KR20230126245A - Composite video imaging system for surgery - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수술용 복합 비디오 영상시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a composite video imaging system for surgery.
최근 복강경 수술을 통해 절개 범위를 최소화하고 수술 중 발생할 수 있는 출혈 등의 부작용을 최소화하는 최소 침습수술법의 시행 빈도가 증가하고 있다. 이는 수술 위험과 수술에 의한 스트레스, 입원 및 회복기간을 획기적으로 줄일 수 있다. 복강경 수술을 통한 종양 및 감시림프절의 감별과 절제 시 근적외선형광단을 인체에 투여하여 발광하는 근적외선형광을 탐지하는 근적외선형광 영상 유도 하 수술의 빈도 또한 증가하고 있다. 하지만 종래의 장치들은 주로 단일 영상으로 보여줘 정확한 판단이 어려운 문제점이 있다. 즉, 근적외선형광 카메라의 도움을 받아 절제할 경우, 근적외선형광의 투과력 제한으로 표적이 심부에 위치해 있을 경우 정확한 위치와 형태를 근적외선형광 카메라로 확인하기 어려운 문제점이 있다. 또한 감마카메라의 도움을 받아 절제할 경우 영상의 분해능이 낮아 정확한 형태와 위치를 감별하는데 어려움이 있다. 아울러, 상기 근적외선형광 카메라 및 감마카메라를 병용할 경우 수술 중 실시간 환경에서 영상 매칭 및 정합이 완전하지 못하므로 수술 중 병변의 위치 확인에 어려움이 있다. 따라서 수술 중 실시간으로 병변 탐지 효율을 높일 수 있는 기술 및 장비가 필요하나 현재까지 이러한 요건을 충족하는 장비는 없는 실정이다. 이와 관련하여 대한민국 등록특허 제0980247호는 광각렌즈부, 광섬유 및 광 인터페이스부를 포함하는 복강경 및 이를 이용한 영상 처리 시스템을 개시하고 있다. Recently, the frequency of performing minimally invasive surgery, which minimizes the incision range through laparoscopic surgery and minimizes side effects such as bleeding that may occur during surgery, is increasing. This can drastically reduce the risk of surgery, stress due to surgery, hospitalization and recovery period. The frequency of near-infrared fluorescence imaging-guided surgery, in which near-infrared fluorophores are injected into the human body during discrimination and resection of tumors and sentinel lymph nodes through laparoscopic surgery, to detect near-infrared fluorescence, is also increasing. However, conventional devices mainly show a single image, so it is difficult to accurately determine. That is, in the case of ablation with the help of a near-infrared fluorescence camera, there is a problem in that it is difficult to confirm the exact position and shape of the target when the near-infrared fluorescence camera is located in the deep area due to the limitation of the penetrating power of the near-infrared fluorescence. In addition, in the case of resection with the help of a gamma camera, it is difficult to distinguish the exact shape and location due to the low resolution of the image. In addition, when the near-infrared fluorescence camera and the gamma camera are used together, image matching and registration are not perfect in a real-time environment during surgery, so it is difficult to locate the lesion during surgery. Therefore, technology and equipment that can increase the efficiency of lesion detection in real time during surgery are required, but there is no equipment that meets these requirements so far. In this regard, Korean Patent Registration No. 0980247 discloses a laparoscope including a wide-angle lens unit, an optical fiber and an optical interface unit, and an image processing system using the same.
그러나 상기 선행기술은 복강 내의 가시광선 영상을 촬상하기 위한 장치로 근적외선 형광물질 또는 방사성의약품을 이용한 종양조직 또는 감시림프절의 영상화는 기술적으로 불가능하다.However, the prior art is a device for taking a visible ray image in the abdominal cavity, and it is technically impossible to image tumor tissues or sentinel lymph nodes using a near-infrared fluorescent material or a radioactive drug.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 근적외선형광 유도 하 수술 중 가시광선이 제공하는 해부학적 화상정보를 포함하여 검출감도와 공간 해상도가 뛰어난 근적외선형광 영상 및 조직에서의 투과력이 우수한 감마선 영상을 실시간으로 표시하는 수술용 복합 비디오 영상시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention has been made to solve various problems including the above problems, and in near-infrared fluorescence images and tissues with excellent detection sensitivity and spatial resolution, including anatomical image information provided by visible light during surgery under near-infrared fluorescence induction. An object of the present invention is to provide a composite video imaging system for surgery that displays gamma-ray images having excellent penetrating power in real time. However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.
본 발명은 일 관점에 따르면, 환부에 투여된 방사성 물질로부터 방출된 감마선과 반응하여 전기신호를 생성하는 감마선 검출기, 내부에 단수 또는 복수의 광학렌즈가 구비되어 가시광선 및 근적외선 형광을 집속 후 광학영상촬영부로 전송하는 대물렌즈부, 상기 전송된 가시광선 및 근적외선 형광을 파장별로 분리하여 영상소자에서 전기신호로 변환하는 광학영상촬영부, 및 상기 전기신호의 위치 및 각도를 인식하여 영상을 실시간으로 재구성 및 정합하는 광학추적기를 포함하는 복합영상모듈; 소멸 감마선을 사용하여 내부 감마선의 전기신호 및 상기 감마선 검출기에서 발생하는 감마선의 전기신호를 동시 검출하는 체외모듈; 가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광 및 환부에 형광단을 여기시켜 근적외선 방출형광 영상을 획득하는 광원전송모듈; 및 상기 복합영상모듈의 감마선 검출기 및 체외모듈의 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 데이터획득모듈, 상기 광학영상촬영부에서 생성된 전기신호를 디지털 신호로 변환하고 영상소자의 성능을 조절하는 카메라 컨트롤 유닛, 상기 데이터획득모듈의 영상 신호를 증폭하고 상기 체외모듈과 동시계수하여 영상신호를 표시하는 감마선 검출기 제어부, 및 상기 데이터획득모듈의 감마선 정보와 상기 카메라 컨트롤 유닛의 광학영상 정보를 처리하고 매칭 알고리즘으로 하나의 영상으로 정합하는 제어부를 포함하는, 수술용 복합 비디오 영상시스템이 제공된다. According to one aspect, the present invention reacts with gamma rays emitted from a radioactive material administered to an affected area to generate an electrical signal, and a single or multiple optical lenses are provided therein to focus visible and near-infrared fluorescence, and then obtain an optical image. An objective lens unit that transmits to the photographing unit, an optical imaging unit that separates the transmitted visible light and near-infrared fluorescence by wavelength and converts them into electrical signals in an imaging device, and recognizes the position and angle of the electrical signal to reconstruct an image in real time. and a composite image module including an optical tracker to match; an extracorporeal module that simultaneously detects electrical signals of internal gamma rays and electrical signals of gamma rays generated by the gamma ray detector using evanescent gamma rays; a light source transmission module for obtaining a near-infrared emission fluorescence image by exciting white light and a fluorophore in the affected area to obtain a visible ray image; and a data acquisition module that converts electrical signals of the gamma ray detector and the extracorporeal module of the composite imaging module into digital signals, and a camera control unit that converts electrical signals generated by the optical imaging unit into digital signals and controls the performance of imaging devices. , a gamma ray detector control unit that amplifies the image signal of the data acquisition module and simultaneously counts with the extracorporeal module to display the image signal, and processes gamma ray information of the data acquisition module and optical image information of the camera control unit and uses a matching algorithm There is provided a composite video imaging system for surgery, including a control unit matching with one image.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템은 종래 기술과 달리 일체형의 구조와 광학경을 거치지 않고 직접 삽입되는 영상소자에 의한 높은 민감도 및 특이도로 왜곡이 최소화되어 종양조직 또는 감시림프절을 효과적으로 절제할 수 있는 기술적 특징이 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Unlike the prior art, the complex video imaging system for surgery of the present invention constructed as described above has high sensitivity and specificity by an imaging device directly inserted without going through an optical microscope and an integral structure, minimizing distortion, and thus detecting tumor tissue or sentinel lymph nodes. There are technical features that can be effectively restrained. Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 개략적인 구조를 나타내는 개요도이다.
도 2는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 감마선 검출기의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 광학영상촬영부의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 광학영상촬영부의 세부구성을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 복합영상모듈의 광전송 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 광원전송모듈(140)의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템의 영상 처리 및 제어부의 구성을 나타내는 개요도이다.
도 8은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템을 이용하여 가시광선 영상과 근적외선 형광을 동시에 획득한 모습을 나타내고 있는 사진이다.
도 9는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템을 이용하여 감마선/근적외선 형광/가시광선의 삼중 융합영상을 획득한 모습을 나타내고 있는 사진이다. 1 is a schematic diagram showing a schematic structure of a composite video imaging system for surgery of the present invention.
2 is a perspective view showing the configuration of a gamma ray detector of the composite video imaging system for surgery of the present invention.
Figure 3 is a perspective view showing the configuration of the optical imaging unit of the composite video imaging system for surgery of the present invention.
4 is a perspective view showing the detailed configuration of the optical imaging unit of the composite video imaging system for surgery of the present invention.
5 is a perspective view showing the configuration of the optical transmission system of the composite image module of the composite video imaging system for surgery of the present invention.
6 is a perspective view showing the configuration of the light source transmission module 140 of the composite video imaging system for surgery of the present invention.
7 is a schematic diagram showing the configuration of the image processing and control unit of the composite video imaging system for surgery according to the present invention.
8 is a photograph showing a state in which a visible ray image and near-infrared fluorescence are simultaneously acquired using the composite video imaging system for surgery of the present invention.
9 is a photograph showing a state in which a triple fusion image of gamma ray/near infrared ray fluorescence/visible ray is acquired using the composite video imaging system for surgery of the present invention.
