KR100794721B1

KR100794721B1 - 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템

Info

Publication number: KR100794721B1
Application number: KR1020060020099A
Authority: KR
Inventors: 이상문
Original assignee: 이상문
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2008-01-15
Also published as: KR20070090412A; EP1996074A4; WO2007100220A1; US20090137895A1; JP2009528122A; CN101410054A; JP5155193B2; EP1996074A1

Abstract

본 발명은 피검 대상자의 세포, 조직, 기관 등과 같은 생체조직으로부터 생체 활동 전위에 의해 방사되는 미세한 전자기장과 그의 변화량을 단일 또는 다채널의 바이오센서와 이를 포함하는 질병 진단시스템에 의해 정전용량과 그의 변화량으로 감지하고, 이 정전용량과 그의 변화량에 따라 얻어진 주파수를 분석하여 세포의 비정상적 증식을 특징으로 하는 세포증식성 질병의 하나인 암을 포함하는 면역 결핍으로 인한 질병을 비침습적방법으로 부작용의 우려 없이 10분~1시간 이내 짧은 시간에 전신을 진단하여 결과를 실시간에 수치, 음향 또는 3차 영상으로 나타내며 피검 대상자가 준수해야 할 약물복용, 공복상태 등과 같은 금기 사항이 없고 수술 결과에 따른 암세포 제거여부 확인이 용이하며 단계별 치료과정 확인이 가능하므로 보다 정확하고 안전하게 조기에 진단할 수 있도록 한, 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템이다.

생체, 바이오센서, 전자기장, 정전용량, 주파수, 암, 질병, 세포증식성질병.

Description

피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템{Real-time diagnostic system employing a non-invasive method to analyze the electro-magnetic field radiated from a subject and the variation thereof}

도1은 본 발명에 의한 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템을 나타낸 블록 구성도.

도2는 도1에 개시된 질병 진단시스템의 디지털 변환회로부를 나타낸 블록 구성도.

도3은 도1에 개시된 질병 진단시스템의 센서 구동부와 아날로그 회로부를 나타낸 블록 구성도.

도4는 도1에 개시된 질병 진단시스템의 전원 회로부를 나타낸 블록 구성도.

도5는 단일채널(1채널) 또는 다채널(5채널)의 바이오센서에 의한 측정 순서를 나타낸 도표.

도6a는 본 발명에서 주파수를 CPU 클럭을 이용하여 측정하는 과정을 보인 흐름도.

도6b는 본 발명에서 주파수를 CPU 내의 A/D변환기를 이용하여 측정하는 과정 을 보인 흐름도.

도6c는 아날로그 회로부의 주파수 발생부로부터 발생되는 주파수의 파형 예시도.

도7은 입력 주파수에 대응하는 CPU 클럭을 나타낸 도면.

도8은 주파수 발진 동조회로와 그 주변회로를 나타낸 블록 구성도.

도9는 주파수 조절부에 의해 채널 주파수를 세팅하는 과정을 보인 흐름도.

도10은 본 발명에 의한 질병 진단시스템에 의해 피검 대상자가 아주 정상상태로 진단된 것을 보인 그래프.

도11은 본 발명에 의한 질병 진단시스템에 의해 피검 대상자가 정상상태로 진단된 것을 보인 그래프.

도12는 본 발명에 의한 질병 진단시스템에 의해 피검 대상자가 염증상태로 진단된 것을 보인 그래프.

도13은 본 발명에 의한 질병 진단시스템에 의해 피검 대상자가 발암상태로 진단된 것을 보인 그래프.

도14는 바이오센서에 의한 진단결과를 PC에 3차원 그래픽으로 표시한 상태를 나타낸 화면 예시도.

도15는 본 발명에 따른 측정모드 중 프리스캔 모드(Prescan mode)일 때의 측정방식을 설명하기 위한 흐름도.

도16은 본 발명에 따른 측정모드 중 정밀(Precise) 모드일 때의 측정방식을 설명하기 위한 흐름도.

도17 내지 도22는 시험 예를 나타낸 화면 예시도.

도23은 인간으로부터 유래한 암세포를 이식한 누드마우스의 체중변화를 나타낸 그래프.

도24는 인간으로부터 유래한 암세포를 이식한 누드마우스의 종양크기의 변화를 나타낸 그래프.

도25는 폐암(G2; A549)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 그래프.

도26은 대장암(G3;HCT15)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 그래프.

도27은 흑색종(G4;LOX-IMVI)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 그래프.

도28은 유방암(G5;PC-3)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 그래프.

도29는 전립선암(G6;MDA-MB-231)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 그래프.

도30은 실험21일째의 폐암(G2; A549)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 그래프.

도31은 실험21일째의 대장암(G3; HCT15)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 그래프.

도32는 실험21일째의 흑색종(G4; LOX-IMVI)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 그래프.

도33은 실험21일째의 전립선암(G5; PC-3)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 그래프.

도34는 실험21일째의 유방암(G6; MDA-MB-231)이 이식된 누드마우스의 종양 무게를 보인 그래프.

도35는 잘 분화된 암종인 폐암을 보여주는 사진.

도36은 확실한 유사분열과 괴저성의 암종인 대장암을 보여주는 사진.

도37은 괴저 형성, 미분화되고 다형태성을 띄는 암종인 흑색종을 보여주는 사진.

도38은 확실한 괴정성과 다형태성의 변이를 보이는 잘 분화되지 않은 암종인 전립선암을 보여주는 사진.

도39는 잘 분화되지 않고 매우 유사 분열된 고형체의 암종인 유방암을 보여주는 사진.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 센서 구동부 2 : 아날로그 회로부

3 : 디지털 변환회로부 4 : 전원 회로부

10: 오실레이터(발진자) 11 : CPU

12 : 플래시 메모리 12a : ROM 선택부

12b,12c : ROM 13 : SDRAM

14 : LCD 인버터 15 : LCD

16 : PWM 모듈 16a : 주파수 조절부

16b : 부저 17 : 주파수 입력부

18 : 채널 선택부 19 : 통신모듈

19a : 무선 통신모듈 19b : USB 포트

19c : RS-232C 20 : 주파수 발진 동조회로

21 : 로우패스필터 22 : 다채널 멀티플렉서

23 : 센서 선택부 24 : 주파수 조절부

25 : 주파수 발생부 26 : 주파수신호 증폭부

27 : 주파수 분배부 31 : 어댑터

32 : 배터리 충전 측정회로 33 : 배터리 충전회로

34 : 배터리 35 : 3.3 볼트 레귤레이터

36 : 2.5 볼트 레귤레이터 37 : 5볼트 레귤레이터

본 발명은 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 실시간 질병 진단시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생체 전자기 시그널 감응(感應)소재(이하, '바이오센서'라 한다.)에 의해 비침습적 방법(Non-Invasive Method)으로 생물체 세포, 조직, 기관 등으로부터 발생되는 전자기장과 이의 변화량을 분석하여 피검 대상자 건강상태, 즉 세포의 비정상적 증식을 특징으로 하는 세포증식성 질병의 하나인 암을 포함하는 면역 결핍으로 인한 각종 질병을 부작용의 우려 없이 실시간에 수치, 음향 또는 3차 영상으로 나타내어 보다 정확하고 안전하게 조기에 진단할 수 있도록 하는 피검 대상자(생물체를 말하며, 이하, '피검 대상자'라 한다.)의 세포, 조직, 기관 등으로부터 생체 활동 전위에 의해 방사되는 미세한 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템에 관한 것이다.

일반적으로 세포의 비정상적 증식을 특징으로 하는 세포증식성 질병의 하나인 암을 포함하는 면역 결핍으로 인한 각종 질병을 진단하기 위한 장비들은 부피가 매우 커서 공간적 제약이 뒤따르고, 진단할 때 피검 대상자에게 적지 않은 경제적 부담을 줄 뿐만 아니라, 암 진단에 대한 정확도가 30%~50%로 낮은 편이고, 특히 암의 크기가 1cm 미만일 경우에는 측정 결과치가 이보다 훨씬 낮아, 암 발병 초기에 암의 유무를 파악하는 것조차 어렵다.

