의광학(Biomedical optics)

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Nonlinear Optics Lab

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HanyangHanyang Univ.Univ.

의광학(Biomedical optics)

본 자료는 한국광학회의 “광학과 기술” 7권 2호 및 3호의 “특집” 내용을 인용 정리한 것이며, 저자들께 감사 드립니다.

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21세기 사회

삶의 질이 우선 => 환경 및 건강에 대한 관심 고조 => 바이오/의료 분야

ex) e-Health(electronic health, 재택진단)

: 시계, 화장실 또는 침대에 부착된 기기에 의하여 건강상태를 간편히 진단하여, 정보망을 통해 주치의나 119구조대로 연결됨으로써 의료서비스 등이 가능한 시스템

의광학

: 빛의 생체조직과 일으키는 상호작용 => 질병의 진단과 치료

빛의 장점

: 비접촉식, 비침습적, 치료 부위 최소화, 선택적 치료 가능,

통증 감소, 무혈 수술 등

=> 21세기 의료 분야 연구로 매우 적합

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목 차

1. 생체조직광학 2. 의광학 영상법 3. 의료/바이오 계측 4. 안광학 진단

5. 레이저 치료

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1. 생체조직광학

빛과 생체조직의 상호작용

- 레이저 특성

파장(wavelength), 조사 시간(exposure time), 에너지(energy), 출력(power)

- 광학적 특성

흡수(absorption), 산란(scattering), 투과(transmission)

- 열적 특성

밀도(density), 비열(specific heat), 열전도율(thermal conductivity)

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생체조직의 광학적 특성

L

t

= − ln( T ) / μ

- 총 광 흡수계수 ;

s a

t

μ μ

μ = +

여기서,

: 흡수계수, : 산란계수

μ

a

μ

_s

: 투과도, : 조직 두께

T L

) 1

(

'

_s

g

s

= μ −

μ

- 감소 산란계수 ;

여기서,

g

: 등방 산란

= 0 g

: 전방 산란

= 1 g

: 비등방계수(anisotropy)

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광학계수 측정 방법

- Photometric 법:

빛 => 빛의 감쇠를 측정

(1) 연속빔(continuous wave)

; 적분구(integrating sphere) (2) Time domain 방법

; pulse laser(~ps)

(3) Frequency domain 방법

; frequency modulation(100~200MHz)

- Photothermal 법 :

빛 => 열상승 및 온도 감쇠를 측정

- Photoacoustic 법 :

빛 => 조직에서 발생하는 음파를 측정

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미세조직 영상법

- 공초점현미경(confocal microscopy)

-

광결맞음 단층영상법(optical coherence tomography, OCT)

- 근접장 광현미경(near-field scanning optical microscpoy, NSOM)

거대조직 영상법

-

확산광 단층촬영법(diffused optical tomography, DOT)

- 광음파 영상법(opto-acoustic imaging)

2. 의광학 영상법

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광결맞음 단층영상법(optical coherence tomography, OCT)

- 광원 : fs-Ti:sapphire laser(800nm), SLD(superluminance diode, 800nm/1300nm) - 마이켈슨 간섭계의 원리

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PS(polarization sensitive)-OCT :

- 조직에서 발생하는 편광성분의 변화를 추가적으로 감지 (콜라겐, 케라틴, 망막조직 등 많은 생체조직이 비등방성을 가지며, 비등방성에 의한 복굴절은 단백질 변성에 민감) - 연골, 화상에 의한 진피조직의 변성, 화상치유과정 모니터링,

힘줄 구조 진단, 위나 혈관의 내벽 진단(내시경과 결합), 혈당 측정 등

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ODT(optical Doppler tomography)

- Doppler effect => 흐름이 있는 부분만을 선택적으로 측정 - 혈류 측정

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- 광원 : 600-900nm(투과길이가 길고, 대표적 흡수체인 혈액 농도에 민감한 파장대역) - 서로 다른 두 위치를 통과하는 산란광의 경로를 비교 추척

- 대뇌 기능영상, 유방암 검사, 두꺼운 조직의 산소 포화도 측정 등

확산광 단층촬영법(diffused optical tomography, DOT)

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- Continuous wave 영상법 : LD array 일정간격 배열

- Time domain 방법 : 짧은 펄스(<ps)를 조사한 후 시간별 신호 측정

- Frequency domain 방법 : 변조(100-200MHz) 주파수 변화, 위상 변화 측정

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3. 의료/바이오 계측

실시간 맥박 및 호흡수 측정 - 광원 : LED

- 맥박 : 혈류의 교류신호

- 호흡수 : 혈류 교류신호의 베이스라인 변이(호흡에 따른 혈액량 변화)

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산소포화도와 헤모글로빈 측정 (응급실 필수측정 요소) - 광원 : LED

