WO2016126134A1 - 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템 - Google Patents

편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템 Download PDF

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WO2016126134A1
WO2016126134A1 PCT/KR2016/001294 KR2016001294W WO2016126134A1 WO 2016126134 A1 WO2016126134 A1 WO 2016126134A1 KR 2016001294 W KR2016001294 W KR 2016001294W WO 2016126134 A1 WO2016126134 A1 WO 2016126134A1
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WO
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light
polarizing plate
unit
light source
image
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Application number
PCT/KR2016/001294
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English (en)
French (fr)
Inventor
임재관
윤승주
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
서울대학교치과병원
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • 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
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Definitions

  • the present invention relates to an optical system for detecting living tissue using polarization characteristics, and more particularly to an optical system capable of detecting living tissue having polarization characteristics such as nerves and ligaments.
  • the position of the nerves can be confirmed through the muscle response in the case of motor nerves that respond to the electrodes, but in the case of nerves that do not respond to the electrode, such as sensory nerves There are disadvantages.
  • nerve detection technology is important in the medical field is that it is difficult to visually identify the nerves due to blood flow and to locate the nerves through electrode reactions when performing surgery by cutting the skin tissue, such as thyroid surgery. Even if it is obscured by blood flow, it is difficult to visually identify it.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional detection apparatus using polarization characteristics. Referring to FIG. 1, a method of photographing reflected light by irradiating polarized light onto surface and deep layers of biological tissues is used.
  • the polarizing plate 4 When light from the light source 1 is irradiated to the living tissue in a polarized state while passing through the polarizing plate 2, the polarizing plate 4 is reflected by the surface layer (S) and the deep layer (D) of the living tissue through the reflective glass 3 The light passing through is photographed using the camera 5, and the image related to the surface layer S and the depth D is obtained using the photographed image.
  • optical systems such as endoscopes using optical guides such as optical fibers.
  • the present invention has been made to solve the above problems, to provide an optical system that detects the biological tissue using the polarization characteristics that can detect the biological tissue having the polarization characteristics of the outer membrane, such as nerves and ligaments.
  • the purpose is.
  • another object of the present invention is to provide an optical system capable of providing an excellent color image in detecting and imaging biological tissues such as nerves or ligaments.
  • an optical system for detecting living tissue using polarization characteristics comprising: a light source unit for irradiating light; A light guide part for a light source of a flexible material in which light emitted from the light source part is incident to one side and emitted to the other side; A photographing unit configured to photograph light emitted from the other side of the light guide unit for the light source and reflected from a measurement target; A first polarizing plate rotatably installed on the optical path of the light directed from the light source to the measurement object to polarize the light directed to the measurement object in a first polarization direction; Transmittance of light reflected from the measurement object and disposed on the optical path of the light directed toward the imaging unit, and polarized in the second polarization direction perpendicular to the first polarization direction and directed to the imaging unit, is polarized in the first polarization direction.
  • a second polarizing plate for blocking And a control unit which rotates the first polarizer and controls the photographing unit to capture at least two or more images, and detects the biological tissue based on a change in brightness of a pixel on the at least two or more images.
  • a control unit which rotates the first polarizer and controls the photographing unit to capture at least two or more images, and detects the biological tissue based on a change in brightness of a pixel on the at least two or more images.
  • the biological tissue may have an outer layer having polarization characteristics.
  • the light guide unit may further include an image light guide unit disposed between the measurement target and the photographing unit and configured to allow the light reflected from the measurement target to one side and enter the other side to be directed to the photographing unit.
  • the first polarizing plate is disposed between the light source unit and the light guide unit for the light source;
  • the second polarizing plate may be disposed between the photographing unit and the light guide unit for the image.
  • the light guide portion for the light source and the light guide portion for the image may be provided in the form of an optical fiber.
  • the first polarizing plate is disposed on the other side of the light guide portion for the light source between the light guide portion for the light source and the measurement target, and the second polarizing plate is used for the image between the light guide portion for the image and the measurement target. It may be installed on one side of the light guide portion.
  • the optical system has an electron endoscope shape in which the light guide portion for the light source is provided in the form of an optical fiber;
  • the photographing unit includes a CCD camera installed at the tip of the electronic endoscope;
  • the second polarizing plate may be installed in front of the CCD camera of the tip portion of the electronic endoscope.
  • the photographing unit may photograph light that is scattered in the body tissue and transmitted through the second polarizing plate.
  • the biological tissue is located subcutaneously of the object to be measured;
  • the light reflected from the surface layer after being polarized by the first polarizer may be blocked by the second polarizer.
  • the controller may rotate the first polarizing plate within a direction range parallel to the second polarization direction from a direction perpendicular to the second polarization direction.
  • the controller may detect the living tissue.
  • the apparatus may further include a wavelength filter configured to transmit only a predetermined wavelength band among light emitted from the light source unit.
  • the wavelength filter may be provided to transmit only the wavelength band of the green light.
  • the light source unit is provided to selectively irradiate red light, green light, and blue light;
  • the control unit detects the biological tissue according to the blue light irradiation, the image photographed by the photographing unit according to the irradiation of the blue light, the image photographed by the photographing unit according to the irradiation of the red light, and the green light According to the irradiation, the image photographed by the photographing unit may be synthesized to form a color image.
  • the light source unit is provided to selectively irradiate red light, green light, and blue light;
  • the control unit detects the biological tissue according to the blue light irradiation while the first polarizing plate and the second polarizing plate are disposed on an optical path, and the first polarizing plate and the second polarizing plate are removed on the optical path.
  • a color image may be formed by synthesizing the image photographed by the photographing unit according to the irradiation of the red light and the image photographed by the photographing unit according to the irradiation of the green light.
  • the light source unit may be provided in a form capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the second polarizing plate is rotatably installed along an optical path of light incident to the photographing unit.
  • the controller may control the first polarizing plate and the second polarizing plate to rotate in a state where polarization directions of the first polarizing plate and the second polarizing plate cross each other.
  • an optical system such as an endoscope system for detecting the biological tissue by using the polarization characteristic that can detect the biological tissue having the polarization characteristic of the outer membrane, such as nerves or ligaments.
  • an optical system such as an endoscope system capable of providing a superior color image in detecting and imaging biological tissue such as nerves or ligaments.
  • 1 is a view showing a conventional detection device using the polarization characteristics
  • FIG. 2 is a view showing the configuration of an endoscope system which is an example of an optical system according to the present invention
  • FIG. 3 is a view for explaining the configuration of the endoscope system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a control block diagram of an endoscope system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing a cross section of the actual neural tissue
  • FIG. 6 is a view for explaining the polarization characteristics of neural tissue
  • FIG. 7 is a view showing an example of an image taken while rotating the first polarizing plate according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a view for explaining the configuration of the endoscope system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view for explaining the configuration of the endoscope system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG 10 and 11 illustrate another example of an endoscope system according to the present invention.
  • An optical system for detecting living tissue using polarization characteristics includes a light source unit for irradiating light; A light guide part for a light source of a flexible material in which light emitted from the light source part is incident to one side and emitted to the other side; A photographing unit configured to photograph light emitted from the other side of the light guide unit for the light source and reflected from a measurement target; A first polarizing plate rotatably installed on the optical path of the light directed from the light source to the measurement object to polarize the light directed to the measurement object in a first polarization direction; Transmittance of light reflected from the measurement object and disposed on the optical path of the light directed toward the imaging unit, and polarized in the second polarization direction perpendicular to the first polarization direction and directed to the imaging unit, is polarized in the first polarization direction.
  • a second polarizing plate for blocking configured to rotate the first polarizer to control the photographing unit to capture at least two or more images, and to detect the biological tissue based on a change in brightness of a pixel on the at least two or more images.
