[논문]레이저 기반 형광 영상 시스템의 Signal to Background Ratio 향상 연구

김준현; 정명영

doi:10.6117/kmeps.2020.27.4.107

초록
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최근 고령화 사회가 진행이 되면서 건강과 진단에 대한 많은 관심이 증대되고 있다. 정확한 진단이 가능한 guided surgery를 위한 다양한 바이오 이미징 시스템 분야가 중요하게 대두되면서 정확한 측정과 실시간 확인 등이 가능한 형광 이미징 시스템이 중요한 분야로 대두되었다. 현재 사용되고 있는 부분은 NIR-I이 주를 이루고 있으나 분해능의 향상 및 깊고 정확하게 형광을 확인하기 위해서 NIR-II 부분의 연구를 많이 진행 중에 있다. 본 논문에서는 NIR-I과 NIR-II의 차이점과 광학적인 특성, 그리고 형광영상 시스템의 SBR(signal to background ration)에 대해서 NIR-II의 미(Mie) 산란을 유한요소(FEM)법을 이용하여 확인을 하였으며 최종적으로 Skin phantom을 제작 및 Fluorescence를 측정을 함으로써 SBR이 NIR-I보다 NIR-II 영역에서 16.2배 더 높은 것을 확인하였다. 형광 이미징 시스템의 SBR 증대는 NIR-I영역대 보다 NIR-II영역이 효과를 이룰 것으로 확인이 되며 이를 통해 guided surgery나 bio-sensor, 또한 형광을 이용한 전자부품의 결함을 확인할 수 있는 디바이스 등의 다양한 응용분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as an aging society progresses, a lot of interest in health and diagnosis is increasing, As the field of various bio-imaging systems for guided surgery capable of accurate diagnosis has emerged as important, a Fluorescence imaging system capable of accurate measurement and real-time confir...

Recently, as an aging society progresses, a lot of interest in health and diagnosis is increasing, As the field of various bio-imaging systems for guided surgery capable of accurate diagnosis has emerged as important, a Fluorescence imaging system capable of accurate measurement and real-time confirmation has emerged as an important field. Fluorescence images currently being used are mainly in the NIR-I band, but many studies are in progress in the NIR-II band in order to improve resolution and confirm fluorescence deeply and accurately. In this paper, the difference between NIR-I and NIR-II, optical characteristics, and SBR (signal to background ration) of a fluorescent imaging system, was investigated using the finite element (FEM) method. After confirming, it was confirmed that the SBR was 16.2 times higher in the NIR-II area than in the NIR-I by making the skin phantom and measuring the fluorescence. It is confirmed that the enhancement in SBR of the Fluorescence imaging system is more effective in the NIR-II region than in the NIR-I region and expected to be used in application fields such as guided surgery, bio-sensor and also device which can detect the defect of optical devices.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Schematic of light propagation in skin depending on NIR-Iand NIR-II range.
그림 Fig. 2. Schematic of Skin Phantom for Fluorescence experiment.
그림 Fig. 3. Simulation data of eletric field and scattering of nanoparticle. (A) Electric field propagation of 50 nm nanoparticle when 1,100 nm wavelength excited.(B) Electric field propagation of 500 nm nanoparticle when 1100 nm wavelength excited. (C) Far-field gain data depending on nanoparticle size
그림 Fig. 4. Schematics of experiment. Each imaging system have image sensor part which can detect NIR-Iand II range, filter part, illumination part and sample part.
그림 Fig. 5. Fluorescence image using NIR imaging system. Depending on wavelength and filter, the fluorescence intensity different due to energy and scattering.
그림 Fig. 6. Graph of (A) Fluorescence intensity and (B) SBR of fluorescence depending on wavelength.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 NIR-Ⅰ과 NIR-Ⅱ영역에서 Fluorescence의 분해능을 비교하고자 파장에 따른 scattering에 관한 simulation과 skin phantom과 Fluorescence dye(ICG, Indocyanine green)을 이용한 실험을 진행하였다. Scattering의 결과를 알아보기 위해서 FEM(Finite Element Method) 방식으로 COMSOL Multiphycis를 이용해 진행하였다.
그래서 흡수가 많지 않으면서 분해능을 NIR-Ⅰ 영역대보다 높일 수 있는 NIR-Ⅱ 형광체 개발과 영상기기의 개발을 많은 연구자들이 개발 진행 중에 있다. 본 논문에서는 이러한 NIR-Ⅰ 영역 대와 NIR-Ⅱ 영역대의 분해능을 비교 분석하고 그에 관한 다채널 형광 영상 구현이 가능한 영상 시스템에 관하여 제안하였다.
위에서 기술한 바와 같이 본 연구에서는 NIR-Ⅰ과 NIR-Ⅱ 영역의 Fluorescence의 분해능을 확인하기 위해서 skin phantom과 ICG dye를 이용해 fluorecence의 영향을 파장대 별로 확인하였다. ICG는 현재 700에서 800 nm 사이에서 absorption이 되어 808 nm에서 emission이 가장 크고 점차 NIR-Ⅱ 영역에서 emission이 줄어든다.

