WO2018101569A1 - 방수형 pdms 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법 - Google Patents

방수형 pdms 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법 Download PDF

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pdms
scanner
waterproof
laser
light source
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PCT/KR2017/007600
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김철홍
임근배
강다윤
박경진
유선영
김세희
김진영
김용민
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포항공과대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for biopsy during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner and a method for acquiring an optoacoustic image using the same. More specifically, the present invention relates to UV or biomarkable biopsy using a photoacoustic image.
  • Photoacoustic biopsy system using a waterproof PDMS scanner which makes it possible to dramatically improve the image speed of optoacoustic biopsy by constructing a multi-wavelength pulse laser and a compact PDMS scanner of MEMS technology operating in water And it relates to a photoacoustic image acquisition method using the same.
  • cancer is the leading cause of death among the Korean people, and the world's second leading cause of death after cardiovascular disease.
  • Surgical excision is the most obvious treatment method for cancer.
  • it is necessary to check the boundary of the lesion to remove the cancer tissue while minimizing the damage of normal tissue.
  • the biopsy procedure during cancer surgery takes about 15 to 20 minutes each time through a procedure of tissue collection, freezing, staining, and analysis.
  • the conventional cryosection method which is a biopsy method during surgery, rapidly freezes the detached tissue, makes a thin slide, and then analyzes it by H & E staining for 20 minutes by an optical microscope image.
  • Multiple biopsies or repeated biopsies result in an increase in overall surgery time, negatively affecting the prognosis of the surgery, and an increase in the cost of surgery.
  • hospital bills are billed for the operating hours of the operating room, excluding the surgical equipment and labor costs, the operating cost of the operating room is reduced while reducing the operating time of the operating room to increase the medical expenses and increase the sales of the hospital.
  • cancer cells have different characteristics in the size, shape, and arrangement of the nucleus of cells compared to normal cells.
  • the pathologist uses this information to analyze and report information such as cancer type, stage, size, and margin through optical image analysis.
  • the size and shape of the cell nucleus is a very important factor in determining the progression of cancer.
  • Optoacoustic images are a new imaging method that combines the advantages of high contrast of optical images and high axial resolution in the depth direction of ultrasound images.
  • a laser pulse of a specific wavelength is irradiated to the living body, the temperature rises for a short time due to absorption related to the wavelength of light, and the ultrasonic wave is generated by thermal expansion.
  • Tomography information on the degree of absorption can be obtained.
  • the absorption of light to the DNA / RNA inside the cell nucleus in the UV range of wavelength (240 ⁇ 270nm) is large, it is possible to non-label high-resolution nucleated photoacoustic image, and the absorption of the cytoplasm is large in the 420nm region This is known.
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0115727 name of the invention: scanning mechanism of the image probe device, Applicant: Sunny Brook Health Science Center
  • Republic of Korea Patent Publication No. 10-2001-0051437 name of the invention: An optical scanner, a laser image projection apparatus using the same, a method of driving the same, and an applicant: Samsung Electronics Co., Ltd. have been disclosed as prior art documents.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems of the conventionally proposed methods, comprising a light source module, a scan module and a control module, the scan module is a tissue sample removed by surgical operation during surgery
  • the photoacoustic image can be detected by contacting the tissue sample, thereby greatly reducing the time of the biopsy during the operation and repeatedly performed during the surgery.
  • the present invention provides a biopsy device during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner and a method for acquiring an optoacoustic image using the biopsies, which can reduce the overall surgery time by reducing the biopsy time and thereby help the patient's prognosis. It is for that purpose.
  • the present invention by configuring the scan module to have a rotatable structure in the form of a handle, it is possible to obtain a cell image by directly contacting the scan module to the affected area before removing the suspected tissue during cancer removal surgery,
  • Another object of the present invention is to provide an apparatus for biopsy during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner and a method for acquiring an optoacoustic image using the same.
  • the present invention can reduce the operating time of the surgeon and operating room cost of the doctor because it can reduce the operating time rather than simply replace the existing frozen section test, and consumed parts as well as one-time sales of the finished product sales
  • the present invention provides a bioacoustic biopsy device using a waterproof PDMS scanner and a method for acquiring an optoacoustic image using the replaceable window and the replacement of a housing tank installed with a PDMS scanner. For other purposes.
  • a light source module for generating and irradiating a pulse laser that is light for photoacoustic imaging
  • a scan module that reflects the pulsed laser provided from the light source module and transmits the pulsed laser to a tissue sample, and receives and outputs an optoacoustic ultrasonic signal generated from the tissue sample;
  • control module for controlling the light source module and the scan module, receiving an optoacoustic ultrasonic signal obtained from the scan module, and processing and imaging the measured photoacoustic ultrasonic signal.
  • the scan module includes
  • tissue sample removed by surgical operation during surgery is placed on the sample holder of the biopsy device and then contacted with a transparent window to acquire a cell image.
  • the light source module Preferably, the light source module, the light source module, and
  • One or two pulse lasers of a single wavelength may be used, or a variable wavelength laser (OPO: optical parametric oscillation) may be used.
  • OPO optical parametric oscillation
  • the light source module Preferably, the light source module, the light source module, and
  • At least one light source generator for generating a pulse laser
  • a polarization beam splitter for reflecting a pulsed laser output from the light source generator
  • It may be configured to include a collimator (Collimator) for outputting the pulsed laser reflected from the polarizing beam splitter as a parallel beam.
  • a collimator Coldlimator
  • the light source generating unit More preferably, the light source generating unit,
  • each of laser 1 and laser 2 can generate a visible laser including a UV laser for nuclear imaging, 422nm for cytoplasmic imaging.
  • the collimator More preferably, the collimator,
  • It can be constructed using lenses, pinholes and mirrors in free space, or can be constructed using optical fibers.
  • the scan module Preferably, the scan module,
  • An ultrasonic transducer which receives the photoacoustic ultrasonic signal and provides it to the control module;
  • An opto-acoustic beam combiner for aligning coaxial confocals with an optoacoustic ultrasonic signal generated from a pulsed laser that is light of the light source module and a tissue sample;
  • It can be configured to include a pulse laser and the PDMS scanner for scanning the ultrasonic signal of the photoacoustic light aligned through the optical acoustic beam combiner.
  • the scan module More preferably, the scan module,
  • a housing tank accommodating and installing the PDMS scanner therein and having water filled therein for ultrasonic transmission of photoacoustics;
  • One surface of the housing tank may further comprise a window in contact with the tissue sample for histology.
  • the window may be used and replaced for every image for a single use, and the housing tank may be configured to be replaced after a single use or several times in a state in which the PDMS scanner is accommodated and installed therein.
  • the PDMS scanner Even more preferably, the PDMS scanner,
  • MEMS micro electro mechanical system
  • the PDMS scanner Even more preferably, the PDMS scanner,
  • It can be configured as a 2-axis waterproof PDMS scanner.
