의료용 형광 내시경을 위한 고급 조명 및 이미징 시스템 개발

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내시경 이미징 시스템을 개발하려면 특히 형광 이미징 기능을 추가할 때 광학 조명 및 이미징 엔진의 경우 다양한 엔지니어링 분야 간의 조정이 필요합니다. 광학 조명 및 이미징 엔진은 직관적이고 효과적인 이미징 제품을 구축하기 위한 기반을 마련하며 사용자 요구에 따라 형광 이미징(FI) 기능을 추가할 때 더욱 중요해집니다.

FI는 ICG 및 플루오레세인과 같은 전신 조영제와 CYTALUX와 같은 표적 조영제를 사용하여 수술 중 중요한 해부학적 구조를 찾는 데 도움이 됩니다.1 이를 위해 수술 중 FI는 백색광 내시경과 비교할 때 서로 다르며 종종 반대되는 시스템 설계 고려 사항이 필요합니다.2

내시경 검사의 형광 이미징은 낮은 신호 강도와 하드웨어 복잡성으로 인해 민감한 센서, 특정 광학 필터 및 고출력 협대역 조명 소스가 필요하다는 문제를 제시합니다. (이미지 :iStock)

내시경 검사의 FI는 낮은 신호 강도와 하드웨어 복잡성으로 인해 민감한 센서, 특정 광학 필터 및 고출력 협대역 조명 소스가 필요한 문제를 제시합니다. 개발 팀은 백색광 내시경 기능을 저하시키지 않으면서 내시경 제품에 FI 기능을 설계할 때 이러한 기술적 의미를 고려해야 합니다. FI 기능은 이미지 신호 처리 파이프라인, 임베디드 시스템 사양, 이미지 시각화 워크플로우 및 인적 요소 엔지니어링에 추가됩니다. FI 이미징 및 조명을 지정할 때 이러한 요구 사항을 고려하는 것은 제품 개발의 기반을 마련하고 프로젝트 성공에 결정적인 영향을 미칩니다.

이 기사에서는 제품 출시에 필요한 광범위한 개발 작업을 지원하기 위해 형광 내시경 이미징 및 조명 엔진을 개발할 때 고려해야 할 몇 가지 중요한 사항에 대해 논의합니다. 실행 및 위험 완화를 통해 제품 개발 팀이 성공할 수 있도록 최상의 위치에 있도록 조명 및 이미징 엔진을 공동 개발하는 데 중점을 두고 있습니다.

카메라 센서의 물리적 치수 및 포장 크기는 렌즈 설계 및 기계적 봉투 사양을 알려줍니다. (이미지 :FISBA)

제품 정의

팀은 기술 사양의 범위를 지정하기 전에 몇 가지 주요 요구 사항을 미리 이해해야 합니다.

• 임상적 적응증

  어떤 상태와 질병을 치료하는 데 사용됩니까?

• 기기를 어디에 배포할 예정인가요?

  일반 수술용 강성 복강경, 정형외과 수술용 촘촘한 관절경, 유연한 내강경 등을 원하시나요?

• 시술 중에 촬영해야 하는 작업 거리는 어느 정도입니까?

  사용자가 좁은 공간에서 관절경 영상을 수행하게 됩니까? 투관침을 통해 담도 해부학을 탐색하시나요? 위장관이나 폐와 같은 관강 구조를 이미징합니까?

• 이미징 시스템 성능에 대한 사용자 기대치는 무엇입니까?

  백색광과 형광 이미징 대비를 동시에 볼 수 있기를 기대합니까? 임상 실습에서 이상적인 제품을 위한 단계별 작업 흐름은 무엇입니까?

이러한 주요 질문에 대한 답변을 바탕으로 자세한 사양을 설명하겠습니다.

형광단 선택

선택한 형광단은 광학 설계 요구 사항, 필터 사양, 예상 신호 대비의 복잡성을 정의합니다. 결과적으로 이 결정은 고성능 제품에 필요한 조명 엔진 및 이미지 센서 사양도 결정합니다. 형광단 후보를 평가할 때 다음 사항을 고려하십시오:

• 승인 및 라벨 외 표시 기기가 임상 실습에 언제 유용할 수 있는지를 결정합니다.

• 생리학적으로 관련된 농도 범위 이미지 대비에 대한 기대치를 설정하고 카메라, 렌즈 및 조명 엔진 설계에 대한 사양을 좁힙니다.

• 형광 여기 및 방출 스펙트럼 렌즈 설계, 조명 엔진 구성 요소 및 필터 사양을 안내합니다.

• 양자 효율성 조명이 감지 가능한 형광 광자로 얼마나 효율적으로 변환되는지를 나타내며 조명 및 이미징 엔진 사양을 정의합니다.

