KR100518454B1 - Apparatus and method for measuring velocity field of blood or multiphase flow - Google Patents

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Abstract

미세 추적입자의 변위 정보를 이용한 유동 자체의 속도장과 유동에 포함된 적혈구, 백혈구, 기포 등의 구성성분 각각의 속도분포를 동시에 검출할 수 있도록 된 혈액 및 다상유동의 속도장 측정 장치 및 방법이 개시되어 있다.Apparatus and method for measuring velocity fields of blood and multiphase flows that can simultaneously detect the velocity field of the flow itself and the velocity distribution of each component such as red blood cells, white blood cells, and bubbles in the flow Is disclosed.

이 개시된 유동의 속도장 측정장치는 미세 채널이나 혈관 모형에 연속적으로 조명하여 그 채널 배경을 비추는 램프와; 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하는 레이저와; 램프 및 레이저에 의하여 조명된 미세 채널 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 빔스프리터와; 제1입자영상 중 소정 파장 이상의 영상만을 투과시키는 고대역 필터와; 고대역 필터를 투과한 영상을 촬상하는 제1카메라와; 제2입자영상 중 소정 파장 이하의 영상만을 투과시키는 저대역 필터와; 저대역 필터를 투과한 영상을 촬상하는 제2카메라;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The disclosed velocity field measuring device includes a lamp that illuminates a channel background by continuously illuminating a microchannel or a blood vessel model; A laser for irradiating a beam of a predetermined wavelength to the microchannels at least twice at predetermined time intervals; A beam splitter for dividing the particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser into the first and second particle images; A high band filter transmitting only an image of a predetermined wavelength or more in the first particle image; A first camera for capturing an image passing through the high pass filter; A low band filter transmitting only an image having a predetermined wavelength or less in the second particle image; And a second camera for capturing an image passing through the low pass filter.

또한, 개시된 유동의 속도장 측정방법은, 미세 채널이나 혈관 모형 등에 램프 및 레이저를 이용하여 공간 조명하는 단계와; 램프 및 레이저에 의하여 조명된 미세 채널 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 단계와; 분기된 제1입자영상으로부터 추적입자의 속도장을 추출하는 단계와; 분기된 제2입자영상으로부터 물체의 속도장을 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the disclosed velocity field measurement method includes the steps of spatial illumination using a lamp and a laser, such as a microchannel or blood vessel model; Dividing the particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser into first and second particle images; Extracting the velocity field of the tracking particle from the branched first particle image; Extracting the velocity field of the object from the branched second particle image.

Description

혈액 및 다상유동의 속도장 측정장치 및 방법{Apparatus and method for measuring velocity field of blood or multiphase flow}Apparatus and method for measuring velocity field of blood or multiphase flow}

본 발명은 채널 내부를 흐르는 혈류 유동이나 다상 유동 등의 속도장을 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세 추적입자의 변위 정보를 이용하여 구한 유동 자체의 속도장과 유동에 포함된 적혈구, 백혈구, 기포 등의 구성성분 각각의 속도장을 동시에 검출할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for measuring velocity fields of a flow, which are capable of measuring velocity fields such as blood flow or polyphase flow, which are more specifically obtained by using displacement information of fine tracking particles. The present invention relates to a velocity field measuring apparatus and a method for measuring velocity fields of constituents such as red blood cells, white blood cells, and bubbles contained in the flow at the same time.

일반적으로, 인체 내부에서 흐르는 혈액은 체온유지 및 병균 방어 등의 중요한 기능들을 수행한다. 이 혈액은 다양한 구성성분들과 혈장으로 이루어져 있으며, 역학적으로 고체와 액체의 성질을 동시에 지니는 유변학적 특성을 가지고 있다. 여기서, 혈액을 이루는 구성성분의 대부분은 적혈구로 이루어져 있다.In general, blood flowing inside the body performs important functions such as body temperature maintenance and germ protection. This blood is composed of various components and plasma, and has a rheological property that is dynamic and solid at the same time. Here, most of the components constituting the blood consists of red blood cells.

이와 같은 혈액의 특징과 중요성으로 인해, 혈류가 흐르는 통로의 역할을 하는 순환계에 관한 많은 연구들이 수행되어져 오고 있다.Due to the characteristics and importance of blood, many studies have been conducted on the circulatory system, which serves as a passage through which blood flows.

이 혈류 유동에 대한 연구는 동맥경화와 같은 상대적으로 큰 혈관 내부 유동에 관한 연구와, 관성력과 맥동성의 영향이 매우 적은 미세 혈관계 유동에 관한 연구로 크게 구분된다. 이와 같은 연구에 있어서, 혈관 내부의 혈류 유동을 제대로 모사하기 위해 마이크로 유체공학(microfluidics) 기술을 적용한 마이크로채널 내부 유동 해석기법이 활용되고 있다. 상기한 혈관 내부에서 뿐 만 아니라, 소량의 혈액을 가지고 질환을 진단하는 디엔에이 칩(DNA-chip)이나 랩온어칩(Lab-on-a-chip)등의 질환 진단용 칩에 사용되는 미세 채널 내에서도 혈류 유동이 발생된다.The study of blood flow is largely divided into studies of relatively large intravascular flows such as atherosclerosis, and studies of microvascular flow with very little inertia and pulsation effects. In this study, the microchannel internal flow analysis technique using microfluidics technology is used to properly simulate blood flow inside blood vessels. Not only inside the blood vessel, but also in the microchannels used in disease diagnosis chips such as DNA chips and lab-on-a-chips that diagnose diseases with a small amount of blood. Flow is generated.

한편, 상기한 혈류 유동의 속도장 측정에 있어서는 일반적인 미세 입자영상 유속계(Micro-PIV; Micro- Particle Image Velocimetry)의 이용을 고려해 볼 수 있다. On the other hand, in the measurement of the velocity field of the blood flow, it is possible to consider the use of a general micro-particle image velocity meter (Micro-PIV).

여기서, 미세 입자영상유속계를 이용한 유동장 측정방식은 추적입자에 레이저 빔을 조명하여 입자들로부터 산란된 입자영상을 이용하는 방식이다. 따라서, 적혈구 등과 같은 구성요소가 포함된 혈류 유동의 속도장을 정확히 측정하기 어렵고, 혈구 형상이나 분포 양상 등에 따라서 많은 오차가 존재하는 문제점이 있다. 특히, 적혈구나 백혈구는 도우넛 모양이나 원판 모양으로 점탄성(viscoelasticity) 특징을 가지고 있어 혈관 내에서 혈관 구조나 내피세포 등에 따라 다양한 형태로 변화하며, 주위 혈장(plasm)과는 다른 거동을 보이므로, 그 측정이 더욱 곤란하다.Here, the flow field measurement method using a fine particle image flowmeter is a method of using a particle image scattered from the particles by illuminating the laser beam on the tracking particle. Therefore, it is difficult to accurately measure the velocity field of blood flow including components such as red blood cells, and there are problems in that many errors exist depending on the shape and distribution of blood cells. In particular, erythrocytes and leukocytes have viscoelasticity in the form of donuts or discs and vary in various forms depending on the vascular structure or endothelial cells in the blood vessels, and show different behavior from surrounding plasma. Measurement is more difficult.

