KR101271103B1 - 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법 및 장치 - Google Patents

일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법 및 장치를 개시한다.
본 발명의 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법은, 타겟 시료를 제1노출시간으로 촬영한 제1영상의 제1광량을 측정하는 단계; 상기 타겟 시료를 상기 제1노출시간보다 짧은 제2노출시간으로 촬영한 제2영상의 제2광량을 측정하는 단계; 및 상기 타겟 시료의 농도별 표준 광량을 이용하여 상기 제1광량 및 상기 제2광량을 비교하고, 상기 타겟 시료의 측정 광량을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법 및 장치{Method and apparatus of measuring concentration of sample using a general camera}
본 발명은 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 일반 카메라를 이용하여 넓은 범위의 광량 측정을 가능하게 하고, 이를 이용하여 시료의 농도를 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
생명과학, 유전공학 및 의학 분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 DNA 증폭 기술이 광범위하게 활용되고 있다. 그 중 중합효소 연쇄반응(Polymerase chain reaction, PCR)을 이용한 DNA 증폭 기술이 널리 활용되고 있다. 중합효소 연쇄반응은 유전체에 있는 특정 DNA 서열을 필요한 만큼 증폭시킬 경우 이용된다.
종래의 PCR은 단지 반응 종결점에서 전기영동을 이용하여 증폭된 DNA의 정성적인 결과만을 보여주는 것으로서 DNA의 정량적 검출에서 정확성 등 많은 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 광학적 검출시스템을 이용하여 증폭된 DNA의 농도에 비례하는 형광의 세기를 검출함으로써 DNA의 정량분석을 가능케 해주는 실시간 PCR 장치가 개발되었다. DNA의 정량분석은 질병의 치료와 DNA 발현의 연구에 필수적이다.
일본 공개특허 제2011-152054는 측정용 칩과 동일 성능의 교정용 칩을 이용하고, 특정 프로브 분자와 타겟 분자가 결합 반응하는 조건에서, 교정액의 타겟 분자의 농도와 계측 광량과의 관계를 구하는 방법을 개시하고 있다.
종래의 PCR 장치는 고가의 카메라를 이용하여 DNA의 정량적 검출을 수행하고 있다. 이에 따라, 하드웨어적으로 센서의 감도를 높여 하드웨어의 단가가 높아지고, 저조도 촬영의 경우 고농도에서는 포화되어 분석을 할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 저가의 일반 카메라를 이용하여 광량 측정 범위를 넓힘으로써 시료의 농도를 보다 간단하고 정확하게 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법은, 시료의 농도별 샘플을 제1노출시간으로 촬영하여, 제1 농도별 광량을 측정하고, 상기 제1 농도별 광량이 선형인 제1구간을 산출하는 단계; 상기 농도별 샘플을 상기 제1노출시간보다 짧은 제2노출시간으로 촬영하여, 제2 농도별 광량을 측정하고, 상기 제2 농도별 광량이 선형인 제2구간을 산출하는 단계; 및 상기 제1구간과 상기 제2구간을 합성하여 상기 시료의 농도별 표준 광량을 산출하여 데이터베이스화하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 농도 측정 방법은, 농도 미정의 타겟 시료를 상기 제1노출시간으로 촬영한 제1영상의 제1광량을 측정하는 단계; 상기 타겟 시료를 상기 제2노출시간으로 촬영한 제2영상의 제2광량을 측정하는 단계; 및 상기 타겟 시료에 대해 데이터베이스화된 농도별 표준 광량을 이용하여 상기 제1광량 및 상기 제2광량을 비교하고, 상기 타겟 시료의 측정 광량을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 타겟 시료의 측정 광량 산출 단계는, 상기 제1광량이 제1 기준 광량을 초과하면, 상기 제2광량을 상기 측정 광량으로 설정하는 단계; 상기 제2광량이 제2 기준 광량 미만이면, 상기 제1광량을 상기 측정 광량으로 설정하는 단계; 및 상기 제1광량 및 상기 제2광량의 차이가 일정 오차 범위 내이면 상기 제1광량과 상기 제2광량의 평균을 상기 측정 광량으로 설정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 농도별 표준 광량, 상기 제1광량 및 상기 제2광량은 정규화된 광량일 수 있다.
