KR20230091537A - Integrated system of electro-stimulation for optimal differentiation of stem cells - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유전자 조작이나 생화학적 인자 없이 미세 전기자극 시스템을 이용하여 세포분화 또는 기능활성을 유도하는 기술에 관한 것이다. 특히, 줄기세포의 최적 분화를 위한 전기자극 자동 스케쥴링 기술에 관한 것이다. The present invention relates to a technique for inducing cell differentiation or functional activity using a microscopic electrical stimulation system without genetic manipulation or biochemical factors. In particular, it relates to an automatic electrical stimulation scheduling technology for optimal differentiation of stem cells.
최근 전기 자극을 이용한 세포 분화 및 리프로그래밍 유도에 대한 많은 연구들이 추진되고 있다. 전기 자극은 세포의 증식 및 이동 등에 특별한 역할을 하고 세포, 조직, 동물 등을 이용한 연구에서 조직재생을 촉진한다는 결과들이 보고되었으며, 세포사멸 신호를 변화시킬 수 있고 면역세포의 이동을 조절할 수 있는 것으로 알려져 있다. 현재 반려동물, 레져동물 및 산업동물에서 전기 자극을 이용한 특정 세포로의 분화기술 확립 및 해당 기술을 이용한 질환 적용은 연구된 바는 알려지지 않았다.Recently, many studies on the induction of cell differentiation and reprogramming using electrical stimulation have been promoted. Electrical stimulation plays a special role in cell proliferation and migration, and studies using cells, tissues, and animals have reported results of promoting tissue regeneration, and it is believed that apoptosis signals can be changed and immune cell migration can be controlled. It is known. Currently, it is not known what research has been done on the establishment of differentiation technology into specific cells using electrical stimulation in companion animals, leisure animals, and industrial animals and the application of the technology to diseases.
종래의 특정 성장인자의 처리법의 대체방법으로 줄기세포를 신경세포, 연골세포, 골원성세포 등 특정 기능을 담당하는 세포로 분화를 유도하는 많은 연구가 진행되어 왔다. 이와 관련하여, 인간 중간엽 줄기세포에 대하여 전기자극을 가하여 심근 특이적 표지인자를 발현하는 가로무늬근 세포(striated muscle cell)로의 분화를 유도할 수 있다고 보고된 바가 있다. 또한, 실크-피브로인 필름 위에 파종된 인간 중간엽 줄기세포에 전기자극을 가하여 골원성 분화(osteogenic differentiation)에 성공하였다고 보고된 바가 있다. 더 나아가 전기자극은 줄기세포를 특정 세포 유형으로 분화시키는 것 외에도 이미 분화된 특정 세포를 다른 유형의 세포로 교차분화하는 데에도 사용이 가능한 것으로 알려지고 있다. 이와 관련하여 마찰대전 나노발전기를 이용하여 피부유래 섬유아세포를 신경세포로 교차분화시킬 수 있음이 보고된 바 있다. 또한, 대한민국 등록특허 제1653197호에는 섬유아세포에 전기자극을 가하여 연골세포로 교차분화하는 방법이 공개되어 있다. As an alternative to the conventional treatment of specific growth factors, many studies have been conducted to induce the differentiation of stem cells into cells responsible for specific functions such as nerve cells, chondrocytes, and osteogenic cells. In this regard, it has been reported that differentiation into striated muscle cells expressing myocardial-specific markers can be induced by applying electrical stimulation to human mesenchymal stem cells. In addition, it has been reported that osteogenic differentiation was successfully achieved by applying electrical stimulation to human mesenchymal stem cells seeded on a silk-fibroin film. Furthermore, it is known that electrical stimulation can be used not only to differentiate stem cells into specific cell types, but also to cross-differentiate specific cells that have already been differentiated into other types of cells. In this regard, it has been reported that skin-derived fibroblasts can be cross-differentiated into nerve cells using triboelectric nanogenerators. In addition, Korean Patent Registration No. 1653197 discloses a method of cross-differentiation into chondrocytes by applying electrical stimulation to fibroblasts.
그러나, 상기 선행기술들은 특정 전기자극을 줄기세포 또는 섬유아세포에 인가하여 특정 세포로 분화하는 방법에 대하여만 개시하고 있을 뿐, 분화를 더욱 효율적으로 유도하기 위한 전기자극 스케쥴링의 최적화에 대해서는 제시하지 않고 있다. 특히, 전기자극에 의해 줄기세포로부터 분화된 어떤 세포의 연골세포 성질(chondrogenic markers)을 향상시키는 최적의 방법을 제시하고 있지 않다.However, the prior art only discloses a method for differentiating into a specific cell by applying specific electrical stimulation to stem cells or fibroblasts, and does not suggest optimization of electrical stimulation scheduling to induce differentiation more efficiently. there is. In particular, an optimal method for improving chondrogenic markers of certain cells differentiated from stem cells by electrical stimulation has not been proposed.
본 발명의 발명자가 관찰한 바에 따르면, 줄기세포 배양액에 전기자극을 지속적으로 가하면 줄기세포로부터 변화된 연골세포의 양이 증가하다가 다시 감소한다. 이와 같은 방식으로 연골세포를 대량으로 분화하기 위해서는 전기자극의 지속시간에 따라 분화되는 연골세포의 양이 최대가 되는 제1시점을 결정하여, 상기 제1시점 이후에는 전기자극을 중지하고, 분화된 연골세포를 수확할 필요가 있다. 만일 전기자극을 지속하는 동안 형성되는 연골세포의 양이 일정 시간 동안 최대값을 유지한다면, 상기 최대값에 도달한 최초의 시점에 전기자극을 중지하여 연골세포로의 분화 과정을 최적화할 수 있다.According to the observations of the inventors of the present invention, when electrical stimulation is continuously applied to the stem cell culture medium, the amount of chondrocytes changed from the stem cells increases and then decreases again. In order to differentiate chondrocytes in large quantities in this way, the first time point at which the amount of differentiated chondrocytes is maximized according to the duration of electrical stimulation is determined, and after the first time point, electrical stimulation is stopped and differentiated Chondrocytes need to be harvested. If the amount of chondrocytes formed during electrical stimulation is maintained at the maximum value for a predetermined time, the differentiation process into chondrocytes may be optimized by stopping the electrical stimulation at the first time point when the maximum value is reached.
본 발명은 상술한 문제점을 해결할 수 있도록 줄기세포로부터 연골세포를 분화하기 위하여 줄기세포 배양액에 가하는 전기자극의 종료시점을 결정하는 기술을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is to provide a technique for determining the end point of electrical stimulation applied to a stem cell culture medium in order to differentiate chondrocytes from stem cells in order to solve the above problems. However, these tasks are illustrative, and the scope of the present invention is not limited thereby.
본 발명이 일 관점에 따라, 배양기(10)에 담긴 줄기세포 배양액에 소정의 전류패턴에 따라 전기자극을 제공하도록 되어 있는 구동전류 제어부(30); 소정의 시간 간격으로 상기 줄기세포 배양액을 촬영한 복수 개의 촬영이미지들을 추정부(50)에 제공하도록 되어 있는 촬영장치(40); 및 신경망부(510)를 포함하며, 상기 복수 개의 촬영이미지들 각각을 상기 신경망부(510)의 입력층에 입력하여 상기 신경망부(510)로부터 일련의 출력값들을 출력하도록 되어 있는 추정부(50);를 포함하며, 상기 일련의 출력값들의 시간에 따른 히스토리를 기초로 상기 전기자극의 제공의 종료시점을 결정하도록 되어 있는, 전기자극 제어시스템이 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention, the driving
이때, 상기 신경망부는, 상기 신경망부에 입력되는 상기 촬영이미지 내에 포함된 연골세포의 군집영역의 넓이가 감소할수록 상기 출력값을 더 큰 값으로 출력하도록 지도학습 되어 있는 것일 수 있다.In this case, the neural network unit may be supervised to output the output value as a larger value as the area of the cluster region of chondrocytes included in the captured image input to the neural network unit decreases.
이때, 상기 일련의 출력값들이 시간에 따라 더 이상 증가하지 않는다고 판단되는 시점에 상기 전기자극의 제공의 종료를 결정하도록 되어 있을 수 있다.In this case, the end of the provision of the electrical stimulation may be determined when it is determined that the series of output values no longer increase with time.
이때, 상기 신경망부는, 배양기(10)에 담긴 줄기세포 배양액에 소정의 전류패턴에 따라 전기자극을 제공하여, 소정의 시간 간격으로 상기 줄기세포 배양액을 촬영한 복수 개의 촬영이미지들을 획득하는 단계; 상기 복수 개의 촬영이미지들을 이용하여 신경망부를 학습시키기 위하여, 상기 복수 개의 촬영이미지들에 대응하는 한 세트의 라벨을 준비하는 단계; 및 선택된 상기 촬영이미지를 상기 신경망부에 입력하여 상기 신경망부가 출력한 값과 상기 선택된 촬영이미지에 대응하는 상기 라벨의 값 간의 오차를 감소시키도록 상기 신경망부의 내부 파라미터를 갱신하는 단계;를 포함하는 신경망부의 학습방법에 의해 학습된 것이며, 상기 한 세트의 라벨을 준비하는 단계는, 상기 복수 개의 촬영이미지들 중 사용자에 의해 선택된 촬영이미지인 기준 촬영이미지에 미리 결정된 특정 값을 갖는 기준라벨을 할당하는 단계; 및 상기 복수 개의 촬영이미지들 중 상기 기준 촬영이미지를 제외한 나머지 촬영이미지들에 소정의 규칙에 따라 라벨들을 할당하는 단계를 포함할 수 있다.At this time, the neural network unit provides electrical stimulation according to a predetermined current pattern to the stem cell culture medium contained in the
이때, 상기 소정의 규칙에 따라 라벨들을 할당하는 단계는, 상기 나머지 촬영이미지들 중 선택된 촬영이미지를 상기 배양기의 가장자리부를 포함하는 외부영역과 상기 외부영역 내부의 내부영역의 2개의 영역으로 구분하는 단계; 및 상기 내부영역의 넓이를 기초로 상기 선택된 촬영이미지에 대한 라벨의 값을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.At this time, the step of allocating the labels according to the predetermined rule is the step of dividing the selected captured image among the remaining captured images into two areas, an outer area including the edge of the incubator and an inner area inside the outer area. ; and determining a label value for the selected captured image based on the width of the inner region.
이때, 상기 2개의 영역으로 구분하는 단계는, 상기 선택된 촬영이미지 중 상기 배양기를 나타내는 배양기 이미지의 가장자리 중 복수 개의 외곽지점들을 선택하는 단계; 각각의 상기 외곽지점에 대하여, 상기 외곽지점으로부터 상기 배양기 이미지의 중심점을 연결한 라인을 따라 관찰하였을 때에 상기 선택된 촬영이미지의 이미지 속성값이 가장 급격하게 변화하는 지점을 내측지점으로 선택하는 단계; 각각의 상기 외곽지점에 대하여 선택된 복수 개의 상기 내측지점들을 서로 연결한 폐곡선을 상기 내부영역의 외측 바운더리로 결정하여 상기 내부영역을 결정하는 단계; 및 상기 폐곡선의 외측부분을 상기 외부영역으로 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.In this case, the dividing into two areas may include selecting a plurality of outer points among edges of an incubator image representing the incubator among the selected captured images; For each of the outer points, selecting a point at which an image attribute value of the selected captured image changes most rapidly when observed along a line connecting the outer point to the center point of the incubator image as an inner point; determining the inner area by determining a closed curve connecting the plurality of inner points selected for each of the outer points as an outer boundary of the inner area; and determining an outer portion of the closed curve as the outer area.
