WO2019098580A1 - 부갑상선 실시간 센싱 시스템 - Google Patents

부갑상선 실시간 센싱 시스템 Download PDF

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WO2019098580A1
WO2019098580A1 PCT/KR2018/013286 KR2018013286W WO2019098580A1 WO 2019098580 A1 WO2019098580 A1 WO 2019098580A1 KR 2018013286 W KR2018013286 W KR 2018013286W WO 2019098580 A1 WO2019098580 A1 WO 2019098580A1
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parathyroid
probe
light source
sensing system
signal
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PCT/KR2018/013286
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French (fr)
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안예찬
배성철
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부경대학교 산학협력단
울산과학기술원
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    • A61B5/746—Alarms related to a physiological condition, e.g. details of setting alarm thresholds or avoiding false alarms

Definitions

  • the present invention relates to a sensing system capable of sensing the position of a parathyroid by sensing an autofluorescence of a parathyroid.
  • the parathyroid gland In thyroidectomy to remove thyroid tumors, it is very important to preserve the parathyroid glands that maintain calcium homeostasis in our body. Since the parathyroid gland is a very small and delicate organ with a weight of 35-45 mg and a size of 5x3x1 cm, it is not easy to distinguish the parathyroid glands from surrounding tissues such as the thyroid gland and the lymph nodes.
  • Fig. 1 (a) shows the position of the parathyroid gland
  • Fig. 1 (b) shows the subgroup of the lymph node.
  • Fig. 1 (a) it can be seen that the parathyroid gland is located behind the thyroid located at the center of the front of the throat. There are usually four parathyroid glands, one at each of the upper and lower left, and one at the upper right and lower right.
  • FIG. 1 (b) shows a subgroup of lymph nodes.
  • level VI Central Compartment Neck Dissection
  • the division of lymph nodes into subgroups according to position is called a level system.
  • This level system is classified into seven. Among the seven levels, the thyroid gland is located in the level VI zone, and papillary thyroid carcinoma is characterized primarily by metastasis to the level VI lymph nodes
  • lymph nodes When performing cervical lymphadenectomy, normal lymph nodes are so small that it is almost impossible to visualize them. Therefore, at the time of lymphadenectomy, all the adipose tissue and connective tissues including the lymph nodes are removed together.
  • a parathyroid sensing system including a modulator for generating a modulated signal having a specific frequency, a lock-in amplifier for receiving the modulated signal information, an excitation filter which transmits only the excitation light for exciting the parathyroid of light emitted from the light source, an emission filter which is connected to the probe and selectively transmits only the self fluorescence emitted from the parathyroid, A near infrared ray sensor for sensing the self fluorescence passing through the emission filter and converting it into an electric signal, and a speaker for generating an alarm through the electric signal.
  • the light source may further include a controller for modulating the intensity of the light source based on the received modulation signal information.
  • the near-infrared sensor may be a PMT or an APD.
  • the lock-in amplifier receives an electric signal from the near-infrared region sensor, and generates a noise-free signal based on the modulated signal information received from the modulator.
  • the parathyroid sensing system may further include a micro-controller for converting the electrical signal into an electrical signal recognizable by the speaker.
  • the emission filter is connected to the first optical fiber, and the excitation filter is connected to the second optical fiber and is accommodated in one probe.
  • the position of the parathyroid gland can be accurately grasped even when the operating room is lit up.
  • the position of the parathyroid glands can be accurately detected using the autofluorescence feature of the non-contact parathyroid glands, even if the probe is not in direct contact with the parathyroid glands.
  • Fig. 1 (a) shows the position of the parathyroid gland
  • Fig. 1 (b) shows the subgroup of the lymph node.
  • FIG. 2 illustrates a parathyroid sensing system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates a parathyroid sensing system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph for sensing a parathyroid using a parathyroid sensing system according to the present invention.
  • FIG. 5 is a view of a changing waveform by applying the parathyroid sensing system according to the present invention to a part where the parathyroidal line is considered.
  • FIG. 6A is a graph showing wavelength intensity versus wavelength filtering
  • FIG. 6B is a graph showing intensity with time when frequency filtering is applied in addition to wavelength filtering.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a parathyroid sensing system according to an embodiment of the present invention.
  • the surgeon roughly grasps the entire surgical field and the parathyroid location in the context by first dissecting only the skin. Thereafter, the removal of the thyroid tumor and lymph node is performed, where a very thin probe of the size of the parathyroid gland is used to locate the parathyroid gland.
  • the present invention relates to a parathyroid sensing system that alerts an alarm in real time when a surgeon approaches a probe or a surgical tool near a parathyroid during surgery.
