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KR20100066605A - 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치 - Google Patents

광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치 Download PDF

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KR20100066605A
KR20100066605A KR1020080124970A KR20080124970A KR20100066605A KR 20100066605 A KR20100066605 A KR 20100066605A KR 1020080124970 A KR1020080124970 A KR 1020080124970A KR 20080124970 A KR20080124970 A KR 20080124970A KR 20100066605 A KR20100066605 A KR 20100066605A
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optical
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강욱
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 신체의 외부 및 내부의 여러 질병에 대한 효과적인 광 치료를 수행하기 위하여, 복합 광원을 공급하여 대상 신체에 조사(illumination)하고, 멀티 스펙트럼 형광-반사 이미지를 제공함으로써, 대상 조직에 대한 다양하고 복합적인 스펙트럼 성분의 영상을 재생할 수 있는 형광 진단(Fluorescence Detection: FD) 및 광역학 치료(PhotoDynamic Therapy: PDT) 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는 이를 위하여, 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에 있어서, 대상 조직의 영상을 형성하여 육안 또는 영상 장치로 전송하는 광 영상 장치부와; 복수개의 코우히어런트(coherent) 및 비코우히어런트(non-coherent) 광원과, 상기 광원들로부터 조사되어 입사되는 광을 인도하는 광 가이드를 포함하는 복합 광원 장치부와; 하나 또는 그 이상의 이미지 센서를 가진 다파장 영상 장치부와; 대상 조직에 대한 영상을 외부로 출력하는 출력부;로 이루어지며, 다양한 파장의 광조사 및 다 파장 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출 장치는 여러 스펙트럼 성분을 갖는 방사광을 대상 조직으로 조사할 수 있는 복합 광원 공급기 및 이러한 다양한 스펙트럼 영역에 대한 수 개의 스펙트럼 부분들을 동시에 영상화할 수 있는 다파장 영상기를 통하여 효과적인 광 검출 및 광역학 치료를 수행할 수 있으므로, 진단의 정확성 및 치료의 효율성을 개선한다.
복합 광원, 복합 광원 장치, 광역학 치료, PDT, 광검출, FD, 다파장 영상기,

Description

광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치{Apparatus for photodynamic therapy and photo detection}
본 발명은 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신체의 외부 및 내부의 여러 질병에 대한 효과적인 광 치료를 수행하기 위하여, 복합 광원을 공급하여 대상 신체에 조사(illumination)하고, 멀티 스펙트럼 형광-반사 이미지를 제공함으로써, 대상 조직에 대한 다양하고 복합적인 스펙트럼 성분의 영상을 재생할 수 있는 형광 진단(Fluorescence Detection: FD) 및 광역학 치료(PhotoDynamic Therapy: PDT) 장치에 관한 것이다.
오늘날 여드름, 기미, 검버섯, 잡티, 흉터 및 주름, 악성종양 등의 각종 피부 질환 치료에 광선을 이용한 진단 및 치료 방법이 널리 알려져 있다.
이러한 의료 목적의 광 치료를 위해 사용되는 광 치료 장치(phototherapy device)는 일반적으로 치료 광원과 상기 치료 광원으로부터 발생하는 광선을 환자의 치료 부위에 전달하는 광섬유를 이용한 광케이블로 구성된다.
여기서, 광원으로는 할로겐, 크세논(Xenon), 메탈-할라이드(metal-halide), 수은 등의 다양한 램프들이 사용될 수 있는데, 이러한 램프들을 기반으로 하는 광섬유 광원 장치들이 다양하게 개발되었으며, 이러한 광원들을 이용하여 가시광선 또는 근적외선 스펙트럼 영역에 대한 진단 영상을 제공할 수 있는 장치들이 개발되고 있다.
미국 특허 등록 제6,766,184호에서는 자궁 경부암 검출과 진단과 같은 조건을 위하여 조직을 조명하기 위해 형성된 노광원과 조직에서 방사를 채취하기 위해 형성된 검출기와 멀티스펙트럼 이미지를 생성하기 위해 형성된 분석 유닛을 포함하여 조직의 멀티스펙트럼 이미지를 생성하기 위한 방법과 장치를 제안하고 있다. 다만, 상기 기술에서는 검출기로서 단지 하나의 컬러 CCD 카메라만을 사용하였으며, 이러한 카메라는 3 스펙트럼 채널에 의해 가시광선 스펙트럼 범위에 포함된 다파장 이미지(multispectral images) 만을 받아들일 수 있으며, 근적외선 이미지 형성을 위한 센서는 구성되지 않는다. 또한, 비코우히어런트(non- coherent)한 광원으로는 단지 하나의 광원(펄스 크세논 램프: pulsed xenon flashlight)만을 사용하고, 램프와 레이저 광원으로부터 광 조사는 광 시준 (collimation) 광학 부품이 없이 두 개의 다른 광가이드들에 의해 수행되도록 구성된다.
따라서, 상술한 미국 등록 특허 제6,766,184호에서는 가시광선 및 근적외선 스펙트럼 영역에 위치한 4개의 스펙트럼 채널(R, G, B, NIR)에 의해 동시에 다파장영상(multispectral images)를 구현할 수 없으며, 백색광 조명에서 비코우히어런트한 광원의 스펙트럼 구성을 조절할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 내시경 사용시 두 개의 다른 광가이드를 통한 조명을 할 경우, 두 개의 광들의 전달을 위해 둘 중의 하나는 내시경의 도구 통로를 사용해야 하므로, 작업이 어려워 지고 시야(field of view)에 동일하지 않은 조명을 제공하며, 시준(collimation) 광학계가 존재하지 않아, 콜포스코우프에서 시야에 불균일한 조명을 초래하는 문제점이 존재하였다.
한편, 미국 공개 특허 제2008-0051664호에서는 근적외선 영상을 검출하여 종양 마진의 방광암과 결정의 비보 내 및 실시간 이미징을 위한 광학 화상 방법과 장치를 제안한다. 상기한 기술의 경우, 내시경을 장착하고 신체 내부의 진단을 목적으로 고안된 것으로, 검출기로서 단지 하나의 단일칩 CCD 카메라가 사용되며, 이는 주로 근적외선 영상을 검출하기 위해 제작된 흑백(monochrome) 카메라이므로, 다양한 스펙트럼 영역들에서 동시에 두 개의 영상을 받기 위해서는 센서의 다른 부분이 사용된다. 따라서, 대상 조직에 백색 광 조명에서 관찰하기 위한 컬러 비디오가 존재하지 않으며, 근적외선 및 가시광선 영역에서 동시에 받아들이기 위한 다파장 영상(multispectral images)이 없는 문제점이 존재하였다. 또한, 다른 광가이드들의 도움을 가지고 램프 및 레이저 광원으로부터 대상 조직에 조명되도록 구성되어, 내시경의 사용에서 두 개의 다른 광가이드를 통한 광원 조명을 위해서는 내시경의 도구 통로의 사용을 필요로 하며, 이것으로 인하여 내시경 작업이 어려워지고, 대상 부위(field of view)에 균일하지 않은 조명을 제공하게 되는 문제점이 발생한다.
미국 공개 특허 제2002-0035330호에서는 컬러와 형광 영상화 모드를 위한 광을 생산하는 다중 모드 광 소스를 포함하는 형광 내시경 검사를 위한 비디오 기기 를 제안한다.
다만, 상기 미국 공개 특허 제2002-0035330호에 기재된 기기에는 광역학치료와 (또는) 다파장 형광 및 여기 반사광 검출을 위한 넓은 범위 및 단색 광의 스펙트럼을 가진 둘 또는 그 이상의 사용자가 정한 차이를 갖는 파장을 동시에 생산할 수 있는 복합 광원 장치가 없어,두 개의 다른 형광물질들을 최적의 파장에 의해 형광을 여기시킬 가능성이 없다. 또한, 다파장 스펙트럼 영상 시스템 (multi spectral imaging system)의 양 센서 위에 부가적인 광학 렌즈를 가지고 입체 관찰 및 대상 조사(projection)를 위한 광영상 시스템 없으므로, 반사 백색 광 및 형광에서 동시에 영상을 기록할 가능성 없는 결함이 있다. 그리고, 다이크로익 미러를 가진 움직이는 광 분할기가 없으므로, 다이크로익 미러가 광 경로로부터 벗어날 가능성이 없어, 컬러 이미지 센서만을 사용하는 작업 조건에서 광의 손실이 발생하였으며, 광역학치료 과정을 위한 수단이 존재하지 않는 문제점이 있었다.
한편, 미국 등록 특허 제5,571,108호에서는 TV 카메라를 내장한 입체 현미경을 제안하고 있는 바, 상기 입체 현미경은 내장된 TV 카메라를 통하여 입체 관찰 또는 비디오 관찰을 수행할 수 있도록 구성된 반면에, 가변 배율 광학계 뒤의 입체 경로 들 중의 하나에 카메라가 설치되어, 현미경의 대물렌즈에 의해 감지된 작은 량의 방사광 만이 카메라에 도달한다. 따라서, 기존의 미국 등록 특허 제5571108호에 기재된 입체 현미경에 의할 경우, 대물렌즈로부터 들어오는 광신호들에 대한 큰 손실이 발생하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명에서는 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에 있어서, 여러 스펙트럼 성분을 갖는 방사 광을 대상 조직으로 조사할 수 있는 복합 광원 장치부와 대상 조직을 직접적으로 삼차원으로 육안으로 볼 수 있는 광 영상 장치부와 이러한 다양한 스펙트럼 영역에 대한 수 개의 스펙트럼 부분들을 동시에 영상화할 수 있는 다파장 영상 장치부를 포함하여 효과적인 광 검출 및 광역학 치료를 수행할 수 있는 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 구성을 제안한다.
