KR20210098733A - 스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치 - Google Patents

스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 적혈구 수명검사 장치는, 적혈구를 포함하는 혈액 샘플에 레이저를 조사하는 레이저부; 상기 레이저가 조사된 혈액 샘플의 스페클 이미지를 획득하는 촬영부; 및 상기 스페클 이미지로부터 상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간(speckle decorrelation time)을 결정하고, 상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 상기 적혈구의 기능검사를 수행하는 제어부;를 포함할 수 있다.

Description

스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치{Apparatus for red blood cell life test using speckle decorrelation time analysis}
본 발명은 적혈구 수명검사 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치에 관한 것이다.
질병을 진단 및 치료하고, 예후 판정을 내리기 위한 방법의 일환으로서 혈액검사가 이용되고 있다. 혈액검사는 몸 전체의 장기나 조직에 병변(病變)이 있는 경우 혈액의 성분에 변화가 발생되는 현상을 이용하여 질병의 진단에 유용한 검사인 바, 이와 같은 혈액검사방법은 혈액의 세포학적 및 이학적인 성질과 상태를 검사하는 형태학적 검사법과, 혈액속의 여러 성분을 생화학적 방법으로 측정하는 생화학적 검사법 및 VDRL, TPHA, FTA등과 같은 면역혈청학적 검사법으로 분류된다.
상기 형태학적 검사법은 환자로부터 채혈된 혈액중의 적혈구수, 혈색소량, 적혈구용적과 이들에서 계산되는 계수와 백혈구수, 혈소판수, 망상 적혈구수 등을 검사하고, 또 혈액 한 방울을 슬라이드 글라스에 얇게 바른 것을 염색하여 백혈구의 종류, 각종 혈구의 질적변화를 조사하는 한편, 출혈시간, 응고시간, 모세혈관 저항 등을 검사하여 출혈경향, 혈액질환, 감염증 등의 진단과 각종 질환의 경과와 예후판정에 도움이 되도록 하는 검사법이다.
다만, 이러한 종래의 검사방법은 적혈구 각각의 특징을 측정해야하며, 강한 압력을 가함으로 인하여 적혈구에 물리적 손상을 가할 수 있다는 문제점이 있다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-1749796호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 레이저가 조사된 혈액 샘플로부터 획득된 스페클 이미지를 분석하여 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간(speckle decorrelation time)을 결정하기 위한 적혈구 수명검사 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 적혈구 수명검사 장치는, 적혈구를 포함하는 혈액 샘플에 레이저를 조사하는 레이저부; 상기 레이저가 조사된 혈액 샘플의 스페클 이미지를 획득하는 촬영부; 및 상기 스페클 이미지로부터 상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간(speckle decorrelation time)을 결정하고, 상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 상기 적혈구의 기능검사를 수행하는 제어부;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제어부는, 상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 상기 적혈구의 수명을 측정할 수 있다.
실시예에서, 상기 적혈구 수명검사 장치는, 상기 혈액 샘플을 이동시키는 미세유동칩; 을 더 포함하고, 상기 레이저부는, 상기 미세유동칩을 통해 이동하는 혈액 샘플에 상기 레이저를 조사할 수 있다.