• 광안정성 형광단이 신호를 잃기 전에 조명할 수 있는 시간과 조명 엔진이 얼마나 밝아야 하는지를 결정합니다.

• 생리적 제거율 장치 기능을 알려주는 작업 흐름 절차를 정의합니다.

이러한 매개변수는 제품에 필요한 구성 요소 사양을 정의하기 위해 임상 절차 중에 볼 수 있을 것으로 예상되는 빛의 양을 추정하고 모델링하는 데 도움이 됩니다.

카메라 센서 선택

가는 광섬유를 통해 백색광이 응용 분야로 안내되는 모든 곳에 대한 솔루션이 있습니다. RGB LED 모듈은 높은 연색성 지수와 색온도 유연성을 제공합니다. (이미지 :FISBA)

제품 폼 팩터, 이미지 품질, 감지 한계는 이미지 센서에 크게 좌우됩니다. 형광단, 제품이 원하는 기계적 봉투, 이미징 렌즈 사양에 따라 카메라 센서 옵션이 좁아질 수 있습니다.

많은 팀에서는 COT(칩 온 팁) 또는 로드 렌즈 기반 내시경 아키텍처를 조기에 결정해야 합니다. COT 내시경은 기계적 포락선을 최소화하고 유연한 백색광 내시경 응용 분야에 잘 작동하는 더 작은 센서를 사용하는 경향이 있습니다. COT 이미지 센서는 크기와 비용 때문에 공간 충실도와 대비를 희생하는 경향이 있으므로 종양 위치 파악과 같은 고감도 응용 분야에서는 어려움을 겪을 수 있습니다. 홉킨스 스타일 막대 렌즈 내시경은 강성 복강경 및 관절경에 일반적으로 사용됩니다. 일반적으로 크기와 비용을 희생하면서 사양 유연성과 이미지 품질 오버헤드를 열어주는 영구 사용 카메라 헤드가 특징입니다.

카메라 선택 시 고려해야 할 주요 사양은 다음과 같습니다:

• 카메라 센서의 물리적 크기 및 포장 크기 렌즈 설계 및 기계적 봉투 사양을 알려줍니다.

• 센서 기본 해상도 고품질 이미지를 생성하는 데 필요한 이미지 처리 및 내장 시스템 사양을 지정합니다.

• 다중 센서 사양 기계적 봉투가 허용하는 경우 형광 내시경 및 백색광 내시경에 대한 최적의 센서를 별도로 선택할 수 있는 유연성을 제공합니다.

• 다양한 색상 채널의 스펙트럼 감도 — 특히 형광단의 스펙트럼 방출 대역에서 — 장치의 조명 엔진 및 이미징 렌즈 사양에 영향을 미칩니다.

• 센서 양자 효율 제품의 조명 엔진, 이미지 처리 및 렌즈 사양을 알려줍니다.

• 동적 범위 제품의 형광 검출 한계와 조명 엔진, 렌즈 설계, 이미지 처리 및 내장 시스템 사양을 결정합니다.

• 출력 이미지 비트 심도 이미지 감도, 감지 한계, 이미지 신호 처리 복잡성 및 내장 시스템 사양에 영향을 미칩니다.

• 다크 노이즈 및 읽기 노이즈 성능 제품의 감지 한계를 결정하고 이미지 처리, 시각화 및 내장 시스템 사양에 영향을 미칩니다.

• 전자 인터페이스 프로토콜 시각화 엔진이 카메라 하드웨어와 어떻게 안정적으로 인터페이스할 것인가?

• 주요 광선 각도 사양 일부 이미지 센서에서는 넓은 색상 범위에 걸쳐 이미지 품질에 영향을 미치는 렌즈 설계 사양을 알려줍니다.

고급 이미지 센서 아키텍처는 표준 RGB 컬러 이미징 형식을 다른 스펙트럼 대역으로 확장할 수 있습니다. 가시광선 RGB 이미지를 제공하는 대신 이 센서는 특수 픽셀 수준 컬러 필터를 사용하여 단일 센서 패키지에서 고유한 스펙트럼 범위로 RGB 이미지를 강화합니다. 이미지 신호 처리 작업 흐름을 복잡하게 만들기는 하지만 이러한 센서는 제작을 위한 간소화된 하드웨어 패키지를 제공합니다. 형광단 선택, 렌즈 디자인 및 조명 엔진 사양에 따라 이러한 센서 아키텍처가 실행 가능한 옵션인지 여부가 결정됩니다.

