KR101888926B1 - Method and Apparatus for Analyzing Sperm Cells Using 3D Refractive Index Tomogram - Google Patents

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Abstract

3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치가 제시된다. 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법은 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계; 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 단계; 및 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 단계를 포함할 수 있다. A method and an apparatus for analyzing spermatocyte state using three-dimensional refractive index measurement are presented. A method of analyzing spermatocyte state using a three-dimensional refractive index measurement includes optically measuring a three-dimensional refractive index distribution of sperm cells; Extracting a physical quantity of at least one of a shape, a mass, and a concentration of the sperm cell using the measured three-dimensional refractive index distribution; And analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine the state of the sperm cells.

Description

3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치{Method and Apparatus for Analyzing Sperm Cells Using 3D Refractive Index Tomogram}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and apparatus for analyzing spermatocytes using 3D refractive index measurement,

아래의 실시예들은 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하여 세포의 물리량 분석을 바탕으로 세포의 상태를 판별하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치에 관한 것이다. The following embodiments are directed to a method and apparatus for analyzing spermatocyte state using three-dimensional refractive index measurement. More particularly, the present invention relates to a method and apparatus for analyzing spermatocyte state using 3D refractive index measurement, more specifically, The present invention relates to a method and apparatus for analyzing spermatocyte state using a three-dimensional refractive index measurement.

정자 세포의 상태 분석은 의학, 특히 산부인과와 진단 검사학에서 매우 중요한 문제이다. 예를 들어 정자의 머리, 몸통, 꼬리의 형상이 비정상인 경우 정상적인 수정이 일어나기 매우 어렵기 때문에, 이런 비정상 세포의 유무를 판별하는 것은 시험관 수정(In Vitro Fertilization, IVF) 시술 등에서 현재 필수불가결한 과정이다. 또한, 불임 원인 중 30% 이상은 남성에게 있으며, 이때 정자의 상태와 활동성을 측정하는 것은 이러한 남성 기인 불임의 원인을 파악하는데 매우 중요하다.Analysis of spermatocyte status is a very important issue in medicine, especially in obstetrics and gynecology. For example, if the shape of the head, trunk, or tail of the sperm is abnormal, it is very difficult for normal correction to occur. Therefore, to determine the presence or absence of such abnormal cells, it is necessary to perform an in vitro fertilization (IVF) to be. In addition, more than 30% of the causes of infertility are in males, and measuring the status and activity of spermatozoa is crucial in determining the cause of these males infertility.

정자 세포의 상태를 측정하기 위해, 일반적으로 사용하는 방식은 위상 현미경을 이용한 형태와 활동성 분석이다. Phase contrast microscopy(PC) 또는 differential interference contrast microscopy (DIC)가 주로 사용된다. In order to measure the state of sperm cells, the usual method is the morphology and activity analysis using a phase microscope. Phase contrast microscopy (PC) or differential interference contrast microscopy (DIC) are mainly used.

다시 체내에 주입하거나 수정을 일으켜야 하는 정자 세포이기 때문에 세포 염색(cell staining)과 같은 방법을 사용할 수 없기 때문에, PC 또는 DIC 같은 위상 현미경을 이용하여, 세포의 전반적인 윤곽이나, 세포 내 각 부분의 형태를 영상화하고 분석한다. Since it is not possible to use the same method as cell staining because it is a spermatozoon that needs to be injected into the body or to be fertilized, a phase microscope such as PC or DIC can be used to determine the overall contour of the cell, .

하지만 위상 현미경의 문제는 2차원 영상 측정만 가능하다는 점, 그리고 세포의 윤곽 정보만을 정성적으로 얻을 수 있다는 한계가 있었다. 예를 들면 정자 세포의 옆 부분에 비정상 구조가 있는 경우에는 쉽게 영상화 되어 진단에 중요한 정보를 제공할 수 있으나, 비정상 구조가 다른 구조의 위쪽이나 아래쪽에 위치한 경우 기존 2차원 위상 현미경으로는 탐지하기 어렵다. 또한, 세포의 대략적인 형상 정보만을 바탕으로 검사자가 경험에 비추어 진단을 해야 한다는 한계가 있다.However, the problem of the phase microscope was limited to the fact that only 2D image measurement was possible, and only the outline information of the cell could be obtained qualitatively. For example, if an abnormal structure is present on the side of a sperm cell, it can easily be imaged and provide important information for diagnosis, but it is difficult to detect with an existing two-dimensional phase microscope when the abnormal structure is located above or below other structures . In addition, there is a limitation that an examiner should make diagnosis based on experience only based on approximate shape information of a cell.

따라서 정자 세포의 정확한 상태를 파악하지 못하는 근본적인 문제가 있었다. 또한 사용자의 경험에 기반하여 정자 세포의 상태를 구분하기 때문에 정확도가 떨어지는 문제가 있었다. Thus, there was a fundamental problem that the accurate state of sperm cells could not be grasped. Also, since the spermatocyte state is classified based on the user's experience, there is a problem that the accuracy is low.

1. Kim, K., et al. (2016). "Optical diffraction tomography techniques for the study of cell pathophysiology." arXiv preprint arXiv:1603.00592.1. Kim, K., et al. (2016). "Optical diffraction tomography techniques for the study of cell pathophysiology." arXiv preprint arXiv: 1603.00592. 2. Lee, K., et al. (2013). "Quantitative phase imaging techniques for the study of cell pathophysiology: from principles to applications." Sens 세포 염색(cell staining)ors 13(4): 4170-4191.2. Lee, K., et al. (2013). "Quantitative phase imaging techniques for the study of cell pathophysiology: from principles to applications." Sens cell staining ors 13 (4): 4170-4191. 3. Wolf, E. (1969). "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data." Optics Communications 1(4): 153-156.3. Wolf, E. (1969). "Three-dimensional structure determination of semi-transparent objects from holographic data." Optics Communications 1 (4): 153-156.

실시예들은 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 세포의 3차원 굴절률 분포(refractive index)를 광학적으로 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 세포의 물리량 분석을 바탕으로 세포의 상태를 판별하는 기술을 제공한다. Embodiments describe a method and apparatus for analyzing spermatocyte states using a three-dimensional refractive index measurement. More specifically, a three-dimensional refractive index of a cell is optically measured, and a three- Based on the analysis of the physical quantities of the cells.

실시예들은 염색이나 표지 등을 전혀 사용하지 않고 살아있는 정자 세포의 3차원 굴절률(refractive index) 분포를 광학적으로 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 분석을 바탕으로 정자 세포의 이상 여부와 활동성을 판별하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치를 제공하는데 있다. The examples optically measure the three-dimensional refractive index distribution of living sperm cells without any dyeing or labeling, and analyze the shape, mass, and concentration of sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution The present invention also provides a method and apparatus for analyzing spermatocytes using a three-dimensional refractive index measurement method for discriminating the abnormality and activity of sperm cells.

일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법은 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계; 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 단계; 및 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 단계를 포함한다. The method of analyzing spermatocyte state using three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment includes optically measuring a three-dimensional refractive index distribution of sperm cells; Extracting a physical quantity of at least one of a shape, a mass, and a concentration of the sperm cell using the measured three-dimensional refractive index distribution; And analyzing the extracted physical quantities of the sperm cells to determine the state of the sperm cells.

상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는, 광원에서 입사되는 빛을 상기 정자 세포에 입사시키는 단계; 상기 정자 세포에서 회절된 투과광을 간섭계로 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득하는 단계; 및 상기 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. The step of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells comprises the steps of: injecting the light incident from the light source into the sperm cell; Measuring a transmitted light diffracted by the sperm cells using an interferometer to obtain a plurality of two-dimensional holograms; And measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells using the plurality of two-dimensional holograms.

상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는, 상기 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The step of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells comprises rotating the angle of light incident on the sperm cells to measure the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer, Can be analyzed through a transmission or diffraction algorithm to measure the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells.

또한, 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는, 상기 정자 세포를 직접 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The step of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells may include directly rotating the sperm cells to measure the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer, and measuring the two- Diffraction algorithm can be used to measure the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells.

상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는, 광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The step of optically measuring the distribution of the three-dimensional refractive index of the sperm cells may include measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells by optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography.

