KR102220353B1 - 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진단 스트립 모듈(10); 상기 진단 스트립 모듈(10)의 길이 방향으로 양측에 위치하여 상기 진단 스트립(12)에 광을 조사하는 2 이상의 광원을 구비하는 광원부(22); 상기 광원부(22)에서 출력되는 광을 평행광으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(24); 상기 진단 스트립 모듈(10)의 상부에 배치되는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈로부터 투과된 광의 소정의 파장대역만 선택적으로 투과하는 형광필터를 포함하는 형광광학계 모듈(30); 상기 형광광학계 모듈(30)의 상부에 배치되고, 상기 형광광학계 모듈(30)로부터 투과한 광으로부터 이미지를 획득하는 이미지센서;및 상기 광원부(22)의 신호에 맞춰 설정된 지연시간과 노출시간에 맞게 카메라가 동작하도록 상기 광원과 카메라의 동작을 제어하고, 상기 설정된 노출시간 동안 이미지 정보를 취득하도록 제어하는 프로세서를 구비하는 제어부를 포함하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이미지센서와 간단한 형광광학계를 구비한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 관한 것이다.
종래 LFA(Lateral flow assay, 측방 유동 분석) 형광리더기는 이미지센서를 이용할 경우 LED 광원을 켠 상태에서 카메라 센서를 동작시켜 LFA 스트립의 형광을 측정하는 방식을 이용하는 것이 일반적이었다. 유사한 종래 선행 문헌으로서, 등록특허 제1761128호는 광원, 콜리메이팅 렌즈, 대물렌즈, 광검출기, 빔스플리터를 포함하는 바이오센서용 형광광학계를 개시하고 있다.
그러나, 유로퓸(Europium) 형광물질의 경우 여기광원의 파장(360nm)과 형광의 파장(620nm)의 간격이 매우 커서 광학필터를 이용하여 간단하게 광학계를 구성하여 형광을 측정하는 것이 가능하였으나, LFA 멤브레인의 배경잡음으로 인해서 감도를 향상시키기는 어려웠다.
또 한편으로 PMT(Photo multiplier tube)를 이용하여 유로퓸 형광물질의 형광수명이 긴 원리를 이용하여 광원을 끄고 형광을 측정하는 TRF(시간분해형광측정, Time-resolved fluorescence) 리더기 기술이 있으나 점광원이 만들어지는 광학계의 특성상 LFA 스트립의 윈도우 영역을 측정하기 위해서는 1축 이상의 구동기가 필요하여 제어 시스템이 복잡해지는 단점이 있었다. 아울러, 종래에는 1개의 광원에서 진단 스트립에 조사되는 광원 세기의 불균일로 인하여 측정값이 부정확해지는 문제점이 있었다.
따라서, 기계 구동부 없이 고감도 검출의 LFA 리더기를 구현하려면 이미지센서의 측정 영역이 LFA 스트립의 측정 윈도우 영역을 볼 수 있도록 하고 배경 형광의 영향을 최소화할 수 있으며 저렴하고 간단하게 구현될 수 있는 시간제어 형광측정이 가능한 이미지센서 방식의 시간제어측정 LFA 형광리더기 기술이 요구된다. 또한, 검출 영역의 명암비에 따라 밝은 시료부터 어두운 시료에 이르기까지 다이내믹 레인지(dynamic range)를 확장하고 높은 S/N 특성을 갖는 형광측정법 개발이 요청되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 이미지센서를 이용하여 저렴하고 간단하게 구현되는 시간제어측정 형광 리더기 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 검출 영역의 명암비에 따라 광원의 세기를 제어하여 측정 감도를 향상시킴으로써 밝은 시료부터 어두운 시료에 이르기까지 다이내믹 레인지(dynamic range)를 확장하고 높은 S/N 특성을 갖는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스트립의 길이 방향으로 양쪽에 비치된 2개의 LED 광원 모듈에서 균일한 광세기를 제공하여 광원의 균일도를 향상시킬 수 있는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템은 진단 스트립 및 진단 스트립 본체를 포함하여 구성되는 진단 스트립 모듈; 상기 진단 스트립 모듈의 길이 방향으로 양측에 위치하여 상기 진단 스트립에 광을 조사하는 2 이상의 광원을 구비하는 광원부; 