KR20170058251A - 혼돈파 센서를 이용한 배양접시 내 박테리아 탐지 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
레이저 스페클을 이용한 배양접시 내 박테리아 탐지 장치 및 방법이 개시된다. 미생물 탐지 장치는, 미생물을 탐지하기 위해 배양접시 내에 광을 조사하는 광원, 및 상기 배양접시에 입사된 광에 기초하여 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클(laser speckle)을 일정 간격으로 측정하고, 측정된 복수의 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 측정부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 실시예들은 레이저 스페클(laser speckle)을 이용하여 식품 내 세균 및 미생물을 탐지 또는 측정하는 기술에 관한 것이다.
음식의 부패는 세균 및 미생물 증식으로 인해 단백질이 아민(armin)으로 분해되어 일어나는 과정이다. 아민이 분해됨에 따라, 식품에서는 악취가 나고, 생물 독소(biotoxin)가 발생한다. 즉, 식품이 부패하게 된다. 부패한 음식을 섭취한 경우, 음식물 섭취자가 식중독에 걸릴 수 있으므로, 음식물 내에 존재하는 세균 및 미생물을 측정하는 것은 음식의 품질관리 및 섭취자의 건강에 매우 중요한 요소이다.
세균 및 미생물을 측정하는 방법으로는, 미생물 배양법, 질량분석법(mass spectrometry), 핵자기공명(unclear magnetic resonance) 기법 등이 존재한다. 미생물 배양법, 질량분석법, 핵자기공명 기법의 경우, 특정 종류의 세균을 정밀하게 측정할 수는 있으나, 샘플(sample) 준비 시간이 오래 걸리고, 고비용의 정밀하고 복잡한 장비를 필요로 한다.
이외에, 광학적 기법을 이용하여 세균 및 미생물을 측정하는 기법이 존재한다. 예를 들어, 광학적 기법으로 라만 분광법(Raman Spectrometry), 및 다중분광 영상(Multispectral imaging)이 이용되나, 복잡한 광학계가 필요하여, 복잡한 광학계를 다룰 수 있는 전문적인 지식과 연구실 수준의 설비를 요구하며, 오랜 측정 시간이 필요하므로 식품 가공 공장이나 일반 가정에서 사용하는 데 어려움이 존재한다.
이처럼, 식품의 유통은 품질검사 이후에 이루어지지만, 유통과정 중의 식품이나 보관 중인 식품은 유통 기한 이외에는 신선도를 측정하는 데 어려움이 존재한다. 이러한 식품에 존재하는 미생물뿐만 아니라, 배양접시 내의 미생물 존재 유무를 파악하는 것 역시 생명과학과 의학에서 매우 중요하다. 예를 들어, 감염내과의 경우, 환가의 가검물에서 추출한 미생물(박테리아)의 항생제 저항성을 측정하여 적절한 치료 방법을 결정한다.
그러나, 기존에는 배양 접시 내 미생물의 존재 유무를 파악하기 위해서는 도 1의 110과 같이, 배양 후 유관 관찰하는 방법이 이용되었다. 예를 들어, 배양액이 반고체 상태로 도포되어 있거나 또는 배양액이 액체 상태로 혼합된 배양 접시(111) 내에, 박테리아 등의 미생물을 주입(112)하고, 넓은 영역에 도포한 뒤 약 1 내지 2일 정도 미생물을 배양(113)시키고 나면, 미생물이 배양 접시 전체에 걸쳐 자라게 된다. 이때, 미생물의 유무는 일반적으로 유관을 통해 배양된 미생물이 콜로니(colony)를 형성하고 있는지 여부로 판단하게 된다. 그리고, 도 1의 120과 같이, 배양된 미생물 시편에 다양한 항생제를 주입(121)한 뒤, 항생제 주변으로 미생물이 자라나는지, 자라나지 못하는지 여부를 유관으로 관찰(122)함으로써, 미생물의 항생제에 대한 저항성을 측정한다.
이처럼, 배양 후 유관 관찰하는 방법은 박테리아가 유관으로 관찰할 수 있는 크기가 될 정도로 성장하기 위해서 시간이 소요되므로, 배양에 매우 오랜 시간(1일~4일)이 걸린다. 더욱이, 특정 박테리아 종은 배양 조건이 매우 까다롭거나, 배양이 어려운 경우가 존재하므로, 기존 방식으로는 배양접시 내의 박테리아를 측정하는 데 제한이 있었다. 그리고, 유관으로 관찰을 하기 때문에, 정량화가 되지 않는다는 한계도 있었다.
이에 따라, 배양접시 및 식품에 미생물이 존재하는지 여부를 신속하고, 정확하게 탐지하고, 미생물 존재시의 활동성, 항생제에 대한 반응성(즉, 저항성)을 측정할 수 있는 기술이 요구된다. 더욱이, 세균 등의 미생물은 상온뿐만 아니라 저온(예컨대, 4도씨) 상태에서도 증식이 가능하므로, 보관중인 식품에 대해서도 가정이나, 마트 등에서 일반인이 쉽게 세균 및 미생물을 측정할 수 있는 기술이 필요하다.
한국공개특허 제10-2015-0050265호는 미생물에 자외선을 방출시켜 미생물의 단백질 성분을 구성하는 아미노산의 형광 스펙트럼을 수신하여 미생물을 탐지하는 기술을 개시하고 있다.