상기 농도별 표준 광량을 기초로 산출된 표준 농도 방정식에 상기 측정 광량을 적용하여 상기 타겟 시료의 농도를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 장치는, 카메라가 타겟 시료를 제1노출시간 및 상기 제1노출시간보다 짧은 제2노출시간으로 촬영하도록 제어하는 노출시간 제어부; 상기 타겟 시료를 상기 제1노출시간으로 촬영한 제1영상의 제1광량, 및 상기 제2노출시간으로 촬영한 제2영상의 제2광량을 측정하는 광량 측정부; 및 상기 타겟 시료의 농도별 표준 광량을 이용하여 상기 제1광량 및 제2광량을 비교하고, 상기 타겟 시료의 측정 광량을 산출하는 광량 분석부;를 포함할 수 있다.
본 발명은 고가의 저조도에 특화된 카메라를 사용하지 않고도, 넓은 범위의 광량 분석이 가능하고, 저비용으로 시료의 농도를 간단하게 측정할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용하여 넓은 범위의 광량 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 농도별 광량 데이터베이스 생성 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 도 5의 타겟 시료의 측정 광량 산출 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용하여 넓은 범위의 광량 측정에 의한 농도 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 산출된 임의의 시료의 농도와 실제 농도를 비교한 그래프이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용하여 넓은 범위의 광량 측정 원리를 설명하기 위한 그래프이다.
일반 카메라는 이미지 센서의 한계에 의해 한 번의 노출로 받아들일 수 있는 밝기의 범위가 크지 않다. 카메라의 다이나믹 레인지(Dynamic Range)는 밝기(광량, Intensity)가 가장 밝은 부분과 가장 어두운 부분의 밝기 비율을 의미한다. 한 번의 노출로 감지할 수 있는 카메라의 다이나믹 레인지는 실세계의 다이나믹 레인지에 비해 매우 작아, 원하는 밝기 정보를 얻지 못하는 경우가 발생한다.
일반 카메라로 촬영을 할 때, 측정되는 광량의 범위가 한정된다. 한정된 범위보다 넓은 범위의 광량을 측정하고자 할 경우에는 고가의 카메라를 이용해야 한다. 그러나, 일반 카메라에서도 노출 시간(exposure time)을 길게 하면 저조도 촬영이 가능하고, 노출 시간을 짧게 하면 고조도 촬영이 가능하다.
도 1(a)는 고조도 촬영에 의한 시료의 형광 농도별 광량 측정 그래프이다. 도 1(a)를 참조하면, 일반 카메라의 노출 시간을 짧게, 예를 들어, 5ms의 노출 시간으로 농도별 시료를 촬영하면, 형광 물질의 농도가 105 nM ~ 102 nM에서는 광량이 선형성을 나타내지만, 농도 102 nM ~ 100 nM에서는 광량을 구분할 수 없어 정확한 데이터 예측이 어렵다. 즉, 고조도 촬영의 경우, 광량 측정은 농도 105 nM ~ 102 nM인 시료로 제한되고, 농도 102 nM ~ 100 nM인 시료의 광량 측정이 어렵다.
도 1(b)는 저조도 촬영에 의한 시료의 형광 농도별 광량 측정 그래프이다. 도 1(b)를 참조하면, 일반 카메라의 노출 시간을 길게, 예를 들어, 100ms의 노출 시간으로 농도별 시료를 촬영하면, 시료의 농도 105nM ~ 103nM에서는 포화가 되어 광량을 구분할 수 없으나, 농도 103 nM ~ 100 nM에서는 광량이 선형성을 나타낸다. 즉, 저조도 촬영의 경우, 광량 측정은 농도 103 nM ~ 100 nM인 시료로 제한되고, 농도 105nM ~ 103nM인 시료의 광량 측정이 어렵다.
도 2는 다양한 노출 시간으로 촬영한 시료의 형광 농도별 광량 측정 그래프이다. 도 2를 참조하면, 시료를 노출 시간별로 촬영하여 측정한 형광 농도에 대한 정규화된 광량(normalized intensity)을 그래프로 표시하고 있다.
