KR102461187B1 - 라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법 - Google Patents

라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 라만 프로브는, 샘플에 조사되는 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치, 광원부 초점 중 적어도 하나를 조절할 수 있도록 구성되고 상기 샘플에 광을 조사하는 광원부와, 라만 측정의 관측 시야(field of view) 및 집광부 초점을 조절할 수 있도록 구성되고, 상기 샘플로부터의 라만 산란광을 수집하는 집광부와, 상기 수집된 라만 산란광을 수신하는 광 검출부를 포함하고, 상기 광원부는 상기 광이 원하는 위치에 조사될 수 있도록 회전 가능하도록 구성된 반사 거울을 포함할 수 있다.

Description

라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법{Raman probe, Raman spectrum obtaining apparatus, Raman spectrum obtaining method and target material distribution probing method using raman probe}
라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법과 관련된다.
라만 분광분석법과 같은 분광학적 분석 기술 기반의 비침습 혈당 센서는 잦은 채혈을 필요로 하는 당뇨병 환자 또는 대사질환 위험군의 편의를 증진시킬 수 있다. 특히, 위와 같은 비침습 분석 기술은 개인별 피부 스펙트럼으로부터 진피층에 존재하는 간질액 분석을 통해 혈중성분의 신호 예측에 활용될 수 있다. 그러나, 취득되는 피부 스펙트럼은 입사광 경로(예컨대, 각질, 표피층, 및 진피층 등)를 통과하는 생체분자(예컨대, 지질, 단백질 등)의 신호와 혼재되므로, 표적 물질(예컨대, 글루코스)의 신호에 대비하여 배경 잡음이 매우 크다.
라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 라만 프로브는, 샘플에 조사되는 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치, 광원부 초점 중 적어도 하나를 조절할 수 있도록 구성되고 상기 샘플에 광을 조사하는 광원부와, 라만 측정의 관측 시야(field of view) 및 집광부 초점을 조절할 수 있도록 구성되고, 상기 샘플로부터의 라만 산란광을 수집하는 집광부와, 상기 수집된 라만 산란광을 수신하는 광 검출부를 포함하고, 상기 광원부는 상기 광이 원하는 위치에 조사될 수 있도록 회전 가능하도록 구성된 반사 거울; 을 포함할 수 있다.
상기 광원부는, 전후, 좌우, 상하로 이동하거나 회전할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 광원부는, 소정 파장의 광을 조사하는 광원 및 상기 광원에서 조사된 광 중에서 특정 파장의 광을 선택하기 위한 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 광원부는, 상기 집광부의 측면에 형성될 수 있다.
상기 집광부는, 상하로 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
라만 프로브는, 상기 광원부를 이동 또는 회전시키거나, 상기 집광부를 이동시키는 액츄에이터를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른, 샘플에 조사되는 광의 입사각 및 상기 광의 조사점 위치를 조절할 수 있는 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법은, 샘플에 조사되는 광의 입사각 및 상기 광의 조사점 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계와, 샘플의 라만 스펙트럼을 획득하는 단계와, 상기 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계와, 상기 유사도 판단 결과를 기반으로 상기 샘플에 조사되는 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치, 및 라만 스펙트럼을 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 조절하는 단계는, 상기 라만 프로브의 광원부를 상하, 좌우, 전후로 이동시키거나 상기 광원부를 회전시켜 상기 광의 입사각 및 상기 광의 조사점의 위치 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
상기 판단하는 단계는, 유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 중 하나를 이용하여 상기 유사도를 판단할 수 있다.
상기 저장하는 단계는, 상기 유사도가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 상기 샘플에 조사되는 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치, 및 라만 스펙트럼을 저장할 수 있다.
라만 스펙트럼 획득 방법은, 상기 유사도가 소정의 임계값 이하인 경우, 상기 조절하는 단계, 상기 획득하는 단계, 및 상기 판단하는 단계를 반복 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 양상에 따른, 광원부에서 샘플에 조사되는 광의 입사각, 광원부 초점, 집광부의 관측 시야(field of view) 및 집광부 초점을 조절할 수 있는 라만 프로브를 이용한 표적 물질 분포 탐지 방법은, 집광부 초점을 샘플 표면에 설정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 1차 획득하는 단계와, 집광부의 관측 시야를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 2차 획득하는 단계와, 상기 1차 획득된 라만 스펙트럼 및 상기 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계와, 상기 유사도 판단 결과를 기반으로 광원부 및 집광부의 위치 정보와 2차 획득된 라만 스펙트럼을 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 샘플의 라만 스펙트럼을 1차 획득하는 단계는, 상기 집광부를 상하로 이동시켜 상기 집광부 초점을 샘플 표면에 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 샘플의 라만 스펙트럼을 2차 획득하는 단계는, 상기 집광부를 상하로 이동시켜 집광부의 관측 시야를 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유사도를 판단하는 단계는, 유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 중 하나를 이용하여 상기 유사도를 판단할 수 있다.