상기 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 단계는, 상기 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 상기 정자 세포의 윤곽을 획득하는 단계; 상기 정자 세포의 구조가 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 상기 정자 세포 내 형상 정보를 획득하고, 상기 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 상기 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산하는 단계; 및 계산된 상기 농도와 상기 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 상기 정자 세포의 질량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. The step of extracting the physical quantity of at least one of the shape, mass, and concentration of the sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution is characterized in that the sperm cells are separated from the sperm cells Obtaining an outline of the cell; Wherein the spermatocyte morphology information is acquired using a property that the structures of the sperm cells have different refractive index values, and the sperm cell is obtained by using the refractive index value and the refractive index increment value of the protein as a proportionality constant, Calculating a concentration of a localized region of the sample; And calculating the mass of the sperm cells through the calculated concentration and the volume information of the sperm cells.

상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 단계는, 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 이상 유무 상태를 판별하는 단계; 및 소정 시간 간격으로 상기 정자 세포의 상태를 파악하여 상기 정자 세포의 활동성을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. The step of analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine the state of the sperm cells comprises the steps of: analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine an abnormal state of the sperm cells; And measuring the activity of the sperm cells by determining the state of the sperm cells at predetermined time intervals.

다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치는 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 3차원 굴절률 측정부; 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 물리량 산정부; 및 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 상태 판별부를 포함한다. The apparatus for analyzing spermatocytes according to another embodiment uses a three-dimensional refractive index measurement unit for optically measuring a three-dimensional refractive index distribution of sperm cells. A physical quantity calculating unit for extracting at least one physical quantity of shape, mass, and concentration of the sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution; And a state determinator for analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine the state of the sperm cells.

상기 3차원 굴절률 측정부는, 빛을 정자 세포에 입사시키는 광원; 상기 정자 세포에서 회절된 투과광을 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득하는 간섭계; 및 상기 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 측정부를 포함하고, 상기 3차원 굴절률 측정부는 광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다.Wherein the three-dimensional refractive index measuring unit comprises: a light source for causing light to enter the sperm cell; An interferometer for measuring transmitted light diffracted by the sperm cells to obtain a plurality of two-dimensional holograms; And a measuring unit for measuring a three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells using the plurality of two-dimensional holograms, wherein the three-dimensional refractive index measuring unit measures the refractive index of the sperm cells using at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography The three-dimensional refractive index distribution of the spermatids can be measured.

상기 3차원 굴절률 측정부는, 상기 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다.The three-dimensional refractive index measuring unit may measure the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer by rotating an angle of light incident on the sperm cells, analyzing the plurality of two-dimensional holograms measured through a transmission or diffraction algorithm The three-dimensional refractive index distribution of the spermatids can be measured.

상기 3차원 굴절률 측정부는, 상기 정자 세포를 직접 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다.The three-dimensional refractive index measuring unit may measure the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer by directly rotating the sperm cells, analyzing the plurality of two-dimensional holograms measured through a transmission or diffraction algorithm, Dimensional refractive index distribution can be measured.

상기 물리량 산정부는, 상기 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 상기 정자 세포의 윤곽을 획득하는 형상 추출부; 상기 정자 세포의 구조가 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 상기 정자 세포 내 형상 정보를 획득하고, 상기 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 상기 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산하는 농도 추출부; 및 계산된 상기 농도와 상기 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 상기 정자 세포의 질량을 계산하는 질량 추출부를 포함할 수 있다.Wherein the physical quantity calculation unit comprises: a shape extracting unit that obtains an outline of the sperm cells using characteristics of the sperm cells different from each other in refractive index values; Wherein the spermatocyte morphology information is acquired using a property that the structures of the sperm cells have different refractive index values, and the sperm cell is obtained by using the refractive index value and the refractive index increment value of the protein as a proportionality constant, A concentration extracting unit for calculating a concentration of a local region of the sample; And a mass extractor for calculating the mass of the sperm cells through the calculated concentration and the volume information of the sperm cells.

상기 상태 판별부는, 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 이상 유무 상태를 판별하는 이상 상태 판별부; 및 소정 시간 간격으로 상기 정자 세포의 상태를 파악하여 상기 정자 세포의 활동성을 측정하는 활동성 측정부를 포함할 수 있다.Wherein the state determiner comprises: an abnormal state determiner for analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine an abnormal state of the sperm cells; And an activity measuring unit for measuring the activity of the sperm cells by observing the state of the sperm cells at predetermined time intervals.

또 다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치는 빛을 세포에 입사시키는 광원; 상기 세포에서 회절된 투과광을 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득하는 간섭계; 및 상기 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 상기 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 측정부를 포함하고, 광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 상기 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하고, 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 세포의 상태를 판별한다.According to still another embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for analyzing spermatocytic cells using three-dimensional refractive index measurement, comprising: a light source for introducing light into cells; An interferometer for measuring transmitted light diffracted in the cell to obtain a plurality of two-dimensional holograms; And a measuring unit for measuring a three-dimensional refractive index distribution of the cell using the plurality of two-dimensional holograms, wherein the three-dimensional refractive index distribution of the cell is measured through optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography And determines the state of the cell using the measured three-dimensional refractive index distribution.

측정된 상기 세포의 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 물리량 산정부; 및 상기 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 세포의 상태를 판별하는 상태 판별부를 더 포함할 수 있다. A physical quantity calculation unit for extracting at least one physical quantity of the shape, mass, and concentration of the cell using the measured three-dimensional refractive index distribution of the cell; And a state determination unit for analyzing the extracted physical quantity of the cell to determine the state of the cell.

실시예들에 따르면 염색이나 표지 등을 전혀 사용하지 않고 살아있는 정자 세포의 3차원 굴절률(refractive index) 분포를 광학적으로 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 분석을 바탕으로 정자 세포의 이상 여부와 활동성을 판별하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to the embodiments, the three-dimensional refractive index distribution of living sperm cells is optically measured without any dyeing or labeling, and the shape, mass, and concentration of sperm cells are measured using the measured three-dimensional refractive index distribution Based on the analysis, it is possible to provide a method and apparatus for analyzing spermatocyte state using a three-dimensional refractive index measurement for discriminating an abnormality and activity of spermatids.

실시예들에 따르면 정자 세포의 상태와 활동성을 측정할 때 3차원 굴절률 분포를 측정함으로써, 기존 위상 현미경이 갖고 있던 2차원 영상의 한계를 극복하고 기존에는 측정이 불가능했던 정자 세포의 정보(질량, 국소 영역의 농도)를 정량적으로 측정 가능한 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to the embodiments, when the state and activity of sperm cells are measured, the three-dimensional refractive index distribution is measured to overcome the limitation of the two-dimensional image of the conventional phase microscope, and the information (mass, A method of analyzing spermatocyte state and an apparatus using the three-dimensional refractive index measurement capable of quantitatively measuring the concentration of the spermatozoa of the present invention can be provided.

도 1은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a은 일 실시예에 따른 입사광 회전 방식을 이용한 세포의 3차원 굴절률을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b은 일 실시예에 따른 세포 회전 방식을 이용한 세포의 3차원 굴절률을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
1 is a view for explaining a sperm cell status analysis method using a three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment.
FIG. 2 is a view for explaining a sperm cell state analyzing apparatus using a three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment.
3A is a view for explaining a method of measuring a three-dimensional refractive index of a cell using an incident light rotation method according to an embodiment.
FIG. 3B is a view for explaining a method of measuring the three-dimensional refractive index of cells using the cell rotation method according to one embodiment.
FIGS. 4 to 6 are flowcharts for explaining a sperm cell state analysis method using a three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments described may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

아래의 실시예들은 염색이나 표지 등의 추가 과정 없이 살아있는 정자 세포의 상태를 분석할 수 있는 방법을 제공한다. 더 구체적으로, 실시예들은 세포의 3차원 굴절률(refractive index) 분포를 광학적으로 측정하고, 세포의 형상/질량/농도 분석을 바탕으로 정자 세포의 이상 여부와 활동성을 판별할 수 있는 것이다. The following examples provide a method for analyzing the state of living sperm cells without additional steps such as staining or labeling. More specifically, the embodiments are capable of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of a cell and determining the abnormality and activity of the sperm cell based on the shape / mass / concentration analysis of the cell.

