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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 다채널 동시측정 시스템의 구현을 위해 시스템의 구성이 상대적으로 단순하고 적은 비용으로 구현이 가능한 IQ-복조기를 이용한 호모다인 검출기법을 채택하여 주파수영역 DOI 시스템을 제작하였다.
- 본 논문에서는 4개의 검출기 세트들을 이용하여 동시에 검출신호를 획득하는 주파수영역 DOI 시스템을 제작하였다. 측정된 신호로부터 진폭 및 위상을 추출하기 위해 IQ-복조기를 사용함으로써 호모다인 검출기법을 적용하였으며, 이때 각 검출기들이 가지는 고유의 진폭감쇄 및 위상지연 특성을 기준 검출기(reference detector)와의 상대적 결합계수로 정의하여 나머지 검출기들의 측정값에 적용함으로써 각 검출기들의 측정값을 정규화하여 보정해 주었다.
제안 방법
- 검출신호의 진폭 및 위상을 추출하기위해 IQ-복조기(In-phase & Quadrature demodulator)를 사용하는 호모다인(homodyne) 검출기법을 적용하였고, 4 개의 검출기 사이의 측정 편차를 하나의 검출기를 기준으로 나머지 3 개의 검출기를 상대적으로 보정(calibration)하는 방법을 채택하였으며, 액체팬텀에 이형성분(anomaly)을 삽입한 후 측정한 데이터로부터 흡수계수 및 산란계수 분포영상을 복원하였다.
- 광원으로는 785 nm 파장에서 최대 50 mW의 광출력을 가지는 레이저 다이오드(Hitachi, HL7851G)를 사용하였으며, LD드라이버(Thorlabs, EK101)에서 공급되는 직류 구동전류와 신호발생기(Aeroflex, 2023A)에서 생성된 70 MHz의 정현파 신호를 Bias-Tee(Mini-circuits, ZFBT-4R2G)를 통해 결합하여 LD에 공급함으로써 광 강도변조(intensity modulation)를 실행하여 DOI의 광원으로 사용이 가능한 70 MHz의 주파수를 가지는 DPDW(diffuse photon density wave)를 생성하였다. 이를 pigtailed LD-to-Fiber 결합기(OzOptics, LDPC-01)를 이용하여 광섬유를 통해 측정대상인 액체팬텀에 조사하였다.
- 광원으로부터 액체팬텀 내부로 조사된 빛은 흡수 및 산란의 과정을 겪으면서 확산되어 그 일부가 다시 외부로 나오게되며, 본 시스템에서는 이를 검출하기 위해 APD(Hamamatsu, C5331-30)를 사용하였고 변환된 전기신호를 증폭시키기 위해 APD의 출력단에 RF증폭기(Mini-circuits, ZFL-500HLN+)를 연결하였다. 이와 같이 획득한 검출신호로부터 진폭 및 위상 정보를 추출하기 위해 IQ-복조기(Mini-circuits, ZFMIQ-70D)를 사용하였으며, IQ-복조기의 두 출력단에서는 고조파성분을 제거하기 위해 차단주파수가 56 Hz인 2차 Sallen-Key Butterworth 저역통과필터를 자체 제작하여 연결함으로써 Idc, Qdc 값을 획득하였다.
- 35 ml를 1502 ml의 물에 혼합하여 총 1525 ml 용량으로 제작하였다. 균질한(homogeneous) 광학적 특성을 가지는 액체팬텀 표면상에서, 4개의 검출기 세트에 연결된 광섬유 프로브들을 각각 광원으로부터 수평방향으로 20 mm의 거리에서 5 mm 간격으로 늘려가며 55 mm까지 광세기를 측정하였다. 검출된 신호의 진폭 및 위상의 기울기가 거의 일정한 것은 주어진 범위의 거리 내에서는 모두 선형적인 측정이 가능함을 의미한다(그림 3).