또한, 기존의 진단 장비들은 대부분의 경우 진단하기 전에 피검 대상자(생물체)가 준수해야 할 사항 즉, 공복상태라던가 일정한 약물을 복용해야 하는 등 사전준비가 매우 번거롭고, 몇몇 검사 장비는 방사선 침투와 같은 침습적 방법(Invasive Method)에 의한 부작용의 우려까지 야기되는 등의 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 생체 전자기 시그널 감응 소재는 생체친화적인 바이오물질을 이용, 특수 가공하여 바이오센서로 제작되었으며, 시술자가 검진하거나 또는 진단부위에 따라 피검 대상자가 본인 스스로도 검진이 가능하도록 하는 진단 시스템으로서 측정하기 전에 피검 대상자의 별도의 준수사항 없이 용이하게 진단할 수 있고, 저 전력이며 체외에서 비 침습방법으로 측정하기 때문에 부작용에 대한 염려를 대폭 감소시킬 수 있으며, 조기 암 진단 정밀도를 획기적으로 높일 수 있도록 하는데 주된 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 조기 암 뿐만 아니라 면역 결핍으로 인해 발생하는 다양한 질병의 진단도 가능하고, 바이오센서와 이를 포함하는 질병 진단시스템에 의해 얻어진 피검 대상자들에 대한 데이터베이스(Data Base)는 의료진과 피검 대상자로 하여금 장기간 동안 질병의 추이를 지켜보고, 장기간 치료를 필요로 할 때에는 치료결과도 실시간으로 확인할 수 있도록 하는데 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 통상의 자기공명을 이용한 MRI, X-Ray, CT 등의 검사 장비가 인체 내부를 형상화한 뒤 이상이 있는 부위를 찾을 수 있도록 설계된 것과는 달리 생물체 체내의 생체 활동 전위에 의해 방사되는 전자기장의 변화를 바이오센서와 이를 포함하는 질병 진단시스템에 의해 얻어진 정보를 분석 종합하여 질병의 유무 및 종류의 확인이 용이하도록 하고, 바이오센서와 이를 포함하는 질병 진단시스템에 입력된 생체 활동 전위신호는 아날로그 회로부에서 처리되고, 디지털신호로 변환하여, 적절한 알고리즘에 의해 사용자가 분석할 수 있도록 수치 화되어 기기의 자체 표시 창 또는 모니터에 수치나 그래프 및 피시(PC)로 전송되게 함으로써, 피검 대상자의 해당 측정 부위의 건강상태, 특히 암 질환의 유무를 신속하고 정확하게 진단함은 물론 검사에 따른 사전 제약이나 부작용에 대한 우려가 없이 언제, 어디서나 신속하고 간편하게 피검 대상자의 건강상태를 진단할 수 있으며, 각종 암 질환을 조기에 발견할 수 있으면서도 진단할 때마다 그 결과를 데이터베이스화할 수 있기 때문에 질병의 추이와 치료결과를 수시로 재확인할 수 있으므로 암이나 염증 등 각종 질병의 조기발견에 따른 효과적인 치료 및 예방을 기대할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명에 의한 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 실시간 질병 진단시스템은, 인체를 포함한 생물체 내의 생체 전자기장을 받아 정전용량이 변화하는 적어도 단일 또는 다수개의 바이오센서를 구비한 센서 구동부와; 상기 센서 구동부를 통해 측정한 생체 활동 전위 신호를 아날로그 신호로 처리하기 위한 아날로그 회로부와; 상기 아날로그 회로부로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 이를 처리하기 위한 디지털 변환회로부와; 시스템에 구동전원을 공급하고 배터리에 전원을 충전하기 위한 전원 회로부 및 PC와의 통신을 위한 통신회로부, PC와의 무선통신을 위한 통신모듈을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 아날로그 회로부는, 상기 센서 구동부로부터의 채널 선택을 위한 다채널 멀티플렉서와; 상기 센서 구동부로부터 다채널 센서 중 특정 센서를 선택하여 측정을 하기 위한 센서를 선택하는 센서 선택부와; 센서 구동부의 바이오센서 부위가 다채널일 경우 발생하는 오차, 전자 부품의 기본적인 제조 오차, 측정 위치의 환경적인 오차 등을 최소화하고 주파수 발진 동조 회로에서 발생되는 주파수를 정확하게 센서의 기준 주파수로 조절해 주는 주파수 조절부와; 상기 센서 구동부 내의 바이오센서의 진단 전 정상 상태일 때의 정전용량 요소를 기준으로 하여, 센서고유의 기준주파수의 주파수를 발생시키는 주파수 발생부와; 상기 주파수 발생부로부터 발생한 주파수 신호 레벨은 상기 디지털 변환회로부에서 사용할 수 있는 레벨까지 증폭하는 주파수신호 증폭부와; 상기 디지털 변환회로부에서 측정 가능하도록 주파수를 분배하는 주파수 분배부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 디지털 변환회로부는, 측정 데이터 및 프로그램 데이터를 저장하는 플래시 메모리와; 임시 메모리 장소로 활용되는 SDRAM와; 주파수를 측정하고 각종 연산을 실행하는 CPU와; 사용자로부터 명령을 입력받는 스위치 회로, 입력 주파수에 따라 소리를 발생시키는 부저를 포함하는 PWM모듈과; 측정한 데이터를 연산하여 GUI(Graphic User Interface)에 표시하는 LCD 및 상기 LCD의 밝기를 조절하는 LCD 인버터를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 전원회로부는, 상용 전원에서 공급되는 전원을 직접 사용하지 않고, 어댑터를 연결하더라도 전원은 배터리로부터 공급되며, 상기 배터리의 잔류용량과 충전용량 및 배터리 잔류용량을 확인하기 위해 배터리 충전 측정회로에 의해 상기 배터리 전압을 상기 CPU로 피드백하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 주파수 신호 증폭부는 상기 주파수 발생부내의 RLC회로를 통해 출력된 주파수 신호레벨을 상기 디지털 변환회로부에서 측정할 수 있는 신호레벨로 변환시켜주는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 바이오센서의 기본 정전용량 범위는 0.5pF 내지 900pF 인 것을 특징으로 하며, 바람직하기로는 1pF 내지 400pF 인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 바이오센서의 정전용량의 변화에 의해 발진회로의 주파수를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 피검 대상자의 생체조직으로부터 바이오센서에 의해 감지되어 입력되는 생체 활동 전위 값에 따라 변화하는 정전용량 값이 피검 대상자의 질병 진단을 위한 주파수 또는 전압 값으로 변환되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 피검 대상자의 건강상태는, 상기 바이오센서의 고유한 주파수인 기준 주파수와 바이오센서에 의해 감지된 측정 주파수와의 차이 값이 변위 주파수(Delta Frequency)의 변화량에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 변위 주파수를 오실레이터(발진자)(10)를 통해 가해지는 CPU(11)클럭 및 VF(Voltage-Frequency) 변환기를 이용하여 결정하고, 센서로 부터 발진된 주파수를 측정하며, 상기 측정한 주파수를 기준 주파수와 비교하여 그 차이 값을 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 센서로부터 발진되는 주파수를 측정함에 있어 CPU(11)내 또는 외부 A/D 변환기를 이용하여 센서에서 나온 주파수가 FV(Frequency-Voltage) 변환기를 통과하여 얻어진 전압값을 디지털값으로 변환하여 측정주파수를 기준 주파수와 비교하여 그 차이 값을 결정하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 있어서, 상기 기준 주파수는, 상기 바이오센서가 생체 활동전위에 노출되지 않았을 때 바이오센서에 의해 감지된 측정 주파수와의 비교를 위한 기준 주파수로서 바이오센서의 고유한 주파수와 동일한 주파수로 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 바이오센서의 고유한 주파수인 센서의 기준 주파수는 0.5Hz 에서 95MHz의 주파수 대역을 가지며, 바람직하기로는 10Hz 에서 20MHz의 주파수 대역을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 기준 주파수는, 측정 환경에 민감한 바이오 센서의 특성을 고려하여 1차적으로 아날로그회로부에서 보정(Calibration)하고, 2차적으로는 디지털 변환회로부 및 소정 프로그램에 의해 조절 가능하도록 바이오센서의 고유한 주파수와 동일한 주파수로 조절되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 아날로그 방식에 의해 조절할 수 있는 기준 주파수는 5Khz 에서 10Mhz인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 디지털 방식에 의해 조절할 수 있는 기준 주파수는 0.1hz 에서 1Mhz인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 바이오센서로부터 입력된 생체활동 전위 값의 취득 속도를 디지털방식에 의해 변화시키는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 3단계 또는 여러 단계로 구분하고, 이를 녹색, 황색, 적색 또는 그 외 여러 색깔로 표시하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 3단계 또는 여러 단계로 구분하고, 이를 녹색, 황색, 적색 또는 그 외 여러 색깔로 표시하고 피검 대상자가 암 일 경우에는 녹색, 황색, 적색이 불규칙적으로 측정기의 LCD 화면 및 측정기로부터 측정된 데이터를 PC로 전송하여 모니터의 화면에 나타나는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 3단계 또는 여러 단계로 구분하고, 이를 녹색, 황색, 적색 또는 그 외 여러 색깔로 표시하고 사용목적에 따라 녹색, 황색, 적색 또는 그 외 여러 색깔의 경계 값을 조정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 다수의 다단계로 구분하고, 이를 서로 다른 주파수를 가지는 음성신호 또는 경고음으로 표시하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 질병 진단시스템에 무선 LAN, 무선 통신모듈, USB 포트 또는 RS-232C를 통해 PC가 접속하고, 상기 PC는 질병 진단시스템에 의해 측정된 데이터를 3차원 그래픽, 다차원 그래픽 또는 입체 영상으로 표현하는 것을 특징으로 한다. 특히, 진단 결과의 표현에 있어서, 다채널의 경우는 음성신호, 경고음, 3차원 그래픽, 다차원 그래픽 또는 입체 영상들로 표현하지만 단채널의 경우는 디지털 수치 및 음성 신호 또는 경고음으로 표현한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 질병 진단시스템에 무선 통신모듈(LAN, Bluetooth, 지그비), USB 포트 또는 RS-232C를 통해 PC가 접속되고, 상기 PC는 질병 진단시스템에 의해 측정된 데이터를 저장하고, 데이터베이스화하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 의한 피검 대상자의 세포, 조직, 기관 등으로부터 생체 활동 전위에 의해 방사되는 미세한 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템은, 피검 대상자의 세포, 조직, 기관 등으로부터 생체 활동 전위에 의해 방사되는 미세한 전자기장과 그의 변화량을 바이오센서에 의해 정전용량과 그의 변화량으로 감지하고, 상기 정전용량과 그의 변화량에 따라 얻어진 주파수를 분석하여 세포의 비정상적 증식을 특징으로 하는 세포증식성 질병의 하나인 암과 같은 질환을 포함하는 면역 결핍으로 인한 각종 질병을 진단할 수 있도록 하는 것을 주된 특징으로 하는 것이다.

