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KR20040039139A - 미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영 시스템 - Google Patents

미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영 시스템 Download PDF

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KR20040039139A
KR20040039139A KR1020020067959A KR20020067959A KR20040039139A KR 20040039139 A KR20040039139 A KR 20040039139A KR 1020020067959 A KR1020020067959 A KR 1020020067959A KR 20020067959 A KR20020067959 A KR 20020067959A KR 20040039139 A KR20040039139 A KR 20040039139A
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interferometer
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박양하
오상기
김요희
정태호
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 간단한 구성에 의하여 신호대 잡음비의 성능을 향상시켜 진단부위의 촬영 영상의 해상도를 높일 수 있는 미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 미첼슨 간섭계는, 광원과, 상기 광원에서 방사된 광을 나누는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터와 진단 시료 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 진단 시료로 제공하고 상기 진단시료에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 1광경로수단과, 상기 빔 스플리터와 기준 미러 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 기준 미러로 제공하고 상기 기준 미러에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 2광경로수단과, 상기 빔 스플리터에서 제공되는 상기 시료 및 상기 기준 미러로부터의 반사광을 검출하는 광검출기를 포함하여 구성되고, 상기 제 2광경로수단에 광의 감도를 감쇠시키는 감쇠수단이 설치되어 있다.

Description

미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영 시스템{Michelson Interferometer And Optical Coherence Tomography System Using The interferometer}
본 발명은 미첼슨 간섭계(Michelson interferometer)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)를 향상시킨 미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영(Optical Coherence Tomography; OCT) 시스템에 관한 것이다.
전통적인 영상 진단기기로서 X-ray CT, MRI, 초음파 영상(ultrasound imaging)과 같은 촬영 영상(tomography imaging) 기술이 의료분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 이들 기술은 서로 다른 물리적 성질, 해상도, 투과 깊이 등에 따라 특정한 분야의 진단에 사용되고 있다. 최근 빛을 이용한 의료 진단기기의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서 가장 대표적인 것이 광학적 간섭 단층 촬영(OCT)이다. 광학적 간섭 단층 촬영은 OCDR(Optical Coherence Domain Tomography)에 기반을 둔 기술로서 Duguay와 Mattick이 처음으로 1971년대 초에 "피부 내부 관찰(seeing through skin)"의 가능성을 제시하였다. 이 기술은 레이저의 저 간섭(low coherence) 특성을 이용하여 광학 반사(optical reflection)의 측정에 의해서 생체조직(biological tissue)의 내부 구조를 비침습적, 비접촉적인 방법으로 횡단면 영상화(cross-sectional imaging)를 하는 것이다. 생체 조직(biological tissue)로부터 반사된 광의 간섭(coherence) 성질은 조직(tissue)의 반사 경계(reflective boundary)와 백-스캐터링(back-scattering)으로부터 미세구조에 대한 공간정보(time-of-flight information)를 가지고 있다. 이러한 광학적 간섭 단층 촬영(OCT)는 빛을 이용하므로 진단부위가 무해하며, 가장 대표적인 진단 분야가 눈(eye)의 망막의 진단이다.
도 1은 가장 대표적인 미첼슨 간섭계의 구성을 도시한 것이다. 광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템의 광대역 소오스(broadband source)로서는 저 간섭 특성을 가지는 SLD(Super Luminescent Diode)(1)를 사용한다. 여기서 빛은 빔 스플리터(beam splitter)(2)에서 나누어진다. 빛의 한 부분은 기준 미러(reference mirror)(3)로 가고 나머지는 측정할 시료(sample)(4)로 간다. 시료(4)와 기준 미러(3)로부터 반사된 빛은 다시 빔 스플리터(2)를 지나가서 광검출기(5)에 모아지게 된다.
도 1에서 도시한 바와 같이 OCT에서 광대역 소오스는 기준 필드(reference field) Er과 시료 필드(sample field) Es로 나누어진다. 생체 조직으로부터 백-스캐터링(back-scattering)후에 수정된 시료 필드와 Er은 광검출기(5)에서 합해진다. 광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템의 수신단에서의 광전류(photocurrent)는 일반적으로 다음과 같이 주어진다.
