Study on Hand-Held Type Fluorescence Imaging Diagnostic Devices Using 780nm Nonionizing Radiation for Tumor Vasculature and Lymph Node Detection

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Purpose: This dissertation focuses on developing and analyzing the performance of an ultra-lightweight, portable, hand-held fluorescence diagnostic device. This device is designed to enhance the visualization of tumor vessels and lymph nodes during surgery via infrared (IR) stimulation. To address the challenge of intraoperative visualization of tumor vessels and lymph nodes, the device features adjustable light source irradiation distance and camera rotation radius. It utilizes a light-emitting diode (LED) as a non-ionizing radiation source, minimizing thermal destruction and energy loss based on the observation distance. This approach also improves image quality by reducing light reflection. Furthermore, preclinical and clinical trials have been conducted to assess the device's performance in real surgical environments and to verify its clinical applicability.
Materials and Methods: This dissertation details the design and manufacture of a portable, ultra-compact, hand-held device for observing tumor blood vessels and lymph nodes. The study involves conducting preclinical and clinical trials to analyze the function, reliability, and clinical applicability of this self-developed fluorescence diagnostic device. The procedure works by injecting indocyanine green (ICG), a fluorescent contrast agent, into the veins and lymph nodes. This agent circulates and is stimulated by an external light source emitting non-ionizing radiation at 780nm, inducing fluorescence emission. ICG reacts with plasma proteins to emit fluorescence in the 805 to 840 nm range, which a camera sensor detects. This enables real-time imaging and monitoring of tumor blood vessels and lymph nodes. Furthermore, to address the issue of light reflection a common challenge in camera-based imaging the device incorporates a linear flat light filter. This filter significantly reduces light reflection and broadens the field of view for lesion observation. The study also includes a comparative evaluation of the visibility and clarity of tumor blood vessel and lymph node images against existing fluorescence diagnostic devices, providing a comprehensive analysis of its performance and efficacy.
Result: The self-developed fluorescence imaging diagnostic device sets a new standard in its class as the smallest (120x40mm) and lightest (approximately 61.52g), significantly enhancing portability and ease of operation. Compared to current portable products on the market, it delivers sharper and more detailed images, ensuring superior visual clarity. During preclinical and clinical surgeries, the device's effectiveness was demonstrated. Adjusting the filter to set the angle of vertical and horizontal polarization at 90° (or 270°) resulted in clear, high-resolution images while effectively reducing light reflection. This is crucial for precise surgical procedures. Furthermore, after injecting Indocyanine green (ICG), the fluorescence emitted by the vasculature and lymph nodes was measured. The emission wavelength ranged from 804 to 840 nm, providing a stark contrast against other tissues and ambient fluorescence not originating from the vasculature and lymph nodes. These findings align with the known chemical properties of ICG, underscoring a specific interaction between the fluorescent contrast agent and lymph nodes. The device's ability to distinguish the fluorescence emission spectra of the vascular system and lymph nodes significantly improved the visibility of lymph nodes during surgery. Over time, post-injection, the fluorescent contrast agent distributed extensively throughout the blood vessels and lymph nodes. This distribution, combined with the reduced light reflection, expanded the field of view around the lesion, allowing for the capture of high-quality images.
Conclusion: The development of cost-effective, miniaturized fluorescence imaging modalities is heralding a revolutionary change in surgical practice, especially in smaller healthcare facilities where financial and space constraints of traditional imaging systems are significant. This innovation has the potential to expand access to advanced healthcare by enabling complex surgeries to be performed with high quality and offers significant benefits such as ease of maintenance and improved patient safety by reducing the risks associated with traditional laser light sources. This approach can significantly improve the safety and efficiency of surgical interventions, contributing to an overall improvement in patient care. In addition, the technology can minimize light reflection during surgery in real time without the need for additional software or calibration and is compatible with a wide range of imaging equipment, including cameras, microscopes, and endoscopes, regardless of filter size. As such, it has significant potential for widespread application in the medical field. Its adaptability and proven efficacy show promising developments in the medical field. These developments could revolutionize medical procedures and potentially solve the problem of high import dependence of medical devices by securing localized technology.

