KR20230034986A

KR20230034986A - 감염증 스크리닝 시스템

Info

Publication number: KR20230034986A
Application number: KR1020227046451A
Authority: KR
Inventors: 이마드 라호드; 제프 마초벡; 사지드 바티; 모하메드 알샤이바 샬르 가남 알마즈루이; 클레멘트 라무르
Original assignee: 샤힌 이노베이션즈 홀딩 리미티드
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2023-03-10
Also published as: US20210381939A1; EP4152967A1; US20220326127A1; US11181451B1; ZA202213089B; IL298679A; CA3180786A1; WO2021245390A1; US11946844B2; GB2612211A; US11385148B2; JP2023527573A; AU2021285405A1; GB202219369D0; US20210396635A1

Abstract

감염증, 이를테면 COVID-19 감염증에 대한 스크리닝을 위한 감염증 스크리닝 시스템(1). 상기 시스템은 초음파를 발생시켜 생물학적 시료 내 세포를 용해하는 초음파 트랜스듀서(49)를 포함한다. 상기 시스템(1)은 상기 초음파 트랜스듀서(49)를 제어하여 세포 용해를 위한 최적 주파수에서 진동하는 컨트롤러, 상기 시료로부터 DNA를 수용 및 증폭하는 PCR 장치(16); 및 검출 장치(70)를 포함하고, 검출 장치(70)는 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하고, 상기 검출 장치(70)가 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공한다.

Description

감염증 스크리닝 시스템

본 출원서는 다음 특허에 대한 우선권을 주장하고 각각의 특허 전체는 본원에 참조로 통합된다. 2020년 6월 1일에 출원된 유럽 특허 출원 번호 20177685.3; 2020년 10월 8일에 출원된 유럽 특허 출원 번호 20200852.0; 2020년 12월 15일에 출원된 유럽 특허 출원 번호 20214228.7; 및 2021년 4월 1일에 출원된 국제 특허 출원 번호 PCT/GB2021/050822.

본 발명은 COVID-19 감염증을 포함하되 이에 국한되지 않는 감염증을 스크리닝할 수 있는 감염증 스크리닝 시스템에 관한 것이다. 특히 SARS-CoV-2 바이러스 감염증에 대한 스크리닝을 포함하되 이에 국한되지 않으며 중합효소연쇄반응(PCR)을 사용하여 바이러스 감염증을 스크리닝할 수 있는 감염증 스크리닝 시스템에 관한 것이다.

의학 분야의 기술 진보는 진단법과 장치의 효율성을 개선하였다. 검사 시간이 대폭 감소되면서도 신뢰할 수 있는 결과를 보장하였다. 모든 유형의 감염증을 검사하기 위한 다양한 검사법이 존재한다. 바이러스 감염증을 검사하기 위해 PCR(중합효소연쇄반응)이 가장 신뢰할 수 있는 방법으로 입증되었다. 다른 방법과 마찬가지로 PCR은 더 시간 효율적이고 비용 효율적으로 되면서 높은 신뢰성 표준을 유지하도록 진화하였다.

PCR은 DNA 내 두 개의 매칭 가닥을 사용하여 표적 DNA 시퀀스를 단지 몇 개의 시료에서 수십억 개의 복사물로 증폭한 다음 전기영동을 사용하여 분석하고 그 크기에 따라 DNA 시료가 분리된다.

종래의 중합효소연쇄반응(PCR):

완전한 종래의 PCR 검사는 다음 설명과 같이 3개 또는 4개의 단계로 구성된다.

1. 세포 용해 및 핵산(DNA/RNA) 추출:

코(비강인두강 스왑) 또는 목구멍(구강인두강 스왑)에서 환자 시료를 수집한 다음 시료는 용리 버퍼와 함께 혼합된다. 그 다음에 용리된 용액을 여과하여 큰 입자(머리카락, 피부 조각 등)를 제거한다. 여과된 용액을 용해 챔버에 붓는다.

그런 후 세포 용해를 수행하여 시료 내 세포의 지질 이중층을 파괴 또는 파열시켜 DNR/RNA를 포함한 세포 성분 추출을 통해 게이트웨이를 제공한다.

세포 용해는 화학적 또는 전기 기계적, 또는 이들의 조합을 통해 수행된다. 이 프로세스는 구성요소를 추출하고 용액을 여과하여 다른 세포 구성요소에서 핵산(DNA/RNA)을 분리한다. 그 다음에 DNA/RNA는 다음 단계를 위해 준비된다.

2. 역전사(RT):

이 단계는 핵산이 DNA가 아닌 RNA일 경우에만 요구된다. 이 프로세스를 통해 RNA를 함유하는 PCR 용액에 역전사효소로 알려진 효소를 투입하여 온도 40~50 ℃에서 RNA로부터 상보 DNA(cDNA) 시퀀스를 만든다. 역전사 단계는 PCR에서 DNA 또는 cDNA가 필요하기 때문에 PCR 관련 작업에 앞서 수행된다.

3. 중합효소연쇄반응(PCR)

PCR의 원리는 DNA 시료 유형에 상관없이 동일하다. PCR에서는 다섯 개의 핵심 성분, 즉 DNA 시료, 프라이머, DNA 핵산 염기, 중합효소 및 버퍼 솔루션을 처리하여 반응에 적절한 조건으로 만든다.

PCR은 열 사이클링으로 알려진 가열 및 냉각 단계가 포함된다. 열 사이클링에는 변성, 어닐링, 연장과 같은 3단계가 있다.

변성 단계의 시작은 반응 용액을 95 ℃ ~ 100 ℃까지 가열하는 것이다. 이중 가닥 DNA 또는 cDNA를 단일 가닥으로 분리하기 위해 고온이 필요하다.

어닐링은 시료 DNA 또는 cDNA 변성 가닥에 프라이머를 결합하는 단계이다. 이 단계에서는 온도 55 ℃ ~ 62 ℃가 필요하다. 해당 온도에 도달하면 프라이머가 단일 가닥에 결합되는 어닐링 단계가 시작된다.

프라이머가 결합되면 온도가 대략적으로 72 ℃까지 상승하여 중합효소가 단일 가닥의 길이를 따라 프라이머를 결합 및 연장함으로써 새로운 이중 가닥 DNA를 만든다.

최적의 결과를 얻기 위해 검사에 필요한 염기쌍의 개수에 따라, 그리고 각 단계에서 원하는 온도를 달성하기 위해 열 사이클을 대략적으로 20~40회 반복한다.

4. 전기영동

PCR을 완료한 후 전기영동으로 알려진 방법을 사용하여 생성된 DNA 단편의 양과 크기를 확인한다. DNA를 음이온으로 하전한 후 크기별로 분리하기 위하여 PCR 처리 시료는 음하전 DNA를 반대편 단부로 당기는 겔을 통해 흐르는 전류를 포함한 아가로즈 겔에 배치한다. 큰 DNA 조각은 용액 내에서 더 큰 저항을 받게 되므로 같은 시간 동안 작은 단편에 비해 더 멀리 움직이지 않는다.

알려진 시료와 비교하여 DNA 단편이 이동하는 거리는 검사 결과를 제공한다. 용액 준비 과정에서 전기영동 단계 이전에 형광 염료를 추가하여 DNA 밴드를 볼 수 있고 DNA 길이가 알려진 위치를 기반으로 분석한다.

신속 PCR:

신속 PCR은 종래의 PCR에 비해 짧은 열 사이클 시간(사이클당 20~60초)을 사용하여 전반적으로 검사 시간을 단축한다. 신속 PCR은 또한 폐쇄 반응기 내부에서 단일 프로세스의 증폭 및 검출을 통합하는 자동화된 신속 열 사이클링 프로세스인 실시간 PCR을 사용한다. 이 프로세스는 오염 위험을 유의미하게 감소시킨다. 신속 PCR은 PCR의 열 사이클과 동시에 검출하기 위해 형광 분광법을 사용한다.

신속 RT-PCR은 바이러스(RNA) 검사 시 전반적인 검사를 수행하기 위한 다른 프로세스를 포함한다. 추가 프로세스에는 상기에 설명한 바와 같이 PCR 프로세스 이전에 RNA에서 cDNA를 생성하는 데 사용되는 역전사가 있다.

형광 분광법:

전기영동 대신에 형광 분광법을 사용하여 전체 검사 시간을 단축할 수 있다. 형광 분광법은 빛을 사용하여 특정 화합물의 분자 내 전자를 여기하고 화합물이 빛을 방사하도록 한다. 분자 또는 분자의 변화를 식별하는 데 사용할 수 있는 형광 측정용 검출기에 의해 빛이 검출된다.

팬데믹으로 분류된 SARS-CoV-2 바이러스(COVID-19 감염증)의 전 세계적인 바이러스 발병으로 인해 바이러스 검사 키트의 수요가 급격하게 증가되고 있다. 게다가 완료까지 통상적으로 4~8시간이 걸리는 종래의 검사 또는 결과를 얻는 데 2시간 이상 소요되는 신속 검사에 비해 더 빠르게 수행할 수 있는 검사 방법이 요구된다.

종래의 바이러스 검사법은 보통 대량 시료를 검사하고 동시에 처리한다. 하지만 주요 PCR에서 각 단계에서 소요되는 오랜 시간으로 인해 결과를 얻는 대기 시간이 증가한다. 신속 PCR 기술은 종래의 PCR에 비해 열 사이클 시간을 줄이는 일부 리드 타임을 제공함으로써 전반적인 검사 시간을 1~2시간 단축한다. 하지만, 이러한 검사 시간도 COVID-19와 같은 감염증에 유용한 대량 신속 스크리닝에서는 너무 긴 시간이다.

본원에 개요가 서술된 적어도 일부 문제를 완화하는 감염증 스크리닝을 위한 개선된 시스템과 장치가 필요하다.

일부 실시예의 감염증 스크리닝 시스템으로서, 감염증에 대해 스크리닝할 생물학적 시료를 수용하도록 구성된 초음파 처리 챔버; 2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위의 초음파를 출력하여 상기 초음파 처리 챔버 내에서 상기 생물학적 시료로부터 세포를 용해하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서; 컨트롤러; 상기 생물학적 시료의 용해된 세포로부터 DNA를 수용 및 증폭하도록 구성된 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치; 및 감염증 검출 장치를 포함하고, 상기 컨트롤러는, 2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위 내에서 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 발생하도록 구성되고, 상기 AC 구동 신호를 출력하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하도록 구성된 AC 드라이버; 상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하도록 구성된 능동 전력 모니터 - 상기 능동 전력 모니터는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 상기 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공하도록 구성됨 -; 상기 AC 드라이버를 제어하고, 상기 능동 전력 모니터로부터의 상기 모니터링 신호를 수신하도록 구성된 프로세서; 및 명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,

A. 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하고;

B. 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하고;

C. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하고;

D. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 상기 메모리에 기록으로 보관하고;

E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하고;

F. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 상기 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 상기 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하고; 그리고

G. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 하고, 상기 감염증 검출 장치는, 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하고, 상기 감염증 검출 장치가 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 상기 능동 전력 모니터는, 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 상기 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하도록 구성된 전류 센서를 포함하고, 상기 능동 전력 모니터는 센싱된 구동 전류를 나타내는 모니터링 신호를 제공하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 프로세서로 하여금, 시작 스위프 주파수 2800kHz에서 종료 스위프 주파수 3200kHz까지 증가하는 스위프 주파수로 단계 A~D를 반복하도록 한다.