본 발명은 레이저 스페클을 이용하여 보관 중인 식품 및 배양접시 내에 존재하는 세균 및 미생물을 탐지하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 광원과 센서를 광학계로 구성하여, 광학계를 구동하는 전문적인 지식이 없더라도 빠르고 정밀하게 식품 내 세균 또는 미생물의 존재 유무와 활동성을 탐지하기 위한 것이다.
미생물 탐지 장치는, 미생물을 탐지하기 위해 배양접시 내에 광을 조사하는 광원, 및 상기 배양접시에 입사된 광에 기초하여 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클(laser speckle)을 일정 간격으로 측정하고, 측정된 복수의 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 측정부를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 측정부는, 상기 배양접시 내에 항생제가 주입됨에 따라, 항생제가 주입된 배양접시에 형성된 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 미생물의 항생제에 대한 반응성을 측정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 측정부는, 상기 일정 간격으로 서로 다른 시점에 촬영된 복수의 영상들을 대상으로, 각 영상에 해당하는 레이저 스페클의 패턴(pattern) 변화에 기초하여 상기 미생물의 존재여부를 탐지할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 측정부는, 상기 복수의 레이저 스페클의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 상기 미생물의 존재 여부를 탐지할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 측정부는, 2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 상기 이미지 센서의 한 픽셀의 크기와 스페클 패턴의 입자 크기(grain size)에 기초하여 스페클 패턴을 탐지하도록 결정된 위치에 배치될 수 있다.
미생물 탐지 방법은, 미생물을 탐지하기 위해 배양접시 내에 광을 조사하는 단계, 상기 배양접시에 입사된 광에 기초하여 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클(laser speckle)을 일정 간격으로 측정하는 단계, 및 측정된 복수의 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는, 상기 배양접시 내에 항생제가 주입됨에 따라, 항생제가 주입된 배양접시에 형성된 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 미생물의 항생제에 대한 반응성을 측정할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는, 상기 일정 간격으로 서로 다른 시점에 촬영된 복수의 영상들을 대상으로, 각 영상에 해당하는 레이저 스페클의 패턴(pattern) 변화에 기초하여 상기 미생물의 존재여부를 탐지할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는, 상기 복수의 레이저 스페클의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 상기 미생물의 존재 여부를 탐지할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 측정하는 단계는, 2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 이용하여 상기 배양접시에 입사된 광이 다중 산란됨에 따라 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클을 측정할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 이미지 센서는, 상기 이미지 센서의 한 픽셀의 크기와 스페클 패턴의 입자 크기(grain size)에 기초하여 스페클 패턴을 탐지하도록 결정된 위치에 배치될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는, 상기 2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 이용하여 상기 광이 입사되는 배양접시 내를 서로 다른 시점에 촬영하여 복수개의 레이저 스페클 영상을 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 레이저 스페클을 이용하여 보광 중인 식품에 존재하는 세균 및 미생물을 탐지할 수 있다.
또한, 본 발명은 광원과 센서를 광학계로 구성함으로써, 쉽고 간단하게 미생물을 탐지할 수 있다.
도 1은 배양접시 내의 미생물 유무를 탐지하는 배양 후 유관 관찰 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 있어서, 미생물 탐지 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클을 이용하여 샘플에 존재하는 미생물을 탐지하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 반사형으로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 투과형으로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 패키징 형태로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클의 시간 상관 관계를 분석하여 세균 및 미생물 농도를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 시간에 따라 측정된 레이저 스페클의 빛 세기의 표준편차 분포를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클의 형태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 배양 접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 11은 두 개의 스페클 영상을 이용하여 배양접시 내의 미생물 존재 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 12는 세 개 이상의 스페클 영상을 이용하여 배양접시 내의 미생물 존재 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 있어서, 미생물 탐지 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클을 이용하여 샘플에 존재하는 미생물을 탐지하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 반사형으로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 투과형으로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 패키징 형태로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클의 시간 상관 관계를 분석하여 세균 및 미생물 농도를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 시간에 따라 측정된 레이저 스페클의 빛 세기의 표준편차 분포를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클의 형태를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 배양 접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 11은 두 개의 스페클 영상을 이용하여 배양접시 내의 미생물 존재 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 12는 세 개 이상의 스페클 영상을 이용하여 배양접시 내의 미생물 존재 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은, 레이저 스페클(laser speckle)의 시간 상관관계(temporal correlation)을 이용하여 식품 속 또는 배양접시 내에 존재하는 세균 및 미생물의 농도와 활동성을 측정하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 실시예들은, 식품 또는 배양접시에 광을 조사하는 광원과 식품에 존재하는 미생물을 측정하는 센서(예컨대, 1차원 광센서를 구비한 카메라, 2차원 이미지 센서를 구비한 카메라 등)만을 간단하게 광학계로 구성하여 빠르고 정밀하게 세균 및 미생물의 농도를 측정하는 기술에 관한 것이다.
레이저 스페클(laser speckle)은 빛의 간섭현상(interference)에 의해 발생하는 것으로서, 예컨대, 레이저 광이 식품, 음식물, 배양접시 등의 샘플(sample)에 조사되었을 때, 샘플의 표면에서 발생하는 높은 대조도의 초점을 맞추기 어려운 낟알 모양의 패턴(또는 무늬)을 의미할 수 있다.
본 실시예들에서, 광원과 센서로 구성되는 광학계는 반사형, 투과형과 같이 다양한 형태로 구성 가능하며, 광학계는 패키징 형태로 구성되어, 손으로 들고 다닐 수 있는 휴대형 형태로 구성될 수 도 있다.