  • a light source module for generating and irradiating a pulse laser that is light for photoacoustic imaging
  • a scan module that reflects the pulsed laser provided from the light source module and transmits the pulsed laser to a tissue sample, and receives and outputs an optoacoustic ultrasonic signal generated from the tissue sample;
  • control module for controlling the light source module and the scan module, receiving an optoacoustic ultrasonic signal obtained from the scan module, and processing and imaging the measured photoacoustic ultrasonic signal.
  • the scan module includes
  • the structure Before removing the suspected tissue during cancer removal surgery, the structure is characterized by having a rotatable structure in the shape of a handle so as to directly contact the affected area to obtain a cell image.
  • the light source module Preferably, the light source module, the light source module, and
  • One or two pulse lasers of a single wavelength may be used, or a variable wavelength laser (OPO: optical parametric oscillation) may be used.
  • OPO optical parametric oscillation
  • the light source module Preferably, the light source module, the light source module, and
  • At least one light source generator for generating a pulse laser
  • a polarization beam splitter for reflecting a pulsed laser output from the light source generator
  • It comprises a collimator (Collimator) for outputting the pulsed laser reflected from the polarizing beam splitter as a parallel beam,
  • the light source generator The light source generator
  • each of laser 1 and laser 2 can generate a visible laser including a UV laser for nuclear imaging, 422nm for cytoplasmic imaging.
  • the collimator More preferably, the collimator,
  • It can be constructed using lenses, pinholes and mirrors in free space, or can be constructed using optical fibers.
  • the scan module Preferably, the scan module,
  • An ultrasonic transducer which receives the photoacoustic ultrasonic signal and provides it to the control module;
  • An opto-acoustic beam combiner for aligning coaxial confocals with an optoacoustic ultrasonic signal generated from a pulsed laser that is light of the light source module and a tissue sample;
  • It can be configured to include a pulse laser and the PDMS scanner for scanning the ultrasonic signal of the photoacoustic light aligned through the optical acoustic beam combiner.
  • the scan module More preferably, the scan module,
  • a housing tank accommodating and installing the PDMS scanner therein and having water filled therein for ultrasonic transmission of photoacoustics;
  • One surface of the housing tank may further comprise a window in contact with the tissue sample for histology.
  • the window may be used and replaced for every image for a single use, and the housing tank may be configured to be replaced after a single use or several times in a state in which the PDMS scanner is accommodated and installed therein.
  • the PDMS scanner Even more preferably, the PDMS scanner,
  • MEMS micro electro mechanical system
  • the PDMS scanner Even more preferably, the PDMS scanner,
  • It can be configured as a 2-axis waterproof PDMS scanner.
  • a method of acquiring an optoacoustic image using a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using the waterproof PDMS scanner according to any one of claims 1 to 19 is characterized by its configuration.
  • the scan module is a surgical operation
  • Tissue samples removed by conventional surgery are configured to be able to detect photoacoustic images by contacting tissue samples without the process of making sections of the conventional cryosection and staining process, thereby greatly reducing the time of biopsy during surgery. Shortening and reducing the time of repeated biopsy during the operation can reduce the overall operation time and thereby help the patient's surgical prognosis.
  • the scan module by configuring the scan module to have a rotatable structure in the form of a handle, it is possible to obtain a cell image by directly contacting the scan module to the affected area before removing the suspected tissue during cancer removal surgery Can be.
  • the present invention can reduce the operating time of the surgeon and operating room cost of the doctor because it can reduce the operating time rather than simply replace the existing frozen section test, and consumed parts as well as one-time sales of the finished product sales
  • the use of replacement windows and replacement of the tanks with the PDMS scanners enable sustainable profits.
  • FIG. 1 is a view showing the overall system configuration of the histology apparatus during optoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the conceptual configuration of a light source module applied to the histological apparatus during optoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a conceptual configuration of a scan module applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a design configuration of a PDMS scanner applied to a biopsy apparatus during an optoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a photo configuration of a PDMS scanner applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the overall system configuration of the histology apparatus during optoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view illustrating a main configuration of a scan module applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing the entire system configuration of the histological apparatus during optoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention
  • 3 is a view illustrating a conceptual configuration of a light source module applied to a biopsy device during photoacoustic surgery
  • FIG. 3 is a scan applied to a biopsy device during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention
  • 4 is a diagram illustrating a conceptual configuration of a module
  • FIG. 4 is a view showing a design configuration of a PDMS scanner applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view illustrating a photo configuration of a PDMS scanner applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus 100 for biopsy during bioacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention includes a light source module 110, a scan module 120, and a control module ( 130).
  • Photoacoustic surgical biopsy apparatus 100 using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention, a method for inspecting the tissue excised during surgery, and by directly contacting the affected area before removing the tissue during surgery Two types of apparatus for diagnosing whether or not are presented.
  • the biopsy apparatus 100 can obtain a cell nucleus and cytoplasm, respectively, or at the same time by optoacoustic image using a single wavelength or a multi-wavelength laser, but using a compact PDMS scanner made of MEMS technology that operates in water This allows high speed scanning of optical and optoacoustic signals simultaneously.
  • the cell nucleus has high absorption in the ultraviolet region and the cytoplasm has high absorption in the region near 420 nm, respectively.
  • the same image can be provided even without H & E staining by the conventional freezing section inspection method.
  • a PDMS-based scanner is used.
  • PDMS has its own waterproof property, is inexpensive, and is easy to manufacture, and the scanner which can operate in water has an image speed which is a disadvantage of the conventional photoacoustic microscope. It utilizes the characteristics that can be improved, cheap and easy to manufacture.
  • the light source module 110 is configured to generate and irradiate a pulse laser that is light for optoacoustic imaging.
  • the light source module 110 transmits a pulse laser that is light for photoacoustic imaging to the scan module 120 to be described later.
  • the light source module 110 may use one or two pulse lasers of a single wavelength, or may use an optical parametric oscillation (OPO) laser.
  • OPO optical parametric oscillation
  • the light source module 110 includes at least one light source generator 111 for generating a pulse laser, and a polarization beam splitter for reflecting the pulse laser output from the light source generator 111.
  • PBS polarization beam splitter
  • a collimator 113 for outputting the pulsed laser beam reflected from the polarizing beam splitter 112 as a parallel beam.
  • the light source generator 111 is composed of a laser 1 and a laser 2 for generating a pulse laser, each of the laser 1 and laser 2 is a visible light laser including a UV laser for cell nuclear imaging, 422nm for cytoplasmic imaging laser).
  • the collimator 113 may be configured using a lens, a pinhole and a mirror in free space, or may be configured using an optical fiber.
  • the scan module 120 is configured to reflect the pulsed laser provided from the light source module 110 to the tissue sample, and to receive and output the photoacoustic ultrasonic signal generated from the tissue sample. It simultaneously serves to scan the ultrasound generated from the removed tissue sample. As shown in FIG. 1, the scan module 120 contacts a transparent window 125 after placing a tissue sample detached by a surgical operation during surgery on the sample holder 101 of the histology apparatus 100. Can be used to obtain cellular images.