실시예에서, 상기 미세유동칩은, 상기 혈액 샘플이 주입되는 주입부, 상기 주입된 혈액 샘플이 이동하는 이동 채널 및 상기 이동된 혈액 샘플이 배출되는 배출부를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 적혈구 수명검사 장치는, 상기 미세유동칩과 결합되어 진공압을 통해 상기 혈액 샘플을 이동시키는 진공부; 를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 진공부는, 상기 배출된 혈액 샘플이 이동하는 이동관, 상기 이동관에 결합되어, 상기 혈액 샘플의 유동을 개폐하는 제1 밸브, 및 상기 이동관에 결합되어, 상기 제1 밸브의 개폐에 따라 상기 이동관 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 진공 펌프를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 진공부는, 상기 이동관에 결합되어, 상기 혈액 샘플의 이동을 완충하기 위한 완충부를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 진공 펌프는, 상기 제1 밸브가 폐쇄(close)된 후, 상기 이동관 내부를 진공 상태로 형성하고, 상기 제1 밸브는, 상기 이동관 내부가 진공 상태로 형성된 후, 개방(open)되며, 상기 이동관은, 상기 제1 밸브가 개방됨에 따라 발생하는 진공압에 기반하여 상기 혈액 샘플을 이동시킬 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 스페클이 변화하는 시간의 차이를 분석함으로써, 적혈구 검사 시 비교적 정확성이 높고, 미세유동칩 및 간단한 시스템의 구성으로 인해 운영가격이 저렴하고, 단시간의 측정이 가능한 시스템으로서 검사시간을 단축할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적혈구 수명검사 장치의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동 칩을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 이미지를 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장기간 경과 후 적혈구를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 저장기간에 대한 스페클 비상관성 시간 그래프를 도시한 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 빛 투과도 그래프를 도시한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적혈구 플로우 스피드 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 비상관성 시간에 대한 빛 이동 세기 그래프를 도시한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 빛 이동 세기 그래프에 대한 적혈구 플로우 스피드 그래프를 도시한 도면이다.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 비상관성 시간에 대한 적혈구 플로우 스피드 그래프를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 비상관도 시간 분석을 이용하는 적혈구 수명검사 장치를 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적혈구 수명검사 장치(100)의 기능적 구성을 도시한 도면이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 미세유동칩(120)을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 이미지를 도시한 도면이다.
도 1a 및 1b를 참고하면, 적혈구 수명검사장치(100)는 레이저부(110), 미세유동칩(120), 진공부(130), 촬영부(140) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
레이저부(110)는 적혈구를 포함하는 혈액 샘플에 레이저를 조사할 수 있다. 일 실시예에서, 미세유동칩(120)은 혈액 샘플을 이동시킬 수 있다. 이 경우, 레이저부(110)는 미세유동칩(120)을 통해 이동하는 혈액 샘플에 레이저를 조사할 수 있다.
일 실시예에서, 미세유동칩(120)은 혈액 샘플이 주입되는 주입부(122), 주입된 혈액 샘플이 이동하는 이동 채널(124) 및 이동된 혈액 샘플이 배출되는 배출부(126)를 포함할 수 있다.
진공부(130)는 미세유동칩(120)과 결합되어, 진공압을 통해 혈액 샘플을 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 진공부(130)는 배출된 혈액 샘플이 이동하는 이동관(132), 이동관(132)에 결합되어 혈액 샘플의 유동을 개폐하는 제1 밸브(134) 및 이동관(132)에 결합되어 제1 밸브(134)의 개폐에 따라 이동관(132) 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 진공 펌프(136)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 밸브(134)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 진공 펌프(136)는 제1 밸브(134)가 폐쇄(close)된 후, 이동관(132) 내부를 진공 상태로 형성할 수 있다. 예를 들어, 진공 펌프(136)는 실린지(syringe) 펌프를 포함할 수 있다.
제1 밸브(134)는 이동관(132) 내부가 진공 상태로 형성된 후, 개방(open)될 수 있다. 이에, 이동관(132)은 제1 밸브(134)가 개방됨에 따라 발생하는 진공압에 기반하여 혈액 샘플을 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 진공부(130)는 이동관(132)에 결합되어 혈액 샘플의 이동을 완충하기 위한 완충부(138)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 완충부(138)는 이동관(132)에 제2 밸브를 통해 결합될 수 있다. 예를 들어, 제2 밸브는 3-방향(way) 밸브를 포함할 수 있다. 완충부(138)는 빈 공간으로 형성된 용기를 포함할 수 있다.
촬영부(140)는 레이저가 조사된 혈액 샘플의 스페클 이미지를 획득할 수 있다. 이 경우, 스페클 이미지는 레이저가 혈액 샘플에 반사되거나 통과할 때 생기는 간섭에 의해 불규칙하게 생성되는 스페클 패턴을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 촬영부(140)는 혈액 샘플에 조사된 레이저가 투사되는 렌즈, 조리개, 편광판 및 카메라 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제어부는 스페클 이미지로부터 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간(speckle decorrelation time)을 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 적혈구의 기능을 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 제어부는, 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 적혈구의 수명을 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 이미지를 도시한 도면이다.