도1은 본 발명에 의한 피검 대상자의 세포, 조직, 기관 등으로부터 생체 활 동 전위에 의해 방사되는 미세한 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템을 나타낸 블록 구성도로서, 인체 내의 생체 전자기장을 받아 정전용량이 변화하는 적어도 단일 또는 다수개의 바이오센서를 구비한 센서 구동부(1)와; 상기 센서 구동부(1)를 통해 측정한 생체 활동 전위 신호를 아날로그 신호로 처리하기 위한 아날로그 회로부(2)와; 아날로그 회로부(2)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 이를 처리하기 위한 디지털 변환회로부(3)와; 시스템에 구동전원을 공급하고 배터리에 전원을 충전하기 위한 전원 회로부(4) 및 도2에 도시된 바와 같이 PC와의 통신을 위한 통신회로부, PC와의 무선통신을 위한 통신 모듈(19)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 센서구동부(1)를 구성하는 바이오센서는 본 출원인이 앞서 출원한 바 있는 대한민국 특허출원 제10-2006-0013170호(2006.2.10 출원)의 생체 전자기 시그널 감응 소재 및 이를 이용한 진단 장치에 개시된 센서로서, 생물체의 세포, 조직, 기관 등으로부터 생체 활동 전위에 의해 발생하는 전자기장의 미약한 정보신호(생체 활동 전위 신호)를 감지하여 기억하고 전달하는 기능을 가지는 동물의 표피조직 중에서 어류의 비늘, 파충류의 비늘, 갑각류의 갑각, 곤충류의 큐티클 등을 이용하여 생물체의 세포, 조직, 기관 등으로부터 생체 활동 전위에 의해 발생하는 생체 활동 전위 신호와 그 변화에 감응하여 전송, 재전송하는 기능을 갖는다.

또한 상기 센서 구동부(1)에 의해 감지된 생체 활동 전위 신호는 아날로그 회로부(2)와 디지털 변환회로부(3) 등에 저장되어 있는 알고리즘에 의해 분석되어 세 가지 진단, 즉 생체 활동 전위 신호에 별 다른 이상이 없으면 녹색(Green) 또는 황색(Yellow)으로 표시되고, 이상이 있으면(염증 발생 등) 적색(Red)으로 화면에 표시된다.

또한 센서 구동부(1)에 의해 입력된 생체 활동 전위 신호가 아날로그 회로부(2)와 디지털 변환회로부(3) 및 디지털 변환회로부(3) 내의 CPU 프로그램에 정해진 알고리즘에 의해 황색(Yellow), 적색(Red) 등이 혼합된 매우 불규칙한 화면으로 표시되면 암으로 진단할 수 있다.

또한, 최종결과가 녹색(Green), 황색(Yellow), 적색(Red)으로 바뀔 때마다 부저(16b)에 가해지는 주파수를 달리하여 측정자나 피검 대상자가 피검 부위의 상태를 청각으로도 파악할 수 있다.

그리고 센서 구동부(1)에 입력된 생체 활동 전위 신호는 아날로그 회로부(2), 디지털 변환회로부(3) 등에 의해 처리된 후 유선 및 무선 통신모듈을 통해 PC로 전송되므로 해당 진단부위, 진단결과, 병력(病歷) 등의 내용이 피검 대상자 고유의 자료로 분리되어 PC의 데이터베이스에 저장된다.

본 발명에 의한 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 실시간 질병 진단시스템을 이용하여 암을 조기에 진단하기 위한 원리로는 질병 진단시스템의 바이오센서의 기본 정전용량(Capacitor) 범위는 바이오센서를 만드는 목적에 따라 0.5pF 내지 900pF 정도이고, 바람직하기로는 1pF 내지 400pF 정도이고, 바이오센서에 생체 활동 전위신호(전자기장)가 입력됨에 따라 바이오센서 정전용량(Capacitor)에 변위가 발생한다.

즉, 본 발명은 생체 활동 전위신호에 따라 변화하는 질병 진단시스템의 바이 오센서내의 정전용량(Capacitor) 변위 성분을 측정하고, 이를 기초로 피검 대상자의 건강상태를 진단할 수 있다.

본 발명에 의한 질병 진단시스템은 도1에 도시한 바와 같이 센서 구동부(1), 아날로그 회로부(2), 디지털 변환회로부(3) 및 전원 회로부(4) 등으로 구성된다.

상기한 디지털 변환회로부(3)는 도2에 도시한 바와 같이 CPU(11)와 플래시 메모리(12), SDRAM(13), 주파수 입력부(17), 채널 선택부(18) 등을 포함하여 구성된다.

또한, 아날로그 회로부(2)는 도3에 도시한 바와 같이 다채널 멀티 플렉서(22)와 센서 선택부(23), 주파수 조절부(24), 주파수 발생부(25), 주파수신호 증폭부(26), 주파수 분배부(27) 등을 포함하여 구성된다.

또한 본 발명에 의한 질병 진단시스템은 시스템의 동작상태 나 진단결과를 표시하기 위한 LCD(15)와 LCD 인버터(14), PWM 모듈(16) 그리고 피시(PC) 또는 외부와의 통신을 위한 통신모듈(19) 등을 더 구비한다.

이하, 각 회로부의 동작을 보다 상세하게 설명한다.