상기 광원부 및 집광부의 위치 정보와 2차 획득된 라만 스펙트럼을 저장하는 단계는, 상기 유사도가 소정의 임계값 이하이면 상기 광원부 및 집광부의 위치 정보와 2차 획득된 라만 스펙트럼을 저장할 수 있다.
표적 물질 분포 탐지 방법은, 상기 유사도가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 광원부 초점과 집광부 초점이 동일한지 여부를 판단하는 단계와, 광원부 초점과 집광부 초점이 동일하면 광원부 초점을 조절하여 상기 샘플의 라만 스펙트럼을 1차 획득하는 단계, 상기 샘플의 라만 스펙트럼을 2차 획득하는 단계, 상기 1차 획득된 라만 스펙트럼 및 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계, 광원부 초점과 집광부 초점이 동일한지 여부를 판단하는 단계를 반복 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
표적 물질 분포 탐지 방법은, 상기 광원부 초점과 집광부 초점이 동일하지 않으면, 상기 집광부의 관측 시야를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 3차 획득하는 단계와, 상기 2차 획득된 라만 스펙트럼 및 상기 3차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계와, 상기 유사도 판단 결과를 기반으로 광원부 및 집광부의 위치 정보와 3차 획득된 라만 스펙트럼을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
광원부와 집광부의 배치를 독립적으로 조절 가능하도록 구성된 라만 프로브를 이용함으로써, 측정 대상 및 방법에 따라 최적화된 광원부 및 집광부의 구성이 가능하고, 집광부의 관측 시야 내에서 포착되는 라만 산란광을 증가시킬 수 있다. 또한, 배경 잡음을 저감할 수 있어 신호대잡음비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 라만 프로브의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 2는 라만 프로브의 구조의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 라만 프로브의 구조의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 라만 프로브의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 5는 라만 스펙트럼 획득 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 6은 라만 스펙트럼 획득 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 7은 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 8은 라만 프로브를 이용한 표적 물질 분포 탐색 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
한편, 각 단계들에 있어, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 수행될 수 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '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.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 각 구성부는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 라만 프로브의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 라만 프로브(100)는 광원부(110), 집광부(120) 및 광 검출부(130)를 포함할 수 있다.
광원부(110)는 샘플에 광을 조사할 수 있다. 이를 위해 광원부(110)는 적어도 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원은 소정 파장의 광, 예컨대, 가시광성 또는 적외선을 샘플에 조사할 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며 측정 목적이나 분석 대상 등에 따라 광원으로부터 조사되는 광의 파장은 달라질 수 있다. 그리고 각 광원은 반드시 단일의 발광체로 구성될 필요는 없으며, 다수의 발광체의 집합으로 구성될 수도 있다. 각 광원이 다수의 발광체의 집합으로 구성되는 경우, 다수의 발광체는 측정 목적에 적합하도록 서로 다른 파장의 광을 방출할 수도 있고 모두 동일한 파장의 광을 방출할 수도 있다. 일 실시예에 따르면 광원은 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode) 등으로 형성될 수 있으나 이는 일 실시예에 불과할 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 광원부(110)는 특정 파장의 광을 선택하기 위한 필터(예컨대, long pass filter, clean up filter, bandpass filter 등) 및/또는 조사된 광이 샘플의 원하는 위치를 향하도록 하는 광학 요소(예컨대, 반사 거울 등)를 더 포함할 수 있다.
광원부(110)는 샘플에 조사되는 광의 입사각, 조사점 위치, 광원부 초점 중 적어도 하나를 조정할 수 있도록 구성될 수 있다. 예컨대, 광원부(110)는 광원부(110) 또는 광원부(110)의 구성요소(예컨대, 광원, 반사 거울 등)가 상하, 좌우, 전후로 이동하거나 회전이 가능하도록 구성될 수 있다.
