KR102057329B1 - Control system based on image processing for position control of microfludics - Google Patents

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심준섭
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Abstract

Disclosed by the present invention is an image processing-based control system for microfluidic position control. The system includes: a microfluidic system which sequentially operates reagents and samples as a channel LOC platform including a pumping unit and a microchannel unit having a moving passage and a fluid inlet; and a smartphone or embedded system which precisely controls the position of microfluid through an image analysis in order to control the fluid to stop moving when arriving at a particular location of interest (ROI) by capturing an image, in which microfluid reaches a specific position, by a camera on a microfluidic system having a reaction chamber, and controls the positional movement of microfluid by driving the pump drive unit and a roller through a position controller, image analysis software, and the camera to selectively open and close a specific value (valve 1, 2, 3, 4) depending on the position of a moving pressure roller driven by a pump drive unit with the principle of a microvalve and a pump. The image processing-based control system provides improved precision and stability.

Description

미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템{Control system based on image processing for position control of microfludics}Control system based on image processing for position control of microfludics

본 발명은 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질병진단용 미세유체소자를 제작하기 위해, i) 롤러(roller)의 국소 압착 원리를 이용한 미세 밸브 및 마이크로 펌프를 사용하여 롤러의 위치에 따른 마이크로 펌프와 밸브를 동작시키며, ⅱ) 프로그래밍이 가능한 스마트폰 또는 임베디드 시스템을 사용하여 미세유체 소자를 제어할 때 영상 측정 및 분석을 위해 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 스마트폰 또는 임베디드 시스템 플랫폼을 구비하며, 영상처리 및 분석을 통해 미세 유체의 위치 분석 및 펌프 구동부와 롤러를 구동하여 멀티 채널의 마이크로 밸브들(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하고, 미세 유체가 반응 챔버에 정확하게 위치되도록 미세 유체 이동을 제어하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an image processing based control system for microfluidic position control, and more particularly, to fabricate a microfluidic device for diagnosing a disease, i) using a microvalve and a micropump using a local compression principle of a roller. Ii) Smart with a camera and image analysis SW for image measurement and analysis when controlling microfluidic devices using programmable smartphones or embedded systems. Equipped with a phone or embedded system platform, and controls the opening and closing of the micro-channel valves (valve 1,2, 3, 4) of the micro-fluid by analyzing the position of the microfluid through the image processing and analysis, and driving the pump drive and rollers, Imaging for microfluidic position control, which controls the microfluidic movement so that the microfluid is accurately positioned in the reaction chamber It will be based on the control system.

최근, 반도체 제조공정 기술을 사용하여 감지(sensing) 또는 구동(actuating)에 필요한 마이크로 단위 크기의 미소구조물을 제작하고, 여기에 신호처리 회로를 같이 집적화함으로써, 고성능 다기능의 초소형 기전 시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical System, 미세 전자 기계 시스템)이 구현되고 있다. Recently, microfabricated microstructures required for sensing or actuating are manufactured using semiconductor manufacturing process technology, and signal processing circuits are integrated therein to provide high performance, multifunctional micro-mechanical systems (MEMS, Micro). Electro Mechanical System) is being implemented.

이러한 MEMS 기술을 사용하여 수 ㎠ 크기의 칩 위에 바이오 칩, 의료 및 미량 유체 분석 장치들을 초소형으로 집적시킨 LOC(Lab On a Chip)은 생물학, 화학, 의학 및 유전공학 분야에서 의료용 마이크로 진단 및 약물 주입 시스템에 활용하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. Using this MEMS technology, a small lab on a chip (LOC) that integrates microchips, medical and microfluidic analyzers on a few centimeters of chips can be used for medical micro-diagnosis and drug injection in the fields of biology, chemistry, medicine and genetic engineering. Much research is being conducted to utilize the system.

LOC(Lab On a Chip)은 혈액 등의 액체 한 방울을 작은 칩에 떨어뜨려 액체를 극미세한 관으로 이동시켜 혈액 한방울로 질병을 분석하여 진단하는 기술이다.Lab on a chip (LOC) is a technology in which a drop of liquid, such as blood, is dropped on a small chip to move the liquid into a microscopic tube to analyze and diagnose the disease with a drop of blood.

이와 같이, 마이크론 단위의 극도로 소형화된 센서나 액츄 에이터에 대한 실질적인 연구는 미세기전시스템(MEMS, Micro Electro Mechanical Systems) 기술의 등장에 힘입은 바가 크다. As such, substantial research on micron-sized sensors or actuators is largely driven by the emergence of Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) technology.

최근, MEMS 기술로 제작된 다양한 상용 제품들의 출시와 이에 따른 급속한 시장의 팽창에 따라, 새로운 산업을 일으킬 수 있는 핵심기술로 인식되고 있다. 특히 실리콘을 기반으로 한 미세기전시스템 기술을 이용하여, 센서 또는 액츄에이터를 집적회로(IC, Integrated Circuit)와 동시에 제작한, 이른바 집적화된 미세기전시스템(iMEMS, integrated MEMS)의 출현되고 있다. Recently, with the launch of various commercial products manufactured by MEMS technology and the rapid expansion of the market, it is recognized as a core technology that can cause a new industry. In particular, so-called integrated micro-mechanical systems (iMEMS, integrated MEMS), in which sensors or actuators are manufactured simultaneously with integrated circuits (ICs) using silicon-based micro-mechanical system technology, have emerged.

마이크로 펌프(micro pump)는, 소량의 유체를 원하는 방향으로 흐르도록 하는 기능을 가진 것으로, 주로 μ-TAS(Micro Total Analysis System), LOC(Lab-On-a-Chip) 등을 포함하는 바이오-MEMS(Bio-Micro Electro Mechanical System) 분야와 관련되어 극미량유체수송 및 제어분야에 사용된다. A micro pump has a function of flowing a small amount of fluid in a desired direction. A micro pump mainly includes a micro-TAS (Micro Total Analysis System), a lab-on-a-chip (LOC), and the like. It is used in trace fluid transportation and control fields related to MEMS (Bio-Micro Electro Mechanical System) field.

지금까지 매크로 영역에서는 모터의 회전력을 이용하여 압력 구배를 형성하여 유체를 이송하는 방법이 많이 사용되어 왔다. 그러나, 마이크로 크기의 LOC(Lab-On-a-Chip) 시스템에서는 비교적 큰 부피를 가지는 모터 등의 액츄에이터를 사용하기 곤란하다. 이를 극복하기 위해 단순한 형상을 가지며, 마이크로 사이즈로 제작이 용이한 마이크로 펌프를 설계할 필요성이 대두되었다.Until now, many methods of transporting fluid by forming a pressure gradient using a rotational force of a motor have been used in the macro domain. However, it is difficult to use an actuator such as a motor having a relatively large volume in a micro-sized lab-on-a-chip (LOC) system. In order to overcome this, there is a need to design a micro pump having a simple shape and easy to manufacture in a micro size.

마이크로 펌프는 전원을 필요로 하는 active방식과 전원이 요구되지 않는 passive방식으로 구분되며, active방식은 전원의 제어를 통하여 정밀한 유량의 제어가 가능하며, 인슐린 주입기와 같이 높은 신뢰성과 빠른 응답성을 필요로 하는 고가의 소자가 사용되고 있다. The micro pump is divided into the active type that requires power and the passive type that does not require power. The active method enables precise flow rate control through the control of the power supply, and requires high reliability and quick response like an insulin injector. An expensive element to be used is used.

마이크로 펌프는 실리콘을 주재료로 사용하여 제작되며 높은 제조비용이 소요된다. Micro pumps are manufactured using silicon as the main material and require high manufacturing costs.

passive 방식은 모세관력(capillary force)과 같은 자연적인 현상을 이용하여 유체이송을 가능하게 하는 방법으로, 저가용 이거나 일회용 소자에 적합하지만, 모세관력을 이용하는 passive 펌프는 미세유체채널을 구성하는 재료가 친수성(hydrophilic)이어야 하며, 일반적으로 표면에 SiO2층을 가진 미세유체채널 내부로 유체이송을 할 경우 사용된다. The passive method enables fluid transfer using natural phenomena such as capillary force. The passive method is suitable for low-cost or disposable devices. However, the passive pump using capillary force is a material that constitutes the microfluidic channel. It must be hydrophilic and is generally used for fluid transfer into microfluidic channels with SiO 2 layers on the surface.

또한, 기존의 마이크로 펌프들은 Piezo electric, Thermo pneumatic, Bimetallic, Bubble type 등 여러 가지가 존재하나, 마이크로 펌프는 몇 가지 한계점이 있다. 첫 번째, 마이크로 펌프의 펌핑 속도가 느리다. 마이크로 펌프가 빨아들이는 유속이 느리면 LOC(Lap on a Chip)에서 원하는 반응이 빠르게 일어나지 못하기 때문에 문제가 된다. 두 번째, 기존 마이크로 펌프는 낮은 효율성에도 불구하고 내부 구조가 대단히 복잡하였다. In addition, existing micropumps include Piezo electric, Thermo pneumatic, Bimetallic, Bubble type, etc., but micropumps have some limitations. First, the pumping speed of the micro pump is slow. A slow flow rate that the micropump sucks into is a problem because the desired reaction does not occur quickly in the Lap on a Chip (LOC). Second, existing micropumps have a very complex internal structure despite their low efficiency.

현장 건강검진 시스템인 Point Of Care(POC)에서는, 건강검진의 수단으로써 LOC(Lap on a chip)이 주목받고 있다. 이러한 Lap on a chip들은 위생적인 이유로 일회용품을 사용하는데, 기존의 마이크로 펌프는 제작 방법과 작동원리가 복잡하여 대량생산에 불리하며 비전문가가 사용하기에는 어려움이 있으며, 마이크로 펌프에 유입한 후에 채널내에서 정확한 위치까지 이동시킬 수 있는 기술이 부족하였다.In Point of Care (POC), an on-site medical examination system, a Lap on a chip (LOC) has attracted attention as a means of medical examination. These lap on a chips use disposable products for hygienic reasons. Conventional micropumps are disadvantageous for mass production due to complicated manufacturing methods and operating principles, and are difficult for non-experts to use. There was a lack of technology to move to the location.

이와 관련된 선행기술1로써, 특허 등록번호 10-1635459에서는 "프로그래밍 가능한 마이크로 펌프"가 등록되어 있다. 프로그래밍 가능한 마이크로 펌프는 제어가능한 마이크로 펌프에 관한 것으로, 유체를 주입하여 이동시키는 마이크로 펌프에 있어서, 유체를 주입하는 유체주입구와 주입된 유체의 이동통로로 구성된 미세채널부, 상기 이동통로와 연통되는 펌핑공간을 갖는 펌핑부 및 상기 펌핑공간의 용적을 가변시켜 미세채널부에서 유체의 이동을 제어하는 이동 가압수단을 포함하는 제어가능한 마이크로 펌프를 제공한다. As a related art 1, "programmable micro pump" is registered in Patent Registration No. 10-1635459. Programmable micro pump relates to a controllable micro pump, comprising: a micro pump for injecting and moving a fluid, the micro pump comprising a fluid inlet for injecting a fluid and a moving passage of the injected fluid, pumping in communication with the moving passage It provides a controllable micropump including a pump having a space and moving pressurizing means for varying the volume of the pumping space to control the movement of fluid in the microchannel portion.

제어 가능한 마이크로 펌프는 Controllable micro pump

유체를 주입하여 이동시키는 마이크로 펌프에 있어서,In the micro pump to inject and move the fluid,

유체를 주입하는 유체주입구와 주입된 유체의 이동통로를 구성하되,Comprising a fluid inlet for injecting fluid and a moving passage of the injected fluid,

상기 이동통로는 하나 이상으로 분기되는 분기통로를 갖고,The moving passage has a branch passage branched into at least one,

상기 분기통로는 이동가압수단(130)에 의해 내부통로가 개폐될 수 있는 밸브기능을 갖되 일부 분기통로를 굴절시켜 이동가압수단(130)에 의해 굴절부위가 개폐되는 밸브 기능을 갖는 미세채널부(110);The branch passage has a valve function to open and close the inner passage by the moving pressure means 130, but the fine channel portion having a valve function to bend the opening and closing portion by the moving pressure means 130 by refracting some branch passages ( 110);

상기 이동통로와 연통되는 펌핑공간을 갖는 펌핑부(120); 및A pumping part 120 having a pumping space in communication with the movement passage; And

상기 펌핑공간의 용적을 가변시켜 미세채널부에서 유체의 이동을 제어하는 하는 이동가압수단(130)을 포함한다.Moving pressure means 130 for varying the volume of the pumping space to control the movement of the fluid in the micro-channel portion.

도 1은 제어가능한 마이크로 펌프의 개략적인 단면도이다. 1 is a schematic cross-sectional view of a controllable micropump.

마이크로 펌프는 미세채널부(110), 펌핑부(120) 및 이동가압수단(130)으로 구성된다. 상기 미세채널부(110)는 유체주입구(111) 및 이동통로(112)를 포함하며, 상기 펌핑부(120)는 펌핑공간(121)을 포함하고 있다.The micro pump is composed of a microchannel unit 110, a pumping unit 120 and the moving pressure means 130. The microchannel unit 110 includes a fluid inlet 111 and a movement passage 112, and the pumping unit 120 includes a pumping space 121.

상기 미세채널부(110)는 주입된 유체의 이동통로(112)를 가지며, 상기 이동통로(112)는 유체를 출입시키는 유체 주입구(111)와 연결되어 있다.The microchannel unit 110 has a movement passage 112 of the injected fluid, the movement passage 112 is connected to the fluid inlet 111 for entering and exiting the fluid.

상기 유체주입구(111)는 외부에서 유체를 주입할 수 있도록 주입구의 역할을 하고, 상기 유체주입구(111)로 주입된 유체는 이동통로(112)를 통해 펌핑부(120)로 이송된다 즉, 펌핑부(120)를 통해 음압을 발생시키게 되면 유체주입구(111) 부근에 있던 유체는 이동통로(112)로 이동하게 된다. The fluid inlet 111 serves as an inlet to inject fluid from the outside, and the fluid injected into the fluid inlet 111 is transferred to the pumping unit 120 through the movement passage 112, that is, pumping. When the negative pressure is generated through the unit 120, the fluid near the fluid inlet 111 moves to the movement path 112.

상기 유체주입구(111)는 유체를 보다 용이하게 주입할 수 있도록 위쪽을 향하도록 이루어진 것이 바람직하다. The fluid inlet 111 is preferably made to face upward to more easily inject the fluid.

상기 미세채널부(110)의 이동통로(112)는 미세한 통로의 형태를 취하고, 일직선 또는 절곡된 형태를 가질 수 있다. 상기 미세채널부(110)는 상기 유체주입구(111)로 주입된 유체를 펌핑부(120)가 있는 곳으로 이동하는 이동 통로(112)가 형성될 수 있다. The movement path 112 of the microchannel unit 110 may take the form of a minute passage and have a straight or bent shape. The microchannel unit 110 may have a movement passage 112 for moving the fluid injected into the fluid inlet 111 to the place where the pumping unit 120 is located.

미세채널부(110)는 이동통로(112)가 별도로 연결된 것이 아니라, 유체주입구(111) 및 이동통로(112)가 일체로 연통되도록 연결될 수 있는 데, 이 경우 유체주입구(111)에서 펌핑부(120)로 이동되는 유체는 외부에 영향없이 보다 기밀한 상태에서 이동될 수 있다. The microchannel unit 110 may be connected to the fluid inlet 111 and the movement passage 112 to be integrally communicated with each other, instead of separately connected to the movement passage 112. The fluid moved to 120 may be moved in a more hermetic state without affecting the outside.

또한, 상기 유체주입구(111)의 끝단은 위를 향하도록 형성된 것이 바람직하다. 유체주입구(111)를 위쪽으로 향하도록 형성됨으로써 유체를 주입할 때 보다 용이할 수 있다. In addition, the end of the fluid inlet 111 is preferably formed to face upward. Since the fluid inlet 111 is formed to face upward, it may be easier to inject the fluid.

상기 펌핑부(120)는 이동통로(112)와 직접 연결되는데, 상기 펌핑부(120)의 양압 또는 음압발생에 의해 유체가 이동된다. 즉, 펌핑부(120)를 특정부위를 이동가압수단(130)으로 가압함으로써 펌핑공간(121)이 형성되며, 상기 펌핑공간(121)의 용적은 가변될 수 있는데, 상기 이동가압수단(130)의 이동으로 인해 용적의 가변이 이루어지고, 상기 용적의 가변으로 유입된 유체는 이동하게 된다. The pumping unit 120 is directly connected to the movement path 112, the fluid is moved by the positive or negative pressure generated by the pumping unit 120. That is, a pumping space 121 is formed by pressing a specific portion of the pumping unit 120 by the moving pressing means 130, and the volume of the pumping space 121 may be varied. Due to the movement of the volume is made variable, the fluid introduced into the variable of the volume is moved.

상기 펌핑부(120)는 이동통로(112)보다 더 큰 공간으로 이루어져 있으며, 이동통로(112)와 연통된 펌핑공간(121)이 형성되며, 이동가압수단(130)의 이동에 의해 용적의 크기가 가변되는 펌핑공간 이외에의 공간은 외부로 개구된 구멍이 형성된다. 이동가압수단(130)의 가압에 의해 펌핑공간(121)의 용적 변화를 자유롭게 할 수 있다. The pumping unit 120 is formed of a larger space than the movement passage 112, the pumping space 121 is formed in communication with the movement passage 112, the size of the volume by the movement of the moving pressure means 130 The space other than the pumping space that is variable is formed with a hole opened to the outside. It is possible to freely change the volume of the pumping space 121 by the pressure of the moving pressing means 130.

상기 이동가압수단(130)은 펌핑부(120) 상에서 가압 및 이동에 의해 펌핑공간(121)의 용적을 가변시키는 역할을 한다. The moving pressurizing unit 130 serves to change the volume of the pumping space 121 by pressing and moving on the pumping unit 120.

상기 이동가압수단(130)은 선택적으로 펌핑부(120) 상에서 가압과 함께 구름회전하여 펌핑공간(121)의 용적이 조절될 수 있는데, 이러한 예로는 롤러(roller)를 사용할 수 있다. 상기 이동가압수단(130)으로 롤러를 사용하여 펌핑부(120) 상에서 가압과 함께 구름회전으로 펌핑공간(121)의 용적을 조절할 수 있다. 이에 따라, 유체주입구(111)를 통해 유입된 유체는 롤러의 구름회전을 함으로써 유체를 원하는 위치까지 이동시킬 수 있다.The moving pressure means 130 may be selectively rotated with pressure on the pumping unit 120 to adjust the volume of the pumping space 121, such as a roller may be used. The volume of the pumping space 121 may be adjusted by rolling with pressure on the pumping unit 120 using a roller as the moving pressing means 130. Accordingly, the fluid introduced through the fluid inlet 111 can move the fluid to a desired position by rolling the roller.

상기 이동가압수단의 이동을 보다 정밀하게 제어할 수 있는 데, 이를 사람의 손 등으로 이동시키는 것이 아니라 컴퓨터 등의 매체를 이용하여 프로그래밍화한 후 이동가압수단을 정밀하게 이동시킬 수도 있다.The movement of the movable pressing means can be more precisely controlled. Instead of moving it by a human hand or the like, the moving pressing means can be precisely moved after programming by using a medium such as a computer.

이와 관련된 선행기술2로써, 특허 등록번호 10-1770796에서는 "액체 시료 분석 장치"가 등록되어 있다.As a related art 2, "liquid sample analysis device" is registered in Patent Registration No. 10-1770796.

혈액 분석을 위해 혈액과 시약을 반응시키고 특정 물질을 검출하는 동안 적혈구에 의한 방해를 방지하기 위해 전혈(whole blood)로부터 비세포성 혈장을 분리할 필요가 있다. 전혈로부터 혈장을 분리하기 위해 벤치탑(bench-top) 원심분리기가 널리 이용된다 그러나 POC(point-ofcare)를 위한 임상 테스트에 사용되는 장비의 크기, 중량 및 개수는 최소화되어야 하므로 단지 혈액 샘플을 준비하기 위해 원심 분리기를 이동시키는 것은 매우 어렵다. 또한, 혈액의 글루코스 레벨을 모니터링하는 등 개인 건강 관리를 위해 혈액을 얻는 경우 가장 보편적인 방법은 손가락을 란셋으로 찌르는 것인데, 이 때 얻어진 혈액의 양은 원심분리기를 사용하기에는 너무 작다.It is necessary to separate noncellular plasma from whole blood in order to react reagents with blood for blood analysis and to prevent interference by red blood cells during the detection of certain substances. Bench-top centrifuges are widely used to separate plasma from whole blood, but the size, weight, and number of equipment used for clinical testing for point-ofcare should be minimized, so only blood samples are prepared. It is very difficult to move the centrifuge in order to do so. In addition, the most common way to get blood for personal health care, such as monitoring blood glucose levels, is to poke a finger with a lancet, the amount of blood obtained is too small to use a centrifuge.