본 발명은 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에 있어서, 대상 조직의 영상을 형성하여 육안 또는 영상 장치로 전송하는 광 영상 장치부와; 복수개의 코우히어런트(coherent) 및 비코우히어런트(non-coherent) 광원과, 상기 광원들로부터 조사되어 입사되는 광을 인도하는 광 가이드를 포함하는 복합 광원 장치부와; 하나 또는 그 이상의 이미지 센서를 가진 다파장 영상 장치부와; 대상 조직에 대한 영상을 외부로 출력하는 출력부;로 이루어지며, 다양한 파장의 광조사 및 다 파장 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 복합 광원 장치부는 제1광원, 제2광원, 제3광원의 세 개의 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 제1광원은 수은 램프인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 제2광원은 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 때, 상기 제3광원은 레이저인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 제1광원인 수은 램프에 대하여, 상기 수은 램프로부터의 발광을 조정하기 위한 제1필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 제1필터는 상기 수은 램프와 상기 광 가이드 사이에 위치하며, 상기 수은 램프만을 위한 광 경로 상에 배치되어, 상기 수은 램프를 제외한 다른 광원으로부터 발생한 광 경로를 간섭하지 않도록 설치되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 제1필터는 필터 휠 형태로 형성되어, 상기 필터 휠의 회전면에 나뉜 구획에 복수개의 광학 소자를 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 복수개의 광학 소자는 쇼트 패스 필터(short pass filter), 밴드 패스 필터(band-pass filter), 편광자 중 두 개 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 제2광원인 할로겐 램프에 대하여, 상기 할로겐 램프로부터의 광의 경로를 변경하도록 배치된 제1미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 제1미러는 파장에 따라 선택적으로 광을 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 할로겐 램프와 상기 제1미러 사이에 적외선을 차폐하기 위한 제2필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 제3광원인 레이저로부터 발생하는 레이저 빔은 광 가이드로 직접 들어가는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 제3광원은 복수개의 레이저로 구성되고, 상기 복수개의 레이저로부터 발생하는 복수개의 레이저 빔의 광 경로 상에 제2미러를 배치하여, 상기 제2미러를 통하여 상기 복수개의 레이저 빔이 광 가이드로 들어가는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 때, 상기 제2미러는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 수은 램프 및 상기 레이저는 NADH 및 플라빈(flavin)을 동시에 여기시키기 위한 여기 광원으로서, 대역 통과 필터(327nm 내지 353nm)를 갖는 수은 램프와 레이저(405nm)인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 수은 램프 및 상기 레이저는 플라빈(flavin) 및 포르피 린(Porphyrin)을 동시에 여기시키기 위한 여기 광원으로서, 대역 통과 필터(440nm 내지 470nm)를 갖는 수은 램프와 레이저(635nm)인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 수은 램프로부터의 광량을 조정하기 위하여 상기 제1광원에서의 광 경로 상에 제1감쇠기가 설치되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 광 가이드로 들어오는 총광량을 조정하기 위하여 상기 광 가이드의 입구 측에 제2감쇠기가 설치되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
한편, 상기 광 가이드의 출구 측에 시야(field of view)에 균일한 광 조사를 제공하기 위한 조준 광학기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 조준 광학기에는 더 좁은 영역의 광 조사를 위한 부속적인 광가이드 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 광 가이드는 액상 광 가이드인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 광 영상 장치부는 내시경, 수술용 입체 현미경, 콜퍼스코프(colposcope) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 광 영상 장치부가 내시경 장비인 경우, 상기 다파장 영상 장치부는 어댑터를 통하여 상기 광 영상 장치부의 접안 렌즈에 고정되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 때, 상기 광 영상 장치부가 수술용 입체 현미경인 경우, 대물 렌즈 및 가변 배율 광학기를 포함하는 상기 광 영상 장치부에서, 상기 광 영상 장치부의 대물 렌즈와 상기 가변 배율 광학기 사이에 상기 다파장 영상 장치부가 위치하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 다파장 영상 장치부는 상기 광 영상 장치부의 대물 렌즈와 상기 가변 배율 광학기 사이에 설치된 접이식 이동 미러를 통하여 광 경로로 들어가도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
한편, 상기 다파장 영상 장치부는 두 개의 이미지 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서, 상기 두 개의 이미지 센서는 각각 컬러 이미지 센서(color image sensor) 및 단색 이미지 센서(monochrome image sensor)인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 다파장 영상 장치부는 상기 컬러 이미지 센서 및 상기 단색 이미지 센서에 대한 두 개의 광 경로를 갖도록 입사광을 분할하는 광 경로 분할 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 광 경로 분할 수단은 접이식 이동 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
여기서 상기 이동 미러는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
한편, 상기 다파장 영상 장치부에서 대물 렌즈는 광 경로 분할 수단의 앞에 위치하여 상기 컬러 이미지 센서 및 상기 단색 이미지 센서의 두 광학 경로에 대해 동시에 투사시키는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 대물렌즈는 광량 및 심도 조정을 위해 구경 조리개를 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출장치를 제공한다.
또한, 상기 대물렌즈는 대상 조직의 미세한 초점을 위해 초점 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
그리고, 상기 컬러 이미지 센서의 B 채널 및 G 채널에 의하여 각각 NADH 및 플라빈(Flavin)의 형광 검출이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 때, 상기 다파장 영상 장치부의 대물 렌즈의 앞 또는 뒤에는 필터 휠 형태의 이동식 검출 필터가 설치되며, 상기 이동식 검출 필터는 롱 패스 필터(long pass filter), 노치 필터(notch filter), 검광자(analyzer), 또는 편광자(polarizer) 중 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이 경우, 상기 다파장 영상 장치부의 상기 컬러 이미지 센서 앞에는 적외선 차폐 필터가 포함되며, 단색 이미지 센서의 앞에는 원 빨강-근적외선(Far-Red & Near Infrared) 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 이동식 검출 필터는 차폐 필터(500nm)와 노치 필터(635nm)를 포함하며, 이 경우에 상기 다이크로익 미러(edge 640nm)에 의해 상기 원 빨강-근적외선(Far-Red & Near Infrared) 필터를 통한 상기 단색 이미지 센서에 의하여 포르피린의 형광이 검출되는 동시에, 상기 컬러 이미지 센서(G 채널)에 의하여 플라빈의 형광의 검출이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
한편, 본 발명에서는 상기 컬러 이미지 센서(color image sensor) 및 상기 단색 이미지 센서(monochrome image sensor)를 제어하기 위한 이미지 프로세서-제어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
또한, 상기 다파장 영상 장치부로부터의 영상을 외부로 출력하기 위한 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 의한 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치를 통하여, 신체 조직(tissue)의 다파장 영상을 생성하여 광 진단(photo diagnosis)을 수행하고, 신 체 조직의 광 조사를 통하여 광역학치료를 수행할 수 있다.
둘째, 본 발명에 의한 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치는 구체적으로,
(1) 다파장 스펙트럼 영상 장치부(Multi-spectral imaging system)를 대물렌즈와 가변 배율 광학기(variable power optical systems) 사이에 놓이도록 구성하여, 대물렌즈 시스템의 구경을 통과하는 방사 광을 사용하므로 더 많은 광이 검출기로 들어갈 수 있어, 약한 형광 영상이라도 효과적으로 기록할 수 있다.
(2) 접힘식 미러를 사용하여, 영상 장치부(imaging system)를 광 경로에 포함시키거나 배제할 수 있어, 대상 조직을 삼차원(3D)적으로 관찰할 수 있게 함으로써, 신체 조직에 대하여 의료 도구의 조정 작업이 용이하다.
(3) 할로겐 램프 및 수은 램프로부터 방사되는 광들을 합치는 도식에서 수은 램프 뒤에 감쇠기(attenuator)가 설치되어, 결정된 작업(백색광에서 시각적인 관찰 및 텔레비전 관찰, 산소 포화도(oxigenation) 측정)에 따라 감쇠기를 조정함에 의하여 조명 광원의 컬러를 원활하게 변화시킬 수 있다.
(4) 수은 램프 및 레이저의 두 광원의 광을 합침으로 인해서 자외선, 가시광선 및 근적외선 스펙트럼 영역에서 동시에 다른 두 파장을 갖고 대상 조직에 형광 여기(fluorescence excitation)를 위한 광조사가 가능하므로, 두 개의 다른 형광물질의 최적의 여기(excitation)를 제공하며, 두 개의 형광(광감작제: photosensitizer) 및 신체 조직의 내생적(endogenous) 물질로부터 동시에 대상 조직을 관찰 및 광역학치료 수행이 가능한 효과가 있다.
(5) 레이저 및 램프 광원의 방사 광은 동일한 광가이드로 들어감에 따라 다 른 파장에서 같은 조명 조건으로 시야(field of view)에 일치하는 조명을 제공한다.
(6) 조명 필터 휠 (Illuminator filter wheel)은 단지 수은 램프의 광경로에만 설치되도록 구성하여, 넓은 대역 및 단색(monochrome)의 다른 광원들로부터 광의 감쇄없이 동시에 광가이드에 방사를 전달할 수 있다.
(7) 다파장 영상 장치부(Multi-spectral imaging system)는 컬러 이미지 센서와 단색 이미지 센서를 포함하여, 가시광선 및 근적외선 스펙트럼 영역에 배치된 네 개의 스펙트럼 채널에서 동시에 영상을 획득할 수 있으며, 백색광 및 형광에서 동시에 관찰가능하며, 다른 스펙트럼 영역에서 두 개의 영상을 동시에 획득하기 위해 단일 센서의 다른 부위가 사용된 경우와 비교하여 높은 분해능을 갖는다.
