WO2022146045A1 - 항생제 감수성 평가 장치 - Google Patents

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WO2022146045A1
WO2022146045A1 PCT/KR2021/020209 KR2021020209W WO2022146045A1 WO 2022146045 A1 WO2022146045 A1 WO 2022146045A1 KR 2021020209 W KR2021020209 W KR 2021020209W WO 2022146045 A1 WO2022146045 A1 WO 2022146045A1
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antibiotic
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image
spatial correlation
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김영덕
유재우
도형규
천두영
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주식회사 더웨이브톡
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to antibiotic sensitivity evaluation.
  • a colony counting method and a disk diffusion method are used as a method for measuring the antimicrobial activity of a sample.
  • the colony counting technique is a method of measuring the antimicrobial activity of a sample through microbial community counting by spreading the microorganism solution reacted with the sample for a certain period of time on a nutrient agar, then growing the microorganisms for a certain period of time, Quantitative measurement results can be obtained.
  • the disk diffusion method is a method of measuring the size of the inhibition zone created around the sample under the influence of the sample by placing the specimen on a nutrient agar medium on which a certain amount of microorganisms are smeared, then growing the microorganism for a certain time. , it is possible to obtain a qualitative antibacterial activity result of the sample.
  • the colony counting technique is widely used in various research fields because it can obtain quantitative antibacterial activity measurement results, but repeated experiments using various dilution ratios are required to obtain a measurable microbial community count, and the time and reaction of reacting microorganisms and samples are required. Each time required to grow the finished microorganisms on a nutrient agar medium, it has disadvantages in terms of time and cost.
  • the disk diffusion method spreads a certain amount of microorganisms on a nutrient agar medium and then puts a sample on it and grows the microorganisms, so the reaction between the microorganisms and the sample occurs along with the growth of the microorganisms, which reduces the test time and test cost compared to the colony counting method.
  • An object of the present invention is to provide an antibiotic susceptibility evaluation apparatus capable of acquiring a sample image and deriving a spatial correlation of an interference pattern of the sample image to more rapidly evaluate antibiotic susceptibility.
  • a sample unit accommodating a sample and one or more antibiotic disks disposed on the sample, a light source irradiating light having coherence toward the sample unit, and detecting transmitted light passing through the sample unit to receive an image sensor for obtaining a sample image and an initial first sample image in which the antibiotic disk is disposed in the sample unit and a second sample image after a preset time, the first sample image and the second sample To obtain a spatial correlation of the interference pattern of the image, and to provide an antibiotic susceptibility evaluation apparatus comprising a control unit for evaluating the susceptibility to the antibiotic of the sample based on the spatial correlation according to the location.
  • Antibiotic susceptibility evaluation apparatus can evaluate the sensitivity of a sample to antibiotics within a short time without having to wait until a sufficient culture time for colonies to be sufficiently generated.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating an antibiotic sensitivity evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the components of the antibiotic sensitivity evaluation apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the sample unit of FIG. 2 .
  • 4A and 4B are exemplary views showing a measurement screen of the antibiotic sensitivity evaluation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are diagrams for explaining the principle of the control unit evaluating the antibiotic sensitivity using the spatial correlation of the sample image.
  • a sample unit accommodating a sample and one or more antibiotic disks disposed on the sample, a light source irradiating light having coherence toward the sample unit, and detecting transmitted light passing through the sample unit to receive an image sensor for obtaining a sample image and an initial first sample image in which the antibiotic disk is disposed in the sample unit and a second sample image after a preset time, the first sample image and the second sample To obtain a spatial correlation of the interference pattern of the image, and to provide an antibiotic susceptibility evaluation apparatus comprising a control unit for evaluating the susceptibility to the antibiotic of the sample based on the spatial correlation according to the location.
  • the one or more antibiotic disks may be arranged radially about the rotational axis.
  • the image sensor may acquire a sample image of a predetermined area including the antibiotic disk while the sample unit is rotated by the driving unit.
  • the center of the light irradiated from the light source may be disposed at a position spaced apart from the rotation axis.
  • control unit calculates the diameter of the inhibition zone of the antibiotic disk by using the distance to the point where the result of the spatial correlation corresponds to a preset threshold value, and the calculated inhibition zone
  • the susceptibility to antibiotics of the sample can be evaluated using the diameter of .
  • control unit stores information on the antibiotic disk, information on the sample, and reference information for antibiotic sensitivity evaluation, information on the antibiotic disk, information on the sample and antibiotic sensitivity evaluation
  • the calculated diameter of the inhibition zone may be corrected using the reference information for , and the sensitivity of the sample to the antibiotic may be evaluated using the corrected diameter of the inhibition zone.
  • a part such as a unit, region, or component
  • a part is on or on another part, not only when it is directly on the other part, but also other units, regions, components, etc. are interposed therebetween. cases are included.
  • connect or couple do not necessarily mean direct and/or fixed connection or coupling of two members unless the context clearly indicates otherwise, and does not necessarily mean that another member is interposed between two members. It's not about exclusion.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram schematically illustrating an antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view for explaining the components of the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 of FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram for describing the sample unit 120 of FIG. 2 .
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 may include a light source 110 , a sample unit 120 , an image sensor 130 , and a controller 140 . have.
  • Antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 is for determining a specific antibiotic effective in stopping the growth of bacteria (pathogenic microorganisms) causing an infection, applying the antibiotic to a sample containing bacteria, and It is a technical idea to analyze the sample image obtained by irradiation to determine the antibiotic susceptibility.
  • the light source 110 may irradiate light having coherence toward the sample unit 120 including the sample.
  • the light source 110 may be any type of source device capable of generating light, and may be a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the light source 110 may use a laser having good coherence to form a speckle that is an interference pattern on the sample.
  • the measurement accuracy may increase.
  • the measurement accuracy may increase. Accordingly, laser light having a spectral bandwidth of the light source 110 less than a predefined reference bandwidth may be used as the light source 110 , and measurement accuracy may increase as the spectral bandwidth of the light source 110 is shorter than the reference bandwidth.
  • the spectral bandwidth of the light source may be set so that the condition of Equation 1 below is maintained.
  • the spectral bandwidth of the light source 110 may be maintained less than 5 nm.
  • the antibiotic susceptibility evaluation apparatus 100 may include one or more optical means between the light source 110 and the sample unit 120 .
  • the optical means may include one or more polarizers 101 , a collimation lens 102 , and the like.