상기 광원부에서 출력되는 광을 평행광으로 만드는 상기 2 이상의 광원부에 대응하는 2 이상의 콜리메이팅 렌즈; 상기 진단 스트립 모듈의 상부에 배치되고, 상기 진단 스트립상의 측정시료 내의 형광물질이 여기되어 발생되는 광을 집광하는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈로부터 투과된 광의 소정의 파장대역만 선택적으로 투과하는 형광필터를 포함하는 형광광학계 모듈; 상기 형광광학계 모듈의 상부에 배치되고, 상기 형광광학계 모듈로부터 투과한 광으로부터 이미지를 획득하는 이미지센서;및 상기 광원부의 온 또는 오프 트리거(off trigger) 신호에 맞춰 설정된 지연시간과 노출시간에 맞게 카메라가 동작하도록 상기 광원과 카메라의 동작을 제어하고, 상기 설정된 노출시간 동안 이미지 정보를 취득하도록 제어하는 프로세서를 구비하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 대물렌즈 및 형광필터는 동일한 경통에 설치되고, 상기 경통은 상기 경통의 하단부에 구비된 초점조절 스크류에 의해 높이 조절이 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 경통과 이격되어 배치되고, 상기 형광필터에 투과하는 광원을 사용하여 상기 진단 스트립에 조명 역할을 하는 초점확인용 광원을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 프로세서는 상기 진단 스트립의 대조(control) 영역과 시험(test) 영역의 형광 신호세기를 분석하고, 상기 대조 영역의 형광 신호세기가 상대적으로 높고 상기 시험 영역의 형광 신호세기가 상대적으로 낮을 경우, 대조 영역 측정시 광원의 밝기를 상대적으로 낮게 설정하고, 시험 영역 측정시 광원의 밝기를 상대적으로 높게 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 진단 스트립 모듈, 광원부, 콜리메이팅 렌즈, 형광광학계 모듈, 이미지센서 및 제어부를 내부에 구비하는 케이스를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 케이스의 상측부에 입력부 및 디스플레이부를 더 포함하고, 상기 프로세서는 하나 이상의 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface; GUI) 객체들을 상기 디스플레이부에 출력하고, 상기 GUI에 설정값을 입력하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 초점조절 스크류는 외주면이 톱니 형상으로 이루어지고, 상기 케이스는 일 측면에 초점조절용 홀을 구비하며, 상기 홀의 일측면에 상기 초점조절 스크류가 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 광원부 및 상기 광원부에 대응하는 콜리메이팅 렌즈는 상기 케이스의 일측단에 탈착 가능하도록 구비되어, 상기 진단 스트립상의 측정시료 내의 형광물질의 흡광 특성에 대응하여 교체될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 진단 스트립의 상부에 빛반사를 차단하는 블랙아웃 쉬트(black-out sheet)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 진단 스트립은 측방유동 분석에 사용되는 스트립인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 형광물질이 유로퓸(Europium)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템에 있어서, 상기 형광물질이 유로퓸(Europium)일 경우, 광원은 파장이 340nm~360nm 영역의 LED 광원을 사용하고, 형광필터는 620nm를 통과시키는 필터를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 이미지센서를 이용하여 저렴하고 간단하게 구현되는 시간제어측정 형광 리더기 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 검출 영역의 명암비에 따라 광원의 세기를 제어하여 측정 감도를 향상시킴으로써 밝은 시료부터 어두운 시료에 이르기까지 다이내믹 레인지(dynamic range)를 확장하고 높은 S/N 특성을 갖는 형광측정법을 제공할 수 있다.