본 발명의 다른 관점에 따라, 배양기(10)에 담긴 줄기세포 배양액에 소정의 전류패턴에 따라 전기자극을 제공하여, 소정의 시간 간격으로 상기 줄기세포 배양액을 촬영한 복수 개의 촬영이미지들을 획득하는 단계; 상기 복수 개의 촬영이미지들을 이용하여 신경망부를 학습시키기 위하여, 상기 복수 개의 촬영이미지들에 대응하는 한 세트의 라벨을 준비하는 단계; 및 선택된 상기 촬영이미지를 상기 신경망부에 입력하여 상기 신경망부가 출력한 값과 상기 선택된 촬영이미지에 대응하는 상기 라벨의 값 간의 오차를 감소시키도록 상기 신경망부의 내부 파라미터를 갱신하는 단계;를 포함하며, 상기 한 세트의 라벨을 준비하는 단계는, 상기 복수 개의 촬영이미지들 중 사용자에 의해 선택된 기준 촬영이미지에 미리 결정된 특정 값을 갖는 기준라벨을 할당하는 단계; 및 상기 복수 개의 촬영이미지들 중 상기 기준 촬영이미지를 제외한 나머지 촬영이미지들에 소정의 규칙에 따라 라벨들을 할당하는 단계를 포함하는, 신경망부의 학습방법이 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, providing electrical stimulation according to a predetermined current pattern to the stem cell culture medium contained in the
이때, 상기 소정의 규칙에 따라 라벨들을 할당하는 단계는, 상기 나머지 촬영이미지들 중 선택된 촬영이미지를 상기 배양기의 가장자리부를 포함하는 외부영역과 상기 외부영역 내부의 내부영역의 2개의 영역으로 구분하는 단계; 및 상기 내부영역의 넓이를 기초로 상기 선택된 촬영이미지에 대한 라벨의 값을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.At this time, the step of allocating the labels according to the predetermined rule is the step of dividing the selected captured image among the remaining captured images into two areas, an outer area including the edge of the incubator and an inner area inside the outer area. ; and determining a label value for the selected captured image based on the width of the inner region.
이때, 상기 2개의 영역으로 구분하는 단계는, 상기 선택된 촬영이미지 중 상기 배양기를 나타내는 배양기 이미지의 가장자리 중 복수 개의 외곽지점들을 선택하는 단계; 각각의 상기 외곽지점에 대하여, 상기 외곽지점으로부터 상기 배양기 이미지의 중심점을 연결한 라인을 따라 관찰하였을 때에 상기 선택된 촬영이미지의 이미지 속성값이 가장 급격하게 변화하는 지점을 내측지점으로 선택하는 단계; 각각의 상기 외곽지점에 대하여 선택된 복수 개의 상기 내측지점들을 서로 연결한 폐곡선을 상기 내부영역의 외측 바운더리로 결정하여 상기 내부영역을 결정하는 단계; 및 상기 폐곡선의 외측부분을 상기 외부영역으로 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.In this case, the dividing into two areas may include selecting a plurality of outer points among edges of an incubator image representing the incubator among the selected captured images; For each of the outer points, selecting a point at which an image attribute value of the selected captured image changes most rapidly when observed along a line connecting the outer point to the center point of the incubator image as an inner point; determining the inner area by determining a closed curve connecting the plurality of inner points selected for each of the outer points as an outer boundary of the inner area; and determining an outer portion of the closed curve as the outer area.
본 발명에 따르면 줄기세포로부터 연골세포를 분화하기 위하여 줄기세포 배양액에 가하는 전기자극의 종료시점을 결정하는 최적의 제어기술을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an optimal control technique for determining the end point of electric stimulation applied to a stem cell culture medium in order to differentiate chondrocytes from stem cells.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전기자극 시스템(100)을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전기자극 학습 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 줄기세포 배양액에 전기자극을 가하였을 때에 시간에 따라 관찰되는 촬영이미지의 예를 모델링하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 촬영이미지를 2개의 영역으로 나누는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전기자극 시스템을 이용한 전기자극 종료 시점 결정방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 시간에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자극 시스템의 추정부가 출력하는 값을 나타낸 그래프의 예이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 배양기에 담긴 줄기세포 배양액을 촬영한 이미지의 상태에 따라 라벨을 부여하는 방식을 설명하기 위한 것이다.
도 7b는 도 1에 나타낸 신경망부의 구성을 예시한 것이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따라 신경망부를 학습시키는 방법을 설명하기 위한 것이다.
도 7d는 도 7c에서 설명한 신경망부의 학습이 완료된 후, 상기 학습이 완료된 신경망부를 포함하여 제공되는 추정부의 구조를 나타낸 것이다.
도 8a는 도 7d의 추정부에, 전기자극이 제공되고 있는 줄기세포 배양액의 시간에 따른 촬영이미지를 순차적으로 제공하였을 때에, 상기 추정부가 출력하는 값을 시간에 따라 표시한 것이다.
도 8b는 도 8a에 나타낸 추정부의 출력을 이용하여 구동전류 제어부의 온/오프를 제어하는 제1신호를 나타낸다.
도 8c는 도 8b에 나타낸 제1신호의 시간이동평균을 나타낸 제2신호이다.
도 8d는 도 8c에 나타낸 제2신호를 기초로 생성한, '1' 또는 '0'에 대응하는 값만을 갖는 제3신호이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 구동전류 제어부(30)의 구성을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수 개의 배양기들을 촬영하는 방법을 나타낸 것이다.1 is a block diagram showing an
2 is a block diagram showing an electrical stimulation learning system provided according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows an example of a photographic image observed over time when electrical stimulation is applied to a stem cell culture medium by modeling.
4 is a diagram for explaining a method of dividing an acquired captured image into two regions according to an embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating a method for determining an electrical stimulation end point using an electrical stimulation system provided according to an embodiment of the present invention.
6 is an example of a graph showing values output by an estimation unit of an electrical stimulation system according to an embodiment of the present invention according to time.
Figure 7a is for explaining a method of assigning a label according to the state of the captured image of the stem cell culture medium contained in the incubator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7B illustrates the configuration of the neural network unit shown in FIG. 1 .
7C is for explaining a method of training a neural network unit according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7D illustrates the structure of an estimation unit provided after the learning of the neural network unit described in FIG. 7C is completed, including the neural network unit for which the learning is completed.
FIG. 8A shows values output by the estimator over time when photographed images over time of the stem cell culture medium to which electrical stimulation is being provided are sequentially provided to the estimator of FIG. 7D.
FIG. 8B shows a first signal for controlling on/off of the driving current control unit using the output of the estimation unit shown in FIG. 8A.
FIG. 8C is a second signal showing a time moving average of the first signal shown in FIG. 8B.
FIG. 8D is a third signal generated based on the second signal shown in FIG. 8C and having only values corresponding to '1' or '0'.
9 shows the configuration of the driving
10 illustrates a method of photographing a plurality of incubators according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고하여 설명한다. 그러나 본 발명은 본 명세서에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며 여러 가지 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 실시예의 이해를 돕기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니다. 또한, 이하에서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be implemented in various other forms. Terms used in this specification are intended to aid understanding of the embodiments, and are not intended to limit the scope of the present invention. Also, the singular forms used herein include the plural forms unless the phrases clearly dictate the contrary.
<전기자극 제어 시스템의 개괄적 구성><General configuration of electrical stimulation control system>
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전기자극 시스템(100)을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing an
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 전기자극 시스템(100)은, 줄기세포 배양액을 담을 수 있도록 되어 있는 배양기(10), 배양기(10)에 담긴 상기 줄기세포 배양액에 전류를 인가하도록 설치된 한 쌍의 전극(20), 한 쌍의 전극(20)에 전기를 제공하는 구동전류 제어부(30), 상기 줄기세포 배양액을 촬영하는 촬영장치(40), 촬영장치(40)가 시간의 흐름에 따라 출력한 복수 개의 촬영이미지들을 각각 입력하여 상기 줄기세포 배양액에 포함된 줄기세포로부터 분화된 연골세포의 분화량에 관한 값을 추정하여 출력하는 추정부(50)를 포함할 수 있다. 이때, 구동전류 제어부(30)는 시간의 흐름에 따라 추정부(50)가 출력하는 상기 분화량에 관한 값들을 기초로 한 쌍의 전극(20)을 통해 인가되던 전류를 차단하도록 되어 있다. The
상기 추정부(50)는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 상기 컴퓨팅 장치는, CPU, 전원부, 메모리부, 통신부, 및 주변장치 인터페이스부를 포함할 수 있다. 상기 메모리부는 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 상기 메모리부에는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 신경망부의 입력 및 출력 간의 관계를 규정하는 알고리즘을 구현하는 명령어 코드들이 저장되어 있을 수 있다. 상기 CPU는 상기 명령어 코드들을 읽어들여 실행할 수 있다. 상기 신경망부(510)는 상기 CPU에서 실행되는 상기 명령어 코드들에 의해 구현될 수 있다. 상기 주변장치 인터페이스부는 상기 촬영장치(40)에 연결되어, 상기 촬영장치(40)가 출력하는 이미지 및 동영상 정보를 상기 메모리부에 제공하거나, 또는 상기 CPU에 제공할 수 있다.The
상기 구동전류 제어부(30)는, ① 상기 한 쌍의 전극(20)에 전류를 제공하는 전력소자, ② 상기 전력소자에 연결되며 상기 분화량에 관한 값들을 입력받아 이를 기초로 상기 전력소자에 출력전류를 제어하는 제어신호를 생성하는 구동칩(하드웨어), ③ 상기 구동칩의 기능을 설정하는 펌웨어를 저장하는 비휘발성 메모리, ④ 상기 추정부(50)가 제공한 신호를 입력받는 통신 인터페이스부를 포함할 수 있다. The drive
일 실시예에서, 상기 추정부(50)가 제공한 신호(추정값)는 TTL레벨의 베이스밴드 전압신호일 수 있다. 이때, 상기 추정부(50)가 제공한 신호(추정값)는 로지컬 하이 및 로지컬 로우의 두 가지 정보만 제공할 수 있다. 로지컬 하이는 예컨대 +12V의 DC 전위, 로지컬 로우는 예컨대 0V의 DC 전위로 제공될 수 있다. In one embodiment, the signal (estimated value) provided by the
또는 다른 실시예에서, 상기 추정부(50)가 제공한 신호(추정값)는 0 내지 1의 실수를 나타내는 아날로그 신호로서, 변조된 신호일 수 있다. 예컨대 상기 상기 추정부(50)가 제공한 신호(추정값)는 0V 내지 +12V 사이의 임의의 값을 가질 수 있으며, 여기서 0V는 실수 0에 대응하고 +12V는 실수 1에 대응할 수 있다. Alternatively, in another embodiment, the signal (estimated value) provided by the
일 실시예에서, 상기 분화량에 관한 값은 그 최대값과 최소값이 각각 예컨대 1 및 0이 되도록 정규화 될 수 있다. 상기 분화량에 관한 값이 1인 경우 연골세포가 최대한 많이 분화된 것으로 간주될 수 있다.In one embodiment, the value of the differentiation amount may be normalized such that the maximum value and the minimum value thereof are, for example, 1 and 0, respectively. When the value for the amount of differentiation is 1, it can be considered that the chondrocytes are differentiated as much as possible.