  • the light source 110 may be disposed on a position spaced apart from the central axis Ax1 of the sample unit 120 .
  • the light source 110 irradiates light to the sample unit 120 , but may radiate light to the area A1 deviating from the center of the sample unit 120 .
  • the sample unit 120 accommodates a sample to be measured, and one or more antibiotic disks D1 disposed on the sample may be applied.
  • the sample unit 120 may be applied in any container type capable of accommodating a sample, for example, an agar plate containing a culture solution for culturing microorganisms.
  • the sample may be a pathogenic microorganism, and may be plated on an agar plate containing a culture solution to be accommodated in the sample unit 120 .
  • the antibiotic disk D1 may contain an antibiotic that is expected to respond to the pathogenic microorganism, and may be disposed on the sample unit 120 in which the sample is accommodated.
  • the sample unit 120 may arrange the antibiotic disk D1 at a location spaced apart from the central axis Ax1 of the sample unit 120 by a predetermined distance.
  • the antibiotic disk D1 may be disposed in the area A1 where the light source 110 is irradiated with light.
  • the sample unit 120 includes a plurality of antibiotic disks D1
  • the plurality of antibiotic disks D1 may be radially disposed with respect to the central axis Ax1 of the sample unit 120 .
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 may further include a driving unit (not shown) for rotating the sample unit (120).
  • a driving unit for rotating the sample unit (120).
  • the sample unit 120 can rotate based on the central axis Ax1 , the following description will be made by mixing the central axis Ax1 and the rotation axis.
  • the sample unit 120 may be rotated about the rotation axis Ax1 by a driving unit (not shown). As the light source 110 and the image sensor 130 rotate in a state where the sample unit 120 is fixed at a predetermined position, it is possible to quickly obtain a sample image for the plurality of antibiotic disks D1.
  • the plurality of antibiotic disks D1 are radially spaced apart from each other with respect to the rotation axis Ax1 of the sample unit 120, and the separation distance may be determined by reflecting the size of the restraint band RA1. Since the size of the inhibition zone (RA1) can be predicted according to a predetermined reading criterion (eg, US: CLSI, Europe: EUCAST), a plurality of antibiotic disks (D1) are spaced apart based on the size of the inhibition zone (RA1). can be arranged as much as possible.
  • a predetermined reading criterion eg, US: CLSI, Europe: EUCAST
  • the antibiotic disks (D1) are not necessarily spaced apart as much as the size of the maximum inhibition zone, and may be disposed in consideration of overlapping a certain portion. As shown in the figure, even if some overlap with respect to the direction in which the antibiotic disks (D1) are arranged, it is because they may be non-overlapping with respect to the radial direction from the antibiotic disk (D1) toward the rotation axis (Ax1).
  • the image sensor 130 may measure a sample image, which is an optical image that is disposed on a path of light emitted from the sample unit 120 .
  • the image sensor 130 may acquire a sample image by detecting the transmitted light K2 passing through the sample unit 120 .
  • the image sensor 130 may be a CCD camera.
  • the image sensor 130 may measure the optical image emitted from the sample unit 120 and transmit it to the controller 140 .
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 may further include a lens unit 150 between the image sensor 130 and the sample unit 120 .
  • the lens unit 150 may include one or more lenses 151 and 153 , and may further include an optical configuration such as a mirror 152 .
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 implements the effect of narrowing the measurement distance z between the image sensor 130 and the sample unit 120 using the lens unit 150, so that early detection may be possible. have.
  • the lens unit 150 includes one lens, and the focal length f of the lens may be expressed as ab/(a+b), where a is up to the lens and the image sensor 130 . , b is the distance between the lens and the virtual image of the image sensor 130, and the magnification (M) of the lens is a/b.
  • the pixel size p of the image sensor 130 has the following relational expression based on the Nyquist-shannon Sampling theorem.
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 may determine a propagation distance z, which is a distance from the sample unit 120 to the virtual image of the image sensor 130 .
  • the size of the sample to be measured is the radius w
  • the thickness is h
  • the refractive index is n. Since the propagation distance z is much longer compared to the size of the sample, the Fraunhofer approximation can be applied.
  • the final interference pattern is an interference pattern between the measurement light (object wave, k22), which is a diffraction pattern by the sample, and the parallel light (reference wave, k21) transmitted from the light source 110 to the sample unit 120 and then transmitted. may appear, and may appear in an airy pattern.
  • the intensity of the interference fringe is expressed in terms of the polar coordinate system for the above conditions, it is as follows.
  • the propagation distance z is a condition in which the maximum value of I(r) is greater than the 6dB signal-to-noise ratio of the image sensor 130 . It can be determined as a distance that satisfies .
  • the controller 140 may evaluate the antibiotic sensitivity of the sample using the sample image (refer to FIG. 3B ) acquired through the image sensor 130 . Specifically, the controller 140 receives an initial first sample image in which the antibiotic disk D1 is disposed in the sample unit 120 and a second sample image after a preset time, the first sample image and the second The spatial correlation of the interference pattern of the sample image may be obtained, and the sensitivity of the sample to the antibiotic may be evaluated based on the spatial correlation according to the location. Specific details of evaluating the antibiotic susceptibility using the spatial correlation in the controller 140 will be described later.
  • FIGS. 5 and 6 are antibiotic susceptibility using the spatial correlation of the sample image in the control unit. It is a drawing for explaining the principle of evaluation.
  • the antibiotic susceptibility evaluation apparatus 100 may further include an input/output interface, for example, a touchable display unit (not shown).
  • the display unit (not shown) may obtain information about the sample from the user and provide the measurement result to the user.
  • the display unit may display the sample image captured by the image sensor 130 on the screen.
  • the sample image may be an image obtained by measuring only a certain area including the antibiotic disk D1 in the sample unit 120 .
  • the display unit may display a sample unit image obtained by photographing the entire sample unit 120 .
  • the antibiotic susceptibility evaluation apparatus 100 may additionally include a camera capable of capturing the entire image of the sample unit 120 in addition to the image sensor 130 .
  • the antibiotic susceptibility evaluation apparatus 100 may receive information on the sample and information on the antibiotic disk applied to the sample through the input/output interface. Also, the antibiotic susceptibility evaluation apparatus 100 may receive reference information for antibiotic susceptibility evaluation.
  • the reference information for antibiotic sensitivity evaluation may be a predetermined reading criterion (eg, US: CLSI, Europe: EUCAST).
  • the antibiotic evaluation apparatus 100 may obtain an initial first sample image of the sample unit 120 .
