KR101853272B1 - 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템 - Google Patents

광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템 Download PDF

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marine
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윤성진
노충환
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기후변화나 대규모 해양오염 발생으로 인한 환경 스트레스 노출에 따른 해양 생물의 중장기 생리 대사활성 변화를 예측할 수 있는 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 해양 생물 및 해수를 수용하기 위한 수조(10); 상기 수조(10) 내의 해양 생물을 광학센서로 촬영하여 얻은 영상을 모니터링 서버(50)로 전송하는 영상처리기(20); 상기 수조(10) 내의 산소, 이산화탄소, 수온 및 pH를 측정한 감지값을 모니터링 서버(50)로 전송하는 센서측정기(40); 및 상기 영상 및 감지값을 총괄적으로 분석하여 해양 생물의 생리 반응을 연속적으로 분석할 수 있는 모니터링 서버(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템에 관한 것이다.

Description

광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템{System for measurement of continuous physiological reaction on marine organisms using optical sensor}
본 발명은 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템에 관한 것이다.
보다 상세하게는, 광학센서를 활용하여 해양 생물의 대사기작 및 대사기작 부산물의 특성 변화를 동시에 측정할 수 있는 측정 시스템에 관한 것으로서, 행동, 호흡, 산소, 이산화탄소, pH를 연속적으로 측정하여 패턴 처리하고, 패턴의 변화 양상을 통해 중장기 대사활성 변화를 예측할 수 있는 시스템이다.
본 발명은, 해양 생물의 생태/생리 특성 및 이화학적 환경요인을 동시에 연속적으로 관찰할 수 있는 효과를 보유하고 있다.
또한, 기후변화나 대규모 해양오염 발생으로 인한 환경 스트레스 노출에 따른 해양 생물의 중장기 생리 대사활성 변화를 예측할 수 있는 효과를 보유하고 있다.
최근 세계적으로 이상 기후 현상이 발생되고 있으며, 또한 항만이 집약된 지역을 중심으로 육상으로부터 오염원이 지속적으로 해양으로 유입되고 있는 상황이다.
이 같은 기후 변화, 해양산성화, 해양오염 등 환경스트레스는 물리화학적 해양환경의 변화와 해양 생물의 이상증세를 일으키고 있다.
일반적으로 해양 생태계는 유기력이 높아 건강성이 유지되지만, 자체 정화할 수 있는 한계를 초과하게 되면 생태계 고유의 기능을 유지시키는 항상성이 소실되어 회복 속도가 느리거나 회복불능의 상태에 처하게 된다.
따라서, 해양 환경보존과 녹색성장의 지속 가능한 발전을 위해서는 해양 생태계의 변화를 감시하고 관리할 수 있어야 한다.
하지만, 해양 생태계의 기초 생리 분야 연구는 생물의 에너지 소비와 연관되어 생존, 성장, 산란, 개체나 개체군의 크기를 증식시키는데 있어 중요한 핵심 정보를 얻을 수 있음에도 불구하고 단기간 일시적인 시점에서의 연구가 이루어지고 있는 반면 중장기 연속적인 생리 반응 기작 연구는 미흡한 상황이다.
예를 들어, 해양생태독성평가기법은 생물의 초기 발생률, 사망률, 기형률, 개체군 성장률과 같이 일정한 시간이 경과한 후 생물의 생태반응 자료를 수집하는데 국한되어 있다.
또는, 수온, 염분, DO, pH, CO2 등에서 1~2개의 환경인자 조합만을 단순 측정하여 일시적으로 환경스트레스 반응 연구가 수행되어져 왔다.
최근 들어, 해양오염, 해양산성화, 지구온난화와 같은 환경문제로 인한 환경 스트레스 노출에 따른 해양 생물의 생리 대사활성 변화를 관찰하기 위한 기술들이 개발되고 있다.
이러한 기술의 일예가 하기 문헌 1,2에 개시되어 있다.