  • the parathyroid glands have a particular excitation spectrum and an emission spectrum, there must be a light source and a sensing system in place. At this time, the excitation filter and the emission filter should be used because the excitation spectrum and the luminescence spectrum are usually overlapped.
  • the parathyroid sensing system includes a modulator 100 for generating a modulated signal having a specific frequency, a lock-in amplifier 200 for receiving the modulated signal information, An excitation filter 400 which transmits only the excitation light for exciting the parathyroid of light emitted from the light source, a probe 500 connected to the probe 500, and an autofluorescence A near infrared ray sensor 700 for sensing the self fluorescence passing through the emission filter 600 and converting the fluorescence into an electric signal, and an infrared sensor 700 for generating an alarm through the electric signal And a speaker 900.
  • the micro-controller 800 may further include a micro-controller 800 that converts the electrical signal into an electrical signal that can be recognized by the speaker.
  • the present invention introduces a heterodyne detection technique so that the parathyroid self-fluorescence can be more clearly sensed even in a noisy environment such as an operating room illumination, electric noise, and the like.
  • Heterodyne detection can be used to detect very weak parathyroid fluorescence even under fluorescent light conditions during surgery. The process of detecting the parathyroid glands by performing heterodyne detection will be described as follows.
  • the modulated signal After generating a modulated signal of a specific frequency using the modulator 100, the modulated signal is input to the controller of the light source to modulate the intensity of the light source (S100A).
  • the modulated signal is input to a reference portion of a lock-in amplifier 200 so that a self-modulated fluorescence signal can be separated in a noise environment (S100B).
  • a very small diameter probe is mainly used to detect fluorescence in the parathyroid glands.
  • the optical fiber has a unique Numerical Aperture (NA) (usually 0.22), which can capture only a specific angle of light. Therefore, the amount of light that can be captured is very small, and therefore, a high-sensitivity near-infrared sensor must be provided in order to detect the self-fluorescence which is originally weak in light intensity.
  • NA Numerical Aperture
  • PMT photomultiplier tube
  • APD avalanche photo diode
  • Noises are mixed in the modulated optical signal from other illumination in the operating room, and electrical noise is also added through the near-infrared sensor 700.
  • the lock-in amplifier 200 When the voltage output from the near infrared ray sensor 700 is input to the input part of the lock-in amplifier 200 in step S400, the lock-in amplifier 200 outputs the modulation signal information of the reference part previously input from the modulator 100 Frequency) to the micro-controller 800 (S500).
  • the microcontroller 800 converts the signal into an electric signal that can be recognized by the speaker 900 so that the speaker 900 sounds an alarm (S600).
  • the microcontroller 800 may notify the detection of the parathyroid glands by a numerical value, a graph or a color change through the provided output device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a parathyroid sensing system according to an embodiment of the present invention.
  • the surgeon roughly grasps the entire surgical field and the parathyroid location in the context by first dissecting only the skin. Thereafter, the removal of the thyroid tumor and lymph node is performed, where a very thin probe of the size of the parathyroid gland is used to locate the parathyroid gland.
  • the present invention relates to a parathyroid sensing system that alerts an alarm in real time when a surgeon approaches a probe or a surgical tool near a parathyroid during surgery.
  • the parathyroid glands have a particular excitation spectrum and an emission spectrum, there must be a light source and a sensing system in place. At this time, the excitation filter and the emission filter should be used because the excitation spectrum and the luminescence spectrum are usually overlapped.
  • the parathyroid sensing system includes a modulator 100 for generating a modulated signal having a specific frequency, a lock-in amplifier 200 for receiving the modulated signal information, An excitation filter 400 which transmits only the excitation light for exciting the parathyroid of light emitted from the light source, a probe 500 connected to the probe 500, and an autofluorescence A near infrared ray sensor 700 for sensing the self fluorescence passing through the emission filter 600 and converting the fluorescence into an electric signal, and an infrared sensor 700 for generating an alarm through the electric signal And a speaker 900.
  • the micro-controller 800 may further include a micro-controller 800 that converts the electrical signal into an electrical signal that can be recognized by the speaker.
  • the present invention introduces a heterodyne detection technique so that the parathyroid self-fluorescence can be more clearly sensed even in a noisy environment such as an operating room illumination, electric noise, and the like.
  • Heterodyne detection can be used to detect very weak parathyroid fluorescence even under fluorescent light conditions during surgery. The process of detecting the parathyroid glands by performing heterodyne detection will be described as follows.
  • the modulated signal After generating a modulated signal of a specific frequency using the modulator 100, the modulated signal is input to the controller of the light source to modulate the intensity of the light source (S100A).
