KR20180073428A

KR20180073428A - 주사탐침 현미경을 이용한 악성 흑색종 진단 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20180073428A
Application number: KR1020170110486A
Authority: KR
Inventors: 최태현; 조성진; 허우준; 전병준; 오보이 매이단강; 김영민; 박지호; 황연; 김정아; 김병준; 심정희; 최은정; 윤대성; 이원석
Original assignee: 서울대학교병원; 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-07-02
Also published as: KR101967916B1; EP3561522A4; EP3561522A1; US20190361046A1

Abstract

캔틸레버(Cantilever)를 구비한 주사탐침 현미경 시스템의 악성 흑색종 판단 방법으로서, 시료 조직에서 측정할 복수의 측정 지점들의 위치를 설정하는 단계, 상기 시료 조직 위의 각 측정 지점에 상기 캔틸레버를 통해 일정 범위의 힘을 가하고, 측정 지점별로 힘에 따른 탐침과 상기 시료 조직의 거리 정보를 획득하는 단계, 상기 복수의 측정 지점들에서 획득한 힘에 따른 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프를 생성하는 단계, 그리고 상기 힘-거리 그래프로부터 추출한 상기 시료 조직의 특성 정보를 기초로 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

Description

주사탐침 현미경을 이용한 악성 흑색종 진단 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING MALIGNANT MELAMOMA BY USING SCANNING PROBE MICROSCOPY}

본 발명은 악성 흑색종 판단 기술에 관한 것이다.

국내에서 암으로 사망하는 사람의 수는 전체 사망자수의 매년 30%이상에 이르며 피부암의 경우, 환경오염으로 인한 자외선 및 피부에 각종 유해 물질의 노출 기회가 증대되어 계속적으로 발생 빈도가 증가하는 추세이다. 피부암은 편평세포암, 기저세포암, 악성 흑색종 등으로 다양하고, 이 중에서 악성 흑색종은 멜라닌세포의 악성 종양으로 멜라닌세포가 존재하는 곳에는 어느 부위에서나 발생할 수 있으며 말기에 발견되는 경우가 많아 5년 생존율이 희박한 매우 위험한 암이다.

현재까지 일반적인 피부암 및 악성 흑색종의 임상 진단 기술은 의사의 눈을 통한 병변의 비대칭성, 경계, 색상, 지름 등의 특징을 구분해 내는 ABCD 식별법과 유전적 가족력을 통하여 판단하는 방법 등이 주로 이용된다. 피부암 진단의 약 56%에서 90%가 ABCD 식별법과 조직 병리학적 검사 절차로 진행되며 약 60% 정도의 민감도를 가진다. 따라서, 처음 환자의 병변을 확인할 때에는 양성 점과 악성 흑색종의 구분이 어렵다.

기존의 병리학적 진단 기술의 한계를 극복하며 악성 흑색종을 진단하기 위해 편광된 빛 소스를 통해 악성 흑색종 병변을 검사하는 광학적 Dermoscopy 기술이 이용되어 왔다. 그러나 이 기술은 훈련이 되어있거나 임상 경험이 풍부한 전문의만이 사용 및 해석이 가능하고, 민감도가 낮은 한계가 있다.

최근, 나노 마이크로 기술의 발달에 따라 국내외적으로 각종 암 관련 세포 및 조직 분석 기술 개발이 진행되고 있고, 세포수준에서의 흑색종 연구는 있으나 조직에서의 사례는 드물다. 기존 나노 기술 중에서 광학 및 마그네틱 트위징 기술은 별도의 MEMS/NEMS 공정 및 복잡한 실험 방법을 요구하며, 악성 흑색종의 특성에 관하여 완전히 설명되지 못하고 있는 한계가 있다. 특히 단순히 악성 흑색종의 검지뿐만 아니라 오진이 발생할 수 있는 양성 조직과의 명확한 차이를 구별할 수 있는 기술이 부재하며 이에 따라 정확한 구별 기술이 요구되고 있다.

