선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 고에서는 기존보다 우수한 3차원 유방암 조기진단 기술개발을 위해서 방사선과 근적외선을 이용한 DBT/DOT 융합영상 유방암 조기 진단 시스템 개발내용을 소개하였다. 연구기간 총 5년 중 현재 4차년에는 동물실험을 진행하고 있고, 5차년에는 사람 임상 시험을 실시하여 융합영상 분석을 바탕으로 실용적 기술로서의 완성도를 높일 수 있을 것으로 예상한다.
- CW측정 방법은 광세기의 변화를 연속적으로 측정하는 방법이고 TD 측정법은 1 ns 이하의 초단파 광을 입하사여 광의 지연시간과 시간에 대한 광세기의 퍼짐을 측정하는 방법이고 FD 측정법은 광신호를 radio frequency (RF)로 진폭 변조하여 광세기와 위상의 변화를 측정하는 방법이다. 본 연구에서는 시스템 구성비용이 상대적으로 작고, 유방조직에 대한 많은 정보를 얻을 수 있는 FD 측정법을 활용한 시스템을 설계하였다. 아래 그림은 FD DOT 측정법에 대한 설명으로 조직을 투과한 RF 대역의 광신호가 산란 및 흡수에 의해 진폭이 감소하고 위상의 변화를 나타내고 있으며 이러한 진폭의 변화는 흡수에 의해서 위상의 변화는 경로에 의해서 결정이 된다.
- 본고에서는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업으로 진행하고 있는 “유방암 조기 진단용 3차원 DBT/DOT 융합영상 및 자동병변 검출시스템 개발”연구의 연구진행 내용을 소개한다.
제안 방법
- - SPC의 각 단계별로 RF 스펙트럼 분석기(Agilent E4440A)로 RF 스펙트럼 특성을 측정하였다.
- 3개의 레이저 다이오드의 온도를 제어하는 (1) TEC(Thermo-Electric Cooler) 제어기와 레이저 다이오드에 CW 구동을 위해 전류를 흘려주는 (2) 레이저 다이오드 드라이브(LDD, Laser Diode Drive) 그리고 레이저 다이오드에 일정 주파수(70MHz)를 가진 사인파의 전류를 흘려주는 (3) RF 발생 장치로 구성이 된다. 3개 각기 다른 파장을 가지는 레이저 다이오드로 구성된 광원 모듈 특성을 알아보았다. 그림 11에는 장착된 레이저 다이오드 드라이브에 주입전류에 따른 CW 광출력의 특성과 파장 특성을 측정한 결과임.
- 실제 시스템의 구동 시간을 측정하기 위하여 광학팬텀으로는 두께가 4 cm인 팬텀을 사용하였다. 64개의 채널 중 CH14, CH15, CH16 채널을 선택하여 순차적으로 바꿔가며 신호의 변화를 측정하였다. 광스위칭의 스위칭 속도를 100 ms, 50 ms, 30 ms로 바꿔가며 In-phase와 Quadrature 출력신호를 시간에 따라 측정을 하였다.
- Light source paddle은 코어 사이즈가 50 um인 다중 모드 광섬유를 사용했으며 광섬유 끝은 시준광학계를 달아 빔이 DBT 아크릴 패들을 지나갈 때 레이저 빔의 퍼짐을 줄였기 때문에 측정 조건에 따라 달라질 수 있는 빔의 FWHM를 일정하게 유지하여 DOT 영상재건에 있어 오차를 줄일 수 있게 설계 및 제작하였다. DOT 광학 패들의 동작을 테스트하기 위해서 하나의 광원과 어레이 디텍터를 이용하여 하나의 광원이 광학 팬텀 내에서 흡수 및 산란되어 최종 detection paddle에 도달한 광의 세기와 위상을 측정하여 그 분포를 측정하였다. 그림 18에 측정결과를 보였다.
- FD DOT 시스템에 인스톨되어 있는 3개의 광원을 64개의 출력 지점을 가지는 광원 패들로 전송하기 위해서 광분배기를 사용하였다. 광분배 시간은 FD-DOT 시스템의 동작시간을 결정하는 중요한 변수이다.