또한, 스트립의 길이 방향으로 양쪽에 비치된 2개의 LED 광원 모듈에서 균일한 광세기를 제공하여 광원의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템의 체결 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부 및 콜리메이팅 렌즈를 구비하는 광원모듈을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템의 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈 및 초점조절 스크류의 체결 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로퓸 형광시료를 사용한 TRF 측정 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료에서의 광균일성이 향상된 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 조건의 광원 밝기에서 각각 두 개의 이미지를 만든 후 보정하여 이미지를 분석하는데 사용된 신호 출력 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 분석 프로그램 동작 알고리즘 및 동작별 이미지 처리 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 게인(gain)에 따른 극미량 농도의 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부 및 콜리메이팅 렌즈를 구비하는 광원모듈을 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템의 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈 및 초점조절 스크류의 체결 구조를 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로퓸 형광시료를 사용한 TRF 측정 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료에서의 광균일성이 향상된 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 조건의 광원 밝기에서 각각 두 개의 이미지를 만든 후 보정하여 이미지를 분석하는데 사용된 신호 출력 결과 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 분석 프로그램 동작 알고리즘 및 동작별 이미지 처리 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 게인(gain)에 따른 극미량 농도의 측정 결과이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템의 체결 구조를 나타내는 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부 및 콜리메이팅 렌즈를 구비하는 광원모듈을 나타내는 모식도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템의 분해도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대물렌즈 및 초점조절 스크류(36)의 체결 구조를 나타낸 모식도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템은 진단 스트립 모듈(10), 광원부(22), 콜리메이팅 렌즈(24), 형광광학계 모듈(30), 이미지센서(40) 및 제어부를 포함하여 이루어진다.
상기 진단 스트립 모듈(10)은 진단 스트립(12) 및 진단 스트립 본체(14)를 포함하여 구성된다. 상기 진단 스트립(12)은 1개 이상, 바람직하게는 2개 이상의 검출영역을 길이 방향으로 포함하는 것이다. 상기 검출영역은 시료 안에 포함된 타겟 물질에 따라 면역반응이 다르게 일어나는 시험영역과 상기 면역반응이 일정하게 일어나는 대조영역을 포함하는 것이 가능하고, 적어도 하나 이상의 시험영역을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 시험영역은 샘플 시료에 분석하고자 하는 타겟물질이 존재하는지 여부 또는 그 양을 확인하기 위한 영역이며, 상기 대조영역은 샘플 시료가 시험영역을 정상적으로 통과하였는지의 여부를 확인하기 위한 영역이다. 이를 위하여, 상기 시험영역과 대조영역은 통상 서로 어느 정도의 거리를 갖도록 떨어져 위치하는 것이 바람직하고, 상기 시험영역과 대조영역 사이에는 비반응영역으로서 배경영역을 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 진단 스트립(12)은 이러한 검출영역을 상기 진단 스트립(12)의 길이 방향 또는 시료가 흐르는 방향으로 1개 이상, 바람직하게는 2개 이상 포함하는 것이다.
이러한 진단 스트립(12)은 체외진단용으로 사용 가능한 질병 진단기기일 수 있고, 분석물질의 검출기, 면역크로마토그래피 분석기 또는 면역반응 테스트기인 것도 가능하며, 바람직하게는 분석물질이 일방향으로 흐르는 측방유동 분석에 사용되는 일반적인 LFA(lateral flow assay)형 스트립이나, 키트 또는 카트리지인 것이 적합하다.
진단 스트립 본체(14)는 상기 진단 스트립(12)이 탈착될 수 있는 스트립 삽입부를 구비한다.
상기 광원부(22)는 상기 진단 스트립 모듈(10)의 길이 방향으로 양측에 위치하여 상기 진단 스트립(12)에 광을 조사하는 2 이상의 광원을 구비한다. 여기서, 광원은 예를 들어, 약 300~700nm의 파장을 갖는 광을 방출하는 LED(light emitting diode)이거나 또는 LD(laser diode)일 수 있다. 본 발명에 따른 상기 2 이상의 광원은 동일한 광원으로서 양측에서 동일한 광세기로 조사하여 광세기 편차를 제거할 수 있으므로 균일한 광세기를 제공할 수 있다.