특허문헌 1에는 송사리와 같이 작은 물고기 또는 물벼룩을 여러 구역으로 구획된 수조에 각각 집어넣고 검사대상인 하천 또는 수역의 물을 연속적으로 흘려주며 내부에 수용된 물고기 또는 물벼룩의 행태를 관찰함으로써 검사대상 물 내부에 포함된 독성물이나 유해물질의 존재를 파악하고 측정하는 수질 측정 장치에 대해 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는 피 실험생물을 물과 함께 저장하는 생물저장부와, 상기 생물저장부에 탈착 가능하게 볼트 결합되는 덮개부와, 상기 생물저장부와 덮개부의 사이에 끼워지는 실링부재를 포함하여, 대기와의 접촉을 완전하게 차단할 수 있고 생물을 용이하게 출입시킬 수 있으며 물을 원활하게 순환시켜 장시간 동안 생물을 관찰할 수 있도록 한 호흡측정용기에 대해 개시되어 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 기술들은 일시적인 환경 및 생리적 반응을 관찰하였기 때문에 중장기 현상 변화를 감지하기 어려웠다.
1. 대한민국 공개특허공보 제10-2008-0107926호(2008.12.11 공개) 2. 대한민국 등록실용신안공보 제20-0280723호(2002.06.24. 등록)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기후변화나 대규모 해양오염 발생으로 인한 환경 스트레스 노출에 따른 해양 생물의 중장기 생리 대사활성 변화를 예측할 수 있으며, 특히 해양 생물의 생태/생리 특성 및 이화학적 환경요인을 동시에 연속적으로 관찰할 수 있는 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 소형화된 센서 및 기타 검출장치로 구성됨에 따라 이상현상이 발생한 현장에서 직접 실험할 수 있는 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은, 해양 생물과 해수를 수용하기 위한 수조(10); 상기 수조(10) 내의 해양 생물을 광학센서로 촬영하여 얻은 영상을 모니터링 서버(50)로 전송하는 영상처리기(20); 상기 수조(10) 내의 산소, 이산화탄소, 수온 및 pH를 측정한 감지값을 모니터링 서버(50)로 전송하는 센서측정기(40); 및 상기 영상 및 감지값을 총괄적으로 분석하여 해양 생물의 생리 반응을 연속적으로 분석할 수 있는 모니터링 서버(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템을 제공함으로써, 기술적 과제를 해결하고자 한다.
특히, 상기 모니터링 서버(50)는, 해양 생물의 행동 및 호흡, 해수의 산소, 이산화탄소, 수온 및 pH 각각을 패턴 처리하여 분석하는 것인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수조(10) 내의 해양 생물의 호흡량을 측정하는 호흡측정기(30)를 추가로 포함하되, 상기 호흡측정기(30)는 상기 수조(10)에서 처리대상 해수와 해양 생물의 혼합에 의해 만들어진 측정 대상수를 공급받는 챔버(31), 상기 측정 대상수가 배관을 통해 챔버(31)를 경유한 후 반응조(32)로 순환하도록 하는 순환펌프(33) 및 챔버(31) 내의 측정 대상수에 대하여 용존산소 농도를 측정하는 용존산소측정기(34)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서측정기(40)는 광학센서를 이용하여 산소, 이산화탄소, 수온 또는 pH를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모니터링 서버(50)는 상기 행동, 호흡, 산소, 이산화탄소, 수온 및 pH를 하나의 컨텍스트 패턴으로 처리하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템은 생물의 연속적인 생리 반응 변화를 분석하고, 해양환경의 중장기 변화를 예측 평가할 수 있어 환경요인 및 대사기작 변화를 동시에 연속적으로 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 장치의 소형화 유도 및 보급을 통해 현장 적용성이 우수하고 미생물, 생화학 분야의 생리 연구가 가능하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 영상처리기를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 호흡측정기를 도시한 구성도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에서 ‘대사기작’은 해양 생물의 생존활동에 따른 해양 생물 및 환경의 물리화학적 변화 양상을 의미하고, ‘대사기작 부산물’은 해양 생물의 생존활동 결과 발생되는 부산물에 따른 해양 생물 및 환경의 물리화학적 변화 양상을 의미한다. 즉, 해양 생물의 행동 및 호흡과, 해수의 수온, 산소, 이산화탄소, pH는 해양 생물의 대사기작과 대사기작 부산물을 측정할 수 있는 인자가 된다.
이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템을 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템은 수조(10), 영상처리기(20), 호흡측정기(30), 하나 이상의 광학센서를 포함하는 센서측정기(40) 및 모니터링 서버(50)를 포함한다.