추정부(50)는 지도학습에 의해 학습된 신경망부(510)를 포함할 수 있다. The
구동전류 제어부(30)가 한 쌍의 전극(20)에 전류를 제공하기 시작하면서부터 촬영장치(40)는 배양기(10) 내부를 촬영하여 시간의 흐름에 따라 복수 개의 촬영이미지들을 획득할 수 있다. As the drive
추정부(50)는 상기 획득한 복수 개의 촬영이미지들을 실시간으로 입력받아 연골세포의 분화량에 관한 추정값을 출력할 수 있다. 시간의 흐름에 따라 추정부(50)가 출력하는 상기 추정값은 시간의 흐름에 따라 점점 증가하다가 일정 기간 포화상태를 유지하다가 다시 감소하는 경향을 가질 수 있다.The
구동전류 제어부(30)는, 추정부(50)가 출력하는 상기 추정값을 모니터링하여, 상기 추정값이 더 이상 증가하지 않을 것이라고 판단되면 한 쌍의 전극(20)에 인가되는 전류를 차단하도록 되어 있을 수 있다.The driving
<제1실시예에 따른 신경망부의 학습 방법><The learning method of the neural network unit according to the first embodiment>
도 1의 신경망부는 지도학습에 의해 학습된 것일 수 있다. The neural network unit of FIG. 1 may be learned through supervised learning.
이하, 도 2를 참조하여 상기 신경망부의 지도학습 방법을 설명한다. 특히 지도학습에 이용될 라벨들을 결정하는 방법을 설명한다.Hereinafter, a supervised learning method of the neural network unit will be described with reference to FIG. 2 . In particular, a method for determining labels to be used for supervised learning is described.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전기자극 학습 시스템을 나타낸 블록도이다.2 is a block diagram showing an electrical stimulation learning system provided according to an embodiment of the present invention.
도 2의 전기자극 학습 시스템은 도 1에 나타낸 전기자극 시스템에 지도학습 제어부(520)가 추가된 것이다.The electric stimulation learning system of FIG. 2 is obtained by adding a
상기 지도학습을 위하여, 전문가(사람)는 촬영장치(40)가 출력한 상기 복수 개의 촬영이미지들을 시간 순서대로 관찰하여, 상기 복수 개의 촬영이미지들 중에서 연골세포의 분화량이 최대값에 도달했다고 판단된 최초의 촬영이미지인 제1촬영이미지(=기준 촬영이미지)에 특정 값을 갖는 기준라벨을 부여할 수 있다. 상기 기준라벨의 상기 특정 값은 예컨대 1일 수 있다. 즉, 전기자극에 의해 분화된 연골세포의 양이 최대가 되었다고 판단된 최초의 시점에 촬영장치(40)에 의해 획득되는 이미지에 상기 기준라벨을 연관시켜 둘 수 있는 것이다.For the supervised learning, an expert (person) observes the plurality of photographed images output by the photographing
일 실시예에서, 상기 복수 개의 촬영이미지들 중 상기 기준 촬영이미지를 제외한 나머지 촬영이미지들에 대한 라벨은 사람이 직접 부여하지 않고 아래 설명하는 소정의 방법에 의해 자동으로 부여될 수 있다.In one embodiment, labels for the remaining captured images excluding the reference captured image among the plurality of captured images may be automatically assigned by a predetermined method described below without being directly assigned by a person.
상기 촬영된 복수 개의 촬영이미지들은 아래에 설명하는 현상에 따른 특징을 가질 수 있다.The plurality of photographed images may have characteristics according to a phenomenon described below.
즉, 전기자극을 가하기 이전에 배양액 내에 포함되어 있던 줄기세포는 상기 배양액 내에 균일하게 분포되어 있을 수 있다. 그런데 전기자극이 시작되어 계속되면서 상기 줄기세포가 연골세포로 분화하게 되며, 이렇게 분화된 연골세포들은 군집을 이룰 수 있다. 그런데 전기자극이 지속적으로 인가되면 연골세포의 분화량이 증가하다가 어느 순간 증가량이 정체하는 현상을 나타내다가, 다시 상기 연골세포의 군집은 다시 흩어지면서 결국 연골세포의 양이 감소하게 된다. 이러한 현상은 도 3을 참조하여 더 자세히 설명할 수 있다. That is, the stem cells contained in the culture solution before applying the electrical stimulation may be uniformly distributed in the culture solution. However, as the electrical stimulation is started and continues, the stem cells differentiate into chondrocytes, and the differentiated chondrocytes can form a cluster. However, when electrical stimulation is continuously applied, the amount of differentiation of chondrocytes increases, and then the amount of increase stagnates at some point. This phenomenon can be explained in more detail with reference to FIG. 3 .
도 3은 줄기세포 배양액에 전기자극을 가하였을 때에 시간에 따라 관찰되는 촬영이미지의 예를 모델링하여 나타낸 것이다.Figure 3 shows an example of a photographic image observed over time when electrical stimulation is applied to a stem cell culture medium by modeling.
도 3의 (a) 내지 (h)에 나타낸 큰 원은, 상기 배양기(10)가 원형의 배양접시인 경우에 있어서, 위에서 아래로 내려다보았을 때에 배양기(10)의 외곽 가장자리의 모양을 나타낸다. 도 3의 (a)로부터 도 3의 (h)로 갈수록 전기자극 프로세스가 시간에 따라 더 진행된 결과를 나타낸다. 도 3의 (a)는 전기자극을 시작한 시점을 나타낸 것이다.The large circles shown in (a) to (h) of FIG. 3 represent the shape of the outer edge of the
도 3의 (b) 내지 (h)에 나타낸 작은 원들은 전기자극에 의해 분화되는 연골세포 군집의 외곽 가장자리의 모양을 나타낸 것이다. 실제로 상기 연골세포 군집의 모양은 정확한 원형이 아닐 수 있지만, 대략적으로 원형으로 모델링할 수 있다. 도 3의 (b) 내지 (h)에 나타낸 작은 원들 내에는 분화된 연골세포들 뿐만 아니라 줄기세포들이 함께 섞여 포함되어 있을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 상기 연골세포들이 밀집되어 있으므로 연골세포의 군집 영역이라고 간주할 수 있다.The small circles shown in (b) to (h) of FIG. 3 represent the shape of the outer edge of the chondrocyte population differentiated by electrical stimulation. In fact, the shape of the chondrocyte population may not be exactly circular, but may be modeled as approximately circular. In the small circles shown in (b) to (h) of FIG. 3, not only differentiated chondrocytes but also stem cells may be mixed together. can be considered
도 3을 살펴보면, 도 3의 (a)에서는 전기자극이 시작되는 시점이므로 별도의 연골세포 군집이 관찰되지 않는다. 도 3의 (a)로부터 도 3의 (e)로 갈수록 전기자극에 의해 연골세포의 군집의 면적이 점점 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 연골세포의 군집의 면적이 감소하더라도 실제 이 군집 내에 존재하는 연골세포의 양은 시간에 따라 점점 증가한다. 도 3의 (e)와 같이 연골세포의 양이 최대값이 도달하게 되면, 전기자극을 더 가하더라도 도 3의 (f)와 같이 연골세포가 더 분화되지 않고 상기 최대값 상태를 순간적으로 또는 일정한 기간 동안 유지할 수 있다. 나아가 이후 전기자극을 멈추지 않고 더 진행하면 도 3의 (g) 및 (h)에 나타낸 바와 같이 연골세포의 군집의 면적이 다시 더 증가하기 시작하면서 실제로는 분화되었던 연골세포의 양이 줄어드는 부작용이 발생하게 된다. 따라서 줄기세포 배양액으로부터 연골세포를 분화하기 위한 전기자극 프로세스를 최적화하기 위해서는 줄기세포 배양액에 제공되는 전류의 제공을 적절한 시점에 차단할 필요가 있다. 도 3의 예에서는 도 3의 (e)와 도 3의 (f)에 전류를 차단하는 것이 바람직하며, 이 중 도 3의 (e)에서 전류를 차단하더라도 연골세포를 최대한 얻을 수 있으며, 줄기세포 배양액으로부터 연골세포를 얻기 위한 시간을 최소화하고 소모전류를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.Referring to FIG. 3 , in (a) of FIG. 3 , no separate chondrocyte population is observed because it is the time point at which electrical stimulation begins. From FIG. 3(a) to FIG. 3(e), it can be observed that the area of the cluster of chondrocytes gradually decreases due to electrical stimulation. Although the area of the cluster of chondrocytes decreases, the amount of chondrocytes actually present in the cluster gradually increases with time. As shown in (e) of FIG. 3, when the amount of chondrocytes reaches the maximum value, even if electrical stimulation is further applied, chondrocytes are not further differentiated as shown in (f) of FIG. 3, and the maximum state is instantaneously or constant can be maintained for a period of time. Furthermore, if the electric stimulation is continued without stopping thereafter, as shown in (g) and (h) of FIG. 3, the area of the cluster of chondrocytes begins to increase again, resulting in a side effect of reducing the amount of actually differentiated chondrocytes. will do Therefore, in order to optimize the electrical stimulation process for differentiating chondrocytes from the stem cell culture medium, it is necessary to cut off the current provided to the stem cell culture medium at an appropriate time. In the example of FIG. 3, it is preferable to block the current in FIG. 3(e) and FIG. 3(f), and even if the current is blocked in FIG. 3(e), chondrocytes can be obtained as much as possible, and stem cells It has the advantage of minimizing the time for obtaining chondrocytes from the culture medium and reducing current consumption.
이제 다시 도 2를 참조하여, 상술한 기준라벨의 값을 설정하는 방법을 설명한다. Now, with reference to FIG. 2 again, a method of setting the value of the aforementioned reference label will be described.
연골세포의 군집에 포함된 연골세포의 양(개수)이 실질적으로 최대값이 되었을 때에 촬영된 상기 기준 촬영이미지에 부여된 상기 기준라벨의 값은 특정값, 예컨대 1로 설정될 수도 있다.The value of the reference label assigned to the reference photographed image captured when the amount (number) of chondrocytes included in the chondrocyte population reaches a substantially maximum value may be set to a specific value, for example, 1.
