Regular Paper

Korean Journal of Optics and Photonics. December 2019. 243-248
https://doi.org/10.3807/KJOP.2019.30.6.243


ABSTRACT


MAIN

  • I. 서 론

  • II. 실험방법

  •   2.1. 광 결맞음 단층 촬영법(OCT)

  •   2.2. 회전 접합부 설계

  •   2.3. 서보모터 선정

  •   2.4. 샘플 준비 및 실험

  • III. 실험결과

  • IV. 결과분석

  • V. 결 론

I. 서 론

기관지 협착 증상을 나타내는 대표적인 질병 중 하나로 기관지 천식을 들 수 있다. 천식은 전형적인 알레르기 질환으로 다인성의 만성적 질병이다. 따라서 조기진단을 통해 증상이 발견되면 신속하게 치료를 하고 재발을 예방하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 천식의 가장 흔한 증상인 호흡 곤란을 야기하는 기관지의 협착 정도를 측정하는 것이 하나의 방법이며, 기도 폐쇄의 가역성 및 심각성을 확인하는 것은 천식 진단에 필수적이다.

그림 1은 천식 및 급성 중증 천식을 의미하는 천식 지속 상태로 고통받는 환자 수에 대한 건강보험심사평가원의 통계자료이다[1]. 그림 1(a)와 같이, 천식으로 인한 입원 또는 외래 환자수는 2009년부터 2014년까지 매년 꾸준히 감소하고 있다. 반면에, 그림 1(b)를 보면 천식지속상태로 인한 입원 또는 외래 환자수는 2009년에서 2011년 사이보다 2012년에서 2014년 사이에 두 배 가까이 증가한 것을 볼 수 있다. 따라서 천식 지속 상태의 환자 수가 증가하는 것을 예방하기 위하여 천식을 조기에 진단 및 치료하는 것이 중요하다.

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Fig. 1.

Statistical data on the number of patients suffering from (a) asthma and (b) status asthmaticus according to Korea Informative Classification of Diseases. (Solid line) The dotted line shows the trend line.

광 결맞음 단층촬영법은 샘플로부터 후방산란된 빛의 간섭을 이용하여 조직의 단면 이미지를 얻을 수 있는 광학 시스템이다[2], [3]. 광 결맞음 단층촬영법의 침투 깊이는 약 2 mm로 매우 낮지만, 초음파와 달리 비접촉 방식이기 때문에 샘플과의 접촉으로 인한 문제를 고려할 필요가 없다. 또한, 이 기술은 고해상도로 조직의 미세 구조를 관찰하는 데 적합하다[2], [3], [4]. 특히 이 방법을 사용하면 기도의 점막 및 점막하층이 관찰되어 두 층 사이의 거리 또는 붕괴된 구조를 통해 협착의 진행여부를 확인할 수 있다[4], [5].

이전의 연구에서는 브러시리스 DC모터(BLDC 모터)를 사용하여 모터와 회전 접합부를 한 축 상에 위치시켜 관성 모멘트를 감소시키면서 강도와 회전 안정성을 유지하였다[6]. 또한 모터 축 회전 시 회전 각도에 따른 광 세기가 일정하게 유지되도록 광섬유 코어의 중심축을 조정하는 두 개의 스크류를 포함하였다[7]. 한편, 본 연구에서는 모터 축과 단채널 광섬유 회전 접합 축의 두 축으로 설계하였으며 서보모터를 사용하였다. 서보모터는 BLDC 모터와 마찬가지로 고속 회전이 가능하고 높은 토크를 가지는데, 회전 검출기인 엔코더를 포함하여 모터 축의 회전 속도와 현재 위치를 피드백하고, 지령하는 위치 및 속도와 피드백 신호 간의 오차를 계산하여 오차가 0이 되도록 모터의 회전을 제어한다는 이점이 있다. 따라서 실시간 이미징을 위한 속도 설정과 높은 정밀도를 위하여 서보모터를 사용하여 실험을 진행하였다.

