KR101157999B1 - 광학식 체외진단기기 및 이를 이용한 진단방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 광학식 체외진단장치에 관한 것으로, 검출대상인 타겟의 컬러영상을 입력하는 영상입력부와 상기 영상입력부에서 입력된 영상의 픽셀 강도(intensity)를 분석하여 검출대상의 타겟농도로 형성하는 영상제어부, 상기 변환된 타겟농도의 결과값을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 검출대상의 타겟의 컬러영상을 픽셀별로 분석하고, 고농도의 픽셀을 구현하는 컬러 채널을 선정하여 측정을 수행함으로써, 컬러 이미지의 컬러 정보를 이용하여 측정감도를 높일 수 있는 특정 파장대의 이미지를 얻을 수 있게 되는바, 측정의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

광학식 체외진단기기 및 이를 이용한 진단방법{Diagnosis apparatus and method used in-vitrodiagnostics}

본 발명은 측정 효율을 고도화할 수 있는 광학식 체외진단기기에 관한 것이다.

일반적으로 체외진단장치란 체외에서 일정 목적으로 조성된 환경하에 있는 어세이의 분석을 통해 진단을 하는 의료기기이다. 통상 혈액 내의 당, 간 효소, 칼슘, 염분, 칼륨, 그리고 약물 등을 측정한다.

도 1은 체외진단장치에서 흔히 사용되는 면역크로마토그래피에 사용되는 스트립의 구조를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 면역크로마토그래피 분석에 사용되는 일반적인 면역 크로마토그래피 스트립(10)은, 접착성 플라스틱 재료로 만들어지는 길쭉한 직사각형 형태의 지지체(11)와, 이 지지체 상에 일측에서 타측으로 대략 순차적으로 배치되는, 샘플 패드(21), 콘쥬게이트 패드(22), 신호검출 패드(23) 및 흡수 패드(24)를 포함하여 이루어진다. 샘플 패드(21)는 분석대상이 되는 액상 샘플(또는 분석시료)을 흡수하고 액상샘플의 균일한 유동을 보장한다. 샘플 패드의 타측단부와 부분적으로 중첩되게 배치되는, 콘쥬게이트 패드(22)는 액상 샘플에 함유되어 있는 분석물질과 특이적으로 결합하는 유동성 콘쥬게이트를 포함하고 있으며, 따라서 샘플 패드(21)를 통해 도입된 액상 샘플이 콘쥬게이트 패드(22)를 통과하면서 분석물질과 유동성 콘쥬게이트 사이의 특이적 결합이 일어난다. 샘플 패드(21) 및 콘쥬게이트 패드(22) 다음의 위치에 배치되는 신호검출 패드(23)는 통상 서로 어느 정도의 거리를 갖도록 떨어져 위치하는 검출영역(detection zone)(23a)과 대조영역(control zone)(23b)을 포함하여 이루어진다. 이때, 검출영역(23a)은 액상 샘플에 분석물질이 존재하는지 여부를 확인하기 위한 영역이며, 대조영역(23b)은 액상 샘플이 검출영역(23a)을 정상적으로 통과하였는지의 여부를 확인하기 위한 영역이다. 신호검출 패드(23) 다음의 위치, 다시 말해 지지체(11)의 타단부에 인접한 위치에, 흡수 패드(24)가 배치된다. 이 흡수 패드(24)는 신호검출 패드(23)를 통과한 액상 샘플을 흡수하며, 면역 크로마토그래피 스트립(10) 상에서 액상 샘플의 모세관 유동을 도와준다.

특히, 검출영역(23a)에서 표지입자와 결합된 측정인자가 항체와 결합하게 되며, 흑백(colormetric) 체외진단기기의 경우, 측정하고자 하는 타켓의 농도는 표지입자(이를 테면, Au 입자)에 의한 검출영역의 색농도(color density)에 비례하게 된다. 이러한 검출영역의 색농도의 검출은 CCD, CMOS와 같은 이미지 센서를 사용하며, 특히 이를 이용한 광학식 체외진단장치의 경우, 대부분 흑백장치(Monochrome devices)를 사용하고 있다.