먼저 아날로그 회로부(2)의 주파수 발생부(25)는 센서 구동부(1)의 바이오센서의 진단 전 정상 상태일 때의 정전용량(Capacitor) 성분을 기준으로 하여, 도6c에 도시한 바와 같은 센서고유의 기준주파수의 주파수를 발생시킨다.

여기서, 주파수 발생부(25)가 보다 정밀한 기준 주파수를 발생시킬 수 있도록 주파수 조절부(24)를 통해 센서 구동부(1)의 바이오센서가 정상 상태일 때 기준 주파수를 조절한다.

상기 센서 구동부(1)의 바이오센서는 단 채널부터 다 채널까지 다양하게 제작할 수 있는데, 다 채널인 경우 도3에 도시한 바와 같이 센서 구동부(1)로부터의 채널 선택을 위한 다채널 멀티플렉서(22)와 센서 구동부(1)로부터 센서를 선택하는 센서 선택부(23)를 구비해야 한다.

이와 같이 주파수 발생부(25)로부터 발생한 주파수 신호 레벨은 디지털 변환회로부(3)에 곧바로 입력하기에 미약하기 때문에 주파수 신호 증폭부(26)에 의해 디지털 변환회로부(3)에서 사용할 수 있는 레벨까지 증폭한다.

주파수신호 증폭부(26)에 의해 증폭된 신호는 수 Mhz 대역의 높은 주파수이므로 주파수 분배부(27)에 의해 디지털 변환회로부(3)에서 측정 가능하도록 주파수로 분배된다.

그리고 처리된 주파수 신호는 도2에 도시한 디지털 변환회로부(3)내의 주파수 입력부(17) 및 채널 선택부(18)로 입력되고, 주파수 입력부(17)를 통해 CPU(11)로 입력되는 주파수 신호는 CPU(11)의 제어 동작에 의해 주파수 값으로 계산된다.

본 발명에 의한 질병 진단시스템에서 센서 구동부(1)의 제조공정 시, 바이오 센서의 기본 정전용량(Capacitor) 값이 조금씩 달라지게 된다. 따라서 아날로그 회로부(2)에서 기본 주파수 값을 도6c과 같이 조정하더라도 정전용량(Capacitor) 값의 변화로 인해 기본 주파수 값이 조금씩 달라질 수 있다.

그러므로 도9에 도시한 알고리즘에 의해 채널 선택부(18)를 통해 각 채널을 차례로 선택한 후 주파수 조절부(Voltage Control Oscillation)(16a)를 이용하여 바이오 센서의 기준 주파수를 차례로 맞춘 후 CPU(11)가 SDRAM(13) 영역에 각 채널의 전압 값을 채널마다 차례대로 저장하는 기본 주파수 조정 작업을 한다.

즉, 기준주파수와 획득한 채널주파수가 상호 일치할 때까지 PWM 데이터의 변화값을 차례로 판별한다.

그 후 센서의 각 채널의 데이터의 주파수를 읽을 때 마다 디지털 주파수 조절부로 저장된 데이터를 출력하여 동작을 반복한다.

생체 활동 전위 신호의 입력으로 센서 구동부(1)의 각 채널의 바이오센서 정전용량의 변위가 발생하면(측정 시), 도6c 에 도시한 바와 같은 기본 주파수에서 변위 주파수(Delta Frequency)의 차이가 발생된다. CPU(11)가 이 주파수의 차이, 즉 변위 주파수(Delta Frequency) 값을 측정하고 주파수 조절부(16a)의 구동을 제어하여 부저(16b)에 가해지는 주파수를 조절하므로 변위 주파수(Delta Frequency) 값에 따라 부저(16b)가 서로 다른 소리를 낸다.

상기한 변위 주파수(Delta Frequency)는 바이오센서(오픈상태일때 기준주파수로 설정)로 측정하기 시작하였을 때 변화하는 주파수를 의미한다.

본 발명에서 이와 같은 변위 주파수(Delta Frequency)를 측정하는 방법은 두가지가 있다.

첫째, 도6a에 도시한 바와 같이 주파수를 오실레이터(발진자, 10)를 통해 가해지는 CPU(11)클럭을 이용하여 도6c에 도시된 세로 점선 두 개의 차이를 측정함으로서 주파수 값을 측정하는 방법.

둘째, 도6b에 도시한 바와 같이 주파수를 CPU(11) 내의 A/D 변환기(도시 생 략됨)를 이용하여 도6c에 도시한 바와 같이 발생된 신호를 주파수-전압(F-V) 변환기를 통해 전압값으로 변환하고, 이 변환된 전압값을 A/D 변환기를 통해 디지털값으로 변환함으로서 주파수 값을 측정하는 방법이다.

상기한 CPU(11)는 변위 주파수(Delta Frequency) 값에 따라 녹색(Green), 황색(Yellow), 적색(Red) 중 어떤 색으로 표시할지를 판단한다. 이때 CPU(11)는 플래시 메모리(12) 영역 안에 데이터를 저장할 수 있는 영역을 할당하여 측정한 변위 주파수(Delta Frequency)를 저장한다. 따라서 LCD(15)는 CPU(11)가 변위 주파수(Delta Frequency) 값에 따라 판단한 녹색(Green), 황색(Yellow), 적색(Red)을 선택적으로 출력한다.

여기서, LCD 인버터(14)는 LCD(15)의 밝기를 조절한다.

그리고 CPU(11)에는 무선 통신모듈(19a)과 USB 포트(19b), RS-232C(19c) 등으로 이루어진 통신모듈(19)이 접속되어 있어, 변위 주파수(Delta Frequency) 값을 PC로 전송할 수 있다. 다양한 통신방식에 의해 PC로 전송된 데이터는 소정의 프로그램에 의해 도14에 도시한 바와 같이 3차원 그래픽(Graphic)으로 표시되거나 저장, 출력, 데이터베이스화될 수 있다.

다음은 아날로그 회로부(2)에서 주파수(신호)가 처리되는 동작을 설명한다.

먼저, 인체 또는 생물체의 생체 활동 전위신호가 센서 구동부(1)의 바이오센서에 입력되면, 인체 내의 생체 전자기장을 받아 바이오센서의 정전용량이 변한다. 이러한 정전용량의 변위를 측정하기 위해서 정전용량 값을 주파수 값으로 변화시키 는데, 여기에 주파수 발진 동조 회로(20)가 사용된다.

도3에 도시한 바와 같이 주파수 조절부(24)는 도8에 도시한 주파수 발진 동조회로(20), 로우패스필터(21) 및 PWM모듈(16)을 포함한다.

이 주파수 발진 동조 회로(20)는 센서 구동부(1)의 바이오센서가 정상 상태, 즉 도5에서와 같이 생체 활동 전위신호를 접하지 않는 상태일 때의 주파수 값과 동일한 도6c의 센서 고유 기준주파수를 발진한다.

바이오센서는 상당히 민감하여 주변 환경이 변화하게 되면 주파수 발진 동조 회로(20)를 통해 출력되는 신호의 주파수 역시 민감하게 변하게 된다.

따라서, 어떠한 환경이라도 바이오 센서가 오픈상태(측정하지 않을 경우)에는 일정한 주파수로 고정시켜야 할 필요가 있다.

또한, 센서 구동부(1)의 바이오센서 부위가 다 채널일 경우 발생하는 오차, 전자 부품의 기본적인 제조 오차, 측정 위치의 환경적인 오차 등을 최소화하고 주파수 발진 동조 회로(20)에서 발생되는 주파수를 정확하게 센서의 기준 주파수로 조절해 주는 주파수 조절부(24)를 갖는다.

피검 대상자인 생물체의 생체 활동 전위신호가 센서 구동부(1)의 바이오센서에 입력되면, 앞서 설명한 바와 같이 인체를 포함한 생물체 내의 생체 전자기장을 받아 바이오센서의 정전용량 값이 변화(증가)하여 주파수가 변한다. 정전용량의 값이 증가하면 주파수 발진 동조 회로(20)로부터 발생되는 주파수(f)는

의 기본원리에 의해 감소하게 된다. 한편, 발진된 주파수의 진폭이 너무 미약하기 때문에 디지털 변환회로부(3)가 측정할 수 있도록 주파수 신호 증폭부(26)가 일정레벨까지 신호를 증폭한다.