  • the sample holder 101 can be configured to move up and down, left and right, and back and forth so as to adjust the position of the tissue sample like a general optical microscope.
  • the scan module 120 receives an ultrasonic transducer of an optoacoustic signal and provides the ultrasonic transducer 121 to the control module 130, and a pulse laser that is light of the light source module 110.
  • Opto-acoustic beam combiner (OAC) 122 that aligns the optoacoustic ultrasonic signals generated from the tissue sample into coaxial confocal, pulsed laser and light, which are light aligned through the opto-acoustic beam combiner 122 It may be configured to include a PDMS scanner 123 for scanning the ultrasonic signal of the sound.
  • the scan module 120 accommodates and installs the PDMS scanner 123 therein, and includes a housing tank 124 in which water for ultrasonic transmission of photoacoustic is filled and a surface of the housing tank 124. It may further comprise a window 125 in contact with the tissue sample for examination.
  • the scan module 120 is a transparent form of the window 125, so that it can be used and replaced for each image for a single use
  • the housing tank 124 accommodates and installs the PDMS scanner 123 therein It may consist of a structure that can be replaced after a single use or after several uses. That is, the housing tank 124 can be exchanged after one or several uses in a state in which the PDMS scanner 123 is accommodated and installed therein at a low price of the PDMS scanner 123.
  • the PDMS scanner 123 may be configured as a microminiature using micro electro mechanical system (MEMS) technology, and may be configured as a 2-axis waterproof PDMS scanner.
  • MEMS micro electro mechanical system
  • the scan module 120 is to configure the PDMS scanner 123 as a two-axis waterproof PDMS scanner can significantly shorten the image time within 1 minute while reducing the size of the system.
  • the photoacoustic beam combiner 122 is used to maximize sensitivity.
  • the scan module 120 having these configurations allows the PDMS scanner 123 to quickly scan tissue in water using aligned light and ultrasound.
  • the scan module 120 may replace the optical acoustic beam combiner 122 and the components including the PDMS scanner 123, and the window 125 which is used in contact with the tissue during the biopsy may be used only once. To be used.
  • the housing tank 124 in which the PDMS scanner 123 is installed can also be replaced.
  • the control module 130 controls the light source module 110 and the scan module 120, receives the photoacoustic ultrasonic signal obtained from the scan module 120, and processes the measured photoacoustic ultrasonic signal. It is a control structure to image.
  • the control module 130 controls the operation of the light source module 110 and the scan module 120 and simultaneously performs the image processing of the ultrasonic signal through signal processing, respectively, each of the light source module 110 and the scan module ( Embedded CPU or FPGA may be used for real-time control between the 120 and 120).
  • the control module 130 may provide an optoacoustic image generated through image processing through a monitor, and may check an image acquired from a tissue sample during surgery.
  • Figure 4 shows a reference to the design configuration of the PDMS scanner applied to the histological apparatus during optoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a waterproof according to an embodiment of the present invention
  • the photo configuration of a PDMS scanner applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a type PDMS scanner is shown for reference.
  • the PDMS scanner 123 shown in Figs. 4 and 5 shows a two-axis waterproof PDMS scanner which is composed of a very small size utilizing a micro electro mechanical system (MEMS) technology.
  • MEMS micro electro mechanical system
  • the biopsy surgery biopsy apparatus 100 using the waterproof PDMS scanner according to another embodiment of the present invention may include a light source module for generating and irradiating a pulse laser that is light for photoacoustic imaging. 110, a scan module 120 for reflecting a pulsed laser provided from the light source module 110 to a tissue sample, receiving and outputting an optoacoustic ultrasonic signal generated from the tissue sample, and a light source module 110.
  • Scan module 120 is configured to have a rotatable structure in the form of a handle to obtain a cell image by directly contacting the affected area, before removing the suspected tissue during cancer removal surgery.
  • the light source module 110 includes at least one light source generator 111 for generating a pulse laser, a polarization beam splitter (PBS) 112 for reflecting the pulse laser output from the light source generator 111, and a polarization beam splitter. It comprises a collimator 113 for outputting the pulse laser reflected from the 112 as a parallel beam, the light source generator 111 is composed of a laser 1 and a laser 2 for generating a pulse laser, laser 1 And each of lasers 2 can generate a visible laser including a UV laser for nuclear imaging and 422 nm for cytoplasmic imaging. That is, the light source module 110 may use one or two pulse lasers of a single wavelength, or may use an optical parametric oscillation (OPO).
  • OPO optical parametric oscillation
  • the scan module 120 receives the photoacoustic ultrasonic signal and provides the ultrasonic transducer 121 to the control module 130, and the photoacoustic ultrasonic signal generated from a pulsed laser and a tissue sample that are light of the light source module 110.
  • Opto-acoustic beam combiner (OAC) 122 to align the coaxial confocals
  • a PDMS scanner to scan pulsed lasers and optoacoustic ultrasonic signals that are aligned via the optical acoustic beam combiner 122 123 and the PDMS scanner 123 are accommodated and installed therein, and the housing tank 124 filled with water for ultrasonic transmission of photoacoustics therein, and the surface of the housing tank 124 for histological examination.
  • the housing tank 124 has a structure that can be replaced after a single use or several times in a state that accommodates and installs the PDMS scanner 123 inside Can be configured. That is, the housing tank 124 can be exchanged after one or several uses in a state in which the PDMS scanner 123 is accommodated and installed therein at a low price of the PDMS scanner 123.
  • the PDMS scanner 123 may be configured in a very small size using micro electro mechanical system (MEMS) technology.
  • the PDMS scanner 123 is configured as a two-axis waterproof PDMS scanner can significantly reduce the image time to less than 1 minute while reducing the size of the system.
  • the present invention may provide a method for obtaining an optoacoustic image using the biopsy apparatus 100 during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a main configuration of a scan module applied to a biopsy apparatus during photoacoustic surgery using a waterproof PDMS scanner according to the present invention.
  • 7 shows a side view configuration of the optical acoustic beam combiner 122 and the PDMS scanner 123, and a view of the lower left side of FIG. 7 shows a perspective configuration of the optical acoustic beam combiner 122 7 shows a perspective configuration of the PDMS scanner 123.
  • the photoacoustic biopsy device using the waterproof PDMS scanner according to an embodiment of the present invention and the photoacoustic image acquisition method using the same, the conventional surgical method for frozen section examination, Quickly freezing the detached tissue, making thin slides, and then taking the H & E stain and taking 20 minutes for pathologists to analyze it through optical microscopy, eliminating the process of making sections and staining.
  • Intraoperative biopsy time can be greatly reduced, and by reducing the repeated biopsy time during the operation can reduce the overall operation time, and can help the patient's surgical prognosis.