집광부(120)는 샘플로부터의 라만 산란광을 수집할 수 있다. 이를 위해 집광부(120)는 필터(예컨대, 롱패스 필터(long pass filter), 클린업 필터(clean up filter) 등), 렌즈(예컨대, 평행화 렌즈(collimating lens), 포커싱 렌즈(focusing lens) 등), 파이버(fiber), 도파관, grating 등을 포함할 수 있다.
집광부(120)는 라만 측정의 관측 시야(field of view), 집광부 초점을 조절 가능하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 집광부(120)는 집광부(120) 또는 집광부(120)의 구성요소(예컨대, 필터, 렌즈 등)가 상하 이동이 가능하도록 구성될 수 있다.
광 검출부(130)는 집광부(120)에서 수집된 라만 산란광을 수신할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출부(130)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor, PTr) 또는 전자 결합 소자(charge-coupled device, CCD)등을 포함할 수 있다. 광 검출부(130)는 반드시 하나의 소자로 구성될 필요는 없으며, 다수의 소자들이 모여 어레이 형태로 구성될 수도 있다.
도 2는 라만 프로브의 구조의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 2의 라만 프로브(200)는 도 1의 라만 프로브(100)의 일 실시예일 수 있다.
도 2를 참조하면, 라만 프로브(200)는 단일의 광원부(110), 집광부(120) 및 광 검출부(130)를 포함할 수 있다.
단일의 광원부(110)는 집광부(120)의 옆에서 비스듬하게 광을 샘플에 조사하도록 구현될 수 있다.
광원부(110)는 광원(111), 클린업 필터(clean up filter)(112) 및 반사 거울(113)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면 광원(111), 클린업 필터(112) 및 반사 거울(113)은 각각 상하, 좌우, 전후로 이동하거나, 회전할 수 있도록 구현될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 광원부(110) 전체가 상하, 좌우, 전후로 이동하거나 회전할 수 있도록 구현될 수도 있다.
집광부(120)는 평행화 렌즈(collimating lens)(121), 롱패스 필터(long pass filter)(122), 포커싱 렌즈(focusing lens)(123) 및 파이버(124)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 평행화 렌즈(collimating lens)(121), 롱패스 필터(long pass filter)(122), 포커싱 렌즈(focusing lens)(123) 및 파이버(124)는 각각 상하로 이동할 수 있도록 구현될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 집광부(120) 전체가 상하로 이동할 수 있도록 구현될 수도 있다.
도 3은 라만 프로브의 구조의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 3의 라만 프로브(300)는 도 1의 라만 프로브(100)의 다른 실시예일 수 있다.
도 3을 참조하면, 라만 프로브(200)는 복수의 광원부(110), 집광부(120) 및 광 검출부(130)를 포함할 수 있다. 여기서, 광원부(110), 집광부(120) 및 광 검출부(130)는 도 1 및 도 2를 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3의 예에서 복수의 광원부(110)는 집광부(120)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 집광부(120)의 옆에서 비스듬하게 광을 샘플에 조사하도록 구현될 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3의 라만 프로브는 도 1의 라만 프로브(100)의 일 실시예에 불과하다. 즉, 광원부(110) 및 집광부(120)의 구성은 도 2 및 도 3에 도시된 예에 한정되는 것은 아니다.
도 4는 라만 프로브의 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 라만 프로브(400)는 광원부(110), 집광부(120), 광 검출부(130) 및 액츄에이터(210)를 포함할 수 있다. 여기서, 광원부(110), 집광부(120), 광 검출부(130)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
액츄에이터(210)는 소정의 제어 신호에 따라 광원부(110) 및 집광부(120)를 이동 또는 회전 시킬 수 있다. 예컨대, 액츄에이터(210)는 소정의 제어 신호에 따라 광원부(110)를 상하, 좌우, 전후로 이동시키거나, 회전시킬 수 있다. 또한, 액츄에이터(210)는 소정의 제어 신호에 따라 집광부(120)를 상하로 이동시킬 수 있다.
도 5는 라만 스펙트럼 획득 장치의 일 실시예를 도시한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 라만 프로브(100) 및 프로세서(520)를 포함할 수 있다. 여기서, 라만 프로브(100)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
프로세서(520)는 라만 스펙트럼 획득 장치(500)의 전반적인 동작을 제어하고, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)의 동작과 관련된 각종 신호를 처리할 수 있다.
