KR100781649B1 - 포토센서를 이용한 진단시료 분석시스템 - Google Patents

포토센서를 이용한 진단시료 분석시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 포토센서를 이용한 진단시료 분석시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수(N×M) 개의 포토센서 어레이를 하나의 회로기판에 장착하여 여러 종류의 진단시료를 동시에 측정하여 분석할 수 있는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 동시에 여러 종류의 진단시료를 측정하여 분석함으로써 시료의 분석시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 기존의 단색광장치를 대체하여 단색단파장 발광다이오드를 사용할 수 있으므로 그에 따른 시스템의 기기구입 비용을 절감할 수 있다.
분광광도계, 단색광, 발광다이오드, 포토센서, 진단시료

Description

포토센서를 이용한 진단시료 분석시스템{Diagnosis reagent analysis system using photosensor array}
도 1은 종래 분광광도계의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 진단시료 분석시스템의 회로구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 포토센서의 전류 증폭과정을 나타낸 상세 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 진단시료 분석과정을 설명하기 위한 단면 구성도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110: 광원(light source)
120: 포토센서 어레이(photosensor array)
130: 아날로그 스위치(analog S/W)
140: 증폭기 150: 아날로그/디지털 변환기(ADC)
160: 제어기(μ-com) 170: 로우디코더(row decoder)
180: 컬럼디코더(column decoder) 190: 저역통과필터(LPF)
200: 컴퓨터장치
본 발명은 포토센서를 이용한 진단시료 분석시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 복수 개의 포토센서 어레이를 하나의 회로기판에 장착하여 여러 종류의 진단시료를 동시에 분석할 수 있는 진단시료 분석시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 임상 화학적 검사란 질병의 진단이나 치료를 돕기 위해 인체에서 얻어지는 여러 가지 재료, 예컨대 혈액, 요, 뇌척수액, 위액, 분비물, 기타의 모든 체액 등을 화학적인 방법으로 검사하는 것을 말한다.
이러한 임상 화학적 검사법은 제한된 시간 내에 간편하면서도 필요 충분한 만큼 정확하게 결과를 낼 수 있어야 하는데, 현재 가장 널리 사용되는 방법은 분광광도계(spectrophotometer)를 이용한 비색법이다. 비색법이란 어떤 물질에 대한 미지의 농도가 나타내는 색을 그 물질 기지의 농도가 나타내는 색과 비교함으로써 그 농도를 구하는 방법이다.
이러한 분광광도계의 구조를 살펴보면, 도 1과 같이 광원(11), 단색광장치(12), 큐벳(cuvette)(13), 검출기(14), 검류계(galvanometer)(15)로 구성되어 있다.
광원(11)은 가시부나 장파장 자외선의 광원으로 텅스텐 램프(tungsten lamp) 를 사용하고, 360nm 이하의 단파장 자외선을 얻기 위해서 수소(hydrogen)를 이용한 듀테륨 램프(deuterium lamp)를 사용한다. 또한, 단색광장치(12)는 프리즘이나 회절격자를 사용하고 있으며, 이것은 슬릿(slit)을 통과한 백색광을 연속분광으로 전환시켜 주게 된다.
이때, 분광된 빛의 파장 중 특정 단색광 파장을 선택하여 시료가 담겨져 있는 큐벳(13)을 통과하게 되면, 일부는 시료 중의 물질에 흡수되고 나머지는 투과된다. 이 투과광선은 검출기(포토튜브(phototube) 또는 포토셀(photocell))(14)에서 광 에너지가 전기에너지로 전환되고 증폭기에서 다시 증폭되어 검류계(15)에서 측정된다.
좀 더 상세히 살펴보면, 분광광도계의 광원으로는 여러 가지 파장의 빛이 합쳐진 백색광이 사용되고 있으며, 이것은 단일파장이 얻어지도록 단색광장치(12)를 통과한다.
예컨대, 길이가 b인 시료에 복사 세기가 Po 인 단색 파장의 빛을 쪼여주고 반대편 쪽으로 시료를 통과하여 나온 빛의 세기를 P 라고 하면, 빛의 일부는 시료에 의해서 흡수될 것이므로 P ≤ Po 가 된다.
이때, 투광도 T는 원래의 쪼여준 빛과 시료를 통과한 빛의 분율 (T = P/Po)로서 정의된다. 그러므로 투광도 T는 0에서 1의 범위를 갖게 되고, 퍼센트 투광도는 100T로서 0과 100% 사이의 범위를 갖게 된다.
또한, 흡광도에 대하여 살펴보면 [수학식 1]과 같이 정의된다.