(8) 컬러 이미지 센서의 광경로로부터 벗어날 수 있는 이동 광 경로 분할 매체(Movable optical path split means)가 있어, 단지 컬러 이미지 센서만 작동하는 조건에서 광의 손실이 없다.
(9) 이동 광 경로 분할 매체(Movable optical path split means) 앞에 이동식 검출 필터(Movable Detector filter)가 설치되어, 양 센서에 들어 가는 방사 광의 스펙트럼 성분에 영향을 줌에 따라, 센서들 앞에 필터들을 손으로 교환함이 없이 검출 조건을 원거리에서 교체할 수 있다.
셋째, 본 발명에 의한 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치는 다양한 스펙트럼 성분에 대한 동시 작업이 가능하도록 구성하여,
(1) 신체 조직의 영상을 관찰하고 기록하기 위해 넓은 대역의 조명을 사용 (예를 들어, 방사광의 색 온도를 변화시킴에 의해 백색 광에서 조명의 스펙트럼 성분을 변화시킴)할 수 있어, 검출기 특성, 신체 조직의 성질 및 연구 목적에 맞추어 최적의 방사 스펙트럼 성분을 선택할 수 있는 효과가 있다.
(2) 반사 광에서 신체 조직의 영상을 관찰 및 기록이 가능하고, 가시광선 및 근적외선 영역에서 동시에 형광 및 반사 광을 관찰할 수 있다.
(3) 다양한 파장의 방사에 의해 형광 여기의 가능성 및 수 개의 스펙트럼 채널에서 동시에 형광 방사를 검출할 수 있어, 수 개의 형광물질 각 자에 최적의 여기 조건을 제공하고 실시간으로 관찰 및 측정이 가능한 장점이 있다.
(4) 광역학치료 및 형광 진단을 동시에 수행할 수 있어, 광감작제의 동적인 축적에 대한 추적을 허용하고, 광감작제가 축적되는 국부 위치를 파악할 수 있으며, 치료 효과를 평가하고, 광역학치료 시술 동안에 직접적으로 형광 영상을 관찰할 수 있으므로, 광 조사를 하는 부위를 교정하고 표백 효과(bleaching effect)를 이용하여 광 조사를 종료하는 순간을 지정할 수 있는 효과가 있다.
(5) 동시에 형광/반사 검출을 시행 가능하므로, 실시간에 합성 영상을 형성할 수 있으므로, 신체 부위의 바이오화학(bio-chemistry) 또는 생리학상의 특징들에 관한 정보를 제공하는 형광 영상 및 그들의 형태학적인 면을 보여주는 반사광에서 영상을 동시에 제공할 수 있는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에서는 진단 및 치료하고자 하는 대상 조 직에 대하여, 다양한 스펙트럼 성분을 갖는 방사광을 대상 조직으로 조사할 수 있는 복합 광원 장치부와 대상 조직을 직접적으로 삼차원으로 육안으로 볼 수 있는 광 영상 장치부와 이러한 다양한 스펙트럼 영역에 대한 수 개의 스펙트럼 부분들을 동시에 영상화할 수 있는 다파장 영상 장치부를 포함하여 효과적인 광 검출 및 광역학 치료를 수행할 수 있는 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 구현예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치의 구성을 개략적으로 도시하고 있는 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치는 크게, 광 영상 장치부(Optical imaging system: 20), 복합 광원 장치부(Combined light source: 30), 다파장 영상 장치부(Multi-spectral imaging system: 40), 출력부(Computer system: 50)로 구성되며, 신체 조직에 해당하는 대상 조직(Object (tissue of body): 10)에 광을 조사하고 광 영상을 전기 신호로 변환 및 처리, 분석을 하고 모니터에서 영상을 구현하는 기능을 갖는다.
상기 광 영상 장치부(Optical imaging system: 20)는 복합 광원 장치부(30)와 함께 다양한 빛에서 대상 조직의 영상을 형성하여 육안 또는 다파장 디지털 비디오 시스템으로 보는 장치로서, 대상 조직의 구조적 특징에 따라 상기 광 영상 장치부(20)는 내시경, 수술용 현미경, 콜퍼스코프 또는 다른 의료 관찰 장비로 구성될 수 있다.
이러한 광 영상 장치부(20)의 구성과 관련하여, 내시경을 사용하는 경우, 다 파장 영상 장치부(40)는 어댑터의 도움으로 접안 렌즈에 고정될 수 있으며, 광 가이드(38)는 조준 광학기(Collimating optics: 39)없이 광 채널에 연결된다. 또한, 입체 현미경(stereo microscope)의 사용에서, 다 파장 영상 장치부(40)는 대물렌즈(Objective lens: 21)와 한 조의 가변 배율 광학기(Pair of variable power optical systems: 23) 사이에 위치한 이동 미러 (Movable mirror: 22)를 사용하여 광 경로에 들어 간다. 이러한 장치는 형광 영상을 기록을 위해 센서에 들어가는 광량을 증가시키는 중요한 역할을 하는 것으로서, 이동 미러(22)의 위치가 'a' 상태에서는 대상 조직의 입체적인 관찰이 이루어지므로, 도구(예: 생체 검사를 위한 집게)를 사용하여 작업 조정을 하는 경우 사용될 수 있으며, 이동 미러(22)의 위치가 'b' 상태에서는 또 다른 조건의 작업이 수행될 수 있다.
즉, 본 발명에서는 대물렌즈와 가변 배율 광학기 사이에 이동 미러를 배치시킴으로써, 상기 다파장 영상 장치부(40)로 들어가는 광신호(형광 및 반사광)가 가변 배율 광학기를 거치지 않음으로써 광의 손실을 줄일 수 있도록 구성된다.
본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에서, 복합 광원 장치부 (Combined light source: 30)는 여러 스펙트럼 성분(파장)을 갖는 방사광을 대상 조직에 조사하기 위해 제작되었으며, 형광 및 반사광에서 영상을 형성하며, 광역학 치료를 수행하기 위하여 구성된다.
상기 복합 광원 장치부(30)의 방사광의 스펙트럼 성분은 자외선, 가시광선 및 근적외선 스펙트럼의 범위에서 분포하며, 여러 스펙트럼 성분을 갖는 방사광을 대상 조직에 동시에 적용할 수 있다.
상기 복합 광원 장치부(Combined light source: 30)의 구체적인 구성은 첨부된 도 1 및 도 2에 상세하게 도시되어 있으며, 그 세부 구성들로써, 할로겐 램프(Halogen lamp: 31), 적외선 차폐 필터(InfraRed blocking filter: 32), 미러(Mirror: 33), 수은 램프(Mercury lamp: 34), 조명 필터 휠(Ex1, 35), 하나 또는 그 이상의 레이저(Ex2, 36), 광원 전원/제어부(Lighter power supply/control unit: 37), 광 가이드(Light guides: 38). 조준 광학기(collimating optics: 39), 제1감쇠기(Attenuator 1, 61)와 제2감쇠기(Attenuator 2, 62)를 포함한다.
본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치 중 상기 복합 광원 장치부(30)에서는 장파장 광원으로서 할로겐 램프를, 단파장 광원으로서 수은 램프를 포함하도록 구성한다. 또한, 상기 적외선 차폐 필터(InfraRed blocking filter: 32)는 대상 조직 및 광원 구성 부품들의 열 부하를 감소시키고, 또한 검출기의 근적외선 채널로 들어갈 수 있는 할로겐 램프(Halogen lamp: 31)의 방사 스펙트럼 성분을 제외시킨다. 간섭 필터인 핫 미러(Hot mirror)는 이러한 기능을 수행할 수 있다.
미러(33)는 상기 할로겐 램프(31)로부터 출발하는 광의 경로 방향을 변경시키어 광가이드(38)에 들어가게 할 수 있으며, 바람직하게는 상기 미러는 다이크로익(dichroic) 미러로 구성될 수 있다.
레이저(36)로 발생하는 레이저 빔은 광 가이드(38)에 직접 들어가거나 미러(63)를 통해 들어 간다. 이에 대하여, 상기 미러는 다이크로익 미러(dichroic mirror)로 구성하여, 수 개의 레이저들로부터 발생하는 레이저 빔들은 다이크로익 미러에 의하여 합쳐질 수 있다. 또한, 광가이드 끝 면에 레이저 빔을 조사시키기 위해 필요한 광 소자들이 상기 레이저(36)에 포함된다.
상기 광 가이드(38)는 큰 수광 각도(numerical aperture) 및 자외선(Ultra Violet: UV), 가시광선(VISible: VIS) 및 근적외선(Near Infrared Ray: NIR) 영역에서 높은 투과성을 가지며, 고열의 부하에서도 안정성을 갖는 액상 광 가이드(Liquid Light guides)이다.
상기 조명 필터 휠(35)은 수은 램프의 광 조사 경로에 설치되어 필터 휠(filter wheel_1) 형태로 작동된다. 상기 조명 필터 휠을 형성하는 필터 휠의 각 부분에는 여러 광학 소자(short pass filters and band pass filters, polarizer)가 설치될 수 있으며, 스펙트럼 및 편광 상태에 의해 램프의 발광을 조정하도록 구성된다. 상기 조명 필터 휠은 수은 램프(34)와 광 가이드(38) 사이에 위치하며, 할로겐 램프 및 레이저로부터 발생한 광의 경로를 간섭하지 않도록 구성된다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 수은 램프(34)로부터 발생하는 광량의 조정하기 위한 제1감쇠기(Attenuator 1: 61)와 광 가이드로 들어오는 총 광량을 조정하기 위한 제2감쇠기(Attenuator 2: 62)가 설치된다.