따라서 낮은 민감도 및 오진 가능성이 존재하는 현재의 피부암 및 악성 흑색종 진단 기술 속에서, 악성 흑색종을 신속 명확하게 구별하고, 정량화된 악성 흑색종 진단 기술 개발이 필요하다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주사탐침 현미경을 통해 피부 조직의 힘-거리 그래프를 포함하는 기계적 특성을 획득하고, 이를 기초로 악성 흑색종 여부를 판단하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

한 실시예에 따른 캔틸레버(Cantilever)를 구비한 주사탐침 현미경 시스템의 악성 흑색종 판단 방법으로서, 시료 조직에서 측정할 복수의 측정 지점들의 위치를 설정하는 단계, 상기 시료 조직 위의 각 측정 지점에 상기 캔틸레버를 통해 일정 범위의 힘을 가하고, 측정 지점별로 힘에 따른 탐침과 상기 시료 조직의 거리 정보를 획득하는 단계, 상기 복수의 측정 지점들에서 획득한 힘에 따른 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프를 생성하는 단계, 그리고 상기 힘-거리 그래프로부터 추출한 상기 시료 조직의 특성 정보를 기초로 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계를 포함한다.

상기 특성 정보는 상기 힘-거리 그래프의 선형성, 상기 힘-거리 그래프의 기울기, 상기 복수의 측정 지점의 단단함 분포 그리고 상기 복수의 측정 지점의 단단함 분포 확률 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 힘-거리 그래프를 기초로 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프를 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는 상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단할 수 있다.

상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는 상기 힘-거리 그래프가 선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 정상으로 판단할 수 있다.

상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는 상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점으로 판단할 수 있다.

상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는 상기 시료 조직의 제1 힘-거리 그래프가 정상 조직의 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 복수 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단할 수 있다.

상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는 상기 제1 힘-거리 그래프가 상기 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단할 수 있다.

다른 실시예에 따른 주사탐침 현미경 시스템으로서, 탐침이 달려있는 캔틸레버(Cantilever), 그리고 상기 캔틸레버를 통해 시료 조직 위의 복수의 측정 지점 각각에 일정 범위의 힘을 가하고, 측정 지점별로 힘에 따른 상기 탐침과 상기 시료 조직의 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프를 생성하며, 상기 힘-거리 그래프로부터 추출한 상기 시료 조직의 특성 정보를 기초로 악성 흑색종 여부를 판단하는 제어기를 포함한다.

상기 제어기는 상기 힘-거리 그래프를 기초로 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프를 생성하고, 상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단할 수 있다.

상기 제어기는 상기 힘-거리 그래프가 선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 정상으로 판단하고, 상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점으로 판단할 수 있다.

상기 제어기는 상기 시료 조직의 제1 힘-거리 그래프가 정상 조직의 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 복수 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단할 수 있다.

상기 제어기는 상기 제1 힘-거리 그래프가 상기 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단할 수 있다.

상기 캔틸레버는 204~497KHz의 공진주파수 그리고 10~130N/m의 스프링 상수를 가질 수 있다.

상기 시료 조직은 표피층(Epidermis)과 진피층(dermis)을 포함하는 피부 조직일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 기존의 악성 흑색종 검지 기술의 낮은 민감도와 오진 가능성을 줄일 수 있고, 악성 흑색종을 조기 진단을 할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면 비정상적인 멜라닌세포의 분화로 인하여 정상이나 양성 점 조직과는 다른 악성 흑색종의 조직 특성을 획득함으로써, 악성 흑색종을 신속 명확하게 구분할 수 있고, 정량화된 악성 흑색종 진단 지표를 제공할 수 있다.

임상 경험이 풍부한 전문의만이 사용 및 해석이 가능한 종래의 기술에 비해, 본 발명의 실시예에 따르면 생조직을 포함하는 악성 흑색종 조직염색표본을 주사탐침 현미경을 이용하여 측정한 기계적 특성으로 양성 점과 악성 흑색종을 구별할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 주사탐침 현미경을 위한 시료 조직 획득 및 장착을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 주사탐침 현미경 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 획득한 정상, 양성 점, 악성 흑색종의 표면 이미지 예시이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직의 힘-거래 그래프의 예시이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직의 단단함 분포의 예시이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직의 단단함 분포 확률 그래프의 예시이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 조직 진단 방법의 흐름도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 주사탐침 현미경을 위한 시료 조직 획득 및 장착을 설명하는 도면이다.