수조(10)는 해수와 실험 대상이 되는 해양 생물이 수용되는 용기이다. 내부에는 영상처리기(20), 호흡측정기(30) 및 센서측정기(40)가 구비될 수 있도록 설계된다. 또한, 영상처리기(20) 및 센서측정기(40)가 동작될 수 있는 광원을 구비한다.
상기 수조(10)의 내부에 수용되는 해수는 순환펌프(미도시)에 의해 수조 내부로 공급되게 된다.
영상처리기(20)는 상기 수조(10) 내의 해양 생물을 촬영하여 얻은 영상을 통해 해양 생물의 행동을 관찰하기 위한 것이다.
상기 영상처리기(20)는 카메라 등에 사용되는 이미지 광학센서에 의해 촬영된 영상을 이용하여 해양 생물의 행동을 연속적으로 추적한다. 또한, 해양 생물의 개체수, 크기 및 사멸 유무 등을 분석할 수 있다. 또한, 해양 생물의 대사 기작 부산물로서의 유기물 등을 분석할 수 있다.
영상처리기(20)는 이미지 광학센서를 통해 촬영한 해양 생물의 영상을 저장하는 메모리와 상기 이미지 광학센서를 통해 촬영된 해양 생물을 화면에 표시하는 디스플레이를 구비한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 영상처리기(20)는 디스플레이(21)에 표시된 해양 생물을 크기별로 구별하고, 크기별로 구별된 해양 생물의 개체수 및 총 개체수를 카운트하여 이를 디스플레이에 표시한다.
이와 같이 상기 영상처리기(20)를 통해 획득된 데이터는 실시간으로 디스플레이되며, 이 데이터는 모니터링 서버(50)에 전송된다. 설계조건에 따라서는, 영상처리기(20)는 영상만 획득하고 모니터링 서버(50)에 전송하면, 모니터링 서버(50)가 영상으로부터 행동 추적, 개체수, 크기 및 사멸유무를 분석하도록 할 수 있다.
예를 들어, 행동 추적 분석 데이터는 해양 생물의 시간에 따른 움직임 빈도를 포함할 수 있으므로, 개체수, 크기 및 사멸유무 분석 데이터와 결합하게 되면 해양 생물의 대사에 따른 행동 양상을 분석할 수 있게 된다. 나아가서, 호흡, 수온, 산소, 이산화탄소 및 pH 감지값과 결합하게 되면 해양 생물의 대사 기작 패턴이 분석될 수 있게 된다.
호흡측정기(30)는 상기 수조(10) 내의 해양 생물의 호흡량을 측정하는 것이다. 호흡측정기(30)는 별도로 구비될 수도 있고 또는 제외될 수도 있다. 왜냐하면, 센서측정기(40)의 감지값으로부터 호흡을 측정할 수 있기 때문이다.
도 3에 도시된 바와 같이 별도로 구비되는 경우, 상기 호흡측정기(30)는 상기 수조(10)에서 처리대상 해수와 해양 생물의 혼합에 의해 만들어진 측정 대상수를 공급받는 챔버(31), 상기 측정 대상수가 배관을 통해 챔버(31)를 경유한 후 반응조(32)로 순환하도록 하는 순환펌프(33) 및 챔버(31) 내의 측정 대상수에 대하여 용존산소 농도를 측정하는 용존산소측정기(34)를 포함한다.
상기 호흡측정기(30)는 처리대상 해수와 해양 생물을 포함하는 측정 대상수가 순환펌프(33)에 의해 순환하다가 특정 시점에 순환을 멈추고 챔버(31)에서 용존산소측정기(34)에 의해 측정을 하게 된다.
이때, 측정시간 동안 용존산소 농도는 반응조 내부에 증식하는 해양 생물의 호흡에 의한 대사속도에 비례하여 감소하게 되며 호흡 변화속도는 용존산소의 소모 속도로 나타나게 되므로 용존산소측정기(34)에 의해 시간 경과에 따라 용존산소의 농도감소 변화를 측정한다. 상기 호흡측정기를 통해 획득한 데이터는 모니터링 서버(50)에 전송된다.
