WO2017003225A1

WO2017003225A1 - 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치

Info

Publication number: WO2017003225A1
Application number: PCT/KR2016/007053
Authority: WO
Inventors: 오왕열; 장선주; 박태진
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2017-01-05
Also published as: KR101709973B1; KR20170003162A

Abstract

본 발명은 흔합 범 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치에 관한 것으로, 흔합 범 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법은 레이저 발생장치에서 조사된 빛을 동기화광과 제 1측정광으로 분광시키는 제 1분광단계, 상기 동기화광 중 미리 정해진 파장을 반사해 트리거신호로 변환하는 제 1변환단계, 상기 제 1측정광을 기준광과 제 2측정광으로 분광시키는 제 2분광단계, 상기 기준광의 주파수를 변환 후 반사시켜 되돌리는 기준 광반사단계, 상기 제 2측정광을 서로 공간적 간격을 갖도록 제 1측광과 제 2측광으로 분광시키고, 미러부를 통해 굴절시켜 상기 측정대상에 반사시킨 후, 반사된 두 개의 빛을 하나로 합쳐서 되돌리는 측정광반사단계, 상기 기준광반사단계와 상기 측정광반사단계에서 되돌려진 빛을 같은 출력으로 합쳐 간섭신호를 발생시키고, 상기 제 1변환단계에서 변환된 트리거신호를 사용하여 발생한 간섭신호를 디지털신호로 변환하는 제 2변환단계 및 상기 제 2변환단계에서 변환된 디지털신호를 이미지로 만드는 이미지화단계를 포함하여 이루어진다

Description

혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치

본 발명은 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치에 관한 것으로, 종래에 비하여 넓은 영역의 혈류속도를 혈관의 각도 정보 없이 정량적으로 빠르게 측정할 수 있는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 재생의학(Regenerative medicine) 분야의 연구에서는 조직의 구조적 생성도 중요하지만 생성된 조직이 기능적으로 얼마나 의미 있는 조직으로 생성되었느냐가 매우 중요하게 여겨진다. 특히 혈관생성과 동맥생성 분야 연구에서는 혈관의 생성 자체도 중요하지만, 그 혈관이 조직 내에서 기능성 혈관인지, 비기능성 혈관인지 밝히는 것이 중요하고 이를 위해서는 혈류속도의 정량적인 분석이 필요하다.

광 가간섭 단층촬영(Optical coherence tomography, 이하 OTC)은 빛을 측정하고자 하는 측정대상에 입사시킨 후, 반사된 빛과 기준미러에 반사된 빛 사이에서 발생하는 간섭 정보를 사용하여 이미지를 얻는 기술로, 간섭 신호를 주파수 영역에서 분석하여 깊이 방향 정보를, 빔 스캐닝을 통해 수평 방향 정보를 얻어 3차원 영상을 제공할 수 있는 기술이다. 특히 OFDI(Optical frequency domain imaging)나 SS-OCT(Swept source OCT)라고 불리는 2세대 OCT시스템의 경우 시간에 따라 파장이 변하는 가변 파장 필터를 사용하여 시스템의 민감도가 향상되었으며, 이를 통해 혈관의 이미징 속도가 획기적으로 향상되었다.

