12 λ FDPM : 12 파장 빔컴바이너 기반 주파수 영역 확산광 분광 해석 방법에 관한 연구 = 12 λ FDPM : A Frequency Domain Photon Migration instrument based on twelve-wavelength beam combiners
저자
발행사항
천안 : 단국대학교 대학원, 2020
학위논문사항
학위논문(석사)-- 단국대학교 대학원 : 의학레이저협동과정 의광학전공 2020. 2
발행연도
2020
작성언어
한국어
주제어
DDC
621.36 판사항(23)
발행국(도시)
충청남도
형태사항
vii, 60 p. : 삽화, 표 ; 26 cm.
일반주기명
지도교수: 김세환
참고문헌 : p.53-58
UCI식별코드
I804:11017-000000194860
소장기관
본 연구는 근적외선 확산 광 기술 중 주파수 영역 확산 광 분광 이론을 기반으로 근적외선 대역의 12개의 파장의 광을 사용하여, 비침습적으로 생물학적 조직의 광학 계수 및 생리학적 성분 정량화를 위한 알고리즘의 구현과 비교 검증을 통한 성능평가에 관한 것이다.
본 연구의 주요 주제는 빔컴바이너, 파장 선정을 위한 몬테카를로 시뮬레이션, 기존의 주파수 영역 분석법에 쓰인 정적 영역 측정을 제거한 12λFDPM만을 위한 새로운 생리학적 정보 추출 알고리즘, STC (Specific Tumor Contrast) 개발 구현 그리고 기존 DOSI (Diffuse Optical Spectrscopy and Imaging) 기기와 비교 검증을 통한 성능평가이며 상술하면 아래와 같다.
12λFDPM (Frequency Domain Photon Migration) 의 광원으로 기존의 광원단이 차지하는 부피를 줄이기 위해 스터브형 빔컴바이너를 사용하였다. FDPM만을 통해 시스템을 구현하고자 12개의 파장을 선정하는 데에 있어서, 서
로 다른 파장 조합에 따라 알고리즘 정확도 차이가 발생하기 때문에, 이를 최적화하는 파장 조합을 선별하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다. 시중에서 구매 가능한 레이저 다이오드 중, 출력파워가 최소 40mW이상, TO-9/56 패키지를 지닌 C-타입 레이저 다이오드를 선정하였으며, 이 중 12개씩의 파장 조합을 선택하여 여러 개의 생체조직 모사 조직을 설정한 후, 몬테카를로 시뮬레이션을 시행하여, 각각의 12파장 조합에 따른 생리학적 성분의 값을 산출하고 이 중, 가장 높은 정확도를 보인 12파장의 조합을 12λFDPM을 위한 빔컴바이너 광원의 파장으로 정했다.
DOSI 알고리즘은 P1 추정(P1 Approximation)으로 유도한 광 확산 방정식(Diffusion Equation)을 적용한 주파수 영역 분석법과 반사율 이론 (Reflectance Theory)을 적용한 정적 영역 분석법으로 구성되어 광학적 특성을 산출한다(1). 12λFDPM 시스템의 알고리즘은 주파수 영역 분석법만을 적용하기 때문에, 광 확산 방정식으로 광학적 특성을 산출하기 위해 레벤버그 마쿼트 알고리즘 (Levenberg-Marquart algorithm)을 사용한다(2). 생리학적 성분 정량화 산출 알고리즘은 최소자승법 (least square method)을 통한 역행렬 방정식 연산한다(3). 이와 더불어, 기존의 스펙트럼을 분석하는 STC 알고리즘을 12개의 파장대의 값만을 사용하여 평균 레퍼런스 흡수 산란 분포도를 통해 레퍼런스와 샘플 부분의 STC 값을 연산하는 방식으로 접근하였다.
새로운 12λFDPM의 성능 검증은 기존 DOSI 시스템과 비교 검증을 통해 진행하였다. 임상 연구로 산출된 유방암 환자데이터를 이용하여 두 시스템이 연산하는 광학 계수, 생리학적 성분. 기능성 영상을 비교 분석하였다. 그 결과, 새롭게 구현된 12λ FDPM 시스템의 알고리즘은 DOSI 시스템과 유사한 성능을 보임을 확인하였다.
A conventional diffuse optical spectroscopy and imaging (DOSI) system consists of frequency domain photon migration (FDPM) and steady state (SS) techniques to acquire spectra of optical absorption and optical scattering which are main factors to quantify optical properties in the tissue. Therefore, it is bulky and expensive, because it is constructed with the SS and FDPM both. In this paper, we have developed a twelve-wavelength beam combiners-based frequency domain photon migration (12λ-FDPM) instrument to address the issue of the conventional DOSI system. The developed 12λ-FDPM can cover a wide range of relevant optical properties comparing to the conventional DOSI instrument. Wavelengths of 12λ-FDPM are selected by Monte-Carlo simulation to increase the accuracy of 12λ-FDPM Algorithm. The model function calculating optical properties and chromophore concentration is modified to work on 12 wavelengths and FDPM algorithm only. Furthermore, 12 wavelength specific tumor contrast (STC) algorithm has been built to construct STC index and STC functional image to effectively distinguish normal and tumor tissue with only 12 wavelengths FDPM system. We conducted an experiment to verify that the output of the 12λ-FDPM is similar to the DOSI system even though our instrument retrieves discrete points of optical absorption and optical scattering with respect to wavelengths of twelve laser diodes rather than the broadband spectra from the halogen lamp of the SS. Experimental results show that two instruments quantify almost the same quantity of optical properties. Because SS is removed from the existing DOSI system, the cost is reduced, and the size of the instrument is reduced seventy-five percent compared to conventional DOSI instrument. As a result, we are expecting that 12λ-FDPM instrument is promising to build clinically friendly medical device and the total measurement time on a target area will be decreased effectively by expanding it to multi-channel structure with an advantage of reduced the size and the cost.
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