노출 시간을 비교적 짧게 하여, 예를 들어, 노출 시간(exp) 1 ~ 10 ms로 촬영한 시료는 농도 105 nM ~ 102 nM에서는 정규화된 광량이 선형성을 나타내지만, 농도 102 nM ~ 100 nM에서는 광량을 구분할 수 없다. 노출 시간을 비교적 길게 하여, 예를 들어, 노출 시간(exp) 50 ~ 1000 ms로 촬영한 시료는 농도 105nM ~ 103nM에서는 포화가 되어 광량을 구분할 수 없으나, 농도 103 nM ~ 100 nM에서는 정규화된 광량이 선형성을 나타낸다.
따라서, 105nM ~ 103nM의 형광 농도의 시료에 대해 고조도 촬영 영상의 정규화된 광량을 사용하고, 103 nM ~ 100 nM의 형광 농도의 시료에 대해 저조도 촬영 영상의 정규화된 광량을 사용할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예는 고조도 영상 신호와 저조도 영상 신호를 합성하여 넓은 범위의 광량 측정이 가능하도록 한다. 즉, 고조도 촬영 및 저조도 촬영에 의해 측정된 각각의 선형성을 갖는 광량을 합성하여 농도 105nM ~ 100nM 의 범위에 대해 광량 측정을 가능하게 한다. 이때 두 개의 노출 시간을 달리하여 촬영된 영상의 광량을 표준화(노출시간에 대한 광량의 정규화)함으로써, 농도 105nM ~ 100nM 의 범위에 대해 광량이 전체적으로 연속적인 선형성을 갖도록 할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 농도별 광량 데이터베이스 생성 방법을 설명하는 흐름도이다.
본 발명은 저조도에 특화되지 않은 일반 카메라를 이용하여 노출 시간이 다른 적어도 두 개의 영상을 획득함으로써, 고가의 저조도에 특화된 카메라를 사용하지 않고도, 넓은 분석 영역을 가질 수 있어, 넓은 범위의 광량을 측정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 넓은 범위의 농도별 광량 데이터베이스를 생성하기 위해, 농도별 샘플 시료를 적어도 두 개의 노출 시간으로 촬영하여, 농도별 표준 광량을 산출한다.
먼저, 농도별 샘플 시료를 준비하고(S101), 농도별 샘플 시료를 제1노출시간으로 촬영하여, 제1 농도별 광량을 측정한다(S102). 여기서 제1노출시간으로 촬영된 영상은 노출 시간이 긴 저조도 영상이다. 카메라의 노출 시간과 게인(gain) 값을 높여 적절한 노이즈(noise)를 가지는 영상을 획득한다. 예를 들어, 카메라를 노출 시간 100ms와 게인값 1로 설정하여 농도별 샘플 시료의 저조도 영상을 촬영한다. 저조도 영상으로부터 제1 농도별 광량을 측정하고, 제1 농도별 광량을 정규화(normalization)한다. 여기서 정규화는 광량을 노출 시간(본 실시예에서는 100)으로 나누는 계산으로 정의할 수 있다. 그리고, 정규화된 제1 농도별 광량이 선형인 제1구간을 산출한다. 도 4를 함께 참조하면, 정규화된 제1 농도별 광량에서 광량이 포화 상태인 비선형 구간(A)과 선형 구간(B)을 산출한다.
하기 표 1에서 농도별 샘플 시료에 대한 저조도 영상의 제1 농도별 광량 및 정규화된 제1 농도별 광량의 예를 보여주고 있다. 표 1을 참조하면, 농도가 103nM ~ 100nM인 구간, 즉 저농도 구간에서 정규화된 광량의 선형 계수가 1에 가까운 값(0.999621)을 가지며, 이는 도 4의 선형 구간(B)에 해당한다.