현재까지는 정량분석을 수행하는 진단장치의 경우, 컬러 이미지 센서를 적용하기 어려우며, 이는 컬러 이미지 센서가 다른 색 요소보다 녹색에 더욱 민감한 사람의 눈을 모사하기 위해 의도적으로 피사체로부터 들어오는 파장에 대한 정보를 왜곡하도록 기능하기 때문이다. 실제로 대부분의 컬러 CCD, CMOS에 사용되는 베이어 필터(Bayer filter)는 R, G, B에 대한 픽셀 숫자의 비율이 1:2:1이다.

하지만 흑백 CCD, CMOS를 사용하는 진단기기의 경우, 컬러 정보를 획득하지 못하므로 컬러의 구별을 통해 구현할 수 있는 측정의 민감도를 만족시키지 못하게 되며, 나아가 선형구간의 확장등과 같은 성능상의 개선을 구현할 수 없는 문제가 발생하게 된다.

나아가. 소형 체외진단 의료기기에 있어 흑백 이미지 센서를 이용하는 경우, 특정 파장대의 신호만을 추출하여 그 성능을 향상시키고자 할 때는 부득이하게 물리적인 광학 필터를 사용하여 비용 및 제조면에서 비효율적인 문제가 발생하고 있다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 검출대상의 타겟의 컬러영상을 픽셀별로 분석하고, 고 농도의 픽셀을 구현하는 컬러 채널을 선정하여 측정을 수행함으로써, 컬러 이미지의 컬러 정보를 이용하여 측정감도를 높일 수 있는 특정 파장대의 이미지를 얻을 수 있게 되는바, 측정의 효율을 높일 수 있는 체외진단장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명은 검출대상인 타겟의 컬러영상을 입력하는 영상입력부; 상기 영상입력부에서 입력된 영상의 픽셀 강도(intensity)를 분석하여 검출대상의 타겟농도로 형성하는 영상제어부; 상기 변환된 타겟농도의 결과값을 디스플레이하는 디스플레이부;를 포함하는 고효율 광학식 체외진단장치를 제공할 수 있도록 한다.

특히, 상술한 장치에서의 상기 영상제어부는, 상기 입력된 컬러영상을 R(red), G(Green), B(Blue) 채널로 분리하는 영상분리부; 상기 분리된 채널 중 어느 하나의 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟농도로 변환하는 영상처리부;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 영상입력부는, 컬러 CCD 또는 컬러 CMOS로 구성되는 이미지센서를 이용한 촬상모듈로 구성될 수 있다.

아울러, 상술한 장치에서의 상기 영상처리부는, 상기 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포를 분석하는 컬러픽셀분석부; 상기 컬러픽셀분석부에서 분석된 픽셀의 분포를 기준으로, 적어도 하나 이상의 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟 농도로 변환하는 농도변환부;를 포함하여 구성될 수 있다.

아울러, 본 발명에 따른 상기 체외진단장치는, 상기 검출대상인 타겟을 수용하는 타겟고정유닛을 수용하는 수용모듈; 상기 수용모듈의 상부에 배치되어 일정한 광량을 조사하는 조명모듈; 상기 조명모듈의 상부에 배치되어 영상의 배율을 조절하여 상기 영상입력부로 전달하는 렌즈모듈;을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 상기 체외진단장치를 이용하여 다음과 같은 방법으로 검출대상을 측정할 수 있다.

구체적으로는, 검출대상인 타겟(target)이 존재하는 검출영역에 광을 인가하고, 상기 검출영역의 컬러영상을 입력하는 1단계; 상기 컬러영상을 R(red), G(Green), B(Blue) 채널로 분리하는 2단계; 상기 분리된 채널 중 어느 하나의 채널의 평균 강도(intensity)를 검출대상의 타겟농도로 변환하는 3단계;를 포함하는 과정으로 구현할 수 있다.

아울러, 상기 1단계는, 상기 검출영역을 컬러 CCD 또는 컬러 CMOS로 구성되는 이미지센서를 이용한 촬상모듈을 통해 컬러영상을 입력하는 단계로 구현할 수 있다.