도 2은 본 발명의 일실시예에 있어서, 미생물 탐지 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이고, 도 3는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클을 이용하여 샘플에 존재하는 미생물을 탐지하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 3에서는 식품에 존재하는 세균 또는 미생물의 존재 유무를 레이저 스페클에 기초하여 탐지하는 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 2에서, 미생물 탐지 장치(200)는 광원(210) 및 측정부(220)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 3의 각 단계들(301 내지 303 단계)은 도 2의 미생물 탐지 장치(200)의 각 구성 요소(예컨대, 광원 및 측정부)에 의해 수행될 수 있다.
301 단계에서, 광원(210)은 미생물을 탐지하기 위해 샘플(201)에 광을 조사할 수 있다.
예를 들어, 간섭광(coherent light)을 방사하는 장치가 광원(210)으로 이용될 수 있다. 특정한 대역의 주파수 또는 특정 주파수를 가지는 광원, 예컨대, 레이저(laser) 등이 광원(210)으로 이용될 수 있다. 그러면, 광원(210)은 육류, 어패류 등의 샘플(201)에 간섭광(예컨대, 레이저 광)을 조사할 수 있다. 샘플(sample, 201)은 세균 또는 미생물이 존재하는 식품으로서, 다양한 방법을 통해 준비될 수 있다. 예컨대, 식품 전체가 샘플로 이용될 수도 있고, 얇게 저민 식품이 이용될 수도 있다. 그리고, 주사기 바늘을 이용하여 생검(biopsy)하는 방법을 통해 샘플이 준비될 수도 있다. 이외에, 테이프, 생체막(membrane) 등과 같이 세균 및 미생물이 옮겨갈 수 있는 장치를 이용하여 샘플을 준비할 수도 있다.
302 단계에서, 측정부(220)는 샘플(201)에 입사된 광이 다중산란(multiple scattering)됨에 따라 형성된 레이저 스페클(laser speckle)을 기정의된 기준 시간마다 측정할 수 있다.
303 단계에서, 측정부(220)는 상기 측정된 레이저 스페클의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 상기 샘플에 포함된 세균 및 미생물의 농도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 측정부(220)로는 영상을 촬영하는 촬영 장치인 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 샘플(201)에 레이저 광이 조사되면, 입사된 광은 다중산란에 의해 레이저 스페클(laser speckle)을 형성할 수 있다. 레이저 스페클은, 빛의 간섭현상에 의해 발생하므로, 샘플 내에 움직임이 없으면 시간에 따른 간섭 무늬의 변화가 없을 수 있다. 그리고, 샘플 내에 세균, 미생물 등이 존재하는 경우, 레이저 스페클은, 세균이나 미생물의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 이러한, 시간에 따라 변화하는 레이저 스페클의 패턴에 기초하여 샘플 내에 세균 및 미생물이 존재하는지 여부가 신속하게 결정될 수 있다.
일례로, 도 9를 참고하면, 레이저 스페클(laser speckle)은 다양한 위상을 가진 빛의 간섭에 의한 결과로써 매우 복잡하고 임의의 현상처럼 보일 수 있으나, 실제로는 안정된 상태로 고정되어 있으면, 고정된 코히어런트 레이저(coherent laser)에 대해 항상 같은 레이저 스페클이 형성될 수 있다. 즉, 도 9의 910과 같이 안정된 상태로 있으면, 입사된 광과 샘플 내에 형성된 레이저 스페클이 선형적인 관계를 가질 수 있다.
이때, 도 9의 920과 같이, 샘플 내에 박테리아가 존재하는 경우, 더 이상 매질이 안정된 상태가 아닐 수 있다. 즉, 샘플(예컨대, 식품, 배양접시 등)로 입사되는 레이저 광은 고정되어 있지만, 박테리아(921)의 생체활동에 의해 매질이 변화될 수 있다. 이러한 매질의 변화로 인해 샘플 내에 형성된 레이저 스페클은 시간에 따라 지속적으로 변할 수 있으며, 시간에 따라 변화하는 레이저 스페클을 이용하여 역으로 샘플 내에 박테리아(921)가 존재하는지 유무가 파악될 수 있다. 이처럼, 입력으로 레이저(laser)가 이용되고, 샘플에 입사된 레이저 광의 출력이 스페클 패턴일 수 있다.
따라서, 레이저 스페클 기술은 피검사대상인 샘플 내부의 입자들에서 발생하는 다중산란 현상에 의해 복잡한 광경로를 거친 광(혼돈파, Chaotic Wave)들의 간섭현상을 일으킨 스페클 영상을 측정하고, 시간에 따른 스페클 영상 간의 상관관계(correlation) 계산을 통해 박테리아를 검출할 수 있다. 이처럼, 미생물 탐지 장치(200)는 레이저 스페클을 이용하므로 샘플 내에 존재하는 박테리아가 짧은 시간(예컨대, 수 초) 내에 측정될 수 있다.
즉, 샘플 내부의 입자들에서 발생한 다중산란에 의한 광들의 간섭을 이용하므로 샘플 내에 존재하는 단일 박테리아의 미세한 움직임(few dozen of or hundreds of nanometers)에도 광경로 차이가 발생하고, 또한 다수의 박테리아 움직임에 의해 광경로 차이가 증폭되어 스페클 영상의 상관관계(correlation)를 통해 샘플 내에 존재하는 박테리아가 짧은 시간(예컨대, few second) 내에 측정될 수 있다. 이처럼, 다중산란에 의한 레이저 스페클, 즉, 혼돈파 산란(chaotic wave scattering)을 이용하여 샘플 내 박테리아의 존재 유무가 신속하게 탐지될 수 있다.
