의료 형광 내시경을 위한 고급 조명 및 이미징 시스템 개발

(이미지: sofiko14/adobe.stock.com)

내시경 이미징 시스템 개발은 다양한 공학 분야 간의 조정이 필요하며, 특히 광학 조명과 이미징 엔진에서, 형광 이미징 기능을 추가할 때 더욱 그렇습니다. 광학 조명과 이미징 엔진은 직관적이고 효과적인 이미징 제품을 구축하는 기반이 되며, 형광 이미징(FI) 기능을 사용자 요구에 추가할 때 더욱 중요해집니다.

FI는 수술 중 중요한 해부학적 구조를 찾는 데 도움을 주며, ICG와 플루오레세인 같은 전신 조영제와 CYTALUX 같은 표적 조영제를 사용합니다. 이를 위해 수술 중 FI는 백색광 내시경과 비교할 때 서로 다르며 종종 상충하는 시스템 설계 고려사항을 필요로 합니다.

(이미지: iStock)

내시경 형광 이미징은 낮은 신호 강도와 하드웨어 복잡성으로 인해 어려움을 겪으며, 민감한 센서, 특정 광학 필터, 고출력 협대역 조명 소스가 필요합니다. 개발팀은 백색광 내시경 기능을 손상시키지 않으면서 자사 내시경 제품에 FI 기능을 설계할 때 이러한 기술적 함의를 고려해야 합니다. FI 기능은 이미지 신호 처리 파이프라인, 임베디드 시스템 사양, 이미지 시각화 워크플로, 인간공학 엔지니어링에 추가됩니다. FI 이미징 및 조명 사양에 이러한 요구를 반영하는 것은 제품 개발의 기반이 되며 프로젝트 성공에 결정적인 영향을 미칩니다.

이 기사에서는 광범위한 제품 출시에 필요한 개발 작업을 지원하기 위해 형광 내시경 이미징 및 조명 엔진 개발 시 고려해야 할 중요한 사항들을 논의합니다. 조명과 이미징 엔진을 공동 개발함으로써 제품 개발 팀이 실행과 위험 완화를 통해 성공할 수 있는 최적의 위치를 확보하는 데 중점을 둡니다.

(이미지: FISBA)

제품 정의

기술 사양을 정하기 전에 팀은 몇 가지 핵심 요구 사항을 선행적으로 이해해야 합니다:

• 임상 적응증

  어떤 질환과 질병을 치료하는 데 사용될 것인가?

• 장치가 어디에 배치되는가?

  일반 외과용 경성 복강경, 정형외과용 협소한 관절경, 유연한 내강경, 또는 다른 것을 목표로 하는가?

• 시술 중 이미징이 필요한 작업 거리는?

  사용자가 비좁은 공간에서 관절경 이미징을 수행하는가? 트로카를 통해 담도 해부학을 탐색하는가? 위장관이나 폐 같은 내강 구조를 이미징하는가?

• 이미징 시스템 성능에 대한 사용자 기대치는?

  동시 백색광과 형광 이미징 대비를 보길 기대하는가? 임상 현장에서 이상적인 제품의 단계별 워크플로는 무엇인가?

이 핵심 질문들에 답한 후 상세 사양을 다룹니다.

형광물질 선택

선택된 형광물질은 광학 설계 요구사항, 필터 사양, 예상 신호 대비의 복잡성을 정의합니다. 이는 다시 조명 엔진과 이미지 센서 사양을 결정합니다. 형광물질 후보 평가 시 다음을 고려하세요:

• 승인된 적응증 및 오프라벨 적응증이 임상 현장에서 장치의 유용성을 결정합니다.

• 생리학적으로 관련 있는 농도 범위는 이미지 대비 기대를 설정하고 카메라, 렌즈, 조명 엔진 설계 사양을 좁힙니다.

• 형광 여기 및 방출 스펙트럼은 렌즈 설계, 조명 엔진 구성요소, 필터 사양을 안내합니다.

• 양자 효율은 조명이 감지 가능한 형광 광자로 얼마나 효율적으로 변환되는지 나타내며, 조명 및 이미징 엔진 사양을 정의합니다.

• 광안정성은 형광물질이 신호를 잃기 전까지 얼마나 오래 조명될 수 있는지, 조명 엔진이 얼마나 밝아야 하는지를 결정합니다.