따라서, 상기한 종래의 미세 입자영상유속계를 이용하여, 혈류 유속과 더불어 적혈구 등의 혈구 거동을 동시에 정확하게 측정하는 것은 거의 불가능하다.Therefore, it is almost impossible to measure blood flow velocity and blood cell behavior such as erythrocytes at the same time accurately by using the conventional microparticle image flowmeter described above.

또한, 상기한 미세 채널 내의 유동의 속도장 측정에 있어서는 레이저 광으로 채널 내부 유동을 조명하고 이 조명에 의하여 산란된 입자 영상을 촬영하고, 이 촬영된 입자영상을 이용하여 속도장을 측정하는 산란광 방식이 이용되고 있다. In addition, in the measurement of the velocity field of the flow in the microchannel, the scattered light method of illuminating the flow in the channel with a laser beam, photographing particle images scattered by the illumination, and measuring the velocity field using the photographed particle image. Is used.

그러나, 탄성 고분자 필름인 폴리디메틸 실록세인(polydimethyl siloxane; PDMS) 재질로 된 미세 채널은 다양한 형상 변화가 가능한 장점이 있어서, 최근 들어 그 사용빈도가 급증하고 있다. 한편, 재질의 특성상 미세 채널의 벽면 및 경계부분에서 많은 난반사가 발생되므로 상기한 산란광 방식의 측정장치로는 그 속도장 측정에 어려움이 따르는 문제점이 있다.However, microchannels made of polydimethylsiloxane (PDMS), which is an elastic polymer film, have various advantages in that they can be changed in various shapes, and their frequency of use is rapidly increasing. On the other hand, due to the nature of the material, since a lot of diffuse reflection occurs on the wall surface and the boundary portion of the fine channel, there is a problem in that the measurement of the velocity field with the scattered light measuring device.

본 발명은 상기한 바와 같은 점들을 감안하여 안출된 것으로서, 상기한 PDMS 재질로 된 미세 채널에 대해서도 측정이 가능하도록 함과 아울러, 유동 자체의 속도장과 유동에 포함된 적혈구, 백혈구, 기포 등의 다상의 구성성분 각각의 속도장을 함께 검출할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정 장치 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-described points, it is possible to measure the microchannel made of the PDMS material as well as the velocity field of the flow itself and red blood cells, white blood cells, bubbles, etc. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for measuring the velocity field of a flow which enables the velocity field of each of the components of a multiphase to be detected together.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩(seeding) 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체 내에 위치되는 것으로 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정장치에 있어서, 상기 미세 채널에 연속적으로 조명하여 그 채널 배경을 비추는 램프와; 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하는 레이저와; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 빔스프리터와; 상기 제1입자영상 중 소정 파장 이상의 영상만을 투과시키는 고대역 필터와; 상기 고대역 필터를 투과한 영상을 촬상하는 제1카메라와; 상기 제2입자영상 중 소정 파장 이하의 영상만을 투과시키는 저대역 필터와; 상기 저대역 필터를 투과한 영상을 촬상하는 제2카메라;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a velocity field of a working fluid seeded with fine-sized trace particles flowing in a microchannel, and an object having a relatively large volume compared to the tracked particles as being located in the working fluid. An apparatus for measuring a velocity field of a flow, the apparatus for measuring a velocity field of a stream, the apparatus comprising: a lamp continuously illuminating the microchannel and illuminating the channel background; A laser for irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals; A beam splitter for dividing the particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser into first and second particle images; A high band filter transmitting only an image of a first wavelength or more in the first particle image; A first camera for capturing an image passing through the high pass filter; A low band filter transmitting only an image having a predetermined wavelength or less among the second particle images; And a second camera for capturing an image passing through the low band filter.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체 내에 위치되는 것으로 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정장치에 있어서, 상기 미세 채널에 연속적으로 조명하여 그 채널 배경을 비추는 램프와; 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하는 레이저와; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 확산시킴과 아울러 콘트라스트를 감소시키는 산광필터와; 상기 산광필터를 투과한 입자영상 중 적색, 녹색, 청색 파장 각각의 영상에 대해 감응하는 제1 내지 제3센서어레이를 구비하여, 칼라 입자영상을 분리하여 촬상하는 칼라 카메라;를 포함하여, 촬상된 세 개의 영상 중 선택된 두 개의 영상을 통하여 상기 추적입자 및 상기 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the above object is the velocity field of the working fluid seeded with the fine size of the tracer particles flowing in the microchannel, and located in the working fluid of the relatively bulky object compared to the tracer particles A velocity field measuring device for flow rate, which is capable of measuring velocity fields simultaneously, comprising: a lamp for illuminating the channel background by continuously illuminating the microchannels; A laser for irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals; A scattering filter for diffusing a particle image in the microchannel illuminated by the lamp and a laser and reducing contrast; Including the first to the third sensor array for each of the red, green, blue wavelength image of the particle image transmitted through the scattering filter, the color camera for separating and imaging the color particle image; including It is characterized in that it is possible to measure the velocity field of the tracking particle and the object at the same time through two selected images of three images.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체와 함께 흘러가는 물체의 속도분포를 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정방법에 있어서, 상기 미세 채널에 램프 및 레이저를 이용하여 공간 조명하는 단계와; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 단계와; 분기된 제1입자영상으로부터 상기 추적입자의 속도장을 추출하는 단계와; 분기된 제2입자영상으로부터 상기 물체의 속도장을 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the above object is a flow that is capable of simultaneously measuring the velocity field of the working fluid seeded with the tracer particles of the fine size flowing in the microchannel, and the velocity distribution of the object flowing with the working fluid A speed field measuring method comprising the steps of: spatially illuminating said microchannel with a lamp and a laser; Dividing the particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser into first and second particle images; Extracting the velocity field of the tracking particle from the branched first particle image; And extracting the velocity field of the object from the branched second particle image.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 미세 채널 내에 흐르는 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체와 함께 흘러가는 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정방법에 있어서, 상기 미세 채널에 램프 및 레이저를 이용하여 공간 조명하는 단계와; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 확산시키고 콘트라스트를 감소시켜, 배경 조명 및 상기 레이저 산란광에 의한 노이즈를 제거하는 단계와; 상기 노이즈가 제거된 입자영상 중 각각 소정 색상을 갖는 복수의 영상을 추출하는 단계와; 상기 추출된 복수의 영상 중 어느 한 영상으로부터 상기 추적입자들의 속도장을 추출하는 단계와; 상기 추출된 복수의 영상 중 다른 한 영상으로부터 상기 물체의 속도분포를 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention for achieving the above object is a velocity field of the flow to be able to simultaneously measure the velocity field of the working fluid seeded with the tracer particles flowing in the microchannel, and the object flowing with the working fluid A measuring method comprising: spatially illuminating said microchannel with a lamp and a laser; Diffusing a particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser and reducing contrast to remove noise caused by background illumination and the laser scattered light; Extracting a plurality of images each having a predetermined color from the particle images from which the noise is removed; Extracting velocity fields of the tracer particles from any one of the extracted plurality of images; And extracting a velocity distribution of the object from another image among the extracted plurality of images.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 유동의 속도장 측정 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail the apparatus and method for measuring the velocity field of the flow in accordance with preferred embodiments of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동장 측정장치의 광학적 배치를 보인 개략적인 도면이다.1 is a schematic view showing an optical arrangement of the flow field measuring device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 유동장 측정장치는 미세 채널(15) 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩(seeding) 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체 내에 위치되는 것으로 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 것이다. 여기서, 미세 채널(15) 내에 흐르는 유동의 예로는 혈액을 들 수 있다. 이 경우 작동유체의 예로는 혈장을 포함한 액체를 들 수 있고, 물체의 예로는 적혈구, 백혈구 등의 혈구를 들 수 있다. 디엔에이 칩이나 랩온어칩의 경우, 상기 액체는 이온이 제거된 물(de-ionized water)과 혈액을 대략 10% 이하로 희석한 것이 사용되기도 한다.Flow field measuring apparatus according to an embodiment of the present invention is a relative velocity field compared to the trace particles to be located in the working fluid and the velocity field of the working fluid seeded (seeding) of the micro-size trace particles flowing in the fine channel (15) The velocity field of bulky objects can be measured simultaneously. Here, an example of the flow flowing in the microchannel 15 may be blood. In this case, an example of the working fluid may include a liquid including plasma, and an example of the object may include blood cells such as red blood cells and white blood cells. In the case of DNA chips or lab-on-a-chips, the liquid may be one obtained by diluting de-ionized water and blood by approximately 10% or less.