  • the operation time can be reduced, instead of simply replacing the existing frozen section test, which can save doctor's running time and operating room cost, and it is very economical. Consumable parts are not a one-time sales method of finished product sales. Because it is intended for use, it can provide technology that can continuously generate revenue through commercialization.

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Abstract

본 발명에서 제안하고 있는 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법에 따르면, 광원 모듈과 스캔 모듈과 제어 모듈을 포함하여 구성하되, 스캔 모듈은 수술 중 외과적인 수술로 떼어낸 조직 샘플을 기존의 동결절편검사 방법의 절편을 만드는 과정과 염색 과정을 생략한 상태에서 조직 샘플에 접촉시켜 광음향 영상을 검출할 수 있도록 구성함으로써, 수술 중 조직검사 시간을 대폭 단축하고, 수술 중 반복적으로 시행되는 조직검사 시간을 줄이는 것으로 전체 수술 시간을 줄여주고, 그로 인한 환자의 수술 예후에 도움을 줄 수 있다.

Description

방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법
본 발명은 방수형 PDMS(polydimethylsiloxane) 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 광음향 영상을 통한 실시간 비표지 조직검사가 가능하도록 자외선 또는 멀티파장 펄스 레이저와 물속에서 작동하는 MEMS 기술의 초소형으로 제작된 PDMS 스캐너를 구성하여 광음향 조직검사의 영상속도를 비약적으로 향상시키는 것이 가능하도록 하는 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법에 관한 것이다.
현재, 의학 기술의 눈부신 발전에도 불구하고 암은 대한민국 국민의 사망원인 1위이며, 전 세계적으로도 심혈관 질환에 이어 사망원인 2위를 기록할 정도로 무서운 질병이다. 암의 가장 확실한 치료 방법은 외과적 절제 수술인데, 이때에 정상조직의 피해를 최소화하면서 암 조직을 제거하기 위해서는 병변의 경계 확인이 필수적이며, 이를 위한 수술 중 조직 검사 방법으로는 동결절편검사가 유일하다. 즉, 암 수술 중 조직검사 절차는 크게 조직 채취, 동결절편, 염색, 분석의 절차를 거쳐서 1회당 약 15~20분 정도의 시간이 소요되고 있다.
이와 같이, 수술 중 조직검사 방법인 기존의 동결절편검사 방법은 떼어낸 조직을 급속 냉동시키고 얇은 슬라이드를 만든 후 H&E 염색을 거쳐 광학현미경 영상을 통해 병리학자가 20분 정도의 시간을 들여 분석함에 따라, 다수의 조직 검사 혹은 반복적인 조직검사 시 전체 수술 시간이 증가하게 되고, 수술 예후에 부정적 영향을 줄 뿐 아니라 수술비용 또한 증가하게 된다. 특히 선진국의 경우 병원에서 수술비 청구 시 수술 장비 및 인건비를 제외하고, 수술실의 사용시간에 대한 비용이 청구되고 있으므로 의료비의 직접적인 절감효과와 함께 병원 매출 증가를 위해 수술실의 사용 시간을 줄이면서 사용 효율을 높이기 위한 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
일반적으로 암 세포는 정상 세포와 비교했을 때 세포의 핵의 크기와 모양, 배열 등에서 다른 특징을 가진다. 병리학자는 이러한 정보를 가지고 광학적인 영상 분석을 통해 암의 종류, 단계, 크기, 마진 등과 같은 정보를 분석하여 보고하고 있다. 특히 세포핵의 크기 및 모양은 암의 진행 정도를 판별하는데 아주 중요한 요소이다.
한편, 광음향 영상은 광학영상의 높은 대조도(high contrast)와 초음파영상의 깊이 방향의 높은 해상도(high axial resolution)의 장점을 결합한 새로운 영상 방법이다. 특정 파장의 펄스 레이저를 생체에 조사했을 때 빛의 파장에 관계된 흡수에 의해 짧은 시간 동안 온도가 상승하고 이에 따른 열적팽창에 의해 초음파가 발생하는데, 이때 발생한 광음향파를 측정함으로써 생체 내부의 빛의 흡수 정도에 대한 단층 영상 정보를 얻을 수 있도록 한다. 특히, UV 영역대 파장(240~270㎚)에서 세포 핵 내부의 DNA/RNA에 대한 빛의 흡수가 커서 비표지적으로 고해상도 세포핵 광음향 영상이 가능하며, 또한 420㎚ 영역에서는 세포질의 흡수가 크다는 사실이 알려진 바 있다.
그러나 기존의 광음향 영상을 이용한 조직검사 장치는, 모터 기반의 스테이지 사용으로 고해상도 영상 한 장을 얻는데, 수십 분 정도의 시간이 걸리는 문제점이 있었다. 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0115727호(발명의 명칭: 영상 탐침 장치의 스캐닝 메카니즘, 출원인: 써니브룩 헬스 사이언시즈 센터)와, 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0051437호(발명의 명칭: 광스캐너 및 이를 적용한 레이저 영상투사장치 및 그 구동방법, 출원인: 삼성전자주식회사)가 선행기술 문헌으로 개시되고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 광원 모듈과 스캔 모듈과 제어 모듈을 포함하여 구성하되, 스캔 모듈은 수술 중 외과적인 수술로 떼어낸 조직 샘플을 기존의 동결절편검사 방법의 절편을 만드는 과정과 염색 과정을 생략한 상태에서 조직 샘플에 접촉시켜 광음향 영상을 검출할 수 있도록 구성함으로써, 수술 중 조직검사 시간을 대폭 단축하고, 수술 중 반복적으로 시행되는 조직검사 시간을 줄이는 것으로 전체 수술 시간을 줄여주고, 그로 인한 환자의 수술 예후에 도움을 줄 수 있도록 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 스캔 모듈을 손잡이 형태로 회전 가능한 구조를 갖도록 구성함으로써, 암 제거 수술 중 의심부위 조직을 떼어내기 전, 직접 환부에 스캔 모듈을 접촉시켜 세포 영상을 획득하는 것이 가능하도록 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 기존의 동결절편검사를 단순히 대체하는 것이 아닌 수술 시간을 줄일 수 있기 때문에 의사의 수술 집도시간과 수술실 사용비용을 절약할 수 있으며, 완제품 판매의 1회성 매출뿐만 아니라 소모성 부품의 윈도우 교체 사용 및 PDMS 스캐너를 설치한 하우징 수조의 교체 사용으로 지속적인 수익 창출이 가능하도록 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치는,
방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치로서,
광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 광원 모듈;
상기 광원 모듈로부터 제공되는 펄스 레이저를 반사시켜 조직 샘플로 전달하고, 상기 조직 샘플로부터 발생되는 광음향의 초음파 신호를 수신하여 출력하는 스캔 모듈; 및
상기 광원 모듈 및 상기 스캔 모듈을 제어하며, 상기 스캔 모듈로부터 획득된 광음향의 초음파 신호를 제공받고, 상기 측정된 광음향의 초음파 신호를 신호 처리하여 영상화하는 제어 모듈을 포함하되,
상기 스캔 모듈은,
수술 중 외과적인 수술로 떼어낸 조직 샘플을 조직검사 장치의 샘플 홀더에 올려 위치시킨 후 투명 윈도우에 접촉시켜 세포 영상을 획득하도록 수행하도록 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광원 모듈은,
단일 파장의 펄스 레이저 1개 또는 2개를 이용하거나, 가변 파장 레이저(OPO: Optical Parametric Oscillation)를 이용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광원 모듈은,
펄스 레이저를 생성하는 적어도 하나의 광원 발생부;
상기 광원 발생부에서 출력되는 펄스 레이저를 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS); 및
상기 편광 빔 스플리터로부터 반사된 펄스 레이저를 평행빔으로 출력하는 콜리메이터(Collimator)를 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 광원 발생부는,