프로세서(520)는 라만 프로브(100)에서 수신된 라만 산란광을 기반으로 샘플의 라만 스펙트럼을 획득할 수 있다.
프로세서(520)는 라만 프로브(100)를 제어하여 표적 물질을 측정하기 위한 최적의 라만 프로브 파라미터를 결정하고, 이를 통해 최적의 라만 스펙트럼을 획득할 수 있다. 이때, 라만 프로브 파라미터는 광원부 파라미터 및 집광부 파라미터를 포함할 수 있고, 광원부 파라미터는 광원부 또는 광원부 구성요소들의 위치 및 각도, 광원부에서 조사되는 광의 입사각 및 조사점 위치, 광원부 초점등을 포함할 수 있고, 집광부 파라미터는 집광부 또는 집광부 구성요소들의 위치, 집광부의 관측 시야(field of view), 집광부 초점 등을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(520)는 라만 프로브 파라미터를 조절해가며 라만 스펙트럼을 획득하고, 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도를 기반으로 표적 물질 측정을 위한 최적의 라만 프로브 파라미터를 결정할 수 있다. 예컨대, 프로세서(520)는 라만 프로브(100)를 제어하여 광원부 파라미터(예컨대, 샘플에 조사되는 광의 입사각 및/또는 조사점 위치 등)를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 획득하고, 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼과 비교하여 유사도를 판단할 수 있다. 이때, 프로세서(520)는 유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 등을 포함하는 다양한 유사도 산출 알고리즘을 이용할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값을 초과하면 그때의 라만 프로브(100)의 파라미터(예컨대, 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치)를 최적의 라만 프로브 파라미터로 결정할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값 이하이면, 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값을 초과할 때까지 광원부 파라미터 조정 및 라만 스펙트럼 획득을 반복 수행할 수 있다.
프로세서(520)는 광원부 파라미터(예컨대, 광원부 또는 광원부 구성요소들의 위치 및 각도, 광원부 초점 등)을 조절함으로써 광원에서 조사되는 광의 집속 심도(focusing depth)를 조절할 수 있으며, 이를 통해 다양한 심도에 대한 라만 스펙트럼을 측정할 수 있다. 예컨대, 프로세서(520)는 광원부 또는 광원부 구성요소들을 샘플에 수직하는 방향(Z-축 방향)으로 이동시켜가며 라만 스펙트럼을 측정함으로써 다양한 심도에 대한 라만 스펙트럼을 측정할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 다양한 심도에서 측정된 라만 스펙트럼을 분석하여 체내 성분의 농도를 추정할 수 있다. 이때 체내 성분은 포도당(glucose), 중성지방(triglyceride), 요소(urea), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 단백질(protein), 콜레스테롤(cholesterol) 또는 에탄올(ethanol) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 일 실시예에 따른 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 시료의 다양한 심도에 대한 라만 스펙트럼을 측정하여 분석함으로써 시료의 체내 성분의 농도를 보다 정밀하게 추정할 수 있다.
프로세서(520)는 라만 프로브(100)를 제어하여 표적 물질의 분포를 탐색할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(520)는 광원부의 위치 및 초점, 집광부의 위치, 초점 및 관측 시야를 조절해가며 샘플의 라만 스펙트럼을 획득함으로써 표적 물질의 분포를 탐색할 수 있다. 예컨대, 프로세서(520)는 라만 프로브(100)를 제어하여 광원부의 초점은 샘플의 표면 아래 소정 영역에, 집광부의 초점은 샘플의 표면에 각각 위치시켜 라만 스펙트럼을 1차 획득하고, 집광부의 관측 시야(field of view)를 조정하여 라만 스펙트럼을 2차 획득할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 1차 획득된 라만 스펙트럼과 2차 획득된 라만 스펙트럼을 비교하여 유사도를 판단할 수 있다. 이때, 프로세서(520)는 유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 등을 포함하는 유사도 산출 알고리즘을 이용할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 1차 획득된 라만 스펙트럼과 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값 이하이면 표적 물질의 분포 탐색을 종료하고 그때의 라만 프로브 파라미터(예컨대, 광원부와 집광부의 위치) 및 2차 획득된 라만 스펙트럼을 저장할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 1차 획득된 라만 스펙트럼과 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값을 초과하면, 광원부와 집광부의 초점이 동일한지 여부를 판단하고 동일하면, 광원부 초점을 조절하여 전술한 샘플의 라만 스펙트럼 1차 획득, 샘플의 라만 스펙트럼 2차 획득, 1차 획득된 라만 스펙트럼 및 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도 판단, 및 광원부 초점과 집광부 초점이 동일한지 여부 판단을 반복 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(520)는 광원부와 집광부의 초점이 동일하지 않으면 집광부의 관측 시야를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 3차 획득하고, 2차 획득된 라만 스펙트럼 및 3차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하여, 유사도 판단 결과에 따라 상술한 과정을 반복 수행할 수 있다.