상기 콜리메이팅 렌즈(24)는 상기 광원부(22)에서 출력되는 광을 평행광으로 만드는 것으로, 상기 2 이상의 광원부(22)에 대응하여 그 전단에 형성된다. 그리고, 하나의 광원 및 이에 대응하는 하나의 콜리메이팅 렌즈(24)는 광원 모듈(20)을 형성할 수 있고, 동일한 경통내에 배치되는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본원발명의 광원은 스트립의 윈도우 길이 방향으로 양쪽에 배치되고, 콜리메이팅 렌즈(24)를 통해 스트립 시료 표면에는 평행광이 도달하게 된다. 광원을 구비하는 상기 경통은 45도 각도로 입사되도록 하는 것이 바람직하며, 또한 이미지센서(40)의 형광광학계가 스트립의 윈도우 영역 전체를 볼 수 있도록 가려지지 않도록 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 광원 및 콜리메이팅 렌즈(24)는 탈부착이 가능한 구조로 형성될 수 있으므로 필요에 따라 여러 형광시료에 대응하거나 흡광 특성에 대응하여 교체할 수 있다.
상기 형광광학계 모듈(30)은 상기 진단 스트립 모듈(10)의 상부에 배치되고, 대물렌즈 및 형광필터를 포함한다. 대물렌즈는 상기 진단 스트립(12)상의 측정시료 내의 형광물질이 여기되어 발생되는 광을 집광한다. 대물렌즈는 측정시료 전단에 구비되고, 초점거리와 개구수(NA, numerical aperture)를 고려하여 선정할 수 있다. 형광필터는 상기 대물렌즈로부터 투과된 광의 소정의 파장대역만 선택적으로 투과한다.
상기 형광필터 및 대물렌즈는 동일한 경통에 설치되는 것이 바람직하다. 상기 경통은 상기 경통의 하단부에 구비된 초점조절 스크류(36)에 의해 상하로 높이 조절이 될 수 있다.
이를 통해 이미지센서(40)에 스트립의 표면이 선명하게 초점이 잡히도록(포커싱되도록) 한다. 경통의 높이 조절(대물렌즈의 위치조절)은 스크류 형태로 되어 있어 나사산을 돌리면 미세한 높이 조절이 가능하며, 이때, 진단 스트립(12)과 이미지센서(40)는 케이스에 고정된 상태이다. 또한 후술하는 초점확인용 광원은 형광필터에 투과하는 광원을 사용하여 스트립에 조명 역할을 하여 이미지센서(40)의 광학계가 정확한 초점을 잡도록 하는데 도움을 준다.
상기 이미지센서(40)는 상기 형광광학계모듈의 상부에 배치되어 상기 형광광학계모듈로부터 투과한 광으로부터 이미지를 획득한다. 이러한 이미지센서로는 CCD(charge-coupled device) 이미지 센서 또는 CMOS(complementarymetal oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함하고, 이에 제한되는 것은 아니다.
이미지는 2차원 이미지로서 이미지센서(40)에 의해 촬영되어 전기신호로 변환되어 이용된다. 상기 진단 스트립(12)의 검출영역, 형광광학계모듈 및 이미지센서(40)는 단일 축상에 광축 정렬되는 것이 바람직하다. 이러한 광축 정렬로 이미지 포커싱이 가능하나, 보다 정확한 이미지 포커싱을 위하여 본 발명은 초점조절 스크류(36) 및 초점조절용 홀을 구비하고 있다.
상기 제어부는 상기 광원부(22)의 온 트리거(off trigger) 또는 오프 트리거(off trigger) 신호에 맞춰 설정된 지연시간과 노출시간에 맞게 카메라가 동작하도록 상기 광원과 카메라의 동작을 제어하고, 상기 설정된 노출시간 동안 이미지 정보를 취득하도록 제어하는 프로세서를 구비한다.
