조적인 정보만 제공할 뿐이므로, 암 진단은 의사의 경험적 판단에 의존하게 된다.
완벽한 암 진단을 위해서는 2시간 내지 수일이 걸리는 조직검사가 필요하며, 신체로부터 떼어낸 조직의 암 여부가 판별되더라도, 아직 신체 내부에 존재하는 조직에 암이 어떻게 분포되어 있는지 알 수 없다. 따라서 신체 조직의 절제 및 적출할 조직의 범위를 산정하는 것이 매우 어렵고, 또한 치료를 위하여 개복이 요구된다.
따라서 실시간으로 신체 조직의 암 진단을 수행하고, 신체 조직을 거의 손상시키지 않으면서 조직의 악성 또는 양성 여부를 판별할 필요성이 요구된다. 즉 신체 조직으로부터 정상 조직을 과도하게 제거하지 않거나 적출하지 않으면서 암 진단을 수행할 필요성이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 분석 대상 시편에서 발생되는 플라즈마의 강도를 높이거나 발생된 플라즈마의 지속시간을 연장하여 원소별 검출 한계를 높이는 플라즈마 반응기를 이용한 레이저 유도 플라즈마 분광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 진단대상의 구성 원소를 실시간으로 분석하는 레이저 유도 플라즈마 분광 기술을 이용한 의료 진단 장치를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명의 목적은 레이저 유도 플라즈마 분광부와 내시경부를 통합하는 의료 진단 장치를 제공하는 것으로, 질병(예, 암) 조직의 구성 원소의 비율과 정상 조직의 구성 원소의 비율과 비교하여 (예를 들어, Na/K 원소 비율, Ca/Na 원소 비율 등) 서로 다른 점을 바탕으로 질병(예, 암) 진단을 실시간으로 수행하며, 통상의 내시경으로 접근할 수 있는 곳에 접근하여 진단대상의 원소 성분을 분석하는 의료 진단 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 진단대상이 신체의 외부에 있을 때에도 진단대상의 구성 원소를 실시간으로 분석하는 의료 진단 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드; 레이저 빔을 대상 시편에 집속시키는 포커싱 렌즈; 상기 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 빔의 초점에 위치하는 대상 시편에서 발생되는 제1플라즈마의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭하는 플라즈마 반응부; 상기 플라즈마 반응부에서 증폭된 제2플라즈마를 집속하는 컬렉션 렌즈; 및 상기 컬렉션 렌즈를 통하여 집속되는 제2플라즈마를 분석하는 분광도계를 포함하는, 레이저 유도 플라즈마 분광장치가 제공된다.
상기 플라즈마 반응부는 유전체 장벽방전으로 제1플라즈마를 제2플라즈마로 변환할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는, 상기 대상 시편에 배치되는 유전체로 형성되는 하우징, 및 상기 하우징의 외주에 구비되고 구동전압이 인가되면, 상기 하우징 내에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 1쌍의 제1전극과 제2전극을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는 상기 하우징 내부에 방전 기체를 공급하는 가스 공급 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 하우징은 석영으로 형성되고, 원통 형태로 형성될 수 있다.
상기 하우징은 상기 대상 시편을 지지하는 시편 지지부에 설치되고, 상기 대상 시편을 수용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 진단대상에 레이저 빔을 조사하도록 레이저 헤드에 연결되는 레이저 가이드 번들과 상기 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 수신하도록 분광도계에 연결되는 분광 가이드 번들을 포함하는 레이저 유도 플라즈마 분광부; 및 상기 레이저 가이드 번들과 상기 분광 가이드 번들이 구비되며 상기 진단대상에 접근 배치되는 프로브를 포함하는, 의료 진단 장치가 제공된다.
상기 레이저 가이드 번들은, 상기 레이저 헤드에 연결되는 제 1 광파이버; 및 상기 제 1 광파이버로 전달되는 레이저 빔을 상기 진단대상에 집속시키도록 상기 프로브에서 상기 제 1 광파이버의 전방에 배치되는 포커싱 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 분광 가이드 번들은, 상기 분광도계에 연결되는 제 2 광파이버; 및 상기 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 수신하여 상기 제 2 광파이버로 보내도록 상기 프로브에서 상기 제 2 광파이버의 전방에 배치되는 컬렉션 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 포커싱 렌즈와 상기 컬렉션 렌즈는 상기 프로브의 단부에서 같은 평면 상에 배치될 수 있다.
상기 레이저 빔은, 나노초 펄스 레이저 빔 또는 펨토초 펄스 레이저 빔일 수 있다.
상기 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭하는 플라즈마 반응부를 더 포함하고, 상기 플라즈마 반응부에서 증폭된 플라즈마 신호가 상기 분광 가이드 번들로 전달될 수 있다.
