OCT 시스템의 SNR 향상을 위한 간섭계 개선에 관한 연구 A Study on the Interferometer Configuration for Improvement of Signal-to-Noise Ratio of Optical Coherence Tomography System원문보기
본 논문은 인체에 무해하며 고분해능의 단층영상과 저가격 및 소형으로 제작이 가능하여 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 광영상 단층촬영기(Optical coherence tomography system : OCT)에 관한 것이다. 이러한 OCT시스템은 검출되는 신호가 매우 미약하여 신호처리 및 영상화에 많은 어려움을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 간섭계의 개선을 통해 신호대 잡음비(Signal to noise ration : SNR)가 향상되도록 하였다. OCT 시스템의 SNR 향상을 위하여 광원의 입력단에 광서큘레이터를 첨가하여 광원부에서 손실되는 단층영상신호를 검출할 수 있도록 간섭계를 개선하였다. SNR 특성평가로는 시뮬레이션을 통한 비교 분석과 기준 샘플의 측정값을 통해 확인하였다. 또한 측정된 데이터의 실시간 영상화를 위한 영상처리 프로그램을 구성하였다. 시뮬레이션 결과로는 개선된 마이켈슨 간섭계가 약 10[dB] 개선됨을 확인하였으며, 기준시편을 이용하여 측정한 결과로는 약 5[dB]가 개선됨을 확인하였다. 개선된 마이켈슨 간섭계를 이용한 OCT 시스템이 보다 높은 대비도로 인해 선명도가 뛰어난 단층을 영상을 얻을 수 있음을 확인 하였다.
본 논문은 인체에 무해하며 고분해능의 단층영상과 저가격 및 소형으로 제작이 가능하여 전세계적으로 많은 연구가 진행되고 있는 광영상 단층촬영기(Optical coherence tomography system : OCT)에 관한 것이다. 이러한 OCT시스템은 검출되는 신호가 매우 미약하여 신호처리 및 영상화에 많은 어려움을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 간섭계의 개선을 통해 신호대 잡음비(Signal to noise ration : SNR)가 향상되도록 하였다. OCT 시스템의 SNR 향상을 위하여 광원의 입력단에 광서큘레이터를 첨가하여 광원부에서 손실되는 단층영상신호를 검출할 수 있도록 간섭계를 개선하였다. SNR 특성평가로는 시뮬레이션을 통한 비교 분석과 기준 샘플의 측정값을 통해 확인하였다. 또한 측정된 데이터의 실시간 영상화를 위한 영상처리 프로그램을 구성하였다. 시뮬레이션 결과로는 개선된 마이켈슨 간섭계가 약 10[dB] 개선됨을 확인하였으며, 기준시편을 이용하여 측정한 결과로는 약 5[dB]가 개선됨을 확인하였다. 개선된 마이켈슨 간섭계를 이용한 OCT 시스템이 보다 높은 대비도로 인해 선명도가 뛰어난 단층을 영상을 얻을 수 있음을 확인 하였다.
As a noninvasive imaging method, optical coherence tomography system has been extensively studied because it has some advantages such as imaging of high resolution, low cost, and compact size configuration. In order to improve the SNR of OCT system, two types of interferometers were configured and t...
As a noninvasive imaging method, optical coherence tomography system has been extensively studied because it has some advantages such as imaging of high resolution, low cost, and compact size configuration. In order to improve the SNR of OCT system, two types of interferometers were configured and then, we compared simulation with measurement of reference sample. In the OCT system is configured with Michelson interferometer, the contrast of cross-sectional image is reduced with low SNR detection which is due to loss of feedback interference signal from light source part. Also, in order to image measured data with real time, image processing program is constructed. From results of simulation, it is confirmed that improved Michelson interferometer is improved about 10[dB] with a 50 : 50 fiber coupler. And from the measurement of reference sample, about 5[dB] is improved with a 50 : 50 fiber coupler. It is confirmed that the OCT system is configured with the improved Michelson interferometer which has a good distinctive cross-sectional image due to higher contrast.
As a noninvasive imaging method, optical coherence tomography system has been extensively studied because it has some advantages such as imaging of high resolution, low cost, and compact size configuration. In order to improve the SNR of OCT system, two types of interferometers were configured and then, we compared simulation with measurement of reference sample. In the OCT system is configured with Michelson interferometer, the contrast of cross-sectional image is reduced with low SNR detection which is due to loss of feedback interference signal from light source part. Also, in order to image measured data with real time, image processing program is constructed. From results of simulation, it is confirmed that improved Michelson interferometer is improved about 10[dB] with a 50 : 50 fiber coupler. And from the measurement of reference sample, about 5[dB] is improved with a 50 : 50 fiber coupler. It is confirmed that the OCT system is configured with the improved Michelson interferometer which has a good distinctive cross-sectional image due to higher contrast.