도 2를 참고하면, 스페클 이미지는 레이저가 혈액 샘플에 반사되거나 통과할 때 생기는 간섭에 의해 불규칙하게 생성되는 스페클 패턴을 포함할 수 있다.
스페클 이미지는 촬영부(140)에 의해 특정 주기마다 획득될 수 있다. 이 경우, 스페클 비상관성 시간은 스페클 패턴의 변형 속도를 변경시킬 수 있다.
일 실시예에서, 스페클 비상관성 시간은 하기 <수학식 1>에 기반하여 결정될 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 세기 자기상관성 함수(intensity autocorrelation function),
Figure pat00003
및
Figure pat00004
은 각 시간에 캡쳐된 세기(intensity), <>는 캡쳐된 모든 데이터의 평균 연산을 나타낸다.
일 실시예에서, 상기 <수학식 1>은 필드 자기상관성 함수(field autocorrelation function)과 관련될 수 있으며, 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서,
Figure pat00006
는 세기 자기상관성 함수,
Figure pat00007
은 전기장 자기상관성 필드(electrical field autocorrelation field),
Figure pat00008
는 수집 광학(collection optics) 및 캡쳐 파라미터(capture parameter)에 의해 결정되는 0 내지 1 사이의 실험 팩터(experimental factor)를 나타낸다(
Figure pat00009
=g2(o)-1).
이 경우, 자기상관성 함수는 전기 신호
Figure pat00010
또는 세기 변화
Figure pat00011
에 의해 생성될 수 있다.
일 실시예에서, 전기장 자기상관성 필드
Figure pat00012
는 하기 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00013
여기서,
Figure pat00014
는 감쇠 시간(decay time),
Figure pat00015
,
Figure pat00016
, D는 확산계수(diffusion coefficient),
Figure pat00017
는 이송 평균자유행로(transport mean-free path), s는 경로 길이, P(s)는 경로 길이의 분포를 나타낸다.
일 실시예에서, 전기장 자기상관성 필드
Figure pat00018
는 하기 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00019
여기서,
Figure pat00020
는 Brownian motion으로부터의 이완 속도(relaxation rate),
Figure pat00021
는 Laminar flow로부터의 이완속도를 나낸다. 즉, <수학식 3>은 플로우가 고려되지 않고, <수학식 4>는 플로우가 고려됨을 확인할 수 있다.
Figure pat00022
즉, <수학식 5>를 통해 전기장 자기상관성 필드
Figure pat00023
는 전단 플로우(shear flow)(
Figure pat00024
), 농도 감소(
Figure pat00025
), 입자 크기(r)의 증가에 의해 더욱 빠르게 감쇠됨을 확인할 수 있다. 다시 말해, 스페클 비상관성 시간의 변화는 플로우 레이트, 농도, 입자 크기에 의해 결정될 수 있다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 저장기간 경과 후 적혈구를 도시한 도면이다. 도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 저장기간에 대한 스페클 비상관성 시간 그래프를 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b를 참고하면, 적혈구를 포함하는 전혈(whole blood)가 일정기간의 저장기간 경화 후 피브리노겐(fibrinogen) 농도가 감소하면서 적혈구(red blood cell, RBC)가 응집됨을 확인할 수 있다. 이 경우, 응집 전 적혈구의 경우 빠른 플로우를 보여주지만, 응집된 적혈구의 경우 느린 플로우를 보여준다.
이 때, 도 4a 및 4b를 참고하면, 혈액의 보존 기간에 따라, 스페클 비상관성 시간이 점점 증가함을 확인할 수 있다. 예를 들어, 스페클 비상관성 시간은 28일 이후 급격하게 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간을 측정함으로써, 적혈수의 저장기간 및 수명을 판단할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 빛 투과도 그래프를 도시한 도면이다. 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 적혈구 플로우 스피드 그래프를 도시한 도면이다.