용어의 정의:Definition of Terms:
본 문서에서 사용되는 용어 "종양조직(tumor tissue)"은 악생 신생물 (malignant neoplasm)로서 발육속도가 빠르고 침습적이고 전이성인 조직을 나타낸다.As used herein, the term "tumor tissue" refers to a rapidly growing, invasive, and metastatic tissue that is a malignant neoplasm.
본 문서에서 사용되는 용어 "감시림프절(sentinel lymph node)"은 종양조직(tumor tissue)의 침윤이 진행되어 종양에서 전이가 일어날 경우 가장 먼저 전이가 일어나는 림프절로 종양에서의 전이 여부를 알 수 있는 중요한 지표로 작용한다.As used in this document, the term "sentinel lymph node" is an important lymph node in which metastasis occurs first when infiltration of tumor tissue progresses and metastasis occurs in the tumor. act as an indicator
본 문서에서 사용되는 용어 "복강경 수술(laparoscopic surgery)"은 복부를 절개하지 않고 배꼽부위에 0.5~1cm 정도의 구멍을 뚫고 배 안을 들여다보는 Full HD급 카메라가 부착된 복강경과 비디오 모니터 등을 통해서 레이저 특수외과 전기술 등 특수기구를 이용해 하는 미세수술을 의미한다.The term "laparoscopic surgery" used in this document refers to a 0.5 to 1 cm hole in the navel without cutting the abdomen, and a laparoscope equipped with a Full HD camera and a video monitor to look inside the abdomen through laser surgery. Microsurgery refers to microsurgery using special instruments such as special surgical techniques.
본 문서에서 사용되는 용어 "PET(positron emission tomography)"는 양전자단층촬영으로 생체 내에 양전자(positron)를 방출하는 방사성의약품을 주입한 후 양전자 소멸현상에 의해 발생한 511 keV 에너지를 가진 두 개의 감마선(gamma ray) 원형 링 모양의 검출기로 측정하여 양전자 방출핵종의 체내분포를 단층영상으로 재구성하는 기술이다. 일반적으로 양전자 방출에 의해 발생되는 소멸감마선은 511 KeV의 에너지를 가지므로 이 소멸방사선을 동시계수에 의해 검출하는 방식을 PET 검출로 통틀어서 사용하고 있다.The term "PET (positron emission tomography)" as used in this document refers to two gamma rays with 511 keV energy generated by the annihilation of positrons after injecting a radiopharmaceutical that emits positrons into a living body through positron emission tomography. ray) This is a technology that reconstructs the body distribution of positron-emitting nuclides into tomographic images by measuring with a circular ring-shaped detector. In general, since evanescent gamma rays generated by positron emission have an energy of 511 KeV, a method of detecting evanescent radiation by simultaneous counting is used throughout PET detection.
본 문서에서 사용되는 용어 "SiPM(Silicon Photo-multipiler) 검출기"는 종양에 집적된 추적자로부터 양전자(positron)가 방출되어 2개의 511 keV 소멸 감마선이 방출되고 상기 2개의 소멸 감마선이 복강 내 융합영상 모듈과 체외모듈의 섬광결정과 반응하여 발생하는 섬광을 검출하여 동시신호를 얻는 역할을 한다.As used in this document, the term "SiPM (Silicon Photo-multipiler) detector" means that positrons are emitted from the tracer integrated in the tumor to emit two 511 keV evanescent gamma rays, and the two evanescent gamma rays are integrated into the intraperitoneal fusion imaging module It plays the role of obtaining simultaneous signals by detecting the scintillation generated by reacting with the scintillation crystal of the extracorporeal module.
본 문서에서 사용되는 용어 "광학 메커니즘"은 융합영상 모듈과 광전변환 모듈의 광학 부품들 간의 연결 구조로 광학 메커니즘에 내장된 광학 부품간의 거리를 변화시킴으로써 근적외선, 가시광선의 민감도 및 분해능을 조절하는 역할을 한다.The term "optical mechanism" used in this document is a connection structure between the optical components of the convergence imaging module and the photoelectric conversion module. do.
본 문서에서 사용되는 용어 "파장분리 거울(dichroic mirror)"은 박막의 필터가 여러겹 적층되어 선택한 파장대의 빛 이상 또는 이하 파장의 광선을 반사 또는 투과하여 선택적으로 광선의 회절 각도를 조절할 수 있는 광학 필터를 의미한다. The term "dichroic mirror" as used in this document refers to an optical device in which multiple layers of thin-film filters are stacked to reflect or transmit light of a wavelength above or below a selected wavelength range, thereby selectively adjusting the diffraction angle of light rays. means filter.
본 문서에서 사용되는 용어 "파장분리 프리즘(dichroic beam splitter)"은 편광(polarization) 현상을 이용하여 광선을 위상 성분으로 분해해 이를 원하는 파장대의 광선만 분리하는 광학 프리즘을 의미한다. The term "dichroic beam splitter" used in this document refers to an optical prism that separates only light rays of a desired wavelength by decomposing light rays into phase components using a polarization phenomenon.
발명의 상세한 설명:DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION:
본 발명은 일 관점에 따르면, 환부에 투여된 방사성 물질로부터 방출된 감마선과 반응하여 전기신호를 생성하는 감마선 검출기, 내부에 단수 또는 복수의 광학렌즈가 구비되어 가시광선 및 근적외선 형광을 집속 후 광학영상촬영부로 전송하는 대물렌즈부, 상기 전송된 가시광선 및 근적외선 형광을 파장별로 분리하여 영상소자에서 전기신호로 변환하는 광학영상촬영부, 및 상기 전기신호의 위치 및 각도를 인식하여 영상을 실시간으로 재구성 및 정합하는 광학추적기를 포함하는 복합영상모듈; 소멸 감마선을 사용하여 내부 감마선의 전기신호 및 상기 감마선 검출기에서 발생하는 감마선의 전기신호를 동시 검출하는 체외모듈; 가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광 및 환부에 형광단을 여기시켜 근적외선 방출형광 영상을 획득하는 광원전송모듈; 및 상기 복합영상모듈의 감마선 검출기 및 체외모듈의 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 데이터획득모듈, 상기 광학영상촬영부에서 생성된 전기신호를 디지털 신호로 변환하고 영상소자의 성능을 조절하는 카메라 컨트롤 유닛, 상기 데이터획득모듈의 영상 신호를 증폭하고 상기 체외모듈과 동시계수하여 영상신호를 표시하는 감마선 검출기 제어부, 및 상기 데이터획득모듈의 감마선 정보와 상기 카메라 컨트롤 유닛의 광학영상 정보를 처리하고 매칭 알고리즘으로 하나의 영상으로 정합하는 제어부를 포함하는, 수술용 복합 비디오 영상시스템이 제공된다. According to one aspect, the present invention reacts with gamma rays emitted from a radioactive material administered to an affected area to generate an electrical signal, and a single or multiple optical lenses are provided therein to focus visible and near-infrared fluorescence, and then obtain an optical image. An objective lens unit that transmits to the photographing unit, an optical imaging unit that separates the transmitted visible light and near-infrared fluorescence by wavelength and converts them into electrical signals in an imaging device, and recognizes the position and angle of the electrical signal to reconstruct an image in real time. and a composite image module including an optical tracker to match; an extracorporeal module that simultaneously detects electrical signals of internal gamma rays and electrical signals of gamma rays generated by the gamma ray detector using evanescent gamma rays; a light source transmission module for obtaining a near-infrared emission fluorescence image by exciting white light and a fluorophore in the affected area to obtain a visible ray image; and a data acquisition module that converts electrical signals of the gamma ray detector and the extracorporeal module of the composite imaging module into digital signals, and a camera control unit that converts electrical signals generated by the optical imaging unit into digital signals and controls the performance of imaging devices. , a gamma ray detector control unit that amplifies the image signal of the data acquisition module and simultaneously counts with the extracorporeal module to display the image signal, and processes gamma ray information of the data acquisition module and optical image information of the camera control unit and uses a matching algorithm There is provided a composite video imaging system for surgery, including a control unit matching with one image.
상기 비디오 영상시스템에 있어서, 상기 감마선 검출기는 종양에 집적된 종양 탐지 추적자와 반응하여 섬광을 발생시키는 제1섬광결정; 및 상기 섬광 신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 제1SiPM 광검출기를 포함할 수 있다.In the video imaging system, the gamma ray detector includes a first scintillation crystal generating scintillation in response to a tumor detection tracer integrated in a tumor; and a first SiPM photodetector for detecting by converting the flash signal into an electrical signal.
상기 비디오 영상시스템에 있어서, 상기 섬광결정은 LYSO, GAGG, LaBr3(Ce), CsI(Na), NaI(Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO(Bi4Ge3O12), LSO(Lu2SiO5:Ce), YSO(Y2SiO5:Ce and/or Tb), GSO(Ga2SiO5:Ce) 또는 LGSO(Lu1-xGdxSiO5)일 수 있고 상기 섬광결정은 구분형(pixelated) 또는 일체형(monolithic)일 수 있다. In the video imaging system, the scintillation crystal is LYSO, GAGG, LaBr3 (Ce), CsI (Na), NaI (Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), LSO (Lu 2 SiO 5 :Ce), YSO (Y 2 SiO 5 :Ce and/or Tb), GSO (Ga 2 SiO 5 :Ce) or LGSO (Lu 1-x GdxSiO 5 ), and the scintillation crystal may be pixelated. ) or monolithic.