또한, 상기 3단계는, 상기 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포를 분석하여, 픽셀의 분포가 가장 높은 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상과의 반비례관계를 이용하여 타겟 농도로 변환하거나, 하나 이상의 채널을 조합하여 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟 농도로 변환하는 단계로 구성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 검출대상의 타겟의 컬러영상을 픽셀별로 분석하고, 고 농도의 픽셀을 구현하는 컬러 채널을 선정하여 측정을 수행함으로써, 컬러 이미지의 컬러 정보를 이용하여 측정감도를 높일 수 있는 특정 파장대의 이미지를 얻을 수 있게 되는바, 측정의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 흑백 검출장비에서 특정 파장대의 이미지를 얻기 위한 광학필터의 구성을 제거할 수 있어 구조의 단순화 및 검출성능의 고감도화를 구현할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 체외진단장치에서 흔히 사용되는 면역크로마토그래피에 사용되는 스트립의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 고효율 광학식 체외진단장치(이하, '본 장치'라 한다.)의 구성을 도식화한 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 상술한 본 장치를 실제 구현한 일실시예를 도시한 것이다.
도 4는 상술한 단계에서 획득된 컬러영상을 최종 타겟농도로 변환하는 과장을 도시한 영상분석의 순서도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 측정 방법을 종래의 흑백영상분석 방법과 비교한 결과를 도시한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성요소는 동일한 참조부여를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략하기로 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서는 컬러 이미지 장치로부터 획득되는 어세이의 컬러 영상에서 R, G, B 영상을 분리하고 가장 높은 민감도를 갖는 특정 채널만을 진단 측정에 사용하여 흑백장치 사용 대비 현저한 감도 및 성능향상을 구현하는 진단측정 장비를 제공하는 것을 요지로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 고효율 광학식 체외진단장치(이하, '본 장치'라 한다.)의 구성을 도식화한 구성도이다.

도시된 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 본 장치는 검출대상인 타겟의 컬러영상을 입력하는 영상입력부(100), 상기 영상입력부에서 입력된 영상의 픽셀 강도(intensity)를 분석하여 검출대상의 타겟농도로 형성하는 영상제어부(200), 상기 변환된 타겟농도의 결과값을 디스플레이하는 디스플레이부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

특히, 상기 영상입력부(100)는 검출대상인 타겟의 컬러영상을 입력할 수 있는 촬상모듈로 구현됨이 바람직하며, 특히 본 발명에 따른 바람직한 일례로는 컬러 CCD 또는 컬러 CMOS로 구성되는 이미지센서를 이용한 촬상모듈로 구성될 수 있다.

상기 영상제어부(200)은 상기 영상입력부(100)에서 입력되는 영상을 분석하여 픽셀의 강도(intensity)를 분석하여 가장 높은 감도를 구현할 수 있는 특정 채널을 선정하여 이 채널의 평균강도(intensity)를 얻어 측정하고자 하는 타겟의 농도로 변환시키는 기능을 수행한다. 구체적으로는 상기 영상제어부(200)는 상기 입력된 컬러영상을 R(red), G(Green), B(Blue) 채널로 분리하는 영상분리부(210)와 상기 분리된 채널 중 어느 하나의 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟농도로 변환하는 영상처리부(220)를 포함하여 구성될 수 있으며, 특히 상기 영상처리부(220)는 상기 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포를 분석하는 컬러픽셀분석부(221)과 상기 컬러픽셀분석부에서 분석된 픽셀의 분포가 가장 높은 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟 농도로 변환하는 농도변환부(222)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 상술한 본 장치를 실제 구현한 일실시예를 도시한 것이다.

도 3a를 참조하면, 본 장치는 검출대상인 타겟을 수용하는 타겟고정유닛을 수용하는 수용모듈(400)이 구비될 수 있다. 상기 타겟고정유닛이란 검출대상을 일정한 지지체에 고정시킨 구조물을 수형하는 어세이를 의미하며, 이러한 진단키트로는 상술한 면역크로마토그래피 스트립이나 이를 포함하는 진단키트 등을 들 수 있다.

또한, 본 장치는 상기 수용모듈(400)의 상부에 배치되어 일정한 광량을 조사하는 조명모듈(500)과, 상기 조명모듈의 상부에 배치되어 영상의 배율을 조절하여 상기 영상입력부(100)로 전달하는 렌즈모듈(600)을 더 구비하여 구현될 수 있다.