Figure 112006030183689-pat00001
이때, 흡광도는 시료 중에 함유되어 있는 빛을 흡수하는 화학 종의 농도 c에 정비례하고, 흡광도 A와 몰 흡광계수 e의 값은 빛의 파장에 의존하기 때문에 비어(beer)의 법칙인 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112006030183689-pat00002
여기서, A는 흡광도,ε는 몰 흡광계수, λ는 빛의 파장, b는 빛이 통과한 시료의 길이, c는 시료의 농도를 나타낸다.
상술한 바와 같이, 종래의 분광광도계 시스템에는 슬릿을 통과한 백색광을 연속분광으로 전환시켜 주는 단색광장치를 필요로 하며, 또한 큐벳에는 한 번에 한가지의 시료만을 사용하여 검출기를 통해 진단시료를 검사할 수 있었다.
이러한 종래 분광광도계의 시스템은 설비의 가격 및 시료의 측정시간에 있어서 비효율적이었다.
한편, 본 발명과 관련된 종래의 공지기술로서 “공개번호 특2002-0035101(2002.05.09), 물질측정방법 및 이 측정방법에 사용되는 측정시료”이라는 기술이 공개되어 있다.
공개특허에서의 물질측정 방법은 시료 조제와 광열 변환 검출법에 의한 검출을 마이크로 칩의 모세관 중에서 행하기 때문에 생체성분 유래 시료 중의 헤모글로빈, ALP 등의 물질의 양을 극미량의 생체성분 유래 시료에서 간편하고 단시간에 측정할 수 있으며, 그 측정에 의해 발생되는 폐기물도 적다는 장점이 있다.
하지만, 공개특허도 상기에서 언급한 종래 기술과 마찬가지로 한번에 한 종류의 시료만을 측정하여 분석할 수 있는 기술로서 한번에 여러 종류의 시료를 동시에 측정하여 분석할 수 있는 본 발명의 기술과는 상이한 차이점이 존재한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 복수(N×M) 개의 포토센서 어레이를 하나의 회로기판에 장착하여 여러 종류의 진단시료를 동시에 측정하여 분석할 수 있는 진단시료 분석시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 동시에 여러 종류의 진단시료를 측정하여 분석함으로써 시스템의 기기구입 비용 절감 및 시료의 분석시간을 단축시킬 수 있는 진단시료 분석시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명에 의하면, N×M 개의 포토다이오드로 배열되어 구성되며, 광원으로부터 진단시료를 투과하는 빛을 감지하여 행(row)과 열(column) 신호라인으로 전달하는 포토센서 어레 이; 상기 포토센서 어레이로부터 전달된 빛을 각각의 선택신호에 의해 스위칭 출력하는 N개의 아날로그 스위치; 상기 아날로그 스위치의 출력레벨 전류를 증폭하여 전압으로 변환하는 증폭기; 상기 증폭기로부터 출력 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기; 상기 광원의 빛의 세기를 제어하고 PWM 신호를 출력하며, 상기 포토센서 어레이의 열과 행 신호라인을 제어하여 진단시료의 측정데이터를 판독하는 제어기; 상기 제어기의 제어신호에 의해 로우 어드레스 신호를 디코딩하는 로우디코더; 상기 제어기의 제어신호에 의해 컬럼 어드레스 신호를 디코딩하는 컬럼디코더; 상기 제어기로부터 출력된 PWM 신호에 대한 특정주파수 신호를 필터링하는 저역통과필터; 및 통신선로를 이용하여 상기 제어기의 제어신호에 의해 진단시료의 측정데이터를 전송받아 분석한 후 이를 저장하는 컴퓨터장치;를 포함하여 구성된 진단시료 분석시스템을 제시한다.
본 발명의 진단시료 분석시스템에 의하면, 상기 광원은 단색단파장의 발광다이오드(LED) 배열로 구성되며, 상기 포토센서 어레이에 대면하여 빛을 인가하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 진단시료 분석시스템에 의하면, 상기 제어기는 포토센서 어레이의 출력레벨이 작을 경우 광원에 인가되는 전압 및 발광다이오드(LED)의 전류를 증가시켜 빛의 세기를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 진단시료 분석시스템에 의하면, 상기 제어기는 포토센서 어레이의 행과 열 신호라인을 제어하여 광원과 포토센서 어레이간의 출력레벨 전압 차(差)에 대한 측정데이터를 읽어들인 후 통신선로를 통해 컴퓨터장치로 전달하는 것을 특징 으로 한다.
본 발명의 진단시료 분석시스템에 의하면, 상기 컴퓨터장치는 광원과 포토센서 어레이간의 출력레벨 전압 차(差)에 대한 측정데이터를 분석하여 진단시료의 특성을 파악하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 설명에 앞서 본 발명과 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 기술은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 진단시료 분석시스템의 회로구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 포토센서의 전류 증폭과정을 나타낸 상세 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 진단시료 분석시스템은 광원(light source)(110); N×M 개의 포토센서 어레이(photosensor array)(120); N개의 아날로그 스위치(analog S/W)(130); 증폭기(140); 아날로그/디지털 변환기(Analog to Digital Convertor: ADC)(150); 제어기(μ-com)(160); 로우디코더(row decoder)(170); 컬럼디코더(column decoder)(180); 저역통과필터(Low Pass Filter)(190); 컴퓨터장치(PC)(200);로 구성되어 있다.
