KR102543483B1 - 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하우징; 상기 하우징 내부에 구성되며 채취된 시료가 저장되는 시료저장조; 상기 시료저장조에서 시료를 전달받아 트랙홈에 저장시키는 디스크; 상기 디스크의 트랙홈에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 광학모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치에 관한 것이다.

Description

이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치{Immersion-type sensor device for measuring harmful bacterium based on imaging}

본 발명은 유해남세균의 양 등을 도출하기 위한 시료이미지를 공간제약 없이 다량으로 확보가 가능하면서 동시에 고해상도의 이미지 데이터의 획득이 가능한 장치에 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 최대화하는 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 장치를 제공하고자 함이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치(이하, “본 발명의 장치”라함)는, 하우징; 상기 하우징 내부에 구성되며 채취된 시료가 저장되는 시료저장조; 상기 시료저장조에서 시료를 전달받아 트랙홈에 저장시키는 디스크; 상기 디스크의 트랙홈에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 광학모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 디스크는 구동수단에 의해 회전연동이 되는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 디스크는 직경이 다른 복수의 트랙홈이 형성되며, 각 트랙홈은 연결홈으로 연결되고, 상기 광학모듈은 각 트랙홈의 시료이미지 촬영이 가능하도록 직선연동을 하는 것을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 디스크는 중앙에 중공이 형성되는 회전축이 장착되는 장착공이 형성되며, 상기 장착공 하부에는 포집공간이 형성되도록 하는 포집구가 구성되고, 상기 장착공 주변부에는 상기 포집공간에 연통하도록 복수의 유로가 형성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로 상기 시료저장조로부터 시료를 전달받아 분산이 이루어지도록 하여 시료에 유해남세균이 균일하게 분산되도록 하며 유해남세균이 균일한게 분산된 시료를 상기 디스크로 전달하는 분산조가 더 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로 하우징 내부에는 세척수가 저장되며 세척수가 디스크로 공급되도록 하는 세척수저장조가 더 구성됨을 특징으로 한다.

하나의 예로 하우징 하부에는 처리수저장공간이 형성되고, 하우징 내주연에는 상기 처리수저장공간으로 유도유로가 형성되며, 상기 유도유로 내측으로 광학모듈이 내재되도록 하는 챔버가 구성되고, 상기 디스크 외주연에는 시료 또는 세척수가 상기 유도유로로 유도되도록 유도단이 형성됨을 특징으로 한다.

본 발명의 장치는 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 장치를 나타내는 측단면도이고,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 구성으로 디스크를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 측단면도이다.

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 장치(1)는 도 1에서 보는 바와 같이 하우징(2); 상기 하우징(2) 내부에 구성되며 채취된 시료가 저장되는 시료저장조(3); 상기 시료저장조(3)에서 시료를 전달받아 트랙홈(81)에 저장시키는 디스크(8); 상기 디스크(8)의 트랙홈(81)에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 광학모듈(9);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징(2)은 밀폐된 구조로 시료를 채취하고자 하는 수중으로 침지되는 구성이다.

상기 하우징(2)에는 상기 시료저장조(3)와 연통하여 시료저장조(3)로 시료를 유입시키는 유입라인(21)이 형성되고, 하단부에는 처리수를 외부로 배출하는 배출라인(22)이 형성되도록 한다.

여기서 “처리수”는 디스크(8)에 저장되어 광학모듈(9)에 의해 이미지 촬영이 완료된 시료이거나 디스크(8) 등을 세척한 후의 세척수가 포함되는 개념이다.

상기 시료저장조(3)는 하우징(2) 외부로부터 시료을 유입하여 저장하면서 도면에서 보는 바와 같이 하단부의 분산조(5)로 시료를 전달하는 구성에 해당한다.

도면에서 보는 바와 같이 상기 하우징(2) 상단부에는 세척수저장조(4)가 구성되는 바, 세척수저장조(4)에 저장된 세척수를 이용하여 하기에서 설명하는 바와 같이 분산조(5), 디스크(8)의 세척이 이루어지도록 하는 것이다.

상기 분산조(5)는 상기 시료저장조(4)로부터 시료를 전달받아 분산이 이루어지도록 하여 시료에 유해남세균이 균일하게 분산되도록 하며 유해남세균이 균일한게 분산된 시료를 상기 디스크(8)로 전달토록 하는 구성에 해당한다.