이러한 배경 하에서 POC 혈액 분석을 위해 혈장을 온칩(on-chip)으로 준비하기 위한, 다양한 유형의 LOC(Lab on-a-chip) 기술이 제안되고 있다 먼저, 혈장과 적혈구 사이의 밀도차를 이용하여 관성력, 적혈구 침전 또는 온칩 원심분리에 의해 혈장과 적혈구를 분리하는 기술이 제안되고 있다 또한, 혈장 스키밍(plasma skimming) 또는 Fahraeus-Lindqvist 효과와 같은 혈역학 분리(hemodynamic separation)가 제안되고 있다 또한, 비드 패킹(bead packing) 또는 기존 필터 통합을 사용하여 적혈구를 기하학적 방법으로 분리하는 방법이 제안되고 있다. Against this background, various types of lab on-a-chip (LOC) techniques have been proposed for preparing plasma on-chip for POC blood analysis. First, the density difference between plasma and red blood cells Techniques for separating plasma and erythrocytes by inertia, erythrocyte sedimentation or on-chip centrifugation have been proposed. Hemodynamic separation, such as plasma skimming or Fahraeus-Lindqvist effects, has also been proposed. A method of geometrically separating erythrocytes using bead packing or existing filter integration has been proposed.

POC 임상 진단을 위해 혈액에서 혈장을 분리하는 장치는 급속 분리, 높은 수율, 작은 전력 소비와 같은 성능을 가져야 한다. 또한, POC 애플리케이션을 위해서는 종래의 혈액 분석 장치 또는 기술에 분리된 혈장을 부가 장비없이 현장에서 전달해야 한다 따라서, 부가 장비 없이 손가락 찌르기로 얻은 전혈로부터 혈장을 분리하는 장치는 POC 임상 시험에 사용되는 원심분리기를 대체하는 방법으로서 매우 바람직하다.For POC clinical diagnosis, a device that separates plasma from blood must have such performance as rapid separation, high yield and small power consumption. In addition, for POC applications, plasma isolated from conventional blood analysis devices or techniques must be delivered on site without additional equipment. Therefore, a device that separates plasma from whole blood obtained with a finger prick without additional equipment may be used for POC clinical trials. Very preferred as a method of replacing the separator.

또한, 손가락에서 얻은 혈액으로부터 혈장을 추출하고 전달하기 위한 펌핑 압력을 제공하기 위해, 마이크로 유체 액츄에이터가 장치 상에 집적될 필요가 있다 현재 개발된 펌핑부는 주로 능동 및 수동 펌프의 두 가지 유형으로 분류되며, 능동 펌핑부는 압전 트랜스듀서, 공기압 또는 탄성 복원력에 의해 마이크로 챔버의 부피를 변경하기 위해 외부 에너지를 이용한다 수동 펌핑부는 외부 에너지를 이용하는 대신에 친수성 표면 또는 기체 흡수와 같은 재료의 내부 또는 저장 에너지를 이용한다 시료의 오염을 방지하기 위해 일회용 장치가 임상 테스트에 매우 바람직하기 때문에, 수동 마이크로 유체 액츄에이션이 일회용 POC 장치를 구성하는데 널리 사용되고 있다. 그러나, 제어된 방식으로 유체가 더 빨리 작용하도록 하기 위해 저가의 플라스틱 기판으로 보다 간단하게 능동 마이크로 유체 소자를 제조해야 하는 요구가 크다. In addition, in order to provide pumping pressure for extracting and delivering plasma from blood obtained from the finger, microfluidic actuators need to be integrated on the device. Currently developed pumping parts are mainly classified into two types: active and passive pumps. However, the active pumping unit uses external energy to change the volume of the microchamber by the piezoelectric transducer, air pressure or elastic restoring force. The passive pumping unit uses internal or stored energy of a material such as a hydrophilic surface or gas absorption instead of using external energy. Manual microfluid actuation is widely used to construct disposable POC devices because disposable devices are highly desirable for clinical testing to prevent contamination of the sample. However, there is a great need to make active microfluidic devices simpler with low cost plastic substrates in order to allow fluids to work faster in a controlled manner.

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선행기술2의 액체 시료 분석 장치는 미세한 기판 상에서 복잡한 화학반응 단계로 이루어지는 시료 분석 절차가 수행될 수 있는 액체 시료 분석 장치에 관한 것으로, 상부판 및 하부판으로 이루어지는 기판부와; 상부판의 저면과 하부판의 상면 사이에 배치되는 유로인 미세채널부와; 미세채널부의 일단에서 상부판이 관통되어 형성되는 시료주입구 및 필터로 이루어지는 주입필터부와, 상기 미세채널부와 연통되는 연통채널과 미세채널부 내부에 흐르는 시료의 이동시점을 결정짓는 알고리즘에 대응되는 간격으로 배열되는 복수개의 탄성돌기로 이루어지는 순차시료유인부와, 순차시료유인부의 상부를 따라 이동되면서 상기 탄성돌기를 가압시키는 이동 가압 롤러 및, 이동 가압 롤러 구동부로 구성되며, 일련의 복잡한 절차를 가지는 반응 실험이 마이크로 단위의 칩 내부에서 자동으로 수행될 수 있는 액체시료 분석 장치를 제공한다. The liquid sample analyzing apparatus of the prior art 2 relates to a liquid sample analyzing apparatus capable of performing a sample analysis procedure consisting of a complex chemical reaction step on a fine substrate, the substrate portion comprising an upper plate and a lower plate; A microchannel portion, which is a flow path disposed between a bottom surface of the upper plate and an upper surface of the lower plate; An injection filter part comprising a sample inlet and a filter formed by penetrating an upper plate at one end of the microchannel part, and an interval corresponding to an algorithm for determining a point of time for the movement of a sample flowing in the communication channel and the microchannel part communicating with the microchannel part; A reaction sample composed of a plurality of elastic projections arranged in a sequential, a moving pressure roller for pressing the elastic projections while moving along the upper portion of the sample attracting portion, and a moving pressure roller driving unit, the reaction having a series of complex procedures Provided is a liquid sample analysis apparatus, in which experiments can be automatically performed inside microchips.

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액체 시료 분석 장치는 Liquid Sample Analysis Device

서로 접합되는 상부판 및 하부판으로 이루어지는 기판부;A substrate portion comprising an upper plate and a lower plate bonded to each other;

상기 상부판의 저면과 하부판의 상면 사이에 배치되는 유로로서, 메인유로와, 메인유로에 연결되는 하나 이상의 분기유로로 이루어지는 미세채널부;A channel disposed between the bottom surface of the upper plate and the upper surface of the lower plate, the channel consisting of a main channel and at least one branch channel connected to the main channel;

상기 미세채널부의 일단에서 상부판이 관통되어 형성되는 시료주입부;A sample injection unit formed by passing an upper plate at one end of the microchannel unit;

상기 미세채널부와 연통되며 하나 이상의 챔버가 병렬 형태로 연결되어 형성되는 연통채널과, 상기 미세채널부 내부에 흐르는 시료의 이동시점과 반응시간을 결정짓는 알고리즘에 대응되는 간격을 두고 연통채널 상부에 나란하게 배열되며 상기 미세채널부 내부에 흐르는 시료의 이동시점과 반응시간을 결정짓는 알고리즘에 대응될 수 있게 길이가 서로 같거나 다르게 형성되는 복수개의 탄성돌기로 이루어지는 순차시료유인부;A communication channel communicating with the microchannel unit and formed by connecting one or more chambers in parallel, and at an interval corresponding to an algorithm for determining a moving time and a reaction time of a sample flowing in the microchannel unit. A sequential sample attracting portion formed of a plurality of elastic protrusions arranged side by side and having the same length or different lengths so as to correspond to an algorithm for determining a moving time and a reaction time of a sample flowing in the microchannel portion;

상기 순차시료유인부의 상부를 따라 이동되면서 상기 탄성돌기를 가압시켜 탄성돌기를 탄성돌기 하부의 연통채널로 돌출시키는 이동 가압 롤러;A moving pressure roller which moves along the upper portion of the sequential sample attracting portion and presses the elastic protrusion to protrude the elastic protrusion into a communication channel below the elastic protrusion;

상기 이동 가압 롤러 또는 상기 기판부를 가변시켜 이동 가압 롤러와 기판부가 서로 가변되게 설치되는 구동부; 및A driving part in which the moving pressure roller and the substrate part are variably installed so as to vary the moving pressure roller or the substrate part; And

상기 분기유로 내부의 시료가 메인유로로 유입됨을 억제시키거나 촉진시키는 밸브부로 구성되며, Consists of a valve unit for suppressing or promoting the introduction of the sample inside the branch flow path into the main flow path,

상기 밸브부는 분기유로의 일부 구간 상부에 형성되는 제2탄성돌기로 이루어져서, 상기 이동 가압 롤러가 제2탄성돌기를 가압시킴으로써 분기유로 내부의 시료가 메인유로로 유입됨을 억제시키거나 촉진시키게 구성된다. The valve portion is formed of a second elastic protrusion formed on the upper portion of the branch passage, the moving pressure roller is configured to suppress or promote the introduction of the sample inside the branch flow passage into the main flow passage by pressing the second elastic projection.

* 연구의 필요성* Need for research

관상동맥질환(coronary artery disease)은 관상동맥의 동맥경화(arterioscclerosis)로 협착이 생겨 심근으로 공급되는 혈류에 장애가 생기는 병변을 말한다. 관상동맥은 우관상동맥, 좌전하행동맥, 좌회선동맥으로 분류된다. Coronary artery disease is a lesion in which the blood flow to the myocardium is impaired due to atherosclerosis of atherosclerosis (arterioscclerosis). Coronary arteries are classified into right coronary artery, left anterior descending artery and left parotid artery.

위험 인자로는 흡연, 고지혈증(hyperlipidemia), 당뇨병, 고혈압, 그 외에 비만, 운동부족, 스트레스 등이 원인이 된다. Risk factors include smoking, hyperlipidemia, diabetes, high blood pressure, obesity, lack of exercise, and stress.

급성관상동맥증후군(ACS, Acute Coronary Syndrome)은 혈전에 의해 관상동맥이 막혀 혈액이 심장에 충분히 공급되지 않아 발생하는 급성심근경색 등의 관상동맥질환을 지칭하며, 협심증(angina pectoris)과 심근경색증(myocardial infraction)을 포함한다. Acute Coronary Syndrome (ACS) refers to coronary artery disease such as acute myocardial infarction caused by clogged coronary arteries and insufficient blood supply to the heart. Angina pectoris and myocardial infarction ( myocardial infraction).

현재 국내 급성관상동맥증후군의 유병률은 6.4명(인구 1000명 당), 전체 환자수가 31만 명이며, 이는 2004년 대비 42% 증가한 수치이다. 이에 따라, 급성관상동맥증후군에 의해 환자 개인과 사회가 부담해야 하는 비용은 2011년 기준 연 1조 2,542억 원이다. The prevalence of acute coronary syndrome in Korea is 6.4 (per 1,000 population) and the total number of patients is 310,000. This is an increase of 42% compared to 2004. Accordingly, the cost of patients and society due to acute coronary syndrome is KRW 1.25 trillion per year as of 2011.

특히, 당뇨병, 비만과 같은 만성질환이 원인이 되는 급성관상동맥증후군은 인구 고령화로 인해 만성질환 환자가 증가함에 따라 발병률이 지속적으로 증가될 것으로 전망된다. In particular, it is expected that the incidence of acute coronary syndrome caused by chronic diseases such as diabetes and obesity will continue to increase as the number of patients with chronic diseases increases due to the aging of the population.

cTnI(Troponin I)은 오직 심장에서만 발견되며, 심근이 괴사하면 혈액으로 흘러나온다. 임상에서 심근경색을 진단할 때, cTnI 검사를 통해 수치 변화를 확인하는 유용한 마커이지만 측정 농도가 낮아서 높은 신뢰성의 고정밀 진단소자가 필요하다. Troponin I (cTnI) is found only in the heart and flows into the blood when the myocardium is necrotic. When diagnosing myocardial infarction in clinical practice, cTnI test is a useful marker to confirm the numerical change, but the low concentration of measurement requires a high-precision diagnostic device with high reliability.

또한, 미세 유체 소자(microfluidics)는 유체가 흐를 수 있는 미세한 채널을 제작한 기판에 극미량의 다양한 시약을 주입하여 각종 생화학 및 면역학적 분석을 수행하는 소자에 사용된다. In addition, microfluidics are used in devices that perform various biochemical and immunological analyzes by injecting a very small amount of various reagents into a substrate on which microfluidic channels can be flowed.

미세유체 소자는 많은 연구 결과를 통해 많은 장점과 우수성이 입증되었지만, 아직 상용화된 제품의 성공 사례가 드물고, 실험실 수준에서 입증된 기술 영역으로 제한되어 있다. 기술 상용화가 어려운 가장 큰 이유는 미세유체(microfluid)를 제어할 때 발생하는 기포 발생이나 위치 제어의 어려움에 의해 재현성과 안정성이 떨어진다. Although microfluidic devices have shown many advantages and superiority through many studies, there are still few success cases of commercialized products and are limited to the technical field proven at the laboratory level. The main reason why it is difficult to commercialize the technology is that the reproducibility and stability are inferior due to the bubble generation or the position control difficulty that occurs when controlling the microfluid.

미세유체 소자는 극미량의 유체를 제어해야 하는데 기존의 많은 연구는 외부 시스템에 미세 밸브(valve) 및 펌프(pump)를 장착하여 미세유체 소자를 구동한다. Microfluidic devices need to control microfluidic fluids, and many existing studies drive microfluidic devices by mounting microvalve and pump in an external system.

하지만, 칩 외부에 장착된 밸브와 펌프는 극미량의 유체를 제어하는데 있어서 정확도가 떨어지고 유체 제어의 오류상황이 발생했을 때 이를 보정하기가 어렵다. However, valves and pumps mounted outside the chip are less accurate in controlling very small amounts of fluid and are difficult to correct when errors occur in fluid control.

이를 방지하기 위해, 메세유체 소자에 미세 밸브와 펌프를 일체화 시키게 되면, 샘플의 오염을 막기 위해 한번 사용하고 버리는 미세유체 소자의 특성에 맞도록 저가에 구현하기가 어려움이 있다. In order to prevent this, when the microvalve and the pump are integrated in the mesophilic device, it is difficult to implement it at low cost to meet the characteristics of the microfluidic device that is used and discarded once to prevent contamination of the sample.

그러므로, 다수의 미세 밸브를 미세 유체의 위치 제어를 위해 프로그래밍할 수 있는 스마트폰 또는 임베디드 시스템을 사용하여 미세유체소자를 영상 측정 및 분석을 활용하여 미세 유체를 정밀하게 반응 챔버에 위치되도록 제어하며, 이를 통해 관상동맥질환을 높은 신뢰도로 정확하게 진단하는 시스템이 필요하다. Therefore, the microfluidic device is controlled to be precisely positioned in the reaction chamber using image measurement and analysis by using a smartphone or an embedded system that can be programmed to control the position of the microfluid. This requires a system that accurately diagnoses coronary artery disease with high reliability.

특허 등록번호 10-1635459 (등록일자 2016년 06월 27일), "프로그래밍 가능한 마이크로 펌프" , 광운대학교 산학협력단, 심준섭, 임성빈, 김상찬Patent Registration No. 10-1635459 (Registration date June 27, 2016), "Programmable Micro Pump", Kwangwoon University Industry-Academic Cooperation Foundation, Shim Jun-seop, Lim Sung-bin, Kim Sang-chan 특허 등록번호 10-1770796 (등록일자 2017년 08월 17일), "액체 시료 분석 장치" , 광운대학교 산학협력단, 심준섭, 진경준, 임성빈Patent Registration No. 10-1770796 (Registration date August 17, 2017), "Liquid Sample Analysis Device", Kwangwoon University Industry-Academic Cooperation Foundation, Shim Jun-seop, Jin Kyung-jun, Lim Sung-bin

이러한 근본적인 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 질병진단용 미세유체소자를 제작하기 위해, i) 롤러(roller)의 국소 압착 원리를 이용한 미세 밸브 및 마이크로 펌프를 사용하여 롤러의 위치에 따른 마이크로 펌프와 밸브를 동작시키며, ⅱ) 프로그래밍이 가능한 미세유체 소자를 제어할 때 영상 측정 및 분석을 위한 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 스마트폰 또는 임베디드 시스템 플랫폼을 구비하고, 영상처리 및 분석을 통해 미세 유체의 위치 분석 및 펌프 구동부와 롤러를 구동하여 마이크로 밸브들의 개폐를 제어하며, 미세 유체가 반응 챔버에 정확하게 위치되도록 미세 유체 이동을 제어하며, ⅲ) 이를 통해 관상동맥질환을 진단하는 정밀 면역진단 플랫폼을 제공하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템을 제공한다. In order to solve this fundamental problem, an object of the present invention is to manufacture a microfluidic device for disease diagnosis, i) using a micropump and a micropump using a local compression principle of a roller, Operating a valve, and ii) having a smartphone or embedded system platform with a camera and image analysis SW for image measurement and analysis when controlling a programmable microfluidic device, and Location analysis and pump drive and rollers to control the opening and closing of microvalve, microfluidic movement to ensure that the microfluids are accurately positioned in the reaction chamber, iii) providing a precise immunodiagnostic platform for diagnosing coronary artery disease. To provide an image processing based control system for microfluidic position control .

본 연구에서는 미세유체 소자의 근본적인 문제점을 해결하기 위하여, 문제 상황이 발생할 때 인공지능 기반으로 유체제어 오류를 인식하여 해결함으로써 정밀하고 안정적으로 미세유체 제어 시스템을 구축할 수 있다는 가설을 도출한다. This study derives the hypothesis that the microfluidic control system can be constructed precisely and stably by recognizing and solving the fluid control error based on artificial intelligence when the problem situation occurs to solve the fundamental problem of the microfluidic device.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템은, 유체 주입구와 이동통로를 구비하는 미세채널부와, 펌핑부를 포함하는 LOC 플랫폼으로써 시약(reagents) 및 시료(samples)를 순차적으로 이동하게 하는 미세 유체 시스템; 및 미세 유체가 특정 위치에 도달하는 영상을 반응 챔버를 구비하는 미세 유체 시스템 위에서 카메라로 촬영하여, 1개 이상의 특정한 위치의 관심 영역(반응챔버 위치, A,B,C,D)을 설정하고 상기 관심 영역에 유체가 위치하도록 유체의 이동을 제어하기 위해, 영상 분석을 통해 미세 유체의 위치를 정밀하게 제어하며, 카메라 및 영상 분석 SW, 및 유체 위치 제어를 위해 펌프 구동부를 사용하여 롤러를 구동하여 미세 유체의 이동을 제어하는 시스템을 포함하며,
상기 미세 유체 시스템은
다수의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)로 된 각각의 채널 밸브의 경로의 상에 탄성돌기로 된 펌프 범퍼(20)를 구비하는 마이크로 펌프(11)와; 효소 기질 공급 밸브(13), 밸브 범퍼1를 구비하는 2차 세척 밸브(14), 밸브 범퍼2를 구비하는 2차 항체 밸브(15), 밸브 범퍼3(19-3)를 구비하는 1차 세척 밸브(16)를 구비하며, 상기 펌프 구동부와 상기 롤러를 구비하는 펌핑부;
마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여, 이동 가압 롤러의 위치에 따라 선택적으로 상기 펌핑부의 특정 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐됨에 따라 상기 펌핑부의 효소 기질 공급 밸브(13), 2차 세척 밸브(14), 2차 항체 밸브(15), 1차 세척 밸브(16)와 연결 통로로 연결되어 시약이 투입되며, 멤브레인 필터(19)와 이동통로를 통해 연결되어 시료가 투입되어 화학적 반응이 발생하는 반응 챔버(19)와,
유체 주입구 및 하부에 상기 이동통로를 통해 상기 반응 챔버와 연결되며, 시료(samples)가 주입되는 미세채널부의 멤브레인 필터(17)를 포함한다.
In order to achieve the object of the present invention, an image processing based control system for microfluidic position control comprises a microchannel unit having a fluid inlet port and a moving passage, and a LOC platform including a pumping unit and reagents and samples. Microfluidic system for sequentially moving; And photographing an image of the microfluid reaching the specific position with a camera on the microfluidic system having the reaction chamber to set the region of interest (reaction chamber positions A, B, C, D) at one or more specific positions, and In order to control the movement of the fluid so that the fluid is located in the region of interest, it is possible to precisely control the position of the microfluid through image analysis, and to drive the roller using the camera and image analysis SW and the pump drive for the fluid position A system for controlling the movement of microfluidics,
The microfluidic system
A micro pump (11) having a pump bumper (20) of elastic projections on the path of each channel valve of the plurality of micro valves (valve 1,2, 3, 4); Enzyme substrate supply valve 13, secondary wash valve 14 with valve bumper 1, secondary antibody valve 15 with valve bumper 2, primary wash with valve bumper 3 (19-3) A pumping unit having a valve 16 and having the pump driving unit and the roller;
Using the principle of the microvalve and pump, the specific substrate valves 1,2,3,4 of the pumping part are selectively opened and closed according to the position of the moving pressure roller, and the enzyme substrate supply valve 13, 2 of the pumping part. The reagent is introduced by connecting to the primary washing valve 14, the secondary antibody valve 15, and the primary washing valve 16 through a connecting passage, and connected to the membrane filter 19 through a moving passage to inject a sample into the chemical. A reaction chamber 19 in which a reaction occurs,
It is connected to the reaction chamber through the flow passage and the fluid inlet and the lower portion, and includes a membrane filter 17 of the microchannel portion is injected samples (samples).