여기서 상기 연골세포의 분화량이 최대값에 도달했다고 판단하는 주체는 상기 전문가(사람)이다. 상기 최대값에 대응하는 상기 연골세포의 분화량을 제1분화량 또는 기준 분화량 또는 최대 분화량이라고 지칭할 수 있으며, 상기 기준 분화량은 상술한 바와 같이 특정한 값으로 정규화 될 수 있다. 예컨대 상기 기준 분화량은 1인 것으로 제시할 수도 있다.Here, the subject who determines that the differentiation amount of the chondrocytes has reached the maximum value is the expert (human). The differentiation amount of the chondrocytes corresponding to the maximum value may be referred to as a first differentiation amount, a standard differentiation amount, or a maximum differentiation amount, and the reference differentiation amount may be normalized to a specific value as described above. For example, the reference differentiation amount may be presented as 1.
그 다음, 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 지도학습 제어부(520)는 상기 복수 개의 촬영이미지들 중 상기 기준 촬영이미지를 제외한 나머지 촬영이미지들 각각에 소정의 알고리즘에 따라 결정되는 고유의 라벨값을 부여할 수 있다. 상기 나머지 촬영이미지들 각각에 부여되는 라벨값은 상기 기준라벨이 갖는 상기 특정 값 이하일 수 있다. 예컨대 상기 나머지 촬영이미지들 중 임의의 제2촬영이미지에 부여되는 라벨값은 1 이하의 값일 수 있다. Next, the supervised
상기 지도학습 제어부(520)는, 상기 나머지 촬영이미지들 각각에 부여되는 라벨값을 상기 기준라벨의 값, 상기 기준 촬영이미지, 및 각각의 상기 촬영이미지를 기초로 결정할 수 있다. 예컨대, 상기 기준 촬영이미지로부터 추정되는 연골세포의 분화량을 상기 기준 분화량이라고 하고, 상기 제2촬영이미지로부터 추정되는 연골세포의 분화량을 제2분화량이라고 하고, 그리고 상기 제2촬영이미지에 부여되어야 할 라벨을 제2라벨이라고 하면, 수식 1의 관계가 성립할 수 있다.The supervised
[수식 1][Formula 1]
제2분화량/(제2라벨의 값)=(기준 분화량)/(기준라벨의 값)Second differentiation amount/(second label value)=(standard differentiation amount)/(reference label value)
위 수식 1에서 상기 기준라벨의 값은 전문가에 의해 이미 부여된 값이다. 예컨대 상기 기준라벨의 값은 1일 수 있다.In
그리고 상기 기준 분화량은 미리 설정된 값을 기준으로 정규화된 값일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 분화된 상기 연골세포의 총 개수의 구체적인 값과 관계없이, 일단 상기 전문가가 판단한 연골세포의 최대 분화시점에서의 상기 연골세포의 분화량인 상기 기준 분화량을 1이라고 정의할 수도 있다.Further, the reference differentiation amount may be a normalized value based on a preset value. In one embodiment of the present invention, regardless of the specific value of the total number of differentiated chondrocytes, the reference differentiation amount, which is the differentiation amount of the chondrocytes at the point of maximum differentiation of the chondrocytes determined by the expert, is 1. can also be defined.
또한, 상기 제2분화량은 후술하는 방법에 의해 결정될 수 있는 값이다. 따라서 상기 제2촬영이미지에 대해 부여되어야 하는 상기 제2라벨의 값은 [수식 2]와 같이 결정될 수 있다.In addition, the second differentiation amount is a value that can be determined by a method described later. Accordingly, the value of the second label to be assigned to the second captured image may be determined as in [Equation 2].
[수식 2][Equation 2]
(제2라벨의 값) = (기준라벨의 값)*제2분화량/(기준 분화량)(value of the second label) = (value of the reference label) * amount of differentiation of the second / (amount of reference differentiation)
수식 2를 일반화하면, 제k촬영이미지에 대한 제k라벨의 값은 수식 3과 같이 결정될 수 있다.If
[수식 3][Formula 3]
(제k라벨의 값) = (기준라벨의 값)*제k분화량/(기준 분화량)(value of k-th label) = (value of reference label) * k-th differentiation amount / (standard differentiation amount)
상기 각각의 촬영이미지로부터 연골세포의 분화량을 추정하는 방법은 다음과 같이 제시될 수 있다. 즉, 제k촬영이미지로부터 제k분화량을 추정하는 방법은 다음과 같이 제시될 수 있다.A method of estimating the amount of differentiation of chondrocytes from each of the photographed images may be presented as follows. That is, a method of estimating the kth differentiation amount from the kth photographed image may be presented as follows.
우선, 상기 지도학습 제어부(520)는 상기 촬영이미지로부터 상기 배양기(10)의 가장자리를 식별할 수 있다. 상기 배양기(10)는 원형 또는 사각형의 접시일 수 있다. 이때 상기 배양기(10)의 가장자리는 예컨대 도 3에 제시한 바와 같이 원형의 폐곡선일 수 있다.First, the
그 다음 상기 지도학습 제어부(520)는 상기 배양기(10) 내에 존재하는 줄기세포 배양액에 대한 촬영이미지를 소정의 기준에 따라 2개의 영역으로 분류할 수 있다. 상기 2개의 영역은 도 3에 제시되어 있다. Then, the supervised
상기 2개의 영역 중 제1영역(외측영역)(110)은 외측 폐곡선(111)과 내측 폐곡선(112)을 갖는 도넛형태의 영역일 수 있다. 상기 외측 폐곡선(111)은 상기 배양기(10)의 바깥쪽 가장자리일 수 있다. 그리고 상기 2개의 영역 중 제2영역(내측영역)(120)은 상기 내측 폐곡선(112) 내부의 영역일 수 있다. 일 실시예에서 상기 내측 폐곡선(112)은 원형 또는 타원형으로 모델링되어 정의될 수도 있다. The first area (outer area) 110 of the two areas may be a donut-shaped area having an outer
이하 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따라 임의의 촬영이미지에서 상기 내측 폐곡선을 결정하는 방법을 설명한다.A method of determining the inner closed curve in an arbitrary captured image according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4 .
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 촬영이미지를 2개의 영역으로 나누는 방법을 설명하기 위한 도면이다.4 is a diagram for explaining a method of dividing an acquired captured image into two regions according to an embodiment of the present invention.
임의의 촬영이미지에서 상기 내측 폐곡선(112)을 결정하는 방법은 다음의 단계를 포함할 수 있다. 우선, 상기 지도학습 제어부(520)는, 상기 임의의 촬영이미지에 있어서, 상기 배양기(10)의 가장자리의 지점인 제1 외곽지점(1110)으로부터 상기 배양기(10)의 중심점(1120)을 연결하는 경로(P1)를 결정할 수 있다. 상기 경로(P1)는 직선 또는 곡선일 수 있다. 상기 경로(P1)의 길이를 L1이라고 하였을 때에, 상기 제1 외곽지점으로부터 경로(P1)를 따라 dL만큼 상기 중심점으로 이동한 제2지점(1121)을 정의할 수 있다. 이와 같이 제k지점으로부터 dL만큼 상기 중심점으로 이동한 제k+1지점을 연속하여 정의할 수 있다(k는 1 이상의 자연수, dL < L1 ). 이때, 상기 제k지점에서의 이미지 속성값과 상기 제k+1지점에서의 이미지 속성값 간의 차이값을 Dk라고 정의할 수 있다. 상기 이미지 속성값은 예컨대 상기 임의의 촬영이미지의 각 지점에서의 명도, 색상값, 또는 채도 등의 속성 값일 수 있다. 상기 이미지 속성값은 이미지 프로세싱 분야에서 이미지의 속성을 구분하는 기준에 따르면 충분하며 그 구체적인 속성 선택에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.A method of determining the inner
이와 같이 정의된 상기 이미지 속성값 간의 차이값 Dk(k=1, 2, 3, ...) 중 가장 큰 값을 선택할 수 있다. 예컨대, 만일 차이값 D3이 중 가장 큰 값이라면, 상기 경로(P1) 상에서 제2지점(1121)과 제3지점(1131) 사이에서 상기 이미지 속성값이 가장 크게 변화한 것으로 볼 수 있다.Among the difference values Dk (k=1, 2, 3, ...) between the image attribute values defined as described above, the largest value may be selected. For example, if the difference value D3 is the largest value, it can be considered that the image attribute value has changed the most between the
이제 상기 내측 폐곡선(112)을 구성하는 제1내측지점(1115)는 상기 제2지점(1121)과 상기 제3지점(1131) 사이에 존재하는 것으로 결정할 수 있다. Now, it can be determined that the first
상기 제1내측지점(1115)을 결정하는 과정은 상기 배양기(10)의 가장자리의 제1 외곽지점을 선택하는 단계로부터 시작된 것이다. 이제, 상기 제1내측지점을 결정하는 과정을 상기 배양기(10)의 가장자리의 다양한 다른 외곽지점들로부터 시작하여 수행하면 상기 내측 폐곡선(112)을 구성하는 복수 개의 다른 내측지점들을 결정할 수 있다. The process of determining the first
이와 같이 결정된 복수 개의 상기 내측지점들을 서로 인터폴레이션하여 연결하면 상기 내측 폐곡선(112)을 완성할 수 있다. 그 결과 상기 제1영역(외측영역)(110)과 제2영역(내측영역)(120)을 완전히 정의할 수 있다. The inner
만일 상기 차이값 Dk(k=1, 2, 3, ...) 중 가장 큰 값이 미리 결정된 값보다 작다면, 상기 제1내측지점(1115)은 상기 제1 외곽지점(1110)인 것으로 결정될 수도 있다. If the largest value among the difference values Dk (k=1, 2, 3, ...) is smaller than a predetermined value, the first
경우에 따라서는 상기 제2영역(내측영역)(120)과 상기 제1영역(외측영역)(110)이 존재하지 않는 경우도 있을 수 있다. 이러한 상황은, 예컨대 줄기세포 배양액에 전기자극을 전혀 가하지 않은 상태에서 발생할 수도 있다. 예컨대 도 3의 (a)에는 내측영역(120)와 외측영역(110)을 정의할 수 없다.In some cases, the second area (inner area) 120 and the first area (outer area) 110 may not exist. Such a situation may occur, for example, in a state in which electrical stimulation is not applied to the stem cell culture medium at all. For example, the
상술한 상기 제1내측지점을 결정하는 방법은, 원형 또는 타원형으로 근사화되는 상기 제2영역(내측영역)(120)과 상기 제2영역(내측영역)(120)의 바깥에 존재하는 상기 제1영역(외측영역)(110)을 구분하기 위한 다양한 알고리즘 중 하나로서 제시된 것이다. 즉, 상술한 내용은 상기 배양기(10) 내에 존재하는 줄기세포 배양액의 촬영이미지를 상술한 2개의 영역으로 나눌 수 있다는 실시 가능성을 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 이러한 실시예에 국한되는 것은 아니다.The above-described method of determining the first inner point is the second area (inner area) 120 approximated to a circle or ellipse and the first area outside the second area (inner area) 120. It is presented as one of various algorithms for classifying the area (outside area) 110 . That is, the above information is intended to explain the feasibility of dividing the captured image of the stem cell culture solution present in the
상기 촬영이미지를 2개의 영역으로 나누는 작업은, 전기자극이 가해지는 시간의 흐름에 따라 촬영된 복수 개의 촬영이미지들 각각에 대하여 수행되는 것이다. The division of the photographed image into two regions is performed on each of a plurality of photographed images captured according to the lapse of time in which the electrical stimulation is applied.