여기서는 광검출기의 감도(detector responsivity), Pr은 기준 미러로부터 반사된 광 파워(optical power), Ps는 시료로부터 반사된 간섭 광 파워(coherent optical power), Px는 시료로부터 반사된 비간섭 광 파워(incoherent optical power)를 나타낸다. 또한 k0는 광원(optical source)의 중심 파수(center wavenumber)이고,l은 기준 미러와 샘플 간의 거리 차를 나타낸다. Id의 간섭항은 다음의 식으로 주어진다.
광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템의 잡음 특성을 나타내기 위하여 광 전류의 잡음 편차(noise variance)는 i 2으로 주어진다. 여기서 수신단 잡음(receiver noise)는 re 2, 촬영 잡음(shot noise)은 sh 2, 과잉 광자 잡음(excess photon noise)은 ex 2로 주어진다. 수신단의 광 전류 잡음은 열 잡음(thermal noise)이 주를 이루며 다음의 식으로 나타내어진다.
re 2= 4kBTB/Reff
여기서 kB는 볼쯔만 상수, T는 온도, B는 검출 대역폭을 나타낸다. 일반적인 데이터 북에서 수신단 잡음은로 주어지므로, 본 발명에서도 수신단 잡음을 이와 같이 설정하였다.
촬영 노이즈는 다음 식으로 주어진다.
sh 2= 2qIdcB
여기서 q는 전하(electronic charge), Idc는 평균 검출 광전류(mean detector photocurrent)를 나타낸다. 과잉 광자 잡음(excess photon noise)은 다음의 식으로 주어진다.
ex 2= (1 + V2)Idc 2B/
여기서 V는 소오스의 편광도(degree of polarization),는 소오스의 유효 선 폭(effective line width)를 나타낸다.를 가우시안 파워 스펙트럼 밀도(Gaussian power spectral density)라 하면,으로 주어지고, 여기서 FWHM은 FWFM(full-width half-maximum) 파장 대역폭(wavelength bandwidth),는 중심 파장(center wavelength)을 나타낸다. 여기서 직류 광전류는 다음과 같이 주어진다.
Idc <Id> =(Pr+Px)
여기서 < >은 평균값을 나타낸다. 단일 검출기에 대하여, 광전류편차(photocurrent variance)는 다음과 같이 주어진다.
광신호에 대한 신호대 잡음비는 다음과 같이 정의가 된다.
SNR = <Is 2>/
단일 검출기에서의 평균 제곱 신호(mean-square signal) 광 전류는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
<Is 2> = 2PrPs
일반적인 불균형 미첼슨 간섭계(unbalanced Michelson interferometer)의 Pr,Ps,Px는 다음의 식으로 주어진다.
Pr= P0Rr/4
Ps = P0Rs/4
Px = P0Rx/4
여기서 P0는 광원의 출력, Rr은 기준 미러의 파워 반사도(power reflectivity), Rs는 시료의 간섭 백-스캐터링 파워 반사도(coherent back-scattering power reflectivity), Rx는 시료의 비간섭 백-스캐터링 파워 반사도(incoherent back-scattering power reflectivity)를 각각 나타낸다.
위의 관계식을 이용한 스플리팅 비율(splitting ratio)과 SNR의 관계를 도 2에 나타내었다. 도 2에서 보듯이 스플리팅 비율 K1이 0.5, 즉 50:50일 때 약 83.5dB를 나타내며, K1이 0.1∼0.9까지는 거의 일정한 분포를 가짐을 알 수가 있다.
