결과보고서

Size: px

Start display at page:

Download "결과보고서"

연수 온
7 years ago
Views:

1 피부의광학적진단및모니터링시스템개발 Development of Optical Diagnostics and Monitoring system for skin 한홍주 1) ㆍ김소희 1) ㆍ김신혜 1) ㆍ김민지 2) ㆍ김현지 2) ㆍ김민주 3) ㆍ정인혜 3) 대구가톨릭대학교 1) ㆍ경산여자고등학교 2) ㆍ하양여자고등학교 3) 멘토 : 윤종인 1) ㆍ김덕수 2) ㆍ박연도 3) ㆍ이귀원 4) 대구가톨릭대학교 1) ㆍ경산여자고등학교 2) ㆍ하양여자고등학교 3) ㆍ한국기초과학지원연구원 4) 초록 최근자외선에의한광노화 (photoaging) 는피부질병을유발하는데깊은상관성이있어이의조기진단에대한필요성이대두되고있다. 광노화에따른대표적인변화는멜라닌생성, 굵은주름및잔주름의발생이있다. 본연구에서는멜라닌과유사한광학적정보를포함하는생체유사조직 (phantom) 을제작하여농도별분광스펙트럼에따른발색단 (india ink) 의지수를산출하고, 편광시스템을이용한피부주름촬영후간단한영상처리를수행하여굵은주름뿐아니라잔주름까지명확히관찰할수있는영상을획득하였다. 실험결과흡수체 (india ink) 의비율이높아질수록 optical density가작아지고 ink index가증가함을관찰할수있었고, 편광이미징을통해얻은영상의전체면적당주름영역의픽셀수를정량적으로산출할수있었다. 이를통해자외선에의한광노화의변화를사전에진단하여예방및치료관리에관한정보를줄수있다. By using spectroscopy and polarized imaging system, index of india ink and wrinkle were estimated in this paper. The india ink index is high when chromophores concentration is increasing. And polarization image of skin wrinkle shows selectively emphasized primary and secondary line of wrinkles. This methods help us to prevent skin diseases by photoaging. 키워드 : 광진단, 생체유사조직 (phantom), 발색단, 분광법, 주름, 선형편광, 편광이미징

2 Ⅰ. 서론 최근자외선에의한광노화 (photoaging) 가미용적측면에서뿐만아니라피부질병을유발하는데깊은상관성이있음이밝혀짐으로이에대한예방과치료에대한관심이증가하고있다 [1]. 멜라닌은자외선으로인한피부조직유전자의변형을막아내고피부암의발생을억제하지만, 과도한멜라닌의생성은기미, 주근깨, 검버섯, 악성흑색종뿐만아니라피부의노화를야기시키므로피부내멜라닌의측정은임상적인측면에서중요하다 [2]. 뿐만아니라광노화에따른대표적인변화인주름은일반적으로의사의문진을통해그진단이이루어진다. 주름인지에있어서깊은주름의경우그정성적, 정량적평가에있어서개인간의차이를보이지않으나, 잔주름의경우에는개인별로큰차이를나타내정확한진단이어렵다 [3]. 인체의피부조직에는빛이조직에입사함에따라흡수계수와산란계수, 굴절률과이방성계수등의광학적특성이발생한다. 비침습적으로피부의광학적특성을분석하는것은피부의주요발색단 ( 헤모글로빈, 멜라닌등 ) 의정량적인측정을포함하여매우다양한목적을위해사용된다 [4]. 발색단이란특정파장을흡수하는물질을말하며인체에서는단백질, 콜라겐, 물, 헤모글로빈, 멜라닌등이있다. 생체조직내에서는산란과흡수를일으키는발색단의함량이증가할수록빛의흡수율이증가하게된다. 또한빛의고유한특성인편광은빛과조직의상호작용에활발하게관여하며입사된빛의편광상태는샘플의산란, 흡수계수와복굴절등의광학적특성에따라달라진다 [5]. 빛과조직의편광기법은각질층에서초기선형편광성분을갖고반사되는빛에의한정보와표피와유두진피층에서초기선형편광성분을잃고산란된빛에의한정보를이용하여피부각층의정보를선택적으로추출하는수단으로사용었으며 [6] 피부병변영상획득 [7], 세포관찰을위한현미경 [8], 광간섭성단층촬영기술 [9] 등의진단에응용되고있다. 본연구에서는멜라닌과유사한 india ink를이용하여 in vitro 상의멜라닌팬텀을제작하여분광스펙트럼을측정하고상대적인발색단함량을비교하였다. 또한편광기법을통해사람피부의 잔주름및깊은주름이강조된영상을획득하여간단한영상처리를통한주름의수치화를수행하였다. Ⅱ. 실험및방법 2.1 발색단함량에따른멜라닌팬텀제작및분광스펙트럼측정 본연구에서는실제생체조직의광학적특성 ( 흡수계수, 산란계수등 ) 의정보를포함한 ex vivo상의생체유사조직 (phantom) 을제작하였다. 피부내멜라닌을재현하기위해흡수체로 India ink 를사용하였으며잉크의함량에따른 optical density를관찰하기위하여서로다른 4가지농도 (20% 15%, 10%, 5%) 로제작한생체유사조직을이용하였다. 광원은모든파장을가진백색광 (HL2000, Ocean Optics) 을조사하였으며, 분광기 (USB2000+, Ocean Optics) 를사용하여제작한농도별팬텀의 light intensity를측정하였고발색단의지수를구하는공식 [10] 을통하여흡수체에해당하는 india ink index를산출하였다. 그림 1. 발색단함량에따른생체유사조직 (phantom) 의구성물질비율 2.2 편광을이용한선택적인주름영상획득시스템 피부주름의영상획득을위해 broadband light source를피부에조사하였으며, 광원장치

