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1 The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy Room B 협대역내시경의원리와기기의발전 신성재 아주대학교의과대학소화기내과학교실 The Principle and System Development of Narrow Band Imaging Sung Jae Shin, M.B. Department of Gastroenterology, Ajou University School of Medicine, Suwon, Korea 서론 소화기관점막표면의이상소견을찾아내는것은질병의조기발견및진단을위하여필수적이며, 이러한점막표면의미세변화를발견하기위하여다양한노력이이루어져왔다. 내시경적육안진단의정확도를높이기위하여 1970년대이후로다양한색소을사용하는색소내시경 (chromoendoscopy) 을도입함으로써비교적간단하고안전하면서도빠른시간내에경제적으로병변의특성, 감별및진단에유용하게사용되었다. 그러나, 이러한방법은시약을살포하기가번거롭고시약이병변에고이는경우에는오히려관찰을방해하기도하였다. 이러한단점을극복하기위하여시약을뿌리지않고도점막표면의변화나색조차이를최대한강조하기위한여러기술이개발되었는데, 렌즈의초점거리를조정하여영상을확대함으로써현미경으로관찰하는것과같은효과를얻으려는확대내시경 (magnifying endoscopy) 및공초점레이져내시경 (confocal laser endoscopy), 조직구성변화의 2차적인소견을토대로병변을발견하려는자가형광내시경 (autofluorescence imaging, AFI) 및라만분광내시경 (Ramen spectroscopy), 그리고기존의백색광 (white light) 중특정파장의빛만을선택하여영상을얻는기법을적용함으로써점막표면의혈관상을자세하게관찰할수있는일종의가상색소내시경 (virtual chromoendoscopy) 인협대역 (narrow band imaging, NBI) 내시경등이이러한예이다. 1,2 여기서는이와같은최신내시경기구들가운데최근가장각광을받고있는협대역내시경의기본원리를살펴보고실제소화기내시경분야에서어떻게사용되는지살펴보았다. (wave-length) 이된다 (Fig. 1). 우리가평소에보는가시광선은파장이 nm이며각각의빛색깔에따른고유의파장이존재하는데, 청색은대략 400 nm, 초록색은 550 nm, 그리고적색은 600 nm에서인식된다. 이러한빛은파장이길수록잘투과하는데일반적으로적색빛파장에서는심부점막의빛강화가나타나고, 청색빛파장에서는표층점막의빛강화가, 초록색빛파장에서는표면과심부사이점막이잘나타난다. 일반적으로빛의파장이더길어질수록빛의채도 (saturation) 가감소하는데, 가시광선이경우 400에서 700 nm의넓은파장을가지므로빛은하얗게관찰되며, 400 nm의청색빛은이러한가시광선에비하여더생생하게관찰된다. 백색광이사과의표면을비추면사과표면의색소가 400 nm에서 550 nm까지파장의빛즉, 청색및녹색빛을흡수하여열에너지로바뀌고, 흡수되지않은 550 nm에서 700 nm 사이의빛즉, 적색빛은반사되어우리눈에닿아사과의적색으 빛의기본성질 빛은파동 (wave) 과입자 (particle) 로이루어진전자기파이다. 빛을파동으로본다면각파동의최고점사이의거리는파장 Figure 1. Wavelength is defined as the distance from peak to peak in each wave. Loner wavelength has the appearance of reddish and shorter one shows bluish appearance. Vol. 40 (Suppl 1), 2010 ( ) 179

2 로인식된다. 만약, 백색광대신청녹색광을사과에비춘다면이러한색은사과표면에서모두흡수되므로사과는어떠한빛도반사가되지않아검은색으로인식이될것이다. 즉, 사물을자연그대로의컬러로인식하려면백색광이필요하나, 대상을자연그대로관찰하지않을경우에는굳이백색광으로할필요가없으며, 협대역내시경은이런아이디어에서점막표면의혈관구조를자연그대로컬러가아닌극대화하려는목적으로개발되었으며, 따라서협대역내시경에서는백색광이아닌빛을이용한다. 묽은우유같은광학적으로불투명한매질에서의빛은빛의반사나투과보다는우유의작은지방소구체 (grobules) (1 100μm) 에의하여삼차원적으로펴져나가게되며이것을빛이산란이라고한다. 이러한빛이생체조직에들어가면, 표면에서일부는반사되고일부는체내로퍼져나간다. 