이와 같이 상기 제2영역(내측영역)(120)이 정의되면 상기 제2영역(내측영역)(120)의 면적(SB)을 산출할 수 있다. When the second area (inner area) 120 is defined in this way, the area SB of the second area (inner area) 120 can be calculated.
이제, 제k촬영이미지로부터 추정되는 연골세포의 분화량을 제k분화량이라고 하고, 상기 제k촬영이미지로부터 산출된 상기 제2영역(내측영역)(120)의 면적을 제k면적이라고 할 때에, 상기 제k촬영이미지로부터 추정되는 연골세포의 제k분화량은 상기 제k면적에 반비례하는 것으로 정의할 수도 있다. Now, when the amount of differentiation of chondrocytes estimated from the kth photographic image is referred to as the kth differentiated quantity, and the area of the second region (inner region) 120 calculated from the kth photographic image is referred to as the kth area , The kth differentiation amount of chondrocytes estimated from the kth photographic image may be defined as being in inverse proportion to the kth area.
또는 다른 실시예에서 상기 제k촬영이미지로부터 추정되는 연골세포의 제k분화량은 상기 제k면적의 루트값에 반비례하는 것으로 정의할 수도 있다. 즉, 상기 제2영역(내측영역)(120)이 원으로 모델링되는 경우, 상기 제k촬영이미지로부터 추정되는 연골세포의 제k분화량은 상기 원의 지름 또는 반지름에 반비례하는 것으로 정의할 수도 있다.Alternatively, in another embodiment, the kth differentiation amount of chondrocytes estimated from the kth photographic image may be defined as being in inverse proportion to the root value of the kth area. That is, when the second region (inner region) 120 is modeled as a circle, the kth differentiation amount of chondrocytes estimated from the kth photographed image may be defined as being in inverse proportion to the diameter or radius of the circle. .
그러나 실시예에 따라서는 상기 제k분화량이 상기 제k면적을 기초로 추정되는 것으로 하되, 상기 제k분화량과 상기 제k면적 간의 관계에 비선형 함수가 개입되는 것으로 규칙을 정할 수도 있다. 본 발명의 일 양상에 따르면 상기 제k분화량이 상기 제k면적을 기초로 추정되지만, 그 구체적인 함수관계에 의해 본 발명이 제한되는 것은 아니다.However, depending on embodiments, a rule may be established that the kth differentiation amount is estimated based on the kth area, but a nonlinear function intervenes in the relationship between the kth differentiation amount and the kth area. According to an aspect of the present invention, the kth differentiation amount is estimated based on the kth area, but the present invention is not limited by the specific functional relationship.
또한, 상기 제k분화량은 상기 제k면적을 기초로 추정되지만, 여기에 더불어 제k촬영이미지로부터 관찰되는 다른 추가적인 파라미터의 값 역시 상기 제k분화량을 추정하는 데에 더 사용될 수 있다. 그러나 이러한 추가적인 파라미터의 값을 어떻게 정의하는지에 상관없이 상기 제k분화량이 상기 제k면적에 관한 값을 기초로 추정된다는 점은 변함이 없다.In addition, although the kth differentiation amount is estimated based on the kth area, values of other additional parameters observed from the kth photographed image may also be further used to estimate the kth differentiation amount. However, regardless of how the value of this additional parameter is defined, the fact that the kth differentiation amount is estimated based on the value for the kth area remains unchanged.
예컨대 상기 다른 추가적인 파라미터는 제k촬영이미지에서 관측되는 상기 외측영역의 제1평균명도와 상기 내측영역의 제2평균명도 간의 비율로 정의도리 수도 있다. For example, the other additional parameter may be defined as a ratio between the first average brightness of the outer region and the second average brightness of the inner region observed in the kth photographed image.
이와 같이 제k촬영이미지로부터 상기 제k분화량이 추정되면, 수식 3을 이용하여 제k라벨의 값을 결정할 수 있다.In this way, when the kth differentiation amount is estimated from the kth photographed image, the value of the kth label can be determined using Equation 3.
상술한 과정을 통해 전기자극을 받아 그 상태가 변화하는 줄기세포 배양액을 촬영한 일련의 촬영이미지들에 대해 할당된 라벨들을 정의하거나 산출하여 획득할 수 있다. Labels assigned to a series of photographed images of the stem cell culture medium whose state is changed by receiving electrical stimulation through the above-described process may be defined or calculated and obtained.
이제 상기 지도학습 제어부(520)는 상기 신경망부(510)의 입력층에 상기 제k촬영이미지를 입력하여 상기 신경망부(510)가 출력한 값이 상기 제k촬영이미지에 대응하는 상기 제k라벨과의 오차가 줄어들 수 있도록 상기 신경망부(510)의 내부 파라미터들을 갱신할 수 있다. Now, the supervised
일 실시예에서, 상기 신경망부(510)는 예컨대 CNN(Convolutional Neural Network)일 수 있다. 상기 CNN은 잘 알려진 기술로서 본 명세서에서 그 예를 따로 설명하지는 않는다. 그럼에도 불구하고 본 명세서에 제시된 본 발명의 사상에 임의의 CNN 구현기술을 접목하는 것은 당업자에게 어렵지 않다. In one embodiment, the
복수 장의 촬영이미지들 및 이들에 대하여 분화한 라벨들을 이용하여 신경망부(510)의 학습을 반복할 수 있다.Learning of the
또한, 복수 개의 배양기(10)들에 담긴 피부세부 배양액에 각각 전기자극을 가하면서 촬영한 복수 개의 이미지들 및 이에 대응되는 라벨들을 이용하여 신경망의 학습을 더 반복할 수 있다.In addition, learning of the neural network can be further repeated using a plurality of images taken while applying electric stimulation to each of the skin culture medium contained in the plurality of
상술한 신경망 학습방법에 있어서, 신경망의 학습용 입력데이터는 상기 촬영데이터이고, 각각의 상기 학습용 입력데이터에 대응하는 정답지에 해당하는 상기 라벨들을 만드는 방법에 본 발명의 일 특징이 존재한다고 볼 수 있다.In the above-described neural network learning method, the input data for learning of the neural network is the photographic data, and one feature of the present invention is a method of making the labels corresponding to the answer sheet corresponding to each of the learning input data.
<상기 제1실시예에 따른 전기자극 시스템을 이용한 전기자극 종료 시점 결정방법><Method for Determining End Time of Electrical Stimulation Using the Electrical Stimulation System According to the First Embodiment>
본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 전기자극 제어방법에 따르면 배양기(10)에 담긴 줄기세포 배양액에 제공하는 전류를 차단하는 시점을 결정할 수 있다. 상기 전기자극 제어방법은 도 1에 제시한 전기자극 시스템(100)을 이용하여 실행될 수 있다.According to the electrical stimulation control method provided according to one aspect of the present invention, it is possible to determine when to cut off the current provided to the stem cell culture medium contained in the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 전기자극 시스템을 이용한 전기자극 종료 시점 결정방법을 나타낸 순서도이다.5 is a flowchart illustrating a method for determining an electrical stimulation end point using an electrical stimulation system provided according to an embodiment of the present invention.
먼저, 단계(S10)에서, 구동전류 제어부(30)는 줄기세포 배양액이 담긴 배양기(10)에 한 쌍의 전극(20)들을 이용하여 전류를 인가할 수 있다.First, in step S10, the driving
그 다음, 단계(S20)에서, 촬영장치(40)는 소정의 시간 간격으로 상기 줄기세포 배양액을 촬영한 촬영이미지를 추정부(50)에 전달할 수 있다.Next, in step S20 , the photographing
그 다음, 단계(S30)에서, 상기 추정부(50)는 전달된 각각의 촬영이미지를 상기 추정부(50)의 신경망부(510)의 입력층에 입력할 수 있다. 이때, 상기 추정부(50)는 스칼라값을 출력할 수 있다.Next, in step S30 , the
그 다음, 단계(S40)에서, 상기 구동전류 제어부(30)는 상기 추정부(50)가 출력한 일련의 출력값들의 시간에 따른 히스토리를 기초로 상기 전기자극의 제공을 종료할지 여부를 결정할 수 있다.Next, in step S40, the drive
예컨대, 상기 구동전류 제어부(30)는 상기 추정부(50)가 출력한 출력값이 더 이상 증가하지 않을 것이라고 판단되는 순간 상기 전류의 인가를 종료하는 것으로 결정할 수 있다. 이를 위해, 예컨대, 상기 구동전류 제어부(30)는 상기 추정부(50)가 출력한 출력값의 이동평균값을 관찰하여, 상기 이동평균값이 감소하기 시작하는 시점, 또는 일정기간 포화되어 더 이상 증가하지 않는 시점에 전류의 인가를 종료하기로 결정할 수 있다. For example, the driving
그 다음, 상기 구동전류 제어부(30)는 상기 종료할 시점이 판단되면 줄기세포 배양액이 담긴 배양기(10)에 인가하는 전류를 차단할 수 있다.Next, the driving
변형된 실시예에서, 상기 추정부(50)가 출력한 일련의 출력값들의 시간에 따른 히스토리를 기초로 상기 전기자극의 제공을 종료할지 여부를 결정하기 위한 기능모듈은 상기 구동전류 제어부(30)에 존재하지 않고 상기 추정부(50) 내에 존재할 수도 있다. 이 경우 상기 추정부(50)는 상기 전기자극의 종료 타이밍을 지시하는 별도의 신호를 구동전류 제어부(30)에 제공할 수 있으며, 추정부(50)가 그 출력값을 구동전류 제어부(30)에게 별도로 제공하지 않을 수도 있다.In a modified embodiment, the function module for determining whether to end the provision of the electrical stimulation based on the history of a series of output values output by the
상술한 바와 같이 구동전류 제어부(30)가 줄기세포 배양액에 제공하는 전기자극을 차단하는 방법을 도 6을 참고하여 설명할 수 있다.As described above, a method of blocking the electrical stimulation provided by the driving
도 6은 시간에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자극 시스템의 추정부가 출력하는 값을 나타낸 그래프의 예이다.6 is an example of a graph showing values output by an estimation unit of an electrical stimulation system according to an embodiment of the present invention according to time.
