KR100875996B1 - 바이오칩 리더기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바이오 미세 전기기계 소자(Bio-MEMS) 분야에서 삼색 광원을 이용해 바이오칩 또는 스트립칩으로부터 보다 정확한 광학적 감지 결과를 획득할 수 있는 리더기에 관한 것으로, 삽입된 분석 대상 칩을 판독하는 리더기에 있어서, 삼색 발광 소자로 구성된 발광수단; 상기 발광수단에 의해 발생된 광이 상기 분석 대상 칩에 의해 반사되거나 굴절되거나 투과되어 전달되는 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수광수단; 상기 분석 대상 칩이 장착되면, 상기 발광수단을 스위칭 형태로 제어하여 구동시키고, 상기 수광수단에 의해 변환된 전기적 신호를 전달받아 분석하는 처리수단; 상기 처리수단에 의해 구동되는 프로그램을 저장하고, 상기 처리수단에 의해 처리된 분석 결과를 일시 저장하는 메모리수단; 및 상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 표시하는 표시수단을 포함한다.
바이오 칩, 스트립 칩, 리더기, 판독, 삼색, 다이오드, 발광, 수광

Description

바이오칩 리더기{Biochip Reader Apparatus}
본 발명은 바이오칩 리더기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바이오 미세 전기기계 소자(Bio-MEMS) 분야에서 바이오칩 또는 스트립칩에서 얻은 광학적 감지 결과를 판정하고, 이 판독 결과를 송수신할 수 있는 바이오칩 리더기에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT신성장동력핵심기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-007-01, 과제명: 유비쿼터스 건강관리용 모듈 시스템].
일반적으로 스트립 칩에는 임신 혹은 배란 진단용 여성용 스트립 칩이 있다. 이 스트립 칩은 사용자에게 임신 혹은 배란 유무를 육안으로 확인할 수 있도록 그 결과를 표시한다. 이 스트립 칩은 별도의 보조 장치 없이 사용자가 간편하게 사용할 수 있다. 하지만, 이와 같은 스트립 칩은 니트로셀룰로스와 같은 다공성 시트를 이용하는 스트립 칩의 특성상 감지 결과로 나타나는 색깔 패턴을 육안으로 판별하기 어려운 감지 범위가 있어, 판별의 정확도가 떨어질 수 있는 단점이 있다. 그리 고, 이 스트립 칩은 검사 결과를 활용할 수 있도록 패턴을 저장할 수 있는 방법이 전혀 없어 활용에 많은 장애가 있다.
다른 예로, 두께를 통해 가시 광선 등의 빛이 투과할 수 있는 스트립 칩을 이용하여 분석된 광학적 패턴 결과를 판독하는 리더기가 있다. 대한민국 등록특허공보 10-251999호에는 유내패스 리미티드 사에 의해 등록된 "시험스트립용 판독장치"가 제시되어 있다.
등록특허 10-251999호에서는 빛이 투과할 수 있는 스트립 시트를 포함하는 스트립 칩에 대하여, 검출 구역 내에 검출 가능 물질을 직접 또는 간접적으로 검출할 수 있는 투과형 광 감지 방식의 판독 장치 및 상기 판독 장치와 함께 사용되는 분석 장치 및 이러한 장치들을 사용하는 것에 대하여 기술하고 있다. 이에 의하면 기존의 육안으로 패턴을 읽는 것보다 정확히 검사할 수 있다. 하지만, 이는 빛의 굴절에 의해 미약한 패턴을 읽을 때 정확도가 떨어질 수 있다. 그리고, 단순한 예/아니오 식의 판독용의 목적으로 사용되고 있으며, 자료를 저장하거나, 전송하기 위해서는 별도의 장치가 요구된다.
최근 언제 어디서나 일반인의 건강 상태를 검사하고 모니터링 할 수 있는 새로운 개념의 진단 및 판독 리더기의 개발이 절실히 요구되고 있으며, 기존 기술의 한계를 극복할 수 있는 진보된 방법이 요구되고 있다.