상기 미세 유체의 이동을 제어하는 시스템은 카메라의 영상분석 및 미세 유체 위치 제어 프로그램이 설치된 스마트폰 또는 임베디드 시스템을 사용하며, 상기 카메라의 영상 처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 위치 제어기에 의해 미세유체의 위치(반응챔버 위치, A,B,C,D)를 정밀하게 제어하도록 펌핑부의 펌프 구동부와 이동 가압 롤러를 구동하여 복수의 마이크로 밸브의 개폐를 제어하며, 상기 펌핑부의 마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여 상기 펌프 구동부에 의해 구동되는 상기 이동 가압 롤러의 위치(A,B,C,D)에 따라 선택적으로 상기 펌핑부의 특정 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐되도록 하여 미세 유체의 이동을 제어한다. The system for controlling the movement of the microfluid uses a smartphone or an embedded system in which an image analysis of the camera and a microfluidic position control program are installed, and the microfluid by the position controller through image processing of the camera and the positional analysis of the microfluid. To control the opening and closing of a plurality of microvalve by driving the pump driving part and the moving pressure roller of the pumping part to precisely control the position of the reaction chamber (reaction chamber position, A, B, C, D), the principle of the microvalve and pump of the pumping part By using the position (A, B, C, D) of the moving pressure roller driven by the pump drive unit to selectively open and close the specific valve (valve 1,2, 3, 4) of the pumping part To control the movement.

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상기 펌프 구동부는 위치 제어기와 연결되고, PDMS 마이크로 펌프와 밸브로 구성된 PDMS 액추에이터를 사용하며, PDMS 엑추에이터에 의해 롤러를 구동한다. The pump drive unit is connected to a position controller, uses a PDMS actuator consisting of a PDMS micropump and a valve, and drives the roller by the PDMS actuator.

상기 PDMS 엑추에이터는 선형 모터를 사용하며, 상기 선형 모터에 의해 롤러를 구동한다. The PDMS actuator uses a linear motor and drives the rollers by the linear motor.

상기 스마트폰 또는 임베디드 시스템은, 미세유체소자의 반응 챔버를 구비하는 미세 유체 시스템 상에서 시약(reagents), 시료(sample, 혈액)의 화학적 반응 영상을 촬영하는 카메라; 상기 카메라의 영상을 인코딩하여 저장부에 버퍼링하며 비전 영상처리 이미지 프로세싱을 통해 영상을 분석하는 영상처리부; 상기 영상 처리부와 연결되며, 영상 분석 및 미세 유체의 위치를 제어하는 영상분석SW가 구비되고, 펌프 구동부와 롤러를 구동하여 미세 유체의 위치를 제어하는 위치 제어기를 구비하는 제어부; 상기 제어부에 연결되고, 카메라 영상을 임시적으로 저장하는 저장부; 상기 제어부에 연결되는 Bluetooth, Wi-Fi, 및 LTE/5G 중 적어도 하나 이상의 통신을 제공하는 통신부; 상기 제어부의 위치 제어기의 제어에 따라 이동 가압 롤러를 구동하는 펌프 구동부; 및 상기 펌프 구동부에 의해 구름 회전하며 이동 가압하여 수평 이동하도록 제어되는 이동 가압 롤러를 포함하며, The smartphone or embedded system includes a camera for photographing chemical reaction images of reagents and samples on a microfluidic system including a reaction chamber of a microfluidic device; An image processor which encodes an image of the camera and buffers the image in a storage unit and analyzes the image through vision image processing image processing; A control unit connected to the image processing unit, the image analysis SW controlling an image analysis and a position of the microfluid, and having a position controller controlling a position of the microfluid by driving a pump driver and a roller; A storage unit connected to the control unit and temporarily storing a camera image; A communication unit providing communication of at least one of Bluetooth, Wi-Fi, and LTE / 5G connected to the control unit; A pump driver for driving a moving pressure roller according to the control of the position controller of the controller; And a moving pressure roller controlled to move horizontally by rolling and pressing by the pump driving unit.

상기 카메라의 영상처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 위치 제어기에 의해 상기 펌프 구동부와 이동 가압 롤러를 구동하여 미세유체의 위치를 정밀하게 제어하도록 선택적으로 적어도 하나 또는 다수의 마이크로 밸브의 개폐를 제어하여 미세 유체의 이동을 제어한다. By selectively controlling the opening and closing of at least one or multiple micro valves to precisely control the position of the microfluid by driving the pump driving unit and the moving pressure roller by a position controller through image processing of the camera and the position analysis of the microfluid. Control the movement of microfluidics.

상기 PDMS 엑추에이터는 PDMS 마이크로 유체 액추에이터(PDMS microfluidic actuator)로 사용되며, 상기 PDMS 마이크로 유체 액추에이터의 단계별 진단 절차는(a) 유체주입구(sample inlet)로 액체 시료(sample)(적색 용액)를 멤브레인 필터(filter)에 주입하고, 다른 시약(other reagents)은 테스트 LOC(test LOC)에 미리 주입되며, (b) 모든 마이크로 밸브들(valve 1,2,3,4)을 닫고(closed), 시료 용액(sample solution)을 멤브레인 필터를 통해 펌핑되며, 밸브들이 순차적으로 열리고, 시약(reagents)들이 반응 챔버의 검출 구역으로 유입되고, (c) 마이크로 밸브 및 펌프의 원리에 의해, 노란색 시약(washing buffer, 와싱 버퍼)과 연결된 valve 1 open(도 3의 D 지점)되며, (d) 녹색 시약 인 1차 항체와 연결된 valve 2 open(도 3의 C지점)되고, (e) 오렌지색 시약인 세척 완충액(washing buffer)과 연결된 valve 3 open되며, (f) 파란 시약(enzyme substrate, 효소 기질)를 갖는 valve 4 open된다. The PDMS actuator is used as a PDMS microfluidic actuator, and the step-by-step diagnostic procedure of the PDMS microfluidic actuator is (a) a liquid sample (red solution) into a fluid sample inlet and a membrane filter ( filter, other reagents are pre-injected into the test LOC, (b) all microvalve valves 1,2,3,4 are closed, and the sample solution ( The sample solution is pumped through the membrane filter, the valves are opened sequentially, the reagents are introduced into the detection zone of the reaction chamber, and (c) the yellow washing buffer, washer, by the principle of the microvalve and pump. Buffer 1) (point D in FIG. 3) connected to the buffer), (d) valve 2 open (point C in FIG. 3) linked to the primary antibody as the green reagent, and (e) washing buffer as the orange reagent. Valve 3 is open and (f) It is open valve 4 having the reagents (enzyme substrate, enzyme substrate).

상기 영상 분석 SW는 카메라 영상의 이미지 프로세싱 및 영상 내 미세 유체의 분석 기능을 제공하며, 그레이 스케일, RGB, YCbCr 변환 중 어느 하나를 사용한다. The image analysis SW provides an image processing function of a camera image and an analysis function of microfluid in the image, and uses any one of gray scale, RGB, and YCbCr conversion.

상기 영상 분석 SW는 상기 그레이 스케일을 사용하는 경우, 카메라 영상을 버퍼링하여 저장하고 이미지 프로세싱(image processing) 및 영상 분석 기능을 제공하며, 관심 영역(ROI)을 그레이 스케일로 변환하며, 관심 영역(ROI)의 외곽선이 추출되는 실험에 의한 임계값(threshold)을 사용하여 관심 영역의 이미지의 히스토그램(histogram)[x축 영상의 각 픽셀의 화소값, y축 해당 화소 값의 갯수(빈도수)]을 구하고, 그 관심영역 이미지를 0,1로 이진화(binarization)한 후, 히스토그램 평활화(histogram equalization)를 통해 ROI 영역의 영상의 전처리를 수행하며, 검출된 관심 영역의 객체들의 윤곽선을 검출하고, 텍스처 특징(Texture Features)과 형상 특징(Shape Features)을 추출하여 ROI 영역의 (x,y) 좌표의 미세 유체의 위치를 검출한다. When the gray scale is used, the image analysis SW buffers and stores a camera image, provides image processing and image analysis, converts a region of interest (ROI) to a gray scale, and generates a region of interest (ROI). The histogram [pixel values of each pixel of the x-axis image, number of corresponding pixel values (frequency)] of the image of the region of interest using a threshold obtained from an experiment in which the outline of the After binarizing the region of interest image to 0,1, performing preprocessing of the image of the ROI region through histogram equalization, detecting contours of the detected objects of the region of interest, Texture Features) and Shape Features are extracted to detect the location of the microfluid at the (x, y) coordinates of the ROI region.

상기 반응 챔버의 생체 분석 절차는 (a) 화학 반응에 필요한 액체 시료(sample, 혈액-적색 용액)를 멤브레인 필터로 주입하는 단계; (b) 1차 항체(first antibody)로 코팅된 검출 구역(detection zone)으로 시료(sample)를 이동시키는 단계; (c) 황색 용액 인 세정 완충액(washing buffer)으로 폐기물(waste)을 1차 세척하는(washing) 단계; (d) 상기 검출 구역에서 상기 1차 항체를 유입하는 단계, 녹색 용액 인 효소가 결합된 2차 항체(enzyme-linked secondary antibody)를 검출 구역으로 이동시키며, 분해 물질(analytes)과 같이 1차 항체는 효소가 결합된 2차 항체와 반응시키는 단계; (e) 미반응 2차 항체를 오렌지색 용액 인 세척 완충액으로 2차 세척하는(washing) 단계; 및 (f) 분석을 위한 신호를 생성하기 위해 효소 기질(enzyme substrate)을 검출 구역으로 유입하는 단계를 포함한다. The bioanalytical procedure of the reaction chamber may include: (a) injecting a liquid sample (blood-red solution) required for a chemical reaction into a membrane filter; (b) moving the sample to a detection zone coated with a first antibody; (c) first washing the waste with a yellow buffer, a washing buffer; (d) introducing the primary antibody in the detection zone, moving the enzyme-linked secondary antibody, which is a green solution, to the detection zone, the primary antibody such as analytes Reacting with the secondary antibody to which the enzyme is bound; (e) second washing of the unreacted secondary antibody with an orange solution, wash buffer; And (f) introducing an enzyme substrate into the detection zone to generate a signal for analysis.

본 발명의 프래그래머블 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템은 미세유체 제어가 가능한 관상동맥질환 진단 소자를 개발하기 위하여, i) 수평이동하는 펌프 구동부에 의해 이동 가압 롤러(roller)의 국소 압착 원리를 이용한 다수의 미세 밸브 및 마이크로 펌프를 사용하여 롤러의 위치에 따른 마이크로 펌프와 밸브를 동작시키며, ⅱ) 프로그래밍이 가능한 미세유체 소자를 제어할 때 영상 측정 및 분석을 위한 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 스마트폰 또는 임베디드 시스템 플랫폼을 구비하고, 영상처리 및 분석을 통해 미세 유체의 위치 분석 및 롤러를 구동하여 마이크로 밸브를 제어하며, 미세 유체가 반응 챔버에 정확하게 위치되도록 미세 유체 이동을 제어하며, ⅲ) 이를 통해 관상동맥질환을 진단하는 정밀 면역진단 플랫폼을 제공하게 되었다. In order to develop a coronary artery disease diagnosis device capable of microfluidic control, an image processing-based control system for programmable microfluidic position control of the present invention includes: i) localization of a moving pressure roller by a horizontally moving pump driver; The micropumps and valves are operated according to the position of the rollers using a number of microvalve and micropump using the crimping principle. Ii) Camera and image analysis SW for image measurement and analysis when controlling programmable microfluidic devices. It is equipped with a smartphone or embedded system platform having a, and the micro-valve by controlling the position analysis and roller of the microfluid through image processing and analysis, and controls the microfluidic movement so that the microfluid is accurately positioned in the reaction chamber To provide a precise immunodiagnostic platform for diagnosing coronary artery disease. It was a ball.

미세유체 소자는 기존에 많은 연구 결과들이 발표되었고, 이를 이용하여 고감도 질병 진단이 가능하고 자동화, 검사비용 절감, 높은 정확도, 초고속 대량 검사 등의 우수한 성능이 입증되었다. Microfluidic devices have been published in a number of studies, and have been used to demonstrate high sensitivity for disease diagnosis, and demonstrate excellent performance in automation, reducing test costs, high accuracy, and high-speed mass screening.

본 연구를 통하여 미세유체 제어가 안정적으로 구동되는 플랫폼을 개발하게 되면, 안정성의 문제로 상용화가 어려웠던 상황을 혁신적으로 해결할 수 있다. 이를 통해 미세유체 소자의 우수한 성능을 활용한 다양한 기술의 상용화가 가능하며, 바이오 및 생화학 분야의 기술발전의 난제를 해결하는 돌파구 역할을 할 것이다. In this research, if a platform that operates microfluidic control is developed stably, it is possible to innovatively solve the situation where commercialization was difficult due to stability. Through this, it is possible to commercialize various technologies utilizing the excellent performance of microfluidic devices, and it will serve as a breakthrough to solve the difficulties of technological development in the bio and biochemical fields.

본 연구를 통해 프로그래밍이 가능한 고성능 질병진단용 미세유체 소자(microfluidics)를 일회용으로 저가에 제작하고, 영상측정을 이용한 정밀제어 시스템에 향후 인공지능 기반 영상처리를 적용하여 높은 안정성을 갖도록 할 수 있다. Through this research, it is possible to make programmable high performance microfluidics for disease diagnosis at low cost for one-time use, and to apply AI-based image processing to precision control system using image measurement in future to have high stability.

이와 같이, 저가의 고성능 질병 진단용 미세유체소자는 일반인이 집에서도 자신의 질환 상태를 검사할 수 있기 때문에, 만성 질환 환자의 질병 관리와 같이 다양한 방법으로 활용이 가능하다. As such, the low-cost, high-performance disease diagnostic microfluidic device can be used in a variety of ways, such as disease management of patients with chronic diseases, because the general public can check their disease state at home.

혈당, 심장 질환, 간염 등의 만성 질환을 가진 환자의 경우, 지속적으로 그 질병의 상태를 관찰할 필요가 있다. 질병 진단용 미세유체소자로 지속적인 모니터링을 함으로써, 응급 상황이 발생하기 전에 미리 병원을 방문하여 치료를 받도록 한다. 또한, 자신의 질병 상태를 스스로 인식하여 건강관리에 좀 더 주의하도록 할 수 있다. In patients with chronic diseases such as blood sugar, heart disease, and hepatitis, it is necessary to continuously monitor the condition of the disease. By continuous monitoring with the microfluidic device for diagnosing the disease, visit the hospital to receive treatment before an emergency occurs. You can also make yourself more aware of your health by becoming aware of your illness.

향후, 인공지능 영상처리와 융합된 헬스케어를 위한 미세유체 소자를 제작함으로써, 인공지능과 융합된 헬스케어 및 의료분야, 원격 진료 및 지속적인 모니터링을 가능하게 하여 새로운 의료 시스템을 구축하며, 저가의 고성능 미세 밸브 및 미세 펌프(마이크로 펌프)를 활용해 다양한 기능을 수행하는 미세유체 소자에 적용 가능하다.In the future, by manufacturing microfluidic devices for healthcare converged with artificial intelligence image processing, it is possible to construct a new medical system by enabling remote healthcare and continuous monitoring, enabling healthcare and medical fields, and remote monitoring and convergence with artificial intelligence. It can be applied to microfluidic devices that perform various functions by using a micro valve and a micro pump.

바이오, 의료, 소프트웨어, 영상인식, 반도체 미세 공정 등의 다양한 분야가 접목된 인공 지능 IT 기술, 전자 융합 기술 및 바이오 기술을 확보하여 향후 다양한 헬스케어 제품 개발의 기반을 확보하며, 인공지능 영상처리를 의료 시스템에 융합한 기술 개발을 통해 인공지능 기반의 바이오 및 헬스케어 제품을 출시하여 IT 산업과 바이오 기술을 발판삼아 새로운 성장 동력을 제공한다. By securing artificial intelligence IT technology, electronic convergence technology, and bio technology combined with various fields such as bio, medical, software, image recognition, and semiconductor microprocessing, we secure the foundation for the development of various healthcare products in the future. By developing technologies that are integrated with medical systems, we will launch AI-based bio and healthcare products to provide new growth engines based on the IT industry and bio technology.

도 1은 제어가능한 마이크로 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 필터(혈액 정제 필터), 반응 챔버, 다수의 미세 밸브와 펌프, 미세 밸브 범프 구조와, 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 스마트폰 또는 임베디드 시스템을 구비하는 영상처리 기반 미세유체 위치 제어 시스템 구성도이다.
도 4a는 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 i) 스마트폰 또는 ii) 임베디드 시스템을 사용하여 프로그래머블 미세유체 위치 제어 및 영상 분석 플랫폼의 개념도이다.
도 4b는 반응 챔버(ROI)의 RGB 변화를 실시간으로 측정하여 미세 유체의 위치 제어를 위해 스마트폰을 사용한 영상 처리 기반의 미세유체 위치 제어를 위한 검증 실험 결과를 보인 화면이다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 영상 처리 기반 미세유체 위치 제어 플랫폼을 보인 도면이다.
도 4d는 (a) 개발된 PDMS 액추에이터, (b) PMMA 기반 LOC 테스트 장치, (c) 롤러 구동 프레임을 보인 도면이다.
도 4e는 제안된 탄성 재질의 PDMS 마이크로 유체 액추에이터(PDMS microfluidic actuator)를 사용하여 단계별 진단 절차를 보인 도면이다.
도 4f는 생체 분석 절차(bio analysis procedure)에 사용되는 설계 플랫폼의 미세 유체 작동(Microfluidic operation) 절차를 보인 사진이다.
도 5는 반응 챔버에서 1차 항체, 바이오 마커, 1차 세척(washing), 1차 항체와 마커에 2차 항체와 효소(enzyme)가 결합되며, 2차 세척(washing)에 의해 효소(enzyme)하고 반응하는 용액을 흘려주면, 효소가 제거되고 용액의 색상이 바뀌는 것을 보인 도면이다.
도 6은 프로그래머블 미세유체 소자를 이용한 관상동맥질환 진단을 위한 다단계 면역반응을 프로그래밍된 순서대로 수행하는 그림이다.
1 is a schematic cross-sectional view of a controllable micropump.
2 is a block diagram of an image processing based control system for microfluidic position control according to the present invention.
3 is an image processing base having a membrane filter (blood purification filter), a reaction chamber, a plurality of fine valves and pumps, a fine valve bump structure, and a smartphone or an embedded system having a camera and image analysis SW according to the present invention. A microfluidic position control system configuration diagram.
4A is a conceptual diagram of a programmable microfluidic position control and image analysis platform using an i) smartphone or ii) an embedded system with a camera and image analysis SW.
Figure 4b is a screen showing the results of the verification experiment for controlling the microfluidic position based on the image processing using a smart phone for controlling the position of the microfluid by measuring the RGB change of the reaction chamber (ROI) in real time.
4C is a view illustrating an image processing-based microfluidic position control platform of a smartphone or an embedded system according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 4d is a view showing (a) the developed PDMS actuator, (b) PMMA-based LOC test device, (c) roller drive frame.
Figure 4e is a diagram showing a step-by-step diagnostic procedure using the PDMS microfluidic actuator of the proposed elastic material.
4F is a photograph showing the Microfluidic operation procedure of the design platform used in the bio analysis procedure.
FIG. 5 illustrates a combination of a primary antibody, a biomarker, a primary washing, a secondary antibody and an enzyme to a primary antibody and a marker in a reaction chamber, and an enzyme by a secondary washing. When the solution is allowed to flow, the enzyme is removed and the color of the solution is changed.
FIG. 6 is a diagram illustrating a multi-step immune response for diagnosis of coronary artery disease using a programmable microfluidic device in a programmed order.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention will be described in detail the configuration and operation of the invention.