본 발명은, 바람직하게는 시간분해 형광 기술(TRF)을 사용한다. 일반적으로 시간분해 형광 기술은 검출 구역에 근접하여 시간분해 형광 판독기를 배치하게 되며, 상기 형광 판독기는 펄스 여기원 및 시간 게이팅된 검출기를 포함한다. 이러한 시간분해 형광 기술을 이용한 측정은 펄스 여기원으로 검출 구역에서 형광 라벨을 여기시키고, 시간 게이팅된 검출기로 검출 신호의 세기를 측정하여 수행된다.
형광의 측정은 LED를 켠 상태로 형광을 측정하는 것도 가능하며, EuNPs 형광시료처럼 형광의 수명(life time)이 긴 경우 LED를 끈 후 카메라의 노출을 시작하여 형광이미지를 측정하는 TRF 측정도 가능하다. TRF 측정을 예로 들면 광원의 오프 트리거(off trigger) 신호에 맞춰 설정된 지연시간과 노출시간에 맞게 카메라가 동작하도록 광원과 카메라의 동작을 제어하게 되므로 이를 제어하는 프로세서(MCU 등)를 갖추게 된다. 본 발명에서는 임베디스 시스템 형태로 디스플레이(LCD 등)와 터치패널을 갖는 GUI 구성에 설정값을 입력하여 시스템이 제어될 수 있다. TRF 측정시 한 종류의 형광물질, 예를 들면 유로퓸만을 사용하면 광원 잡음이 없으므로 형광필터를 사용하지 않아도 된다. 이로 인해 형광필터의 사용에 기인한 외부 조명 노이즈에 의한 영향을 줄일 수 있고, 유로퓸 이외의 광신호는 차단되므로 이미지 신호의 S/N 비가 높아질 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 TRF 측정시 형광 시료의 농도에 대응하여 광원의 세기를 조절한다. 즉, 상기 프로세서는 상기 진단 스트립(12)의 대조(control) 영역과 시험(test) 영역의 형광 신호세기를 분석하고, 상기 대조 영역의 형광 신호세기가 상대적으로 높고 상기 시험 영역의 형광 신호세기가 상대적으로 낮을 경우, 대조 영역 측정시 광원의 밝기를 상대적으로 낮게 설정하고, 시험 영역 측정시 광원의 밝기를 상대적으로 높게 설정한다.
따라서, 상기 프로세서는 대조 영역의 형광 신호세기는 매우 높고, 시험 영역의 신호세기는 매우 낮을 수 있으므로(극미량의 검출에 해당), 여기 광원의 세기 조건을 2원화 하여 대조 영역 측정시 낮은 밝기의 조명 조건으로, 시험 영역 측정시 더 밝은 밝기의 조명조건으로 측정하고, 상기 측정 결과를 보정하여 넓은 측정 영역에서도 효율적으로 측정이 가능하도록 할 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템은 시험 영역의 형광 신호세기가 매우 낮은 영역에서 부터 높은 영역에 이르기 까지 정확한 측정이 가능하다.
TRF 측정 방식으로 EuNPs 스트립 시료를 측정한 이미지를 도 5에서 볼 수 있다. 10배의 농도차를 갖는 두 시료라인을 확인할 수 있다. 형광 시료 라인 이외의 영역은 TRF 측정 원리에 의해 배경잡음이 거의 없음을 알 수 있다. 이렇게 TRF 측정은 배경잡음을 제거할 수 있어서 고감도 측정이 가능하다. 형광시료의 농도를 높은 농도부터 낮은 농도까지 측정하기 위해서는 넓은 다이내믹 레인지(dynamic range)의 측정 성능이 필요한데 이는 광원의 밝기를 조절하여 개선할 수 있다. 높은 농도의 EuNPs 시료는 광원의 세기(intensity)를 낮은 조건에서, 극미량의 EuNPs 시료는 형광의 세기가 약하므로 매우 높은 광원의 세기 조건에서 이미지를 측정하여 얻을 수 있으며 두 조건에서 측정된 이미지를 분석한 후 보정하여 넓은 다이내믹 레인지(dynamic range)를 커버할 수 있다. 이는 카메라의 노출시간이나 카메라센서의 게인을 키워서 고감도 측정을 달성하는 방법도 가능하나 S/N 특성을 높이는 방법으로는 광원의 세기 조건을 변경하여 추후 보정하는 방식이 더 바람직하다.