상기 광원 전원/제어부(Lighter power supply/control unit: 37)는 모든 광원 및 조명 필터 휠(35)에 전원 공급하고 이를 제어한다.
상기 광 가이드의 출구에 설치된 조준 광학기(Collimating optics: 39)는 시야(field of view)에 균일한 광 조사를 제공한다(도 1에 도시된 조명 지 역(Illuminated area: 11)). 이 때, 시야보다 더 좁은 영역에서의 광 조사를 위해 (예: 국부 영역의 광역학치료의 수행) 부속적인 광가이드 모듈(광 가이드와 조준 광학기로 구성, 미도시)이 설치될 수 있으며, 레이저 빔이 이를 통하여 조사되도록 구성한다.
그리고, 본 발명에 따른 광원 장비의 발광 스펙트럼 범위는 300부터 850 nm까지 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 있으므로, 광원 장비의 스펙트럼 성분은 실제 적용에 따른 요구에 의해 선택할 수 있으며, 장비 내에 설치된 각 광원에 전원 공급 및 수은 램프(34)의 광 경로에 정해진 필터를 삽입함에 따라 스펙트럼 성분이 정해 진다. 이 때, 편광에 의한 관찰을 수행하고자 하는 경우, 상기 광가이드(38)와 대상 조직(10) 사이에 편광자(12, Polarizer)를 설치할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치의 복합 광원 장치부(30)의 다양한 스펙트럼에 대한 방사광을 조사하는 실시예를 통하여 상기 복합 광원 장치부에 대한 실사용례를 살펴본다.
[실시예1-1]
본 발명에 따른 복합 광원 장치부는 백색광을 대상 조직에 조사하고 이에 따른 반사광 관찰을 위해서는 할로겐 램프(31) 및 수은 램프(34)를 동시에 사용하며. 조명 필터 휠(35)로서 400-700(750)nm 의 스펙트럼 범위를 갖는 광대역 필터(wideband filter)를 정한다. 대상 조직에 조사되는 광의 스펙트럼 성분은 제1감쇠기(Attenuator 1)를 사용하여 수은 램프(34) 와 할로겐 램프(31)로부터 발산되는 발광을 여러 비율로 혼합시킴에 의해 유연하게 변화시킬 수 있다. 이 경우에 상관 색온도(Correlated color temperature)는 3000-6000K에서 변한다. 이를 통해 얻어진 스펙트럼 곡선은 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 두 램프로부터의 광량이 서로 적절히 보완되었을 때 스펙트럼은 완만한 연속적인 곡선으로 나타난다.
상기 할로겐 램프는 콜포스코프 광원으로 넓게 보급되었으며, 메탈할라이드 및 LED 램프가 광원으로 대치될 수 있다. 한편, 본 복합 광원 공급부(30)에서 수은 및 할로겐 램프를 공동으로 사용하는 것은 각 광원의 고유의 색 온도(Color temperature)를 적당한 위치에 설정할 수 있도록 한다. 램프들로부터 발광하는 광량의 상호 관계를 변화시킴에 의해 반사광에서 대상 조직의 특성 및 수행 업무에 적합하도록 방사 광의 스펙트럼 성분을 변화시킬 수 있다. 특히, 이를 통해 여러 스펙트럼 특성에 영향을 받는 시지각(visual perception) 또는 텔레비전 기록을 위한 특수성에 적합하도록 한다. 따라서, 본 발명에 따른 복합 광원 장치부(30)는 최적으로 반사광에서 다파장 분석을 수행할 수 있도록 한다.
[실시예1-2]
NADH 및 플라빈(Flavin)의 고유 형광의 여기
이러한 형광 물질들을 최적으로 여기시키기 위해서는 여기광들 중에 하나는 자외선 영역에 위치하며 다른 하나는 가시광 스펙트럼 영역의 단파장 부분에 위치 해야 한다. 조명 필터 휠(35)에 대역 통과 필터 [band pass filter 340±13nm (Ex1)]를 갖는 수은 램프(34)와 Laser [405nm (Ex2)]가 여기 광원으로 위와 같은 조건을 만족시킨다. 두 형광 물질의 흡수 파장 대역은 서로 상당히 차이가 나고, 지정된 여기 광원의 여기 파장은 각자 이러한 흡수 파장 스펙트럼 영역에 놓인다(도 4). 이 때, 두 형광 물질의 형광 방사 스펙트럼은 서로 다르며(도 7), 단일한 컬러 검출기를 가지고 두 형광 물질의 형광을 기록할 수 있다.(후술할 [실시예 2-1] 참조.)
[실시예1-3]
플라빈(Flavin) 및 PPIX 고유 형광 여기
위의 형광 물질들의 광 흡수 파장대가 400 nm 근처에서 겹쳐지므로 동일한 파장에서 여기시킬 수 있으나, 이 경우 여기 광의 투과 깊이는 크지 않다. 만일 포르피린 PpIX(Protoporphyrin IX)의 흡수 광 스펙트럼의 장파장 쪽에서 여기를 시킨다면 여기 광의 투과 깊이는 증가되며, 이것은 조직의 깊은 곳에 위치한 종양을 밝혀내는데 있어 매우 중요하다.
도 5는 위에서 언급된 형광 물질들의 흡수 스펙트럼과 두 여기 광원들의 스펙트럼을 보여주고 있다. 플라빈 및 PpIX 형광 기록을 위한 여기 조건과 관련하여, 실험에 사용된 여기 광원은 대역 통과 필터 [Illumination band pass filter 35, Ex1= 455±15nm]를 갖는 수은 램프(34)와 레이저(36) [635 nm (Ex2)]가 사용되었 다. 두 광원의 출력을 독립적으로 조정할 수 있으므로 두 개의 형광 물질들로부터 발생하는 신호의 강도를 적절히 조정할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치는 가시 광 스펙트럼 및 근적외선 스펙트럼 영역의 수 개의 스펙트럼 부분들에서 동시에 디지털 비디오 영상 형성을 할 수 있게 하도록 다파장 영상 장치부(Multi-spectral imaging system: 40)를 포함한다. 상기 다파장 영상 장치부(40)는 대물렌즈(Objective lens: 41), 이동식 검출 필터 (Movable Detector filter: (Em1), 42), 이동 가능한 광경로 분할 매체(Movable optical path split means: 43), 적외선 차폐 필터(44), 컬러 이미지 센서(45), 원 빨강-근적외선(Far Red-Near Infrared (FR-NIR)) 필터((Em2), 46), 단색 이미지 센서(47), 이미지 프로세서 제어 유닛(Image processor-controller unit: 48), 구동 유닛(Driving unit: 49)를 포함하여 이루어진다.
상기 다파장 영상 장치부(40)는 두 개의 광 경로인 제1광 경로와 제2광 경로를 포함하며, 다이크로익 미러와 같은 이동 광 경로 분할 매체(Movable optical path split means: 43)에 의해 검출기로 들어오는 입사 광이 두 개로 분할되어 지도록 구성된다. 이러한 분할 수단은 구동 유닛(49)의 스위치에 의해 두 불연속적인 위치인 'a' 또는 'b'에 위치할 수 있다.
상기 대물렌즈(41)는 상기 다파장 영상 장치부에서 광 경로 분할 수단의 앞에 위치하여 상기 컬러 이미지 센서 및 상기 단색 이미지 센서의 두 광학 경로에 대해 동시에 투사되는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 대물렌즈는 광량 및 심도 조정을 위해 구경 조리개를 포함할 수 있으며, 대상 조직의 미세한 초점을 위해 초점 기구를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다파장 영상 장치부(40)의 비디오 시스템은 전기 및 기하학적 매개 변수에 있어 동일한 2개의 칩(컬러 이미지 센서(45) 및 단색 이미지 센서(47)으로 구성된다. 상기 2개의 칩들은 CCD, EMCCD, CMOS 기술에 의해 제조될 수 있으며, 프로그레시브 스캔(Progressive scan) 또는 인터레이시드 스캔(Interlaced scan) 방식일 수 있다.
상기 컬러 이미지 센서(45)의 감광 면에는 RGB 모델 기반에 컬러 코드를 갖는 광 필터 마스크가 놓여 졌다. 다른 컬러 모델, 예를 들어, CMYG의 적용하는 경우에 출력부(50)는 RGB 컬러 코드로 전환을 한다. 따라서, 두 개의 광 경로에서 첫 번째 광 경로에는 결과적으로 세 개의 컬러 채널 EmR, EmG, EmB 이 형성되며, 이 들의 스펙트럼 특성은 R, G, B 마스크 필터들의 공동 영향 및 이동식 검출 필터((Em1), 42) 및 적외선 차폐 필터(44)에 의해 결정된다(구체적인 시스템에서 마지막 필터는 없을 수 있다.). 네 번째 채널[Em(FR-NIR)]의 스펙트럼 감도는 단색 이미지 센서(47) 앞에 놓여져 스펙트럼을 선택하는 다음 소자(원 빨강 -근적외선 필터((Em2), 46), 이동식 검출 필터((Em1), 42)와 이동 광경로 분할 매체(43)인 다이크로익 미러들에 의해 결정된다. 대부분의 경우, 상기 다이크로익 미러(dichroic mirror)의 가장자리(edge)는 가시광과 약 700 nm의 파장의 근적외선 스펙트럼의 경계에 위치하나, 보다 장 파장 또는 단 파장 쪽으로 옮겨질 수도 있다. 이와 같이 다파장 영상 장치부(40)는 동시에 네 번째 스펙트럼 부분에서 영상을 받아들일 수 있으며, 이는 도 6에서 잘 도시되어 있다. 스펙트럼 채널 EmR 및 Em(FR-NIR)이 교차된다면 대응되는 광 신호는 두 채널에 동시에 들어 간다. 이에 따른 두 채널의 각 전기 신호 값은 광 신호 값뿐만 아니라 또한 두 채널에 있는 각 센서들의 감도 차이에도 의존한다. 이러한 교차 잡음의 축소를 위해 다이크로익 미러(43), 적외선 차폐 필터(44), 원 빨강 -근적외선 필터(46)에서 적절한 스펙트럼 특성을 갖는 소자들을 선택하는 것이 필수적이다.