본 연구에서는 펌핑부에 저비용 PDMS(polydimethylsiloxane) 마이크로 펌프(PDMS micro-pump) 및 밸브(valve 1,2,3,4)를 구비하고, PDMS 액추에이터를 구비하며, 프로그램 가능한 LOC(lab-on-a-chip) 상에서 효소 결합 면역 측정법(ELISA, enzyme-linked immunosorbent assay) 플랫폼은 마이크로 펌프(micro pump)와 밸브(valves)에 의해 PDMS 채널을 선택적으로 이동 가압 롤러를 수평 회전과 구름 회전을 통해 가압하여 다수의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하며, 펌핑부의 다수의 마이크로 밸브(A,B,C,D) 및 펌프의 원리를 사용하여 이동 가압 롤러의 위치에 따라 선택적으로 펌핑부의 특정 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐되도록 하여 미세 유체의 이동을 제어한다.In this study, a low-cost polydimethylsiloxane (PDMS) micropump (PDMS micro-pump) and valves (valve 1,2,3,4), a PDMS actuator, and a programmable LOC (lab-on-a) are provided. The enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) platform on a chip allows the PDMS channel to be selectively moved by micro pumps and valves. Controls the opening and closing of a plurality of micro valves (valve 1,2, 3, 4), and selectively according to the position of the moving pressure roller using the principle of the plurality of micro valves (A, B, C, D) of the pumping part and the pump The specific microvalve (valve 1,2, 3, 4) of the pumping part is opened and closed to control the movement of the microfluid.

스마트폰 또는 임베디드 시스템에 의해, 카메라의 영상처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 위치 제어기에 의해 미세유체의 위치(반응 챔버의 위치, A,B,C,D)를 정밀하게 제어하도록 펌프 구동부와 이동 가압 롤러를 구동하여 각각의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하며, 펌핑부의 마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여 이동 가압 롤러의 위치에 따라 선택적으로 펌핑부의 특정 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐되도록 하여 미세 유체의 이동을 제어한다.Precise positioning of the microfluids (reaction chamber position, A, B, C, D) by the position controller of the smartphone or embedded system through the image processing of the camera and the analysis of the position of the microfluid by the smartphone or embedded system To control the opening and closing of each microvalve (valve 1,2,3,4) by driving the pump drive unit and the moving pressure roller to control the same, and according to the position of the moving pressure roller using the principle of the microvalve and pump of the pumping part. Optionally, the specific microvalve (valve 1,2, 3, 4) of the pumping part is opened and closed to control the movement of the microfluid.

그리고, 반응 챔버를 제어하여 다수의 시약(reagents)을 화학적 반응이 일어난다. 선택적 가압 PDMS(polydimethylsiloxane) 구조는 하나의 롤러 바(single roller bar)를 움직이는 단순한 시스템에 의해 제작되었다. 마이크로 펌프(micro-pump)의 성능은 프로그래밍 된 마이크로 프로세서(programmed microprocessor)에 의해 제어되며, 최소 1 μL의 체적이 조절되었다. 또한, 온칩 마이크로 밸브(on-chip microvalves)는 여러 단계의 ELISA 절차(multi-step ELISA procedures)를 자동으로 처리하는 여러 가지 시약(multiple reagents)이 흐르도록 프로그래밍되었다. 제안된 플랫폼을 적용함으로써, 효소 연결 샌드위치 면역 측정법(enzyme-linked sandwich immunoassay)의 여러 단계로 프로그램 된 PDMS 밸브(valves)에 의해 마이크로유체 LOC 장치(microfluidic LOC devices) 상에서 19.40 pg ml-1 심장 troponin T (cTnT)이 성공적으로 검출되었다.Then, the reaction chamber is controlled to chemically react a plurality of reagents. Selective pressurized polydimethylsiloxane (PDMS) structures were fabricated by a simple system that moved a single roller bar. The performance of the micro-pump is controlled by a programmed microprocessor, with a volume of at least 1 μL adjusted. On-chip microvalves are also programmed to flow multiple reagents that automatically handle multi-step ELISA procedures. By applying the proposed platform, 19.40 pg ml -1 cardiac troponin T on microfluidic LOC devices by PDMS valves programmed in various stages of enzyme-linked sandwich immunoassay. (cTnT) was detected successfully.

그 결과, 개발된 마이크로 펌프(micro-pump) 및 미세 밸브(valves)들이 성공적으로 일련의 솔루션을 작동시키기 위해 적용되었다. LOC(lab-on-a-chip) 기반 생물학적 분석에 널리 적용될 수 있다.As a result, the developed micro-pumps and microvalves have been successfully applied to run a series of solutions. It can be widely applied to lab-on-a-chip (LOC) based biological analysis.

본 연구는 미세유체를 이용해 복잡한 면역진단 반응을 정밀하게 제어하기 위하여 영상처리를 수행하며, 이를 통해 관상동맥질환을 진단하는 미세유체 소자를 개발하기 위한 것이다.The purpose of this study is to develop microfluidic devices for diagnosing coronary artery disease by performing image processing to precisely control complex immunodiagnostic reactions using microfluidics.

미세유체 소자(microfluidics)는 유체가 흐를 수 있는 미세한 채널을 제작한 기판에 극미량의 다양한 시약을 주입하여 각종 생화학 및 면역학적 분석을 수행하는 소자이다. Microfluidics is a device for performing various biochemical and immunological analyzes by injecting a very small amount of various reagents into a substrate on which a microchannel through which a fluid flows can be made.

미세유체(microfluid)는 혈액, 시약 등을 사용한다. 혈액은 혈구(hemocyte)와 혈장(plasma)으로 구성되며, 전체 혈액량의 약 45%를 차지하는 혈액 세포성분으로 구성된다. 혈구는 백혈구(white blood cell), 적혈구(red blood cell) 및 혈소판(platelet)으로 구성된다. Microfluid uses blood, reagents, and the like. Blood is composed of blood cells (hemocytes) and plasma (plasma), and consists of blood cell components that make up about 45% of the total blood volume. Blood cells consist of white blood cells, red blood cells, and platelets.

미세유체 소자(microfluidics)는 극미량의 유체를 제어하기 위해 프로그래머블 미세유체 제어 밸브(valve) 및 마이크로 펌프(micro pump)를 개발하며, 반응을 관찰하기 위해 반응 챔버 위에 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 카메라로 영상을 촬영하여 영상처리 기반의 미세유체 제어 시스템을 구현하며, 영상분석 알고리즘 및 프로그램 개발하고, 관상동맥질환 마커(타겟 바이오 마커) 검출을 위한 면역진단에 사용하기 위한 것이다. Microfluidics develops programmable microfluidic control valves and micro pumps to control microfluidic fluids, and images from a smartphone or embedded system camera on the reaction chamber to observe the reaction. To implement a microfluidic control system based on image processing, to develop an image analysis algorithm and program, and to use in immunodiagnosis for the detection of coronary artery disease markers (target biomarkers).

다수의 미세 밸브를 프로그래밍할 수 있는 미세유체 소자를 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 카메라와 영상 분석 SW에 의해 영상 측정 및 분석을 통해 미세유체의 위치를 분석하고, 위치 제어기를 통해 펌프 구동부와 롤러를 구동하여 정밀하게 미세 유체의 위치를 제어한다. 이를 통해 관상동맥질환을 높은 신뢰도로 정확하게 진단하는데 사용될 수 있다.The microfluidic device, which can program a number of microvalve valves, analyzes the position of the microfluid through image measurement and analysis by the camera and image analysis SW of a smartphone or an embedded system, and drives the pump driver and the roller through the position controller. Precisely control the position of the microfluid. This can be used to accurately diagnose coronary artery disease with high reliability.

* 연구 가설Research hypothesis

미세유체 소자의 제어 때 발생하는 기포 생성 및 위치 부정확도를 해결하기 위해, 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 영상처리 기반의 미세 유체 위치 제어 프로그램을 사용하였다. In order to solve the bubble generation and position inaccuracy generated during the control of the microfluidic device, an image processing based microfluidic position control program of a smartphone or an embedded system was used.

본 발명의 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템은 높은 신뢰도와 정밀한 미세유체 제어가 가능한 관상동맥질환 진단 소자를 개발하기 위하여, i) 롤러(roller)의 국소 압착 원리를 이용한 미세 밸브 및 마이크로 펌프를 사용하여 수평 이동하는 이동 가압 롤러의 위치에 따라 마이크로 펌프와 밸브를 동작시키고, ⅱ) 프로그래밍이 가능한 미세유체 소자를 제어할 때 영상 측정 및 분석을 위한 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 스마트폰 또는 임베디드 시스템 플랫폼을 구비하며, 영상처리 및 분석을 통해 미세 유체의 위치를 분석하고 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 위치 제어기를 통해 펌프 구동부와 롤러를 구동하여 마이크로 밸브들(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하며, 미세 유체가 반응 챔버에 정확하게 위치되도록 미세 유체 이동을 제어하며, ⅲ) 이를 통해 관상동맥질환을 진단하는 정밀 면역진단 플랫폼을 제공한다. In order to develop a coronary artery disease diagnosis device capable of high reliability and precise microfluidic control, the image processing-based control system for microfluidic position control of the present invention includes: i) a microvalve and micro valve using a local compression principle of a roller; A pump is used to operate the micropump and valve according to the position of the horizontally moving moving pressure roller, and ii) a smartphone with a camera and image analysis SW for image measurement and analysis when controlling a programmable microfluidic device. Or an embedded system platform, which analyzes the position of the microfluid through image processing and analysis, and drives the pump drive unit and the roller through the position controller of the smart phone or the embedded system. Control the opening and closing of the Uh, and, ⅲ) it provides precise immunodiagnostic platform for diagnosing coronary artery disease with them.

* 1년차: 미세유체 제어 시스템 개발(미세 밸브 및 펌프) Year 1: Development of microfluidic control system (fine valves and pumps)

- 롤러의 국소 압착 원리를 이용한 미세 밸브 및 펌프 개발 및 성능평가-Development and performance evaluation of micro valve and pump using local compression principle of roller

- 롤러(roller)의 위치에 따른 마이크로 펌프 성능 분석 및 밸브 동작 구현-Micro pump performance analysis and valve operation according to the roller position

* 2년차: 미세유체 프로그래밍 기술 개발2nd year: Development of microfluidic programming technology

- 구조적으로 프로그래밍 된 미세 밸브를 이용한 미세유체 프로그래밍 기술-Microfluidic programming technology using structurally programmed microvalve

- 다단계 면역진단을 수행하는 유체 제어 프로그래머블 미세유체 소자 개발-Development of fluid control programmable microfluidic device to perform multi-level immunodiagnosis

* 3년차: 미세유체 위치제어를 위한 영상처리 기반 제어 플랫폼 개발* 3rd year: Development of image processing based control platform for microfluidic position control

- 영상 측정 및 영상분석, 미세 유체 위치 제어를 위한 임베디드 시스템 플랫폼 구축-Embedded system platform for image measurement, image analysis, microfluidic position control

- 미세유체의 위치 분석 및 프로그래밍 된 마이크로 밸브 제어 Positional analysis of microfluidics and programmed microvalve control

미세유체는 혈액, 시약 등을 사용한다. The microfluid uses blood, reagents, and the like.

마이크로 펌프(micro pump)는, 소량의 유체를 원하는 방향으로 흐르도록 하는 LOC(Lab-On-a-Chip)을 포함하는 바이오-MEMS(Bio-Micro Electro Mechanical System) 분야에서 극미량유체수송 및 제어분야에 사용된다. Micro pump is a field of micro fluid transport and control in the field of Bio-Micro Electro Mechanical System (Lab-On-a-Chip) including LOC (Lab-On-a-Chip) that allows a small amount of fluid to flow in a desired direction. Used for

지금까지 매크로 영역에서는 모터의 회전력을 이용하여 압력 구배를 형성하여 유체를 이송하는 방법이 많이 사용되었지만, 마이크로 크기의 LOC(Lab-On-a-Chip) 시스템에서는 비교적 큰 부피를 가지는 모터의 액추에이터를 사용하기 곤란하다. 이를 극복하기 위해, 단순한 형상을 가진 마이크로 펌프가 설계되었다. Up to now, in the macro domain, a method of transferring a fluid by forming a pressure gradient using a rotational force of a motor has been widely used, but in a micro-sized lab-on-a-chip system, an actuator of a motor having a relatively large volume is used. Difficult to use To overcome this, a micropump with a simple shape was designed.

미세유체 소자는 극미량의 유체(fluid)를 제어하며, 기존의 연구는 외부 시스템에 미세 밸브(valve) 및 마이크로 펌프(micro pump)를 장착하여 미세유체 소자를 구동하였다. Microfluidic devices control a very small amount of fluid, and previous research has driven microfluidic devices by attaching a microvalve and a micro pump to an external system.

하지만, 칩 외부에 장착된 밸브와 펌프는 극미량의 유체를 제어하는데 있어서 정확도가 떨어지고 유체 제어의 오류상황이 발생했을 때 이를 보정하기가 어렵다. 이를 방지하기 위해, 소자에 미세 밸브와 펌프를 일체화시키게 되면, 샘플의 오염을 막기 위해 한번 사용하고 버리는 미세유체 소자의 특성에 맞도록 저가에 구현하기가 어려움이 있다. However, valves and pumps mounted outside the chip are less accurate in controlling very small amounts of fluid and are difficult to correct when errors occur in fluid control. In order to prevent this, when the microvalve and the pump are integrated in the device, it is difficult to implement at low cost to match the characteristics of the microfluidic device that is used and discarded once to prevent contamination of the sample.

[필요성][Necessity]

비용 효율적인 마이크로 유체 LOC 장치(Cost-effectively made microfluidic LOC devices)는 서브 마이크로 미터 정밀 마이크로 채널(sub-micro meter precision microchannels)을 용이하게 하는데 마이크로 리터 볼륨 샘플 구획(microliter-volume sample compartments)을 위해 소형화 된 구조는 소비의 ELISA 실시에 유리하다. 최소한의 샘플과 시약은 반응이 더 짧다. 시간을 줄이고 다중 분석법을 가능하게 한다.Cost-effectively made microfluidic LOC devices facilitate sub-micro meter precision microchannels, which are miniaturized for microliter-volume sample compartments. The structure is advantageous for conducting ELISA. Minimal samples and reagents are shorter in reaction. Save time and enable multiple methods.

LOC 장치용 마이크로 채널(microchannels for LOC devices) 제작은 다양한 간단한 기술로 폴리 메틸 메타 크릴 레이트(PMMA, polyIJmethacrylate), PDMS(polydimethylsiloxane) 등의 저렴한 재료를 사용한 마이크로 가공(microfabrication), 레이저 가공(laser machining) 및 핫 엠보싱(hot embossing)을 구현할 수 있다. Microchannels for LOC devices are manufactured using a variety of simple techniques, including microfabrication and laser machining using inexpensive materials such as polymethyl methacrylate (PMMA, polyIJmethacrylate) and PDMS (polydimethylsiloxane). And hot embossing.

일회용 ELISA 절차의 한계 LOC 형식을 사용하고, resource-limited 커뮤니티에서 신속한 생물 검정(bioassays)을 가능하게 한다. Limitations of Disposable ELISA Procedures Use the LOC format and enable rapid bioassays in a resource-limited community.

멀티플렉스 분석(multiplexed assays)을 위한 마이크로 유체 LOC 장치(microfluidic LOC devices)는 분석 과정 동안에 순차적으로 시료(sample)와 시약 부피(reagent volume)를 정확하게 제어하는 중요한 온칩 샘플(on-chip sample) 준비를 위한 필요를 포함하는 애플리케이션에서 제한적이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 마이크로 밸브(microvalve) 및 마이크로 펌프(pump)로 제어되는 멀티 채널 LOC 플랫폼(multichannel LOC platforms)으로 여러 시약(reagents) 및 샘플들(samples)을 순차적으로 작동하는 것이 중요하다. Microfluidic LOC devices for multiplexed assays facilitate the preparation of critical on-chip samples that accurately control sample and reagent volumes sequentially during the analysis process. Limited in applications involving the need for In order to solve this problem, it is important to operate several reagents and samples sequentially with multichannel LOC platforms controlled by microvalve and micropump. .

현재, 마이크로 밸브(microvalves)는 기계적인(mechanical), 공압(pneumatic), 전자 운동(electro-kinetic) 또는 외부에서 작동 적용된 힘으로 동작된다. 밸브들은 중단없이 한 채널에서 다른 채널로 샘플 이동(sample movement from one channel to another)을 제어하거나, 또는 고가의 멤브레인(expensive membrane)을 사용하여 전기 기계적 변형 압력(electro-mechanical deformation pressure)을 사용하여 흐름(flow)을 조절한다.Currently, microvalves are operated with mechanical, pneumatic, electro-kinetic or externally applied forces. Valves can be used to control sample movement from one channel to another without interruption, or to use electro-mechanical deformation pressures using expensive membranes. Adjust the flow

더욱이, 문헌에 이미 보고된 미세 유체 LOC 장치(microfluidic LOC devices)에서 유체 흐름(fluid flow)을 제어하는 다수의 마이크로 펌프(micro-pumps)는 연속 흐름에 의해 제한된다. 연속 흐름은 일반적으로 마이크로 채널(microchannel)의 끝에서 메니스커스(meniscus)의 표면 장력(surface tension)에 의해 시작되며, 흐름을 유도하기 위해 마이크로 채널(microchannels)의 입구/출구(inlets/outlets)에 위치한 droplets의 표면 장력을 사용한다. Moreover, many micro-pumps that control fluid flow in microfluidic LOC devices already reported in the literature are limited by continuous flow. Continuous flow is usually initiated by the surface tension of the meniscus at the end of the microchannel, and the inlets / outlets of the microchannels to direct the flow. Use the surface tension of the droplets located at.

ELISA는 샘플에서 항원(antigen) 또는 항체(antibody)를 검출하는 연구 또는 임상 응용들에서 사용되는 기술이며, 식품 및 환경에서의 오염 수준(levels of contaminants), 체액에서 약물 남용 검사(screening for drugs of abuse in bodily fluids), 그 사용에서 검출하는 연구 및 임상 응용(clinical applications)에 널리 사용되는 기술이다. ELISA is a technique used in research or clinical applications to detect antigens or antibodies in a sample, levels of contaminants in food and the environment, screening for drugs of body fluids abuse in bodily fluids, a technique widely used in research and clinical applications to detect in its use.

그러나, 이는 대량의 샘플(samples) 및 시약(reagents)과 함께 피펫(pipettes), 플레이트 판독기(plate readers), 96-웰 플레이트(96-well plates) 및 광학 비색 검출기(optical colorimetric detectors)를 포함하는 비싼 장비를 요구한다. However, this includes pipettes, plate readers, 96-well plates, and optical colorimetric detectors with large amounts of samples and reagents. Require expensive equipment.

시간이 많이 걸리는 여러 단계의 인큐베이션, 차단(blocking) 및 세척(washing)은 POC analysis의 적합성을 제한한다. Time-consuming steps of incubation, blocking and washing limit the suitability of POC analysis.