펄스 레이저를 생성하는 레이저 1 및 레이저 2로 구성하되, 레이저 1 및 레이저 2 각각은 세포핵 영상을 위한 UV 레이저, 세포질 영상을 위한 422㎚를 포함하는 가시광 레이저(visible laser)를 생성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 콜리메이터는,
자유공간 내에서 렌즈와 핀 홀 및 거울을 사용하여 구성되거나, 또는 광섬유를 사용하여 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 스캔 모듈은,
광음향의 초음파 신호를 수신 받아 상기 제어 모듈로 제공하는 초음파 트랜스듀서;
상기 광원 모듈의 광인 펄스 레이저와 조직 샘플로부터 발생된 광음향의 초음파 신호를 동축 공초점으로 정렬하는 광 음향 빔 결합기(OAC: opto-acoustic beam combiner); 및
상기 광 음향 빔 결합기를 통해 정렬된 광인 펄스 레이저와 광음향의 초음파 신호를 스캐닝 하는 PDMS 스캐너를 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 스캔 모듈은,
상기 PDMS 스캐너를 내부에 수용하여 설치하고, 내부에 광음향의 초음파 전달을 위한 물이 채워지는 하우징 수조; 및
상기 하우징 수조의 일면으로 조직검사를 위한 조직 샘플과 접촉하는 윈도우를 더 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 스캔 모듈에서,
상기 윈도우는 1회용으로 매 영상마다 사용되고 교체될 수 있으며, 상기 하우징 수조는 상기 PDMS 스캐너를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태에서 1회용 또는 수회 사용 후에 교체될 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 PDMS 스캐너는,
MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 PDMS 스캐너는,
2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치는,
방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치로서,
광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 광원 모듈;
상기 광원 모듈로부터 제공되는 펄스 레이저를 반사시켜 조직 샘플로 전달하고, 상기 조직 샘플로부터 발생되는 광음향의 초음파 신호를 수신하여 출력하는 스캔 모듈; 및
상기 광원 모듈 및 상기 스캔 모듈을 제어하며, 상기 스캔 모듈로부터 획득된 광음향의 초음파 신호를 제공받고, 상기 측정된 광음향의 초음파 신호를 신호 처리하여 영상화하는 제어 모듈을 포함하되,
상기 스캔 모듈은,
암 제거 수술 중 의심부위 조직을 떼어내기 전, 직접 환부에 접촉시켜 세포 영상을 획득할 수 있도록 손잡이 형태로 회전 가능한 구조를 가지는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 광원 모듈은,
단일 파장의 펄스 레이저 1개 또는 2개를 이용하거나, 가변 파장 레이저(OPO: Optical Parametric Oscillation)를 이용할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광원 모듈은,
펄스 레이저를 생성하는 적어도 하나의 광원 발생부;
상기 광원 발생부에서 출력되는 펄스 레이저를 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS); 및
상기 편광 빔 스플리터로부터 반사된 펄스 레이저를 평행빔으로 출력하는 콜리메이터(Collimator)를 포함하여 구성하되,
상기 광원 발생부는,
펄스 레이저를 생성하는 레이저 1 및 레이저 2로 구성하되, 레이저 1 및 레이저 2 각각은 세포핵 영상을 위한 UV 레이저, 세포질 영상을 위한 422㎚를 포함하는 가시광 레이저(visible laser)를 생성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 콜리메이터는,
자유공간 내에서 렌즈와 핀 홀 및 거울을 사용하여 구성되거나, 또는 광섬유를 사용하여 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 스캔 모듈은,
광음향의 초음파 신호를 수신 받아 상기 제어 모듈로 제공하는 초음파 트랜스듀서;
상기 광원 모듈의 광인 펄스 레이저와 조직 샘플로부터 발생된 광음향의 초음파 신호를 동축 공초점으로 정렬하는 광 음향 빔 결합기(OAC: opto-acoustic beam combiner); 및
상기 광 음향 빔 결합기를 통해 정렬된 광인 펄스 레이저와 광음향의 초음파 신호를 스캐닝 하는 PDMS 스캐너를 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 스캔 모듈은,
상기 PDMS 스캐너를 내부에 수용하여 설치하고, 내부에 광음향의 초음파 전달을 위한 물이 채워지는 하우징 수조; 및
상기 하우징 수조의 일면으로 조직검사를 위한 조직 샘플과 접촉하는 윈도우를 더 포함하여 구성할 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 스캔 모듈에서,
상기 윈도우는 1회용으로 매 영상마다 사용되고 교체될 수 있으며, 상기 하우징 수조는 상기 PDMS 스캐너를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태로 1회용 또는 수회 사용 후에 교체될 수 있는 구조로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 PDMS 스캐너는,
MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성될 수 있다.
더욱 더 바람직하게는, 상기 PDMS 스캐너는,
2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치를 이용한 광음향 영상의 획득 방법은,
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치를 이용한 광음향 영상의 획득 방법을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법에 따르면, 광원 모듈과 스캔 모듈과 제어 모듈을 포함하여 구성하되, 스캔 모듈은 수술 중 외과적인 수술로 떼어낸 조직 샘플을 기존의 동결절편검사 방법의 절편을 만드는 과정과 염색 과정을 생략한 상태에서 조직 샘플에 접촉시켜 광음향 영상을 검출할 수 있도록 구성함으로써, 수술 중 조직검사 시간을 대폭 단축하고, 수술 중 반복적으로 시행되는 조직검사 시간을 줄이는 것으로 전체 수술 시간을 줄여주고, 그로 인한 환자의 수술 예후에 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 스캔 모듈을 손잡이 형태로 회전 가능한 구조를 갖도록 구성함으로써, 암 제거 수술 중 의심부위 조직을 떼어내기 전, 직접 환부에 스캔 모듈을 접촉시켜 세포 영상을 획득하는 것이 가능하도록 할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은, 기존의 동결절편검사를 단순히 대체하는 것이 아닌 수술 시간을 줄일 수 있기 때문에 의사의 수술 집도시간과 수술실 사용비용을 절약할 수 있으며, 완제품 판매의 1회성 매출뿐만 아니라 소모성 부품의 윈도우 교체 사용 및 PDMS 스캐너를 설치한 하우징 수조의 교체 사용으로 지속적인 수익 창출이 가능하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치의 전체 시스템 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 광원 모듈의 개념 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 스캔 모듈의 개념 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 PDMS 스캐너의 디자인 구성을 참고로 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 PDMS 스캐너의 사진 구성을 참고로 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치의 전체 시스템 구성을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 스캔 모듈의 요부 구성을 도시한 도면.