일례로, 카메라인 측정부(220)가 샘플(201)의 표면에 형성된 레이저 스페클을 촬영하여 레이저 스페클 영상을 생성할 수 있다. 이때, 측정부(220)는 기정된 기준 시간마다 레이저 스페클을 촬영함으로써, 레이저 스페클을 측정할 수 있다. 그러면, 측정부(220)는 기준 시간마다 생성된 레이저 스페클 영상들을 이용하여 영상들 간의 시간 상관 관계 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 샘플(201) 내에 세균 및 미생물이 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 이전 시간에 측정된 영상과, 현재 시간에 측정된 영상, 즉, 시간적으로 이웃하는 영상들 간의 상관 관계 계수가 계산될 수 있다. 이외에, 첫 화면과 현재 화면 간의 상관 관계 계수가 계산될 수도 있다. 그리고, 측정부(220)는 시간 상관 관계 계수의 변화도에 기초하여 세균 및 미생물의 농도를 측정할 수 있다.
이때, 샘플(201)에 의해 형성된 레이저 스페클을 측정하는 동안 광원(210)과 측정부(220)로 구성된 광학계의 움직임이 제한될 수 있다. 예컨대, 광원(210)에서 샘플(201)로 광을 조사하여 미생물의 농도를 측정할 때까지 광원(210)과 측정부(220)에 움직임이 없어야, 세균 및 미생물의 농도가 정확히 측정될 수 있다.. 그리고, 광학계는 반사형, 투과형, 또는 패키지 형태로 구성될 수 있으며, 광학계의 다양한 구성 방법은 아래의 도 4 내지 도 6를 참조하여 설명하기로 한다.
예컨대, 광학계는 휴대용 기기에 탑재되는 형태 또는 휴대 가능한 형태로 구현될 수 있다. 광학계가 휴대형으로 구현된 경우, 미생물의 농도 측정 시 광학계에 움직임이 발생할 수 있으며, 광학계에 움직임이 발생한 경우, 이미지 프로세싱(image processing)을 통해 발생된 움직임에 따른 보정이 수행될 수 있다.
예를 들어, 스마트폰 등의 휴대 단말에 광학계가 탑재된 경우, 휴대 단말에 레이저 포인트 등의 광원이 장착될 수도 있고, 레이저 포인터 이외에 기존에 이미 장착된 광원이 존재하는 경우, 기존의 광원과 필터(filter)를 이용하여 샘플에 광원을 방사할 수도 있다. 이때, 휴대 단말이 손떨림 등으로 인해 움직인 경우, 이미지 프로세싱을 통해 촬영된 영상을 보정함으로써, 샘플 내의 미생물 존재 유무가 탐지될 수 있다. 예컨대, 미생물의 존재유무를 탐지하기 위해 15 내지 20초 정도 고정된 상태로 측정을 수행하는 데, 유해한 박테리아 농도에서 수초 내로 측정이 가능한 경우, 광학계가 바닥, 책상 위 등에 고정되지 않고, 휴대 단말과 같이 손에 쥔 채로도 측정을 수행할 수 있다.
도 4 내지 도 6에서, 샘플로는 식품, 배양접시 등이 이용될 수 있으며, 이하에서는 식품, 배양접시 내에 광을 조사함에 따라 형성된 레이저 스페클에 기초하여 세균, 미생물을 검출하는 동작에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 반사형으로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 4에서, 샘플(식품, 배양접시)에 입사된 레이저 광은 샘플의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 빛이 반사되어 나올 수 있다. 그러면, 센서(예컨대, 이미지 센서 또는 광센서를 구비한 카메라)는 샘플의 광학적 불균일 특성으로 인해 샘플에 빛이 반사되어 출사됨에 따라 발생하는 레이저 스페클 패턴을 촬영하여, 샘플에 의해 유발된 레이저 스페클을 측정할 수 있다. 이때, 샘플에 의해 반사되는 빛, 샘플 내부에서 산란에 의해 나오는 빛 등과 같이 여러 빛들이 서로 간섭무늬를 형성할 수 있다.
도 4에서, 광원의 파장, 빛의 세기 등 제한을 받지 않고 사용될 수 있으며, 센서의 종류로는 2 차원 정보를 측정할 수 있는 2차원 이미지 센서, 1차원 정보를 측정하는 1차원 광센서 등이 사용될 수 있다.
도 4에서, 광원, 샘플 위치는 제한되지 않으며, 반사된 레이저 스페클 패턴을 측정하는 센서는 측정된 하나의 스페클 크기가 센서의 픽셀들 중 2 내지 3 픽셀 이상에 해당하도록 위치할 수 있다. 예컨대, 센서는 상기 샘플에 의한 광의 반사로 인한 레이저 스페클 패턴을 측정하기 위해, 샘플로 광이 입사되는 면과 마주보며 일정 각도(θ)로 기울어져 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 투과형으로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 5에서, 샘플(식품, 배양접시)에 입사된 레이저 광은 샘플의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 빛이 샘플을 투과하여 출사될 수 있다. 그러면, 센서는 광이 샘플을 투과하여 출사됨에 따라 발생하는 레이저 스페클 패턴을 촬영함으로써, 샘플을 투과함에 따라 유발된 레이저 스페클을 측정할 수 있다.