이 연구에서는 서보모터와 단채널 광섬유 회전 접합(fiber optical rotary joint, FORJ)을 사용하여 내시경 광 결맞음 단층촬영 시스템의 회전 접합부를 개발하였다[8]. 단채널 광섬유 회전 접합은 서보모터로 구동되어 기도 내부에서 단층촬영 이미지를 얻는 동안 내시경 프로브를 360도 회전시킨다. 내시경 광 결맞음 단층촬영법의 장점은 다음과 같다. 첫째, 고속 회전을 통해 실시간으로 영상획득이 가능하다[4]. 급성 천식의 경우, 기도의 즉각적인 변화를 식별하는 것이 중요한데 이에 활용할 수 있다. 둘째, 단층촬영을 통해 기도 재형성 또는 기저막과 평활근의 확장에 대한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 기관지 초음파(endobronchial ultrasound, EBUS)의 한계인 저해상도를 극복하고 조직 구조의 각 층을 고해상도로 구별할 수 있다. 그리고 마이크로 내시경은 기도의 말초부분까지 데이터를 획득할 수 있다. 마지막으로, 탐색 기능을 이용하여 치료 전후에 동일한 영역을 이미징함으로써 치료경과를 확인할 수 있다[3], [9].

II. 실험방법

2.1. 광 결맞음 단층 촬영법(OCT)

그림 2는 광 결맞음 단층촬영법(OCT)의 모식도이다. 저간섭성 광원(중심파장 1310 nm, 3 dB 대역폭 80 nm, 20 mW) 에서 나온 빛은 50/50 분할 비율을 가진 2 × 2 커플러를 통과하여 샘플단과 참조단으로 나뉘어 들어간다. 두 단에서 반사된 빛이 검출단 카메라(1,024픽셀, 90 kHz 라인 스캔카메라)로 들어온다[10]. 본 연구에서 사용한 광 결맞음 단층촬영 시스템의 축방향 해상도는 11.692 µm, 신호대 잡음비는 106 dB, 롤오프는 5.65 dB/mm였다. 내시경 광 결맞음 단층촬영법은 이 시스템에서 샘플단을 변형시켜 개발하였다[11], [12].

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Fig. 2.

Schematic diagram of the spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) system; LCL, low coherence light source; LSC, line scan camera; CM, collimator; FL, focusing lens; DG, diffraction grating.

2.2. 회전 접합부 설계

그림 3은 실험에 사용된 내시경 광 결맞음 단층촬영법의 전체 시스템에 대한 모식도를 보여준다. 이 시스템은 전원 공급을 위한 스위치 모드 파워 서플라이(SMPS), 내시경 프로브(파장 1,300 nm, 대역폭 55 nm, 스캔속도 100 frames/s, C7 dragonflytm imaging probe, St. Jude Medical, St. Paul, Minnesota)를 회전시키기 위한 서보모터와 단채널 광섬유 회전 접합, 모션 제어를 위한 드라이버 및 터미널, 그리고 내시경 프로브를 선형적으로 풀백하기 위한 선형 스테이지로 구성되어 있다[13], [14]. 본 실험에 사용된 상용화 광프로브는 끝단으로부터 1 mm 떨어진 초점 거리에서의 빔 웨이스트 크기는 ~25 µm였다[15]. 모터는 벨트 풀리로 단채널 광섬유 회전 접합에 연결되어 있으며 선형 스테이지에 고정되어 있다[16]. 전면 패널에는 카테터를 삽입 및 고정하기 위한 부분이 있으며, 이는 3D 프린트로 제작되었다. 후면 패널에는 조직의 단면 영상을 실시간으로 얻기 위해 광 결맞음 단층촬영법과 연결되는 부분이 있다. 한편, 시스템에는 전원 스위치, 키, 비상 시 모든 작동을 중지시키는 비상 버튼, 파워 조절을 위한 감쇠기, 그리고 오실로스코프로 신호를 확인하기 위한 BNC 커넥터도 전, 후면 패널에 존재한다.

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Fig. 3.