상기한 미첼슨 간섭계의 SNR을 향상시키기 위해서는 광학 순환장치(optical circulator)와 불균형 파이버 커플러(unbalanced fiber coupler)를 추가하거나, 균형 헤테로다인 수신기(balanced heterodyne receiver)를 사용하는 방법이 있지만, 이러한 방식은 시스템의 구성이 복잡할 뿐만 아니라 구성하는데도 어려움이 따른다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 간단한 구성에 의하여 신호대 잡음비의 성능을 향상시켜 진단부위의 촬영 영상의 해상도를 높일 수 있는 미첼슨 간섭계와 이를 이용한 광학적 간섭 단층 촬영 시스템을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 미첼슨 간섭계는, 광원과, 상기 광원에서 방사된 광을 나누는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터와 진단 시료 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 진단 시료로 제공하고 상기 진단시료에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 1광경로수단과, 상기 빔 스플리터와 기준 미러 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을상기 기준 미러로 제공하고 상기 기준 미러에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 2광경로수단과, 상기 빔 스플리터에서 제공되는 상기 시료 및 상기 기준 미러로부터의 반사광을 검출하는 광검출기를 포함하여 구성되고, 상기 제 2광경로수단에 광의 감도를 감쇠시키는 감쇠수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 광학적 간섭 단층 촬영 시스템은, 광원과; 상기 광원에서 방사된 광을 나누는 빔 스플리터와; 상기 빔 스플리터와 진단 시료 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 진단 시료로 제공하고 상기 진단시료에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 1광학 수단과; 상기 빔 스플리터와 기준 미러 사이에 설치되어 광의 감도를 감쇠시키는 감쇠수단과; 상기 빔 스플리터에서 나누어져 상기 감쇠수단에서 감쇠된 광을 상기 기준 미러로 제공하고 상기 기준 미러에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 2광학수단과; 상기 빔 스플리터에서 제공되는 상기 시료 및 상기 기준 미러로부터의 반사광을 검출하는 광검출수단과; 상기 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단과; 상기 증폭된 신호에서 잡음을 제거하는 잡음제거수단과; 상기 잡음이 제거된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환수단과; 상기 변환된 디지털신호를 신호처리하여 진단 부위인 시료에 대한 각종 영상을 구성하여 표시해 주기 위한 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 기존의 미첼슨 간섭계에 감쇠기를 추가로 설치하는 간단한 구성의 추가에 의하여 망막과 같은 진단 부위의 촬영 영상의해상도를 높임으로써 촬영 영상의 정밀도를 높이도록 하였다.
도 1은 기존의 미첼슨 간섭계(Michelson interferometer)의 구성도.
도 2는 기존의 미첼슨 간섭계의 신호대 잡음비 특성도.
도 3은 본 발명에 따른 미첼슨 간섭계의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 미첼슨 간섭계의 신호대 잡음비 특성도.
도 5는 본 발명에 따른 광학적 간섭 단층 촬영(Optical Coherence Tomography; OCT) 시스템의 구성도.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 소오스 2 : 빔 스플리터
3 : 기준 미러 4 : 시료
5 : 광검출기 6 : 감쇠기
8 : 광학적 간섭 단층 촬영 시스템
9 : 그린(GRIN) 렌즈 10 : 포커싱 렌즈
11 ; 그린 렌즈 12 : 증폭기
13 : 대역통과필터 14 : 아날로그/디지털변환기
15 : 컴퓨터
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 미첼슨 간섭계의 구성도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 미첼슨 간섭계는 빔 스플리터(2)와 기준 미러(3)사이의 광 경로인 기준 미러 아암(reference mirror arm)에 감쇠기(6)를 추가로 설치한 것이다.
따라서 본 발명은 기존의 방식에 간단한 감쇠기(6)를 추가하여 시스템의 구성이 간단하게 되면서, 약 3dB정도의 SNR 향상을 가져오게 된다.
본 발명의 미첼슨 간섭계(unbalanced Michelson interferometer)의 기준 미러(3)에서 반사된 광 파워 반사도(Pr'), 시료(4)에서 반사된 간섭 백-스캐터링 광 파워 반사도(Ps'), 시료(4)로부터 반사된 비간섭 백-스캐터링 광 파워 반사도(Px')는 각각 다음의 식으로 주어진다.
Pr' = P0Rrd/4
Ps' = P0Rs/4
Px' = P0Rx/4
여기서, d는 기준 미러 아암의 감쇠 계수이고, P0는 광원의 출력 파워이다. 그리고, 본 발명에서는 3dB의 감쇠기를 사용하였다.
도 4는 감쇠기(6)를 추가한 시스템의 SNR을 나타내었으며 스플리팅 비율(splitting ratio)이 0.5(즉, 50:50)일 때 약 86.5dB를 나타내며, 기존의 시스템보다 약 3dB의 향상을 가져왔음을 알 수가 있다.
도 5는 본 발명에 따른 광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템의 구성도이다. 동 도면에 도시한 바와 같이, 광원(1)으로서는 SLD를 사용하고, 스플리팅 비율이 50:50인 빔 스플리터(2)를 사용하였다.