노출시간
(Exposure time)		 농도
(nM)		 광량
(Intensity)		 선형계수 정규화된 광량
(Normalized Intensity)
exp 100 1.E+05 18415645.0 0.999621
(103 ~ 100)		 184156.400
1.E+04 18112759.0 181127.600
1.E+03 7097229.0 70972.290
1.E+02 693666.5 6936.665
1.E+01 269191.0 2691.910
1.E+00 195026.0 1950.260
0.E+00 273514.0 2735.140
다음으로, 농도별 샘플 시료를 제2노출시간으로 촬영하여, 제2 농도별 광량을 측정한다(S103). 여기서 제2노출시간은 제1노출시간에 비해 짧은 노출 시간으로, 제2노출시간으로 촬영된 영상은 노출 시간이 짧은 고조도 영상이다. 카메라의 노출 시간과 게인(gain) 값을 낮추어 적절한 노이즈(noise)를 가지는 영상을 획득한다. 예를 들어, 카메라를 노출 시간 5ms와 게인값 1로 설정하여 농도별 샘플 시료의 고조도 영상을 촬영한다. 고조도 영상으로부터 제2 농도별 광량을 측정하고, 제2 농도별 광량을 정규화(normalization)한다. 여기서 정규화는 광량을 노출 시간(본 실시예에서는 5)으로 나누는 계산으로 정의할 수 있다. 그리고, 정규화된 제2 농도별 광량이 선형인 제2구간을 산출한다. 도 4를 함께 참조하면, 정규화된 제2 농도별 광량에서 광량이 선형인 구간(C)과 비선형 구간(D)을 산출한다.
하기 표 2에서 농도별 샘플 시료에 대한 고조도 영상의 제2 농도별 광량 및 정규화된 제2 농도별 광량의 예를 보여주고 있다. 표 2를 참조하면, 농도가 105nM ~ 103nM인 구간, 즉 고농도 구간에서 정규화된 광량의 선형 계수가 1에 가까운 값(0.923945)을 가지며, 이는 도 4의 선형 구간(C)에 해당한다.
노출시간
(Exposure time)		 농도
(nM)		 광량
(Intensity)		 선형계수 정규화된 광량
(Normalized Intensity)
exp 5 1.E+05 3638185.0 0.923945
(105 ~ 103)		 727636.9
1.E+04 1817037.0 363407.4
1.E+03 279847.5 55969.5
1.E+02 35386.5 7077.3
1.E+01 20113.0 4022.6
1.E+00 16680.5 3336.1
0.E+00 19389.5 3877.9
정규화된 제1농도별 광량의 선형 구간인 제1구간과 정규화된 제2 농도별 광량의 선형 구간인 제2구간을 합성하여 농도별 표준 광량을 산출한다(S104). 도 4를 함께 참조하면, 저조도 영상의 저농도 구간(B)의 정규화된 광량과 고조도 영상의 고농도 구간(C)의 정규화된 광량을 가중 합성한 표준 광량을 산출한다. 이로써 저농도 구간부터 고농도 구간까지 넓은 범위의 광량 데이터를 획득할 수 있다. 여기서, 저조도 영상의 광량 데이터와 고조도 영상의 광량 데이터의 가중 합성에 의해 광량이 전체적으로 연속적인 선형성을 갖도록 할 수 있다. 하기 표 3에서 정규화된 제2 농도별 광량 및 정규화된 제2 농도별 광량을 기초로 산출된 농도별 표준 광량의 예를 보여주고 있다. 표 3을 참조하면, 저농도 구간부터 고농도 구간까지 정규화된 광량의 선형 계수가 1에 가까운 값(0.925338)을 갖는 농도별 표준 광량이 산출된다. 농도별 표준 광량 데이터는 시료별로 데이터베이스화되어 저장될 수 있다.
농도
(nM)		 정규화된 광량
(Normalized Intensity)		 선형계수
1.E+05 736752.300 0.925338
(105 ~ 100)
1.E+04 363975.500
1.E+03 62686.000
1.E+02 6936.665
1.E+01 2691.910
1.E+00 1950.260
농도별 표준 광량을 기초로 표준 농도 방정식을 산출한다(S105). 농도별 표준 광량이 선형성을 갖는 경우, 하기와 같이 간단한 선형 방정식(방정식 1)을 산출할 수 있다. 여기서, x는 광량, y는 농도, a, b, c는 농도별 표준 광량으로부터 도출된 상수이다. 표준 농도 방정식 또한 해당 시료의 농도별 표준 광량과 함께 데이터베이스에 저장될 수 있다.