  • the optical system 100 according to the present invention detects the biological tissue Ob_T using polarization characteristics.
  • the optical system 100 according to the present invention is applied to an apparatus in which light is guided by a light guide, such as the endoscope system 100.
  • the optical system 100 according to the present invention detects the biological tissue Ob_T in which the outer membrane M (see FIG. 5) has polarization characteristics such as nerves (N, FIG. 5) or ligaments.
  • the optical system 100 according to the present invention will be described with an example that the endoscope system 100 is illustrated in FIG. 2. .
  • the endoscope system 100 according to the first embodiment of the present invention includes a light source unit 110, a light guide unit 120 for a light source, a photographing unit 160, and a first polarizing plate ( 140, a second polarizer 150, and a controller 180.
  • the light source unit 110 irradiates light for illuminating the object to be measured, for example, the surface layer Ob_S inside the body or the inside cut out during surgery in the body.
  • the light source unit 110 emits white light in the visible region.
  • the light source unit 110 uses the LED light source 111c as an example.
  • the light guide unit 120 for the light source receives light emitted from the light source unit 110 to one side and emits the light to the other side.
  • the light guide unit 120 for the light source is provided with a flexible material applicable to the endoscope system 100.
  • the optical fiber is composed of a bundle.
  • the light guide portion is accommodated in the endoscope tube of a flexible material.
  • the photographing unit 160 photographs the light emitted from the other side of the light guide part 120 for the light source and reflected from the measurement object Ob to form an image.
  • the photographing unit 160 photographs light guided by the image light guide unit 130 as an example.
  • the image light guide unit 130 is disposed between the measurement object Ob and the photographing unit 160, and the light reflected from the measurement object Ob is incident to one side. The light emitted to the other side is directed to the photographing unit 160.
  • the light guide part 120 for a light source according to the first embodiment of the present invention is a flexible material, for example, in which an optical fiber is formed in a bundle, and the inside of an endoscope tube together with the light guide part 120 for a light source. For example, installed in.
  • the first polarizing plate 140 is rotatably installed along the optical path of the light from the light source unit 110 toward the measurement object Ob.
  • the first polarizing plate 140 polarizes light emitted from the light source unit 110 toward the measurement object Ob in the first polarization direction.
  • the first polarizing plate 140 is disposed between the light source unit 110 and the light guide unit 120 for the light source. That is, in the endoscope system 100 according to the present invention, by polarizing the light irradiated from the light source unit 110 in a state disposed outside the human body, the light guide unit 120 for the light source.
  • the second polarizer 150 is disposed on the optical path of the light reflected from the measurement object Ob toward the imaging unit 160.
  • the second polarizing plate 150 is polarized in a second polarization direction perpendicular to the first polarization direction to block transmission of light polarized in the first polarization direction among the light directed toward the imaging unit 160.
  • the second polarizing plate 150 is disposed between the photographing unit 160 and the image light guide unit 130 as an example. That is, like the first polarizing plate 140 does not have a polarized light or polarization characteristics of the light emitted from the image light guide unit 130 in the second polarization direction in a state that is disposed outside the human body rather than a portion inserted into the human body The light is passed through the light, which is directed toward the photographing unit 160, and blocks the transmission of the light polarized in the direction crossing the second polarization direction, that is, the light polarized in the first polarization direction.
  • the light emitted from the tip of the light guide portion 120 for the light source passes through the lens module 121 for the light source to the measurement object (Ob), it is maintained in a polarized state by the first polarizing plate 140 And is incident on the measurement object Ob.
  • a part of the light incident on the measurement object Ob is reflected from the surface layer Ob_S of the measurement object Ob, and a part is reflected inside the measurement after being incident into the measurement object.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the actual nerve breakfast (NT).
  • nerve breakfast (NT) is composed of a nerve (N) forming a bundle inside, and the outer membrane (M) surrounding the nerve (N).
  • An area indicated by a dotted line in FIG. 5 is an area corresponding to the outer film M.
  • the outer layer M surrounding the nerve N has polarization characteristics. As shown in FIG. 6, the outer layer M surrounding the nerve N wraps the nerve N in a form in which tissues overlap each other in the longitudinal direction of the nerve N, thereby having polarization characteristics.
  • the light guide 130 is directed to the second polarizer 150.
  • the second polarizing plate 150 is made of light reflected from the surface layer Ob_S of the measurement target Ob among the light directed from the measurement object Ob to the photographing unit 160, that is, the first polarizing plate 140. The transmission of light polarized in one polarization direction is blocked.
  • the light scattered and reflected inside the biological tissue Ob_T loses polarization characteristics by scattering, and passes through the second polarizing plate 150 to be photographed by the imaging unit 160. That is, the light photographed by the photographing unit 160 blocks the information on the surface layer Ob_S of the measurement object Ob and photographs only the light reflected from the deep layer.
  • the controller 180 rotates the first polarizer 140 and controls the photographing unit 160 to capture at least two images.
  • the controller 180 may rotate the first polarizing plate 140 within a range parallel to the second polarization direction from a direction perpendicular to the second polarization direction. For example, assuming that the first polarization direction is 0 ° and the second polarization direction is 90 °, the controller 180 controls the first polarizing plate 140 in units of 10 °, 20 °, and 30 ° with respect to the optical path.
  • the first polarization driver 141 By controlling the first polarization driver 141 to rotate and controlling the photographing unit 160 to reflect the light reflected from each rotational position, at least two or more images are obtained.
  • the controller 180 detects the biological tissue Ob_T based on a change in brightness of each pixel on the image captured by the photographing unit 160, and displays the detected image on the screen of the display unit 170. do.
  • the polarized light incident into the measurement object Ob may correspond to the outer layer M according to the polarization direction and the overlapping direction of the outer layer M of the biological tissue Ob_T, for example, the nerve breakfast NT. ),
  • the characteristics of the light that passes through the nerve to the nerve (N) is changed. For example, when the polarization direction of the incident light coincides with the overlapping direction of the outer layer M, most of the light is incident on the nerve N.
  • the light passing through the outer layer M depends on the polarization characteristics polarized by the first polarizing plate 140, and the brightness of light scattered and reflected therein. The characteristics of the back will also be different.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an image photographed by rotating the first polarizer 140.
  • the brightness may be changed according to the rotation of the first polarizing plate 140, but the polarization characteristic may not be obtained. It can be seen that the brightness of the surrounding tissues other than the nerve breakfast (NT) (NT) does not change.
  • the controller 180 compares each pixel on the image obtained by rotating the first polarizing plate 140 to detect pixels having a change in brightness as nerve breakfast NT. In this case, when the brightness change of the pixel is greater than or equal to a preset reference change rate, the controller 180 may remove the noise that is slightly changed according to the detection condition by detecting the biological tissue Ob_T.
  • the outer membrane M may be detected to be distinguished from biological tissues Ob_T having polarization characteristics, for example, nerve breakfast NT or ligament tissue, from peripheral tissues having no polarization characteristics.
  • the second polarizing plate 150 of the endoscope system 100 may be rotatably installed in the axis of the light path of the light incident to the imaging unit 160.
  • the controller 180 may rotate the first polarization driver 141 and the second polarization driver 141 so that the polarization directions of the first polarizing plate 140 and the second polarizing plate 150 cross each other, preferably at right angles. 151 can be controlled.
  • the polarization direction of the first polarizing plate 140 and the second polarizing plate 150 that is, the first polarization direction and the second polarization direction are orthogonal to each other is maintained, thereby reflecting off the surface layer Ob_S of the measurement object Ob. Since the light that is being polarized, that is, the light maintaining the polarized state in the first polarization direction, is more completely blocked by the second polarizing plate 150, the influence of the light reflected from the surface layer Ob_S may be minimized.
