KR100599856B1 - Apparatus For Measuring Blood Cell Deformability - Google Patents
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Abstract
본 발명은 세척이 필요없는 일회용 혈액 유동 채널 키트(일회용 키트)를 이용하여 극소량의 혈액 샘플을 이용해 짧은 시간 내에 혈구의 변형 특성을 측정할 수 있는 혈구 변형성 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 혈구 변형성 측정 장치에 있어서, 혈액 샘플이 직접적으로 접촉하며 일회용으로 사용가능한 일회용 키트(20); 상기 일회용 키트의 한쪽 면에 위치하여 광원을 발생하기 위한 광 발생부(10); 및 상기 일회용 키트에 대기압과 다른 압력을 제공하여 상기 혈액 샘플을 유동시키는 한편, 상기 일회용 키트를 통과하는 혈액 샘플의 혈구들에 의하여 회절된 상기 광원의 영상을 획득함으로써 상기 혈구의 변형성을 측정하기 위한 측정부(30)를 포함한다.An object of the present invention is to provide a blood cell deformability measuring apparatus capable of measuring the deforming properties of blood cells in a short time using a small amount of blood samples using a disposable blood flow channel kit (disposable kit) that does not require washing. To this end, the present invention is a blood cell deformability measuring device, the blood sample is in direct contact with the disposable kit 20 that can be used for single use; A light generator 10 positioned on one side of the disposable kit to generate a light source; And providing a pressure different from atmospheric pressure to the disposable kit to flow the blood sample while acquiring an image of the light source diffracted by the blood cells of the blood sample passing through the disposable kit to measure the deformability of the blood cell. It includes a measuring unit 30.
혈액(blood), 혈구(blood cell), 변형성(deformability), 일회용Blood, blood cells, deformability, disposable
Description
도 1 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 일실시예 내부 구성도.1 is an internal configuration of an embodiment of a blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치 중 일회용 키트의 일실시예 외부 구성도.Figure 2 is an embodiment external configuration of a disposable kit of blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치 중 일회용 키트에 혈액 샘플이 채워진 초기 형태를 나타낸 예시도.Figure 3 is an exemplary view showing the initial form of the blood sample is filled in the disposable kit of the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 일실시예 외부 구성도.Figure 4 is an external configuration of an embodiment of the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치를 통해 수집된 영상 자료의 다양한 예시도.Figure 5 is a diagram illustrating a variety of image data collected through the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
도 6 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치에서 측정된 시간-차압(differential pressure)의 일실시예 그래프.Figure 6 is an embodiment graph of time-differential pressure measured in the apparatus for measuring blood cell deformability according to the present invention.
도 7 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치를 통해 분석된 혈구의 변형성을 전단응력(wall shear stress)-변형인덱스(DI)로 나타낸 일실시예 그래프.FIG. 7 is a graph illustrating an example of deformability of blood cells analyzed through a blood cell deformability measuring apparatus according to a wall shear stress-deformation index (DI). FIG.
도 8 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치 중 차압 발생기의 일실시예 외부 구성도.8 is an external configuration diagram of an embodiment of the differential pressure generator of the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
도 9 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 또 다른 일실시예 내부 구성도.9 is a view showing the internal structure of another embodiment of the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
본 발명은 혈구 변형성 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a blood cell deformability measuring device.
최근, 혈구의 변형성이 혈액의 점도 및 유변 특성에 직접적인 영향 인자로 알려지면서 혈구의 변형성에 대한 측정 장치의 개발이 시도되어 왔다. Recently, development of a measuring device for deformability of blood cells has been attempted as the deformability of blood cells is known as a direct influence factor on the viscosity and rheological properties of blood.
그 중에서도 특히, Clinical Hemorheology and Microcirculation 저널(Vol. 14, pp. 605-618, 1994)에 공시된 LORCA 혈구 유변계는, 이중 동심원관 구조의 회전형 쿠엣(Couette) 유동 조건에서 레이저를 혈구에 조사하여 회절되어 나오는 영상을 CCD 카메라로 획득하여 이를 컴퓨터 프로그램을 통하여 분석하여 혈구의 변형성을 측정하는 장치이다. 이때, 전단력 또는 전단률은 회전 속도에 좌우되기 때문에 광범위한 전단률 및 전단력에 대한 측정을 위해서는 회전 속도를 달리하면서 반복되는 실험 측정이 요구되며, 실험 후 혈액 샘플이 접촉된 부분을 세척해야 하는 불편함이 있다. In particular, the LORCA hemocytometer, published in the Journal of Clinical Hemorheology and Microcirculation (Vol. 14, pp. 605-618, 1994), irradiates the blood cells with lasers under a double concentric tubular rotating Couette flow condition. It is a device that obtains the diffracted image by CCD camera and analyzes it through computer program to measure the deformability of blood cells. At this time, since the shear force or shear rate depends on the rotational speed, repeated experimental measurements with different rotational speeds are required to measure a wide range of shear rates and shear forces. There is this.