- 한편, 다른 명칭인 확산광 단층촬영(DOT, Diffuse Optical Tomography)은 통상적으로 실제 3차원 이미지를 생산하고, 단층 슬라이스의 영상을 실시간으로 제공할 때 사용할 수 있다[1]. 그러므로, 본 논문에서는 보다 광범위한 의미의 DOI를 사용하기로 한다.
- 본 논문에서는 광섬유, 광검출기(APD 와 RF증폭기) 및 검출회로(IQ-복조기 와 저역통과필터)로 구성된 검출기 세트 4개를 사용하여 서로 다른 4 곳의 위치에서 동시측정을 수행하고, 다시 광원의 위치를 변경하는 방식으로 총 채널수를 16채널로 확장함으로써 측정 데이터간의 시간차에 의한 오차를 최소화 할 수 있는 주파수영역(frequency-domain) DOI시스템을 제작하였다. 검출신호의 진폭 및 위상을 추출하기위해 IQ-복조기(In-phase & Quadrature demodulator)를 사용하는 호모다인(homodyne) 검출기법을 적용하였고, 4 개의 검출기 사이의 측정 편차를 하나의 검출기를 기준으로 나머지 3 개의 검출기를 상대적으로 보정(calibration)하는 방법을 채택하였으며, 액체팬텀에 이형성분(anomaly)을 삽입한 후 측정한 데이터로부터 흡수계수 및 산란계수 분포영상을 복원하였다.
- 3333px;">s′ 값들이 우리가 구하고자 했던 매질 내부에서의 미지(unknown)의 광학적 특성에 해당되며, 이를 2차원 혹은 3차원 배열로 표현함으로써 직관적인 분석이 용이한 영상을 획득할 수 있다. 본 논문에서는 복잡한 구조를 가지는 해석영역에 대하여 유연하게 적용이 가능하고 연산속도가 상대적으로 빠른 FEM을 기반으로 하는 NIR optical imaging 모델링 및 영상복원 소프트웨어[11]에 본 실험의 측정치를 적용하여 흡수계수 및 산란계수의 분포를 계산함으로써 그 분포영상을 획득하였다.
- 생체조직을 모사하기 위한 팬텀은 광학적 특성의 조절이 용이한 액체팬텀으로 구성하였다. 액체팬텀의 산란계수는 400~1100 nm의 파장영역에 대한 산란 특성이 잘 분석되어 있는 Intralipid(정제 대두유)를 이용하여 구현하였고[5, 13], 흡수계수는 분광계(Ocean Optics, USB2000)를 이용하여 흑색 잉크의 흡수도를 측정하여 구현하였다[5].
- 이와 같이 획득한 검출신호로부터 진폭 및 위상 정보를 추출하기 위해 IQ-복조기(Mini-circuits, ZFMIQ-70D)를 사용하였으며, IQ-복조기의 두 출력단에서는 고조파성분을 제거하기 위해 차단주파수가 56 Hz인 2차 Sallen-Key Butterworth 저역통과필터를 자체 제작하여 연결함으로써 Idc, Qdc 값을 획득하였다. 여기서, 4곳의 서로 다른 위치에서 동시측정을 수행하기 위해 1000 ㎛ 코어의 측정용 광섬유(Thorlabs, M30L02)에서부터 APD, RF증폭기, IQ-복조기 및 LPF까지를1개의 검출기 세트로 하여, 총 4개의 세트를 제작하였다. Idc, Qdc의 측정에는 대표적인 데이터 수집 장치인 DAQ(NI, PCI-6040E)를 사용하였으며, NI LabVIEW 소프트웨어를 이용해 측정 인터페이스를 구현하였고 식 (8), (9)에 근거하여 진폭 및 위상을 계산하였다.