  • the endoscope system 100a includes a light source unit 110, a light guide unit 120 for a light source, an imaging unit 160, a first polarizing plate 140a, a second polarizing plate 150a, and It includes a controller 180. Also, in the second embodiment of the present invention, similarly to the first embodiment, the image light guide unit 130 captures light reflected from the measurement object Ob between the photographing unit 160 and the measurement object Ob. Guide to the unit 160.
  • the first polarizing plate 140a is installed at the tip of the light guide unit 120 for the light source and the light guide unit 120 for the light source between the measurement object Ob.
  • the first polarizing plate 140a is installed between the light guide part 120 for the light source and the lens module 121 for the light source.
  • the second polarizing plate 150a is an example of being installed at the tip of the image light guide unit 130 between the image light guide unit 130 and the measurement object Ob. In the present invention, it is assumed that the second polarizing plate 150a is installed between the image light guide part 130 and the image lens module 131.
  • the light irradiated from the light source unit 110 is directed to the measurement object (Ob) through the light guide unit 120 for the light source, the light emitted from the end of the light guide unit 120 for the light source
  • the light is passed through the lens module 121 for the light source in a state polarized in the first polarization direction by the first polarizing plate 140a and is irradiated to the measurement object Ob.
  • the light reflected from the surface layer Ob_S of the measurement object Ob and the biological tissue Ob_T therein passes through the second polarizing plate 150a through the lens module 131 for the measurement object Ob.
  • the light reflected from the surface layer Ob_S may maintain the polarized property by the first polarizing plate 140a to block transmission by the second polarizing plate 150a.
  • the light incident and scattered by the inside of the biological tissue Ob_T loses polarization characteristics and passes through the second polarizing plate 150a and is then directed to the imaging unit 160 through the image light guide unit 130. It is formed by the image 160.
  • the controller 180 rotates the first polarizing plate 140a about the axis of the optical path and captures two or more images, and based on the change in brightness between the pixels, the nerve breakfast NT ) Will be detected.
  • the second polarizing plate 150a is rotatably installed along the optical path of the light incident on the imaging unit 160.
  • the controller 180 may rotate the first polarization driver 141 and the second polarization driver so that the polarization directions of the first polarizing plate 140a and the second polarizing plate 150a cross each other, preferably at right angles. 151 can be controlled.
  • the polarization direction of the first polarizing plate 140a and the second polarizing plate 150a that is, the state in which the first polarization direction and the second polarization direction are orthogonal is maintained, thereby reflecting off the surface layer Ob_S of the measurement object Ob.
  • the influence of the light reflected from the surface layer Ob_S may be minimized.
  • the endoscope system 100b includes a light source unit 110b, a light guide unit 120 for a light source, a photographing unit 160b, a first polarizing plate 140b, a second polarizing plate 150b, and It includes a controller 180.
  • the imaging unit 160b has an electronic endoscope form provided in the form of a CCD camera. That is, the photographing unit 160 is installed at the tip of the electronic endoscope system 100b and transmits the photographed image to the display unit 170 through a cable.
  • the second polarizing plate 150b is an example of being installed in front of the CCD camera of the tip portion of the electronic endoscope system 100b.
  • the second polarizing plate 150b is installed in front of the CCD camera, that is, the photographing unit 160b between the photographing unit 160b and the image lens module 131.
  • FIG. 9 illustrates that the first polarizing plate 140b is installed between the light guide part 120 for the light source and the light source part 110, between the light guide part 120 for the light source and the measurement object Ob, That is, of course, it can be installed between the light guide unit 120 for the light source and the lens module 121 for the light source as in the embodiment shown in FIG.
  • the controller 180 rotates the first polarizing plate 140b to take two or more images, and the neural breakfast NT can be detected according to the change of the brightness of the pixel.
  • an embodiment of an optical system 100c capable of acquiring a color image in the configuration in the above-described embodiments will be described in detail.
  • the configuration of the optical system 110c will be described based on the first embodiment described above, and the technical idea may be applied to the second and third embodiments.
  • the light source unit 110c of the optical system 100 may be provided to irradiate light of a specific wavelength band.
  • the light source unit 110c may include a light source 111c for actually radiating light and a wavelength filter 112c for transmitting only a specific wavelength band of light emitted from the light source 111c.
  • the wavelength filter 112c may be provided to transmit only light in the 410 nm wavelength band.
  • the reflectance is known to be the lowest in the 410nm wavelength band, which increases the amount of light incident into the nerve breakfast (NT) to be scattered in the tissue and taken by the imaging unit 160 You can increase the brightness of the more.
  • the wavelength filter 112c may be provided to transmit blue light having a blue wavelength.
  • the surrounding tissues of the nerve breakfast (NT) that is, the surrounding tissues such as blood vessels representing the red series absorb all the blue light and appear dark, so that the nerve breakfast (NT) appears more clearly than the surroundings. It becomes possible.
  • the controller 180 detects the biological tissue Ob_T through the above-described process using blue light, and then irradiates the image and red light photographed by irradiating green light. To form a color image together with the captured image.
  • the light source unit 110 is provided to selectively irradiate red light, green light, and blue light.
  • the light source unit 110 may include a light source 111c that emits white light, a red wavelength filter R that transmits red light, a blue wavelength filter B that transmits blue light, and a green wavelength filter G that transmits green light. It may include.
  • the wavelength driver selectively selects one of the red wavelength filter R, the blue wavelength filter B, and the green wavelength filter G on the optical path of the light irradiated from the light source 111c under the control of the controller 180. It may be arranged to position.
  • three wavelength filters R, G, and B are disposed along a circumferential direction in a disk-shaped plate, and the wavelength driver 113c rotates the plate so that one of the three wavelength filters R, G, and B is rotated. Is provided so as to be positioned in front of the light source 111c.
  • the controller 180 detects the biological tissue Ob_T by rotating the first polarizing plate 140 and capturing at least two images while rotating the first polarizing plate 140.
  • the controller 180 may drive the wavelength driver 113c to arrange the red wavelength filter R in front of the light source 111c and obtain one image by irradiating red light.
  • the controller 180 may drive the wavelength driver 113c to arrange the green wavelength filter G in front of the light source 111c, and then obtain a single image through irradiation of green light.
  • the controller 180 captures one image photographed by the photographing unit 160 according to the irradiation of blue light, one image photographed by the photographing unit 160 according to the irradiation of red light, and photographing the green light.
  • One image captured by the unit 160 may be combined with each other to form a color image.
  • the pixels on each image have brightness information
  • the pixels on the three images have red, green, and blue brightness information, respectively, and these are R, G, and B data constituting one pixel of the color image.
  • the first polarizing plate 140 and the second polarizing plate 150 are photographed while being disposed on the optical path to acquire a color image.
  • the first polarizing plate 140 and the second polarizing plate 150 are photographed while being disposed on an optical path, and the photographing unit is photographed according to the remaining two images, that is, red light.
  • the first polarizing plate 140 and the second polarizing plate 150 may be removed and photographed. .
  • the light passing through the polarizing plate is preferably provided so that the blue light in the process of detecting the living tissue Ob_T is brighter than the light amount of the green light and the red light in order to reflect the property of decreasing brightness.
  • wavelength driver 120 light guide part for light source
  • lens module 140, 140a, 140b for the image the first polarizing plate
  • the present invention is applicable to an optical system for detecting living tissue using polarization characteristics.