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문제 정의
본 논문에서는 OCT 시스템의 SNR 향상을 위하여 광원의 입력단에 광서큘레이터를 첨가하여 광원부에서 손실되는 단층영상신호를 검출할 수 있도록 간섭계를 개선하였다. SNR 특성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 통한 이득특성과 측정값에 의한 이득 특성을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 광섬유를 이용한 OCT 시스템의간섭계 개선을 통하여 SNR 향상을 위한 것이다. SN특성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 통한 이득특성과 기준시편을 이용한 비교 분석을 하였다.
제안 방법
개선하였다. SNR 특성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 통한 이득특성과 측정값에 의한 이득 특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션을 통한 비교특성에서 개선된 마이켈슨 간섭계가 전체 평균이득이약 10[dB] 이상 개선됨을 확인하였으며, 기준시편을 통한 측정값에서는 5[dB] 이상 개선됨을 확인하였다.
것이다. SN특성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 통한 이득특성과 기준시편을 이용한 비교 분석을 하였다. OCT 시스템의 SNR 향상을 통해 단층영상의 선명도 및 샘플의 측정범위를 향상 할 수 있다
각각의 간섭계에 따른 OCT 시스템을 구성한 후실제 시스템의 이득 특성을 살펴보았다. 먼저 기준샘플로는 150[]의 폭을 가진 cover glass에 50M 의 폭을 가지는 유리테이프를 5장 붙여 광 커플러의 나눔 비에 따른 이득 특성을 각각 측정하였다.
개선된 간섭계의 SNR 특성을 확인하기 위하여 수치해석을 통하여 비교 분석하였다. SNRe 수식 (3)과 같이 정의 할 수 있다.
매우 작다. 따라서 SNR을 높이기 위해서 입력광이 그 이웃의한 단자에서만 출력광으로 나오는 광서큘레이터를 이용함으로써 광원 부에서 손실되는 단층 영상신호를 수광부에서 모두 검출하는 발란스 검출방식을 이용함으로써 SNR을 향상하도록 하였다. 또한 광커플러 나눔비에 따른 영상특성을 측정하기 위해 광커플러의 나눔비에 대한 특성을 측정하기 위하여 10 : 90-90 : 10 에서 10[%]로씩 나눔 비를 변화한 광커플러를 이용하여 측정하였다.
따라서 SNR을 높이기 위해서 입력광이 그 이웃의한 단자에서만 출력광으로 나오는 광서큘레이터를 이용함으로써 광원 부에서 손실되는 단층 영상신호를 수광부에서 모두 검출하는 발란스 검출방식을 이용함으로써 SNR을 향상하도록 하였다. 또한 광커플러 나눔비에 따른 영상특성을 측정하기 위해 광커플러의 나눔비에 대한 특성을 측정하기 위하여 10 : 90-90 : 10 에서 10[%]로씩 나눔 비를 변화한 광커플러를 이용하여 측정하였다. 그림 2 는 OCT 시스템의 각각에 간섭계에 대한 구성도를 나타낸 것이다.
시스템의 이득 특성을 살펴보았다. 먼저 기준샘플로는 150[]의 폭을 가진 cover glass에 50M 의 폭을 가지는 유리테이프를 5장 붙여 광 커플러의 나눔 비에 따른 이득 특성을 각각 측정하였다.
또한 기준거울은 광이 수직으로 입력시 l(100~l, 500[nm] 에서 파장범위에서 99[%]이상의 반사율을 가진다. 스캐너는 샘플의 한지점에 대한 측방향의 내부 신호검출 후 샘플의 2차원 단층영상을 얻기 위하여 횡방향 이동을 위해 스텝모터를 이용하였다.
광지연 선로부는 샘플에서 발생한 산란 및 반사광과의 광경로 일치가 필요하다. 이러한 광경로 일치를 위하여 기준거울이 부착된 스테이지 가스텝모터에 의해서 선형적으로 이동하는 방식을 이용하였다. 또한 기준거울은 광이 수직으로 입력시 l(100~l, 500[nm] 에서 파장범위에서 99[%]이상의 반사율을 가진다.
검출된 신호는 DC 신호성분에 AC 신호성분이 포함되어 있는형태이며 잡음과 높은 주파수의 간섭신호가 혼합된소신호로 검출된다. 이러한 신호를 필터와 증폭을통해 간섭신호의 포락선 형태만을 검출하여 컨버터를 이용하여 디지털화된 신호를 이용하여 단층영상을 나타낸다.
대상 데이터
통해 전기적 신호로 변환된다. 검출된 신호는 DC 신호성분에 AC 신호성분이 포함되어 있는형태이며 잡음과 높은 주파수의 간섭신호가 혼합된소신호로 검출된다. 이러한 신호를 필터와 증폭을통해 간섭신호의 포락선 형태만을 검출하여 컨버터를 이용하여 디지털화된 신호를 이용하여 단층영상을 나타낸다.