본 발명은 단일 채널 또는 멀티 채널 밸브를 구비하는 LOC 플랫폼(multichannel LOC platform) 내부에서 제어되는 방식으로 여러 시약(reagents) 및 시료(samples)의 흐름(flow)을 작동시키는 새로운 온칩 마이크로 밸브(on-chip microvalve) 및 펌프(pump)를 개발하였다. The present invention provides a new on-chip microvalve (on-) that operates a flow of multiple reagents and samples in a controlled manner inside a multichannel LOC platform with a single channel or multichannel valve. chip microvalve and pump were developed.

전체 멀티채널 LOC 플랫폼은 i) 용액(solution)을 제어하고 조절하는 마이크로 밸브(microvalve) 및 펌프(pump)로 구성된 PDMS 액추에이터(PDMS actuator), ⅱ) ELISA 절차를 수행하는 열가소성-기반 마이크로 유체 LOC 장치(thermoplastic-based microfluidic LOC device), ⅲ) PDMS 액추에이터의 valving 및 pumping 기능을 사용하여 LOC 장치 내부의 샘플(samples) 및 시약(reagents)을 작동시키는 롤러 바(roller bar)를 제어하는 마이크로 프로세서(microprocessor)로 구성된다. PDMS 액추에이터의 마이크로 밸브와 펌프는 replicamolding 기술로 패턴화 된 저가의 PDMS로 구현하였다. PMMA 시트의 레이저 기계가공(laser machining)을 통해 열가소성 LOC 장치(thermoplastic LOC device)는 고온 가압(hot pressing)이 뒤따른다. PDMS 액추에이터 및 열가소성 LOC의 제조 후 디바이스에서 다양한 백엔드 프로세스가 실행되어 유체 장치(fluidic device)를 갖는 PDMS 액추에이터(PDMS actuator)를 통합하도록 실행된다. PDMS 액추에이터를 가로 질러 움직이는 주문 제작된 롤러 바(roller bar)는 상대적으로 PDMS 엑츄에이터 상의 막대(bar on actuator)의 위치를 결정하도록 선형 모터(linear motor)를 사용하여 구동 판(driving plate)에 연결되었다. 바(bar)가 액추에이터 위로 이동하면, 선택적으로 PDMS 밸브(PDMS valve) 및 펌프(pump)를 가압하고 변형시킨다. The full multichannel LOC platform comprises i) a PDMS actuator consisting of a microvalve and pump to control and regulate the solution, and ii) a thermoplastic-based microfluidic LOC device to perform the ELISA procedure. (thermoplastic-based microfluidic LOC device), i.e. microprocessor, which controls the roller bar using the valving and pumping functions of the PDMS actuator to operate samples and reagents inside the LOC device. It consists of The microvalve and pump of the PDMS actuator are implemented with low cost PDMS patterned by replicamolding technology. Through laser machining of PMMA sheets, thermoplastic LOC devices are followed by hot pressing. After the manufacture of the PDMS actuator and the thermoplastic LOC, various backend processes are executed in the device to integrate the PDMS actuator with the fluidic device. A custom roller bar moving across the PDMS actuator was connected to a driving plate using a linear motor to relatively position the bar on actuator on the PDMS actuator. . As the bar moves over the actuator, it selectively pressurizes and deforms the PDMS valve and pump.

특정 샘플(sample) 또는 시약(reagent)을 작동시키기 위해, PDMS 밸브(PDMS valve)의 변형은 특정 채널을 작동시키기 위해 선택 채널(channel)의 차단(blocking) 또는 개방(opening)되며, 반면에, PDMS 펌프는 그 채널 내부에서 샘플 또는 시약 흐름(sample/reagent flow)을 조절하는 네거티브 압력(negative pressure)이 발생한다. In order to operate a particular sample or reagent, modification of the PDMS valve is blocked or open of the selected channel to operate the particular channel, while PDMS pumps generate a negative pressure that regulates the sample / reagent flow inside the channel.

특정 밸브(valve) 및 펌프(pump) 상에서 롤러 바(roller bar)의 정확한 위치는 구동 판(driving plate) 및 선형 모터(linear motor)를 통해 바(bar)에 연결되는 프로그램 된 마이크로 컨트롤러(programmed microcontroller)에 의해 설정될 수 있다. 펌프 및 밸브의 성능은 대략 1 μL의 유체(1 μL of fluid)를 작동가능하게 하기 위해 특성화되었다.The exact position of the roller bar on certain valves and pumps is programmed microcontroller, which is connected to the bar via a driving plate and a linear motor. It can be set by). The performance of the pumps and valves was characterized to enable approximately 1 μL of fluid.

마이크로리터 볼륨 샘플(microliter volume sample)을 정확하게 작동시키면, 제안된 마이크로 밸브 및 펌프 기반 LOC 플랫폼(microvalve- and -pump-based LOC platform)은 ELISA의 전체 절차가 적용되어 성공적으로 19.40 pg ml-1 cardiac troponin T(cTnT)를 검출한다. If the microliter volume sample is operated correctly, the proposed microvalve- and -pump-based LOC platform is successfully applied 19.40 pg ml -1 cardiac by applying the whole procedure of ELISA. Detects troponin T (cTnT).

우물(well)의 바닥에서 reservoir를 통해 LOC 상의 미세 유체 채널(microfluidic channel)로 마이크로플레이트(microplate)를 만든 폴리스티렌(polystyrene made microplate)을 연결하여 기존 ELISA의 한계를 해결하기 위해, 여러 그룹들은 마이크로 유체 LOC(microfluidic LOC)와 함께 96-well microplate가 결합된다. 양면 테이프를 사용하여 마이크로 가공된 96-well ELISA microplate(micro-machined 96-well ELISA microplate)을 LOC를 갖는 아크릴(acrylic made LOC)과 함께 binding 하며, 96-well 마이크로플레이트와 함께 재조립된 PMMA(PMMA coreassembled 96-well microplate)된 멀티레이어들(multilayers)를 사용한다. To solve the limitations of existing ELISA by connecting polystyrene made microplates to microfluidic channels on the LOC through reservoirs at the bottom of the well, several groups were A 96-well microplate is combined with a microfluidic LOC. Using a double-sided tape, the micro-machined 96-well ELISA microplate (micro-machined 96-well ELISA microplate) is bound together with acrylic (LOC) with LOC, and PMMA (reassembled with 96-well microplate) PMMA coreassembled 96-well microplates are used.

이러한 절차들(procedures)은 반복되는 피펫팅(pipetting)을 포함하며, 백그라운드 신호들을 최소화하기 위해 잔류 시약(residual reagents)을 제거하도록 분석(assaying) 및 세척(washing)용 시약(reagents)을 첨가하며, 또한, 형광 마이크로플레이트 리더(fluorescence microplate reader) 및 CCD(charge coupled device) 카메라를 포함하는 고가의 마이크로 플레이트 분석기(microplate analyzer)가 필요하다.These procedures include repeated pipetting, adding reagents for assaying and washing to remove residual reagents to minimize background signals. There is also a need for an expensive microplate analyzer including a fluorescence microplate reader and a charge coupled device camera.

그러나, 제안된 방법은 세척 용액(washing solutions)을 포함하는 시약(reagents), 효소가 결합된 2차 항체(enzyme-linked secondary antibody) 및 LOC의 분리된 구역내에서 효소 물질(enzyme substrate in the isolated zones of the LOC)을 미리 적재(preloading)할 수 있고, 그리고 ELISA를 수행하기 위해 표적 항원(target antigen)을 함유한 샘플(sample)의 첨가가 요구된다. However, the proposed method involves enzyme material in the isolated regions of reagents, including washing solutions, enzyme-linked secondary antibodies and LOC in separate regions. Zones of the LOC) can be preloaded, and addition of a sample containing a target antigen is required to perform ELISA.

또한, 별도의 구역에서 미리 적재된 시약(reagents preloaded)은 반응 챔버 내로 순차적으로 유입된다. 프로그램 제어 마이크로 밸브 및 펌프(program controlled microvalve and -pump), 수동 유체 핸들링을 피하며, 검출 영역(detection zone)의 임베디드 시스템의 카메라 또는 스마트폰의 카메라의 사후 분석 이미지(post-assayed image)는 전용 스마트폰 앱(App)을 사용하여 분석된다.In addition, reagents preloaded in separate zones are sequentially introduced into the reaction chamber. Program controlled microvalve and pumps, avoid manual fluid handling, post-assay images of cameras in smartphones or cameras in embedded systems in the detection zone Analyzed using smartphone app.

2. 마이크로 펌프와 밸브의 디자인의 기본 원리와 동작2. Basic principle and operation of the design of micro pump and valve

2.1 PDMS 마이크로 펌프(PDMS micro-pump) 및 밸브(valve)의 설계 원리2.1 Design Principles of PDMS Micro-pumps and Valves

도 2(a)-(좌측 상단)는 제안된 마이크로 펌프(micro-pump)와-밸브(valve)로 구성된 PDMS 액츄에이터(PDMS actuator)의 작동 원리를 보여 준다. 작동하는 마이크로 펌프로서, 그 구조의 긴 반 원통형 캐비티(long semi-cylindrical cavity)는 PDMS elastomer로 둘러싸여 있으며, 직사각형 범퍼(rectangular bumper)는 캐비티 바로 위에 존재한다. 펌프 공동(pump cavity)의 한쪽 끝은 hole을 통해 액추에이터 아래에 있는 열가소성 테스트 칩(thermoplastic test chip)에 연결되며, 반면에 다른 끝은 펌프의 외부에 연결된다. 롤러 바(roller bar)를 갖는 PDMS 범퍼를 누르면 범퍼는 PDMS 구조를 변형되고, 테스트 칩(test chip)에 연결된 공동(cavity)을 밀봉하게 된다. PDMS 액츄에이터의 롤러가 펌프의 내부 공동(inner cavity of pump)의 부피가 증가한다.2 (a)-(top left) shows the working principle of a PDMS actuator consisting of the proposed micro-pump and valve. As a working micropump, the long semi-cylindrical cavity of the structure is surrounded by a PDMS elastomer, and a rectangular bumper is directly above the cavity. One end of the pump cavity is connected to a thermoplastic test chip under the actuator via a hole, while the other end is connected to the outside of the pump. Pressing a PDMS bumper with a roller bar causes the bumper to deform the PDMS structure and seal the cavity connected to the test chip. The roller of the PDMS actuator increases the volume of the inner cavity of pump.

음압(negative pressure)이 발생되고, 미세 유체 채널(microfluidic channel) 및 반응 챔버(reaction chamber)로 유입된 유체의 양(amount of fluid)은 도 2(b)-(좌측 하단)에 나타낸 바와 같이 공동의 부피(volume of cavity)와 동일하다. 반대 방향으로 롤러(roller)의 이동은 공동의 부피가 감소되며, 그리고 펌프(pump)는 챔버(chamber)로부터 유체(fluid)를 추출하는 양압(positive pressure)이 발생된다. 그러므로, 뒤로-앞으로 이동하는 롤러 바(roller bar)를 갖는 PDMS 범퍼(PDMS bumper)는 마이크로-펌프(micro-pump)를 사용한 시료(sample)의 in/out 작동하게 한다.Negative pressure is generated and the amount of fluid entering the microfluidic channel and the reaction chamber is cavities as shown in Figure 2 (b)-(lower left). Equal to the volume of cavity. Movement of the roller in the opposite direction reduces the volume of the cavity, and the pump generates positive pressure to extract fluid from the chamber. Therefore, a PDMS bumper with a roller bar moving back-forward allows in / out operation of a sample using a micro-pump.

도 2의 우측 상단 (c)와 우측 하단 (d)는 PDMS의 탄성 재료(elastic material)를 갖는 마이크로 채널(microchannel)상의 범프 패턴들(bump patterns)로 구성되는 마이크로 밸브(valve)의 구조를 보여준다. 마이크로 채널은 다음과 같이 동작한다. 마이크로 채널은 범프 패턴이 차단될 때 차단되므로 채널의 상단에 있는 버튼을 선택적으로 누른다. 그 후, 롤러 바(roller bar)가 범프 구조 상에 위치될 때, 범프 구조를 갖는 마이크로 채널이 닫히면(closed), 채널을 통해 유체의 유입(influx of fluid)을 차단하며, 범프(bump) 없이 마이크로 채널이 열리면(opened) 유체가 유입된다. The upper right (c) and the lower right (d) of FIG. 2 show the structure of a microvalve composed of bump patterns on a microchannel with an elastic material of PDMS. . The micro channel operates as follows. The micro channel is cut off when the bump pattern is blocked, so press the button at the top of the channel selectively. Then, when the roller bar is positioned on the bump structure, when the micro channel having the bump structure is closed, it blocks the influx of fluid through the channel and without bumps. When the microchannel is opened, fluid is introduced.

그 결과, 마이크로 밸브(valve)의 개폐의 작동은 범퍼 구조의 유무에 의해 제어 방식으로 마이크로 채널 상에 롤러(roller)를 위치시킴으로써 제어된다.As a result, the operation of opening and closing the microvalve is controlled by placing a roller on the microchannel in a controlled manner with or without the bumper structure.

2.2. PDMS 마이크로 펌프(PDMS micro pump)와 밸브(valve)의 결합된 작동2.2. Combined operation of PDMS micro pump and valve

탄성 재질의 PDMS 액츄에이터(PDMS actuator)의 작동 원리에 기초하여 프로그램 가능한 마이크로 유체 플랫폼(programmable microfluidic platform)은 열가소성 LOC 장치(thermoplastic LOC device)와 함께 PDMS 액추에이터와 결합하여 설계된다. Based on the principle of operation of an elastic PDMS actuator, a programmable microfluidic platform is designed in combination with a PDMS actuator together with a thermoplastic LOC device.

전형적으로, LOC 및 PDMS 액추에이터의 제조는 액츄에이터(actuator)를 오른쪽에 있는 hole들을 통해 칩(chip)으로 연결되는 다양한 백-엔드 프로세스에 따라 제작된다. Typically, the manufacture of LOC and PDMS actuators is made according to a variety of back-end processes where the actuator is connected to the chip through the holes on the right.

마이크로 펌프(micropump)와 마이크로 밸브(valve)의 제안된 플랫폼에서, 샘플(sample) 및 시약(reagents)을 LOC의 마이크로 채널(microchannel of the LOC)로 인출(withdrawing) 및 펌핑(pumping)은 펌핑 구동부의 PDMS 액추에이터(PDMS actuator)에 따라 롤러(roller)의 위치에 의해 실행된다. In the proposed platform of micropumps and microvalve, pumping drive withdrawing and pumping samples and reagents into the microchannel of the LOC By the position of the roller according to the PDMS actuator.

이 절차에서, 롤러의 위치는 고정된 채로 유지되고, LOC(Lab on a Chip)와 결합된 PDMS 액추에이터는 앞뒤로 움직인다.In this procedure, the position of the roller remains fixed and the PDMS actuator coupled with the lab on a chip (LOC) moves back and forth.

이동을 위해, 통합 플랫폼은 마이크로프로세서에 의해 제어되는 선형 모터(microprocessor-controlled linear motor)로 연결되는 이동 가능한 플레이트(movable plate) 상에 배치된다.For movement, the integrated platform is placed on a movable plate that is connected to a microprocessor-controlled linear motor.

롤러가 지역 A(region A)를 통해 이동하면, 모든 마이크로 밸브들(valves)과 펌프 범퍼들(pump bumpers)은 롤러에 의해 눌려지고, 펌프 캐비티(pump cavity) 내에서 높은 유체 저항성(high fluidic resistivity) 및 마이크로 채널에 영향을 준다. When the roller moves through region A, all micro valves and pump bumpers are pressed by the roller and high fluidic resistivity in the pump cavity ) And microchannels.

그 후, 샘플이 멤브레인 필터(membrane filter)를 통해 샘플 입구(sample inlet)로 유입되고, 그리고 롤러 위치는 지역 B(region B)로 이동한다. The sample then enters the sample inlet through a membrane filter, and the roller position moves to region B.

롤러 위치가 영역 A의 끝부분으로 이동할 때까지, 채널 밸브들(channel valves)이 아직도 닫힌 동안에, 롤러(roller) 이동에 의해 펌프 캐비티(pump cavity) 내부에서 발생되는 음압(negative pressure)에 의해 샘플(sample)이 검출 영역(detection zone)으로 당겨진다(is drawn). While the channel valves are still closed until the roller position moves to the end of area A, the sample is caused by the negative pressure generated inside the pump cavity by roller movement. The sample is drawn to the detection zone.

롤러가 지역 B를 통해 점차적으로 이동할 때, 채널들 상의 모든 밸브들은 순차적으로 열리고(sequentially open), 그리고 습식 멤브레인 필터(wet membrane filter)의 유체 저항(fluidic resistivity)은 열린 밸브(opened valve) 보다 더 높은 이후에, 채널 전반에 걸쳐 유체 저항(fluidic resistivity)이 감소한다. When the roller moves gradually through zone B, all the valves on the channels are sequentially open, and the fluid resistivity of the wet membrane filter is more than that of the open valve. After high, fluidic resistivity decreases across the channel.

따라서, 지역 B상의 이동 중인 롤러의 경우, 시약 챔버(reagent chambers)에 미리 적재된 시약(reagents)이 단계적으로 검출 영역으로 이동하고, 반응이 발생하는 동안에 시약이 샘플(sample)과 혼합된다. 특정 반응 시간 후에, 롤러의 이동이 역전되고(reversed), 반대 현상이 발생하며, 최종적으로 샘플 폐기물(sample waste)은 검출 영역(detection zone)으로부터 폐기물 챔버(waste chamber)로 펌핑된다. Thus, in the case of a moving roller on zone B, the reagents preloaded in the reagent chambers are gradually moved to the detection zone and the reagents are mixed with the sample while the reaction takes place. After a certain reaction time, the roller movement is reversed, the opposite occurs, and finally sample waste is pumped from the detection zone to the waste chamber.

본 제품은 마이크로 유체 LOC 플랫폼(microfluidic LOC platform)은 PDMS 마이크로 펌프(PDMS micro-pump) 및 마이크로 밸브(micro-valve)는 관상동맥질환 진단을 위해 연구개발되었다. This product is a microfluidic LOC platform, PDMS micro-pump and micro-valve has been researched and developed for the diagnosis of coronary artery disease.

PDMS 마이크로-펌프와 마이크로-밸브의 기능은 PDMS 액추에이터를 자동 플랫폼으로 결합하여 성공적으로 데모하였다. 개발된 마이크로-펌프는 유체(fluid)의 1 μL의 최소 부피(minimum volume)에서 정확하게 작동시킬 수 있다. 탄성 복원력을 발생하는 펌프 캐비티(pump cavity)의 부피를 최적화하여 작동 유체의 양은 줄일 수 있다. The functionality of the PDMS micro-pump and micro-valve was successfully demonstrated by combining the PDMS actuator into an automated platform. The developed micro-pump can be operated accurately at a minimum volume of 1 μL of fluid. The amount of working fluid can be reduced by optimizing the volume of the pump cavity generating elastic restoring force.

또한, PDMS 마이크로 밸브와 마이크로 펌프(PDMS valve and pump) 상의 다른 구조의 범퍼들(hetero- structured bumpers)의 구현은 선택적으로 여러-시약 기반 면역 측정법(multi-reagent based immunoassay)을 제공하기 위해 유체 채널(fluidic channel)을 닫으며 연다(close and open). 결과적으로, 전체 ELISA 절차는 개발된 플랫폼을 사용하여 cTnT(cardiac troponin T)를 정량적으로 검출하rp 되었다. In addition, the implementation of hetero-structured bumpers on PDMS valves and pumps optionally allows fluid channels to provide multi-reagent based immunoassay. (fluidic channel) close and open. As a result, the entire ELISA procedure was used to quantitatively detect cardiac troponin T (cTnT) using the developed platform.

PDMS 액추에이터 및 LOC 장치(LOC device)가 간단하고 저렴한 비용으로 제작되었기 때문에, 플랫폼은 일회용 형식(disposable format)으로 사용될 수 있다. Because PDMS actuators and LOC devices are made simple and inexpensive, the platform can be used in a disposable format.

따라서, 모든 마이크로 유체 작동(microfluidic operations)은 프로그램 된 마이크로 프로세서(programmed microprocessor)에 의해 최소한의 사람 개입으로. 제안된 플랫폼은 POC 분석(POC analysis)에 널리 적용될 수 있다.Thus, all microfluidic operations are handled with minimal human intervention by a programmed microprocessor. The proposed platform can be widely applied for POC analysis.

도 2는 본 발명에 따른 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템 구성도이다. 2 is a block diagram of an image processing based control system for microfluidic position control according to the present invention.