상기 추적입자는 상기 작동유체를 상기 혈구와 구별하기 위하여 상기 혈장 속에 시딩된 것으로, 그 크기를 상기 혈구 크기보다 매우 작은 수백 나노미터 크기의 형광(fluorescence polymer)입자로 구성된다.The tracer particles are seeded in the plasma to distinguish the working fluid from the blood cells, and are composed of hundreds of nanometer-sized fluorescence polymer particles that are much smaller than the blood cell size.

또한, 상기 적혈구 내의 혈색소의 흡광 특성을 이용하여 상기 적혈구의 속도장을 측정하기 위하여, 상기 혈액이 혼합된 액체에 열장용액(hypotonic solution)을 넣어 적혈구를 용해시켜 혈색소 용액을 만든다.In addition, in order to measure the velocity field of the red blood cells by using the absorbance characteristics of the hemoglobin in the red blood cells, a hemoglobin solution is prepared by dissolving a red blood cell by adding a hypotonic solution to the liquid mixed with blood.

이어서, 사이안메테모글로빈(Cyanmethemoglobin ; 이하, HiCN법 이라한다)법으로 전처리를 하여야 한다. 상기 HiCN법은 파장대역 540nm에서 넓고 상대적으로 평편한 흡광 영역을 가지므로, 좁은 흡광영역의 비색계나 여과광도계 또는 넓은 파장 영역을 읽는 색도계에서 측정할 수 있는 장점을 가진다. 이 HiCN 법 자체는 혈색소 측정 분야에서는 널리 알려져 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다.Subsequently, pretreatment should be carried out by the cyanmethemoglobin (hereinafter referred to as HiCN method). Since the HiCN method has a wide and relatively flat absorption region in the wavelength range of 540 nm, the HiCN method has the advantage of being able to be measured in a colorimeter of a narrow absorption region, a filtration photometer, or a colorimeter reading a wide wavelength region. Since the HiCN method itself is widely known in the field of hemoglobin measurement, its detailed description is omitted.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 속도장 측정장치는 상기 미세 채널(15)에 대해 공간 조명을 위한 광원(10)과, 공간 조명된 상기 미세 채널(15) 내부의 입자 영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 빔스프리터(17)와, 입사된 제1 및 제2입자영상을 파장에 따라 필터링하는 고대역 필터(21) 및 저대역 필터(23)와, 입사된 영상을 촬상하는 제1 및 제2카메라(25)(27)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the velocity field measuring apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention may include a light source 10 for spatial illumination of the microchannel 15, and a particle image inside the spatially illuminated microchannel 15. A beam splitter 17 for dividing the beam into first and second particle images, a high band filter 21 and a low band filter 23 for filtering the incident first and second particle images according to wavelengths, and And first and second cameras 25 and 27 for capturing an image.

여기서, 제1 및 제2카메라는 CCD(charge coupled device) 카메라, CMOS(complementary-metal-oxide-semiconductor) 카메라 또는 고속(high-speed) 카메라로 이루어진다.Here, the first and second cameras include a charge coupled device (CCD) camera, a complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) camera, or a high-speed camera.

상기 광원(10)은 상기 미세 채널(15)에 그 채널 배경을 비추는 램프(13)와, 소정의 짧은 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널(15)에 소정 파장의 빔을 조사하는 레이저(11)를 포함한다. 여기서 미세 채널(15) 대신 혈관 모형의 튜브에 대한 측정도 가능하다. The light source 10 is a lamp 13 for illuminating the channel background on the microchannel 15 and a laser for irradiating a beam of a predetermined wavelength onto the microchannel 15 at least twice at predetermined short time intervals. And (11). In this case, instead of the microchannel 15, the measurement of the tube of the blood vessel model is possible.

상기 램프(13)는 연속적으로 조명하기 위한 것으로, 제논 램프 또는 할로겐 램프로 구성된다. 이 램프(13)는 백색광을 발광 조사하는 것으로, 아크 방전에 의하여 발광되는 발광부와 이 발광된 광을 소정 방향으로 모아주는 반사경으로 구성되는 것으로, 그 구성 자체는 널리 알려져 있으므로 그 자세한 설명은 생략한다.The lamp 13 is for continuous illumination and is composed of a xenon lamp or a halogen lamp. The lamp 13 emits white light and emits light. The lamp 13 is composed of a light emitting part that emits light by an arc discharge and a reflector that collects the light emitted in a predetermined direction. do.

상기 레이저(11)는 엔디야그(Nd:YAG) 레이저로 된 것이 바람직하다. 이 Nd:YAG 레이저는 532 nm 파장의 빔을 조사하는 것으로, 상기 추적입자의 여기(excitation)를 위하여 펄스 형태로 유동의 속도에 맞추어서 짧은 시간 간격(△t)으로 2회 조사한다. 한편, 상기 레이저(11)는 상기한 Nd:YAG 레이저에서 조사되는 파장 이외의 다른 파장의 레이저 빔을 조사하는 펄스형 레이저로 구성되는 것도 가능하다.The laser 11 is preferably made of an Nd: YAG laser. The Nd: YAG laser irradiates a beam of 532 nm wavelength, and irradiates twice at short time intervals Δt at the speed of flow in pulse form for excitation of the tracer. On the other hand, the laser 11 may be configured as a pulsed laser for irradiating a laser beam of a wavelength other than the wavelength irradiated by the Nd: YAG laser.