3 와검출기앞에는각각 1차선형편광판과 2차선형편광판을위치시켰다. 1차선형편광판은고정시켰으며피부에조사되어검출기로들어가는경로에있는 2차선형편광판을 0, 90 로돌려평행편광과수직편광에대한주름영상을획득하였다. 획득한주름의평행 수직편광영상은편광영상공식에대입 [11] 하여표피층과각질층에서형성된영상정보에의한피부주름이강조된영상을획득하였으며, matlab을통한영상처리과정을거쳐편광영상에서의주름수치를산출하였다. (2) 과 는각각초기입사된빛, 물질을맞고돌 아온빛의 intensity 이며, MS(melanin score) 의 공식을응용하여 india ink 의발색단함량을구 하였다. 사용을위한파장 는각각 650nm, 750nm 로선정하였다. 공식을통해 india ink index 를구한결과, 5% 농도의팬텀은 을, 10%, 15%, 20% 는각 각 , , 로산출되었으며 이를통해발색단의함량이높아질수록그에따 른 index 도증가함을관찰할수있었다. 그림 2. 편광이미징시스템모식도 Ⅲ. 결과및토론 2.1 발색단함량에따른멜라닌팬텀 제작및분광스펙트럼측정 그림 3은발색단의함량에따른생체유사조직의스펙트럼그래프이다. India ink의농도를달리한팬텀의 light intensity를분광기로측정한결과, 잉크의함량이높을수록빛흡수가많아져 optical density와 light reflectance가작아짐을관찰할수있었다. 상대적인발색단농도를비교하기위하여임의의두파장 (650nm, 710nm) 을선별하여발색단의함량을수치화하였다. 사용된공식은 (1), (2) 와같다. log (1) 그림 3. 발색단함량에따른 (a)optical density와 (b)reflectance spectrum 3.2 편광을이용한선택적인주름영상획득시스템 그림 4-(a) 는일반자연광에서촬영한피부주름영상이며, (b) 와 (c) 는비간섭성의빛은각각검출