1) 프로그래밍 가능한 미세유체 소자에 일체화 된 미세 밸브 및 마이크로 펌프1) Micro valves and micro pumps integrated into programmable microfluidic elements

본 연구는 저가의 실리콘 소재로 탄성 복원력을 이용한 미세 밸브와 펌프 구조를 제작하고, 이를 플라스틱으로 제작한 미세유체 소자에 일체화시켰다. In this study, we fabricated a microvalve and pump structure using elastic restoring force from low-cost silicon material and integrated it into a microfluidic device made of plastic.

마이크로 펌프(micro pump)의 동작 원리는 도 2에 도시된 바와 같이, 칩이 이동하면서 롤러(roller)에 의해 눌려지는 부분이 이동하게 되면, 탄성 복원력에 의하여 펌프 채널에 빈공간(cavity)이 발생하게 되고, 빈 공간 만큼의 유체가 이동하게 된다. As shown in FIG. 2, the operation principle of the micro pump is that when the portion pressed by the roller moves while the chip moves, a cavity is generated in the pump channel by the elastic restoring force. And as much fluid moves as possible.

마이크로 밸브(micro-valve)의 경우, 실리콘 밸브 채널위에 선택적인 부분에만 범프 구조를 제작하게 되면, 롤러(10)에 의해 실리콘 소재가 눌리면서 범프(bump) 구조가 있는 부분은 밸브가 막히게 되고(closed) 범프 구조가 없는 밸브는 열려 있는 상태(opened)가 된다. 이를 통해 롤러(roller)의 위치가 변할 때 범프 구조가 있는 영역만 선택적으로 밸브가 닫히는 방식으로 밸브들을 제어할 수 있다. In the case of a micro-valve, if the bump structure is made only on the selective part on the silicon valve channel, the silicon material is pressed by the roller 10 and the part with the bump structure is closed. The valve without the bump structure is opened. This allows the valves to be controlled in such a way that only the area with the bump structure is closed when the position of the roller changes.

이와 같은 방식을 사용하면, 실리콘 소재에 펌프 채널(pump channel)과 밸브 채널(valve channel)을 만들고 선택적인 영역에만 범프 구조가 있도록 제작하여 프로그래밍이 가능한 미세 마이크로 밸브 및 마이크로 펌프(micro pump)를 제작 가능하다. Using this approach, a programmable micro valve and micro pump can be fabricated by creating a pump channel and a valve channel in a silicon material and creating a bump structure only in selective areas. It is possible.

2) 프로그래밍 가능한 미세유체 소자 개발2) Programmable Microfluidic Device Development

도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 필터(혈액 정제 필터), 반응 챔버, 다수의 미세 밸브와 마이크로 펌프, 미세 밸브 범프 구조와, 영상처리 기반 미세유체 위치 제어 시스템 구성도이다. 3 is a block diagram of a membrane filter (blood purification filter), a reaction chamber, a plurality of microvalve and micropump, a microvalve bump structure, and an image processing-based microfluidic position control system according to the present invention.

유체 유입구와 이동통로 구비되는 미세채널부의 멤브레인 필터(혈액 정제 필터), 반응 챔버, 다수의 마이크로 밸브와 마이크로 펌프, 마이크로 밸브와 범프 구조와, 영상처리 기반 미세유체 위치 제어 시스템을 제공한다. The present invention provides a membrane filter (blood purification filter), a reaction chamber, a plurality of micro valves and micro pumps, a micro valve and a bump structure, and an image processing-based microfluidic position control system provided with a fluid inlet and a moving passage.

본 발명의 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템은, Image processing based control system for microfluidic position control of the present invention,

유체 주입구와 이동통로를 구비하는 미세채널부와, 펌핑부를 포함하는 LOC 플랫폼(LOC platforms)으로써 시약(reagents) 및 시료(samples)를 순차적으로 이동하게 하는 미세 유체 시스템; 및 A microfluidic system configured to sequentially move reagents and samples into a LOC platform including a microchannel unit having a fluid inlet port and a moving passage and a pumping unit; And

미세 유체가 특정 위치에 도달하는 영상을 반응 챔버를 구비하는 미세 유체 시스템 위에서 카메라로 촬영하여, 1개 이상의 특정한 위치의 관심 영역(반응챔버 위치, A,B,C,D)을 설정하고 상기 관심 영역에 유체가 위치하도록 유체의 이동을 제어하기 위해, 영상 분석을 통해 미세 유체의 위치를 정밀하게 제어하며, 카메라 및 영상 분석 SW, 및 유체 위치 제어를 위해 펌프 구동부를 사용하여 롤러를 구동하여 단일 채널 또는 멀티 채널 마이크로 밸브들(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하여 미세 유체의 이동을 제어하는 시스템을 포함하며,
상기 미세 유체 시스템은
다수의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)로 된 각각의 채널 밸브의 경로의 상에 탄성돌기로 된 펌프 범퍼(20)를 구비하는 마이크로 펌프(11)와; 효소 기질 공급 밸브(13), 밸브 범퍼1를 구비하는 2차 세척 밸브(14), 밸브 범퍼2를 구비하는 2차 항체 밸브(15), 밸브 범퍼3(19-3)를 구비하는 1차 세척 밸브(16)를 구비하며, 상기 펌프 구동부와 상기 롤러를 구비하는 펌핑부;
마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여, 이동 가압 롤러의 위치에 따라 선택적으로 상기 펌핑부의 특정 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐됨에 따라 상기 펌핑부의 효소 기질 공급 밸브(13), 2차 세척 밸브(14), 2차 항체 밸브(15), 1차 세척 밸브(16)와 연결 통로로 연결되어 시약이 투입되며, 멤브레인 필터(17)와 이동통로를 통해 연결되어 시료가 투입되어 화학적 반응이 발생하는 반응 챔버(19)와,
유체 주입구 및 하부에 상기 이동통로를 통해 상기 반응 챔버(19)와 연결되며, 시료(samples)가 주입되는 미세채널부의 멤브레인 필터(17)를 포함한다.
An image of the microfluid reaching a specific position is photographed with a camera on the microfluidic system having a reaction chamber to set one or more regions of interest (reaction chamber positions, A, B, C, D) at one or more specific positions and In order to control the movement of the fluid so that the fluid is located in the area, it is possible to precisely control the position of the microfluid through image analysis, and to drive the roller using the camera and image analysis SW and the pump drive for the fluid position A system for controlling the movement of the microfluid by controlling the opening and closing of the channel or the multichannel micro valves (valve 1,2, 3, 4),
The microfluidic system
A micro pump (11) having a pump bumper (20) of elastic projections on the path of each channel valve of the plurality of micro valves (valve 1,2, 3, 4); Enzyme substrate supply valve 13, secondary wash valve 14 with valve bumper 1, secondary antibody valve 15 with valve bumper 2, primary wash with valve bumper 3 (19-3) A pumping unit having a valve 16 and having the pump driving unit and the roller;
Using the principle of the microvalve and pump, the specific substrate valves 1,2,3,4 of the pumping part are selectively opened and closed according to the position of the moving pressure roller, and the enzyme substrate supply valve 13, 2 of the pumping part. The reagent is introduced into the primary washing valve 14, the secondary antibody valve 15, and the primary washing valve 16 through a connection passage, and the reagent is introduced through the membrane filter 17 through the moving passage. A reaction chamber 19 in which a reaction occurs,
It is connected to the reaction chamber 19 through the movement passage in the fluid inlet and the lower portion, and includes a membrane filter 17 of the microchannel portion in which samples are injected.

상기 스마트폰 또는 임베디드 시스템에 의해, 상기 카메라의 영상 처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 위치 제어기에 의해 미세유체의 위치(반응 챔버의 위치, A,B,C,D)를 정밀하게 제어하도록 펌핑부의 펌프 구동부와 이동 가압 롤러(roller)를 구동하여 복수의 마이크로 밸브를 제어하며, 펌핑부의 마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여 상기 이동 가압 롤러의 위치에 따라 선택적으로 펌핑부의 특정 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐되도록 하여 미세 유체의 이동을 제어한다. Pumped by the smartphone or embedded system to precisely control the position of the microfluid (position of the reaction chamber, A, B, C, D) by the position controller through image processing of the camera and analysis of the position of the microfluid A plurality of micro valves are controlled by driving a negative pump driving part and a moving pressure roller, and a specific microvalve of the pumping part is selectively selected according to the position of the moving pressure roller by using the principle of the micro valve and the pump of the pumping part. , 2, 3, 4 is opened and closed to control the movement of the microfluid.

상기 특정한 위치의 관심 영역(ROI)은 시약의 반응 챔버(19) 일 수 있다. The region of interest (ROI) at that particular location may be the reaction chamber 19 of the reagent.

펌프 구동부는 위치 제어기와 연결되는 탄성 재질의 PDMS 마이크로 펌프와 밸브를 구비하는 탄성 재질의 PDMS 액추에이터를 사용하며, 탄성 재질의 PDMS 엑추에이터에 의해 이동 가압 롤러(roller)를 구동한다. The pump driving unit uses an elastic PDMS actuator having an elastic PDMS micro pump and a valve connected to a position controller, and drives a moving pressure roller by the elastic PDMS actuator.

탄성 재질의 PDMS 엑추에이터는 선형 모터(linear motor)를 사용한다. Elastic PDMS actuators use a linear motor.

상기 펌프 구동부는 위치 제어기와 연결되는 선형 모터(linear motor)를 사용하며, 상기 선형 모터에 의해 이동 가압 롤러를 구동한다. The pump drive unit uses a linear motor connected to the position controller, and drives the moving pressure roller by the linear motor.

상기 미세 유체 시스템은 The microfluidic system

각각의 멀티 채널 밸브(valve 1,2,3,4)의 경로의 상에 탄성돌기로 된 펌프 범퍼(20)를 구비하는 마이크로 펌프(11)와; 효소 기질 공급 밸브(13), 밸브 범퍼1를 구비하는 2차 세척 밸브(14), 밸브 범퍼2를 구비하는 2차 항체 밸브(15), 밸브 범퍼3(19-3)를 구비하는 1차 세척 밸브(16)를 구비하며, 상기 펌프 구동부와 상기 롤러를 구비하는 펌핑부; A micro pump (11) having a pump bumper (20) of elastic projections on the path of each of the multi channel valves (1, 2, 3, 4); Enzyme substrate supply valve 13, secondary wash valve 14 with valve bumper 1, secondary antibody valve 15 with valve bumper 2, primary wash with valve bumper 3 (19-3) A pumping unit having a valve 16 and having the pump driving unit and the roller;

마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여, 이동 가압 롤러의 위치(A,B,C,D)에 따라 선택적으로 상기 펌핑부의 특정 밸브(valve 1,2,3,4)가 개폐됨에 따라 상기 펌핑부의 효소 기질 공급 밸브(13), 2차 세척 밸브(14), 2차 항체 밸브(15), 1차 세척 밸브(16)와 연결 통로로 연결되어 시약이 투입되며, 멤브레인 필터(19)와 이동통로를 통해 연결되어 시료가 투입되어 화학적 반응이 발생하는 반응 챔버(19)와, Using the principle of microvalve and pump, the specific valves (valve 1,2, 3, 4) of the pumping part are selectively opened and closed according to the position (A, B, C, D) of the moving pressure roller. The reagent substrate is connected to the enzyme substrate supply valve 13, the secondary washing valve 14, the secondary antibody valve 15, and the primary washing valve 16 through a connecting passage, and a membrane filter 19 and a moving passage are provided. Reaction chamber 19 is connected to the sample through the chemical reaction is generated, and

유체 주입구(sample inlet) 및 하부에 상기 이동통로를 통해 상기 반응 챔버와 연결되며, 시료(samples)가 주입되는 미세채널부의 멤브레인 필터(17)를 포함한다.It is connected to the reaction chamber through the fluid passage inlet (sample inlet) and the lower portion, and includes a membrane filter 17 of the micro-channel portion in which samples are injected.

예를들면, 관상동맥질환과 같은 면역진단을 수행하기 위해 프로그래밍이 가능한 미세유체 소자이다. For example, microfluidic devices that can be programmed to perform immunodiagnosis, such as coronary artery disease.

면역진단은 다양한 시약을 반응시켜 타겟 바이오마커(target bio-marker)를 검출하는 방법으로써 다양한 시약을 일정 시간동안 반응시키는 정밀한 유체제어가 필요하다. Immunodiagnosis is a method of detecting a target biomarker by reacting various reagents, and requires precise fluid control to react various reagents for a certain time.

예를들면, 롤러(roller)가 Region A에 위치하면, 모든 밸브(valve 1,2,3,4)가 닫혀 맴브레인 필터(예, 혈액 정제 필터)(17)로부터 샘플이 들어오며, 롤러가 Region B에 위치하면, 밸브들이 번갈아 열리며 시약챔버의 용액이 순서대로 이동한다. For example, if the roller is located in Region A, all valves 1,2,3,4 are closed, allowing samples to come from membrane filters (e.g., blood purification filters) 17, and the rollers When placed in B, the valves alternately open and the solution in the reagent chamber moves in sequence.

3) 영상처리 기반 미세유체 위치 제어 기술 3) Image processing based microfluidic position control technology

도 4a는 카메라와 영상 분석 SW를 구비하는 i) 스마트폰 또는 ii) 임베디드 시스템을 사용하여 프로그래머블 미세유체 위치 제어 및 영상 분석 플랫폼의 개념도이다. 4A is a conceptual diagram of a programmable microfluidic position control and image analysis platform using an i) smartphone or ii) an embedded system with a camera and image analysis SW.

도 4b는 반응 챔버(ROI, Region of Interest)의 RGB 변화를 실시간으로 측정하여 미세 유체의 위치 제어를 위해 스마트폰을 사용한 영상 처리 기반의 미세유체 위치 제어를 위한 검증 실험 결과를 보인 화면이다. Figure 4b is a screen showing the results of the verification experiment for controlling the microfluidic position based on image processing using a smart phone to control the position of the microfluid by measuring the RGB change in the reaction chamber (ROI, Region of Interest) in real time.

도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 영상 처리 기반 미세유체 위치 제어 플랫폼을 보인 도면이다. 4C is a view illustrating an image processing-based microfluidic position control platform of a smartphone or an embedded system according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따른 미세유체 위치 제어를 위해 영상 측정 및 분석을 위한 스마트폰 또는 임베디드 시스템은 미세유체소자의 반응 챔버를 구비하는 미세 유체 시스템 상에서 시약(reagents), 시료(sample, 혈액)의 화학적 반응 영상을 촬영하는 카메라(71); 상기 카메라(71)의 영상을 인코딩하여 저장부(75)에 버퍼링하며 비전 영상처리 이미지 프로세싱을 통해 영상을 분석하여 영상처리부(72); 상기 영상 처리부(72)와 연결되며, 영상 분석 및 영상 데이터에 보이는 미세 유체의 위치를 분석하고 미세 유체의 위치를 제어하는 영상분석SW가 구비되고, 펌프 구동부(76)와 롤러(77)를 구동하여 미세 유체의 위치를 제어하는 위치 제어기(74)를 구비하는 제어부(73); 상기 제어부(73)에 연결되고 카메라 영상을 임시적으로 저장하는 저장부(75); 상기 제어부(73)에 연결되는 Bluetooth, Wi-Fi, LTE/5G 중 적어도 하나 이상의 통신을 제공하는 통신부(78); 상기 제어부(73)의 위치 제어기(74)의 제어에 따라 롤러(77)를 구동하는 펌프 구동부(76); 및 상기 펌프 구동부(76)에 의해 구름 회전하며 이동 가압하여 롤러를 수평 이동하도록 제어되는 이동 가압 롤러(77)를 포함하며, Smartphone or embedded system for image measurement and analysis for microfluidic position control according to an embodiment of the present invention is a reagent (sample, blood) of a reagent (sample) on a microfluidic system having a reaction chamber of the microfluidic device A camera 71 for photographing a chemical reaction image; An image processor 72 encoding an image of the camera 71 and buffering the image in the storage unit 75 and analyzing the image through vision image processing image processing; It is connected to the image processor 72, and is provided with an image analysis SW for analyzing the position of the microfluid shown in the image analysis and image data, and controls the position of the microfluid, and drives the pump driver 76 and the roller 77 A control unit 73 having a position controller 74 for controlling the position of the microfluid; A storage unit 75 connected to the control unit 73 and temporarily storing a camera image; A communication unit 78 providing communication of at least one of Bluetooth, Wi-Fi, and LTE / 5G connected to the control unit 73; A pump driver 76 for driving the roller 77 according to the control of the position controller 74 of the controller 73; And a moving pressure roller 77 controlled to move the roller by horizontal rotation and pressure by the pump driving unit 76 to move the roller horizontally.

카메라의 영상처리 및 미세 유체의 위치 분석(반응챔버의 위치, A,B,C,D)을 통해 위치 제어기(74)에 의해 펌핑부의 펌프 구동부(76)와 이동 가압 롤러(77)를 구동하여 미세유체의 위치를 정밀하게 제어하도록 선택적으로 적어도 하나 또는 다수의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하여 미세 유체의 이동을 제어한다.Through the image processing of the camera and the position analysis of the microfluid (position of the reaction chamber, A, B, C, D), the pump driving unit 76 and the moving pressure roller 77 of the pumping unit are driven by the position controller 74. In order to precisely control the position of the microfluid, the movement of the microfluid is controlled by selectively controlling the opening and closing of the at least one or the plurality of microvalve (valve 1,2, 3, 4).

카메라의 영상처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 미세유체의 위치를 제어하도록 위치 제어기(74)에 의해 펌프 구동부(76)와 롤러(77)를 구동하여 탄성 돌기가 있는 펌프 버퍼(pump bunmper)가 구비된 A,B,C,D 위치에 정지시킴에 따라 단일 채널 또는 멀티 채널의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어하여 유체의 이동을 제어한다. The pump driver 76 and the roller 77 are driven by the position controller 74 to control the position of the microfluid through the image processing of the camera and the position analysis of the microfluid. By stopping the A, B, C, D position provided to control the movement of the fluid by controlling the opening and closing of the micro-valve (valve 1,2, 3, 4) of a single channel or multi-channel.

예를들면, 혈액을 분석 샘플로 사용하여 멤브레인 필터(혈액 정제 필터)에 주입되면, 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 카메라는 반응 챔버 상에서 관심영역(ROI, Region of Interest)을 촬영한 영상을 비전 영상처리 이미지 프로세싱(image processing)을 통해 영상을 분석하여 미세유체의 위치(A,B,C,D)를 분석하며, For example, when blood is injected into a membrane filter (blood purification filter) using an analytical sample, a camera of a smartphone or an embedded system may vision image an image of a region of interest (ROI) on a reaction chamber. Analyze the image through image processing to analyze the location of microfluids (A, B, C, D),

영상 분석 SW의 카메라의 영상처리 및 촬영된 영상 데이터 내의 미세 유체의 위치 분석을 통해 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 위치 제어기(74)에 의해 미세유체의 위치가 정밀하게 제어되도록 펌프 구동부(76)에 의해 이동 가압 롤러(77)를 구동하여 롤러의 이동 위치에 따라 각 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)의 개폐를 제어한다. By the pump driver 76 to precisely control the position of the microfluid by the position controller 74 of the smartphone or embedded system through image processing of the camera of the image analysis SW and analysis of the position of the microfluid in the captured image data. The moving pressure roller 77 is driven to control the opening and closing of each microvalve 1, 2, 3, 4 according to the moving position of the roller.

상기 영상 분석 SW는 카메라 영상의 이미지 프로세싱 및 영상 내 미세 유체의 분석 기능을 제공하며, 그레이 스케일, RGB, YCbCr 변환 중 어느 하나 방식의 이미지 프로세싱을 사용한다. The image analysis SW provides an image processing function of a camera image and an analysis of microfluid in the image, and uses image processing of any one of gray scale, RGB, and YCbCr conversion.