한편, 상기 진단대상에 접근될 수 있는 삽입 튜브, 상기 삽입 튜브의 일측에 구비되어 상기 삽입 튜브와 상기 프로브를 연결하는 밴딩부재, 및 상기 삽입 튜브의 타측에 구비되는 컨트롤러를 포함하는 내시경부를 더 포함할 수 있다.
상기 내시경부는 라이트 가이드 번들을 더 포함하며, 상기 라이트 가이드 번들은, 광원에 연결되는 제3광파이버, 및 상기 프로브에서 상기 제3광파이버의 전방에 배치되는 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 내시경부는 영상 촬영부를 더 포함하고, 상기 영상촬영부는, 상기 프로브에 구비되어 상기 진단대상의 영상을 포착하는 대물렌즈, 상기 대물렌즈 후방에 배치되어 영상을 디지털화 하는 전하결합소자(CCD), 및 상기 전하결합소자에 연결되어 디지털 신호를 영상으로 구현하는 영상 표시부를 포함할 수 있다.
상기 내시경부는 송기/송수부를 더 포함하고, 상기 송기/송수부는, 상기 프로브에 구비되어 상기 진단대상에 에어 또는 물을 분사하는 에어/물 노즐, 및 상기 에어/물 노즐에 연결되어 외부의 에어 또는 물을 공급하는 에어/물 펌프를 포함할 수 있다.
상기 내시경부는 흡인부를 더 포함하고, 상기 흡인부는, 상기 프로브에 구비되어 상기 진단대상에서 조직을 적출하거나 상기 진단대상의 주위에 배치되는 적출/흡인 채널, 및 상기 적출/흡인 채널에 연결되어 적출된 조직이나 주위의 물질을 흡인하는 흡인 펌프를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 시편에 플라즈마 반응부를 구비하여 레이저 빔에 의하여 대상 시편에서 발생되는 제1플라즈마를 플라즈마 반응부에 의하여 제2플라즈마로 제어 및 증폭하므로 대상 시편에서 발생되는 플라즈마의 강도를 높이거나 지속시간을 연장하는 효과가 있다. 따라서 분광도계로 대상 시편에서 원소별 검출 한계를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내시경부에 레이저 유도 플라즈마 분광부를 결합하거나 별도의 레이저 유도 플라즈마 분광 장치를 사용함으로써, 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 실시간으로 수신함으로써 진단대상의 구성 원소를 실시간으로 분석할 수 있는 효과가 있다.
일 실시예는 진단대상의 구성 원소를 실시간으로 분석함으로써 진단대상 조직(예, 암 조직)의 구성 원소의 비율을 정상 조직의 구성 원소의 비율과 비교함으로써 병(예, 암)을 실시간으로 진단할 수 있게 한다.
또한, 일 실시예는 질병(예, 암) 진단을 수행하면서 프로브로 직접 진단대상에 접근함으로써 진단대상의 성분을 분석하고, 그 결과에 따라 환자의 별도 개복 없이 진단대상을 고출력 레이저나 방전을 활용하여 바로 제거할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 플라즈마 분광장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 시편 지지부에 플라즈마 반응부를 설치하여 대상 시편에서 발생되는 플라즈마를 증폭하는 상태도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 진단 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 도 1의 컨트롤러에 삽입 튜브를 연결한 사시도이다.
도 5는 삽입 튜브의 끝에 구비되는 프로브의 부분 사시도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면도이다.
- 부호의 설명 -
1: 레이저 헤드 2: 포커싱 렌즈
3: 시편 지지부 4: 플라즈마 반응부
5: 컬렉션 렌즈 6: 분광도계
31: 대상 시편 41: 제1전극
42: 제2전극 43: 하우징
44: 가스 공급 유닛 45: 포트
61: 광파이버 G: 방전갭
P1, P2: 제1, 제2플라즈마 V: 구동전압
100: 내시경부 200: 레이저 유도 플라즈마 분광부
110: 삽입 튜브 120: 밴딩부재
130: 프로브 140: 컨트롤러
210: 레이저 가이드 번들 220: 분광 가이드 번들
230: 라이트 가이드 번들 240: 영상 촬영부
250: 송기/송수부 260: 흡인부
211: 레이저 헤드 212: 제1광파이버
213: 포커싱 렌즈 221: 분광도계
222: 제2광파이버 223: 컬렉션 렌즈
231: 광원 232: 제3광파이버
233: 렌즈 241: 대물렌즈
242: 전하결합소자(CCD) 243: 영상 표시부
251: 에어/물 펌프 252: 에어/물 노즐
261: 흡인 펌프 262: 적출/흡인 채널
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 유도 플라즈마 분광장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 유도 플라즈마 분광장치는 플라즈마 반응기를 이용한 분광장치로서, 레이저 헤드(1), 포커싱 렌즈(2), 시편 지지부(3), 플라즈마 반응부(4), 컬렉션 렌즈(5) 및 분광도계(6)를 포함한다.