  • the antibiotic evaluation apparatus 100 may photograph an initial first sample image as one sheet, or may acquire a plurality of images by sequentially photographing it according to time.
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 may acquire a second sample image after a preset time.
  • the preset time is a time for the sample to grow enough to derive a meaningful result through the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100, and may be, for example, about 4-6 hours.
  • the present invention is not limited thereto, and the preset time may vary depending on the type of sample, and of course, the time may be reduced according to development.
  • the previously set time is much shorter than the time (eg, about 16-24 hours) for visually confirming the conventional disc diffusion method, and the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 according to the present invention is It has the advantage of being able to evaluate antibiotics in a shorter time compared to the prior art.
  • inhibition zones RA1 and RA2 may be formed by the antibiotic disks D1 and D2.
  • the size of the inhibition zones (RA1, RA2) may be different depending on the type of sample and the type of antibiotic.
  • a plurality of antibiotic disks may be applied to the sample unit 120, and the antibiotic sensitivity evaluation apparatus 100 is configured to evaluate the sensitivity according to each antibiotic disk (D1, D2), the sample unit 120.
  • Each second sample image may be taken while rotating. This method may be equally applied to acquiring the initial first sample image.
  • the controller 140 controls an initial first sample image in which the antibiotic disks D1 and D2 are disposed in the sample unit 120 from the image sensor 130 and the second sample after a preset time. 2 Sample images can be provided. The controller 140 may obtain a spatial correlation between the interference patterns of the first sample image and the second sample image, and evaluate the sensitivity of the sample to the antibiotic based on the spatial correlation according to the location.
  • the interference pattern may be greatly changed at the boundary of the inhibition zones RA1 and RA2 formed by the antibiotic.
  • the controller 140 may obtain a spatial correlation of the interference pattern.
  • the spatial correlation given by the following equation can be expressed as a number within a certain range of how similar the brightness of an arbitrary pixel and a pixel separated by a distance r from the pixel on the image measured at time t (FIG. 5) b).
  • the range may be in the range of -1 to 1. That is, the spatial correlation indicates the degree of correlation between an arbitrary pixel and other pixels. If it is 1, it indicates a positive correlation, if it is -1, it indicates a negative correlation, and if it is 0, it indicates no relation. Specifically, since the brightness is evenly emitted before the interference pattern is formed, the spatial correlation of the sample image shows a positive correlation close to 1, but after the interference pattern is formed, the correlation value decreases in a direction close to 0. can
  • C 0 (t) was used to adjust the range of Equation 7 to -1 to 1. If the brightness I(r',t) measured at time t in any pixel is equal to the brightness I(r'+r,t) of a pixel separated by a distance r, then the spatial correlation is 1, otherwise 1 will have a smaller value.
  • the present invention may express the above-described spatial correlation only as a function of time.
  • the controller 140 may obtain an average of spatial correlations for pixels having the same size of r from any pixel as in Equation 6 below (refer to b of FIG. 5 ).
  • the controller 140 may represent a function with respect to time by substituting a preset distance into Equation 6, and using this function, the degree of formation of the interference pattern is within a certain range of 0 to 1 can be confirmed by the value of
  • the controller 140 may distinguish the suppression bands RA1 and RA2 in the sample image through a change in the pattern of the sample image over time. Specifically, the controller 140 may distinguish the edge regions of the suppression bands RA1 and RA2 through a change in the pattern of the sample image over time.
  • Spatial correlation generates two identical images that are superimposed on one image, shifts one image in one direction by a preset distance, and then places two adjacent images between the shifted image and the unshifted image. It can be obtained by analyzing how similar the pixels are.
  • the spatial correlation is a measure of how uniform the image is. If an interference pattern is formed due to a colony, the similarity of two adjacent pixels decreases due to the small interference pattern, so the value of the spatial correlation also decreases. .
  • Such a spatial correlation coefficient changes depending on the shifted distance r. Within a certain distance range, the value decreases as the shifting distance r increases, and when it exceeds a certain distance range, it is almost will have a constant value. Accordingly, in order to obtain a more meaningful spatial correlation, the controller 140 may acquire the spatial correlation by shifting the image by a predetermined distance or more in advance.
  • the preset distance r depends on the speckle size, and when expressed in units of pixels, the controller 140 may obtain a spatial correlation by shifting the image by a pixel larger than the speckle size.
  • the predetermined distance may be at least 3 pixels or more.
  • the antibiotic susceptibility evaluation apparatus 100 for analyzing the spatial correlation coefficient can rapidly evaluate the antibiotic susceptibility without waiting until the culture time in which the microorganisms form colonies with the naked eye.
  • the controller 140 derives a spatial correlation coefficient according to the distance by the above method, and evaluates the sensitivity of the sample to the antibiotic by using the derived spatial correlation coefficient.
  • the controller 140 calculates the diameter of the inhibition bands RA1 and RA2 of the corresponding antibiotic disks D1 and D2 using the distance R1 to the point corresponding to the preset threshold value v1. And, using the diameter of the calculated inhibition zone (RA1, RA2), the sensitivity of the sample to the antibiotic can be evaluated.
  • the threshold value v1 is a preset value, and may be a reference value for determining a point at which the coefficient of spatial correlation rapidly changes as an edge region of the suppression bands RA1 and RA2.
  • the threshold value v1 may vary depending on the type of antibiotic or sample, and may have a different value over time.
  • the controller 140 may correct the diameters of the calculated inhibition zones RA1 and RA2 using the information on the antibiotic disks D1 and D2, the information on the sample, and the reference information for antibiotic sensitivity evaluation.
  • the size of the inhibition zone should be the same as or similar to the reference information for antibiotic sensitivity evaluation.
  • the size of the restraint band may be slightly different from the actual measurement result because it is often the reference information when judged with the naked eye.
  • the controller 140 may correct the diameters of the restraining bands RA1 and RA2 based on the reference information.
  • the controller 140 may separately receive and store the reference information.
  • the controller 140 may learn reference information for classifying the size of the restraint band based on the information on the antibiotic disks D1 and D2 and the information on the sample.
  • the control unit 140 applies the information on the antibiotic disks (D1, D2) and the information on the sample to the neural network model to learn the reference information for classifying the size of the inhibition zone (RA1, RA2), and according to the reference information, the inhibition zone ( RA1, RA2) can be automatically corrected.