  • the modulated signal is input to a reference portion of a lock-in amplifier 200 so that a self-modulated fluorescence signal can be separated in a noise environment (S100B).
  • a very small diameter probe is mainly used to detect fluorescence in the parathyroid glands.
  • the optical fiber has a unique Numerical Aperture (NA) (usually 0.22), which can capture only a specific angle of light. Therefore, the amount of light that can be captured is very small, and therefore, a high-sensitivity near-infrared sensor must be provided in order to detect the self-fluorescence which is originally weak in light intensity.
  • NA Numerical Aperture
  • PMT photomultiplier tube
  • APD avalanche photo diode
  • Noises are mixed in the modulated optical signal from other illumination in the operating room, and electrical noise is also added through the near-infrared sensor 700.
  • the lock-in amplifier 200 When the voltage output from the near infrared ray sensor 700 is input to the input part of the lock-in amplifier 200 in step S400, the lock-in amplifier 200 outputs the modulation signal information of the reference part previously input from the modulator 100 Frequency) to the micro-controller 800 (S500).
  • the microcontroller 800 converts the signal into an electric signal that can be recognized by the speaker 900 so that the speaker 900 sounds an alarm (S600).
  • the microcontroller 800 may notify the detection of the parathyroid glands by a numerical value, a graph or a color change through the provided output device.
  • FIG. 3 illustrates a parathyroid sensing system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 shows a structure in which the emission filter 600 is connected to the first optical fiber and the excitation filter 400 is connected to the second optical fiber in a structure in which the probe and the excitation are separated from each other, And is accommodated in one probe.
  • the structure shown in FIG. 2 can illuminate the excitation light in a wide region with parallel light, so that the intensity of the excitation light changes according to the distance between the light source and the parathyroid gland, can do.
  • the signal is detected in inverse proportion only to the square of the distance between the probe and the parathyroid glands.
  • FIG. 3 illustrates a structure in which excitation light and emission light proceed in opposite directions in one probe 500.
  • the excitation light can be strongly focused and transmitted to the probe 500.
  • the probe 500 since the probe 500 not only supplies excitation light to the parathyroid, but also receives self-fluorescence emitted, excitation is also performed in inverse proportion to the square of the distance, Is also inversely proportional to the square of the distance. Therefore, if the distance between the probe 500 and the parathyroid gland is shortened, the detection signal is rapidly increased.
  • the excitation light must be separately held or fixed on the operation field in addition to the probe held by the operator.
  • the parathyroid sensing system shown in FIG. Is included in the probe 500 it is possible to exclude cases in which the illumination is covered by another structure, illumination is wrongly applied to a portion other than the parathyroid region, or both hands of the operator are used up.
  • an optical fiber for transmitting light and an optical fiber for receiving light can be separated using two or more optical fiber bundles.
  • a 2 ⁇ 1 beam splitter In order to use only one optical fiber, a 2 ⁇ 1 beam splitter ), An optical circulator, and a double cladding fiber for transmitting and receiving in a core and a cladding mode, respectively.
  • FIG. 4 is a photograph for sensing the parathyroid gland using the parathyroid sensing system according to the present invention
  • FIG. 5 is a view for observing a changing waveform by applying the parathyroid sensing system according to the present invention to a part where the parathyroidal line is assumed .
  • FIG. 4 is a photograph of the parathyroid sensing system shown in FIG. 2
  • FIG. 5 is a photograph of the parathyroid sensing system shown in FIG. 5 (a) and 5 (b)
  • the waveform rapidly changes when the probe approaches the position where the parathyroid gem is located (FIG. 5 (b)).
  • the present invention can accurately detect a position of the parathyroid gland using the autofluorescence characteristic of a non-contact parathyroid gland, even if the probe does not directly contact the parathyroid gland.
  • FIG. 6 (a) shows a case in which wavelength filtering using an optical filter is applied
  • FIG. 6 (b) shows an intensity in time when frequency filtering using modulation is applied in addition to wavelength filtering.
  • the present invention additionally performs frequency filtering in order to use a heterodyne detection technique (see FIG. 6 (a)) 6 (b)).