- Light source paddle은 코어 사이즈가 50 um인 다중 모드 광섬유를 사용했으며 광섬유 끝은 시준광학계를 달아 빔이 DBT 아크릴 패들을 지나갈 때 레이저 빔의 퍼짐을 줄였기 때문에 측정 조건에 따라 달라질 수 있는 빔의 FWHM를 일정하게 유지하여 DOT 영상재건에 있어 오차를 줄일 수 있게 설계 및 제작하였다. DOT 광학 패들의 동작을 테스트하기 위해서 하나의 광원과 어레이 디텍터를 이용하여 하나의 광원이 광학 팬텀 내에서 흡수 및 산란되어 최종 detection paddle에 도달한 광의 세기와 위상을 측정하여 그 분포를 측정하였다.
- 와 RF 출력 특성은 Agilent E4440A 모델의 RF 스펙트럼 분석기를 사용하였다. RF 증폭기의 제어 전압을 조정하면서 RF 스팩트럼 분석기의 RF 출력을 변화를 살피면서 각 채널별 요구되는 RF 출력값을 얻었으며 RF 스펙트럼 특성을 얻었다. 그림 12에 각 채널에서 RF 스펙트럼 특성을 보였다.
- 영상상촬영 구조물은 디텍터 고정식이고, X선 초점으로부터 디텍터 까지의 거리는 655mm이다. X선 촬영시 스캔각도는 총 18도이고 11장을 6초 동안 연속으로 운동하며 촬영하고 그 영상 데이터를 받아서 3차원 영상 재구성을 한다. 3차원 영상 재구성 소프트웨어는 FBP, OSEM(반복법)을 사용하고 CUDA 프로그램으로 개발하여 FBP는 약 1초, OSEM은 10-30초의 영상 재구성 시간이 소요된다.
- 64개의 채널 중 CH14, CH15, CH16 채널을 선택하여 순차적으로 바꿔가며 신호의 변화를 측정하였다. 광스위칭의 스위칭 속도를 100 ms, 50 ms, 30 ms로 바꿔가며 In-phase와 Quadrature 출력신호를 시간에 따라 측정을 하였다. 광분배기 변환 속도가 40 ms 이상에서 제대로 동작을 하였으며 30 ms에서의 동작은 40 ms의 속도와 동일한 속도로 스위칭함을 확인할 수 있었고 안정적은 스위칭은 50 ms이상일 때 가능하였으며 이를 가지고 시스템 구동을 위한 시간을 계산하면 64채널의 3파장에 대해서 10 초 이내 구동이 가능하게 된다.
- 우측 화면 하단의 히스토그램은 검출신호의 강도(좌상), 검출신호의 위상 차(우상), 기준 RF신호의 강도(좌하), 기준 RF 신호의 위상(우하)를 나타낸다. 또한 통합제어프로그램에서는 아래와 같이 취득된 DOT 데이터를 각 촬영 순서별로 시각화하여 확인 가능한 데이터 분석 화면을 제공한다. 그림 7에 취득된 DOT 데이터 분석 화면을 보였다.
- 레이저 다이오드를 RF modulation하기 위해서 제작된 RF신호원을 적용하여 레이저 다이오드의 특성을 분석하였다. 검출신호의 SNR 값을 높이기 위해서는 modulation depth를 크게 할 필요가 있고 따라서 레이저 다이오드의 전 광출력 영역을 구동가능하게 하여야 한다.
- 광출력 측정은 Newport Power Meter 1936-R 모델을 사용하였으며 광섬유에서 나오는 광을 직접측정하기 위해서 디텍터 헤드에 FC 커넥터 어뎁터를 장착하여 측정하였다. 레이저 다이오드의 파장특성은 Ocean Optics의 HR4000 스펙트럼 분석기로 측정하였다. 측정된 피크 파장은 실제 787 nm, 803 nm, 849 nm 였으며 이는 온도와 입력 전류에 따라 다르지만 파장에 따른 헤모글로빈 흡수도 특성을 고려했을 때, 온도와 주입 전류 제어를 통해 일정한 파장을 유지할 수 있으면 유의미한 신호를 얻는데 문제가 없다.