이 주파수 신호 증폭부(26)는 주파수 발생부(25)내의 RLC회로를 통해 출력된 주파수 신호레벨이 1.2v - 2.2v의 정현(sine)파의 형태로 나타나게 되는데 이는 신호의 주파수를 측정하는 디지털 입력신호로서 적합하지 않으므로 디지털 변환회로부(3)에서 측정할 수 있는 신호레벨인 0v - 5v 레벨, 그리고 구형파로 변환 시켜주는 역할을 수행한다.

이 센서 구동부(1)의 바이오센서는 단 채널에서 다 채널까지 다양하기 때문에 다 채널을 모두 측정하기 위하여 다채널 멀티플렉서(22)와 센서 선택부(23)를 사용한다.

다 채널 멀티플렉서(22)와 센서 선택부(23)에 의해 생체 활동 전위신호를 감지하는 바이오센서의 측정순서는 도5와 같다.

아날로그 회로부(2)로부터 디지털 변환회로부(3)로 전송되는 신호는 디지털 변환회로부(3)가 주파수 측정이 용이하도록 주파수 발진 동조회로(20)에서 발진된 주파수는 주파수 분배부(27)에 의해 주파수가 분배된다.

다음은 디지털 변환회로부(3)에서 주파수(신호)가 처리되는 동작을 설명한다.

디지털 변환 회로부(3)는 도2에 도시한 바와 같이 측정 데이터 및 프로그램 데이터를 저장하는 플래시 메모리(12), 임시 메모리 장소로 활용되는 SDRAM(13), 주파수를 측정하고 각종 연산을 실행하는 CPU(11), 도면에는 도시되지 않은 사용자 로부터 명령을 입력 받는 스위치 회로, 입력 주파수에 따라 소리를 발생시키는 부저(16b)를 포함하는 PWM모듈(16),측정한 데이터를 연산하여 GUI(Graphic User Interface)에 표시하는 LCD(15) 및 LCD 인버터(14)를 포함하여 구성되어 있다.

이 디지털 변환회로부(3)에는 아날로그 회로부(2)에서 출력되는 최종 주파수를 측정하기 위한 주파수 측정 알고리즘이 필요하다. 이에 도7에서와 같이 CPU(11)의 입출력 모듈을 통해 입력된 도6c 의 바이오 센서의 기준주파수의 클럭 신호 1주기 동안 CPU(11) 클럭(clock)을 계수(Count)하여 주파수를 측정하는 상기한 첫번째 방법에서, 주파수(F) 측정 공식은 다음과 같다.

이렇게 측정된 주파수(F)는 아날로그 회로부(2)의 주파수 분배부(27)에 의해 나뉘었던 주파수로서 정확한 주파수 값을 복원하기 위해 나누었던 값을 프로그램에 의해 곱하여 준다.

센서 구동부(1)의 바이오센서가 정상 상태일 때에는 주파수 발진 동조 회로(20)가 기본 주파수를 발진하고, 센서 구동부(1)의 바이오센서가 측정 중일 때, 즉 생체 활동 전위가 입력될 때에는 정전용량 값이 증가해

의 공식에 따라 측정 주파수(f) 값이 감소한다. 기본 주파수에서 감소된 주파수를 제하여 변위 주파수(Delta Frequency) 값을 얻을 수 있다.

이 변위 주파수(Delta Frequency)가 임상적으로 볼 때 생체 활동 전위신호의 양이다. 따라서 변위 주파수가 증가하면 생체 활동 전위 량이 많다는 것을 뜻하고, 변위 주파수가 적으면 생체의 활동 전위 량이 적다는 의미가 된다.

따라서 본 발명의 질병 진단시스템은 변위 주파수를 3단계로 나누어 표시한다. 첫 번째 단계는 생체 활동 전위가 일반적인 움직임을 보이는 단계, 두 번째는 생체활동 전위가 활발한 상태, 마지막 세 번째 단계는 생체 활동 전위가 매우 활발한 또는 맥동하는 단계이다.

그리고 각각의 단계는 아주 양호한 건강 상태를 나타내는 "녹색", 건강 상태의 "황색", 염증 등 건강상태가 양호하지 않은 상태를 나타내는 "적색"으로 표시된다. 즉, 생체 활동 전위가 첫 번째 범위 안에 포함되면 본 발명에 의한 질병 진단시스템의 LCD(15) 또는 PC 화면에 "녹색"으로 표시되고, 두 번째 단계일 때에는 "황색", 세 번째 단계일 때에는 "적색"으로 표시된다.

상기 센서 구동부(1)의 바이오센서가 정상 상태일 때 주파수 조절부(24)에 의해 주파수 발생부(25)에서 발생하는 기본 주파수를 도3의 주파수 조절부(24) 및 도6c에 도시된 바이오센서의 기준주파수를 조절하여도 이를 디지털 변환회로부(3)에서 전송받아 연산하는 과정에서 기준주파수가 정확하게 유지되지 않고 미세한 차이가 발생할 때가 있다.

이러한 현상을 조절하고 주파수를 정밀하게 조절하기 위해 디지털 변환회로부(3)에도 주파수 조절부(16a)가 구비되어 있다. 이는 주파수 조정(setting)장치로서 도8에 도시한 바와 같이 바이오센서를 구비한 센서 구동부(1)와 주파수 발진 동 조회로(20), 로우패스필터(21), 입출력 포트를 가지는 CPU(11), PWM 모듈(16), 플래시메모리(12) 등으로 구성되어 있다.

상기 CPU(11)는 전원이 인가됨에 따라 아날로그 회로부(2)로부터 주파수를 전송 받아 기준 주파수를 확인한다. 만일, 측정한 주파수가 기준 주파수와 다를 경우 주파수 CPU(11)에 의해 조정 알고리즘이 실행된다.

본 발명에 의한 바이오센서를 포함하는 질병 진단시스템으로 피검 대상자 즉, 생물체의 생체 활동 전위신호를 측정했을 때, 피검 대상자의 건강이 아주 양호하거나 양호하면 도10, 도11과 같이 "녹색", "황색"을, 염증 등 건강상태가 양호하지 않은 상태이면 도12와 같이 "적색" 상태가 일정하게 지속된다.

그러나, 암일 경우에는 도12의 "적색", 도11의 "황색", 도12의 "적색", 도11의 "황색", 도10의 "녹색" 등과 같이 그 상태가 불안정하고 도13과 같이 불규칙하다. 이때 불규칙한 정도, 즉 변위 주파수 값의 변화 폭은 개인차에 따라, 또는 암 상태에 따라 다르다.

이와 같은 상태를 보다 정밀하게 측정하기 위해, 주파수 읽기 속도(Sampling Rate)를 세 가지로 분류한다. 도15는 바이오센서 주파수를 10ms로 읽는 채널 드로우 모드(Draw Mode)와 20ms로 읽는 프리스캔 모드(prescan Mode)를 설명하고, 도16은 100ms로 읽는 정밀 모드(Precise Mode)를 설명하는 특정 프로토콜을 나타내고 있다.

즉, 도15에 도시된 프리스캔 모드는 측정 정지 신호(Break Signal)가 입력될 때, 사용자가 정지버튼을 누르거나 PC에서 정지 명령을 내릴 때까지 계속해서 측정 데이터를 전송하는 과정을 나타내고 있다.

한편, 도16에 도시된 정밀모드는 다 채널 바이오센서의 모든 데이터를 10번 보내고 난 후 사용자가 측정 버튼을 누를 때까지 대기하는 과정을 나타내고 있다.

이렇게 측정된 데이터는 PC 혹은 질병 진단시스템에 부착된 LCD(15)에 표시된다. 측정한 주파수의 변위 주파수 값에 따라 앞에서 정의한 방법에 의해 "녹색(도10)", "황색(도11)", "적색(도12)"으로 표시된다. PC에서는 도14와 같이 3차원 그래픽으로 표시된다.

상기한 녹색, 황색, 적색을 구분하는 주파수 차이값의 기준은 UNI Bio-Tec 사에서 수백회 반복한 동물임상 및 임상실험결과로서 그 기준을 설정하였다.