• 생리학적 청소율은 장치 기능을 안내하는 워크플로 절차를 정의합니다.

이 파라미터들은 임상 시술 중 얼마나 많은 빛을 볼 수 있을지 추정하고 모델링하여 제품에 필요한 구성요소 사양을 정의하는 데 도움이 됩니다.

카메라 센서 선택

(이미지: FISBA)

제품 폼팩터, 이미지 품질, 검출 한계는 이미지 센서에 크게 의존합니다. 형광물질, 제품의 원하는 기계적 외피, 이미징 렌즈 사양에 따라 카메라 센서 옵션을 좁힐 수 있습니다.

많은 팀이 초기에 칩온팁(COT) 또는 로드렌즈 기반 내시경 아키텍처를 결정해야 합니다. COT 내시경은 기계적 외피를 최소화하는 더 작은 센서를 사용하는 경향이 있으며 유연한 백색광 내시경 응용에 적합합니다. COT 이미지 센서는 크기와 비용을 위해 공간 충실도와 대비를 희생하는 경향이 있어 종양 위치 파악 같은 고감도 응용에서는 어려움을 겪을 수 있습니다. 홉킨스 스타일 로드렌즈 내시경은 경성 복강경과 관절경에 흔히 사용됩니다. 보통 영구 사용 카메라 헤드를 탑재하여 크기와 비용을 대가로 사양 유연성과 이미지 품질 여유를 제공합니다.

카메라 선택 시 고려해야 할 중요한 사양:

• 카메라 센서 물리적 치수 및 패키징 크기는 렌즈 설계와 기계적 외피 사양을 결정합니다.

• 센서 기본 해상도는 고품질 이미지를 산출하는 데 필요한 이미지 처리와 임베디드 시스템 사양을 결정합니다.

• 다중 센서 사양은 기계적 외피가 허용한다면 형광과 백색광 내시경용 최적 센서를 별도로 선택할 수 있는 유연성을 제공합니다.

• 형광물질 스펙트럼 방출 대역에서의 다양한 색채널 스펙트럼 감도는 장치의 조명 엔진과 이미징 렌즈 사양에 영향을 미칩니다.

• 센서 양자 효율은 제품의 조명 엔진, 이미지 처리, 렌즈 사양을 결정합니다.

• 다이나믹 레인지는 제품의 형광 검출 한계를 결정하고 조명 엔진, 렌즈 설계, 이미지 처리, 임베디드 시스템 사양을 주도합니다.

• 출력 이미지 비트 깊이는 이미지 감도, 검출 한계, 이미지 신호 처리 복잡성, 임베디드 시스템 사양에 영향을 미칩니다.

• 암전류 노이즈 및 읽기 노이즈 성능은 제품의 검출 한계를 결정하고 이미지 처리, 시각화, 임베디드 시스템 사양에 영향을 미칩니다.

• 전자 인터페이싱 프로토콜은 시각화 엔진이 카메라 하드웨어와 어떻게 안정적으로 인터페이스할지 결정합니다.

• 일부 이미지 센서의 주광선 각도 사양은 넓은 색 범위에서 이미지 품질에 영향을 주는 렌즈 설계 사양을 결정합니다.

고급 이미지 센서 아키텍처는 표준 RGB 컬러 이미징 포맷을 다른 스펙트럼 대역으로 확장할 수 있습니다. 가시광 RGB 이미지를 제공하는 대신, 이 센서들은 픽셀 레벨 특수 컬러 필터를 사용하여 단일 센서 패키지에서 RGB 이미지에 고유한 스펙트럼 범위를 추가합니다. 이미지 신호 처리 워크플로를 복잡하게 만들지만, 제작이 간소화된 하드웨어 패키지를 제공합니다. 형광물질 선택, 렌즈 설계, 조명 엔진 사양이 이러한 센서 아키텍처의 실행 가능성을 결정합니다.

렌즈 설계 및 필터링

낮은 f/#, 색수차 보정된 이미징 렌즈는 FI 신호 검출을 극대화하고 이미지 신호 처리 및 임베디드 시스템 개발에 더 많은 유연성을 제공합니다. 하지만 이는 종종 더 좁은 시야와 얕은 피사계 심도를 동반합니다. 프로젝트 초기에 사용자 요구를 명확히 하고 우선순위를 정하면 하드웨어 성능 사양과 관련된 장애물을 줄일 수 있습니다.