레이저 헤드(1)는 도시되지 않은 레이저 파워 서플라이에서 공급되는 전원으로 구동되어 펄스를 가지는 레이저 빔을 조사한다. 전원은 AC 또는 DC로 공급될 수 있다. 포커싱 렌즈(2)는 레이저 빔을 집속하여 대상 시편(31)에 레이저 빔을 작용시킨다.
시편 지지부(3)는 대상 시편(31)을 지지하도록 구성되며, 포커싱 렌즈(2)와 컬렉션 렌즈(5)를 향하도록 구성된다. 시편 지지부(3)는 대상 시편(31)이 소형일 경우에 사용되고, 대상 시편(미도시)이 대형인 경우 사용되지 않을 수도 있다.
도시된 바와 같이 대상 시편(31)이 소형인 경우, 대상 시편(31)은 시편 지지부(31)에 배치되고, 플라즈마 반응부(4)는 대상 시편(31)을 수용하는 상태로 시편 지지부(31)에 설치될 수 있다.
도시하지 않았으나, 대상 시편이 대형인 경우, 플라즈마 반응부는 대상 시편의 일측 상부에 설치될 수 있다.
레이저 빔은 포커싱 렌즈(2)를 통하여 집속되어 대상 시편(31)에 작용하여 제1플라즈마(P1)를 발생시킨다. 즉 레이저 빔은 포커싱된 대상 시편(31)의 표면으로부터 소량의 매스(mass)를 제거하면서 제1플라즈마(P1)을 생성한다.
대상 시편(31)의 표면 위에서 제1플라즈마(P1)는 고온(일례를 들면, 30000K 이상)으로 발생 시작되어 신속하게 확장된다. 제1플라즈마(P1)는 냉각과정의 초기 단계(일례를 들면, 200~300 ns 이하) 동안 연속적으로 빛을 방출한다.
플라즈마 반응부(4)는 대상 시편(31)에서 발생되는 제1플라즈마(P1)의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭되는 제2플라즈마(P2)를 발생시킨다. 수 μs 이후 제2플라즈마(P2)에서 고유의 파장을 가진 각각의 전자 라인들이 방출되며, 플라즈마 반응부(4)는 제2플라즈마(P2)의 생성으로 이 전자 라인들의 방출을 증폭시키게 된다. 이 때, 발생되는 전자 밀도와 온도를 증가시키기 위해 플라즈마 반응부(4) 내부에 추가적으로 아르곤, 헬륨 등의 방전가스를 공급할 수 있다.
제2플라즈마(P2)는 컬렉션 렌즈(5)를 통하여 집속된다. 즉 컬렉션 렌즈(5)는 증폭되어 방출되는 전자 라인들을 집속한다. 컬렉션 렌즈(5)를 통하여 집속되는 전자 라인들, 즉 이들의 파장들은 광파이버(61)를 통하여 분광도계(6)에 입력된다.
분광도계(6)는 입력되는 제2플라즈마(P2)의 파장들을 검출하여 측정 및 분석한다. 제1플라즈마(P1)에서 제2플라즈마(P2)로 증폭되므로 대상 시편(31)에서 검출되는 제2플라즈마(P2)의 파장은 보다 용이하고 정밀하게 측정될 수 있다. 즉 제2플라즈마(P2) 신호에 대한 분석 감도가 높아진다.
도 2는 도 1의 시편 지지부에 플라즈마 반응부를 설치하여 대상 시편에서 발생되는 플라즈마를 증폭하는 상태도이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 반응부(4)는 유전체 장벽방전으로 제1플라즈마(P1)를 제2플라즈마(P2)로 제어 및 증폭하도록 구성된다.
즉 플라즈마 반응부(4)는 레이저 빔에 의하여 대상 시편(31)에서 발생된 제1플라즈마(P1)를 유전체 장벽방전으로 변환하여 제2플라즈마(P2)를 생성하도록 구성된다. 플라즈마 반응부(4)는 유전체 장벽방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge)을 이용하므로 보다 낮은 구동전압(V)으로 구동될 수 있다.
플라즈마 반응부(4)는 시편 지지부(3)에 배치되어 대상 시편(31)을 수용하고 유전체로 형성되는 하우징(43), 및 하우징(43)의 외주에 구비되어 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마(P2)를 발생시키는 1쌍의 제1전극(41)과 제2전극(42)을 포함한다.