센서측정기(40)는 상기 수조(10) 내의 해양 생물의 대사기작 및 대사 부산물의 특성 변화를 감지하기 위한 측정요소 중에서 산소, 이산화탄소, 수온 및 pH를 측정하기 위한 센서들을 포함한다.
상기 센서들은 광소재 및 광학적 원리를 이용한 광학센서들를 채용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 시약 등과 같이 별도의 반응을 요구하는 센서들은 지속적으로 대사 기작을 관찰하기에는 적합하지 않기 때문이다.
즉 가시광 센서, 적외선 센서, 자외선 센서 또는 방사선 센서를 이용하여 산소 센서, 이산화탄소 센서, 수온 센서 또는 pH 센서를 제작하여 구비하도록 한다. 예를 들어, 가시광 센서 중에서 광전저 방출형 센서, 광도전형 센서, 광기전력 센서 또는 광파이버 센서를 이용할 수 있다.
상기 산소 센서, 이산화탄소 센서, 수온 센서 및 pH 센서는 상기 수조(10)에 설치되어 수조 내의 용존산소량, 이산화탄소량, 해수의 온도 및 pH 농도를 측정한다.
센서측정기를 통해 획득한 데이터는 모니터링 서버(50)에 전송된다.
모니터링 서버(50)는 상기 영상처리기(20), 호흡측정기(30) 및 센서측정기(40)를 통해 획득한 데이터를 기초로 해양 생물의 대사 기작 패턴을 분석하는 기능을 수행한다.
즉 행동, 크기, 생존율, 호흡, 수온, 산소, 이산화탄소 및 pH 각각의 변화 양상을 각각의 패턴으로 처리하고, (행동 패턴, 크기 패턴, 생존율 패턴, 호흡 패턴, 수온 패턴, 산소 패턴, 이산화탄소 패턴, pH 패턴)을 대사 기작 패턴(컨텍스트)으로 처리한다.
여기에서, 각 패턴들은 시간에 따른 변화 양상을 수학적 수치로 표현할 수 있게 되며, 각 패턴들이 모인 대사 시작 컨텍스트 역시 하나의 수학적 표현으로 나타낼 수 있게 된다. 따라서 행동, 크기, 생존율, 호흡, 수온, 산소, 이산화탄소 및 pH의 변화양상을 하나의 변화양상으로 규정하고, 이러한 변화양상의 변화 추이를 살피게 되면 향후의 변화를 예측할 수 있게 되는 것이다.
구체적으로 보면, (행동 패턴, 크기 패턴, 생존율 패턴, 호흡 패턴, 수온 패턴, 산소 패턴, 이산화탄소 패턴, pH 패턴)을 대사 기작 패턴(컨텍스트)으로 처리하되, 다시 계층적 시간 컨텍스트로 변환하여 처리한다.
예를 들어, 1주일을 요일로 7등분하고, 하루 24시간을 4등분 하여 6시간씩 시간을 수치화한 후, 다시 매시간을 10분 단위로 전처리하여 계층적 트리 구조를 갖는 시간 컨텍스트로 변환한다. 그렇게 되면 1주일을 총 1,008개(1×7×4×6×6)의 시간 가지 수로 인덱싱이 가능하다. 인덱싱 후에는 컨텍스트의 일치 여부를 '주', '일', '시간' , '분' 단위로 수행할 수 있게 된다. 그 다음에 컨텍스트 패턴의 변화 양상이 이루어지는 것을 그래프 처리하여 보면 향후의 작동이상 가능성이 높은 시기 또는 부품을 확인할 수 있게 된다.
설계조건에 따라서는, 컨텍스트로 전처리할 대, 각 패턴 요소에 가중치를 산정하여 구성할 수도 있다. 예를 들어, 행동 패턴에는 가중치를 2를 곱하고 나머지는 가중치를 1을 곱한다거나 또는 호흡 패턴에는 가중치 2, 누적평균에는 가중치 1.5를 곱하고 나머지는 가중치 1을 곱하거나 하는 식으로도 컨텍스트를 구성할 수 있다.
하기의 표 1은 일 예로서, 10시간 간격의 패턴을 10분 단위로 측정한 상하한의 패턴 범위에 기초하여 ANTI-유사도를 판정한 결과이다. ANTI-유사도를 판정한 후에는 각 ANTI-유사도를 더하거나 ANTI-유사도에 가중치를 곱한 후 더하거나 해서 총 ANTI-유사도를 구할 수 있게 된다.
