KR101356708B1 - 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경에 관한 것으로, 다양한 파장의 레이저를 출사하는 광생성부, 상기 광생성부에서 출사되는 광을 공초점 방식으로 스캐닝하도록 다수의 광학계와 광검출부로 구성되어 동기화를 통해 2차원 영상을 획득하는 공초점 현미경부, 상기 공초점 현미경부에서 출사된 광을 입사받는 결합광학계, 상기 결합광학계를 투과한 광을 입사받아 전달하는 광섬유 다발 및 상기 광섬유 다발에서 출사되는 광을 소형 프로브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경{Multi-modal Confocal Endo-microscope for Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery}

본 발명은 무흉터 내시경 수술Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, NOTES)용 멀티모달 공초점 내시 현미경에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 고분해능 광학 영상을 획득하여 수술 시 잔류병변 및 내시경 검사를 통한 질병 조기진단에 이용할 수 있는 NOTES용 초소형 공초점 내시 현미경에 관한 것이다.

공초점 현미경은 깊이방향의 분해능을 가지는 현미경으로써, 시편의 3차원 정보를 얻을 수 있으며, 비침습 광학 현미경으로써 현재 산업계 및 바이오 이미징 연구에 다각도로 사용되고 있다.

내시현미경이란, 일반적으로 사용하는 내시경 장비가 낮은 분해능으로 인해 세포단위의 진단이 불가능한 단점을 보완하기 위하여, 고분해능 초소형 대물렌즈를 이용하여 인체 내에 삽입 가능한 초소형 현미경으로써 세포단위의 고분해능 영상을 획득하여 질병을 조기에 진단할 수 있는 장비이다.

공초점 내시현미경이란, 위에서 설명한 공초점 기능과 내시현미경 기능을 통합함으로써, 3차원 영상획득이 가능한 고분해능 내시현미경을 의미한다.

최근 삶의 질 향상 및 의료기술의 발전으로 인하여 수술 시 사람의 신체에 흉터를 남기지 않고 병변을 제거하는 최소 침습 수술(Minimalinvasive surgery)이 중요한 화두로 부곽되고 있다. 이러한 최소 침습 수술 중 다관절 로봇을 이용하여 인체내부의 장기에 대한 시술을 수행하는 무흉터 내시경수술(Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, NOTES)이 다양한 연구 및 발전을 거듭하고 있다. 그러나 내시경 수술을 시행하다라도 병변의 경계 및 질병유무를 실시간으로 판단할 수 있는 내시현미경 기술이 없어 상용화 기술에 어려움을 격고 있다.

한편, 무흉터 내시경수술(Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, NOTES)이란, 수술 시 최소한의 영역만을 절개함으로써 수술 후에도 인체에 남는 흉터를 최소화시키는 내시경 수술방법으로써 의학기술이 발달하고 삶의 질에 대한 욕구가 증가함으로써 최근 많은 연구가 이루어지는 분야이며 다양한 수술방법이 등장하고 있다.

무흉터 내시경수술은 일반적으로 입을 통해 수술도구를 인체 내에 삽입하고 위벽을 절개하여 수술부위로 통하는 통로를 만들고 연결된 통로를 통하여 수술도구 및 현미경을 환부에 접근시키는 방식을 취하고 있다.