도 6의 그래프는 상기 추정부(50)가 출력하는 원형값을 그대로 도시한 것일 수도 있고, 또는 상기 원형값을 시간에 따른 구간평균을 내어 도시한 것일 수도 있다.The graph of FIG. 6 may show the circular value output by the
도 6에서, t0~t1 구간에서는 추정부(50)의 출력값이 순증가하며, t1~t2 구간에서는 추정부(50)의 출력값이 유지되며, t2~ 구간에서는 추정부(50)의 출력값이 감소할 수 있다. 경우에 따라서는 t1~t2의 시구간이 실질적으로 존재하지 않고, t1 이후에 곧 바로 추정부(50)의 출력값이 감소하기 시작할 수도 있다.In FIG. 6, the output value of the
도 6에 제시한 곡선을 시간에 따라 실시간으로 관측할 경우, 이상적으로는 t1 시점에 상기 전기자극의 종료를 명령해야 하지만, 연골세포의 분화량이 최대값에 도달했는지 여부를 상기 추정부의 출력값을 관찰하여 결정하기 위해서는 어느 정도의 시간 지연이 필요하기 때문에 실질적으로는 t1 시점 이후에 전기자극의 종료가 명령될 수 있다.When observing the curve presented in FIG. 6 in real time according to time, ideally, the end of the electric stimulation should be commanded at the time point t1, but whether the amount of differentiation of chondrocytes has reached the maximum value Observe the output value of the estimation unit Since a certain amount of time delay is required to determine the electrical stimulation, the end of the electrical stimulation may be actually commanded after the time point t1.
<제2실시예에 따른 신경망부의 학습 방법><The learning method of the neural network unit according to the second embodiment>
본 발명의 제2실시예에 따른 학습 방법 역시 지도학습방법이다.The learning method according to the second embodiment of the present invention is also a supervised learning method.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 배양기에 담긴 줄기세포 배양액을 촬영한 이미지의 상태에 따라 라벨을 부여하는 방식을 설명하기 위한 것이다.Figure 7a is for explaining a method of assigning a label according to the state of the captured image of the stem cell culture medium contained in the incubator according to an embodiment of the present invention.
도 7a는 줄기세포 배양액에 전기자극을 지속적으로 가하면서 8개의 시각(t0~t7)에 관찰되는 이미지를 개념적으로 표시한 것이다. Figure 7a conceptually displays images observed at eight times (t0 to t7) while continuously applying electrical stimulation to the stem cell culture medium.
시각(t0)에서 시각(t4)까지는 배양액에 포함된 연골세포의 양이 시간에 따라 점점 증가하는데, 이때 연골세포의 군집을 나타내는 이미지 부분(120)의 면적은 시간에 따라 점점 줄어들게 되는 특징을 갖는다. From time t0 to time t4, the amount of chondrocytes contained in the culture medium gradually increases with time. At this time, the area of the
시각(t4)는 연골세포의 양이 최대가 된 시점을 나타낸다.The time t4 indicates the time point when the amount of chondrocytes is maximized.
시각(t4)부터 시각(t7)까지 계속하여 전기자극이 유지되면 연골세포의 군집을 나타내는 이미지 부분(120)의 면적은 시간에 따라 다시 점점 증가하면서, 실제로 연골세포의 양은 시간에 따라 점점 줄어들 수 있다.When electrical stimulation is continuously maintained from time t4 to time t7, the area of the
이때, 시각(t0)에서 시각(t4)까지 연골세포의 군집의 이미지가 나타내는 텍스쳐와 시각(t4)부터 시각(t7)까지 연골세포의 군집의 이미지가 나타내는 텍스쳐는 서로 다를 수 있다. 이러한 텍스쳐의 차이는 연골세포를 관찰하는 전문가에 의해 인식될 수 있을 정도이다. 즉, 예컨대 시각(t4)부터 시각(t7)까지 연골세포의 군집에는 부분적으로 사멸한 연골세포들이 발생하면서, 시각(t4)부터 시각(t7)까지 관찰되는 내측 폐곡선(112)이 시각(t0)부터 시각(t4)까지 관찰되는 내측 폐곡선(112)보다 모호하게 정의될 수 있다. 즉, 연골세포의 군집을 나타내는 이미지 부분(120)과 그 바깥쪽의 나머지 영역(110) 간의 경계를 명확하게 정의하기 어려운 상태로 변할 수 있다. At this time, the texture represented by the image of the chondrocyte cluster from time t0 to time t4 may be different from the texture represented by the image of the chondrocyte cluster from time t4 to time t7. This difference in texture can be recognized by an expert observing chondrocytes. That is, for example, from time t4 to time t7, partially dead chondrocytes are generated in the cluster of chondrocytes, and the inner
상기 도 4에 관한 설명에서는 상기 내측 폐곡선(112)을 정의하는 것이 가능하다는 것을 전제로 한 것인데, 제2실시예에서는 상기 내측 폐곡선(112)을 정의하지 않고도 전기자극의 제공의 종료시점을 결정한다.The description of FIG. 4 assumes that it is possible to define the inner
전문가는 전기자극이 유지될수록 연골세포의 분화량이 증가하는 제1시구간(t0~t4)과, 전기가극이 유지될 수록 오히려 연골세포의 분화량이 감소하는 제2시구간(t4~t7)을 구분할 수 있다. Experts can distinguish between the first time period (t0 to t4), in which the amount of differentiation of chondrocytes increases as electrical stimulation is maintained, and the second time period (t4 to t7), in which the amount of differentiation of chondrocytes decreases as electrical stimulation is maintained. can
줄기세포 배양액에 전기자극을 지속적으로 제공하면서 일정 시간마다 또는 미리 결정된 타임스케쥴에 따라 복수 장의 줄기세포 배양액 이미지를 촬영하여 준비할 수 있다. It may be prepared by taking images of a plurality of stem cell culture medium at regular intervals or according to a predetermined time schedule while continuously providing electrical stimulation to the stem cell culture medium.
상기 전문가는 상기 각각의 이미지가 상기 제1시구간과 제2시구간 중 어디에 속하는지 구분할 수 있다. 상기 전문가는 상기 제1시구간에 속하는 이미지에 대해서는 '1'이라는 값을 갖는 라벨을 부여할 수 있고, 상기 제2시구간에 속하는 이미지에 대해서는 '0'이라는 값을 갖는 라벨을 부여할 수 있다. 여기서 '1'은 전기자극을 지속해도 좋다는 의미이고, '0'은 전기자극을 중단해야 한다는 의미를 갖는 값일 수 있다. '1'과 '0' 대신에 다른 문자로 라벨을 부여할 수도 있다. The expert can distinguish which of the first time period and the second time period each image belongs to. The expert may assign a label having a value of '1' to an image belonging to the first time period, and may assign a label having a value of '0' to an image belonging to the second time period. Here, '1' may indicate that electrical stimulation may be continued, and '0' may be a value indicating that electrical stimulation should be discontinued. Instead of '1' and '0', you can also label them with other characters.
줄기세포 배양액 시료를 복수 개 준비하여 각각의 줄기세포 배양액에 전기자극을 지속적으로 제공하면서, 상기 줄기세포 배양액 시료의 분화 과정을 시간의 흐름에 따라 촬영한 복수 개의 이미지를 준비하고, 준비된 각 이미지에 대하여 상기 전문가가 라벨을 부여하고, 이렇게 부여한 복수 개의 라벨들을 준비할 수 있다. 예컨대 500개의 줄기세포 배양액 시료 각각에 대하여, 전기자극을 유지하면서 시간의 흐름에 따라 100장의 이미지를 촬영하여 획득할 수 있다. 그 결과 총 50,000장의 이미지를 준비할 수 있으며, 각 이미지에 대해서 '1' 또는 '0'이 부여된 라벨들이 준비될 수 있다. 각 이미지에는 한 개의 라벨 값이 대응될 수 있으며, 특정 이미지 및 상기 특정 이미지에 대응된 라벨로 구성된 정보를 이미지-라벨 쌍 정보라고 지칭할 수 있다. 이러한 이미지-라벨 쌍 정보가 총 50,000개가 준비될 수 있다. A plurality of stem cell culture medium samples are prepared, electrical stimulation is continuously provided to each of the stem cell culture medium samples, a plurality of images taken over time for the differentiation process of the stem cell culture medium sample are prepared, and each of the prepared images The expert assigns a label to each other, and a plurality of labels assigned in this way may be prepared. For example, for each of 500 stem cell culture medium samples, 100 images may be taken and obtained over time while maintaining electrical stimulation. As a result, a total of 50,000 images can be prepared, and labels with '1' or '0' assigned to each image can be prepared. One label value may correspond to each image, and information composed of a specific image and a label corresponding to the specific image may be referred to as image-label pair information. A total of 50,000 such image-label pair information may be prepared.
상기 신경망부(510)의 입력층에는 상기 촬영된 이미지가 입력되고, 지도학습을 위해 상기 입력된 이미지에 부여된 라벨값이 지도학습의 정답으로 이용될 수 있다. The captured image is input to the input layer of the
도 7b는 도 1에 나타낸 신경망부의 구성을 예시한 것이다.FIG. 7B illustrates the configuration of the neural network unit shown in FIG. 1 .
신경망부(510)는 복수 개의 레이어들로 구성될 수 있다. 각 레이어는 복수 개의 노드들을 포함할 수 있다. 각각의 상기 노드는 변수 값을 가질 수 있다. 상기 변수 값은 상기 노드에 제공되는 데이터 값을 가질 수 있다. 인접한 두 개의 레이어 중 제1레이어에 포함된 노드들과 제2레이어에 포함된 노드들은 복수 개의 링크들로 연결될 수 있다. 제1레이어에 포함된 노드들이 갖는 변수 값은 제2레이어에 포함된 노드들이 갖는 변수에게 전달될 수 있다. 이때, 전달되는 경로는 상기 링크들이다. 각 링크에는 가중치 값(V, W)이 할당되어 있을 수 있다. 특정 링크를 통해 제1레이어로부터 제2레이어로 전달되는 변수의 값은 상기 특정 링크에 할단되 가중치 값이 곱해져서 전달될 수 있다. 신경망부(510)을 구성하는 레이어들의 개수, 각 레이어가 포함하는 노드들의 개수, 링크들의 연결 관계, 각 링크들에 할당된 가중치의 구체적일 값에 의해 신경망부(510)의 입출력 특성이 결정될 수 있다. The
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따라 신경망부를 학습시키는 방법을 설명하기 위한 것이다.7C is for explaining a method of training a neural network unit according to an embodiment of the present invention.
이하 도 7c를 참조하여 설명한다. Hereinafter, it will be described with reference to FIG. 7C.
상기 신경망부의 학습을 위해 제공된 학습용 이미지가 상기 신경망부의 입력층에 입력될 때마다, 상기 신경망부의 출력층(=출력 레이어)가 출력값을 출력한다. 이 출력값은 0 내지 1 사이의 실수일 수 있다. 그리고 이때, 상기 학습용 이미지와 짝을 이루는 라벨의 값이 지도학습 제어부(520)에 입력될 수 있다. 상기 라벨의 값은 상기 학습용 이미지에 전문가가 직접 부여한 라벨의 값으로서 1 또는 0의 값을 가질 수 있다. Whenever a training image provided for learning of the neural network unit is input to the input layer of the neural network unit, the output layer (=output layer) of the neural network unit outputs an output value. This output value can be a real number between 0 and 1. At this time, the value of the label paired with the learning image may be input to the supervised
상기 지도학습 제어부와 상기 신경망부는 컴퓨팅 장치 내에 설치된 전용의 하드웨어로서 제공되거나 또는 상기 컴퓨팅 장치 내의 메모리로부터 상기 컴퓨팅 장치의 CPU에 로딩된 한 세트의 명령어 코드들에 의해 실행되는 알고리즘에 의해 제공될 수 있다. The supervised learning control unit and the neural network unit may be provided as dedicated hardware installed in the computing device or provided by an algorithm executed by a set of instruction codes loaded from a memory in the computing device to the CPU of the computing device. .