일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금, 단계 G에서, 상기 AC 드라이버를 제어하여 최적 주파수의 1~10% 사이에서 시프트되는 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 한다.

일부 실시예에서, 상기 AC 드라이버는 펄스 폭 변조를 통해 상기 AC 구동 신호를 변조하여 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금, 교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하도록 한다.

일부 실시예에서, 상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금, 다음에서 선택된 작동 모드에 따라, 교대로 상기 AC 구동 신호를 출력하고 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 한다.

일부 실시예에서, 상시 감염증 스크리닝 시스템은 가열 장치를 더 포함하고, 상기 가열 장치는, 상기 PCR 장치의 일부를 수용하는 가열 리세스; 이동 가능한 지지 요소; 상기 지지 요소에 의해 운반되는 제1 가열 요소; 상기 제1 가열 요소로부터 이격되는 위치에서 상기 지지 요소에 의해 운반되는 제2 가열 요소 - 상기 지지 요소는 상기 제1 가열 요소가 상기 제2 가열 요소에 비해 상기 가열 리세스에 더 근접하게 위치하는 제1 위치 및 상기 제2 가열 요소가 상기 제1 가열 요소에 비해 상기 가열 리세스에 더 근접하게 위치하는 제2 위치 사이에서 이동 가능함 -; 및 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 사이에서 상기 지지 요소를 주기적으로 이동하도록 구성된 모터를 포함한다.일부 실시예에서, 상기 가열 장치는, 상기 가열 리세스 내에 위치한 상기 PCR 장치 내 액체의 온도를 센싱하도록 구성된 온도 센서를 포함하고, 상기 컨트롤러는 센싱된 온도에 응답하여 상기 제1 및 제2 가열 요소의 동작을 제어하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 상기 컨트롤러는 상기 제1 가열 요소를 제어하여 상기 PCR 장치 내 액체를 역전사효소 프로세스 중 실질적으로 45 ℃로 가열하도록 구성된다.

일부 실시예에서, PCR 프로세스 중, 상기 컨트롤러가, 상기 제1 가열 요소를 제어하여 상기 PCR 장치 내 액체를 실질적으로 55 ℃로 가열하고, 상기 제2 가열 요소를 제어하여 상기 PCR 장치 내 액체를 실질적으로 95 ℃로 가열하고, 그리고 상기 지지 요소를 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 주기적으로 이동시키고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 가열 요소가 상기 PCR 장치 내 액체의 온도를 제어하여 실질적으로 55 ℃ 및 실질적으로 95 ℃ 사이에서 순환하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 시스템은, 시료 챔버, 상기 초음파 처리 챔버 또는 PCR 챔버 사이에서 유체 유동 경로를 선택적으로 제공하도록 이동할 수 있고, 이에 따라 상기 시료의 적어도 일부가 상기 시료 챔버, 상기 초음파 처리 챔버 및 상기 PCR 챔버 사이에서 연속적으로 전달될 수 있는 이동 가능한 유동 경로를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 시스템은, 상기 이동 가능한 유동 경로에서 흘러 나온 유체를 여과하도록 구성된 여과 장치를 더 포함하고, 상기 여과 장치는 지름 2μm 내지 30μm 사이의 공극을 제공하는 제1 필터 요소를 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 여과 장치는 상기 제1 필터 요소에 중첩된 제2 필터 요소를 포함하고, 상기 제2 필터 요소는 직경 0.1μm 내지 5μm 사이의 공극을 제공한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 시스템은 COVID-19 감염증 스크리닝 시스템이고, 상기 감염증 검출 장치는 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치로서, 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증을 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스의 존재를 검출하고, 상기 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치가 상기 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하도록 구성된다.

일부 실시예의 감염증 스크리닝 방법은, 초음파 처리 챔버에 감염증을 스크리닝할 생물학적 시료를 배치하는 단계 - 상기 초음파 처리 챔버는 2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위의 초음파를 출력하여 상기 초음파 처리 챔버 내 상기 생물학적 시료에서 얻은 세포를 용해하는 초음파 트랜스듀서를 포함함 -; AC 드라이버에 의해, 2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위 내에서 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 발생하고 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서에 출력하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 단계; 능동 전력 모니터에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하는 단계 - 상기 능동 전력 모니터는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공함 -; 및 프로세서에서 상기 능동 전력 모니터로부터의 모니터링 신호를 수신하는 단계를 포함하고; 상기 감염증 스크리닝 방법은,

A. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계;

B. 상기 프로세서에 의해, 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하는 단계;

C. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는 단계;

D. 상기 프로세서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 메모리에 기록으로 보관하는 단계;

E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하는 단계;

F. 상기 프로세서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 상기 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하는 단계; 및

G. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계를 더 포함하고; 상기 감염증 스크리닝 방법은, PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치에서 생물학적 시료의 용해된 세포로부터 DNA를 수용 및 증폭하는 단계; 감염증 검출 장치에서, 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하는 단계; 및 상기 감염증 검출 장치가 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 방법은, 전류 센서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 상기 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하는 단계; 및 상기 능동 전력 모니터에 의해, 센싱된 상기 구동 전류를 나타내는 모니터링 신호를 제공하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 방법은, 상기 AC 드라이버에 의해, 펄스 폭 변조를 통해 상기 AC 구동 신호를 변조하여 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 방법은, 교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 방법은, 다음에서 선택된 작동 모드에 따라, 교대로 상기 AC 구동 신호를 출력하고 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함한다.

일부 실시예에서, 상기 감염증 스크리닝 방법은 COVID-19 감염증 스크리닝 방법이고, 방법은 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치에서 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증을 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스의 존재를 검출하는 단계; 및 상기 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치가 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하는 단계를 포함한다.

본 발명의 상기 및 다른 이점과 특징들을 더 명확하게 하기 위해, 첨부된 도면들에 예시되는 본 발명의 특정 실시예를 참조함으로써 본 발명의 더 구체적인 설명이 이루어질 것이다.
도 1은 일부 실시예의 분석 장치를 포함한 일부 실시예의 시스템의 투시도를 나타내고,
도 2는 일부 실시예의 분석 장치의 개략도를 나타내고,
도 3은 일부 실시예의 분석 장치를 포함한 일부 실시예의 시스템 부품의 개략도를 나타내고,
도 4는 일부 실시예의 분석 장치 부품의 투시도를 나타내고,
도 5는 도 4에 도시된 분석 장치 부품의 측면도를 나타내고,
도 6은 도 4에 도시된 분석 장치 부품의 단면도를 나타내고,
도 7은 일부 실시예의 분석 장치 부품의 개략도를 나타내고,
도 8은 도 7에 도시된 분석 장치 부품의 단면도를 나타내고,
도 9는 도 7에 도시된 분석 장치 부품의 단면도를 나타내고,
도 10은 일부 실시예의 여과 장치 구성요소의 개략도를 나타내고,
도 11은 일부 실시예의 분석 장치 부품의 개략도를 나타내고,
도 12는 RLC 회로로 모델링된 압전 트랜스듀서를 도시하는 개략도를 나타내고,
도 13은 RLC 회로의 주파수 대비 로그 임피던스의 그래프를 나타내고,
도 14는 압전 트랜스듀서의 작동 중 유도 및 축전 영역을 도시하는 주파수 대비 로그 임피던스의 그래프를 나타내고,
도 15는 일부 실시예의 컨트롤러의 작동을 도시하는 계통도를 나타내고,
도 16은 일시 실시예의 분석 장치 부품의 투시도를 나타내고,
도 17은 일시 실시예의 분석 장치 부품의 투시도를 나타내고,
도 18은 일시 실시예의 분석 장치 부품의 투시도를 나타내고,
도 19는 도 18에 도시된 분석 장치 부품의 측면도를 나타내고,
도 20은 도 18에 도시된 분석 장치 부품의 단면도를 나타내고,
도 21은 일부 실시예의 시스템 부품 및 일부 실시예의 분석 장치 부품의 단면도를 나타내고,
도 22는 일부 실시예의 시스템 부품 및 일부 실시예의 분석 장치 부품의 투시도를 나타내고,
도 23은 일부 실시예의 분석 장치 부품의 측면도를 나타내고,
도 24는 일부 실시예의 시스템 부품의 투시도를 나타낸다.

본 발명의 양태들은 첨부된 도면을 참조하면서 다음 상세한 설명을 통해 가장 잘 이해될 것이다. 업계의 표준 관행에 따라 다양한 기능들의 세부적인 수치는 도시되지 않았음에 유의하여야 한다. 다양한 기능들의 치수는 논의의 명확성을 위해 임의적으로 증가 또는 감소할 수 있다.

다음 개시는 명시된 주제의 다양한 기능을 구현하기 위하여 다수 개의 다양한 실시예 또는 예시를 제공한다. 구성 요소, 농도, 응용 분야 및 장치의 특정 예시는 본 발명을 단순화하기 위하여 하기에 설명되어 있다. 이들은 단순한 예시이며 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 다음에 설명되는 제1 기능 및 제2 기능의 부착은 상기 제1 기능과 상기 제2 기능이 직접 접촉하도록 부착되는 실시예를 포함할 수 있으며, 또한 상기 제1 기능 및 상기 제2 기능이 직접 접촉하지 않도록 상기 제1 기능 및 상기 제2 기능 사이에 추가 기능이 배치되는 실시예를 포함할 수 있다. 더구나, 본 개시는 다양한 실시예의 참조 번호 및/또는 문자가 반복될 수 있다. 이러한 반복은 단순화 및 명료화를 위함이고 논의되는 다양한 실시예 및/또는 구성 사이의 관계를 지시하는 것은 아니다.

다음 개시는 대표적인 장치 또는 예시를 설명한다. 각각의 예시는 실시예로 간주될 수 있으며 "장치" 또는 "예시"에 대한 참조는 본 개시의 "실시예"로 대체될 수 있다.

본 개시는 감염증 스크리닝, 구체적으로는 COVID-19 감염증을 유발하는 것으로 알려진 SARS-COV-2를 스크리닝할 수 있는 현장 현시(POC) 및/또는 가정용으로 설계된 신속 결과 진단 분석 시스템의 개선된 측면을 확립한다.

일부 실시예의 분석 장치 및 시스템은 병원균, 이를테면 박테리아 또는 바이러스에 의해 유발되는 기타 감염증을 스크리닝할 수 있다. 일부 실시예에서, 분석 및 시스템은 인플루엔자, 코로나바이러스, 홍역, HIV, 간염, 뇌수막염, 결핵, 엡스테인 바(Epstein-Barr) 바이러스(선열), 황열병, 말라리아, 노로바이러스, 지카 바이러스 감염증 또는 탄저병을 포함하되 이에 국한되지 않는 그룹으로부터 선택된 감염 인자 또는 질병을 스크리닝할 수 있다.