OCT는 간섭 신호의 위상정보 분석을 통해 조영제 없이 측정대상 내 유체 유동을 특이적으로 측정할 수 있기 때문에 생체 내의 미세혈관 구조 및 혈류속도를 측정하는데 적합하다. 한국공개특허 제2012-0039408호(“고속 도플러 OCT 스캔장치 및 이를 이용한 측정방법”, 2012.04.25, 이하 선행기술1)에는 고속 도플러 OCT 스캔장치 및 이를 이용한 측정방법에 대해 개시되어 있다. 보다 정확히 선행기술1은, 레이저 발생장치에서 조사되는 레이저를 기준광(reference light : 基準光)과 측정광(measurement light: 測定光)으로 분광하는 제1 분광부, 상기 제1 분광부에서 분광 된 측정광을 동일한 비율의 세기로 분할하여 평행하도록 제1 측광과 제2 측광을 형성하는 분리부(beam splitter), 상기 분리부에서 분할된 제1,2 측광의 각도를 변화시키는 제2 분광부, 상기 제2 분광부에서 분광된 제1 측광의 방향을 전환하는 제1 미러, 상기 제2 분광부에서 분광된 제2 측광의 방향을 전환하는 제2 미러, 상기 제1,2 측광을 한점으로 모이도록 진행 방향을 변환하는 제3 분광부, 상기 제1,2 측광의 진행방향을 대상물 측으로 변환시키며, 제1,2 측광의 간격을 이격시켜 대상물에 조사하는 제3 미러, 상기 대상물에서 반사되는 제1 측광의 주파수를 이동시키며, 상기 제1 미러와 제3 분광부 간에 설치되는 제1 주파수 이동부, 상기 제2 분광부와 제2 미러 간에 설치되며, 상기 2 측광의 주파수 위치를 이동시키는 제2 주파수 이동부, 상기 분리부를 통해 입력되는 측정광과 제1 분광부에서 분광된 기준광을 입력받아 구분하는 분류부 및 상기 분류부에서 전송되는 기준광과 측정광의 제1,2 측광을 비교 분석하여 이미지화하는 변환부를 포함하여 이루어지는 장치 및 이를 이용한 스캐닝 방법에 관한 것이다. 선행기술1은 고속 스캐닝이 가능한 장점이 있지만, 넓은 범위의 혈류속도를 측정하기 어렵고, 혈관의 공간적 각도 계산을 통해 후처리 후 이미지화 되므로 측정값의 신뢰도가 떨어지고, 측정이 제한적인 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 넓은 범위의 혈류속도를 측정가능하고, 혈관의 공간적 각도 계산 없이 정량적으로 측정 가능한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법은, 레이저 발생장치(1)에서 조사된 빛을 동기화광(10)과 제1측정광(20)으로 분광시키는 제1분광단계(S1), 상기 동기화광(10) 중 미리 정해진 파장을 반사해 트리거신호로 변환하는 제1변환단계(S2), 상기 제1측정광(20)을 기준광(30)과 제2측정광(40)으로 분광시키는 제2분광단계(S3), 상기 기준광(30)의 주파수를 변환 후 반사시켜 되돌리는 기준광반사단계(S4), 상기 제2측정광(40)을 제1측광(41)과 제2측광(42)으로 분광시키고, 미러부(540)를 통해 굴절시켜 서로 공간적 간격을 갖도록 상기 측정대상(O)에 조사 및 반사시키고, 반사된 두 개의 빛을 하나로 합쳐서 되돌리는 측정광반사단계(S5), 상기 기준광반사단계(S4)와 상기 측정광반사단계(S5)에서 되돌려진 빛을 같은 출력으로 합쳐 간섭신호를 발생시키고, 상기 제1변환단계(S2)에서 변환된 트리거신호를 사용하여 발생한 간섭신호를 디지털신호로 변환하는 제2변환단계(S6) 및 상기 제2변환단계(S6)에서 변환된 디지털신호를 이미지로 만드는 이미지화단계(S7)를 포함하여 이루어지며, 상기 측정광반사단계(S5)는 상기 미러부(540)의 스캔속도를 조절하여 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 동일위치에 조사되는 시간간격을 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측정광반사단계(S5)는 상기 측정대상(O) 표면상 한쪽 방향을 X방향, 상기 X방향에 수직한 방향을 Y방향이라고 할 때, 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 상기 미러부(540)의 움직임을 통해 상기 측정대상(O)의 표면 중 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 미리 정해진 시간간격을 두고 조사 및 반사되는 제1측정단계(S5-1), 미리 정해진 횟수만큼 상기 제1측정단계(S5-1)를 반복 수행하며, 반복 수행할 때 마다 상기 미러부(540)의 스캔속도를 변화시켜 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 조사되는 시간간격을 조절하는 제2측정단계(S5-2), 상기 제2측정단계(S5-2)가 완료된 후, 상기 미러부(540)의 스캔속도를 고정하고, 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 상기 측정대상(O)의 표면 중 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 미리 정해진 횟수만큼 반복하여 조사 및 반사하는 제3측정단계(S5-3), 상기 제3측정단계(S5-3)가 완료된 후, 측정하는 위치를 Y방향으로 이동시켜 상기 제1측정단계(S5-1), 상기 제2측정단계(S5-2) 및 상기 제3측정단계(S5-3)을 반복 수행하는 제4측정단계 (S5-4) 및 반사되는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 하나로 합치는 제5측정단계(S5-5)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치는 시간에 따라 파장이 변화하는 레이저를 조사하는 레이저 발생장치(1), 상기 레이저 발생장치(1)에서 조사되는 빛을 동기화광(10)과 제1측정광(20)으로 분광시키는 제1분광부(100), 미리 정해진 파장의 상기 동기화광(10)을 트리거 신호로 전환하는 동기화부(200), 상기 제1측정광(20)을 기준광(30)과 제2측정광(40)으로 분광시키는 제2분광부(300), 상기 기준광(30)의 주파수를 변환하는 주파수변환기(400), 상기 주파수가 변한 기준광(30)을 반사시켜 되돌리는 레퍼런스미러(410), 상기 제2측정광(40)을 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)으로 분광하며 측정대상(O)에 공간적 간격을 갖도록 조사시키고 반사되는 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)을 하나로 합쳐 되돌리는 측정부(500), 상기 레퍼런스미러(410)에 반사되어 되돌려진 빛과 상기 측정부(500)를 통해 되돌려진 빛을 서로 같은 출력으로 입사시키며 발생하는 간섭 신호를 디지털신호로 변환시키는 광변환부(600), 상기 동기화부(200)의 트리거신호 및 상기 광변환부(600)의 디지털신호를 획득해 영상으로 변환하는 영상변환부(700) 및 상기 측정부(500)를 제어하는 제어부(800)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치는 상기 제2분광부(300)와 상기 주파수변환기(400) 및 상기 측정부(500) 사이에 각각 구비되어 상기 레퍼런스미러(410)와 상기 측정부(500)를 통해 되돌려지는 빛을 굴절시키는 서큘레이터(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 동기화부(200)는 상기 동기화광(10)의 미리 정해진 파장을 반사하는 FBG(Fiber bragg grating)(210) 및 상기 FBG(210)에서 반사된 빛을 트리거 신호로 변환하는 트리거회로(220)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측정부(500)는 상기 제2측정광(40)을 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)으로 분광시키고, 상기 측정대상(O)에 반사되어 되돌려지는 빛을 하나로 합치는 제3분광부(510), 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)이 이루는 각도를 평행하게 조절하는 제1렌즈(520), 상기 제1렌즈(520)를 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 한 점에 입사되도록 각도를 조절하는 제2렌즈(530), 상기 제2렌즈(530)를 통과해 한 점에 입사된 빛의 각도를 조절하여 상기 측정대상(O)의 표면에 입사시키는 미러부(540) 및 상기 미러부(540)를 통해 굴절된 빛을 평행하게 각도를 조절하는 제3렌즈(550)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광변환부(600)는 상기 레퍼런스미러(410) 및 상기 측정부(500)에서 반사된 빛을 동일한 정도로 입력시켜 간섭신호를 발생시키는 광커플러(610), 상기 광커플러(610)에서 일어나는 간섭신호를 디지털신호로 변환하는 광검출기(620)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 레이저 발생장치(1)에서 조사되는 빛은 대역폭과 간섭신호의 윈도우 형태를 조정하여 깊이방향 해상도가 조절된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3렌즈(550)는 렌즈의 배율을 조정하여 통과하는 빛의 횡방향 해상도를 조절하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 측정대상에 조사되는 두 개의 빛의 시간간격을 조절하여 생체 내에서 넓은 범위의 혈류속도를 정확하게 계산할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 등방성인 이미지 스캐닝 빔을 이용하기 때문에 혈관의 각도 정보 없이 혈류속도를 정량적으로 빠르게 측정 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법의 순서도.