조직내의세포핵, 세포기관, 인 (nucleoli) 과같은작은입자에의해수많은산란이일어나며, 조직내로두루퍼지게된다. 빛의전진은그파장에의해좌우되는데적색은긴파장을갖고있어서넓고깊게퍼져나가고, 청색빛은짧은파장으로적은범위로퍼져나간다 (Fig. 2). 이러한산란된빛의일부는혈액내로흡수가되는데, 이는주로헤모글로빈에의해주로짧은파장을가지는청색및녹색빛을흡수한다. 헤모글로빈은발색단 (chromophore) 의일종으로위장관점막을구성하는요소중헤모글로빈을제외하면세포핵과섬유질은색이없으므로위장관점막의색체는주로헤모글로빈에의해좌우된다. 협대역내시경의기본원리와시스템설계 1. 해상도 (Resolution) 와명도 (Contrast) 해상도와명도는영상의질적인면을기술하는용어이다. Fig. 3은해상도와명도와의관계에대하여설명하고있는데양질의이미지는해상도와명도가동시에높을때최상으로얻을수있다. 해상도는미세한유형을표현하는능력을가리키는용어이며, CCD의픽셀수, 전기신호의처리능력, 렌즈의특성에따라좌우된다. 고선명 TV (HDTV) 의표준이미지에쓰이는내시경의해상도는일반내시경의해상도보다훨씬높다. 명도는무늬와배경사이의밀도또는밝기의비 (ratio) 로정의되는데, 명료성 (clarity) 이란단어는사물이배경보다더선명하게도드라져보이는지를가리키는말이다. 협대역내시경은혈관의명도를선택적으로향상시킬수있는기술이며협대역내시경이명도를높인다면, 해상도는고선명 TV를통해향상된다. 2. 기본원리 Fig. 4는백색광및협대역빛으로본점막혈관모식도이다. 3 BV(A) 와 BV(B) 로각각이름붙인생체를주행하는두개의혈관이있다. λ1, λ2, λ3의파장으로구성된넓은파장의빛이 BV(A) 로들어가고, λ2와같은좁은파장이 BV(B) 로들어간다. 혈액에흡수되는정도는 λ2 λ1,λ3이다. λ1와 λ3이 λ2보다더넓고깊게퍼져나간다. λ2가혈관과충돌 Figure 2. Diffusively light propagation n turbid medium. Red light diffuses in the turbid medium widely and deeply, while blue light does not diffusively propagate. Figure 3. Contrast vs. resolution. Visual imaging was more documented when resolution and contrast were increasing simultaneously. 180 The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy

3 한다면대부분의에너지는혈액내로흡수된다. 한편, λ1과 λ3이혈관을만난다면, 에너지중의일부는혈관에투과되고깊고넓게산란된다. 그결과, λ1과 λ3의산란된빛의일부가혈관으로재투과되거나혈관을따라서점막표면으로나오게된다. 혈액에의해거의흡수되니않거나 λ1이나 λ3처럼깊고넓게산란된다면, 혈액은 VI(A) 에서보이듯이뿌옇게보이게될것이며, 이것이기존내시경에쓰이는광원이다. 한편, λ2가표층점막을만날때, 점막표면에서관찰되는빛은혈관주위를통하지않고살란된빛으로보이게된다. 그결과, 혈관의명도는향상되어강한흡수력때문에검게보이고다른부분은 VI(B) 에서보이듯이밝은컬러로보이게된다. Fig. 5A는일반적으로쓰이는넓은대역의청색파빛으로비춰진인간의혀점막혈관무늬영상이며, Fig. 5B는협대역청색광으로본영상이다. 빛을협대역으로바꾸면혈관무늬의명도가증가하게된다. 즉, 협대역내시경은혈액에의해강하게흡수되어기존의넓은파장의빛처럼넓고깊게퍼지는파장의빛 을제외한협대역의빛으로생체조직을관찰하는기술이다. 3. 시스템의설계협대역내시경의원리에의하면, 415 nm의파장은표층의모세혈관을보는데적당하고, 540 nm의파장은더두꺼운혈관을보는데적당하다. 그러나, 조기암은표층에서발생하고혈관구조의변화로시작된다는사실을고려한다면, 600 nm의협대역내시경은의학적으로큰이용가치가없다. 따라서, 협대역내시경은 415 nm와 540 nm의두개의파장을이용한다. Fig. 6은올림푸스의 EVIS EXERA II 시스템의협대역내시경시스템의개요를보여주고있다. 협대역내시경필터앞에제논램프가설치되어있고, 이협대역내시경필터를통하여파장이 415 nm와 540 nm인빛만통과하여점막을비추게되며, 이러한빛은반사되어내시경기기의 CCD에서컬러상을만들기위해모니터의 R.G.B 채널을통해혈관의가시성을높일목적으로위점막표층의혈관유형을흑백으로, 점막심부의상대적으로굵은혈관은모세혈관과다른컬러로강조되기위해 415 nm은 B와 G에할당되어표층의혈관은흑백에가까운갈색으로표현되었고, 540 nm는 R채널에할당되어보다심층의혈관은청색으로관찰된다. 