Figure 112012008091904-pat00001
...(1)
전술된 실시예에서는 두 개의 노출 시간에 의한 두 개의 선형 구간 합성에 의해 농도별 표준 광량을 산출하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 카메라의 성능에 따라 세 개 이상의 노출 시간에 의해 세 개 이상의 선형 구간 합성으로 농도별 표준 광량을 산출할 수 있다. 이 경우, 더욱 다양한 구간으로 나누어 표준 광량을 산출함으로써 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 6은 도 5의 타겟 시료의 측정 광량 산출 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 농도를 측정하고자 하는 농도 미정의 시료(타겟 시료)를 준비한다(S501).
카메라를 제1노출시간으로 설정하여 타겟 시료를 촬영한 제1영상을 획득한다(S502). 여기서 제1영상은 노출 시간이 긴 저조도 영상이다. 카메라의 노출 시간과 게인(gain) 값을 높여 적절한 노이즈(noise)를 가지는 영상을 획득한다. 예를 들어, 카메라를 노출 시간 100ms와 게인값 1로 설정하여 타겟 시료의 저조도 영상을 획득한다.
또한, 카메라를 제2노출시간으로 설정하여 타겟 시료를 촬영한 제2영상을 획득한다(S503). 여기서 제2영상은 노출 시간이 짧은 고조도 영상이다. 카메라의 노출 시간과 게인(gain) 값을 낮추어 적절한 노이즈(noise)를 가지는 영상을 획득한다. 예를 들어, 카메라를 노출 시간 5ms와 게인값 1로 설정하여 타겟 시료의 고조도 영상을 획득한다.
타겟 시료의 농도별 표준 광량을 이용하여 제1광량 및 제2광량을 비교하고, 타겟 시료의 측정 광량을 산출한다(S504). 타겟 시료의 농도별 표준 광량은 시료별로 농도별 표준 광량을 저장한 데이터베이스로부터 획득할 수 있다. 도 6을 함께 참조하면, 저조도 영상으로부터 제1광량을 측정하고, 제1광량을 정규화(normalization)하고, 고조도 영상으로부터 제2광량을 측정하고, 제2광량을 정규화(normalization)한다(S514). 여기서 정규화는 광량을 노출시간으로 나누는 계산으로 정의할 수 있다.
제1광량과 제2광량이 상이한 경우, 먼저, 제1광량과 제1 기준 광량을 비교하고(S524), 제1광량이 제1 기준 광량을 초과하면, 제2광량을 타겟 시료의 측정 광량으로 설정한다(S534). 제1 기준 광량은, 데이터베이스에 저장된 타겟 시료의 농도별 표준 광량에서, 저조도 영상에서 광량 포화 구간의 하한 농도, 즉 103nM의 농도에 대응하는 광량이다. 예를 들어, 표 3에서 103nM의 정규화된 광량을 제1 기준 광량으로 설정할 수 있다. 제1광량이 제1 기준 광량보다 크다면 광량 포화 발생으로 판단하여, 저조도 영상의 제1광량을 버리고, 고조도 영상의 제2광량을 타겟 시료의 측정 광량으로 설정한다.
제1광량이 제1 기준 광량을 초과하지 않으면, 제2광량을 제2 기준 광량과 비교하고(S544), 제2광량이 제2 기준 광량 미만이면, 제1광량을 타겟 시료의 측정 광량으로 설정한다(S554). 제2 기준 광량은, 데이터베이스에 저장된 타겟 시료의 농도별 표준 광량에서, 고조도 영상에서 광량 구분 불가 구간의 하한 농도, 즉 100nM의 농도에 대응하는 광량이다. 예를 들어, 표 3에서 100nM의 정규화된 광량을 제2 기준 광량으로 설정할 수 있다. 제2광량이 제2 기준 광량보다 작다면 광량 구분 불가로 판단하여, 고조도 영상의 제2광량을 버리고, 저조도 영상의 제1광량을 타겟 시료의 측정 광량으로 설정한다.
제1광량 및 제2광량의 차이를 임계값과 비교하고(S564), 제1광량 및 제2광량의 차이가 임계값(일정 오차) 범위 내이면, 제1광량과 제2광량의 평균을 측정 광량으로 설정한다(S574).
