수술현미경에서의 다중형광영상을 이용한 뇌종양과 혈관영상 검출 시스템 연구 Study of a Brain Tumor and Blood Vessel Detection System Using Multiple Fluorescence Imaging by a Surgical Microscope원문보기
본 연구에서는 뇌 종양 수술에서 다수의 광원과 빔 스플리터 모듈을 사용해 종양과 혈관의 형광영상을 동시에 검출하고 획득한 형광영상을 동일한 디스플레이 장치에 표시함으로써 시술자에게 종양과 혈관의 정확한 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 현미경 시스템을 제안한다. 5-ALA(5-Aminolevulinic acid) 와 ICG(Indocyanine green) 의 형광영상의 동시 검출을 위해 빔 스플리터(beam-splitter : BS)모듈을 사용하였고 5-ALA는 600nm, ICG는 800nm이상의 파장 대역에서 가장 효율이 뛰어나도록 구성하였다. 빔 스플리터 모듈은 파장 대역에 따라 광학기기의 구조를 변경할 수 있고 필터를 탈, 착 가능한 구조로 설계하여 필요에 따라 빔 스플리터와 필터의 종류를 변경할 수 있으며 5-ALA 및 ICG 이외의 형광염료를 사용한 시술에서 사용할 수 있다. 빔 스플리터 모듈을 통한 형광영상은 5-ALA는 가시광역, ICG는 근적외선 영역을 검출 할 수 있는 CCD 카메라를 장착해 동일한 디스플레이에서 확인할 수 있고 획득한 형광영상은 닮음 변환(similarity transform)을 이용해 원영상과 정합하여 실시간으로 시술자에게 제공하는 시스템을 구현하였다.
본 연구에서는 뇌 종양 수술에서 다수의 광원과 빔 스플리터 모듈을 사용해 종양과 혈관의 형광영상을 동시에 검출하고 획득한 형광영상을 동일한 디스플레이 장치에 표시함으로써 시술자에게 종양과 혈관의 정확한 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 현미경 시스템을 제안한다. 5-ALA(5-Aminolevulinic acid) 와 ICG(Indocyanine green) 의 형광영상의 동시 검출을 위해 빔 스플리터(beam-splitter : BS)모듈을 사용하였고 5-ALA는 600nm, ICG는 800nm이상의 파장 대역에서 가장 효율이 뛰어나도록 구성하였다. 빔 스플리터 모듈은 파장 대역에 따라 광학기기의 구조를 변경할 수 있고 필터를 탈, 착 가능한 구조로 설계하여 필요에 따라 빔 스플리터와 필터의 종류를 변경할 수 있으며 5-ALA 및 ICG 이외의 형광염료를 사용한 시술에서 사용할 수 있다. 빔 스플리터 모듈을 통한 형광영상은 5-ALA는 가시광역, ICG는 근적외선 영역을 검출 할 수 있는 CCD 카메라를 장착해 동일한 디스플레이에서 확인할 수 있고 획득한 형광영상은 닮음 변환(similarity transform)을 이용해 원영상과 정합하여 실시간으로 시술자에게 제공하는 시스템을 구현하였다.
In this paper, we propose a microscope system for detecting both a tumor and blood vessels in brain tumor surgery as fluorescence images by using multiple light sources and a beam-splitter module. The proposed method displays fluorescent images of the tumor and blood vessels on the same display devi...
In this paper, we propose a microscope system for detecting both a tumor and blood vessels in brain tumor surgery as fluorescence images by using multiple light sources and a beam-splitter module. The proposed method displays fluorescent images of the tumor and blood vessels on the same display device and also provides accurate information about them to the operator. To acquire a fluorescence image, we utilized 5-ALA (5-aminolevulinic acid) for the tumor and ICG (Indocyanine green) for blood vessels, and we used a beam-splitter module combined with a microscope for simultaneous detection of both. The beam-splitter module showed the best performance at 600 nm for 5-ALA and above 800 nm for ICG. The beam-splitter is flexible to enable diverse objective setups and designed to mount a filter easily, so beam-splitter and filter can be changed as needed, and other fluorescent dyes besides 5-ALA and ICG are available. The fluorescent images of the tumor and the blood vessels can be displayed on the same monitor through the beam-splitter module with a CCD camera. For ICG, a CCD that can detect the near-infrared region is needed. This system provides the acquired fluorescent image to an operator in real time, matching it to the original image through a similarity transform.