일부 실시예에서, 분석 장치 및 시스템은 침 시료, 가래 시료 또는 혈액 시료의 형태로 표적 시료를 스크리닝할 수 있다. 다른 실시예에서, 분석 장치 및 시스템은 비강인두강 스왑 또는 구강인두강 스왑을 통해 사용자가 수집하는 표적 시료를 스크리닝할 수 있다.

일부 실시예에서 분석 시스템은 13가지 주요 구성 요소, 즉 다양한 액체 챔버를 함유하는 분석 장치 또는 포드, 플런저 칼럼, 유동 지향 코그(cog), 초음파 처리 챔버, 여과 분석, PCR 핀(fin), PCR 시약, PCR 방법, 열 사이클러, 감염증 검출 장치, 리드(lid), 결과 보고 방법, 및 포드를 조작하기 위해 필요한 모든 부품을 수용하는 하우징을 포함한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 감염증 스크리닝을 위한 시스템(1)은 본 실시예에서 일회용 포드 형태인 탈착 가능한 분석 장치(2)와 함께 사용하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 시스템(1)은 분석 장치(2)와 별도로 제공된다. 다른 실시예에서, 시스템(1)은 분석 장치(2)와 결합되어 제공된다. 추가 실시예에서, 분석 장치(2)는 시스템(1)과 함께 사용하지 않고 시스템(1) 없이 제공된다.

시스템(1)은 시스템(1)의 다양한 구성 요소를 수용하는 하우징(3)을 포함한다. 본 실시예에서, 하우징(3)은 도어(5)에 의해 폐쇄되는 개구(4)를 구비한다. 도어(5)는 도 1에 도시된 열린 위치 및 도어(5)가 하우징(3)의 개구(4)를 폐쇄하는 닫힌 위치 사이에서 움직이도록 구성된다. 본 실시예에서, 도어(5)에는 사용자의 열기 및 닫기 동작을 용이하게 만드는 핸들(6)이 제공된다. 본 실시예에서, 도어(5)는 통상적으로 도 1의 화살표(7)에 의해 표시된 대로 사용자가 시스템(1)을 열어 분석 장치(2)를 시스템(1)에 삽입하도록 돕는다. 다른 실시예는 사용자가 분석 장치(2)를 시스템(1)에 삽입하도록 허용하는 다른 액세스 수단을 포함한다.

본 실시예에서 시스템(1)은 휴대가 가능한 시스템이다. 하우징(3)은 소형이므로 시스템(1)은 쉽게 운반할 수 있고 시스템(1)은 편리한 장소, 이를테면 건물의 출입구 근방에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서 시스템(1)의 휴대용 구성을 통해 시스템(1)을 감염증 스크리닝이 필요한 위치로 쉽게 운반할 수 있다. 일부 실시예에서, 시스템(1)은 배터리 또는 기타 저전력 전기 공급원에 의해 전력을 공급받아 시스템(1)을 주전원 전기를 공급받을 필요 없이 원격 위치에서 사용할 수 있도록 구성된다. 다른 실시예에서, 시스템(1)은 주전원 전기에 연결되는 전원공급 입력부를 구비하여 시스템(1)에 전력을 공급하거나 시스템(1) 내의 배터리를 충전할 수 있다.

시스템(1)은 하우징(3) 베이스에 제공되는 지지 플랫폼(8)을 구비한다. 지지 플랫폼(8)은 분석 장치(2)를 운반하는 표면을 구비한다. 지지 플랫폼(8)은 지지 플랫폼(8) 주변에 위치하여 분석 장치(2)가 시스템(1)에 삽입되면 사전결정된 위치로 분석 장치(2)를 유도하는 복수 개의 가이드 부재(9)를 포함한다. 본 실시예에서, 지지 플랫폼(8)에는 분석 장치(2)가 지지 플랫폼(8)에 의해 운반될 때 분석 장치(2) 아래에 배치되는 중앙 애퍼처(10)가 제공된다.

이제 첨부된 도 2를 참조하면, 분석 장치(2)는 본 실시예에서, 확장된 하단을 구비하여 분석 장치(2)가 베이스(11)에 안착될 때 분석 장치(2)를 안정화시키는 베이스(11)를 포함한다. 분석 장치(2)는 하기에 더 자세히 설명되는 분석 장치(2)의 내부 구성요소를 수용하는 분석 장치 하우징(12)을 더 포함한다. 분석 장치 하우징(12)은 베이스(11)에서 먼 곳에 있으며 분석 장치(2) 내에 액세스를 제공하기 위해 열리도록 구성된 상단(13)을 포함한다. 상단(13)의 적어도 일부를 덮는 커버(14)가 분석 장치 하우징(12)에 이동 가능하도록 장착된다. 커버(14)는 중앙 애퍼처(15)를 구비한다. 커버(14)는 하기에 더 상세하게 설명된다.

분석 장치(2)는 분석 장치(2)의 일 측면에서 돌출되는 PCR 장치(16)를 구비한다. PCR 장치(16)는 하기에 더 상세하게 설명된다.

이제 첨부된 도 3을 참조하면, 분석 장치(2)가 시스템(1)에 삽입될 때, 분석 장치(2)는 지지 플랫폼(8)의 사전결정된 위치로 유도되고, 이에 따라 PCR 장치(16)가 하기에 상세하게 설명되는 가열 장치(17)의 가열 리세스 내에 적어도 부분적으로 수용된다.

분석 장치(2)는 시스템(1)의 일부를 형성하는 구동 장치(18) 하부에 안착된다. 본 실시예에서, 구동 장치(18)는 구동 장치(18)의 외부를 향해 구동 장치(18)가 이동하고, 이에 따라 플런저(19)의 팁(20)이 통상적으로 화살표(21)로 표시된 방향을 따라 분석 장치(2)의 커버(14) 내 애퍼처(15)를 통과하여 분석 장치(2) 내 피스톤(22)과 체결되도록 구성되는 플런저(19) 형태의 구동 요소를 구비한다. 시스템(1)은 플런저(19)를 확장 및 축소하여 시스템(1) 작동 중 피스톤 요소(22)를 이동하도록 구성된다.

시스템(1)은 컴퓨팅 장치, 이를테면 마이크로프로세서 및 메모리를 포함하는 컨트롤러(23)를 구비한다. 컨트롤러(23)는 하기에 설명된 바와 같이, 시스템(1)의 작동을 제어하도록 구성된다.

이제 첨부된 도 4-6을 참조하면, 분석 장치(2)는 장형이면서 적어도 하나의 내부 챔버에서 정의되는 바디 부분(24)을 구비한다. 본 실시예에서, 바디 부분(24)은 바디 부분(24)에 팔각형 단면을 구비하도록 구성되는 8개의 통상적인 평면에 의해 정의되는 측면을 가진다. 하지만 다른 실시예에서는 다른 형상과 다른 단면을 가지는 바디 부분을 포함할 수 있다.

본 실시예에서, 바디 부분(24)은 복수 개의 내부 챔버를 정의한다. 본 실시예에서, 바디 부분(24)은 6개의 내부 챔버, 즉 시료 챔버(25), 세척 챔버(26), 용해제 챔버(27), 액체 시약 챔버(28), 건조 시약 챔버(29) 및 폐기물 챔버(30)를 정의한다. 게다가, 바디 부분(24)에는 중앙 애퍼처(31)가 제공된다.

분석 장치 내 챔버 개수는 다른 실시예에서 1개에서 최대한 10개까지 달라질 수 있다. SARS-CoV-2 분석을 위한 실시예에서, 분석 장치(2)는 6개의 챔버를 구비한다.

바디 부분(24)의 일 단부에는 도 5에 도시된 돌출부(32)가 제공된다. 돌출부(32)에는 도 6에 도시된 복수 개의 애퍼처(33)가 제공된다. 각 애퍼처(33)는 각각 하나의 챔버(25-30)와 유체 연통 경로를 제공한다.

이제 첨부된 도 7을 참조하면, 분석 장치(2)는 바디 부분(24)에 이동 가능하도록 장착된 전송 장치(34)를 구비한다. 전송 장치(34)는 장형 전송 챔버(36)를 정의하는 플런저 칼럼(35)을 포함한다. 본 실시예에서, 플런저 칼럼(35)은 분석 장치 바디(24)의 중앙 애퍼처(31) 내에 적어도 일부가 수용되도록 구성되는 장형이며 통상적으로 원통형 컬럼이다.

플런저 칼럼(35)은 분석 장치(2)의 중앙 부분이다. 게다가 이는 분석 장치(2)에 포함된 액체가 PCR을 위한 모든 준비 단계를 거치면서 다양한 챔버로 이동하거나 챔버로부터 이동되고 조작되는 방법을 제공한다. 전송 챔버(36)는 시스템(1)의 하우징 내에 포함된 플런저 암에 연결되는 고무 플런저 팁을 구비한다. 액체는 음압을 통해 전송 챔버(36)로 인출된 후 양압을 통해 대상 챔버를 향해 전송 챔버(36)로부터 빠져나온다.

전송 장치(34)는 장형 단부(37)를 구비한다. 본 실시예에서, 장형 단부(37)는 통상적으로 원통형이고 장형 단부(37) 근방의 이격 위치에 제공되는 티스(38) 형태의 구동 장치를 구비한다. 티스(38)는 시스템(1)의 해당 구동 장치와 체결되어 시스템(1)의 해당 구동 장치가 회전하면서 전송 장치(34)를 회전시키도록 구성된다. 전송 장치의 움직임은 시스템(1) 하우징 내에 포함된 모터에 의해 제어된다. 모터는 브러시리스 DC 모터, 스테퍼 모터 또는 기타 유형의 전동 모터이다.

이제 첨부된 도 8과 도 9를 참조하면, 전송 장치(34)는 장형 단부(37) 내 내부 통로에 의해 정의되는 이동 가능 유동 경로(39)를 구비한다. 이동 가능 유동 경로(39)는 분석 장치 바디(24)에 대해 전송 장치(34)와 함께 이동하도록 구성된다. 전송 장치(34)에는 이동 가능 유동 경로(39)와 유체적으로 결합되는 유동 애퍼처(40, 41)가 제공된다. 유동 애퍼처(40, 41)는 유동 애퍼처(40, 41)가 분석 장치 바디(24)의 애퍼처(33)와 선택적으로 정렬하여 분석 장치 바디(24)에 대한 전송 장치(34)의 위치에 따라 이동 가능 유동 경로(39)에 대해 선택적으로 각 챔버(25-30)를 유체적으로 결합하도록 배치된다.

유동 애퍼처(40) 중 하나는 피스톤(22)이 피스톤(22)의 이동에 따라 전송 챔버(36) 내에서 생성된 양압이나 음압으로 인해 전송 챔버(36) 길이의 적어도 일부를 따라 이동할 때 유체가 전송 챔버(36)를 향하거나 전송 챔버로부터 흐르도록 전송 챔버(36)와 유체적으로 결합된다.

전송 장치(34)는 이동 가능 유동 경로(39)를 따라 흐르는 유체가 여과 장치(42)를 통과하도록 장형 단부(37) 내에 제공되는 여과 장치(42)를 구비한다. 본 실시예에서, 여과 장치(42)는 시료에 포함된 세포로부터 큰 오염물을 분리하고 "용해 영역" 내에 세포를 가두도록 설계된 필터, 개스킷 및 마이크로비드 어레이를 포함한다.