또한, Blood Cells, Molecules, and Diseases 저널(Vol. 28, pp. 373-384)에 공시된 혈구변형도 분포 시험기(ARCA)는 회전하는 두 평행 원판(parallel disks) 사이에 희석된 혈액을 주입하고 이때, 회전에 의하여 작용되는 전단력에서의 혈구가 변형된 현상을 직접 현미경과 CCD 카메라를 통하여 영상을 획득한 후, 그 중 초점이 잡힌 영상만을 선별하고 이를 커브피팅 프로그램으로 분석하여 각각의 혈구 들에 대하여 변형성을 분석하여 주어진 전단력 조건에서의 변형성 분포를 얻어내는 장치이다. 이때, 다수의 혈구 영상을 획득하고 영상처리 및 분석하는데 최소한 1~2시간 정도의 상당한 시간이 소요되는 단점이 있으며 혈액 샘플이 접촉한 기기를 세척해야하는 단점을 갖고 있다.In addition, the Blood Cell Strain Distribution Tester (ARCA), published in the Journal of Blood Cells, Molecules, and Diseases (Vol. 28, pp. 373-384), injects diluted blood between two rotating parallel disks. At this time, the image of the blood cells deformed in the shear force applied by the rotation is obtained directly through a microscope and a CCD camera, only the focused image among them are selected and analyzed by the curve fitting program to the respective blood cells It is a device that obtains deformation distribution under given shear force condition by analyzing deformation. At this time, it takes a significant time of at least 1 to 2 hours to acquire a plurality of blood cell images, image processing and analysis, and has the disadvantage of cleaning the device in contact with the blood sample.
한편, 상기와 같이 개발된 혈구 변형성 측정 장치들을 사용하면서 발견된 문제점 중의 하나는, 혈액 샘플이 기기와 직접적으로 접촉되기 때문에 매번 실험할 때 마다 기기를 세척해야 하는 번거로움과 노력을 필요로 한다는 점이다. 또한, 상기와 같은 종래의 장치들은 실험측정을 위한 전문 훈련을 요구하며, 작동과 분석을 위하여 전문적 지식을 필요로 하고 있어 일반 병원 등과 같은 진료현장에서는 사용하기 곤란하다는 문제점이 있다.On the other hand, one of the problems found by using the blood cell deformability measuring device developed as described above is that the blood sample is in direct contact with the device, which requires the trouble and effort of cleaning the device every time the experiment is performed. to be. In addition, the conventional devices as described above require professional training for experimental measurement, and require specialized knowledge for operation and analysis, which makes it difficult to use in a medical field such as a general hospital.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 세척이 필요 없는 일회용 혈액 유동 채널 키트(일회용 키트)를 이용하여 극소량의 혈액 샘플을 이용해 짧은 시간 내에 혈구의 변형 특성을 측정할 수 있는, 혈구 변형성 측정 장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to measure the deformation characteristics of blood cells in a short time using a very small amount of blood samples using a disposable blood flow channel kit (disposable kit) that does not require washing. The present invention provides a blood cell deformability measuring apparatus.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 혈구 변형성 측정 장치에 있어서, 혈액 샘플이 직접적으로 접촉하며 일회용으로 사용가능한 일회용 키트(20); 상기 일회용 키트의 한쪽 면에 위치하여 광원을 발생하기 위한 광 발생부(10); 및 상기 일회용 키트에 대기압과 다른 압력을 제공하여 상기 혈액 샘플을 유동시키는 한편, 상기 일회용 키트를 통과하는 혈액 샘플의 혈구들에 의하여 회절된 상기 광원의 영 상을 획득함으로써 상기 혈구의 변형성을 측정하기 위한 측정부(30)를 포함하되, 상기 일회용 키트(20)는, 혈액 샘플이 주입되어 저장되는 샘플 저장실(21); 상기 샘플 저장실과 한 쪽 끝이 연결되어 있으며, 상기 샘플 저장실을 통해 유입된 혈액 샘플이 큰 유동저항을 발생시키며 통과하게 되는 슬릿채널(22); 및 상기 슬릿채널의 다른 한 쪽 끝과 연결되어 있으며, 상기 슬릿채널을 통해 빠져 나온 상기 혈액 샘플을 저장하기 위한 폐샘플 저장실(23)을 포함하고, 상기 측정부(30)는, 연결관 및 밸브(32)를 통해 상기 일회용 키트(20)에 대기압과 다른 압력을 제공하여 상기 혈액 샘플이 유동될 수 있도록 하기 위한 차압 발생기(33); 한 쪽 끝이 상기 차압 발생기 또는 상기 일회용 키트에 연결되어 있어 상기 차압 발생기 또는 상기 일회용 키트내부의 압력을 시간에 따라 연속적으로 측정하기 위한 압력계(34); 상기 슬릿채널을 통과하면서 혈구들에 의하여 회절되어 나온 영상을 투영시키기 위한 스크린(31); 투영된 영상을 획득하기 위한 영상 획득기(35); 상기 압력계 및 영상획득기에서 측정한 값을 이용하여, 시간에 따른 전단력의 변화량을 구하는 한편 상기 전단력에 따른 상기 혈액 샘플의 혈구 변형성을 계산하기 위한 제어기(36), 상기 제어기에서의 계산 결과를 화면 또는 프린터로 출력하기 위한 출력기(37) 및 상기 제어기로 전송되거나 제어기에서 발생된 각종 자료들을 저장하기 위한 저장기(38)를 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a blood cell deformability measuring apparatus, comprising: a disposable kit (20) for direct contact with a blood sample and usable for single use; A
즉, 본 발명은 희석된 혈액 샘플을 일회용 저장용기(일회용 키트)에 채운 후, 혈액 샘플이 상기 일회용 키트의 슬릿채널을 통과할 때 광원을 조사하여 회절되어 나온 영상을 스크린에 투영하고 이를 영상으로 획득한 후, 이를 분석해 혈구 의 변형도 특성을 측정하기 위한 장치로서, 레이저 회절(Laser diffraction) 및 가변 구동압(variable driving pressure)과 연계된 혈구 변형성 측정 장치에 관한 것이다. That is, according to the present invention, after filling the diluted blood sample in a disposable storage container (disposable kit), when the blood sample passes through the slit channel of the disposable kit, the light source is irradiated to project the diffracted image on the screen, which is then converted into an image. After the acquisition, it is analyzed to analyze the characteristics of the blood cell strain, relates to a blood cell deformability measuring device associated with laser diffraction and variable driving pressure.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 일실시예 내부 구성도이다.1 is an internal configuration of an embodiment of a blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention.