상기 OCT 시스템(8)은, 시료(4)에 광을 집광하고 시료(4)에서 반사된 광을 수광하기 위한 그린(GRIN)렌즈(11)와 포커싱 렌즈(10), 기준 미러(3)에 광을 조사하고 기준 미러(3)에서 반사된 광을 수광하는 그린(GRIN)렌즈(9), 상기 그린(GRIN)렌즈(9)와 빔 스플리터(2)사이의 기준 미러 아암에 설치되어 광의 감도를 예를 들면 3dB 감쇠시키는 감쇠기(6)가 설치되어 있다. 여기서, 그린 렌즈(11)와 포커싱 렌즈(10) 및 그린 렌즈(9)는 횡방향 스캐닝(lateral scanning) 및 종방향 스캐닝(longitudinal scanning)이 가능하도록 되어 있다.
그리고, 상기 OCT 시스템(8)은 상기 시료(4)와 상기 기준 미러(3)에서 반사되어 빔 스플리터(2)를 통과한 광을 전기적 신호로 검출하는 광 검출기(5)와, 상기 검출된 전기적 신호(광 전류)를 증폭하는 증폭기(12)와, 상기 증폭된 신호에서 잡음을 제거하는 대역통과필터(13)와, 상기 잡음이 제거된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(14)와, 상기 변환된 디지털신호를 신호처리하여 진단 부위인 시료에 대한 각종 영상을 구성하여 표시해 주기 위한 컴퓨터(15)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 OCT시스템은 간단한 구성의 감쇠기를 추가로 설치하여 시스템의 SNR 성능을 향상시켜 망막과 같은 진단 부위의 촬영 영상의 해상도를 높임으로써 촬영 영상의 정밀도를 높일 수 있게 된다.
한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예들에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.
이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 미첼슨 간섭계의 기준 미러 아암에 간단한 구성의 감쇠기를 추가로 설치함으로써 SNR을 3dB 향상시켰으며, 이로 인하여 시스템의 해상도를 높일 수 있게 된다. 또한, 이러한 미첼슨 간섭계를 광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템에 적용하면 망막과 같은 진단 부위의 촬영 영상의 해상도를 높임으로써 촬영 영상의 정밀도를 높일 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 광원과, 상기 광원에서 방사된 광을 나누는 빔 스플리터와, 상기 빔 스플리터와 진단 시료 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 진단 시료로 제공하고 상기 진단시료에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 1광경로수단과, 상기 빔 스플리터와 기준 미러 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 기준 미러로 제공하고 상기 기준 미러에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 2광경로수단과, 상기 빔 스플리터에서 제공되는 상기 시료 및 상기 기준 미러로부터의 반사광을 검출하는 광검출기를 포함하여 구성되고,
    상기 제 2광경로수단에 광의 감도를 감쇠시키는 감쇠수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 미첼슨 간섭계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감쇠수단은 3dB의 감쇠기인 것을 특징으로 하는 미첼슨 간섭계.
  3. 광원과;
    상기 광원에서 방사된 광을 나누는 빔 스플리터와;
    상기 빔 스플리터와 진단 시료 사이에 설치되어 상기 빔 스플리터에서 나누어진 광을 상기 진단 시료로 제공하고 상기 진단시료에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 1광학 수단과;
    상기 빔 스플리터와 기준 미러 사이에 설치되어 광의 감도를 감쇠시키는 감쇠수단과;
    상기 빔 스플리터에서 나누어져 상기 감쇠수단에서 감쇠된 광을 상기 기준 미러로 제공하고 상기 기준 미러에서 반사된 광을 상기 빔 스플리터로 전달하는 제 2광학수단과;
    상기 빔 스플리터에서 제공되는 상기 시료 및 상기 기준 미러로부터의 반사광을 검출하는 광검출수단과;
    상기 검출된 신호를 증폭하는 증폭수단과;
    상기 증폭된 신호에서 잡음을 제거하는 잡음제거수단과;
    상기 잡음이 제거된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환수단과;
    상기 변환된 디지털신호를 신호처리하여 진단 부위인 시료에 대한 각종 영상을 구성하여 표시해 주기 위한 수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 감쇠수단은 3dB의 감쇠기인 것을 특징으로 하는 광학적 간섭 단층 촬영(OCT) 시스템.
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