다시 도 5를 참조하면, 측정 광량을 기초로 타겟 시료의 농도를 산출한다(S505). 데이터베이스에 저장된 타겟 시료의 농도별 표준 광량을 기초로 산출된 표준 농도 방정식에 설정된 측정 광량을 적용하여 타겟 시료의 농도를 산출한다.
이하에서는 방정식 1을 이용하여, 타겟 시료의 농도를 산출하는 예를 설명하겠다. 표 4는 3개의 타겟 시료에 대해 저조도 영상 및 고조도 영상을 촬영하여 측정된 제1광량 및 제2광량을 나타내고 있다. 여기서, 광량의 단위는 특정 영역(ROI: Region of Interest)의 모든 픽셀의 그레이(Gray) 값을 더한 값인 그레이 레벨(gray level)이다.
시료 1 시료 2 시료 3
노출시간
(ms)		 광량 정규화된
광량		 광량 정규화된
광량		 광량 정규화된
광량
5 1,425,356 285,071 220,320 44,064 180,264 1,803
100 17,000,000 170,000 4,665,828 46,658 16,436 3,287
시료 1은 노출 시간 100 ms의 저조도 영상에서 측정된 정규화된 광량, 170,000이 표 3의 103nM의 표준 광량, 62,686의 값보다 크다. 따라서, 저조도 영상이 포화 상태이므로, 저조도 영상의 정규화된 광량을 버리고, 노출 시간 5ms의 고조도 영상에서 측정된 정규화된 광량, 285,071을 측정 광량으로 설정한다. 이 측정 광량을 방정식 1에 적용하면 시료 1의 농도는 약 1.8×104nM로 계산될 수 있다.
시료 2는 저조도 영상 및 고조도 영상에서 측정된 값이 비슷하고 그 차이가 임계값 내로, 두 개의 정규화된 광량이 유효한 값이다. 따라서, 광량 44,064, 46,658의 평균인 45,361을 측정 광량으로 설정한다. 이 측정 광량을 방정식 1에 적용하면 시료 2의 농도는 약 759nM로 계산될 수 있다.
시료 3은 고조도 영상에서 측정된 정규화된 광량, 1,803이 표 3의 100nM의 표준 광량, 1,950의 값보다 작다. 따라서, 고조도 영상의 정규화된 광량을 버리고, 저조도 영상의 정규화된 광량, 3,287을 측정 광량으로 설정한다. 이 측정 광량을 방정식 1에 적용하면, 시료 3의 농도는 약 10.9nM로 계산될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 일반 카메라를 이용하여 넓은 범위의 광량 측정에 의한 농도 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 농도 측정 시스템은 기판(10), 카메라(30) 및 농도 측정 장치(40)를 포함한다.
기판(10)은 농도를 확인하고자 하는 시료가 투입되는 플레이트(20)가 상부면에 다수 구비되고, x-y 방향으로 이동 가능하다. 기판(10)은 이동을 위해 구동 장치 및 위치 제어 수단에 전기적/기계적으로 연결될 수 있다. 시료는 PCR(Polymerase Chain Reaction) 증폭 산물일 수 있다.
카메라(30)는 다이나믹 레인지가 제한된 카메라로서, 특히 저조도 촬영에 특화되지 않은 일반 카메라일 수 있다. 카메라(30)는 기판(10)의 플레이트(20)에 투입된 시료를 제1노출시간으로 저조도 촬영하고, 제1노출시간보다 짧은 제2노출시간으로 고조도 촬영한다. 카메라(30)는 농도 측정 장치(40)와 유선 또는 무선으로 연결되어 촬영에 의해 획득한 저조도 영상 및 고조도 영상을 농도 측정 장치(40)로 전송한다.
농도 측정 장치(40)는 플레이트(20)의 시료에 대한 농도별 표준 광량 데이터베이스를 생성하고, 임의의 시료에 대한 농도를 측정할 수 있다. 농도 측정 장치(40)는 노출시간 제어부(50), 광량 측정부(60), 광량 분석부(70), 데이터베이스(DB, 80) 및 농도 산출부(90)를 포함할 수 있다.