즉, 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치는 도면에 도시된 바와 같이, 혈액 샘플이 직접적으로 접촉하며 일회용으로 사용될 수 있는 일회용 키트(20), 상기 일회용 키트에 광원을 발생하기 위한 광발생부(10) 및 상기 일회용 키트에 대기압보다 낮은 압력을 제공하는 한편, 상기 일회용 키트를 통과하는 혈액 샘플의 혈구들에 의하여 회절된 상기 광원의 영상을 획득함으로써 상기 혈구의 변형성을 측정하기 위한 측정부(30)를 포함하여 구성되어 있다. That is, the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention, as shown in the drawings, the blood sample is in direct contact with the
이때, 상기 일회용 키트(20)는, 혈액 샘플이 주입되어 저장되는 샘플 저장실(21), 상기 샘플 저장실과 한 쪽 끝이 연결되어 있으며, 상기 샘플 저장실을 통해 유입된 혈액 샘플이 큰 유동저항을 발생시키며 통과하게 되는 슬릿채널(22) 및 상기 슬릿채널의 다른 한 쪽 끝과 연결되어 있으며, 상기 슬릿채널을 통해 빠져 나온 상기 혈액 샘플을 저장하기 위한 폐샘플 저장실(23)을 포함하여 구성되어 있다.In this case, the
또한, 상기 측정부(30)는, 연결관 및 밸브(32)를 통해 상기 폐샘플 저장실(23)에 대기압보다 낮은 압력을 제공하기 위한 차압 발생기(33), 한 쪽 끝이 상기 차압 발생기 또는 상기 폐샘플 저장실에 연결되어 있어 상기 차압 발생기 또는 상기 폐샘플 저장실의 압력을 시간에 따라 연속적으로 측정하기 위한 압력계(34), 상기 슬릿채널을 통과하면서 혈구들에 의하여 회절되어 나온 영상을 투영시키기 위한 스크린(31), 투영된 영상을 획득하기 위한 영상 획득기(35), 상기 압력계 및 영상획득기에서 측정한 값을 저장, 계산, 처리하기 위한 제어기(36), 상기 제어기에서의 계산 결과를 화면 또는 프린터로 출력하기 위한 출력기(37) 및 상기 제어기로 전송되거나 제어기에서 발생된 각종 정보들을 저장하기 위한 저장기(38)를 포함하여 구성되어 있다.In addition, the
이때, 상기 영상 획득기(35)는, 상기 슬릿채널(22)에서 회절 투과된 영상을 상기 스크린(31)에 투영시킨 후 투영된 영상을 획득할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 슬릿채널(22)에서 회절 투과된 영상을 상기 스크린(31)에 투영하지 않고 직접 획득할 수도 있다.In this case, the
마지막으로, 상기 광 발생부(10)는, 상기 슬릿채널의 한 쪽 면에 위치하여 광원을 발생하는 기능을 수행한다.Finally, the
도 2 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치 중 일회용 키트의 일실시예 외부 구성도로써, 도 1 에 도시된 일회용 키트(20)의 외부 구성을 나타낸 것이다.2 is an external configuration diagram of an embodiment of a disposable kit of blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention, showing the external configuration of the
즉, 도 2 에 도시된 상기 일회용 키트(20)는, 상기에서 설명한 바와 같이 샘플 저장실(21), 슬릿채널(22), 폐샘플 저장실(23)을 포함하고 있으며, 일체형 또는 조립형으로 구성될 수 있다.That is, the
특히, 상기 슬릿채널(22)의 두께는 수 마이크로 미터에서 수백 마이크로미터 크기로 제작할 수 있으며, 본 실시예에서는 200 마이크로미터를 사용하는 것으로 설명하겠다.In particular, the thickness of the
또한, 상기 샘플 저장실(21) 및 폐샘플 저장실(23)은 고무 또는 실리콘 등의 마개(24)로 밀폐될 수 있다.In addition, the
한편, 상기와 같은 일회용 키트(20)를 이용할 때 소요되는 혈액의 양은 5 마이크로 리터의 극소량으로서, 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치는 상기와 같은 극소량의 혈액을 이용하여 PVP 용액과 같은 고점도 액체에 희석하여 혈구 변형성을 측정할 수 있게 된다. On the other hand, the amount of blood required when using the
도 3 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치 중 일회용 키트에 혈액 샘플이 채워진 초기 형태를 나타낸 예시도로서, 도 2 에 도시된 일회용 키트의 단면을 나타낸 것이다. 3 is an exemplary view showing an initial form in which a blood sample is filled in a disposable kit of a blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention, showing a cross section of the disposable kit shown in FIG.