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Abstract

본 발명은 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템에 관한 것으로, 광을 조사하는 광원부와; 일측으로 상기 광원부로부터 조사되는 광이 입사되어 타측으로 방출되는 플랙시블한 재질의 광원용 광 가이드부와; 상기 광원용 광 가이드부의 타측으로부터 방출되어 측정 대상으로부터 반사되는 광을 촬영하기 위한 촬영부와; 상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 향하는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치되어, 상기 측정 대상으로 향하는 빛을 제1 편광 방향으로 편광시키는 제1 편광판과; 상기 측정 대상으로부터 반사되어 상기 촬영부로 향하는 광의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 편광 방향과 수직인 제2 편광 방향으로 편광되어 상기 촬영부로 향하는 광 중 상기 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하는 제2 편광판과; 상기 제1 편광판을 회전시키며 상기 촬영부가 적어도 2 이상의 이미지를 촬영하도록 제어하고, 적어도 2 이상의 이미지 상의 화소의 밝기 변화에 기초하여 상기 생체 조직을 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 신경이나 인대와 같이 외부막이 편광 특성을 갖는 생체 조직을 검출할 수 있는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출할 수 있게 된다.

Description

편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템
본 발명은 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템에 관한 것으로, 신경이나 인대와 같이 외부막이 편광 특성을 갖는 생체 조직을 검출할 수 있는 광학 시스템에 관한 것이다.
현재 의료 분야에서 신경 검출과 관련된 기술 중, 전극을 인가한 후 근육 반응을 이용하여 신경을 검출하는 기술이 이용되고 있다. 일 예로 미국공개특허 제2003-0045808호에 개시된 "Nerve proximity and status detection system and method"에서는 전극에 다중 전류 레벨을 인가하고, 신경의 응답에 따라 신경의 근접도를 검출하는 내용이 개시되어 있다.
그러나, 전극을 이용하여 신경을 검출하는 기술에 있어, 전극에 반응하는 운동 신경의 경우 근육 반응을 통해 신경의 위치를 확인할 수 있으나, 감각 신경과 같이 전극에 반응하지 않는 신경의 경우 이를 확인할 수 없는 단점이 있다.
의료 분야에서 신경을 검출하는 기술이 중요한 이유는, 갑상선 수술과 같이, 피부 조직을 절개하여 수술을 실시하는 경우, 혈류 때문에 신경을 육안으로 확인하기 어려울 뿐만 아니라, 전극 반응을 통해 신경의 위치를 찾더라도 혈류에 의해 가려져 이를 육안으로 확인하기는 어렵게 된다.
이러한 상황에서 수술을 위한 절개나 이상 조직을 절개하는 과정에서 신경을 절개하는 경우가 발생하게 되어 환자에게 심각한 수술 후유증을 야기하는 원인으로 작용하고 있고, 특히 갑상선 수술에서 신경을 절단하여 목소리 기능에 손상을 야기하는 경우가 종종 발생하고 있다.
근래에 생체 조직의 검출에 있어 광의 편광 특성을 이용하는 기술이 제안되고 있다. 도 1은 편광 특성을 이용한 종래의 검출 장치를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명하면, 생체 조직의 표층과 심층에 편광된 광을 조사하여 반사되는 광을 촬영하는 방식을 이용한다.
광원(1)으로부터 광이 편광판(2)을 통과하면서 편광된 상태로 생체 조직에 조사되면, 반사글라스(3)를 통해 생체 조직의 표층(S)과 심층(D)에서 반사되어 편광판(4)를 통과한 광을 카메라(5)를 이용하여 촬영하고, 촬영된 이미지를 이용하여 표층(S)과 심층(D)과 관련된 이미지를 얻게 된다.
여기서, 두 개의 편광판(2,4)의 편광 방향이 서로 평행한 경우 표층(S)에 대한 정보를 얻게 되고, 두 개의 편광판(2,4)이 서로 수직하게 되면 심층(D)에 대한 정보를 얻게 된다.
그러나, 단지 편광된 광을 이용하여 심층(D)에 대한 정보를 얻는다 하더라도, 심층 내에 있는 혈관, 신경, 인대 등의 다양한 조직을 구분하는데는 시술자의 경험에 의존해야 하는 문제가 있으며, 신경 조직만을 검출하는데 사용되기는 부족한 부분이 있다.
상기와 같은 문제점은 광 섬유와 같은 광 가이드를 이용하는 내시경과 같은 광학 시스템에서도 동일하게 발생하고 있다.
내시경을 이용한 수술의 경우에도 내시경을 통해 얻어지는 이미지는 단지 흑백 또는 컬러 이미지 만을 얻게 되는데, 내시경을 이용한 수술에서도 자칫 신경과 같은 생체 조직을 절단하게 되면 상술한 바와 같은 후유증이 발생하게 된다.
이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 신경이나 인대와 같이 외부막이 편광 특성을 갖는 생체 조직을 검출할 수 있는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 신경이나 인대와 같은 생체 조직을 검출하여 이미지화하는데 있어, 우수한 컬러 이미지를 제공할 수 있는 광학 시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템에 있어서, 광을 조사하는 광원부와; 일측으로 상기 광원부로부터 조사되는 광이 입사되어 타측으로 방출되는 플랙시블한 재질의 광원용 광 가이드부와; 상기 광원용 광 가이드부의 타측으로부터 방출되어 측정 대상으로부터 반사되는 광을 촬영하기 위한 촬영부와; 상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 향하는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치되어, 상기 측정 대상으로 향하는 빛을 제1 편광 방향으로 편광시키는 제1 편광판과; 상기 측정 대상으로부터 반사되어 상기 촬영부로 향하는 광의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 편광 방향과 수직인 제2 편광 방향으로 편광되어 상기 촬영부로 향하는 광 중 상기 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하는 제2 편광판과; 상기 제1 편광판을 회전시키며 상기 촬영부가 적어도 2 이상의 이미지를 촬영하도록 제어하고, 적어도 2 이상의 이미지 상의 화소의 밝기 변화에 기초하여 상기 생체 조직을 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 생체 조직은 편광 특성을 갖는 외부막을 가질 수 있다.
또한, 상기 측정 대상과 상기 촬영부 사이에 배치되어, 일측으로 상기 측정 대상으로부터 반사된 광이 입사되고 타측으로 방출시켜 상기 촬영부로 향하게 하는 이미지용 광 가이드부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 편광판은 상기 광원부와 상기 광원용 광 가이드부 사이에 배치되고; 상기 제2 편광판은 상기 촬영부와 상기 이미지용 광 가이드부 사이에 배치될 수 있다.
또한, 상기 광원용 광 가이드부 및 상기 이미지용 광 가이드부는 광 섬유 형태로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 제1 편광판은 상기 광원용 광 가이드부와 상기 측정 대상 사이의 상기 광원용 광 가이드부의 타측에 배치되고, 상기 제2 편광판은 상기 이미지용 광 가이드부와 상기 측정 대상 사이의 상기 이미지용 광 가이드부의 일측에 설치될 수 있다.
그리고, 상기 광학 시스템은 상기 광원용 광 가이드부가 광 섬유 형태로 마련되는 전자 내시경 형태를 가지며; 상기 촬영부는 상기 전자 내시경의 첨단부에 설치되는 CCD 카메라를 포함하며; 상기 제2 편광판은 상기 전자 내시경의 첨단부의 상기 CCD 카메라 전방에 설치될 수 있다.
그리고, 상기 촬영부는 상기 신체 조직 내부에서 산란되어 상기 제2 편광판을 투과한 광을 촬영할 수 있다.
또한, 상기 생체 조직은 측정 대상의 피하에 위치하고; 상기 제1 편광판에 의해 편광된 후 표층으로부터 반사된 광은 상기 제2 편광판에 의해 차단될 수 있다.
그리고, 상기 제어부는 상기 제1 편광판을 상기 제2 편광 방향과 수직한 방향으로부터 상기 제2 편광 방향과 평행한 방향 범위 내에서 회전시킬 수 있다.
