KR100676694B1 - 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치에 관한 것으로, 적혈구가 지나갈 수 있는 마이크로 채널과, 마이크로 채널의 내부에 설치된 상태에서 인가전압에 따라 변위되어 마이크로 채널 내를 지나가는 적혈구에 압력을 가해 변형시키는 압전 소자와, 압전 소자의 인가전압을 조절하여 적혈구에 가해지는 압력을 조절하는 제어부와, 압전 소자에 의해 가해진 압력에 따른 적혈구의 변형성을 측정하는 변형률 측정수단을 포함하며, 마이크로 채널 내부에서 압전 소자를 이용하여 직접적으로 적혈구를 변형시키고 그 변형성을 정량적으로 측정함으로써, 적혈구의 변형성에 대한 정량적인 데이터를 쉽고 정확하게 얻을 수 있는 이점이 있다.
적혈구, 변형률, 유변학적 특성, 압전 효과

Description

압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치{RBC DEFORMATION MEASURING DEVICE USING PIEZOELECTRIC}
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 적혈구 110 : 마이크로 채널
120, 310 : 압전 소자 130 : 제어부
140 : 촬영부 150, 240, 320 : 측정부
210 : 가요성 막 220 : 공기실
230 : 압력센서
본 발명은 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 채널 내부에서 압전 소자를 이용하여 직접적으로 적혈구를 변형시키고 그 변형성을 정량적으로 측정하는 적혈구 변형률 측정장치에 관한 것이 다.
주지와 같이, 우리 인체를 구성하고 있는 조직의 세포들이 살아가기 위해서는 각 세포에 영양분과 산소가 공급되어야 된다. 이러한 물질 전달기능을 혈액이 담당하고 있으며, 질량 전달을 효과적으로 해주기 위해 아주 미세한 모세 혈관을 혈액이 지나게 된다. 일반적으로 모세혈관의 크기는 2∼5 ㎛이고 적혈구는 그 크기가 평균 7∼8㎛이므로 모세 혈관의 직경이 피 속에 있는 혈구의 크기보다 작다. 이 때문에 혈구들이 자기보다 작은 모세 혈관 속으로 지나 갈 수 있도록 그 형태를 변형시켜야 한다. 당뇨병은 피 속에 있는 이들 세포들이 그 형태를 변형시키지 못하여 모세 혈관을 쉽게 통과하지 못하는 병이다. 혈액을 구성하는 물질들 중에서 적혈구는 거의 50% 정도의 부피를 차지하고 있다. 이러한 적혈구들의 탄력성이 줄어들 경우에는 혈액이 모세 혈관을 지나 갈 수 없게 되어 모세 혈관이 막히게 되고 이에 따라 주위의 세포가 죽게 되어 신장염, 허혈, 심지어 시력을 잃어버리게 된다.
한편, 적혈구의 변형률을 측정하는 종래의 방법으로는 필터를 이용하는 방법과 레이저 회절을 이용하는 방법, 그리고 전단응력 변화에 따른 적혈구의 형상변화를 직접적으로 관찰하는 방법과 마이크로 피펫을 이용하여 변형률을 측정하는 방법 등이 사용되고 있다.
이러한 종래 방식의 대부분은 적혈구에 직접적으로 힘을 가하여 변형률을 측정하는 방식이 아니다. 예를 들어 마이크로 피펫을 이용한 방식의 경우, 적혈구의 변형성에 대한 정량적인 데이터를 얻기 어려우며 실험자가 직접 피펫으로 적혈구에 힘을 가하기 때문에 많은 노력과 시간이 요구되며 정확도도 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 그 제 1 목적은 마이크로 채널 내부에서 압전 소자를 이용하여 직접적으로 적혈구를 변형시키고 원래의 형상으로 되돌아오는 영상을 취득하여 취득 영상으로부터 그 변형성을 정량적으로 측정하는 적혈구 변형률 측정장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 마이크로 채널 내부에서 압전 소자를 이용하여 직접적으로 적혈구를 변형시키고 변형 중의 압력 변화를 측정하여 그 압력값 변화 특성에 따라 변형성을 정량적으로 측정하는 적혈구 변형률 측정장치를 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적들을 실현하기 위한 본 발명에 따른 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치는, 적혈구가 지나갈 수 있는 마이크로 채널과, 마이크로 채널의 내부에 설치된 상태에서 인가전압에 따라 변위되어 마이크로 채널 내를 지나가는 적혈구에 압력을 가해 변형시키는 압전 소자와, 압전 소자의 인가전압을 조절하여 적혈구에 가해지는 압력을 조절하는 제어부와, 압전 소자에 의해 가해진 압력에 따른 적혈구의 변형성을 측정하는 변형률 측정수단을 포함한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해 할 수 있게 된다. 그러나 본 발명은 이러한 실시 예로 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면 적혈구 변형률 측정장치는, 적혈구(1)가 지나갈 수 있는 노즐형 마이크로 채널(110)과, 마이크로 채널(110)의 내부에 설치된 상태에서 인가전압에 따라 변위되어 마이크로 채널(110) 내를 지나가는 적혈구(1)에 압력을 가해 변형시키는 압전 소자(120)와, 압전 소자(120)의 인가전압을 조절하여 적혈구(1)에 가해지는 압력을 조절하는 제어부(130)와, 변형된 적혈구(1)가 원래의 형상으로 되돌아오는 영상을 취득하는 촬영부(140)와, 취득 영상으로부터 적혈구(1)의 이완시간(relaxation time)을 측정하여 변형률을 측정하는 측정부(150)를 포함하여 구성된다.