즉, 혈액 샘플을 샘플 저장실(21)에 주입하면, 모세관 효과(capillary effect)로 인하여 도면에 도시된 바와 같이 혈액 샘플은 슬릿채널(22)의 중간 부분까지 채워지지만 혈액 샘플의 높은 점도로 인해 더 이상 채워지지 않는다. That is, when the blood sample is injected into the
이때, 상기 샘플 저장실(21)에 저장되어 있는 혈액 샘플은 폐샘플 저장실(23)에 부가되는 진공 압력에 의하여 샘플 저장실(21)로부터 슬릿 채널(22)을 지나 폐샘플 저장실(23)로 유입되는데, 이때 상기 슬릿채널(22)에서는 큰 유동 저항과 함께 전단력이 혈구에 작용하게 되며, 상기 전단력에 노출된 혈구들은 변형되어져 폐샘플 저장실(23)로 유입된다. At this time, the blood sample stored in the
도 4 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 일실시예 외부 구성도로서, 도 4 를 참조하여 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 동작 방법을 설명하면 다음과 같다.4 is an external configuration diagram of an apparatus for measuring blood cell deformability according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, an operation method of the apparatus for measuring blood cell deformability according to the present invention will be described below.
즉, 상기 광 발생부(10)의 레이저, 레이저 다이오우드(LASER DIODE) 또는 발광다이오우드(LED)와 같은 광원이 광학적으로 투명한 슬릿채널(22)에 조사되면, 전단력에 의하여 변형된 혈구들에 의하여 조사된 빛은 회절(diffraction) 간섭되고 이때, 투과되어 나오는 빛은 스크린(31)에 투영되며, 이를 영상 획득기(35)가 획득하게 된다.That is, when a light source such as a laser, a laser diode, or a light emitting diode (LED) of the
도 5 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치를 통해 수집된 영상 자료의 다양한 예시도로서, 도면에 도시된 바와 같이 전단력이 0에 가까울 때에는 원형 모양이였던 적혈구가, 높은 전단력에 노출된 경우 타원형으로 길게 변형됨을 알 수 있으며, 이를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. FIG. 5 is a diagram illustrating various image data collected by the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention. As shown in the drawing, red blood cells, which were circular when the shear force was close to zero, were elliptical when exposed to high shear force. It can be seen that the deformation is long, which will be described in more detail as follows.
즉, 슬릿채널(22)을 통해 다수의 혈구(plural blood cells)가 전단 유동장 내부에 존재하는 전단력에 의하여 변형되어 흐를 때, 외부로부터 적절한 파장(wave length)을 갖고 있는 빛(10)을 조사시키면 이 빛은 혈액 샘플을 통과하며 회절 및 간섭을 일으키게 되고, 통과된 빛을 스크린(31)에 투영하면 투영된 이미지는 다수의 혈구들의 변형된 모습이 하나의 통합 영상으로서 나타나게 된다. That is, when a plurality of blood cells (plural blood cells) is deformed by the shear force present in the shear flow field through the
특히, 유동의 속도 또는 전단력의 크기에 따라 혈구의 모양이 변화하는데, 본 발명에서는 측정 초기에 높은 차압으로 인하여 유동 속도가 빠르게 유동되며 이 때, 전단력도 크게 작용하여 혈구가 크게 변형되고 이 때의 회절 이미지는 종횡비 가 매우 큰 타원형으로 나타난다. 반면에 유동속도가 점차 감소하면 이에 대응하는 전단력도 감소하게 되며 혈구는 본래의 형상인 원형으로 복원되며 이에 따른 회절 이미지는 원형에 가깝게 된다. In particular, the shape of the blood cells changes according to the speed of the flow or the magnitude of the shear force, in the present invention, the flow velocity is rapidly flowed due to the high differential pressure at the beginning of the measurement, at this time, the shear force also acts largely deforms the blood cells greatly Diffraction images appear as ellipses with very high aspect ratios. On the other hand, as the flow rate gradually decreases, the corresponding shear force also decreases, and the blood cells are restored to their original shape, and thus the diffraction image becomes close to the circle.
한편, 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치는 영상 획득기(35)에 의하여 획득된 영상의 장축과 단축의 길이를 영상처리분석 프로그램에 의하여 분석하여 변형 인덱스(DEFORMATION INDEX, DI)를 결정할 수 있다.Meanwhile, the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention may determine the deformation index (DEFORMATION INDEX, DI) by analyzing the length of the long axis and the short axis of the image acquired by the image acquirer 35 by an image processing analysis program.
도 6 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치에서 측정된 시간-차압(differential pressure)의 일실시예 그래프이다. 6 is an exemplary graph of time-differential pressure measured in the apparatus for measuring blood cell deformability according to the present invention.
즉, 도 6 에 도시된 그래프는 차압 발생기(32)와 연결된 폐샘플 저장실(23)의 압력과 대기압의 압력차를 시간에 따라 측정한 것으로서, 차압 발생기(33)가 폐샘플 저장실(23)에 대기압보다 낮은 압력을 걸어주면, 상기 차압에 의하여 샘플 저장실(21)의 혈액 샘플이 슬릿채널(22)을 통하여 폐샘플 저장실(23)로 유입된다. That is, the graph shown in FIG. 6 measures the pressure difference between the pressure of the waste
이때, 유입되는 혈액 샘플의 체적에 의하여 폐샘플 저장실(23)의 압력은 초기의 진공압력으로부터 점차 증가하여, 대기압 값으로 점차 접근하며 최종적으로는 두 저장실(21,23)간에 압력 평형을 이루며 측정이 완료된다. 즉, 도 6 을 통해 차압은 지수함수적으로 감소하며 시간이 지날수록 점근적으로 평형압력에 도달함을 알 수 있다. At this time, the pressure of the waste
한편, 혈액샘플의 점도와 초기 차압을 매 실험마다 일정하게 유지하게 되면 동일한 압력-시간 곡선을 얻을 수 있으며, 따라서 별도의 압력 측정 없이도 시간에 따른 압력을 예측할 수도 있다. On the other hand, if the viscosity of the blood sample and the initial differential pressure is kept constant in each experiment, the same pressure-time curve can be obtained, and thus pressure over time can be predicted without a separate pressure measurement.