상기, 이동식 검출 필터((Em1), 42)는 다파장 영상 장치부(40)에서 필터 휠(filter wheel_2) 형태로 구성되며, 이러한 형상에서 분리된 각 부분(sector)들에는 여러 가지의 차폐 필터(barrier filter:(Long pass, Notch)) 및 검광자(analyzer), 편광자(polarizer) 등이 설치될 수 있다. 상기 이동식 검출 필터((Em1), 42)는 대물렌즈(41)의 앞 또는 뒤에 설치될 수 있으며, 상기 이동식 검출 필터((Em1), 42)가 두 광 경로의 광 채널들 모두를 위한 선택된 소자이고, 검출 센서들의 표면으로부터 멀리 배치되어 있기 때문에 그것의 스위칭(필터들의 전환 등)은 기술적으로 어렵지 않다. 상기 조명 필터 휠((Ex1), 35)과 함께 이동식 검출 필터((Em1), 42)의 특성 변화는 전체적인 장비의 작업 조건을 능률적으로 변화시킨다. 상기 이동식 검출 필터 ((Em1), 42)의 작업 역할은 다음과 같다.
a) 형광 진단 및 광역학치료에 있어서, 수은 램프의 작동시 롱 패스 필터 (Long pass filter) 또는 대역 통과 필터(Band-pass filter)와 레이저 작동시 노치 필터(Notch filter)를 사용하여, 여기광 및 자외선(actinic ray)을 차폐한다.
b) 반사 편광에서, 검광자(analyzer)를 사용하여 편광된 발광 성분을 차폐한다.
c) 반사 컬러 광 조건에서, 백색광으로부터 관찰 화상의 명암 향상을 위해 필수적인 반사 발광 스펙트럼 성분을 분리시킨다(예: green filter).
또한, 상기 이미지 프로세서-제어 유닛(48)은 단색 및 컬러 이미지 센서(Monochrome and Color image sensors), 구동부(49) 및 필터 휠(Filter wheel_2)을 제어하며, 또한 양 센서로부터 발생한 아날로그 비디오 신호를 하나의 디지털 신호로 전환시킨다. 양 방향 저속 시리얼 버스(Bi-directional high speed serial bus: 53)에 의해 이러한 신호는 출력부(50)에 있는 프로세서(51)로 들어 간다. 이 외에 이러한 채널에 의해 제어 신호가 출입 한다. 상기 양 방향 저속 시리얼 버스(53)는 프로토콜 파이어 와이어(Fire wire), USB, Wi-Fi 등에 의해 작동될 수 있다.
또한, 출력부(50)는 프로세서(51) 및 모니터(52) 관련 소프트웨어를 포함한다. 이것은 멀티 스펙트럼 영상 시스템으로부터 들어 오는 비디오 데이터의 수집, 저장, 영상 처리 및 분석과 모니터에서 비디오 영상을 보기 위해 필요하다. 분석 작업은 멀티스펙트럼 정보를 기반으로 하여 신체 조직의 이상장해 부위들을 자동적으로 확인하는 기능을 포함한다. 이외에 상기 출력부(50)는 양방향 고속 및 저속 시리얼 버스(Bi-directional high and low speed serial bus: 53, 54)에 의해 비디 오 신호 접수 및 장비의 모든 모듈들의 제어를 수행하도록 구성된다.
이상에서 살펴본 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 대한 바람직한 일구현예로서, 본 발명에 의한 광 진단 및 광역학치료를 위한 디지털 멀티-스펙트럼 비디오 콜포스코프 장치(Apparatus “Digital multi-spectral video colposcope for photo diagnoses and photodynamic therapy)는 입체 모드(Stereo mode, (입체현미경과 함께하는 경우)), 반사 모드(Reflectance mode), 편광 반사 모드(Polarization reflectance mode), 형광 검출 모드(Fluorescent detection mode), 광역학 치료-형광 검출 모드(Photodynamic therapy - fluorescent detection mode), 형광-반사 검출 모드(Fluorescent - reflectance detection mode)와 같이 다양한 동작 모드로 구현될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 바람직한 일구현예에 의하는 경우, 상술한 바와 같은 다양한 동작 모드(Mode of operation)를 사용하여 진단과 치료를 위한 여러 방법들을 실현시킬 수 있다. 이들 중 수 개의 모드는 널리 알려져 있으며 다른 장비들에서 일부 적용되었다.
그러나 일부 모드만을 한정된 실시 조건에서만 수행 가능한 타 장비와 달리 본 발명에서는 여러 파장을 가진 수 개의 광원들에 의해 대상 조직의 광 조사 및 동시에 수 개의 스펙트럼 채널을 갖는 발광을 검출할 수 있도록 구성하여, 위에 지정한 동작 모드들의 조건들을 모두 만족시키며 동작할 수 있다. 이하, 지정된 모드들을 실현시키기 위해 정해진 사양 요구 조건들과 방법들을 아래에서 구체적으로 기술하도록 한다.
1. 입체 관찰(Stereo viewing)
콜포스코프(colposcope)에서 입체 관찰은 시각적 관찰을 위한 기존 방법이며, 진단 목적 및 다양한 조작을 위한 제어 수단으로 이용된다. 조직 상태의 진단에서 중요 정보들은 상피의 컬러 색조에 포함되어 있으며, 입체 관찰은 단순한 콜포스코프뿐만 아니라 조직이 특수한 약물(a solution of acetic acid, Lugol 요오드로 경관 염색 - Schiller test) 또는 염색 용액(hematoxylin, methylene violet등) 에 의해 처리되었을 때 확장된 콜포스코프에서도 사용된다.
입체 관찰을 통해 장비의 3차원 위치 제어가 허용되며, 조직 대상에 정확히 작용하기 위하여 입체 관찰은 중요하다.(예로써 조직 생검을 들 수 있다.)
이러한 입체 관찰은 입체 현미경(Stereo Microscope)이 광 영상 장치부(Optical imaging system: 20)로 사용되는 경우에 적용될 수 있으며, 이는 쌍안 현미경을 통하여 시각적으로 수행된다. 이 경우, 미러(22)는 'a' 위치에 놓인다. 또한, 복합 광원 장치부(30)에서는 두 개의 램프(할로겐 및 수은 램프)가 참여한다. 상기 조명 필터 휠((Ex1),35)와 관련하여, 400~700 nm의 총 방사(total radiation)의 스펙트럼 성분은 램프들로부터 발광하는 광량의 상호 관계에 의존한다. 이는 제1감쇠기(Attenuator 1)를 사용하여 수은 램프의 발광의 광량을 0에서 100 % 범위까지 조절함으로써 조정할 수 있다.
상기 입체 관찰은 수은 및 할로겐 램프의 조명의 상호 관계에 의한 조정으로 작업 부위의 조명 스펙트럼 성분을 대낮의 광에 근접한 시지각(visual perception) 을 위해 최적화되도록 설치되었으며, 또한 구체적인 작업자의 시각 인지도의 특성에 맞도록 색깔이 채택되었다. 따라서, 조명의 주의 깊은 선택은 작업 시에 눈의 압박을 감소시키며 생체 조직의 보다 더 미세한 색깔 변화를 관찰할 수 있게 해 준다.
2. 백색광 반사(White light reflectance)
백색광 반사는 앞선 입체 관찰과 유사하나 차이점은 자연스러운 색상에서 대상 조직을 입체 효과 없이 모니터 화상에서 관찰하는 것이다. 따라서 백색 반사광은 임의의 광 이미지 시스템(Optical imaging system)을 통해서 관찰할 수 있다.
이 경우, 상기 미러(22)는 'b'의 위치에 놓이며, 광원은 상술한 입체 관찰의 경우와 동일한 조건으로 구성된다. 이에 따라, 백색광 반사 모드에서는 비디오 관찰에서 최적의 조명 스펙트럼 성분은 시지각(visual perception)에서의 성분과는 확실히 차이가 존재하며, 광원의 스펙트럼 성분을 변화시켜 발광 스펙트럼을 컬러 센서의 특성에 적합하도록 할 수 있다.
3. 편광 반사(Polarized reflectance)
편광 반사는 교차 편광자에 의해 거울 반사 광의 성분을 억제하고, 확산 반사 광에서 영상을 획득하도록 한다(Cross polarized elastic light scattering images under broad-band illumination).
따라서, 편광 반사는 백색광 반사와 차이가 있으며, 광섬유와 대상 조직 사 이에 편광자(12)가 설치되며, 상기 편광자와 함께 교차 검광자가 이동식 검출 필터(42)에 사용되었다. 광원으로는 할로겐 램프, 수은 램프, 레이저 등이 여러 조합에서 사용되며, 조명의 스펙트럼 성질은 선택된 방사 광원, 조명 필터 휠((Ex1), 35) 및 이동식 검출 필터(Em1), 42)에 의존한다.