상기 비디오 영상시스템에 있어서, 상기 광학영상촬영부는 대물렌즈부에 집속된 가시광선 및 근적외선 형광을 분리하는 제1파장분리체; 근적외선 여기광원과 근적외선 방출 형광을 차단하고 가시광선 신호를 선택적으로 투과시키는 제1광학대역필터; 상기 가시광선 신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 제1영상소자; 가시광선 신호를 차단하고 근적외선 방출 형광 신호를 선택적으로 투과시키는 제2광학대역필터; 및 상기 근적외선 방출 형광 신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 제2영상소자를 포함를 포함할 수 있다. In the video imaging system, the optical imaging unit includes: a first wavelength separator separating visible light and near-infrared fluorescence focused on the objective lens unit; a first optical band filter that blocks a near-infrared excitation light source and near-infrared emission fluorescence and selectively transmits a visible ray signal; a first image element that converts the visible ray signal into an electrical signal and detects it; a second optical band filter that blocks visible light signals and selectively transmits near-infrared emission fluorescence signals; and a second image element for converting and detecting the near-infrared emission fluorescence signal into an electrical signal.
상기 비디오 영상시스템에 있어서, 상기 광원전송모듈은 가시광선을 생성하는 외부 백색광원; 상기 가시광선의 초점을 형성하는 제1초점렌즈; 가시광선을 선택적으로 투과시키는 제3광학대역필터; 근적외선 여기광을 생성하는 외부 근적외선 여기광원; 상기 근적외선 여기광의 초점을 형성하는 제2초점렌즈; 근적외선 여기광을 선택적으로 투과시키는 제4광학대역필터; 가시광선을 반사하고 근적외선 여기광을 투과시키는 제2파장분리체; 투과된 근적외선 여기광의 초점을 형성하는 제3초점렌즈; 및 상기 근적외선 여기광을 광섬유 다발로 전송하는 광섬유 전송부를 포함할 수 있고 상기 제1파장분리체 및 제2파장분리체는 파장분리 거울 또는 파장분리 프리즘일 수 있다. In the video imaging system, the light source transmission module includes an external white light source generating visible light; a first focusing lens forming a focus of the visible light; a third optical band filter that selectively transmits visible light; an external near-infrared excitation light source generating near-infrared excitation light; a second focusing lens forming a focus of the near-infrared excitation light; a fourth optical band filter that selectively transmits near-infrared excitation light; a second wavelength separator that reflects visible light and transmits near-infrared excitation light; a third focusing lens forming a focus of the transmitted near-infrared excitation light; and an optical fiber transmission unit for transmitting the near-infrared excitation light to an optical fiber bundle, and the first wavelength splitter and the second wavelength splitter may be a wavelength splitting mirror or a wavelength splitting prism.
상기 비디오 영상시스템에 있어서, 상기 대물렌즈부에 사용되는 렌즈는 볼록렌즈(convex lens), 오목렌즈(concave lens), 비구면 렌즈(aspheric lens) 또는 반월 렌즈(meniscus lens)일 수 있으며 상기 영상소자는 전하결합소자(CCD) 또는 보완 금속 산화물 반도체(CMOS)일 수 있다. In the video imaging system, the lens used in the objective lens unit may be a convex lens, a concave lens, an aspheric lens, or a meniscus lens, and the image element may be It may be a charge-coupled device (CCD) or complementary metal oxide semiconductor (CMOS).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, several preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is as follows It is not limited to the examples. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art. In addition, the thickness or size of each layer in the drawings is exaggerated for convenience and clarity of explanation.
명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 균일한 부호는 균일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.Throughout the specification, when referring to an element, such as a film, region, or substrate, being located “on,” “connected to,” “stacked on,” or “coupled to” another element, reference is made to that one element. It can be interpreted that an element directly contacts “on,” “connected to,” “stacked on,” or “coupled to” another component, or that another component interposed therebetween may exist. On the other hand, when an element is said to be located "directly on," "directly connected to," or "directly coupled to," another element, it is interpreted that there are no intervening elements. do. A uniform sign indicates a uniform element. As used herein, the term "and/or" includes any one and all combinations of one or more of the listed items.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.In this specification, terms such as first and second are used to describe various members, components, regions, layers and/or portions, but these members, components, regions, layers and/or portions are limited by these terms. It is self-evident that These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. Thus, a first member, component, region, layer or section described in detail below may refer to a second member, component, region, layer or section without departing from the teachings of the present invention.
또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면(turned over), 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.Also, relative terms such as "over" or "above" and "bottom" or "below" may be used herein to describe the relationship of some elements to other elements as illustrated in the figures. Relative terms can be understood as intended to include other orientations of the element in addition to the orientation depicted in the figures. For example, if an element is turned over in the figures, elements that are depicted as being on the face of the other elements will have orientation on the face of the bottom of the other elements. Thus, the term "top" as an example may include both "bottom" and "top" directions, depending on the particular orientation of the figure. If the element is oriented in another direction (rotated 90 degrees relative to the other direction), relative statements used herein may be interpreted accordingly.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.Terms used in this specification are used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. As used herein, the singular form may include the plural form unless the context clearly indicates otherwise. Also, when used herein, "comprise" and/or "comprising" specifies the presence of the recited shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and/or groups thereof. and does not exclude the presence or addition of one or more other shapes, numbers, operations, elements, elements and/or groups.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to drawings schematically showing ideal embodiments of the present invention. In the drawings, variations of the depicted shape may be expected, depending on, for example, manufacturing techniques and/or tolerances. Therefore, embodiments of the inventive concept should not be construed as being limited to the specific shape of the region shown in this specification, but should include, for example, a change in shape caused by manufacturing.
도 1은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 개략적인 구성을 도시하고 있다. 최근 들어 복강경 수술을 통한 종양 및 감시림프절의 감별과 절제 시 근적외선형광단을 인체에 투여하여 발광하는 근적외선형광을 탐지하는 근적외선형광 영상 유도 하에 수술을 시행하는 빈도가 증가하고 있으나 종래 영상장치는 근적외선형광 영상이 가진 근본적인 투과 제한을 해결할 수 없고 심부에 위치한 병변의 정확한 탐지가 어려우므로 보완적인 방법이 필요하다. 또한 개별 영상장치를 사용할 경우 정합 오차에 따른 부정확한 가이드 영상이 형성될 가능성이 매우 높아 근적외선형광물질 또는 방사성의약품을 이용한 종양조직 또는 감시림프절의 실시간 영상화는 기술적으로 불가능하다. 이에 본 발명자들은 근적외선형광 유도 하 수술 중 가시광선이 제공하는 해부학적 화상정보를 포함하여 검출감도와 공간 해상도가 뛰어난 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)을 개발하였다. 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)은 복합영상모듈(110)에서 대물렌즈부(111) 및 광학영상촬영부(130)를 감마선 검출기(113)와 완전히 분리함에 따라 가시광선 및 근적외선 형광이 감마선 검출기(113)로 유입되어 발생하는 잡신호의 혼입을 방지하고 영상의 품질을 획기적으로 개선한 것이 기술적 특징이라 할 수 있다. 또한 광학경 등 광 전달매체를 사용하지 않고 대물렌즈부(111)와 직접 결합하는 광학영상촬영부(130)로 인해 제1영상소자(133) 및 제2영상소자(135)의 광자검출효율(photon detection efficiency)을 대폭 개선하였다. 1 shows a schematic configuration of a composite video imaging system 100 for surgery of the present invention. Recently, the frequency of performing surgery under the guidance of near-infrared fluorescence imaging that detects the emitted near-infrared fluorescence by administering a near-infrared fluorophore to the human body during discrimination and resection of tumors and sentinel lymph nodes through laparoscopic surgery is increasing. Complementary methods are needed because the fundamental penetration limitation of imaging cannot be resolved and it is difficult to accurately detect lesions located in the deep region. In addition, when using individual imaging devices, there is a very high possibility of forming inaccurate guide images due to matching errors, making it technically impossible to perform real-time imaging of tumor tissues or sentinel lymph nodes using near-infrared fluorescent materials or radiopharmaceuticals. Accordingly, the present inventors have developed a composite video imaging system 100 for surgery with excellent detection sensitivity and spatial resolution, including anatomical image information provided by visible light during surgery under near-infrared fluorescence induction. In the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention, the objective lens unit 111 and the optical imaging unit 130 are completely separated from the gamma ray detector 113 in the complex imaging module 110, so that visible light and near-infrared fluorescence It can be said that the technical feature is that the mixing of the noise signal generated by flowing into the gamma ray detector 113 is prevented and the quality of the image is dramatically improved. In addition, due to the optical imaging unit 130 directly coupled to the objective lens unit 111 without using a light transmission medium such as an optical mirror, the photon detection efficiency of the first imaging element 133 and the second imaging element 135 ( photon detection efficiency) has been greatly improved.
본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)은 감마선(gamma ray)에 반응하는 섬광결정에서 발생하는 섬광과, 400~700 ㎚ 파장대의 가시광선(visible light) 및 여기광(excitation light)에 의해 방출되는 700 nm 이상 파장대의 근적외선 형광(near-infrared fluorescence) 신호를 획득한 후, 신호처리를 거쳐 상기 감마선, 가시광선 및 근적외선 형광 신호를 하나의 영상으로 융합시켜 수술 중인 의사에게 병변의 정보를 실시간 영상으로 제공함에 따라 종양조직 또는 감시림프절을 효과적으로 정확하게 절제하는 것이 가능하다. 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)은 감마선, 근적외선 형광 및 가시광선의 복합영상 신호를 각각 획득하기 위해 기본적으로 복합영상모듈(110), 체외모듈(120), 광원전송모듈(140) 및 제어부(160)로 구성되어 있다. 이때 감마선은 단일 감마선 또는 소멸 감마선을 사용할 수 있고 소멸 감마선을 사용하는 경우 동시 검출을 위해 체외모듈(120)이 추가적으로 설치될 수 있으며 단일 감마선을 사용하면 체외모듈(120)이 제외될 수 있다. The composite video imaging system 100 for surgery of the present invention is a flash light generated from a scintillation crystal that reacts to gamma rays, and visible light and excitation light in the 400 to 700 nm wavelength range. After acquiring the near-infrared fluorescence signal of the emitted wavelength range of 700 nm or higher, through signal processing, the gamma ray, visible ray, and near-infrared fluorescence signal are fused into one image to provide real-time information on the lesion to the surgeon during surgery. By providing images, it is possible to effectively and accurately resect tumor tissue or sentinel lymph nodes. The composite video imaging system 100 for surgery of the present invention basically includes a composite image module 110, an extracorporeal module 120, a light source transmission module 140 and It is composed of a control unit 160. In this case, a single gamma ray or evanescent gamma ray may be used, and in the case of using evanescent gamma ray, an extracorporeal module 120 may be additionally installed for simultaneous detection, and the extracorporeal module 120 may be excluded if a single gamma ray is used.