  • a heterodyne detection technique see FIG. 6 (a)
  • 6 (b) the present invention additionally performs frequency filtering in order to use a heterodyne detection technique

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Abstract

본 발명은 부갑상선 센싱 시스템에 관한 것으로 특정 주파수를 가지는 변조신호를 발생하는 모듈레이터(modulator), 상기 변조신호 정보를 입력받는 로크인 증폭기(lock-in amplifier) 및 광원(light source), 상기 광원에서 발산되는 빛 중 부갑상선을 여기시키는 여기광만을 투과하는 여기필터(excitation filter), 프루브 및 상기 프루브와 연결되어 상기 부갑상선에서 발산되는 자가형광만을 선택적으로 투과하는 방출필터(emission filter), 상기 방출필터를 통과한 자가형광을 센싱하여 이를 전기신호로 변환하는 근적외선 센서 및 상기 전기신호를 통해 알람을 발생하는 스피커(speaker)를 포함한다. 본 발명을 통해 수술실을 점등한 상태에서도 부갑상선의 위치를 정확하게 파악할 수 있고, 부갑상선을 센싱하는 경우 술자에게 알람으로 알려주어 편의성을 제공한다. 또한 프루브가 부갑상선에 직접적으로 접촉하지 않아도(non-contact) 부갑상선의 자가형광 특징을 이용하여 부갑상선의 위치를 정확히 검출할 수 있다.

Description

부갑상선 실시간 센싱 시스템
본 발명은 부갑상선 실시간 센싱 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부갑상선의 자가형광을 센싱하여 부갑상선의 위치를 파악할 수 있는 센싱 시스템에 관한 것이다.
갑상선 종양을 제거하기 위한 갑상선 절제술에서는 우리 몸의 칼슘 항상성을 유지하는 부갑상선을 보존하는 것이 매우 중요하다. 부갑상선은 무게가 35-45 mg, 크기가 5x3x1 cm 정도의 대단히 작고 섬세한 장기이기 때문에 육안으로 부갑상선을 갑상선 및 림프절과 같은 주위 조직과 구별하는 것이 쉽지 않다.
도 1의 (a)는 부갑상선의 위치를 도시한 것이고, 도 1의 (b)는 림프절의 서브그룹(subgroup)을 나타낸 것이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 부갑상선은 목 앞쪽 중앙에 위치한 갑상선의 뒷편에 위치하는 것을 알 수 있다. 부갑상선은 보통 총 4개로 좌측 상하부에 각 1개, 우측 상하부에 각 1개가 있다.
한편, 도 1의 (b)에는 림프절의 서브그룹이 도시되어 있는데, 갑상선 종양의 제거를 위한 갑상선 절제술 시에 암의 전이 가능성을 고려하여 주변 림프절(level Ⅵ)을 동시에 절제한다. 이를 중심 경부 림프절 절제술(Central Compartment Neck Dissection, CCND)이라 한다. 림프절을 위치에 따라 서브그룹으로 나눈 것을 레벨 시스템(level system)이라고 한다. 이 레벨 시스템 은 총 7개로 분류되어 있다. 7개의 레벨 중 갑상선은 level Ⅵ 구역에 있고, 갑상선 유두상암(papillary thyroid carcinoma)은 주로 level Ⅵ 림프절에 잘 전이되는 것이 특징이다
중심 경부 림프절 절제술을 시행할 때, 정상 림프절은 매우 작기 때문에 육안으로 확인하는 것이 거의 불가능하다. 따라서 림프절 절제술시에 림프절이 포함되어 있는 지방조직이나 결체조직을 모두 함께 제거한다.
여기서 부갑상선의 위치를 파악하는 것이 중요해 진다. 이는 숙련된 술자가 아닌 이상 level Ⅵ 구역에서 주변 지방조직이나 결체조직과 부갑상선을 구별하기 쉽지 않기 때문이다.
현재 갑상선 종양 수술시 성대신경을 보존하기 위하여 신경의 전기 전도를 이용하여 신경의 위치를 파악하게 하는 의료기기가 상용화 되어 있으나, 부갑상선의 위치를 세밀하게 파악할 수 있는 장치의 개발은 미흡한 실정이다.
본 발명의 목적은 부갑상선이 갑상선 및 주위조직보다 강한 자가형광을 방출한다는 점을 이용하여, 프루브 또는 수술도구가 부갑상선에 접근하는 경우, 알람을 울려주는 센싱 시스템을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 부갑상선 센싱 시스템에 있어서, 특정 주파수를 가지는 변조신호를 발생하는 모듈레이터(modulator), 상기 변조신호 정보를 입력받는 로크인 증폭기(lock-in amplifier) 및 광원(light source), 상기 광원에서 발산되는 빛 중 부갑상선을 여기시키는 여기광만을 투과하는 여기필터(excitation filter), 프루브 및 상기 프루브와 연결되어 상기 부갑상선에서 발산되는 자가형광만을 선택적으로 투과하는 방출필터(emission filter), 상기 방출필터를 통과한 자가형광을 센싱하여 이를 전기신호로 변환하는 근적외선 센서 및 상기 전기신호를 통해 알람을 발생하는 스피커(speaker)를 포함한다.