또한, 상기 레이저(11)는 제1 및 제2카메라(25)(27)의 광축에 대해 경사지게 배치되어 있다. 이는 레이저 빔이 직접 상기 제1 및 제2카메라(25)(27)에 들어감에 따라 야기되는 상기 제1 및 제2카메라(25)(27) 내부의 촬상소자가 손상되는 것을 방지하기 위함이다. In addition, the laser 11 is disposed to be inclined with respect to the optical axes of the first and second cameras 25 and 27. This is to prevent damage to the image pickup device inside the first and second cameras 25 and 27 caused by the laser beam directly entering the first and second cameras 25 and 27.

상기 램프(13)와 레이저(11)에 의해 조명되어진 미세 채널(15) 내부의 유동장은 상기 빔스프리터(17)를 통하여 동일한 두 개의 제1 및 제2입자영상으로 분기된다. 한편, 상기 제1입자영상은 상기 레이저(11)를 2회 조사함에 의하여 도 2a에 도시된 바와 같이, 두 장의 프레임(F11)(F12)을 구성한다.The flow field inside the microchannel 15 illuminated by the lamp 13 and the laser 11 is split into two identical first and second particle images through the beam splitter 17. Meanwhile, the first particle image is composed of two frames F 11 and F 12 as shown in FIG. 2A by irradiating the laser 11 twice.

상기 고대역 필터(21)는 상기 빔스프리터(17)와 상기 제1카메라(25) 사이의 광로 상에 배치되는 것으로, 상기 빔스프리터(17)에서 분기되어 입사하는 제1입자영상을 필터링하여 소정 파장 이상의 빔 예컨대 570 nm 이상의 제1입자영상 만을 투과시킨다. 이 투과된 제1입자영상이 상기 제1카메라(25)에 맺히게 된다.The high band filter 21 is disposed on an optical path between the beam splitter 17 and the first camera 25, and filters the first particle image branched from the beam splitter 17 to be incident. Only the first particle image of more than 570 nm or more wavelengths is transmitted. The transmitted first particle image is formed on the first camera 25.

한편, 상기 저대역 필터(23)는 상기 빔스프리터(17)와 상기 제2카메라(27) 사이의 광로 상에 배치되는 것으로, 상기 빔스프리터(17)에서 분기된 제2입자영상을 필터링하여 파장에 따라 선택적으로 투과시킨다. 즉, 상기 저대역 필터(23)는 소정 파장 이하의 빔 예컨대 460 nm 이하의 제2입자영상 만을 투과시킨다. 이 투과된 제2입자영상이 상기 제2카메라(27)에 맺히게 된다. 여기서, 사용하는 광원(10)과 혈구의 종류에 따라서 상기 고대역 및 저대역 필터(21)(23)의 파장을 달리 할 수 있다. 또한, 상기 고대역 및 저대역 필터(21)(23)의 위치와, 상기 제1 및 제2카메라(25)(27)의 위치를 서로 바꾸어 배치하는 것도 가능하다.The low band filter 23 is disposed on an optical path between the beam splitter 17 and the second camera 27, and filters the wavelength of the second particle image branched from the beam splitter 17. Permeate selectively according to. That is, the low band filter 23 transmits only a beam having a predetermined wavelength or less, for example, a second particle image having 460 nm or less. The transmitted second particle image is formed on the second camera 27. Here, the wavelengths of the high band and low band filters 21 and 23 can be varied according to the type of light source 10 and blood cells used. In addition, the positions of the high band and low band filters 21 and 23 and the positions of the first and second cameras 25 and 27 may be interchanged.

상기 제1카메라(25)에서 취득된 제1입자영상은 작동유체 속에 시딩된 미세크기의 추적입자에 대한 영상이다. 즉, 이 추적입자는 Nd:YAG 레이저(11)의 파장인 532nm에서 여기되고, 570 내지 620nm 파장에서 형광을 방출한다. 따라서, 상기 레이저(11)에서 조사된 광 중 산란광은 상기 고대역 필터(21)에서 모두 제거되고, 상기 추적입자의 형광 입자영상만이 상기 제1카메라(25)에 잡히게 된다.The first particle image acquired by the first camera 25 is an image of a trace size trace particle seeded in a working fluid. That is, the tracer is excited at 532 nm, which is the wavelength of the Nd: YAG laser 11, and emits fluorescence at the wavelength of 570 to 620 nm. Therefore, all of the scattered light emitted from the laser 11 is removed by the high pass filter 21, and only the fluorescent particle image of the tracking particle is captured by the first camera 25.

상기한 바와 같이, 레이저를 짧은 시간 간격으로 2회 조사함으로써 두 장을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 두 장의 입자영상으로부터 상호상관방식(two-frame cross-correlation)의 2-프레임 입자영상 유속계(PIV, particle image velocimetry)나 입자추적 속도계(PTV, particle tracking velocimetry)를 사용하여 도 2b에 도시된 바와 같이, 전체 유동의 속도장(V1)을 구할 수 있다.As described above, two sheets are obtained by irradiating the laser twice at short time intervals. The two-frame cross-correlation two-frame particle image velocimetry (PIV) or particle tracking velocimetry (PTV) is shown in FIG. As can be seen, the velocity field V 1 of the total flow can be obtained.

여기서, 적혈구, 백혈구 등의 혈구는 레이저 빔에 전혀 산란이 되지 않으므로 형광입자 유동영상에는 그 영상이 잡히지 않는다. Here, blood cells such as red blood cells and white blood cells are not scattered at all by the laser beam, so the image is not captured in the fluorescent particle flow image.

한편, 수 마이크로미터 크기의 적혈구 내에는 추적입자가 위치할 수 없으며, 제1카메라(25)로 취득한 제1입자영상에 의한 속도장 추출시 적혈구 위치에서는 속도를 구할 수 없고, 만약에 이 위치에 주위 유동의 정보를 이용하여 보간하게 되면 실제 속도와 다소 차이가 발생하기도 한다. 그리고, 혈구 속도가 혈장 속도와 다른 거동을 보이기 때문에 혈구의 형상 변화와 유속 변화를 측정하는 것은 매우 중요하다.On the other hand, the tracer particles cannot be located in the red blood cells of several micrometers in size, and the velocity cannot be obtained at the red blood cell position when the velocity field is extracted by the first particle image acquired by the first camera 25. Interpolation using the information of the surrounding flow may cause a slight difference from the actual speed. In addition, it is very important to measure the shape change and the flow rate change of the blood cells because the blood cell speed shows a different behavior from the plasma speed.

따라서 제2카메라(27)를 사용하여 적혈구나 백혈구 같은 혈구의 속도장 변화를 동시에 측정하고자 한다.Therefore, the second camera 27 is to measure the change in the velocity field of the blood cells, such as red blood cells and white blood cells at the same time.

상기 제2카메라(27)로 취득하는 영상은 상기 램프(13)와, 레이저(11)로 입자 뿐만 아니라 전체 유동장 배경까지 조명된 유동 영상으로서, 상기 저대역 필터(23)를 통하여 필터링된 것이므로, 전체적으로 푸른색 계열의 영상이 된다. The image acquired by the second camera 27 is a flow image illuminated by the lamp 13 and the laser 11 to the entire flow field background as well as the particles, and is filtered through the low band filter 23. It becomes a blue image as a whole.