국문 초록 (Abstract)

서론: 본 연구의 목적은 적외선(IR) 자극을 통해 수술 과정 중 종양 혈관 및 림프절의 시각화를 향상시키도록 설계된 초경량 휴대용(Hand-held type) 형광 진단 장치의 개발 및 성능 분석을 목적으로 한다. 수술 중 종양 혈관 및 림프절 시각화의 문제를 해결하기 위해 광원 조사 거리와 카메라 회전 반경을 자유롭게 조정할 수 있고, 비전리방사선 광원으로는 780nm 적외선 발광 다이오드(LED)를 사용하여 관찰 거리에 따른 모듈 열 파괴와 에너지 손실을 최소화하는 동시에 빛 반사를 줄여 이미지 품질을 향상시킨다. 또한 전임상시험 및 임상시험을 통해 실제 수술 환경에서 자체 개발한 장치의 성능 측정 및 임상 적용 가능성을 확인한다.
재료 및 방법: 종양 혈관 및 림프절을 관찰할 수 있는 기기를 한 손으로 잡을 수 있는 휴대용 초소형 타입으로 설계 및 제작하였다. 자체 개발한 휴대용 형광 진단 기기의 기능, 신뢰성 및 임상 적용 가능성을 분석하기 위해 전임상시험 및 임상시험을 진행한다. 형광 조영제인 인도시아닌그린(ICG)을 정맥 및 림프절 주변에 주입하여 형광조영제의 순환을 유도하고, 780nm의 비전리방사선의 외부 광원을 이용하여 ICG를 자극하고 형광 발광을 유도한다. 혈장 단백질과 화학적으로 반응하는 ICG는 805~840nm 범위에서 형광을 방출하며, 방출된 형광을 카메라 센서가 감지하여 영상을 통해 종양 혈관과 림프절 상태를 실시간으로 모니터링 한다. 또한 카메라 기반 이미징의 일반적인 문제인 빛 반사를 문제를 해결하기 위해 자체 개발한 장치의 선형편광필터를 통합함으로써 빛 반사를 효과적으로 줄이고 병변의 시야를 확보한다. 종양 혈관 및 림프절 이미지의 가시성과 선명도를 분석하고 기존 형광 진단장치와 비교 평가를 통해 성능 및 효능에 대해 종합적으로 분석한다.
결과: 자체 개발한 형광영상진단장치는 동급 장비 중 가장 작고 (120x40mm)와 가벼운 무게(약 61.52g)로 제작하였고, 휴대성과 조작 편의성을 크게 향상시켰다. 또한, 현재 시판되는 휴대용 제품 보다 더욱 선명하고 세밀한 이미지를 제공하여 시각적 선명도가 뛰어나다. 개발된 장치를 전임상시험 및 임상시험 수술 중에 적용한 결과, 필터를 조정하여 수직 편광과 수평 편광의 각도를 90°(또는 270°)로 만들면 빛 반사를 줄이면서 선명한 고해상도 이미지를 얻을 수 있다. ICG 주입 후 혈관계 및 림프절에서 방출되는 형광 파장을 측정한 결과, 형광 방출 파장이 804~840nm 범위에 속하는 것으로 분석되었으며, 이 범위는 혈관계 및 림프절에서 비롯되지 않은 다른 조직 및 주변 형광 방출과 뚜렷한 대조를 나타냈다. 이러한 관찰은 ICG의 알려진 화학적 특성과 일치하며, 형광 조영제와 림프절 간의 특정 상호 작용을 강조한다. 혈관계 및 림프절의 형광 방출 스펙트럼의 대비는 수술 중 림프절을 주변 조직과 구별되며, 형광조영제 주사 후 시간이 지남에 따라 형광 조영제가 혈관 및 림프절 전체에 넓게 분포되고, 빛 반사를 효과적으로 줄여 병변의 시야를 넓히고 고품질의 이미지를 얻을 수 있었다.