첨부된 도 10을 참조하면, 여과 장치(42)는 적어도 하나의 필터 요소를 포함한다. 본 실시예에서, 여과 장치(42)는 오염물, 이를테면 머리카락이나 먼지를 여과하도록 설계된 직경 2μm 내지 30μm 사이의 공극이 제공되는 제1 필터 요소(43)를 포함한다. 본 실시예에서, 여과 장치(42)는 제1 필터 요소(43)와 중첩되는 제2 필터 요소(44)를 포함한다. 제2 필터 요소(44)에는 직경 0.1μm 내지 5μm 사이의 공극이 제공되고, 공극 크기는 표적 세포의 평균 크기보다 약간 작도록 선택되어 제2 필터 요소(44)를 통과하지 못하도록 한다.

본 실시예에서, 여과 장치(42)는 필터 요소(43, 44) 근방을 밀봉하는 개스킷(45-47)을 구비한다. 본 실시예에서, 큰 개스킷(대략적으로 200μm 두께)이 제1 및 제2 필터 요소(43, 44) 사이에 제공되어 용해 영역을 위한 제1 및 제2 필터 요소 사이의 공간을 만든다.

본 실시예에서, 여과 장치(42)는 제1 필터 요소(43) 및 제2 필터 요소(44) 사이에 함유되는 복수 개의 비드(B)를 구비한다. 일부 실시예에서, 비드(B)는 직경이 대략적으로 100미크론인 마이크로비드이다. 일부 실시예에서, 비드(B)의 약 절반은 부력이 있어 초음파 작동 중 여과 장치(42)의 상단 부근에 모이고, 나머지 절반은 부력이 없어 여과 장치(42) 바닥 부근에 모이도록 설계된다. 두 유형의 비드 사이에서 대부분의 용해 영역은 초음파 작동 중 세포막을 파괴하도록 돕는 마이크로비드로 충전된다.

이제 첨부된 도 11을 참조하면, 전송 장치(34)는 여과 장치(42)에 인접하도록 배치되고 이동 가능 유동 경로(39)와 유체적으로 결합되는 초음파 처리 챔버(48)를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 처리 챔버(48)는 100μl 내지 1000μl 사이의 부피를 가진다. 일부 실시예에서, 초음파 처리 챔버(48)의 흡입구는 초음파 처리 챔버(48) 배출구 아래에 수평으로 배치되고, 분석 장치(2)가 똑바로 서면 액체가 낮은 곳에서 높은 곳으로 흐를 수 있어 프로세스 과정 중 공기 버블이 빠져 나온다.

여과 장치(42)가 초음파 처리 챔버 내에 제공되고 초음파 트랜스듀서(49)가 초음파 처리 챔버(48)의 하나의 단부에 제공된다. 일부 실시예에서, 여과 장치(42)는 초음파 처리 챔버(48)의 흡입구 및 배출구 사이의 실질적으로 절반 또는 1/4 거리 사이에서 초음파 처리 챔버(48)의 배출 영역과 초음파 처리 챔버(48)의 흡입 영역을 분리한다.

초음파 트랜스듀서(49)는 분석 장치(2)를 시스템(1)에 끼울 때 시스템(1)의 컨트롤러(23)와 전기적으로 결합된다. 초음파 트랜스듀서(49)는 컨트롤러(23)에 의해 제어되도록 구성된다. 컨트롤러(23)는 시스템 및 메모리의 적어도 하나의 프로세스를 제어하도록 구성되는 프로세서를 포함하고, 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 적어도 하나의 프로세스를 수행하는 출력을 제공하도록 한다. 컨트롤러(23)의 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서가 초음파 트랜스듀서(49)를 제어하여 선택된 주파수에서 진동하도록 함으로써 초음파 처리 챔버(48) 내 세포를 용해하여 세포에서 핵산(DNA/RNA)을 방출시키도록 한다.

일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(49)는 적어도 일부가 납, 지르코늄 및 티타늄을 함유하는 화합물이다. 초음파 트랜스듀서(49)의 화합물을 선택하여 초음파 트랜스듀서(49)에 화합물에 대한 특성을 제공함으로써 주파수 대략적으로 2.8MHz 내지 대략적으로 3.2MHz로 진동하도록 한다. 이러한 주파수 범위는 초음파 트랜스듀서(49)가 세포를 용해하거나 파열시키는 초음파를 생성할 수 있는 바람직한 주파수 범위이다.

일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(49)는 초음파 트랜스듀서(49)의 대향 측면에서 상단 측면에 제1 전극을 구비하고 하단 측면에 제2 전극을 구비한다. 일부 실시예에서, 제1 전극과 제2 전극은 이를테면 은 스탬프 페인트의 형태로 은을 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 전극과 제2 전극 사이의 캐패시턴스는 800pF 내지 1300pF이다.

일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(49)의 상단 측면에 있는 제1 전극은 적어도 일부가 유리 코팅으로 덮여 있다. 유리 코팅은 제1 전극의 재료에 의한 초음파 처리 챔버(48) 내 액체의 잠재적인 오염을 최소화거나 방지한다. 또한 유리 코팅은 이를테면, 시스템을 사용중 초음파 처리 챔버(48) 내 액체를 통과하여 이동하는 초음파에 의해 유발되는 공동화 기포 붕괴에 의한 제1 전극 은의 침식을 최소화하거나 방지한다.

초음파 트랜스듀서(49)의 제1 및 제2 전극은 컨트롤러(23)의 제1 및 제2 전기 터미널에 각각 전기적으로 연결된다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)는 AC 드라이버를 포함한다. AC 드라이버는 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 생성하고 AC 구동 신호를 출력하여 초음파 트랜스듀서(49)를 구동한다. AC 드라이버는 전력원으로부터 수신한 전력으로부터 AC 구동 신호를 생성하도록 연결된 전자 부품을 구비한 회로를 포함한다. 일부 실시예에서, AC 드라이버는 H-브리지 회로를 포함한다. 일부 실시예에서 H-브리지 회로는 직류를 고주파수(예: 주파수 범위 2.8MHz 내지 3.2MHz)의 교류로 변환하도록 연결된 네 개의 MOSFET를 포함한다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)는 능동 전력 모니터를 포함한다. 능동 전력 모니터는 초음파 트랜스듀서(49)가 AC 구동 신호에 의해 구동될 때 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용되는 능동 전력을 모니터링하는 전자 회로를 구비한다. 능동 전력 모니터는 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용되는 능동 전력을 표시하는 모니터링 신호를 제공한다. 일부 실시예에서, 능동 전력 모니터는 초음파 트랜스듀서(49)를 구동하는 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하고 센싱된 구동 전류를 표시하는 모니터링 신호를 제공하는 전류 센서를 포함한다.

컨트롤러(23)의 프로세서는 AC 드라이버를 제어하고, 능동 전력 모니터로부터의 모니터링 신호를 수신한다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)는 메모리에 저장된 실행 가능한 코드로 구현되는 주파수 컨트롤러를 포함하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 주파수 컨트롤러의 적어도 하나의 기능을 수행하도록 한다.

컨트롤러(23)의 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 프로세서가 초음파 트랜스듀서(49)를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수 범위 내 복수 개의 주파수로 진동시키고 제1 사전결정된 주파수와 제2 사전결정된 주파수 사이에서 초음파 트랜스듀서(49)를 위한 구동 주파수를 선택하여 초음파 처리 챔버(48) 내 세포를 용해하도록 한다.

일부 실시예에서, 주파수는 일부 세포가 그들의 물리적 특성(크기, 형상, 세포벽의 존재 유무 등)으로 인해 다른 주파수를 요구할 수 있으므로 용해되는 세포 유형에 의해 결정된다.

초음파 처리 챔버 내 세포 용해를 위한 최적 주파수 또는 주파수 범위가 존재한다. 최적 주파수 또는 주파수 범위는 적어도 다음 네 개의 파라미터에 의존한다.

1. 트랜스듀서 제조 공정

일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(49)는 압전 세라믹을 포함한다. 압전 세라믹은 화합물을 혼합하여 세라믹 도우(dough)를 만든 다음 제조되고 이러한 혼합 공정은 생산 과정 중 일관되지 않을 수 있다. 이러한 비일관성으로 인해 경화된 압전 세라믹의 공명 주파수가 다르게 만들어질 수 있다.

압전 세라믹의 공명 주파수가 장치의 작동에 필요한 주파수에 해당하지 않는다면 세포 용해 프로세스가 최적화되지 않는다. 압전 세라믹 공명 주파수에 대한 약간의 오프셋으로도 용해 프로세스에 영향을 미치기에 충분하며, 이는 시스템이 최적으로 기능하지 않음을 의미한다.

2. 트랜스듀서의 부하

작동 중 초음파 트랜스듀서(49)의 부하가 변하면 초음파 트랜스듀서(49) 진동의 전반적인 변위를 방해한다. 초음파 트랜스듀서(49) 진동의 최적의 변위를 얻기 위해 드라이브 주파수는 컨트롤러(23)가 최적의 변위에 해당하는 적절한 전력을 제공하도록 조절되어야 한다.

초음파 트랜스듀서(49)의 효율에 영향을 미칠 수 있는 부하 유형에는 트랜스듀서의 액체 함량이 포함될 수 있다(즉, 초음파 처리 챔버(48) 내 액체 함량).

3. 온도

초음파 트랜스듀서(49)의 초음파 진동부는 분석 장치(2) 어셈블리에 의해 부분적으로 적셔진다. 이러한 진동부 습윤으로 초음파 트랜스듀서(49) 부위 및 주변에서 국소 온도가 높아질 수 있다.

온도가 올라가면 초음파 트랜스듀서(49)의 분자 거동이 변하기 때문에 초음파 트랜스듀서(49)의 진동에 영향을 미친다. 온도가 올라갈 때 세라믹 분자에는 더 많은 에너지가 존재하고 결정 구조에 일시적으로 영향을 미친다. 온도가 내려가면 이러한 효과가 반전되지만 공급된 주파수의 변조는 최적의 진동을 유지해야 한다.

또한, 온도가 올라가면 초음파 처리 챔버(48) 내의 용액 점성이 줄어들므로 초음파 처리 챔버(48) 내 세포 용해를 최적화하려면 구동 주파수를 변경해야 한다.

4. 전원까지의 거리

초음파 트랜스듀서(49)의 진동 주파수는 초음파 트랜스듀서(49) 및 오실레이터-드라이버 사이의 전선 길이에 따라 변할 수 있다. 전자 회로의 주파수는 초음파 트랜스듀서(49) 및 컨트롤러(23) 사이의 거리에 반비례한다.

거리 파라미터는 이 장치에서 주로 고정되지만, 시스템(1)의 제조 공정 중 변할 수 있다. 따라서, 초음파 트랜스듀서(49) 구동 주파수를 변경하여 변화량에 대해 보상하고 장치의 효율성을 최적화해야 한다.

