[논문]수술현미경용 다중형광 관측 시스템 연구

김홍래; 이현민; 윤웅배; 김영재; 김석기; 유헌; 주재영; 김광기; 이승훈

doi:10.9718/jber.2015.36.1.16

수술현미경용 다중형광 관측 시스템 연구
Development of Indocyanine Green and 5-Aminolevulinic Acid Detection System for Surgical Microscope 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.36 no.1, 2015년, pp.16 - 21

김홍래 (국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과) , 이현민 (국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과) , 윤웅배 (국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과) , 김영재 (국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과) , 김석기 (국립암센터 융합기술연구부 분자영상치료연구과) , 유헌 (국립암센터 이행성 임상 제 2연구부 특수암연구과) , 주재영 (한국광기술원 신조명연구본부 스마트조명연구센터) , 김광기 (국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과) , 이승훈 (국립암센터 이행성 임상 제 2연구부 특수암연구과)

Abstract ▼ AI-Helper

Indocyanine green(ICG) and 5-aminolevulinic acid(5-ALA) have been widely used to mark blood vessels or tumors. However, fluorescent dye detection systems were designed to use one type of dyes only. In this study, we proposed a detection system capable of detecting Indocyanine green and 5-aminolevulinic acid. Multiple filters and light sources are integrated into a single system. In this study, we performed analysis of fluorescent dyes and configured a detection system. During the analysis, it was found that Indocyanine green and 5-aminolevulinic acid have the maximum intensity at $40{\mu}M$. We designed light source for fluorescent dyes and conducted compatibility test using a commercial surgical microscope. The fluorescent dye detection system was configured based on the experimental results. The developed system successfully detects Indocyanine green and 5-aminolevulinic acid. Therefore, more efficient surgical operations can be achieved using both fluorescent dyes at the same time. We expect that the developed system can increase the survival rate of patients.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 요구사항에 맞는 별도의 광원을 설계 및 제작하였으며 광원의 적합성 실험을 실시하였고 최종적으로 수술현미경하에서 형광 샘플이 보이는지 관측실험을 실시하였다.
본 연구에서는 수술현미경 하에서 형광이미지 획득하는 것을 성공한 상태이며 이를 영상의 질을 높이기 위한 추가연구도 진행하고 있는 상황이다. 추가 연구 진행사항으로 광원의 향상을 위하여 관측 범위에 집중되는 디자인으로 LED 설계를 진행 중에 있으며 효율적인 방열시스템 및 광량을 높이는 시스템을 개발 중에 있다.
온도(Temperature, 溫照)는 LED에서 발생하는 발열현상을 관측하기 위하여 측정하였다. 이와 동시에 열 발생에 따른 LED 파장의 변화(Shift)가 발생하는지 관측하여 측정하였다.
이러한 단점을 보완하기 위한 다중형광 광 역학 진단기기 개발하기 위한 연구를 진행하였다.
특히 온도에 의한 파장변화의 경우 광원이 변화할 경우 발광(Emission)의 파장의 최고점이 변화 할 수 있기 때문에 관측하여 필터 세트를 구성하는 데 참고 하기 위하여 측정을 하였다.

제안 방법

ICG에서 나오는 형광특성을 분석하기 위하여 시약을 ICG가 첨가된 용액을 분광광도계(DU 730, Beckman, USA)로 분석하여 정확한 몰수를 측정한 후 다양한 몰수로 제작하여 흡광도계(Safire 2, Tecan, Switzerland)로 파장별 흡광도를 측정하였다.
LED와 실제 시술부위까지의 거리(Working distance)에서 시술범위에 가운데, 외곽부분으로 나누어 조도(Illumination, 照照)를 측정하였다.
광량(Quantity of light, amount of light, 發光) 역시 LED와 실제 시술부위까지의 거리에서 시술범위에 가운데, 외곽부분으로 나누어 측정하였다.
광원은 기존의 수술 현미경 앞 단에 링 형태의 LED를 부착하여 광원을 조사 할 수 있도록 하였다. LED는 710 nm, 400 nm 파장대의 LED 2개를 교차 배열로 각 16개씩 연결하였다.
광원을 분석하기 위하여 링 형태의 LED 모듈의 5부분에 대한 조도, 광량의 변화를 측정 하였으며, 파장과 LED 모듈에 대한 온도 측정, 온도에 따른 파장 변화를 측정하였다.
본 연구를 진행하기에 앞서 시약의 특성을 분석하기 위하여 분광광도계(Spectro photometer)와 흡광도계(Microplate reader)를 사용한 시약분석을 먼저 실시 하였다.
그림 3. 수술현미경을 이용한 형광 샘플 관측 실험.
그림 5. 수술현미경을 통해 관측한 이미지 (1) ICG샘플타겟의 일반 컬러 카메라 영상, (2) 필터를 통한 ICG샘플타겟의 CCD카메라(BU406M, Toshiba, Japan)로 관측한 형광 이미지, (3) 5-ALA(Protoporphyrin IX)샘플타겟의 일반 컬러 카메라 영상, (4) 필터를 통한 5-ALA(Protoporphyrin IX)샘플타겟의 CCD카메라로 관측한 형광 이미지.
시약 및 광원 분석 후 수술현미경을 통한 형광이미지 관측실험을 실시하였다. 실험 관측은 그림 3과 같은 세트로 실시하였다.
온도(Temperature, 溫照)는 LED에서 발생하는 발열현상을 관측하기 위하여 측정하였다. 이와 동시에 열 발생에 따른 LED 파장의 변화(Shift)가 발생하는지 관측하여 측정하였다.