In this paper, we propose a microscope system for detecting both a tumor and blood vessels in brain tumor surgery as fluorescence images by using multiple light sources and a beam-splitter module. The proposed method displays fluorescent images of the tumor and blood vessels on the same display device and also provides accurate information about them to the operator. To acquire a fluorescence image, we utilized 5-ALA (5-aminolevulinic acid) for the tumor and ICG (Indocyanine green) for blood vessels, and we used a beam-splitter module combined with a microscope for simultaneous detection of both. The beam-splitter module showed the best performance at 600 nm for 5-ALA and above 800 nm for ICG. The beam-splitter is flexible to enable diverse objective setups and designed to mount a filter easily, so beam-splitter and filter can be changed as needed, and other fluorescent dyes besides 5-ALA and ICG are available. The fluorescent images of the tumor and the blood vessels can be displayed on the same monitor through the beam-splitter module with a CCD camera. For ICG, a CCD that can detect the near-infrared region is needed. This system provides the acquired fluorescent image to an operator in real time, matching it to the original image through a similarity transform.
본 논문에서는 종양과 혈관의 형광영상을 동시에 검출하고 영상처리 기술을 통해 하나의 영상으로 정합하여 시술자에게 제공하는 다중형광 현미경 시스템을 제안하였다. 기존의 형광 현미경은 한가지 정보만을 제공하고 원하고자 하는 정보를 획득하기 위해 시술자가 현미경의 추가적인 조작을 통해 영상확인이 가능하다.
제안 방법
제안된 시스템을 구현하기 위해 5-ALA는 430~670 nm, ICG는 720~1080 nm의 파장 대역에서 분할이 가능한 빔 스플리터를 장착하고 5-ALA는 628 nm, ICG는 825 nm에서 투과율이 90% 이상의 효율을 가지는 필터를 사용하였고 탈 부착이 가능하도록 하였다. 빔 스플리터 모듈과 CCD 카메라를 이용하여 5-ALA와 ICG 형광영상을 동시 관측할 수 있도록 하였다. 획득한 형광영상은 닮음 변환을 이용한 영상처리기술을 사용해 원영상과 정합하여 하나의 디스플레이 장치에 표현할 수 있다.
본 논문에서는 5-ALA와 ICG의 형광영상의 동시 검출을 위해 빔 스플리터 모듈과 정합된 영상을 실시간으로 제공하는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템을 구현하기 위해 5-ALA는 430~670 nm, ICG는 720~1080 nm의 파장 대역에서 분할이 가능한 빔 스플리터를 장착하고 5-ALA는 628 nm, ICG는 825 nm에서 투과율이 90% 이상의 효율을 가지는 필터를 사용하였고 탈 부착이 가능하도록 하였다. 빔 스플리터 모듈과 CCD 카메라를 이용하여 5-ALA와 ICG 형광영상을 동시 관측할 수 있도록 하였다.
빔 스플리터 모듈과 CCD 카메라를 이용하여 5-ALA와 ICG 형광영상을 동시 관측할 수 있도록 하였다. 획득한 형광영상은 닮음 변환을 이용한 영상처리기술을 사용해 원영상과 정합하여 하나의 디스플레이 장치에 표현할 수 있다.
대상 데이터
5-ALA를 사용한 실험은 뇌에 종양을 배양시킨 nude mouse를 대상으로 진행하였고, 구성된 시스템을 통해 Fig. 9와 같은 결과를 확인하였다. Figure 9(a)는 종양이 배양된 nude mouse의 원 영상이며, Fig.