광원(110)은 단색단파장의 발광다이오드(LED) 배열로 구성되어 포토센서 어 레이(120)에 대면하여 빛을 인가하여 준다.
포토센서 어레이(120)는 하나의 회로기판에 N×M 개의 포토다이오드가 배열되어 장착되며, 광원(110)으로부터 진단할 시료를 투과하는 빛의 량을 감지하여 행(row)과 열(column) 신호라인에 의해 연결된 N개의 아날로그 스위치(analog S/W)(120)로 전달해준다.
여기서, 진단시료란 인체에서 얻어지는 혈액, 요, 뇌척수액, 위액, 분비물, 기타의 모든 체액 등을 총괄하여 말한다.
아날로그 스위치(130)는 포토센서 어레이(120)로부터 전달된 빛을 각각의 소정 선택신호에 의해 스위칭 출력하여 준다.
증폭기(140)는 아날로그 스위치(130)의 스위칭 출력을 증폭하여 준다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 테스트할 진단시료의 양측 단에는 PWM 신호를 적분하는 적분기와 연결된 광원(110)의 발광 다이오드(D1,LED)와, 상기 발광 다이오드의 미소전류를 증폭하는 제 1 및 제 2증폭기(AMP 1A,AMP 1B)와 연결된 포토센서 어레이(120)의 수광 다이오드(D2,PD)가 각각 대면하도록 위치하여 포토센서 어레이(120)에 인가되어 생성된 전류를 증폭하여 전압으로 변환하여 준다.
아날로그/디지털 변환기(ADC)(150)는 증폭기(140)로부터 출력 증폭된 아날로그 신호를 8비트의 디지털 신호로 변환하여 준다.
제어기(μ-com)(160)는 기본적으로 광원(110)의 빛의 세기를 제어하며, 포토센서 어레이(120)의 출력레벨이 작을 경우 광원(110)에 인가되는 전압을 증가시켜 발광다이오드(LED)의 전류를 증가시킴으로써 빛의 세기를 조절할 수 있도록 제어한 다.
이를 위해 제어기(160)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 출력하고 이를 적분한 후 발광다이오드(LED)에 인가되어 생성된 직류(DC) 전압을 이용하여 광원(110)의 빛의 세기를 조절하게 된다.
또한, 제어기(160)는 포토센서 어레이(120)의 열과 행 신호라인을 제어하여 각각의 포토센서 출력레벨을 디지털/아날로그 변환기(ADC)(150)를 통해 디지털 신호로 변환하여 판독한다.
또한, 제어기(160)는 포토센서 어레이(120)의 행과 열 신호라인을 제어하여 광원(110)과 포토센서 어레이(120) 간의 출력레벨 전압 차(差)에 대한 측정데이터를 읽어들인 후 통신선로를 통해 컴퓨터장치(200)로 전달한다.
로우디코더(170)는 제어기(160)의 제어신호에 의해 로우(row) 어드레스 신호를 디코딩하며, 컬럼디코더(180)는 제어기(160)의 제어신호에 의해 컬럼(column) 어드레스 신호를 디코딩한다.
저역통과필터(LPF)(190)는 제어기(160)의 PWM 신호에 대한 특정주파수 이하의 신호만을 필터링한다.
컴퓨터장치(200)는 통신선로(케이블)를 이용하여 제어기(160)의 제어신호에 의해 진단시료 측정데이터를 주고 받으며, 제어기(160)로부터 진단시료 측정데이터를 분석한 후 이를 저장한다. 즉, 광원(110)과 포토센서 어레이(120)간의 출력레벨 전압 차(差)에 대한 측정데이터를 분석하여 진단시료의 특성을 파악하게 된다.
이어서, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 진단시료 분석과정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 진단시료 분석시스템은 광원(110)의 발광다이오드(LED)와 포토센서 어레이(120)의 포토다이오드 사이에 진단하고자 하는 시료가 담긴 플레이트가 배열되도록 구성되어 있다.
이때, 진단할 시료를 담은 플레이트를 포토센서 어레이(120)와 광원(110)의 발광다이오드(LED) 중간에 위치시킨 후, 발광다이오드(LED)에 전압을 인가하는 경우 배열된 발광다이오드(LED)에는 거의 같은 양의 전류가 흐르게 된다. 또한, 발광다이오드(LED)의 빛의 세기도 거의 같은 레벨이 출력된다.
