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문제 정의
- 9) 반면, 형광신호를 자가 형광신호나 배경 잡음 신호로 분리하기 위한 대역통과필터는 상황에 맞게 다른 대역통과 필터로 바꾸어서 사용하는 실정이다. 따라서 본 논문에서는 근적외선 의료영상 획득이 가능한 다채널 근적외선 형광 현미경 시스템을 구성하고, 대역통과필터의 회전에 의한 입사각 변화를 통해 대역통과 특성의 변화를 관찰하며, 이를 적용한 형광 현미경을 통해 형광 영상의 변화를 관찰하는 연구를 수행하고, 이를 적용하여 미세조정이 가능한 형광 영상 시스템을 제안하였다.
제안 방법
- 근적외선 여기 광원 및 백색 광원을 시편에 골고루 조사할 수 있도록 각각 하나의 광원에서 발생한 빛을 하나의 광섬유로 진행시킨 후 1×4 splitter를 이용하여 4개의 광섬유로 분할하고 이를 일정한 간격으로 배치하여 비교적 균일하게 조사되도록 하였다.
- Zoom lens에서 나온 빛은 기존 카메라의 CCD가 있던 위치에서 초점이 맺히게 되지만, 색 선별 거울 및 필터를 설치하기 위한 공간으로 인해 CCD까지 거리가 더멀어졌고, zoom lens에서 나온 빛의 초점거리를 늘려줘야 원활하게 영상을 획득할 수 있다. 대역통과필터가 회전하더라도 굴절에 의한 영향이 최소화 되도록 하고, zoom lens에서 진행해 나온 빛의 초점거리가 길어질 수 있도록 zoom lens에서 나온 빛을 평행광으로 만들 수 있게 collimation lens를 zoom lens와 대역통과필터 사이에 설치하고, CCD에 초점을 맺을 수 있도록 대역통과필터와 CCD 사이에 focusing lens를 설치하였다. 이에 대한 개략도를 Fig.
- 대역통과필터의 회전에 따라 형광 영상 차이를 확인하기 위하여, 실제로 780 ± 10 nm 대역 형광 신호에 맞추어진 형광 이미징 시스템에 800 nm 대역통과필터를 장착하고, 이를 회전 시켜 780 nm 대역의 형광 신호가 잘 받아들여지는지를 확인하였다.
- 본 연구에서는 710 ± 20 nm 대역통과 필터를 이용하여 실험을 진행하였다. 먼저, 광학 시뮬레이션을 통해 대역통과필터에 입사하는 빛의 입사각에 따라서 대역통과필터의 특성이 변화하는지 확인하였다. 미국 Semrock 사에서 제공하는 filter 관련 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 대역통과필터를 회전시키며 대역통과 특성 변화를 관찰하였다.
- 먼저, 광학 시뮬레이션을 통해 대역통과필터에 입사하는 빛의 입사각에 따라서 대역통과필터의 특성이 변화하는지 확인하였다. 미국 Semrock 사에서 제공하는 filter 관련 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 대역통과필터를 회전시키며 대역통과 특성 변화를 관찰하였다. Fig.
- 필터를 45° 가량 회전시키기 위해 lens와 카메라 사이에 많은 공간이 필요하고, 그에 따라 별도로 광학계를 구성하였다. 별도로 구성된 광학계는 색 선별 거울 (dichroic mirror)을 이용하여 파장 650 nm 이하의 빛은 그대로 투과시키고, 650 nm 이상의 빛은 반사하도록 하였다. Zoom lens에서 나온 빛은 기존 카메라의 CCD가 있던 위치에서 초점이 맺히게 되지만, 색 선별 거울 및 필터를 설치하기 위한 공간으로 인해 CCD까지 거리가 더멀어졌고, zoom lens에서 나온 빛의 초점거리를 늘려줘야 원활하게 영상을 획득할 수 있다.
- 빛의 입사각도에 따른 대역통과필터 파장 특성 변화에 대한 이론 및 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 710 ± 20 nm의 대역통과필터를 사용하여 투과 스펙트럼을 측정하였고, 이를 Fig. 3에 나타내었다.