또한, 플라즈마 반응부(4)는 가스 공급 유닛(44)을 포함할 수 있다. 가스 공급 유닛(44)은 하우징(43) 내부에 추가적인 방전 가스를 공급할 수 있도록, 방전 가스 공급 탱크, 공급 배관 등을 포함할 수 있다. 이 때, 하우징(43)의 일측에는, 가스 공급 유닛(44)과 연결되어 하우징(43) 내부로 아르곤, 헬륨, 공기 등의 방전 가스가 공급되는 포트(45)가 구비될 수 있다. 포트(45)는 가스 공급 유닛(44)과 하우징(43) 내부를 연결하는 통로를 포함할 수 있다.
하우징(43)은 유전체, 예를 들면, 석영으로 형성될 수 있으며, 원통 형태로 형성되어, 시편 지지부(3)의 일측에 배치될 수 있다. 하우징(43)은 방열을 위하여, 레이저 빔이 유입되는 시편 지지부(3)의 반대측을 개방하여 형성된다.
도시된 바와 같이, 소형의 대상 시편(31)은 하우징(43)의 내부에 배치된다. 제1전극(41)과 제2전극(42)은 서로의 사이에 방전갭(G)을 구비한다. 도시하지 않았으나 대상 시편이 대형인 경우에는 하우징이 대상 시편의 일측 상부에 배치될 수 있다.
이 상태에서, 레이저 헤드(1)에서 레이저 빔이 조사되면, 포커싱 렌즈(2)를 통하여 대상 시편(31)에 조사된 레이저 빔은 대상 시편(31)에서 제1플라즈마(P1)를 발생시킨다.
그리고 제1전극(41)에 구동전압(V)을 인가하고, 제2전극(42)이 접지되면, 방전갭(G)에 대응하는 하우징(43)에서 벽전하가 형성되면서 유전체 장벽 방전이 발생된다.
유전체 장벽 방전에 의하여, 하우징(43)의 내부에 위치하는 대상 시편(31)에서 발생된 제1플라즈마(P1)는 제2플라즈마(P2)로 증폭 변환된다. 즉 제1플라즈마(P1)에서 전자 밀도 및 전자 에너지가 제어되면서 제2플라즈마(P2)가 생성된다.
유전체 장벽방전에 의한 저전압 구동은 플라즈마 반응부(4)에서 소요되는 에너지를 감소시키고, 제2플라즈마(P2)의 생성에 필요한 구동전압(V)을 낮추어 전원장치의 부담을 감소시킨다.
또한 레이저 빔에 의하여 생성된 제1플라즈마(P1)에 의하여 다양한 화학종들, 즉 진동 여기종(vibrationally excited species), 이온(ions) 및 라디칼(radicals)이 발생된다.
이 화학종들은 대개 수 나노-초(nano-second) 내지 수 마이크로-초(micro-second) 동안 유지되는데, 플라즈마 반응부(4)의 제2플라즈마(P2)에 의하여, 제1플라즈마(P1)에 포함된 화학종들의 수명(lifetime)을 연장하므로 원하는 화학반응의 타임 스케일(time scale)에 맞추어 화학종들을 참여시킬 수 있다.
한편, 도시하지 않았으나, 플라즈마 반응부는 제1전극을 구비하고, 방전갭으로 이격되는 시편 지지부를 접지하여, 제1전극과 시편 지지부 사이에 위치하는 하우징에서 벽전하를 형성하여 유전체 장벽방전을 구현할 수도 있다.
한편, 이상 설명한 레이저 유도 플라즈마 분광 장치는 신체 조직에서 암 등의 질병을 진단하는 데 활용될 수 있는데, 이하, 레이저 유도 플라즈마 분광 기술을 이용한 의료 진단 장치를 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 진단 장치의 구성을 도시한 블록도이고, 도 4는 도 3의 컨트롤러에 삽입 튜브를 연결한 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 의료 진단 장치는 내시경부(100)와 레이저 유도 플라즈마 분광부(200)를 포함한다. 즉 의료 진단 장치는 내시경부(100)로 진단대상에 접근하여 레이저 유도 플라즈마 분광부(200)로 진단대상에 레이저 빔을 조사하고, 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호로부터 진단대상을 분석하도록 구성된다.
내시경부(100)는 진단대상에 접근될 수 있는 삽입 튜브(110)와, 삽입 튜브(110)의 일측에 구비되는 밴딩부재(120), 및 밴딩부재(120)에 연결되는 프로브(130)를 포함한다. 내시경부(100)는 삽입 튜브(110)의 다른 일측에 연결되는 컨트롤러(140)를 더 포함한다.
삽입 튜브(110)는 환자의 신체 내부로 삽입될 수도 있고, 신체의 외부에 접근될 수도 있다. 즉 삽입 튜브(110)는 신체 내부에 삽입되거나 신체 외부에 이동되어 프로브(130)를 진단대상에 접근시킬 수 있게 한다.