압전 소자(120)는 압전 효과가 큰 로셸염, 티탄산 바륨 등을 사용하여 압력-전기 변환을 하는 소자이다. 즉, 특수한 결정구조에 외부적인 힘을 가하여 변형을 주면 그 표면에 전압이 발생하고, 반대로 결정에 전압을 걸면 변위나 힘이 발생하는 소자이다.
촬영부(140)와 측정부(150)는 압전 소자(120)에 의해 가해진 압력에 따른 적혈구(1)의 변형성을 정량적으로 측정하기 위한 변형률 측정수단의 실시 예로서, 도 2와 도 3을 참조하여 설명될 다른 실시 예에서는 여타의 구성요소로 대체된다. 촬영부(140)는 고속 카메라, 일반 비디오 카메라, CCD 카메라 등으로 구현할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 적혈구(1)가 지나갈 수 있는 적당한 크기의 노즐형 마이크로 채널(110)을 제작한다. 예를 들면 압전 소자(120)가 설치될 채널의 폭을 8㎛, 높이를 2㎛가 되도록 제작한다. 이것은 적혈구(1)의 변형이 3차원이 아닌 2차원 형태로 일어나게 하고 마이크로 채널(110)의 내부를 적혈구(1)들이 겹치지 않게 지나가도록 하기 위함이다. 그리고, 채취한 혈액에서 추출한 적혈구(1)를 마이크로 채널(110)의 내부에 채운다.
이와 같은 준비 상태에서 제어부(130)가 압전 소자(120)에 순간적인 펄스형태의 전기신호를 인가하면 압전 소자(120)의 특성으로 인해 변위가 발생하게 된다. 이때 압전 소자(120)의 변위에 기인하여 적혈구(1)를 기계적으로 누르게 되면서 적혈구(1) 주위의 유체는 빠져나가고 적혈구(1)는 변형하게 된다. 여기서, 압전 소자(120)의 변위는 전기적 신호로 제어가 가능하기 때문에 적혈구(1)에 가하는 힘을 능동적으로 조절할 수 있다.
다음으로, 제어부(130)가 압전 소자(120)에 인가하던 전기신호를 차단하여 적혈구(1)에 가해지는 힘을 제거하며, 변형률 측정수단인 촬영부(140) 및 측정부(150)는 적혈구(1)의 변형률을 정량적으로 측정하게 된다.
변형률 측정과정을 상술하면, 변형되어 있던 적혈구(1)는 압전 소자(120)에 의한 압력이 제거되면 원래의 형상으로 되돌아오는 데, 촬영부(140)는 변형된 적혈구(1)가 원래의 형상으로 되돌아오는 영상을 취득하며, 측정부(150)는 취득 영상으 로부터 적혈구(1)의 이완시간을 측정하여 그 변형률을 측정하는 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면 적혈구 변형률 측정장치는, 적혈구(1)가 지나갈 수 있는 노즐형 마이크로 채널(110)과, 마이크로 채널(110)의 내부에 설치된 상태에서 인가전압에 따라 변위되어 마이크로 채널(110) 내를 지나가는 적혈구(1)에 압력을 가해 변형시키는 압전 소자(120)와, 압전 소자(120)의 인가전압을 조절하여 적혈구(1)에 가해지는 압력을 조절하는 제어부(130)와, 압전 소자(120)에 의해 적혈구(1)가 압축되는 마이크로 채널(110)의 소정 부위를 대체하는 가요성 막(flexible membrane)(210)에 의해 격리된 형태로 상기 마이크로 채널(110)에 일체로 설치된 공기실(air chamber)(220)과, 압전 소자(120)에 의해 적혈구(1)가 압축될 때에 공기실(220)의 압력을 측정하는 압력센서(230)와, 측정된 압력값의 변화율에 의거하여 적혈구(1)의 변형률을 측정하는 측정부(240)를 포함하여 구성된다.