도 7 은 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치를 통해 분석된 혈구의 변형성을 전단응력(wall shear stress)-변형인덱스(DI)로 나타낸 일실시예 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating an example of deformability of blood cells analyzed by a blood cell deformability measuring apparatus according to a wall shear stress-deformation index (DI).
즉, 도 7 은 상기한 바와 같이 가변 구동 압력이 부가된 조건에서 혈구가 변형되어 흘러가는 영상을 다수 획득하여 이를 영상처리 프로그램으로 분석하여 혈구의 변형성을 각각 분석후 이를 전단응력(wall shear stress)-변형인덱스(DI)로 나타낸 것이다. That is, FIG. 7 obtains a plurality of images in which blood cells are deformed and flows under a variable driving pressure as described above, and analyzes them with an image processing program. It is represented by the deformation index (DI).
이때, 변형인덱스는 회절 영상의 장축길이(A)와 단축길이(B)로서 나타낸 것으로서 아래의 [수학식 1]과 같이 정의된다.At this time, the strain index is represented as the long axis length (A) and the short axis length (B) of the diffraction image is defined as shown in
즉, 변형인덱스(DI)는 전단력이 작으면 거의 0에 가까운 값, 즉 원형임을 나타내고 전단력이 커질수록 DI값은 증가한다.That is, the deformation index (DI) is a value close to zero, that is, circular if the shear force is small, and the DI value increases as the shear force increases.
한편, 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 작동 원리 및 혈구 변형성 측정 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. On the other hand, the operating principle and blood cell deformability measuring method of the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention will be described in detail.
먼저, 혈액 샘플을 샘플 저장실(21)에 주입한다. 이때, 샘플 저장실(21)에 주입된 일부 혈액 샘플은 모세관 효과(capillary effect)로 인하여 샘플 저장실에 연결된 슬릿채널(22)에 일부 유입되기도 한다. First, a blood sample is injected into the
다음으로, 차압 발생기(33)가 작동하여 대기압과 다른 차압을 형성한다. 즉, 본 실시예에서는 대기압보다 낮은 진공압을 형성한다. 이와 같이 진공압이 형성된 차압 발생기(33)는 밸브 장치(32)에 의하여 폐샘플 저장실(23)과 연결되어, 폐샘플 저장실(23)의 압력을 대기압 이하로 강하시킨다. 이때, 연결관을 통해 상기 차압 발생기(33) 또는 폐샘플 저장실(23)과 연결되어 있는 압력계(34)는 폐샘플 저장실(23)의 진공압력을 계속적으로 측정하게 된다. Next, the
한편, 대기압에 노출된 샘플 저장실(21)과 낮은 압력이 걸려있는 폐샘플 저장실(23)과의 압력 차이에 의하여 발생된 구동력에 의해, 상기 혈액 샘플은 샘플 저장실(21)로부터 슬릿채널(22)을 통해 폐샘플 저장실(23)로 유동하게 된다. On the other hand, due to the driving force generated by the pressure difference between the
이때, 밀폐된 폐샘플 저장실(23)의 일정한 내부 체적에 유입되는 혈액 샘플의 체적에 의하여 공기의 체적은 작아지고 이에 따른 공기의 압력은 증가한다. 따라서, 샘플 저장실(21)과 폐샘플 저장실(23)의 압력차는 지수함수적으로 감소하며 시간이 지남에 따라 두 저장실의 압력은 점차 평형을 이루며 최종적으로 혈액 샘플의 흐름은 정지하게 되고 측정 과정은 종료되게 된다. At this time, the volume of air decreases due to the volume of the blood sample flowing into a constant internal volume of the closed waste
한편, 측정된 압력은 샘플 저장실(21)과 폐샘플 저장실(23)간의 압력 차로서, 이러한 차압(ΔP)을 통해 이미 공지된 계산식을 이용하여 전단률 및 전단력을 아래의 [수학식 2]를 통해 계산할 수 있다. 즉, 폐샘플 저장실(23)의 체적에 대하여 이상기체 상태방정식을 적용하면 각각의 시간에 해당하는 내부 체적(V)을 계산할 수 있다.Meanwhile, the measured pressure is a pressure difference between the
혈액 샘플이 슬릿채널(22)을 통하여 폐샘플 저장실(23)로 이송되면서 밀폐된 폐샘플 저장실(23)의 압력[Pw(t)]은 시간에 따라 점차 증가하게 되고 폐샘플 저장실(23)내부의 공기 체적[Vw(t)]은 감소하게 된다. 이때, Pw(t)는 압력계(34)에 의하여 측정되거나 환산되는 값이므로 결국, 상기 [수학식 2]를 이용하여 매 순간의 폐샘플 저장실(23)의 공기 체적[Vw(t)]을 계산할 수 있다. 상기 [수학식 2]에서 하첨자 i 와 w 는 각각 초기치 및 폐샘플 저장실을 나타낸다. As the blood sample is transferred to the waste
이때, 상기에서 구한 폐샘플 저장실(23)의 공기의 내부 체적의 감소는 혈액 샘플의 유입 체적증가와 동일하다. In this case, the decrease in the internal volume of air in the waste
한편, 시간에 따른 혈액 샘플의 체적변화를 시간에 대해 1차 미분하면 단위시간당 모세관을 통과하는 시험유체의 체적 유량(volume flow rate, Q)이 된다. On the other hand, the first derivative of the volume change of the blood sample over time is the volume flow rate (Q) of the test fluid passing through the capillaries per unit time.