<부호의 설명>
100: 본 발명의 일실시예에 따른 조직검사 장치
101: 샘플 홀더
110: 광원 모듈
111: 광원 발생부
112: 편광 빔 스플리터
113: 콜리메이터
120: 스캔 모듈
121: 초음파 트랜스듀서
122: 광 음향 빔 결합기
123: PDMS 스캐너
124: 하우징 수조
125: 윈도우
130: 제어 모듈
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치의 전체 시스템 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 광원 모듈의 개념 구성을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 스캔 모듈의 개념 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 PDMS 스캐너의 디자인 구성을 참고로 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 PDMS 스캐너의 사진 구성을 참고로 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)는, 광원 모듈(110), 스캔 모듈(120), 및 제어 모듈(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)는, 수술중 절제한 조직을 검사하는 방법과, 수술중 조직을 떼어내기 전 환부에 직접 접촉시켜 암 여부를 진단하는 방법의 두 가지 형태의 장치를 제시하고자 한다. 이때, 조직검사 장치(100)는 단일 파장 또는 멀티 파장 레이저를 이용하여 세포핵과 세포질을 각각, 또는 동시에 광음향 영상으로 얻을 수 있도록 하되, 물속에서 작동하는 MEMS 기술로 제작된 초소형의 PDMS 스캐너를 사용하여 광과 광음향 신호를 동시에 빠른 속도로 스캐닝 할 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에 따른 조직검사 장치(100)는, 세포핵이 자외선 영역에서 흡수가 높고, 세포질은 420㎚ 근처 영역에서 흡수가 높은 특징을 이용하여 단일 파장 또는 멀티 파장 레이저를 이용해 세포핵과 세포질을 각각 또는 동시에 광음향 영상을 얻을 수 있으므로, 기존의 동결절편검사 방법에 의한 H&E 염색을 하지 않더라도 이와 동일한 영상을 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 PDMS를 재료로 하는 스캐너를 이용하였고, PDMS는 자체적으로 방수의 성질을 가지고 저렴하고 제작이 쉽다는 특징을 가지며, 물속에서 작동 가능한 스캐너는 기존의 광음향 현미경의 단점이었던 영상 속도를 향상시킬 수 있고, 저렴하며 제작이 쉬운 특성을 활용하고 있다.
광원 모듈(110)은, 광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 구성으로, 후술하게 될 스캔 모듈(120)로 광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 전달하는 역할을 한다. 이러한 광원 모듈(110)은 단일 파장의 펄스 레이저 1개 또는 2개를 이용하거나, 또는 가변 파장 레이저(OPO: Optical Parametric Oscillation)를 이용할 수 있다.
또한, 광원 모듈(110)은 도 2에 도시된 바와 같이, 펄스 레이저를 생성하는 적어도 하나의 광원 발생부(111)와, 광원 발생부(111)에서 출력되는 펄스 레이저를 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)(112), 및 편광 빔 스플리터(112)로부터 반사된 펄스 레이저를 평행빔으로 출력하는 콜리메이터(Collimator)(113)를 포함하여 구성할 수 있다. 이때, 광원 발생부(111)는 펄스 레이저를 생성하는 레이저 1 및 레이저 2로 구성하되, 레이저 1 및 레이저 2 각각은 세포핵 영상을 위한 UV 레이저, 세포질 영상을 위한 422㎚를 포함하는 가시광 레이저(visible laser)를 생성할 수 있다. 또한, 콜리메이터(113)는 자유공간 내에서 렌즈와 핀 홀 및 거울을 사용하여 구성되거나, 또는 광섬유를 사용하여 구성될 수 있다.
스캔 모듈(120)은, 광원 모듈(110)로부터 제공되는 펄스 레이저를 반사시켜 조직 샘플로 전달하고, 조직 샘플로부터 발생되는 광음향의 초음파 신호를 수신하여 출력하는 구성으로, 전달된 광과 수술 중 떼어낸 조직 샘플로부터 발생된 초음파를 동시에 스캔하는 역할을 한다. 이러한 스캔 모듈(120)은 도 1에 도시된 바와 같이, 수술 중 외과적인 수술로 떼어낸 조직 샘플을 조직검사 장치(100)의 샘플 홀더(101)에 올려 위치시킨 후 투명 윈도우(125)에 접촉시켜 세포 영상을 획득하도록 사용될 수 있다. 여기서, 샘플 홀더(101)는 일반적인 광학현미경과 같이 조직 샘플의 위치를 조정할 수 있도록 상하, 좌우, 앞뒤로 움직일 수 있도록 구성할 수 있다.
또한, 스캔 모듈(120)은 도 3에 도시된 바와 같이, 광음향의 초음파 신호를 수신 받아 제어 모듈(130)로 제공하는 초음파 트랜스듀서(121)와, 광원 모듈(110)의 광인 펄스 레이저와 조직 샘플로부터 발생된 광음향의 초음파 신호를 동축 공초점으로 정렬하는 광 음향 빔 결합기(OAC: opto-acoustic beam combiner)(122), 광 음향 빔 결합기(122)를 통해 정렬된 광인 펄스 레이저와 광음향의 초음파 신호를 스캐닝 하는 PDMS 스캐너(123)를 포함하여 구성할 수 있다. 또한, 스캔 모듈(120)은 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고, 내부에 광음향의 초음파 전달을 위한 물이 채워지는 하우징 수조(124)와, 하우징 수조(124)의 일면으로 조직검사를 위한 조직 샘플과 접촉하는 윈도우(125)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
또한, 스캔 모듈(120)은 윈도우(125)를 투명한 형태로서, 1회용으로 매 영상마다 사용되고 교체될 수 있도록 하고, 하우징 수조(124)는 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태에서 1회용 또는 수회 사용 후에 교체될 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 즉, PDMS 스캐너(123)의 저렴한 가격으로 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태에서 하우징 수조(124)가 1회 또는 수회 사용 이후에 교환될 수 있도록 할 수 있다. PDMS 스캐너(123)는 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성될 수 있도록 하며, 2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성할 수 있다. 이때, 스캔 모듈(120)은 PDMS 스캐너(123)를 2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성함에 따라 시스템의 크기를 줄이면서 영상시간을 1분 이내로 획기적으로 단축시킬 수 있게 된다. 또한, 광 음향 빔 결합기(122)는 민감도(sensitivity)를 극대화하기 위해 사용된다. 이러한 구성들을 갖는 스캔 모듈(120)은 정렬된 빛과 초음파를 이용하여 물속에서 PDMS 스캐너(123)에 의해 세포조직을 빠르게 스캐닝 할 수 있도록 한다. 또한, 스캔 모듈(120)은 광 음향 빔 결합기(122)와, PDMS 스캐너(123)를 포함한 구성 부품들의 교체가 가능하고, 특히 조직검사 시 세포조직에 접촉되어 사용되는 윈도우(125)는 1회용으로 사용될 수 있도록 한다. 또한, PDMS 스캐너(123)를 설치한 하우징 수조(124) 또한 교체 사용될 수 있다.