예컨대, 광원에서 세포(샘플)로 레이저가 조사될 때 레이저 빔이 돌아가면서 다수의 2D 이미지를 획득할 수 있으며, 분석을 통해 토모그램을 하여 3D 흡수도를 획득함으로써 3차원 영상을 획득할 수 있다. 이에 따라 세포를 염색하지 않고도 3차원 영상을 획득할 수 있다. 기존에 세포의 3차원 영상을 확인하는 경우 세포를 염색해야 하나, 세포의 염색 후에는 체내로 주입하기 어려워 다양한 분야에 적용이 어렵다는 문제점이 있다.
For example, when a laser beam is irradiated from a light source to a cell (sample), a plurality of 2D images can be acquired while the laser beam is rotating, and a 3D image can be acquired by obtaining a 3D absorption degree by performing tomograms through analysis . Thus, three-dimensional images can be obtained without staining the cells. In the case of confirming 3-dimensional images of cells, it is necessary to stain the cells, but it is difficult to inject into the body after staining of the cells, which makes it difficult to apply to various fields.

도 1은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a sperm cell status analysis method using a three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment.

도 1a를 참조하면, 정자 세포의 상태와 활동성을 측정할 때 기존 위상 현미경은 2차원 영상을 획득하며, 정자 세포의 정보(질량, 국소 영역의 농도)를 정량적으로 측정하는 것이 불가능하다. 1A, when measuring the state and activity of sperm cells, conventional phase microscopes acquire two-dimensional images, and it is impossible to quantitatively measure information (mass, concentration of local region) of sperm cells.

도 1b를 참조하면, 정자 세포의 상태와 활동성을 측정할 때 3차원 굴절률 분포를 측정함으로써, 기존 위상 현미경의 2차원 영상의 한계를 극복하고 기존에는 측정이 불가능했던 정자 세포의 정보(질량, 국소 영역의 농도)를 정량적으로 측정 가능하다. Referring to FIG. 1B, when the state and activity of sperm cells are measured, a three-dimensional refractive index distribution is measured to overcome the limitation of a two-dimensional image of a conventional phase microscope, and information Concentration of the region) can be measured quantitatively.

본 실시예들은 염색이나 표지 등을 전혀 사용하지 않고 살아있는 정자 세포의 3차원 굴절률 측정을 이용하여 세포의 상태와 활동성을 측정할 수 있는 방법을 제공한다. The present embodiments provide a method of measuring the state and activity of a cell using the measurement of three-dimensional refractive index of living sperm cells without using dyeing or marking.

세포 내 3차원 굴절률 분포는 세포 내 소기관(subcellular organelles)의 구성과 형태와 밀접한 관련이 있다. 또한, 굴절률 값 자체는 세포 내 주요 구성 성분인 단백질의 농도와 비례한다. 따라서 세포의 3차원 굴절률 정보를 측정하는 것은 세포와 세포 내 소기관의 형태적인 특성(morphological characteristics) 뿐만 아니라 생화학적인 특성(biochemical characteristics) 정보를 반영한다. The intracellular 3D refractive index distribution is closely related to the composition and morphology of subcellular organelles. In addition, the refractive index value itself is proportional to the concentration of protein, which is a major component in the cell. Thus, measuring the three-dimensional refractive index information of a cell reflects not only morphological characteristics of cells and intracellular organelles but also biochemical characteristics information.

이에 따라 3차원 굴절률 분포를 이용하는 경우 세포 종류의 특이적인 형태적 특성 및 생화학적 특성을 이용하여 세포의 형상과 상태를 구분할 수 있게 된다.Accordingly, when the three-dimensional refractive index distribution is used, the shape and state of the cell can be distinguished by using the specific morphological and biochemical characteristics of the cell type.

정자 세포의 3차원 굴절률 분포의 측정 결과를 바탕으로 정자 세포의 형상과 질량, 그리고 농도를 추출할 수 있다. 구체적으로 세포의 형상은 세포와 배양액의 굴절률의 값이 다른 점을 이용하여 세포의 윤곽을 획득할 수 있다. The shape, mass, and concentration of spermatids can be extracted based on the measurement results of the three-dimensional refractive index distribution of sperm cells. Specifically, the shape of a cell can be obtained by using the difference in the refractive index between the cell and the culture medium.

또한, 정자 세포의 구조(일례로, 첨체(acrosome), 핵(nucleus), 중심체(centriole), 미토콘드리아(mitochondria), 축사(axis filament) 등)가 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있다는 점을 통해 세포 내 형상 정보 또한 획득 가능하다. In addition, the structure of sperm cells (eg, acrosome, nucleus, centriole, mitochondria, axis filament, etc.) have different refractive index values, The shape information is also obtainable.

세포의 국소 농도는 측정된 굴절률 값과 이미 알려져 있는 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 활용하여 계산할 수 있다. 단백질 용액의 농도는 굴절률에 정비례하게 되는데, 이때 비례 상수가 굴절률 증가량(refractive index increment)이 된다. 이를 활용하면, 측정된 굴절률 값으로부터 세포 국소 영역의 농도를 측정 가능하다. The local concentration of the cells can be calculated using the measured refractive index value and the refractive index increment value of a protein that is already known. The concentration of the protein solution is directly proportional to the refractive index, where the proportion constant is the refractive index increment. Using this, it is possible to measure the concentration of the cellular local region from the measured refractive index value.

이렇게 측정된 농도와 세포의 용적(volume) 정보를 통해 세포의 질량 또한 쉽게 계산할 수 있다. The mass of the cell can also be easily calculated from the measured concentration and the volume information of the cell.

이와 같이, 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하고, 이 측정값을 바탕으로 정자 세포의 형태, 질량, 농도를 추출할 수 있으며, 이를 바탕으로 정자 세포의 상태와 활동성을 측정할 수 있다.Thus, the three dimensional refractive index distribution of the sperm cells can be measured, and the shape, mass, and concentration of the spermatids can be extracted based on the measured values, and the state and activity of the spermatids can be measured based on the measurements.

아래에서 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치에 대해 하나의 예를 들어 더 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a method and apparatus for analyzing spermatocyte state using three-dimensional refractive index measurement will be described in more detail with an example.

도 2는 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치를 설명하기 위한 도면이다. FIG. 2 is a view for explaining a sperm cell state analyzing apparatus using a three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치(200)는 3차원 굴절률 측정부(210), 물리량 산정부(220), 및 상태 판별부(230)를 포함하여 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 2, an apparatus 200 for analyzing sperm cell state using three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment includes a three-dimensional refractive index measuring unit 210, a physical quantity calculating unit 220, and a state determining unit 230 .

여기에서 3차원 굴절률 측정부(210)는 광원, 간섭계, 및 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 물리량 산정부(220)는 형상 추출부, 농도 추출부, 및 질량 추출부를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상태 판별부(230)는 이상 상태 판별부 및 활동성 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. Here, the three-dimensional refractive index measuring unit 210 may include a light source, an interferometer, and a measuring unit. The physical quantity calculating unit 220 may include a shape extracting unit, a concentration extracting unit, and a mass extracting unit. The state determining unit 230 may include an abnormality determining unit and an activity measuring unit.

아래에서는 세포 중 정자 세포를 하나의 예로 더 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, spermatids in the cell will be described more specifically as an example.

3차원 굴절률 측정부(210)는 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정할 수 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 can optically measure the three-dimensional refractive index distribution of sperm cells.

예컨대 3차원 굴절률 측정부(210)는 광원과 카메라 등으로 구성되는 광학계가 될 수 있으며, 반사형, 투과형과 같이 다양한 형태로 구성 가능하다. For example, the three-dimensional refractive index measurement unit 210 may be an optical system including a light source and a camera, and may have various shapes such as a reflection type and a transmission type.

이러한 3차원 굴절률 측정부(210)는 광원, 간섭계, 및 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. The three-dimensional refractive index measurement unit 210 may include a light source, an interferometer, and a measurement unit.

광원은 빛을 세포에 입사시킬 수 있다. 즉, 광원은 정자 세포에 빛을 조사할 수 있다. 예를 들어 레이저(laser)가 광원으로 이용될 수 있으며, 광원은 측정하고자 하는 정자 세포 등의 샘플에 레이저 빔을 조사할 수 있다. The light source can cause light to enter the cell. That is, the light source can irradiate sperm cells with light. For example, a laser can be used as a light source, and a light source can irradiate a laser beam onto a sample such as sperm cells to be measured.

