근적외선 형광 영상 시스템용 다채널 영상 모듈 개발 및 패키징
김태훈1,2·서경환2·이학근2·정명영1,2,†
1부산대학교 인지메카트로닉스공학과
2나우비젼 주식회사
Development and Packaging of Multi-channel Imaging Module for Near-infrared Fluorescence Imaging System
Taehoon Kim1,2, Kyung Hwan Seo2, Hak Keun Lee2, and Myung Yung Jeong1,2,
1Department of Cogno-Mechatronics Engineering, Pusan National University, Geumjeong-gu, Busan 46241, Korea
2Nawoo Vision Corporation, Miryang-si, Gyeongsangnam-do 50430, Korea (Received June 15, 2019: Corrected June 25, 2019: Accepted June 27, 2019)
초 록: 본 논문에서는 근적외선 다채널 형광 영상 시스템을 소개하고, 노출시간, 작동거리, 여기광의 강도에 따른 형 광 영상 시스템의 특성에 대해 분석하였다. 노출시간이 길수록, 작동거리가 짧을수록, 여기광의 강도가 강할수록 형광신 호가 증가하였다. 필터의 적절한 구성과 영상 모듈의 정밀한 패키징으로 배경신호의 증가를 억제하여 SBR이 증가하는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 다채널 형광 영상 시스템을 활용할 수 있는 방안에 대해 제안하였다.
Abstract: In this paper, we introduced a near-infrared multi-channel fluorescence imaging system and analyzed the effects of measurements variables such as exposure time, working distance and intensity of excitation light. Fluorescence signal is increased as exposure time becomes longer, excitation light intensity increases or working distance becomes smaller. Furthermore, the proper composition of optical filters and precise packaging of the imaging modules prevent the increase of background signal. Thus, we confirmed an increase in SBR. Based on the result of this research, we proposed a method to use a multi-channel fluorescence imaging system.
Keywords: Fluorescence, Multi-channel imaging, Fluorescence Imaging, Real-time imaging
1. 서 론
전세계적으로 많은 사람들이 암으로 고통받거나 죽고 있다. 의료 기술이 많이 발달하고 있지만, 암은 여전히 인 류가 극복해야 할 문제이다. 암을 극복하기 위해 다양한 의료 영상 기술이 개발되고, 성능이 발전하면서, 과거보 다는 암을 초기에 발견하여 치료하는 경우가 많아지고 있 다. CT (Computed tomography), MRI (magnetic resonance imaging), SPECT (single photon emission computed tomography), PET (positron emission tomography), 초음 파, X-선 등 여러 의료용 영상 기술들이 활용되고 있지 만, 이들은 뚜렷한 한계를 가지고 있다. 영상을 획득하기 위해 환자나 의료진이 매우 강한 방사선 또는 자기장에 노출되거나, 영상을 획득하기 위한 시간이 매우 길거나,
데이터 처리속도가 느리다. 초음파는 환부에 직접 접촉 해야 한다.1-7) 이런 단점으로 인해 기존의 의료용 영상 기 술들은 수술 중 실시간으로 영상을 보면서 수술을 진행 하는 영상 유도 수술에 부적합하다. 기존 의료 영상 기술 이 가진 방사선 및 자기장 사용, 접촉식, 느린 영상 구현 등의 단점을 극복하여, 영상 유도 수술에 활용할 수 있는 기술이 형광 영상 기술이다.
형광 영상 기술은 인체에 주입하여도 안전성에 문제가 없는 형광체와, 이 형광체가 형광을 발현하게 하고 발현 한 형광을 영상으로 구현하는 영상 시스템으로 구분할 수 있다. 인체 내 혈액, 단백질 등 여러 요소에 의해 흡수되 는 빛의 대역은 주로 가시광선 대역이며, 근적외선 대역 의 빛은 비교적 흡수가 적다. 그로 인해 생체 적합성 형 광체의 개발은 주로 근적외선 대역에서 이루어지고 있으
†
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© 2019, The Korean Microelectronics and Packaging Society
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properly cited.
며, 특히 NIR-I 대역인 700~900 nm 대역의 형광체 개발 이 주를 이룬다. 형광 영상 시스템 역시 NIR-I 대역에서 주로 개발되고 있으며, 영상 유도 수술에 활용할 수 있도 록 영상 장치와 환자 사이에 의사가 활동할 수 있는 공간 이 충분하도록 만들어진다. 필요에 따라 손으로 들고 활 용할 수 있는 소형 시스템과 비교적 고감도의 영상을 얻 을 수 있는 거치형 시스템, 내시경이나 복강경 및 흉강경 등을 활용한 시스템으로 개발된다.