본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 핵심이라고 할 수 있는 복합영상모듈(110)은 크게 감마선을 검출하기 위한 감마선 검출기(113), 광학영상을 수집하기 위한 대물렌즈부(111), 광학영상을 획득하기 위한 광학영상촬영부(130) 및 복합영상모듈(110)의 위치 및 각도를 실시간으로 반영하는 광학추적기(112)로 구성되어 있다. The composite image module 110, which can be said to be the core of the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention, includes a gamma ray detector 113 for detecting gamma rays, an objective lens unit 111 for collecting optical images, It consists of an optical image capture unit 130 for obtaining an optical image and an optical tracker 112 that reflects the position and angle of the composite image module 110 in real time.
작동원리를 설명하면, 먼저 감마선 검출기(113)는 환부에 투여된 방사성의약품으로부터 방출된 감마선과 반응하여 전기신호를 생성하고 내부에 광학렌즈계가 부착된 대물렌즈부(111)는 가시광선과 근적외선 형광을 집속 후 전기신호를 광학영상촬영부(130)로 전송한다. 광학영상촬영부(130)는 대물렌즈부(111)에서 전송된 가시광선 및 근적외선 형광 신호를 파장별로 분리하여 영상소자(133, 135)에서 전기신호로 변환하고 광학추적기(112)는 상기 전기신호를 위치 및 각도를 인식하여 영상을 재구성 및 정합하게 된다. 구체적으로, 감마선 검출기(113)는 내부의 제1섬광결정(114), 제1SiPM 광검출기(115) 및 체외모듈(120)의 제2섬광결정(121), 제2SiPM 광검출기(122)를 통해 감마선 반응을 전기신호로 변환한다. 이때 감마선 검출기(113)는 내부의 제1섬광결정(114), 제1SiPM 광검출기(115) 및 단일 감마선의 경우, 조준기(160)의 조합으로 감마선 반응을 전기신호로 변환하고 소멸 감마선의 경우, 체외모듈(120)의 제2섬광결정(121), 제2SiPM 광검출기(122)를 통해 감마선 반응을 전기신호로 변환한다. 그 후 광원전송모듈(140)을 통해 백색광으로 반사되는 가시광선 및 환부에 근적외선 방출 형광물질을 여기시켜 발생된 근적외선 방출 형광을 대물렌즈부(111)로 집속하고 광학영상촬영부(130)는 전송된 가시광선 및 근적외선 방출형광을 제1영상소자(133) 및 제2영상소자(135)로 검출한다. 이때 영상소자(133, 135)는 각각 다른 파장 영역을 검출함으로써 감마선, 가시광선 및 형광을 분리 측정할 수 있으며 개별 영상 또는 융합 영상을 획득할 수 있다. 또한 대물렌즈부(111)는 단수 또는 복수의 광학렌즈가 부착되고 전단에는 외부 충격과 부식을 보호하기 위한 특수 유리가 설치되며 광학렌즈의 재질은 광대역 파장의 광선이 수집될 수 있도록 무 반사(anti-reflection) 코팅을 적용한다. 상기 광학렌즈가 단수일 경우에는 광학계가 단순하기 때문에 좀 더 소형화가 가능하지만 영상의 품질이 좋지 않을 수 있고 복수의 렌즈를 설치하면 영상의 품질 향상이 가능하다. 그러나 다수의 렌즈 시스템으로 인해 광학계가 복잡해서 소형화에 불리한 단점이 있다. 또한 대물렌즈부(111)에 포함된 광학렌즈는 볼록렌즈(convex lens), 오목렌즈(concave lens), 비구면 렌즈(aspheric lens) 또는 반월 렌즈(meniscus lens)를 포함한 모든 광학렌즈가 사용 가능하나 이에 제한되는 것은 아니다. 아울러 영상소자(133, 135)는 가시광선 및 근적외선 형광을 수집하여 전기신호로 변환할 할 수 있는 센서로 전하결합소자(charged-coupled device, CCD) 또는 보완 금속 산화물 반도체(complimentary metal oxide semiconductor, CMOS) 등을 포함하는 모든 이미지 센서를 활용할 수 있다. 또한 상기 섬광결정은 구분(pixelated) 또는 일체(monolithic)형일 수 있고 LYSO, GAGG, LaBr3(Ce), CsI(Na), NaI(Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO(Bi4Ge3O12), LSO(Lu2SiO5:Ce), YSO(Y2SiO5:Ce and/or Tb), GSO(Ga2SiO5:Ce) 또는 LGSO(Lu1-xGdxSiO5)일 수 있으며 상기 감마선 방사물질은 단일 감마선을 방출하는 99mTc, 131I 또는 111In일 수 있고 소멸 감마선을 방출하는 11C, 13N, 150, 18F, 68Ga, 64Cu, 89Zr 또는 18F-FDG일 수 있으며 상기 근적외선 방출 형광물질은 인도시아닌 그린일 수 있다. 상기 광학추적기(112)는 복합영상모듈(110)의 수술 중 실시간 움직임을 반영하여 영상 정합 및 소멸 감마선의 영상 재구성에 위치 정보를 제공할 수 있다. To explain the operating principle, first, the gamma ray detector 113 reacts with gamma rays emitted from the radiopharmaceutical administered to the affected area to generate an electrical signal, and the objective lens unit 111 with an optical lens system attached therein detects visible light and near-infrared fluorescence. After focusing, the electrical signal is transmitted to the optical imaging unit 130 . The optical imaging unit 130 separates the visible light and near-infrared fluorescence signals transmitted from the objective lens unit 111 by wavelength and converts them into electrical signals in the image elements 133 and 135, and the optical tracker 112 converts the electrical signals into electrical signals. By recognizing the position and angle of the image, the image is reconstructed and matched. Specifically, the gamma ray detector 113 uses the internal first scintillation crystal 114, the first SiPM photodetector 115, the second scintillation crystal 121 of the in vitro module 120, and the second SiPM photodetector 122. Converts the gamma ray response into an electrical signal. At this time, the gamma ray detector 113 converts the gamma ray reaction into an electrical signal by combining the internal first scintillation crystal 114, the first SiPM photodetector 115, and a collimator 160 in the case of a single gamma ray, and in the case of extinction gamma ray, The gamma ray reaction is converted into an electrical signal through the second scintillation crystal 121 and the second SiPM photodetector 122 of the extracorporeal module 120 . Thereafter, the visible light reflected as white light through the light source transmission module 140 and the near-infrared emission fluorescence generated by exciting the near-infrared emission fluorescent material in the affected area are focused to the objective lens unit 111, and the optical imaging unit 130 transmits the The visible ray and near-infrared ray emission fluorescence is detected by the first imaging device 133 and the second imaging device 135. At this time, the imaging devices 133 and 135 may separately measure gamma rays, visible rays, and fluorescence by detecting different wavelength regions, and may obtain individual images or fusion images. In addition, a single or multiple optical lenses are attached to the objective lens unit 111, a special glass is installed on the front end to protect against external impact and corrosion, and the material of the optical lens is non-reflective (anti-reflection) so that light rays of a broadband wavelength can be collected. -reflection) coating is applied. When the optical lens is single, the optical system is simple, so it can be further miniaturized, but the image quality may be poor, and the image quality can be improved by installing a plurality of lenses. However, the optical system is complicated due to a plurality of lens systems, which is disadvantageous in miniaturization. In addition, all optical lenses including a convex lens, a concave lens, an aspheric lens, or a meniscus lens can be used as the optical lens included in the objective lens unit 111, but this It is not limited. In addition, the imaging devices 133 and 135 are sensors capable of collecting visible and near-infrared fluorescence and converting them into electrical signals, and may include a charged-coupled device (CCD) or complementary metal oxide semiconductor (CMOS). ), etc. can be utilized. In addition, the scintillation crystal may be pixelated or monolithic, and LYSO, GAGG, LaBr3 (Ce), CsI (Na), NaI (Tl), YAP: Ce, CdTe, BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), LSO (Lu 2 SiO 5 :Ce), YSO (Y 2 SiO 5 :Ce and/or Tb), GSO (Ga 2 SiO 5 :Ce) or LGSO (Lu 1-x GdxSiO 5 ), which may be the gamma ray The emitter can be 99m Tc, 131 I or 111 In that emits single gamma rays and can be 11 C, 13 N, 15 0, 18 F, 68 Ga, 64 Cu, 89 Zr or 18 F-FDG that emits evanescent gamma rays. And the near-infrared emitting fluorescent substance may be indocyanine green. The optical tracker 112 may reflect the real-time movement of the composite image module 110 during surgery to provide location information for image registration and image reconstruction of evanescent gamma rays.
본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)을 사용하기 위해서는 종양에 특이적으로 집적되는 다중영상 추적자(multimodal tracer)를 인체에 투여할 필요가 있는데 감마선 검출기(113)의 종류에 따라 상기 다중영상 추적자에 표지되는 방사성동위원소의 종류가 다르다. In order to use the multimodal video imaging system 100 for surgery of the present invention, it is necessary to administer a multimodal tracer that is specifically integrated to a tumor to the human body. Depending on the type of gamma ray detector 113, the multimodal tracer The type of radioisotope labeled on the tracer is different.