또한 상기 광원은 상기 입력받은 변조신호 정보에 기반하여 광원의 세기를 변조하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 근적외선 센서는 PMT 또는 APD 인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 로크인 증폭기는 상기 근적외선 영역 센서로부터 전기신호를 입력 받아, 상기 모듈레이터로부터 입력 받은 변조신호 정보를 기초로 노이즈가 제거된 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 부갑상선 센싱 시스템은 상기 전기신호를 상기 스피커가 인식할 수 있는 전기신호로 변환하는 마이크로 컨트롤러(micro-controller)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 방출필터는 제1 광섬유와 연결되고, 상기 여기필터는 제2 광섬유와 연결되어 하나의 프루브(probe)내에 수용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 부갑상선 실시간 센싱 시스템의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 통해 수술실을 점등한 상태에서도 부갑상선의 위치를 정확하게 파악할 수 있다.
또한 프루브가 부갑상선에 직접적으로 접촉하지 않아도(non-contact) 부갑상선의 자가형광 특징을 이용하여 부갑상선의 위치를 정확히 검출할 수 있다.
또한 부갑상선이 센싱되는 경우, 술자에게 알람으로 알려주어 편의성을 제공한다.
다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 부갑상선 실시간 센싱 시스템이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1의 (a)는 부갑상선의 위치를 도시한 것이고, 도 1의 (b)는 림프절의 서브그룹(subgroup)을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 이용하여 부갑상선을 센싱하는 사진이다.
도 5는 부갑상선이 위치하는 곳으로 생각되는 부분에 본 발명에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 적용하여 변화하는 파형을 관찰한 것이다.
도 6의 (a)는 파장 필터링(wavelength filtering)을 적용한 경우, (b)는 파장 필터링에 더하여 주파수 필터링(frequency filtering)을 적용한 경우의 시간에 따른 강도(intensity)를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 나타낸 도면이다.
갑상선 수술 시, 술자는 우선 피부만 절개한 후 전체 수술 필드와 그 컨텍스트 안에 부갑상선의 위치를 영상화하여 대략적으로 파악한다. 그 후, 갑상선 종양 및 림프절 제거를 수행하는데, 여기서 부갑상선의 위치를 파악할 때, 부갑상선의 크기만한 매우 가는 프루브(probe)를 이용한다.
본 발명은 술자가 수술 중에 프루브나 수술도구를 부갑상선 부근으로 접근하는 경우, 실시간으로 알람을 울려 주는 부갑상선 센싱 시스템에 관한 것이다.
부갑상선은 특별한 여기 스펙트럼(excitation spectrum)과 방출 스팩트럼(emission spectrum)을 가지기 때문에 이에 맞는 광원(light source) 및 센싱시스템이 있어야 한다. 이 때, 여기 스펙트럼과 발광 스팩트럼이 보통 중첩되기 때문에 여기필터(excitation filter)와 방출필터(emission filter)를 사용하여야 한다.
본 발명에 따른 부갑상선 센싱 시스템은 특정 주파수를 가지는 변조신호를 발생하는 모듈레이터(modulator)(100), 상기 변조신호 정보를 입력받는 로크인 증폭기(lock-in amplifier)(200) 및 광원(light source)(300), 상기 광원에서 발산되는 빛 중 부갑상선을 여기시키는 여기광만을 투과하는 여기필터(excitation filter)(400), 프루브(500) 및 상기 프루브(500)와 연결되어 상기 부갑상선에서 발산되는 자가형광만을 선택적으로 투과하는 방출필터(emission filter)(600), 상기 방출필터(600)를 통과한 자가형광을 센싱하여 이를 전기신호로 변환하는 근적외선 센서(700) 및 상기 전기신호를 통해 알람을 발생하는 스피커(speaker)(900)를 포함한다. 또한 상기 전기신호를 상기 스피커가 인식할 수 있는 전기신호로 변환하는 마이크로 컨트롤러(micro-controller)(800)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 수술실 조명, 전기노이즈 등과 같은 노이즈 환경에서도 부갑상선 자가형광이 보다 명확하게 센싱될 수 있도록 헤테로다인 디텍션(heterodyne detection)기법을 도입하였다. 헤테로다인 디텍션(Heterodyne detection) 기법을 사용하면 수술 중 형광등을 점등한 상황에서도 매우 미약한 부갑상선 자가형광을 검출해 낼 수 있다. 헤테로다인 디텍션(Heterodyne detection)을 수행하여 부갑상선을 센싱하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
모듈레이터(100)를 이용하여 특정한 주파수의 변조신호를 발생시킨 후, 상기 변조신호를 광원의 컨트롤러에 입력하여 광원의 세기를 변조시킨다(S100A).