도 5에서, 광원의 파장, 빛의 세기 등 제한을 받지 않고 사용될 수 있으며, 센서의 종류는 2 차원 정보를 측정할 수 있는 2차원 이미지 센서, 1차원 정보를 측정하는 1차원 광센서 등이 이용될 수 있다.
도 5에서, 광원, 샘플 위치는 제한되지 않으며, 투과된 레이저 스페클 패턴을 측정하는 센서는 측정된 하나의 스페클 크기가 센서의 픽셀들 중 2 내지 3 픽셀 이상 되도록 위치할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 있어서, 광학계가 패키징 형태로 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 6에서, 샘플(식품, 배양접시)에 입사된 레이저 광은 샘플의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 빛이 반사되어 나오게 되고, 이를 빔 스플리터(Beam splitter)를 이용하여 일부 빛의 경로를 틀어(변경하여) 센서로 샘플에 의해 유발된 레이저 스페클을 측정할 수 있다. 예컨대, 빔 스플리터는 광원과 샘플 사이에 위치하며, 샘플에 의해 반사되어 출사되는 광의 경로를 변경시킬 수 있다. 그리고, 센서는 샘플에 의해 반사 및 경로가 변경됨에 따라 발생하는 레이저 스페클을 측정할 수 있다.
도 6에서, 광원의 파장, 빛의 세기 등 제한을 받지 않고 사용될 수 있으며, 센서의 종류는 2 차원 정보를 측정할 수 있는 2차원 이미지 센서, 1차원 정보를 측정하는 1차원 광센서 등이 이용될 수 있다.
도 6에서, 광원, 빔 스플리터(BS), 및 센서는 패키징 형태로 고정되어 하나의 모듈로써 작동하며, 센서에 측정된 하나의 스페클 크기가 센서의 픽셀들 중 2 내지 3 픽셀 이상 되도록 샘플을 위치할 수 있다.
도 6에서, 패키징 형태, 즉, 휴대형으로 광학계가 구성되는 경우, 샘플에 의해 형성된 레이저 스페클이 측정되는 동안 광학계에 움직임이 존재하지 않도록 주의가 필요할 수 있다.
이상의 도 4 내지 도 6에서는 샘플로 배양접시가 이용되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 배양접시 이외에 식품이 샘플로 이용될 수 있다. 그리고, 도 4 내지 도 6의 구조를 가지는 광학계를 이용하여 배양접시 내의 미생물의 존재 유무 및 항생제에 대한 반응성이 비접촉으로 정밀하게 탐지될 수 있다. 배양접시 내의 미생물의 존재 유무 및 항생제에 대한 반응성을 탐지하는 동작은 도 9 내지 도 12를 참고하여 후술하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클의 시간 상관 관계를 분석하여 세균 및 미생물 농도를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 7에서, 레이저 스페클의 시간 상관 관계를 분석하여 세균 및 미생물 농도를 측정하는 동작은 도 2의 측정부(220)에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 도 7에서는 샘플로 식품을 이용하는 경우, 식품 내의 세균 및 미생물 농도를 측정하는 경우를 가정하여 설명하나, 식품 이외에 배양접시 등이 샘플로 이용될 수 있다.
도 7을 참고하면, 광원(210)은 기준 시간마다 레이저 광을 샘플(201)에 조사할 수 있으며, 측정부(220)는 다중산란에 의해 형성된 레이저 스페클을 기준 시간마다 측정할 수 있다. 이때, 측정부(220)는 기준 시간마다 생성된 레이저 스페클 영상들을 분석하여, 시간 상관 관계 계수의 변화를 통해 샘플(201) 내에 세균 및 미생물 농도를 측정할 수 있다.
측정된 레이저 스페클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서, 
: 시간 상관 관계 계수, 
: 표준화된 빛 세기, (x, y): 카메라의 픽셀 좌표, t: 측정된 시간, T: 총 측정 시간, t: 타임레그(time lag)를 나타낼 수 있다.
수학식 1에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 시간 상관 관계 계수가 기정의된 특정 값 이하로 떨어지는 시간 분석을 통해 세균 및 미생물 농도가 측정될 수 있다. 세균 및 미생물의 농도가 증가할수록 시간 상관 관계 계수가 특정 값 이하로 떨어지는 시간이 짧아진다. 특정 값을 정하는 기준은 식품 종류, 미생물의 종류에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
일례로, 측정부(220)는 레이저 스페클 영상들에서, 시간이 변화됨에 따라 레이저 스페클의 패턴이 변화하였는지 여부를 확인함으로써, 샘플(201) 내에 세균 및 미생물이 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 예컨대, 샘플(201) 내에 움직임이 없으면, 레이저 스페클은 시간에 따른 간섭무늬의 변화가 없을 수 있다. 즉, 상기 움직임이 없으면 기준 시간마다 측정된 레이저 스페클 영상들에서, 레이저 스페클의 패턴이 일정한 간섭무늬를 가질 수 있다. 이처럼, 레이저 스페클 영상들이 시간에 따른 간섭무늬의 변화가 없거나 매우 작은 경우, 측정부(220)는 샘플(201)에 세균 및 미생물이 존재하지 않는 것으로 결정할 수 있다.