행동패턴 크기패턴 생존율패턴 수온패턴 산소패턴 이산화탄소패턴
패턴범위 ±1 ±2 ±3 ±5 ±2.2 ±2.5
패턴범위
(10시간후)		 ±1.2 ±2.1 ±2.9 ±5 ±2.15 ±2.6
ANTI-유사도 0.4 0.2 0.2 0 0.1 0.2
즉 행동패턴이 최초 측정 10분 동안 ±1 dB 정도의 변화값을 갖는다고 볼 때 10시간 후에 측정할 때의 10분 동안 ±1.2 dB 정도의 변화값을 갖게 되므로 0.4 정도의 간격이 벌어지게 되고 ANTI-유사도는 올라가게 된다. 이러한 실험을 100시간 정도 측정한다고 했을 때 변화양상을 그래프화할 수 있게 되고 향후의 예측을 그래프화할 수 있게 된다.
또한 모니터링 서버(50)는 상기 기기들을 통합적으로 제어할 수 있으며, 상기 기기들에 의해 측정된 데이터를 모니터를 통해 그래프 형식으로 보여주고 이를 저장할 수 있다.
이처럼, 상기 모니터링 서버(50)를 통한 데이터 분석을 통하여 모니터링 결과의 정확도를 향상시킬 수 있고, 동시에 기후변화나 대규모 해양오염 발생으로 인한 환경 스트레스 노출에 따른 해양 생물의 중장기 생리 대사활성 변화를 예측할 수 있음으로써 해양 환경 모니터링의 실효성을 도모할 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 변형이 가능하다는 것은 자명하다.
10 : 수조
20 : 영상처리기 21 : 디스플레이
30 : 호흡측정기 31 : 챔버
32 : 반응조 33 : 순환펌프
34 : 용존산소측정기
40 : 센서측정기
50 : 모니터링 서버

Claims (5)

  1. 해양 생물 및 해수를 수용하기 위한 수조;
    상기 수조 내의 해양 생물을 광학센서로 촬영하여 얻은 영상을 모니터링 서버로 전송하는 영상처리기;
    상기 수조 내의 산소, 이산화탄소, 수온 및 pH를 측정한 감지값을 모니터링 서버로 전송하는 센서측정기;
    상기 수조 내의 해양 생물의 호흡량을 측정하는 호흡측정기; 및
    상기 영상으로부터 해양생물의 시간변화에 따른 움직임빈도, 개체수, 크기 및 사멸유무로부터 분석된 행동패턴, 크기패턴 및 생존율 패턴, 상기 호흡측정기를 통해 측정된 호흡패턴, 상기 센서측정기에서 측정한 감지값에 따른 해수의 산소 패턴, 이산화탄소 패턴, 수온 패턴 및 pH 패턴 각각에 대하여,
    계층적 트리 구조를 갖는 시간 컨텍스트로 변환하고, 각 패턴을 제1시간 간격으로 제2시간동안 측정하여 얻어진 제n변화값 및 제n+1변화값의 변화정도를 나타내는 안티-유사도를 산출하여 각 패턴의 변화추이를 예측하는 모니터링 서버를 포함하며,
    상기 제n변화값은 최초 측정 제2시간동안의 패턴 상하한 범위이고, 상기 제n+1변화값은 상기 최초측정 이후 상기 제1시간이 경과된 시점을 기준으로 제2시간동안의 패턴 상하한 범위인 것을 특징으로 하는, 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 호흡측정기는,
    상기 수조에서 처리대상 해수와 해양 생물의 혼합에 의해 만들어진 측정 대상수를 공급받는 챔버, 상기 측정 대상수가 배관을 통해 챔버를 경유한 후 반응조로 순환하도록 하는 순환펌프 및 챔버 내의 측정 대상수에 대하여 용존산소 농도를 측정하는 용존산소측정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 센서측정기는 광학센서를 이용하여 산소, 이산화탄소, 수온 또는 pH를 측정하는 것을 특징으로 하는, 광학센서를 활용한 해양 생물의 연속 생리반응 측정 시스템.
  5. 삭제
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