또한 상기 변조신호를 로크인 증폭기(lock-in amp)(200)의 참조부에 입력하여 추후에 변조된 자가형광 신호를 노이즈 환경에서 분리해 낼 수 있도록 한다(S100B).
근적외선 광원(300)을 통하여 부갑상선을 여기하는 경우, 변조된 광원에 의하여 부갑상선에는 같은 주파수로 변조된 자가형광이 발생하게 되고(S200), 이 광신호가 방출필터(emission filter)(600)를 거쳐 근적외선 센서(700)에서 센싱되어 전기신호로 변환된다(S300).
직경이 매우 작은 프루브로 부갑상선 자가형광을 검출할 때 주로 광섬유를 사용하게 되는데 광섬유는 고유의 수치구경(Numerical Aperture, NA) (일반적으로 0.22)가 있어 특별한 각의 빛만을 포획할 수 있다. 따라서 포획할 수 있는 빛의 양이 매우 적기 때문에, 원래부터 빛의 세기가 약한 자가형광을 검출하기 위해서는 고감도의 근적외선 센서가 구비되어야 한다. 본 발명은 고감도의 근적외선 센서(700)로 PMT(photomultiplier tube)를 사용하였으나, APD(avalanche photo diode)도 사용될 수 있다. 한편, 고감도의 PMT를 사용하는 경우 노출시간이 매우 짧아 실시간으로 부갑상선 자가형광 센싱이 가능하다.
상기 변조된 광신호에는 수술실의 타 조명으로부터 노이즈가 섞여있고, 근적외선 센서(700)를 거치면서 전기적인 노이즈도 첨가된다. 근적외선 센서(700)에서 출력된 전압이 로크인 증폭기(200)의 입력부로 입력이 되면(S400), 상기 로크인 증폭기(200)는 이전에 모듈레이터(100)로 부터 입력 받은 참조부의 변조신호 정보(주파수)를 기초로 노이즈가 제거된 신호를 마이크로 컨트롤러(micro-controller)(800)에 입력시킨다(S500). 마이크로 컨트롤러(800)는 스피커(speaker)(900)가 인식할 수 있는 전기신호로 변화시켜 스피커(900)가 알람 소리를 내도록 한다(S600). 상기 마이크로 컨트롤러(800)는 구비된 출력장치를 통해 부갑상선의 검출여부를 수치, 그래프 또는 색깔변화등으로 알려 줄 수도 있다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 부갑상선 실시간 센싱 시스템을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 나타낸 도면이다.
갑상선 수술 시, 술자는 우선 피부만 절개한 후 전체 수술 필드와 그 컨텍스트 안에 부갑상선의 위치를 영상화하여 대략적으로 파악한다. 그 후, 갑상선 종양 및 림프절 제거를 수행하는데, 여기서 부갑상선의 위치를 파악할 때, 부갑상선의 크기만한 매우 가는 프루브(probe)를 이용한다.
본 발명은 술자가 수술 중에 프루브나 수술도구를 부갑상선 부근으로 접근하는 경우, 실시간으로 알람을 울려 주는 부갑상선 센싱 시스템에 관한 것이다.
부갑상선은 특별한 여기 스펙트럼(excitation spectrum)과 방출 스팩트럼(emission spectrum)을 가지기 때문에 이에 맞는 광원(light source) 및 센싱시스템이 있어야 한다. 이 때, 여기 스펙트럼과 발광 스팩트럼이 보통 중첩되기 때문에 여기필터(excitation filter)와 방출필터(emission filter)를 사용하여야 한다.
본 발명에 따른 부갑상선 센싱 시스템은 특정 주파수를 가지는 변조신호를 발생하는 모듈레이터(modulator)(100), 상기 변조신호 정보를 입력받는 로크인 증폭기(lock-in amplifier)(200) 및 광원(light source)(300), 상기 광원에서 발산되는 빛 중 부갑상선을 여기시키는 여기광만을 투과하는 여기필터(excitation filter)(400), 프루브(500) 및 상기 프루브(500)와 연결되어 상기 부갑상선에서 발산되는 자가형광만을 선택적으로 투과하는 방출필터(emission filter)(600), 상기 방출필터(600)를 통과한 자가형광을 센싱하여 이를 전기신호로 변환하는 근적외선 센서(700) 및 상기 전기신호를 통해 알람을 발생하는 스피커(speaker)(900)를 포함한다. 또한 상기 전기신호를 상기 스피커가 인식할 수 있는 전기신호로 변환하는 마이크로 컨트롤러(micro-controller)(800)를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 수술실 조명, 전기노이즈 등과 같은 노이즈 환경에서도 부갑상선 자가형광이 보다 명확하게 센싱될 수 있도록 헤테로다인 디텍션(heterodyne detection)기법을 도입하였다. 헤테로다인 디텍션(Heterodyne detection) 기법을 사용하면 수술 중 형광등을 점등한 상황에서도 매우 미약한 부갑상선 자가형광을 검출해 낼 수 있다. 헤테로다인 디텍션(Heterodyne detection)을 수행하여 부갑상선을 센싱하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
모듈레이터(100)를 이용하여 특정한 주파수의 변조신호를 발생시킨 후, 상기 변조신호를 광원의 컨트롤러에 입력하여 광원의 세기를 변조시킨다(S100A).