- 영상복원에 필요한 데이터 수집을 위해 첫 번째로 Detector1 만을 이용한 순차측정 방법, 두 번째로 4개의 검출기를 이용하여 동시측정과 순차측정을 혼용한 방법의 두 가지 경우에 대하여 실험을 수행하였으며, 각 실험에서의 광원 및 광검출기의 위치 배열을 표 1에 나타내었다. 이때 두 방법의 영상 복원 성능 비교를 위해 동일하게 16채널 측정을 수행하였다.
- 영상복원에 필요한 데이터 수집을 위해 첫 번째로 Detector1 만을 이용한 순차측정 방법, 두 번째로 4개의 검출기를 이용하여 동시측정과 순차측정을 혼용한 방법의 두 가지 경우에 대하여 실험을 수행하였으며, 각 실험에서의 광원 및 광검출기의 위치 배열을 표 1에 나타내었다. 이때 두 방법의 영상 복원 성능 비교를 위해 동일하게 16채널 측정을 수행하였다.
- 이러한 정규화를 위한 측정값의 보정에 있어서, 측정신호의 진폭 및 위상은 광원으로부터 출력된 빛의 진폭 및 위상에 대한 상대적인 응답이므로, 본 논문에서는 그 값을 측정하기가 매우 어려운 절대적(absolute) 결합계수의 보정방법 대신에 4개의 검출기 세트 중 Detector1의 진폭 및 위상을 기준으로 하는 상대적(relative) 결합계수를 고려하여 Detector2~4에 대한 보정이 이루어지도록 하였으며, 광원단의 결합계수는 단일 광원을 사용하였기 때문에 모두 동일하므로 별도로 고려하지 않았다. 또한 식 (8), (9)로부터 알 수 있듯이 Idc, Qdc값이 동일하다면 진폭 및 위상도 동일하므로, 본 논문에서는 결합계수의 보정을 진폭 및 위상에 적용하는 대신 실제 측정 데이터인 Idc, Qdc에 직접 적용하였으며, 각 검출기에 대한 결합계수는 식 (11), (12)와 같이 계산하였다.
- 광원으로는 785 nm 파장에서 최대 50 mW의 광출력을 가지는 레이저 다이오드(Hitachi, HL7851G)를 사용하였으며, LD드라이버(Thorlabs, EK101)에서 공급되는 직류 구동전류와 신호발생기(Aeroflex, 2023A)에서 생성된 70 MHz의 정현파 신호를 Bias-Tee(Mini-circuits, ZFBT-4R2G)를 통해 결합하여 LD에 공급함으로써 광 강도변조(intensity modulation)를 실행하여 DOI의 광원으로 사용이 가능한 70 MHz의 주파수를 가지는 DPDW(diffuse photon density wave)를 생성하였다. 이를 pigtailed LD-to-Fiber 결합기(OzOptics, LDPC-01)를 이용하여 광섬유를 통해 측정대상인 액체팬텀에 조사하였다.
- 측정된 신호로부터 진폭 및 위상을 추출하기 위해 IQ-복조기를 사용함으로써 호모다인 검출기법을 적용하였으며, 이때 각 검출기들이 가지는 고유의 진폭감쇄 및 위상지연 특성을 기준 검출기(reference detector)와의 상대적 결합계수로 정의하여 나머지 검출기들의 측정값에 적용함으로써 각 검출기들의 측정값을 정규화하여 보정해 주었다. 이를 바탕으로 여러 개의 검출기를 이용한 동시측정시에도 거리에 따른 진폭 및 위상의 선형성이 유지되도록 하였다. 단일 검출기 만을 이용하여 순차측정을 수행했을 경우와 4개의 검출기를 모두 이용한 동시측정 방법을 적용했을 경우의 복원영상을 비교함으로써, 여러 개의 검출기를 이용한 동시측정 기술이 주파수영역 DOI 시스템의 영상복원 성능에 개선효과를 가지고 있음을 확인할 수 있었다.