결론: 자체 개발한 휴대용 형광영상진단장치는 비용 효율적인 소형 장치로 되었으며, 특히 기존 영상 시스템의 재정적, 공간적 제약이 큰 소규모 의료 시설에서 수술 관행에 혁신적인 변화를 예고하고 있다. 이 혁신은 복잡한 수술을 고품질로 수행할 수 있게 함으로써 첨단 의료 서비스에 대한 접근성을 확대할 잠재력을 가지고 있다. 기존 제품에 사용되는 레이저 광원과 관련된 위험을 줄임으로써 유지보수 용이성 및 환자 안전 개선과 같은 상당한 이점을 제공한다. 이러한 접근 방식은 외과적 개입의 안전성과 효율성을 크게 개선하여 종양 수술 시 전반적인 시스템 개선에 기여할 수 있다. 또한 이 기술은 추가적인 소프트웨어나 보정 없이도 수술 중 빛 반사를 실시간으로 최소화할 수 있으며, 필터 크기에 관계없이 카메라, 현미경, 내시경 등 다양한 영상 장비와 호환이 가능하다. 따라서 의료 분야에서 광범위하게 적용될 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있다. 기제품에 비해 향상된 성능과 본 연구를 통한 임상적 사용의 가능성은 의료계에서 유망한 발전 가능성을 보여주고 있다. 이러한 발전은 의료 절차에 혁신을 가져올 수 있으며, 국산화 기술력을 확보함으로써 의료 기기의 높은 수입 의존도 문제를 잠재적으로 해결할 수 있을 것이라 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• 국문 초록 iv
• TABLE OF CONTENTS vii
• LIST OF TABLES ix
• LIST OF FIGURES x
• Chapter 1. INTRODUCTION 1
• Chapter 2. Analysis of radiation and fluorescence properties 8
• 2.1 Characterization of Electromagnetic Radiation 8
• 2.1.1 Relationship between radiant energy and wavelength 8
• 2.1.2 Characteristics of infrared radiation 16
• 2.1.3 Characteristics of Fluorescence Expression 18
• 2.1.4 Principles and construction of fluorescent images 21
• 2.1.5 Classify the properties of fluorescent contrast agents 24
• 2.1.6 Structure of Fluorescence Imaging Devices 28
• 2.2. Characteristics of polarization and polarization 34
• 2.2.1 Mueller matrix 37
• 2.2.2. Mueller matrix of a linear polarizer 39
• 2.3 Analysis of light reflection generation and reduction 42
• 2.4 Design methods for fluorescent emission and light reflection reduction devices 54
• 2.4.1 Methods for designing to reduce light reflection 54
• 2.4.2. Testing the Performance of Linear Polarizing Filters to Reduce Light Reflection 61
• Chapter 3. Design Methods for Experiment Environment Analysis and Development 64
• 3.1. Purpose of the experiment 64
• 3.2. Experimental environment configuration and experiment method 65
• 3.3. Design of a Hand-Held Type Fluorescence Diagnostic Devices 66
• 3.4. Analysis of fluorescence concentration 76
• 3.5. Experiment with light reflection reduction using Phantom 79
• 3.6. Preclinical trials 84
• 3.7. Clinical trial 92
• Chapter 4. Test results and thoughts on development devices 96
• 4.1. Development of Hand-Held Type Fluorescence Diagnostic Devices 96
• 4.2. Results of the Fluorescence Expression Concentration Analysis 101
• 4.3. Experimental results with Phantom and ICG 106
• 4.4. Analysis results of Speckle noise 114
• 4.5. Results of preclinical studies 117
• 4.6. Results of Clinical studies 123
• Chapter 5. Discussion 128
• Chapter 6. Conclusion 133
• Reference 135
• Appendices 143