한편, 일반적인 CCD 카메라는 도 3a에 두 프레임(F21)(F22)으로 나타낸 바와 같이, 상기한 유동장 정보를 명암정보 또는 그레이 스케일(gray-scale)로 저장하게 된다. 특히 적혈구는 460nm 이하의 짧은 파장대에서 흡광 특성을 가지는 바, 상대적으로 더욱 어둡게 나타나게 된다. 상기 제2카메라(27)를 통하여 취득한 제2입자영상으로부터 속도장을 추출하기 위해서는 도 3b에 도시된 바와 같이, 제2카메라(27)에 내장된 역대비(inverse contrast) 기능을 이용하여 영상의 흑백 모드를 반대로 전환시키고, 그레이 스케일의 경계값(gray-level threshold)을 조절하여 혈구 영상을 제외한 다른 추적 입자와 바탕 배경을 제거시킨다.Meanwhile, the general CCD camera stores the flow field information as contrast information or gray-scale as shown in two frames F 21 and F 22 in FIG. 3A. In particular, red blood cells have a light absorption characteristic in a short wavelength range of 460 nm or less, so that they appear relatively darker. To extract the velocity field from the second particle image acquired through the second camera 27, as shown in FIG. The black-and-white mode is reversed and the gray-level threshold is adjusted to remove background traces and other trace particles except blood cell images.

이와 같이 최종적으로 얻어진 영상에는 혈구들에 대한 정보만 담고 있으며, 이들 유동 영상에 대해 2-프레임 입자추적속도계(PTV, particle tracking velocimetry) 기법을 사용하여 도 3c에 도시된 바와 같이 속도 벡터들(V2)을 구할 수 있다.The finally obtained image contains only information about blood cells, and velocity vectors (V) as shown in FIG. 3C using a two-frame particle tracking velocimetry (PTV) technique for these flow images. 2 )

따라서, 제1카메라(25)를 통하여 작동유체 예컨대 혈장의 속도장을 구함과 동시에, 제2카메라(27)를 통하여 미세 채널(15) 내에 들어 있는 부피가 큰 물체 예컨대 혈구의 속도장을 구할 수 있다. 상기한 바와 같이 얻어진 두 속도장 결과를 중첩하게 되면 연구하고자 하는 혈류유동의 유동특성을 보다 정확히 해석할 수 있다.Therefore, the velocity field of the working fluid such as plasma can be obtained through the first camera 25 and the velocity field of the bulky object such as blood cells contained in the microchannel 15 can be obtained through the second camera 27. have. By superimposing the two velocity field results obtained as described above, the flow characteristics of the blood flow can be analyzed more accurately.

이하, 도 1 및 도 4를 참조하면서 상기한 바와 같은 구성을 가지는 유동의 속도장 측정장치를 이용한 유동의 속도장 측정방법의 일 실시예을 살펴보기로 한다.Hereinafter, an embodiment of a method of measuring a velocity field of a flow using the velocity field measuring device having a configuration as described above with reference to FIGS. 1 and 4 will be described.

우선, 상기 미세 채널(15)에 램프(13) 및 레이저(11)를 이용하여 공간 조명한다(S10). 그리고, 상기 램프(13) 및 레이저(11)에 의하여 조명된 상기 미세 채널(15) 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시킨다(S20).First, the microchannel 15 is spatially illuminated using a lamp 13 and a laser 11 (S10). In addition, the particle image of the inside of the microchannel 15 illuminated by the lamp 13 and the laser 11 is branched into first and second particle images (S20).

분기된 제1입자영상으로부터 상기 추적입자의 속도장을 추출한다. 이 추적입자의 속도장 추출단계를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 우선, 상기 레이저(11)를 통하여 소정의 짧은 시간 간격으로 2회에 걸쳐 상기 미세 채널(15)에 소정 파장의 빔을 조사하고, 두 장의 입자영상을 취득한다(S30). 이어서, 상기 제1입자영상 중 고대역 필터링을 통하여 상기 추적입자에 대한 영상을 추출한다(S40). 이 추출된 추적입자의 영상을 촬상하고, 이 촬상된 영상으로부터 상호상관방식의 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 속도장을 추출한다(S50).The velocity field of the tracking particle is extracted from the branched first particle image. The velocity field extraction step of the tracer is described in detail as follows. First, a beam of a predetermined wavelength is irradiated to the microchannel 15 twice at a predetermined short time interval through the laser 11, and two particle images are acquired (S30). Subsequently, an image of the tracking particle is extracted through high-band filtering among the first particle images (S40). An image of the extracted tracking particle is picked up, and a velocity field is extracted from the picked-up image by a two-frame particle tracking speedometer method of a cross-correlation method (S50).

그리고, 분기된 제2입자영상으로부터 상기 물체의 속도장을 추출한다. 이 물체의 속도장 추출단계를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 우선 상기 미세 채널(15)에 그 채널 배경을 비추는 상기 램프(13)를 통하여 연속적으로 조명하고, 상기 레이저(11)를 통하여 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널(15)에 소정 파장의 빔을 조사하여, 두 장의 물체 영상을 취득한다(S60). 이어서, 저대역 필터링을 통하여 상기 제2입자영상 중 소정 파장 이하의 영상만을 추출한다(S70). 이후, 상기 저대역 필터링된 영상을 촬상하고, 이 촬상된 영상으로부터 상기 추적입자 및 배경이 제거된 물체만의 영상을 추출한다. 그리고, 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 상기 물체의 속도장을 추출한다(S110).Then, the velocity field of the object is extracted from the branched second particle image. Specifically, the velocity field extraction step of this object is as follows. Firstly, the microchannel 15 is continuously illuminated through the lamp 13 that illuminates the channel background, and the laser 11 provides a predetermined wavelength to the microchannel 15 at least twice at predetermined time intervals. The two beams of the object image is acquired (S60). Subsequently, only an image having a predetermined wavelength or less is extracted from the second particle image through low band filtering (S70). Thereafter, the low-band filtered image is captured, and an image of only the object from which the tracking particles and the background are removed is extracted from the captured image. Then, the velocity field of the object is extracted in a two-frame particle tracking speedometer method (S110).

여기서, 상기 추적입자 및 배경이 제거된 물체만의 영상을 추출하는 단계를 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 저대역 필터링 된 영상으로부터 흑백영상을 추출하는 단계(S80)와, 이 흑백 영상을 반대로 전환하는 단계(S90) 및 이 전환된 영상의 그레이 스케일 경계값을 조절하여 상기 추적입자 및 배경을 제거하는 단계(S100)를 포함한다.Here, the step of extracting an image of only the object from which the tracking particle and the background has been removed will be described in detail. The step of extracting the black and white image from the low-band filtered image (S80) and the step of inverting the black and white image are reversed. (S90) and removing the tracking particles and the background by adjusting the gray scale threshold of the converted image (S100).