또한 상기 변조신호를 로크인 증폭기(lock-in amp)(200)의 참조부에 입력하여 추후에 변조된 자가형광 신호를 노이즈 환경에서 분리해 낼 수 있도록 한다(S100B).
근적외선 광원(300)을 통하여 부갑상선을 여기하는 경우, 변조된 광원에 의하여 부갑상선에는 같은 주파수로 변조된 자가형광이 발생하게 되고(S200), 이 광신호가 방출필터(emission filter)(600)를 거쳐 근적외선 센서(700)에서 센싱되어 전기신호로 변환된다(S300).
직경이 매우 작은 프루브로 부갑상선 자가형광을 검출할 때 주로 광섬유를 사용하게 되는데 광섬유는 고유의 수치구경(Numerical Aperture, NA) (일반적으로 0.22)가 있어 특별한 각의 빛만을 포획할 수 있다. 따라서 포획할 수 있는 빛의 양이 매우 적기 때문에, 원래부터 빛의 세기가 약한 자가형광을 검출하기 위해서는 고감도의 근적외선 센서가 구비되어야 한다. 본 발명은 고감도의 근적외선 센서(700)로 PMT(photomultiplier tube)를 사용하였으나, APD(avalanche photo diode)도 사용될 수 있다. 한편, 고감도의 PMT를 사용하는 경우 노출시간이 매우 짧아 실시간으로 부갑상선 자가형광 센싱이 가능하다.
상기 변조된 광신호에는 수술실의 타 조명으로부터 노이즈가 섞여있고, 근적외선 센서(700)를 거치면서 전기적인 노이즈도 첨가된다. 근적외선 센서(700)에서 출력된 전압이 로크인 증폭기(200)의 입력부로 입력이 되면(S400), 상기 로크인 증폭기(200)는 이전에 모듈레이터(100)로 부터 입력 받은 참조부의 변조신호 정보(주파수)를 기초로 노이즈가 제거된 신호를 마이크로 컨트롤러(micro-controller)(800)에 입력시킨다(S500). 마이크로 컨트롤러(800)는 스피커(speaker)(900)가 인식할 수 있는 전기신호로 변화시켜 스피커(900)가 알람 소리를 내도록 한다(S600). 상기 마이크로 컨트롤러(800)는 구비된 출력장치를 통해 부갑상선의 검출여부를 수치, 그래프 또는 색깔변화등으로 알려 줄 수도 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 프루브(Probe)와 광원(excitation)이 분리된 구조이나, 도 3에 나타난 실시예는 방출필터(600)가 제1 광섬유와 연결되고, 상기 여기필터(400)는 제2 광섬유와 연결되어 하나의 프루브(probe)내에 수용되는 구조를 가진다.
도 2에 도시된 구조는 여기(excitation) 빛을 평행광으로 넓은 영역에 비춰줄 수 있어서 여기(excitation) 빛의 세기가 광원과 부갑상선 사이의 거리에 따라 달라지면서 자가형광의 세기가 변하는 영향을 제거할 수 있다. 이 경우 프루브와 부갑상선의 거리의 제곱에만 반비례하여 신호가 검출된다.
반면에 도 3은 하나의 프루브(500) 내에서 여기(excitation) 빛과 방출(emission)빛이 반대방향으로 진행하는 구조이다. 상기 구조에서는 프루브(500)에 여기(excitation) 빛을 강하게 집속(集束)하여 보낼 수 있는 장점이 있다. 또한 프루브(500)가 부갑상선에 여기(excitation) 빛을 공급할 뿐 아니라, 방출(emission)되는 자가형광도 받아들이기 때문에, 여기(excitation)도 거리의 제곱에 반비례하여 조명이 이뤄지고, 검출되는 빛의 세기도 거리의 제곱에 반비례 한다. 따라서 프루브(500)와 부갑상선 사이의 거리가 짧아지면 급속히 검출신호가 증가하게 된다.