Schematic diagram of the sample arm; SMPS, Switching Mode Power Supply; FORJ, Fiber Optic Rotary Joints. It consists of a servo motor, a linear stage, catheter, etc. The catheter is rotated by 360° using the servo motor and pulled back by the linear stage at the same time. The OCT system for acquiring cross-sectional images in real time is connected on the back panel. The trachea model is connected on the front panel. The green and red lines represent the electrical and optical paths, respectively.

2.3. 서보모터 선정

모터를 선정할 때 원하는 회전 속도를 만족시키기 위해 몇 가지 요인을 고려해주었다. 일반적으로 서보모터는 스텝모터보다 고속회전에 더 적합한 것으로 알려져 있기 때문에 서보모터를 선택하였다. 카메라 속도를 완전히 활용하기 위해서는, 1,000개의 A-lines로 구성된 B-scan 이미지를 만들어내기 위해 내시경 프로브의 목표 회전 속도를 초당 90회전(90 rps), 즉 분당 5,400회전(5,400 rpm)이 되도록 설계해주어야 했다. 따라서 우리는 단채널 광섬유 회전 접합의 속도를 90 rps 또는 5,400 rpm으로 유지하면서 모터에 필요한 회전 속도로 감소시키기 위해 기어 시스템을 사용하였다. 다음 방정식은 기어 시스템의 두 풀리 간의 속도비를 나타낸다.

$$\frac{{\mathrm{rpm}}_1}{{\mathrm{rpm}}_2}=\frac{N_2}{N_1}$$ (1)

여기서, rpm1N1은 각각 모터 축 기어의 회전 속도와 잇수, rpm2N2는 각각 단채널 광섬유 회전 접합 축 기어의 회전 속도와 잇수를 말한다.

그림 4는 선정된 모터의 속도-토크 특성 곡선이다. 모터의 정격 회전 속도와 최대 회전 속도는 각각 3,000 rpm과 5,000 rpm이었다. 모터 축 기어의 잇수, N1은 60이었고 FORJ축 기어의 잇수, N2는 44였다. FORJ의 속도가 5,400 rpm일 때 대응되는 모터의 속도는 3,960 rpm이며 이 값은 선정된 모터의 정격 회전 속도와 최대 회전 속도 사이의 범위에 포함되었다. 모터는 단채널 광섬유 회전 접합과 광결맞음 단층 촬영법의 프로브를 회전시키기에 충분한 토크를 필요로 했고, 3,000 rpm 이하의 속도에서는 0.32 N ‧ m의 토크값을 가지며, 5,000 rpm까지는 0.16 N ‧ m로 선형적으로 감소하는 것을 볼 수 있다.

$$\frac{\tau_1}{\tau_2}=\frac{N_2}{N_1}$$ (2)

여기서, τ1과 τ2는 각각 모터 축과 단채널 광섬유 회전 접합 축 기어의 토크이다.

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Fig. 4.

Speed-torque characteristic curve of the servo motor. The rated and maximum rotational speeds are 3,000 rpm and 5,000 rpm, respectively. The motor has a rated torque of 0.32 N ‧ m. The shaded area represents the continuous motion area and the other area represents the instantaneous motion area.

위의 식은 기어비(또는 토크비)를 나타낸다. 기어비는 1.36:1이었기 때문에 3,960 rpm에서의 서보모터의 토크는 약 0.24 N ‧ m였고, FORJ와 광 결맞음 단층촬영법의 프로브를 회전시키기에 충분한 값이었다. 마지막 모터 선정 조건으로 엔코더(20 bit, incremental type)가 포함된 모터를 선택했다. 이는 정확히 360도 회전을 위해 모터의 위치와 속도를 검출함으로써 피드백을 제공하는 기능을 한다. 이 실험에서 내시경 프로브의 회전 속도는 90 rps로 설정했고 서보모터는 모션보드(BPHR & SMC-2V04, AJINEXTEK)에 의해 제어되었다.