이때, 슬릿채널(22)의 양단에 걸린 구동 압력과 유량을 이용하여 주어진 슬릿채널(22)을 직사각 채널로 가정하고 그 채널의 간격, 폭 및 길이를 각각 H, W, L이라 하면, 이에 상응하는 전단률을 계산하는 식은 아래의 [수학식 5]와 같다.In this case, assuming that the given
상기 [수학식 5]에서 전단응력은 아래의 [수학식 6]과 같이 계산된다.In [Equation 5], the shear stress is calculated as shown in [Equation 6] below.
상기 [수학식 6]에서, τ 는 벽에서의 전단응력을 나타낸다. In Equation 6, τ represents a shear stress in the wall.
한편, 상기에서 전단력을 체적을 이용하여 계산하는 방식 대신에 다른 방식이 적용될 수 있다. 즉, 혈액 샘플을 준비할 때, 버퍼용액(buffer solution)과 혈액을 약 100대 1, 또는 200대 1로 혼합하는데, 이때 소요되는 혈액의 양은 약 5 마이크로 리터이다. 이와 같이 혈액 샘플의 부피비가 매우 적기 때문에 혈액 샘플의 점도는 버퍼액의 점도와 별 차이가 없게 된다. 따라서, 혈액 샘플의 점도는 이미 알고 있는 버퍼액의 점도로 간주하여도 무방하다. 따라서, 상기에서 설명된 본 발명의 실시예에서는 압력계를 사용하였지만, 혈액 샘플의 점도를 미리 알고 있다는 점을 이용하고, 또한 이미 알고 있는 유동저항관의 기하형상에 대한 재원 및 미리 정해진 진공압력 등을 이용하면 시간에 따른 압력 변화를 미리 계산할 수 있다. 또는 한번의 모의 실험을 통해 시간에 따른 압력을 측정하여 이를 여타의 실험에 적용할 수 있다. 즉, 시간에 따른 압력을 이용하여 전단력을 계산할 수 있다.Meanwhile, another method may be applied instead of the method of calculating the shear force using the volume. In other words, when preparing a blood sample, the buffer solution (buffer solution) and the blood is mixed to about 100 to 1, or 200 to 1, the amount of blood required is about 5 microliters. As such, since the volume ratio of the blood sample is very small, the viscosity of the blood sample is not much different from that of the buffer solution. Therefore, the viscosity of the blood sample may be regarded as the viscosity of the buffer solution already known. Therefore, in the above-described embodiment of the present invention, although a pressure gauge is used, the viscosity of the blood sample is known in advance, and the resources for the geometry of the flow resistance tube and the predetermined vacuum pressure are known. This can be used to precalculate pressure changes over time. Alternatively, one simulation can measure the pressure over time and apply it to other experiments. That is, the shear force can be calculated using the pressure over time.
즉, 본 발명의 실시예 중의 하나로서, 별도의 압력 측정 없이도 사전에 측정된 시간에 따른 압력을 통해 시간에 따른 전단응력을 미리 얻을 수 있다는 것은 본 발명의 특징중의 하나가 될 수 있다. 또한, 상기와 같이 미리 계산되어서 얻은 전단응력에 대해 매 시간마다 측정되는 혈구 변형성만을 실제 측정하여 각 시간에 해당하는 전단력과 변형성을 그래프로 도시할 수 있다. That is, as one of the embodiments of the present invention, it can be one of the features of the present invention that the shear stress over time can be obtained in advance through a pressure measured in advance without a separate pressure measurement. In addition, only the blood cell deformability measured every hour with respect to the shear stress calculated in advance as described above can be measured in real time to show the shear force and the deformability corresponding to each time in a graph.