구체적으로 도시하지는 않았지만 공지의 내시경에 사용되는 밴딩부재가 적용될 수 있다. 예를 들면, 밴딩부재는 링 모양으로 다수가 연결된 체인이 컨트롤러로부터 프로브까지 연결되어, 컨트롤러를 돌리면 컨트롤러의 회전 방향과 동일 방향으로 프로브가 꺾일 수 있게 한다. 밴딩부재는 전후 좌우 모든 방향이 90도 이상 꺾이므로 이를 조합하여 진단대상을 프로브로 모든 방향에서 관찰할 수 있게 한다.
프로브(130)는 밴딩부재(120)에 연결되어 내시경부(100)의 최단부를 형성하며, 삽입 튜브(110)를 신체 내부로 삽입하거나 신체 외부에 이동하는 경우, 진단대상에 직접적으로 접근하는 부분이다.
따라서 프로브(130)는 진단대상을 진단하는 구성 요소들을 구비하고, 컨트롤러(140)는 프로브(130)의 구성 요소들에 필요한 것들을 공급하거나 프로브(130)의 구성 요소들로부터 필요한 것들을 취할 수 있게 한다.
레이저 유도 플라즈마 분광부(200)는 진단대상에 레이저 빔을 조사하는 레이저 가이드 번들(210)과 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 수신하는 분광 가이드 번들(220)을 포함한다.
레이저 가이드 번들(210)과 분광 가이드 번들(220)은 프로브(130)에 구비되어, 삽입 튜브(110)를 통하여 레이저 헤드(211)와 분광도계(221)에 각각 연결된다. 또한 레이저 가이드 번들(210)과 분광 가이드 번들(220)은 삽입 튜브(110)를 통하여 컨트롤러(140)에 연결된다.
컨트롤러(140)의 조작에 따라 레이저 가이드 번들(210)과 분광 가이드 번들(220)은 프로브(130) 및 밴딩부재(120)에 의하여 진단대상에 접근하여 다양한 각도로 마주하게 된다.
레이저 헤드(211)에서 발생되는 레이저 빔은 나노초 펄스 레이저 빔 또는 펨토초 펄스 레이저 빔일 수 있다. 펄스 시간이 수 나노초(10-9초)인 나노초 펄스 레이저는 광물 등의 단단한 고체 시편의 일부(예를 들면, 수 마이크로그램)를 훼손하면서 플라즈마 신호를 얻게 되는데, 물을 많이 함유한 생체 조직을 분석하는 경우에는 생체 조직의 가열과 훼손을 일으킬 수 있다. 따라서 나노초 펄스 레이저인 Nd:YAG 나노초 펄스 레이저가 활용될 수 있다.
또한, 펨토초 펄스 레이저는 나노초 펄스 레이저와 같은 피크 파워(peak power)를 제공하더라도 나노초 펄스 레이저에 비하여, 펄스 시간이 훨씬 짧기(수 펨토초(10-15초)) 때문에 진단대상으로 전달되는 에너지를 줄일 수 있다. 따라서 펨토초 펄스 레이저는 진단대상을 불필요하게 가열하거나 훼손하지 않는다.
도 5는 삽입 튜브의 끝에 구비되는 프로브의 부분 사시도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ 선을 따라 자른 단면도이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 레이저 가이드 번들(210)은 레이저 헤드(211)에 연결되는 제1광파이버(212), 및 프로브(130)에서 제1광파이버(212)의 전방에 배치되는 포커싱 렌즈(213)을 포함한다.
포커싱 렌즈(213)는 레이저 헤드(211)에서 발생되어 제1광파이버(212)를 통하여 전달되는 레이저를 진단대상에 집속시킨다. 포커싱 렌즈(213)에 의하여 진단대상에 집속된 고출력 펄스 레이저는 진단대상물을 타격하여 플라즈마를 발생시킨다.
분광 가이드 번들(220)은 분광도계(221)에 연결되는 제2광파이버(222), 및 프로브(130)에서 제2광파이버(222)의 전방에 배치되는 컬렉션 렌즈(223)를 포함한다.
컬렉션 렌즈(223)는 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 수신한다. 컬렉션 렌즈(223)에 의하여 수신된 플라즈마 신호는 제2광파이버(222)를 통하여 분광도계(221)로 보내진다.
포커싱 렌즈(213)에 의하여 집속된 고출력 펄스 레이저에 의하여 발생되는 플라즈마 신호는 진단대상을 구성하는 원소의 종류에 따라 다양한 고유의 파장을 갖게 된다. 분광도계(221)는 플라즈마 신호의 파장에 따른 신호 강도를 그래프로 표시한다.