도 1의 (a)를 참고하면, 주사탐침 현미경에 장착되는 피부 시료 조직은 조직생검(tissue biopsy)으로부터 다음과 같이 획득될 수 있다.

병리학적 검사에 이용하는 파라핀을 조직 내로 침투(Paraffin embedding)시켜 파라핀 블록을 획득한다. 그리고, 파라핀 블록을 다시 박절하여 4um 두께의 절편(Block section)으로 제작한다.

이후 조직 절편들에 통상적인 Hematoxylin & Eosin 염색(H&E Staining)하여 시료 조직들을 획득한다. 시료 조직들은 보관될 수 있는 형태로 제작된다(slide storage). 이때, 시료 조직은 염색을 하지 않고, 생조직으로도 제작될 수 있다.

시료 조직(10)은 주사탐침 현미경 시스템(20)에 장착되고, 캔틸레버(Cantilever)의 탐침으로 눌려지는데, 이러한 인덴테이션(indentation, 압흔)으로 시료 조직(10)의 기계적 특성이 획득된다. 캔틸레버를 포함하는 주사탐침 현미경 시스템(20)은 도 2에서 자세히 설명한다. 기계적 특성은 시료 조직의 각 지점에서 가해진 힘에 따라 눌려진 거리를 나타내는 힘-거리 그래프, 이의 선형성과 기울기, 각 지점에서 가해진 힘에 따라 획득된 단단함 지표를 포함한다.

도 1의 (b)를 참고하면, 시료 조직(10)은 피부 조직에서 표피층(Epidermis)과 진피층(dermis), 필요 시 피하지방층까지를 포함하도록 제작된다.

악성 흑색종으로 의심되는 시료 조직만의 특성으로 악성 흑색종 여부가 결정될 수 있고, 또는 악성 흑색종으로 의심되는 시료 조직과 이에 대조되는 대조군의 특성을 비교하여 악성 흑색종 여부가 결정될 수 있다. 여기서 대조군은 정상 시료 조직 또는 양성 점 시료 조직 중 적어도 하나일 수 있다. 따라서, 시료 조직(10)은 악성 흑색종으로 의심되는 시료 조직과 이에 대조되는 정상 시료 조직 또는 양성 점 시료 조직을 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 주사탐침 현미경 시스템의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따라 획득한 정상, 양성 점, 악성 흑색종의 표면 이미지 예시이다.

도 2를 참고하면, 주사탐침 현미경 시스템(20)은 피부 시료 조직(10)에 힘을가해 기계적 특성[힘-거리 그래프, 단단함(stiffness) 지표]을 획득하고, 표면적 특성(표면 이미지)을 획득한다. 주사탐침 현미경 시스템(20)은 캔틸레버로 시료 조직(10)을 누르거나, 탐침과 시료 조직(10)의 원자 사이 힘에 의해 캔틸레버가 위아래로 휘는 정도로 표면 이미지를 추출하는 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscope, AFM)일 수 있다.

주사탐침 현미경 시스템(20)은 탐침이 달려 있는 캔틸레버(100), 레이저(200), 광학 검출기(Photo Detector)(300), 시료 조직(10)을 움직이는 압전 구동기(Piezo Scanner)(400), 그리고 제어기(Controller)(500)를 포함한다. 광학 검출기(300)는 광다이오드(Photodiode)일 수 있다. 본 발명에서는 설명을 위해, 캔틸레버(100)는 고정되고 시료 조직(10)이 압전 구동기(400)에 의해 움직이는 것으로 가정하나, 피부 시료 조직(10)은 고정되고 캔틸레버(100)가 움직이도록 구현될 수 있다. 본 발명에서는 설명을 위해, 제어기(500)가 주사탐침 현미경 시스템(20)에 포함된 장치들을 피드백 제어하면서, 악성 흑색종 판단을 하는 것으로 설명하나, 주사탐침 현미경 시스템(20)으로부터 측정된 정보를 기초로 악성 흑색종 판단을 하는 판단 장치가 별도로 구현될 수 있다.