렌즈 디자인 및 필터링

낮은 f/#, 색도 최적화 이미징 렌즈는 FI 신호 감지를 극대화하고 이미지 신호 처리 및 임베디드 시스템 개발에 더 많은 유연성을 제공합니다. 그러나 이는 종종 시야가 좁고 피사계 심도가 얕아지는 경우가 많습니다. 프로젝트 초기에 사용자 요구 사항을 명확히 하고 우선 순위를 지정하면 하드웨어 성능 사양과 관련된 장애물이 줄어듭니다.

렌즈 디자인에 대해 다음 사양을 고려하는 것이 중요한 시작점입니다.

• 시스템 기계 엔벨로프 렌즈 디자인에 대한 크기 제약을 정의합니다.

• 카메라 센서의 물리적 크기 광학 설계의 크기와 복잡성을 알려줍니다.

• 카메라 센서 픽셀 크기 (피치, 배열) 주어진 렌즈 디자인에 대해 사용 가능한 최대 이미지 해상도 사양을 설정합니다.

• 시야 렌즈 설계 복잡성에 영향을 미칩니다

• 보는 방향 렌즈 설계 복잡성에 영향을 미칩니다

• 피사계 심도 특정 렌즈 시스템의 최대 형광 감지 감도에 영향을 미치고 인지된 이미지 품질에 영향을 미칩니다.

• 공간 해상도 인식되는 이미지 품질에 영향을 미칩니다.

• 파장 범위 렌즈 설계 복잡성에 영향을 줍니다.

• 최대 주광선 각도 필터링 사양과 탐지 한계를 알려줍니다.

• 왜곡 인식되는 이미지 품질에 영향을 미칩니다.

• 이미지 필드 균일성/밝기 전체 기기 시야각의 감지 한계에 영향을 미치므로 인식되는 이미지 품질에도 영향을 줍니다.

ICG 및 CYTALUX와 같은 NIR 형광단을 지원하려면 더욱 복잡한 렌즈 설계가 필요합니다. 대안으로, 플루오레세인(노란색 형광단)은 조직 이미징 깊이를 희생하면서 이러한 렌즈 설계 요구 사항을 완화합니다.

내시경 렌즈는 넓은 시야각, 짧은 유효 초점 거리, FI에 대한 대역폭 요구 사항으로 인해 색상 필터링 및 색채 이미지 품질이 까다롭습니다. 이로 인해 렌즈 설계에서 주요 광선 각도가 더 높아질 수 있으며, 이는 FI 필터링 성능과 이미징 감도에 부정적인 영향을 미칩니다. 이미지 센서의 주요 광선 각도 사양은 가시적인 색상 정확도에 도움이 되지만 FI 감도가 저하될 수 있습니다. 이미지 측면의 텔레센트릭 렌즈 설계를 목표로 하면 필터링 성능은 유지되고 FI 감도는 극대화됩니다.

조명 엔진 사양

조명 요구 사항은 형광 이미징 시스템에 매우 중요합니다. 조명 엔진 설계는 사용 가능한 FI 이미지를 생성하는 데 필요한 색상, 광학 성능 및 균일성을 제공하는 데 중점을 둡니다. 시야 및 피사계 심도 요구 사항이 증가함에 따라 조명 엔진의 출력 및 균일성 사양이 어려워졌습니다. 조명 엔진 설계에 대해 다음 사양을 고려하십시오:

• 기기 작동 거리 범위 시야를 효과적으로 조명하는 데 필요한 출력 범위를 결정합니다

• 독립적으로 주소를 지정할 수 있는 파장의 수 선택한 형광단 특성과 백색광 이미징 통합 방법에 따라 구동됩니다. 각 색상 소스에는 다음 사양이 필요합니다:

  • 스펙트럼 대역폭에 따라 필터 사양과 감지 감도가 결정됩니다.
  • 사용 가능한 광 전력 출력은 광원에서 필요한 특정 전력의 양을 설정합니다.
  • 최대 및 최소 이미징 방사조도는 이미징 감도와 제품 열 안전성을 정의합니다.

• 조명 라우팅 및 출력 장치의 시야(예:광섬유 번들, 소스 온 팁)에 빛이 전달되는 방식을 정의합니다.

• 조도 균일성 전체 시야에 걸쳐 이미지 품질과 감지 감도를 향상시킵니다.

• 레이저 또는 LED 기반 조명 엔진 기기에 필요한 규제 감독 및 라벨링 수준을 결정합니다.

• 조명 강도 제어 임베디드 시스템 및 이미지 처리 파이프라인과 인터페이스하게 됩니다.

이러한 고려 사항을 염두에 두면 하드웨어 설계를 통해 고성능 내시경 제품을 얻을 수 있습니다.