따라서 검사자는 플라즈마 신호의 파장에 따른 강도 그래프와 정상인 진단대상의 플라즈마 신호의 파장에 따른 강도 그래프와 비교해 보면서, 진단대상의 이상 유무를 판단할 수 있고, 더 나아가 진단대상이 어떠한 상태, 즉 어떠한 질병 또는 암에 걸려 있는지 판별할 수 있다.
즉 암을 포함한 다양한 질병의 종류에 따라 조직을 구성하는 원소 중 특정 원소의 비율이 특정하게 변화함을 이용하여 (예를 들어, Na/K 원소 비율, Ca/Na 원소 비율 등), 특정 질병 또는 암 진행의 여부가 판별 가능하다.
한편, 별도로 도시하지 않았지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 의료 진단장치는 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 증폭하는 플라즈마 반응부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 플라즈마 반응부는 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭시킬 수 있는데, 이는 전술한 도 1 및 도 2의 플라즈마 반응부(4)에 대응되는 것으로, 상세한 설명은 생략한다.
플라즈마 반응부에서 증폭된 플라즈마 신호는 분광 가이드 번들로 전달된다. 보다 상세히, 플라즈마 반응부에서 증폭된 플라즈마 신호는 컬렉션 렌즈(223)에서 수신되어 제2광파이버(222)를 통하여 분광도계(221)로 보내진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 포커싱 렌즈(213)와 컬렉션 렌즈(223)는 프로브(130)의 단부에서 같은 평면 상에 배치된다. 도 6은 일례를 도시한 것이다.
도시하지 않았으나, 포커싱 렌즈와 컬렉션 렌즈는 수광부의 감도를 위해서 프로브의 단부는 안 쪽으로 오목하게 들어가는 구조로 형성될 수도 있다. 이 때 포커싱 렌즈와 컬렉션 렌즈는 프로브의 단부에서 동일 평면에 있지 않으며, 포커싱 렌즈와 컬렉션 렌즈에 수직인 광 경로는 진단대상의 물질이 플라즈마화 되는 지점에서 교차된다.
따라서 포커싱 렌즈(213)가 진단대상에 고출력 펄스 레이저를 집속시키고, 컬렉션 렌즈(223)가 이때 발생되는 플라즈마 신호를 효과적으로 수신할 수 있다.
다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 내시경부(100)는 라이트 가이드 번들(230)을 더 포함할 수 있다. 라이트 가이드 번들(230)은 광원(231)에 연결되는 제3광파이버(232), 및 프로브(130)에서 제3광파이버(232)의 전방에 배치되는 렌즈(233)를 포함한다.
제3광파이버(232)는 진단대상의 영상을 포착할 수 있도록 광원(231)의 빛을 진단대상에 효과적으로 전달하며, 이를 위하여 제3광파이버(232)의 전방에 렌즈(233)가 구비된다. 도시하지 않았으나 제3광파이버(232)의 반대측에도 렌즈가 구비된다.
도시하지 않았으나, 라이트 가이드 번들은 프로브가 신체의 내부로 삽입되지 않고 충분한 밝은 환경에 노출되는 신체 외부를 진단대상으로 하는 레이저 유도 플라즈마 분광 내시경 장치에는 구비되지 않을 수도 있다.
내시경부(100)는 영상 촬영부(240)를 더 포함할 수 있다. 영상 촬영부(240)는 프로브(130)에 구비되어 진단대상의 영상을 포착하는 대물렌즈(241), 대물렌즈(241)의 후방에 배치되어 영상을 디지털화 하는 전하결합소자(CCD)(242), 및 전하결합소자(242)에 케이블로 연결되어 디지털 신호를 영상으로 구현하는 영상 표시부(243)를 포함한다.
전하결합소자(CCD)(242)는 표면에 빛을 감지하는 포토사이트(photosite), 즉픽셀을 수천 개 배열하고 있다. CCD(242)는 라이트 가이드 번들(230)을 통하여 조사되어 진단대상에서 반사되는 빛을 감지한다.
CCD(242)는 프로브(130)에서 대물렌즈(241)의 바로 뒤에 위치하여 광학 이미지를 전기 신호로 전환하고, CCD(242)에 연결되는 영상 표시부(243)는 전기 신호를 영상 신호로 바뀌어 영상으로 나타낸다. 이로써 신체 내부의 진단대상을 영상으로 볼 수 있다.
내시경부(100)는 송기/송수부(250)를 더 포함할 수 있다. 송기/송수부(250)는 프로브(130)에 구비되어 진단대상에 에어 또는 물을 분사할 수 있게 한다. 송기/송수부(250)는 에어/물 펌프(251)에 연결되는 분사하는 에어/물 노즐(252)을 포함한다.