초음파 트랜스듀서(49)는 도 12의 그림과 같이 전기 회로의 RLC 회로로 모델링할 수 있다. 상기에 설명된 4개의 파라미터는 전반적인 인덕턴스, 캐패시턴스 및/또는 저항을 변경하여 트랜스듀서에 공급되는 공명 주파수 범위를 변경하도록 모델링할 수 있다. 회로 주파수가 트랜스듀서의 공명 포인트 근방으로 증가하면서 전체 회로의 로그 임피던스가 최소값으로 강하한 다음 중앙값 범위로 결정되기 전에 최대값으로 상승한다.

도 13은 RLC 회로 내 주파수가 증가할 때 전체 임피던스 변화를 설명하는 포괄적인 그래프를 도시한다. 도 14는 제1 사전결정된 주파수 f_s 이하의 주파수에서 제1 축전 영역 및 제2 사전결정된 주파수 f_p 이상의 주파수에서 제2 축전 영역 내 캐패시터가 작동하는 방법을 도시한다. 압전 트랜스듀서는 제1 및 제2 사전결정된 주파수 f_s, f_p 사이의 주파수에서 유도 영역 내 인덕터로 작동한다. 최적의 트랜스듀서 진동을 유지함으로써 최적의 효율성을 만들기 위해, 트랜스듀서를 통해 흐르는 전류는 유도 영역 내 주파수를 유지해야 한다.

컨트롤러(23)의 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서로 하여금, 초음파 트랜스듀서(49)의 진동 주파수를 유도 영역 내로 유지하여 초음파 처리 챔버(48) 내의 세포 용해 효율성을 최대화하도록 한다.

컨트롤러(23)의 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서로 하여금, 사전결정된 스위프 주파수 범위에 걸쳐 점진적으로 추적하는 주파수에서 컨트롤러(23)가 트랜스듀서를 구동하는 스위프 동작을 수행하도록 한다. 다시 말해서, 드라이버 장치(2)는 사전결정된 스위프 주파수 범위에 걸쳐 복수 개의 다른 주파수에서 트랜스듀서를 구동한다. 예를 들어, 스위프 주파수 범위의 일 단부에서 스위프 주파수 범위의 다른 단부까지 사전결정된 주파수에 의해 주파수가 증가한다.

일부 실시예에서, 주파수 컨트롤러(23)가 스위프를 수행하면서 컨트롤러(23)는 컨트롤러(23) 내에 제공되고 초음파 트랜스듀서(49)와 결합된 아날로그 디지털 컨버터의 아날로그 디지털 변환(ADC) 값을 모니터링한다. 일부 실시예에서, ADC 값은 초음파 트랜스듀서(49)에 걸친 전압에 비례하는 ADC 파라미터이다. 다른 실시예에서, ADC 값은 초음파 트랜스듀서(49)를 통해 흐르는 전류에 비례하는 ADC 파라미터이다.

스위프 작동 중, 컨트롤러(23)는 트랜스듀서에 대한 주파수 유도 영역을 찾는다. 컨트롤러(23)가 유도 영역을 식별하면 컨트롤러(23)는 ADC 값을 기록하고 유도 영역 내 주파수(즉, 제1 및 제2 사전결정된 주파수 f_s, f_p 사이)로 트랜스듀서의 구동 주파수를 고정하여 초음파 트랜스듀서(49)의 작동을 최적화한다. 구동 주파수가 유도 영역 내에 고정되면 트랜스듀서의 전자-기계 결합 인자가 최대화되므로 초음파 트랜스듀서(49) 작동이 최대화된다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)는 초음파 트랜스듀서(49)를 통해 흐르는 전류를 모니터링하여 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용되는 능동 전력을 결정한다. 능동 전력은 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 소산되는 실제 역률이다.

초음파(압전) 트랜스듀서의 기계적 변형은 초음파 트랜스듀서에 인가되는 AC 전압 진폭과 관련되며, 최적의 기능을 보장하고 시스템에 전달하기 위해 최대 변형이 항상 초음파 트랜스듀서에 구현되어야 한다. 초음파 트랜스듀서에 인가되는 AC 전압 펄스 폭 변조(PWM)에 의하여 진동의 기계적 진폭은 동일하게 유지된다. 일부 실시예에서, AC 전압 파형의 듀티 사이클을 능동적으로 조정하여 초음파 트랜스듀서의 변형을 최대화함으로써 최적의 기능과 시스템 전달을 보장한다.

일 접근법으로 디지털 아날로그 컨버터(DAC)의 사용을 통해 초음파 장치에 인가되는 AC 전압을 변조하는 방법이 포함된다. 초음파 트랜스듀서에 전송되는 에너지가 감소되었지만 결과적으로 최대 변형을 만들지 못해 기계적 변형도 줄어든다. 초음파 트랜스듀서에 인가되는 RMS 전압은 전압 변조와 듀티 사이클 변조의 효과는 동일하지만 초음파 트랜스듀서에 전송되는 능동 전력의 품질이 저하된다. 실제적으로 하기 방정식을 고려할 때

초음파 트랜스듀에 대해 표시된 능동 전력은 다음과 같고,

여기서

는 전류와 전압 사이의 위상(phase)의 시프트이다.

I_rms는 제곱 평균 제곱근 전류이고

V_rms는 제곱 평균 제곱근 전압이다.

제1 고조파를 고려할 때, Irms는 초음파 트랜스듀서에 인가되는 실제 전압 진폭의 함수이고, 펄스 폭 변조는 초음파 트랜스듀서에 공급되는 전압 시간을 변경하여 Irms를 제어한다.

본 실시예에서, 컨트롤러(23)의 메모리는 명령을 저장하고, 컨트롤러(23)의 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서로 하여금,

A. 컨트롤러(23)의 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서(49)로 출력하고;

B. 모니터링 신호에 기초하여, 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용되는 능동 전력을 계산하고;

C. AC 드라이버를 제어하여 AC 구동 신호를 변조함으로써 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용되는 능동 전력을 최대화하고;

D. 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 AC 구동 신호의 스위프 주파수를 메모리에 기록으로 보관하고;

E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하고;

F. 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 최대 능동 전력이 사용되는 AC 구동 신호의 스위프 주파수인, AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하고; 그리고

G. AC 드라이버를 제어하여 최적 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서(49)로 출력하도록 한다.

일부 실시예에서, 시작 스위프 주파수는 2800kHz이고 종료 스위프 주파수는 3200kHz이다. 다른 실시예에서, 시작 스위프 주파수 및 종료 스위프 주파수는 2800kHz 내지 3200kHz 범위 내 하위 및 상위 주파수이다.

일부 실시예에서, 프로세서는 AC 드라이버를 제어하여 최적 주파수의 1~10% 사이에서 시프트되는 주파수에서 AC 구동 신호를 초음파 트랜스듀서(49)로 출력한다. 이러한 실시예에서, 주파수 시프트를 사용하면 초음파 트랜스듀서(49)를 최대 변위를 만드는 최적 구동 주파수에서 연속으로 구동할 때 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 유발되는 잠재적 손상을 최소화함으로써 초음파 트랜스듀서(49)의 수명을 연장한다.

일부 실시예에서, AC 드라이버는 펄스 폭 변조를 통해 AC 구동 신호를 변조하여 초음파 트랜스듀서(49)에 의해 사용되는 능동 전력을 최대화한다.

일부 실시예에서, 프로세서는 교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 최적 주파수에서 초음파 트랜스듀서(49)에 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 초음파 트랜스듀서(49)에 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 AC 드라이버를 제어한다. 이렇게 초음파 트랜스듀서(49)를 교대로 활성화 및 비활성화하면 초음파 처리 챔버(48) 내 시료의 세포 용해 프로세스를 최적화하는 것으로 밝혀졌다.

일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(49)의 최적 작동을 보장하기 위해 컨트롤러(23)는 재귀 모드로 작동한다. 컨트롤러(23)가 재귀 모드로 작동하는 경우, 컨트롤러(23)는 시스템 작동 중 스위프 주파수에서 A~D 단계를 주기적으로 실행한다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)의 AC 드라이버는 작동 모드에 따라 교대로 AC 구동 신호를 출력하고 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 구성된다. 일부 실시예의 작동 모드 12개의 타이밍이 하기의 표 1에 표시되어 있다.

작동 모드	제1 사전결정된 시간의 길이(초)	제2 사전결정된 시간(초)
1	4	2
2	3	2
3	2	2
4	1	2
5	1	1
6	2	1
7	3	1
8	4	1
9	4	3
10	3	3
11	2	3
12	1	3

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)의 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서가 스위프 작동을 수행하여 진동이 시작되거나 다시 시작될 때마다 유도 영역을 찾도록 한다. 본 실시예에서, 컨트롤러(23)의 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서로 하여금, 진동이 시작될 때마다 유도 영역 내 새로운 주파수로 구동 주파수를 고정함으로써 초음파 트랜스듀서(49)의 작동 효율성에 영향을 미치는 파라미터의 변화량을 보정하도록 한다.

일부 실시예에서, 초음파 트랜스듀서(49)의 최적 작동을 보장하기 위해 컨트롤러(23)는 재귀 모드로 작동한다. 컨트롤러(23)가 회귀 모드에서 작동할 경우, 컨트롤러(23)는 시스템의 작동 중 주기적으로 주파수 스위프를 실행하고 ADC 값을 모니터링하여 ADC 값이 초음파 트랜스듀서 작동에 대한 최적의 진동을 의미하는 사전결정된 임계값 이상인지 결정한다.

일부 실시예에서, 컨트롤러(23)가 스위프 작동을 실행하면서 컨트롤러(23)가 초음파 트랜스듀서(49)의 변위를 최대화하는 것으로 초음파 트랜스듀서(49)에 대한 더 좋은 주파수를 식별할 수 있는 경우 시스템은 세포를 용해하는 과정에 놓인다. 컨트롤러(23)가 더 좋은 주파수를 식별하면 컨트롤러(23)는 최적의 초음파 트랜스듀서(49) 작동을 유지하기 위해 새롭게 식별된 더 좋은 주파수로 구동 주파수를 고정시킨다.

도 15는 일부 실시예의 컨트롤러(23) 작동에 대한 계통도를 도시한다.

이제 첨부된 도 16 및 17을 참조하면, 분석 장치(2)의 리드(14)는 적어도 분석 장치 바디(24) 시료 챔버(25)의 열린 단부를 폐쇄하도록 구성된 통상적으로 평면인 커버(50)를 구비한다. 리드(14)는 커버(50)의 주변부로 확장되는 측면 벽(51)을 구비한다. 본 실시예에서, 공기 흡입 애퍼처(52)가 하나의 측면 벽(51)에 제공된다.

본 실시예에서, 리드(14)는 분석 장치 바디(24)에 리드(14)를 선회 가능하게 장착할 수 있는 선회 가능한 장착 장치(53)를 구비한다. 다른 실시예에서, 리드(14)는 분석 장치 바디(24)에 리드(14)를 이동 가능하게 장착할 수 있는 이동 가능한 장착 장치를 포함하여 구성된다.

리드(14)는 측면 벽(51) 단부 둘레에서 리드 부재(50)의 하부와 중첩되는 가스 투과막(54)을 구비한다. 가스 투과막(54)은 측면 벽(51) 둘레와 중앙 애퍼처(15) 둘레에서 실질적인 기밀 씰을 제공하여 교차 오염 또는 우발적 누출을 방지한다. 일부 실시예에서, 가스 투과막(54)은 Gore-Tex?? 소재이다.