예를들면, 영상 분석 SW는 상기 그레이 스케일을 사용하는 경우, 카메라 영상을 버퍼링하여 저장하고 이미지 프로세싱(image processing) 및 영상 분석 기능을 제공하며, 관심 영역(ROI, Region of Interest)을 그레이 스케일(grayscale)로 변환하며, 관심 영역(ROI)의 외곽선이 추출되는 실험에 의한 임계값(threshold)을 사용하여 관심 영역의 이미지의 히스토그램(histogram)[x축 영상의 각 픽셀의 화소값, y축 해당 화소 값의 갯수(빈도수)]를 구하고, 그 관심영역 이미지를 ostu 알고리즘을 사용하여 임계값을 기준으로 0,1로 이진화(binarization)한 후, 히스토그램 평활화(histogram equalization)를 통해 ROI 영역의 영상의 전처리를 수행하며, 검출된 관심 영역의 객체들의 윤곽선을 검출하고, 텍스처 특징(Texture Features)과 형상 특징(Shape Features)을 추출하여 ROI 영역의 (x,y) 좌표의 미세 유체의 위치를 검출한다.For example, when using the gray scale, the image analysis SW buffers and stores a camera image, provides image processing and image analysis, and provides a region of interest (ROI) in gray scale ( a histogram (pixel value of each pixel of the x-axis image, y-axis correspondence) of the image of the region of interest using an experimental threshold at which the outline of the ROI is extracted. The number of pixel values (frequency)], binarize the ROI image to 0,1 based on the threshold using the ostu algorithm, and then histogram equalization of the image in the ROI region. Pre-processing, detecting contours of detected objects of the region of interest, extracting texture features and shape features, and microfluids of (x, y) coordinates of the ROI region It detects the position.

도 4d는 (a) 개발된 PDMS 액추에이터, (b) PMMA 기반 LOC 테스트 장치, (c) 롤러 구동 프레임을 보인 도면이다. 롤러는 특정 위치에 고정되며, 롤러 아래의 백색 PMMA 구동 판만이 선형 모터(linear motor)에 연결되어 롤러 아래에서 전후로 움직인다.Figure 4d is a view showing (a) the developed PDMS actuator, (b) PMMA-based LOC test device, (c) roller drive frame. The roller is fixed in a specific position, and only the white PMMA drive plate under the roller is connected to the linear motor to move back and forth under the roller.

도 1을 참조하면, 마이크로 펌프는 미세채널부(110), 펌핑부(120) 및 이동가압수단(130)으로 구성된다. 미세채널부(110)는 유체주입구(111) 및 이동통로(112)를 포함하며, 펌핑부(120)는 펌핑공간(121)을 포함한다.Referring to FIG. 1, the micro pump is composed of a microchannel unit 110, a pumping unit 120, and a moving pressurizing unit 130. The microchannel unit 110 includes a fluid inlet 111 and a movement passage 112, and the pumping unit 120 includes a pumping space 121.

미세채널부(110)는 주입된 유체의 이동통로(112)를 구비하며, 상기 이동통로(112)는 유체를 출입시키는 유체 주입구(111)와 연결된다.The microchannel unit 110 includes a movement passage 112 of the injected fluid, and the movement passage 112 is connected to a fluid inlet 111 for entering and exiting the fluid.

유체주입구(111)로 주입된 유체는 이동통로(112)를 통해 반응 챔버로 이송된다 즉, 펌핑부를 통해 음압이 발생시키게 되면, 유체주입구(111) 부근에 있던 유체는 이동통로(112)를 통해 반응 챔버로 이동하게 된다The fluid injected into the fluid inlet 111 is transferred to the reaction chamber through the movement passage 112. That is, when negative pressure is generated through the pumping portion, the fluid near the fluid inlet 111 is transferred through the movement passage 112. To the reaction chamber

미세채널부(110)는 이동통로(112)가 별도로 연결된 것이 아니라, 유체주입구(111) 및 그 하부에 이동통로(112)가 일체로 연결되며, 이 경우 유체주입구(111)에서 반응챔버로 이동되는 유체가 이동된다. The microchannel part 110 is not connected to the moving passage 112 separately, but the moving passage 112 is integrally connected to the fluid inlet 111 and its lower portion. In this case, the microchannel unit 110 moves from the fluid inlet 111 to the reaction chamber. The fluid to be moved.

반응 챔버는 이동통로(112)와 직접 연결되며, 상기 펌핑부(120)의 양압 또는 음압발생에 의해 유체(fluid)가 이동된다. 즉, 펌핑부(120)를 특정부위를 이동가압롤러로 가압함으로써 펌핑공간(121)이 형성되며, 상기 펌핑공간(121)의 용적은 가변될 수 있으며, 상기 이동가압 롤러의 이동에 의해 용적의 가변이 이루어지고, 용적의 가변에 의해 유입된 유체는 이동하게 된다. The reaction chamber is directly connected to the movement passage 112, and fluid is moved by the positive pressure or the negative pressure of the pumping part 120. That is, a pumping space 121 is formed by pressing the pumping unit 120 with a moving pressure roller, and the volume of the pumping space 121 may be variable, and the volume of the volume is changed by the movement of the moving pressure roller. Variation is made, and the fluid introduced by the volume variation is moved.

도 1을 참조하면, 이동가압수단(130)은 이동 가압 롤러를 사용하여 선택적으로 펌핑부(120) 상에서 이동 가압하며 구름회전하며 이동된다. 이에 따라, 유체주입구(111)를 통해 유입된 유체(fluid)는 롤러(roller)의 구름회전을 하며 이동됨으로써 유체를 원하는 위치까지 이동시킨다.Referring to FIG. 1, the moving pressing means 130 is moved by rolling while pressing and moving on the pumping unit 120 selectively using a moving pressure roller. Accordingly, the fluid introduced through the fluid inlet 111 moves in a rolling rotation of the roller, thereby moving the fluid to a desired position.

또한, 이동가압 롤러의 이동을 정밀하게 그 위치를 제어하기 위해, 이를 사람의 손 등으로 이동시키는 것이 아니라 프로그래밍 된 스마트폰과 임베디드 시스템, 컴퓨터에 프로그래밍된 후 미세 유체의 위치 제어를 위해 펌프 구동부에 의해 이동가압 롤러를 정밀하게 이동시킨다.In addition, in order to precisely control the movement of the moving pressure roller, the pump driving part is used to control the position of the microfluid after being programmed in a programmed smart phone, an embedded system, and a computer, instead of moving it with a human hand. This moves the moving pressure roller precisely.

상기 미세채널부(110) 및 펌핑부(120)는 탄성 성분을 갖는 탄성물질을 포함한다. 탄성물질은 천연고무 또는 합성고무로 이루어지며, 천연고무는 이소프렌고무가 있으며, 합성고무는 실리콘고무, 우레탄고무, 부타디엔고무, 스틸렌부타디엔고무, 아크릴로니티릴부타디엔고무, 클로로프렌 고무, 에틸렌프로필렌 고무, 부틸고무, 클로로술폰화 폴리에틸렌고무, 아크릴고무, 다황화고무, 불소고무, 에피클로로히드린고무 등으로 이루어진 군에서 1이상 선택될 수 있다. 실리콘 고무의 예로는 PDMS(Polydimethylsiloxane)를 사용한다. The microchannel unit 110 and the pumping unit 120 include an elastic material having an elastic component. Elastic material is composed of natural rubber or synthetic rubber, natural rubber is isoprene rubber, synthetic rubber is silicone rubber, urethane rubber, butadiene rubber, styrenebutadiene rubber, acrylonitrile butadiene rubber, chloroprene rubber, ethylene propylene rubber, It may be selected from the group consisting of butyl rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, acrylic rubber, polysulfide rubber, fluorine rubber, epichlorohydrin rubber and the like. An example of silicone rubber is polydimethylsiloxane (PDMS).

또한, 미세채널부(110) 및 펌핑부(120)의 하부는 비변형의 재질로 이루어지며, 펌핑부의 상부는 탄성성분을 갖는 탄성물질을 포함한다. In addition, the lower portion of the microchannel unit 110 and the pumping unit 120 is made of a non-deformable material, the upper portion of the pumping unit includes an elastic material having an elastic component.

미세채널부(110) 및 펌핑부(120)의 하부는 비변형의 재질로 이루어지며, 펌핑부 상부(122)는 탄성성분을 갖는 탄성물질로 이루어질 수 있다. 이는 탄성물질로 이루어진 펌핑부 상부(122)가 비변형의 재질의 펌핑부의 하부에 결합됨으로써 형성될 수 있다. The lower portion of the microchannel unit 110 and the pumping unit 120 may be made of a non-deformable material, and the upper portion of the pumping unit 122 may be made of an elastic material having an elastic component. This may be formed by coupling the upper part of the pumping part 122 made of an elastic material to the lower part of the pumping part of the non-deformable material.

이동가압 롤러로 펌핑부 상부(122)를 압착하게 되면, 다른 부위는 형상변화가 없고, 펌핑부 상부(122)만이 형상변화가 이루어져 압착된다. 펌핑부(120)에 펌핑공간(121)이 마련되며, 상기 이동가압롤러를 오른쪽 화살표 방향으로 이동시키면, 이에 따라 유입된 유체는 이동하게 된다.When the upper portion of the pumping part 122 is compressed by the moving pressure roller, other parts have no shape change, and only the upper part of the pumping part 122 has a shape change and is compressed. The pumping space 121 is provided in the pumping unit 120. When the moving pressure roller is moved in the direction of the right arrow, the fluid introduced therefrom moves.

탄성 재질의 PDMS 엑추에이터는 탄성 재질의 PDMS 마이크로 유체 액추에이터(PDMS microfluidic actuator)로 사용된다. The elastomeric PDMS actuator is used as a PDMS microfluidic actuator made of elastic material.

도 4e는 제안된 탄성 재질의 PDMS 마이크로 유체 액추에이터(PDMS microfluidic actuator)를 사용하여 단계별 작동 절차를 보인 도면이다. Figure 4e is a diagram showing the step-by-step operation procedure using the PDMS microfluidic actuator of the proposed elastic material.

(a) 유체주입구(sample inlet)로 액체 시료(sample)(혈액-적색 용액)를 멤브레인 필터(filter)(17)에 주입하고, 다른 시약(other reagents)은 테스트 LOC(test LOC)에 미리 주입된다. 상기 맴브레인 필터(17)는 혈액 정제 필터로 사용되고, 상기 액체 시료는 혈액을 사용한다. (b) 모든 마이크로 밸브들(valve 1,2,3,4)을 닫고(closed), 시료 용액(sample solution)을 멤브레인 필터(membrane filter)를 통해 펌핑된다. 그 후, 밸브들(valve 1,2,3,4)이 순차적으로 열리고(sequentially open), 시약(reagents)들이 검출 구역(detection zone)으로 유입된다. (c) 마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여, 노란색 시약(washing buffer, 와싱 버퍼)과 연결된 valve 1 open, 챔버가 열렸다(도 3의 D지점) (d) 녹색 시약(1차 항체)과 연결된 valve 2 open, 챔버가 열렸다(도 3의 C지점) (e) 오렌지색 시약(washing buffer, 세척 완충액)과 연결된 valve 3 open, 챔버가 열렸다(도 3의 B지점). (f) 파란 시약(enzyme substrate, 효소 기질)를 갖는 valve 4 open, 챔버가 열렸다(도 3의 A지점).(a) Inject a liquid sample (blood-red solution) into the membrane filter 17 with a sample inlet, and pre-inject other reagents into the test LOC. do. The membrane filter 17 is used as a blood purification filter, and the liquid sample uses blood. (b) All micro valves 1,2,3,4 are closed and the sample solution is pumped through a membrane filter. Thereafter, valves 1,2,3,4 are opened sequentially, and reagents are introduced into the detection zone. (c) Using the principle of microvalve and pump, valve 1 open, chamber connected with yellow reagent (washing buffer), was opened (point D in FIG. 3) (d) connected with green reagent (primary antibody) valve 2 open, chamber opened (point C in FIG. 3) (e) valve 3 open, chamber connected to orange reagent (washing buffer, washing buffer) was opened (point B in FIG. 3). (f) valve 4 open, chamber with blue reagent (enzyme substrate) opened (point A in FIG. 3).

도 3의 D 위치는 valve 1 open 지점이다. Position D in FIG. 3 is the valve 1 open point.

도 3의 C 위치는 valve 2 open 지점이다. Position C of FIG. 3 is the valve 2 open point.

도 3의 B 위치는 valve 3 open 지점이다. Position B in FIG. 3 is the valve 3 open point.

도 3의 A 위치는 valve 4 open 지점이다. Position A in FIG. 3 is the valve 4 open point.

도 4f는 생체 분석 절차(bio analysis procedure)에 사용되는 설계 플랫폼의 미세 유체 작동(microfluidic operation) 절차를 보인 사진이다. 4F is a photograph showing the microfluidic operation procedure of the design platform used in the bio analysis procedure.

미세 유체 시스템의 반응 챔버의 생체 분석 절차는 (a) 유체유입구(sample inlet)로 화학 반응에 필요한 액체 시료(sample, 혈액-적색 용액)를 멤브레인 필터로 주입하는 단계; (b) 1차 항체(first antibody)로 코팅된 검출 구역(detection zone)으로 시료(sample)를 이동시키는 단계; (c) 세정 완충액(washing buffer, 황색 용액)으로 폐기물(waste)을 1차 세척하는(washing) 단계; (d) 상기 검출 구역에서 상기 1차 항체를 유입하는 단계, 효소(enzyme)가 결합된 2차 항체(enzyme-linked secondary antibody, 녹색 용액)를 검출 구역으로 이동시키며, 분해 물질(analytes)과 같이 상기 1차 항체(first antibody)는 효소(enzyme)가 결합된 2차 항체와 반응시키는 단계; (e) 미반응 2차 항체(secondary antibody)를 세척 완충액(오렌지색 용액)으로 2차 세척하는(washing) 단계; (f) 분석을 위한 신호를 생성하기 위해 효소 기질(enzyme substrate)을 검출 구역으로 유입하는 단계를 포함한다[모든 사진 아래의 눈금 막대(sacle bar)는 1cm 임].The bioanalytical procedure of the reaction chamber of the microfluidic system includes (a) injecting a liquid sample (blood-red solution) required for a chemical reaction into a membrane filter into a sample inlet; (b) moving the sample to a detection zone coated with a first antibody; (c) first washing the waste with a washing buffer (yellow solution); (d) introducing the primary antibody in the detection zone, moving an enzyme-linked secondary antibody (green solution) to the detection zone, such as analytes Reacting the first antibody with a secondary antibody to which an enzyme is bound; (e) second washing of unreacted secondary antibody with wash buffer (orange solution); (f) introducing an enzyme substrate into the detection zone to generate a signal for analysis (sacle bar below all photos is 1 cm).

도 5를 참조하면, 반응 챔버에서 1차 항체, 바이오 마커, 1차 세척, 1차 항체와 마커에 2차 항체와 효소(enzyme)가 결합되며, 2차 세척에 의해 효소(enzyme)하고 반응하는 용액을 흘려주면, 효소가 제거되고 용액의 색상이 바뀌는 것을 볼 수 있다. Referring to FIG. 5, in the reaction chamber, a primary antibody, a biomarker, a primary wash, a secondary antibody and an enzyme are coupled to the primary antibody and the marker, and the enzyme is reacted and reacted by the secondary wash. If you run the solution, you will see that the enzyme is removed and the color of the solution changes.

* 영상처리 기반 미세유체 위치 제어 기술 개발* Development of image processing based microfluidic position control technology

미세유체(microfluid)를 이동시킬 때 공기와 유체 사이의 계면에서 발생하는 표면 장력에 의해 유체(fluid)를 이동시키는데 필요한 압력이 달라지는 문제가 발생한다. When moving the microfluid, a problem arises in that the pressure required to move the fluid is changed by the surface tension generated at the interface between the air and the fluid.

이를 해결하기 위해, 본 연구에서는 유체가 특정 위치(반응 챔버의 위치, A,B,C,D)에 도달하는 과정의 영상을 측정하여 비전 영상 처리의 이미지 프로세싱(image processing)을 제공하는 영상 분석 SW에 의해 카메라의 특정한 위치(ROI, Region of Interest, 반응 챔버, A,B,C,D)에 도착하였을 때, 스마트폰 또는 임베디드 시스템의 제어부의 '위치 제어기'가 펌프 구동부(PDMS 엑추에이터, 또는 선형 모터)에 의해 이동 가압 롤러(roller)의 이동을 제어하여 미세 유체의 이동을 제어하고 특정 위치(도 3 위치, A,B,C,D)에 멈추도록 제어한다.In order to solve this problem, in this study, image analysis is provided to provide image processing of vision image processing by measuring an image of a fluid reaching a specific position (position of reaction chamber, A, B, C, D). When the SW arrives at a specific location of the camera (ROI, Region of Interest, Reaction Chamber, A, B, C, D), the 'position controller' of the controller of the smartphone or embedded system is the pump drive (PDMS actuator, or The linear motor) controls the movement of the moving pressure roller to control the movement of the microfluid and to stop at a specific position (FIG. 3, A, B, C, D).

펌프 구동부는 이동 가압 롤러(roller)를 수평 이동시키기 위해, PDMS 엑추에이터를 사용하며, PDMS 엑추에이터는 선형 모터(linear motor)를 사용한다. The pump drive uses a PDMS actuator to horizontally move the moving pressure roller, and the PDMS actuator uses a linear motor.

미세유체(microfluid)의 위치를 실시간으로 확인하는 영상처리 기법을 미세유체를 제어하는데 사용하면, 미세 유체의 위치를 정밀하게 제어하고, 표면장력(surface tension)에 의해 유체를 특정위치로 이동시키기 위해 필요한 압력이 변하게 되는 문제점을 극복할 수 있다. Using image processing techniques to control the microfluid in real time to determine the location of the microfluid, it is possible to precisely control the position of the microfluid and to move the fluid to a specific position by surface tension. It is possible to overcome the problem of changing the required pressure.

면역진단용 미세유체 소자는 다양한 시약의 미세유체를 반응 챔버(19)에 순차적으로 채우는 과정이 필요한데, 반응 챔버(19)를 채우는 과정에서 기포(Bubble)가 잡히게 되어 반응 챔버(19)가 시약으로 채워지지 않는 문제점이 발생하였다. The microfluidic device for immunodiagnosis requires a process of sequentially filling the microfluidic fluid of various reagents in the reaction chamber 19. In the process of filling the reaction chamber 19, bubbles are caught and the reaction chamber 19 is filled with the reagent. There is a problem that does not come.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 연구는 영상인식 알고리즘을 이용하여 기포가 발생하게 되는 오류 상황이 발생하였을 때 이를 인식한다. 기포를 제거하기 위해 제작된 버블 트랩 구조는 유체와 기포가 함께 있을 때 기포는 위로 뜨는 성질을 이용한 것으로, 버블 트랩(Bubble Trap) 구조에서 기포는 위쪽에 쌓이고 유체만 채널로 이송되어 기포를 제거할 수 있다.In order to solve this problem, this study recognizes when an error situation occurs that generates bubbles using image recognition algorithm. The bubble trap structure designed to remove bubbles uses bubbles to float upward when the fluid and bubbles are together. In the bubble trap structure, bubbles are piled up and only the fluid is transferred to the channel to remove bubbles. Can be.

영상 분석SW는 비전 영상 처리와 영상인식을 사용하여 기포를 발견하게 되면, 예를 들면, 영상 분석과 위치 제어기를 통해 미세 유체를 다시 후진시켜 버블 트랩으로 이동시켜 기포를 제거한 후, 다시 반응 챔버로 이동시킨다. When image analysis SW detects bubbles by using vision image processing and image recognition, for example, through image analysis and position controller, the micro fluid is moved back to the bubble trap to remove the bubbles, and then back to the reaction chamber. Move it.

본 연구를 위하여 다양한 미세유체 상황에 대한 정보를 학습시키고, 학습정보를 기반으로 미세유체 제어방식을 정의하여 향후 실험 예정이다. For this study, we will learn the information about various microfluidic situations and define the microfluidic control method based on the learning information.

5) 높은 안정성의 미세유체 제어 시스템을 적용한 고정밀 고감도 관상동맥질환 진단 5) Diagnosis of high precision and high sensitivity coronary artery disease by applying high stability microfluidic control system

프로그래밍 가능한 마이크로 밸브 및 마이크로 펌프를 사용하여 영상 측정 기반의 정밀 유체제어 미세유체 소자를 개발하였다. Programmable microvalve and micropump have been used to develop precision fluid control microfluidic devices based on imaging.

도 6은 본 연구에서 개발된 프로그래머블 미세유체 소자를 이용하여 관상동맥질환 진단을 위한 다단계 면역반응을 프로그래밍된 순서대로 수행하는 그림이다. FIG. 6 is a diagram illustrating a multi-step immune response for diagnosis of coronary artery disease using a programmable microfluidic device developed in this study in a programmed order.