가요성 막(210), 공기실(220), 압력센서(230) 및 측정부(240)는 압전 소자(120)에 의해 가해진 압력에 따른 적혈구(1)의 변형성을 정량적으로 측정하기 위한 변형률 측정수단의 실시 예로서, 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 제 1 실시 예에서의 촬영부(140) 및 측정부(150)의 기능을 대체한다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 실시 예와 같은 준비 상태에서 제어부(130)가 압전 소자(120)에 순간적인 펄스형태의 전기신호를 인가하면 압전 소자(120)의 특성으로 인해 변위가 발생하게 된다. 이때 압전 소자(120)의 변위에 기인하여 적혈구(1)를 기계적으로 누르게 되면서 적혈구(1) 주위의 유체는 빠져나가고 적혈구(1)는 변형하게 된다. 여기서, 압전 소자(120)의 변위는 전기적 신호로 제어가 가능하기 때문에 적혈구(1)에 가하는 힘을 능동적으로 조절할 수 있다.
이때, 변형률 측정수단인 가요성 막(210), 공기실(220), 압력센서(230) 및 측정부(240)는 적혈구(1)의 변형률을 정량적으로 측정하게 된다.
변형률 측정과정을 상술하면, 압전 소자(120)의 변위에 의해 적혈구(1)가 눌려지면 가요성 막(210)이 함께 눌려져서 공기실(220)의 용적이 감소되며, 용적 감소에 따라 공기실(220)의 내부 압력이 변화된다. 이러한 공기실(220)의 압력 변화값은 압력센서(230)에 의해 측정부(240)로 전달되며, 측정부(240)는 측정된 압력값의 변화율에 의거하여 적혈구(1)의 변형률을 측정한다. 이때 변형률이 높은 적혈구(1)의 경우에는 압력 변화율이 높게 측정될 것이며 변형률이 낮은 적혈구(1)의 경우에는 낮은 압력 변화율을 가지게 된다. 이 방식의 경우에는 인위적으로 적혈구(1)의 탄력성을 조절할 수 있으므로 적혈구(1) 변형에 따른 압력값 변화에 대한 데이터베이스를 구축할 수 있으며, 이를 이용하여 임상적으로 적혈구(1)의 변형률을 측정할 수 있는 것이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면 적혈구 변형률 측정장치는, 적혈구(1)가 지나갈 수 있는 노 즐형 마이크로 채널(110)과, 마이크로 채널(110)의 내부에 설치된 상태에서 인가전압에 따라 변위되어 마이크로 채널(110) 내를 지나가는 적혈구(1)에 압력을 가해 변형시키는 압전 소자(120)와, 압전 소자(120)의 인가전압을 조절하여 적혈구(1)에 가해지는 압력을 조절하는 제어부(130)와, 압전 소자(120)에 의해 적혈구(1)가 압축되는 마이크로 채널(110)의 소정 부위 외부에 설치된 상태에서 적혈구(1)의 압축에 의해 전달받은 압력에 비례하는 전기신호를 출력하는 압전 소자(310)와, 압전 소자(310)로부터 제공되는 전기신호의 변화율에 의거하여 적혈구(1)의 변형률을 측정하는 측정부(320)를 포함하여 구성된다.
압전 소자(310) 및 측정부(320)는 압전 소자(120)에 의해 가해진 압력에 따른 적혈구(1)의 변형성을 정량적으로 측정하기 위한 변형률 측정수단의 실시 예로서, 도 1을 참조하여 설명한 본 발명의 제 1 실시 예에서의 촬영부(140) 및 측정부(150)의 기능을 대체하거나, 도 2를 참조하여 설명한 본 발명의 제 2 실시 예에서의 가요성 막(210), 공기실(220), 압력센서(230) 및 측정부(240)의 기능을 대체한다.