도 5a 및 5b를 참고하면, 적혈구 보존 기간의 증가에 따라 빛의 투과도가 증가함을 확인할 수 있다. 또한, 실시간으로 혈액의 유동 속도를 측정하였으며, 오래된 적혈구의 경우 채널의 끝까지 도달하는 시간이 늦어지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 빛의 스페클의 변화의 크기를 분석함으로써, 짧은 시간에 적혈구의 보존 기간의 측정이 가능하며, 실제 활용하고 있는 적혈구의 보존 팩에 적용하여 미세유동칩의 구동 없이 측정이 가능할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따르면, 10
Figure pat00026
미만의 혈액 양을 이용하여 1분 미만의 소요시간을 통해 적혈구의 수명을 측정할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 비상관성 시간에 대한 빛 이동 세기 그래프를 도시한 도면이다. 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 빛 이동 세기 그래프에 대한 적혈구 플로우 스피드 그래프를 도시한 도면이다. 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스페클 비상관성 시간에 대한 적혈구 플로우 스피드 그래프를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 6c를 참고하면, 실선(solid line)은 데이터 포인트의 선형 상관 계수(linear correlation coefficient)를 나타낸다. 1 또는 -1의 r 값에 가까울수록 각 그룹 변수의 스캐터 플롯(scatter plot)이 더 선형적으로 나타날 수 있다(-1≤r≤1).
또한, 평균 RBC 유동 속도(average RBC flow speed)는 상대적인 빛 이동 세기(light transmission intensity)와 스페클 비상관성 시간을 갖는 네거티브 상관성(negative correlation)을 가질 수 있다(r=-0.69, r=-0.67).
일 실시예에서, 상대적인 빛 이동 세기 및 스페클 비상관성 시간은 포지티브 선형 상관성(positive linear correlation)을 가질 수 있다(r=0.67).
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
100: 적혈구 수명검사장치
110: 레이저부
120: 미세유동칩
122: 주입부
124: 이동 채널
126: 배출부
130: 진공부
132: 이동관
134: 제1 밸브
136: 진공 펌프
138: 완충부
140: 촬영부

Claims (8)

  1. 적혈구를 포함하는 혈액 샘플에 레이저를 조사하는 레이저부;
    상기 레이저가 조사된 혈액 샘플의 스페클 이미지를 획득하는 촬영부; 및
    상기 스페클 이미지로부터 상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간(speckle decorrelation time)을 결정하고,
    상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 상기 적혈구의 기능검사를 수행하는 제어부;
    를 포함하는,
    적혈구 기능검사 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 적혈구에 대한 스페클 비상관성 시간에 기반하여 상기 적혈구의 수명을 측정하는,
    적혈구 수명검사 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혈액 샘플을 이동시키는 미세유동칩;
    을 더 포함하고,
    상기 레이저부는, 상기 미세유동칩을 통해 이동하는 혈액 샘플에 상기 레이저를 조사하는,
    적혈구 수명검사 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미세유동칩은,
    상기 혈액 샘플이 주입되는 주입부,
    상기 주입된 혈액 샘플이 이동하는 이동 채널 및
    상기 이동된 혈액 샘플이 배출되는 배출부,
    를 포함하는,
    적혈구 수명검사 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세유동칩과 결합되어 진공압을 통해 상기 혈액 샘플을 이동시키는 진공부;
    를 더 포함하는,
    적혈구 수명검사 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 진공부는,
    상기 배출된 혈액 샘플이 이동하는 이동관,
    상기 이동관에 결합되어, 상기 혈액 샘플의 유동을 개폐하는 제1 밸브, 및
    상기 이동관에 결합되어, 상기 제1 밸브의 개폐에 따라 상기 이동관 내부를 진공 상태로 형성하기 위한 진공 펌프,
    를 포함하는,
    적혈구 수명검사 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 진공부는,
    상기 이동관에 결합되어, 상기 혈액 샘플의 이동을 완충하기 위한 완충부,
    를 더 포함하는,
    적혈구 수명검사 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 진공 펌프는, 상기 제1 밸브가 폐쇄(close)된 후, 상기 이동관 내부를 진공 상태로 형성하고,
    상기 제1 밸브는, 상기 이동관 내부가 진공 상태로 형성된 후, 개방(open)되며,
    상기 이동관은, 상기 제1 밸브가 개방됨에 따라 발생하는 진공압에 기반하여 상기 혈액 샘플을 이동시키는,
    적혈구 수명검사 장치.

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