에어/물 펌프(251)는 외부에서 에어 또는 물을 공급하고, 에어/물 노즐(252)은 에어/물 펌프(251)에 관로(미도시)로 연결되어 프로브(130)에 구비되어 에어/물 펌프(251)로부터 공급되는 에어 또는 물을 진단대상에 분사하여 진단대상을 세척한다.
내시경부(100)는 흡인부(260)를 더 포함할 수 있다. 흡입부(260)는 흡인 펌프(261)와 프로브(130)에 구비되는 적출/흡인 채널(262)을 포함한다. 흡인 펌프(261)는 적출/흡인 채널(262)에 연결되어 진단대상으로부터 적출된 조직이나 주위의 물질을 흡인하여 신체 외부로 꺼낸다.
적출/흡인 채널(262)은 적출된 조직이나 진단대상 주위의 물질을 외부터 꺼낼 수 있는 통로를 제공한다. 따라서 진단대상의 주위는 청결하게 될 수 있다.
컨트롤러(140)는 일측으로 레이저 유도 플라즈마 분광 내시경 장치의 각종 구성 요소들에 연결되고, 다른 일측으로 외부 장비들(도 3에서 컨트롤러의 우측에 기재된 구성들)에 연결되어 구성 요소들을 조절하고 제어하도록 구성되어 있다.
예를 들면, 일 실시예의 의료 진단 장치는 실시간으로 수술을 진행하면서도 오랜 시간이 걸리는 별도의 조직검사 없이, 진단대상 조직의 암 여부를 판단할 수 있고, 광범위한 조직 영역에 레이저를 조사하고 원소 성분을 분석함으로써 정확한 병변 범위를 산정하여 절제 부위를 최소화 할 수 있다. .
즉, 일 실시예의 의료 진단 장치는 환자를 개복하지 않고 종래의 내시경으로 접근할 수 있는 진단대상에 접근하여 진단대상을 직접 관찰하면서 악성으로 보이는 부분에 레이저를 직접 조사 및 분광하여, 실시간으로 암 여부를 판단할 수 있게 한다. 이 판단에 따라 암 조직의 절제 여부와 정확한 절제 부위가 쉽게 결정될 수 있다.
한편, 일 실시예의 의료 진단 장치는 진단대상이 신체의 내부에 위치하는 경우에 적절하도록 구성되어 있다. 그러나 진단대상이 신체의 외부에 있을 수도 있다. 이러한 경우에도 본 발명의 다른 실시예의 의료 진단 장치가 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예의 의료 진단 장치는 전술한 일 실시예의 의료 진단 장치에서 삽입튜브 및 밴딩부재를 선택적으로 구비하지 않을 수도 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 다른 실시예의 의료 진단 장치는 레이저 헤드(211)에 연결되는 레이저 가이드 번들(210)과, 분광도계(221)에 연결되는 분광 가이드 번들(220), 및 레이저 가이드 번들(210)과 분광 가이드 번들(220)을 구비하는 프로브(130)를 포함한다.
또한, 라이트 가이드 번들(230)과 영상 촬영부(240)를 더 포함한다. 라이트 가이드 번들(230)는 광원(231)으로부터 제3광파이버(232)를 통하여 전달되는 빛을 넓게 퍼뜨려 넓은 시야를 확보한다. 영상 촬영부(240)는 대물렌즈(241)를 통하여 진단대상의 화상을 포착하여 바로 뒤에 붙어 있는 CCD(242)에 전달하여 영상 표시부(243)에서 영상을 표시할 수 있게 한다.
다른 실시예의 의료 진단 장치는 광학 프로브 혹은 팔 형태의 광 전달 장치 (light guiding arm)로 형성되어, 편리한 이동성과 조작성을 가지며, 진단 대상이 신체의 외부에 위치한 경우에 진단대상의 원소를 실시간으로 분석을 할 수 있게 한다. 즉 다른 실시예의 의료 진단 장치는 진단대상이 암 조직인 경우에도 암 조직의 구성 원소를 실시간으로 분석하고, 그 구성 원소의 비율을 정상 조직 및 각종 암 조직의 구성 원소와 비교하여, 진단대상이 정상 또는 특정 암인지를 판단 가능케 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 시편에서 발생되는 플라즈마의 강도를 높이거나 지속시간을 연장하는 효과가 있으므로, 분광도계로 대상 시편에서 원소별 검출 한계를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 실시간으로 수신함으로써 진단대상의 구성 원소를 실시간으로 분석할 수 있는 효과가 있다.