이러한 편광 반사의 가장 큰 특징은 가시광 및 근적외선 스펙트럼 영역에서 동시에 영상 기록이 가능한 것이다. 즉, 편광 반사 시에는 가시광 및 근적외선 영역에서 동시에 영상 기록은 다파장 영상장치의 사용에 의해 가능하다. 이것은 종래기술인 미국 등록 특허 제6,766,184호(컬러 카메라 : 가시광) 및 미국 공개 특허제2008-051664호(흑백 카메라 : 근적외선)에 비하여, 편광 방법에 의한 진단 가능성을 확장시킨다. 이에 대한 예로써, 2개의 영상의 기록에서, 첫번째 650~700 nm 영역 및 두번째 800 nm 근처, 연구되는 생체 조직의 각 부위에서 산소포화도를 평가할 수 있다(Detection of tissue oxygenation in RED/NIR region).
4. 형광 검출(Fluorescence detection)
형광 검출은 하나 또는 수 개의 파장들에서 획득된 형광 영상에 의한 진단 수행을 위해 준비되었다. 따라서, 형광 검출은 하나 또는 두 개의 파장을 가진 여기 방사 광을 생체 조직에 조사함에 의해 실현될 수 있다.(Ex1: (수은 램프) 또는 Ex2: (레이저)) 또한, 하나 또는 두 개의 광 채널에서 방사(emission)를 기록할 수 있다(Em1: (컬러 이미지 센서) 또는 Em2: (단색 이미지 센서))
그러므로, 여러 파장들을 가진 방사 광에 의한 형광 여기 및 동시에 수 개의 스펙트럼 채널들에서 형광 검출을 수행함으로 인해, 실시간으로 형광 물질들 각자의 최적의 여기 조건에서 수 개의 형광 물질들의 성분을 관찰하고 측정할 수 있다.
[실시예2-1]
NADH 및 플라빈(Flavin) 자동 형광(autofluorescence) 검출
호흡색소(respiratory pigment)인 NADH 및 플라빈(Flavin)의 형광 특성은 생체 조직의 악성화(malignization) 과정에서 변하는 것으로 알려져 있다. 제안된 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에 의하는 경우, NADH 및 플라빈을 최적의 여기 조건에서 동시에 형광 기록이 가능하다. 이 경우, NADH 및 플라빈의 여기 조건은 [실시예1-2]에서 제시된(Ex1 : 340nm, Ex2 : 405nm)와 같으나, 도 7에 도시되는 바와 같이, 형광 기록은 컬러 이미지 센서의 B 및 G 채널에 의해 검출이 이루어진다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, B와 G 채널의 스펙트럼 곡선이 지적된 형광 물질들의 형광 방출 스펙트럼과 유사하므로, 컬러 이미지 센서의 채널 B에서 NADH 형광 기록을 주로 하고, 채널 G에서는 플라빈의 형광을 주로 기록할 수 있다(B 채널 :470nm 중심, G 채널 : 550nm 중심). 여기서, 대상 조직으로부터 반사된 여기 방사광을 줄이기 위해 이동식 검출 필터로 차폐 필터(Barrier filter : 415nm)를 사용하였다. NADH 및 플라빈으로부터 발생하는 형광을 동시에 기록하는 것은 순차적 기록과 비교하여 노출 사이에 대상의 움직임에 의해 초래되는 영상의 번짐을 제거하며, 더 신속히 측정 과정을 수행할 수 있도록 한다.
[실시예2-2]
포르피린(Porphyrin) 및 비포르피린(Non-Porphyrin) 자동 형광 검출
내생적인(endogenous) 포르피린은 생체 조직의 기능 과정에서 주요한 역할을 하며, 그 것의 기능적 상태의 변화 및 병리학적인 과정에서 그들의 농도는 크게 변화될 수 있다. 포르피린 교환의 교란은 ALA 약제의 투입에 의해 발생하는데, ALA 약제가 포르피린의 형태로 헴의 합성 과정에 참여함으로써 포르피린( Protoporphyrin IX (PpIX ))의 농도는 중복되어 증가되며 이를 통해 포르피린으로부터 발생하는 형광을 쉽게 기록할 수 있다. 약제 ALA의 사용을 통한 형광 진단은 여러 국부의 악성 종양을 포함하여 일련의 질병을 드러내게 하는 널리 알려진 방법이다. 이와 같은 포르피린의 주요 흡수 파장대는 400 nm근방이며, 이러한 파장에서 생체 조직에 광조사를 하게되면, 포르피린과 함께 포르피린 이외에 고유 형광이 발생한다(Non-Porphyrins autofluorescence (AF)). 이것은 포르피린의 광흡수 파장대에 인접하여 위치한 형광물질들, 무엇보다도 플라빈(Flavins)으로부터 발생한다. 비-포르피린 고유 형광(Non-Porphyrins AF)의 밝은 바탕에 내생적인 포르피린의 약한 고유 형광이 보여지지 않을 수 있으므로, 병리학적 과정의 초기 단계에서 부조(disorder)를 관찰할 가능성을 제한하며 외부에서 ALA 약제를 사용하여 형광을 발생시키는 포르피린의 양을 증가시킬 필요성을 갖게 한다(ALA-induced protoporphyrin IX fluorescence). ALA 약제를 인체에 투입하는 경우의 단점은 약 제를 투입 순간부터 질병을 검사하는 과정까지 상당한 시간이 소요되므로, 암 등의 질병 진단을 위한 스크리닝 작업에 상당한 제약이 따르게 된다.
따라서, ALA약제를 외부에서 투입하지 않고 진단을 수행하기 위해서는 다음을 고려해야 한다.
a) 플라빈에 광 흡수되지 않는 스펙트럼 영역에서 포르피린의 형광 여기
b) 플라빈의 형광 스펙트럼과 포르피린의 형광 스펙트럼이 최소로 중복되는 지점에서의 포르피린 형광 검출
c) 형광물질들로부터 신호들을 거의 동등하게 하기 위해 멀티스펙트럼 이미지시스템의 검출기의 감도를 독립적으로 변화시키는 가능성
d) 형광물질들로부터 신호들을 거의 동등하게 하기 위해 포르피린과 비-포르피린, 무엇보다도 플라빈의 형광 여기광의 강도를 변화시키는 가능성
위의 고려 사항 중에 a)의 해결은 [실시예 1-3]에서 언급되었다. 여기서 플라빈의 여기를 위해 필터 Ex1에서는 455 nm의 수은 램프가 사용되었으며, 포르피린(Porphyrins)의 여기를 위해 Ex2에서는 635 nm의 파장을 갖는 레이저 광원을 사용했다(도 5 참조). 상술한 d)에 대한 해결은 Ex1의 수은 램프의 여기광 출력을 제 1 감쇠기(61)에 의해 조정함에 의해 가능하다. 상술한 b) 및 c)에 대한 해결은 다파장 영상 장치부를 통하여 형광물질들의 형광을 검출하고 기록함에 의해 해결된다. 이러한 형광 기록을 위한 스펙트럼 조건은 도 8에 나타나 있다.
생체 조직으로부터 반사되는 방사의 차폐를 하는 경우, 상기 필터 Ex1 및 필터 Ex2는 차폐 필터(Barrier filter : 500nm) 및 노치 필터(Notch filter 635 nm)와 함께 작동하며, 상기 두 필터들은 함께 이동식 검출 필터(42, Detection filters_1 (Em1))의 기능 역할을 한다. 이 경우에 다이크로익 미러(43, Dichroic mirror)의 에지(edge) 값은 635 nm를 약간 넘어야 한다(본 실시예에서는 640 nm). 상기 다이크로익 미러에 의해 PpIX 형광은 플라빈의 형광과 분리된다. 또한 이러한 PpIX 방사 형광은 원 빨강-근적외선(FR&NIR) 채널에 설치된 검출 필터(46, Detection filters_2 (Em2))에 의해 부가적인 파장(700nm 중심) 선택이 이루어진다. 이러한 투과 대역 필터는 단색 이미지 센서(47)에 PpIX 으로부터 발생하는 형광을 전달하며, 노치 필터(Notch filter : 635 nm)와 함께 여기 레이저 광을 약화시킨다(An additional band-pass filter was used in the fluorescence channel to reject the residual excitation light).
G 컬러 이미지 센서 스펙트럼 채널에서 플라빈에 의해 형성된 영상은 단색이미지 센서 채널과 비교하여 신호/잡음 비가 더 좋다. 모든 세포에 플라빈이 존재하기 때문에 이 들에 의해 형성된 <녹색 영상>은 PpIX 로부터 형성된 <빨간 영상> 보다 전체적으로 균일하게 보여 진다. 따라서 <녹색 영상>은 대상 조직까지의 거리의 영향에 대한 PpIX 형광 신호 값의 보정 및 또한 PpIX 의 위치의 해부학적인 정보(anatomic identification)를 제공하기 위해 사용할 수 있는 기준(reference) 기능을 수행할 수 있다.
이와 같이 여기 조건 및 형광 기록의 최적화가 이루어 지며, 또한 G 컬러 이 미지 센서에 비해 보다 고감도인 단색 이미지 센서의 채널에서 내생적인 포르피린의 작은 양의 관찰이 용이하게 된다. 반면에, 기존 장비들의 경우는 생체 조직의 보다 더 강한 고유 형광이 PpIX 의 약한 형광 신호를 검출하는데 방해가 된다. 내생적으로 발생하는 PpIX 의 작은 형광을 영상으로 나타낼 수 있음으로 ALA약제와 같은 형광물질을 외부로부터 투입함이 없이 질병 진단(non-ALA fluorescent diagnoses)이 가능하며, 이를 통해 질병 진단을 위한 집단 검진(screening)을 할 수 있게 된다.