  • CNN Convolutional Neural Networks
  • RNN Reccurent Neural Network
  • DBN Deep Belief Networks
  • the controller 140 may derive the size of the inhibition zone (RA1, RA2) using the learned reference information, and evaluate the sensitivity of the sample to the antibiotic using the derived inhibition zone (RA1, RA2) data.
  • the controller 140 may be configured to process instructions of a computer program by performing basic arithmetic, logic, and input/output operations.
  • the command may be provided to the control unit 140 by a memory or a communication unit.
  • the controller 140 may be configured to execute a received command according to a program code stored in a recording device such as a memory.
  • the 'processor' may refer to, for example, a data processing device embedded in hardware having a physically structured circuit to perform a function expressed as a code or command included in a program.
  • a microprocessor As an example of the data processing device embedded in the hardware as described above, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated (ASIC) Circuit) and a processing device such as a field programmable gate array (FPGA) may be included, but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • CPU central processing unit
  • processor core a processor core
  • multiprocessor a multiprocessor
  • ASIC application-specific integrated
  • FPGA field programmable gate array
  • the antibiotic sensitivity evaluation apparatus can evaluate the sensitivity of the sample to the antibiotic within a short time without having to wait until a sufficient culture time for colonies to be sufficiently generated.
  • an antibiotic sensitivity evaluation device According to an embodiment of the present invention, there is provided an antibiotic sensitivity evaluation device.
  • embodiments of the present invention can be applied to a microorganism detecting apparatus used in industry.

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 샘플 및 상기 샘플 상에 배치되는 하나 이상의 항생제 디스크를 수용하는 샘플 유닛, 상기 샘플 유닛을 향하여 간섭성을 갖는 광을 조사하는 광원, 상기 샘플 유닛을 투과하는 투과광을 감지하여 샘플 이미지를 획득하는 영상 센서 및 상기 샘플 유닛에 상기 항생제 디스크가 배치되는 초기의 제1 샘플 이미지 및 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 제공받고, 상기 제1 샘플 이미지와 상기 제2 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 위치에 따른 상기 공간상관관계를 기초로 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가하는 제어부를 포함하는, 항생제 감수성 평가 장치를 제공한다.

Description

항생제 감수성 평가 장치
본 발명의 실시예들은 항생제 감수성 평가 에 관한 것이다.
일반적으로 샘플의 항균력을 측정하는 방법으로는 콜로니 계수 기법(colony counting method)과 디스크 확산법(disk diffusion method)이 사용된다. 콜로니 계수 기법은 일정 시간 동안 샘플과 반응한 미생물 용액을 영양한천배지(nutrient agar)에 도말한 후, 일정 시간 동안 미생물을 성장시켜, 성장된 미생물 군집 계수를 통해 샘플의 항균력을 측정하는 방법으로, 정량적인 측정 결과를 얻을 수 있다.
반면 디스크 확산법은 일정량의 미생물이 도말되어 있는 영양한천배지에 시편을 올려놓은 후, 일정 시간 동안 미생물을 성장시켜, 샘플의 영향으로 샘플 주위에 생기는 억제 지대(inhibition zone)의 크기를 측정하는 방법으로, 샘플의 정성적인 항균력 결과를 얻을 수 있다.
콜로니 계수 기법은 정량적인 항균력 측정 결과를 얻을 수 있어, 다양한 연구 분야에서 많이 사용되고 있지만, 측정 가능한 미생물 군집 계수를 얻기 위해서는 다양한 희석비를 이용한 반복 실험이 요구되며, 미생물과 샘플을 반응시키는 시간과 반응이 끝난 미생물을 영양한천배지에서 성장시키는 시간이 각각 요구되어, 시간적, 비용적인 측면에서 단점을 가지고 있다.
한편, 디스크 확산법은 일정량의 미생물을 영양한천배지에 도말한 후, 그 위에 샘플을 올려놓고 미생물을 성장시키므로, 미생물과 샘플의 반응이 미생물 성장과 함께 일어나 콜로니 계수 기법에 비해 시험 시간 및 시험 비용적인 측면에서 유리하다.
그러나, 이 경우 또한, 억제 지대를 눈으로 확인할 수 있을 만큼 미생물을 성장시키기 위해서, 약 16-24시간 배양이 필수적으로 필요하고, 사람이 직접 자 또는 버니어 켈리퍼스를 이용하여 직접 지름을 측정해야하기 때문에 검사자마다 결과가 달라질 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 샘플 이미지를 획득하고, 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계를 도출하여 보다 빠른 항생제 감수성을 평가할 수 있는 항생제 감수성 평가 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 샘플 및 상기 샘플 상에 배치되는 하나 이상의 항생제 디스크를 수용하는 샘플 유닛, 상기 샘플 유닛을 향하여 간섭성을 갖는 광을 조사하는 광원, 상기 샘플 유닛을 투과하는 투과광을 감지하여 샘플 이미지를 획득하는 영상 센서 및 상기 샘플 유닛에 상기 항생제 디스크가 배치되는 초기의 제1 샘플 이미지 및 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 제공받고, 상기 제1 샘플 이미지와 상기 제2 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 위치에 따른 상기 공간상관관계를 기초로 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가하는 제어부를 포함하는, 항생제 감수성 평가 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 항생제 감수성 평가 장치는 콜로니가 충분히 생성되기 위한 충분한 배양 시간까지 기다릴 필요 없이, 빠른 시간 내에 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항생제 감수성 평가 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 항생제 감수성 평가 장치의 구성요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 샘플 유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 항생제 감수성 평가 장치의 측정 화면을 나타낸 예시도이다.