ICG를 사용한 실험은 rat을 대상으로 진행하였고, 구성된 시스템을 통해 Fig. 10과 같은 결과를 관측할 수 있었다. Figure 10(a)는 복부를 개방한 rat이며 육안으로는 혈관의 위치를 구별하기가 어렵지만 Fig.
성능/효과
팬텀과 동물실험을 통해 획득한 결과로부터 빔 스플리터 모듈을 사용해 구성된 형광 현미경이 종양과 혈관의 정확한 위치를 시술자에게 전달할 수 있음을 확인하였다. 또한 획득한 영상을 닮음 변환을 통해 하나의 영상으로 정합하고 동일한 디스플레이 장치에서 관측할 수 있음을 확인하였다.
5-ALA와 ICG를 사용해 종양과 혈관의 형광영상을 빔 스플리터 모듈을 통해 동시에 획득하였고 원영상과 정합해 하나의 영상으로 구성해 시술자에게 제공하였다. 팬텀을 사용한 실험을 바탕으로 구성된 시스템이 다수의 형광영상을 제공할 수 있음을 확인하였고 동물 실험을 통해 실제 시술에 사용할 수 있음을 확인하였다. 다만 동물 실험의 경우 팬텀을 이용한 실험과 달리 5-ALA와 ICG를 각기 다른 대상으로 실험을 진행해 종양과 혈관이 동시에 측정된 결과를 확인할 수 없었다.
후속연구
또한 광원 모듈의 크기가 커 현미경에 부착할 경우 시스템의 이동 및 설치에 어려움이 생긴다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 LED를 사용한 광원 모듈의 개발이 필요하다. LED는 레이저와 달리 빛의 세기가 높아져도 세포에 충격을 가하지 않고 광원 모듈의 크기를 줄일 수 있어 이동 및 설치에 용이하다.
다만 동물 실험의 경우 팬텀을 이용한 실험과 달리 5-ALA와 ICG를 각기 다른 대상으로 실험을 진행해 종양과 혈관이 동시에 측정된 결과를 확인할 수 없었다. 이러한 점은 추후 이루어질 돼지 실험을 통해 종양과 혈관의 영상을 동시에 획득할 계획이다.
또한 구현된 시스템이 수술실에서 어떤 효과를 보여주는지 확인할 필요가 있다. 팬텀과 동물을 이용한 실험은 구현된 시스템의 성능을 확인하는데 목적이 있었지만 실제 수술실에서 이루어지는 수술과 동일하게 시스템을 구성해 문제점을 파악하고 개선할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
기존의 뇌종양 검출 방법은 무엇이 있는가?
기존의 뇌종양 검출 방법은 CT나 MRI등의 영상진단검사를 진행하지만 정확한 판단을 위해 수술에 의한 검사가 필수적이다[3]. 또한 종양과 혈관의 정확한 위치정보는 안정적인 수술을 위해 필요하다[4].
원발성 뇌종양의 발생비율은 어느정도인가?
전신에서 발생하는 종양 중 뇌종양은 세 번째로 많이 발생하며, 원발성 뇌종양은 인구 10만 명당 평균 7~19명, 원발성악성 뇌종양의 경우 6~7명이다. 또한, 전이성 악성 뇌종양의경우 원발성 뇌종양의 발생빈도와 비슷한 8~9명에게서 발생한다[1].
본 연구에서 구현한 현미경 시스템이 레이저를 사용해 광원을 여기 했을 때의 한계점을 극복하기 위해 필요한 모듈은 무엇인가?
또한 광원 모듈의 크기가 커 현미경에 부착할 경우 시스템의 이동 및 설치에 어려움이 생긴다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 LED를 사용한 광원 모듈의 개발이 필요하다. LED는 레이저와 달리 빛의 세기가 높아져도 세포에 충격을 가하지 않고 광원 모듈의 크기를 줄일 수 있어 이동 및 설치에 용이하다.