도 2는 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법의 측정광반사단계의 알고리즘.

도 3은 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치의 개념도.

OCT는 시스템의 원리와 구조에 따라서 시간영역(Time domain, TD)에서 이미지를 획득하는 OCT와 주파수영역(Frequency domain, FD)에서 이미지를 획득하는 OCT로 분류할 수 있다. 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치는 주파수영역에서 이미지를 획득하는 OCT로, 파장가변 레이저(wavelength swept laser)를 광원으로 사용하여 측정대상의 깊이에 따른 비트신호를 획득, 이를 푸리에 변환함으로서 깊이정보를 획득하는 방법이다. 이는 배경기술에서 상술한 방법인 SS-OCT(Swept source optical coherence tomography)이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가가선 단층촬영 방법의 순서도를 나타낸 것으로 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법은, 제1분광단계(S1), 제1변환단계(S2), 제2분광단계(S3), 기준광반사단계(S4), 측정광반사단계(S5), 제2변환단계(S6) 및 이미지화단계(S7)를 포함한다.

상기 제1분광단계(S1)는 레이저발생장치(1)에서 조사된 빛을 동기화광(10)과 제1측정광(20)으로 분광시키는 단계이다. 상기 레이저발생장치(1)에서 발생되는 빛은 대역폭(Bandwith)을 조정하여 상기 측정광반사단계(S5)에서 상기 측정대상(O)에 조사되는 빛이 3차원적으로 등방성이 되도록 하였다. 종래의 OCT 장치는 간섭신호를 디지털화 하여 이미지로 변환하는 작업에서 혈관의 공간적인 각도 정보가 필요하고, 복잡한 후처리 과정을 거쳐야만 했다. 상기 레이저발생장치(1)에서 조사되는 빛이 3차원적으로 등방성을 가지게 되면, OCT신호의 비상관성(de-correlation), OCT신호의 세기 신호 상관성(intensity correlation) 및 스페클 분산(speckle variance) 등의 통계기반 혈류 속도 측정에서 같은 속도의 혈류가 진행 방향에 관계없이 같은 값을 가져 종래의 기술과는 다르게 혈관의 각도 정보가 필요하지 않은 것이다. 상기 동기화광(10)은 상기 레이저 발생장치(1)에서 출력되는 빛의 10%의 출력으로 분광되고, 상기 제1측정광(20)은 90%의 출력으로 분광된다. 상기 동기화광(10)이 10%의 출력으로 분광되는 것은 그 이상으로 분광되면 상기 제1측정광(20)의 출력이 약해져 측정대상(O)을 충분히 투과하지 못해 측정이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.

상기 제1변환단계(S2)는 상기 동기화광(10)의 특정 파장을 반사해 트리거신호로 변환하는 단계이다. 상술했듯이 상기 레이저발생장치(1)는 시간에 따라 파장이 변화하는 파장가변 레이저이다. 상기 동기화광(10)의 특정 파장을 반사해 트리거신호로 변환하는 것은 추후에 데이터를 획득하여 이미지화하기 위해 상기 레이저발생장치(1)에 의해 조사되는 빛의 파장 변환 주기와 데이터 획득주기의 동기화를 위한 것이다.

상기 제2분광단계(S3)는 상기 제1측정광(20)을 기준광(30)과 제2측정광(40)으로 분광시키는 단계이다. 상기 기준광(30)은 상기 제1측정광(20) 출력의 10%로 분광되고, 상기 제2측정광(40)은 상기 제1측정광(20) 출력의 90%로 분광된다. 상기 기준광(30)이 상기 제1측정광(20)의 10%, 상기 제2측정광(40)이 상기 제1측정광(20)의 90%로 분광되는 것은 상기 동기화광(10)과 상기 제1측정광(20)이 각각 10%와 90%의 출력으로 분광되는 것과 같은 이유이다.

