Transcript Endoscopic Functional Fourier Domain Optical Coherence Tomography

Endoscopic Functional Fourier Domain
Optical Coherence Tomography
Chul Gyu Song
Medical Electronics Laboratory
Division of Electronic Engineering, Chonbuk National Universy
광 간섭 단층영상기술
(OCT: optical coherence tomography)
Overview
Biomedical
Imaging
Overview
순서
1
연구의 개요
2
개발장치의 사양
3
연구내용 및 진행사항
4
임상실험
연구의 개요
관련질환의 중요성, 빈도 높으나 조기진단 제품 없음
일반 영상장비로 근육, 관절질환의 초기 변성관찰은 한계
(조직 크기 < 50 m 이하)
의료용 광 단층영상 장치(OCT)의 보완
조직의 적출 대신, 실시간 영상으로 조기진단 장치 필요
세계 OCT시장 규모
평균 성장율 34 %
내시경 OCT시장 포함
32억불
(Biooptic World 08. 02)
8억불
2008년
국내 관련시장규모
약 1500억
원
세계시장의
<3%
14억불
300억원
2010년
2012년
2008년
2012년
(OCT: optical coherence tomography)
현재의 관절연골 검사방법 비교
장점
구분
조직검사
관절경
(arthroscope)
단점
-악성종양 구분 목적,
-굵은 침 사용, 조직절제
-고해상도임
-이용범위 제한적임
-현재까지 이용도, 신뢰도 높음
-관절경 삽입상처 (2~3개)
-전신 마취, 비용부담
-필요 시 조직 수술처치 가능
-작은 관절은 적용 못함
-비용 부담
MRI
-관절조직 관찰 (100 m)
-다양한 자세 촬영 못함
-유사 음영 조직 구분 어려움
초음파
-probe 방향에 따라 다양한 검사
-영상 해상도가 낮음
-비교적 저렴 (200 ~ 300 m)
-검사시행자 별 결과 다름
현재의 근육 질환 검사
• 근육경직: 중추신경계 질환, 일상생활 동작/보행의 심각한 장애
• 검사방법
진자검사
등속성 근력계
H-반사
이학적 검사
(문제점)
• 검사자의 주관이 개입될 여지가 많고, 대부분 생체역학적 방법이고, 근육의
생리학적 요소를 반영하지 못함
최종 개발 목표
 Disposable 광 probe 제작(3종류)
1. Biopsy 광 probe 2. Hypodermic needle 광 probe
3. Fiber bundle 광 Probe

Laser oximetry 결합 OCT
- 조직의 산소포화도와 구조 영상 동시 획득 → 기능적 진단
 임상실험, 기준 성능평가  문제점 보완
- 동물모델/환자대상 총 150 case 이상(JHU, 전북대병원)
- 시제품 KS IEC 기준 성능평가(KTL)
근육, 관절질환 (퇴행성) 조기진단 기술
IEC 60825-1.1 MPE (ANSI Z136.1)
MPE(Maximum Permissible Exposure)
피부(눈)에 대한 최대허용노출
Wavelength
(m)
Exposure Duration
(sec)
MPE(W/cm)
0.700 ~ 1.400
10~3x104
= 1 W/cm
눈 (5mW/cm)
LOW COHERENCE INTERFEROMETRY - THEORY
Reference
lr
Source
Er
ls
Sample site;
Power Reflectivity
Es
Low-Coherence Source:
Rs
Detector
lc
1
e
k 
k0  center frequency
Source Spectrum:
2 ln(2)  2

k

Depth in Sample
l s  lr
ln(2)