일반적으로 단일광자 단층촬영(SPECT, single photon emission computed tomography) 영상 검사에 사용되는 방사성동위원소는 방사성 붕괴를 통해 감마선을 방출하는데 이를 검출하기 위해서는 도 2에 도시한 바와 같이 검출 범위를 형성하고 영상의 초점을 형성할 수 있는 조준기(116)가 필수적으로 구비 되어야 한다. 반면에 양전자 단층촬영(PET, Positron Emission Tomography) 검사에 사용되는 방사성동위원소는 체내에서 양전자를 방출하는데 이때 상기 양전자는 주위의 전자와 결합하여 소멸(annihilation)하면서 511 keV의 에너지를 가진 두 개의 감마선을 180°방향으로 방출시킨다. 서로 마주보고 있는 두 개의 검출기에 의해 동시 검출(coincident detection)되고 이를 수학적 알고리즘을 이용하여 재구성하면 체내의 방사성의약품의 분포를 영상화할 수 있으며 복합영상모듈(110) 하부에 구성된 체외모듈(120)이 그 역할을 한다. 단일 감마선을 이용한 영상은 동시 검출을 위한 체외모듈(120)이 필요 없고 영상획득 장치가 간결하나 조준기(116)의 기하학적 효율로 인해 소멸 감마선에 비해 양질의 검출 효율 및 분해능을 가진 영상을 얻기 어렵지만 소멸 감마선은 체외모듈에 의한 동시 검출이 필요하나 검출 효율이 높고 공간 해상도가 양호한 영상을 획득할 수 있다. In general, radioisotopes used in single photon emission computed tomography (SPECT) imaging tests emit gamma rays through radioactive decay. To detect them, a detection range is formed as shown in FIG. A collimator 116 capable of forming a focus must be provided. On the other hand, radioactive isotopes used in positron emission tomography (PET) examination emit positrons in the body. At this time, the positrons combine with the surrounding electrons and annihilate, generating two gamma rays with 511 keV energy is emitted in the direction of 180°. If coincident detection is performed by two detectors facing each other and reconstructed using a mathematical algorithm, the distribution of radiopharmaceuticals in the body can be imaged. It does its job. The image using a single gamma ray does not require the extracorporeal module 120 for simultaneous detection, and the image acquisition device is simple, but it is difficult to obtain an image with high quality detection efficiency and resolution compared to the extinction gamma ray due to the geometric efficiency of the collimator 116. Gamma rays require simultaneous detection by an extracorporeal module, but images with high detection efficiency and good spatial resolution can be obtained.
한편, 복합영상모듈(110) 내부에 직접 삽입되는 광학영상촬영부(130)는 대물렌즈부(111)에서 수집된 광선들을 제1파장분리체(131)로 가시광선 및 근적외선 형광으로 분리한 후 원하는 파장의 광선을 선택적으로 투과하는 광학대역필터(132, 134)를 통해 노이즈를 제거하고 영상소자(133,135)에 의해 전기신호로 변환된다. 이때 감마선은 감마선 검출기(113)의 제1섬광결정(114)과 반응하여 섬광을 발생시키고 이를 SiPM 광 검출기(115, 122)를 통해 전기신호로 변환한다. 상기 복합영상모듈(110) 측면에는 광학추적기(112)가 부착되어 복합영상모듈(110)의 실시간 위치 및 각도의 변화를 관찰하여 영상을 재구성하고 정합하는 역할을 한다. 복합영상모듈(110) 내부 및 외부에 광원전송모듈(140)이 위치하여 가시광선의 검출효율을 향상시키고 백색광 및 근적외선 여기광원을 전달하여 상기 가시광선 및 근적외선 방출형광 영상을 획득할 수 있도록 해준다. 또한 제어부(160)는 복합영상모듈(110) 내에 삽입되는 광학영상촬영부(130), 감마선 검출기(113) 및 소멸 감마선을 사용하는 경우 체외모듈(120)에서 발생하는 전기신호를 디지털로 변환하고 이를 처리하여 정합 영상으로 표시함으로써 각 검출기의 성능에 관여할 수 있는 인자들을 조절한다. 또한 제1파장분리체(131)는 도 4에 도시한 바와 같이 파장분리 거울(왼쪽) 또는 파장분리 프리즘(오른쪽)을 사용하여 파장을 분리할 수 있다. 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100) 내부에 구성되는 감마선 검출기(113) 및 광학영상촬영부(130)의 세부 구성은 하기 도 2 내지 도 4를 통해 자세히 설명하기로 한다. On the other hand, the optical imaging unit 130 directly inserted into the composite image module 110 separates the light rays collected by the objective lens unit 111 into visible light and near-infrared fluorescence by the first wavelength separator 131, and then Noise is removed through the optical band filters 132 and 134 that selectively transmit light rays of a desired wavelength, and are converted into electrical signals by the image elements 133 and 135. At this time, the gamma ray reacts with the first scintillation crystal 114 of the gamma ray detector 113 to generate a flash of light, which is converted into an electrical signal through the SiPM photodetectors 115 and 122 . An optical tracker 112 is attached to the side of the composite image module 110 to observe changes in the position and angle of the composite image module 110 in real time to reconstruct and match images. The light source transmission module 140 is located inside and outside the composite image module 110 to improve the detection efficiency of visible light and transmit white light and near-infrared excitation light to obtain the visible and near-infrared emission fluorescence images. In addition, the control unit 160 converts the electrical signal generated from the extracorporeal module 120 into digital when the optical imaging unit 130 inserted into the composite image module 110, the gamma ray detector 113, and evanescent gamma rays are used. By processing this and displaying it as a matched image, factors that may be involved in the performance of each detector are adjusted. In addition, the first wavelength separator 131 may separate wavelengths using a wavelength separation mirror (left) or a wavelength separation prism (right), as shown in FIG. 4 . Detailed configurations of the gamma ray detector 113 and the optical imaging unit 130 configured inside the composite video imaging system 100 for surgery according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4 below.
도 2는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)에서 복합영상모듈(110) 내부에 구성된 감마선 검출기(113)의 구조를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 감마선 검출기(110)는 환부에 투여된 방사성의약품으로부터 감마선 섬광을 얻기 위한 제1섬광결정(114) 및 상기 감마선 섬광을 전기신호로 변환하는 제1SiPM 광검출기(115)로 구성된다. 이때 제1섬광결정(114)은 영상 형성을 위해 구획화된(pixelated) 형태를 사용하되 단순 검출용으로 단일화된(monolithic) 형태도 사용 가능하고 섬광결정의 형태 및 크기 등 기하학적 조건이 제한되는 것은 아니다. 일반적으로 단일 감마선의 경우 감마선 영상의 범위를 설정하고 영상의 형성에 필요한 조준기(116)를 섬광결정 전단에 부착하여 검출한다. 이때 조준기(116)의 재질은 감마선의 차폐가 가능한 밀도가 높은 금속이 이용되며 주로 납(lead), 텅스텐(tungsten), 및 비스무스(bismuth) 등이 사용될 수 있고 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 조준기(116)의 종류는 평행구멍(parallel-hole) 조준기, 집속형(converging) 조준기, 확산형(diverging) 조준기 또는 바늘구멍(pin-hole) 조준기 등 다양하게 구성될 수 있다. 2 shows the structure of the gamma ray detector 113 configured inside the composite image module 110 in the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention. As shown, the gamma ray detector 110 is composed of a first scintillation crystal 114 for obtaining gamma ray flashes from radiopharmaceuticals administered to the affected area and a first SiPM photodetector 115 for converting the gamma ray flashes into electrical signals. . At this time, the first scintillation crystal 114 uses a pixelated form for image formation, but a monolithic form can also be used for simple detection, and geometrical conditions such as the shape and size of the scintillation crystal are not limited. . In general, in the case of a single gamma ray, the range of the gamma ray image is set and the collimator 116 necessary for forming the image is attached to the front end of the scintillating crystal to detect it. At this time, the material of the collimator 116 is a metal having a high density capable of shielding gamma rays, and mainly lead, tungsten, and bismuth may be used, but is not limited thereto. In addition, the type of collimator 116 may be variously configured such as a parallel-hole collimator, a converging collimator, a diverging collimator, or a pin-hole collimator.