- Homodyne detection은 검출하고자 하는 RF 신호와 이와 동일한 주파수의 기준 RF 신호를 이용하여 Demodulation 통해 In-phase와 Quadrature 신호를 얻어 검출 RF 신호의 진폭과 위상을 얻는 방법으로 자세한 과정은 그림 14와 같다. 여기에서 Demodulator에 입력되는 검출하고자 하는 RF 신호는 유방조직을 지나온 광신호를 광전소자인 APD를 이용하여 전기신호로 바꾼 것으로 그 신호의 크기가 작아 RF증폭기를 통해 2단계 증폭한 신호를 사용하였다. 이론적으로 RF 광신호가 유방조직을 지나 진폭(As)과 위상(Φ)의 변화를 거쳐 Assin(ωt+Φ) 신호를 가지고 Reference 시그널은 Arsin(ωt)로 설정됨으로 믹서를 지나 In-phase와 Quadrature 신호 I와Q는 IQ-Demodulation에 의한 Homodyne detection은 아래의 수식을 따르지만
- 유방조직에 입사된 광이 유방조직에서 흡수, 산란, 반사 된 후의 광세기와 위상의 변화를 측정하기 위해서 Homodyne detection 방법을 적용한 신호처리카드(SPC, Signal Processing Card)를 제작하였다.
- 그러나 1채널인 만큼 스캔 방식으로 촬영이 진행되기 때문에 스캔 영역의 넓이나 간격의 조밀성에 따라서 촬영 시간이 길어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 감안하여 팬텀의 측정과 교정, 그리고 동물 실험을 위해 개발되었으며, 7월 중순에는 마취된 쥐(rat)를 돼지정제기름(lard)에 넣은 동물실험 모델을 이용하며 측정실험을 진행하였고 7월 말 현재 영상 재건을 위한 과정을 진행 중이다. 그림 8에 전자동 4축 모션 스테이지와 동물(쥐-lard) 실험 모델을 보였다.
- 주파수 영역 광학산란단층영상(FD-DOT) 방법을 구현하기 위해서는 특정 파장의 진단 광원을 특정 주파수를 발생하여야함으로 RF 신호원의 필요하여 제작하였다. RF 신호원 장치의 각 채널별 요구 RF 출력을 결정하기 위해서 아래의 그림과 같은 측정셋업을 구성하였다.
- Light-1, Light-2, Light-3는 각각의 파장은 785 nm (CH1), 801 nm(CH2), 850 nm(CH3)을 나타낸다. 측정방법은 레이저 다이오드 광원모듈의 FC/PC 커넥터에 광섬유를 연결하여 광출력 측정기로 측정하였다. 광출력 측정은 Newport Power Meter 1936-R 모델을 사용하였으며 광섬유에서 나오는 광을 직접측정하기 위해서 디텍터 헤드에 FC 커넥터 어뎁터를 장착하여 측정하였다.
- - SPC의 각 단계별로 RF 스펙트럼 분석기(Agilent E4440A)로 RF 스펙트럼 특성을 측정하였다. 측정방법은 위 그림과 같이 구성을 한 후 광학 팬텀을 지난 후 광신호를 SPC의 APD 모듈에서 광-전 변환을 한후 각 단계별로 RF 스펨트럼 특성을 측정하였다. 그림 15는 신호 검출 모듈의 다이나믹 특성을 나타낸다.
- 광원 모듈은 아래의 그림과 같이 중심파장이 785 nm, 800 nm, 850 nm 인 레이저 다이오드로 구성이 됨. 파장의 선택은 헤모글로빈의 파장에 따른 흡수도 특성을 고려하여 선택을 하였다. 그림 10에 헤모글로빈의 파장에 따른 흡수 특성을 보였다.
대상 데이터
- 3차원 영상 재구성 소프트웨어는 FBP, OSEM(반복법)을 사용하고 CUDA 프로그램으로 개발하여 FBP는 약 1초, OSEM은 10-30초의 영상 재구성 시간이 소요된다. X선 튜브는 베리안사의 M-113T를 적용하였고 전원은 5kW, 30kV/160mA의 근처 범위에서 연속출력이 가능하다.