실험 예로서, 기준주파수가 50.40 KHz 이었다고 가정할 때, 측정주파수가 50.40 ~ 48.38 KHz 인 경우는 마우스가 건강이 아주 양호한 상태로 "녹색"으로 표시하고, 48.37 ~ 46.79 KHz 인 경우는 보통 양호한 상태로 "황색"으로 표시하며, 46.78 KHz 이하인 경우는 염증이 있는 상태로 "적색"으로 표시하였으며, "황색"과 "적색"이 불규칙적으로 나타나는 경우는 암으로 판단한다.

위와 같이 바이오센서가 구비된 질병 진단시스템으로부터 PC로 전송된 데이터는 PC와 질병 진단시스템의 무선 통신모듈(19a), USB 포트(19b), RS-232C(19c)를 이용하여 특정 데이터 전송 프로토콜로 전송된다.

또한 본 발명의 바이오센서로부터 입력된 생체 활동 전위신호를 청각적으로 인식할 수 있도록 부저(16b)를 통해 신호를 출력한다. LCD(15) 상에 나타나는 색상에 따라 각각 다른 소리를 발생시킴으로써 청각적으로도 정상, 염증, 암을 판단할 수 있도록 한다.

도4는 도1의 전원 회로부(4)의 상세 블록 구성도를 나타낸 것으로서, 전원회로부(4)는 어댑터(31), 배터리 충전 측정회로(32), 배터리 충전회로(33), 배터리(34), 3.3 볼트 레귤레이터(35), 2.5 볼트 레귤레이터(36), 5볼트 레귤레이터(37) 등으로 구성된다. 3.3 볼트와 2.5 볼트는 디지털 변환회로부(3)에 공급되고, 5볼트는 아날로그 회로부(2)에 공급된다.

상기 배터리(34)는 Ni-MH(Nickel Metal Hybrid)를 사용하는 것으로서 충전용량은 1200mA/H이며, 본 발명에 의한 질병 진단시스템의 소비전류는 550mA로 약 2시간 정도 계속해서 작동할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 질병 진단시스템은 의료기기이기 때문에 피검 대상자(생물체)의 안전을 위해 상용 전원에서 공급되는 전원을 직접 사용하지 않는다. 그리고 어댑터(31)를 연결하더라도 전원은 배터리로(34)부터 공급된다. 배터리(34)의 잔류용량과 충전용량 및 배터리 잔류용량을 확인하기 위해 배터리 충전 측정회로(32)에 의해 배터리(34) 전압을 CPU(11)로 피드백(Feed Back)한다.

(시험 예)

본 발명에 의한 "초기 암 진단기"의 암세포가 이식된 누드마우스를 이용한 "초기 암 진단기기의 바이오센서의 기능 및 초기 암 진단기기"의 암 진단능력 측정시험을 ㈜켐온 전임상연구센터(KGLP Approval)를 통해 시험하였다.

본 발명은 인간에서 유래한 암세포를 이식한 누드마우스에 대한 암의 조기진 단을 목적으로 새로이 개발된 초기암 진단장비(초기암 진단기기의 바이오센서 및 초기암 진단기기)의 성능(효과)을 평가하기 위해 실시하였다.

본 시험을 실시하기 위하여 시험계의 종 및 계통은 특정병원체 부재(SPF) Athymic BALB/C Nude Mouse로 8주령된 암컷(생산자 SLC Japan)이 사용되었으며 군 분리는 암세포 이식당일에 측정한 체중을 순위화하여 피하이식군으로 군당 10마리씩 6군으로 분리하였으며, 개체식별은 사육상자의 식별라벨과 ear punch법을 이용하였다. 단, 시험일정 중에는 군별 구분만 하였고, 군별 이식 암종은 의뢰자에게 인지시키지 않았다.

시험군의 구성은 다음과 같다.

<피하 이식군>

군	성별	동물 수 (마리)	동물번호	이식량 (cells/head)	이식암종
G1	Female	10	1~10	-	Control
G2	Female	10	11~20	0.3x10⁷	폐암
G3	Female	10	21~30	0.3x10⁷	대장암
G4	Female	10	31~40	0.3x10⁷	흑색종
G5	Female	10	41~50	0.3x10⁷	전립선암
G6	Female	10	51~60	0.3x10⁷	유방암

G1: 암세포를 이식하지 않은 군 G2 ~ G6: 암세포를 이식한 군

본 발명에 의한 "초기 암 진단기기"를 사용하여 인간에서 유래한 암세포를 이식한 누드 마우스에 대한 암의 조기진단을 목적으로 새로이 개발된 초기암 진단장비(초기 암 진단기기의 바이오센서 및 초기암 진단기기)의 성능을 평가하기 위해 실시하였다.

초기암 진단기기의 시험은 의뢰자는 의뢰자가 개발한 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기암 진단기기를 사용하여 암세포 이식 첫날부터 ㈜켐온 전임상 연구센터의 전임상 시험 규정에 의거하여 군별 무작위 순으로 동물의 암 발생 양상을 측정하였고, ㈜켐온에서는 이식한 암세포의 크기 측정이 가능한 이식 8일째부터 종양 부피를 측정하였다. 의뢰자 및 ㈜켐온의 측정 결과를 비교하여 바이오센서의 기능 및 바이오센서를 이용하여 제작한 초기암 진단기기의 진단능력을 비교 평가하였다.

암세포 이식 후 종양을 육안으로 확인할 수 없는 7일까지 의뢰자가 측정한 결과는 89.8% (정상93.3%, 암86.3%)의 적중률을 나타내었다. 종양실측이 가능한 기간까지 포함한 전체적인 결과는 95.9%(정상96.5%, 암95.7%)의 적중률을 나타내었다.

이상의 결과를 보면 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기암 진단기기를 이용한 측정 시험은 3주간 피하이식군에서 총 656회가 실시되었다. 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기암 진단기기를 사용한 측정에서 암세포 접종 후 초기 7일까지 총 190 회 측정 중 166 회가 적중(87.4 %)하였으며 190회 중 정상 쥐에서는 한번도 암으로 측정된 바 없다. 또한 전체적인 결과는 총 656 회 측정 중 629회가 적중(95.9 %)하였으며 이 또한 총 656회 중 정상 쥐에서는 한번도 암으로 측정된 바 없다.

하기의 실시 예에 의거하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명을 제한하지 않는다.

실시 예1)

암세포의 종류는 인간으로부터 유래한 세포주로서 폐암(A549), 대장암(HCT15),흑색종(LOX-IMVI), 전립선암(PC-3), 유방암(MDA-MB-231)을 한국생명공학연구원에서 Freezing vial로 각 세포주당 1개씩 입수하여 ㈜켐온 전임상연구센터 약리약효실내의 세포배양실 액체질소 탱크에 보관 하였고 암세포의 배양은 각각의 암세포주를 37℃ 항온수조에서 최대한 빨리 녹였다. 녹인 암세포주를10 %의 FBS(우태아혈청)를 함유한 RPMI1640 배양액 5 ml에 잘 섞은 후 1200 rpm에서 10분간 원심분리하였고 분리한 세포에 전술한 배양액 5 ml을 가하여 세포현탁액을 만든 후 25 cm²세포배양용 플라스크에 넣어 37℃ CO₂배양기에서 배양하였다.

배양한 암세포는 생리식염수에 1ⅹ10⁷cells/ml로 현탁하여 마리당 0.3 ml씩 누드마우스의 피하에 이식하였다. 단 음성대조군에는 동량의 생리식염수를 투여하였다.

종양부피의 측정은 피하 암세포이식 8일째부터 3주째까지 계속 버니어 캘리퍼스를 이용하여 측정하고 다음과 같은 계산식을 사용하여 산출하였다.

종양의 부피(mm³) = (장축)×(단축)×(높이) / 2

부검일에 피하종양의 적출결과 종양이 100% 형성되었고, 종양에 대한 조직병 리학적 검사결과 100% 암 조직으로 판명되었다.

일반증상의 관찰에서는 모든 동물에서 암의 성장에 따른 전형적인 증상 외 특이한 증상은 관찰되지 않았다. 흑색종을 이식한군에서 15일째와 18일째에 각각 1마리씩 사망하였다.