상기 기준광반사단계(S4)는 상기 기준광(30)의 주파수를 변환 후 반사시켜 되돌리는 단계이다. 상기 기준광반사단계(S4)에서 상기 기준광(30)의 주파수를 변환하면 깊이방향으로 측정 가능 범위가 넓어진다.

상기 측정광반사단계(S5)는 상기 제2측정광(40)을 제1측광(41)과 제2측광(42)으로 분광시키고, 미러부(540)를 통해 굴절시켜 서로 공간적 간격을 갖도록 측정대상(O)에 조사 및 반사시킨 후, 반사된 두 개의 빛을 하나로 합쳐서 되돌리는 단계이다. 또한 상기 측정광반사단계(S5)는 상기 미러부(540)의 스캔속도를 조절하여 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 동일위치에 조사되는 시간간격을 조절한다. 상기 미러부(540)는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 굴절시켜 상기 측정대상(O)의 표면에 입사되도록 하는 구성으로, 각도를 조절하면 상기 측정대상(O)의 표면에 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 조사되는 위치를 조절할 수 있으며, 통상 갈바노미터미러스캐너(Galvanometer mirror scanner)를 사용한다. 상기 미러부(540)를 이용한 측정방식은 상기 측정대상(O)의 표면에 상기 제1측광(41)이 조사되어, 일정시간이 지난 후 상기 제2측광(42)이 동일 위치에 조사되고, 동일 위치에 조사되어 반사된 빛의 위상신호를 분석하여 상기 측정대상(O)의 표면을 측정하는 것이다.

상기 측정광반사단계(S5)의 세부단계인 제1측정단계(S5-1), 제2측정단계(S5-2), 제3측정단계(S5-3), 제4측정단계(S5-4) 및 제5측정단계(S5-5)를 포함하여 이루어진다. 상기 측정대상(O)의 표면은 한쪽 방향을 X방향, 상기 X방향에 수직한 방향을 Y방향이라고 설정한다.

상기 제1측정단계(S5-1)는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 상기 미러부(540)의 움직임을 통해 상기 측정대상(O)의 표면 중 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 미리 정해진 시간간격을 두고 조사 및 반사되는 단계이다. 이하 설명의 편의를 위해서 상기 미러부(540)의 각도조절을 통해 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)이 동일 Y위치상 X방향의 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 조사되는 시간을 스캔시간(S)이라고 하고, 상기 제1측광(41)이 상기 측정대상(O)의 일정 위치에 조사된 후 상기 제2측광(42)이 상기 제1측광(41)이 측정된 동일위치에 조사되는 시간차를 시간간격(G)라고 한다. 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)은 일정한 공간적 간격을 두고 조사되는데, 상기 시간간격(G)은 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)의 공간적 간격 때문에 발생한다. 상기 시간간격(G)은 상기 스캔시간(S)의 영향을 받는데, 상기 스캔시간(S)이 빨라질수록 상기 시간간격(G)은 작아지고, 상기 스캔시간(S)이 느려질수록 상기 시간간격(G)은 커지게 된다.

상기 제2측정단계(S5-2)는 미리 정해진 횟수만큼 상기 제1측정단계(S5-1)를 반복 수행하며, 반복 수행할 때 마다 상기 미러부(540)의 스캔속도를 변화시켜 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 조사되는 시간간격을 조절하는 단계이다. 상술했듯, 상기 스캔시간(S)을 조절하면 상기 시간간격(G)을 조절할 수 있다. 현재 OCT장치의 스캔시간은 최소값이 4ms 이므로 상기 스캔시간(S)을 4ms로 설정하고, 상기 스캔시간(S)에 따른 상기 시간간격(G)이 0.125ms가 되도록 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)의 공간적 간격을 설정한다. 상기 스캔시간(S)을 8ms로 기존의 2배로 늘리게 되면 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)의 공간적 간격은 동일한데 속도가 느려지기 때문에 상기 시간간격(G)은 두 배가 되어 0.25ms가 될 것이고, 이처럼 상기 스캔시간(S)을 2배, 4배, 8배, 16배, 32배로 늘리게 되면 상기 시간간격(G)은 각각 0.25ms, 0.5ms, 1ms, 2ms, 4ms가 되며, 상기 시간간격(G)은 늘어난 만큼인 0.125ms~4ms의 범위를 갖게 된다.

상기 제3측정단계(S5-3)는 상기 제2측정단계(S5-2)가 완료된 후, 상기 미러부(540)의 스캔속도를 고정하고, 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 상기 측정대상(O)의 표면 중 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 미리 정해진 횟수만큼 반복하여 조사 및 반사되는 단계이다. 상기 제2측정단계에서 얻어진 상기 시간간격(G)은 0.125~4ms의 범위이다. 상기 제3측정단계(S5-3)는 상기 시간간격(G)이 큰 쪽으로 넓은 범위를 갖기 위해서 수행되는 단계이다. 예를 들어, 상기 스캔속도(S)를 4ms로 고정하고, 제1측광(41)이 상기 측정대상(O)의 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 조사되는 것을 8번 반복하며, 첫 번째 조사된 상기 제1측광(41)의 위상과 8번째로 조사된 상기 제1측광(41)의 위상을 비교한다면 첫 번째 조사된 상기 제1측광(41)과 8번째로 조사된 상기 제1측광(41)의 시간간격은 32ms가 될 것이다. 이와 같이 필요한 횟수만큼 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 반복적으로 조사하게 되면, 넓은 범위의 혈류속도를 갖게 된다.