또한 소멸 감마선을 사용할 경우 체외모듈(120) 내부에 위치한 제2섬광결정(121) 및 제2SiPM 광검출기(122)를 통해 감마선을 전기신호로 변환하고 복합영상모듈(110) 내부 감마선 검출기(113)에서 발생한 전기신호와 함께 동시 검출로 신호를 수집할 수 있다. 감마선 검출 과정을 설명하면 감마선 영상획득을 위해서는 복합영상모듈(110)의 대물렌즈부(111) 및 광학영상촬영부(130)의 기능은 제외되고 종양에 집적된 종양 탐지 추적자로부터 감마선은 감마선 검출기(113)의 제1섬광결정(114)과 단일 감마선의 경우 조준기(160)에 의해 선택되거나 소멸 감마선의 경우 체외모듈(120)의 제2섬광결정(121)과 반응하여 섬광(scintillation)을 발생시킨다. 상기 섬광을 감마선 검출기(113)의 제1SiPM 광검출기(115) 및 체외모듈(120)의 제2SiPM 광검출기(122)로 검출하여 전기신호를 얻는다. 이 후 제어부(160)에서 처리된 영상신호들은 일련의 과정을 거쳐 하나의 영상으로 나타나게 된다. 상기 감마선 검출에 사용할 수 있는 섬광결정(crystal scintillators)의 요건은 조해성이 없어야 하고, 자체 자연방사능을 포함해서는 안 되며 가능한한 섬광량이 많아야 하기 때문에 이러한 조건을 만족하는 섬광결정을 사용한다. 감마선 검출에 적합한 섬광량을 나타내는 섬광결정은 LYSO, GAGG, LaBr3(Ce), CsI(Na), NaI(Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO(Bi4Ge3O12), LSO(Lu2SiO5:Ce), YSO(Y2SiO5:Ce 및/또는 Tb), GSO(Ga2SiO5:Ce) 또는 LGSO(Lu1-xGdxSiO5)가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, when evanescent gamma rays are used, the gamma rays are converted into electrical signals through the second scintillation crystal 121 and the second SiPM photodetector 122 located inside the extracorporeal module 120, and the gamma ray detector 113 inside the composite image module 110 Signals can be collected by simultaneous detection along with electrical signals generated from Describing the gamma ray detection process, in order to obtain a gamma ray image, the functions of the objective lens unit 111 and the optical imaging unit 130 of the composite image module 110 are excluded, and the gamma ray from the tumor detection tracer integrated in the tumor is a gamma ray detector ( 113) is selected by the collimator 160 in the case of a single gamma ray with the first scintillation crystal 114, or reacts with the second scintillation crystal 121 of the extracorporeal module 120 in the case of extinction gamma rays to generate scintillation. . The flash of light is detected by the first SiPM photodetector 115 of the gamma ray detector 113 and the second SiPM photodetector 122 of the extracorporeal module 120 to obtain an electrical signal. Thereafter, the image signals processed by the controller 160 appear as one image through a series of processes. The crystal scintillators that can be used for the gamma ray detection are non-deliquescent, must not contain their own natural radioactivity, and must have as much scintillation as possible, so a scintillator that satisfies these conditions is used. Scintillation crystals showing the amount of scintillation suitable for gamma ray detection are LYSO, GAGG, LaBr3(Ce), CsI(Na), NaI(Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO(Bi 4 Ge 3 O 12 ), LSO(Lu 2 SiO 5 :Ce), YSO (Y 2 SiO 5 :Ce and/or Tb), GSO (Ga 2 SiO 5 :Ce), or LGSO (Lu 1-x GdxSiO 5 ) may be used, but is not limited thereto.
도 3은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 소멸 감마선 검출 모식도를 도시하고 있다. 단일 감마선이 아닌 소멸 감마선의 경우 환부에 투여된 방사성의약품에서 방출하는 양전자와 주의 음전자가 결합하여 소멸함에 따라 180도 방향으로 방출되므로 양 측면에 위치한 복합영상모듈(110)의 감마선 검출기(113) 및 체외모듈(120)로 감마선의 동시 검출이 가능하다. 3 shows a schematic diagram of the extinction gamma ray detection of the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention. In the case of extinguishing gamma rays, not single gamma rays, the positrons emitted from the radiopharmaceutical administered to the affected area and the negative electrons of the attention combine and disappear, so that they are emitted in the direction of 180 degrees, so the gamma ray detector 113 of the composite image module 110 located on both sides and simultaneous detection of gamma rays with the extracorporeal module 120.
도 4는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 광학영상촬영부(130)의 구조를 도시하고 있다. 복합영상모듈(110)의 전단에 위치한 대물렌즈부(111)에서 집속된 가시광선 및 근적외선 형광은 광학영상촬영부(130)내에 위치한 제1파장분리체(131)를 통해 가시광선과 근적외선 형광으로 분리된다. 500 ~ 700 nm 파장을 가진 가시광선은 반사하여 입사되는 근적외선 여기광원과 근적외선 방출 형광을 차단하고 선택적으로 가시광선을 투과하기 위해 제1광학대역필터(132)를 제1영상소자(133) 전단에 설치하여 가시광선 영상의 품질을 향상시킬 수 있다. 제1광학대역필터(132)의 통과 파장대는 780 ~ 800 nm 이하로 하여 근적외선 파장대에 해당하는 광선을 차단할 수 있고 제1광학대역필터(132)의 파장범위는 복합영상모듈(110)의 구성으로 인해 자유롭게 조정할 수 있다. 한편, 근적외선 형광은 제2광학대역필터(134) 및 제2영상소자(135)의 조합으로 획득할 수 있는데 제2광학대역필터(134)의 파장 범위는 근적외선 방출 형광의 파장대에 적합하도록 대역폭을 선택할 수 있으며 일반적으로 근적외선 형광단 중 인도시아닌그린(ICG)을 기준으로 할 때 800 ~ 835 nm의 대역폭이 되고 선택적으로 통과한 근적외선 방출 형광은 제2영상소자(135)에서 전기신호로 변환된다.4 shows the structure of the optical imaging unit 130 of the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention. The visible light and near-infrared fluorescence focused in the objective lens unit 111 located at the front end of the composite image module 110 are separated into visible light and near-infrared fluorescence through the first wavelength separator 131 located in the optical imaging unit 130. do. A first optical band filter 132 is installed in front of the first image element 133 to block visible light having a wavelength of 500 to 700 nm, thereby blocking incident near-infrared excitation light sources and near-infrared emission fluorescence, and selectively transmitting visible light. It can improve the quality of visible light image by installing it. The pass wavelength range of the first optical band filter 132 is 780 to 800 nm or less to block light rays corresponding to the near-infrared wavelength range, and the wavelength range of the first optical band filter 132 is composed of the composite image module 110 can be freely adjusted. On the other hand, near-infrared fluorescence can be obtained by a combination of the second optical band filter 134 and the second image element 135. The wavelength range of the second optical band filter 134 is set to a bandwidth suitable for the wavelength range of near-infrared emission fluorescence. It can be selected, and generally has a bandwidth of 800 ~ 835 nm when indocyanine green (ICG) is a reference among near-infrared fluorophores, and the selectively passed near-infrared emission fluorescence is converted into an electrical signal in the second imaging device 135 .
도 5는 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 복합영상모듈(110)의 전단에 구성된 광전송 시스템의 구조를 도시하고 있다. 복합영상모듈(110)은 대물렌즈부(111)를 내장하고 있으며 광원전송모듈(140)에서 전달되는 백색광 및 근적외선 여기광을 복합영상모듈(110)의 외측 벽에 구성된 광섬유 다발(141)을 통해 조사하여 반사되는 가시광선 및 근적외선 방출 형광을 수집한다. 내장된 대물렌즈부(111)의 보호를 위해 보호튜브(142)를 포함하고 있으며 외부 프레임(143)을 통해 복합영상모듈(110)에 설치된다. 또한 광원전송모듈(140)의 전달 없이 백색광과 근적외선 여기광을 직접 전송하기 위해 내부 백색광원(144) 및 내부 근적외선 여기광원(145)을 복합영상모듈(110) 전단에 부착하여 광원전송모듈(140)을 거치지 않고 직접 조사하거나 내부 백색광원(144) 및 근적외선 여기광원(145)을 외부에서 조사할 수 있다. 상기 광섬유 다발(141)의 재질 및 치수 등은 복합영상모듈(110)의 기하학적 구조에 따라 결정된다.FIG. 5 shows the structure of an optical transmission system configured at the front end of the composite image module 110 of the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention. The composite image module 110 has an objective lens unit 111 built in, and transmits white light and near-infrared excitation light transmitted from the light source transmission module 140 through the optical fiber bundle 141 formed on the outer wall of the composite image module 110. The visible light and near-infrared emission fluorescence reflected by irradiation are collected. It includes a protection tube 142 to protect the built-in objective lens unit 111 and is installed in the composite image module 110 through the outer frame 143. In addition, the internal white light source 144 and the internal near-infrared excitation light source 145 are attached to the front end of the composite image module 110 to directly transmit white light and near-infrared excitation light without the transmission of the light source transmission module 140. ) may be directly irradiated without passing through, or the internal white light source 144 and the near-infrared excitation light source 145 may be externally irradiated. The material and dimensions of the optical fiber bundle 141 are determined according to the geometric structure of the composite image module 110 .
도 6은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 광원전송모듈(140)의 구조를 도시하고 있다. 가시광선 수집을 위한 외부 백색광원(146)에서 발생되는 광선은 제1초점렌즈(148)를 거쳐 초점이 형성되고 이를 제3광학대역필터(150)를 통해 400 ~ 700 nm 파장대의 가시광선을 선택적으로 투과할 수 있도록 한다. 또한 외부 근적외선 여기광원(147)에서 발생한 근적외선 여기광은 제2초점렌즈(149)를 거쳐 초점이 형성된 후 제4 광학대역필터(151)를 통해 근적외선 형광단의 여기 파장범위에 맞춰 선택적으로 투과시킬 수 있다. 또한 광원전송모듈(140)의 중앙에 위치한 제2파장분리체(152)를 통해 가시광선을 반사하고 근적외선 여기광을 투과하여 제3초점렌즈(153)를 통해 집속되어 광섬유 전송부(154)로 전달하며 이를 복합영상모듈(110) 외측 벽에 위치한 광섬유 다발(141)로 보낼 수 있다. 상기 도 6의 제2파장분리체(152)는 파장분리 거울의 형태로 도시하였으나 마찬가지로 파장분리 프리즘도 사용가능하다. 6 shows the structure of the light source transmission module 140 of the composite video imaging system 100 for surgery of the present invention. The light rays generated from the external white light source 146 for collecting visible light are focused through the first focusing lens 148, and the visible light in the wavelength range of 400 to 700 nm is selectively transmitted through the third optical band filter 150. make it permeable. In addition, the near-infrared excitation light generated from the external near-infrared excitation light source 147 is focused through the second focusing lens 149 and then selectively transmitted through the fourth optical band filter 151 according to the excitation wavelength range of the near-infrared fluorophore. can In addition, visible light is reflected through the second wavelength separator 152 located at the center of the light source transmission module 140 and the near-infrared excitation light is transmitted and focused through the third focusing lens 153 to the optical fiber transmission unit 154. and can be sent to the optical fiber bundle 141 located on the outer wall of the composite image module 110. The second wavelength splitting body 152 of FIG. 6 is shown in the form of a wavelength splitting mirror, but a wavelength splitting prism may also be used.