사용중, 공기 흡입 애퍼처(52)는 공기가 리드(14)로 흐르고, 공기가 가스 투과막(54)을 통과하여 흐른 다음 분석 장치 바디(24) 내 적어도 시료 챔버(25)로 흐르도록 한다.

다른 실시예에서, 가스 투과막(54)은 다른 일방향 가스 유동 부재, 이를테면 밸브로 교체할 수 있다.

이제 첨부된 도 18 내지 20을 참조하면, 분석 장치(2)의 PCR 장치(16)는 분석 장치 바디(24)에 결합되어 핀(55)이 분석 장치 바디(24)의 외부를 향하도록 돌출되는 핀(55)을 구비한다. 핀(55)은 분석 장치 바디(24)와 연결하도록 구성되는 장형 장착 부재(56)를 구비한다. 장착 부재(56)에는 핀(55)을 통과하도록 확장되어 애퍼처(57, 58)가 핀(55) 내에 정의된 PCR 챔버(59)와 유체적으로 연통하는 제1 애퍼처(57) 및 제2 애퍼처(58)가 제공된다. 본 실시예에서, 핀(55)은 PCR 챔버(59)를 부분적으로 둘러싸는 중앙 부분(61) 내 복수 개의 내부 챔버(60)를 더 포함한다.

핀(55)은 한 포인트(64)로 수렴하는 앵글드 단부(62, 63)를 포함한 통상적으로 직사각형이다. 사용중, 시료는 분석 장치(2)의 시약 챔버 두 개를 통과한 후, PCR 챔버(59)를 포함하는 PCR 핀(55)으로 밀려 들어간다.

일부 실시예에서, PCR 프로세스를 위해 선택된 시약은 극도의 rRT-PCR 프로세스를 용이하게 하고 형광을 통한 온도 모니터링을 허용하도록 선택된다. 일부 실시예에서, 시약 제조법은 다음으로 구성되거나 다음을 포함한다. 포워드 및 리버스 프라이머 각각 5μM(총 6개의 프라이머, 2세트는 SARS-COV-2 검출용이고 1세트는 성공적인 PCR 반응을 위한 대조군용), IX LCGreen+ 염료, 디옥시뉴클레오시드 삼인산(dNTP) 각각 0.2μM: dATP, dTTP, dGTP, dCTP, 50mM Tris, 1.65μM KlenTaq, 25ng/μL BSA, 1.25U/μL Malone Murine 백혈병 바이러스 역전사효소(MMLV), 7.4mM MgCl₂, 및 술포로다민 B.

이제 첨부된 도 21 및 22를 참조하면, PCR 장치(16)의 핀(55)은 가열 장치(17) 내에 적어도 일부가 수용되도록 구성된다.

본 실시예에서, 가열 장치(17)는 서로 이격되어 있으며 피벗 부재(67)에 회전 가능하게 장착되는 통상적으로 원형인 평면 디스크 두 개(65, 66)를 구비한다. 가열 리세스(68)는 디스크(65, 66) 사이 공간의 일부로 정의된다.

본 실시예에서, 디스크(65) 중 하나는 도 23에 도시된 바와 같이, 제1 가열 요소(69a) 및 제2 가열 요소(69b)를 운반하는 이동 가능한 지지 요소다. 제1 및 제2 가열 요소(69a, 69b)는 디스크(65)의 한 측면에서 서로 이격되어 있다.

가열 장치(17)는 디스크(65)를 이동하여 피벗 부재(67)를 회전시킴으로써 디스크(65)는 제1 가열 요소(69a)가 제2 가열 요소(69b)에 비해 가열 리세스(68) 더 근접하게 위치하는 제1 위치 및 제2 가열 요소(69b)가 제1 가열 요소(69a)에 비해 가열 리세스(68)에 더 근접하게 위치하는 제2 위치 사이에서 움직이도록 구성되는 모터를 더 포함한다. 모터는 컨트롤러(23)와 전기적으로 결합되고, 이에 따라 컨트롤러(23)는 모터를 제어하여 디스크(65)가 제1 위치 및 제2 위치 사이에서 주기적으로 움직일 수 있다.

일부 실시예에서, 가열 장치(17)는 가열 리세스(68) 내에 위치한 PCR 장치 내 액체의 온도를 센싱하도록 구성된 온도 센서를 포함하고, 시스템은 센싱된 온도에 반응하여 제1 및 제2 가열 요소의 동작을 제어하도록 구성된다.

이제 첨부된 도 24를 참조하면, 시스템(1)은 피벗 부재(67)가 확장되는 애퍼처(72)를 제공하는 통상적으로 평면인 지지 부재(71)를 구비하는 형광 검출 장치(70) 형태의 감염증 검출 장치를 포함한다. 형광 검출 장치는 제1 삼각형 부분(73) 및 제2 삼각형 부분(74) 및 만입 부분(75)을 포함한다. 평면형 바디(71) 및 삼각형 부분(73, 74)은 가열 장치의 디스크(65, 66) 사이의 공간에 위치한다.

만입 부분(75)은 PCR 장치(16)의 뾰족한 핀(55) 단부를 수용하도록 형성된다.

검출 장치(70)에는 오목한 부분(75)의 한 모서리를 따라 있는 복수 개의 발광기(76), 및 오목한 부분(75)의 다른 모서리를 따라 있는 복수 개의 광수용체(77)가 제공된다. 본 실시예에서, 네 개의 발광기는 각각 다른 파장의 빛을 전달하도록 구성된 네 개의 LED 형태이고, 네 개의 광수용체(77)는 각각 다른 파장의 빛을 검출하도록 구성된다. 하지만 다른 실시예에서는, 다른 개수의 발광기 및 광수용체를 사용할 수 있다.

일부 실시예의 검출 장치(70)는 LCGreen+ 및 술포로다민 B 염료에서 방출되는 형광을 검출하여 PCR, 융해 곡선 및 온도 변화를 모니터링하도록 구성된다.

일부 실시예에서, 검출 장치는 COVID-19 감염증을 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스의 존재 여부를 검출하는 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치이다.

결과 보고

일부 실시예에서, 시스템(1)은 디스플레이, 이를테면 LCD 모니터를 하우징(3) 외부에 구비한다. 컨트롤러(23)가 시스템의 정보를 처리한 후 검사 결과가 디스플레이에 표시된다. 네 가지 가능한 분석 결과는 다음과 같다. 양성, 음성, 미확정 또는 무효. COVID-19 검사의 경우, 네 가지 결과 기준이 하기의 표 2에 표시되어 있다.

COVID Gene1	COVID Gene2	RNAse P '대조군'	결과	보고
+	+	+/-	2019-nCOV 검출	양성
둘 중 하나가 +		+/-	미확정	미확정
-	-	+	2019-nCOV 불검출	음성
-	-	-	무효한 결과	무효

SARS-COV-2 실시예

이제 SARS-COV-2 분석을 위한 일부 실시예의 시스템 작동을 설명한다.

분석 장치(2)에서 제1 챔버는 사용자가 스크리닝할 표적 시료를 추가하는 시료 챔버이다. 일부 실시예에서, 표적 시료는 침 시료 또는 가래 시료이다. 다른 실시예에서, 비강인두강 스왑 또는 구강인두강 스왑을 통해 사용자가 표적 시료를 수집한다. 추가 실시예에서, 표적 시료는 혈액 시료이다.

일부 실시예에서, 표적 시료는 부피가 1ml 내지 5ml 사이이다. 시료는 환자로부터 수집된 후, 시료 챔버에 추가하기 전에 용리 버퍼에 배치된다. 일부 실시예에서, 용리 버퍼는 1M 이미다졸 용액, 1M Tris, 0.5M EDTA, Milli-Q 또는 탈이온수로 구성된다.

다음 챔버는 세척 챔버이다. 일부 실시예에서, 세척 챔버는 상기에 언급된 용리 버퍼의 초과량(3ml 내지 5ml)을 함유한다. 세척 챔버는 시료를 세척하여 잠재적인 오염물을 제거하는 데 사용된다.

다음 챔버는 용해제 챔버이다. 일부 실시예에서, 용해제 챔버는 분석의 세포 용해 단계를 지원하는 화학물질의 혼합물을 포함한다. 일부 실시예에서, 용해제는 다음 세 가지 제제를 포함하되, 이에 국한되지 않는 제제를 포함한다.

용해 제제 1번:

· 10mM Tris

· 0.25% Igepal

· CA-630

· 150mM NaCl

용해 제제 2번:

· 10mM Tris-HCl

· 10mM NaCl

· 10mM EDTA

· 0.5% Triton-X100

용해 제제 3번:

· 0.1M LiCl

· 0.1M Tris-HCl

· 1% SDS

· 10mm EDTA

다음 챔버는 액체 시약 혼합 챔버이다. 시료를 초음파 처리하고 세포 용해가 일어나면 유리된 핵산이 플런저 칼럼의 압력을 통해 액체 시약 혼합 챔버로 밀려 들어간다. 액체 시약 챔버에는 rRT-PCR 시약 혼합물의 액체 안정화 성분이 포함된다. 일부 실시예에서, 이 챔버에 함유된 예시적 성분은 다음과 같다. Tris, IX LCGreen 염료, 유리 뉴클레오티드, MgCl₂ 또는 술포로다민 B.

다음 챔버는 동결건조 시약 혼합 챔버이다. 이 챔버에는 액체 또는 수화 상태에서 장시간 보관할 수 없는 동결건조된 형태의 시약, 이를테면 단백질이 포함된다. 일부 실시예에서, 분석 장치 내에 장시간 보관하기 위해 동결건조되는 예시적 성분에는 프라이머, 중합효소, 역전사효소 또는 소혈청알부민(BSA) 등이 있다.

다음 챔버는 PCR 챔버이며 이 챔버는 PCR 핀 내 포드의 주요 섹션 외부에 위치하고 있다. 이 챔버는 최종 혼합된 PCR 용액(초기 시료 및 모든 PCR 시약으로부터 유리화된 핵산 함유)이 rRT-PCR 이전에 전송되는 곳이다.

마지막 챔버는 폐기물 챔버이다. 이 챔버는 분석 장치의 사이클을 거친 모든 폐성분을 함유한다. 예를 들어, 세척 용액이 초음파 처리 챔버를 통해 밀려 나오면 상기 용액은 초음파 처리 챔버에서 배출된 후 폐기물 챔버로 직접 전달된다. 이 챔버의 부피는 최소한 포드 내 모든 액체의 총 부피에서 추가된 시료의 부피를 더한 부피가 되어야 한다.

PCR 방법

일부 실시예의 방법은 신속 검출을 위해 rRT-PCR을 수행하고 시료 내 SARS-COV-2의 존재 여부를 확인한다. RT-PCR 반응을 수행하는 데 필요한 가열 및 냉각 프로세스를 제어하기 위해, 일부 실시예의 시스템은 필수적인 온도 사이클을 제공하는 이중 가열 요소를 포함한 열 사이클러로서의 가열 장치(17)를 사용한다.