도 5 및 도 6은 제어부에서 샘플 이미지의 공간상관관계를 이용하여 항생제 감수성을 평가하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예는, 샘플 및 상기 샘플 상에 배치되는 하나 이상의 항생제 디스크를 수용하는 샘플 유닛, 상기 샘플 유닛을 향하여 간섭성을 갖는 광을 조사하는 광원, 상기 샘플 유닛을 투과하는 투과광을 감지하여 샘플 이미지를 획득하는 영상 센서 및 상기 샘플 유닛에 상기 항생제 디스크가 배치되는 초기의 제1 샘플 이미지 및 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 제공받고, 상기 제1 샘플 이미지와 상기 제2 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 위치에 따른 상기 공간상관관계를 기초로 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가하는 제어부를 포함하는, 항생제 감수성 평가 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 샘플 유닛을 회전축을 기준으로 회전시키는 구동 유닛을 더 포함하고, 상기 하나 이상의 항생제 디스크는 상기 회전축을 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 영상 센서는 상기 샘플 유닛이 상기 구동 유닛에 의해 회전하는 동안, 상기 항생제 디스크를 포함하는 일정 영역의 샘플 이미지를 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광원으로부터 조사되는 광의 중심은 상기 회전축으로부터 이격된 위치에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 공간상관관계의 결과값이 사전에 설정된 임계값에 대응되는 지점까지의 거리를 이용하여 해당 항생제 디스크의 억제대의 지름을 계산하고, 상기 계산된 억제대의 지름을 이용하여 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 항생제 디스크에 대한 정보, 샘플에 대한 정보 및 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보를 저장하고, 상기 항생제 디스크에 대한 정보, 샘플에 대한 정보 및 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보를 이용하여 상기 계산된 억제대의 지름을 보정하고, 상기 보정된 억제대의 지름을 이용하여 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 항생제 감수성 평가 장치(100)의 구성요소를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 도 2의 샘플 유닛(120)을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)는 광원(110), 샘플 유닛(120), 영상 센서(130) 및 제어부(140)를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)는 감염을 일으킨 세균(병원성 미생물)의 성장을 멈추는데 효과적인 특정 항생제를 결정하기 위한 것으로서, 세균을 포함하는 샘플에 항생제를 적용하고 광을 조사하여 획득한 샘플 이미지를 분석하여 항생제 감수성을 판단하는 것을 기술적인 사상으로 한다.
광원(110)은 샘플을 포함하는 샘플 유닛(120)을 향하여 간섭성을 갖는 광을 조사할 수 있다. 여기서, 광원(110)은 광을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다.
여기서, 광원(110)은 샘플에 간섭 패턴인 스펙클(speckle)을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 사용할 수 있다. 이때, 레이저 광원의 간섭성을 결정하는 광원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다.
즉, 간섭 길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 광원(110)의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 광원(110)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 광원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
Figure PCTKR2021020209-appb-M000001
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 샘플 유닛(120)에 광을 조사시에 광원(110)의 스펙트럴 대역폭은 5nm 미만을 유지할 수 있다.
또한, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 광원(110)으로부터 생성된 광을 샘플 유닛(120)으로 조사함에 있어, 분석정확도를 높이기 위해 광 특성을 향상시킬 필요가 있다. 이를 위해, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 광원(110)과 샘플 유닛(120) 사이에 하나 이상의 광학 수단을 구비할 수 있다. 예를 들면, 광학 수단은 하나 이상의 편광판(101), 시준 렌즈(collimation lens, 102) 등을 포함할 수 있다.
한편, 광원(110)은 샘플 유닛(120)의 중심축(Ax1)으로부터 이격된 위치 상에 배치될 수 있다. 다시 말해, 광원(110)은 샘플 유닛(120)에 광을 조사하되, 샘플 유닛(120)의 중심으로부터 벗어난 영역(A1)에 광을 조사할 수 있다.
샘플 유닛(120)은 측정하고자 하는 샘플을 수용하며, 샘플 상에 배치되는 하나 이상의 항생제 디스크(D1)이 적용될 수 있다. 샘플 유닛(120)은 샘플을 수용할 수 있는 어떠한 용기 형태든 적용될 수 있으며, 예를 들면, 미생물을 배양하는 배양액을 포함하는 아가 플레이트(agar plate)일 수 있다.
샘플은 병원성 미생물일 수 있으며, 배양액을 포함하는 아가 플레이트 상에 도말되어 샘플 유닛(120)에 수용될 수 있다. 항생제 디스크(D1)는 해당 병원성 미생물에 반응을 예상하는 항생제를 포함할 수 있으며, 샘플이 수용된 샘플 유닛(120) 상에 배치될 수 있다.
샘플 유닛(120)은 항생제 디스크(D1)를 샘플 유닛(120)의 중심축(Ax1)으로부터 일정 거리 이격된 위치에 배치시킬 수 있다. 항생제 디스크(D1)는 광원(110)이 광을 조사하는 영역(A1) 내에 배치될 수 있다.
샘플 유닛(120)이 복수개의 항생제 디스크(D1)를 포함하는 경우, 복수개의 항생제 디스크(D1)는 샘플 유닛(120)의 중심축(Ax1)을 기준으로 방사형으로 배치될 수 있다.
한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 샘플 유닛(120)을 회전시키는 구동 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 샘플 유닛(120)은 중심축(Ax1)을 기준으로 회전할 수 있으므로, 이하에서는 중심축(Ax1)과 회전축을 혼용하여 설명하기로 한다.
샘플 유닛(120)은 구동 유닛(미도시)에 의해 회전축(Ax1)을 중심으로 회전할 수 있다. 광원(110) 및 영상 센서(130)는 일정한 위치에 고정된 상태에서 샘플 유닛(120)이 회전하므로써, 복수개의 항생제 디스크(D1)에 대한 샘플 이미지를 빠르게 획득할 수 있다.
복수개의 항생제 디스크(D1)는 샘플 유닛(120)의 회전축(Ax1)을 기준으로 방사형으로 이격되어 배치되되, 억제대(RA1)의 크기를 반영하여 이격거리가 결정될 수 있다. 억제대(RA1)의 크기는 기 결정된 판독 기준(예를 들면, 미국: CLSI, 유럽: EUCAST)에 따라 예측될 수 있기 때문에, 복수개의 항생제 디스크(D1)들은 억제대(RA1)의 크기를 기준으로 이격되도록 배치될 수 있다.
다만, 항생제 디스크(D1)들은 최대 억제대의 크기만큼 반드시 이격될 필요는 없고, 일정 부분 중첩되는 것을 감안하여 배치될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 항생제 디스크(D1)들이 배열되는 방향에 대해서는 일부가 중첩되더라도, 항생제 디스크(D1)로부터 회전축(Ax1)을 향하는 지름 방향에 대해서 비중첩될 수 있기 때문이다.
영상 센서(130)는 샘플 유닛(120)에서 출사되는 광의 경로 상에 배치되어 출사되는 광학적 이미지인, 샘플 이미지를 측정할 수 있다. 영상 센서(130)는 샘플 유닛(120)을 투과하는 투과광(K2)을 감지하여 샘플 이미지를 획득할 수 있다. 예를 들면, 영상 센서(130)는 CCD 카메라일 수 있다. 영상 센서(130)는 샘플 유닛(120)으로부터 출사되는 광학적 이미지를 측정하여 제어부(140)로 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)는 영상 센서(130)와 샘플 유닛(120) 사이에 렌즈 유닛(150)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 렌즈 유닛(150)은 하나 이상의 렌즈(151, 153)을 포함할 수 있고, 미러(152)와 같은 광학적 구성을 더 포함할 수 있다.