도 7은 본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)의 제어부(160) 구성 및 영상 처리 과정을 나타내는 모식도이다. 복합영상모듈(110)의 감마선 검출기(113)에서 발생한 전기신호는 복합영상모듈 판별기(161)를 거쳐 노이즈를 제거 후 단일 감마선 데이터획득모듈(164)에서 디지털 신호로 변환된다. 또한 소멸 감마선의 경우 체외모듈(120)의 전기신호를 체외모듈 판별기(162)를 거쳐 노이즈를 제거하고 동시계수회로(163)을 거쳐 감마선 검출기(113)의 전기신호와 함께 동시 검출한다. 마찬가지로 동시 검출 신호는 소멸 감마선 데이터획득모듈(165)에서 디지털 신호로 변환된다. 광학영상촬영부(130)의 내부의 영상소자(133,135)에서 발생한 전기신호는 가시광선 데이터획득모듈(166)과 근적외선 형광 데이터획득모듈(167)을 통해 각각 디지털 신호로 변환한다. 감마선, 가시광선 및 근적외선 형광 정보를 포함한 디지털 신호는 제어부(160)에 포함된 영상 매칭 알고리즘(168)으로 처리되어 영상 정합 및 실시간 송출이 가능하다. 상기 매칭 알고리즘은 상기 단일 감마선 데이터획득모듈 및 소멸 감마선 데이터획득 모듈에서 발생한 디지털 신호를 정제하여 감마선 영상을 획득하고 가시광선 데이터획득모듈과 근적외선 형광 데이터획득모듈에서 발생한 디지털 신호를 영상 처리를 거쳐 실시간으로 융합 송출할 수 있다. 상기 감마선 검출기(113)와 체외모듈(120)의 전압 및 동작 조건 조절은 감마선 검출기 제어부(169)에서 이루어지며 가시광선 영상소자인 제1영상소자(133) 및 근적외선 형광 영상소자인 제2영상소자(135)의 노출시간, 이득값 등의 동작 조건은 상기 제어부(160) 내의 카메라 컨트롤 유닛(170)에 의해 상기 영상소자(133, 135)로 전달된다.7 is a schematic diagram showing the configuration of the control unit 160 and the image processing process of the composite video imaging system 100 for surgery according to the present invention. The electrical signal generated by the gamma ray detector 113 of the composite image module 110 is converted into a digital signal by the single gamma ray data acquisition module 164 after noise is removed through the composite image module discriminator 161. In addition, in the case of extinction gamma rays, the electrical signal of the extracorporeal module 120 is removed through the extracorporeal module discriminator 162 to remove noise, and the electrical signal of the gamma ray detector 113 is simultaneously detected through the simultaneous counting circuit 163. Similarly, the simultaneous detection signal is converted into a digital signal in the evanescent gamma ray data acquisition module 165. Electrical signals generated from the imaging devices 133 and 135 inside the optical imaging unit 130 are converted into digital signals through a visible ray data acquisition module 166 and a near-infrared fluorescence data acquisition module 167, respectively. Digital signals including gamma ray, visible ray, and near-infrared fluorescence information are processed by the image matching algorithm 168 included in the control unit 160, and image matching and real-time transmission are possible. The matching algorithm obtains a gamma ray image by purifying the digital signals generated from the single gamma ray data acquisition module and the evanescent gamma ray data acquisition module, and converts the digital signals generated from the visible ray data acquisition module and the near-infrared fluorescence data acquisition module through image processing in real time. Convergence can be sent. Voltage and operating conditions of the gamma ray detector 113 and the extracorporeal module 120 are controlled by the gamma ray detector controller 169, and the first image element 133, a visible ray image element, and the second image element, a near-infrared fluorescence image element Operating conditions such as exposure time and gain value of 135 are transferred to the image elements 133 and 135 by the camera control unit 170 in the controller 160 .
이하, 실험예를 통하여 본 발명을 더 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실험예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실험예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through experimental examples. However, the present invention is not limited to the experimental examples disclosed below, but can be implemented in a variety of different forms. It is provided to fully inform you.
실험예 1: 단일 감마선/가시광선/근적외선 형광 획득 실험Experimental Example 1: Single gamma ray/visible ray/near infrared ray fluorescence acquisition experiment
본 발명의 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)을 이용한 단일 감마선/가시광선/근적외선 형광 영상 획득을 위해 지금 약 5 mm의 구멍을 가진 플라스틱 팬텀에 ICG-DMSO 용액을 투여하고 아래 126 keV의 에너지를 가진 감마선을 방출하는 Co-57 선원을 위치하여 실험을 수행하였다. 그 결과, 단일 감마선(빨간색) 영상, 팬텀 영상, 및 근적외선 형광(초록색) 영상을 개별 획득 및 융합 영상을 획득하였다(도 8). For single gamma-ray/visible/near-infrared fluorescence image acquisition using the combined surgical video imaging system 100 of the present invention, an ICG-DMSO solution is now administered to a plastic phantom having a hole of about 5 mm, and energy of 126 keV below is applied. Experiments were performed by placing a Co-57 source that emits gamma rays with As a result, a single gamma-ray (red) image, a phantom image, and a near-infrared fluorescence (green) image were separately acquired and fused images were acquired (FIG. 8).
실험예 2: 소멸 감마선/가시광선/근적외선 형광 획득 실험Experimental Example 2: Extinction gamma ray/visible ray/near infrared ray fluorescence acquisition experiment
본 발명자들은 체외모듈(120)을 제작하여 상기 실험예 1과 동일한 방법으로 소멸 감마선/가시광선/근적외선 형광 영상을 획득하였으며 감마선 영상은 22-Na라는 동위원소를 이용하여 해당 선원에서 발생하는 소멸 감마선을 검출하였다. 그 결과, 선명한 소멸 감마선/가시광선/근적외선 형광의 복합영상을 획득하였다(도 9)The present inventors manufactured an extracorporeal module 120 and obtained evanescent gamma ray/visible ray/near infrared ray fluorescence images in the same manner as in Experimental Example 1. was detected. As a result, a composite image of clear extinction gamma ray/visible ray/NIR fluorescence was obtained (FIG. 9).
결론적으로, 종래에 근적외선 형광 유도 하 수술 시 근적외선 형광은 투과력이 약해 심부에 위치한 종양조직 또는 감시림프절을 절제하는데 어려움이 있었다. 감마선은 투과력이 좋아 근적외선이 가지는 단점을 보완할 수 있으나 체강(body cavity) 내에 삽입이 가능해야 하기 때문에 소형이지만 감마선 감도가 높고 공간 분해능이 우수하며 시야가 넓은 장치를 개발하기가 용이하지 않았고, 특히 수술 중 사용할 수 있는 장치여야 하기 때문에 실시간 영상을 제공해 줄 수 있는 고감도 영상장치를 개발하는 것이 용이하지 않았다. 또한, 감마선과 반응한 섬광, 가시광선 및 근적외선 형광의 광 경우 공유로 인해 감마선 검출기 및 영상소자들의 품질 저하가 발생하였다. 이에 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하고자 가시광선 및 근적외선 형광의 광 경로와 감마선 섬광 경로를 분리시켜 영상의 품질을 향상시킨 수술용 복합 비디오 영상시스템(100)을 개발하였다. 따라서 감마선, 가시광선 및 근적외선 형광을 각각 별도로 나타낼 수 있고 상기 삼중 영상이 융합된 영상을 빠른 시간에 제공할 수도 있어 근적외선 형광 유도 하 수술 시 높은 민감도와 특이도로 종양조직 또는 감시림프절 절제할 수 있고 불필요하게 광범위한 정상조직을 절제함으로써 발생되는 부작용을 줄일 수 있으므로 최적화된 의료 서비스를 제공하고 고령노인의 생활의 질을 크게 향상시킬 수 있다.In conclusion, in the prior art, near-infrared fluorescence has weak penetrating power during surgery under the guidance of near-infrared fluorescence, so it was difficult to excise tumor tissue or sentinel lymph nodes located in the deep region. Although gamma rays have good penetrating power, they can compensate for the disadvantages of near-infrared rays, but since they must be inserted into the body cavity, it is not easy to develop a device with high gamma-ray sensitivity, high spatial resolution, and wide field of view, although it is small. Since the device must be usable during surgery, it was not easy to develop a high-sensitivity imaging device capable of providing real-time images. In addition, the quality of gamma ray detectors and imaging devices has deteriorated due to the sharing of flash light, visible light, and near-infrared fluorescence light reacted with gamma rays. Accordingly, the inventors of the present invention developed a composite video imaging system 100 for surgery in which the quality of an image is improved by separating the optical path of visible and near-infrared fluorescence and the gamma-ray scintillation path in order to solve the above problems. Therefore, gamma rays, visible rays, and near-infrared fluorescence can be displayed separately, and images in which the three images are fused can be provided in a short time, so that tumor tissue or sentinel lymph node resection can be performed with high sensitivity and specificity during surgery under the guidance of near-infrared fluorescence, and it is unnecessary. Since side effects caused by resecting a wide range of normal tissues can be reduced, optimized medical services can be provided and the quality of life of the elderly can be greatly improved.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
100: 수술용 복합 비디오 영상시스템
110: 복합영상모듈 111: 대물렌즈부
112: 광학추적기 113: 감마선 검출기 114: 제1섬광결정
115: 제1SiPM 광검출기 116: 조준기
120: 체외모듈 121: 제2섬광결정 122: 제2SiPM 광검출기
130: 광학영상촬영부 131: 제1파장분리체 132: 제1광학대역필터
133: 제1영상소자 134: 제2광학대역필터 135: 제2영상소자
140: 광원전송모듈 141: 광섬유 다발 142: 보호튜브
143: 외부 프레임 144: 내부 백색광원 145: 내부 근적외선 여기광원
146: 외부 백색광원 147: 외부 근적외선 여기광원