가열 장치(17)의 디스크(65, 66)는 극도의 rRT-PCR 사이클 중 빠르게 회전하여 다양한 열 레벨을 인가함으로써 PCR 챔버를 원하는 온도로 가열한다. 가열 요소(69a, 69b)는 디스크의 대향 측면에 위치하고 각각은 디스크 표면의 1/4 영역을 차지한다. 각 가열 요소(69a, 69b)는 특정 온도에 도달하도록 프로그래밍된다.

제1 가열 요소(69a)는 처음에 45 ℃까지 가열하고, 역전사효소 단계 중 일시 정지한 다음 PCR 온도를 55 ℃로 가열한다. 제2 가열 요소(69b)는 95 ℃까지 가열하고 PCR 단계에서만 사용된다. 디스크(65)의 다른 섹션 두 개는 가열 요소(69a, 69b) 사이의 단열 영역으로서 역할한다.

일부 실시예에서, 가열 사이클링은 다음과 같이 진행된다. 제1 가열 요소(69a)를 45 ℃까지 온도를 상승시키면서 PCR 챔버를 디스크의 단열 섹션에 노출한다. 제1 가열 요소(69a)가 45 ℃에 도달하면 디스크(65)가 회전하여 PCR 챔버를 제2 가열 요소(69b)에 누출시킨 후 역전사효소 프로세스를 진행시킨다. 상기 과정 직후 제1 가열 요소가 55 ℃로 가열되고 PCR 프로세스가 시작된다.

일부 실시예에서 디스크(65)는 PCR 챔버를 제1 및 제2 가열 요소에 번갈아 가면서 빠르게 노출시켜 약 30~35 사이클의 가열 및 냉각 과정을 진행한다. 디스크(65)의 각 회전 후 PCR 챔버 내 액체 온도는 술포로다민 B의 수동식 형광 검출을 사용하여 모니터링된다.

제2 가열 요소(69b)가 PCR 챔버에 인접하고 PCR 챔버 내 액체 온도가 95 ℃에 도달하면, 디스크(65)가 트리거되어 회전하고 제1 가열 요소(69a)를 PCR 챔버에 근접하도록 이동시킨다. 그 다음에 온도가 55 ℃로 내려가면 디스크(65)는 제2 가열 요소(69b)로 다시 회전한다. 이렇게 한 사이클이 완료된다.

마지막 PCR 사이클 이후, 제1 가열 요소(69a)가 PCR 챔버에 인접하도록 회전하고 8 ℃/s의 속도로 90 ℃ 내지 100 ℃ 사이의 온도까지 가열을 시작하여 융해 분석을 수행함으로써 특정 PCR 생성물의 존재 여부를 확인한다.

시스템(1)은 10분 이내에 검사 결과를 제공할 수 있으며, 일부 실시예에서는 5분 이하일 수 있다. 이는 종래의 PCR 검사에 비해 유의미하게 빠른 것이며 가정, 상점, 엔터테인먼트 장소 뿐만 아니라 공항, 버스 및 기차 터미널, 기타 교통 시설에서의 신속 검사를 가능하게 한다.

일부 실시예의 시스템(1)은 휴대성이 매우 좋으며 검사가 필요한 장소로 쉽게 운반할 수 있다. 시스템의 효율적인 조작을 통해 일부 실시예의 시스템은 배터리로부터 전력을 공급받을 수 있어 시스템은 사실상 모든 장소에서 검사를 수행할 수 있다.

상기 내용은 통상의 기술을 지닌 자가 본 개시의 다양한 양태를 더 잘 이해할 수 있도록 다양한 실시예의 특징을 서술한다. 통상의 기술을 가진 자는 본원에 소개된 다양한 실시예의 것과 동일한 목적을 수행하고 및/또는 동일한 편익을 달성하기 위해 다른 프로세스 및 구조를 설계 또는 변경하기 위한 기본으로 본 개시를 사용할 수 있을 것이다. 또한 통상의 기술을 가진 자는 그러한 동등한 제품이 본 개시의 원칙과 범위를 벗어나지 않으며 본 개시의 원칙과 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 대체, 및 개량을 수행할 수 있을 것이다.

본 주제는 구조적 특성이나 방법에 따른 언어로 설명되었지만 첨부된 청구항의 주제는 상기에 설명된 특정한 기능 또는 조치만으로 제한될 필요가 없다는 점을 인지할 수 있다. 오히려, 상기에 설명된 특정 기능 및 조치는 적어도 청구항의 일부를 구현하는 예시로서 공개되었다.

본원에서는 실시예의 다양한 조작이 제공되었다. 일부 또는 전체 조작이 설명된 주문은 이러한 조작이 주문에 필수적으로 의존함을 암시하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 다른 주문이 본 설명으로부터 편익을 받는다고 인정된다. 나아가, 모든 조작이 본원에 개시된 각 실시예에 반드시 존재하지는 않는다. 또한, 모든 조치가 일부 실시예에서 필수적인 것은 아니라고 이해된다.

더구나, 본원에서 사용되는 "예시적"이라는 용어는 예시, 경우, 실례 등을 의미하지만 필수적인 장점은 아닌 것이다. 본 출원서에 사용된 "또는"이란 포용적인 "또는"을 의미하며 배타적인 "또는"을 의미하지 않는다. 게다가, 본원 및 첨부의 청구항에서 사용된 "하나"라는 용어는 달리 특정되거나 문맥상 단일 형식을 지칭하는 것이 명확하지 않는 한 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석된다. 또한, 적어도 하나의 A 및 B 및/또는 이와 유사한 표현은 일반적으로 A 또는 B, 또는 A 및 B 두 개를 모두 의미한다. 더구나, "포함", "구비하는", "구비", "함께" 또는 그의 변형된 범위에 있어서, 그러한 표현은 "포함하는"과 유사한 방식으로 포용하는 것으로 사용된다. 또한, 달리 명시되지 않는 한, "제1", "제2" 또는 그와 유사한 표현은 시간 한정적인 양태, 공간적 양태, 순서 등을 의미하지 않는다. 대신에 그러한 표현은 기능, 요소, 항목 등을 위한 식별자, 이름 등으로 단순히 사용된다. 예를 들어, 제1 요소 및 제2 요소는 일반적으로 요소 A 및 요소 B 또는 두 개의 다른 또는 두 개의 동일한 요소, 또는 같은 요소에 해당한다.

또한, 본 개시는 하나 이상의 구현과 관련하여 도시 및 설명되었지만, 동급의 변형 및 개조는 본 명세서 및 부속적인 도면의 판독 및 이해를 기반으로 통상의 기술을 사용하여 만든 다른 장치에서 실행된다. 본 개시는 그러한 모든 개조 및 변형을 포함하고 다음 청구의 범위에 의해서만 제한된다. 특히 상기에 설명된 기능(예: 요소, 리소스 등)에 의해 수행되는 다양한 기능과 관련하여, 그러한 기능을 설명하는 데 사용된 표현은 달리 명시되지 않는 한, 개시된 구조와 구조적으로 동일하지 않더라도, 설명된 특징의 구체적인 기능을 수행하는 특징(예: 기능적으로 동일함)에 해당한다. 더구나, 본 개시의 특정 기능은 다양한 구현 중 한 가지 구현에 대해서만 개시되지만, 그러한 기능은 특정 또는 특별한 응용 분야에 대해 원하는 대로, 및 유리한 대로 다른 구현의 하나 이상의 다른 기능과 결합될 수 있다.

본원에 설명된 주제 및 기능 조작의 실시예는 디지털 전자 회로, 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어, 본 명세서에 개시된 구조 및 구조적으로 동일한 장치를 포함하거나, 이들을 하나 이상 조합함으로써 구현될 수 있다.

일부 실시예의 기능은 데이터 처리 장치 또는 컨트롤러의 실행, 또는 그의 조작을 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 매체에서 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령의 하나 이상의 모듈을 사용하여 구현된다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 제조된 제품, 이를테면 컴퓨터 시스템 또는 내장형 시스템의 하드 드라이버가 될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 별도로 획득하거나 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 명령 모듈, 이를테면 유선 또는 무선 네트워크를 통하여 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 명령 모듈을 전달함으로써 차후에 인코딩될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 기계 판독 가능 스토리지 장치, 기계 판독 가능 스토리지 기판, 메모리 장치 또는 이들의 하나 이상의 조합이 될 수 있다.

"컴퓨팅 장치" 및 "데이터 처리 기구"는 프로그램 가능 프로세서, 컴퓨터 또는 다수 개의 프로세서 또는 컴퓨터 등을 포함하여 데이터를 처리하는 모든 기구, 장치 및 머신을 포함한다. 기구에는 하드웨어 이외에, 문제의 컴퓨터 프로그램을 위한 실행 환경을 만드는 코드, 이를테면 프로세서 펌웨어, 프로토콜 스택, 데이터베이스 관리 시스템, 운영 시스템, 런타임 환경, 또는 이들의 하나 이상의 조합으로 구성되는 코드가 포함된다. 더구나, 기구는 다양한 컴퓨팅 모델 인프라, 이를테면 웹 서비스, 분산형 컴퓨팅 및 그리드 컴퓨팅 인프라를 사용할 수 있다.

본 명세서에 기술된 프로세스 및 로직 흐름은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하여 입력 데이터를 조작하고 출력을 생성하는 하나 이상의 프로그램 가능 프로세서에 의해 수행될 수 있다.

일부 실시예에서, 본원에 사용된 모듈은 시스템 또는 회로 구조의 적어도 하나의 프로세서를 제어하도록 구성된 메모리 및/또는 프로세서를 포함한다. 메모리는 실행 가능한 명령을 저장하고, 프로세서에 의해 실행될 때, 명령은 프로세서가 적어도 하나의 프로세스를 수행하는 출력을 제공하도록 한다. 메모리의 실시예에는 영구적 컴퓨터 판독 가능 매체가 포함된다.

컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서에는 예시적으로, 일반 및 특수용 마이크로프로세서, 및 디지털 컴퓨터 유형의 하나 이상의 프로세서가 포함된다. 일반적으로, 읽기 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 두 가지 모두로부터 명령 및 데이터를 수신한다. 컴퓨터의 필수 요소에는 명령을 수행하는 프로세서와 명령 및 데이터를 보관하는 하나 이상의 메모리 장치가 있다. 일반적으로, 컴퓨터에는 자석, 광자기 디스크, 또는 광학 디스크와 같은 데이터를 보관할 수 있는 하나 이상의 대용량 스토리지 장치를 포함하거나, 장치에서 데이터를 수신, 장치로 데이터를 전송, 또는 두 가지 모두를 하기 위해 작용적으로 결합된다. 하지만, 컴퓨터가 그러한 장치를 반드시 가져야 하는 것은 아니다. 컴퓨터 프로그램 명령 및 데이터를 보관하기에 적합한 장치에는 모든 유형의 비휘발성 메모리, 매체 및 메모리 장치가 포함되고, 예시로서 반도체 메모리 장치, 이를테면 EPROM(삭제 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리), EEPROM(전기적 삭제 및 프로그램 가능 읽기 전용 메모리), 및 플래시 메모리 장치; 자기 디스크, 이를테면 내장용 하드 디스크 또는 이동식 디스크; 광자기 디스크; 및 CD ROM 및 DVD-ROM 디스크 등이 포함된다.