본 발명은 진단 스트립(12) 시료의 형광물질의 여기파장과 형광파장의 특성에 따라 그에 적합한 LED 광원과 형광필터를 구비한다. 예를 들면 형광물질이 유로퓸 나노입자(EuNPs)일 경우 여기광원의 파장은 340nm~360nm 영역의 LED 광원을 사용하고 형광의 파장은 620nm이므로 620nm를 통과시키는 형광 필터를 사용할 수 있다. 이와 같이 다양한 형광시료에 따라 광원모듈과 형광필터의 교체만으로 여러 스트립 시료를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템은 상기 진단 스트립 모듈(10), 광원부(22), 콜리메이팅 렌즈(24), 형광광학계 모듈(30), 이미지센서(40) 및 제어부를 내부에 구비하는 케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 케이스의 상측부에는 입력부 및 디스플레이부가 구비될 수 있다. 이 경우 상기 프로세서는 하나 이상의 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface; GUI) 객체들을 상기 디스플레이부에 출력하고, 상기 GUI에 설정값을 입력하여 제어한다.
상기 케이스는 일 측면에 초점조절용 홀을 구비할 수 있다. 상기 홀의 일측면에는 초점조절 스크류(36)가 배치될 수 있다. 상기 초점조절 스크류(36)는 외주면이 톱니 형상으로 이루어져 있고, 외부에서 상기 초점조절용 홀을 통하여 톱니 조절이 가능하도록 형성되어 있다.
상기 광원부(22) 및 상기 광원부(22)에 대응하는 콜리메이팅 렌즈(24)는 상기 케이스의 일측단에 탈착 가능하도록 구비될 수 있다. 따라서, 상기 진단 스트립(12)상의 측정시료 내의 형광물질의 흡광 특성에 대응하여 상기 광원부(22) 및 상기 광원부(22)에 대응하는 콜리메이팅 렌즈(24)를 용이하게 교체할 수 있다.
본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템은 상기 진단 스트립(12)의 상부에 빛반사를 차단하는 블랙아웃 쉬트(black-out sheet)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템은 상기 경통과 이격되어 배치되고, 상기 형광필터에 투과하는 광원을 사용하여 상기 진단 스트립(12)에 조명 역할을 하는 초점확인용 광원을 더 포함한다. 상기 초점확인용 광원은 스트립에 조명 역할을 하여 이미지센서(40)의 광학계가 정확한 초점을 잡도록 하는데 도움을 준다.
본 발명의 다른 실시 양태로서, 광학계는 광부품들을 고정할 수 있는 경통 및 기구로 제작되여 광학부 외관을 형성할 수 있고, 광학부 외관은 형광광학계모듈, 광원모듈, 스트립 삽입부 모듈로 구성되어 통합하는 것도 가능하다. 상기 광학부 몸체에는 형광광학계의 대물렌즈 위치를 조절할 수 있는 스크류를 외부에서 돌릴 수 있도록 조절용 홀을 구비할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료에서의 광균일성이 향상된 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 종래의 경우 진단 스트립 모듈(10)의 일 측면에만 광원이 구비되어 조사되기 때문에 광세기에 편차가 발생되는 구조이나, 본 발명의 경우 2개의 광원부(22)가 진단 스트립 모듈(10)의 길이 방향으로 양측에 위치하여 동일한 광원으로 양측에서 동일한 광세기로 조사하여 광세기 편차를 제거할 수 있으므로 광균일성을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 조건의 광원 밝기에서 각각 두 개의 이미지를 만든 후 보정하여 이미지를 분석하는데 사용된 신호 출력 결과 그래프이다. 도 7을 참조하면, 본 발명은 두 조건의 광원 밝기에서 각각 두 개의 이미지를 만든 후 보정하여 이미지를 분석한다. 즉, 컨트롤 영역은 빨리 포화되나 동일한 밝기에서 테스트 영역은 더 밝은 광원이 더 높은 신호를 출력한다. 이를 이용하여 컨트롤 영역에 최적 조건의 밝기와 테스트 영역에 최적 조건의 밝기에서 각각 이미지를 취해 추후 보정하는 방법으로 측정 다이내믹 레인지(dynamic range)를 확대할 수 있다.