진단기기에 의한 암 측정 결과 :

< 측정시작일 ~ 측정 7일째까지의 측정 결과도표 >

	G1	G2	G3	G4	G5	G6	Total
총 측정수	30	35	35	30	30	30	190
측 정 결 과 (적중률 : 89.8%)
정상(N)	28	0	1	1	0	0
염증(I)	2	7	2	3	3	5
암 (C)	0	28	32	26	27	25

< 측정시작일 ~ 측정종료일까지의 측정 결과도표 >

	G1	G2	G3	G4	G5	G6	Total
총 측정수	115	115	115	101	105	105	656
측 정 결 과 (적중률 : 95.9%)
정상(N)	111	0	1	1	0	0
염증(I)	4	7	2	3	3	6
암 (C)	0	108	112	97	102	99

(1) 대조군은 암세포를 이식하지 않았고, 시험 종료시까지 암의 자연발생도 없었다. 따라서 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기 암 진단기기가 정상(N)으로 진단한 경우만 적중으로 판단하였으며, 염증(I) 및 암(C)으로 진단한 경우는 부적중으로 판단하였다.

(2) 암세포 이식군은 병리조직학적인 검사 결과 모든 동물에서 예외없이 100% 암으로 판정하였으므로 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기암 진단기기가 암(C)으로 진단한 경우만 적중으로 판단하였으며, 염증(I) 및 정상(N)으로 진단한 경우는 부적중으로 판단하였다.

(3) 암세포 이식 후 종양을 시각적으로 확인할 수 없는 7일까지 적중률은 89.8%이었고, 전체적인 적중률은 95.9%이었다. 그리고 정상 쥐에서는 총 측정수 중 단 한번도 암으로 측정 된 바는 없다.

누드마우스에 암세포를 이식한 후 바이오센서 기능을 이용하여 제작한 초기 암 진단기기를 이용하여 초기 진단 및 암 발생 여부를 측정하였다. 암 유발을 위하여 인간으로부터 유래한 암세포를 사용하였다. 의뢰자는 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기 암 진단기기를 사용하여 암세포 주입 첫 날부터 ㈜켐온 전임상 연구센터의 전임상 시험 규정에 의거하여 동물의 각 Group별 암 발생 양상을 측정하였고, ㈜켐온에서는 이식한 암세포의 크기 측정이 가능한 이식 8일째부터 종양 부피를 측정하였다. 의뢰자 및 ㈜켐온의 측정 결과를 비교하여 바이오센서 기능을 이용하여 제작한 초기 암 진단기기의 진단 적중률을 산출하였다.

피하이식한 모든 동물에서 암이 100% 발생하였고, 병리조직학적으로 암으로 확인되었다. 그리고 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기 암 진단기기를 이용한 적중률이95.9%이었으며 대조군(정상)에서는 단 한번도 암이 측정되지 않았다.

이상의 결과를 보면 바이오센서의 기능을 이용하여 제작한 초기 암 진단기기의 진단능력 측정시험에서 암세포 접종 후 초기 7일까지 총 190 회 측정 중 166 회가 적중하여 87.4 %의 적중률을 보였고, 전체적인 결과는 총 656 회 측정 중 629 회가 적중하여 95.9 %의 적중률을 나타내었다. 그리고 그 중 정상 쥐에서는 단 한번도 암이 측정되지 않았다.

도23은 인간으로부터 유래한 암세포를 이식한 누드마우스의 체중변화를 나타낸 것으로서, 암세포는 피하 이식법 사용하였고, 체중변화는 암이 이식됨과 동시에 측정하기 시작하였다. 도24는 암세포를 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 것으로서, 인간으로부터 유래한 암세포를 이식한지 8일 후부터 종양의 크기를 측정하기 시작하였다.

도25는 폐암(G2; A549)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 것으로서, 암세포를 이식한지 8일 후부터 종양의 크기를 측정하기 시작하였고, 암세포는 식염수에 1ⅹ10⁷cells/ml 농도로 희석하였으며, 투여량은 0.3 ml/mice로 하였다. 도표상의 오른쪽 번호는 실험 쥐들의 번호이다.

도26은 대장암(G3;HCT15)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 것으로서 암세포를 이식한지 8일 후부터 종양의 크기를 측정하기 시작하였고, 암세포는 식염수에 1ⅹ10⁷ cells/ml 농도로 희석하였으며, 투여량은 0.3 ml/mice로 하 였다. 도표상의 오른쪽 번호는 실험 쥐들의 번호이다.

도27은 흑색종(G4;LOX-IMVI)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 것으로서, 암세포를 이식한지 8일 후부터 종양의 크기를 측정하기 시작하였고, 암세포는 식염수에 1ⅹ10⁷ cells/ml 농도로 희석하였으며, 투여량은 0.3 ml/mice로 하였다. 도표상의 오른쪽 번호는 실험 쥐들의 번호이다.

도28은 유방암(G5;PC-3)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 것으로서, 암세포를 이식한지 8일 후부터 종양의 크기를 측정하기 시작하였고, 암세포는 식염수에 1ⅹ10⁷cells/ml 농도로 희석하였으며, 투여량은 0.3 ml/mice로 하였다. 도표상의 오른쪽 번호는 실험 쥐들의 번호이다.

도29는 전립선암(G6;MDA-MB-231)을 이식한 누드마우스의 종양 크기의 변화를 나타낸 것으로서, 암세포를 이식한지 8일 후부터 종양의 크기를 측정하기 시작하였고, 암세포는 식염수에 1ⅹ10⁷cells/ml 농도로 희석하였으며, 투여량은 0.3 ml/mice로 하였다. 도표상의 오른쪽 번호는 실험 쥐들의 번호이다.

도30은 실험21일째의 폐암(G2; A549)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 것으로서, 실험21일째에 부검하였다.

도31은 실험21일째의 대장암(G3; HCT15)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 것으로서, 실험21일째에 부검하였다.

도32는 실험21일째의 흑색종(G4; LOX-IMVI)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 것으로서, 실험21일째에 부검하였다.

도33은 실험21일째의 전립선암(G5; PC-3)이 이식된 누드마우스의 종양의 무게를 보인 것으로서, 실험21일째에 부검하였다.

도34는 실험21일째의 유방암(G6; MDA-MB-231)이 이식된 누드마우스의 종양 무게를 보인 것으로서, 실험21일째에 부검하였다.

도35 내지 도39는 조직병리학 검사에서 발견된 누드마우스에 이식된 인간으로부터 유래한 종류별 암을 나타낸 것으로서, 도35는 잘 분화된 암종인 폐암을 보여주고 있다.

도36은 확실한 유사분열과 괴저성의 암종인 대장암을 보여주고 있다.

도37은 괴저 형성, 미분화되고 다형태성을 띄는 암종인 흑색종을 보여주고 있다.

도38은 확실한 괴정성과 다형태성의 변이를 보이는 잘 분화되지 않은 암종인 전립선암을 보여주고 있다.

도39는 잘 분화되지 않고 매우 유사 분열된 고형체의 암종인 유방암을 보여주고 있다.

이상에서 설명한바 와 같이 본 발명은,

첫째, 단일 채널 또는 다 채널 바이오센서를 사용하여 생체의 활동 전위신호를 측정하고, 이 측정된 데이터를 이용하여 피검 대상자의 해당 측정 부위의 건강 상태, 특히 세포의 비정상적 증식을 특징으로 하는 세포증식성 질병의 하나인 암과 같은 질환의 유무를 신속하고 정확하게 진단할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 기존의 암 진단기는 피검 대상자가 진단하기 전에 준수해야 할 의무사항도 많으나 본 발명품은 진단하기 전 준수해야 할 금기사항이 없으며, 방사선 노출, 약물의 주입에 의한 구토 증상 등과 같은 부작용 우려를 가지는 것과는 달리 제약사항이나 부작용에 대한 우려 없이 비침습방법으로 10분~1시간 이내의 짧은 시간 내에 진단 가능하며, 저전력, 소형화 제작이 가능하므로 언제, 어디서나 신속하고 간단하게 희망자의 건강 상태를 진단, 실시간에 진단의 결과를 수치, 음향 또는 3차 영상으로 나타낼 수 있는 효과가 있다.

