발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 내시경은 영상용 카메라와 조명용 광원이 같은 위치에 있어 광섬유 끝단에서 발생하는 자체 반사로 인해 미약한 신호의 영상화가 어려웠습니다.

• 빛을 강하게 조사하더라도 물체의 반사가 약할 경우, 선명한 대비의 영상을 얻기 힘든 한계가 있었습니다.

• 홀로그래픽 방식에서 목표물에 반사된 빛이 광섬유 다발을 통과하면서 위상 정보의 정확한 복원이 어려웠습니다.

기술의 필요성

• 광섬유 다발의 측면 조명을 이용해 조명단의 자체 반사를 차단하고, 순수한 홀로그래픽 영상을 획득할 필요가 있습니다.

• 고속 스캔미러로 다양한 조명 각도의 빛을 입사시켜 영상의 대비(contrast)를 향상시킬 필요가 있습니다.

• 사용자가 원하는 깊이까지의 3차원 영상 정보를 선택적으로 얻기 위해 기준빔의 길이를 정밀하게 조절할 필요가 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 핵심 원리는 빛을 조사하는 다중모드 광섬유와 반사된 빛을 수신하는 광섬유 다발을 물리적으로 분리하는 것입니다.

• 조명용 광섬유를 영상용 광섬유 다발의 비스듬한 측면에 배치하여 목표물을 조명합니다.

• 이 구조를 통해 조명단에서 발생하는 강한 자체 반사 신호를 근본적으로 제거하고, 목표물로부터 반사된 순수한 영상 정보만을 획득할 수 있습니다.

구체적인 구현 방법

1. 광원(레이저)에서 나온 빛을 제1 광분배기에서 조명단과 기준단으로 나눕니다.

2. 조명단으로 향하는 빛은 각도스캔미러를 거쳐 다중모드 광섬유를 통해 목표물에 조사됩니다.

3. 기준단으로 향하는 빛은 제2 편광분배기와 깊이스캔미러를 거쳐 광경로 길이가 조절됩니다.

4. 목표물에서 반사된 빛은 광섬유다발을 통해 수집되어 제1 편광분배기를 통과합니다.

5. 제2 광분배기에서 조명단 빔(반사광)과 기준단 빔을 합쳐 간섭 패턴을 생성합니다.

6. 카메라는 이 간섭 이미지를 촬영하여 최종 홀로그래픽 영상을 획득합니다.

기술의 장점

• 자체 반사 제거: 조명부와 영상 획득부를 분리하여 강한 반사 신호를 원천적으로 차단하고, 물체에서 오는 미약한 반사 신호까지 선명하게 획득할 수 있습니다.

• 영상 대비 향상: 각도스캔미러를 이용, 여러 각도에서 영상을 얻어 산술 평균함으로써 얼룩덜룩한 반점(speckle)을 제거하고 영상의 대비를 크게 향상시킵니다.

• 선택적 3D 영상 획득: 깊이스캔미러로 기준빔의 길이를 조절하는 'Time-gating' 방식을 통해 사용자가 원하는 깊이의 3차원 영상 정보를 선택적으로 얻을 수 있습니다.

• 넓은 범위 촬영: 종래 기술의 ㎛(마이크로미터) 단위를 넘어, ㎝(센티미터) 단위의 넓은 영역에 대한 고해상도 이미지 획득이 가능합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서 개발된 '측면조명을 이용한 홀로그래픽 3차원 내시경 시스템'의 실제 성능을 검증하고, 3차원 영상화 및 깊이 선택 기능의 유효성을 확인하기 위해 석고모형 치아를 대상으로 영상 획득 실험을 실시하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 대상 물체로 석고모형 치아를 준비합니다.

2. 기준 영상으로 LED 조명을 이용한 일반 2D 영상을 촬영합니다.

3. 개발된 시스템을 이용하여, 기준빔의 거리를 깊이 방향으로 200㎛씩 늘려가며 연속적인 홀로그래픽 영상을 획득합니다.