노출시간 제어부(50)는 카메라(30)가 저조도 영상 및 고조도 영상을 촬영할 수 있도록, 카메라(30)의 노출 시간을 제어한다. 노출시간 제어부(50)는 다이나믹 레인지가 제한된 카메라(30)를 노출 시간을 달리 설정하여 영상을 획득하게 한다. 이에 따라 카메라(30)의 다이나믹 레인지를 넓힐 수 있어, 기존보다 넓은 범위의 광량 측정이 가능하다.
광량 측정부(60)는 임의의 시료를 제1노출시간으로 촬영한 저조도 영상의 광량, 제2노출시간으로 촬영한 고조도 영상의 광량을 측정한다.
광량 측정부(60)는 농도별 표준 광량 데이터베이스를 생성하는 경우, 농도별 샘플 시료의 저조도 영상으로부터 제1 농도별 광량을 측정하고, 농도별 샘플 시료의 고조도 영상으로부터 제2 농도별 광량을 측정한다.
광량 측정부(60)는 타겟 시료의 농도를 측정하는 경우, 타겟 시료의 저조도 영상으로부터 제1광량을 측정하고, 타겟 시료의 고조도 영상으로부터 제2광량을 측정한다.
광량 분석부(70)는 농도별 표준 광량 데이터베이스를 생성하는 경우, 광량 측정부(60)로부터 농도별 샘플 시료의 제1 농도별 광량과 제2 농도별 광량을 입력받는다. 광량 분석부(70)는 제1 농도별 광량에서 선형인 제1구간, 및 제2 농도별 광량에서 선형인 제2구간을 합성하여 농도별 표준 광량을 산출한다. 광량 분석부(70)는 농도별 표준 광량을 데이터베이스(80)에 저장한다.
광량 분석부(70)는 타겟 시료의 농도를 측정하는 경우, 데이터베이스(80)로부터 타겟 시료의 농도별 표준 광량을 추출한다. 그리고, 광량 분석부(70)는 타겟 시료의 농도별 표준 광량을 이용하여 타겟 시료의 제1광량 및 제2광량을 비교하고, 타겟 시료의 측정 광량을 산출한다. 광량 분석부(70)는 제1광량이 제1 기준 광량을 초과하면, 제2광량을 측정 광량으로 설정한다. 광량 분석부(70)는 제2광량이 제2 기준 광량 미만이면, 제1광량을 측정 광량으로 설정한다. 광량 분석부(70)는 제1광량 및 제2광량의 차이가 일정 오차 범위 내이면 제1광량과 제2광량의 평균을 측정 광량으로 설정한다. 여기서, 농도별 표준 광량, 제1광량 및 제2광량은 정규화된 광량이다.
데이터베이스(80)는 복수의 시료들 각각에 대응하여 농도별 표준 광량을 저장한다. 그리고, 데이터베이스(80)는 각 시료의 농도별 표준 광량을 기초로 생성된 표준 농도 방정식을 시료에 대응하여 저장할 수 있다.
농도 산출부(90)는 농도를 측정하고자 하는 시료가 있는 경우, 데이터베이스(80)에 저장된 해당 시료의 농도별 표준 광량 및 표준 농도 방정식을 이용하여 농도를 산출할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 산출된 임의의 시료의 농도와 실제 농도를 비교한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 일반 카메라의 노출 시간을 제어하여 측정한 광량을 이용하여 시료의 농도를 산출하는 본 발명의 실시예에 따라 산출된 농도 값과, 시료의 실제 농도 값이 거의 일치하고 있음을 알 수 있다.