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 속도장 측정장치는 상기 미세 채널(15)에 대해 공간 조명을 위한 광원(30)과, 상기 미세 채널(15) 내부의 입자영상을 확산시킴과 아울러 콘트라스트를 감소시키는 산광필터(35)와, 칼라 입자영상을 분리하여 촬상하는 칼라 카메라(40)를 포함하여 구성된다. 여기서, 칼라 카메라(40)는 칼라 CCD 카메라로 이루어진 것이 바람직하다.Referring to FIG. 5, a velocity field measuring apparatus according to another embodiment of the present invention diffuses a light source 30 for spatial illumination with respect to the microchannel 15 and a particle image inside the microchannel 15. In addition, a light scattering filter 35 for reducing contrast and a color camera 40 for separating and capturing a color particle image are configured. Here, it is preferable that the color camera 40 consists of a color CCD camera.

상기 광원(30)은 램프(33)와 레이저(31)를 포함하는 것으로, 그 구성 및 작용은 도 1을 참조하여 설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 광원과 실질적으로 동일하므로 그 자세한 설명은 생략한다.The light source 30 includes a lamp 33 and a laser 31, the configuration and operation of which are substantially the same as the light source according to an embodiment of the present invention described with reference to FIG. Omit.

상기 산광필터(35)는 혈류 영상 내의 빛을 확산시키고 콘트라스트를 감소시켜서 배경 조명과 레이저 산란광에 의한 노이즈 이미지 효과를 감소시킨다.The diffuse filter 35 diffuses the light in the bloodstream image and reduces the contrast to reduce the noise image effect caused by the backlight and the laser scattered light.

상기 칼라 카메라(40)는 상기 산광필터(35)를 투과한 입자영상 중 적색, 녹색, 청색 파장 각각의 영상에 대해 감응하는 제1 내지 제3센서어레이(미도시)를 구비한다. 따라서, 상기 산광필터(35)를 투과한 입자영상들 중에서 상기 제1 내지 제3센서어레이를 통하여 칼라 입자영상을 분리하여 미세 채널(15) 내의 유동을 촬상한다.The color camera 40 includes first to third sensor arrays (not shown) that respond to images of red, green, and blue wavelengths among the particle images transmitted through the diffuse filter 35. Therefore, color particle images are separated from the particle images passing through the diffuse filter 35 through the first to third sensor arrays to capture the flow in the microchannel 15.

여기서, 상기 칼라 카메라(40)를 통하여 촬상된 세 개의 영상 중 선택된 두 개의 영상 예컨대, 적색(R)-채널 영상과, 청색(B)-채널 영상을 통하여 상기 추적입자 및 혈구 등의 물체의 속도장 각각을 측정한다.Here, the velocity of the object such as the tracer particles and blood cells through two images selected from the three images captured by the color camera 40, for example, a red (R) -channel image and a blue (B) -channel image. Measure each chapter.

즉, 적색-채널 영상으로는 작동 유체 내에 시딩된 추적입자의 형광영상을 구하고, 청색-채널 영상으로는 적혈구 등의 혈구와 배경영상을 취득하여 속도장을 구한다.That is, a red-channel image obtains a fluorescence image of a tracer seed seeded in a working fluid, and a blue-channel image obtains a blood field such as red blood cells and a background image to obtain a velocity field.

이하, 도 5 및 도 6를 참조하면서 상기한 바와 같은 구성을 가지는 유동의 속도장 측정장치를 이용한 유동의 속도장 측정방법의 다른 실시예을 살펴보기로 한다.Hereinafter, another embodiment of the velocity field measuring method of the flow using the velocity field measuring apparatus having the configuration as described above with reference to FIGS. 5 and 6 will be described.

우선, 상기 미세 채널(15)에 램프(33) 및 레이저(31)를 이용하여 공간 조명한다(S200). 그리고, 상기 램프(33) 및 레이저(31)에 의하여 조명된 상기 미세 채널(15) 내부의 입자영상을 확산시키고 콘트라스트를 감소시켜, 배경 조명 및 상기 레이저 산란광에 의한 노이즈를 제거한다(S210).First, the microchannel 15 is spatially illuminated using a lamp 33 and a laser 31 (S200). In addition, the particle image inside the microchannel 15 illuminated by the lamp 33 and the laser 31 is diffused and contrast is reduced to remove noise caused by background illumination and the laser scattered light (S210).

이어서, 상기 노이즈가 제거된 입자영상 중 각각 소정 색상을 갖는 복수의 영상을 추출한다(S220). 이후, 상기 추출된 복수의 영상 중 어느 한 영상으로부터 상기 추적입자의 속도장을 추출하고(S230), 상기 추출된 복수의 영상 중 다른 한 영상으로부터 상기 물체의 속도장을 추출한다(S240).Subsequently, a plurality of images having a predetermined color are extracted from the particle images from which the noise is removed (S220). Thereafter, the velocity field of the tracking particle is extracted from one of the extracted plurality of images (S230), and the velocity field of the object is extracted from another image of the extracted plurality of images (S240).

상기 추적입자의 속도장을 추출하는 단계(S230)를 보다 자세히 살펴보면, 상기 레이저(31)를 통하여 소정의 짧은 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하여, 두 장의 소정 색상의 입자영상을 취득하는 단계와, 상기 취득된 소정 색상의 영상으로부터 상호상관방식의 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 속도장을 추출하는 단계를 포함한다.Looking at the step of extracting the velocity field of the tracer (S230) in more detail, by irradiating a beam of a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at a predetermined short time interval through the laser 31, Acquiring a particle image of a predetermined color and extracting a velocity field from the acquired image of the predetermined color using a two-frame particle tracking speedometer method of a cross-correlation method.

상기 물체의 속도장을 추출하는 단계(S240)를 보다 자세히 살펴보면, 상기 미세 채널(15)에 그 채널 배경을 비추는 상기 램프(33)를 통하여 연속적으로 조명하고, 상기 레이저를 통하여 소정의 짧은 시간 간격으로 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하여 두 장의 소정 색상의 영상을 취득하는 단계와, 상기 취득된 소정 색상의 영상으로부터 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 속도장을 추출하는 단계를 포함한다.Looking at the step of extracting the velocity field of the object (S240) in more detail, the microchannel 15 is continuously illuminated through the lamp 33 that illuminates the channel background, and through the laser a predetermined short time interval Irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel twice to acquire two images of a predetermined color, and extracting a velocity field from the acquired image of a predetermined color by a 2-frame particle tracking speedometer method. It includes.

상기한 바와 같이, 구성된 유동의 속도장 측정장치 및 방법은 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체와 함께 움직이는 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 혈구나 기포 등의 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있다. 그러므로, 점탄성 특성과 유변학적 특성을 가진 적혈구가 포함된 혈액과 같은 작동유체가 미세 채널 내부를 흘러갈 때 그 유동 특성을 보다 정확히 측정할 수 있다.As described above, the apparatus and method for measuring the velocity field of the constructed flow is relatively bulky compared to the velocity field of the working fluid seeded with the fine-sized tracer particles flowing in the microchannel, and the tracer particles moving with the working fluid. The velocity field of an object such as blood or bubble can be measured simultaneously. Therefore, when the working fluid, such as blood containing red blood cells having viscoelastic and rheological properties, flows inside the microchannels, the flow characteristics can be more accurately measured.

