KR102543482B1 - 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템 및 이를 이용한 미세조류 유세포분석 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 시료를 전달받아 트랙홈에 저장시키는 디스크와, 상기 디스크를 회전연동 시키는 구동수단을 포함하는 턴테이블장치; 상기 디스크의 트랙홈에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 촬영모듈과, 상기 촬영모듈을 직선연동 시키는 제 2구동수단을 포함하는 이미징장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템에 관한 것이다.

Description

미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템 및 이를 이용한 미세조류 유세포분석 방법{TURNTABLE SYSTEM for FLOW CYTOMETRY of MICROALGAE and METHOD for FLOW CYTOMETRY of MICROALGAE USING the same}

본 발명은 미세조류의 종류 및 양을 도출하기 위한 시료이미지를 다량으로 확보가 가능하면서 동시에 고해상도의 이미지 데이터의 획득이 가능한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

지구 온난화로 인한 수온 상승, 하천개발에 의한 유속감소, 오염수 방류에 의한 과도한 영양화 등으로 인해 남세균(Cyanobacteria) 양이 급속히 증가하고 있으며, 이로 인한 취수시설, 농업용수 등의 수질관리가 사회적인 문제로 부각되고 있다.

남세균은 광합성을 하는 수상 미세 생물로서 바다, 하천, 호수 등에 어디에나 존재하며 수상 생태계의 최하위 먹이사슬을 담당하여 생물 다양성을 유지하고 있다.

그러나 하천 환경 변화에 따른 객체수의 급격한 증가는 수화현상에 의한 특유의 악취 발생 외에도 수처리 과정에 문제를 야기한다.

특히 일부 유해남세균으로 지정된 마이크로시스티스, 아나베나, 오실라토리아, 아파니조메논은 천이과정에서 마이크로시스틴과 같은 독성물질을 발생시키는 문제점이 있다.

이에 따라 대한민국 정부는 조류경보제를 운영하고 있는데, 하천 권역별로 2회 연속 취수하여 ml 당 유해남조류 세포수를 기준으로 상수원 구간에서는 4단계, 친수활동 구간에서는 3단계로 관리하고 있다.

이에 따라 유해남세균을 모니터링 하는 다양한 장치 및 방법에 대한 연구가 선행되었다.

종래의 조류(남세균) 모니터링 기술로 (1) 조류가 배양(또는 채집)된 시료에 복수의 파장을 갖는 빛을 조사하여, 조류들이 발생하는 파장을 분석하는 방법(대한민국 등록특허 제 10-1898712호, 대한민국 공개특허 제2012-0133974호, 대한민국 등록특허 제 10-0917030호), (2) 조류로부터 추출된 DNA 를 분석하는 방법(대한민국 등록특허 제10-1683379호), (3) 현미경으로 조류 이미지를 촬영하는 방법(대한민국 등록특허 제10-2100197), 최근에는 인공지능 알고리즘을 사용하여 조류 이미지를 학습하고 객체를 분류하는 방법과 장치(대한민국 등록특허 제 10-0063347, 대한민국 등록특허 제10-2390074) 등이 제시되고 있다.

전통적인 현미경 검사는 물 샘플에서 미생물을 배양한 후, 미생물 샘플을 슬라이드에 고정하여 현미경으로 분석토록 하는 것인데 이러한 방법은 많은 시간이 소요되고, 형태학적 분석이 가능한 훈련된 전문인력과 샘플 준비 절차가 필요하며, 실험 과정에 오류도 있는 문제가 있다.

이에 이미징 유세포분석 시스템(Imaging flow cytometry)이 제시되고 있는데, 이는 흐르는 시료에서 세포의 실시간 이미지를 촬영하여, 세포의 형태학적 분석과 밀도를 분석하는 시스템이다.

상기 이미징 유세포분석 시스템의 목표는 세포 이미징 속도를 최대화 하는 동시에 이미지의 해상도를 최대화 하는 것인데, 유체속도를 올려 이미징 처리량을 올리면 카메라가 세포표면에서 수집할 수 있는 광자의 양이 줄어들어 해상력이 저하되는 문제가 있고, 반대로 해상력을 올리려 한다면 유체속도가 낮아서 이미징 처리량이 줄어드는 문제가 있다.