상기와 같이 구동 차압(driving differential pressure)이 점차 감소하는 과정 동안, 슬릿채널(22)을 흐르는 혈액 샘플 내의 혈구(blood cells)들은 유동에 의해 발생되는 전단력에 의해 변형된 상태로 흐르게 되며, 이때, 레이저 다이오우드와 같은 광원(10)이 광학적으로 투명한 슬릿채널에 조사되며 빛은 슬릿 내부에 흐르고 있는 혈구들에 의하여 회절되거나 간섭을 일으키며 일부의 빛이 슬릿을 통과하고 스크린(31)에 투영된다. During the process of gradually decreasing the driving differential pressure as described above, blood cells in the blood sample flowing through the
이때, 투영된 영상은 다수의 혈구의 형상에 의하여 회절간섭된 영상으로서 혈구들의 평균 형상을 나타내는 특성을 띄게 되는데, 이를 흔히 레이저 회절법(laser-diffraction technique)이라 하여 광학 분야에서는 오래 전부터 공지된 기법이다. 이때, 압력계(34) 및 영상 획득기(35)로부터 획득된 신호 입력 값은 각 시간에 따라 제어기(36)에서 처리되는 한편, 저장기(38)에 저장된다. In this case, the projected image is an image diffracted by the shape of a plurality of blood cells and exhibits a characteristic representing an average shape of blood cells, which is commonly known as a laser-diffraction technique. to be. At this time, the signal input values obtained from the
이때, 압력은 간단한 수학적 관계식을 통하여 전단응력 및 전단률 등으로 환산되고, 투영 영상의 기하학적 형상은 전용 영상 처리분석 프로그램을 통하여 분석되며, 이를 상기 제어기(36)가 다시 커브피팅(curve-fiting) 프로그램으로 분석하여 타원의 장축과 단축의 종횡비를 분석하여 각각의 변형성 인덱스(DI)를 계산하여 그 결과를 작용하는 전단력에 대하여 그래프 또는 표로 나타내게 된다.At this time, the pressure is converted into shear stress and shear rate through a simple mathematical relationship, and the geometric shape of the projected image is analyzed through a dedicated image processing analysis program, and the
한편, 혈구의 변형성은 온도에 따라 영향을 받을 수 있기 때문에 측정 온도를 일정한 온도로 제어할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 구성에서도 혈액과 접촉하는 일회용 키트(20)를 일정한 온도로 유지시키기 위하여 일회용 키트를 미리 정해진 챔버 내에서 열적 평형을 유지시키며 보관하다가 사용하여야 한다. 또한, 측 정시간 동안, 키트의 온도 변화를 최소화하기 위하여 접촉되는 시스템 부위에 온도를 가열하거나 냉각시킬 수 있어 일정한 온도로 유지할 수 있는 온도제어 Block 또는 water-jacket을 설치할 수 있다. 본 발명의 실시예로는 일회용 키트(20)가 접촉하는 부위에 열전소자(thermo-electric component)를 이용하여 온도를 제어하였다. 또한, 할로겐램프 등으로 본 발명에 따른 장치 주변 공기의 온도를 미리 정한 온도로 예열할 수 있도록 구성할 수도 있다.On the other hand, since deformability of blood cells may be affected by temperature, it is necessary to control the measurement temperature to a constant temperature. Therefore, even in the configuration of the present invention, in order to maintain the
한편, 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치 구성 중 혈액 샘플이 직접적으로 접촉하는 일회용 키트(20)는 샘플 저장실(21), 슬릿채널(22), 폐샘플 저장실(23) 등을 포함하는 일체형 요소로서, 사용후 폐기 처분할 수 있도록 설계 제작됨으로써 일반 병원과 같은 환경하에서 세척 과정 없이 일련의 측정이 가능하도록 하였다. 이때, 상기와 같은 일회용 키트(20)는 동시에 극소량의 혈액샘플 만으로도 측정이 가능하도록 설계되어야 한다. 이를 위해서 상기 일회용 키트(20)는 널리 알려진 미세구조물 제작기법을 통하여 제작되거나 또는 정밀 사출을 통해 제작될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 광학적으로 투명한 플라스틱 소재를 정밀사출하여 상기 일회용 키트(20)를 제작하였다. 상기와 같은 플라스틱 사출성형물은 일회용으로 사용하기에 매우 경제적으로 적합하여 혈액과 같이 병원체의 오염 등이 우려되는 경우에 있어 측정 후 폐기할 수 있어 매우 편리한 장점을 갖고 있다. On the other hand, as shown in Figure 2, in the device configuration of the present invention, the
또한, 본 발명에서 사용되는 상기 광 발생부(10)는 점광원 형태를 지니며 혈구에 의해 회절이 일어날수 있는 파장대(wave length range)를 갖는 광원이 필요하다. 즉, 적혈구와 회절을 일으키기에 적합한 파장대로는 350 nm ~ 690 nm 정도로 서, 본 발명의 실시예에서는 650 nm 파장을 갖는 Laser diode를 이용하였다. In addition, the
또한, 투영된 영상을 획득하는 영상 획득기(35)로는 CCD 센서 array, CCD 카메라, web 카메라 혹은 비디오 카메라와 같은 영상 획득장치가 사용될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 CCD카메라를 통해 영상을 획득하였다. 한편, CCD 센서 어레이를 사용할 경우, 투영 스크린(31)없이 직접 영상을 획득할 수도 있다.In addition, an
도 8 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치 중 차압 발생기의 일실시예 외부 구성도로서, 도 1 에 도시된 차압 발생기(33)의 일예를 나타낸 것이다. FIG. 8 is an external configuration diagram of the differential pressure generator in the apparatus for measuring blood cell deformability according to the present invention, and shows an example of the
즉, 상기 차압 발생기(33)는 직선운동(LM) 가이드(43)와 같은 장치에 스텝 모터(42) 등을 연결하여 상기 스텝모터(42)가 상기 제어기(36)의 제어를 받도록 구성되어 있으며, 상기 직선운동 가이드(43)가 초기 위치에서 일정량만큼 전진 또는 후진 함으로써 피스톤-실린더 장치 또는 주사기와 같은 장치(41) 내부에 대기압보다 높거나 낮은 압력을 형성하게 된다.That is, the
도 9 는 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치의 또 다른 일실시예 내부 구성도로서, 가압형 구동방식을 이용한 차압 발생기(33-1)를 포함하는 혈구 변형성 측정 장치를 도시한 것이다.9 is an internal configuration diagram of another embodiment of a blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention, and illustrates a blood cell deformability measuring apparatus including a differential pressure generator 33-1 using a pressurized driving method.