여기서, 상기 제어부는 적어도 2 이상의 이미지 상의 화소의 밝기 변화가 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우, 상기 생체 조직으로 검출할 수 있다.
또한, 상기 광원부로부터 조사되는 광 중 기 설정된 파장대만을 투과시키는 파장 필터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 파장 필터는 녹색 광의 파장대만을 투과시키도록 마련될 수 있다.
그리고, 상기 광원부는 적색광, 녹색광 및 청색광을 선택적으로 조사 가능하게 마련되며; 상기 제어부는 상기 청색광의 조사에 따라 상기 생체 조직을 검출하고, 상기 청색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 상기 적색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 및 상기 녹색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지를 합성하여 컬러 이미지를 형성할 수 있다.
그리고, 상기 광원부는 적색광, 녹색광 및 청색광을 선택적으로 조사 가능하게 마련되며; 상기 제어부는 광 경로 상에 상기 제1 편광판 및 상기 제2 편광판이 배치된 상태에서 상기 청색광의 조사에 따라 상기 생체 조직을 검출하고, 광 경로 상에서 상기 제1 편광판 및 상기 제2 편광판이 제거된 상태에서 상기 적색광과 상기 녹색광이 각각 조사되도록 상기 광원부를 제어하고, 상기 적색광 및 상기 녹색광의 조사에 따른 이미지가 촬영되도록 상기 촬영부를 제어하며, 상기 청색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 상기 적색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 및 상기 녹색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지를 합성하여 컬러 이미지를 형성할 수 있다.
또한, 상기 광원부는 특정 파장대의 광을 조사 가능한 형태로 마련될 수 있다.
그리고, 상기 제2 편광판은 상기 촬영부로 입사되는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치되며; 상기 제어부는 상기 제1 편광판과 상기 제2 편광판의 편광 방향이 상호 교차되는 상태로 회전하도록 상기 제1 편광판과 상기 제2 편광판을 제어할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면, 신경이나 인대와 같이 외부막이 편광 특성을 갖는 생체 조직을 검출할 수 있는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 내시경 시스템과 같은 광학 시스템이 제공된다.
또한, 신경이나 인대와 같은 생체 조직을 검출하여 이미지화하는데 있어, 우수한 컬러 이미지를 제공할 수 있는 내시경 시스템과 같은 광학 시스템이 제공된다.
도 1은 편광 특성을 이용한 종래의 검출 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 광학 시스템의 예인 내시경 시스템의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 시스템의 제어블럭도이고,
도 5는 실제 신경 조직의 단면을 나타낸 도면이고,
도 6은 신경 조직의 편광 특성을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 편광판을 회전시키며 촬영한 이미지의 예를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 내시경 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 내시경 시스템의 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 내시경 시스템의 다른 예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템은 광을 조사하는 광원부와; 일측으로 상기 광원부로부터 조사되는 광이 입사되어 타측으로 방출되는 플랙시블한 재질의 광원용 광 가이드부와; 상기 광원용 광 가이드부의 타측으로부터 방출되어 측정 대상으로부터 반사되는 광을 촬영하기 위한 촬영부와; 상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 향하는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치되어, 상기 측정 대상으로 향하는 빛을 제1 편광 방향으로 편광시키는 제1 편광판과; 상기 측정 대상으로부터 반사되어 상기 촬영부로 향하는 광의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 편광 방향과 수직인 제2 편광 방향으로 편광되어 상기 촬영부로 향하는 광 중 상기 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하는 제2 편광판과; 상기 제1 편광판을 회전시키며 상기 촬영부가 적어도 2 이상의 이미지를 촬영하도록 제어하고, 적어도 2 이상의 이미지 상의 화소의 밝기 변화에 기초하여 상기 생체 조직을 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 광학 시스템(100)은 편광 특성을 이용하여 생체 조직(Ob_T)을 검출한다. 본 발명에 따른 광학 시스템(100)은 내시경 시스템(100)과 같이 광 가이드에 의해 광이 안내되는 장치에 적용된다. 또한, 본 발명에 따른 광학 시스템(100)은 신경(N, 도 5 참조)이나 인대와 같이 외부막(M, 도 5 참조)이 편광 특성을 갖는 생체 조직(Ob_T)을 검출한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 광학 시스템(100)의 실시예들을 설명하는데 있어, 본 발명에 따른 광학 시스템(100)이, 도 2에 도시된 바와 같이, 내시경 시스템(100)인 것을 예로 하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 시스템(100)의 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 시스템(100)의 제어블럭도이다. 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 시스템(100)은 광원부(110), 광원용 광 가이드부(120), 촬영부(160), 제1 편광판(140), 제2 편광판(150) 및 제어부(180)를 포함한다.
광원부(110)는 측정 대상(Ob), 예를 들어 신체 내부의 표층(Ob_S)이나 신체 내부에서 수술 중 절개된 내부를 비추기 위한 광을 조사한다. 본 발명에서는 광원부(110)가 가시광 영역의 백색광을 조사하는 것을 예로 한다. 본 발명에서는 광원부(110)가 LED 광원(111c)을 사용하는 것을 예로 한다.
광원용 광 가이드부(120)는 일측으로 광원부(110)로부터 조사된 광이 입사되고, 입사된 광을 타측으로 방출한다. 본 발명에서는 광원용 광 가이드부(120)가 내시경 시스템(100)에 적용 가능한 플랙시블(Flexible)한 재질로 마련되는 것을 예로 하는데, 광 섬유가 다발로 구성되는 것을 예로 한다. 여기서, 광 가이드부는 플랙시블한 재질의 내시경 튜브 내부에 수용된다.
촬영부(160)는 광원용 광 가이드부(120)의 타측으로부터 방출되어 측정 대상(Ob)으로부터 반사되는 광을 촬영하여 이미지를 형성한다. 본 발명의 제1 실시예에서는 촬영부(160)가 이미지용 광 가이드부(130)에 의해 안내되는 광을 촬영하는 것을 예로 한다.
도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 이미지용 광 가이드부(130)는 측정 대상(Ob)과 촬영부(160) 사이에 배치되는데, 일측으로 측정 대상(Ob)으로부터 반사되는 광이 입사되고, 타측으로 입사된 광을 방출하여 촬영부(160)로 향하게 한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 광원용 광 가이드부(120)는 플랙시블한 재질, 예를 들어 광 섬유가 다발로 형성되는 것을 예로 하며, 광원용 광 가이드부(120)와 함께 내시경 튜브 내부에 설치되는 것을 예로 한다.
제1 편광판(140)은 광원부(110)로부터 측정 대상(Ob)으로 향하는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 제1 편광판(140)은 광원부(110)로부터 조사되어 측정 대상(Ob)으로 향하는 광을 제1 편광 방향으로 편광시킨다.
본 발명의 제1 실시예에서는 제1 편광판(140)이 광원부(110)와 광원용 광 가이드부(120) 사이에 배치되는 것을 예로 한다. 즉, 본 발명에 따른 내시경 시스템(100)에서 인체에 삽입되는 부분이 아닌 인체 외부에 배치된 상태에서 광원부(110)로부터 조사된 광을 편광시켜, 편광된 광을 광원용 광 가이드부(120)로 전달하는 것을 예로 한다.
제2 편광판(150)은 측정 대상(Ob)으로부터 반사되어 촬영부(160)로 향하는 광의 광 경로 상에 배치된다. 그리고, 제2 편광판(150)은 제1 편광 방향과 수직인 제2 편광 방향으로 편광되어 촬영부(160)로 향하는 광 중 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하게 된다.