- 형광 이미징 시스템은 카메라와 형광체를 여기하기 위한 레이저 광원, 이 레이저 광원이 형광체의 형광 신호와 함께 카메라에서 검출되는 것을 막기위한 대역통과필터, zoom lens, halogen lamp 등으로 구성 되어 있다. 영상유도 수술용으로 개발하기 위하여 본 형광 이미징 시스템은 zoom lens 끝단과 형광체 사이에 30cm 이상의 작동거리(working distance, WD)를 갖도록 제작되었다. 근적외선 여기 광원 및 백색 광원을 시편에 골고루 조사할 수 있도록 각각 하나의 광원에서 발생한 빛을 하나의 광섬유로 진행시킨 후 1×4 splitter를 이용하여 4개의 광섬유로 분할하고 이를 일정한 간격으로 배치하여 비교적 균일하게 조사되도록 하였다.
- 필터를 45° 가량 회전시키기 위해 lens와 카메라 사이에 많은 공간이 필요하고, 그에 따라 별도로 광학계를 구성하였다.
- 현재 개발 중인 실시간 in-vivo 형광 이미징 시스템을 이용하여 대역통과필터의 기울기에 따른 형광 영상의 차이를 확인하였다. 형광 이미징 시스템은 카메라와 형광체를 여기하기 위한 레이저 광원, 이 레이저 광원이 형광체의 형광 신호와 함께 카메라에서 검출되는 것을 막기위한 대역통과필터, zoom lens, halogen lamp 등으로 구성 되어 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 710 ± 20 nm 대역통과 필터를 이용하여 실험을 진행하였다.
성능/효과
- 8에서 형광신호가 더욱 강해진 것을 (c)의 비교를 통해서 확인할수 있다. 다만, (b) 형광 신호 영상에서, 형광체가 시편에 고루 분포하고 있기에, 시편 전체에서 형광 영상 신호가 고르게 검출될 것으로 기대하였으나, 조사되는 광원이 집중되는 곳에서 형광 신호가 더욱 강하게 나타났다. 이는본 연구에서 제어한 대역통과필터와는 무관하게 형광 이미징 시스템 제작 상에서, 하나의 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)에서 나오는 레이저를 4개의 광섬유로 분할하는 과정에서의 불균일성에서 기인된 것으로 생각된다.
- 6) 이러한 광학영상의 핵심 기술은 생체 외부로 발광하는 특정 파장의 빛을 획득하여 영상화하는 기술로, 생체 조직의 자가 형광(autofluorescence)에 의해 발생하는 영상 획득의 한계를 극복하는 것이 매우 중요하다. 1) 최근 근적외선(near infrared, NIR) 영역의 빛을 이용한 형광 영상 획득에 대한 연구가 활발하게 진행되는 이유는 기존의 자외선 영역의 빛은 생체 내 조직이나 장기에 의한 자가 형광 신호의 발생으로 인해, 배경 신호를 증가시켜 신호 대 잡음비(signal to background ratio, SBR 또는 signal to noise ratio, SNR)를 나쁘게 만들기 때문이다. 1,6,8) 생체 조직에 광원을 조사하면, 조직 내에 분포하는 형광 물질이 형광 신호를 방출한다.
- Fig. 1에 나타난 것처럼 입사각이 0도 일 때는 710 ± 20 nm의 투과특성을 나타내지만, 15도, 30도, 45도, 60도로 대역통과필터에 입사하는 빛의 입사각에 따라서 대역통과필터의 중심파장이 점점 짧은 파장 쪽으로 이동하는 것을 확인하였다.
- 본 연구를 통해서 일반 대역통과필터의 입사각도 조절을 이용하여 형광 이미징 시스템의 필터링 특성을 변화시켜 영상을 획득할 수 있음을 확인하였고, 이를 이용하여 보다 간단하게 미세조정이 가능한 형광 이미징 시스템을 구축할 수 있는 가능성을 확인하였다. 대역통과 필터의 설계 및 제작에 있어서, 수 nm 단위로 통과 대역을 제어하는 일은 매우 어려운 일이기에 상용 대역통과필터를 이용하여 형광 이미징 시스템을 구성하는데, 정확히 일치하는 파장대역의 대역통과필터를 제작하는데 한계가 있지만, 본 연구에서 수행한 대역통과필터의 회전에 따른 특성변화를 활용하면, 유사한 통과대역을 가진 필터의 미세한 각도조정을 통해 형광 이미징 시스템의 영상 품질을 향상시킬 수 있다.