여기에서 세포는 측정하고자 하는 대상을 나타내는 샘플(sample)로 표현될 수 있으며, 세포뿐 아니라 세균 또는 미생물 등이 될 수 있으며 세포 등을 포함하고 있는 대상물이 될 수도 있다. 예컨대, 세포는 정자 세포이거나 정자 세포를 포함하고 있는 대상물일 수 있다. Here, the cell may be represented by a sample representing an object to be measured, and it may be a bacterium or a microorganism as well as a cell, and may be an object including a cell or the like. For example, the cell may be a sperm cell or an object containing sperm cells.

사용되는 광원은 단일 파장 레이저를 이용할 수 있다. 또한 광원은 여러 파장 레이저를 이용하여 각 파장에서 3차원 굴절률을 측정함으로써 더 많은 양의 정보를 세포의 구분에 활용할 수도 있다. The light source used may utilize a single wavelength laser. In addition, the light source can utilize a larger amount of information to differentiate cells by measuring the refractive index of three dimensions at each wavelength using a multi-wavelength laser.

간섭계는 광원으로부터 입사된 빛이 세포에 입사된 후, 정자 세포에서 회절된 투과광을 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득할 수 있다. The interferometer can acquire a plurality of two-dimensional holograms by measuring the transmitted light diffracted by the sperm cells after the light incident from the light source is incident on the cells.

여기에서 간섭계는 빛의 간섭 현상을 이용한 측정기로서, 동일한 광원에서 나오는 빛을 두 갈래 이상으로 나누어 진행 경로에 차이가 생기도록 한 후 빛이 다시 만났을 때 일어나는 간섭 현상을 관찰하는 기구이다. Here, the interferometer is a measuring device using the interference phenomenon of light, which divides the light emitted from the same light source into two or more beams to make a difference in the propagation path, and then observes the interference phenomenon occurring when the light meets again.

측정부는 간섭계에서 획득한 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. 예를 들어 측정부로는 영상을 촬영하는 촬영 장치인 카메라가 이용될 수 있다.The measuring unit can measure the three-dimensional refractive index distribution of sperm cells using a plurality of two-dimensional holograms obtained from the interferometer. For example, a camera, which is a photographing apparatus for photographing an image, may be used as the measuring unit.

이러한 3차원 굴절률 측정부(210)는 광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 can measure the three-dimensional refractive index distribution of the spermatids through optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography.

3차원 굴절률 측정부(210)는 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 간섭계에서 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 measures a plurality of two-dimensional holograms measured in the interferometer by rotating the angle of light incident on the sperm cells, analyzes the measured two-dimensional holograms through a transmission or diffraction algorithm, The three-dimensional refractive index distribution of the cell can be measured.

예를 들어, 파면 제어기를 사용하여 정자 세포에 입사되는 각도를 회전시키면서 여러 장의 2차원 홀로그램을 측정하고 측정된 2차원 홀로그램 정보를 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하면 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. 특히, 파면 제어기 중 하나인 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device)를 이용하여 초고속 3차원 광 단층 촬영할 수 있다. For example, using a wavefront controller to measure the angles of the sperm cells and measure the two-dimensional holograms, and analyze the measured two-dimensional hologram information through transmission or diffraction algorithms, can do. In particular, a high-speed three-dimensional optical tomography can be performed using a digital micromirror device, which is one of wavefront controllers.

또한, 3차원 굴절률 측정부(210)는 정자 세포를 직접 회전시켜 간섭계에서 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수도 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 measures a number of two-dimensional holograms measured in the interferometer by directly rotating the sperm cells, analyzes the measured two-dimensional holograms through a transmission or diffraction algorithm, Dimensional refractive index distribution can be measured.

한편, 정자 세포를 측정하는 방식은 체외(in vitro) 슬라이드 유리(slide glass) 상에서 정자 세포들이 낮은 농도로 놓여진 형태, 체외(in vitro) 슬라이드 유리(slide glass) 상에서 정자 세포들이 높은 농도로 단일 또는 수 겹의 층을 이루고 있는 형태, 생체 조직 슬라이드를 5 마이크로 미터에서 50 마이크로 미터 사이의 두께로 자른 조직 슬라이드 형태, 및 체외(in vitro)에서 고속대량 스크리닝(high-throughput screening)을 위해 미소 유체관(microfluidic channel)을 지나는 형태로 이루어질 수 있다.On the other hand, the method of measuring spermatids is a method in which sperm cells are placed at low concentration on an in vitro slide glass, a method in which spermatids are singly or in a high concentration on an in vitro slide glass, Multi-layered forms, tissue slides in which biopsy slides are cut to a thickness of between 5 micrometers and 50 micrometers, and microfluidic tubes for high-throughput screening in vitro (microfluidic channel).

물리량 산정부(220)는 3차원 굴절률 측정부(210)에서 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출할 수 있다. The physical quantity calculation unit 220 can extract at least one physical quantity of the sperm cell shape, mass, and concentration using the three-dimensional refractive index distribution measured by the three-dimensional refractive index measurement unit 210.

이러한 물리량 산정부(220)는 형상 추출부, 농도 추출부, 및 질량 추출부를 포함하여 이루어질 수 있다. The physical quantity calculation unit 220 may include a shape extracting unit, a concentration extracting unit, and a mass extracting unit.

형상 추출부는 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 정자 세포의 윤곽을 획득할 수 있다. The shape extracting unit can obtain the outline of sperm cells using characteristics of sperm cells and culture fluid having different refractive index values.

농도 추출부는 정자 세포의 구조가 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 정자 세포 내 형상 정보를 획득하고, 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산할 수 있다.The concentration extractor obtains the shape information of the sperm cells using sperm cell structures having different refractive index values and uses the refractive index value and the refractive index increment value of the protein as a proportional constant to calculate the sperm cell The concentration of the local region can be calculated.

질량 추출부는 계산된 농도와 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 정자 세포의 질량을 계산할 수 있다.The mass extractor can calculate the mass of the spermatids through the calculated concentration and volume information of spermatids.

상태 판별부(230)는 정자 세포의 추출된 물리량을 분석하여 정자 세포의 상태를 판별할 수 있다. The state determiner 230 can determine the state of the sperm cells by analyzing the extracted physical quantity of sperm cells.

이러한 상태 판별부(230)는 이상 상태 판별부 및 활동성 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. The state determiner 230 may include an abnormal state determiner and an activity measurer.

이상 상태 판별부는 정자 세포의 추출된 물리량을 분석하여 정자 세포의 이상 유무 상태를 판별할 수 있다. The anomalous state discriminator can discriminate an abnormal state of spermatids by analyzing extracted physical quantities of spermatids.

그리고 활동성 측정부는 소정 시간 간격으로 정자 세포의 상태를 파악하여 정자 세포의 활동성을 측정할 수 있다.The activity measuring unit can measure the activity of the sperm cells by grasping the state of the sperm cells at predetermined time intervals.

실시예들에 따르면 염색이나 표지 등을 전혀 사용하지 않고 살아있는 정자 세포의 3차원 굴절률(refractive index) 분포를 광학적으로 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 분석을 바탕으로 정자 세포의 이상 여부와 활동성을 판별하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to the embodiments, the three-dimensional refractive index distribution of living sperm cells is optically measured without any dyeing or labeling, and the shape, mass, and concentration of sperm cells are measured using the measured three-dimensional refractive index distribution Based on the analysis, it is possible to provide a method and apparatus for analyzing spermatocyte state using a three-dimensional refractive index measurement for discriminating an abnormality and activity of spermatids.

아래에서 광학적 측정을 통해 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 방법에 대해 더 구체적으로 설명하기로 한다.
Hereinafter, a method of measuring the three-dimensional refractive index distribution of a cell through optical measurement will be described in more detail.

도 3a은 일 실시예에 따른 입사광 회전 방식을 이용한 세포의 3차원 굴절률을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 3A is a view for explaining a method of measuring a three-dimensional refractive index of a cell using an incident light rotation method according to an embodiment.

모든 물체는 굴절률 분포를 가지고 있다. 굴절률은 빛이 그 물질을 지날 때 얼마나 속도가 감속하는지를 기술하는 물질 자체의 고유한 광학적 물리량이다. 세포의 3차원 굴절률을 측정하기 위해서는 광학 회절 단층 촬영법(optical diffraction tomography) 또는 광학 투영 단층 촬영법(optical projection tomography, tomographic phase microscopy, 3D digital holographic microscopy)을 사용할 수 있다[비특허문헌 1, 2]. All objects have a refractive index distribution. The refractive index is the intrinsic optical quantity of the material itself, which describes how much the velocity slows down as the light passes through it. Optical diffraction tomography or optical projection tomography (tomographic phase microscopy, 3D digital holographic microscopy) can be used to measure the three-dimensional refractive index of cells [Non-Patent Documents 1 and 2].