 k  k0 


 k 
2
 lc (coherence length)
제안 방식의 영상획득 원리
SLD
Source
Photo
Detector
Circulator
1
3
Demodulator &
Image Processing
Spectrometer
2
ER
ES
Lateral Scan
Axial Scan
E T (t)=E R (t)+E S (t+)
DAQ and Image
Processing
전체 구성
Scanning
Controller
(2D/3D)
Laser oximetry
Proposed OCT
coupler
spectrometer
circulator
PC
SLD 1
c1
c3
SLD 2
FC/APC
connector
SLD 1
c2
SLD 2
spectrometer
Image probe
PC
Integrated Probe
Laser Oximetry probe
( 760nm & 850 nm)
PS(polarization sensitive ) CP-OCT
편광에 민감한 모듈구성
p
C
QWP
SLD
photo
detector(H)
` PBS
photo detector(V)
DAQ
PC
SLD: super luminescent diode
P:polarizer
C:circulator
QWP: quarter wave plate
PBS: polarization Beam Splitter
Probe 제작 (1)
biopsy needle probe
-외부 부가 장치에 의해 회전,
전후 이동하며 영상획득
-내시경과 다른 장점
직경 <0.5mm 이하
(가격, 부피작고, 디스포저블)
-임상실험으로 성능 확인
기존의 조직검사 대신
새로운 진단도구로 활용
내시경 광 프로브
GRIN Lens 0.25 Pitch
Window
Stainless Steel tube
Mini-Motor
Optical Fiber (l=800 nm)
Reflective Coating, R~5-10%
Concave Mirror/Prism
Probe 제작 (2)
hypodermic needle probe
- 27 gauge tube에 SM fiber,
그린렌즈, 초소형 프리즘 결합
- 조직상태 모니터링
Probe 제작 (3)
Fiber bundle Probe
Common
path
Common
path
Fourier-Domain
time-domain
OCT
OCT
A
Angled fiber tip
Fiber core: <10µm
Optical fiber
bundle conduit
B-scan
Rod length: <100mm
Rod diameter: < 1mm
Specimen
A-scan
(Axial image)
산소포화도 측정 원리
Blood Oxygen Saturation Level
0% Sat
100% Sat
SO2 
CHbO2
CHbO2  CHb
RED
Wavelength (nm)
IR
Spectral characteristics of saturated (red line) and unsaturated (blue line) hemoglobin
IFFT
W(
I (k )
I (k )   E0 (k )
l l '
)
L
iW (l )
i(l )
2
 E0 (k )
2
i0 ( k , l ')
R(l ')
 r (k , l ) cos( j 2kl )dl
s
l
rs (k , l )  rs 0 exp( s l    a (k , l ')dl ')
0
R(l’) ={mean(i0(k,l’)2)red- mean(i0(k,l’)2)ir}/ mean(i0(k,l’)2)ir.
(laser oximetry)
장치 셋업
IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2009. 09, accepted
Chicken Embryo Tissue
OCT image
vessel
100um
Image
Overlay
SaO2 ~ 75%
• HSV color space: Hue, Saturation, Value(brightness)
H: 0 at red color , S: SaO2, V: OCT signal
실험
Fiber bundle probe
cladding
core 1
core 2
:
core n
core
Type I
Type II
Type III
Type IV
Length (mm)
76.2
76.2
30.5
30.5
Size (mm)
3.2
1.2
0.5
0.35
# of fibers
~3,000
~50,000
~10,000
~10,000
Core size (µm)
~50
~12
~2.9
~2
NA
0.53
0.55
0.39
0.39
(Fiber bundle probe test)
Fiber bundle probe 실험/ 장치 구성
nucleus
50
50
100
100
150
150
200
200
250
250
300
300
350
350
400
conventional microscopy image
um
um
양파 image
50
100
um
150
200
400
50
100
um
150
200
물고기 눈 (3-D image)
양파
돼지 관절연골
100µm
사용자 인터페이스 제작
OCT control
Signal from
the OSA