이와 같이 상기 제1측정단계(S5-1), 상기 제2측정단계(S5-2) 및 상기 제3측정단계(S5-3)를 수행하면 상기 시간간격(G)은 0.125~32ms의 범위를 갖게 된다. 이는 생물학적으로 혈류속도 대부분을 측정할 수 있는 넓은 범위이다.

상기 제4측정단계(S5-4)는 상기 제3측정단계(S5-3)가 완료된 후, 측정하는 위치를 Y방향으로 이동시켜 상기 제1측정단계(S5-1), 상기 제2측정단계(S5-2) 및 상기 제3측정단계(S5-3)를 반복 수행하는 단계이다. 상기 제1측정단계(S5-1), 상기 제2측정단계(S5-2), 상기 제3측정단계(S5-3) 및 상기 제4측정단계(S5-4)에서 상기 미러부(540)의 위치조절, 상기 스캔속도(S)조절 및 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42) 중 하나만을 선택적으로 조사하는 것은 스캐닝 장치에서 별도의 물리적 변경 없이 미리 프로그램 된 전기 신호의 제어를 통해 이루어진다. 상기 측정대상(O)의 생물학적 특성에 맞게 스캐닝 형태를 변경하면 얼마든지 측정 가능한 혈류 속도의 범위를 조정할 수 있어 적용의 용이성과 범용성이 높다. 상기 제4측정단계(S5-4)는 Y방향으로 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 완료될 때까지 반복 수행된다. 상기 제1측정단계(S5-1), 제2측정단계(S5-2), 제3측정단계(S5-3) 및 제4측정단계(S5-4)를 통해 상기 측정대상(O)의 표면인 2차원 이미지에 대한 위상값을 얻게 되는 것이다.

상기 제5측정단계(S5-5)는 반사되는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 하나로 합치는 단계이다.

도 2는 상기 측정광반사단계(S5)의 세부 단계인 상기 제1측정단계(S5-1), 제2측정단계(S5-2), 제3측정단계(S5-3) 및 제4측정단계(S5-4)의 알고리즘을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 x, y는 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)이 도시되는 x위치와 y위치의 값이고, 은 상기 스캔속도(S)의 최소값, 은 상기 제2측정단계(S5-2)의 반복횟수, 는 상기 제3측정단계(S5-3)의 반복횟수, 그리고 k는 상수로서 스캔속도를 조절하기 위해 곱해지는 값이다.

상기 제2변환단계(S6)는 상기 기준광반사단계(S4)와 상기 측정광반사단계(S5)에서 되돌려진 빛을 같은 출력으로 합쳐 간섭신호를 발생시키고, 발생한 간섭신호를 상기 제1변환단계(S2)에서 변환된 트리거신호를 사용하여 디지털신호로 변환하는 단계이다.

이미지화단계(S7)는 상기 제2변환단계(S6)에서 변환된 디지털신호를 이미지로 만드는 단계이다.

이하, 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법을 사용하는 혼합 빔 스캐너 광 가간섭 단층 촬영장치에 대해 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 혼합 빔 스캐너 광 가간섭 단층 촬영장치의 구성을 도시한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 혼합 빔 스캐너 광 가간섭 단층 촬영장치는 레이저 발생장치(1), 제1분광부(100), 동기화부(200), 제2분광부(300), 주파수변환기(400), 레퍼런스미러(410), 측정부(500), 광변환부(600), 영상변환부(700) 및 제어부(800)를 포함하여 이루어진다.

상기 레이저 발생장치(1) 시간에 따라 파장이 변화하는 레이저를 조사하는 장치이다. 상기 측정광반사단계(S5)에서 상기 측정대상(O)에 조사되는 빛은 상술했듯 3차원적으로 등방성이다. 이를 위해 상기 레이저 발생장치(1)에서 발생되는 빛의 대역폭(Bandwidth)을 조정하여 깊이방향 해상도를 조정하였다. 통상 빛의 대역폭이 증가하면 깊이방향 해상도가 감소하고, 빛의 대역폭이 감소하면 해상도가 높아진다. 필요한 대역폭과 해상도는 경우에 따라 다르며, 횡방향 해상도를 조절하는 것은 후술한다.

상기 제1분광부(100)는 상기 레이저 발생장치(1)에서 조사되는 빛을 동기화광(10)과 제1측정광(20)으로 분광시킨다. 상기 제1분광부(100)는 상기 제1분광단계(S1)를 수행하는 구성이다.

상기 동기화부(200)는 미리 정해진 파장의 상기 동기화광(10)을 트리거 신호로 전환한다. 상기 동기화부(200)는 상기 제1변환단계(S2)를 수행하는 구성으로, 상술했듯 미리 정해진 파장의 상기 동기화광(10)을 트리거 신호로 전환하는 것은 추후에 데이터를 획득하여 이미지화하기 위해 상기 레이저발생장치(1)에 의해 조사되는 빛의 파장 변환 주기와 데이터 획득주기의 동기화를 위한 것이다.

상기 동기화부(200)는 FBG(Fiber bragg grating)(210) 및 트리거회로(220)를 포함한다. 상기 FBG(210)는 광센서의 일종으로 파장을 선택적으로 선별하여 미러역할을 하는 주기적 미세구조를 가진다. 상기 FBG(210)는 상술한 구조를 가지기 때문에 일정 광대역에서 온 빛이 상기 FBG(210)에 주사되면 스펙트럼 폭이 매우 좁은 빛만이 격자로 후방 반사된다. 이런 원리를 통해 상기 FBG(210)는 상기 동기화광(10)의 미리 정해진 파장을 반사하는 역할을 한다.