도 3a을 참조하면, 광학 회절 단층 촬영법과 광학 투영 단층 촬영법은 같은 광학 구현을 이용할 수 있다[비특허문헌 3]. 결맞음 광원(310)(coherent light source)에서 나온 빛을 세포(300)에 입사시켜, 세포(300)에서 회절된 투과광을 간섭계(320)를 이용하여 2차원 홀로그램을 측정할 수 있다. 이후, 측정부는 측정된 2차원 홀로그램 정보를 투과 또는 회절 알고리즘(330)을 통해 분석하여 세포(300)의 3차원 굴절률 분포(340)를 측정할 수 있다. Referring to FIG. 3A, the optical diffraction tomography and the optical projection tomography can use the same optical implementation (Non-Patent Document 3). The light emitted from the coherent light source 310 is incident on the cell 300 and the transmitted light diffracted by the cell 300 can be measured using the interferometer 320. Thereafter, the measuring unit can measure the three-dimensional refractive index distribution 340 of the cell 300 by analyzing the measured two-dimensional hologram information through the transmission or diffraction algorithm 330.

이때, 세포(300)에 입사되는 빛(입사광)의 각도를 회전(스캔)시키면서 측정된 여러 장의 2차원 홀로그램을 이용하여, 세포(300)의 3차원 굴절률 분포(340)를 측정할 수 있다. 여기에서 광학 회절 단층 촬영법과 광학 투영 단층 촬영법의 차이는 시편에서의 빛의 회절 유무를 고려하는 복원 알고리즘에 있다. At this time, the three-dimensional refractive index profile 340 of the cell 300 can be measured using several two-dimensional holograms measured while rotating (scanning) the angle of light (incident light) incident on the cell 300. Here, the difference between the optical diffraction tomography and the optical projection tomography is the restoration algorithm which considers the diffraction of light in the specimen.

한편, 세포(300)를 측정하는 방식은 체외(in vitro) 슬라이드 유리(slide glass) 상에서 세포들이 낮은 농도로 놓여진 형태, 체외(in vitro) 슬라이드 유리(slide glass) 상에서 세포들이 높은 농도로 단일 또는 수 겹의 층을 이루고 있는 형태, 생체 조직 슬라이드를 5 마이크로 미터에서 50 마이크로 미터 사이의 두께로 자른 조직 슬라이드 형태, 및 체외(in vitro)에서 고속대량 스크리닝(high-throughput screening)을 위해 미소 유체관(microfluidic channel)을 지나는 형태로 이루어질 수 있다.On the other hand, the method of measuring the cell 300 may include a method in which cells are placed at low concentration on an in vitro slide glass, a method in which the cells are singly or in a high concentration on an in vitro slide glass, Multi-layered forms, tissue slides in which biopsy slides are cut to a thickness of between 5 micrometers and 50 micrometers, and microfluidic tubes for high-throughput screening in vitro (microfluidic channel).

그리고 사용되는 광원(310)은 단일 파장 레이저를 이용할 수 있다. 또한, 광원(310)으로 여러 파장 레이저를 이용하여 각 파장에서 3차원 굴절률을 측정(340)함으로써 더 많은 양의 정보를 세포(300)의 구분에 활용할 수도 있다. And the light source 310 used may utilize a single wavelength laser. Further, by measuring the three-dimensional refractive index (340) at each wavelength by using the multiple wavelength laser as the light source 310, a larger amount of information can be utilized for the classification of the cells 300.

도 3b은 일 실시예에 따른 세포 회전 방식을 이용한 세포의 3차원 굴절률을 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 3B is a view for explaining a method of measuring the three-dimensional refractive index of cells using the cell rotation method according to one embodiment.

도 3b을 참조하면, 도 3a에서 설명한 일 실시예에 따른 입사광 회전 방식을 이용한 세포(300)의 3차원 굴절률을 측정하는 방법에서 입사광을 회전시키는 대신, 세포(300)를 직접 회전시켜 3차원 굴절률을 측정(340)하는 것도 가능하다. Referring to FIG. 3B, in the method of measuring the three-dimensional refractive index of the cell 300 using the incident light rotation method according to the embodiment described with reference to FIG. 3A, instead of rotating the incident light, (340).

위에서 기술한 방법을 이용하여, 살아있는 정자 세포의 3차원 굴절률 영상을 측정할 수 있고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 상태와 활동성 측정할 수 있다.
Using the method described above, the 3D refractive index image of living sperm cells can be measured, and the state and activity of sperm cells can be measured using the measured three-dimensional refractive index distribution.

도 4 내지 도 6은 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.FIGS. 4 to 6 are flowcharts for explaining a sperm cell state analysis method using a three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment.

도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법은 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계(430), 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 단계(440), 및 정자 세포의 추출된 물리량을 분석하여 정자 세포의 상태를 판별하는 단계(450)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 4, a method for analyzing spermatocyte state using three-dimensional refractive index measurement according to an exemplary embodiment of the present invention includes a step 430 of optically measuring a three-dimensional refractive index distribution of sperm cells, Extracting a physical quantity of at least one of the shape, mass, and concentration of the cell (440), and analyzing the extracted physical quantity of the sperm cell to determine the state of the sperm cell (450).

한편, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법은 정자 세포를 영상 장비의 시편부에 로딩하는 단계(410), 및 측정 대상 시편을 확인하는 단계(420)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. Meanwhile, the method of analyzing spermatocytes using three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment may further include a step 410 of loading a sperm cell into a specimen part of an imaging apparatus and a step 420 of confirming a specimen to be measured .

도 5를 참조하면, 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는, 광원에서 입사되는 빛을 상기 정자 세포에 입사시키는 단계(431), 상기 정자 세포에서 회절된 투과광을 간섭계로 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득하는 단계(432), 및 상기 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계(433)를 포함할 수 있다. 5, the step of optically measuring the three-dimensional refractive index profile of the sperm cells comprises the steps of (431) entering light into the sperm cells from a light source, measuring the transmitted light diffracted by the sperm cells using an interferometer A step 432 of obtaining a plurality of two-dimensional holograms, and a step 433 of measuring a three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells using the plurality of two-dimensional holograms.

도 6을 참조하면, 상기 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출하는 단계는, 상기 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 상기 정자 세포의 윤곽을 획득하는 단계(441), 상기 정자 세포의 구조가 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 상기 정자 세포 내 형상 정보를 획득하고, 상기 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 상기 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산하는 단계(442), 및 계산된 상기 농도와 상기 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 상기 정자 세포의 질량을 계산하는 단계(443)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6, the step of extracting at least one of the shape, mass, and concentration of the sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution may include: (441) of obtaining an outline of the sperm cell using the characteristic of the sperm cell, and acquiring the shape information of the sperm cell using the property that the structure of the sperm cell has different refractive index values, Calculating a concentration of a local region of the sperm cell using a refractive index increment value as a proportionality constant, and calculating the concentration of the sperm cell by using the calculated concentration and the volume information of the sperm cell (Step 443). ≪ / RTI >

실시예들에 따르면 정자 세포의 상태와 활동성을 측정할 때 3차원 굴절률 분포를 측정함으로써, 기존 위상 현미경이 갖고 있던 2차원 영상의 한계를 극복하고 기존에는 측정이 불가능했던 정자 세포의 정보(질량, 국소 영역의 농도)를 정량적으로 측정 가능한 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to the embodiments, when the state and activity of sperm cells are measured, the three-dimensional refractive index distribution is measured to overcome the limitation of the two-dimensional image of the conventional phase microscope, and the information (mass, A method of analyzing spermatocyte state and an apparatus using the three-dimensional refractive index measurement capable of quantitatively measuring the concentration of the spermatozoa of the present invention can be provided.

아래에서 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법을 하나의 실시예를 이용하여 더 구체적으로 설명한다.
Hereinafter, a method for analyzing sperm cell state using three-dimensional refractive index measurement according to one embodiment will be described in more detail with reference to one embodiment.