현재 PCR(Polymerase chain reaction) 장비를 제작하기 위하여 감도가 높은 고가의 카메라를 이용하는데, 본 발명의 실시예를 적용함으로써 저가의 카메라로도 동급 이상의 결과를 얻을 수 있다. 또한 본 발명의 실시예는 PCR에서의 활용 외에도 일반 카메라를 이용한 넓은 범위의 광량 측정에서 활용이 가능하다. 예를 들어, 상이한 노출 시간으로 촬영한 영상 신호의 합성에 본 발명의 실시예를 적용함으로써, 일반 이미지 센서를 이용하는 저가의 카메라로 고품질의 영상을 얻을 수 있다. 즉, 기존 이미지 센서의 픽셀 당 비트(Bit per pixel, BPP)가 8비트일 경우 본 발명의 실시예를 적용하여 8비트 이상의 해상도(Resolution)를 갖는 영상을 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 시료의 농도별 샘플을 제1노출시간으로 촬영하여, 제1 농도별 광량을 측정하고, 상기 제1 농도별 광량이 선형인 제1구간을 산출하는 단계;
    상기 농도별 샘플을 상기 제1노출시간보다 짧은 제2노출시간으로 촬영하여, 제2 농도별 광량을 측정하고, 상기 제2 농도별 광량이 선형인 제2구간을 산출하는 단계; 및
    상기 제1구간과 상기 제2구간을 합성하여 상기 시료의 농도별 표준 광량을 산출하여 데이터베이스화하는 단계;를 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    농도 미정의 타겟 시료를 상기 제1노출시간으로 촬영한 제1영상의 제1광량을 측정하는 단계;
    상기 타겟 시료를 상기 제2노출시간으로 촬영한 제2영상의 제2광량을 측정하는 단계; 및
    상기 타겟 시료에 대해 데이터베이스화된 농도별 표준 광량을 이용하여 상기 제1광량 및 상기 제2광량을 비교하고, 상기 타겟 시료의 측정 광량을 산출하는 단계;를 더 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 타겟 시료의 측정 광량 산출 단계는,
    상기 제1광량이 제1 기준 광량을 초과하면, 상기 제2광량을 상기 측정 광량으로 설정하는 단계;
    상기 제2광량이 제2 기준 광량 미만이면, 상기 제1광량을 상기 측정 광량으로 설정하는 단계; 및
    상기 제1광량 및 상기 제2광량의 차이가 일정 오차 범위 내이면 상기 제1광량과 상기 제2광량의 평균을 상기 측정 광량으로 설정하는 단계;를 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제2항에 있어서,
    상기 농도별 표준 광량, 상기 제1광량 및 상기 제2광량은 정규화된 광량인 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제2항에 있어서,
    상기 농도별 표준 광량을 기초로 산출된 표준 농도 방정식에 상기 측정 광량을 적용하여 상기 타겟 시료의 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 방법.
  6. 카메라가 타겟 시료를 제1노출시간 및 상기 제1노출시간보다 짧은 제2노출시간으로 촬영하도록 제어하는 노출시간 제어부;
    상기 타겟 시료를 상기 제1노출시간으로 촬영한 제1영상의 제1광량, 및 상기 제2노출시간으로 촬영한 제2영상의 제2광량을 측정하는 광량 측정부; 및
    상기 타겟 시료의 농도별 표준 광량을 이용하여 상기 제1광량 및 제2광량을 비교하고, 상기 타겟 시료의 측정 광량을 산출하는 광량 분석부;를 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 타겟 시료의 농도별 샘플을 상기 제1노출시간으로 촬영하여 측정된 제1 농도별 광량에서 선형인 제1구간, 및 상기 제2노출시간으로 촬영하여 측정된 제2 농도별 광량에서 선형인 제2구간을 합성하여 산출된 상기 농도별 표준 광량을 저장한 데이터베이스;를 더 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 광량 분석부는,
    상기 제1광량이 제1 기준 광량을 초과하면, 상기 제2광량을 상기 측정 광량으로 설정하고,
    상기 제2광량이 제2 기준 광량 미만이면, 상기 제1광량을 상기 측정 광량으로 설정하고,
    상기 제1광량 및 상기 제2광량의 차이가 일정 오차 범위 내이면 상기 제1광량과 상기 제2광량의 평균을 상기 측정 광량으로 설정하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 장치.
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제6항에 있어서,
    상기 농도별 표준 광량, 상기 제1광량 및 상기 제2광량은 정규화된 광량인 일반 카메라를 이용하여 넓은 범위의 광량 측정에 의한 시료의 농도 측정 장치.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제7항에 있어서,
    상기 농도별 표준 광량을 기초로 농도 방정식을 산출하고, 상기 측정 광량을 상기 농도 방정식에 적용하여 상기 타겟 시료의 농도를 산출하는 농도 산출부;를 더 포함하는 일반 카메라를 이용한 시료의 농도 측정 장치.
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