4. 획득된 깊이별 2D 영상들을 통합하여 최종 3차원 이미지로 복원합니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명은 깊이 방향으로 선택적인 영상화(Time-gating)에 성공했으며, 이를 통해 3차원 영상 복원이 가능함을 입증했습니다. 또한 종래 기술과 비교하여 다음과 같은 뚜렷한 성능 향상을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 의료 진단 분야: 소화기관, 호흡기관 등 내부 장기의 비침습적 정밀 검사 및 조직 검사.

• 최소 침습 수술: 수술 중 실시간으로 고해상도 3D 영상을 제공하여 수술 정확도 및 안정성 향상.

• 치과 영상 분야: 임플란트 시술, 충치 진단 등 정밀한 3차원 구강 구조 파악에 활용.

• 산업용 검사: 반도체, 미세 부품 등 접근이 어려운 내부 구조의 비파괴 검사.

기대효과

• 진단 정확도 향상: 고대비, 고해상도 3차원 영상을 통해 병변의 조기 발견 및 정확한 진단에 기여합니다.

• 새로운 시술법 개발: 정밀한 깊이 정보가 필요한 새로운 최소 침습 시술 및 치료법 개발을 촉진할 수 있습니다.

• 환자 부담 감소: 비침습적 또는 최소 침습적 검사 및 수술을 통해 환자의 회복 시간을 단축하고 부담을 줄입니다.

• 기초 과학 연구 활용: 생물학, 재료 과학 등 다양한 기초 과학 분야에서 미세 구조의 3차원 동적 관찰에 활용될 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술과 관련된 의료 이미징 및 내시경 장비 시장은 꾸준한 성장세를 보이고 있습니다. 글로벌 의료 이미징 시장은 2024년 419억 1천만 달러 규모로 평가되었으며, 2032년까지 연평균 6.4% 성장할 것으로 전망됩니다. 또한, 직접적인 연관 분야인 세계 내시경 기기 시장은 2024년 295억 달러에서 2034년 569억 달러 규모로, 연평균 6.9%의 견조한 성장이 예상됩니다(출처, 출처).

• 글로벌 의료 이미징 시장은 2025년 444억 3천만 달러에서 2032년 683억 달러로 성장이 예상됩니다.

• 특히 홀로그래픽 이미징 시장은 2017년 3억 3,100만 달러를 초과했으며, 2024년까지 연평균 34% 이상의 폭발적인 성장률을 보일 것으로 전망되어, 본 기술의 높은 성장 잠재력을 시사합니다(출처).

• 2024년 기준, 아시아 태평양 지역이 의료 이미징 시장의 38.61%를 차지하며 가장 큰 시장 점유율을 기록했습니다.

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 글로벌 내시경 장비 시장, 특히 소화기 내시경 분야는 소수의 일본 기업들이 높은 점유율을 차지하며 시장을 주도하고 있습니다. Olympus, Hoya, Fujifilm 3개사가 소화기 내시경 분야에서 70~80%의 압도적인 시장 점유율을 형성하고 있습니다(출처).

산업 동인 및 기회 요인

1. AI 기술의 통합: AI 기반 진단 보조 장비의 도입이 시장 성장을 주도하고 있습니다. 2023년 7월 기준, 미국 FDA는 692개의 AI 의료기기를 승인했으며 이 중 75%가 영상의학과 관련 기술입니다(출처).

2. 최소 침습 시술 선호도 증가: 절개 부위가 적고 회복이 빠른 최소 침습 시술에 대한 환자와 의료진의 선호가 높아지면서, 고성능 내시경에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

3. 만성 질환 및 고령 인구 증가: 전 세계적인 고령화 추세와 위장 질환, 암 등 만성 질환의 유병률 증가는 내시경 검사 및 시술 수요를 지속적으로 견인하고 있습니다.

4. 3D/4D 및 홀로그래픽 기술의 부상: 본 발명과 같은 차세대 이미징 기술은 기존 2D 영상의 한계를 넘어, 우수한 품질의 3D 이미지를 제공함으로써 진단 정확도를 혁신적으로 높일 기회 요인으로 작용합니다(출처).