항생제 감수성 평가 장치(100)는 렌즈 유닛(150)을 이용하여 영상 센서(130)와 샘플 유닛(120) 간의 측정 거리(z)를 좁히는 효과를 구현함으로써, 조기 검출(early detection)이 가능해질 수 있다.
이때, 렌즈 유닛(150)이 렌즈 하나를 포함하는 경우를 가정하고, 렌즈의 초점거리(f)는 ab/(a+b)로 나타낼 수 있고, 여기서, a는 렌즈와 영상 센서(130)까지의 거리이며, b는 렌즈와 영상 센서(130)의 허상까지의 거리이고, 렌즈의 배율(M)은 a/b이다.
예를 들어, 샘플을 관찰하는 관찰 영역(A1)의 폭이 30mm보다 크다고 가정하고, 본 장치를 통해 관찰 가능한 콜로니의 크기(반지름, w)가 20um보다 크다고 할 때(대장균(E.coli) 4시간 배양 기준), 영상 센서(130)의 픽셀의 크기(p)는 표본화 정리(Nyquist-shannon Sampling theorem)에 근거하여 다음과 같은 관계식을 갖게 된다.
Figure PCTKR2021020209-appb-M000002
한편, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 샘플 유닛(120)으로부터 영상 센서(130)의 허상까지의 거리인 전파 거리 z 결정할 수 있다. 이때, 샘플이 얇고 투명한 원판이라 가정할 때, 측정 대상인 샘플의 크기인 반지름은 w, 두께는 h, 굴절률은 n이라고 할 수 있다. 전파 거리(z)는 샘플의 크기에 비해 훨씬 길기 때문에, 프라운호퍼 근사(Fraunhofer approximation)를 적용할 수 있다.
여기서, 최종 간섭무늬는 샘플에 의한 회절무늬인 측정광(object wave, k22)과 광원(110)으로부터 샘플 유닛(120)에 조사된 후 투과되는 평행광(reference wave, k21) 사이의 간섭 패턴으로 나타날 수 있으며, 에어리상(airy pattern)으로 나타날 수 있다.
위와 같은 조건에 대하여 간섭무늬의 세기를 극좌표계(polar coorinate)에 대하여 나타내면 다음과 같다.
Figure PCTKR2021020209-appb-M000003
이때, r=0에 대하여
Figure PCTKR2021020209-appb-I000001
는 최대값 1을 가지므로, 위 수식을 다시 나타내면 다음과 같다.
Figure PCTKR2021020209-appb-M000004
위 수식을 통해, 전파 거리 z가 커질수록 신호 세기가 작아지고, 샘플 크기인 w가 커질수록 신호 세기가 커짐을 알 수 있다. 만약, 샘플의 두께 h가 파장인 λ(약 0.5um)와 거의 같다면, r=0일 때, I(r)은 최대값이 된다. 일반적으로, 6dB의 아날로그 신호대잡음비(SNR, Signal Noise Ratio)는 디지털화할 경우 1-bit로 변환되므로, 전파 거리 z는 영상 센서(130)의 6dB 신호대잡음비보다 I(r)의 최대값이 큰 조건을 만족하는 거리로 결정될 수 있다.
제어부(140)는 영상 센서(130)를 통해 획득된 샘플 이미지(도 3의 (b) 참조)를 이용하여 샘플의 항생제 감수성을 평가할 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는 샘플 유닛(120)에 항생제 디스크(D1)가 배치되는 초기의 제1 샘플 이미지 및 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 제공받고, 제1 샘플 이미지와 제2 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 위치에 따른 공간상관관계를 기초로 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다. 제어부(140)에서 공간상관관계를 이용하여 항생제 감수성을 평가하는 구체적인 내용은 후술하기로 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)의 측정 화면을 나타낸 예시도이고, 도 5 및 도 6은 제어부에서 샘플 이미지의 공간상관관계를 이용하여 항생제 감수성을 평가하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 4a를 참조하면, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 입출력 인터페이스, 예를 들면, 터치가 가능한 디스플레이 유닛(미도시)을 더 포함할 수 있다. 디스플레이 유닛(미도시)은 사용자로부터 샘플에 대한 정보를 획득하고, 측정 결과를 사용자에게 제공할 수 있다.
이때, 디스플레이 유닛(미도시)은 영상 센서(130)를 통해 촬영한 샘플 이미지를 화면에 표시할 수 있다. 다만, 샘플 이미지는 앞서 설명한 바와 같이, 샘플 유닛(120) 중 항생제 디스크(D1)를 포함하는 일정 영역만을 측정한 이미지일 수 있다. 다른 실시예로서, 디스플레이 유닛(미도시)은 샘플 유닛(120) 전체를 촬영한 샘플 유닛 이미지를 표시할 수 있다. 이를 위해, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 영상 센서(130) 외에 샘플 유닛(120) 전체 이미지를 촬영할 수 있는 카메라를 추가로 구비할 수 있다.
일 실시예로서, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 입출력 인터페이스를 통해, 샘플에 대한 정보, 샘플에 적용하는 항생제 디스크에 대한 정보를 입력 받을 수 있다. 또한 항생제 감수성 평가 장치(100)는 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보를 입력받을 수 있다. 예를 들면, 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보는 기 결정된 판독 기준(예를 들면, 미국: CLSI, 유럽: EUCAST)일 수 있다.
사용자가 항생제 감수성 평가 장치(100)에 샘플 및 항생제 디스크를 포함하는 샘플 유닛(120)을 준비하면, 항생제 평가 장치(100)는 샘플 유닛(120)의 초기의 제1 샘플 이미지를 획득할 수 있다. 항생제 평가 장치(100)는 초기의 제1 샘플 이미지를 한장으로 촬영할 수도 있으나, 시간에 따라 순차적으로 촬영하여 복수의 이미지를 획득할 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 획득할 수 있다. 여기서, 사전에 설정된 시간이란, 샘플이 항생제 감수성 평가 장치(100)를 통해 유의미한 결과를 도출할 수 있을 정도로 성장할 수 있는 시간으로서, 예를 들면, 약 4-6시간일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 사전에 설정된 시간은 샘플의 종류에 따라 달라질 수 있고, 개발에 따라 시간이 줄어들 수 있음은 물론이다. 다만, 상기한 사전에 설정된 시간은 종래의 디스크 확산법을 육안으로 확인하기 위한 시간(예를 들면, 약 16-24시간)보다 훨씬 단축된 시간으로, 본 발명에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)는 종래 기술들에 비해 빠른 시간 내에 항생제를 평가할 수 있다는 장점을 갖는다.