하지만, 인체구조의 특성상 이러한 NOTES 수술에서 공초점 현미경 영상을 획득하기 위해서는 1 미터 이상의 길이 및 유연한 구조를 가지고 있어 휘어진 통로를 통과할 수 있는 기능이 필수적이여서 이에 따른 기술적 개발이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 초소형 고분해능 대물렌즈와 광섬유 다발 및 공초점 현미경을 통합하여 인체 내에서 휘어진 통로를 따라서 이동할 수 있으며, 병변을 실시간으로 진단할 수 있는 공초점 내시현미경을 개발하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다양한 파장의 레이저를 출사하는 광생성부, 상기 광생성부에서 출사되는 광을 공초점 방식으로 스캐닝하도록 다수의 광학계와 광검출부로 구성되어 동기화를 통해 2차원 영상을 획득하는 공초점 현미경부, 상기 공초점 현미경부에서 출사된 광을 입사받는 결합광학계, 상기 결합광학계를 투과한 광을 입사받아 전달하는 광섬유 다발 및 상기 광섬유 다발에서 출사되는 광을 소형 프로브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광생성부는, 형광 및 반사영상이 모두 획득 가능한 3가지 파장을 갖는 광생성부로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공초점 현미경부는, 선택적으로 광파장을 필터링하여 측정부로 입사시키기 위해 구동되는 파장필터와 출력되는 광을 측정대상으로 스캐닝하기 위해 구동되는 갈바노 미러를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광섬유 다발은, 유연한 over-tube 내에 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 소형 프로브는, 진동 및 외력으로부터 보호하기 위한 스폰지 튜브, 상기 스폰지 튜브와 대물렌즈가 결합되기 위해 적용되는 실리콘 튜브 및 인체 접촉 시 무해성을 위한 광학본딩으로 접합되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공초점 현미경부는, 반사영상 획득을 위한 Quater wave plate와 편광 빔스플리터가 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공초점 현미경부와 광섬유 다발간의 광 손실을 최소화하기 위하여 결합 광학계가 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광생성부는, 488 nm, 660 nm 및 810 nm 세 개의 파장을 갖는 광생성부가 각각 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 결합광학계는, 상기 광섬유 다발이 가지는 NA와 같은 NA를 가지는 대물렌즈로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 공초점 현미경부는, 스캔닝 미러에서 반사되는 광을 스캔렌즈와 튜브렌즈를 통해 상기 결합광학계로 전달되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 무흉터 내시경수술(Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, NOTES)시에 실시간으로 병변을 검사하여 수술시 최소한의 절개를 수행함으로써 수술의 안정성을 확보할 수 있는 이점이 있다.

또한, NOTES 수술에 사용하는 것이 아니더라도 일반 내시경과 통합하여 인체 내 조직을 실시간으로 진단함으로써 기존의 일주일 이상 걸리는 생검법 없이 환지의 질병 유무를 내시경 검사와 동시에 판단할 수 있는 장점이 있다.

이에 따른 본 발명은 중공형 다관절 로봇을 이용하여 수술도구 및 내시현미경을 입을 통해 체내로 이송시킴으로써 인체에 수술 후의 흉터를 전혀 남기지 않는 이점을 가지고 있으며, 초소형 대물렌즈와 유연한 광섬유 다발 및 다파장 공초점 현미경을 통합하였고, 유연한 광섬유를 이용하여 수술 로봇의 통로를 따라 수술부위로 이동하고 환부의 고분해능 영상을 획득함으로써, 질병의 유무 및 병변을 실시간으로 검사할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 멀티모달 공초점 내시현미경의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 무흉터 내시경수술(Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, NOTES)시 공초점 내시현미경의 일예를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 내시현미경의 프로브가 Over-tube를 지나갈 수 있고 또 삽입 중 파손을 방지하기 위한 내시현미경 프로브의 외관구조를 개략적으로 나타낸 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 내시현미경이 공초점 현미경과 결합하여 공초점내시현미경의 특성을 나타내는 원리에 대해 상세하게 나타낸 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경은, 다양한 파장의 레이저를 출사하는 광생성부, 상기 광생성부에서 출사되는 광을 공초점 방식으로 스캐닝 하도록 다수의 광학계와 광검출부로 구성되어 동기화를 통해 2차원 영상을 획득하는 공초점 현미경부, 상기 공초점 현미경부에서 출사된 광을 입사받는 결합광학계, 상기 결합광학계를 투과한 광을 입사받아 전달하는 광섬유 다발 및 상기 광섬유 다발에서 출사되는 광을 소형 프로브를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 멀티모달 공초점 내시 현미경은, 공초점 현미경과 광섬유 다발을 이용하여 형광 및 반사 영상을 획득하며, NOTES 시술 시 Over-tube에 삽입 가능하도록 유연한 광섬유 다발을 적용하며, 튜브 삽입 시 진동 및 외력으로부터 초소형 프로브를 보호할 수 있는 내시현미경을 제공하고자 하는데 그 주요 기술적 요지가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 무흉터 내시경수술(Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery, NOTES)용 공초점 내시현미경의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 무흉터 내시경수술용 공초점 내시현미경은 488 nm, 660 nm 및 810 nm 세 개의 파장을 이용하여 시편의 형광 및 반사영상을 동시에 획득할 수 있는 공초점 현미경과, 이미지 가이드용 광섬유 다발을 광 손실을 최소화 하도록 설계 및 제작된 광학계를 이용하여 결합하고 광섬유 다발의 한쪽 끝에 GRIN lens를 이용한 초소형 대물렌즈를 부탁함으로써 인체내에 삽입 가능한 NOTES용 공초점 내시현미경의 제작을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 공초점 내시현미경의 개략적인 구성도이다.