그리고, 상기 레이저 스페클의 패턴이 상기 간섭무늬를 갖지 않고 변화하는 경우, 측정부(220)는 샘플(201)에 세균 및 미생물이 존재하는 것으로 결정할 수 있다. 즉, 샘플(201)인 식품 내에 세균이나 미생물이 존재하는 경우 시간이 지남에 따라, 세균 및 미생물은 증식하며 세균과 미생물은 지속적으로 움직임일 수 있다. 이러한 세균과 미생물의 움직임으로 인해 레이저 스페클의 패턴이 시간에 따라 지속적으로 변화될 수 있다. 이에 따라, 기준시간마다 측정된 레이저 스페클 영상에서, 레이저 스페클의 패턴이 기정의된 오차범위 이상으로 변한 경우, 측정부(220)는 샘플(201)에 세균 및 미생물이 존재하는 것으로 결정할 수 있다.
이때, 레이저 스페클의 패턴의 변화 정도는 세균 및 미생물의 농도에 따라 결정될 수 있다. 이에 따라, 시간 상관 관계 분석을 통해 세균 및 미생물의 농도가 측정될 수 있다. 예를 들어, 레이저 스페클의 패턴의 변화 정도를 측정하기 위해 레이저 스페클의 빛 세기의 표준 편차가 이용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 있어서, 시간에 따라 측정된 레이저 스페클의 빌 세기의 표준편차 분포를 도시한 도면이다.
도 8을 참고하면, 측정부(220)는 기준 시간마다 측정된 레이저 스페클 영상을 대상으로, 레이저 스페클의 빛 세기(intensity)의 표준편차를 계산할 수 있다.
샘플(201) 내에 존재하는 세균 및 미생물이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 측정부(220)는, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 샘플(201)에서 세균 및 미생물이 있는 곳을 측정할 수 있으며, 세균 및 미생물의 분포도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 측정부(220)는 기정의된 시간마다 측정된 레이저 스페클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 레이저 스페클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 레이저 스페클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 2에 기초하여 계산될 수 있다.
[수학식 2]
수학식 2에서, S: 표준편차, ( x,y ): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, I t : t 시간에 측정된 빛 세기, 
: 시간에 따른 평균 빛 세기를 나타낼 수 있다.
세균 및 미생물의 움직임에 따라 보강 및 상쇄 간섭 패턴이 달라지게 되고, 수학식 2에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 세균 및 미생물의 농도가 측정될 수 있다.
그리고, 측정부(220)는 레이저 스페클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 세균 및 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 샘플(201)에 포함된 세균 및 미생물의 분포도, 즉, 농도를 측정할 수 있다.
이하에서는 도 9 내지 도 12를 참고하여, 레이저 스페클에 기초하여 배양접시 내 미생물의 존재 유무를 탐지하는 동작에 대해 설명하기로 한다,
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 레이저 스페클의 형태를 도시한 도면이다.
배양접시는 약간 투명하게 보이지만, 내부 굴절률의 불균질한 분포로 인해, 레이저와 같이 간섭성(coherency)이 좋은 광원을 이용해서 광을 조사하는 경우, 다중 산란(multiple scattering)이 발생할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 다중 산란이된 빛의 공간적인 세기 분포는 매우 복잡한 형태를 가지는 데 이를 레이저 스페클(laser speckle) 패턴(pattern)이라고 할 수 있다. 즉, 도 9를 참고하면, 복잡한 다중 산란으로 인해 측정 면의 각 지점에서 빛이 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키는 정도가 다르므로 레이저 스페클이 발생할 수 있다. 이때, 산란을 일으키는 물질인 배양접시가 움직이지 않는다면 스페클의 형태가 바뀌지 않을 수 있다. 이처럼, 도 9와 같이 스페클의 형태가 변경되지 않는 것은 산란 현상이 파동방정식으로 결정되는 현상이기 때문이다.
이때, 배양접시 내에 미생물이 존재하는 경우, 미생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 바뀔 수 있다. 스페클 패턴이 빛의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스페클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스페클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 미생물의 생명활동을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스페클 패턴의 시간적인 변화를 측정하기 위해서는 배양접시 내에 스페클을 형성하고, 형성된 스페클 패턴의 시간 변화를 측정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 배양 접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
그리고, 도 10의 각 단계들(1001 내지 1003 단계)은 도 2의 미생물 탐지 장치(200)의 각 구성 요소(예컨대, 광원 및 측정부)에 의해 수행될 수 있으며, 광원 및 측정부, 그리고 샘플인 배양접시는 도 3 내지 도 5의 구조로 배치될 수 있다.
1001 단계에서, 광원(210)은 배양접시 내에 광을 조사할 수 있다.
예를 들어, 배양접시 내에 스페클을 형성하기 위해서는 간섭성(coherence)이 좋은 레이저 광원이 광원(210)으로 이용될 수 있다. 이때, 레이저 광원의 간섭성을 결정하는 광원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 광원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저 광원이 광원(210)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 3의 조건이 유지되도록 광원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
[수학식 3]
수학식 3에 따르면, 레이저 스페클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 배양접시 내에 광을 조사 시에, 광원(210)의 스펙트럴 대역폭은 1nm 미만을 유지될 수 있다.
이때, 도 3 및 도 5와 같이, 광원(210)인 레이저가 샘플인 배양접시에 반사되는 형태, 또는 도 4와 같이 광원(210)인 레이저가 샘플인 배양접시를 투과하는 형태로 광이 조사될 수 있다.