이미징 속도 고려 사항

FI는 감지 가능한 광량이 낮기 때문에 본질적으로 기존 백색광 내시경보다 속도가 느립니다. 광자가 풍부한 경우(예:백색광 내시경) 노출 시간, 디지털화 게인 및 자동 이미지 향상을 조정하면 사용자 경험과 임상 성능을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 광자 부족 영상에서 영상 품질과 감지 한계를 유지하려면 빠른 렌즈 설계, 균일한 고출력 조명 엔진, 백색광 내시경과 다르게 처리되는 섬세한 조정 영상 처리가 더 중요합니다.

FI는 더 긴 노출 시간이 필요하므로 이미징 속도가 느려집니다. 이를 보상하기 위해 이미지 디지털화 이득을 추가할 수 있지만 본질적으로 출력 이미지에 노이즈를 추가하므로 이미지 처리 및 시각화 고려 사항이 필요합니다. 제품 유용성과 실현 가능한 기술 사양 사이의 균형을 찾는 것은 개발 팀의 모든 분야 간의 섬세한 협업이 됩니다.

명확하고 잘 정의된 제품 요구 사항은 주요 개발 노력의 시작입니다. 테스트 가능한 장치 프로토타이핑이 시작되기 전에 위험 범위를 파악하는 데 도움이 되는 많은 도구가 현재 존재합니다. 시뮬레이션과 신속한 프로토타이핑은 복잡한 기술 FI 개발 프로젝트를 방해하지 않는 데 중요한 도구입니다.

광학 및 디지털 이미징 시뮬레이션

광학 시뮬레이션 소프트웨어 패키지를 사용하면 팀에서 렌즈 시스템을 설계하고, 조명 엔진 사양을 결정하고, 사실적인 이미지 센서 성능을 모델링하고, 프로토타입 이미지 신호 처리를 수행하고, 제작 전에 구성 요소 사양을 테스트할 수 있습니다. 이를 통해 기술 분야 전반에 걸친 학제간 협업이 가능해 개발 프로젝트 초기에 기술 요구 사항의 위험을 줄일 수 있습니다. Ansys, Synopsis, Lambda Research 등은 siclico에서 광학 시스템 개념을 자신있게 설계하고 시뮬레이션할 수 있는 포괄적인 도구 모음을 제공합니다. 시뮬레이션 작업을 최대한 활용하려면 내부 기술 전문 지식과 커뮤니케이션을 통해 유용성을 극대화해야 합니다.

신속한 프로토타이핑

신속한 프로토타이핑은 시뮬레이션을 통한 위험 제거만큼 중요합니다. 더 많은 개발 및 제조 리소스가 필요하지만 친환경 조명 설계 및 검증 전에 제품 사양의 위험을 제거할 수 있는 가장 확실한 방법을 제공합니다. 이를 통해 완전한 기능을 갖춘 프로토타입을 설계하고 시험하기 전에 답이 없는 기술적인 질문을 해결할 수 있습니다.

광학 렌즈는 소량으로 프로토타입을 제작하는 데 위험할 수 있습니다. 종종 광학 엔지니어는 기성 부품을 사용하여 설계 개념의 위험을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 이는 파일럿 볼륨 렌즈 생산에 착수하기 전에 이미지 처리 및 조명 엔진 시스템 개발에 도움이 됩니다. 핵심은 프로토타입 제품 요구 사항을 체계적으로 완화하여 한계를 이해함으로써 위험 제거의 우선순위를 정하는 것입니다.

신속한 프로토타이핑의 목표는 최종 제품 설계에 리소스를 완전히 투입하기 전에 위험을 완화하는 것입니다. 질문과 위험은 여전히 남아 있지만 일반적으로 제품 출시 계획의 차단을 해제합니다.

요약

이미징 및 조명 엔진을 지정하면 성공적인 FI 내시경 제품을 출시하기 위한 기반이 마련됩니다. 이러한 엔진은 제품 출시를 가능하게 하는 소프트웨어, 임베디드 시스템, 인적 요소 및 산업 디자인과 밀접하게 연결되어 있습니다. 이러한 다양한 분야의 사양을 고려하는 것은 완전한 제품 프로토타입을 제공하는 데 매우 중요합니다. 다양한 분야의 FI 내시경 제품을 개발할 때 고려해야 할 중요한 사항을 제시합니다. 귀하의 제품이 수술 지침에 유쾌하고 영향력 있는 영향을 미칠 수 있도록 프로젝트 전반에 걸쳐 이러한 사항을 염두에 두십시오.

이 기사는 FISBA North America(Saco, ME)의 컨설턴트인 Wilson Adams가 작성했습니다. 자세한 내용을 보려면 여기를 방문하세요.  .

참고자료

1. Hazel L Stewart와 David J S Birch. 방법 응용 프로그램. 형광물질. 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, 외. AAPM 작업 그룹 보고서 311:형광 유도 수술 시스템의 성능 평가 지침. 의학 물리학. 2024.