한편, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 라만 스펙트럼 획득 과정에서 광원부에서 조사되는 광과 집광부에서 수집되는 라만 산란광 간에 간섭 발생 여부를 판단하고, 간섭이 발생한다고 판단되면 간섭이 발생하지 않도록 광원부 파라미터(예, 광의 입사각)를 조절할 수 있다.
도 6은 라만 스펙트럼 획득 장치의 다른 실시예를 도시한 블록도이다. 도 6을 참조하면, 라만 스펙트럼 획득 장치(600)는 라만 프로브(100), 프로세서(520), 입력부(610), 저장부(620), 통신부(630) 및 출력부(640)를 포함할 수 있다. 여기서, 라만 프로브(100) 및 프로세서(520) 도 1 내지 도 5를 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력부(610)는 사용자로부터 다양한 조작신호를 입력 받을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력부(610)는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(touch pad)(정압/정전), 조그 휠(Jog wheel), 조그 스위치(Jog switch), H/W 버튼 등을 포함할 수 있다. 특히, 터치 패드가 디스플레이와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치 스크린이라 부를 수 있다.
저장부(620)는 라만 스펙트럼 획득 장치(600)의 동작을 위한 프로그램 또는 명령들을 저장할 수 있고, 라만 스펙트럼 획득 장치(600)에 입력되는 데이터 및 라만 스펙트럼 획득 장치(600)로부터 출력되는 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(620)는 프로세서(520)에서 결정된 라만 프로브 파라미터, 획득된 라만 스펙트럼 등을 저장할 수 있다.
저장부(620)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 라만 스펙트럼 획득 장치(600)는 인터넷 상에서 저장부(620)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 등 외부 저장 매체를 운영할 수도 있다.
통신부(630)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(630)는 입력부(610)를 통해 사용자로부터 입력된 데이터, 프로세서(520)에서 결정된 라만 프로브 파라미터, 획득된 라만 스펙트럼 등을 외부 장치로 전송하거나, 외부 장치로부터 라만 프로브 파라미터 판단 및 라만 스펙트럼 획득에 도움이 되는 다양한 데이터를 수신할 수 있다.
이때, 외부 장치는 입력부(610)를 통해 입력부(610)를 통해 사용자로부터 입력된 데이터, 프로세서(520)에서 결정된 라만 프로브 파라미터, 획득된 라만 스펙트럼 등을 사용하는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(630)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(640)는 입력부(610)를 통해 사용자로부터 입력된 데이터, 프로세서(520)에서 결정된 라만 프로브 파라미터, 획득된 라만 스펙트럼 등을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력부(640)는 입력부(610)를 통해 사용자로부터 입력된 데이터, 프로세서(520)에서 결정된 라만 프로브 파라미터, 획득된 라만 스펙트럼 등을 청각적 방법, 시각적 방법 및 촉각적 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력할 수 있다. 이를 위해 출력부(640)는 디스플레이, 스피커, 진동기 등을 포함할 수 있다.
도 7은 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다. 도 7의 라만 스펙트럼 획득 방법은 도 5의 라만 스펙트럼 획득 장치(500)에 의해 수행될 수 있다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 광원부 파라미터(예컨대, 샘플에 조사되는 광의 입사각 및/또는 조사점 위치 등)를 조절하고(710) 샘플의 라만 스펙트럼을 획득할 수 있다(720). 예컨대, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 라만 프로브의 광원부를 상하, 좌우, 전후로 이동시키거나 광원부를 회전시켜 광원부 파라미터를 조절할 수 있다.
라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼과 비교하여 유사도를 판단할 수 있다(730). 이때, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 등을 포함하는 다양한 유사도 산출 알고리즘을 이용할 수 있다.
라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값을 초과하면(740) 그때의 광원부 파라미터(예컨대, 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치)를 최적의 라만 프로브 파라미터로 결정하고 광원부 파라미터 및 라만 스펙트럼을 저장할 수 있다(750).