상기 출력층이 출력한 상기 출력값과, 상기 지도학습 제어부에 입력된 라벨의 값 간의 오차를 최소화하는 방향으로 상기 신경망부에 할당된 가중치들의 값들이 갱신될 수 있다. 상기 오차를 최소화하는 프로세스 및 가중치들의 값들을 갱신하는 작업은 상기 지도학습 제어부가 실행할 수 있다. 구체적으로는 방법은 백-프로파게이션 방식등 다양한 종래 기술을 이용할 수 있다.Values of the weights assigned to the neural network unit may be updated in a direction that minimizes an error between the output value output by the output layer and the label value input to the supervised learning control unit. The process of minimizing the error and updating values of the weights may be executed by the supervised learning control unit. Specifically, the method may use various conventional techniques such as a back-propagation method.
예컨대 50,000장의 이미지와 이에 대한 전문가의 판단에 의해 생성한 상기 이미지-라벨 쌍 정보를 이용하여 신경망부(510)의 학습을 50,000번 수행할 수 있다. 상기 50,000개의 이미지-라벨 쌍 정보는 컴퓨팅 장치의 메모리에 테이블 형태로 저장되어 있을 수 있다. 상기 테이블 형태의 정보를 생성하여 상기 컴퓨팅 장치에 저장하는 작업은 별도의 프로세스에 의해 완료될 수 있다.For example, the learning of the
50,000번의 학습을 수행한 것은, 1개 세트의 학습을 수행한 것으로 간주할 수도 있다. 이러한 1개 세트의 학습은 복수 회 반복될 수 있다. 그 구조가 잘 설계된 신경망부를 반복적으로 학습시키면, 학습이 완료된 신경망부의 입력층에 전기자극을 더 지속해도 좋은 상태에서 촬영한 이미지를 입력하면 상기 신경망부의 출력층에서 '1'에 근접한 1 이하 0 이상의 출력값이 출력되고, 전기자극을 멈춰야 하는 상태에서 촬영한 이미지를 입력하면 상기 신경망부의 출력층에서 '0'에 근접한 1 이하 0 이상의 출력값이 출력될 수 있다. 50,000 times of learning may be regarded as having performed one set of learning. This one set of learning can be repeated multiple times. When a well-designed neural network unit is repeatedly trained, an image taken in a state in which electrical stimulation can be continued further is input to the input layer of the neural network unit on which learning has been completed. is output, and when an image taken in a state in which the electrical stimulation is to be stopped is input, an output value of 1 or less and 0 or more close to '0' may be output from the output layer of the neural network unit.
도 7d는 도 7c에서 설명한 신경망부의 학습이 완료된 후, 상기 학습이 완료된 신경망부를 포함하여 제공되는 추정부의 구조를 나타낸 것이다.FIG. 7D illustrates the structure of an estimation unit provided after the learning of the neural network unit described in FIG. 7C is completed, including the neural network unit for which the learning is completed.
도 1에 설명한 것과 마찬가지로, 상기 추정부(50)는 컴퓨팅 장치일 수 있다. 상기 컴퓨팅 장치는, CPU, 전원부, 메모리부, 통신부, 주변장치 인터페이스부, 신경망부(510), 및 후처리부(530)를 포함할 수 있다. 상기 메모리부는 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 각 구성부분은 기능은 도 1에 제시한 것과 동일할 수 있다. 이하 도 7d를 참조하여 설명한다.As described in FIG. 1 , the
바람직한 일 실시예에서, 학습이 완료된 신경망부(510)가 줄기세포 배양액을 촬영한 이미지를 촬영장치(40)로부터 입력받으면, 신경망부(510)의 출력층은 0 이상 1 이하의 실수를 출력하도록 되어 있을 수 있다. In a preferred embodiment, when the learning-completed
후처리부(530)는, 상기 신경망부(510)의 출력값이 임계값(ex: 0.5)보다 크면 최종적으로 '1'에 대응하는 전압값(ex: +12V)을 출력하고, 상기 임계값보다 작으면 최종적으로 '0'에 대응하는 전압값(ex: 0V)을 출력할 수 있다. 상기 최종적으로 '1'에 대응하는 전압값(ex: +12V)은 로지컬 하이에 대응하는 전압값이라고 지칭하고, 상기 최종적으로 '0'에 대응하는 전압값(ex: 0V)은 로지컬 로우에 대응하는 전압값이라고 지칭할 수 있다.The
추정부(50)의 출력단자는 도 1 및 도 9에 도시한 구동전류 제어부에 연결되어 있을 수 있다.An output terminal of the
도 8a는 도 7d의 추정부(50)에, 전기자극이 제공되고 있는 줄기세포 배양액의 시간에 따른 촬영이미지를 순차적으로 제공하였을 때에, 상기 추정부(50)가 출력하는 값을 시간에 따라 표시한 것이다. 촬영이미지가 시간 축에서 이산적으로 추정부에게 제공되면, 추정부가 출력하는 값도 시간축에서 이산적으로 제공될 수 있다. 도 8a에서 세로축의 '1(ON)'은 실제로는 +12V와 같은 전압값일 수 있고, '0(OFF)'은 실제로는 0V와 같은 전압값일 수 있다. 도 8a에서 검은색 점이 있는 시각에서만 추정부가 유효한 값(0V 또는 +12V)을 제공하고, 나머지 시간에서는 추정부의 출력단자를 플로팅상태로 두거나, 또는 위 유효한 값이 아닌 다른값, 예컨대 -12V)를 출력할 수도 있다. 구동전류 제어부(30)는 위 유효한 값이 아닌 다른값이 입력되면 이는 무효인 값으로 처리할 수 있다.FIG. 8A shows the values output by the
도 8b는 도 8a에 나타낸 추정부(50)의 출력을 이용하여 구동전류 제어부(30)의 온/오프를 제어하는 제1신호(91)를 나타낸다. 제1신호(91)는 예컨대 TTL 레벨의 전압신호일 수 있다. 제1신호(91)는 예컨대, 후술하는 샘플-앤-홀드 회로에 의해 얻을 수 있다. 도 8b에서 세로축의 '1(ON)'은 실제로는 5V, 또는 12V와 같은 전압값일 수 있고, '0(OFF)'은 실제로는 0V와 같은 전압값일 수 있다. FIG. 8B shows a
도 8c는 도 8b에 나타낸 제1신호(91)의 시간이동평균을 나타낸 제2신호(92)이다. 예컨대, 제2그래프(92)의 시각 tk에서의 값은, 제1신호(91)의 시각 tk-Δ부터 시각 tk까지의 값의 평균값으로 주어질 수 있다. 그래프도 8c는 예시를 위해 임의로 도시한 것으로서, 도 8b의 시간이동평균을 한 결과는 도 8c에 제시한 것과는 다른 형태일 수도 잇다. 제2신호(92)는 예컨대 TTL 레벨의 전압신호일 수 있다. 제2신호(92)는 예컨대, 후술하는 이동평균 회로에 의해 얻을 수 있다. 도 8c에서 세로축의 '1'은 실제로는 5V, 또는 12V와 같은 전압값일 수 있고, '0'은 실제로는 0V와 같은 전압값일 수 있다.8C is a
도 8d는 도 8c에 나타낸 제2신호(92)를 기초로 생성한, '1' 또는 '0'에 대응하는 값만을 갖는 제3신호(93)이다. 제3신호(93)는 예컨대 TTL 레벨의 전압신호일 수 있다. 제3신호(93)는 예컨대, 후술하는 바이너리 디지타이저(33)에 의해 얻을 수 있다. 상기 바이너리 디지타이저(33)는, 입력된 값이 소정의 임계값보다 크면 '1' 또는 '1'에 대응하는 값을 출력하고, 작으면 '0' 또는 '0'에 대응하는 값을 출력하도록 되어 있을 수 있다. 상기 임계값은 예컨대 '0.5' 또는 '0.5'에 대응하는 값일 수 있다. 도 8d에서 세로축의 '1(ON)'은 실제로는 5V, 또는 12V와 같은 전압값일 수 있고, '0(OFF)'은 실제로는 0V와 같은 전압값일 수 있다.FIG. 8D is a
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제공되는 구동전류 제어부(30)의 구성을 나타낸 것이다.9 shows the configuration of the driving
구동전류 제어부(30)는, 샘플-앤-홀드 회로(31), 이동평균 회로(32), 바이너리 디지타이져 회로(33), 셀렉터(34), 및 전류구동회로(35)를 포함할 수 있다. The driving
구동전류 제어부(30)는 추정부(50)로부터 추정값('1' 또는 '0'을 나타내는 TTL 레벨의 전압)을 이산적으로 시간에 따라 입력받을 수 있다. The driving
상기 추정값은 예컨대 도 8a와 같은 형태로 주어질 수 있다.The estimated value may be given in the form of, for example, FIG. 8A.
상기 추정값이 전압신호인 경우에, 상기 샘플-앤-홀드 회로(31)는 상기 추정값을 입력받아 연속적인 출력전압을 출력할 수 있다. 예컨대 상기 샘플-앤-홀드 회로(31)는 도 8b와 같은 제1신호(91)를 출력할 수 있다. 상기 샘플-앤-홀드 회로(31)의 구체적인 구성은 종래기술에 다수 공개되어 있다.When the estimated value is a voltage signal, the sample-and-
상기 이동평균 회로(32)는 상기 제1신호(91)를 입력받아, 예컨대 도 8c와 같은 제2신호(92)를 출력할 수 있다. 상기 이동평균 회로(32)의 구체적인 구성은 종래기술에 다수 공개되어 있다.The moving
상기 바이너리 디지타이저 회로(33)는 상기 제2신호(92)를 입력받아, 예컨대 도 8d와 같은 제3신호(93)를 출력할 수 있다. The
셀렉터(24)는 상기 제1신호(91)와 상기 제3신호(93) 중 어느 하나를 선택하여 출력할 수 있다. 셀렉터(24)의 동작은, 상기 구동전류 제어부(30)에 제공된 사용자 인터페이스 스위치(미도시)에 의해 제어될 수 있다. The selector 24 may select and output one of the
전류구동회로(35)는 셀렉터(34)에 출력된 값인 전압에 의해 제어되어 한 쌍의 전극(20)에 전류를 제공하거나 제공하지 않을 수 있다. 셀렉터(34)가 출력한 값인 전압은 실질적으로 스위치 온을 나타내는 제1전압, 예컨대 +12V, 그리고 실질적으로 스위치 오프를 나타태는 제2전압, 예커대 0V만을 가질 수 있다. 따라서 전류구동회로(35)에 입력된는 신호는 상기 셀렉터(34)가 출력한 신호로서, 전류구동회로(35)의 온/오프 상태를 결정하는 신호일 수 있다. 즉, 상기 셀렉터(34)가 출력한 신호는 오/온프 제어신호이다. The
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수 개의 배양기들을 촬영하는 방법을 나타낸 것이다.10 illustrates a method of photographing a plurality of incubators according to an embodiment of the present invention.