상기 트리거회로(220)는 상기 FBG(210)에서 반사된 빛을 트리거 신호로 변환한다.

상기 제2분광부(300)는 상기 제1측정광(20)을 기준광(30)과 제2측정광(40)으로 분광시킨다. 상기 제2분광부(300)는 상기 제2분광단계(S3)를 수행하는 구성이다. 상기 기준광(30)은 상기 제1측정광(20)의 10%출력으로, 상기 제2측정광(40)은 90%의 출력으로 분광된다.

상기 주파수변환기(400)는 상기 기준광(30)의 주파수를 변환한다. 상기 기준광(30)의 주파수를 변환하는 것 또한 상술했듯이 상기 측정대상(O)의 깊이방향으로 측정 가능 범위를 넓게 하기 위함이다.

상기 레퍼런스미러(410)는 상기 주파수가 변한 기준광(30)을 반사시켜 되돌린다. 상기 주파수변환기(400)와 상기 레퍼런스미러(410)는 상기 기준광반사단계(S4)를 수행하는 구성이다.

상기 측정부(500)는 상기 제2측정광(40)을 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)으로 분광하며 측정대상(O)에 공간적 간격을 갖도록 조사시키고 반사되는 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)을 하나로 합쳐 되돌린다. 상기 측정부(500)는 상기 측정광반사단계(S5)를 수행하는 구성으로, 상기 측정부(500)는 제3분광부(510), 제1렌즈(520), 제2렌즈(530), 미러부(540) 및 제3렌즈(550)로 이루어진다.

상기 제3분광부(510)는 상기 제2측정광(40)을 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)으로 분광시키고, 상기 측정대상(O)에 반사되어 되돌려지는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 하나로 합한다.

상기 제1렌즈(520)는 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)을 서로 평행하게 각도를 조절한다.

상기 제2렌즈(530)는 상기 제1렌즈(520)를 통과한 빛을 한 점에 입사되도록 각도를 조절한다.

상기 미러부(540)는 상기 제2렌즈(530)를 통과해 한 점에 입사된 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)의 각도를 조절하여 상기 측정대상(O)의 표면에 입사시킨다. 상술한대로, 상기 미러부(540)는 통상 갈바노미터미러스캐너를 사용한다.

상기 제3렌즈(500)는 상기 미러부(540)를 통해 굴절된 빛을 평행하게 각도를 조절한다. 이때 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)은 서로 일정한 공간적 간격을 갖게 된다.

상기 측정부(500)의 모든 구성은 입사되는 빛을 분광하거나 반사시키지만, 상기 측정대상(O)의 표면에 반사되어 되돌려지는 빛은 반대의 역할을 한다. 즉 상기 제3분광부(510)는 되돌려지는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 하나로 합치고, 상기 제1렌즈(520), 상기 제2렌즈(530), 상기 미러부(540) 및 상기 제3렌즈(550)는 입사되는 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)의 경로로 다시 굴절시키는 것이다.

상기 제3렌즈(550)는 횡방향 해상도를 조정하기 위해 초점거리가 조절된다. 상기 제3렌즈(550)의 초점거리가 시편과 가까워지게 되면 횡방향 해상도가 감소하게 되고, 시편과 멀어지면 횡방향 해상도가 증가한다. 횡방향 해상도 또한 깊이방향 해상도와 마찬가지로 경우에 따라 다르다. 상기 레이저발생장치(1)에서 조사되는 빛의 대역폭이 조절되고, 상기 제3렌즈(550)의 초점거리가 조절됨으로써, 상기 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치는 3차원적으로 등방성인 빛을 사용하게 되는 것이다.

상기 광변환부(600)는 상기 레퍼런스미러(410)에 반사되어 되돌려진 빛과 상기 측정부(500)를 통해 되돌려진 빛을 서로 같은 출력으로 입사시키며 발생하는 간섭 신호를 디지털신호로 변환시킨다. 상기 광변환부(600)는 상기 제2변환단계(S6)를 수행하는 구성으로, 광커플러(610) 및 광검출기(620)를 포함하여 이루어진다.

상기 광커플러(610)는 상기 기준부(400) 및 상기 측정부(500)에서 반사된 빛을 동일한 정도로 입력시켜 간섭신호를 발생시킨다. 상기 광커플러(610)는 통상 광을 2개 이상으로 분광하거나 반대로 2개 이상으로 전파되어온 광을 하나로 결합하는 기능을 갖는 소자이다. 본 발명에서 상기 광커플러(610)는 입력되는 두 개의 광을 하나로 결합한다.

상기 광검출기(620)는 상기 광커플러(610)에서 일어나는 간섭신호를 디지털신호로 변환한다.

상기 영상변환부(700)는 상기 동기화부(200) 및 상기 광변환부(600)의 디지털신호를 획득해 영상으로 변환한다. 상기 영상변환부(700)는 상기 이미지화단계(S7)를 수행하는 단계이다. 상기 동기화부(200)의 신호를 받는것은 상기 레이저 발생장치(1)에서 조사되는 빛이 시간에 따라 파장이 변하기 때문이다. 상기 동기화부(200)를 통해 파장 변환 주기와 상기 광변환부(600)부로부터 데이터를 얻는 데이터 획득 주기를 동기화시켜 영상으로 변환시킨다. 통상 상기 영상변환부(700)는 PC이다.