148: 제1초점렌즈 149: 제2초점렌즈
150: 제3광학대역필터 151: 제4광학대역필터
152: 제2파장분리체 153: 제3초점렌즈 154: 광섬유 전송부
160: 제어부 161: 복합영상모듈 판별기 162: 체외모듈 판별기
163: 동시계수회로 164: 단일 감마선 데이터획득모듈
165: 소멸 감마선 데이터획득모듈
166: 가시광선 데이터획득모듈 167: 근적외선 형광 데이터획득모듈
168: 영상 매칭 알고리즘 169: 감마선 검출기 제어부
170: 카메라 컨트롤 유닛100: Complex video imaging system for surgery
110: composite image module 111: objective lens unit
112: optical tracker 113: gamma ray detector 114: first scintillation crystal
115: first SiPM photodetector 116: collimator
120: extracorporeal module 121: second scintillation crystal 122: second SiPM photodetector
130: optical imaging unit 131: first wavelength separator 132: first optical band filter
133: first image element 134: second optical band filter 135: second image element
140: light source transmission module 141: optical fiber bundle 142: protection tube
143: external frame 144: internal white light source 145: internal near-infrared excitation light source
146: external white light source 147: external near-infrared excitation light source
148: first focus lens 149: second focus lens
150: 3rd optical band filter 151: 4th optical band filter
152: second wavelength separator 153: third focal lens 154: optical fiber transmission unit
160: control unit 161: composite image module discriminator 162: extracorporeal module discriminator
163: simultaneous counting circuit 164: single gamma ray data acquisition module
165: extinction gamma ray data acquisition module
166: visible ray data acquisition module 167: near-infrared fluorescence data acquisition module
168: image matching algorithm 169: gamma ray detector control unit
170: camera control unit
Claims (9)
소멸 감마선을 사용하여 내부 감마선의 전기신호 및 상기 감마선 검출기에서 발생하는 감마선의 전기신호를 동시 검출하는 체외모듈;
가시광선 영상을 획득하기 위한 백색광 및 환부에 형광단을 여기시켜 근적외선 방출형광 영상을 획득하는 광원전송모듈; 및
상기 복합영상모듈의 감마선 검출기 및 체외모듈의 전기신호를 디지털 신호로 변환하는 데이터획득모듈, 상기 광학영상촬영부에서 생성된 전기신호를 디지털 신호로 변환하고 영상소자의 성능을 조절하는 카메라 컨트롤 유닛, 상기 데이터획득모듈의 영상 신호를 증폭하고 상기 체외모듈과 동시계수하여 영상신호를 표시하는 감마선 검출기 제어부, 및 상기 데이터획득모듈의 감마선 정보와 상기 카메라 컨트롤 유닛의 광학영상 정보를 처리하고 매칭 알고리즘으로 하나의 영상으로 정합하는 제어부를 포함하는, 수술용 복합 비디오 영상시스템.A gamma ray detector that generates an electrical signal by reacting with gamma rays emitted from radioactive substances administered to the affected area, a single or multiple optical lenses are provided therein to focus visible light and near-infrared fluorescence, and transmit the objective lens unit to the optical imaging unit, An optical imaging unit that separates the transmitted visible and near-infrared fluorescence by wavelength and converts them into electrical signals in an imaging device, and an optical tracker that recognizes the position and angle of the electrical signals to reconstruct and match images in real time. composite image module;
an extracorporeal module that simultaneously detects electrical signals of internal gamma rays and electrical signals of gamma rays generated by the gamma ray detector using evanescent gamma rays;
a light source transmission module for obtaining a near-infrared emission fluorescence image by exciting white light and a fluorophore in the affected area to obtain a visible ray image; and
A data acquisition module converting electrical signals of the gamma ray detector and the extracorporeal module of the composite imaging module into digital signals, a camera control unit converting electrical signals generated by the optical imaging unit into digital signals and adjusting the performance of imaging devices, A gamma ray detector control unit that amplifies the image signal of the data acquisition module and simultaneously counts with the extracorporeal module to display the image signal; A composite video imaging system for surgery, including a control unit matching the image of.
상기 감마선 검출기는 종양에 집적된 종양 탐지 추적자와 반응하여 섬광을 발생시키는 제1섬광결정; 및
상기 섬광 신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 제1SiPM 광검출기를 포함하는, 수술용 복합 비디오 영상시스템.According to claim 1,
The gamma ray detector includes a first scintillation crystal generating scintillation in response to a tumor detection tracer integrated in a tumor; and
A composite video imaging system for surgery, comprising a first SiPM photodetector for converting the flash signal into an electrical signal and detecting it.
상기 섬광결정은 LYSO, GAGG, LaBr3(Ce), CsI(Na), NaI(Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO(Bi4Ge3O12), LSO(Lu2SiO5:Ce), YSO(Y2SiO5:Ce and/or Tb), GSO(Ga2SiO5:Ce) 또는 LGSO(Lu1-xGdxSiO5)인, 수술용 복합 비디오 영상시스템.According to claim 2,
The scintillation crystal is LYSO, GAGG, LaBr3(Ce), CsI(Na), NaI(Tl), YAP:Ce, CdTe, BGO (Bi 4 Ge 3 O 12 ), LSO (Lu 2 SiO 5 :Ce), YSO (Y 2 SiO 5 :Ce and/or Tb), GSO (Ga 2 SiO 5 :Ce) or LGSO (Lu 1-x GdxSiO 5 ), a composite video imaging system for surgery.
상기 섬광결정은 구분(pixelated) 또는 일체(monolithic)형인, 수술용 복합 비디오 영상시스템.According to claim 3,
The scintillation crystal is a pixelated or monolithic type, a composite video imaging system for surgery.
상기 광학영상촬영부는 대물렌즈부에 집속된 가시광선 및 근적외선 형광을 분리하는 제1파장분리체;
근적외선 여기광원과 근적외선 방출 형광을 차단하고 가시광선 신호를 선택적으로 투과시키는 제1광학대역필터;
상기 가시광선 신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 제1영상소자;
가시광선 신호를 차단하고 근적외선 방출 형광 신호를 선택적으로 투과시키는 제2광학대역필터; 및
상기 근적외선 방출 형광 신호를 전기신호로 변환하여 검출하는 제2영상소자를 포함하는, 수술용 복합 비디오 영상시스템. According to claim 1,
The optical imaging unit includes a first wavelength separator for separating visible light and near-infrared fluorescence focused on the objective lens unit;
a first optical band filter that blocks a near-infrared excitation light source and near-infrared emission fluorescence and selectively transmits a visible ray signal;
a first image element that converts the visible ray signal into an electrical signal and detects it;
a second optical band filter that blocks visible light signals and selectively transmits near-infrared emission fluorescence signals; and
A composite video imaging system for surgery comprising a second image element for converting and detecting the near-infrared emission fluorescence signal into an electrical signal.
상기 광원전송모듈은 가시광선을 생성하는 외부 백색광원;
상기 가시광선의 초점을 형성하는 제1초점렌즈;
가시광선을 선택적으로 투과시키는 제3광학대역필터;
근적외선 여기광을 생성하는 외부 근적외선 여기광원;
상기 근적외선 여기광의 초점을 형성하는 제2초점렌즈;
근적외선 여기광을 선택적으로 투과시키는 제4광학대역필터;
가시광선을 반사하고 근적외선 여기광을 투과시키는 제2파장분리체;
투과된 근적외선 여기광의 초점을 형성하는 제3초점렌즈; 및
상기 근적외선 여기광을 광섬유 다발로 전송하는 광섬유 전송부를 포함하는, 수술용 복합 비디오 영상시스템.According to claim 1,
The light source transmission module includes an external white light source generating visible light;
a first focusing lens forming a focus of the visible light;
a third optical band filter that selectively transmits visible light;
an external near-infrared excitation light source generating near-infrared excitation light;
a second focusing lens forming a focus of the near-infrared excitation light;
a fourth optical band filter that selectively transmits near-infrared excitation light;
a second wavelength separator that reflects visible light and transmits near-infrared excitation light;
a third focusing lens forming a focus of the transmitted near-infrared excitation light; and
A composite video imaging system for surgery comprising an optical fiber transmission unit for transmitting the near-infrared excitation light to an optical fiber bundle.
상기 제1파장분리체 및 제2파장분리체는 파장분리 거울 또는 파장분리 프리즘인, 수술용 복합 비디오 영상시스템.According to claim 5 or 6,
Wherein the first wavelength splitter and the second wavelength splitter are wavelength splitting mirrors or wavelength splitting prisms, a composite video imaging system for surgery.
상기 대물렌즈부에 사용되는 렌즈는 볼록렌즈(convex lens), 오목렌즈(concave lens), 비구면 렌즈(aspheric lens) 또는 반월 렌즈(meniscus lens)인, 수술용 복합 비디오 영상시스템. According to claim 1,
The lens used in the objective lens unit is a convex lens, a concave lens, an aspheric lens, or a meniscus lens.
상기 영상소자는 전하결합소자(CCD) 또는 보완 금속 산화물 반도체(CMOS)인, 수술용 복합 비디오 영상시스템.
According to claim 1,
The imaging device is a charge-coupled device (CCD) or complementary metal oxide semiconductor (CMOS), a composite video imaging system for surgery.
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Legal Events
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