도 10에는 3행*5열을 이루는 총 15개의 배양기들이 플레이트(1)에 배치되어 있다. 10, a total of 15 incubators forming 3 rows by 5 columns are arranged on the
플레이트(1)에는 전극패드(11)가 설치되어 있다. 전극패드(11)로부터 각 배양기들에게 전도체가 연결되어 있고, 상기 각각의 전도체는 배양기 내에 배치된 한 쌍의 전극들(20)에 연결될 수 있다. 도 10에 나타낸 전도체 한 개 라인은, 실제로 상기 한 쌍의 전극들에 각각 연결되는 한 쌍의 전도체 라인들을 간단하게 표현한 것이다.An
촬영장치(40)는 고가이므로 플레이트(1) 한 개에 대하여 한 개의 촬영장치(40) 만이 이용될 수 있다. 촬영장치(40)는 카메라로서, 도시되지 않은 x축 리니어 모터 및 y축 리니어 모터에 의해 15의 배양기들의 위치로 이동될 수 있다. 상기 x축 리니어 모터 및 y축 리니어 모터의 동작을 제어하는 제어장치가 따로 제공될 수 있다. Since the photographing
상술한 본 발명은 줄기세포로부터 연골세포를 분화하는 실시예가 아니라 피부세포로부터 연골세포를 분화하는 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서 상술한 실시예들에서 줄기세포 배양액은 피부세포 배양액으로 치환되어 적용될 수 있다.The above-described present invention can be equally applied to an embodiment of differentiating chondrocytes from skin cells, not to an embodiment of differentiating chondrocytes from stem cells. Therefore, in the above-described embodiments, the stem cell culture medium may be replaced with the skin cell culture medium.
상술한 본 발명의 실시예들을 이용하여, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 특허청구범위의 각 청구항의 내용은 본 명세서를 통해 이해할 수 있는 범위 내에서 인용관계가 없는 다른 청구항에 결합될 수 있다.Using the above-described embodiments of the present invention, those belonging to the technical field of the present invention will be able to easily implement various changes and modifications without departing from the essential characteristics of the present invention. The content of each claim of the claims may be combined with other claims without reference relationship within the scope understandable through this specification.
10: 배양기
20: 한 쌍의 전극
30: 구동전류 제어부
31: 샘플-앤-홀드 회로
32: 이동평균 회로
33: 바이너라 디지타이저
34: 셀렉터
35: 전류구동회로
50: 추정부 (컴퓨팅 장치)
40: 촬영장치
510: 신경망부
530: 후처리부
100: 전기자극 시스템10: Incubator
20: a pair of electrodes
30: drive current controller
31: sample-and-hold circuit
32: moving average circuit
33: binaryr digitizer
34: selector
35: current drive circuit
50: estimator (computing device)
40: filming device
510: neural network
530: post-processing unit
100: electrical stimulation system
Claims (7)
추정부(50); 및
소정의 시간 간격으로 상기 줄기세포 배양액을 촬영한 촬영이미지들을 실시간으로 추정부(50)에 제공하도록 되어 있는 촬영장치(40);
를 포함하며,
상기 추정부(50)는,
신경망부(510)를 포함하며,
상기 복수 개의 촬영이미지들 각각을 상기 신경망부(510)의 입력층에 입력하고, 그리고
상기 신경망부(510)가 출력한 값을 기초로 로지컬 하이에 대응하는 전압 또는 로지컬 로우에 대응하는 전압을 갖는 추정값을 출력하도록 되어 있으며,
상기 구동전류 제어부(30)는,
상기 추정값을 입력받도록 되어 있고, 그리고
상기 추정값을 상기 구동전류의 온/오프 제어신호로서 이용하도록 되어 있는,
전기자극 제어시스템.a drive current controller 30 configured to provide a pair of electrodes 20 with a drive current for providing electrical stimulation to the stem cell culture medium contained in the incubator 10;
estimation unit 50; and
a photographing device 40 configured to provide photographed images of the stem cell culture solution at predetermined time intervals to the estimator 50 in real time;
Including,
The estimation unit 50,
It includes a neural network unit 510,
Each of the plurality of captured images is input to the input layer of the neural network unit 510, and
Based on the value output by the neural network unit 510, an estimated value having a voltage corresponding to a logical high or a voltage corresponding to a logical low is output,
The drive current controller 30,
to receive the estimated value, and
The estimated value is used as an on/off control signal of the driving current,
Electrical stimulation control system.
상기 신경망부의 출력층은 0 이상 1 이하의 실수를 출력하도록 되어 있고,
상기 추정부는, 상기 출력층에 연결된 후처리부(530)를 더 포함하며,
상기 후처리부는, 상기 신경망부의 출력층의 출력값이 0보다 크고 1보다 작은 소정의 임계값보다 크면 상기 로지컬 하이에 대응하는 전압을 출력하고, 상기 신경망부의 출력층의 출력값이 상기 임계값보다 작으면 상기 로지컬 로우에 대응하는 전압을 출력하도록 되어 있는,
전기자극 제어시스템.According to claim 1,
The output layer of the neural network unit outputs a real number of 0 or more and 1 or less,
The estimation unit further includes a post-processing unit 530 connected to the output layer,
The post-processing unit outputs a voltage corresponding to the logical high when the output value of the output layer of the neural network unit is greater than a predetermined threshold value greater than 0 and less than 1, and if the output value of the output layer of the neural network unit is less than the threshold value, the logical It is designed to output a voltage corresponding to a low,
Electrical stimulation control system.
상기 구동전류 제어부(30)는,
상기 제1신호(91)의 이동평균 값을 나타내는 제2신호(92)를 생성하는 이동평균 회로(32); 및
상기 제2신호(92)가 소정의 제2임계값보다 크면 상기 로지컬 하이에 대응하는 전압을 갖고, 상기 제2신호(92)가 상기 제2임계값보다 작으면 상기 로지컬 로우에 대응하는 전압을 갖는 온/오프 제어신호인 제3신호(93)를 출력하는 바이너리 디지타이저(33);
를 더 포함하는,
전기자극 제어시스템.According to claim 3,
The drive current controller 30,
a moving average circuit (32) generating a second signal (92) representing the moving average value of the first signal (91); and
When the second signal 92 is greater than a predetermined second threshold value, it has a voltage corresponding to the logical high level, and when the second signal 92 is less than the second threshold value, it has a voltage corresponding to the logical low level. a binary digitizer 33 outputting a third signal 93 which is an on/off control signal having;
Including more,
Electrical stimulation control system.
상기 구동전류 제어부(30)는,
상기 한 쌍의 전극(20)에게 제공하도록 상기 구동전류를 출력하는 전류구동회로(35); 및
상기 제1신호(91)와 상기 제3신호(93) 중 어느 하나를 선택하여 상기 전류구동회로의 온/오프 제어신호로서 상기 전류구동회로에게 제공하는 셀렉터(34)
를 더 포함하며,
상기 전류구동회로,는 상기 셀렉터(34)로부터 수신한 신호가 상기 로지컬 하이에 대응하는 전압을 가질 때에는 상기 한 쌍의 전극(20)에게 상기 구동전류를 제공하도록 되어 있고, 상기 셀렉터(34)로부터 수신한 신호가 상기 로지컬 로우에 대응하는 전압을 가질 때에는 상기 한 쌍의 전극(20)에게 상기 구동전류를 제공하는 것을 중단하도록 되어 있는,
전기자극 제어시스템.According to claim 4,
The drive current controller 30,
a current driving circuit (35) for outputting the drive current to supply the pair of electrodes (20); and
A selector 34 for selecting one of the first signal 91 and the third signal 93 and providing it to the current driving circuit as an on/off control signal of the current driving circuit
Including more,
The current driving circuit is configured to provide the driving current to the pair of electrodes 20 when the signal received from the selector 34 has a voltage corresponding to the logical high. Stop providing the driving current to the pair of electrodes 20 when the received signal has a voltage corresponding to the logical low.
Electrical stimulation control system.
상기 추정부(50)는 CPU, 전원부, 메모리부, 통신부, 및 주변장치 인터페이스부를 포함하는 컴퓨팅 장치이며,
상기 메모리부에는 상기 신경망부의 입력 및 출력 간의 관계를 규정하는 알고리즘을 구현하는 명령어 코드들이 저장되어 있고,
상기 신경망부의 기능은 상기 CPU가 상기 명령어 코드들을 읽어서 실행함으로써 제공되는,
전기자극 제어시스템.According to claim 1,
The estimation unit 50 is a computing device including a CPU, a power supply unit, a memory unit, a communication unit, and a peripheral device interface unit,
The memory unit stores command codes for implementing an algorithm defining a relationship between an input and an output of the neural network unit,
The function of the neural network unit is provided by the CPU reading and executing the instruction codes.
Electrical stimulation control system.
상기 신경망부는 지도학습에 의해 학습된 것이며,
상기 지도학습을 위한 과정은,
상기 촬영장치에 의해 촬영된 복수 장의 학습용 이미지들, 그리고 상기 각각의 학습용 이미지에 대하여 전문가가 부여한 '1' 또는 '0'의 값을 갖는 라벨들에 의해 생성된 복수 개의 이미지-라벨 쌍 정보를 상기 메모리부로부터 읽어들이는 단계;
상기 복수 개의 이미지-라벨 쌍 정보 중 선택된 학습용 이미지를 상기 신경망부의 입력층에 입력하는 단계;
상기 신경망부의 출력층으로부터 출력값을 획득하는 단계; 및
상기 선택된 학습용 이미지에 대응하는 라벨의 값을 상기 출력층으로부터 획득한 상기 출력값과 비교하여 생성한 오차를 감소시키도록 상기 신경망부의 가중치들의 값들을 갱신하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
전기자극 제어시스템.According to claim 6,
The neural network unit is learned by supervised learning,
The process for the supervised learning,
Information on a plurality of image-label pairs generated by labels having a value of '1' or '0' assigned by an expert to each of the learning images captured by the photographing device, and reading from the memory unit;
inputting an image for training selected from among the plurality of image-label pair information to an input layer of the neural network unit;
obtaining an output value from an output layer of the neural network unit; and
updating weight values of the neural network unit to reduce an error generated by comparing a value of a label corresponding to the selected training image with the output value obtained from the output layer;
Characterized in that it includes,
Electrical stimulation control system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210180733A KR20230091537A (en) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | Integrated system of electro-stimulation for optimal differentiation of stem cells |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210180733A KR20230091537A (en) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | Integrated system of electro-stimulation for optimal differentiation of stem cells |
Publications (1)
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KR20230091537A true KR20230091537A (en) | 2023-06-23 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020210180733A KR20230091537A (en) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | Integrated system of electro-stimulation for optimal differentiation of stem cells |
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-
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