이러한 문제의 대안으로 병렬채널 즉, 다수의 플로우셀과 광학장치로 구성된 이미징 유세포분석 시스템이 제시되고는 있으나, 이는 현장에서 사용하기에는 그 크기와 전력소모 등으로 인해 실험실에서만 운용이 가능한 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-2100197 등

본 발명은, 상기 과제의 해결을 위한 것으로서, 시료의 이미지처리량을 늘리면서도 용이하게 고해상도 이미지 획득이 가능한 시스템 및 방법을 제공하고자 함이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템(이하, “본 발명의 시스템”이라함)은 시료를 전달받아 트랙홈에 저장시키는 디스크와, 상기 디스크를 회전연동 시키는 구동수단을 포함하는 턴테이블장치; 상기 디스크의 트랙홈에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 촬영모듈과, 상기 촬영모듈을 직선연동 시키는 제 2구동수단을 포함하는 이미징장치;를 포함하고, 상기 디스크는 직경이 다른 복수의 트랙홈이 형성되며, 각 트랙홈은 연결홈으로 연결되고, 상기 디스크는 중앙에 주입관이 장착되는 장착공이 형성되며, 상기 장착공 하부에는 포집공간이 형성되도록 하는 포집구가 구성되며, 상기 장착공 주변부에는 상기 포집공간에 연통하도록 복수의 유로가 형성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로써, 상기 턴테이블장치 전단에는 시료를 전달받아 전처리가 이루어지도록 하는 전처리장치가 더 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로써, 상기 전처리장치 후단에는 시료를 전달받아 미세조류를 균일하게 분산시키는 분산장치가 더 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로써, 상기 이미징장치에는 촬영모듈에서 촬영된 이미지 데이터를 외부로 전송하는 전송모듈이 더 구성됨을 특징으로 한다.

한편 본 발명에서는 상기 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템을 이용한 미세조류 유세포분석 방법에 대해서도 개시하고 있다.

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본 발명의 시스템은 동일한 트랙에 시료를 반복해서 촬영할 수 있으며, 회전속도를 조절하여 촬영할 수 있으므로 고해상도 이미지 획득이 가능한 장점이 있으며, 복수의 트랙에 대한 이미지 획득이 가능하여 현장적용성이 우수한 장점이 있다.

또한 이미지 촬영후 시료 및 세척수의 처리가 용이한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 시스템을 나타내는 블럭도이고,
도 2는 본 발명의 시스템에 의해 미세조류가 이미지화 된 사진이고,
도 3은 본 발명의 시스템에 의해 고해상도 이미지가 도출되는 과정을 나타내는 개략도이고,
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 구성으로 디스크를 나타내는 도면이다.

이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시 예에 한정되지는 않는다.

본 발명의 시스템(1)은 도 1 등에서 보는 바와 같이 시료를 전달받아 트랙홈(411)에 저장시키는 디스크(41)와, 상기 디스크(41)를 회전연동 시키는 구동수단(42)을 포함하는 턴테이블장치(4); 상기 디스크(41)의 트랙홈(411)에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 촬영모듈(51)과, 상기 촬영모듈(51)을 직선연동 시키는 제 2구동수단(52)을 포함하는 이미징장치(5);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 도 1에서 보는 바와 같이 디스크(41)의 전단에는 전처리장치(2)와 분산장치(3)가 더 구성되도록 한다.

상기 전처리장치(2)는 시료를 전달받아 시료 중 플록을 분산시키기 위한 전처리가 수행되어지도록 하는 구성으로 다양한 공지의 기술이 적용될 수 있는 바, 예로 우선 시료의 탁도를 측정한 뒤, 측정된 탁도를 토대로 희석용매를 사용하여 상기 시료를 희석시키도록 하는 것이다.

상기 시료의 탁도는 상기 전처리장치(2)에 구비된 탁도계에 의해 측정될 수 있다. 상기 탁도계를 통해 측정된 상기 시료의 탁도에 기초하여, 상기 전처리장치(2)는 주입되는 희석용매의 양을 조절할 수 있다. 상기 희석용매로는 증류수가 적용될 수 있다.

이에 더하여 상기 시료 내의 유해남세균 등 미세조류의 고정을 위해서 선택적으로 화학적 첨가제를 상기 희석용매에 포함시켜 사용할 수 있다.

상기 화학적 첨가제는 포름알데히드 등이 사용될 수 있으며, 또한 상기 시료 내의 플록을 분산시키기 위해 수산화칼륨 또는 수산화나트륨과 같은 화학적 첨가제가 추가로 적용될 수도 있다.

이렇게 전처리가 이루어진 시료는 후단의 분산장치(3)로 유입되는 바, 상기 분산장치(3)는 상기 전처리장치(2)로부터 시료를 전달받아 플럭을 분산시키도록 함으로써 시료에 유해남세균 등 미세조류(이하에서는 “유해남세균”으로 칭한다.)가 균일하게 분산되도록 하며 유해남세균이 균일하게 분산된 시료를 상기 디스크(41)로 전달토록 하는 구성에 해당한다.

이를 위해 분산장치(3)에는 도면에 도시된 바는 없으나 교반수단이 구성될 수 있는 바, 교반수단은 임펠러가 될 수 있고, 초음파조사기가 될 수 있다.