한편, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 획득된 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값 이하이면(740), 단계 710으로 돌아가 광원부 파라미터를 조절할 수 있다.
도 8은 라만 프로브를 이용한 표적 물질 분포 탐색 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다. 도 8의 표적 물질 분포 탐색 방법은 도 5의 라만 스펙트럼 획득 장치(500)에 의해 수행될 수 있다.
도 5 및 도 8을 참조하면, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 광원부의 초점을 샘플의 표면 아래 소정 영역으로 설정하고(805), 집광부의 초점을 샘플의 표면에 설정하여(810) 라만 스펙트럼을 1차 획득할 수 있다(815). 예컨대, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 광원부를 상하로 이동시켜 광원부의 초점을 샘플의 표면 아래 소정 영역으로 설정하고, 집광부를 상하로 이동시켜 집광부의 초점을 샘플의 표면에 설정할 수 있다.
라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 집광부의 관측 시야(field of view)를 조정하여(820) 라만 스펙트럼을 2차 획득할 수 있다(825). 예컨대, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 집광부를 상하로 이동시켜 집광부의 관측 시야를 조정할 수 있다.
라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 1차 획득된 라만 스펙트럼과 2차 획득된 라만 스펙트럼을 비교하여 유사도를 판단할 수 있다(830). 이때, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 등을 포함하는 유사도 산출 알고리즘을 이용할 수 있다.
라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 1차 획득된 라만 스펙트럼과 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값 이하이면(835) 표적 물질의 분포 탐색을 종료하고 그때의 라만 프로브 파라미터(예컨대, 광원부와 집광부의 위치) 및 2차 획득된 라만 스펙트럼을 저장할 수 있다(840).
한편, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 1차 획득된 라만 스펙트럼과 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도가 소정의 임계값을 초과하면(835), 광원부와 집광부의 초점이 동일한지 여부를 판단하고(845), 동일하면 광원부 파라미터(예, 광원부 초점)을 조절하고 단계 810으로 돌아가 집광부의 초점을 샘플의 표면에 설정한다.
또한, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 단계 845의 판단 결과 광원부와 집광부의 초점이 동일하지 않으면 단계 820으로 돌아가 집광부의 관측 시야를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 3차 획득하고(825), 2차 획득된 라만 스펙트럼 및 3차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단할 수 있다(830).
한편, 라만 스펙트럼 획득 장치(500)는 라만 스펙트럼 획득 과정(815, 825)에서 광원부에서 조사되는 광과 집광부에서 수집되는 라만 산란광 간에 간섭 발생 여부를 판단하고, 간섭이 발생한다고 판단되면 간섭이 발생하지 않도록 광원부 파라미터(예, 광의 입사각)를 조절할 수 있다.
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: 라만 프로브
110: 광원부
120: 집광부
130: 광 검출부

Claims (18)

  1. 샘플에 조사되는 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치, 광원부 초점 중 적어도 하나를 조절할 수 있도록 구성되고 상기 샘플에 광을 조사하는 복수의 광원부;
    라만 측정의 관측 시야(field of view) 및 집광부 초점을 조절할 수 있도록 구성되고, 상기 샘플로부터의 라만 산란광을 수집하는 집광부; 및
    상기 수집된 라만 산란광을 수신하는 광 검출부; 를 포함하고,
    상기 광원부는 상기 광이 원하는 위치에 조사될 수 있도록 회전 가능하도록 구성된 반사 거울; 을 포함하고,
    상기 복수의 광원부는 상기 집광부의 주위를 둘러싸도록 배치되어 상기 집광부의 옆에서 비스듬하게 광을 상기 샘플에 조사하고,
    상기 집광부는 상하로 이동할 수 있도록 구성되는,
    라만 프로브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    전후, 좌우, 상하로 이동하거나 회전할 수 있도록 구성되는,
    라만 프로브.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는,
    소정 파장의 광을 조사하는 광원; 및
    상기 광원에서 조사된 광 중에서 특정 파장의 광을 선택하기 위한 필터; 를 더 포함하는,
    라만 프로브.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원부를 이동 또는 회전시키거나, 상기 집광부를 이동시키는 액츄에이터; 를 더 포함하는,
    라만 프로브.