- 3차원 유방암 진단기기에 대한 주요 구성 내용을 표 1에 보였다. 디텍터는 국산제품으로 RSM 2430TD를 사용하였다. 영상상촬영 구조물은 디텍터 고정식이고, X선 초점으로부터 디텍터 까지의 거리는 655mm이다.
- 시스템 본체에는 약 750nm, 800nm, 850nm 세 가지 파장의 NIR(근적외선)을 고주파 변조하여 발생시키는 광원장치와 파장을 선택할 수 있는 광학 멀티플렉서 장치, 그리고 이를 제어하고 취득 신호를 처리하는 통합 제어처리장치 및 저장장치가 설치되어 있다. 또한 각 모듈의 구동용 DC 전압 공급을 위한 전원공급장치와 비상(정전)용 전원 복구장치가 설치 되어있다.
- 광분배 시간은 FD-DOT 시스템의 동작시간을 결정하는 중요한 변수이다. 실제 시스템의 구동 시간을 측정하기 위하여 광학팬텀으로는 두께가 4 cm인 팬텀을 사용하였다. 64개의 채널 중 CH14, CH15, CH16 채널을 선택하여 순차적으로 바꿔가며 신호의 변화를 측정하였다.
- 디텍터는 국산제품으로 RSM 2430TD를 사용하였다. 영상상촬영 구조물은 디텍터 고정식이고, X선 초점으로부터 디텍터 까지의 거리는 655mm이다. X선 촬영시 스캔각도는 총 18도이고 11장을 6초 동안 연속으로 운동하며 촬영하고 그 영상 데이터를 받아서 3차원 영상 재구성을 한다.
- 레이저 다이오드의 파장특성은 Ocean Optics의 HR4000 스펙트럼 분석기로 측정하였다. 측정된 피크 파장은 실제 787 nm, 803 nm, 849 nm 였으며 이는 온도와 입력 전류에 따라 다르지만 파장에 따른 헤모글로빈 흡수도 특성을 고려했을 때, 온도와 주입 전류 제어를 통해 일정한 파장을 유지할 수 있으면 유의미한 신호를 얻는데 문제가 없다.
이론/모형
- 측정방법은 레이저 다이오드 광원모듈의 FC/PC 커넥터에 광섬유를 연결하여 광출력 측정기로 측정하였다. 광출력 측정은 Newport Power Meter 1936-R 모델을 사용하였으며 광섬유에서 나오는 광을 직접측정하기 위해서 디텍터 헤드에 FC 커넥터 어뎁터를 장착하여 측정하였다. 레이저 다이오드의 파장특성은 Ocean Optics의 HR4000 스펙트럼 분석기로 측정하였다.
- 아래의 그림은 본 연구 과제를 통해 구현하려고 하는 DOT시스템을 나타낸 것으로 시스템 구성비용이 상대적으로 작고, 유방조직에 대한 많은 정보를 얻을 수 있는 주파수 영역(Frequency Domain) 방법을 적용하였다. 그림 9에 설계된 DOT 시스템의 구성을 보였다.
- 은 Keysight사의 33600A 모델의 FUNCTION GEN.와 RF 출력 특성은 Agilent E4440A 모델의 RF 스펙트럼 분석기를 사용하였다. RF 증폭기의 제어 전압을 조정하면서 RF 스팩트럼 분석기의 RF 출력을 변화를 살피면서 각 채널별 요구되는 RF 출력값을 얻었으며 RF 스펙트럼 특성을 얻었다.
성능/효과
- 2014년 가장 많이 발생한 암은 갑상선암이었으며, 이어서 위암, 대장암, 폐암, 유방암, 간암, 전립선암의 순으로 많이 발생하는 것으로 나타났다. 남자의 경우 위암, 폐암, 대장암, 간암, 전립선암 순이었으며, 여자의 경우 갑상선암, 유방암, 대장암, 위암, 폐암 순이었다.