이를 위해 최근 발광 소자와 수광 소자 및 마이크로 프로세서를 이용한 판독기들이 제시되기도 한다.
하지만, 이와 같은 종래의 판독기들은 발광 소자로 단일 백색 광원을 사용하 고 있다. 그런데, 이와 같이 단일 백색 광원을 사용하는 경우 신호대 잡음비가 높아, 마이크로 프로세서에서 검출된 신호를 분석 판정하는데 있어, 판정 문턱치 값 근처에서 판정의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 바이오 미세 전기기계 소자(Bio-MEMS) 분야에서 삼색 광원을 이용해 바이오칩 또는 스트립칩으로부터 보다 정확한 광학적 감지 결과를 획득할 수 있는 리더기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 언제 어디서나 판독 결과를 원격지로 송신하거나 정보를 수신할 수 있는 바이오칩 리더기를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리더기는, 삽입된 분석 대상 칩을 판독하는 리더기에 있어서, 삼색 발광 소자로 구성된 발광수단; 상기 발광수단 에 의해 발생된 광이 상기 분석 대상 칩에 의해 반사되거나 굴절되거나 투과되어 전달되는 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수광수단; 상기 분석 대상 칩이 장착되면, 상기 발광수단을 스위칭 형태로 제어하여 구동시키고, 상기 수광수단에 의해 변환된 전기적 신호를 전달받아 분석하는 처리수단; 상기 처리수단에 의해 구동되는 프로그램을 저장하고, 상기 처리수단에 의해 처리된 분석 결과를 일시 저장하는 메모리수단; 및 상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 표시하는 표시수단을 포함한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리더기는, 삽입된 분석 대상 칩을 판독하는 리더기에 있어서, 삼색 발광 소자로 구성된 발광수단; 상기 발광수단에 의해 발생된 광이 상기 분석 대상 칩에 의해 반사되거나 굴절되거나 투과되어 전달되는 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수광수단; 상기 분석 대상 칩이 장착되면, 상기 발광수단을 스위칭 형태로 제어하여 구동시키고, 상기 수광수단에 의해 변환된 전기적 신호를 전달받아 분석하는 처리수단; 상기 처리수단에 의해 구동되는 프로그램을 저장하고, 상기 처리수단에 의해 처리된 분석 결과를 일시 저장하는 메모리수단; 상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 표시하는 표시수단; 상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 원격지 단말로 전송할 수 있도록 마련된 통신수단; 및 상기 발광수단과 상기 수광수단 사이에 설치되어, 상기 발광수단에 의해 발생된 광에 의한 간섭을 방지하기 위한 측벽을 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 삼색 광원을 사용하여 반사되는 색깔 및 빛의 강도 분석을 통해 종래의 리더기보다 정밀하게 판독할 수 있다. 또한, 본 발명은 RFID 및 무선 통신 모듈을 결합하여, 언제 어디서나 분석한 결과를 저장하여 원하는 곳으로 실시간 전송이 가능하다. 본 발명에 따른 리더기는 응급실, 개인 병원 사무실, 앰블런스 및 가정 등에서 전문인이나 일반인 모두에게 광범위하게 사용될 수 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 바이오칩 또는 스트립 칩을 통해 감지된 분석 결과를 기존의 육안에 의한 판정 또는 투과 특성을 이용한 판정에서 발생하던 부정확성을 개선하고, 또한 언제 어디서나 판정 결과를 병원 또는 개인 주치의 단말로 송신할 수 있도록 구성한데 그 특징이 있다. 이에 따라 본 발명은 감지된 바이오칩의 광학적 정보의 정성 혹은 정량적 분석을 신속하면서도 정확하게 수행하고, 사용자가 간단하게 판 독 결과를 알 수 있다. 또한, 본 발명은 무선 통신 모듈과 결합하여, 개인의 의료 정보를 특정 병원 또는 주치의의 단말로 전송함으로써, 앞으로 다가올 유비쿼터스 사회 환경에서 자신의 건강 관리를 용이하게 할 수 있다. 바이오칩의 대상 생체 물질로는 암 관련 바이오 마커와, 임신 혹은 배란 관련 호르몬, 개인 건강 상태를 나타내는 혈액과 같은 체액, 조류 독감과 같은 병원균 바이러스, 또는 중독성 약물 등이 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이오칩 리더기의 기능 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 리더기의 구조를 설명하기 위한 일부 상세 구성도이다.