관상동맥질환 진단을 위한 면역반응은 도 7과 같이 다양한 시약을 정확한 순서와 시간으로 반응시키게 되지만, 기존의 미세유체 소자는 높은 민감도와 성능에도 불구하고 재현성과 안정성이 떨어져서 본래의 장점을 활용할 수 없었다. Although the immune response for diagnosing coronary artery disease causes various reagents to be reacted in the correct order and time as shown in FIG. .

하지만, 본 연구로 개발된 안정된 시스템을 통해 1) 멤브레인 필터에 혈액 샘플 주입, 2) 혈액에서 혈장 분리, 3) 1차 Washing 과정, 4) 효소(enzyme)가 붙은 2차 항체 반응, 5) 2차 Washing 과정, 6) 효소(enzyme)에 의한 신호 발생을 측정하고, However, through the stable system developed in this study, 1) injection of a blood sample into the membrane filter, 2) plasma separation from blood, 3) primary washing, 4) secondary antibody reaction with enzyme, and 5) 2 Car washing process, 6) measuring signal generation by enzymes,

예를들면, 미세유체소자(microfluidics)를 사용하여 관상동맥질환을 진단하게 되면, 시스템의 안정도와 재현성을 극대화할 수 있기 때문에 측정 정확도를 매우 향상시킬 수 있다. For example, diagnosing coronary artery disease using microfluidics can greatly improve the measurement accuracy because the system's stability and reproducibility can be maximized.

본 연구를 통해 프로그래밍이 가능한 고성능 질병진단용 미세유체소자(microfluidics)를 일회용으로 저가에 제작하고, 영상측정을 이용한 정밀제어 시스템은 향후 인공지능 기반 영상처리를 적용하여 높은 안정성을 갖도록 할 예정이다. Through this research, programmable high performance microfluidics for disease diagnosis will be manufactured at low cost for one-time use, and precision control system using image measurement will be applied to artificial intelligence based image processing in the future to have high stability.

이와 같이, 저가의 고성능 질병 진단용 미세유체소자는 일반인이 집에서도 자신의 질환 상태를 검사할 수 있기 때문에, 만성 질환 환자의 질병 관리와 같이 다양한 방법으로 활용이 가능하다. As such, the low-cost, high-performance disease diagnostic microfluidic device can be used in a variety of ways, such as disease management of patients with chronic diseases, because the general public can check their disease state at home.

혈당, 심장 질환, 간염 등의 만성 질환을 가진 환자의 경우, 지속적으로 그 질병의 상태를 관찰할 필요가 있다. 질병 진단용 미세유체소자로 지속적인 모니터링을 함으로써, 응급 상황이 발생하기 전에 미리 병원을 방문하여 치료를 받도록 한다. 또한, 자신의 질병 상태를 스스로 인식하여 건강관리에 좀 더 주의하도록 할 수 있다. In patients with chronic diseases such as blood sugar, heart disease, and hepatitis, it is necessary to continuously monitor the condition of the disease. By continuous monitoring with the microfluidic device for diagnosing the disease, visit the hospital to receive treatment before an emergency occurs. You can also make yourself more aware of your health by becoming aware of your illness.

향후, 인공지능 영상처리와 융합된 헬스케어를 위한 미세유체 소자를 제작함으로써, 인공지능과 융합된 헬스케어 및 의료분야, 원격 진료 및 지속적인 모니터링을 가능하게 하여 새로운 의료 시스템을 구축하며, 저가의 고성능 미세 밸브 및 미세 펌프(마이크로 펌프)를 활용해 다양한 기능을 수행하는 미세유체 소자에 적용 가능하다. In the future, by manufacturing microfluidic devices for healthcare converged with artificial intelligence image processing, it is possible to construct a new medical system by enabling remote healthcare and continuous monitoring, enabling healthcare and medical fields, and remote monitoring and convergence with artificial intelligence. It can be applied to microfluidic devices that perform various functions by using a micro valve and a micro pump.

바이오, 의료, 소프트웨어, 영상인식, 반도체 미세 공정 등의 다양한 분야가 접목된 인공 지능 IT 기술, 전자 융합 기술 및 바이오 기술을 확보하여 향후 다양한 헬스케어 제품 개발의 기반을 확보하며, 인공지능 비전 영상처리를 의료 시스템에 융합한 기술 개발을 통해 인공지능 기반의 바이오 및 헬스케어 제품을 출시하여 IT 산업과 바이오 기술을 발판삼아 새로운 성장 동력을 제공한다. It secures the foundation for the development of various healthcare products in the future by securing artificial intelligence IT technology, electronic convergence technology, and bio technology combined with various fields such as bio, medical, software, image recognition, and semiconductor microprocessing. It will launch AI-based bio and healthcare products through technology development that integrates the medical system to provide new growth engines based on the IT industry and bio technology.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자가 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the appended claims by those skilled in the art. It will be understood that various modifications or variations may be made.

10: 롤러 11: 펌프
12: 유체 13: 효소 기질 공급 밸브
14: 2차 세척 밸브 15: 2차 항체 밸브
16: 1차 세척 밸브 17: 멤브레인 필터
19: 반응 챔버 19-3: 밸브 범퍼
23: 펌프 범퍼 71: 카메라
72: 영상처리부 73: 제어부(영상분석 SW)
74: 위치 제어기 75: 저장부
76: 펌프 구동부 77: 롤러
10: roller 11: pump
12: Fluid 13: enzyme substrate supply valve
14: secondary flush valve 15: secondary antibody valve
16: Primary flush valve 17: Membrane filter
19: reaction chamber 19-3: valve bumper
23: pump bumper 71: camera
72: image processing unit 73: control unit (image analysis SW)
74: position controller 75: storage unit
76: pump drive portion 77: roller

Claims (11)

유체 주입구와 이동통로를 구비하는 미세채널부와, 펌핑부를 포함하는 LOC 플랫폼으로써 시약(reagents) 및 시료(samples)를 순차적으로 이동하게 하는 미세 유체 시스템; 및
미세 유체가 특정 위치에 도달하는 영상을 반응 챔버를 구비하는 미세 유체 시스템 위에서 카메라로 촬영하여, 1개 이상의 특정한 위치의 관심 영역을 설정하고 상기 관심 영역에 유체가 위치하도록 유체의 이동을 제어하기 위해, 영상 분석을 통해 미세 유체의 위치를 정밀하게 제어하며, 카메라 및 영상 분석 SW, 및 유체 위치 제어를 위해 펌프 구동부를 사용하여 롤러를 구동하여 미세 유체의 이동을 제어하는 시스템을 포함하며,
상기 미세 유체 시스템은
다수의 마이크로 밸브(valve 1,2,3,4)로 된 각각의 채널 밸브의 경로의 상에 탄성돌기로 된 펌프 범퍼(20)를 구비하는 마이크로 펌프(11)와; 효소 기질 공급 밸브(13), 밸브 범퍼1를 구비하는 2차 세척 밸브(14), 밸브 범퍼2를 구비하는 2차 항체 밸브(15), 밸브 범퍼3(19-3)를 구비하는 1차 세척 밸브(16)를 구비하며, 상기 펌프 구동부와 상기 롤러를 구비하는 펌핑부;
마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여, 이동 가압 롤러의 위치에 따라 선택적으로 상기 펌핑부의 특정 밸브가 개폐됨에 따라 상기 펌핑부의 효소 기질 공급 밸브(13), 2차 세척 밸브(14), 2차 항체 밸브(15), 1차 세척 밸브(16)와 연결 통로로 연결되어 시약이 투입되며, 멤브레인 필터(17)와 이동통로를 통해 연결되어 시료가 투입되어 화학적 반응이 발생하는 반응 챔버(19)와,
유체 주입구 및 하부에 상기 이동통로를 통해 상기 반응 챔버(19)와 연결되며, 시료(samples)가 주입되는 미세채널부의 멤브레인 필터(17)를 포함하는 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
A microfluidic system that sequentially moves reagents and samples to the LOC platform including a microchannel portion having a fluid inlet and a moving passage and a pumping portion; And
An image of a microfluid reaching a specific location is captured by a camera on a microfluidic system having a reaction chamber to establish a region of interest at one or more specific locations and to control the movement of the fluid so that the fluid is located in the region of interest. And a system for precisely controlling the position of the microfluid through image analysis, a system for controlling the movement of the microfluid by driving a roller using a camera and an image analysis SW, and a pump drive for controlling the position of the fluid.
The microfluidic system
A micro pump (11) having a pump bumper (20) of elastic projections on the path of each channel valve of the plurality of micro valves (valve 1,2, 3, 4); Enzyme substrate supply valve 13, secondary wash valve 14 with valve bumper 1, secondary antibody valve 15 with valve bumper 2, primary wash with valve bumper 3 (19-3) A pumping unit having a valve 16 and having the pump driving unit and the roller;
Using the principle of microvalve and pump, the specific substrate of the pumping section is selectively opened and closed according to the position of the moving pressure roller, so that the enzyme substrate supply valve 13, the secondary washing valve 14, the secondary antibody of the pumping section Reagents are connected to the valve 15 and the primary washing valve 16 through a connection passage, and the reaction chamber 19 is connected to the membrane filter 17 through a moving passage to inject a sample to generate a chemical reaction. ,
And a membrane filter (17) connected to the reaction chamber (19) through a moving passage at a fluid inlet and a lower portion, and into which samples are injected.
제1항에 있어서,
상기 미세 유체의 이동을 제어하는 시스템은 카메라의 영상분석 및 미세 유체 위치 제어 프로그램이 설치된 스마트폰 또는 임베디드 시스템을 사용하며,
상기 카메라의 영상 처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 위치 제어기에 의해 미세유체의 반응챔버 위치(A,B,C,D)를 정밀하게 제어하도록 펌핑부의 펌프 구동부와 이동 가압 롤러를 구동하여 복수의 마이크로 밸브의 개폐를 제어하며, 상기 펌핑부의 마이크로 밸브 및 펌프의 원리를 사용하여 상기 펌프 구동부에 의해 구동되는 상기 이동 가압 롤러의 위치(A,B,C,D)에 따라 선택적으로 상기 펌핑부의 특정 밸브가 개폐되도록 하여 미세 유체의 이동을 제어하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 1,
The system for controlling the movement of the microfluid uses a smartphone or an embedded system in which an image analysis of the camera and a microfluidic position control program are installed.
Through the image processing of the camera and the analysis of the position of the microfluid, the pump controller of the pumping unit and the moving pressure roller are driven to precisely control the reaction chamber positions (A, B, C, D) of the microfluid by the position controller. Controlling the opening and closing of the microvalve, and selectively specifying the pumping part according to the position (A, B, C, D) of the moving pressure roller driven by the pump driving part using the principle of the microvalve and the pump of the pumping part. An image processing-based control system for microfluidic position control to control the movement of the microfluid by allowing the valve to open and close.
제1항에 있어서,
상기 특정한 위치의 관심 영역은 시약의 반응챔버(19) 인, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 1,
An image processing based control system for controlling microfluidic position, wherein the region of interest at the particular position is a reaction chamber (19) of the reagent.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 펌프 구동부는 위치 제어기와 연결되고, 탄성재질의 마이크로 펌프와 밸브로 구성된 탄성재질의 액추에이터를 사용하며, 탄성재질의 엑추에이터에 의해 롤러를 구동하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 1,
The pump driving unit is connected to the position controller, using an elastic actuator consisting of a micro-pump and valve of the elastic material, and driving the roller by the actuator of the elastic material, image processing based control system for microfluidic position control.
제5항에 있어서,
상기 탄성재질의 엑추에이터는 선형 모터를 사용하며, 상기 선형 모터에 의해 롤러를 구동하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 5,
The actuator of the elastic material uses a linear motor, and drives the roller by the linear motor, image processing based control system for microfluidic position control.
제2항에 있어서,
상기 스마트폰 또는 임베디드 시스템은
미세유체소자의 반응 챔버를 구비하는 미세 유체 시스템 상에서 시약, 시료(sample, 예를들면 혈액)의 화학적 반응 영상을 촬영하는 카메라;
상기 카메라의 영상을 인코딩하여 저장부에 버퍼링하며 비전 영상처리 이미지 프로세싱을 통해 영상을 분석하는 영상처리부;
상기 영상 처리부와 연결되며, 영상 분석 및 미세 유체의 위치를 제어하는 영상분석SW가 구비되고, 펌프 구동부와 롤러를 구동하여 미세 유체의 위치를 제어하는 위치 제어기를 구비하는 제어부;
상기 제어부에 연결되고, 카메라 영상을 임시적으로 저장하는 저장부;
상기 제어부에 연결되는 Bluetooth, Wi-Fi, 및 LTE/5G 중 적어도 하나 이상의 통신을 제공하는 통신부;
상기 제어부의 위치 제어기의 제어에 따라 이동 가압 롤러를 구동하는 펌프 구동부; 및
상기 펌프 구동부에 의해 구름 회전하며 이동 가압하여 수평 이동하도록 제어되는 이동 가압 롤러를 포함하며,
상기 카메라의 영상처리 및 미세 유체의 위치 분석을 통해 위치 제어기에 의해 미세유체의 위치를 정밀하게 제어하도록 상기 펌프 구동부에 의해 이동 가압 롤러를 구동하여 선택적으로 적어도 하나 또는 다수의 마이크로 밸브의 개폐를 제어하여 미세 유체의 이동을 제어하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 2,
The smartphone or embedded system
A camera for photographing a chemical reaction image of a reagent, a sample (eg, blood) on a microfluidic system including a reaction chamber of the microfluidic device;
An image processor which encodes an image of the camera and buffers the image in a storage unit and analyzes the image through vision image processing image processing;
A control unit connected to the image processing unit, the image analysis SW controlling an image analysis and a position of the microfluid, and having a position controller controlling a position of the microfluid by driving a pump driver and a roller;
A storage unit connected to the control unit and temporarily storing a camera image;
A communication unit providing communication of at least one of Bluetooth, Wi-Fi, and LTE / 5G connected to the control unit;
A pump driver for driving a moving pressure roller according to the control of the position controller of the controller; And
It comprises a moving pressure roller which is controlled to move horizontally by moving the rolling pressure by the pump drive unit,
By controlling the position of the microfluid by the position controller through image processing of the camera and analysis of the position of the microfluid, a moving pressure roller is driven by the pump driving unit to selectively control the opening and closing of at least one or multiple microvalve. Image control based control system for controlling the microfluidic position by controlling the movement of the microfluidic.
제5항에 있어서,
상기 탄성재질의 엑추에이터는 탄성재질의 마이크로 유체 액추에이터(PDMS microfluidic actuator)로 사용되며, 상기 탄성재질의 마이크로 유체 액추에이터의 단계별 작동 절차는
(a) 유체주입구로 액체 시료(sample)를 멤브레인 필터(17)에 주입하고, 다른 시약(other reagents)은 test LOC에 미리 주입되며, 상기 멤브레인 필터(17)는 혈액 정제 필터로 사용되고, 상기 액체 시료는 혈액을 사용하며,
(b) 모든 마이크로 밸브들(valve 1,2,3,4)을 닫고(closed), 시료 용액(sample solution)을 상기 멤브레인 필터를 통해 펌핑되며, 밸브들이 순차적으로 열리고, 시약(reagents)들이 반응 챔버의 검출 구역으로 유입되고,
(c) 마이크로 밸브 및 펌프의 원리에 의해, 노란색 시약(washing buffer)과 연결된 valve 1 open(도 3의 D 지점)되며,
(d) 녹색 시약 인 1차 항체와 연결된 valve 2 open(도 3의 C 지점)되고,
(e) 오렌지색 시약 인 세척 완충액과 연결된 valve 3 open되며,
(f) 파란 시약 인 효소 기질(enzyme substrate)을 갖는 valve 4 open되는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 5,
The elastic actuator is used as an elastic microfluidic actuator (PDMS microfluidic actuator), the step-by-step operation of the elastic microfluidic actuator
(a) A fluid sample is injected into the membrane filter 17, other reagents are pre-injected into the test LOC, and the membrane filter 17 is used as a blood purification filter, and the liquid The sample uses blood,
(b) Close all microvalve valves 1,2,3,4, pump a sample solution through the membrane filter, valves open sequentially, reagents react Into the detection zone of the chamber,
(c) on the principle of microvalve and pump, valve 1 open (point D in FIG. 3) connected with a yellow washing buffer,
(d) valve 2 open (point C in FIG. 3) connected to the primary antibody, the green reagent,
(e) valve 3 is opened in connection with the orange reagent wash buffer,
(f) Image processing based control system for microfluidic position control, which opens valve 4 with an enzyme substrate which is a blue reagent.
제1항에 있어서,
상기 영상 분석 SW는 카메라 영상의 이미지 프로세싱 및 영상 내 미세 유체의 분석 기능을 제공하며, 그레이 스케일, RGB, YCbCr 변환 중 어느 하나 방식의 이미지 프로세싱을 사용하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 1,
The image analysis SW provides image processing of a camera image and analysis of microfluids in an image, and uses image processing based on any one of gray scale, RGB, and YCbCr conversion, and image processing-based control for microfluidic position control. system.
제9항에 있어서,
상기 영상 분석 SW는
상기 그레이 스케일을 사용하는 경우, 카메라 영상을 버퍼링하여 저장하고 이미지 프로세싱(image processing) 및 영상 분석 기능을 제공하며, 관심 영역(ROI)을 그레이 스케일로 변환하며, ROI 영역의 외곽선이 추출되는 실험에 의한 임계값(threshold)을 사용하여 관심 영역의 이미지의 히스토그램(histogram)[x축 영상의 각 픽셀의 화소값, y축 해당 화소 값의 갯수(빈도수)]를 구하고, 그 관심영역 이미지를 0,1로 이진화(binarization)한 후, 히스토그램 평활화(histogram equalization)를 통해 ROI 영역의 영상의 전처리를 수행하며, 검출된 관심 영역의 객체들의 윤곽선을 검출하고, 텍스처 특징(Texture Features)과 형상 특징(Shape Features)을 추출하여 ROI 영역의 (x,y) 좌표의 미세 유체의 위치를 검출하는, 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 9,
The image analysis SW is
When the gray scale is used, the camera image is buffered and stored, image processing and image analysis functions are provided, the ROI is converted to gray scale, and the ROI region outline is extracted. A histogram [pixel value of each pixel of the x-axis image, number of corresponding pixel values (frequency) of y-axis] of the image of the region of interest using the threshold value of the image of the region of interest) is obtained, and the region of interest image is 0, After binarization to 1, the image is preprocessed in the ROI region through histogram equalization, detects the contours of the objects of the detected region of interest, and retrieves texture features and shape features. Image processing-based control system for microfluidic position control by extracting the position of the microfluid in the (x, y) coordinates of the ROI region.
제1항에 있어서,
상기 반응 챔버의 생체 분석 절차는
(a) 화학 반응에 필요한 액체 시료(sample, 혈액-적색 용액)를 멤브레인 필터로 주입하는 단계;
(b) 1차 항체로 코팅된 검출 구역(detection zone)으로 시료(sample)를 이동시키는 단계;
(c) 황색 용액 인 세정 완충액으로 폐기물을 1차 세척하는 단계;
(d) 상기 검출 구역에서 상기 1차 항체를 유입하는 단계, 녹색 용액 인 효소가 결합된 2차 항체(enzyme-linked secondary antibody)를 검출 구역으로 이동시키며, 분해 물질(analytes)과 같이 상기 1차 항체는 효소가 결합된 2차 항체와 반응시키는 단계;
(e) 미반응 2차 항체를 오렌지색 용액 인 세척 완충액으로 2차 세척하는 단계; 및
(f) 분석을 위한 신호를 생성하기 위해 효소 기질(enzyme substrate)을 검출 구역으로 유입하는 단계를 포함하는 미세유체 위치 제어를 위한 영상처리 기반 제어 시스템.
The method of claim 1,
The bioassay procedure of the reaction chamber
(a) injecting a liquid sample (blood-red solution) required for the chemical reaction into the membrane filter;
(b) moving the sample to a detection zone coated with a primary antibody;
(c) first washing the waste with a wash buffer which is a yellow solution;
(d) introducing the primary antibody in the detection zone, moving an enzyme-linked secondary antibody, which is a green solution, to the detection zone, and transferring the primary antibody as an analytes; Reacting the antibody with a secondary antibody to which the enzyme is bound;
(e) second washing of unreacted secondary antibody with an orange solution, wash buffer; And
(f) Imaging based control system for microfluidic position control comprising introducing an enzyme substrate into a detection zone to generate a signal for analysis.
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