사전에 설정된 시간 이후 샘플은 도 4b에 도시된 바와 같이, 항생제 디스크(D1, D2)에 의해 억제대(RA1, RA2)가 형성될 수 있다. 억제대(RA1, RA2)는 샘플의 종류 및 항생제의 종류에 따라 그 크기가 다를 수 있다.
샘플 유닛(120)은 복수개의 항생제 디스크(D1, D2)가 적용될 수 있고, 항생제 감수성 평가 장치(100)는 각각의 항생제 디스크(D1, D2)에 따른 감수성을 평가하기 위해, 샘플 유닛(120)을 회전시키면서 각각의 제2 샘플 이미지를 촬영할 수 있다. 이러한 방식은 초기의 제1 샘플 이미지를 획득할 때에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제어부(140)는 영상 센서(130)로부터 샘플 유닛(120)에 항생제 디스크(D1, D2)가 배치되는 초기의 제1 샘플 이미지 및 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 제공받을 수 있다. 제어부(140)는 제1 샘플 이미지와 제2 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(Spatial correlation)를 획득하고, 위치에 따른 공간상관관계를 기초로 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
구체적으로, 콜로니가 성장하기 전에는 샘플 유닛(120)으로 입사되는 광은 확산시키는 매개체가 없어 그대로 출사하게 되나, 콜로니가 성장하게 되면 샘플 유닛(120)으로 입사되는 광은 콜로니들로 인해 산란(scattering)되어 간섭 패턴을 형성할 수 있다. 이때, 항생제 디스크(D1, D2)를 샘플에 적용하게 되면, 항생제에 의해 형성된 억제대(RA1, RA2)의 경계에서 간섭 패턴의 변화가 클 수 있다.
제어부(140)는 상기한 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득할 수 있다. 여기서, 하기의 식으로 주어지는 공간상관관계는 시간 t에 측정된 이미지 상에서, 임의의 픽셀과 그 픽셀로부터 거리 r만큼 떨어져 있는 픽셀이 얼마나 비슷한 밝기를 가지는지를 일정 범위의 숫자로 나타낼 수 있다(도 5의 b 참조).
일정 범위는 -1 내지 1의 범위일 수 있다. 즉, 공간상관관계는 임의의 픽셀과 다른 픽셀 사이의 상관관계가 어느 정도인지를 나타내는 것으로서, 1이면 양의 상관관계, -1이면 음의 상관관계, 0이면 관계성이 없는 것을 나타낸다. 구체적으로, 간섭 패턴이 형성되기 전에는 밝기가 고르게 출사되므로, 샘플 이미지의 공간상관관계는 1에 가까운 양의 상관관계를 나타내나, 간섭패턴이 형성되고 나면 0에 가까운 방향으로 상관관계의 값이 떨어질 수 있다.
영상 센서(130)에서 r'=(x,y) 위치에 있는 픽셀에서 시간 t 에 측정된 밝기를 I(r',t)로 정의하고, r 만큼 떨어진 픽셀의 밝기는 I(r'+r, t)로 정의할 수 있다. 이를 이용하여 공간상관관계를 정의하면 다음 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2021020209-appb-M000005
C0(t)는 수학식 7의 범위를 -1 내지 1로 맞추기 위해 사용되었다. 임의의 픽셀에서 시간 t에 측정된 밝기 I(r',t)와 거리 r만큼 떨어진 픽셀의 밝기 I(r'+r,t)가 동일하다면 공간상관관계는 1이 도출되고, 동일하지 않다면 1보다 작은 값을 갖게 된다.
일 실시예로서, 본 발명은 상기한 공간상관관계를 시간에 대한 함수로만 나타낼 수도 있다. 이를 위해, 제어부(140)는 임의의 픽셀로부터 같은 크기의 r 을 갖는 픽셀에 대해 공간상관관계의 평균을 하기의 수학식 6과 같이 구할 수 있다(도 5의 b 참조).
Figure PCTKR2021020209-appb-M000006
일 실시예로서, 제어부(140)는 사전에 설정된 거리를 상기 수학식 6에 대입하여 시간에 대한 함수로 나타낼 수 있으며, 이 함수를 이용하여 간섭 패턴이 형성되는 정도를 일정 범위인 0 내지 1 사이의 값으로 확인할 수 있다.
제어부(140)는 시간에 따른 샘플 이미지의 패턴 변화를 통해 샘플 이미지 내 억제대(RA1, RA2)를 구분할 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는 시간에 따른 샘플 이미지의 패턴 변화를 통해 억제대(RA1, RA2)의 가장자리 영역을 구분할 수 있다.
공간상관관계는 하나의 이미지를 이용해 중첩된 2개의 동일한 이미지를 생성하고, 둘 중 하나의 이미지를 일방향으로 사전에 설정된 거리만큼 시프트(shift)시킨 후 시프트된 이미지와 시프트되지 않은 이미지 사이에서 인접한 두 픽셀이 얼마나 유사한가를 분석하는 것에 의해 획득될 수 있다. 여기서, 공간상관관계는 이미지가 얼마나 균일한지를 나타내는 척도가 되는데, 만약, 콜로니로 인해 간섭 패턴이 형성되는 경우, 자잘한 간섭 패턴으로 인해 인접한 두 픽셀들의 유사도가 떨어지므로 공간상관관계의 값 또한 떨어지게 된다.
이러한 공간상관관계 계수(spatial correlation coefficient)는 시프트되는 거리(r)에 따라 달라지게 되는데, 일정 거리범위 내에서는 시프트시키는 거리인 r이 증가할수록 그 값이 떨어지고, 일정 거리범위를 초과하는 경우에는 거의 일정한 값을 갖게 된다. 따라서, 좀 더 유의미한 공간상관관계를 획득하기 위해서, 제어부(140)는 사전에 설정된 일정 거리 이상으로 이미지를 시프트시켜 공간상관관계를 획득할 수 있다. 이때, 사전에 설정된 일정 거리 r은 스펙클 사이즈에 의존하게 되며, 제어부(140)는 픽셀 단위로 나타낼 때 스펙클 사이즈보다 큰 픽셀만큼 이미지를 시프트시켜 공간상관관계를 획득할 수 있다. 예를 들면, 상기 사전에 설정된 일정 거리는 최소 3픽셀 이상의 거리일 수 있다.