Claims (17)

  1. 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드;
    레이저 빔을 대상 시편에 집속시키는 포커싱 렌즈;
    상기 포커싱 렌즈를 통과한 레이저 빔의 초점에 위치하는 대상 시편에서 발생되는 제1플라즈마의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭하는 플라즈마 반응부;
    상기 플라즈마 반응부에서 증폭된 제2플라즈마를 집속하는 컬렉션 렌즈; 및
    상기 컬렉션 렌즈를 통하여 집속되는 제2플라즈마를 분석하는 분광도계를 포함하는, 레이저 유도 플라즈마 분광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    유전체 장벽방전으로 제1플라즈마를 제2플라즈마로 변환하는, 레이저 유도 플라즈마 분광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는,
    상기 대상 시편에 배치되는 유전체로 형성되는 하우징, 및
    상기 하우징의 외주에 구비되고 구동전압이 인가되면, 상기 하우징 내에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 1쌍의 제1전극과 제2전극을 포함하는, 레이저 유도 플라즈마 분광 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응부는
    상기 하우징 내부에 방전 기체를 공급하는 가스 공급 유닛을 더 포함하는, 레이저 유도 플라즈마 분광 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징은
    석영으로 형성되고, 원통 형태인, 레이저 유도 플라즈마 분광 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 대상 시편을 지지하는 시편 지지부에 설치되고, 상기 대상 시편을 수용하는, 레이저 유도 플라즈마 분광 장치.
  7. 진단대상에 레이저 빔을 조사하도록 레이저 헤드에 연결되는 레이저 가이드 번들; 및 상기 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 수신하도록 분광도계에 연결되는 분광 가이드 번들을 포함하는 레이저 유도 플라즈마 분광부; 및
    상기 레이저 가이드 번들과 상기 분광 가이드 번들이 구비되며 상기 진단대상에 접근 배치되는 프로브를 포함하는, 의료 진단 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 가이드 번들은,
    상기 레이저 헤드에 연결되는 제 1 광파이버; 및
    상기 제 1 광파이버로 전달되는 레이저 빔을 상기 진단대상에 집속시키도록 상기 프로브에서 상기 제 1 광파이버의 전방에 배치되는 포커싱 렌즈를 포함하는, 의료 진단 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 분광 가이드 번들은,
    상기 분광도계에 연결되는 제 2 광파이버; 및
    상기 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호를 수신하여 상기 제 2 광파이버로 보내도록 상기 프로브에서 상기 제 2 광파이버의 전방에 배치되는 컬렉션 렌즈를 포함하는, 의료 진단 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 포커싱 렌즈와 상기 컬렉션 렌즈는 상기 프로브의 단부에서 같은 평면 상에 배치되는, 의료 진단 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은,
    나노초 펄스 레이저 빔 또는 펨토초 펄스 레이저 빔인, 의료 진단 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 진단대상에서 발생되는 플라즈마 신호의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 증폭하는 플라즈마 반응부를 더 포함하고,
    상기 플라즈마 반응부에서 증폭된 플라즈마 신호가 상기 분광 가이드 번들로 전달되는, 의료 진단 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 진단대상에 접근될 수 있는 삽입 튜브, 상기 삽입 튜브의 일측에 구비되어 상기 삽입 튜브와 상기 프로브를 연결하는 밴딩부재, 및 상기 삽입 튜브의 타측에 구비되는 컨트롤러를 포함하는 내시경부를 더 포함하는, 의료 진단 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 내시경부는 라이트 가이드 번들을 더 포함하며,
    상기 라이트 가이드 번들은,
    광원에 연결되는 제3광파이버, 및
    상기 프로브에서 상기 제3광파이버의 전방에 배치되는 렌즈를 포함하는, 의료 진단 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 내시경부는 영상 촬영부를 더 포함하고,
    상기 영상촬영부는,
    상기 프로브에 구비되어 상기 진단대상의 영상을 포착하는 대물렌즈,
    상기 대물렌즈 후방에 배치되어 영상을 디지털화 하는 전하결합소자(CCD), 및
    상기 전하결합소자에 연결되어 디지털 신호를 영상으로 구현하는 영상 표시부를 포함하는, 의료 진단 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 내시경부는 송기/송수부를 더 포함하고,
    상기 송기/송수부는,
    상기 프로브에 구비되어 상기 진단대상에 에어 또는 물을 분사하는 에어/물 노즐, 및
    상기 에어/물 노즐에 연결되어 외부의 에어 또는 물을 공급하는 에어/물 펌프를 포함하는,
    의료 진단 장치.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 내시경부는 흡인부를 더 포함하고,
    상기 흡인부는,
    상기 프로브에 구비되어 상기 진단대상에서 조직을 적출하거나 상기 진단대상의 주위에 배치되는 적출/흡인 채널, 및
    상기 적출/흡인 채널에 연결되어 적출된 조직이나 주위의 물질을 흡인하는 흡인 펌프를 포함하는,
    의료 진단 장치.
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