제안 방법

ICG는 현재 700에서 800 nm 사이에서 absorption이 되어 808 nm에서 emission이 가장 크고 점차 NIR-Ⅱ 영역에서 emission이 줄어든다.¹²⁾ Fig. 4와 같이, NIR Fluorescence를 영향을 알기 위해서 NIR-Ⅰ 영역의 760 nm 파장과 808nm laser를 이용하여 실험을 하였으며 NIR-Ⅰe bandpass filter를 이용해 특정 Fluorescence 파장을 받아 들일 수 있도록 진행을 하였으며, NIR-Ⅱ 영역의 경우는 1, 100 nm longpass filter를 이용하여 NIR-Ⅱ 영역의 signal을 받아 들일수 있도록 실험을 진행하였다. ICG를 Phantom 하단에 위치하게 하여 depth에 따라 NIR 영상 이미징을 확인하였을 때, Fig.
분해능을 확인하였다. Fig. 2과 같이 Skin phantom 은 사람의 피부와 비슷하게 제작을 하기 위해 20% Intralipid(Baxter Healthcare Corp., Deerfield, IL, USA)를 1%로 deionized water로 희석을 식혀 제작을 한 후 gelatin powder를 10 wt% 만큼 넣어서 37^oC에서 25분간 섞어준 후 plate에 높이에 따라서 1 mm, 2 mm, 4 mm, 7 mm, 8 mm, 12 mm별로 제작을 하였다. Intralipid는 신체 피부의 scattering coefficient를 동일하게 하기 위해서 사용을 하였으며, gelatine 신체 피부의 굴절률 등을 동일시하기 위해서 제작을 하였다.
, Deerfield, IL, USA)를 1%로 deionized water로 희석을 식혀 제작을 한 후 gelatin powder를 10 wt% 만큼 넣어서 37^oC에서 25분간 섞어준 후 plate에 높이에 따라서 1 mm, 2 mm, 4 mm, 7 mm, 8 mm, 12 mm별로 제작을 하였다. Intralipid는 신체 피부의 scattering coefficient를 동일하게 하기 위해서 사용을 하였으며, gelatine 신체 피부의 굴절률 등을 동일시하기 위해서 제작을 하였다.¹¹⁾높이 별로 phantom을 제작한 이유는 NIR-Ⅰ과 NIR-Ⅱ 영역대별로 Fluorescence의 영향을 알아보기 위함이다.
NIR-Ⅰ과 NIR-Ⅱ의 형광영상을 비교하기 위해서 Skin phantom을 제작하여 Skin phantom depth에 따른 형광 이미징의 분해능을 확인하였다. Fig.

이론/모형

Scattering의 결과를 알아보기 위해서 FEM(Finite Element Method) 방식으로 COMSOL Multiphycis를 이용해 진행하였다. Fig.