따라서, 동맥경화, 임파관련 순환기 질환이나 허파와 같은 호흡기 질환과 관련한 연구에 활용할 수 있고, DNA 칩이나 랩온어칩과 같은 바이오 멤스(Bio-MEMS) 장치들의 미소채널 내부 유동장 해석에도 활용할 수 있다. 이 외에 두 개 이상의 상을 가진 다상(multi-phase) 유동해석에도 활용할 수 있다.Therefore, it can be used for studies related to atherosclerosis, lymph-related circulatory diseases or respiratory diseases such as lungs, and can be used for microchannel internal flow field analysis of Bio-MEMS devices such as DNA chips and lab-on-a-chip. In addition, it can be used for multi-phase flow analysis with two or more phases.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동의 속도장 측정장치를 보인 개략적인 도면.1 is a schematic view showing a device for measuring the velocity field of the flow according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 도 1의 제1카메라에 맺힌 첫 번째 및 두 번째 프레임의 제1입자영상을 보인 도면.FIG. 2A is a view illustrating first particle images of first and second frames formed on the first camera of FIG. 1; FIG.

도 2b는 도 2a의 입자영상으로부터 추출한 유동의 속도장을 보인 도면.FIG. 2b shows the velocity field of the flow extracted from the particle image of FIG. 2a. FIG.

도 3a는 도 1의 제2카메라에 맺힌 첫 번째 및 두 번째 프레임의 제2입자영상을 보인 도면.3A is a view illustrating second particle images of first and second frames formed on the second camera of FIG. 1;

도 3b는 도 3a의 제2입자영상으로부터 역대비를 통한 그레이 스케일(gray scale) 경계값을 보인 도면.FIG. 3B illustrates a gray scale boundary value through reverse contrast from the second particle image of FIG. 3A. FIG.

도 3c는 도 3b의 입자영상으로부터 얻은 혈구의 속도벡터를 보인 도면.Figure 3c is a view showing the velocity vector of the blood cells obtained from the particle image of Figure 3b.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동의 속도장 측정방법을 설명하기 위하여 나타낸 순서도.Figure 4 is a flow chart shown to explain the method for measuring the velocity field of the flow according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동의 속도장 측정장치를 보인 도면.5 is a view showing a velocity field measuring device of the flow according to another embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동의 속도장 측정방법을 설명하기 위하여 나타낸 순서도.6 is a flowchart illustrating a method for measuring a velocity field of a flow according to another embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10, 30...광원 11, 31...레이저10, 30 ... light source 11, 31 ... laser

13, 33...램프 15...미세 채널13, 33 ... lamp 15 ... fine channel

17...빔스프리터 21...고대역 필터17 ... beam splitter 21 ... high pass filter

23...저대역 필터 25...제1카메라23 Low-pass filter 25 First camera

27...제2카메라 35...산광필터27 ... Second Camera 35 ... Diffusion Filter

40...칼라 카메라40 ... color camera

Claims (13)