본 발명에 따른 바이오칩 리더기는, 도1에 도시된 바와 같이, 삼색 광원으로 구성된 발광부(101)와, 상기 발광부에 의해 발생된 빛이 바이오칩을 통해 반사 또는 굴절 또는 투과되어 전달되는 빛을 수신하는 수광부(102)와, 상기 수광부(102)에 의해 수신된 전기적 신호를 증폭하는 증폭기(103)와, 상기 증폭기(103)에 의해 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(ADC)(104)와, 상기 ADC(104)를 통해 입력된 디지털 신호를 분석하는 마이크로 제어 유닛(MCU: Micro Control Unit)(105)과, 상기 MCU(105)에서 구동되는 프로그램을 저장하고, 상기 MCU(105)에 의해 판독된 데이터를 일시 저장하는 메모리(106)와, 상기 MCU(105)에 의해 분석된 정보를 표시하기 위한 표시부(LCD)(107)를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 리더기는, 상기 MCU(105)에 의한 판독 결과를 원격지로 전송하기 위한 통신 모듈(108)과, 바이오칩 내에서 분석이 효율적으로 이루어지도 록 하기 위해, 미세 유체의 이동과, 정지 및 혼합이 이루어질 수 있도록 구성된 유체제어 모듈을 포함하며, 상기 발광부(101)와 상기 수광부(102) 사이에 설치되어 광 판별이 효율적으로 수행되도록 하기 위한 측벽(202)을 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 바이오칩 리더기에서 발광부(101)는 적색(301), 녹색(302), 청색(303)의 3색 발광 다이오드(LED)를 각각 조합하여 구성된다.
일반적으로 단일 백색 광원을 사용하는 경우에는 신호대 잡음비가 높아 수광부에 의해 수신되어 MCU에서 분석되는 과정에서 판정 문턱치 값 근처에서 판정의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위해 본 발명에서는 삼색 광원(301 내지 303)을 조합한 형태로 발광부(101)를 구성한다. 이에 따라 본 발명은 신호대 잡음비를 대폭 줄일 수 있고, 또한 각 파장에 맞는 수광 다이오드 또는 트랜지스터를 이용할 경우 파장 및 밝기 분석을 동시에 할 수 있어, 정밀도가 향상되고, 바이오칩(201)의 분석 결과를 더 재현성 있게 읽어낼 수 있다. 이와 같은 발광부(101)의 3색 광원 소자(LED)들은 스위칭 형태로 비연속적으로 제어될 수 있다.
수광부(102)는 실리콘 광 다이오드(photo diode) 또는 광 트리오드(photo tride) 등과 같은 종래의 실리콘 센서 구성 요소가 사용될 수 있다. 센서를 어레이로 구성함으로써, 감도 및 바이오칩 장착의 용이성을 확보할 수도 있다.
한편, 발광부(101)와 수광부(102) 사이에는 발광부(101)에 의해 발광된 빛이 바로 수광부(102)로 전달되는 것을 방지하여, 광 식별의 정확도를 향상시키기 위해 측벽(202)이 설치된다.
