생체 조직의 광 특성 정량화를 위한 다중 모드 광학계 개발 연구
Development of a Multimodal Optical System for Quantitative Characterization of Optical Properties of Biological Tissue
- 주제(키워드) 다중 모드 광학계 , 공간 주파수 영역 영상 , 초분광 영상 , 구조화 조명
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 이형우, 윤종희
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000033729
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
생체 조직의 광학적 특성은 조직을 구성하는 생체 물질의 다양한 형태 및 생화학적 요소에 의해 결정된다. 형태 및 생화학적 변화가 유발되면 이에 따라 생체 조직의 광학적 특성도 변화한다. 그중 암 진행의 경우, 질병이 진행함에 따라 세포의 과다 증식 및 조직 괴사 등으로 인한 형태적, 생화학적 변화가 일어난다. 따라서 조직의 광 특성을 정밀하게 정량화 할 수 있으면, 질병을 조기에 진단할 수 있는 가능성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 초분광 영상 (hyperspectral imaging)과 공간 주파수 영역 영상 (spatial-frequency domain imaging) 기술을 결합한 다중 모드 광학계 (multimodal optical system)를 개발하여 생체 조직의 광 특성을 정밀히 측정하고 이를 통해 질병 진단에 응용하고자 한다. 카메라, 상용 디지털 프로젝터, 액정 가변 필터 (liquid crystal tunable filter)를 활용하여 두 기술을 결합하는 다중 모드 광학계를 제안했다. 또한 공간 주파수 영역 영상 시스템의 정밀도를 향상시키기 위해 정확한 패턴의 조명이 가능한 적응 패턴 합성 방법을 개발하였다. 개발된 다중 모드 광학계는 생체 조직과 유사한 광 특성을 갖는 생체 모방 팬텀 (tissue-mimicking phantom)을 사용하여 성능을 검증하였다. 제안된 다중 모드 광학계를 통해 동물 조직과 위암 환자의 절제된 조직을 측정함으로써 샘플의 광학 특성을 빠르고 정확하게 측정할 수 있음을 보였고, 암 조직이 정상 및 선종 조직에 비해 낮은 산란 계수 및 뚜렷하게 차이 나는 반사 스펙트럼을 보이는 것을 확인하였다. 추후 더 많은 환자 데이터 측정을 통해 개발된 다중 모드 광학계가 질병 진단의 새로운 기술로써 활용될 수 있을 것이라 기대한다.
more초록/요약
Biological tissue undergoes chances in its optical properties, including scattering and absorption coefficients, as disease progresses. There are structural and biochemical changes in cancer progression due to rapid cell proliferation and angiogenesis, and necrosis. Thus, optical properties have been widely used for the accurate and rapid disease diagnosis. In this study, I have developed a multimodal imaging system that combines hyperspectral imaging and spatial-frequency domain imaging techniques to accurately characterize optical properties of biological tissue and apply them to disease diagnosis. I proposed a multimodal imaging system that combines two techniques by exploiting a camera, a commercially available digital projector, and a liquid crystal tunable filter. I also developed an adaptive pattern synthesis method to improve the precision of spatial-frequency domain imaging system. The synthetic illumination patterns were generated via the synthesis method and projected to the sample by the digital projector. The optical system was calibrated via a homogeneous tissue-mimicking phantom. I applied the proposed optical system for the diagnosis of gastric cancer from dissected patient tissue, and it successfully diagnosed based on measured tissue optical properties. I found that cancer tissue exhibits discernable optical properties compared to normal and adenoma, including low reduced scattering coefficients and distinct reflectance spectral profiles. These results mean that the proposed optical system is useful as a gastric cancer diagnosis tool.
more목차
제 1 장 서론 1
제 2 장 기초이론 4
제 1 절 공간 주파수 영역 영상 (spatial-frequency domain imaging) 4
2. 1. 1 탁한 매질 내에서의 빛의 확산 특성 4
2. 1. 2 공간적으로 변조된 빛의 전파 (spatially modulated light propagation) 5
제 2 절 초분광 영상 (hyperspectral imaging) 9
제 3 장 실험 방법 11
제 1 절 공간 주파수 영역 영상 11
3.1.1 흡수 및 산란의 재구성 11
3.1.2 정확한 구조화 조명을 위한 적응 패턴 합성 방법 12
제 2 절 초분광 영상 14
3.2.1 반사 스펙트럼 프로파일 (reflectance spectral profile) 14
3.2.2 스펙트럼 각도 매핑 (spectral angle mapping) 14
제 3 절 구조화 조명 및 초분광 영상 기술을 결합한 다중 모드 광학계 15
3.3.1 다중 모드 광학계의 구성 15
3.3.2 다중 모드 광학계의 생체 조직 측정 16
제 4 장 실험 결과 18
제 1 절 구조화 조명에서 적응 패턴 합성 방법의 적용 18
제 2 절 제안된 시스템의 타당성 평가 21
4.2.1 조직 모방 팬텀을 활용한 공간 주파수 영역 영상 평가 21
4.2.2 컬러 차트를 활용한 초분광 영상 평가 22
4.2.3 쇠고기 조직 측정 결과 22
제 3 절 위암 환자 조직에의 적용 25
제 5 장 결론 29
참 고 문 헌 31