렌즈 설계에 대한 다음 사양 고려는 중요한 출발점입니다:

• 시스템 기계적 외피는 렌즈 설계 주변의 크기 제약을 정의합니다.

• 카메라 센서 물리적 치수는 광학 설계의 크기와 복잡성을 결정합니다.

• 카메라 센서 픽셀 치수(피치, 배열)는 주어진 렌즈 설계에 대한 최대 사용 가능 이미지 해상도 사양을 설정합니다.

• 시야는 렌즈 설계 복잡성에 영향을 미칩니다.

• 시야 방향은 렌즈 설계 복잡성에 영향을 미칩니다.

• 피사계 심도는 주어진 렌즈 시스템의 최대 형광 검출 감도에 영향을 미치고 인식된 이미지 품질에 영향을 줍니다.

• 공간 해상도는 인식된 이미지 품질에 영향을 미칩니다.

• 파장 범위는 렌즈 설계 복잡성에 영향을 미칩니다.

• 최대 주광선 각도는 필터링 사양과 검출 한계를 결정합니다.

• 왜곡은 인식된 이미지 품질에 영향을 미칩니다.

• 이미지 필드 균일도/밝기는 장치 전체 시야에서 검출 한계에 영향을 미치므로 인식된 이미지 품질에 영향을 줍니다.

ICG와 CYTALUX 같은 근적외선 형광물질을 지원하려면 더 복잡한 렌즈 설계가 필요합니다. 반면 플루오레세인(노란 형광물질)은 조직 이미징 깊이를 희생하면서 이러한 렌즈 설계 요구를 완화합니다.

내시경 렌즈는 넓은 시야, 짧은 유효 초점 거리, FI를 위한 대역폭 요구사항 때문에 컬러 필터링과 색수차 이미지 품질이 어렵습니다. 이는 렌즈 설계에서 더 높은 주광선 각도를 강제할 수 있으며, 이는 FI 필터링 성능과 이미징 감도에 부정적 영향을 미칩니다. 이미지 센서의 주광선 각도 사양은 가시광 색 정확도를 돕지만 FI 감도를 저해할 수 있습니다. 이미지 측 텔레센트릭 렌즈 설계를 목표로 하면 필터링 성능을 보존하고 FI 감도를 극대화할 수 있습니다.

조명 엔진 사양

조명 요구사항은 형광 이미징 시스템에 필수적입니다. 조명 엔진 설계는 사용 가능한 FI 이미지를 생성하는 데 필요한 색상, 광학 파워, 균일성을 제공하는 데 중점을 둡니다. 시야와 피사계 심도 요구사항이 증가함에 따라 조명 엔진의 파워와 균일성 사양은 도전을 받습니다. 조명 엔진 설계에 대한 다음 사양을 고려하세요:

• 장치 작업 거리 범위는 시야를 효과적으로 조명하는 데 필요한 파워 범위를 결정합니다.

• 독립적으로 주소 지정 가능한 파장 수는 선택된 형광물질 특성과 백색광 이미징 통합 방식에 의해 결정됩니다. 각 색상 소스에는 다음 사양이 필요합니다:

  • 스펙트럼 대역폭은 필터 사양과 검출 감도를 형성합니다.
  • 사용 가능 광학 파워 출력은 광원에서 얼마나 많은 지정된 파워가 필요한지 설정합니다.
  • 최대 및 최소 이미징 조사강도는 이미징 감도와 제품 열 안전성을 정의합니다.

• 조명 라우팅 및 출력은 빛이 장치 시야에 어떻게 전달되는지 정의합니다(예: 광섬유 번들, 팁온소스).

• 조명 균일도는 전체 시야에서 이미지 품질과 검출 감도를 주도합니다.

• 레이저 또는 LED 기반 광원 엔진은 장치에 필요한 규제 감독과 라벨링 수준을 결정합니다.

• 광강도 제어는 임베디드 시스템과 이미지 처리 파이프라인과 인터페이스합니다.

이러한 고려사항을 염두에 두면 하드웨어 설계가 성능 좋은 내시경 제품을 산출할 수 있습니다.