Probe
Scan
Control
Depth
profile
2D image
- Fiber Bundle (cladding에 의한) 노이즈 제거필요
cladding
core 1
core 2
2mm
core
:
1mm
core n
2mm
2mm
1mm
2mm
임상실험
Johns Hopkins대 → Rat, Rabbit 동물실험(60 case 이상)
전북대학교병원 → 동물/ 환자 임상실험(90 case 이상)
근 경직 질환(spasticity)
< 중추신경손상 환자대상: 제안 장치와 기존방법의 비교 분석>
- 대상: 하지에 근육 경직(muscle spasticity)이 있는 환자 20명을 대상
- 근육 경직 측정: 현재의 검사방법(생역학적 검사 수행)과 제안방법 비교
- 제작된 영상 프로브 이용:경직된 근육의 구조 검사하고, 경직 정도와 상관관계를 도출
이환된 반대 부위는 정상 대조군으로 활용 (측정 조직의 영상과 산소포화도 동시 측정)
임상실험
퇴행성 관절질환(degenerative joint disease)
< 동물실험 >
제안방법과 조직학 분석, 내시경 방법과 비교
- 퇴행성 진행도, 정확도 분석
퇴행성 관절 질환 모델구축 실험
- Lewis-Wistar rats (180 to 200 gm) 80마리 이상 실험 대상
- 실험군은 마취 유도 후 무균 조작 하에 좌측 뒷다리 관절 부위를 povidone iodine 용
액 소독한 후 sodium iodoacetate 3 mg을 0.9% sterile saline 50μL에 용해 주사
퇴행성 관절 질환을 유발(대조군은 같은 방법으로 검사)
제작된 프로브(3종류)에 의한 실험
- In vivo에서 진행, 마취 유도 후 무균 조작 하에 실험군과 대조군을 바이옵시 결합 내시
경 OCT 프로브(자체 제작된 공통 경로 광 프로브)로 대퇴골 내측상과 관찰
- 관찰 후, 다시 피부조직 봉합, 2일간 gentamicin을 근육 주사하여 감염을 예방. 재관찰
내시경 적용
Requires
Requiresflexible
flexiblelight
lightpipe
pipetotodeliver
deliverand
androute
routelaser
laserbeam
beam
for
forcutting,
cutting,burning,
burning,imaging,
imaging,etc
etc
LL
22
Laser
Laser
LL
11
Detection
Detection
• •3-D
3-DOptical
OpticalImaging
Imaging
Optical
OpticalCoherence
CoherenceTomography
Tomography
• •Functional
FunctionalImaging:
Imaging:Doppler,
Doppler,Spectroscopy,
Spectroscopy,etc
etc
Chicken Articular Cartilage (Knee) OCT imaging
CommonPath OCT
Fourier-domain
(800nm)
Bare fiber probe
1-D scanner
(moving stage)
Depth resolution: ~9µm
Salinesolution
Chicken
Cartilage
Image of middle zone is shown brighter in OCT
due to lateral distribution of collagen fibers
IEE Electronics Letters, Volume 45 (22), 09, 2009
0.49mm
Cysts or defects
Tissue clefts
1mm
Surface fibrillations
0.65mm
1mm
Fiber Probe Integrated
Hyperdermic Needle Tip
Needle Tip
Surface
Surface
Signal Intensity
Reference (0)
1mm
Needle Tip
Distance (mm)
요약
•Endoscopic OCT is a simple, versatile 3-D imaging and
sensing system
•Cost Effective
•Replaceable Probes
•We have demonstrated < 3 micron axial resolution
• Functional Imaging (SO2)
• Differentiate the cartilage zones and identity
various micro-structured defects
적용 가능한 분야

Ophthalmology

diagnosing retinal diseases.

Dermatology
 skin diseases
 early detection of cancers

Cardio-vascular diseases
 vulnerable plaque detection

Endoscopy(fiber-optic devices)
 gastrology

Functional imaging
 Doppler OCT
 PS-OCT
 Guided surgery(cancer)
– delicate procedures
– brain surgery
– knee surgery