주사탐침 현미경 시스템(20)은 레이저(200)에서 발산된 광선이 캔틸레버(100)의 윗면에서 반사되고, 광학 검출기(300)에서 캔틸레버(100)의 윗면에서 반사된 반사광을 검출하도록 배치된 캔틸레버(100), 레이저(200), 광학 검출기(300)를 포함한다. 그리고, 주사탐침 현미경 시스템(20)은 시료 조직(10)이 장착되고, 시료 조직(10)을 좌우로 움직이거나, 위아래로 움직이는 압전 구동기(400)를 포함한다. 주사탐침 현미경 시스템(20)은 기계적 특성을 추출할 시료 조직상의 측정 지점들 위치(예를 들면, 병변 위치)나 측정 지점들 개수가 정해지면, 측정 지점들을 이동하면서 각 지점에 힘을 가하는 동작을 반복한다. 예를 들면, 각 측정 지점간의 간격은 4.5um이내이고, 100여개 지점이 측정 지점으로 설정될 수 있으나, 간격 및 측정 지점의 수는 시료 조직 및 측정 방법에 따라 가변될 수 있다.

제어기(500)는 광학 검출기(300) 및 압전 구동기(400)에 대한 피드백 제어를 하고, 광학 검출기(300) 및 압전 구동기(400)로부터 획득한 정보를 기초로 피부 시료 조직(10)의 기계적 특성(힘-거리 그래프) 및 표면적 특성(표면 이미지)을 추출하고, 최종적으로 악성 흑색종 여부를 판단한다.

캔틸레버(100)는 측정하고자 하는 피부 조직의 특성 및 시료 크기에 따라 탐침, 길이, 두께, 물질, 공진주파수, 스프링 상수 등이 결정될 수 있다. 예를 들면, 캔틸레버(100)는 약 30nm로 알루미늄 코팅이 되어 있으며, 길이는 약 115~135um, 두께는 3~5um, 공진주파수는 204~497KHz, 스프링 상수는 10~130N/m일 수 있다. 캔틸레버(100)는 시료 조직의 표면 형상 이미지화에 이용될 뿐 아니라, 힘-거리 그래프 및 단단함 지표를 획득하기 위해 시료 조직을 눌러야 하므로, 이를 고려하여 탐침, 길이, 두께, 물질, 공진주파수, 스프링 상수 등이 결정된다.

캔틸레버(100)의 끝부분에 달려있는 탐침과 시료 조직(10)의 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버(100)가 아래위로 휘는데, 이때 광학 검출기(300)를 통해, 탐침의 원자와 시료 조직의 원자 사이의 상호작용력(발데르발스힘) 등에 의해 휘게 된다.

제어기(500)는 측정된 원자 사이의 힘이 일정하게 유지되도록 피드백 제어하면서 캔틸레버(100) 또는 압전 구동기(400)를 움직여서 시료 조직(10)의 표면 형상을 나타내는 이미지를 생성한다. 이때, 제어기(500)는 탐침이 시료 조직(10)을 태핑하는 태핑(tapping) 모드를 이용하여 시료 조직의 병변의 기하학적 표면 특성을 이미지화할 수 있다. 이미지 크기는 60x60 ~ 90x90um²으로 다양할 수 있다.

도 3을 참고하면, 주사탐침 현미경 시스템(20)은 태핑 모드로 정상 조직(normal), 양성 점 조직(nevus), 악성 흑색종 조직(melanoma)의 표면 이미지를 획득할 수 있다.

제어기(500)는 캔틸레버(100)를 통해 시료 조직(10)의 각 측정 지점에 힘을 가하면서, 힘에 따른 탐침과 조직의 거리를 힘-거리 그래프로 생성한다. 탐침과 조직의 거리는 힘이 0uN인 경우, 0um(조직 표면)이고, 힘의 크기가 증가할수록 탐침이 조직에 침습하여 마이너스 값으로 거리값(예를 들면, 0에서 -0.05um, -0.1um 등)이 표현될 수 있다. 제어기(500)는 측정 지점들(예를 들면, 4.5um간격의 100개의 지점들)에서 획득한 힘에 따른 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프를 생성한다. 측정 지점들의 힘-거리 그래프가 비선형(Non-linearity)인 경우, 시료 조직은 악성 흑색종으로 판단된다.

제어기(500)는 측정 지점들에서 획득한 힘에 따른 거리 정보(힘-거리 그래프)를 기초로 단단함 분포 확률 그래프를 생성한다. 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크(Multi-peak)를 가지는지 경우, 시료 조직은 악성 흑색종으로 판단된다.