2.4. 샘플 준비 및 실험

생체 외 토끼 기도 모델을 샘플로 사용하였으며, 이는 고신대학교로부터 제공받았다. 조직에 협착을 유도하기 위해 먼저, 외경이 3.5 mm의 기관지 내시경을 기도 내부에 삽입하였고 성대하 30 mm 하부까지 진입시킨 뒤 외경이 1.5 mm의 확산형 원통 광섬유를 기관지 영상 유도하에 기도 내강의 중심부에 위치시킨 뒤 1,470 nm의 다이오드 레이저 시스템(FCW-1470, CNI, Changchun, China)을 사용하여 10 W의 레이저 광선을 7초 동안 조직에 전달하였다. 레이저 조사동안 조직의 변화와 조사 직후 영상을 저장하였고 2주 후 영상을 획득하여 내강이 좁아짐을 확인하였다. 실험 프로토콜은 고신대학교 의과대학 동물 연구 위원회에 의해 승인받았다[17].

조직과 카테터는 서보 모터가 회전할 때 흔들리는 것을 방지하고, 같은 선상에 위치시키기 위해 그림 5와 같이 아크릴 구조물을 사용하여 고정시켰다. 그림 5(a)는 아크릴 구조물의 전체적인 모습이다. 총 세 개의 장치로 구성되어 있는데 양쪽의 두 개는 카테터를 고정시키고 샘플과 한 직선상에 놓기위한 용도이며, 가운데 장치는 조직을 고정시키기 위해 덮개 형식으로 만들어졌다. 그림 5(b)는 기도 모델을 위치시킨 가운데 구조물을 확대한 사진이다. 선형 스테이지는 내시경 프로브가 기도 내부에서 360도 회전하면서 광 결맞음 단층촬영법으로 실시간 스캔하는 동시에 풀백을 하기 위한 장치이며, 풀백 속도는 0.16 mm/s로 설정하였다. z축 공간 해상도를 x축과 y축 공간 해상도 4.96 µm와 최대한 비슷하게 하기 위해서 프레임 속도 90 frames/s에 대한 풀백 속도를 고려하면 0.45 mm/s가 된다. 그런데 모니터로 실시간 영상을 확인하면서 이미징하기 위하여 최대한 천천히 풀백시킬 필요가 있어 선형 스테이지의 풀백 속도를 이보다 느리게 구동하였으며, 굳이 0.16 mm/s여야 하는 것은 아니다.

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Fig. 5.

Acrylic structures placed on the sample arm to fix the tissue and the catheter when the catheter is moved by the linear stage. (a) is the overall structure, and (b) is an enlarged image of the middle portion of the device, which is used for placing a trachea. This structure is composed of three devices as shown in (a): the two parts on both sides are used to fix and align the catheter, the middle part is made into a cover type to fix the tissue, and the alignment with the catheter is performed at the same time. The length of the middle device is about 55 mm, and the length of the airway is about 25 mm.

III. 실험결과

카테터는 실시간 단층촬영을 위해 기도 내부에 삽입되었다. 그림 6(a)와 6(b)는 각각 정상부분과 협착부분에서의 이미지이다. 이미지의 중앙에 있는 선은 카테터 시스를 나타내고, 바깥쪽에 있는 선들은 안쪽부터 점막과 점막하층을 차례대로 보여준다. 점막과 점막하층은 정상부분에서는 잘 관찰되지만, 협착이 일어난 부분에서는 두 층의 경계가 모호하여 명확히 구분하기가 어렵다.

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Fig. 6.

OCT images of the airway. (a), (b) are the normal and stenosed part of the airway, respectively. In (a), the central image represents the catheter sheath, and the mucosal and submucosal layers appear in the outer large circles in order. In (b), the structure of mucosa and submucosa cannot be distinguished due to airway narrowing.

그런 다음, 3차원 영상 복원용 소프트웨어인 Amira를 사용하여 단면 이미지들을 쌓아서 3차원 이미지를 얻었다. 최대 강도 투영을 계산하기 위해 mip (maximum intensity projections) 기능이 사용되었으며, 그림 7에서 빨간색 화살표는 정상 부분을, 노란색 화살표는 협착된 부분을 나타낸다.