  7. 샘플에 조사되는 광의 입사각 및 상기 광의 조사점 위치를 조절할 수 있는 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법에 있어서,
    샘플에 조사되는 광의 입사각 및 상기 광의 조사점 위치 중 적어도 하나를 조절하는 단계;
    샘플의 라만 스펙트럼을 획득하는 단계;
    상기 라만 스펙트럼과 기 저장된 표적 물질 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계;
    상기 유사도가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 상기 샘플에 조사되는 광의 입사각, 상기 광의 조사점 위치, 및 라만 스펙트럼을 저장하는 단계; 를 포함하는,
    라만 스펙트럼 획득 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 조절하는 단계는,
    상기 라만 프로브의 광원부를 상하, 좌우, 전후로 이동시키거나 상기 광원부를 회전시켜 상기 광의 입사각 및 상기 광의 조사점의 위치 중 적어도 하나를 조절하는,
    라만 스펙트럼 획득 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 판단하는 단계는,
    유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 중 하나를 이용하여 상기 유사도를 판단하는,
    라만 스펙트럼 획득 방법.
  10. 삭제
  11. 제7항에 있어서,
    상기 유사도가 소정의 임계값 이하인 경우, 상기 조절하는 단계, 상기 획득하는 단계, 및 상기 판단하는 단계를 반복 수행하는 단계; 를 더 포함하는,
    라만 스펙트럼 획득 방법.
  12. 광원부에서 샘플에 조사되는 광의 입사각, 광원부 초점, 집광부의 관측 시야(field of view) 및 집광부 초점을 조절할 수 있는 라만 프로브를 이용한 표적 물질 분포 탐지 방법에 있어서,
    집광부 초점을 샘플 표면에 설정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 1차 획득하는 단계;
    집광부의 관측 시야를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 2차 획득하는 단계;
    상기 1차 획득된 라만 스펙트럼 및 상기 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계; 및
    상기 유사도가 소정의 임계값 이하이면, 광원부 및 집광부의 위치 정보와 2차 획득된 라만 스펙트럼을 저장하는 단계; 를 포함하는,
    표적 물질 분포 탐지 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 샘플의 라만 스펙트럼을 1차 획득하는 단계는,
    상기 집광부를 상하로 이동시켜 상기 집광부 초점을 샘플 표면에 설정하는 단계; 를 포함하는,
    표적 물질 분포 탐지 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 샘플의 라만 스펙트럼을 2차 획득하는 단계는,
    상기 집광부를 상하로 이동시켜 집광부의 관측 시야를 조정하는 단계; 를 포함하는,
    표적 물질 분포 탐지 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 유사도를 판단하는 단계는,
    유클리드 거리(Euclidean distance), 맨하탄 거리(Manhattan Distance), 코사인 거리(Cosine Distance), 마할라노비스 거리 (Mahalanobis Distance), 자카드 계수(Jaccard Coefficient), 확장 자카드 계수(Extended Jaccard Coefficient), 피어슨 상관관계 계수(Pearson's Correlation Coefficient), 스피어만 상관관계 계수(Spearman's Correlation Coefficient) 중 하나를 이용하여 상기 유사도를 판단하는,
    표적 물질 분포 탐지 방법.
  16. 삭제
  17. 제12항에 있어서,
    상기 유사도가 소정의 임계값을 초과하는 경우, 광원부 초점과 집광부 초점이 동일한지 여부를 판단하는 단계; 및
    광원부 초점과 집광부 초점이 동일하면 광원부 초점을 조절하여 상기 샘플의 라만 스펙트럼을 1차 획득하는 단계, 상기 샘플의 라만 스펙트럼을 2차 획득하는 단계, 상기 1차 획득된 라만 스펙트럼 및 2차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계, 광원부 초점과 집광부 초점이 동일한지 여부를 판단하는 단계를 반복 수행하는 단계; 를 더 포함하는,
    표적 물질 분포 탐지 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 광원부 초점과 집광부 초점이 동일하지 않으면, 상기 집광부의 관측 시야를 조정하여 샘플의 라만 스펙트럼을 3차 획득하는 단계;
    상기 2차 획득된 라만 스펙트럼 및 상기 3차 획득된 라만 스펙트럼의 유사도를 판단하는 단계; 및
    상기 유사도 판단 결과를 기반으로 광원부 및 집광부의 위치 정보와 3차 획득된 라만 스펙트럼을 저장하는 단계; 를 더 포함하는,
    표적 물질 분포 탐지 방법.
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