본 발명의 제1 실시예에서는 제2 편광판(150)이 촬영부(160)와 이미지용 광 가이드부(130) 사이에 배치되는 것을 예로 한다. 즉, 제1 편광판(140)과 마찬가지로 인체에 삽입되는 부분이 아닌 인체 외부에 배치된 상태에서 이미지용 광 가이드부(130)로부터 방출되는 광 중 제2 편광 방향으로 편광된 광이나 편광 특성을 갖지 않는 광을 통과시켜 촬영부(160)로 향하게 하고, 제2 편광 방향과 교차하는 방향으로 편광된 광, 즉 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하게 된다.
한편, 광원용 광 가이드부(120)의 첨단으로부터 방출된 광은 광원용 렌즈 모듈(121)을 통과한 후 측정 대상(Ob)으로 향하는데, 제1 편광판(140)에 의해 편광된 상태를 유지하며 측정 대상(Ob)으로 입사된다. 이 때 측정 대상(Ob)으로 입사되는 광의 일부는 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)으로부터 반사되고, 일부는 측정 내부로 입사된 후 내부에서 반사된다.
도 5는 실제 신경 조식(NT)의 단면을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여 설명하면, 신경 조식(NT)은 내부에 다발을 이루는 신경(N)과, 신경(N)을 감싸는 외부막(M)으로 구성된다. 도 5에 점선으로 표시한 영역이 외부막(M)에 해당하는 영역이다.
여기서, 신경(N)을 감싸는 외부막(M)은 편광 특성을 갖는다. 도 6에 도시된 바와 같이, 신경(N)을 감싸는 외부막(M)은 조직이 신경(N)의 길이 방향으로 겹겹이 겹쳐진 형태로 신경(N)을 싸고 있어, 편광 특성을 갖게 된다.
측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)에서 반사되는 광과, 검출 대상인 생체 조직(Ob_T) 예컨대 신경 조식(NT) 내부에서 산란되어 반사된 광은 이미지용 렌즈 모듈(131)을 통과한 후 이미지용 광 가이드부(130)를 통해 제2 편광판(150)으로 향하게 된다.
이 때, 제2 편광판(150)은 측정 대상(Ob)으로부터 촬영부(160)로 향하는 광 중 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)에서 반사되는 광, 즉 제1 편광판(140)에 의해 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하게 된다.
반면, 생체 조직(Ob_T)의 내부에서 산란되어 반사된 광은 산란에 의해 편광 특성을 상실하게 되어, 제2 편광판(150)을 투과하여 촬영부(160)에 촬영된다. 즉, 촬영부(160에 의해 촬영된 광은 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)에 대한 정보는 차단되고 심층에서 반사되는 광만이 촬영하게 된다.
제어부(180)는 제1 편광판(140)을 회전시키며 촬영부(160)가 적어도 2 이상의 이미지를 촬영하도록 제어한다. 여기서, 제어부(180)는 제1 편광판(140)을 제2 편광 방향과 수직인 방향으로부터 제2 편광 방향과 평행한 범위 내에서 회전시킬 수 있다. 예컨대, 제1 편광 방향을 0˚라 하고, 제2 편광 방향을 90˚라 가정할 때, 제어부(180)는 광 경로를 축으로 10˚, 20˚, 30˚ 단위로 제1 편광판(140)이 회전하도록 제1 편광 구동부(141)를 제어하면서 각 회전 위치에서 촬영부(160)가 반사되어 오는 광을 촬영하도록 제어함으로써, 적어도 2 이상의 이미지를 얻게 된다.
그리고, 제어부(180)는 촬영부(160)에 의해 촬영된 이미지 상의 각 화소의 밝기 변화에 기초하여 생체 조직(Ob_T)을 검출하고, 검출된 이미지를 디스플레이부(170)의 화면 상에 표시하게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, 측정 대상(Ob) 내부로 입사되는 편광된 광은 그 편광 방향과 생체 조직(Ob_T), 예컨대 신경 조식(NT)의 외부막(M)의 겹쳐진 방향에 따라 외부막(M)을 투과하여 신경(N)으로 향하는 광의 특성이 바뀌게 된다. 예를 들어, 입사되는 광의 편광 방향과 외부막(M)의 겹쳐진 방향이 일치하게 되면 대부분의 광이 신경(N)으로 입사된다.
반면, 측정 대상(Ob) 내부로 입사되는 광의 편광 방향과 외부막(M)의 겹쳐진 방향이 불일치하는 경우, 예컨대 직교하는 경우 대부분이 신경(N) 내부로 입사되지 않는다. 즉, 광의 편광 방향과 외부막(M)의 겹쳐진 방향 간의 편광 방향의 편차에 따라 신경(N) 내부로 입사되는 광이 달라지게 된다.
따라서, 외부막(M)을 통과하는 광, 즉 신경 조식(NT) 내부로 입사되는 광이 제1 편광판(140)에 의해 편광된 편광 특성에 따라 달라지게 되고, 내부에서 산란되어 반사되는 광의 밝기 등의 특성 또한 달라지게 된다.
도 7은 제1 편광판(140)을 회전시키며 촬영한 이미지의 예를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 편광 특성을 갖는 외부막(M)을 갖는 신경 조식(NT)의 경우, 제1 편광판(140)의 회전에 따라 밝기가 변화되는 것을 확인할 수 있으나, 편광 특성을 갖지 않는 신경 조식(NT)(NT) 이외의 주변 조직의 밝기는 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다.
이와 같은 특성을 이용하여, 제어부(180)는 제1 편광판(140)을 회전시키며 얻은 이미지 상의 각 화소를 비교하여 밝기의 변화가 발생하는 화소들을 신경 조식(NT)으로 검출하게 된다. 여기서, 제어부(180)는 화소의 밝기 변화가 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우에 생체 조직(Ob_T)으로 검출함으로써, 검출 조건에 따라 미세하게 변화하는 노이즈를 제거할 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해, 외부막(M)이 편광 특성을 갖는 생체 조직(Ob_T), 예컨대, 신경 조식(NT)이나 인대 조직이 편광 특성을 갖지 않는 주변 조직과 구별되게 검출이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 내시경 시스템(100)의 제2 편광판(150)은 촬영부(160)로 입사되는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이 때, 제어부(180)는 제1 편광판(140)과 제2 편광판(150)의 편광 방향이 상호 교차, 바람직하게는 직교하는 상태로 회전하도록 제1 편광 구동부(141)와 제2 편광 구동부(151)를 제어할 수 있다.
이를 통해, 제1 편광판(140)과 제2 편광판(150)의 편광 방향, 즉 제1 편광 방향과 제2 편광 방향이 직교하는 상태가 유지됨으로써, 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)에서 반사되는 광, 즉 제1 편광 방향으로 편광된 상태를 유지하는 광이 제2 편광판(150)에 의해 보다 완전히 차단되도록 함으로써, 표층(Ob_S)에서 반사되는 광에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 내시경 시스템(100a)에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 내시경 시스템(100a)을 설명하는데 있어, 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
본 발명이 제2 실시예에 따른 내시경 시스템(100a)은, 광원부(110), 광원용 광 가이드부(120), 촬영부(160), 제1 편광판(140a), 제2 편광판(150a) 및 제어부(180)를 포함한다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에서도 제1 실시예에서와 마찬가지로 이미지용 광 가이드부(130)가 촬영부(160)와 측정 대상(Ob) 사이에서 측정 대상(Ob)으로부터 반사되는 광을 촬영부(160)로 안내한다.
본 발명의 제2 실시예에서는 제1 편광판(140a)이 광원용 광 가이드부(120)와, 측정 대상(Ob) 사이의 광원용 광 가이드부(120)의 첨단에 설치되는 것을 예로 한다. 본 발명에서는 제1 편광판(140a)이 광원용 광 가이드부(120)와 광원용 렌즈 모듈(121) 사이에 설치되는 것을 예로 한다.