본 발명은 크게 공초점 현미경부(31)와 광섬유 다발(22) 그리고 초소형 프로브(23)로 구성된다.

다양한 파장의 레이저인 광생성부(10)에서 조사된 빛이 광학계를 통과하고 갈바노 미러(17)를 이용하여 스캐닝하고 이는 스캔렌즈(19) 및 튜브렌즈(20)를 통과하여 결합광학계(21)로 주사된다. 결합광학계로 주사된 빛은 다시 광섬유(22)를 거쳐 초소형 프로브로(23) 전달되며 시편을 조사하고, 다시 시편에서 반사된 빛이 초소형 프로브(23) 및 광섬유(22)를 거쳐 공초점 현미경으로 돌아오게 된다. 반사된 빛은 다시 갈바노 미러(17)를 통하여 반사되어 광학 검출부(11a ~ 11b)로 향하며 광학검출부에서 측정된 신호와 갈바노 미러(17)의 동기화를 통하여 시편의 2차원 영상을 획득한다.

상기 결합광학계는 조사된 빛이 광섬유를 통과하는 과정에서 손실이 발생하는 것을 방지하기 위하여 광섬유 다발이 가지는 NA와 같은 NA를 가지는 대물렌즈를 사용하였다. 일반적인 광섬유의 결합 광학계가 점대 점 대응인데 반해 공초점 내시현미경에 사용되는 결합광학계는 광섬유 다발의 표면을 스캐닝 현미경으로 스캔하는 것이 특징이며 각각의 광섬유 다발에 빛이 맺혔을 때 광손실을 최소한으로 하는 것이 결합광학계의 용도이다.

도 2는 본 발명에 따른 공초점 내시현미경을 무흉터 내시경 수술에 사용하는 예를 개념적으로 나타낸 개략도이다. 도 1에서의 광섬유 다발 부는 유연한 구조로 이루어져 있어 곡률반경이 작아 휘어진 over-tube(30) 내로 삽입이 가능한 특징이 있습니다.

본 발명에 해당하는 공초점 내시현미경은 초소형 프로브(23)를 NOTES용 Over-tube을 통하여 수술부위 및 환부까지 유도한 다음 시편의 고분해능 영상을 획득하는 것을 주요 기술적 요지로 합니다.

도 3은 초소형 광학 프로브가(23) NOTES의 Over-tube를 지나가면서 파손되는 것을 방지하기 위한 초소형 프로브의 보호 방법을 나타내는 간단한 구조도이다. 초소형 프로브를 실리콘튜브(32)를 이용하여 보호하고, Over-tube 통과 시 발생하는 진동 및 외력으로부터 프로브를 보호하기 위하여 스폰지 튜브(33)를 이용하여 프로브의 외각을 감싸는 형태를 취하는 것을 그 특징으로 한다. 또 위에서 설명한 튜브들을 접합하기 위한 방법으로는 순간 접착성이 우수한 광학 본딩을 사용하였다.