아울러, 상기 렌즈모듈(600)의 상부에는 상술한 촬상모듈로 구성되는 영상입력부(100)가 배치될 수 있으며, 상기 촬상모듈에서 촬영한 컬러영상은 내부에 소프트웨어적으로 구현되는 영상분리부 및 영상처리부로 구성되는 영상제어부에서 영상처리가 되어 분석이 이루어질 수 있도록 한다. 분석된 결과는 디스플레이부(300)에 나타날 수 있도록 하며, 상기 디스플레이부(300)은 GUI를 통해 전체 장비의 동작을 컨트롤할 수 있도록 구현함이 더욱 바람직하다. 또한, 본 장치의 외부는 도 3b에 도시된 것과 같은 하우징(H)를 구비하여 구현될 수 있다.

상술한 본 장치를 이용하여 검출대상을 측정하는 방법은 다음과 같은 과정으로 이루어질 수 있다.

구체적으로는, 검출대상인 타겟(target)이 존재하는 검출영역에 광을 인가하고, 컬러 CCD 또는 컬러 CMOS로 구성되는 이미지센서를 이용한 촬상모듈을 통해 상기 검출영역의 컬러영상을 입력하는 단계가 수행될 수 있다.

이후, 상기 컬러영상을 R(red), G(Green), B(Blue) 채널로 분리하는 단계가 수행될 수 있으며, 분리된 채널 중 어느 하나의 채널의 평균 강도(intensity)를 검출대상의 타겟농도로 변환하는 단계가 수행될 수 있다. 구체적으로는 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포를 분석하여, 픽셀의 분포가 가장 높은 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상과의 반비례관계를 이용하여 타겟 농도로 변환하도록 할 수 있다.

물론, 필요에 따라 하나의 채널이 아닌 하나 이상의 채널을 혼합하여 복수의 채널을 혼합하여 이를 타겟농도로 변환하는 것도 가능하다. 여기서 하나 이상의 채널이란 각 채널을 서로 같은 혹은 다른 가중치를 두어 분석할 수 있으며 예를 들자면 0.7 가중치의 G 채널, 0.3 가중치의 B 채널 조합을 사용하여 분석에 사용되는 픽셀 강도를 0.7 x G + 0.3 x B와 같이 처리하여 두 개의 채널 조합으로 감도를 극대화 할 수 있는 파장대의 검출영역 분석에 사용하는 것을 말한다.

이후 타겟농도를 기준으로 측정결과를 디스플레이할 수 있도록 한다.

도 4는 상술한 단계에서 획득된 컬러영상을 최종 타겟농도로 변환하는 과장을 도시한 영상분석의 순서도를 도시한 것이다.

도시된 이미지와 같이, 우선 검출대상을 측면유동어세이(Lateral flow assay)로 하고, 촬상모듈을 통해 획득된 측면유동어세이(Lateral flow assay)의 컬러영상을 도 4와 같이 R (Red), G (Green), B (Blue) 채널로 분리한다(S 1).

도시된 ROI(Region of interest)는 실제 영상 분석이 수행되는 획득된 전체 영상의 일부분 (test line 부분)을 보여준다. ROI 부분의 각 컬러 채널 강도(color channel intensity)의 히스토그램은 각 컬러의 강도(intensity) 별 픽셀수의 분포(S2~S4)를 보여주는 것이고 평균 강도(intensity)를 얻어 측정하고자 하는 타겟(target)의 농도로 변환시킨다.

본 실험례에 사용된 입자 색깔의 경우, B 채널에서 타겟(target) 농도별 측정 감도가 가장 좋았다. 따라서 B 채널의 평균 강도(intensity)를 얻어 측정하고자 하는 타겟(target)의 농도로 변환하여 측정에 이용하였다.

하지만 본 장치의 구성에서 상술한 바와 같이, 감도가 우수한 컬러(color) 채널의 선택은 입자의 색에 따라 달리 취할 수 있고 경우에 따라서 복수 컬러채널(color channel)의 혼합이 될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 측정 방법을 종래의 흑백영상분석 방법과 비교한 결과를 도시한 것이다.