성능/효과

62배에서 약 4배까지 큰 것을 확인할 수 있었다. 그러나 Fig. 6(B) 와 같이 signal to background ratio를 확인해 보았을 때, NIR-Ⅰ보다 NIR-Ⅱ 영역이 최대 16.2배 큰 것을 알 수 있었으며, 이는 NIR-Ⅰ보다 NIR-Ⅱ 영역이 Fluorescence intensity 가 낮다고 할지라도 background가 낮아짐에 따라서 SBR 이 더 증가함을 확인하였다.
이는 육안으로 확인을 하였을 때, Skin phantom depth가 1~4 mm일때는 둘 다 육안으로 확인이 가능하나 NIR-Ⅱ 이미지에서 더 선명한 이미지를 받을 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 7 mm 이후의 phantom depth 에서는 NIR-Ⅰ의 결과 같은 경우 육안으로 확인이 어려울 정도로 scattering과 함께 흡수가 진행이 되었으며, NIR-Ⅱ 보다 조사되는 light가 작아 fluorescence가 잘 보이지 않는 것을 알 수 있을 뿐 아니라 NIR-Ⅱ의 경우에는 육안으로 확인과 함께 정확한 판단을 할 수 있다. Fig.
3(B)에서는 nanoparticle의 size가 wavelength와 비슷하여 eletric field에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig. 3(C)에서 보는 바와 같이 nanoparticle이 wavelength와 비슷하면 빨간 실선과 같이 전방산란보단 후방산란이 많은 미(Mie) 산란을 일으키는 것을 확인하였으며, nanoparticle이 wavelength보다 매우 작을 경우는 레일리 산란으로 인해 전체적으로 퍼져나가는 것을 확인할 수 있었다.
한 방향으로 진행하는 것을 확인하였다. 또한 Skin과 광학적 특성이 비슷한 Phantom을 제작하여 Fluorescence 를 확인한 결과 NIR-Ⅱ영역에서의 Fluorescence 결과가 NIR-Ⅰ 더 깊이 확인을 할 수 있으며, SBR이 NIR-Ⅱ영역이 NIR-Ⅰ영역보다 16.2배 더 높음을 확인하였다. 사람의 뇌가 중요시 되는 현 시대에서 뇌의 활성도의 차이, 뉴련의 연결관계에 대한 확인 등 차세대의 형광 이미징 시스템은 NIR-Ⅰ영역대 보다 NIR-Ⅱ영역이 효과를 이룰 것으로 확인이 되며 이를 통해 guided surgery나 bio-sensor, 또한 형광을 이용한 전자부품의 결함을 확인할 수 있는 디바이스 등의 다양한 응용분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다.
본 논문에서는 현재 바이오 이미징 시스템에서 각광받고 있는 형광 이미징 시스템에 대하여 소개 및 형광 이미징 중 NIR-Ⅰ과 NIR-Ⅱ영역의 형광의 차이 및 분해능을 비교하기 위해서 광 특성에 대한 FEM 해석법을 이용해 NIR-Ⅰ과 NIR-Ⅱ 영역의 scattering에 대한 결과를 확인한 결과 NIR-Ⅱ 영역에서 미(Mie) 산란에 의해 형광 신호가 더 한 방향으로 진행하는 것을 확인하였다. 또한 Skin과 광학적 특성이 비슷한 Phantom을 제작하여 Fluorescence 를 확인한 결과 NIR-Ⅱ영역에서의 Fluorescence 결과가 NIR-Ⅰ 더 깊이 확인을 할 수 있으며, SBR이 NIR-Ⅱ영역이 NIR-Ⅰ영역보다 16.

후속연구

2배 더 높음을 확인하였다. 사람의 뇌가 중요시 되는 현 시대에서 뇌의 활성도의 차이, 뉴련의 연결관계에 대한 확인 등 차세대의 형광 이미징 시스템은 NIR-Ⅰ영역대 보다 NIR-Ⅱ영역이 효과를 이룰 것으로 확인이 되며 이를 통해 guided surgery나 bio-sensor, 또한 형광을 이용한 전자부품의 결함을 확인할 수 있는 디바이스 등의 다양한 응용분야에 활용할 수 있을 것으로 예상한다.

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