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Fig. 7.

3D image reconstruction using Amira. The red and yellow arrows indicate the locations of normal and stenosis, respectively, of the airway.

그림 8은 기도 조직의 정상 부분과 협착 부분에 대한 조직학적 이미지이다.

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Fig. 8.

Histologic images of the airway tissue with (a) normal and (b) stenosis.

IV. 결과분석

먼저, 내시경 프로브의 고속회전을 위해 서보모터를 선택하였으며, 실시간 영상 획득을 목표로 하였다. 실시간 영상 획득을 위해서 영상 획득 속도가 최소 30 fps 이상이 되어야 했으며, 선정된 모터의 속도는 90 rps로 이 조건을 충족했다. 초기에, 카테터의 회전 속도는 5,400 rpm 또는 90 fps를 목표로 하였고, 작동범위 내에서 모터의 속도를 감소시키기 위해 기어 시스템을 이용하였다. 기어비에 따라 모터 속도가 증가함에 따라 토크가 감소하기 때문에 우리는 토크가 큰 모터를 선택하였다. 모터의 속도는 정격 회전 속도가 4,000 rpm 부근이었다. 우리 시스템에서, 기어비는 카테터 축에 대한 모터축의 속도비인 1.36:1이었다. 카테터 속도가 5,400 rpm일 때의 모터 속도를 계산해보면 3,960 rpm이었다. 선정된 모터의 속도에 대응되는 토크 값은 그림 4에 있는 속도-토크 특성 곡선으로부터 알 수 있으며, 그 값은 0.24 N ‧ m였다. 모터 토크를 기어비로 나누어 얻어지는 카테터 토크의 값은 0.18 N ‧ m였다. 카테터가 회전할 수 있도록 실제 부하 토크는 이 값보다 작아야 한다는 점도 고려해야 했다. 서보 모터는 이러한 모든 필요조건을 고려하여 선정되었다.

잘 관리되지 않는 천식은 기도 벽이 두꺼워지고 기도저항이 증가하며 급성 악화로 발전하는데, 이러한 천식의 급성 악화는 생명을 위협한다. 따라서 기도의 협착을 진단하는 데 있어 좁아진 기도의 정확한 직경을 측정하는 것은 매우 중요하다. 내시경 광 결맞음 단층촬영법은 기도의 절개 없이 기도 내부를 관찰할 수 있는 측정 방법 중 하나로 최근에 부상하는 연구 주제이기도 하다. 광 결맞음 단층촬영법은 낮은 침투 깊이 측면에서 한계가 있지만, 미세한 조직 구조와 조직 층 간의 차이를 관찰하기에 적절한 이미징 기술이라고 할 수 있다. 기존의 광 결맞음 단층촬영법과 비교하여, 내시경 광 결맞음 단층촬영법은 360도로 조직을 스캔하여 조직의 내부 구조를 이미징할 수 있다. 본 연구는 비록 ex vivo 실험이었으나 실험의 타당성이 충분히 검증되어 추후 in vivo 동물 실험도 가능할 것으로 전망된다.

V. 결 론

본 연구를 통해 내시경 광 결맞음 단층촬영법을 개발하고, 레이저 방사에 의해 협착이 유도된 기도의 형태학적 변화를 관찰하였다. 기도 내 직경 차이나 점막과 점막하층 구조를 관찰함으로써 정상 부분과 협착 부분을 비교할 수 있었다. 따라서 이 연구에서 개발된 시스템은 천식과 같은 기도 협착과 관련된 질병의 진단을 보조적으로 도와줄 수 있는 기술이다. 또한, 이 방법을 사용하여 실시간으로 3차원 단면 이미징이 가능하다는 사실도 확인하였다.

Acknowledgements

이 논문은 2015학년도 부경대학교 연구년[II] 교수 지원사업에 의하여 연구되었습니다(C-D-2015-0503).

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