상기 제어부(800)는 상기 측정부(500)를 제어한다. 상기 제어부(800)는 디지털 함수발생기(810) 및 신호변환기(820)를 포함하여 이루어진다.

상기 디지털 함수발생기(810)는 PC에서 제어가능 사용자가 입력한 신호를 상기 신호변환기(820)로 전달한다. 본 발명의 구성중 상기 영상변환부(700)가 PC의 역할을 하기 때문에, 통상 상기 제어부(800)는 PC를 통해 사용자로부터 신호를 입력받는다.

상기 신호변환기(820)는 상기 디지털 함수발생기(810)로부터 전달받은 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 측정부(500)를 제어한다. 상기 제어부(800)에서 상기 측정부(500)를 제어하는 것은 상기 미러부(540)의 각도조절, 상기 스캔속도(S) 조절 및 Y위치 조절이다.

상기 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치는 상기 제2분광부(300)와 상기 주파수변환기(400) 및 상기 측정부(500) 사이에 각각 구비되어 상기 레퍼런스미러(410)와 상기 측정부(500)를 통해 되돌려지는 빛을 굴절시키는 서큘레이터(50)를 더 포함한다. 상기 서큘레이터(50)는 상기 레퍼런스미러(410) 및 상기 측정부(500)를 통해 되돌려지는 빛을 원래 위치로 돌아가는 것을 다른 위치로 굴절시키기 위한 구성이다. 상기 서큘레이터(50) 통해 굴절된 두 빛은 상기 광커플러(610)로 입사되게 된다.

상기 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치는 상기 주파수변환기(400)와 상기 레퍼런스미러(410) 사이 및 상기 제2분광부(300)와 상기 측정부(500)사이에 콜리메이터 렌즈를 추가적으로 구비할 수 있다. 콜리메이터 렌즈는 입사되는 빛을 수평광으로 입사되게 하는 보조적인 역할을 한다. 통상적으로 레이저는 발산이 작기는 하지만 몇 미터만 떨어져도 측정에 영향을 미칠 정도로 커지는 경우가 대부분이다. 상기 콜리메이터 렌즈는 이를 보완하기 위한 구성이다.

상기한 모든 구성을 갖는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법 및 장치는 동일 위치를 미리 정해진 횟수만큼 반복 스캔하기 때문에 기존의 장치에 비해서 동일 위치의 스캔시간이 오래 걸리지만, 넓은 범위의 혈류속도를 구할 수 있고, 하드웨어적인 변환 없이 소프트웨어적인 변환만으로 넓은 시간범위를 얻을 수 있는 장점이 있다.

[부호의 설명]

O : 측정대상 S : 스캔시간

1 : 레이저발생장치

10 : 동기화광 20 : 제1측정광

30 : 기준광 40 : 제2측정광

41 : 제1측광 42 : 제2측광

50 : 서큘레이터

100 : 제1분광부 200 : 동기화부

210 : FBG 220 : 트리거회로

300 : 제2분광부 400 : 주파수변환기

410 : 레퍼런스미러 500 : 측정부

510 : 제3분광부 520 : 제1렌즈

530 : 제2렌즈 540 : 미러부

550 : 제3렌즈 600: 광변환부

610 : 광커플러 620 : 광검출기

700 : 영상변환부 800 : 제어부

810 : 디지털 함수발생기 820 : 신호변환기

S1 : 제1분광단계 S2 : 제1변환단계

S3 : 제2분광단계 S4 : 기준광반사단계

S5 : 측정광반사단계 S5-1 : 제1측정단계

S5-2 : 제2측정단계 S5-3 : 제3측정단계

S5-4 : 제4측정단계 S5-5 : 제5측정단계

S6 : 제2변환단계 S7 : 이미지화단계

Claims

레이저 발생장치(1)에서 조사된 빛을 동기화광(10)과 제1측정광(20)으로 분광시키는 제1분광단계(S1);

상기 동기화광(10) 중 미리 정해진 파장을 반사해 트리거신호로 변환하는 제1변환단계(S2);

상기 제1측정광(20)을 기준광(30)과 제2측정광(40)으로 분광시키는 제2분광단계(S3);

상기 기준광(30)의 주파수를 변환 후 반사시켜 되돌리는 기준광반사단계(S4);

상기 제2측정광(40)을 제1측광(41)과 제2측광(42)으로 분광시키고, 미러부(540)를 통해 굴절시켜 서로 공간적 간격을 갖도록 상기 측정대상(O)에 조사 및 반사시키고, 반사된 두 개의 빛을 하나로 합쳐서 되돌리는 측정광반사단계(S5);

상기 기준광반사단계(S4)와 상기 측정광반사단계(S5)에서 되돌려진 빛을 같은 출력으로 합쳐 간섭신호를 발생시키고, 상기 제1변환단계(S2)에서 변환된 트리거신호를 사용하여 발생한 간섭신호를 디지털신호로 변환하는 제2변환단계(S6); 및

상기 제2변환단계(S6)에서 변환된 디지털신호를 이미지로 만드는 이미지화단계(S7);