또한, 본 발명에 따른 리더기는, 바이오칩 내에서의 분석이 효율적으로 이루어지도록 하기 위해 미세 유체의 이동과 정지 및 혼합이 이루어질 수 있도록 유체제어 모듈이 포함된다. 즉, 본 발명에 따른 리더기는 생체 시료의 분석을 용이하게 할 수 있도록 하기 위해 관련 용액(버퍼(buffer), 체액, 혈액 등)을 이동, 혼합, 정지가 가능한 유로를 포함하는 유체 제어 모듈이 구비된다. 상기 유체 제어 모듈은, 유체를 저장하기 위한 저장 탱크(203)와, 유체를 이송하기 위한 펌프(204)와, 유체의 이송을 제어하기 위한 밸브(205)와, 유체 제어용 혼합기(206)를 포함할 수 있다. 유체의 이동과 정지 및 혼합을 위한 구동은 정전 모터, 압전 펌프, 유압 혹은 공압, 초음파 등 기존의 다양한 구동 방식이 이용될 수 있다.
한편, 스트립칩 혹은 바이오칩(201)이 리더기에 장착되는 과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
스트립칩 또는 바이오칩(201)은 리더기에 설치된 탄성체(스프링)를 포함하는 레버를 이용하여 삽입되고, 지정된 위치에 이르면 레버에 형성되는 홈에 고정된다. 이 때, 바이오칩 상부 부분에는 리더기에 장착되어 있는 스프링과 결합된 칩 고정용 구조물이 설치되어 있어, 이 칩 고정용 구조물에 의해 분석시에 바이오칩이 외부의 충격이나 요동에 관계없이 측정 가능하게 된다.
또한 바이오칩의 탈장착을 용이하게 하기 위하여 추가적으로 틸팅 스프링과 결합되는 탈착용 레버가 설치되어 있다. 또한 리더기 상부 케이스와 하부 케이스를 클립 형태의 부가적인 구조물을 이용하여 강제적으로 체결하거나 리더기 상부 케이 스와 하부 케이스 중 하나에 양각 모양의 홈을 만들고 나머지 하나에 음각 모양의 홈을 만들어 끼우는 방법으로 결합할 수 있다. 이와 같이 상부 케이스와 하부 케이스를 결합할 경우에는 미세한 틈새가 발생하지 않도록 접촉면에 탄성을 가진 폴리머 층을 추가할 수도 있다.
전술한 바와 같은 리더기와 바이오칩을 탈장착하기 위한 구조는 하나의 예를 든 것에 불과하며, 이는 당업자가 필요에 따라 용이하게 구현할 수 있는 것으로, 이에 대해 본 발명의 상세한 설명에서는 생략하기로 한다.
한편, 본 발명에 따른 리더기는 통신 모듈로 이동통신망과 무선으로 통신할 수 있는 이동통신 모뎀을 포함할 수 있다. 이 경우 MCU(105)는 판독 결과를 특정 데이터 포맷으로 구성하여 이동통신 모뎀으로 전달하고, 이동통신 모뎀은 사용자가 선택한 원격지의 단말로 판독 결과를 무선 데이터 통신을 통해 전달한다.
한편, 본 발명에 따른 리더기는 통신 모듈로 RFID 칩을 포함할 수 있다. 이 경우 MCU(105)는 판독 결과를 RFID 칩에 기록한다. 그리고, 사용자는 판독 결과를 원격지로 전송하고자 하는 경우 RFID 리더기가 장착된 유무선 단말을 이용해 RFID 칩으로부터 판독 결과를 읽어와 원격지 단말로 전송한다.
이와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 리더기의 동작에 대해 설명한다.
바이오칩(201)이 리더기에 삽입되면, 스위치가 온 되어, MCU(105)로 바이오칩 삽입 신호가 인가된다. MCU(105)는 바이오칩 삽입 신호가 인가되면, 바이오 칩(201)이 리더기에 삽입되었다 판단하여 3색 발광 다이오드로 구성된 발광부(101)를 구동시키기 위한 전원을 인가한다. 이때, MCU(105)는 3색 발광 다이오드를 스위 칭 형태로 비연속적으로 전원을 인가한다.