도 4는 초소형 광학 프로브와 광섬유 다발을 이용한 내시현미경이 어떻게 공초점 특성을 가지는지에 관한 설명을 위한 개략도이다. 시편(S)의 각각 다른 깊이에서 반사 또는 방출된 빛은 초점에서 출발한 빛의 경우 광섬유 다발(22)의 한 점에 빛이 맺히게 되지만, 초점평면 이외에서 발광된 빛은 광섬유의 이미지 가이드 영역 전체에 걸쳐 빛이 집광되게 된다. 이렇게 집광된 빛은 광섬유 다발속의 코어를 통과하여 반대편의 공초점현미경까지 빛을 전달하게 된다. 이렇게 전달된 빛은 공초점 현미경을 통과하면서 하나의 코어에서 출발한 빛만 광학 디텍터(11c)에 의해서 검출됨으로써 최종적으로 초점평면에서 출발한 빛만 검출되는 공초점 현미경의 특성을 가지게 된다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 NOTES용 공초점 내시현미경은 간단한 시스템으로 구성 가능함과 동시에 수술시 인체내부에 자유롭게 접근이 가능하며, 내시경 기능을 통하여 실시간으로 질병을 진단하거나 수술중 병변의 유무를 판단하는데 유용하게 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였다. 하지만 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10 : 광생성부
11a ~ 11c : 광측정부
12 : 콜리메이팅 렌즈
13 : 빔 컴바이너
14 : 파장필터
15 : Quater wave plate
16a ~ 16b : 이색성 거울
17 : 스캐닝 미러
18 : 편광 빔스플리터
19 : 스캔렌즈
20 : 튜브렌즈
21 : 결합 광학계
22 : 광섬유 다발
23 : 초소형 프로브
30 : NOTES 시술용 Over-tube
31 : 공초점 현미경
32 : 실리콘 튜브
33 : 스폰지 튜브
34 : 광학 글루
35a ~ 35b : 대물렌즈
37 : 핀홀
S : 시편

Claims (10)

1. 다양한 파장의 레이저를 출사하는 광생성부;
   상기 광생성부에서 출사되는 광을 공초점 방식으로 스캐닝하도록 다수의 광학계와 광검출부로 구성되어 동기화를 통해 2차원 영상을 획득하는 공초점 현미경부;
   상기 공초점 현미경부에서 출사된 광을 입사받는 결합광학계;
   상기 결합광학계를 투과한 광을 입사받아 전달하는 광섬유 다발; 및
   상기 광섬유 다발에서 출사되는 광을 소형 프로브;를 포함하며,
   상기 소형 프로브는,
   진동 및 외력으로부터 보호하기 위한 스폰지 튜브;
   상기 스폰지 튜브와 대물렌즈가 결합되기 위해 적용되는 실리콘 튜브; 및
   인체 접촉 시 무해성을 위한 광학본딩으로 접합되도록 구성되고,
   상기 광생성부는 형광 및 반사영상이 모두 획득 가능한 3가지 파장을 갖는 광생성부로 구성되며,
   상기 공초점 현미경부는 선택적으로 광파장을 필터링하여 측정부로 입사시키기 위해 구동되는 파장필터와 출력되는 광을 측정대상으로 스캐닝하기 위해 구동되는 갈바노 미러;를 포함하고,
   상기 공초점 현미경부는 스캔닝 미러에서 반사되는 광을 스캔렌즈와 튜브렌즈를 통해 상기 결합광학계로 전달되고, 반사영상 획득을 위한 Quater wave plate와 편광 빔스플리터가 더 포함하며,
   상기 결합광학계는, 상기 광섬유 다발이 가지는 NA와 같은 NA를 가지는 대물렌즈로 구성되는 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 광섬유 다발은,
   유연한 over-tube 내에 삽입되도록 구성되는 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경.
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 공초점 현미경부와 광섬유 다발간의 광 손실을 최소화하기 위하여 결합 광학계가 구성되는 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경.
8. 제 1항에 있어서, 상기 광생성부는,
   488 nm, 660 nm 및 810 nm 세 개의 파장을 갖는 광생성부가 각각 구성되는 무흉터 내시경 수술용 멀티모달 공초점 내시 현미경.
9. 삭제
10. 삭제

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