미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체 내에 위치되는 것으로 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정장치에 있어서,The velocity field of the working fluid seeded with micro-sized tracer particles flowing in the microchannel and the velocity field of the bulky object, which is located in the working fluid, can be measured simultaneously. In the field measuring device, 상기 미세 채널에 연속적으로 조명하여 그 채널 배경을 비추는 램프와;A lamp continuously illuminating the microchannels to illuminate the channel background; 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하는 레이저와;A laser for irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 빔스프리터와;A beam splitter for dividing the particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser into first and second particle images; 상기 제1입자영상 중 제1파장 이상의 영상만을 투과시키는 고대역 필터와;A high band filter transmitting only an image of a first wavelength or more in the first particle image; 상기 고대역 필터를 투과한 영상을 촬상하는 제1카메라와;A first camera for capturing an image passing through the high pass filter; 상기 제2입자영상 중 제2파장 이하의 영상만을 투과시키는 저대역 필터와;A low band filter transmitting only an image having a second wavelength or less in the second particle image; 상기 저대역 필터를 투과한 영상을 촬상하는 제2카메라;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정장치.And a second camera for capturing the image passing through the low pass filter. 제1항에 있어서, 상기 고대역 필터는,The method of claim 1, wherein the high pass filter, 입사된 제1입자영상 중 570nm 이상의 파장영역의 입자영상 만을 투과시켜, 상기 제1카메라를 통하여 상기 추적입자의 입자영상을 촬상 할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정장치.A device for measuring the velocity field of a flow, wherein only a particle image having a wavelength range of 570 nm or more is transmitted from the incident first particle image, so that the particle image of the tracking particle can be captured by the first camera. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 저대역 필터는,The method of claim 1 or 2, wherein the low pass filter, 입사된 제2입자영상 중 460 nm 이하의 파장영역의 입사영상 만을 투과시켜, 상기 제2카메라를 통하여 상기 상대적으로 부피가 큰 물체의 입자영상을 촬상 할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정장치.The velocity field of the flow, characterized in that by passing only the incident image of the wavelength region of 460 nm or less of the incident second particle image, the image of the relatively large object is imaged through the second camera. Measuring device. 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체내에 위치되는 것으로, 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정장치에 있어서,The microscopic tracer particles flowing in the microchannels are located in the seeded working fluid and the velocity field of the fluid, which is located in the working fluid so that the velocity field of a relatively bulky object can be simultaneously measured compared to the tracer particles. In the velocity field measuring device, 상기 미세 채널에 연속적으로 조명하여 그 채널 배경을 비추는 램프와;A lamp continuously illuminating the microchannels to illuminate the channel background; 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하는 레이저와;A laser for irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 확산시킴과 아울러 콘트라스트를 감소시키는 산광필터와;A scattering filter for diffusing a particle image in the microchannel illuminated by the lamp and a laser and reducing contrast; 상기 산광필터를 투과한 입자영상 중 적색, 녹색, 청색 파장 각각의 영상에 대해 감응하는 제1 내지 제3센서어레이를 구비하여, 칼라 입자영상을 분리하여 촬상하는 칼라 카메라;를 포함하여, 촬상된 세 개의 영상 중 선택된 두 개의 영상을 통하여 상기 추적입자 및 상기 물체의 속도장 각각을 측정할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정장치.Including the first to the third sensor array for each of the red, green, blue wavelength image of the particle image transmitted through the scattering filter, the color camera for separating and imaging the color particle image; including The velocity field measuring apparatus of claim 3, wherein the velocity field of each of the tracking particles and the object can be measured through two selected images among three images. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 램프는,The lamp of claim 1, wherein the lamp comprises: 제논램프 및 할로겐램프 중에서 선택된 어느 하나의 램프로 된 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정장치.An apparatus for measuring the velocity field of a flow, comprising any one of a xenon lamp and a halogen lamp. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 레이저는,The laser according to claim 1, wherein the laser 532nm 파장의 빔을 조사하는 엔디야그(Nd:YAG) 레이저 및 다른 파장의 빔을 조사하는 펄스형 레이저 중에서 선택된 어느 하나의 레이저 인 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정장치.An apparatus for measuring the velocity field of a flow, characterized in that the laser is any one selected from an Nd: YAG laser for irradiating a beam of 532 nm wavelength and a pulsed laser for irradiating a beam of another wavelength. 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체와 함께 움직이는 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정방법에 있어서,The velocity field of the working fluid seeded with micro-sized tracer particles flowing in the microchannel and the velocity field of the flow, which enables the simultaneous measurement of the velocity field of a relatively bulky object compared to the tracer particle moving with the working fluid In the measuring method, 상기 미세 채널에 램프 및 레이저를 이용하여 공간 조명하는 단계와;Spatially illuminating the microchannels using a lamp and a laser; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 제1 및 제2입자영상으로 분기시키는 단계와;Dividing the particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser into first and second particle images; 분기된 제1입자영상으로부터 상기 추적입자의 속도장을 추출하는 단계와;Extracting the velocity field of the tracking particle from the branched first particle image; 분기된 제2입자영상으로부터 상기 물체의 속도장을 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.And extracting the velocity field of the object from the branched second particle image. 제7항에 있어서, 상기 추적입자의 속도장을 추출하는 단계는,The method of claim 7, wherein the step of extracting the velocity field of the tracer particles, 상기 레이저를 통하여 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하여 두 장의 입자영상을 취득하는 단계와;Irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals through the laser to obtain two particle images; 상기 제1입자영상 중 제1파장 이상의 영상을 고대역 필터링하여서 상기 추적입자에 대한 영상을 추출하는 단계와;Extracting an image of the tracking particle by performing high-band filtering on an image having a first wavelength or more among the first particle images; 상기 추적입자의 영상을 촬상하고, 이 촬상된 영상으로부터 상호상관방식의 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 속도장을 추출하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.Capturing an image of the tracking particle and extracting a velocity field from the captured image using a two-frame particle tracking speedometer method of a cross-correlation method; Velocity field measurement method of flow, comprising the. 제7항에 있어서, 물체의 속도장을 추출하는 단계는,The method of claim 7, wherein the step of extracting the velocity field of the object, 상기 램프를 통하여 연속적으로 상기 미세 채널 배경을 조명하는 단계와;Illuminating the microchannel background continuously through the lamp; 상기 레이저를 통하여 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하여 두 장의 물체 영상을 취득하는 단계와;Irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals through the laser to obtain two object images; 저대역 필터링을 통하여 상기 제2입자영상 중 제2파장 이하의 영상만을 투과시키는 단계와;Transmitting only a second wavelength or less image of the second particle image through low band filtering; 상기 저대역 필터링된 영상을 촬상하고, 이 촬상된 영상으로부터 상기 추적입자 및 배경이 제거된 물체만의 영상을 추출하는 단계와;Imaging the low-band filtered image and extracting an image of only the object from which the tracking particle and the background are removed from the captured image; 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 상기 물체의 속도장을 추출하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.Extracting the velocity field of the object in a two-frame particle tracking speedometer method; Velocity field measurement method of flow, comprising the. 제9항에 있어서, 상기 추적입자 및 배경이 제거된 물체만의 영상을 추출하는 단계는,The method of claim 9, wherein the extracting only the image of the object from which the tracking particles and the background are removed is performed. 상기 저대역 필터링 된 영상으로부터 흑백영상을 추출하는 단계와;Extracting a black and white image from the low band filtered image; 이 흑백 영상의 밝은 부분과 어두운 부분이 상호 반전되는 단계와;Light and dark portions of the black and white image are inverted with each other; 이 전환된 영상의 그레이 스케일 경계값을 조절하여 상기 추적입자 및 배경을 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.And removing the tracking particles and the background by adjusting the gray scale boundary value of the converted image. 미세 채널 내에 흐르는 미세 크기의 추적입자가 시딩 된 작동유체의 속도장과, 상기 작동유체와 함께 움직이는 상기 추적입자에 비하여 상대적으로 부피가 큰 물체의 속도장을 동시에 측정할 수 있도록 된 유동의 속도장 측정방법에 있어서,The velocity field of the working fluid seeded with micro-sized tracer particles flowing in the microchannel and the velocity field of the flow, which enables the simultaneous measurement of the velocity field of a relatively bulky object compared to the tracer particle moving with the working fluid In the measuring method, 상기 미세 채널에 램프 및 레이저를 이용하여 공간 조명하는 단계와;Spatially illuminating the microchannels using a lamp and a laser; 상기 램프 및 레이저에 의하여 조명된 상기 미세 채널 내부의 입자영상을 확산시키고 콘트라스트를 감소시켜, 배경 조명 및 상기 레이저 산란광에 의한 노이즈를 제거하는 단계와;Diffusing a particle image inside the microchannel illuminated by the lamp and the laser and reducing contrast to remove noise caused by background illumination and the laser scattered light; 상기 노이즈가 제거된 입자영상 중 각각 소정 색상을 갖는 복수의 영상을 추출하는 단계와;Extracting a plurality of images each having a predetermined color from the particle images from which the noise is removed; 상기 추출된 복수의 영상 중 어느 한 영상으로부터 상기 추적입자의 속도장을 추출하는 단계와;Extracting a velocity field of the tracer particle from any one of the extracted plurality of images; 상기 추출된 복수의 영상 중 다른 한 영상으로부터 상기 물체의 속도장을 추출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.And extracting a velocity field of the object from another image among the extracted plurality of images. 제11항에 있어서, 상기 추적입자의 속도장을 추출하는 단계는,The method of claim 11, wherein the step of extracting the velocity field of the tracer particles, 상기 레이저를 통하여 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하여 두 장의 소정 색상의 입자영상을 취득하는 단계와;Irradiating a beam having a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals through the laser to acquire two images of particles having predetermined colors; 상기 취득된 소정 색상의 영상으로부터 상호상관방식의 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 속도장을 추출하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.Extracting a velocity field from the acquired color image using a two-frame particle tracking speedometer method; Velocity field measurement method of flow, comprising the. 제11항에 있어서, 물체의 속도장을 추출하는 단계는,The method of claim 11, wherein extracting the velocity field of the object comprises: 상기 램프를 통하여 연속적으로 상기 미세 채널 배경을 조명하는 단계와;Illuminating the microchannel background continuously through the lamp; 상기 레이저를 통하여 소정 시간 간격으로 적어도 2회에 걸쳐 상기 미세 채널에 소정 파장의 빔을 조사하여 두 장의 소정 색상의 영상을 취득하는 단계와;Irradiating a beam of a predetermined wavelength to the microchannel at least twice at predetermined time intervals through the laser to obtain two images of predetermined colors; 상기 취득된 소정 색상의 영상으로부터 상호상관방식의 2-프레임 입자추적 속도계 방식으로 속도장을 추출하는 단계를; 포함하는 것을 특징으로 하는 유동의 속도장 측정방법.Extracting a velocity field from the acquired color image using a two-frame particle tracking speedometer method; Velocity field measurement method of flow, comprising the.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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