또한, 제2 편광판(150a)은 이미지용 광 가이드부(130)와 측정 대상(Ob) 사이의 이미지용 광 가이드부(130)의 첨단에 설치되는 것을 예로 한다. 본 발명에서는 제2 편광판(150a)이 이미지용 광 가이드부(130)와 이미지용 렌즈 모듈(131) 사이에 설치되는 것을 예로 한다.
상기와 같은 구성에 따라, 광원부(110)로부터 조사된 광은 광원용 광 가이드부(120)를 통해 측정 대상(Ob)으로 향하게 되고, 광원용 광 가이드부(120)의 말단으로부터 방출되는 광은 제1 편광판(140a)에 의해 제1 편광 방향으로 편광된 상태로 광원용 렌즈 모듈(121)을 통과하여 측정 대상(Ob)으로 조사된다.
그리고, 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)과 내부의 생체 조직(Ob_T)으로부터 반사된 광은 이미지용 렌즈 모듈(131)을 거쳐 제2 편광판(150a)을 통과하게 되는데, 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)으로부터 반사되는 광은 제1 편광판(140a)에 의해 편광된 특성을 유지하여 제2 편광판(150a)에 의해 투과가 차단된다.
반면, 생체 조직(Ob_T) 내부로 입사되어 산란된 광은 편광 특성을 상실하여 제2 편광판(150a)을 투과한 후 이미지용 광 가이드부(130)를 통해 촬영부(160)로 향하게 되어, 촬영부(160)에 의해 이미지로 형성된다.
이 때, 제어부(180)는, 제1 실시예에서와 마찬가지로, 제1 편광판(140a)을 광 경로를 축으로 회전시키며 2 이상의 이미지를 촬영하고, 화소 간의 밝기의 변화에 기초하여 신경 조식(NT)을 검출하게 된다.
여기서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학 시스템(100a)은 제1 실시예에서와 마찬가지로, 제2 편광판(150a)이 촬영부(160)로 입사되는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이 때, 제어부(180)는 제1 편광판(140a)과 제2 편광판(150a)의 편광 방향이 상호 교차, 바람직하게는 직교하는 상태로 회전하도록 제1 편광 구동부(141)와 제2 편광 구동부(151)를 제어할 수 있다.
이를 통해, 제1 편광판(140a)과 제2 편광판(150a)의 편광 방향, 즉 제1 편광 방향과 제2 편광 방향이 직교하는 상태가 유지됨으로써, 측정 대상(Ob)의 표층(Ob_S)에서 반사되는 광, 즉 제1 편광 방향으로 편광된 상태를 유지하는 광이 제2 편광판(150a)에 의해 보다 완전히 차단되도록 함으로써, 표층(Ob_S)에서 반사되는 광에 의한 영향을 최소화시킬 수 있다.
이하에서는, 도 9를 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 내시경 시스템(100b)에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 내시경 시스템(100b)을 설명하는데 있어, 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
본 발명이 제3 실시예에 따른 내시경 시스템(100b)은, 광원부(110b), 광원용 광 가이드부(120), 촬영부(160b), 제1 편광판(140b), 제2 편광판(150b) 및 제어부(180)를 포함한다. 본 발명의 제3 실시예에서는 촬영부(160b)가 CCD 카메라 형태로 마련되는 전자 내시경 형태를 갖는 것을 예로 한다. 즉, 촬영부(160)가 전자 내시경 시스템(100b)의 첨단부에 설치되고, 촬영된 이미지를 케이블을 통해 디스플레이부(170)로 전달하게 된다
이 때, 제2 편광판(150b)은 전자 내시경 시스템(100b)의 첨단부의 CCD 카메라 전방에 설치되는 것을 예로 한다. 도 9에서는 제2 편광판(150b)이 CCD 카메라, 즉 촬영부(160b)와 이미지용 렌즈 모듈(131) 사이의 촬영부(160b)의 전방에 설치되는 것을 예로 한다.
또한, 도 9에서는 제1 편광판(140b)이 광원용 광 가이드부(120)와 광원부(110) 사이에 설치되는 것을 예로 하고 있으나, 광원용 광 가이드부(120)와 측정 대상(Ob) 사이, 즉, 도 8에 도시된 실시예에서와 같이 광원용 광 가이드부(120)와 광원용 렌즈 모듈(121) 사이에 설치될 수 있음은 물론이다.
상기와 같은 구성에 따라, 제어부(180)가 제1 편광판(140b)을 회전시키며 2 이상의 이미지를 촬영하고, 화소의 밝기의 변화에 따라 신경 조식(NT)의 검출이 가능하게 된다.
이하에서는 도 10 및 도 11을 참조하여, 전술한 실시예들에서의 구성에서 컬러 이미지를 획득할 수 있는 광학 시스템(100c)에 대한 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 실시예를 설명하는데 있어 광학 시스템(110c)의 구성은 전술한 제1 실시예를 기본으로 하여 설명하며, 기술적 사상은 제2 실시예 및 제3 실시예에 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 광학 시스템(100)의 광원부(110c)는 특정 파장대의 광을 조사 가능하게 마련될 수 있다. 일 예로, 광원부(110c)는 실제 광을 조사하는 광원(111c)과, 광원(111c)으로부터 조사되는 광 중 특정 파장대만을 투과시키는 파장 필터(112c)를 포함할 수 있다.
일 예로, 파장 필터(112c)가 410㎚ 파장대의 광만을 투과시키도록 마련될 수 있다. 신경 조식(NT)의 경우, 410㎚ 파장대에서의 반사율이 가장 낮은 것으로 알려져 있으며, 이는 신경 조식(NT) 내부로 입사되는 광량을 증가시켜 조직 내부에서 산란되어 촬영부(160)에 의해 촬영되는 이미지의 밝기를 보다 높일 수 있게 된다.
다른 예로, 파장 필터(112c)가 청색 계열의 파장을 갖는 청색광을 투과시키도록 마련될 수 있다. 청색광을 조사하는 경우, 신경 조식(NT)의 주변 조직, 즉 적색 계열을 나타내는 혈관 등의 주변 조직이 청색광을 모두 흡수하여 어둡게 나타남으로써, 상대적으로 신경 조식(NT)이 주변에 비해 보다 명확하게 나타날 수 있게 된다.
또한, 본 실시예에 따른 광학 시스템(100c)에서는 제어부(180)가 청색광을 이용하여 상술한 바와 같은 과정을 통해 생체 조직(Ob_T)을 검출한 후, 녹색광을 조사하여 촬영한 이미지, 적색광을 조사하여 촬영한 이미지와 함께 컬러 이미지를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 광원부(110)는 적색광, 녹색광 및 청색광을 선택적으로 조사 가능하게 마련된다. 일 예로, 광원부(110)는 백색광을 조사하는 광원(111c), 적색광을 투과하는 적색 파장 필터(R), 청색광을 투과하는 청색 파장 필터(B), 녹색광을 투과하는 녹색 파장 필터(G)를 포함할 수 있다.
그리고, 제어부(180)의 제어에 따라 파장 구동부가 적색 파장 필터(R), 청색 파장 필터(B) 및 녹색 파장 필터(G) 중 하나를 광원(111c)으로부터 조사되는 광의 광 경로 상에 선택적으로 위치시키도록 마련될 수 있다. 도 10에서는 원판 형의 플레이트에 3개의 파장 필터(R,G,B)가 원주 방향을 따라 배치되고, 파장 구동부(113c)가 플레이트를 회전시켜 3개의 파장 필터(R,G,B) 중 하나를 광원(111c) 전방에 위치하도록 마련되는 것을 예로 하고 있다.
이러한 구성을 통해, 제어부(180)는 청색광을 조사하는 상태에서, 상술한 바와 같이, 제1 편광판(140)을 회전시키며 적어도 2 이상의 이미지를 촬영하여 생체 조직(Ob_T)을 검출하게 된다.