기기의작동은내시경조작부의스위치를누르면백색광이협대역내시경으로상호변환가능하며, 필요에따라서확대영상버튼을같이사용할경우에는점막표면의세부구조와혈관을시각화하는데더욱유용하다. 실제협대역내시경에서보이는모습 Figure 4. Contrast of blood vessel. Blood vessel was more prominent when it is visualized by narrow band light (λ2), compared with white light (λ1,λ2,λ3). 출혈의경우검은숯검댕이같은색깔로나타나는데, 415 nm와 540 nm의빛이점막표면의혈액에흡수되어반사되지않기때문이다. 많은암에서점막표층의혈관밀도가높은데, 예를들면식도편평상피암의경우유두내모세혈관루프 Figure 5. Blood vessels of human tongue. (A) Image under conventional broad band blue light. (B) Image under narrow band blue light. Vol. 40 (Suppl 1), 2010 ( ) 181

4 Figure 6. Structure of NBI system. (IPCL) 의확장, 성장및굴곡이이질환의특징이다. 따라서, 협대역내시경으로관찰하였을시이부위의혈관부분은갈색으로잘관찰된다. 대장의점막표면은선와소 (crypt foci) 사이의조직을지나는미세혈관은점막표면의모세혈관과같은혈관이므로갈색색조로보인다. 한편, 선와소주위에는장샘주변세포외에는빛을흡수하는물질이전혀없다. 따라서, 상당량의빛이산란되어선와소는하얗게보인다. 그결과, 대장의미세한점막유형은갈색-백색의유형으로나타나며, 선종의경우이러한미세혈관이발달하게되어협대역내시경으로관찰시갈색-백색유형이두드러지게보이는반면, 과증식성용종의경우에는선와소사이의조직에서모세혈관이발달되지않았을경우에는협대역내시경관찰시미세한갈색유형이잘돋보이지않는다. 대장잔유물과담즙은백색광에서는노란색을띠는데, 노란색은협대역내시경에서는붉게보인다. 이는잔유물과담즙은 540 nm 빛을강하게반사하는반면, 415 nm의빛은강하게흡수한다. 협대역내시경은 540 nm에서는 R채널에서, 415 nm 는 B와 G채널에서모니터로출력되므로 B와 G채널은더검게보이고 R채널의영상은모니터화면에서더밝게보인다. 따라서, 잔유물과담즙은혈액의붉은빛을띄게된다. 기타가상색소내시경 imaging) 이고, 후지논에서개발한것이 FICE (Flexible spectral imaging color enhancement/fuji intelligent color enhancement), 그리고펜탁스의 I-scan이다. 4-6 FICE는 NBI처럼특정파장을통해영상을재구성함으로써점막표면의미묘한변화를강조하지만 NBI처럼광학필터를사용하지않고분광추정기술 (computer spectral estimation technology) 을이용하여때문에, NBI 경우기존의사용한파장이외의다른파장을이용하기위해서는광학필터를교환해야하지만 FICE는간단한스위치조작으로다양한파장을선택할수있어식도, 위, 대장등의부위별로최적의파장의영상으로평가할수있는장점이있다. I-scan은 FICE처럼분광추정기술을이용하여컬러디지털필터를통해원래영상을변환시키고강조함으로써병변을돋보이게하는가상색소내시경이다. 결론 최근개발된협대역내시경은영상처리에서특수한파장만을이용함으로써혈관의명도를증가시켜다른구조물과구별을용이하게한영상기법으로, 기존의확대내시경과같이사용할경우점막및혈관의미세구조의관찰이용이하게되었으며, 이를통하여병변의발견및내시경검사중실시간으로병변의병리학적진단을보다정확하게예측할수있어적절한치료법을신속하게결정하는데유용하게사용될것으로전망된다. 가상색소내시경인협대역내시경과비슷한원리로소위특수파장의빛을이용한내시경은내시경제작사에따라다양하게각각서로다른형태로개발되었는데올림푸스에서개발한것이기존에서술한바와같이협대역내시경 (narrow band 참고문헌 1. Gono K, Obi T, Yamaguchi M, et al. Appearance of enhanced tissue features in narrow band endoscopic imaging. 182 The Korean Journal of Gastrointestinal Endoscopy

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