따라서 광원으로는 넓은 대역폭에 따른 출력 세기가 높은 SLD(Superluminecent diode)를 사용하였으며 중심 주파수가 l, 285[mm] 이고 반치폭 (Full-width-half-maximum : FWHM) 이 35.3[nm] 이며 260[㎃]의 주입전류 약 2.7[㎽]출력세기를 가지는 러시아 SUPER RUM사의 상용제품을 사용하였다. 수광부는 샘플에서 반사 및 산란광에 의해 되돌아온 광과 광지연선로부의 기준거울에 반사된 광에서 발생된 간섭신호는 매우 미약하므로 검출 감도가 뛰어나며 잡음특성이 우수한800~l, 700[mn] 측정범위를 가지는 NEW FOCUS 사의 MODEL 2017을 사용하였다.
7[㎽]출력세기를 가지는 러시아 SUPER RUM사의 상용제품을 사용하였다. 수광부는 샘플에서 반사 및 산란광에 의해 되돌아온 광과 광지연선로부의 기준거울에 반사된 광에서 발생된 간섭신호는 매우 미약하므로 검출 감도가 뛰어나며 잡음특성이 우수한800~l, 700[mn] 측정범위를 가지는 NEW FOCUS 사의 MODEL 2017을 사용하였다. 광지연 선로부는 샘플에서 발생한 산란 및 반사광과의 광경로 일치가 필요하다.
데이터처리
마이켈슨 간섭계의 간섭비에 따른 신호대 잡음 비를 계산하기 위해서 위의 신호원 관계식과 잡음의 관계식을 이용하여 Matlab 프로그램을 통한 시뮬레이션을 하였다].
성능/효과
개선된 마이켈슨 간섭계의 영상특성이 뛰어남을 확인할 수 있었다.
둘째, Xray처럼 생체 이온화를 야기시키지 않으므로 인체에 무해하다. 세째, 극초단 펄스 레이저를 광원으로 사용하면 초음파 단층촬영기를 훨씬 능가하는 sub-micro 급 고분해능 영상을 얻을 수 있다. 넷째, 특정한 파장을 사용하여 기능성이 추가된 fMRKFunctional magnetic resonan ce imaging : fMRI) 처럼 기능적정보를 얻어낼 수 있으며, 이는 화학적인 구성성분의 분석에도 이용이 가능하다.
수식(4), (5)와 같이 발란스 검출방식 즉 개선된마이켈슨 간섭계의 경우 약 2개의 검출기에서 검출되는 신호의 평균화를 통해 4배의 SNR특성이 개선됨을 수식에서 확인할 수 있다.
여기서 X축은 광커플러의 나눔비를 나타내는 것으로 1에 가까워 질수록 광지연선로부로 광나눔비가 증가함을 의미하며, Y축은 시뮬레이션에 의한 신호대 잡음비의이득을 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과에 의하면개선된 마이켈슨 간섭계가 전체적으로 10[dB] 정도개선됨을 확인할 수 있었다.
SNR 특성을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 통한 이득특성과 측정값에 의한 이득 특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션을 통한 비교특성에서 개선된 마이켈슨 간섭계가 전체 평균이득이약 10[dB] 이상 개선됨을 확인하였으며, 기준시편을 통한 측정값에서는 5[dB] 이상 개선됨을 확인하였다. 시뮬레이션과 측정값에 의한 이득차이는 시뮬레이션시 각각의 간섭계에서 발생하는 전체 컨넥터 손실과 샘플에 대한 반사계수 광지연선로부 및 스캐너부의 광입출력단자에서 발생하는 손실값에 대한 오차로 사료된다.
첫째, 비절개적인 방법을 통하여 실시간으로 생체 내부의 단층 촬영이 가능하다. 둘째, Xray처럼 생체 이온화를 야기시키지 않으므로 인체에 무해하다.
측정결과 측정곡선은 시뮬레이션에 의한 값과 유사하였으며, 약 5[dB]가 개선됨을 확인할 수 있다. 그러나 시뮬레이션과 기준시편을 통한 전체 이득의 차이의 원인으로는 광섬유 결합시 컨넥터에서 발생하는 손실값과 광지연선로부 및 스캐너부의 광섬유 입출력 단자에서 발생하는 손실값을 시뮬레이션 계산시 고려하지 않은 결과이며, 또한 나눔비에 따른 광커플러의 교환시 정렬에 의한 오차로 사료된다.
후속연구
개선된 마이켈슨 간섭계형 OCT 시스템은 SNR 향상으로 인하여 단층내부를 보다 선명하게 측정할 수 있으며, 샘플에 대한 측정 범위도 향상될 수 있을 것이다.
참고문헌 (9)
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