상기 초음파조사기는 상기 시료에 초음파를 조사함으로써, 상기 시료 내의 플록을 분산시키도록 한다. 이러한 초음파조사기에 의한 분산은 공지의 작동기작으로 그 상세 설명은 생략한다.

상기 분산장치(3)의 시료는 펌프 등에 의해 상기 디스크(41)로 시료가 전달되도록 하는데, 이하에서 설명하는 바와 같이 주입관(416)을 통해 분산장치(3)의 시료가 디스크(41)로 유입되도록 할 수 있다.

상기 턴테이블장치(4)는 디스크(41)와, 상기 디스크(41)를 회전연동 시키는 구동수단(42)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 구동수단(42)의 구동에 의해 디스크(41)가 회전연동이 가능하도록 하는데 모터 등 구동수단(42)에 의해 디스크(41)에 회전력을 인가하는 구조는 다양한 공지의 구조가 적용될 수 있다.

상기 디스크(41)는 도 4 및 도 5에서 보는 바와 같이 직경이 다른 복수의 트랙홈(411)이 형성되며, 각 트랙홈(411)은 연결홈(412)으로 연결되도록 한다.

또한 상기 디스크(41)는 도 6에서 보는 바와 같이 중앙에 상기 주입관(416)이 장착되는 장착공(413)이 형성되며, 상기 장착공(413) 하부에는 포집공간이 형성되도록 하는 포집구(414)가 구성되고, 상기 장착공(413) 주변부에는 상기 포집공간에 연통하도록 복수의 유로(415)가 형성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되어 주입관(416)의 중공을 통해 공급되는 시료는 포집구(414)에서 포집되어 상기 유로(415)를 통해 디스크(41) 상면으로 공급된다. 이렇게 공급된 시료는 월류 또는 연결홈(412)을 통해 내측 트랙홈(411)에서부터 외측 트랙홈(411)으로 차례로 채워지게 되는 것이다.

상기 주입관(416)은 분산장치(3)의 시료배출라인으로부터 시료가 주입되도록 하는 것이다.

이와 같은 디스크(41)의 구성에 의해 본 발명에서는 많은 량의 이미지의 획득이 가능하도록 하고 이와 동시에 고해상도의 이미지 획득이 가능하도록 하게 되는 것이다.

상기 디스크(41)는 그 재질을 한정하지 않으나 도면상 배면에서 광조사에 의해 이미지화가 용이하게 이루어지도록 할 수 있으므로 투명재질로 구성되어야 한다.

도면에서는 상기 트랙홈(411)이 역삼각형 형상의 골모양으로 구성된 예를 도시하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니고 곡면, 사각형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

상기 이미징장치(5)는 상기 디스크(41)의 트랙홈(411)에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 촬영모듈(51)과, 상기 촬영모듈(51)을 직선연동 시키는 제 2구동수단(52)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 언급한 바와 같이 복수의 트랙홈(411)에 채워진 시료가 촬영모듈(51)에 의해 촬영되어 이미지화가 되는 것이다. 이때 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 동일 트랙홈(411)의 촬영을 반복적으로 수행할 수 있어 고해상도의 이미지 획득이 가능하게 되는 것이다.

상기 촬영모듈(51)이 반복적으로 촬영된 해당 트랙홈(411)의 원본이미지들로부터 고해상도 이미지를 생성하는 것은 다양한 공지기술의 적용이 가능한 바, 예로 해상도를 초고해상도를 얻기 위해 수 개의 프레임들 사이에 작은 공간 쉬프트(shift)를 갖는 프레임들을 사용하는 이미지 향상 방법 [Michal Irani, Shmuel Peleg "Super Resolution From Image Sequences", ICPR, 2:115--120, June 1990]이 적용될 수 있다. 이 방법에서, 최적의 고해상도 이미지에 대한 수렴(convergence)이 반복적으로 수행된다. 반복은 고해상도 이미지의 초기 버전을 만드는 것부터 시작한다.

일반적으로, 그러한 초기 버전은 저해상도의 이미지들을 단순 가산하여 만들어진다. 반복의 두 번째 단계는 이 버전의 고해상도 이미지로부터 저해상도 이미지들의 재생성, 이들을 저해상도의 초기 이미지들과 매칭(matching), 및 보정인자(factor)에 대한 평가를 포함한다.

더 많이 반복하면 이전 반복에서의 보정을 고려하면서 새 버전의 고해상도 이미지가 생성되도록 하는 것이다. 이는 공지의 작동기작으로 그 상세 설명은 생략한다.

또한 상기 촬영모듈(51)은 이하에서 설명하는 바와 같이 직선운동이 가능하도록 함으로써 디스크(41) 상에 각 트랙홈(411)의 촬영에 의한 이미지화가 가능하도록 하는 것이다.