다양한 형태의 형광 영상 시스템이 개발되었지만, 상용 화된 시스템은 대부분 1개의 형광 영상과 선택적으로 컬 러 영상을 제공하는데 그친다.1) 일부 시스템은 형광 영상 과 컬러 영상을 결합하여, 컬러 영상에서 형광이 발현되 는 부위를 표현해 주는 기능을 부여하고 있다. 최근 암, 신경, 뼈, 연골 등 특정 조직 및 세포에 부착되는 성질을 부여한 형광체가 개발되고 있으며, 이를 이용한 영상 유 도 수술 기법이 각광을 받고 있다. 특정 조직에 선별적으 로 부착되는 형광체가 개발되면서, 신경과 같이 보호해 야 할 주요 조직과, 제거의 대상이 되는 암 조직 등을 각 각 구분하여 수술 중 영상으로 확인이 가능하게 되었다.
하지만, 앞서 기술하였듯이, 대부분의 형광 영상 시스템 이 1개의 형광 영상을 제공하는데 그치고 있어, 다채널 형광 영상 구현이 가능한 형광 영상 시스템의 개발 필요 성이 제기되고 있다. 본 논문에서는 다채널 형광 영상 구 현이 가능한 영상 시스템에 관해 제안한다.
2. 다채널 형광 영상 시스템
Indocyanine green (ICG)은 FDA 승인을 받은 형광체로 다양한 분야에서 활용되고 있다. ICG는 약 800 nm 보다 긴 파장의 형광을 방출한다. 또, 다양한 용도로 활용되고 있는 methylene blue (MB)는 약 700 nm 보다 긴 파장의 형 광을 방출한다.1,8)그뿐만 아니라 다양한 형광체들이 ICG, MB와 비슷한 파장의 형광을 내는 특성을 가지고 있다.
형광체의 형광 파장 대역에 차이가 있음을 이용해서 다 채널 형광 영상 시스템을 구현할 수 있다. 예를 들어, 700 nm 대역의 형광을 내는 MB와 800 nm 대역의 형광을 내 는 ICG를 이용하면서, 여러 개의 영상 센서와 적절한 필 터를 이용해 두 개 대역의 형광 영상을 동시에 구현하는 것이 가능하다. 이를 이용한 기본적인 광학계의 구성을 Fig. 1에 나타내었다.
하지만 Fig. 1처럼 광학계를 구성하면, 1개의 영상 모듈 (카메라)만 사용할 때에 비해서 부피가 매우 커진다. 이 는 사용자의 편의 측면에서 바람직하지 못하다. 사용자 가 필요한 경우에는 형광 영상 시스템의 영상 모듈만 손 으로 들고 활용할 수 있을 정도로 작게 만들 필요가 있다.
이를 위해서 Fig. 1에 나타낸 기본적인 광학계 구성의 원 리를 유지하면서, 다수의 영상 센서를 포함한 하나의 소 형 영상 모듈을 제작하여 다채널 형광 영상 시스템을 구 성하였다. 본 시스템은 주로 활용되는 MB와 ICG의 형광
대역에 맞추어 제작하였다. 400~640 nm 대역의 컬러 영 상을 획득할 수 있고, 680~740 nm 대역의 형광 영상을 획 득할 수 있고, 780~1,000 nm 대역의 근적외선 형광 영상 Fig. 1. Schematic diagrams of a multi-channel fluorescence imaging system using (a) 3 separate cameras, (b) a 2-CCD multi-spectral camera and a monochrome NIR camera.