4 기앞의편광판의투과축을각각 0, 90 로설정 하여획득한주름의평행편광, 교차편광영상이 다. 자연광아래에서는굵은주름은관찰할수있 었지만그깊이가 5-40 m 에해당하는잔주름은 명확한관찰이어려웠다. 평행편광 (0 ) 에서는피부 표면으로부터반사된빛을수용하며입사한비간 섭성빛의초기편광성분을유지하기때문에각 질층에서반사되는각질층과피부표면이강조된 영상을획득할수있었다. 교차편광 (90 ) 에서는표 면에서반사된빛을제거하고표면아래에서다 중산란된빛을수용함으로써표피층과유두진 피층에서의주름영상을얻을수있었다. 식 (1) 은주름의특성을선택적으로강조하기위한기 법으로획득한두영상의대수조합을통해편광 영상을얻을수있었다 [11]. (3), 은각각평행편광, 교차편광영상이며, 는각각표면에서반사한빛, 깊게침투한빛을나 타낸다. 식 (1) 을적용하여피부에서반사된빛중표 면성분만을추출하였고, 획득한영상의주름특성을 더욱강조하기위해영상처리과정을거쳐최종적으로 굵은주름및잔주름등표피의질감관찰에더욱더 정교한편광영상을선택적으로획득하였다 ( 그림 4-(d)). 던잔주름과굵은주름의경계를편광기법과영상처리를적용한영상 ( 그림 4-(d)) 에서명확히관찰할수있었고, 편광영상의전체면적당주름의픽셀수를구한결과 으로써획득한영상에서의전체주름의수치를산출할수있었다. Ⅳ. 결론 본연구에서는분광스펙트럼측정을통해 india ink를이용한멜라닌팬텀의발색단함량에따른 index를산출하고편광기법을통해피부의잔주름및깊은주름이강조된영상을선택적으로획득하고간단한영상처리를하여피부주름의정도를수치화하였다. 이를통해발색단함량이높아질수록 india ink index도높아짐을확인하였고, 자연광에서는쉽게관찰되지않았던잔주름및굵은주름의영상을획득하여정량적, 정성적으로주름정도를분석할수있었다. 광노화에따른질병을예방하는데도움을주는광기반의피부진단을하고자한다. 이를통해광노화에영향을주는인자들을사전에체크하여그와관련된피부질병을예방하는데도움을줄뿐만아니라피부표면을거칠게만들어정상적인잔주름형이저해되는건선과같은질병을간접적으로진단하는데응용될수있다. Ⅴ. 참고문헌 그림 4. 자연광과편광이미징시스템을통해획득한피부주름영상. ((a): 자연광에서의주름영상, (b): 평행편광에서의주름영상, (c) : 교차편광에서의주름영상, (d): 편광기법과영상처리를통해얻은최종주름의편광영상 ) 그결과자연광 ( 그림 4-(a)) 에서는잘보이지않 [1] 김수화외, 피부의노화와주름억제, 미백효과를가지는전통한약재의탐색, 등의생리병리학회지, 22(3): , [2] Lerner, et al., Biochemistry of melanin formation, Physiol, 30(1):91-126, [3] Tsukahara et al., Quantitative twodimensional analysis of facial wrinkles of Japanese women at various ages, International journal of cosmetic science, 24(2):71-80, [4] Zonios et al., Skin melanin, hemoglobin,

5 and light scattering properties can be quantitatively assessed in vivo using diffuse reflectance spectroscopy, Journal of Investigative Dermatology, 117(6): , [5] Ando T et al., Low-level laser therapy for spinal cord injury in rats: effects of polarization., Journal of biomedical optics, 18(9): , [6] G. O. Cula et al., Assessing facial wrinkles; automatic detection and quantification," Skin Research and Technology, 19(1): , [7] V. Da Costa et al. Nondestructive imaging of live human keloid and facial tissue using multiphoton microscopy, Archives of facial plastic surgery, 10(1): 38-43, [8] Caamaño JN et al., Assessment of meiotic spindle configuration and post-warming bovine oocyte viability using polarized light microscopy, Reproduction in Domestic Animals, 48(3): 470-6, [9] Johannes F et al., Two-dimensional birefringence imaging in biological tissue by polarization-sensitive optical coherence tomography, Optics letters, 22(12): , [10] Jacques, Steven L. Quick analysis of optical spectra to quantify epidermal melanin and papillary dermal blood content of skin, Journal of biophotonics, 8(4): , [11] Jacques, Steven L et al., Imaging skin pathology with polarized light, Journal of Biomedical Optics, 7(3): , 2002.

12권2호내지합침

12권2호내지합침 14 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 15 16 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 17 18 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 19 20 OPTICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY April 2008 21 22 OPTICAL