를 포함하여 이루어지며,

상기 측정광반사단계(S5)는 상기 미러부(540)의 스캔속도를 조절하여 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 동일위치에 조사되는 시간간격을 조절하는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법.
제 1항에 있어서, 상기 측정광반사단계(S5)는

상기 측정대상(O) 표면상 한쪽 방향을 X방향, 상기 X방향에 수직한 방향을 Y방향이라고 할 때,

상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 상기 미러부(540)의 움직임을 통해 상기 측정대상(O)의 표면 중 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 미리 정해진 시간간격을 두고 조사 및 반사되는 제1측정단계(S5-1);

미리 정해진 횟수만큼 상기 제1측정단계(S5-1)를 반복 수행하며, 반복 수행할 때 마다 상기 미러부(540)의 스캔속도를 변화시켜 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 조사되는 시간간격을 조절하는 제2측정단계(S5-2);

상기 제2측정단계(S5-2)가 완료된 후, 상기 미러부(540)의 스캔속도를 고정하고, 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)이 상기 측정대상(O)의 표면 중 X방향 한쪽 끝에서 다른 한쪽 끝까지 미리 정해진 횟수만큼 반복하여 조사 및 반사하는 제3측정단계(S5-3);

상기 제3측정단계(S5-3)가 완료된 후, 측정하는 위치를 Y방향으로 이동시켜 상기 제1측정단계(S5-1), 상기 제2측정단계(S5-2) 및 상기 제3측정단계(S5-3)을 반복 수행하는 제4측정단계 (S5-4); 및

반사되는 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 하나로 합치는 제5측정단계(S5-5);

를 포함하여 이루어지는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 방법.
시간에 따라 파장이 변화하는 레이저를 조사하는 레이저 발생장치(1);

상기 레이저 발생장치(1)에서 조사되는 빛을 동기화광(10)과 제1측정광(20)으로 분광시키는 제1분광부(100);

미리 정해진 파장의 상기 동기화광(10)을 트리거 신호로 전환하는 동기화부(200);

상기 제1측정광(20)을 기준광(30)과 제2측정광(40)으로 분광시키는 제2분광부(300);

상기 기준광(30)의 주파수를 변환하는 주파수변환기(400);

상기 주파수가 변한 기준광(30)을 반사시켜 되돌리는 레퍼런스미러(410);

상기 제2측정광(40)을 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)으로 분광하며 측정대상(O)에 공간적 간격을 갖도록 조사시키고 반사되는 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)을 하나로 합쳐 되돌리는 측정부(500);

상기 레퍼런스미러(410)에 반사되어 되돌려진 빛과 상기 측정부(500)를 통해 되돌려진 빛을 서로 같은 출력으로 입사시키며 발생하는 간섭 신호를 디지털신호로 변환시키는 광변환부(600);

상기 동기화부(200)의 트리거신호 및 상기 광변환부(600)의 디지털신호를 획득해 영상으로 변환하는 영상변환부(700); 및

상기 측정부(500)를 제어하는 제어부(800);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치.
제 3항에 있어서, 상기 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치는

상기 제2분광부(300)와 상기 주파수변환기(400) 및 상기 측정부(500) 사이에 각각 구비되어 상기 레퍼런스미러(410)와 상기 측정부(500)를 통해 되돌려지는 빛을 굴절시키는 서큘레이터(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단측촬영 장치.
제 3항에 있어서, 상기 동기화부(200)는

상기 동기화광(10)의 미리 정해진 파장을 반사하는 FBG(Fiber bragg grating)(210); 및

상기 FBG(210)에서 반사된 빛을 트리거 신호로 변환하는 트리거회로(220);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치.
제 3항에 있어서, 상기 측정부(500)는

상기 제2측정광(40)을 상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)으로 분광시키고, 상기 측정대상(O)에 반사되어 되돌려지는 빛을 하나로 합치는 제3분광부(510);

상기 제1측광(41) 및 상기 제2측광(42)이 이루는 각도를 평행하게 조절하는 제1렌즈(520);

상기 제1렌즈(520)를 상기 제1측광(41)과 상기 제2측광(42)을 한 점에 입사되도록 각도를 조절하는 제2렌즈(530);

상기 제2렌즈(530)를 통과해 한 점에 입사된 빛의 각도를 조절하여 상기 측정대상(O)의 표면에 입사시키는 미러부(540); 및

상기 미러부(540)를 통해 굴절된 빛을 평행하게 각도를 조절하는 제3렌즈(550);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐닝 광 가간섭 단층촬영 장치.
제 3항에 있어서, 상기 광변환부(600)는

상기 레퍼런스미러(410) 및 상기 측정부(500)에서 반사된 빛을 동일한 정도로 입력시켜 간섭신호를 발생시키는 광커플러(610); 및

상기 광커플러(610)에서 일어나는 간섭신호를 디지털신호로 변환하는 광검출기(620);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐너 광 가간섭 단층 촬영 장치.
제 3항에 있어서, 상기 레이저 발생장치(1)에서 조사되는 빛은

대역폭과 간섭신호의 윈도우 형태를 조정하여 깊이방향 해상도가 조절된 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐너 광 가간섭 단층 촬영 장치.
제 6항에 있어서, 상기 제3렌즈(550)는 렌즈의 배율을 조정하여 통과하는 빛의 횡방향 해상도를 조절하는 것을 특징으로 하는 혼합 빔 스캐너 광 가간섭 단층 촬영 장치.