도 2에 나타난 부갑상선 센싱 시스템은 수술자가 손에 들고 있는 프루브 외에 여기(excitation) 조명을 따로 들고 있거나, 수술필드 상부에 고정시켜 두어야 하지만, 도 3에 나타난 부갑상선 센싱 시스템은 여기(excitation) 조명(광원)이 프루브(500) 내에 포함되어 있어, 조명이 다른 구조물에 가리우거나, 부갑상선 부위가 아닌 다른 부위에 조명을 잘못 비추거나, 수술자의 두 손을 다 사용해야 하는 경우를 배제시킬 수 있다.
한편, 도 3과 같이 2개 이상의 광섬유 번들(optical fiber bundle)을 사용하여 빛을 보내는 광섬유와 빛을 받는 광섬유를 아예 분리할 수 도 있지만, 광섬유를 하나만 사용하기 위하여 2×1 빔 스플리터(beam splitter), 광 서큘레이터(optical circulator), 코어(core)와 클래딩(cladding) 모드로 각각 보내고 받는 이중 클래딩 광섬유(double cladding fiber)를 이용할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 이용하여 부갑상선을 센싱하는 사진이고, 도 5는 부갑상선이 위치하는 곳으로 생각되는 부분에 본 발명에 따른 부갑상선 센싱 시스템을 적용하여 변화하는 파형을 관찰한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 부갑상선 센싱 시스템으로 실험한 사진이고, 도 5는 도 3에 도시된 부갑상선 센싱 시스템으로 실험한 사진이다. 도 5의 (a), (b)를 참조하면, 부갑상선이 위치하는 곳에 프루브가 접근하는 경우(도 5의 (b)), 파형이 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다. 본 발명은 프루브가 부갑상선에 직접적으로 접촉하지 않아도(Non-contact) 부갑상선의 자가형광 특징을 이용하여 해당위치를 정확히 검출할 수 있다.
도 6의 (a)는 광학필터를 사용한 파장 필터링(wavelength filtering)을 적용한 경우, (b)는 파장 필터링에 더하여 변조를 이용한 주파수 필터링(frequency filtering)을 적용한 경우의 시간에 따른 강도(intensity)를 나타낸 그래프이다.
채널을 나누는 파장 필터링(wavelength filtering)만을 수행한 것에 비해(도 6의 (a)), 본 발명은 헤테로다인 디텍션(Heterodyne detection)기법을 이용하고자 주파수 필터링(Frequency filtering)을 추가로 수행하였다(도 6의 (b)). 이 경우 광학적 전기적 잡음환경에서도 자가형광만을 선택적으로 측정할 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 부갑상선을 여기하는 자가형광을 보다 명확하게 검출하였다는 것을 의미한다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (6)

  1. 부갑상선 센싱 시스템에 있어서,
    특정 주파수를 가지는 변조신호를 발생하는 모듈레이터(modulator);
    상기 변조신호 정보를 입력받는 로크인 증폭기(lock-in amplifier) 및 광원(light source);
    상기 광원에서 발산되는 빛 중 부갑상선을 여기시키는 여기광만을 투과하는 여기필터(excitation filter);
    프루브 및 상기 프루브와 연결되어 상기 부갑상선에서 발산되는 자가형광만을 선택적으로 투과하는 방출필터(emission filter);
    상기 방출필터를 통과한 자가형광을 센싱하여 이를 전기신호로 변환하는근적외선 센서; 및
    상기 전기신호를 통해 알람을 발생하는 스피커(speaker);
    를 포함하는 부갑상선 센싱 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 상기 입력받은 변조신호 정보에 기반하여 광원의 세기를 변조하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 부갑상선 센싱 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 근적외선 센서는 PMT 또는 APD 인 것을 특징으로 하는 부갑상선 센싱 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 로크인 증폭기는 상기 근적외선 영역 센서로부터 전기신호를 입력 받아, 상기 모듈레이터로부터 입력 받은 변조신호 정보를 기초로 노이즈가 제거된 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 부갑상선 센싱 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부갑상선 센싱 시스템은 상기 전기신호를 상기 스피커가 인식할 수 있는 전기신호로 변환하는 마이크로 컨트롤러(micro-controller)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부갑상선 센싱 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 방출필터는 제1 광섬유와 연결되고, 상기 여기필터는 제2 광섬유와 연결되어 하나의 프루브(probe)내에 수용되는 것을 특징으로 하는 부갑상선 센싱 시스템.
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