이미징 속도 고려사항

FI는 낮은 검출 가능 광량으로 인해 기존 백색광 내시경보다 본질적으로 느립니다. 광자가 풍부할 때(백색광 내시경), 노출 시간, 디지털화 게인, 자동 이미지 향상 조정이 사용자 경험과 임상 성능 최적화에 도움이 됩니다. 광자가 부족한 이미징에서는 빠른 렌즈 설계, 균일한 고출력 조명 엔진, 백색광 내시경과 다른 섬세한 이미지 처리 조정에 이미지 품질과 검출 한계 보존이 더 의존합니다.

FI는 더 긴 노출 시간을 필요로 하여 이미징 속도를 늦춥니다. 이미지 디지털화 게인을 추가해 보상할 수 있지만 본질적으로 출력 이미지에 노이즈를 추가하여 이미지 처리와 시각화 고려사항이 필요합니다. 제품 사용성과 실행 가능한 기술 사양 사이의 균형을 찾는 것은 개발팀의 모든 분야 간 섬세한 협업이 됩니다.

명확하고 잘 정의된 제품 요구사항은 모든 주요 개발 노력의 시작입니다. 이제 테스트 가능한 장치 프로토타이핑 전에 위험을 범위화하는 데 도움이 되는 많은 도구가 존재합니다. 시뮬레이션과 신속 프로토타이핑은 복잡한 기술적 FI 개발 프로젝트의 차단을 해제하는 중요한 도구입니다.

광학 및 디지털 이미징 시뮬레이션

광학 시뮬레이션 소프트웨어 패키지는 팀이 렌즈 시스템을 설계하고, 조명 엔진 사양을 결정하고, 현실적인 이미지 센서 성능을 모델링하고, 이미지 신호 처리를 프로토타이핑하고, 제작 전 구성요소 사양을 테스트할 수 있게 합니다. 이는 기술 분야 간 학제간 협업을 가능하게 하여 개발 프로젝트 초기에 기술적 요구사항의 위험을 줄입니다. Ansys, Synopsis, Lambda Research 등이 광학 시스템 개념을 실리코에서 자신 있게 설계하고 시뮬레이션할 수 있는 포괄적인 도구 모음을 제공합니다. 시뮬레이션 작업의 최대 효과는 내부 기술 전문성과 커뮤니케이션에 달려 있습니다.

신속 프로토타이핑

신속 프로토타이핑은 시뮬레이션을 통한 위험 완화만큼 중요합니다. 더 많은 개발과 제작 자원이 필요하지만, 설계와 검증을 위한 완전한 기능 프로토타입에 자원을 투입하기 전에 답하지 못한 기술적 질문에 도전할 수 있는 가장 구체적인 방법을 제공합니다.

광학 렌즈는 소량 프로토타이핑 시 위험할 수 있습니다. 종종 광학 엔지니어들이 기성 구성요소로 설계 개념의 위험을 줄여, 파일럿 물량 렌즈 생산에 전념하기 전에 이미지 처리와 조명 엔진 시스템 개발을 도울 수 있습니다. 핵심은 프로토타입 제품 요구사항을 체계적으로 완화하여 한계를 이해함으로써 위험 완화를 우선순위에 두는 것입니다.

신속 프로토타이핑의 목표는 최종 제품 설계에 자원을 완전히 투입하기 전에 위험을 완화하는 것입니다. 질문과 위험은 남겠지만 일반적으로 제품 출시 계획을 차단하지는 않습니다.

요약

이미징과 조명 엔진 사양을 정하는 것은 성공적인 FI 내시경 제품 출시를 위한 기초를 마련합니다. 이 엔진들은 소프트웨어, 임베디드 시스템, 인간공학, 산업 디자인과 깊게 연계되어 제품 출시를 가능하게 합니다. 이러한 학제간 사양을 고려하는 것은 완전한 제품 프로토타입을 제공하는 데 중요합니다. 교차 분야 FI 내시경 제품 개발 시 고려해야 할 핵심 사항들을 정리했습니다. 프로젝트 전반에서 이 점들을 염두에 두어 제품이 수술 가이드에 즐겁고 영향력 있는 영향을 제공하도록 하세요.

이 기사는 FISBA 북미(메인주 새코) 컨설턴트 Wilson Adams가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.

참고문헌

1. Hazel L Stewart and David J S Birch. Methods Appl. Fluoresc. 2021.
2. Pogue BW, Zhu TC, Ntziachristos V, et al. AAPM Task Group Report 311: Guidance for performance evaluation of fluorescence-guided surgery systems. Med Phys. 2024.