제어기(500)는 정확성을 높이기 위해, 힘-거리 그래프가 비선형이고 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지는 경우, 악성 흑색종으로 판단한다. 또는, 제어기(500)는 힘-거리 그래프가 기준값이 이상으로 비선형이면, 악성 흑색종으로 판단할 수 있고, 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지면, 악성 흑색종으로 판단할 수 있다.

만약, 힘-거리 그래프가 선형이고 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 제어기(500)는 시료 조직을 정상 조직으로 판단한다. 힘-거리 그래프가 유사 선형이거나 비선형이고 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 제어기(500)는 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직의 힘-거래 그래프의 예시이다.

도 4를 참고하면, (a)는 정상 조직 위에 위치한 캔틸레버를 촬영한 광학 이미지이다. (b)는 양성 점 조직 위에 위치한 캔틸레버를 촬영한 광학 이미지이다. (c)는 악성 흑색종 조직 위에 위치한 캔틸레버를 촬영한 광학 이미지이다.

이렇게, 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직을 포함하는 측정 지점들에서 캔틸레버에 힘을 가해 획득한 힘-거리 그래프는 (d), (e), (f)와 같다. 측정 지점들에서 획득된 힘-거리 그래프의 선형성과 기울기는 각 시료 조직의 특성을 나타낸다. 선형 그래프일수록 조직의 점성이 줄어듦을 의미한다. 기울기가 가파를수록 조직이 단단함을 의미한다.

정상 조직의 힘-거리 그래프 (d)를 살펴보면, 측정 지점들에서 획득된 그래프가 선형적이다.

악성 흑색종의 힘-거리 그래프 (f)를 살펴보면, 측정 지점들에서 획득된 그래프가 비선형적이고, 기울기 분포도 다양하다. 즉, 악성 흑색종 조직은 비선형적인 힘-거리 그래프로 나타남을 알 수 있다.

양성 점 조직의 힘-거리 그래프 (e)를 살펴보면, 측정 지점들에서 획득된 그래프가 대체로 선형적이고, 정상 조직의 힘-거리 그래프 (d)에 비해 기울기가 가파르다. 따라서, 양성 점 조직은 정상 조직에 비해 단단함을 알 수 있다.

이와 같이, 악성 흑색종 조직은 정상 조직과 확연한 기계적 특성 차이를 나타낼 뿐만 아니라, 기존의 방법에서는 검지하기 어려웠던 양성 점 조직과의 특성 차이도 명확하게 구별되므로, 주사탐침 현미경 시스템(20)은 임의 시료 조직에서 획득된 힘-거리 그래프를 기초로, 시료 조직이 악성 흑색종인지를 판단할 수 있다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직의 단단함 분포의 예시이고, 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직의 단단함 분포 확률 그래프의 예시이다.

도 5를 참고하면, 도 4의 힘-거리 그래프 (d), (e), (f)로부터 획득한 측정 지점들의 단단함 분포를 컬러로 표시하면, 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직에 따라 분포 차이가 있다. 즉, 얻어진 힘-거리 그래프에서 도 5와 같이 단단함 분포를 컬러로 표시가 가능하며, 또한 단단함을 나타내는 지표도 Hertz 모델을 이용하여 도출할 수 있다. 도 5에서, 메쉬 블록은 100개(=10*10) 지점의 단단함 분포를 컬러로 표시한 도면이다.

단단함 분포에 따르면, 정상 조직(a) 양성 점 조직(b)의 단단함 분포는 균일한 특성을 보이고, 양성 점 조직(b)은 정상 조직(a)보다 단단한 조직의 분포가 많다. 한편, 악성 흑색종 조직(c)은 말랑한 조직에서 단단한 조직까지 단단함 분포가 분산된 것을 알 수 있다.

따라서, 임의 시료 조직에서 획득된 단단함 분포를 기초로, 시료 조직이 악성 흑색종인지를 구별할 수 있다.

도 6을 참고하면, 도 4의 힘-거리 그래프 (d), (e), (f)로부터 획득한 단단함 분포 확률 그래프를 표시하면, 정상 조직, 양성 점 조직, 그리고 악성 흑색종 조직에 따라 차이가 있다.