참고문헌 (17)
M. D. Prados and C. B. Wilson, "Neoplasms of the central nervous system," Cancer Medicine 1, 1471-1514 (1997).
F. Acerbi, C. Cavallo, M. Broggi, R. Cordella, E. Anghileri, M. Eoli, M. Schiariti, G. Broggi, and P. Ferroli, "Fluoresceinguided surgery for malignant gliomas: A review," Neurosurgical Review 37, 547-557 (2014).
J. W. Park, D. K. Sohn, C. W. Hong, K. S. Han, D. H. Choi, H. J. Chang, S. B. Lim, H. S. Choi, and S. Y. Jeong, "The usefulness of preoperative colonoscopic tattooing using a saline test injection method with prepackaged sterile India ink for localization in laparoscopic colorectal surgery," Surg. Endosc. 22, 501-505 (2008)
I. Arteaga-Gonzalez, A. Martin-Malagon, E. M. Fernandez, J. Arranz-Duran, A. Parra-Blanco, D. Nicolas-Perez, E. Quintero-Carrion, H. D. Luis, and A. Carrillo-Pallares, "The use of preoperative endoscopic tattooing in laparoscopic colorectal cancer surgery for endoscopically advanced tumors: A prospective comparative clinical study," World J. Surg. 3, 605-611 (2006)
B. Reinhold, "Latest results of 5-ALA-based fluorescence diagnosis and other medical disciplines," Proc. SPIE 3563 (1999).
K. E. Anderson, G. S. Drummond, U. Freddara, and M. K. Sardana, "Biochimicaet biophysica acta," BBA 676, 289-299 (1981).
J. C. Kennedy, S. L. Marcus, and R. H. Pottier, "Photodynamic therapy (PDT) and photodiagnosis(PD) using endogenous photosensitization induced by 5-aminolevulinic acid (ALA): Mechanisms and clinical results," J. Clin. Laser Med. Surg. 14, 289-304 (1996).
Q. Peng, T. Warloe, K. Berg, J. Moan, M. Kongshaug, K. E. Giercksky, and J. M. Nesland, "5-aminolevulinic acid-based photodynamic therapy. Clinical research and future challenges," Cancer 79, 2282-2308 (1997).
C. J. Kelty, N. J. Brown, M. W. Reed, and R. Ackroyd, "The use of 5-aminolaevulinic acid as a photosensitizer in photodynamic therapy and photodiagnosis," Photochem. Photobiol. Sci. 1, 158-168 (2002).
W. Stummer, A. Novotny, H. Stepp, C. Goetz, K. Bise, and H. J. Reulen, "Fluorescence-guided resection of glioblastoma multiforme by using 5-aminolevulinic acid-induced porphyrins: A prospective study in 52 consecutive patients," J. Neurosurg. 93, 1003-1013 (2000).
W. Stummer, U. Pichlmeier, T. Meinel, O. D. Wiestler, F. Zanella, and H. J. Reulen, "Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: A randomised controlled multicenter phase III trial," Lancet Oncol. 7, 392-401 (2006).
T. J. Alander, I. Kaartinen, A. Laakso, T. Patila, T. Spillmann, V. V. Tuchin, M. Venermo, and P. Valisuo, "A review of indocyanine green fluorescent imaging in surgery," International Journal of Biomedical Imaging 2012, 1-6 (2012).
K. J. Baker, "Binding of sulfobromophthalein (BSP) sodium and indocyanine green (ICG) by plasma alpha-1 lipoproteins," Proc. Soc. Exp. Biol. Med. 122, 957-963 (1966).
C. M. Leevy and J. Bender, "Physiology of dye extraction by the liver: Comparative studies of sulfobromophthalein and indocyanine green," Ann. NY Acad. Sci. 111, 161-176 (1963).
Y. Liu, A. Q. Bauer, W. J. Akers, G. Sudlow, K. Liang, D. Shen, M. Y. Berezin, J. P. Culver, and S. Achilefu, "Hands-free, wireless goggles for near-infrared fluorescence and real-time image guided surgery," Surgery 149, 689-698 (2011).
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.