대상 데이터

광원은 기존의 수술 현미경 앞 단에 링 형태의 LED를 부착하여 광원을 조사 할 수 있도록 하였다. LED는 710 nm, 400 nm 파장대의 LED 2개를 교차 배열로 각 16개씩 연결하였다.
따라서 5-ALA를 물질대사를 거쳐 생성된 형광물질로 대체하여 실험할 필요가 있다. 이를 대체하기 위한 물질로 Protoporphyrin IX 을 사용하여 동물실험 이외의 실험에 사용하였다. Protoporphyrin IX 으로 ICG와 같은 측정 순서대로 측정을 실시하였다.

성능/효과

LED의 경우 단파장 영역대의 파장이 아니라 곡선의 완만한 넓은 파장 영역 대를 이루므로 파장이 겹치는 부분이 더욱 넓게 분포하므로 필터 선정에 중요한 요인으로 작용하였다. 5-ALA시약의 경우 405 nm의 레이저를 조사하였을 경우 나타나는 특성을 관측하였으며 관측결과 발광영역대역에서 2개의 곡선이 연속적으로 나타나는 것으로 분석되었다. 또한 비교적 넓은 영역 대(약100 nm)를 차지하고 있다.
따라서 지름 9 cm에 광원이 집중되어야 형광원 관측이 가능하며 9 cm 외곽은 관측 불가능한 영역으로 이 부위에 광원이 비출 경우 광원의 효율을 낮추고 관측부위의 광량을 부족하게 하여 형광원 관측이 어려워 질 수 있다. 광원의 효율을 높이기 위해서는 수술현미경으로 관측하였을 때 관측 범위에 집중이 더 필요함을 확인 하였으며 1차 모듈 보다는 2차 모듈에서 효율이 높아 짐을 확인 하였다.
몰 환산 계산식에 의하여 1.1 mM 농도로 계산하여 이 시약을 각각 3차 증류수로 10, 20, 40, 60, 80, 100, 200 µM로 희석하여 이를 흡광도계에서 여기되는 740 nm 파장의 광원을 조사하여 760~850 nm 대역에서의 발광 파장 815 nm에서 높은 형광이 측정되었고 농도는 40 µM 에서 가장 높게 측정되었다.
몰 환산 계산식에 의하여 3.5 mM 농도로 계산하여 이 시약을 각각 2N의 HCL(2N의 염산) 용액으로 1, 5, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 200 µM 로 희석하여 이를 흡광도계에서 여기(Excitation) 408 nm 파장의 광원을 조사하여 450~850 nm 대역에서의 발광되는 파장은 609 nm에서 높은 형광이 측정되었고 농도는 40 µM 에서 가장 높게 측정되었다.
온도는 2차 모듈의 소비전력을 높였기 때문에 온도 상승이 높게 나타났으며 소비전력을 높일수록 방열기능이 중요한 것으로 나타났으며 파장은 1~11 nm의 차이가 나타남을 확인 할 수 있었다.
측정 데이터를 비교 하였을 때 중앙과 외곽의 차이는 3~8배 정도 차이가 나는 것을 확인 할 수 있었다. 수술현미경에서의 관측범위는 수술현미경과 시술부위의 높이 차이가 20 cm일 때 지름 9 cm로 측정되었다.
파장대별 민감도 비교의 방법은 기본적으로 회사에서 제공하는 파장대별 민감도 그래프(Quantum Efficiency Graph)를 제공하므로 이를 기준점으로 삼을 수 있다. 하지만 동일 파장과 파워의 광원과 동일 실험 환경에서 획득한 각 CCD Camera의 영상 이미지의 픽셀 값 분석을 한 결과를 분석하였을 때에는 회사에서 제공하는 그래프 특성과 일치하지 않는 것을 확인 하였다. 그리고 회사에서 제공하는 파장대별 민감도 그래프의 영상 획득 강도(Intensity) 정보는 회사마다 다른 테스트 방식으로 측정이 되므로 비교가 불가능 한 것으로 나타났다.