일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법은 도 2에서 설명한 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치를 이용하여 더 구체적으로 설명할 수 있다. 여기에서 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치(200)는 3차원 굴절률 측정부(210), 물리량 산정부(220), 및 상태 판별부(230)를 포함하여 이루어질 수 있다. The sperm cell state analysis method using the three-dimensional refractive index measurement according to one embodiment can be more specifically explained using the sperm cell state analyzer using the three-dimensional refractive index measurement according to the embodiment described in FIG. Here, the sperm cell state analyzer 200 using the three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment includes a three-dimensional refractive index measuring unit 210, a physical quantity calculating unit 220, and a state determining unit 230 have.

먼저, 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법은 단계(410)에서, 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치(200)는 측정하고자 하는 정자 세포를 영상 장비의 시편부에 로딩할 수 있다. First, in the sperm cell state analysis method using the three-dimensional refractive index measurement according to an embodiment, in step 410, the sperm cell state analyzer 200 using the three-dimensional refractive index measurement measures sperm cells to be measured, Can be loaded on the part.

그리고, 단계(420)에서, 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치(200)는 측정 대상 시편을 확인할 수 있다. Then, in step 420, the sperm cell state analyzer 200 using the three-dimensional refractive index measurement can confirm the specimen to be measured.

단계(430)에서, 3차원 굴절률 측정부(210)는 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정할 수 있다.In step 430, the three-dimensional refractive index measurement unit 210 can optically measure the three-dimensional refractive index distribution of the cell.

더 구체적으로, 3차원 굴절률 측정부(210)는 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하기 위해 단계(431)에서 광원은 빛을 세포에 입사시킬 수 있다. 그리고 단계(432)에서 간섭계는 광원으로부터 입사된 빛이 세포에 입사된 후, 세포에서 회절된 투과광을 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득할 수 있다. 이후, 단계(433)에서 측정부는 간섭계에서 획득한 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. More specifically, in order to optically measure the three-dimensional refractive index profile of the cell, the three-dimensional refractive index measurement unit 210 may cause the light source to enter the cell in step 431. Then, in step 432, the interferometer can acquire a plurality of two-dimensional holograms by measuring the transmitted light diffracted by the cells after the light incident from the light source is incident on the cells. Thereafter, in step 433, the measuring unit can measure the three-dimensional refractive index distribution of the cell using a plurality of two-dimensional holograms obtained in the interferometer.

이러한 3차원 굴절률 측정부(210)는 광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 can measure the three-dimensional refractive index distribution of the cell through optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography.

3차원 굴절률 측정부(210)는 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 간섭계에서 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 may measure the three-dimensional refractive index distribution of the cell using a plurality of two-dimensional holograms measured in the interferometer by rotating the angle of light incident on the cell.

또한, 3차원 굴절률 측정부(210)는 세포를 직접 회전시켜 간섭계에서 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수도 있다. The three-dimensional refractive index measuring unit 210 may also measure the three-dimensional refractive index distribution of the cells using a plurality of two-dimensional holograms measured in the interferometer by directly rotating the cells.

단계(440)에서, 물리량 산정부(220)는 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도의 물리량을 추출할 수 있다. In step 440, the physical quantity calculation unit 220 can extract the physical quantity of the shape, mass, and concentration of sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution.

더 구체적으로, 단계(441)에서 물리량 산정부(220)는 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 정자 세포의 윤곽을 획득할 수 있다. More specifically, in step 441, the physical quantity calculation unit 220 can obtain the outline of the sperm cells using characteristics of the sperm cells and the culture fluid having different refractive index values.

또한, 단계(442)에서 물리량 산정부(220)는 정자 세포의 구조(일례로, 첨체(acrosome), 핵(nucleus), 중심체(centriole), 미토콘드리아(mitochondria), 축사(axis filament) 등)가 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 정자 세포 내 형상(또는 세포 내 소기관의 구조)를 정보를 획득하고, 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산할 수 있다.In step 442, the physical quantity calculation unit 220 determines the structure of the sperm cell (for example, acrosome, nucleus, centriole, mitochondria, axis filament, etc.) The spermatocyte shape (or the structure of the intracellular organelles) was obtained by using characteristics having different refractive index values, and the spermatocyte counts were obtained by using the refractive index value and the refractive index increment value of the protein as a proportional constant Can be calculated.

여기에서 단백질 용액의 농도는 굴절률에 정비례하게 되는데, 이때 비례 상수가 굴절률 증가량(refractive index increment)이 된다. 이를 활용하면, 측정된 굴절률 값으로부터 세포 국소 영역의 농도를 측정 가능하다.Here, the concentration of the protein solution is directly proportional to the refractive index, where the proportion constant is the refractive index increment. Using this, it is possible to measure the concentration of the cellular local region from the measured refractive index value.

그리고 단계(443)에서 물리량 산정부(220)는 계산된 농도와 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 정자 세포의 질량을 계산할 수 있다.In step 443, the physical quantity calculation unit 220 can calculate the sperm cell mass through the calculated concentration and the volume information of the sperm cell.

따라서 획득된 정자 세포의 다양한 물리량을 통해 정자 세포의 상태를 파악할 수 있다.Thus, the state of sperm cells can be grasped through various physical quantities of acquired sperm cells.

단계(450)에서, 상태 판별부(230)는 정자 세포의 추출된 물리량을 분석하여 정자 세포의 상태를 판별할 수 있다. In operation 450, the state determiner 230 may determine the state of the sperm cells by analyzing the extracted physical quantity of sperm cells.

더 구체적으로, 상태 판별부(230)는 정자 세포의 추출된 물리량을 분석하여 정자 세포의 이상 유무 상태를 판별할 수 있다. More specifically, the state determiner 230 may analyze the extracted physical quantity of the sperm cells to determine whether the sperm cells are abnormal.

그리고 상태 판별부(230)는 소정 시간 간격으로 정자 세포의 상태를 파악하여 정자 세포의 활동성을 측정할 수 있다. The state determiner 230 can measure the activity of the sperm cells by grasping the state of the sperm cells at predetermined time intervals.

특히, 단계(460)에서, 상태 판별부(230)는 검사의 반복 여부에 따라 검사를 종료하거나 다시 측정 대상 시편을 확인(420)할 수 있다. 이와 같이 각 시간 지점에서 정자 세포의 상태를 파악할 수 있으므로 정자의 활동성 또한 측정이 가능해진다.In particular, in step 460, the state determining unit 230 may terminate the inspection according to whether the inspection is repeated or confirm the measurement target specimen again (420). Thus, the sperm cell activity can be measured at each time point, so that the activity of the sperm can also be measured.

따라서 정자 세포의 상태와 활동성을 측정할 때 3차원 굴절률 분포와 정량적인 세포 정보(질량, 국소 영역의 농도)를 활용할 수 있다. 이 기술은 의학, 특히 산부인과 분야에서 널리 활용될 수 있다. 예를 들어 불임 검사 또는 시험관 수정을 위한 정자 세포의 상태를 판별하는 경우, 기존 위상 현미경이 갖고 있던 2차원 영상의 한계를 극복하고 기존에는 측정이 불가능했던 세포 정보(질량, 국소 영역의 농도)를 정량적으로 측정할 수 있다.
Therefore, when measuring the state and activity of sperm cells, a three-dimensional refractive index distribution and quantitative cell information (mass, concentration of local region) can be utilized. This technology can be widely used in medicine, especially in obstetrics and gynecology. For example, when determining the state of spermatids for infertility testing or in vitro fertilization, we need to overcome the limitations of 2D images of conventional phase microscopy and to use the cell information (mass, concentration of local region) It can be measured quantitatively.

다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치는 광원, 간섭계, 및 측정부를 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치의 각 구성은 도 2 및 도 3에서 설명한 일 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치의 구성과 중복되어 간단히 설명하기로 한다. The sperm cell state analyzing apparatus using the three-dimensional refractive index measurement according to another embodiment may include a light source, an interferometer, and a measuring unit. Each constitution of the sperm cell state analyzing apparatus using the three-dimensional refractive index measurement according to this other embodiment is identical to that of the sperm cell state analyzing apparatus using the three-dimensional refractive index measurement according to the embodiment described in FIGS. 2 and 3 I will explain.