5. 광역학 치료 및 형광 검출
이 과정은 광역학 치료[Photo dynamic therapy (PDT)]에 관련되며, 정해진 파장을 방사하는 광감작제[photosensitizer (PS)]를 생체 조직 안에 미리 투여한 후 생체 조직에 광을 조사함에 의해 수행되었다. 이러한 광 조사에 의해 광감작제의 대부분에서 형광 방사가 발생하므로 이러한 형광 검출은 광역학치료의 최적화 및 모니터링을 위해 사용될 수 있다. 이러한 것은 광감작제의 동적인 축적(kinetic accumulation)에 대한 추적, 광감작제가 축적되는 국소 지역의 위치 판명, 광역학치료의 효과 평가 등과 같이 여러 방법에 의해 가능하다.
본 발명에 따르면, 광역학 치료의 시술 동안에 직접적으로 형광 검출을 함으로써 광조사 부위의 교정 및 광조사를 마치는 순간을 결정할 수 있다. 이 중 광조사를 마치는 순간을 결정하는 기능(dosimetry)은 광감작제의 광표백 작용 (photobleaching)을 이용한 것이다. 상기 광감작제의 형광은 흔히 국부적(local)인 특성을 갖기 때문에, 그 형광 관찰을 위해서는 대상 조직 전체에 걸쳐 나타낼 수 있는 기준 영상(referent image)이 필수적이며, 상기 기준 영상(referent image)은 측정시 대상 조직까지 거리의 변화에 따른 데이터의 교정을 위해 사용될 수 있다.
생체 조직의 표면에 조명과 영상 형성은 여러 방법들에 의해 수행될 수 있는 데, 이 들 중 하나는 [실시예2-2]에서 기술한 것으로 관찰 및 기준 형광 영상(main and referent fluorescent images)이 다른 광원과 다른 검출기에 의해 형성될 때의 조건에 해당한다. 이와 다른 방법으로는 후술할 [실시예3-1]에서 기술된 것으로, 영상들은 하나의 광원과 하나의 검출기에 의해 형성된다. 또한, 후술할 [실시예4-1]에서 기술된 세 번째 방법은 첫 번째 및 두 번째와는 달리 기준 영상(referent image)으로 반사광 영상(Reflectance image)을 사용하도록 한다. 위와 같은 방법들은 광 조사 동안에 대상 조직의 관찰을 가능하게 해주며, 실시간으로 광감작제에 의해 초래된 대상 조직의 형광 밝기를 평가할 수 있게 한다. 측정된 형광 밝기가 한 화면(shot) 안에 광감작제가 차지한 면적에 의존하지 않기 위해 한 화면 내에 밝기의 분포를 표시하는 히스토그램의 계산이 수행되었으며, 이를 기반으로 가장 밝은 부분이 평가되었다.
주어진 과정은 일정한 제어 하에서, 광 조사 과정을 유지시키며, 필요하다면 광 조사 부위를 교정한다. 또한, 광표백작용(photobleaching)이 정해진 정도에 도달하면 광 조사를 멈추게 되어, 광역학치료 과정의 수행 효과가 올라 간다.
[실시예3-1]
ALA가 유도한 PPIX를 가지고 형광 진단 및 광역학치료
생체 조직 안에서 ALA (aminolevulinic acid)는 PpIX (protoporphyrin)으로 변화되기 때문에 광 조사 및 형광 검출 광학 (illumination and detection optics)은 원리상 실시예[2-2]와 동일하다. 본 예에서는 Soret band(포르피린의 주요 흡수대가 대략 400 nm)내에 있는 단파장(short wavelength)의 광 조사의 경우를 살펴 본다. 이 경우에는 수은 램프을 가지고 실행할 수 있으며, 단파장의 광 조사는 생체 조직의 표면 층 근처가 손상될 때 사용된다. ALA를 사용하는 경우에 생체 조직 안에 PpIX 의 농도는 내생적으로 생성되는 농도에 비해 상당히 초과되고, 이것은 단색 이미지 센서와 비교하여 낮은 감도를 갖는 컬러 이미지 센서에서도 형광 기록을 가능케 한다. 이러한 광 조사의 광 스펙트럼 및 기록 조건은 도 9에 도시되어 있다.
Ex1 (406 nm) 광원은 동시에 광역학치료 작용 수행, 고유 형광 방사를 발생, ALA 유도 PpIX (ALA-induced PpIX)에 광조사를 하여 형광을 여기시키는 것과 같은 수 개의 기능을 수행한다. 고유 형광은 컬러 이미지 센서에서 G 채널에서 기록되며, ALA 유도 PpIX (ALA-induced PpIX) 형광은 컬러 이미지 센서에서 R 채널에서 기록된다. 광 조사 과정 중에 R 채널에 형광의 밝기는 변하며, 초기 시작 값에서 정해진 값까지 형광 밝기가 감소하면 광 조사를 멈춘다. ALA 유도 PpIX 에 의한 빨간 형광이 증가함에 따라 질환의 존재를 판단할 수 있을 때, ALA 형광 진단(ALA Fluorescence Diagnoses)에서 유사한 조명 및 기록 조건을 사용할 수 있다.
6. 형광/반사 검출
이러한 과정은 반사광 영상과 동시에 형광 영상을 획득할 수 있게 하는 것으로, 진단 목적을 위해 반사광 영상(Reflectance Image)은 형광 영상(Fluorescence Image)과 함께 사용할 수 있으며, 기준 영상(Reference image) 기능 역할도 할 수 있다. 형광의 여기 및 반사광의 스펙트럼 영역은 일치할 수 있으며, 또한, 서로 다를 수도 있다. 형광 및 반사 백색 광에서 동시에 관찰을 위한 장비의 사용 가능성은 예로써 근적외선 스펙트럼 영역에서 형광 혈관 촬영(angiography)의 예에서 보여질 수 있다.
[실시예4-1]
인도사이아닌그린(ICG)을 사용한 형광 혈관 촬영
형광 혈관 촬영 (Fluorescence angiography)은 안과에서 환자의 눈 속의 혈관 검사 수단으로 널리 알려진 방법으로서, 최근 정형외과 등 다양한 분야에서 적용되고 있다. 형광 조영제로서 플루오레세인(Fluorescein) 및 인도사이아닌그린 (Indocyanine Green (ICG))이 사용되며, 이것들은 혈액 흐름을 추적하기 위해 혈액 순환 조직에 들어 간다. 상기 인도사이아닌그린(ICG)의 특징은 근적외선 영역에서 형광을 방사하며 밝은 방에서 검사를 할 수 있다.
한편, 인도사이아닌그린(ICG) 조영제를 사용한 형광 촬영(Fluorescence angiography)을 목적으로 Novadaq Technologies Inc (http://www.novadaq.com) 회사는 SPY Imaging System이라는 특수 장비를 생산한다. 이 장비는 단지 ICG 형광 비디오 영상만을 제공할 수 있다. 이 경우 반사 백색광에서 비디오 관찰 기록과 형광 기록이 동시에 이루어질 수 없으므로 두 영상을 한 영상으로 합치는 것이 어렵다.
본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에서는 두 영상이 동시에 결합된 형태로 획득하는 작업을 수행할 수 있으며, 이를 위한 조명 및 기록의 스펙트럼 조건이 첨부된 도 10에 도시되고 있다. 여기서, 대상 조직은 수 개의 방사광원에 의해 동시에 광 조사된다.(수은+할로겐 램프(Ex1 = 400-750nm)는 백색 광원으로 반사광에서 일반 영상 획득을 위한 역할을 하며, 레이저 780(Ex2 = 780 nm)은 인도사이아닌그린 (ICG)의 형광 여기를 위해 준비된다. 또한, 790 nm이상의 장파장을 가진 근적외선 여기 방사에서는 수술실 외과 램프(operating room surgical lamps)들이 백색 광원의 역할을 할 수 있다. 반사 백색광을 감지하는 컬러 이미지 센서는 R, G, B 채널에 의해 우수한(high grade) 컬러 영상을 만들며, 인도사이아닌그린 (ICG)의 형광은 단색 이미지 센서의 근적외선 채널 (Em2 : 815 nm)에 의해 단색 영상을 만든다. 이러한 예에서 검출 필터(Em1)는 사용되지 않는다. 생체 조직으로부터 반사되는 필터 Ex1 및 필터 Ex2 방사 광의 차폐는 근적외선의 채널에서 에지(Edge) 790 nm를 갖는 다이크로익 미러(Dichroic mirror) 및 검출 필터(Em2)(815±15nm)에 의해 수행된다. 위의 조건에 의해 반사 백색광 영상 및 혈관에서 인도사이아닌그린에 의한 형광 영상은 동시에 형성된다. 이 영상들은 서로 겹 치어 모니터 스크린에 단일 컬러 영상의 형태로 나타난다. 백색광에 의해 형성된 화면은 기준 이미지(reference image) 기능을 수행한다: 이 것에 의해 생체 조직의 형태학적인 성분들에 대해 혈관의 위치가 결정되며, 자동 초점이 수행된다. 주어진 과정 조건은 형광 혈관 촬영 수단뿐만 아니라 근적외선 형광물질(NIR photosensitizers)을 사용하는 임의의 광역학치료에도 적용될 수 있다.
상술한 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 통하여, 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치는 대상 조직에 대한 다양하고 복합적인 스펙트럼 성분의 영상을 재생할 수 있는 진단 및 치료 장치를 제공함을 알 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시 예들을 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 복합 광원 장치부의 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 복합 광원 장치부에서 정규화된 가시광선 스펙트럼 곡선.