시간에 따라 성장하는 미생물이 샘플인 경우, 시간이 증가할수록 미생물의 농도가 많아지므로 같은 거리(r)로 시프트하더라도, 공간상관관계 계수의 변화는 더 커질 수 있다. 따라서, 공간상관관계 계수를 분석하는 본 발명에 따른 항생제 감수성 평가 장치(100)는 미생물이 육안으로 콜로니를 형성하는 배양 시간까지 기다릴 필요없이 빠르게 항생제 감수성을 평가할 수 있게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제어부(140)는 상기한 방법으로 거리에 따른 공간상관관계 계수를 도출하고, 도출된 공간상관관계 계수를 이용하여 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 있다. 일 실시예로서, 제어부(140)는 사전에 설정된 임계값(v1)에 대응되는 지점까지의 거리(R1)를 이용하여 해당 항생제 디스크(D1, D2)의 억제대(RA1, RA2)의 지름을 계산하고, 계산된 억제대(RA1, RA2)의 지름을 이용하여 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
임계값(v1)은 사전에 설정된 값으로서, 공간상관관계의 계수가 급격히 변화하는 지점을 억제대(RA1, RA2)의 가장자리 영역으로 판단하기 위한 기준값일 수 있다. 임계값(v1)은 항생제의 종류 또는 샘플의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 시간에 따라 다른 값을 가질 수도 있다.
이때, 제어부(140)는 항생제 디스크(D1, D2)에 대한 정보, 샘플에 대한 정보 및 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보를 이용하여 계산된 억제대(RA1, RA2)의 지름을 보정할 수 있다. 다시 말해, 미리 알고 있는 샘플에 특정 항생제를 적용하는 경우, 이때 억제대의 크기는 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보와 동일하거나 유사한 결과를 나타내야 한다. 그러나, 상기한 기준 정보를 적용하는 경우, 육안으로 판단할 때의 기준 정보인 경우가 많기 때문에, 억제대의 크기는 실제 측정하는 결과와 다소 차이가 날 수 있다.
제어부(140)는 억제대(RA1, RA2)의 지름이 기준 정보와 다른 경우, 기준 정보를 기준으로 억제대(RA1, RA2)의 지름을 보정할 수 있다. 제어부(140)는 상기한 기준 정보를 별도로 입력받아 저장할 수 있다.
다른 실시예로서, 제어부(140)는 항생제 디스크(D1, D2)에 대한 정보 및 샘플에 대한 정보를 기반으로 억제대의 크기를 분류하는 기준 정보를 학습할 수 있다. 제어부(140)는 항생제 디스크(D1, D2)에 대한 정보 및 샘플에 대한 정보를 신경망 모델에 적용하여, 억제대(RA1, RA2)의 크기를 분류하는 기준 정보를 학습하고, 기준 정보에 따라 억제대(RA1, RA2)의 크기를 자동적으로 보정할 수 있다.
신경망 모델은 심층 신경망(Deep Neural Networks, DNN), 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Networks, CNN), 순환 신경망(Reccurent Neural Network, RNN) 및 심층 신뢰 신경 망(Deep Belief Networks, DBN) 중 어느 하나를 이용하여 학습될 수 있다.
제어부(140)는 학습된 기준 정보를 이용하여 억제대(RA1, RA2)의 크기를 도출하고, 도출된 억제대(RA1, RA2) 데이터를 이용하여 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
제어부(140)는 프로세서(processor)로서, 기본적인 산술, 로직 및 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리 또는 통신부에 의해 제어부(140)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 메모리와 같은 기록 장치에 저장된 프로그램 코드에 따라 수신되는 명령을 실행하도록 구성될 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.
이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(Microprocessor), 중앙처리장치(Central Processing Unit: CPU), 프로세서 코어(Processor Core), 멀티프로세서(Multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 항생제 감수성 평가 장치는 콜로니가 충분히 생성되기 위한 충분한 배양 시간까지 기다릴 필요 없이, 빠른 시간 내에 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 항생제 감수성 평가 장치를 제공한다. 또한, 산업상 이용하는 미생물 검출 장치 등에 본 발명의 실시예들을 적용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 샘플 및 상기 샘플 상에 배치되는 하나 이상의 항생제 디스크를 수용하는 샘플 유닛;
    상기 샘플 유닛을 향하여 간섭성을 갖는 광을 조사하는 광원;
    상기 샘플 유닛을 투과하는 투과광을 감지하여 샘플 이미지를 획득하는 영상 센서; 및
    상기 샘플 유닛에 상기 항생제 디스크가 배치되는 초기의 제1 샘플 이미지 및 사전에 설정된 시간 이후의 제2 샘플 이미지를 제공받고, 상기 제1 샘플 이미지와 상기 제2 샘플 이미지의 간섭 패턴의 공간상관관계(spatial correlation)를 획득하고, 위치에 따른 상기 공간상관관계를 기초로 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가하는 제어부;를 포함하는, 항생제 감수성 평가 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 샘플 유닛을 회전축을 기준으로 회전시키는 구동 유닛;을 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 항생제 디스크는 상기 회전축을 중심으로 방사형으로 배치되는, 항생제 감수성 평가 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 영상 센서는 상기 샘플 유닛이 상기 구동 유닛에 의해 회전하는 동안, 상기 항생제 디스크를 포함하는 일정 영역의 샘플 이미지를 획득하는, 항생제 감수성 평가 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 조사되는 광의 중심은 상기 회전축으로부터 이격된 위치에 배치되는, 항생제 감수성 평가 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공간상관관계의 결과값이 사전에 설정된 임계값에 대응되는 지점까지의 거리를 이용하여 해당 항생제 디스크의 억제대의 지름을 계산하고, 상기 계산된 억제대의 지름을 이용하여 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가하는, 항생제 감수성 평가 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제어부는 항생제 디스크에 대한 정보, 샘플에 대한 정보 및 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보를 저장하고, 상기 항생제 디스크에 대한 정보, 샘플에 대한 정보 및 항생제 감수성 평가를 위한 기준 정보를 이용하여 상기 계산된 억제대의 지름을 보정하고, 상기 보정된 억제대의 지름을 이용하여 상기 샘플의 항생제에 대한 감수성을 평가하는, 항생제 감수성 평가 장치.
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