- 569nm, 805nm(isobestic points)과 975nm(물에 대한 흡수도 보상)에서의 투과도 비율을 측정, 비교(귀, 손끝)

- 산소포화도(산소운반 기능) : 정맥 75%, 동맥 95%

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체지방

- 광원 : 938nm, 948nm

- 반사도 측정(복부, 근육의 체지방)

cf) 일반적으로는 손, 발을 통해 전류를 흘려 측정

체온

- 중적외선(8~15μm) 대역의 복사 에너지 측정

당뇨, 혈당

- Glucose의 흡수 스펙트럼 측정(8~10μm에서 특성 피크)

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- 기능형 : 광섬유의 광학적 성질(굴절률, 전송손실 등) 변화 - 비기능형 : 광섬유를 전송로 만으로 사용

직접형 : 시료와 광을 쪼여 발생되는 흡수, 발광, 산란 등의 스펙트럼 측정 간접형 : 광섬유 끝에 시약을 고정화(optode : optic+electrode)

pH 측정

- 색소반응지시약(phenol red)

- pH에 의존하는 녹색광 강도와 의존하지 않는 청색광 강도의 비를 측정

광섬유 바이오센서

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루미놀(luminol) : 혈흔감식에 쓰임

- Peroxidase 등의 효소를 첨가해 발광 스펙트럼 측정

면역센서

- 항체, 결합단백질, 리셉터, DNA 등은 특정 분자에 대해 매우 친화성을 가짐 산소포화도

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4. 안광학 진단

굴절력 측정기 - 광원 : LED

- 6개 조리개 배열에 대한 상점배열 분석

검안용 파면분석기

- Microlens array(MLA) 사용 - 상점이 많아 측정오차 감소

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각막지형 측정기 - Placido ring 광원

- (각막의 곡률, 편심률, 굴절력 측정)

적응광학(AO) 안저촬영기 -변형거울 사용

-분해능 향상

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Scanning laser opthalmoscope(SLO)

- 좌우상하 scan 하면서 망막에서의 반사광 측정

cSLO(confocal SLO)

- 깊이 방향 공간분해능 향상

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망막지형 관측기 - x, y scan + z scan

=> 최대 반사 z 값 분석

망막두께 분석기 -실틈빔 사각입사

- 망막의 앞쪽 신경섬유층과 뒷면 상피에서 반사된 두 광의 간섭상 측정

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5. 레이저 치료

- 고휘도 및 집속성

=> 수술 부위의 최소화

- 단색성

=> 선택적 치료

- 광학적 치료

=> 통증의 감소, 무혈 수술, …

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레이저 효과

- Photochemical effect(광화학적 효과) :

광민감성 약품(photosensitizer) => 암세포 등에 선택적 축적 => 치료 방광, 폐, 식도암 등에 적용

새로운 광민감성 약품(5-ALA, m-THPC 등) 개발

- Photothermal effect(광열적 효과) :

광 흡수=> 열에너지, 온도 증가 => 기화 및 광응고

전립선비대증, 암조직 응고, 망막치료, 모반, 문신, 털 제거 등

- Photomechanical effect(광기계적 효과) :

단파장, 고에너지 펄스 광 => Radical 또는 plasma => 국소적 조직 제거 치아, 라식 수술 등, 디스크 절제나 암조직 제거(연구 중)

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레이저 파워와 조사시간에 따른 효과

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레이저 임상치료에의 응용

- 안과

망막 박리: Ruby laser(694nm) 혈관 응고 : Ar⁺ laser(488, 514nm)

안구 유리체 치료 : Ar⁺ laser(488, 514nm), Kr⁺ laser(413nm) 백내장, 녹내장(안압과 밀접) : Nd-YAG pulse laser(1.064μm) 라식 : Excimer laser(ArF : 193nm)

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- 치과

경조직(법랑질, 상아질) : Er:YAG(2.94μm) –열효과 최소화 미백 : LD(830nm) – 활성산소 약품과 병행

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- 피부과

사마귀, 티눈, 주름, 흉터, 수두자국, 모발 등 제거 : CO₂ laser(10.6μm) 모반(붉은색) : Copper vapor laser(577nm), Pulsed Dye laser(585nm)

모반(검은색) : Ar laser(514nm), Frequency doubled Nd:YAG laser(532nm), Nd:YAG laser(1.064μm), CO₂ laser(10.6μm)

- 부인과

부인과 종양 : CO₂ laser(10.6μm)

자궁 질환 및 불임 : Nd:YAG laser(1.064μm)

- 신경외과

뇌종양 : Ruby laser, CO₂ laser => Nd:YAG(1.064mm), Nd:YLF(1.053mm)

=> fs 레이저