을 각각 동시에 획득할 수 있게 하였다. 하나의 소형 영 상 모듈을 이용해 앞서 기술한 영상 대역을 모두 동시에 획득하기 위해서 프리즘을 활용하였다. 기존의 3-CCD RGB 카메라의 프리즘과 원리 및 형상은 거의 유사하나, 본 형광 영상 시스템에 적용할 수 있게 프리즘 계면에 적 절하게 투과 및 반사 대역을 조절하였다. 이를 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2의 F1은 저역통과필터로 작동하며, 약 780 nm보다 짧은 파장의 빛은 투과시키고, 그보다 긴 파 장의 빛은 반사시킨다. F1에서 반사된 빛은 그대로 영상 센서로 진행하여 영상으로 구현된다. F1에서 투과된 빛 은 다시 Fig. 2의 F2에 의해서 분할된다. F2는 고역통과 필터로 작동하며, 약 640 nm 보다 긴 파장의 빛은 투과시 키고, 짧은 파장의 빛만 반사하여 영상 센서로 전달되게 한다. 프리즘의 반사 및 투과 대역은 MB와 ICG에 기반 하여 결정되었으나, cyanine 5.5, ZW700 등 700 nm 대역 의 형광을 발현하는 형광체와 ZW800 등 800 nm 대역의
형광을 발현하는 형광체를 이용하여 영상을 획득하는 것 역시 가능하다.
3. 다채널 형광 영상 시스템의 특성 분석 형광 영상 시스템이 최적의 형광 영상을 획득하기 위 해서 조절해야 할 변수는 여러 가지가 있다. 영상 모듈과 촬영부 사이의 거리인 작동 거리 (working distance, WD), 광학계 줌렌즈 (zoom lens)의 줌 (zoom), 여기광원의 종 류 및 강도, 카메라의 노출 시간 (exposure time, ET) 등에 따라서 형광 영상의 신호대 배경비 (signal to background ratio, SBR)가 크게 달라진다. 따라서, 앞서 제안한 3-CCD 를 이용한 형광 영상 시스템을 통해 작동 거리, 노출 시 간, 여기광 강도에 따른 SBR을 측정하고, 본 시스템을 활 용한 최적의 영상 획득 조건을 확인하였다.
먼저 여기광의 강도에 따른 형광 영상의 특성을 분석 하였다. 비교적 일정한 광 분포를 만들기 위해 1×4 스플 리터를 사용하여 1개의 레이저를 4개의 출력으로 전송하 여 30 cm 거리에서 피사체로 자연방출 되도록 하였다. 여 기광으로 활용한 레이저는 760 nm의 중심파장을 가지며, 입력 전류에 따라 출력이 조정되는 형태이고, 최대 2.5 A 의 전류까지 인가가 가능하다. 2.5 A에서 약 1.7 W의 레 이저를 방출한다. 30 cm 거리에서 피사체에 도달한 레이 저는 최대 22.2 mW/cm2이며, 입력 전류에 따라 30 cm에
Fig. 2. Schematic diagrams of (a) a multi-channel fluorescence imaging system using a 3-CCD camera, and (b) the prism block of system (a).
Table 1. Fluence rate relative to the laser diode current No. Current (A) Fluence rate (mW/cm2)
1 0.6 0
2 0.7 0.3
3 0.8 1.2
4 0.9 2.5
5 1.0 3.9
6 1.1 5.0
7 1.2 6.3
8 1.3 7.5
9 1.4 8.7
10 1.5 10.1
11 1.6 11.3
12 1.7 12.5
13 1.8 13.7
14 1.9 14.9
15 2.0 16.2
16 2.1 17.3
17 2.2 18.5
18 2.3 19.8
19 2.4 20.9
20 2.5 22.2
거리에서 피사체에 도달한 여기광의 강도는 Table 1에 나 타내었다. 작동거리를 30 cm로, 카메라의 노출 시간은 10 ms로 고정하고, 여기광의 강도를 변경하며 형광 영상을 획득하고, SBR을 측정하였다. 측정한 SBR은 Fig. 3에 나
타내었다. 형광 영상 획득을 위한 형광체는 dimethyl sulfoxide에 ICG를 1 mM 농도로 희석하여 사용하였다.
형광체가 존재하는 영역은 여기광의 강도가 증가함에 따 라 형광의 강도가 증가하였으며, 그에 따라 SBR도 함께 증가하였다. 근적외선 형광 영역을 획득한 이미지는 흑 백 영상이며, 영상으로부터 gray value를 확인할 수 있다.