즉, 도 1 내지 도 7 을 참조하여 설명된 본 발명의 구동방식은 차압 구동형으로서 특히 진공 구동방식에 대하여 설명하였지만, 이와는 다른 가압형 구동방식도 가능하다. That is, the driving method of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 7 has been described as a differential pressure driving type, in particular with respect to a vacuum driving method, but other pressurized driving methods are possible.
한편, 상기와 같은 가압형 구동방식을 적용한 본 발명에 따른 혈구 변형성 측정 장치는 도 9 에 도시된 바와 같이, 혈액 샘플이 주입되어 저장되는 샘플 저장 실(21), 상기 샘플 저장실과 한 쪽 끝이 연결되어 있으며, 상기 샘플 저장실을 통해 유입된 혈액 샘플이 큰 유동저항을 발생시키며 통과하게 되는 슬릿채널(22), 상기 슬릿채널의 다른 한 쪽 끝과 연결되어 있으며, 상기 슬릿채널을 통해 빠져 나온 상기 혈액 샘플을 저장하기 위한 폐샘플 저장실(23), 연결관 및 밸브(32)를 통해 상기 샘플 저장실(21)에 대기압보다 높은 압력을 제공하기 위한 차압 발생기(33-1), 한 쪽 끝이 상기 차압 발생기에 연결되어 있으며 상기 차압 발생기의 압력을 시간에 따라 연속적으로 측정하기 위한 압력계(34), 상기 슬릿채널의 한 쪽 면에 부착되어 광원을 발생하기 위한 광 발생부(10), 상기 슬릿채널을 통과하면서 혈구들에 의하여 회절되어 나온 영상을 투영시키기 위한 스크린(31), 투영된 영상을 획득하기 위한 영상 획득기(35), 상기 압력계 및 영상획득기에서 측정한 값을 저장, 계산, 처리하기 위한 제어기(36), 상기 제어기에서의 계산 결과를 화면 또는 프린터로 출력하기 위한 출력기(37) 및 상기 제어기로 전송되거나 제어기에서 발생된 각종 자료들을 저장하기 위한 저장기(38)를 포함하여 구성되어 있다.On the other hand, the blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention applying the pressure-driven driving method as shown in Figure 9, the
이때, 상기와 같은 가압형 구동 방식을 이용한 차압 발생기(33-1)를 포함하는 본 발명에 따른 또 다른 혈구 변형성 측정 장치는, 상기 차압 발생기(33-1)가 상기 도 8 에 대한 설명에서 언급한 두 가지 압력 생성 방법 중 대기압보다 높은 압력을 형성하는 방법을 이용하고 있다는 점 및 이로 인해 상기 밸브(32), 차압 발생기(33-1) 및 압력계(34)가 도 1 에 도시된 혈구 변형성 측정 장치와는 달리 샘플 저장실(21)쪽에 연결되어 있다는 차이만 있을 뿐 다른 기능 및 동작은 상기에서 설명된 방법이 동일하게 적용될 수 있다. In this case, in another blood cell deformability measuring apparatus according to the present invention including the differential pressure generator 33-1 using the pressurized driving method as described above, the differential pressure generator 33-1 is referred to in the description of FIG. 8. Of the one or two pressure generation methods, the method of forming a pressure higher than atmospheric pressure is used, and thus, the
또한, 상기와 같은 가압형 구동방식의 경우에도 마찬가지로, 차압 발생기(33-1)와 연결된 샘플 저장실(21)의 압력과 대기압의 압력차를 시간에 따라 도시하면 도 6 과 같이 나타난다. 즉, 차압 발생기(33-1)가 샘플 저장실(21)에 대기압보다 높은 압력을 걸어주면, 이런 차압에 의하여 샘플 저장실(21)의 혈액 샘플이 슬릿채널(22)을 통하여 폐샘플 저장실(23)로 유입된다. 이 때, 유입되는 혈액 샘플의 체적에 의하여 밀폐된 폐샘플 저장실(23)의 압력은 초기의 압력에서 점차 증가하면서 최종적으로는 두 저장실간에 압력 평형을 이루며 측정이 완료된다. 즉,도 6 에서 보듯이 차압은 지수함수적으로 감소하며 시간이 지날수록 점근적으로 평형압력에 도달하게 된다.Also, in the case of the pressurized driving method as described above, the pressure difference between the pressure of the
이상의 본 발명은 상기에서 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and changes can be made by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.
상기와 같은 본 발명은 매우 짧은 시간 내에 미소량의 혈액을 이용하여 혈구의 변형성 측정이 가능하며, 다수의 혈구들의 변형성 분포 특성을 한 번의 측정을 통해서 얻을 수 있다는 우수한 효과가 있다.The present invention as described above can measure the deformability of blood cells using a small amount of blood in a very short time, there is an excellent effect that the deformable distribution characteristics of a plurality of blood cells can be obtained through one measurement.
또한, 본 발명은 혈액 샘플이 접촉하는 부분은 모두 일회용 키트로 제작 가능하기 때문에 진료현장에서의 실시간 임상 적용에 매우 유리하다는 우수한 효과가 있다.In addition, the present invention has an excellent effect that is very advantageous for real-time clinical application in the treatment field because all the parts in contact with the blood sample can be produced in a disposable kit.
또한, 본 발명은 시간에 따라 가변의 압력을 가하여 다수의 전단력(shear stress)에 대하여 생명체 순환 혈액의 혈구 변형성을 측정할 수 있다는 우수한 효과가 있다.In addition, the present invention has an excellent effect of measuring the blood cell deformability of the circulating blood of the living body with respect to a plurality of shear stress by applying a variable pressure over time.
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