- 이와 같이 획득한 검출신호로부터 진폭 및 위상 정보를 추출하기 위해 IQ-복조기(Mini-circuits, ZFMIQ-70D)를 사용하였으며, IQ-복조기의 두 출력단에서는 고조파성분을 제거하기 위해 차단주파수가 56 Hz인 2차 Sallen-Key Butterworth 저역통과필터를 자체 제작하여 연결함으로써 Idc, Qdc 값을 획득하였다.
- 본 논문에서는 4개의 검출기 세트들을 이용하여 동시에 검출신호를 획득하는 주파수영역 DOI 시스템을 제작하였다. 측정된 신호로부터 진폭 및 위상을 추출하기 위해 IQ-복조기를 사용함으로써 호모다인 검출기법을 적용하였으며, 이때 각 검출기들이 가지는 고유의 진폭감쇄 및 위상지연 특성을 기준 검출기(reference detector)와의 상대적 결합계수로 정의하여 나머지 검출기들의 측정값에 적용함으로써 각 검출기들의 측정값을 정규화하여 보정해 주었다. 이를 바탕으로 여러 개의 검출기를 이용한 동시측정시에도 거리에 따른 진폭 및 위상의 선형성이 유지되도록 하였다.
대상 데이터
- 그림 7은 y = 15 mm로부터 5 mm 간격으로 y = -15 mm까지 총 7회에 걸쳐 표 1(b)의 동시측정 방법을 적용하여 각 각의 슬라이스(slice) 단면에 대한 영상복원을 수행한 결과이다. 여기서 이형성분은 그림 7(a)에서 보이는 바와 같이 (0, 0, -10)에 위치하였으며, 흑색 페인트로 도색된 1 cm3 크기의 정육면체 나무를 사용하였다. 그림 7(b)는 흡수계수 μa의 단층영상을, 그림 7(c)는 산란계수 μ 생체조직을 모사하기 위한 팬텀은 광학적 특성의 조절이 용이한 액체팬텀으로 구성하였다. 액체팬텀의 산란계수는 400~1100 nm의 파장영역에 대한 산란 특성이 잘 분석되어 있는 Intralipid(정제 대두유)를 이용하여 구현하였고[5, 13], 흡수계수는 분광계(Ocean Optics, USB2000)를 이용하여 흑색 잉크의 흡수도를 측정하여 구현하였다[5].
- 실험에 사용한 액체팬텀은 흡수계수 μa=0.004 mm-1, 산란계수 μs'=0.004 mm-1의 값을 가지도록 Intralipid-20% 22.5 ml, 1% 희석 흑색잉크 0.35 ml를 1502 ml의 물에 혼합하여 총 1525 ml 용량으로 제작하였다.
데이터처리
- 여기서, 4곳의 서로 다른 위치에서 동시측정을 수행하기 위해 1000 ㎛ 코어의 측정용 광섬유(Thorlabs, M30L02)에서부터 APD, RF증폭기, IQ-복조기 및 LPF까지를1개의 검출기 세트로 하여, 총 4개의 세트를 제작하였다. Idc, Qdc의 측정에는 대표적인 데이터 수집 장치인 DAQ(NI, PCI-6040E)를 사용하였으며, NI LabVIEW 소프트웨어를 이용해 측정 인터페이스를 구현하였고 식 (8), (9)에 근거하여 진폭 및 위상을 계산하였다.
성능/효과
- 그림 7의 결과에서 보여주듯이 y축 위에서 이형성분의 중심이 위치한 y = 0 단면의 흡수계수 및 산란계수 분포영상에서 이형성분의 존재가 가장 명확하게 드러남을 확인할 수 있으며, y = 0에서 멀어질수록 영상복원시 이형성분에 의한 영향이 작아지기 때문에 균질한(homogeneous) 매질에 가까워짐을 확인할 수 있었다.