영상은 8 bit 이미지로 획득되었으며, 그에 따라 gray value 는 0~255의 값으로 표현된다. 0에 가까울수록 검어지며, 255에 가까울 수록 흰색에 가까워진다. 형광의 강도가 강 해지면, gray value는 점점 더 255에 가까워지며, 특정 한 도 이상에서는 255로 동일하게 나타난다. SBR을 계산하 기 위해서 형광 영역의 최대 gray value와 배경 영역의 gray value의 비를 계산하면, 높은 SBR을 얻을 수 있지만, 변 수에 대한 민감도가 떨어진다. 하지만 형광 영역을 설정 하고, gray value의 평균을 이용하면, 변수에 따른 SBR의 변화를 더욱 잘 알 수 있다. ET와 WD를 고정한 상태에 서 여기광의 강도만 변경시킨 실험에서, 여기광의 강도 가 증가함에 따라 형광의 강도가 증가하고, 배경 신호는
Fig. 4. (a) SBR according to exposure time of the NIR camera, (b) the captured images at a constant WD of 30 cm and a laser current of 1.0 A.
Fig. 3. (a) SBR according to the excitation laser current, (b) the captured images, (c) the area used to calculate the SBR and (d) color image with scale bar(left), merged image of color and fluorescence image when current is 1.2A(right).
크게 증가하지 않음에 따라서 SBR은 크게 향상되었다.
다음으로 카메라의 ET에 따른 형광 영상 특성을 분석 하였다. 앞선 실험과 마찬가지로 WD는 30 cm로 고정하 였다. 여기광의 강도도 일정하게 하기 위해서 각각 1.0 A 로 레이저 모듈에 인가되는 전류를 고정하여 실험하였 다. 카메라의 ET는 1~30 ms에서 1 ms 단위로 변경하며 형광 영상을 획득하고, 이를 이용해 SBR을 측정하였다.
이를 Fig. 4에 나타내었다. 영상 모듈의 ET가 증가함에 따라서 SBR이 증가함을 확인하였다.
이어서 작동거리에 따른 SBR 변화를 확인하였다. 레이 저에 인가되는 전류는 1.0 A로 고정하여 시료 표면에 조 사되는 레이저를 약 3.9 mW/cm2가 되도록하고, 영상 모 듈의 노출시간은 10 ms로 고정하였다. 그 결과를 Fig. 5 에 나타내었다. 작동거리가 증가함에 따라서 영상모듈에 입사하는 형광의 강도가 약해지고, 그에 따라 SBR이 감 소하는 경향을 확인하였다.
4. 결 론
앞서 서술한 실험을 통해 다채널 형광 영상 시스템의 특성을 분석하였다. 영상 모듈의 ET나 여기광의 강도가 증가함에 따라서 SBR이 증가하고, WD가 짧아짐에 따라 SBR이 증가하는 것을 확인하였다. 기존의 보고된 형광 영상 시스템의 특성 분석에서는 영상 모듈의 ET, WD 등 변수에 따라서 SBR이 증가하다가, 특정 조건 이상에서 는 형광 영상의 gray value는 최대에서 더 증가하지 않고, 배경신호만 증가하여 SBR이 감소하는 경향이 있었다.9) 본 논문에 서술한 형광 영상 시스템을 활용한 실험에서 는 배경신호의 증가를 적절히 억제하여 형광 신호는 최 대치에 수렴하여 더 이상 증가하지 않고, 배경신호만 증 가하여 SBR을 감소하게 하는 현상을 발견할 수 없었다.
이는 형광 영상 시스템 구성에서 적절한 필터의 배치와 영상 센서 및 프리즘 간의 정렬 및 패키징, 영상 모듈의 패키징이 정밀하게 조합된 결과로 볼 수 있다. 본 논문에 제안한 구조의 영상 모듈을 제작하면서 프리즘 제작에서 의 공차, 프리즘과 영상 센서를 패키징하는 공정에서 발 생하는 공차, 이 공차를 보정하기 위한 전산처리 등을 거 치며, 잘못 제작되거나, 패키징 시 정렬의 문제가 발생하 는 경우, 여기광이 적절히 차단되지 못하고 영상센서로 진행하여 배경신호를 증가시키고, 이는 SBR을 감소하게 하는 원인으로 작용하였다. 본 논문에서 확인한 것을 바 탕으로 추후 형광 영상 시스템을 다양한 방향으로 개발 할 수 있고, 이를 활용한 형광 복강경/내시경/흉강경, 고 글 타입의 형광 영상 시스템, 형광 로봇 수술 시스템 등 다양한 형태로 발전이 가능하여 의료 분야 기술 향상에 기여할 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의
“지역특화산업육성사업”으로 수행된 연구결과입니다.
(P0005069)
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