1002 단계에서, 측정부(220)는, 일정 간격으로 기준 시간마다 배양 접시 내에 형성된 레이저 스페클을 측정할 수 있다.
예컨대, 일정 간격으로 기준 시간마다 배양 접시에 광이 조사됨에 따라, 배양 접시 내에 레이저 스페클이 형성될 수 있으며, 카메라 등을 이용하여 다중 산란이 발생하는 배양 접시가 촬영됨에 따라, 레이저 스페클이 형성된 레이저 스페클 영상이 생성될 수 있다. 이때, 생성된 복수의 영상들의 스페클 패턴을 측정하기 위해 2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 포함하는 카메라가 측정부(220)로 이용될 수 있다. 예컨대, CCD 등의 촬상소자를 탑재한 카메라가 측정부(220)로 이용될 수 있다.
이때, 측정부(220)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스페클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 4의 조건을 만족하도록, 도 3 내지 도 5의 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.
[수학식 4]
수학식 4와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스페클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플(undersample)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스페클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
이때, 도 4 내지 도 6과 같이, 배양접시로 입사되는 광과 카메라 등의 센서의 위치는 자유롭게 구성될 수 있다. 예컨대, 카메라 픽셀(pixel)의 크기와 스페클 입자 크기(speckle grain size) 간에 기정의된 조건이 맞으면 상기 입사되는 광과 카메라 등의 센서의 위치는 어떠한 위치에서도 배치 가능하도록 구현될 수 있다. 이때, 레이저 광원으로부터 카메라까지의 거리는 레이저 광원의 간섭길이(coherence length)에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 간섭길이(coherence length)는 빛이 간섭을 일으킬 수 있는 거리를 나타내는 것으로서, 간섭길이(coherence length)가 긴 광원을 이용할수록 레이저와 카메라 위치(즉, 레이저 광원과 카메라 간의 거리)를 멀리 두고 광학계가 구성될 수 있다.
1003 단계에서, 측정부(220)는 측정된 복수의 스페클 간의 동적 변화에 기초하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다.
스페클 패턴의 동적 변화를 비교하기 위해서는 서로 다른 시간에 측정된 최소 둘 이상의 영상이 필요할 수 있다. 예를 들어, 1002 단계에서, 일정한 간격으로 기준 시간마다 둘 이상의 레이저 스페클 영상이 생성될 수 있다. 예컨대, 현재 시간에 레이저 광을 조사하여 배양접시를 촬영함으로써 생성된 레이저 스페클 영상 1, 10초 후에 광을 조사하여 배양접시를 촬영함으로써 생성된 레이저 스페클 영상 2가 존재할 수 있다. 이외에, 다시 10초 후에 레이저 스페클 영상 3, 다시 10초 후에 레이저 스페클 영상 4 등과 같이, 처음 광을 조사한 이후 일정 간격마다 광을 조사하여, 결국 n-1초 후에 n개의 레이저 스페클 영상이 생성될 수 있다. 그러면, 생성된 레이저 스페클 영상 간의 차이를 분석하여 배양접시 내의 미생물 존재유무가 탐지될 수 있다.
이때, 두 개의 스페클 영상을 이용하여 미생물의 존재유무를 탐지하는지 또는 셋 이상의 스페클 영상을 이용하여 미생물의 존재유무를 탐지하는지에 따라 미생물 탐지 방법이 달라질 수 있다.
일례로, 도 11을 참고하면, 일정 시간 간격으로 광을 조사함에 따라 각각의 시간에서 생성된 두 개의 스페클 영상을 이용하는 경우, 배양접시 내에 미생물이 존재하지 않으면(agar plate) 0초에 측정한 스페클 영상과 10초에 측정한 스페클 영상 간의 차이가 기정의된 제1 기준값 이하로 매우 미미할 수 있다. 간혹 작은 차이가 존재할 수 있으나, 이는 수분 증발, 진동 등과 같이 실험 시에 존재하는 모든 잡음(noise)의 영향으로 해석될 수 있다. 이때, 배양접시 내에 미생물이 존재하는 경우(예컨대, B. cereus, E. coli 등), 0초에 생성된 스페클 영상과 10초에 생성된 스페클 영상 간에 차이가 기정의된 제2 기준값 이상일 수 있다. 즉, 0초와 10초 사이에 측정한 스페클 패턴의 차이가 제2 기준값 이상으로, 패턴에 큰 변화가 존재하면, 배양 접시 내에 박테리아 등의 미생물이 존재함을 탐지할 수 있다.
이처럼, 측정부(220)는 두 스페클 영상 간의 차이(예컨대, 픽셀값 차이 등)가 제1 기준값 이하인지 여부, 그리고, 제2 기준값 이상인지 여부를 체크하여, 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다. 이때, 제1 기준값과 제2 기준값을 동일한 값으로 정의될 수도 있고, 서로 다른 값으로 정의될 수도 있다.
다른 예로, 일정 시간 간격으로 측정된 셋 이상의 스페클 영상을 이용하는 경우, 측정부(220)는 셋 이상의 스페클 영상에서 시간 상관 분석(time correlation analysis)을 수행하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다.