광원은 빛을 세포에 입사시킬 수 있다. 즉, 광원은 세포에 빛을 조사할 수 있다. 예를 들어 레이저(laser)가 광원으로 이용될 수 있으며, 광원은 측정하고자 하는 세포 등의 샘플에 레이저 빔을 조사할 수 있다. The light source can cause light to enter the cell. That is, the light source can irradiate cells with light. For example, a laser can be used as a light source, and a light source can irradiate a laser beam onto a sample such as a cell to be measured.

사용되는 광원은 단일 파장 레이저를 이용할 수 있다. 또한 광원은 여러 파장 레이저를 이용하여 각 파장에서 3차원 굴절률을 측정함으로써 더 많은 양의 정보를 세포의 구분에 활용할 수도 있다. The light source used may utilize a single wavelength laser. In addition, the light source can utilize a larger amount of information to differentiate cells by measuring the refractive index of three dimensions at each wavelength using a multi-wavelength laser.

간섭계는 광원으로부터 입사된 빛이 세포에 입사된 후, 세포에서 회절된 투과광을 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득할 수 있다. The interferometer can acquire a plurality of two-dimensional holograms by measuring the transmitted light diffracted by the cell after the light incident from the light source is incident on the cell.

여기에서 간섭계는 빛의 간섭 현상을 이용한 측정기로서, 동일한 광원에서 나오는 빛을 두 갈래 이상으로 나누어 진행 경로에 차이가 생기도록 한 후 빛이 다시 만났을 때 일어나는 간섭 현상을 관찰하는 기구이다. Here, the interferometer is a measuring device using the interference phenomenon of light, which divides the light emitted from the same light source into two or more beams to make a difference in the propagation path, and then observes the interference phenomenon occurring when the light meets again.

측정부는 간섭계에서 획득한 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. 예를 들어 측정부로는 영상을 촬영하는 촬영 장치인 카메라가 이용될 수 있다.The measuring unit can measure the three-dimensional refractive index distribution of the cell using a plurality of two-dimensional holograms obtained from the interferometer. For example, a camera, which is a photographing apparatus for photographing an image, may be used as the measuring unit.

예를 들어, 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 간섭계에서 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있다. For example, by measuring the number of two-dimensional holograms measured by an interferometer by rotating the angle of light incident on the cell, and analyzing the measured two-dimensional holograms through a transmission or diffraction algorithm, Can be measured.

다른 예로, 세포를 직접 회전시켜 간섭계에서 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수도 있다. As another example, a plurality of two-dimensional holograms measured by an interferometer may be measured by directly rotating the cells, and a plurality of measured two-dimensional holograms may be analyzed through a transmission or diffraction algorithm to measure a three-dimensional refractive index distribution of the cells.

이러한 다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치는 광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 세포의 상태를 판별할 수 있다.The sperm cell state analyzing apparatus using the three-dimensional refractive index measurement according to this another embodiment measures the three-dimensional refractive index distribution of cells through optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography, The refractive index distribution can be used to determine the state of the cell.

이러한 다른 실시예에 따른 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치는 물리량 산정부 및 상태 판별부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. The sperm cell state analyzing apparatus using the three-dimensional refractive index measurement according to another embodiment may further include a physical quantity calculating unit and a state determining unit.

물리량 산정부는 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 세포의 형상, 질량, 및 농도 중 적어도 어느 하나 이상의 물리량을 추출할 수 있다. The physical quantity calculation unit can extract at least one physical quantity of the shape, mass, and concentration of the cell using the measured three-dimensional refractive index distribution.

그리고, 상태 판별부는 세포의 추출된 물리량을 분석하여 세포의 상태를 판별할 수 있다. The state determiner can determine the state of the cell by analyzing the extracted physical quantity of the cell.

실시예들에 따르면 살아있는 세포의 3차원 굴절률(refractive index) 분포를 광학적으로 측정하고, 측정된 3차원 굴절률 분포를 이용하여 세포의 형상, 질량, 및 농도 분석을 바탕으로 세포의 이상 여부를 판별할 수 있다. According to the embodiments, the three-dimensional refractive index distribution of living cells is optically measured and the abnormality of the cell is determined based on the shape, mass, and concentration of the cell using the measured three-dimensional refractive index distribution .

더욱이, 실시예들에 따르면 3차월 굴절률 분포를 측정함으로써 세포에 염색 또는 표지를 사용하지 않고 세포의 종류를 구분할 수 있다. 이는, 세포 생물학 분야 특히 세포 분석(cytometry) 분야에서 널리 활용될 수 있다. Further, according to the embodiments, the type of the cell can be distinguished without using dyeing or labeling by measuring the distribution of the refractive index of the third month. This can be widely used in the field of cell biology, particularly in the field of cytometry.

예를 들어 줄기세포가 분화 후 어떤 종류의 세포가 되었는지를 비표지 비염색 방식으로 확인할 수 있기 때문에, 종류가 확인된 세포를 바로 체내에 주입해도 문제가 없다. 다른 예로, 암 환자의 혈액에서 추출한 특정 백혈구 종류를 선택적으로 배양하여 재주입하는 면역 치료(immunotherapy) 분야에 본 발명이 적용되는 경우, 종래에 사용하고 있던 자성물질기반 세포 구분(MACS, magnetic-assisted cell cytometry)의 고비용 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. For example, since a stem cell can be identified by a non-labeled non-staining method, it can be injected into the body immediately. As another example, when the present invention is applied to the field of immunotherapy in which a specific type of leukocyte extracted from blood of a cancer patient is selectively cultured and re-infused, the conventional magnetic cell-based cell sorting (MACS, magnetic-assisted cell cytometry can be effectively solved.

또한, 의학 분야 내 감염 내과에도 적용 가능하다. 예를 들어 박테리아의 종류를 빠르고 정확하게 구분할 수 있게 됨으로써, 감염질환 환자에게 신속하고 효과적인 항생제 등의 의학적 처방이 가능할 수 있다. 다른 예로, 무기용으로 전용될 수 있는 독성균(예, 탄저균, anthrax)을 신속하고 정확하게 가려낼 수도 있기 때문에 대테러 분야에도 활용 가능하다.
It is also applicable to medical infections in medicine. For example, by making it possible to quickly and accurately distinguish between bacterial species, a medical prescription, such as antibiotics, can be made quickly and effectively for infected patients. Another example is the ability to quickly and accurately screen toxic fungi (eg, anthrax) that can be dedicated to weapons, and thus can be used in counter-terrorism applications.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and / or a combination of hardware components and software components. For example, the apparatus and components described in the embodiments may be implemented within a computer system, such as, for example, a processor, controller, arithmetic logic unit (ALU), digital signal processor, microcomputer, field programmable array (FPA) A programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. The processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of the software. For ease of understanding, the processing apparatus may be described as being used singly, but those skilled in the art will recognize that the processing apparatus may have a plurality of processing elements and / As shown in FIG. For example, the processing apparatus may comprise a plurality of processors or one processor and one controller. Other processing configurations are also possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, and may be configured to configure the processing device to operate as desired or to process it collectively or collectively Device can be commanded. The software and / or data may be in the form of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage media, or device , Or may be embodyed temporarily. The software may be distributed over a networked computer system and stored or executed in a distributed manner. The software and data may be stored on one or more computer readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (15)