후속연구

추가 연구 진행사항으로 광원의 향상을 위하여 관측 범위에 집중되는 디자인으로 LED 설계를 진행 중에 있으며 효율적인 방열시스템 및 광량을 높이는 시스템을 개발 중에 있다. 개량된 시스템으로 동물실험을 진행하여 형광 시스템의 적합성 여부를 판단 할 수 있을 것으로 기대된다.
그리고 회사에서 제공하는 파장대별 민감도 그래프의 영상 획득 강도(Intensity) 정보는 회사마다 다른 테스트 방식으로 측정이 되므로 비교가 불가능 한 것으로 나타났다. 따라서 파장대별 민감도 그래프에 의한 파장 별 특성을 참고 하여 결정을 하고 각 회사별 카메라를 비교 분석하여야 할 것이다.
또한 이러한 형광물질을 이용한 시술은 그 편리성과 장점으로 인해 더욱 널리 사용될 것으로 기대된다.
연결부의 경우 빛이 연결부의 틈으로 세어나가는 현상을 최소화하여야 한다. 빔스플리터의 경우 각도에 따른 카메라에 상이 맺히는 위치에 대한 연구가 필요하며 이 연구를 통해 기구학적인 좌 우 카메라의 정합이 선행되어야 소프트웨어에 의한 정합 비중이 줄어들어 영상처리에 의한 시간지연을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
하지만 5-ALA의 경우 ICG보다 상대적으로 승인 후 사용기간이 짧다. 이로 인해 ICG와 5-ALA 를 동시에 관측 가능한 시스템은 없었으며 연구를 진행하여 결과를 얻어 낸다면 수술 후 생존율이 증가하는 데 일조를 할 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 수술현미경 하에서 형광이미지 획득하는 것을 성공한 상태이며 이를 영상의 질을 높이기 위한 추가연구도 진행하고 있는 상황이다. 추가 연구 진행사항으로 광원의 향상을 위하여 관측 범위에 집중되는 디자인으로 LED 설계를 진행 중에 있으며 효율적인 방열시스템 및 광량을 높이는 시스템을 개발 중에 있다. 개량된 시스템으로 동물실험을 진행하여 형광 시스템의 적합성 여부를 판단 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	5-ALA이란?	악성교종 및 혈관을 표시하기 위한 형광 발광물질은 5-ALA(5-Aminolevulinic Acid)의 경우 몸 속의 신진대사에 의한 물질 변환과정에서 파생된 Protoporphyrin IX 물질의 생성에 의한 형광발현을 나타내게 된다. 이러한 반응 과정으로 암세포만을 타겟으로 하는 형광 표지자로써의 역할을 수행하게 된다[4-8].
	다중형광 광 역학 진단기기는 어떤 단점을 보완하기 위해 개발이 필요한가?	기존의 형광발광물질을 이용한 제품들은 하나의 필터만을 제공하여 ICG나 5-ALA중 하나의 물질만을 사용할 수 있어 환자의 안전과 수술의 용이성을 위해선 교종의 위치와 혈관을 동시에 보여주는 시스템 장치가 필요하다.
	ICG 투여 시 형광 발광이 일어나는 과정은?	특히 환자의 혈관의 위치를 파악하는 데 효율적인 ICG는 1957년도부터 사용된 부작용이 적은 형광물질이다. 환자에 투여 시 ICG는 혈장단백질(Plasma protein)과 결합하며 750~800 nm 대역의 빛을 투과하면 845 nm의 형광 빛을 방사한다. 5-ALA는 형광성질이 없으나 세포 내에서 변환된 Protoporphyrin IX에 약 400 nm의 빛을 투과하면 635 nm의 형광 빛을 방사한다.