즉, 측정부(220)는 일정 시간 간격으로 서로 다른 시점에 배양 접시로 광이 조사되어 다중산란(multiple scattering)됨에 따라 형성된 레이저 스페클(laser speckle) 간의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다. 예를 들어 각 시간 t에 대해 측정한 스페클 영상을 평준화한 데이터를 
라고 하면, 측정부(220)는 특정 지연 시간 τ에 대해, 각 지점에서 시간 상관 계수를 위의 수학식 1에 기초하여 계산할 수 있다. 이러한 시간 상관 관계 분석을 통해 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부가 탐지된 실험결과는 도 12와 같을 수 있다. 여기서, 수학식 1에 기초하여 시간 상관 계수를 계산하는 구성 및 계산된 시간 상관 계수에 기초하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 것은 이미 수학식 1에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 스페클 패턴의 시간적인 변화를 측정하여 미생물의 존재유무를 탐지함으로써, 미생물을 며칠에 걸쳐 배양하지 않고도 수초 안에 신속하게 탐지할 수 있을 뿐만 아니라, 항생제에 대한 반응성을 비접촉으로 정밀하게 측정할 수 있다. 예컨대, 기존의 1일에서 4일까지 걸리는 배양과정을 생략하고(즉, 배양과정 없이), 배양접시 등의 샘플에 레이저 광을 조사하여 레이저 스페클을 측정하는 것만으로 즉각적으로 미생물의 존재여부를 탐지할 수 있다. 이에 따라, 미생물이 존재하는 것으로 탐지되면, 탐지된 미생물에 대한 반응성을 바로 그 자리에서 측정할 수 있어, 미생물을 다루는 생명과학과 의학 분야에서는 상당한 시간을 단축할 수 있다.
그리고, 도 3 내지 도 5와 같이, 레이저 광원과 이미지 센서만으로 광학계의 구현이 가능하므로, 저렴한 가격으로 광학계를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 소형 제작이 가능하므로 다양한 실험 환경에서 폭넓게 적용될 수 있다. 그리고, 미생물 탐지를 위해 광학적인 측정을 이용하므로, 항원-항체 등 표적 물질의 사용이 필요없고, 유전자 증폭 기술 등과 같이 시편을 채취할 필요도 없으므로, 미생물 측정 과정에서 발생하는 비용을 절감시킬 수 있다. 다시 말해, 미생물이 존재하는 배양접시 내에 항생제가 주입될 수 있다. 그리고, 항생제가 주입된 배양접시로 도 4 내지 도 6의 광학계를 형성하는 광원에서 광을 조사할 수 있다. 그러면, 항생제가 주입된 배양접시 내에 입사된 광이 다중산란됨에 따라 형성된 레이저 스페클을 기정의된 일정 간격마다 서로 다른 시점에 촬영함으로써, 복수개의 레이저 스페클 영상이 생성될 수 있다. 생성된 복수의 레이저 스페클 영상 간의 동적 변화에 기초하여 상기 미생물의 항생제에 대한 반응성을 측정, 즉, 탐지할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (12)
- 미생물을 탐지하기 위해 배양접시 내에 광을 조사하는 광원; 및
상기 배양접시에 입사된 광에 기초하여 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클(laser speckle)을 일정 간격으로 측정하고, 측정된 복수의 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 측정부
를 포함하는 미생물 탐지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 배양접시 내에 항생제가 주입됨에 따라, 항생제가 주입된 배양접시에 형성된 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 미생물의 항생제에 대한 반응성을 측정하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 일정 간격으로 서로 다른 시점에 촬영된 복수의 영상들을 대상으로, 각 영상에 해당하는 레이저 스페클의 패턴(pattern) 변화에 기초하여 상기 미생물의 존재여부를 탐지하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 복수의 레이저 스페클의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 상기 미생물의 존재 여부를 탐지하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 장치. - 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 포함하고,
상기 이미지 센서는, 상기 이미지 센서의 한 픽셀의 크기와 스페클 패턴의 입자 크기(grain size)에 기초하여 스페클 패턴을 탐지하도록 결정된 위치에 배치되는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 장치. - 미생물을 탐지하기 위해 배양접시 내에 광을 조사하는 단계;
상기 배양접시에 입사된 광에 기초하여 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클(laser speckle)을 일정 간격으로 측정하는 단계; 및
측정된 복수의 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계
를 포함하는 미생물 탐지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는,
상기 배양접시 내에 항생제가 주입됨에 따라, 항생제가 주입된 배양접시에 형성된 레이저 스페클의 동적 변화에 기초하여 상기 미생물의 항생제에 대한 반응성을 측정하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는,
상기 일정 간격으로 서로 다른 시점에 촬영된 복수의 영상들을 대상으로, 각 영상에 해당하는 레이저 스페클의 패턴(pattern) 변화에 기초하여 상기 미생물의 존재여부를 탐지하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는,
상기 복수의 레이저 스페클의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 상기 미생물의 존재 여부를 탐지하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 방법. - 제6항에 있어서,
상기 측정하는 단계는,
2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 이용하여 상기 배양접시에 입사된 광이 다중 산란됨에 따라 상기 배양접시 내에 형성된 레이저 스페클을 측정하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이미지 센서는, 상기 이미지 센서의 한 픽셀의 크기와 스페클 패턴의 입자 크기(grain size)에 기초하여 스페클 패턴을 탐지하도록 결정된 위치에 배치되는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 방법. - 제10항에 있어서,
상기 배양접시에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지하는 단계는,
상기 2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 이용하여 상기 광이 입사되는 배양접시 내를 서로 다른 시점에 촬영하여 복수개의 레이저 스페클 영상을 생성하는 것
을 특징으로 하는 미생물 탐지 방법.
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