종래의 기술인 흑백촬상모듈(Monochrome CCD)를 사용한 측정의 구성은 정확한 비교결과를 위해 본 발명에 따른 영상입력부에 종래의 흑백촬상모듈을 배치하여 장치 구성을 동일하게 적용을 하였으며, 카메라 사양에 따른 성능의 차이를 배제하기 위해 동일한 CCD사양의 color (with Bayer mask), monochrome (without Bayer mask) 카메라를 비교하였다. 또한 흑백영상의 처리에 있어 컬러(color)분석의 경우와 동일한 ROI를 사용하였다. 즉 획득된 ROI내의 평균 픽셀강도(pixel intensity)를 흑백(monochrome) 히스토그램을 통해 얻는다. 도시된 도면에서 x축은 타겟(target) 물질의 농도와 같다고 볼 수 있는 indicator(입자)의 농도, y축은 입자가 존재하지 않을 때의 강도(intensity) (I(0))값을 기준으로 규격화(normalization)했을 때의 강도(intensity)를 나타낸다. 그림에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 color CCD를 사용하고 획득된 이미지의 B (blue) 채널을 사용하여 분석했을 때의 측정감도가 흑백 CCD를 사용했을 때 보다 우수함을 알 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 영상입력부
200: 영상제어부
210: 영상분리부
220: 영상처리부
221: 컬러픽셀분석부
222: 농도변환부
300: 디스플레이부
400: 수용모듈
500: 조명모듈
600: 렌즈모듈

Claims (8)

1. 검출대상인 타겟의 컬러영상을 입력하는 영상입력부;
   상기 영상입력부에서 입력된 영상의 픽셀 강도(intensity)를 분석하여 검출대상의 타겟농도로 형성하는 영상제어부; 및
   상기 변환된 타겟농도의 결과값을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하며,
   상기 영상제어부는, 상기 입력된 컬러영상을 R(red), G(Green), B(Blue) 채널로 분리하는 영상분리부, 및 상기 분리된 채널 중 어느 하나의 채널의 평균 강도(intensity)를 검출대상과의 반비례 관계를 이용하여 타겟농도로 변환하는 영상처리부를 포함하고,
   상기 영상처리부는, 상기 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포를 분석하는 컬러픽셀분석부, 및 상기 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포와 타겟농도별 관계분석하여, 픽셀의 변화의 감도(변화)가 가장 높은 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상과의 반비례관계를 이용하여 타겟 농도로 변환하거나, 서로 동일하거나 서로 다른 가중치를 적용한 하나 이상의 채널을 조합하여 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟 농도로 변환하는 농도변환부를 포함하여 구성되는 고효율 광학식 체외진단장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 영상입력부는,
   컬러 CCD 또는 컬러 CMOS로 구성되는 이미지센서를 이용한 촬상모듈로 구성되는 고효율 광학식 체외진단장치.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 체외진단장치는,
   상기 검출대상인 타겟을 수용하는 타겟고정유닛을 수용하는 수용모듈;
   상기 수용모듈의 상부에 배치되어 일정한 광량을 조사하는 조명모듈;
   상기 조명모듈의 상부에 배치되어 영상의 배율을 조절하여 상기 영상입력부로 전달하는 렌즈모듈;
   을 더 포함하여 구성되는 고효율 광학식 체외진단장치.
   
6. 검출대상인 타겟(target)이 존재하는 검출영역에 광을 인가하고, 상기 검출영역의 컬러영상을 입력하는 1단계;
   상기 컬러영상을 R(red), G(Green), B(Blue) 채널로 분리하는 2단계; 및
   상기 분리된 채널 중 어느 하나의 채널의 평균 강도(intensity)를 타겟농도로 변환하는 3단계를 포함하고,
   상기 3단계는 상기 분리된 채널의 강도(intensity)별 픽셀수의 분포와 타겟농도별 관계분석하여, 픽셀의 변화의 감도(변화)가 가장 높은 채널의 평균강도(intensity)를 검출대상과의 반비례관계를 이용하여 타겟 농도로 변환하거나, 서로 동일하거나 서로 다른 가중치를 적용한 하나 이상의 채널을 조합하여 평균강도(intensity)를 검출대상의 타겟 농도로 변환하는 단계인, 고효율 광학식 체외진단 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 1단계는,
   상기 검출영역을 컬러 CCD 또는 컬러 CMOS로 구성되는 이미지센서를 이용한 촬상모듈을 통해 컬러영상을 입력하는 단계인 고효율 광학식 체외진단방법.
   
8. 삭제

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