- 본 연구를 통해서 일반 대역통과필터의 입사각도 조절을 이용하여 형광 이미징 시스템의 필터링 특성을 변화시켜 영상을 획득할 수 있음을 확인하였고, 이를 이용하여 보다 간단하게 미세조정이 가능한 형광 이미징 시스템을 구축할 수 있는 가능성을 확인하였다. 대역통과 필터의 설계 및 제작에 있어서, 수 nm 단위로 통과 대역을 제어하는 일은 매우 어려운 일이기에 상용 대역통과필터를 이용하여 형광 이미징 시스템을 구성하는데, 정확히 일치하는 파장대역의 대역통과필터를 제작하는데 한계가 있지만, 본 연구에서 수행한 대역통과필터의 회전에 따른 특성변화를 활용하면, 유사한 통과대역을 가진 필터의 미세한 각도조정을 통해 형광 이미징 시스템의 영상 품질을 향상시킬 수 있다.
- 사용자의 충분한 작업공간 확보를 위해 형광 이미징 시스템의 작동거리가 30 cm에 달하는 경우에도 영상 획득이 가능하고, 그뿐만 아니라, 대역통과필터 각도 조절을 통한 미세 조절로 더욱 양질의 영상을 획득할 수 있음을 확인하였다. 다양한 시도를 통한 형광 이미징 시스템의 발전으로 의료 목적의 병변부위 영상화, 미용 목적의 인체 주입물 분포 및 존재여부 확인, 동물실험 등 다양한 목적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 3에 나타내었다. 실제 측정결과, 시뮬레이션결과와 유사하게 입사각이 커질수록 대역통과 필터의 투과파장은 점점 더 짧아지는 것을 확인하였다.
후속연구
- 사용자의 충분한 작업공간 확보를 위해 형광 이미징 시스템의 작동거리가 30 cm에 달하는 경우에도 영상 획득이 가능하고, 그뿐만 아니라, 대역통과필터 각도 조절을 통한 미세 조절로 더욱 양질의 영상을 획득할 수 있음을 확인하였다. 다양한 시도를 통한 형광 이미징 시스템의 발전으로 의료 목적의 병변부위 영상화, 미용 목적의 인체 주입물 분포 및 존재여부 확인, 동물실험 등 다양한 목적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한, 광대역, 고출력 백색광원을 활용하여 in-vivo system 및 intra-operative image guided surgery 시스템 등에서 필수적으로 필요한 조도를 확보함과 동시에 다양한 형광체를 자극하여 형광신호를 내도록 하는 특정 파장대역에서의 광출력을 확보하고, 본 연구에서 제안한 대역통과필터의 특성을 적용할 수 있도록 구성하여, 한 대의 형광 이미징 시스템으로 매우 다양한 종류의 형광염료에 사용할 수 있는 형광 이미징 시스템의 제작에 대한 연구를 진행할 예정이다.
- 이는본 연구에서 제어한 대역통과필터와는 무관하게 형광 이미징 시스템 제작 상에서, 하나의 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)에서 나오는 레이저를 4개의 광섬유로 분할하는 과정에서의 불균일성에서 기인된 것으로 생각된다. 추후 연구를 통해 광 도파로 설계 및 제작, 패키징 기술 등을 접목하여 6,7) 균일하게 레이저를 분할하고, 광섬유 끝단에 레이저를 산란시켜 시편에 보다 고르게 분포할 수있도록 diffuser를 장착하는 방안 등을 고려하고 있다. 또한, 광대역, 고출력 백색광원을 활용하여 in-vivo system 및 intra-operative image guided surgery 시스템 등에서 필수적으로 필요한 조도를 확보함과 동시에 다양한 형광체를 자극하여 형광신호를 내도록 하는 특정 파장대역에서의 광출력을 확보하고, 본 연구에서 제안한 대역통과필터의 특성을 적용할 수 있도록 구성하여, 한 대의 형광 이미징 시스템으로 매우 다양한 종류의 형광염료에 사용할 수 있는 형광 이미징 시스템의 제작에 대한 연구를 진행할 예정이다.
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