비염색 비표지 상태인 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계;
측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도에 대한 물리량을 추출하는 단계; 및
상기 정자 세포의 형태적 특성 및 화학적 특성을 기반으로 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 단계
를 포함하고,
상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는,
상기 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 간섭계를 통해 다수의 2차원 홀로그램을 측정하거나 상기 정자 세포를 직접 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하며,
상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는,
광원에서 입사되는 빛을 상기 정자 세포에 입사시키는 단계;
상기 정자 세포에서 회절된 투과광을 간섭계로 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득하는 단계; 및
상기 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 단계
를 포함하고,
초고속 3차원 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device)를 이용하여 상기 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하며,
상기 측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도에 대한 물리량을 추출하는 단계는,
상기 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 상기 정자 세포의 윤곽을 획득하는 단계;
상기 정자 세포의 구조의 첨체(acrosome), 핵(nucleus), 중심체(centriole), 미토콘드리아(mitochondria) 및 축사(axis filament) 중 적어도 어느 둘 이상이 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 상기 정자 세포 내 형상 정보를 획득하고, 단백질 용액의 농도가 굴절률에 정비례 하는 특성을 통해 상기 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 상기 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산하는 단계; 및
계산된 상기 농도와 상기 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 상기 정자 세포의 질량을 계산하는 단계
를 포함하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법.
Optically measuring the three-dimensional refractive index profile of un-stained unlabeled sperm cells;
Extracting physical quantities of shape, mass, and concentration of the sperm cells using the measured three-dimensional refractive index profile; And
Determining the state of the sperm cells by analyzing the physical quantity extracted from the sperm cells based on morphological and chemical characteristics of the sperm cells
Lt; / RTI >
The step of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells comprises:
Dimensional hologram is measured through an interferometer by rotating an angle of light incident on the sperm cell or directly rotating the sperm cell to measure the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer, Dimensional hologram is analyzed to measure the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells,
The step of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells comprises:
Introducing light incident from a light source into the sperm cell;
Measuring a transmitted light diffracted by the sperm cells using an interferometer to obtain a plurality of two-dimensional holograms; And
Measuring a three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells using the plurality of two-dimensional holograms
Lt; / RTI >
Dimensional hologram through the interferometer by rotating an angle of light incident on the sperm cell using a digital micromirror device for ultrafast three-dimensional optical tomography, measuring the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer, Dimensional hologram of the sperm cells is analyzed through a transmission or diffraction algorithm to measure the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells,
The step of extracting physical quantities for shape, mass, and concentration of the sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution may include:
Obtaining an outline of the sperm cells using different characteristics of the sperm cells and the culture solution;
At least two or more of the acrosome, nucleus, centriole, mitochondria, and axis filament of the structure of the spermatids have different refractive index values, The intracellular shape information is obtained and the concentration of the local region of the spermatids is calculated using the refractive index value and the refractive index increment value of the protein as a proportional constant through the characteristic that the concentration of the protein solution is directly proportional to the refractive index ; And
Calculating the mass of the sperm cells through the calculated concentration and the volume information of the sperm cell
A method for analyzing sperm cell status using three-dimensional refractive index measurement.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 단계는,
광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 것
을 특징으로 하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법.
The method according to claim 1,
The step of optically measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells comprises:
Measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells through optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography
A method for analyzing spermatocytes using a three-dimensional refractive index measurement.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 단계는,
상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 이상 유무 상태를 판별하는 단계; 및
소정 시간 간격으로 상기 정자 세포의 상태를 파악하여 상기 정자 세포의 활동성을 측정하는 단계
를 포함하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 방법.
The method according to claim 1,
The step of analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine the state of the sperm cells comprises the steps of:
Analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine an abnormal state of the sperm cells; And
Determining the state of the sperm cells at predetermined time intervals and measuring the activity of the sperm cells
A method for analyzing sperm cell status using three-dimensional refractive index measurement.
비염색 비표지 상태인 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 광학적으로 측정하는 3차원 굴절률 측정부;
측정된 상기 3차원 굴절률 분포를 이용하여 상기 정자 세포의 형상, 질량, 및 농도에 대한 물리량을 추출하는 물리량 산정부; 및
상기 정자 세포의 형태적 특성 및 화학적 특성을 기반으로 상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 상태를 판별하는 상태 판별부
를 포함하고,
상기 3차원 굴절률 측정부는,
상기 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 간섭계를 통해 다수의 2차원 홀로그램을 측정하거나 상기 정자 세포를 직접 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하며,
상기 3차원 굴절률 측정부는,
빛을 정자 세포에 입사시키는 광원;
상기 정자 세포에서 회절된 투과광을 측정하여 다수의 2차원 홀로그램을 획득하는 간섭계; 및
상기 다수의 2차원 홀로그램을 이용하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 측정부
를 포함하고,
초고속 3차원 광 단층 촬영을 위해 디지털 마이크로미러 소자(Digital Micromirror Device)를 이용하여 상기 정자 세포에 입사되는 빛의 각도를 회전시켜 상기 간섭계를 통해 상기 다수의 2차원 홀로그램을 측정하고, 측정된 상기 다수의 2차원 홀로그램을 투과 또는 회절 알고리즘을 통해 분석하여 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하며,
상기 물리량 산정부는,
상기 정자 세포와 배양액의 굴절률 값이 서로 다른 특성을 이용하여 상기 정자 세포의 윤곽을 획득하는 형상 추출부;
상기 정자 세포의 구조의 첨체(acrosome), 핵(nucleus), 중심체(centriole), 미토콘드리아(mitochondria) 및 축사(axis filament) 중 적어도 어느 둘 이상이 서로 다른 굴절률 값을 가지고 있는 특성을 이용하여 상기 정자 세포 내 형상 정보를 획득하고, 단백질 용액의 농도가 굴절률에 정비례 하는 특성을 통해 상기 굴절률 값과 단백질의 굴절률 증가량(refractive index increment) 값을 비례 상수로 이용하여 상기 정자 세포의 국소 영역의 농도를 계산하는 농도 추출부; 및
계산된 상기 농도와 상기 정자 세포의 용적(volume) 정보를 통해 상기 정자 세포의 질량을 계산하는 질량 추출부
를 포함하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치.
A three-dimensional refractive index measuring unit for optically measuring a three-dimensional refractive index distribution of a non-stained non-labeled sperm cell;
A physical quantity calculating unit for extracting physical quantities for shape, mass, and concentration of the sperm cells using the measured three-dimensional refractive index distribution; And
A state discriminating unit for analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells based on morphological characteristics and chemical characteristics of the sperm cells to determine the state of the sperm cells
Lt; / RTI >
Wherein the three-dimensional refractive index measuring unit comprises:
Dimensional hologram is measured through an interferometer by rotating the angle of light incident on the sperm cell or directly rotating the sperm cell to measure the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer, Dimensional hologram is analyzed to measure the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells,
Wherein the three-dimensional refractive index measuring unit comprises:
A light source for introducing light into sperm cells;
An interferometer for measuring transmitted light diffracted by the sperm cells to obtain a plurality of two-dimensional holograms; And
A measurement unit for measuring a three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells using the plurality of two-dimensional holograms,
Lt; / RTI >
Dimensional hologram through the interferometer by rotating an angle of light incident on the sperm cell using a digital micromirror device for ultrafast three-dimensional optical tomography, measuring the plurality of two-dimensional holograms through the interferometer, Dimensional hologram of the sperm cells is analyzed through a transmission or diffraction algorithm to measure the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells,
The physical quantity calculation unit may calculate,
A shape extracting unit for acquiring an outline of the sperm cells using characteristics of the sperm cells and the culture solution having different refractive index values;
At least two or more of the acrosome, nucleus, centriole, mitochondria, and axis filament of the structure of the spermatids have different refractive index values, The intracellular shape information is obtained and the concentration of the local region of the spermatids is calculated using the refractive index value and the refractive index increment value of the protein as a proportional constant through the characteristic that the concentration of the protein solution is directly proportional to the refractive index ; And
A mass extracting unit for calculating the mass of the sperm cells through the calculated concentration and the volume information of the sperm cells,
And measuring the refractive index of the sperm cell using the three-dimensional refractive index measurement.
제8항에 있어서,
상기 3차원 굴절률 측정부는,
광학 회절 단층 촬영법 및 광학 투영 단층 촬영법 중 적어도 어느 하나의 광학적 측정을 통해 상기 정자 세포의 3차원 굴절률 분포를 측정하는 것
을 특징으로 하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치.
9. The method of claim 8,
Wherein the three-dimensional refractive index measuring unit comprises:
Measuring the three-dimensional refractive index distribution of the sperm cells through optical measurement of at least one of optical diffraction tomography and optical projection tomography
And measuring the refractive index of the spermatids.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 상태 판별부는,
상기 정자 세포의 추출된 상기 물리량을 분석하여 상기 정자 세포의 이상 유무 상태를 판별하는 이상 상태 판별부; 및
소정 시간 간격으로 상기 정자 세포의 상태를 파악하여 상기 정자 세포의 활동성을 측정하는 활동성 측정부
를 포함하는 3차원 굴절률 측정을 이용한 정자 세포 상태 분석 장치.
9. The method of claim 8,
Wherein the state determiner comprises:
An abnormal state discrimination unit for analyzing the extracted physical quantity of the sperm cells to determine an abnormal state of the sperm cells; And
An activity measurement unit for measuring the activity of the sperm cells by grasping the state of the sperm cells at predetermined time intervals,
And measuring the refractive index of the sperm cell using the three-dimensional refractive index measurement.
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