참고문헌 (18)

http://ncc.re.kr/hospital/centers/center07/clinic04/content_3396.jsp
J. C. Yoo, S. P. Lee, J. G. Kim, G. H. Choi, H. T. Yeo, "An Image Study of Malignant Glioma Model with Diffraction Enhanced Imaging Computed Tomography", Journal of Korean Brain Tumor Society, vol. 10, pp. 103-109, 2011.
A. Ruck, C. Hauser, S. Lorenz, S. Mosch, S. Rotte, M. Kessler, S. Kalinina, "Cell metabolism, tumour diagnosis and multispectral FLIM." in SPIE BiOS. International Society for Optics and Photonics, 2013, San Francisco, California, USA, pp. 85880U-85880U-85888.
L. Teng, M. Nakada, Y. Hayashi, T. Yoneyama, S.-G. Zhao, J.-I. Hamada, Current Applications of 5-ALA in Glioma Diagnostics and Therapy, INTECH. 2013, pp. 249-261.
B. W. Pogue, S. L. Gibbs-Strauss, P. A. Valdes, K. S. Samkoe, D. W. Roberts, K. D. Paulsen, "Review of neurosurgical fluorescence imaging methodologies." Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 16, PP. 493-505, 2010.

상세보기
M. Schwake, D. Gunes, M. Kochling, A. Brentrup, J. Schroeteler, M. Hotfilder, M. C. Fruehwald, W. Stummer, C. Ewelt, "Kinetics of porphyrin fluorescence accumulation in pediatric brain tumor cells incubated in 5-aminolevulinic acid." Acta neurochirurgica, vol. 156, pp. 1077-1084, 2014.

상세보기
T. Beez, S. Sarikaya-Seiwert, H.-J. Steiger, D. Hanggi, "Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of brain tumors in children-a technical report." Acta neurochirurgica, vol. 156, pp. 597-604, 2014.

상세보기
M. Hefti, H. Maximilian Mehdorn, I. Albert, L. Dorner, "Fluorescence- guided surgery for malignant glioma: a review on aminolevulinic acid induced protoporphyrin IX photodynamic diagnostic in brain tumors." Current Medical Imaging Reviews, vol. 6, pp. 254-258, 2010.

상세보기
G. Klein, R. Baumgartner, R. Flower, "An image processing approach to characterizing choroidal blood flow." Investigative ophthalmology & visual science, vol. 31, pp. 629-637, 1990.
G. Themelis, J. S. Yoo, K.-S. Soh, R. Schulz, V. Ntziachristos, "Real-time intraoperative fluorescence imaging system using light-absorption correction." Journal of biomedical optics, vol. 14, pp. 064012-064012-064019, 2009.

상세보기
C. B. Jeong, K. G. Kim, T. S. Kim, S. K. Kim, "Image Fusion of Lymphoscintigraphy and Real images for Sentinel Lymph Node Biopsy in Breast Cancer Patients." Journal of Biomedical Engineering Research, vol. 31, no. 2, pp. 114-122, 2010.
J. T. Alander, I. Kaartinen, A. Laakso, T. Patila, T. Spillmann, V. V. Tuchin, M. Venermo, P. Valisuo, "A review of indocyanine green fluorescent imaging in surgery." Journal of Biomedical Imaging, vol. 2012, pp. 7, 2012.
W. Stummer, U. Pichlmeier, T. Meinel, O. D. Wiestler, F. Zanella, H.-J. Reulen, "Fluorescence-guided surgery with 5-aminolevulinic acid for resection of malignant glioma: a randomised controlled multicentre phase III trial." The lancet oncology, vol 7, pp. 392-401 (2006).

상세보기
B. Ganeshan, K. A. Miles, R. C. Young, C. R. Chatwin, "In search of biologic correlates for liver texture on portal-phase CT." Academic radiology, vol. 14, pp. 1058-1068, 2007.

상세보기
F. Ricci, F. Missiroli, L. Cerulli, "Indocyanine green dyeenhanced micropulsed diode laser: a novel approach to subthreshold RPE treatment in a case of central serous chorioretinopathy." European journal of ophthalmology, vol. 14, pp. 74-82, 2003.
M. V. Marshall, J. C. Rasmussen, I.-C. Tan, M. B. Aldrich, K. E. Adams, X. Wang, C. E. Fife, E. A. Maus, L. A. Smith, E. M. Sevick-Muraca, "Near-infrared fluorescence imaging in humans with indocyanine green: a review and update." Open surgical oncology journal (Online), vol. 2, pp. 12, 2010.

상세보기
G. Themelis, J. S. Yoo, V. Ntziachristos, "Multispectral imaging using multiple-bandpass filters." Optics letters, vol. 33, pp. 1023-1025, 2008.

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Y. Kondo, Y. Murayama, H. Konishi, R. Morimura, S. Komatsu, A. Shiozaki, Y. Kuriu, H. Ikoma, T. Kubota, M. Nakanishi, "Fluorescent detection of peritoneal metastasis in human colorectal cancer using 5-aminolevulinic acid." International journal of oncology, vol. 45, pp. 41-46, 2014.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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