사용자와 상호작용하기 위하여, 일부 실시예는 사용자에게 정보를 표시할 수 있는 디스플레이 장치, 이를테면 CRT(음극선관) 또는 LCD(액정표시장치) 모니터, 및 사용자가 컴퓨터에 입력하는 데 사용할 수 있는 키보드 및 포인팅 기기, 이를테면 마우스 또는 트랙볼을 구비하는 컴퓨터로 구현된다. 게다가, 사용자와 상호작용하기 위해 다른 유형의 장치를 사용할 수 있으며; 예를 들어, 사용자에게 제공되는 피드백은 모든 형태의 감각적 피드백, 이를테면 시각적 피드백, 청각적 피드백 또는 촉각적 피드백이 될 수 있고; 사용자는 음향, 언어 또는 촉각 입력을 포함한 모든 형태의 입력을 제공할 수 있다.

본 명세서의 "포함"이란 "구비 또는 구성"을 의미하고, "포함하는"이란 "구비하는 또는 구성하는"을 의미한다.

상기 설명, 또는 다음 청구항, 또는 첨부 도면에 개시되거나, 특정 형식으로 명시된 기능, 개시된 기능을 수행하기 위한 방법의 측면, 또는 개시된 결과를 얻기 위한 방법이나 프로세스는, 적절하게는, 별도로, 또는 그러한 기능의 조합으로, 다양한 형식에서 본 발명을 구현하기 위해 사용될 수 있다.

Claims

감염증 스크리닝 시스템으로서,
감염증에 대해 스크리닝할 생물학적 시료를 수용하도록 구성된 초음파 처리 챔버;
2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위의 초음파를 출력하여 상기 초음파 처리 챔버 내에서 상기 생물학적 시료로부터 세포를 용해하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서;
컨트롤러;
상기 생물학적 시료의 용해된 세포로부터 DNA를 수용 및 증폭하도록 구성된 PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치; 및
감염증 검출 장치
를 포함하고,
상기 컨트롤러는,
2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위 내에서 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 발생하도록 구성되고, 상기 AC 구동 신호를 출력하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하도록 구성된 AC 드라이버;
상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하도록 구성된 능동 전력 모니터 - 상기 능동 전력 모니터는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 상기 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공하도록 구성됨 -;
상기 AC 드라이버를 제어하고, 상기 능동 전력 모니터로부터의 상기 모니터링 신호를 수신하도록 구성된 프로세서; 및
명령을 저장하는 메모리를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
A. 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하고;
B. 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하고;
C. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하고;
D. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 상기 메모리에 기록으로 보관하고;
E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하고;
F. 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 상기 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 상기 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하고; 그리고
G. 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 하고,
상기 감염증 검출 장치는, 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하고, 상기 감염증 검출 장치가 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항에 있어서,
상기 능동 전력 모니터는,
상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 상기 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하도록 구성된 전류 센서를 포함하고, 상기 능동 전력 모니터는 센싱된 상기 구동 전류를 나타내는 모니터링 신호를 제공하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
시작 스위프 주파수 2800kHz에서 종료 스위프 주파수 3200kHz까지 증가하는 스위프 주파수로 단계 A~D를 반복하도록 하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
단계 G에서, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수의 1~10% 사이에서 시프트되는 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하도록 하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 AC 드라이버는 펄스 폭 변조를 통해 상기 AC 구동 신호를 변조하여 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하도록 하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제6항에 있어서,
상기 메모리는 명령을 저장하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령은 상기 프로세서로 하여금,
다음에서 선택된 작동 모드에 따라, 교대로 상기 AC 구동 신호를 출력하고 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 시스템은 가열 장치를 더 포함하고,
상기 가열 장치는,
상기 PCR 장치의 일부를 수용하는 가열 리세스;
이동 가능한 지지 요소;
상기 지지 요소에 의해 운반되는 제1 가열 요소;
상기 제1 가열 요소로부터 이격되는 위치에서 상기 지지 요소에 의해 운반되는 제2 가열 요소 - 상기 지지 요소는 상기 제1 가열 요소가 상기 제2 가열 요소에 비해 상기 가열 리세스에 더 근접하게 위치하는 제1 위치 및 상기 제2 가열 요소가 상기 제1 가열 요소에 비해 상기 가열 리세스에 더 근접하게 위치하는 제2 위치 사이에서 이동 가능함 -; 및
상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 사이에서 상기 지지 요소를 주기적으로 이동하도록 구성된 모터를 포함하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제8항에 있어서,
상기 가열 장치는 상기 가열 리세스 내에 위치한 상기 PCR 장치 내 액체의 온도를 센싱하도록 구성된 온도 센서를 포함하고,
상기 컨트롤러는 센싱된 온도에 응답하여 상기 제1 및 제2 가열 요소의 동작을 제어하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 제1 가열 요소를 제어하여 상기 PCR 장치 내 액체를 역전사효소 프로세스(reverse transcriptase process) 중 실질적으로 45 ℃로 가열하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
제9항에 있어서,
PCR 프로세스 중, 상기 컨트롤러가,
상기 제1 가열 요소를 제어하여 상기 PCR 장치 내 액체를 실질적으로 55 ℃로 가열하고,
상기 제2 가열 요소를 제어하여 상기 PCR 장치 내 액체를 실질적으로 95 ℃로 가열하고, 그리고
상기 지지 요소를 상기 제1 및 제2 위치 사이에서 주기적으로 이동시키고, 이에 따라 상기 제1 및 제2 가열 요소가 상기 PCR 장치 내 액체의 온도를 제어하여 실질적으로 55 ℃ 및 실질적으로 95 ℃ 사이에서 순환하도록 하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 시스템은,
시료 챔버, 상기 초음파 처리 챔버 또는 PCR 챔버 사이에서 유체 유동 경로를 선택적으로 제공하도록 이동할 수 있고, 이에 따라 상기 시료의 적어도 일부가 상기 시료 챔버, 상기 초음파 처리 챔버 및 상기 PCR 챔버 사이에서 연속적으로 전달될 수 있는 이동 가능한 유동 경로를 더 포함하는 감염증 스크리닝 시스템.
제12항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 시스템은,
상기 이동 가능한 유동 경로에서 흘러 나온 유체를 여과하도록 구성된 여과 장치를 더 포함하고, 상기 여과 장치는 지름 2μm 내지 30μm 사이에서 공극을 제공하는 제1 필터 요소를 포함하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제13항에 있어서,
상기 여과 장치는 상기 제1 필터 요소에 중첩된 제2 필터 요소를 포함하고, 상기 제2 필터 요소는 직경 0.1μm 내지 5μm 사이의 공극을 제공하는, 감염증 스크리닝 시스템.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 시스템은 COVID-19 감염증 스크리닝 시스템이고, 상기 감염증 검출 장치는 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치로서, 상기 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증을 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스의 존재를 검출하고, 상기 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치는 상기 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하도록 구성되는, 감염증 스크리닝 시스템.
감염증 스크리닝 방법으로서,
초음파 처리 챔버에 감염증을 스크리닝할 생물학적 시료를 배치하는 단계 - 상기 초음파 처리 챔버는 2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위의 초음파를 출력하여 상기 초음파 처리 챔버 내 상기 생물학적 시료에서 얻은 세포를 용해하는 초음파 트랜스듀서를 포함함 -;
AC 드라이버에 의해, 2800kHz 내지 3200kHz 주파수 범위 내에서 사전결정된 주파수에서 AC 구동 신호를 발생하고 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서에 출력하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 단계;
능동 전력 모니터에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서가 상기 AC 구동 신호에 의해 구동될 때, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 능동 전력을 모니터링하는 단계 - 상기 능동 전력 모니터는 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 상기 능동 전력을 나타내는 모니터링 신호를 제공함 -; 및
프로세서에서 상기 능동 전력 모니터로부터의 상기 모니터링 신호를 수신하는 단계를 포함하고;
상기 감염증 스크리닝 방법은,
A. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 사전결정된 스위프 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계;
B. 상기 프로세서에 의해, 상기 모니터링 신호에 기초하여, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 계산하는 단계;
C. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 AC 구동 신호를 변조함으로써 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는 단계;
D. 상기 프로세서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용된 최대 능동 전력 및 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수를 메모리에 기록으로 보관하는 단계;
E. 사전결정된 반복 횟수만큼 단계 A~D를 반복하되, 각 반복에 대하여 상기 스위프 주파수를 증가시키고, 이에 따라 사전결정된 횟수만큼 반복된 후, 상기 스위프 주파수가 시작 스위프 주파수에서 종료 스위프 주파수까지 증가하는 단계;
F. 상기 프로세서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 상기 최대 능동 전력이 사용되는 상기 AC 구동 신호의 상기 스위프 주파수인, 상기 AC 구동 신호를 위한 최적 주파수를 상기 메모리에 보관된 기록으로부터 식별하는 단계; 및
G. 상기 프로세서에 의해, 상기 AC 드라이버를 제어하여 상기 최적 주파수에서 상기 AC 구동 신호를 상기 초음파 트랜스듀서로 출력하는 단계를 더 포함하고;
상기 감염증 스크리닝 방법은,
PCR(Polymerase Chain Reaction) 장치에서 상기 생물학적 시료의 용해된 세포로부터 DNA를 수용 및 증폭하는 단계;
감염증 검출 장치에서, 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하는 단계; 및
상기 감염증 검출 장치가 상기 증폭된 DNA 내 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하는 단계를 더 포함하는, 감염증 스크리닝 방법.
제16항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 방법은,
전류 센서에 의해, 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 상기 AC 구동 신호의 구동 전류를 센싱하는 단계; 및
상기 능동 전력 모니터에 의해, 센싱된 상기 구동 전류를 나타내는 모니터링 신호를 제공하는 단계를 더 포함하는, 감염증 스크리닝 방법.
제16항 또는 제17항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 방법은,
상기 AC 드라이버에 의해, 펄스 폭 변조를 통해 상기 AC 구동 신호를 변조하여 상기 초음파 트랜스듀서에 의해 사용되는 상기 능동 전력을 최대화하는 단계를 더 포함하는, 감염증 스크리닝 방법.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 방법은,
교대로 제1 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 최적 주파수에서 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하고, 제2 사전결정된 시간의 길이 동안 상기 초음파 트랜스듀서에 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함하는, 감염증 스크리닝 방법.
제19항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 방법은,
다음에서 선택된 작동 모드에 따라, 교대로 상기 AC 구동 신호를 출력하고 상기 AC 구동 신호를 출력하지 않도록 상기 AC 드라이버를 제어하는 단계를 더 포함하는, 감염증 스크리닝 방법.
제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감염증 스크리닝 방법은 COVID-19 감염증 스크리닝 방법이고, 상기 COVID-19 감염증 스크리닝 방법은,
SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치에서 상기 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증을 유발하는 SARS-CoV-2 바이러스의 존재를 검출하는 단계; 및
상기 SARS-CoV-2 바이러스 검출 장치가 상기 증폭된 DNA에서 COVID-19 감염증의 존재를 검출하였는지 여부를 나타내는 출력을 제공하는 단계를 포함하는, 감염증 스크리닝 방법.