이와 같은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 적혈구 변형률 측정장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 제 1 실시 예 및 제 2 실시 예와 같은 준비 상태에서 제어부(130)가 압전 소자(120)에 순간적인 펄스형태의 전기신호를 인가하면 압전 소자(120)의 특성으로 인해 변위가 발생하게 된다. 이때 압전 소자(120)의 변위에 기인하여 적혈구(1)를 기계적으로 누르게 되면서 적혈구(1) 주위의 유체는 빠져나가고 적혈구(1) 는 변형하게 된다. 여기서, 압전 소자(120)의 변위는 전기적 신호로 제어가 가능하기 때문에 적혈구(1)에 가하는 힘을 능동적으로 조절할 수 있다.
이때, 변형률 측정수단인 압전 소자(310) 및 측정부(320)는 적혈구(1)의 변형률을 정량적으로 측정하게 된다.
변형률 측정과정을 상술하면, 압전 소자(120)의 변위에 의해 적혈구(1)가 눌려질 때에 적혈구(1)가 압축되는 마이크로 채널(110)의 소정 부위 외부에 설치된 압전 소자(310)에는 적혈구(1)의 압축에 의해 압력이 전달 및 인가된다. 그러면 압전 소자(310)는 전달받은 압력에 비례하는 전기신호를 출력하며, 측정부(320)는 압전 소자(310)로부터 제공되는 전기신호의 변화율에 의거하여 적혈구(1)의 변형률을 측정하는 것이다.
한편, 본 발명의 제 1 내지 제 3 실시 예에서 예시한 압전소자, 압력센서 등의 마이크로 부품들은 바이오칩 또는 랩온어칩으로 제작할 수 있다.
지금까지의 상세한 설명에서는 본 발명의 실시 예에 국한하여 설명하였으나, 이하의 특허청구범위에 기재된 기술사상의 범위 내에서 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 수 있음이 자명하다.
전술한 바와 같이 본 발명은 마이크로 채널 내부에서 압전 소자를 이용하여 직접적으로 적혈구를 변형시키고 그 변형성을 정량적으로 측정함으로써, 적혈구의 변형성에 대한 정량적인 데이터를 쉽고 정확하게 얻을 수 있다. 이로써, 임상에 적용하면 손쉽고 빠르게 환자들 혈액의 유변학적 특성을 진단할 수 있는 효과가 있 다.

Claims (4)

  1. 적혈구가 지나갈 수 있는 마이크로 채널과,
    상기 마이크로 채널의 내부에 설치된 상태에서 인가전압에 따라 변위되어 상기 마이크로 채널 내를 지나가는 상기 적혈구에 압력을 가해 변형시키는 압전 소자와,
    상기 압전 소자의 인가전압을 조절하여 상기 적혈구에 가해지는 압력을 조절하는 제어부와,
    상기 압전 소자에 의해 가해진 압력에 따른 상기 적혈구의 변형성을 측정하는 변형률 측정수단
    을 포함하는 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 변형률 측정수단은, 상기 변형된 적혈구가 원래의 형상으로 되돌아오는 영상을 취득하는 촬영부와, 상기 취득 영상으로부터 상기 적혈구의 이완시간을 측정하여 변형률을 측정하는 측정부
    를 포함하는 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 변형률 측정수단은, 상기 압전 소자에 의해 상기 적혈구가 압축되는 상기 마이크로 채널의 소정 부위를 대체하는 가요성 막에 의해 격리된 형태로 상기 마이크로 채널에 일체로 설치된 공기실과, 상기 압전 소자에 의해 상기 적혈구가 압축될 때에 상기 공기실의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 측정된 압력값의 변화율에 의거하여 상기 적혈구의 변형률을 측정하는 측정부
    를 포함하는 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 변형률 측정수단은, 상기 압전 소자에 의해 상기 적혈구가 압축되는 상기 마이크로 채널의 소정 부위 외부에 설치된 상태에서 상기 적혈구의 압축에 의해 전달받은 압력에 비례하는 전기신호를 출력하는 외부 압전 소자와, 상기 외부 압전 소자로부터 제공되는 전기신호의 변화율에 의거하여 상기 적혈구의 변형률을 측정하는 측정부
    를 포함하는 압전 효과를 이용한 적혈구 변형률 측정장치.
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