도 6의 탄성 계수(elastic modulus)는 수학식 1과 같은 접촉역학(Contact mechanics)의 Hertz 모델을 이용하여 구할 수 있고, 이를 응용하여 구할 수 있다. 수학식 1에서, F는 탐침과 시료의 거리당 가해진 힘이며, E는 탄성계수, R은 탐침의 지름, δ는 탐침에 의하여 시료가 눌린 정도이다.

정상 조직(a) 및 양성 점 조직(b)의 단단함 분포 확률 그래프는 단일 피크를 지닌 가우시안 분포를 보인다. 악성 흑색종 조직(c)은 이와 달리 멀티 피크를 지닌 가우시안 분포를 보인다. 따라서, 임의 시료 조직에서 획득된 단단함 분포 확률 그래프를 기초로, 시료 조직이 악성 흑색종인지를 구별할 수 있다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 조직 진단방법의 흐름도이다.

도 7을 참고하면, 주사탐침 현미경 시스템(20)의 제어기(500)는 시료 조직에서 측정할 복수의 측정 지점들의 위치를 설정한다(S110). 측정 지점들은 예를 들면, 9um간격의 100개의 지점들로 설정될 수 있다.

제어기(500)는 캔틸레버(100)를 통해 시료 조직 위의 각 측정 지점에 일정 범위의 힘을 가해서, 각 측정 지점의 힘에 따른 탐침과 조직의 거리 정보를 획득한다(S120). 주사탐침 현미경 시스템(20)은 원자 힘 현미경(AFM) 시스템일 수 있다. 캔틸레버(100)의 길이는 약 115~135um, 두께는 3~5um, 공진주파수는 204~497 KHz, 스프링 상수는 10~130 N/m일 수 있다.

제어기(500)는 측정 지점들(예를 들면, 9um 간격의 100개의 지점들)에서 획득한 힘에 따른 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프와 시료 단단함 분포 확률 그래프를 생성한다(S130). 여기서, 거리는 탐침이 조직 표면에서 침습한 거리일 수 있다.

제어기(500)는 측정 지점들의 힘-거리 그래프가 비선형(Non-linearity)인지 판단한다(S140). 비선형성과 선형성을 판단하는 기준은 각 측정 지점의 힘-거리 그래프의 선형 정도나, 선형적인 측정 지점의 수 등 다양할 수 있다.

힘-거리 그래프가 비선형인 경우, 제어기(500)는 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크(Multi-peak)를 가지는지 판단한다(S150).

단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지는 경우, 제어기(500)는 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단한다(S160).

단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 제어기(500)는 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단한다(S170).

힘-거리 그래프가 선형인 경우, 제어기(500)는 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단한다(S180).

한편, 제어기(500)는 정상 조직의 힘-거리 그래프를 기준으로, 시료 조직의 힘-거리 그래프의 기울기, 선형성 등을 비교하여 정상 조직인지 아닌지를 판단할 수 있다. 정상 조직이 아닌 경우, 제어기(500)는 단단함 분포 확률 그래프의 피크 수를 기초로 양성 점과 악성 흑색종을 구별할 수 있다.

제어기(500)는 힘-거리 그래프가 비선형성과 단단함 분포 확률 그래프의 멀티 피크 여부를 순차적으로 판단하여 정상 조직, 양성 점 조직, 악성 흑색종을 단계적으로 판단할 수 있도록 설계될 수 있다. 또는 제어기는 힘-거리 그래프가 비선형성과 단단함 분포 확률 그래프의 멀티 피크 여부 중 적어도 하나를 기초로 정상 조직, 양성 점 조직, 악성 흑색종을 판단할 수 있도록 설계될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 기존의 악성 흑색종 검지 기술의 낮은 민감도와 오진 가능성을 줄일 수 있고, 악성 흑색종을 조기 진단을 할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면 비정상적인 멜라닌세포의 분화로 인하여 정상이나 양성 점 조직과는 다른 악성 흑색종의 조직 특성을 획득함으로써, 악성 흑색종을 신속 명확하게 구분할 수 있고, 정량화된 악성 흑색종 진단 지표를 제공할 수 있다.