상기 촬영모듈(51)은 다양한 공지기술의 적용이 가능하며, 예로 시료를 고배율로 확대 가능한 대물렌즈와, 고해상도의 정지 영상의 촬영이 가능한 CCD(Charge coupled device) 센서 등이 포함되도록 함으로써 시료를 이미지화 한 데이터가 생성되도록 하는 것이다.

이에 더하여 상기 이미징장치(5)에는 도면에 도시된 바는 없으나 분석부가 더 구성되어 상기 촬영모듈(51)에서 생성한 이미지 데이터를 전달받아 시료에 포함된 미세조류로서 유해남세균을 식별토록 할 수 있다.

상기 분석부는 공지의 일공지능 알고리즘을 사용하여 상기 촬영모듈(51)로부터 시료 이미지를 전송받아 이미지에 나타난 유해남세균의 형상을 확대하고, 이를 기 저장된 이미지 데이터에 포함된 유해남세균의 형상과 직접 대조하여 유해남세균을 검출 및 그 양을 판독하도록 하는 것이다.

이러한 분석부의 작동 메커니즘은 다양한 공지의 작동 메커니즘이 적용될 수 있는 바, 예로 시료 이미지로부터 유해남세균을 검출하는 검출부와, 검출된 유해남세균의 형상을 확대하며 배율을 조정하는 확대부와, 확대된 유해남세균의 형상과 기 저장된 이미지 데이터에 포함된 유해남세균의 형상을 각각 대조하여 유해남세균의 양을 판정하는 판정부 등으로 구성되도록 할 수 있는데 그 상세 설명은 생략한다.

상기 제 2구동수단(52)은 모터 등에 의해 도면에서 보는 바와 같이 촬영모듈(51)이 디스크(41)와 이격된 위치에서 직선연동이 가능하도록 하는 것이다. 이와 같이 구성되어 상기 촬영모듈(51)은 디스크(41)에 있어 각 트랙홈(411)의 시료를 촬영할 수 있도록 하는 것이다.

상기 제 2구동부(52)에 있어 상기 촬영모듈(51)의 직선연동을 가능하도록 하는 구조는 다양한 공지 기술의 적용이 가능한 바, 그 상세 설명은 생략한다.

본 발명에 있어 상기 디스크(41)에서 촬영이 완료된 시료는 상기 디스크(41)를 빠르게 회전시킴으로써 원심력에 의해 디스크(41) 외측으로 빠져나가도록 하여 배출토록 하고, 세척시는 세척수가 디스크(41)를 거치면서 각각 세척이 이루어지도록 할 수 있는데 디스크(41)를 세척한 세척수의 경우도 디스크(41)를 빠르게 회전시켜 원심력에 의해 디스크(41) 외측으로 빠져나가도록 하여 배출토록 하는 것이다.

즉 디스크(41)의 회전연동에 의해 상기에서 언급한 처리수의 처리가 별도의 배출수단이 필요없이 용이해지도록 하는 것이다.

또한 상기 이미징장치(5)에는 촬영모듈(51)에서 촬영된 이미지 데이터를 외부로 전송하는 전송모듈(53)이 더 구성되도록 함으로써 도면에 도시된 바는 없으나 관리자단말을 통하여 이미지 데이터를 모니터링 할 수 있도록 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않음은 물론이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술적 지식을 가진 자에 의해 상기 기재된 내용으로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 수 있음은 물론이다.

Claims (7)

1. 시료를 전달받아 트랙홈에 저장시키는 디스크와, 상기 디스크를 회전연동 시키는 구동수단을 포함하는 턴테이블장치; 및
   상기 디스크의 트랙홈에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 촬영모듈과, 상기 촬영모듈을 직선연동 시키는 제 2구동수단을 포함하는 이미징장치;를 포함하고,
   상기 디스크는 직경이 다른 복수의 트랙홈이 형성되며, 각 트랙홈은 연결홈으로 연결되고,
   상기 디스크는 중앙에 주입관이 장착되는 장착공이 형성되며, 상기 장착공 하부에는 포집공간이 형성되도록 하는 포집구가 구성되며, 상기 장착공 주변부에는 상기 포집공간에 연통하도록 복수의 유로가 형성됨을 특징으로 하는 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 턴테이블장치 전단에는 시료를 전달받아 전처리가 이루어지도록 하는 전처리장치가 더 구성됨을 특징으로 하는 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 전처리장치 후단에는 시료를 전달받아 미세조류를 균일하게 분산시키는 분산장치가 더 구성됨을 특징으로 하는 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 이미징장치에는 촬영모듈에서 촬영된 이미지 데이터를 외부로 전송하는 전송모듈이 더 구성됨을 특징으로 하는 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항 내지 제 4항중 어느 한항의 미세조류 유세포분석을 위한 턴테이블 시스템을 이용한 미세조류 유세포분석 방법.
   

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