- 이를 바탕으로 여러 개의 검출기를 이용한 동시측정시에도 거리에 따른 진폭 및 위상의 선형성이 유지되도록 하였다. 단일 검출기 만을 이용하여 순차측정을 수행했을 경우와 4개의 검출기를 모두 이용한 동시측정 방법을 적용했을 경우의 복원영상을 비교함으로써, 여러 개의 검출기를 이용한 동시측정 기술이 주파수영역 DOI 시스템의 영상복원 성능에 개선효과를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 이형성분이 존재하는 액체팬텀의 각 슬라이스 단면에 대해서 흡수 및 산란 단층영상을 복원함으로써, 본 논문에서 구현한 주파수영역 DOI 시스템을 이용한 단층촬영이 가능함을 보였다.
- 단일 검출기 만을 이용하여 순차측정을 수행했을 경우와 4개의 검출기를 모두 이용한 동시측정 방법을 적용했을 경우의 복원영상을 비교함으로써, 여러 개의 검출기를 이용한 동시측정 기술이 주파수영역 DOI 시스템의 영상복원 성능에 개선효과를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 이형성분이 존재하는 액체팬텀의 각 슬라이스 단면에 대해서 흡수 및 산란 단층영상을 복원함으로써, 본 논문에서 구현한 주파수영역 DOI 시스템을 이용한 단층촬영이 가능함을 보였다. 본 논문에서 수행한 실험은 우리가 흔히 접할 수 있는 기존의 초음파 영상장치와 유사하다고 볼 수 있으나, DOI 시스템의 경우 구조적 영상보다는 생체조직의 기능적(functional) 변화에 대한 정보를 제공할 수 있는 가능성이 있으므로, 미래의 보다 간편한 의학적 진단(diagnosis)에 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 위의 결과로부터 4개의 검출기를 동시에 측정하는 방법을 적용한 영상에서 이형성분의 존재가 보다 명확하게 드러남을 확인할 수 있었으며, 이는 여러개의 검출기를 이용한 동시측정 방법이 검출기의 위치를 이동하는 동안에 발생 가능한 오차를 최소화 해줌으로써 DOI 영상복원 과정에서 성능 개선 효과를 가지고 있음을 보여주는 결과이다.
- 그림 8은 이형성분의 위치를 (-10, 0, -10)으로 이동하여 그림 7과 동일한 방법으로 영상복원을 수행한 결과이며, 이형성분의 위치 이동에 따른 흡수계수 및 산란계수 분포의 변화가 잘 나타나고 있다. 이러한 결과는 본 논문에서 제작한 주파수영역 DOI 시스템을 이용하여 측정대상에 존재하는 이형성분의 존재를 단층촬영을 통해 확인이 가능함을 보여주고 있다.
후속연구
- 또한 이형성분이 존재하는 액체팬텀의 각 슬라이스 단면에 대해서 흡수 및 산란 단층영상을 복원함으로써, 본 논문에서 구현한 주파수영역 DOI 시스템을 이용한 단층촬영이 가능함을 보였다. 본 논문에서 수행한 실험은 우리가 흔히 접할 수 있는 기존의 초음파 영상장치와 유사하다고 볼 수 있으나, DOI 시스템의 경우 구조적 영상보다는 생체조직의 기능적(functional) 변화에 대한 정보를 제공할 수 있는 가능성이 있으므로, 미래의 보다 간편한 의학적 진단(diagnosis)에 활용 가능할 것으로 기대된다.
- 3333px;">S′을 추출함으로써 최종적으로 매질의 광학적 특성인 흡수계수 및 산란계수의 분포도를 영상으로 복원이 가능하다. 여기에 서로 다른 파장을 가지는 여러개의 광원을 이용한 다파장 측정기법을 적용하면, 광학적 특성값들로부터 산화헤모글로빈(HbO2), 비산화헤모글로빈(Hb), 그리고 지질(lipid)등의 정보를 추출하여 이들의 농도영상으로 변환할 수 있으며, 이러한 영상은 생체조직에 포함된 악성종양의 유무를 판별할 수 있는 정보를 제공해준다[1].
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