본 발명의 이러한 이미지 분석 프로그램 동작 알고리즘 및 동작별 이미지 처리 결과에 대하여 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8을 참조하면, 3장의 사진을 연속해서 촬영하여 얻게 되며 이를 원하는 윈도우 영역으로 잘라서(crop) 불필요한 부분을 제거하여 이미지 처리 부담을 줄이고 이를 그레이(grey) 정보로 전환하여 머지(merge)하여 한 장의 이미지로 제작한다. LFA 스트립 상에서 바이러스 검출 면역반응이 일어나 형광신호가 도출되는 라인의 위치를 자동적으로 분석해내는 소벨(Sobel) 알고리즘으로 이미지의 픽셀간 대조비가 큰 외곽선처리를 하여 분석 위치를 알아낸다. 대조(컨트롤) 영역은 형광신호의 크기가 크기 때문에 대조비가 분석하기 용이할 정도로 이미지가 뚜렷하게 구현되므로 이의 위치를 기반으로 실제 시험(테스트) 영역의 위치를 알 수 있게 된다. 시험 영역은 매우 신호가 낮으므로 LFA 스트립 제조시 대조/시험 라인 사이의 물리적 간격 정보를 이미지 분석시 활용하여 분석한다. LFA 스트립 제조시 두 라인 사이의 간격은 일정하게 제조할 수 있다. 대조 및 시험 라인 두 영역 상의 형광신호값의 비를 연산하여 기 입력된 검정값인 정량커브 데이터와 비교하여 타겟 물질의 농도로 환산할 수 있다.
이를 통해 본 발명은 분석 영역의 명암비를 자동분석하여 검출영역에서 2개 이상의 라인 위치를 자동으로 인지할 수 있다. 즉, 대조(control) 영역과 시험(test) 영역이 있을 경우 대조 영역의 측정값으로부터 시험 영역의 위치를 자동 인지할 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지센서 게인(gain)에 따른 극미량 농도의 측정 결과이다. 도 9를 참조하면, 이미지센서(40)의 게인은 커질수록 신호는 높아지나 노이즈 신호도 커지기 때문에 20x 수준으로 낮게 하는 것이 유리하다. 즉, 이미지센서의 게인을 키우기 보다는 TRF 측정을 위한 광원의 밝기를 키워 형광 신호 크기를 키우는 방식이 높은 S/N 특성을 갖는 측정 결과를 얻을 수 있다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
진단 스트립 모듈: 10
진단 스트립: 12
진단 스트립 본체: 14
광원 모듈: 20
광원부: 22
콜리메이팅 렌즈: 24
형광광학계 모듈: 30
초점조절 스크류: 36
이미지센서: 40
진단 스트립: 12
진단 스트립 본체: 14
광원 모듈: 20
광원부: 22
콜리메이팅 렌즈: 24
형광광학계 모듈: 30
초점조절 스크류: 36
이미지센서: 40
Claims (12)
- 진단 스트립(12) 및 진단 스트립 본체(14)를 포함하여 구성되는 진단 스트립 모듈(10);
상기 진단 스트립 모듈(10)의 길이 방향으로 양측에 위치하여 상기 진단 스트립(12)에 광을 조사하는 2 이상의 광원을 구비하는 광원부(22);
상기 광원부(22)에서 출력되는 광을 평행광으로 만드는 상기 2 이상의 광원부(22)에 대응하는 2 이상의 콜리메이팅 렌즈(24);
상기 진단 스트립 모듈(10)의 상부에 배치되고, 상기 진단 스트립(12)상의 측정시료 내의 형광물질이 여기되어 발생되는 광을 집광하는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈로부터 투과된 광의 소정의 파장대역만 선택적으로 투과하는 형광필터를 포함하는 형광광학계 모듈(30);
상기 형광광학계 모듈(30)의 상부에 배치되고, 상기 형광광학계 모듈(30)로부터 투과한 광으로부터 이미지를 획득하는 이미지센서;및
상기 광원부(22)의 온 또는 오프 트리거(off trigger) 신호에 맞춰 설정된 지연시간과 노출시간에 맞게 카메라가 동작하도록 상기 광원과 카메라의 동작을 제어하고, 상기 설정된 노출시간 동안 이미지 정보를 취득하도록 제어하는 프로세서를 구비하는 제어부;