그러나, 진단하고자 하는 시료들 사이에는 진단하고자 하는 목적에 따라 시료들의 농도가 달라져 빛의 투과율에 따른 출력레벨의 차(差)가 발생된다. 즉, 진단할 시료들을 통과하여 포토다이오드에 도달하는 빛의 양에 따라 출력레벨의 차(差)가 발생된다. 이에 따라 포토다이오드에 흐르는 전류 차(差)가 발생되어 최종적으로 출력레벨의 전압도 차이가 나게 된다.
따라서, 본 발명에서는 각각의 포토센서 어레이(120)를 제어하여 출력레벨에 따른 전압 차에 대한 측정데이터를 제어기(160)에서 읽어들인 후 통신선로를 통해 컴퓨터장치(200)에 전달하며, 컴퓨터장치(200)에서는 이 측정데이터들을 분석함으로써 원하는 진단시료의 특성을 파악할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하 는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 기술적 범위 내에 포함된다 할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 진단시료 분석시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에서는 단색광 파장의 발광다이오드(LED)를 광원으로 사용하므로 기존의 단색광장치가 불필요하다.
둘째, 기존의 큐벳은 한 번의 측정에 한 가지 시료만 가능하였으나 본 발명에서는 예컨대, 6x6 멀티-웰(multi-well) 플레이트(plate)를 사용하여 한 번의 측정으로 30가지 이상의 시료를 동시에 측정할 수 있으며, 웰(well)의 크기가 기존의 큐벳보다 작으므로 소모되는 시료의 가격을 절감할 수 있다.
셋째, 기존의 분광광도계 시스템에서의 검출기 부분과 다르게 본 발명에서는 30가지 이상의 시료를 동시에 측정할 수 있도록 예컨대, 6x6 포토다이오드(photodiode) 배열을 장착하여 시스템을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 동시에 여러 종류의 진단시료를 측정하여 분석함으로써 시료의 분석시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 기존의 단색광장치를 대체하여 단파장 발광다이오드를 사용할 수 있으므로 그에 따른 시스템의 기기구입 비용을 절감할 수 있다.

Claims (5)

  1. N×M 개의 포토다이오드로 배열되어 구성되며, 광원으로부터 진단시료를 투과하는 빛의 량을 감지하여 행(row)과 열(column) 신호라인으로 전달하는 포토센서 어레이;
    상기 포토센서 어레이로부터 전달된 빛을 각각의 선택신호에 의해 스위칭 출력하는 N개의 아날로그 스위치;
    상기 아날로그 스위치의 출력레벨 전류를 증폭하여 전압으로 변환하는 증폭기;
    상기 증폭기로부터 출력 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;
    상기 광원의 빛의 세기를 제어하고 PWM 신호를 출력하며, 상기 포토센서 어레이의 열과 행 신호라인을 제어하여 진단시료의 측정데이터를 판독하는 제어기;
    상기 제어기의 제어신호에 의해 로우 어드레스 신호를 디코딩하는 로우디코더;
    상기 제어기의 제어신호에 의해 컬럼 어드레스 신호를 디코딩하는 컬럼디코더;
    상기 제어기로부터 출력된 PWM 신호에 대한 특정주파수 신호를 필터링하는 저역통과필터; 및
    통신선로를 이용하여 상기 제어기의 제어신호에 의해 진단시료의 측정데이터 를 전송받아 분석한 후 이를 저장하는 컴퓨터장치;
    를 포함하여 구성된 진단시료 분석시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 광원은 단색단파장의 발광다이오드(LED) 배열로 구성되며, 상기 포토센서 어레이에 대면하여 빛이 인가되는 것을 특징으로 하는 진단시료 분석시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 포토센서 어레이의 출력레벨이 작을 경우 광원에 인가되는 전압 및 발광다이오드(LED)의 전류를 증가시켜 빛의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 진단시료 분석시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는 포토센서 어레이의 행과 열 신호라인을 제어하여 광원과 포토센서 어레이간의 출력레벨 전압 차(差)에 대한 측정데이터를 읽어들인 후 통신선로를 통해 컴퓨터장치로 전달하는 것을 특징으로 하는 진단시료 분석시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 컴퓨터장치는 광원과 포토센서 어레이간의 출력레벨 전압 차(差)에 대한 측정데이터를 분석하여 진단시료의 특성을 파악하는 것을 특징으로 하는 진단시료 분석시스템.
KR1020060038677A 2006-04-28 2006-04-28 포토센서를 이용한 진단시료 분석시스템 KR100781649B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5745405A (en) 1980-09-03 1982-03-15 Hitachi Ltd Light spot position detector
JP2000221005A (ja) 1999-01-29 2000-08-11 Hamamatsu Photonics Kk 固体撮像装置
JP2002340676A (ja) 2001-05-16 2002-11-27 Canare Electric Co Ltd 多チャンネル変調分光計測方法及び多チャンネル変調分光計測装置

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