- 각 채널당 측정된 광신호의 사인파의 파형은 왜곡이 없음을 확인할 수 있었으며, 이는 레이저 다이오드의 광출력을 전 구간에 걸쳐 100% 활용하고 있음을 의미한다.
- 광스위칭의 스위칭 속도를 100 ms, 50 ms, 30 ms로 바꿔가며 In-phase와 Quadrature 출력신호를 시간에 따라 측정을 하였다. 광분배기 변환 속도가 40 ms 이상에서 제대로 동작을 하였으며 30 ms에서의 동작은 40 ms의 속도와 동일한 속도로 스위칭함을 확인할 수 있었고 안정적은 스위칭은 50 ms이상일 때 가능하였으며 이를 가지고 시스템 구동을 위한 시간을 계산하면 64채널의 3파장에 대해서 10 초 이내 구동이 가능하게 된다.
- 한국전기연구원에서는 유방암 조기진단 기술연구로 2009-2011년에 DBT 개발을 하고 2012-2013년에 50세 이상 40명을 대상으로 유방암 환자에 대한 임상시험을 진행하였다. 그 결과로 기존의 디지털 유방촬영술(Digital Mammography)보다 조기 진단효율이 30%정도 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 한국을 포함한 동양여성의 치밀유방에 대해서는 DBT기술로도 조기 진단에 한계가 있는 것으로 임상의사의 소견이 있어서 더욱 조기 진단 기술을 발전시키는 방법을 모색할 필요성이 대두되었다.
- 2014년 가장 많이 발생한 암은 갑상선암이었으며, 이어서 위암, 대장암, 폐암, 유방암, 간암, 전립선암의 순으로 많이 발생하는 것으로 나타났다. 남자의 경우 위암, 폐암, 대장암, 간암, 전립선암 순이었으며, 여자의 경우 갑상선암, 유방암, 대장암, 위암, 폐암 순이었다. 국가암정보센터에 발표된 자료에 의하면 2014년에 우리나라에서는 연 217,057건의 암이 발생되었는데, 그 중 유방암은 남녀를 합쳐서 연 18,381건으로 전체 암 발생의 8.
- 쥐의 피를 3개의 각각의 원형 구멍에 넣고 DBT/DOT융합단층 영상의 촬영 결과를 보였다. 팬텀의 높이가 20 mm부분에 각 원형 구멍의 중심부이고 그 부분에 피가 있으므로 중심선인 팬텀의 높이 20 mm부분에서 DOT 광신호 3개가 명확히 보이는 것을 알 수 있다.
- 촬영은 스캔 방식으로 진행되며 프로그램을 통해 임의로 지정한 영역과 간격 및 순서에 따라 스테이지의 모션 장치가 움직이면서 NIR을 특정 위치에 조사하고 또 특정 위치에서 검출하게 된다. 현재 실험 조건에서는 3개의 파장을 모두 순차적으로 사용할 경우 약 2시간의 촬영 시간이 소요되며, 조사용 광섬유 및 검출용 광섬유의 채널 수의 증가에 따라 촬영 시간은 반비례로 감소한다. (예: 조사 64개 검출 40개 멀티채널 시스템의 경우 30초 이내)
후속연구
- ) 한국전기연구원, 한국전자통신연구원, 서울아산병원, 한국과학기술원, 국립암센터/가천대학교가 참가하여 진행하고 있다. 그리고 개발한 연구시제품은 서울아산병원에서 2016년에 동물실험을 진행하고 2017년에는 연구임상시험을 진행하여 개발기기의 기술적 완성도를 구체적으로 확인할 수 있을 것으로 예상한다.
- 본 고에서는 기존보다 우수한 3차원 유방암 조기진단 기술개발을 위해서 방사선과 근적외선을 이용한 DBT/DOT 융합영상 유방암 조기 진단 시스템 개발내용을 소개하였다. 연구기간 총 5년 중 현재 4차년에는 동물실험을 진행하고 있고, 5차년에는 사람 임상 시험을 실시하여 융합영상 분석을 바탕으로 실용적 기술로서의 완성도를 높일 수 있을 것으로 예상한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.