를 포함하고,
상기 프로세서는 대조(control) 영역과 적어도 하나 이상의 시험(test) 영역을 포함하는 상기 진단 스트립(12)의 대조(control) 영역과 시험(test) 영역의 형광 신호세기를 분석하고, 상기 대조 영역의 형광 신호세기가 상대적으로 높고 상기 시험 영역의 형광 신호세기가 상대적으로 낮을 경우, 대조 영역 측정시 광원의 밝기를 상대적으로 낮게 설정하고, 시험 영역 측정시 광원의 밝기를 상대적으로 높게 설정하고,
상기 진단 스트립은 상기 대조(control) 영역 라인과 적어도 하나 이상의 시험(test) 영역 라인 사이의 물리적 간격이 일정하여 상기 대조 영역의 형광 측정값으로부터 적어도 하나 이상의 시험 영역의 위치가 자동 인지되는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 대물렌즈 및 형광필터는 동일한 경통에 설치되고,
상기 경통은 상기 경통의 하단부에 구비된 초점조절 스크류(36)에 의해 높이 조절이 되는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 경통과 이격되어 배치되고, 상기 형광필터에 투과하는 광원을 사용하여 상기 진단 스트립(12)에 조명 역할을 하는 초점확인용 광원;
을 더 포함하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 삭제
- 제2항에 있어서,
상기 진단 스트립 모듈(10), 광원부(22), 콜리메이팅 렌즈(24), 형광광학계 모듈(30), 이미지센서 및 제어부를 내부에 구비하는 케이스;를 더 포함하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 케이스의 상측부에 입력부 및 디스플레이부를 더 포함하고,
상기 프로세서는 하나 이상의 그래픽 유저 인터페이스(Graphic User Interface; GUI) 객체들을 상기 디스플레이부에 출력하고, 상기 GUI에 설정값을 입력하여 제어하는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 초점조절 스크류(36)는 외주면이 톱니 형상으로 이루어지고,
상기 케이스는 일 측면에 초점조절용 홀을 구비하며, 상기 홀의 일측면에 상기 초점조절 스크류(36)가 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 광원부(22) 및 상기 광원부(22)에 대응하는 콜리메이팅 렌즈(24)는 상기 케이스의 일측단에 탈착 가능하도록 구비되어, 상기 진단 스트립(12)상의 측정시료 내의 형광물질의 흡광 특성에 대응하여 교체될 수 있는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 진단 스트립(12)의 상부에 빛반사를 차단하는 블랙아웃 쉬트(black-out sheet)를 더 포함하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 진단 스트립(12)은 측방유동 분석에 사용되는 스트립인 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 형광물질이 유로퓸(Europium)인 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 형광물질이 유로퓸(Europium)일 경우, 광원은 파장이 340nm~360nm 영역의 LED 광원을 사용하고, 형광필터는 620nm를 통과시키는 필터를 사용하는 것을 특징으로 하는 이미지센서를 이용한 시간제어측정 형광 리더기 시스템.
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