제어 모듈(130)은, 광원 모듈(110) 및 스캔 모듈(120)을 제어하며, 스캔 모듈(120)로부터 획득된 광음향의 초음파 신호를 제공받고, 측정된 광음향의 초음파 신호를 신호 처리하여 영상화하는 제어 구성이다. 이러한 제어 모듈(130)은 광원 모듈(110)과 스캔 모듈(120)의 작동을 제어함과 동시에 초음파 신호를 신호처리를 거쳐 영상화하는 역할을 수행하되, 각각의 광원 모듈(110)과 스캔 모듈(120)간 실시간 제어를 위해 embedded CPU 또는 FPGA가 사용될 수 있다. 여기서, 제어 모듈(130)은 영상 처리를 거쳐 생성한 광음향 영상을 모니터를 통해 제공하고, 수술 중 조직 샘플로부터 취득한 영상을 확인할 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 PDMS 스캐너의 디자인 구성을 참고로 나타내고 있으며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 PDMS 스캐너의 사진 구성을 참고로 나타내고 있다. 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 PDMS 스캐너(123)는 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성된 2축 방수형 PDMS 스캐너를 나타내고 있다. 이러한 PDMS 스캐너(123)는 본 출원원이 출원하여 등록한 대한민국 등록특허공보 제10-1599968호에 개시되고 있는바, 불필요한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치의 전체 시스템 구성을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)는, 광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 광원 모듈(110)과, 광원 모듈(110)로부터 제공되는 펄스 레이저를 반사시켜 조직 샘플로 전달하고, 조직 샘플로부터 발생되는 광음향의 초음파 신호를 수신하여 출력하는 스캔 모듈(120)과, 광원 모듈(110) 및 스캔 모듈(120)을 제어하며, 스캔 모듈(120)로부터 획득된 광음향의 초음파 신호를 제공받고, 측정된 광음향의 초음파 신호를 신호 처리하여 영상화하는 제어 모듈(130)을 포함하여 구성하되, 스캔 모듈(120)은 암 제거 수술 중 의심부위 조직을 떼어내기 전, 직접 환부에 접촉시켜 세포 영상을 획득할 수 있도록 손잡이 형태로 회전 가능한 구조를 가지도록 구성하고 있다.
광원 모듈(110)은 펄스 레이저를 생성하는 적어도 하나의 광원 발생부(111)와, 광원 발생부(111)에서 출력되는 펄스 레이저를 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)(112)와, 편광 빔 스플리터(112)로부터 반사된 펄스 레이저를 평행빔으로 출력하는 콜리메이터(Collimator)(113)를 포함하여 구성하되, 광원 발생부(111)는 펄스 레이저를 생성하는 레이저 1 및 레이저 2로 구성하되, 레이저 1 및 레이저 2 각각은 세포핵 영상을 위한 UV 레이저, 세포질 영상을 위한 422㎚를 포함하는 가시광 레이저(visible laser)를 생성할 수 있다. 즉, 광원 모듈(110)은 단일 파장의 펄스 레이저 1개 또는 2개를 이용하거나, 가변 파장 레이저(OPO: Optical Parametric Oscillation)를 이용할 수 있다.
스캔 모듈(120)은 광음향의 초음파 신호를 수신 받아 제어 모듈(130)로 제공하는 초음파 트랜스듀서(121)와, 광원 모듈(110)의 광인 펄스 레이저와 조직 샘플로부터 발생된 광음향의 초음파 신호를 동축 공초점으로 정렬하는 광 음향 빔 결합기(OAC: opto-acoustic beam combiner)(122)와, 광 음향 빔 결합기(122)를 통해 정렬된 광인 펄스 레이저와 광음향의 초음파 신호를 스캐닝 하는 PDMS 스캐너(123)와, PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고, 내부에 광음향의 초음파 전달을 위한 물이 채워지는 하우징 수조(124)와, 하우징 수조(124)의 일면으로 조직검사를 위한 조직 샘플과 접촉하는 윈도우(125)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 윈도우(125)는 1회용으로 매 영상마다 사용되고 교체되고, 하우징 수조(124)는 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태에서 1회용 또는 수회 사용 후에 교체될 수 있는 구조로 구성될 수 있다. 즉, PDMS 스캐너(123)의 저렴한 가격으로 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태에서 하우징 수조(124)가 1회 또는 수회 사용 이후에 교환될 수 있도록 한다. PDMS 스캐너(123)는 MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성될 수 있다. 또한, PDMS 스캐너(123)는 2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성되어 시스템의 크기를 줄이면서 영상시간을 1분 이내로 획기적으로 단축시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)를 이용한 광음향 영상의 획득 방법을 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치에 적용되는 스캔 모듈의 요부 구성을 도시한 도면이다. 도 7의 상부에 위치한 도면은 광 음향 빔 결합기(122)와 PDMS 스캔너(123)의 측면도 구성을 나타내고 있으며, 도 7의 하부 좌측의 도면은 광 음향 빔 결합기(122)의 사시도 구성을 나타내고 있으며, 도 7의 하부 우측의 도면은 PDMS 스캐너(123)의 사시도 구성을 나타내고 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상의 획득 방법은, 기존의 수술중 조직검사인 동결절편검사 방법으로, 떼어낸 조직을 급속 냉동시키고 얇은 슬라이드를 만든 후 H&E 염색을 거쳐 광학현미경 영상을 통해 병리학자가 분석하는데 20분 정도의 시간이 소요되는 문제에서, 절편을 만드는 과정과 염색을 하는 과정을 생략할 수 있어 수술중 조직검사 시간을 대폭 단축할 수 있으며, 수술중 반복적으로 시행되는 조직검사 시간을 줄이는 것으로 전체 수술 시간을 줄일 수 있으며, 환자의 수술 예후에 도움을 줄 수 있게 된다. 또한, 단순히 기존의 동결절편검사를 대체하는 것이 아닌 수술 시간을 줄일 수 있기 때문에 의사의 집도시간, 수술실 사용비용을 절약할 수 있어 경제적 가치가 매우 크며, 완제품 판매의 1회성 매출 방식이 아닌 소모성 부품 사용을 목적으로 하고 있기 때문에 사업화를 통해 지속적으로 수익을 창출할 수 있는 기술을 제공할 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)로서,
    광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 광원 모듈(110);
    상기 광원 모듈(110)로부터 제공되는 펄스 레이저를 반사시켜 조직 샘플로 전달하고, 상기 조직 샘플로부터 발생되는 광음향의 초음파 신호를 수신하여 출력하는 스캔 모듈(120); 및
    상기 광원 모듈(110) 및 상기 스캔 모듈(120)을 제어하며, 상기 스캔 모듈(120)로부터 획득된 광음향의 초음파 신호를 제공받고, 상기 측정된 광음향의 초음파 신호를 신호 처리하여 영상화하는 제어 모듈(130)을 포함하되,
    상기 스캔 모듈(120)은,
    수술 중 외과적인 수술로 떼어낸 조직 샘플을 조직검사 장치(100)의 샘플 홀더(101)에 올려 위치시킨 후 투명 윈도우(125)에 접촉시켜 세포 영상을 획득하도록 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광원 모듈(110)은,
