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의료 및 바이오

Confocal MicroScope

Confocal laser endo microscopy(CLE)

• Two types of confocal endomicroscopy systems / 위)pCLE, 아래)eCLE
  • Confocal Laser Endomicroscopy(CLE)는 2004년에 소개된 이후, 위장 내시경과 함께 중요한 영상 장비로 자리매김 되어가고 있음.
  • CLE는 In vivo환경에서 “Real time optical biopsies”를 목표로 하는 연구에 중요한 가치를 지님.
  • 편평세포암종(squamous cell carcinoma), 바렛식도(Barrett's esophagus), 셀리악병(celiac disease)과 대장용종(colonic polyps)와 같은 분야서 활발한 응용 연구가 진행되고 있음.
  • medical imaging의 한분야인 molecular imaging과 같은 영역에서 두각.
  • CLE는 크게 CLE가 endoscopy에 포함되어 있는 eCLE(endoscopy CLE)와 지름이 1~3mm 정도인 소형 광학식 Probe를 일반적인 endoscopy channel로 통과시켜 사용하는 pCLE(Prob-based CLE)로 분류.
  • pCLE의 경우는 Bronchoscopy와 함께 폐를 진단하는 분야에서는 유일한 솔루션으로 여겨지고 있음.

LUMOS™

  • Track Ball
  • Probe head
  • Probe Assay.
  • Foot Switch
LUMOS™ VU
  • LUMOS™ 은 위/대장 내시경 용도로 개발하고 있는 Probe-based CLE
  • LUMOS™ Bp 는 fiber glass bundle type Probe.

CLE Probe dimension & compatibility

LUMOS™ BP
  • 1. Probe Assembly dimension
    • - 길이 : 2000[mm]
  • 2. Probe Head dimension
    • - 길이 : 13.5[mm]
    • - 지름 : 2.6[mm]
  • 3. Compatibility
    • - 일반적인 위.대장 내시경 instrument channel로 삽입 가능하도록 Probe Head 설계

AI CDSS 시스템 소개

• Segmentation 기법
  • AI-CDSS(Artificial Intelligent Clinical Decision Support System)는 자사의 pCLE를 이용하는 의료진을 도와 “real time optical biopsies”를 가능하게 해 주는 “AI 기반 의료진단지원시스템”
  • 최근의 다양한 머신러닝 기법에 molecular image를 적용하여 정상 세포와 암 세포를 의료진의 경험과 무관하게 판단할 수 있는 소프트웨어를 개발하고 있음.
  • 오른쪽 그림은 다양한 머신러닝의 알고리즘 중에 Segmentation 기법을 통해 세포핵을 검출하는 방법 소개.

LUMOS & AI-CDSS 사용 목적

• Segmentation 기법
  • 위의 그림은 암의 전이 단계에 따른 일반적인 처치 방법을 설명한 그림.
  • 개발된 pCLE는 세포조직 표면으로부터 깊이 150~200[um]를 관찰할 수 있도록 설계되어 있고, 내시경 영상만으로는 판단할 수 없는 초기 암을 AI-CDSS의 도움을 받아 조기에 실시간(real time optical biopsies)으로 발견하는 것을 목표로 하고 있음.

Confocal fluorescence microscopy 측정 사례.(in vitro)

• 대장 cancer : Leica SP2 10x
• 대장 normal : Leica SP2 10x
  • Confocal Laser Scanning microscopy의 한 종류인 Confocal fluorescence microscopy를 이용하여 in vitro 상태에서 관찰.
  • 시료는 대장에서 채취하여, fluorescent dye를 염색한후 관찰.
  • 전문의 소견으로 정상/암 판정.

AI-CDSS 판정 사례

• 좌) 암으로 판정, 우)정상으로 판정
• 실시간 분석 결과를 백분율로 출력
  • 학습된 머신러닝 엔진에 취득된 이미지를 입력시켜 실시간으로 분석 및 판정
  • Confocal fluorescence microscopy를 이용하여 in vitro 상태에서 관찰된 이미지 사용 .

Probe-based confocal laser endomicroscopy 측정 사례

Confocal Laser Scanning Microscopy(CLSM)기본 원리

  • 공초점 현미경의 핵심적인 기본 원리는 오로지 초점으로 모이는 빛으로부터 만 신호을 취득하는 것.
  • 그림에서와 같이 시편의 한점에 빛을 조명하고 시편으로부터 반사된 빛을 디텍터에서 취득하려고 할 경우, 만일 핀홀 (Pinhole)이 없으면 한점에서의 빛만 취득되는 것이 아니라 그 주변으로부터의 빛도 함께 감지되게 됨.
  • 공초점 현미경은 디텍터 부에 핀홀을 설치하여 원래 의도한 점으로부터 반사되는 빛 이외의 빛을 차단함으로써 한점에서만의 신호를 취득하게 됨.
  • 즉, 그림에서와 같이 의도한 한점 이외의 빛(점선)은 핀홀에 의해 차단 됨.
  • 이것은 한번에 공간상의 한점의 신호만을 취득하는 초점 현미경의 가장 독특한 특징 임.

Confocal laser scanning microscopy(CLSM) 영상 비교

• Non-confocal and Confocal image
  • 위에서 설명한 공초점 현미경의 특성으로 인하여 동일한 배율의 대물렌즈를 사용하는 conventional microscopy에 비해 보다 더 우수한 해상도를 갖는 이미지를 보여주며, 3차원 영상으로 reconstruction도 가능함.

Confocal laser scanning microscopy(CLSM) 영상 비교

  • 한번에 한점만을 측정하는 것으로는 의미있는 측정이 제한적이기 때문에 영상을 만들기 위해서는 이러한 점 데이터들을 지속적으로 얻을 수 있는 스캐닝 장치가 필요.
  • 2차원 스캐닝 방식은 크게 3가지 방식으로 구분할 수 있으며, 이중 빔스캐닝 방식이 가장 효과적.
  • 당사를 비롯한 Olympus, Keyence 등 고성능 공초점 현미경 업체에서는 모두 빔스캐닝 방식을 채택하고 있음.

Confocal laser Scanning Microscopy(CLSM) - 3D scan 원리.

• Plane by plane imaging
• 3D reconstruction
  • 2차원 스캐닝에 의한 영상은 다시 광축 방향의 Z 스캐닝 과정을 거쳐 3차원 스캐닝을 완성.
  • 공초점 현미경은 광학식 비접촉식이기 때문에 Z축 방향으로 움직여 주면서 각 Z축 스캐닝 높이별 신호를 관측하여 3차원 정보를 얻게 됨.