그러면, 발광부(101)에 의해 광이 출력되고, 이 출력된 광은 바이오 칩에 의해 반사 또는 굴절 또는 투과되어 수광부(102)에 의해 수신되고, 수광부(102)는 수신된 광 신호를 전기적 신호로 변환한다. 수광부(102)에 의해 변환된 전기적 신호는 증폭기(103)에 의해 증폭되고, 증폭된 신호는 ADC(104)에 의해 디지털 신호로 변환되어 MCU(105)로 전달된다. MCU(105)는 입력된 디지털 신호를 분석하고, 그 결과를 LCD(107)를 통해 표시한다.
또한, MCU(105)는 판독 결과를 RFID 칩에 기록하거나, 이동통신 모뎀을 통해 원격지 단말로 전송할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 리더기의 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 리더기의 구조를 설명하기 위한 일부 상세 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 발광부와 수광부의 상세 구성도이다.

Claims (9)

  1. 삽입된 분석 대상 칩을 판독하는 리더기에 있어서,
    삼색 발광 소자로 구성된 발광수단;
    상기 발광수단에 의해 발생된 광이 상기 분석 대상 칩에 의해 반사되거나 굴절되거나 투과되어 전달되는 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수광수단;
    상기 분석 대상 칩이 장착되면, 상기 발광수단을 스위칭 형태로 제어하여 구동시키고, 상기 수광수단에 의해 변환된 전기적 신호를 전달받아 분석하는 처리수단;
    상기 처리수단에 의해 구동되는 프로그램을 저장하고, 상기 처리수단에 의해 처리된 분석 결과를 일시 저장하는 메모리수단; 및
    상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 표시하는 표시수단
    을 포함하는 리더기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 원격지 단말로 전송할 수 있도록 마련된 통신수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리더기.
  3. 삽입된 분석 대상 칩을 판독하는 리더기에 있어서,
    삼색 발광 소자로 구성된 발광수단;
    상기 발광수단에 의해 발생된 광이 상기 분석 대상 칩에 의해 반사되거나 굴절되거나 투과되어 전달되는 광을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수광수단;
    상기 분석 대상 칩이 장착되면, 상기 발광수단을 스위칭 형태로 제어하여 구동시키고, 상기 수광수단에 의해 변환된 전기적 신호를 전달받아 분석하는 처리수단;
    상기 처리수단에 의해 구동되는 프로그램을 저장하고, 상기 처리수단에 의해 처리된 분석 결과를 일시 저장하는 메모리수단;
    상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 표시하는 표시수단;
    상기 처리수단에 의해 분석된 결과를 원격지 단말로 전송할 수 있도록 마련된 통신수단; 및
    상기 발광수단과 상기 수광수단 사이에 설치되어, 상기 발광수단에 의해 발생된 광에 의한 간섭을 방지하기 위한 측벽
    을 포함하는 리더기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 발광수단은,
    적색 다이오드와, 녹색 다이오드와, 청색 다이오드의 조합으로 구성되고,
    상기 처리수단은,
    상기 발광수단의 각 다이오드를 스위칭 형태로 비연속적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 리더기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 통신수단은,
    상기 처리수단과 연결된 무선인식(RFID) 칩을 포함하는 것을 특징으로 하는 리더기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 처리수단은 분석 결과를 상기 무선인식 칩에 기록하는 것을 특징으로 하는 리더기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 통신수단은,
    상기 처리수단과 연동하여 분석 결과를 이동 통신망을 통해 원격지 단말로 전송하기 위한 이동통신 모뎀을 포함하는 것을 특징으로 하는 리더기.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 분석 대상 칩 내에서의 분석이 효율적으로 이루어지도록 하기 위해 미세 유체의 이동과 정지 및 혼합이 이루어지도록 하기 위한 유체제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 리더기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유체제어 모듈은,
    유체를 저장하기 위한 저장 탱크;
    유체를 이송하기 위한 펌프;
    유체의 이송을 제어하기 위한 밸브; 및
    유체 제어용 혼합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 리더기.
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