이를 위해 분산조(5)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 분산조(5)와 상기 디스크(8)는 중공을 형성하는 회전축(7)에 의해 연결되어 분산조(5)의 시료가 디스크(8)로 유입되도록 한다.

상기 회전축(7)은 구동수단으로 모터(m1)와 연동하여 회전연동이 되도록 하는 것으로 이러한 회전축(7)의 하단에 디스크(8)가 고정되어 회전축(7)의 회전에 의해 디스크(8)가 회전연동을 하게 되는 것이며, 회전축(7)의 상단은 회전연동이 가능하도록 분산조(5)에 고정이 되는데 이러한 고정구조는 밀폐된 베어링 구조 등 다양한 공지의 구조가 적용될 수 있으므로 그 상세 설명은 생략한다.

도면에서 보는 바와 같이 하우징(2)을 상,하로 구획하는 격벽(6)이 구성되는 바, 상기 격벽(6)의 상면에 모터(m1) 등이 설치되도록 하며 하면에 복수의 조사수단(61)이 구성되어 디스크(8)에서 시료의 이미지화가 용이하도록 하는 것이다.

상기 디스크(8)는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 직경이 다른 복수의 트랙홈(81)이 형성되며, 각 트랙홈(81)은 연결홈(82)으로 연결되도록 한다.

또한 상기 디스크(8)는 도 4에서 보는 바와 같이 중앙에 상기 회전축(7)이 장착되는 장착공(83)이 형성되며, 상기 장착공(83) 하부에는 포집공간이 형성되도록 하는 포집구(84)가 구성되고, 상기 장착공(83) 주변부에는 상기 포집공간에 연통하도록 복수의 유로(85)가 형성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되어 회전축(7)의 중공을 통해 공급되는 시료는 포집구(84)에서 포집되어 상기 유로(85)를 통해 디스크(8) 상면으로 공급된다. 이렇게 공급된 시료는 월류 또는 연결홈(82)을 통해 내측 트랙홈(81)에서부터 외측 트랙홈(81)으로 차례로 채워지게 되는 것이다.

이렇게 복수의 트랙홈(81)에 채워진 시료가 광학모듈(9)에 의해 촬영되어 이미지화가 되는 것이다. 이때 동일 트랙홈(81)의 촬영을 반복적으로 수행할 수 있어 고해상도의 이미지 획득이 가능하게 되는 것이다.

또한 상기 광학모듈(9)은 이하에서 설명하는 바와 같이 직선운동이 가능하도록 함으로써 디스크(8) 상에 각 트랙홈(81)의 촬영에 의한 이미지화가 가능하도록 하는 것이다.

이와 같은 디스크(8)의 구성에 의해 본 발명에서는 많은 량의 이미지의 획득이 가능하도록 하고 이와 동시에 고해상도의 이미지 획득이 가능하도록 하게 되는 것이다.

상기 디스크(8)는 그 재질을 한정하지 않으나 도면에서 보는 바와 같이 디스크(8)의 하면에서 광학모듈(9)에 의해 이미지화가 이루어지는 경우 투명재질로 구성되어야 한다.

도면에서는 상기 트랙홈(81)이 역삼각형 형상의 골모양으로 구성된 예를 도시하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니고 곡면, 사각형 등 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

상기 광학모듈(9)은 촬영부(91)와 구동부(92)로 구성될 수 있는 바, 상기 촬영부(91)는 상기 디스크(8)에 있어 해당 트랙홈(81)에 밀접하도록 이동하여 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 광학모듈(9)에는 도면에 도시된 바는 없으나 분석부가 더 구성되어 상기 촬영부(91)에서 생성한 이미지 데이터를 전달받아 시료에 포함된 미세조류로서 유해남세균을 식별토록 할 수 있다.

상기 분석부는 공지의 인공지능 알고리즘을 이용하여 상기 촬영부(91)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 구동부(92)는 모터(m2)의 구동에 의해 도면에서 보는 바와 같이 촬영부(91)가 디스크(8) 하부에서 직선연동이 가능하도록 하는 것이다. 이와 같이 구성되어 상기 촬영부(91)는 디스크(8)에 있어 각 트랙홈(81)의 시료를 촬영할 수 있도록 하는 것이다.

상기 구동부(92)에 있어 상기 촬영부(91)의 직선연동을 가능하도록 하는 구조는 다양한 공지 기술의 적용이 가능한 바, 그 상세 설명은 생략한다.