도 4는 본 발명에 따른 복합 광원 장치부에서 형광 물질(fluorophors)인 NADH 및 플라빈(Flavin)의 흡수 스펙트럼 및 대역 통과 필터[band pass filter 340±13nm]를 갖는 수은 램프와 레이저(405nm)의 여기 스펙트럼 곡선.
도 5는 본 발명에 따른 복합 광원 장치부에서 플라빈(Flavin) 및 PpIX 의 여기 스펙트럼과 455±15 nm의 대역 필터를 가진 수은 램프 및 635 nm의 레이저 스펙트럼 곡선.
도 6은 본 발명에 따른 다 파장 영상 장치부에서 각 채널의 특성 스펙트럼 곡선.
도 7은 본 발명에 따른 다 파장 영상 장치부에서 NADH 및 플라빈 형광 스펙트럼과 B와 G 채널의 스펙트럼 곡선.
도 8은 본 발명에 따른 다 파장 영상 장치부에서 플라빈 및 PpIX 의 형광 스펙트럼 및 G 및 원 빨강-근적외선 (FR&NIR) 채널의 투과 스펙트럼 곡선.
도 9는 본 발명에 따른 다 파장 영상 장치부에서 파란 광에 의한 ALA 유도PpIX 형광 검출 및 광역학 치료를 위한 스펙트럼 곡선.
도 10은 본 발명에 따른 다 파장 영상 장치부에서 인도사이아닌그린에 의한 형광 혈관 촬영을 위한 스펙트럼 곡선.
< 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명 >
10: 대상 조직 20: 광 영상 장치부
22: 이동 미러 23: 가변 배율 광학계
30: 복합 광원 장치부 31: 할로겐 램프
32: 적외선 차폐 필터 33: 미러
34: 수은 램프 35: 조명 필터 휠
36: 레이저 38: 광 가이드
39: 조준 광학기 40: 다파장 영상 장치부
42: 이동식 검출 필터 43: 이동 광 경로 분할 매체
44: 적외선 차폐 필터 45: 컬러 이미지 센서
46: 원 빨강-근적외선 필터 47: 단색 이미지 센서
50: 출력부

Claims (40)

  1. 광역학 치료 및 광 검출을 위한 장치에 있어서,
    대상 조직의 영상을 형성하여 육안 또는 영상 장치로 전송하는 광 영상 장치부와;
    복수개의 코우히어런트(coherent) 및 비코우히어런트(non-coherent) 광원과, 상기 광원들로부터 조사되어 입사되는 광을 인도하는 광 가이드를 포함하는 복합 광원 장치부와;
    하나 또는 그 이상의 이미지 센서를 가진 다파장 영상 장치부와;
    대상 조직에 대한 영상을 외부로 출력하는 출력부;로 이루어지며,
    다양한 파장의 광조사 및 다 파장 영상을 제공하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 복합 광원 장치부는 제1광원, 제2광원, 제3광원의 세 개의 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 제1광원은 수은 램프인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 제2광원은 할로겐 램프인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 제3광원은 레이저인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 제1광원인 수은 램프에 대하여, 상기 수은 램프로부터 상기 광가이드로 들어가는 발광을 조정하기 위한 제1필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 제1필터는 상기 수은 램프와 상기 광 가이드 사이에 위치하며, 상기 수은 램프만을 위한 광 경로 상에 배치되어, 상기 수은 램프를 제외한 다른 광원으로부터 발생한 광 경로를 간섭하지 않도록 설치되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제1필터는 필터 휠 형태로 형성되어, 상기 필터 휠의 회전면에 나뉜 구획에 복수개의 광학 소자를 구비하도록 형성된 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 복수개의 광학 소자는 쇼트 패스 필터, 대역 통과 필터, 편광자 중 두 개 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  10. 청구항 4에 있어서, 상기 제2광원인 할로겐 램프에 대하여, 상기 할로겐 램프로부터의 광의 경로를 변경하여 상기 광가이드로 들어가도록 배치된 제1미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1미러는 파장에 따라 선택적으로 광을 투과시키는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 할로겐 램프와 상기 제1미러 사이에 적외선을 차폐하기 위한 제2필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  13. 청구항 5에 있어서, 상기 제3광원인 레이저로부터 발생하는 레이저 빔은 광 가이드로 직접 들어가는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  14. 청구항 5에 있어서, 상기 제3광원은 복수개의 레이저로 구성되고, 상기 복수개의 레이저로부터 발생하는 복수개의 레이저 빔의 광 경로 상에 제2미러를 배치하여, 상기 제2미러를 통하여 상기 복수개의 레이저 빔이 상기 광 가이드로 들어가는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 제2미러는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  16. 청구항 5에 있어서, 상기 수은 램프 및 상기 레이저는 NADH 및 플라 빈(flavin)을 동시에 여기시키기 위한 여기 광원으로서, 대역 통과 필터(327nm 내지 353nm)를 갖는 수은 램프와 레이저(405nm)인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  17. 청구항 5에 있어서, 상기 수은 램프 및 상기 레이저는 플라빈(flavin) 및 포르피린(Porphyrin)을 동시에 여기시키기 위한 여기 광원으로서, 대역 통과 필터(440nm 내지 470nm)를 갖는 수은 램프와 레이저(635nm)인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  18. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수은 램프로부터의 광량을 조정하기 위하여 상기 제1광원에서의 광 경로 상에 제1감쇠기가 설치되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  19. 청구항 1, 6, 10 및 14 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 광 가이드로 들어오는 총광량을 조정하기 위하여 상기 광 가이드의 입구 측에 제2감쇠기가 설치되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  20. 청구항 1 내지 6, 10 및 14 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 광 가이드의 출구 측에 시야(field of view)에 균일한 광 조사를 제공하기 위한 조준 광학기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  21. 청구항 20에 있어서, 상기 조준 광학기에는 더 좁은 영역의 광 조사를 위한 부속적인 광가이드 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  22. 청구항 1 내지 6, 10 및 14 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서, 상기 광 가이드는 액상 광 가이드인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  23. 청구항 1에 있어서, 상기 광 영상 장치부는 내시경, 수술용 입체 현미경, 콜퍼스코프(colposcope) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  24. 청구항 23에 있어서, 상기 광 영상 장치부가 내시경 장비인 경우, 상기 다파장 영상 장치부는 어댑터를 통하여 상기 광 영상 장치부의 접안 렌즈에 고정되는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  25. 청구항 23에 있어서, 상기 광 영상 장치부가 수술용 입체 현미경인 경우,
    상기 광 영상 장치부는 대물 렌즈 및 가변 배율 광학기를 포함하며, 상기 광 영상 장치부의 상기 대물 렌즈와 상기 가변 배율 광학기 사이에 상기 다파장 영상 장치부가 위치하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  26. 청구항 25에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부는 상기 광 영상 장치부의 대물 렌즈와 상기 가변 배율 광학기 사이에 설치된 접이식 이동 미러를 통하여 광 경로로 들어가도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  27. 청구항 1에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부는 두 개의 이미지 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  28. 청구항 27에 있어서, 상기 두 개의 이미지 센서는 각각 컬러 이미지 센서(color image sensor) 및 단색 이미지 센서(monochrome image sensor)인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  29. 청구항 28에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부는 상기 컬러 이미지 센서 및 상기 단색 이미지 센서에 대한 두 개의 광 경로를 갖도록 입사광을 분할하는 광 경로 분할 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  30. 청구항 29에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부에서 대물 렌즈는 상기 광 경로 분할 수단의 앞에 위치하여 상기 컬러 이미지 센서 및 상기 단색 이미지 센서의 두 광학 경로에 대해 동시에 투사시키는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  31. 청구항 30에 있어서, 상기 광 경로 분할 수단은 접이식 이동 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 접이식 이동 미러는 다이크로익 미러인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  33. 청구항 32에 있어서, 상기 대물렌즈는 광량 및 심도 조정을 위해 구경 조리개를 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출장치.
  34. 청구항 32에 있어서, 상기 대물렌즈는 대상 조직의 미세한 초점을 위해 초점 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  35. 청구항 32에 있어서, 상기 컬러 이미지 센서의 B 채널 및 G 채널에 의하여 각각 NADH 및 플라빈(Flavin)의 형광 검출이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  36. 청구항 32에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부의 상기 대물 렌즈의 앞 또는 뒤에는 필터 휠 형태의 이동식 검출 필터가 설치되며, 상기 이동식 검출 필터는 롱 패스 필터(long pass filter), 노치 필터(notch filter), 검광자(analyzer), 또는 편광자(polarizer) 중 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  37. 청구항 32에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부의 상기 컬러 이미지 센서 앞에는 적외선 차폐 필터가 포함되며, 상기 단색 이미지 센서의 앞에는 원 빨강-근적외선(Far-Red & Near Infrared) 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  38. 청구항 36에 있어서, 상기 이동식 검출 필터는 차폐 필터(500nm)와 노치 필터(635nm)를 포함하며, 이 경우에 상기 다이크로익 미러(edge 640nm)에 의해 상기 원 빨강-근적외선(Far-Red & Near Infrared) 필터를 통한 상기 단색 이미지 센서에 의하여 포르피린의 형광이 검출되는 동시에, 상기 컬러 이미지 센서(G 채널)에 의하여 플라빈의 형광의 검출이 이루어지는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  39. 청구항 28에 있어서, 상기 컬러 이미지 센서(color image sensor) 및 상기 단색 이미지 센서(monochrome image sensor)를 제어하기 위한 이미지 프로세서-제 어 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
  40. 청구항 39에 있어서, 상기 다파장 영상 장치부로부터의 영상을 외부로 출력하기 위한 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광역학 치료 및 광 검출 장치.
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