임상 경험이 풍부한 전문의만이 사용 및 해석이 가능한 종래의 기술에 비해, 본 발명의 실시예에 따르면 악성 흑색종 조직염색표본을 주사탐침 현미경을 이용하여 측정한 기계적 특성으로 양성 점과 악성 흑색종을 구별할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

캔틸레버(Cantilever)를 구비한 주사탐침 현미경 시스템의 악성 흑색종 판단 방법으로서,
시료 조직에서 측정할 복수의 측정 지점들의 위치를 설정하는 단계,
상기 시료 조직 위의 각 측정 지점에 상기 캔틸레버를 통해 일정 범위의 힘을 가하고, 측정 지점별로 힘에 따른 탐침과 상기 시료 조직의 거리 정보를 획득하는 단계,
상기 복수의 측정 지점들에서 획득한 힘에 따른 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프를 생성하는 단계, 그리고
상기 힘-거리 그래프로부터 추출한 상기 시료 조직의 특성 정보를 기초로 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계
를 포함하는 악성 흑색종 판단 방법.
제1항에서,
상기 특성 정보는
상기 힘-거리 그래프의 선형성, 상기 힘-거리 그래프의 기울기, 상기 복수의 측정 지점의 단단함 분포 그리고 상기 복수의 측정 지점의 단단함 분포 확률 중 적어도 하나를 포함하는 악성 흑색종 판단 방법.
제1항에서,
상기 힘-거리 그래프를 기초로 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프를 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는
상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단하는, 악성 흑색종 판단 방법.
제3항에서,
상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는
상기 힘-거리 그래프가 선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 정상으로 판단하는, 악성 흑색종 판단 방법.
제3항에서,
상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는
상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점으로 판단하는, 악성 흑색종 판단 방법.
제1항에서,
상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는
상기 시료 조직의 제1 힘-거리 그래프가 정상 조직의 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 복수 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단하는, 악성 흑색종 판단 방법.
제6항에서,
상기 악성 흑색종 여부를 판단하는 단계는
상기 제1 힘-거리 그래프가 상기 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단하는, 악성 흑색종 판단 방법.
주사탐침 현미경 시스템으로서,
탐침이 달려있는 캔틸레버(Cantilever), 그리고
상기 캔틸레버를 통해 시료 조직 위의 복수의 측정 지점 각각에 일정 범위의 힘을 가하고, 측정 지점별로 힘에 따른 상기 탐침과 상기 시료 조직의 거리 정보를 기초로 측정 지점들의 힘-거리 그래프를 생성하며, 상기 힘-거리 그래프로부터 추출한 상기 시료 조직의 특성 정보를 기초로 악성 흑색종 여부를 판단하는 제어기
를 포함하는 주사탐침 현미경 시스템.
제8항에서,
상기 특성 정보는
상기 힘-거리 그래프의 선형성, 상기 힘-거리 그래프의 기울기, 상기 복수의 측정 지점의 단단함 분포 그리고 상기 복수의 측정 지점의 단단함 분포 확률 중 적어도 하나를 포함하는 주사탐침 현미경 시스템.
제8항에서,
상기 제어기는
상기 힘-거리 그래프를 기초로 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프를 생성하고, 상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 멀티 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단하는, 주사탐침 현미경 시스템.
제10항에서,
상기 제어기는
상기 힘-거리 그래프가 선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 정상으로 판단하고,
상기 힘-거리 그래프가 비선형이고, 상기 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점으로 판단하는, 주사탐침 현미경 시스템.
제8항에서,
상기 제어기는
상기 시료 조직의 제1 힘-거리 그래프가 정상 조직의 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 복수 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 악성 흑색종으로 판단하는, 주사탐침 현미경 시스템.
제12항에서,
상기 제어기는
상기 제1 힘-거리 그래프가 상기 제2 힘-거리 그래프와 다르고, 상기 제1 힘-거리 그래프에서 도출된 상기 시료 조직의 단단함 분포 확률 그래프가 단일 피크를 가지는 경우, 상기 시료 조직을 양성 점 조직으로 판단하는, 주사탐침 현미경 시스템.
제8항에서,
상기 캔틸레버는
204~497KHz의 공진주파수 그리고 10~130N/m의 스프링 상수를 가지는 주사탐침 현미경 시스템.
제8항에서,
상기 시료 조직은
표피층(Epidermis)과 진피층(dermis)을 포함하는 피부 조직인 주사탐침 현미경 시스템.