본 발명에 있어 상기 디스크(8)에서 촬영이 완료된 시료는 상기 디스크(8)를 빠르게 회전시킴으로써 원심력에 의해 디스크(8) 외측으로 빠져나가도록 하여 하우징(2) 하부의 배출라인(22)을 통해 배출토록 하고, 세척시는 상기 세척수저장조(4)에서 저장된 세척수가 분산조(5) 및 디스크(8)를 거치면서 각각 세척이 이루어지도록 할 수 있는데 디스크(8)를 세척한 세척수의 경우도 디스크(8)를 빠르게 회전시켜 원심력에 의해 디스크(8) 외측으로 빠져나가도록 하여 하우징(2) 하부의 배출라인(22)을 통해 배출토록 하는 것이다.

즉 디스크(8)의 회전연동에 의해 상기에서 언급한 처리수의 처리가 별도의 배출수단이 필요없이 용이해지도록 하는 것이다.

그런데 이와 같이 구성되는 경우 배출된 처리수가 광학모듈(9)로 유입되어 전기적 문제가 유발될 수 있는 바, 이에 본 발명에서는 도 5에서 이러한 문제를 제어하기 위한 실시예가 제시되고 있다.

본 실시예에서는 상기 하우징(2) 하부에는 처리수저장공간(23)이 형성되고, 하우징(2) 내주연에는 상기 처리수저장공간(23)으로 유도유로(24)가 형성되며, 상기 유도유로(24) 내측으로 광학모듈(9)이 내재되도록 하는 챔버(25)가 구성되고, 상기 디스크(8) 외주연에는 시료 또는 세척수가 상기 유도유로(24)로 유도되도록 유도단(86)이 형성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되어 시료 또는 세척수 즉 처리수는 디스크(8)의 빠른 회전을 통해 원심력으로 상기 유도유로(24)로 배출되도록 함으로써 처리수가 처리수저장공간(23)에 저장되면서 배출되도록 하는데 이 과정에서 처리수가 상기 챔버(25)로 유입되는 것을 제어하기 위해 디스크(8) 외주연에는 유도단(86)이 형성되도록 한다.

상기 유도단(86)은 디스크(8) 외주연에서 하향의 경사구배를 형성하도록 하여 끝단부가 적어도 유도유로(24)에 노출되도록 하여야 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. 하우징;
   상기 하우징 내부에 구성되며 채취된 시료가 저장되는 시료저장조;
   상기 시료저장조에서 시료를 전달받아 트랙홈에 저장시키는 디스크;
   상기 디스크의 트랙홈에 저장된 시료를 촬영하여 이미지화 하는 광학모듈;을 포함하고,
   상기 디스크는 구동수단에 의해 회전연동이 되며,
   상기 디스크는 직경이 다른 복수의 트랙홈이 형성되며, 각 트랙홈은 연결홈으로 연결되고, 상기 광학모듈은 각 트랙홈의 시료이미지 촬영이 가능하도록 직선연동을 하고,
   상기 디스크는 중앙에 중공이 형성되는 회전축이 장착되는 장착공이 형성되며, 상기 장착공 하부에는 포집공간이 형성되도록 하는 포집구가 구성되며, 상기 장착공 주변부에는 상기 포집공간에 연통하도록 복수의 유로가 형성됨을 특징으로 하는 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 시료저장조로부터 시료를 전달받아 분산이 이루어지도록 하여 시료에 유해남세균이 균일하게 분산되도록 하며 유해남세균이 균일한게 분산된 시료를 상기 디스크로 전달하는 분산조가 더 구성됨을 특징으로 하는 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치.
   
6. 제 1항에 있어서,
   하우징 내부에는 세척수가 저장되며 세척수가 디스크로 공급되도록 하는 세척수저장조가 더 구성됨을 특징으로 하는 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치.
   
7. 제 6항에 있어서,
   하우징 하부에는 처리수저장공간이 형성되고, 하우징 내주연에는 상기 처리수저장공간으로 유도유로가 형성되며, 상기 유도유로 내측으로 광학모듈이 내재되도록 하는 챔버가 구성되고, 상기 디스크 외주연에는 시료 또는 세척수가 상기 유도유로로 유도되도록 유도단이 형성됨을 특징으로 하는 이미징 기반의 유해남세균 측정을 위한 침지형 센서장치.
   

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