셋째, 각종 세포의 비정상적 증식을 특징으로 하는 세포증식성 질병의 하나인 암과 같은 질환 및 면역 결핍으로 인한 각종 질환을 조기에 발견할 수 있다. 또한 진단할 때마다 그 결과를 데이터베이스화할 수 있기 때문에 질병의 추이와 치료 결과를 수시로 재확인할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

인체를 포함한 생물체 내의 생체 전자기장을 받아 정전용량이 변화하는 적어도 단일 또는 다수개의 바이오센서를 구비한 센서 구동부(1)와;

상기 센서 구동부(1)를 통해 측정한 생체 활동 전위 신호를 아날로그 신호로 처리하기 위한 아날로그 회로부(2)와;

상기 아날로그 회로부(2)로부터 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고 이를 처리하기 위한 디지털 변환회로부(3)와;

시스템에 구동전원을 공급하고 배터리에 전원을 충전하기 위한 전원 회로부(4) 및 PC와의 통신을 위한 통신회로부, PC와의 무선통신을 위한 통신모듈(19)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 아날로그 회로부(2)는,

상기 센서 구동부(1)로부터의 채널 선택을 위한 다채널 멀티플렉서(22)와;

상기 센서 구동부(1)로부터 다채널 센서 중 특정 센서를 선택하여 측정을 하기위한 센서를 선택하는 센서 선택부(23)와;

센서 구동부(1)의 바이오센서 부위가 다채널일 경우 발생하는 오차, 전자 부품의 기본적인 제조 오차, 측정 위치의 환경적인 오차 등을 최소화하고 주파수 발 진 동조 회로(20)에서 발생되는 주파수를 정확하게 센서의 기준 주파수로 조절해 주는 주파수 조절부(24)와;

상기 센서 구동부(1) 내의 바이오센서의 진단 전 정상 상태일 때의 정전용량 요소를 기준으로 하여, 센서고유의 기준주파수의 주파수를 발생시키는 주파수 발생부(25)와;

상기 주파수 발생부(25)로부터 발생한 주파수 신호 레벨은 상기 디지털 변환회로부(3)에서 사용할 수 있는 레벨까지 증폭하는 주파수신호 증폭부(26)와;

상기 디지털 변환회로부(3)에서 측정 가능하도록 주파수를 분배하는 주파수 분배부(27)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 디지털 변환회로부(3)는,

측정 데이터 및 프로그램 데이터를 저장하는 플래시 메모리(12)와;

임시 메모리 장소로 활용되는 SDRAM(13)와;

주파수를 측정하고 각종 연산을 실행하는 CPU(11)와;

사용자로부터 명령을 입력 받는 스위치 회로, 입력 주파수에 따라 소리를 발생시키는 부저(16b)를 포함하는 PWM모듈(16)과;

측정한 데이터를 연산하여 GUI(Graphic User Interface)에 표시하는 LCD(15) 및 상기 LCD(15)의 밝기를 조절하는 LCD 인버터(14)를 포함하여 구성된 것을 특징 으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 전원회로부(4)는,

상용 전원에서 공급되는 전원을 직접 사용하지 않고, 어댑터(31)를 연결하더라도 전원은 배터리(34)로부터 공급되며,

상기 배터리(34)의 잔류용량과 충전용량 및 배터리 잔류용량을 확인하기 위해 배터리 충전 측정회로(32)에 의해 상기 배터리(34) 전압을 상기 CPU(11)로 피드백(Feed Back)하도록 구성된 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제2항에 있어서,

상기 주파수 신호 증폭부(26)는 상기 주파수 발생부(25)내의 RLC회로를 통해 출력된 주파수 신호레벨을 상기 디지털 변환회로부(3)에서 측정할 수 있는 신호레벨로 변환시켜주는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 바이오센서의 기본 정전용량(Capacitor) 범위는 0.5pF 내지 900pF 인 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제6항에 있어서,

상기 바이오센서의 정전용량의 변화에 의해 발진회로의 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 피검 대상자의 생체조직으로부터 바이오센서에 의해 감지되어 입력되는 생체 활동 전위 값에 따라 변화하는 정전용량 값이 피검 대상자의 질병 진단을 위한 주파수 또는 전압 값으로 변환되는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 피검 대상자의 건강상태는, 상기 바이오센서의 고유한 주파수인 기준 주파수와 바이오센서에 의해 감지된 측정 주파수와의 차이 값이 변위 주파수(Delta Frequency)의 변화량에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스 템.
제9항에 있어서,

상기 변위 주파수를 오실레이터(발진자)(10)를 통해 가해지는 CPU(11)클럭 및 VF(Voltage-Frequency)변환기를 이용하여 결정하고, 센서로부터 발진된 주파수를 측정하며, 상기 측정한 주파수를 기준 주파수와 비교하여 그 차이 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제9항에 있어서,

또한 상기 센서로부터 발진되는 주파수를 측정함에 있어 CPU(11) 내 또는 외부 A/D 변환기를 이용하여 센서에서 나온 주파수가 FV(Frequency-Voltage) 변환기를 통과하여 얻어진 전압값을 디지털값으로 변환하여 측정주파수를 기준 주파수와 비교하여 그 차이 값을 결정하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제9항에 있어서,

상기 기준 주파수는, 상기 바이오센서가 생체 활동전위에 노출되지 않았을 때 바이오센서에 의해 감지된 측정 주파수와의 비교를 위한 기준 주파수로서 바이오센서의 고유한 주파수와 동일한 주파수로 조절되는 것을 특징으로 하는 피검 대 상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제12항에 있어서,

상기 바이오센서의 고유한 주파수인 센서의 기준 주파수는 0.5Hz 에서 95MHz의 주파수 대역을 가지는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제13항에 있어서,

상기 기준 주파수는, 측정 환경에 민감한 바이오 센서의 특성을 고려하여 1차적으로 아날로그회로부에서 보정(Calibration)하고, 2차적으로는 디지털 변환회로부에 의해 조절 가능하도록 바이오센서의 고유한 주파수와 동일한 주파수로 조절되는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제14항에 있어서, 아날로그 방식에 의해 조절할 수 있는 기준 주파수는 5Khz에서 10Mhz인 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제14항에 있어서, 디지털 방식에 의해 조절할 수 있는 기준 주파수는 0.1hz 에서 1Mhz인 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제5항에 있어서,

상기 바이오센서로부터 입력된 생체활동 전위 값의 취득 속도를 디지털방식 에 의해 변화시키는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제9항에 있어서,

상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 3단계로 구분하고, 이를 녹색, 황색, 적색 색깔로 표시하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제9항에 있어서,

상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 3단계(녹색, 황색, 적색)로 구분하고, 피검 대상자가 암 일 경우에는 황색, 적색의 컬러가 불규칙적으로 측정기의 LCD 화면으로 표시되며 동시에 측정기로부터 측정된 데이터를 PC로 전송하여 모니터의 화면에 나타나는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제16항 또는 제17항에 있어서,

상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 3단계 또는 여러 단계로 구분하고, 이를 녹색, 황색, 적색 또는 그 외 여러 색깔로 표시하고 사용목적에 따라 녹색, 황색, 적색 또는 그 외 여러 색깔의 경계 값을 조정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제9항에 있어서,

상기 변위 주파수 값에 따라 피검 대상자의 건강상태를 다수의 다단계로 구분하고, 이를 서로 다른 주파수를 가지는 음성신호 또는 경고음으로 표시하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 질병 진단시스템에 무선 LAN, 무선 통신모듈, USB 포트 또는 RS-232C를 통해 PC가 접속하고, 상기 PC 프로그램은 질병 진단시스템에 의해 측정된 데이터를 3차원 그래픽, 다차원 그래픽 또는 입체 영상으로 표현하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.
제1항에 있어서,

상기 질병 진단시스템에 무선 LAN, 무선 통신모듈, USB 포트 또는 RS-232C를 통해 PC가 접속되고, 상기 PC는 질병 진단시스템에 의해 측정된 데이터를 저장하여 데이터베이스화하는 것을 특징으로 하는 피검 대상자로부터 방사되는 전자기장과 그의 변화량 분석에 의한 비침습적방법의 실시간 질병 진단시스템.