그런 다음, 제어부(180)는 파장 구동부(113c)를 구동하여 적색 파장 필터(R)를 광원(111c) 전방에 배치시킨 후 적색광의 조사를 통해 한 장의 이미지를 얻을 수 있다. 마찬가지로, 제어부(180)는 파장 구동부(113c)를 구동하여 녹색 파장 필터(G)를 광원(111c) 전방에 배치시킨 후 녹색광의 조사를 통해 한 장의 이미지를 얻을 수 있다.
그리고, 제어부(180)는 청색광의 조사에 따라 촬영부(160)에 의해 촬영된 이미지 한 장, 적색광의 조사에 따라 촬영부(160)에 의해 촬영된 이미지 한 장, 그리고 녹색광의 조사에 따라 촬영부(160)에 의해 촬영된 이미지 한 장을 서로 합성하여 컬러 이미지를 형성할 수 있다.
즉, 각각의 이미지 상의 화소는 밝기 정보를 갖게 되는데, 3장의 이미지 상의 화소가 각각 적색, 녹색, 청색의 밝기 정보를 갖게 되고, 이를 컬러 이미지의 하나의 화소를 구성하는 R,G,B 데이터로 인식함으로써, 컬러 이미지를 형성하게 된다.
전술한 실시예에서는 컬러 이미지를 획득하는데 제1 편광판(140)과 제2 편광판(150)이 광 경로 상에 배치된 상태에서 촬영되는 것을 예로 하고 있다. 이외에도, 생체 조직(Ob_T)을 검출하는 과정에서는 제1 편광판(140)과 제2 편광판(150)을 광 경로 상에 배치한 상태로 촬영하고, 나머지 2장의 이미지, 즉 적색광의 조사에 따라 촬영부(160)에 의해 촬영된 이미지와, 녹색광의 조사에 따라 촬영부(160)에 의해 촬영된 이미지를 촬영할 때 제1 편광판(140)과 제2 편광판(150)을 제거한 후 촬영하도록 마련될 수 있다.
이 경우, 편광판을 투과하는 광은 그 밝기가 감소하는 특성을 반영하기 위해, 생체 조직(Ob_T)을 검출하는 과정에서의 청색광은 녹색광과 적색광의 광량보다 밝게 조사하도록 마련되는 것이 바람직하다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
[부호의 설명]
100,100a,100b,100c : 내시경 시스템
110,110c : 광원부
111c : 광원 112c : 파장 필터
113c : 파장 구동부 120 : 광원용 광 가이드부
121 : 광원용 렌즈 모듈 130 : 이미지용 광 가이드부
131 : 이미지용 렌즈 모듈 140,140a,140b : 제1 편광판
150,150a,150b : 제2 편광판 160 : 촬영부
170 : 디스플레이부 180 : 제어부
본 발명은 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템에 적용 가능하다.

Claims (17)

  1. 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템에 있어서,
    광을 조사하는 광원부와;
    일측으로 상기 광원부로부터 조사되는 광이 입사되어 타측으로 방출되는 플랙시블한 재질의 광원용 광 가이드부와;
    상기 광원용 광 가이드부의 타측으로부터 방출되어 측정 대상으로부터 반사되는 광을 촬영하기 위한 촬영부와;
    상기 광원부로부터 상기 측정 대상으로 향하는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치되어, 상기 측정 대상으로 향하는 빛을 제1 편광 방향으로 편광시키는 제1 편광판과;
    상기 측정 대상으로부터 반사되어 상기 촬영부로 향하는 광의 광 경로 상에 배치되고, 상기 제1 편광 방향과 수직인 제2 편광 방향으로 편광되어 상기 촬영부로 향하는 광 중 상기 제1 편광 방향으로 편광된 광의 투과를 차단하는 제2 편광판과;
    상기 제1 편광판을 회전시키며 상기 촬영부가 적어도 2 이상의 이미지를 촬영하도록 제어하고, 적어도 2 이상의 이미지 상의 화소의 밝기 변화에 기초하여 상기 생체 조직을 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생체 조직은 편광 특성을 갖는 외부막을 갖는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정 대상과 상기 촬영부 사이에 배치되어, 일측으로 상기 측정 대상으로부터 반사된 광이 입사되고 타측으로 방출시켜 상기 촬영부로 향하게 하는 이미지용 광 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 편광판은 상기 광원부와 상기 광원용 광 가이드부 사이에 배치되고;
    상기 제2 편광판은 상기 촬영부와 상기 이미지용 광 가이드부 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광원용 광 가이드부 및 상기 이미지용 광 가이드부는 광 섬유 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 편광판은 상기 광원용 광 가이드부와 상기 측정 대상 사이의 상기 광원용 광 가이드부의 타측에 배치되고,
    상기 제2 편광판은 상기 이미지용 광 가이드부와 상기 측정 대상 사이의 상기 이미지용 광 가이드부의 일측에 설치되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 광학 시스템은 상기 광원용 광 가이드부가 광 섬유 형태로 마련되는 전자 내시경 형태를 가지며;
    상기 촬영부는 상기 전자 내시경의 첨단부에 설치되는 CCD 카메라를 포함하며;
    상기 제2 편광판은 상기 전자 내시경의 첨단부의 상기 CCD 카메라 전방에 설치되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 촬영부는 상기 신체 조직 내부에서 산란되어 상기 제2 편광판을 투과한 광을 촬영하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 생체 조직은 측정 대상의 피하에 위치하고;
    상기 제1 편광판에 의해 편광된 후 표층으로부터 반사된 광은 상기 제2 편광판에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제1 편광판을 상기 제2 편광 방향과 수직한 방향으로부터 상기 제2 편광 방향과 평행한 방향 범위 내에서 회전시키는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 적어도 2 이상의 이미지 상의 화소의 밝기 변화가 기 설정된 기준 변화율 이상인 경우, 상기 생체 조직으로 검출하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 광원부로부터 조사되는 광 중 기 설정된 파장대만을 투과시키는 파장 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 파장 필터는 녹색 광의 파장대만을 투과시키도록 마련되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 광원부는 적색광, 녹색광 및 청색광을 선택적으로 조사 가능하게 마련되며;
    상기 제어부는
    상기 청색광의 조사에 따라 상기 생체 조직을 검출하고,
    상기 청색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 상기 적색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 및 상기 녹색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지를 합성하여 컬러 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 광원부는 적색광, 녹색광 및 청색광을 선택적으로 조사 가능하게 마련되며;
    상기 제어부는
    광 경로 상에 상기 제1 편광판 및 상기 제2 편광판이 배치된 상태에서 상기 청색광의 조사에 따라 상기 생체 조직을 검출하고,
    광 경로 상에서 상기 제1 편광판 및 상기 제2 편광판이 제거된 상태에서 상기 적색광과 상기 녹색광이 각각 조사되도록 상기 광원부를 제어하고, 상기 적색광 및 상기 녹색광의 조사에 따른 이미지가 촬영되도록 상기 촬영부를 제어하며,
    상기 청색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 상기 적색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지, 및 상기 녹색광의 조사에 따라 상기 촬영부에 의해 촬영된 이미지를 합성하여 컬러 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 광원부는 특정 파장대의 광을 조사 가능한 형태로 마련되는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 제2 편광판은 상기 촬영부로 입사되는 광의 광 경로를 축으로 회전 가능하게 설치되며;
    상기 제어부는 상기 제1 편광판과 상기 제2 편광판의 편광 방향이 상호 교차되는 상태로 회전하도록 상기 제1 편광판과 상기 제2 편광판을 제어하는 것을 특징으로 하는 편광 특성을 이용하여 생체 조직을 검출하는 광학 시스템.
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