    단일 파장의 펄스 레이저 1개 또는 2개를 이용하거나, 가변 파장 레이저(OPO: Optical Parametric Oscillation)를 이용하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광원 모듈(110)은,
    펄스 레이저를 생성하는 적어도 하나의 광원 발생부(111);
    상기 광원 발생부(111)에서 출력되는 펄스 레이저를 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)(112); 및
    상기 편광 빔 스플리터(112)로부터 반사된 펄스 레이저를 평행빔으로 출력하는 콜리메이터(Collimator)(113)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광원 발생부(111)는,
    펄스 레이저를 생성하는 레이저 1 및 레이저 2로 구성하되, 레이저 1 및 레이저 2 각각은 세포핵 영상을 위한 UV 레이저, 세포질 영상을 위한 422㎚를 포함하는 가시광 레이저(visible laser)를 생성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 콜리메이터(113)는,
    자유공간 내에서 렌즈와 핀 홀 및 거울을 사용하여 구성되거나, 또는 광섬유를 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캔 모듈(120)은,
    광음향의 초음파 신호를 수신 받아 상기 제어 모듈(130)로 제공하는 초음파 트랜스듀서(121);
    상기 광원 모듈(110)의 광인 펄스 레이저와 조직 샘플로부터 발생된 광음향의 초음파 신호를 동축 공초점으로 정렬하는 광 음향 빔 결합기(OAC: opto-acoustic beam combiner)(122); 및
    상기 광 음향 빔 결합기(122)를 통해 정렬된 광인 펄스 레이저와 광음향의 초음파 신호를 스캐닝 하는 PDMS 스캐너(123)를 포함하여 구성하는 것을 특징을 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스캔 모듈(120)은,
    상기 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고, 내부에 광음향의 초음파 전달을 위한 물이 채워지는 하우징 수조(124); 및
    상기 하우징 수조(124)의 일면으로 조직검사를 위한 조직 샘플과 접촉하는 윈도우(125)를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스캔 모듈(120)에서,
    상기 윈도우(125)는 1회용으로 매 영상마다 사용되고 교체될 수 있으며, 상기 하우징 수조(124)는 상기 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태에서 1회용 또는 수회 사용 후에 교체될 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 PDMS 스캐너(123)는,
    MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 PDMS 스캐너(123)는,
    2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  11. 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)로서,
    광음향 촬영을 위한 광인 펄스 레이저를 생성하여 조사하는 광원 모듈(110);
    상기 광원 모듈(110)로부터 제공되는 펄스 레이저를 반사시켜 조직 샘플로 전달하고, 상기 조직 샘플로부터 발생되는 광음향의 초음파 신호를 수신하여 출력하는 스캔 모듈(120); 및
    상기 광원 모듈(110) 및 상기 스캔 모듈(120)을 제어하며, 상기 스캔 모듈(120)로부터 획득된 광음향의 초음파 신호를 제공받고, 상기 측정된 광음향의 초음파 신호를 신호 처리하여 영상화하는 제어 모듈(130)을 포함하되,
    상기 스캔 모듈(120)은,
    암 제거 수술 중 의심부위 조직을 떼어내기 전, 직접 환부에 접촉시켜 세포 영상을 획득할 수 있도록 손잡이 형태로 회전 가능한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 광원 모듈(110)은,
    단일 파장의 펄스 레이저 1개 또는 2개를 이용하거나, 가변 파장 레이저(OPO: Optical Parametric Oscillation)를 이용하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 광원 모듈(110)은,
    펄스 레이저를 생성하는 적어도 하나의 광원 발생부(111);
    상기 광원 발생부(111)에서 출력되는 펄스 레이저를 반사시키는 편광 빔 스플리터(PBS)(112); 및
    상기 편광 빔 스플리터(112)로부터 반사된 펄스 레이저를 평행빔으로 출력하는 콜리메이터(Collimator)(113)를 포함하여 구성하되,
    상기 광원 발생부(111)는,
    펄스 레이저를 생성하는 레이저 1 및 레이저 2로 구성하되, 레이저 1 및 레이저 2 각각은 세포핵 영상을 위한 UV 레이저, 세포질 영상을 위한 422㎚를 포함하는 가시광 레이저(visible laser)를 생성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 콜리메이터(113)는,
    자유공간 내에서 렌즈와 핀 홀 및 거울을 사용하여 구성되거나, 또는 광섬유를 사용하여 구성되는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스캔 모듈(120)은,
    광음향의 초음파 신호를 수신 받아 상기 제어 모듈(130)로 제공하는 초음파 트랜스듀서(121);
    상기 광원 모듈(110)의 광인 펄스 레이저와 조직 샘플로부터 발생된 광음향의 초음파 신호를 동축 공초점으로 정렬하는 광 음향 빔 결합기(OAC: opto-acoustic beam combiner)(122); 및
    상기 광 음향 빔 결합기(122)를 통해 정렬된 광인 펄스 레이저와 광음향의 초음파 신호를 스캐닝 하는 PDMS 스캐너(123)를 포함하여 구성하는 것을 특징을 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스캔 모듈(120)은,
    상기 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고, 내부에 광음향의 초음파 전달을 위한 물이 채워지는 하우징 수조(124); 및
    상기 하우징 수조(124)의 일면으로 조직검사를 위한 조직 샘플과 접촉하는 윈도우(125)를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 스캔 모듈(120)에서,
    상기 윈도우(125)는 1회용으로 매 영상마다 사용되고 교체될 수 있으며, 상기 하우징 수조(124)는 상기 PDMS 스캐너(123)를 내부에 수용하여 설치하고 있는 상태로 1회용 또는 수회 사용 후에 교체될 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 PDMS 스캐너(123)는,
    MEMS(micro electro mechanical system) 기술을 활용한 초소형으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 PDMS 스캐너(123)는,
    2축 방수형 PDMS 스캐너로 구성하는 것을 특징으로 하는, 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방수형 PDMS 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치(100)를 이용한 광음향 영상의 획득 방법.
PCT/KR2017/007600 2016-12-01 2017-07-14 방수형 pdms 스캐너를 이용한 광음향 수술중 조직검사 장치 및 그를 이용한 광음향 영상 획득 방법 WO2018101569A1 (ko)

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