WO2023079542A2

WO2023079542A2 - 동물실험용 물질 자동 주입 시스템

Info

Publication number: WO2023079542A2
Application number: PCT/IB2022/062443
Authority: WO
Inventors: 박성걸; 박소라; 임선화
Original assignee: (주)플라스바이오
Priority date: 2021-11-08
Filing date: 2022-12-19
Publication date: 2023-05-11
Also published as: WO2023079542A3; KR102410632B1

Abstract

본 발명은 동물실험용 물질 자동 주입 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물을 고정하는 보정기; 상기 보정기에 부착되고, 실험동물의 주입 영역을 중심으로 직교 방향으로 배치되어 상기 실험동물의 주입 영역 이미지를 생성하기 위한 복수의 적외선 카메라; 상기 이미지를 이용하여 실험동물의 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 산출하는 엣지 컴퓨팅 모듈; 센서가 부착된 주입 장치 및 상기 주입 장치를 수직 또는 수평으로 이동시킬 수 있는 인젝터; 상기 인젝터가 말단에 부착되어 있는 로봇암; 상기 엣지 컴퓨팅 모듈로부터 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 수신하여, 상기 주입 지점으로 인젝터를 이동시키고 상기 주입 장치가 실험동물에 삽입되도록 상기 인젝터를 제어하는 제어부를 포함하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템에 관한 것이다.

Description

동물실험용 물질 자동 주입 시스템

최근 생명과학 및 의과학 분야 연구 활성화에 따라 동물 실험의 역할과 그 중요성이 매우 증대되고 있으며, 바이오 헬스 분야의 발전과 더불어, 핵심 연구기반인 실험동물 연구자원과 인프라의 중요성이 부각되고, 이에 따라 연구소, 병원, 기업 등에서는 동물 실험을 위한 다양한 실험 시설들이 개발되고 있다.

그러나 신약과 바이오 마커 등을 개발한 경우 이를 테스트하기 위한 임상실험용 소동물을 대상으로 하는 자동 투여 장치의 개발은 미흡한 현실이다.

최근 코로나19(COVID-19) 팬데믹 발생으로 신약개발 증가로 동물 실험의 수요도 전세계적으로 급증하였다.

연구 사업에 참여 가능한 전문인력 양성시 최소 12개월이 이상 소요되는 것으로 볼 때, 비임상 분야 전문인력 부족사태가 우려될 수도 있다. 이에 따라 전문인력을 대신하면서 지속적인 수요급증에도 대응할 수 있는 자동화 실험실 필요성 증대되고 있다.

또한 최근 개발되고 있는 신약의 경우 소량의 투여량으로 그 효과를 발휘하기 때문에, 임상 실험 과정에서 소량으로 약물을 투여할 수 있는 제어 시스템이 필요한 상황이다.

본 발명의 목적은 실험자의 편의와 실험의 정확도를 향상시킬 수 있는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물을 고정하는 보정기; 상기 보정기에 부착되고, 실험동물의 주입 영역을 중심으로 직교 방향으로 배치되어 상기 실험동물의 주입 영역 이미지를 생성하기 위한 복수의 적외선 카메라; 상기 이미지를 이용하여 실험동물의 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 산출하는 엣지 컴퓨팅 모듈; 센서가 부착된 주입 장치 및 상기 주입 장치를 수직 또는 수평으로 이동시킬 수 있는 인젝터; 상기 인젝터가 말단에 부착되어 있는 로봇암; 상기 엣지 컴퓨팅 모듈로부터 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 수신하여, 상기 주입 지점으로 인젝터를 이동시키고 상기 주입 장치가 실험동물에 삽입되도록 상기 인젝터를 제어하는 제어부를 포함하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템을 제공한다.

상기 물질은 실험자가 동물실험을 위하여 실험동물에 주입하는 물질로 예를 들어 약물, 세포, 조직 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 동물실험용 물질 자동 주입 시스템은 상기 물질을 주입하고자 하는 실험동물의 주입 영역 이미지 및 상기 이미지의 해당 좌표를 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 이미지를 이용하여 실험동물의 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 산출하는 엣지 컴퓨팅 모듈은 명암비를 이용하여 주입 영역과 비주입 영역을 구분하고, 이를 선으로 표시하고, 표시된 선의 경사에 따라 선을 결합하여 실험동물의 주입 위치 정보를 생성할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 엣지 컴퓨팅 모듈은 1) 적외선 카메라로부터 수집된 이미지의 명암비를 조절하여 주입 영역과 비주입 영역을 구별하는 단계; 2) 호프 변환을 통하여, 주입 영역과 비주입 영역 사이의 명암을 이용하여 선으로 표시하는 단계;및 3) 라인 세그먼트를 통하여, 선의 경사에 따라 선을 결합하여 주입 영역을 표시하는 단계로 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 산출할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 실시예에서, 상기 주입 영역은 혈관이고, 비주입 영역은 혈관 주변의 조직일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 센서가 부착된 주입 장치는 센서 니들일 수 있으며, 상기 센서는 양전극부와 음전극부를 포함하고, 양전극부와 음전극부는 서로 대향하여 상기 니들의 외주면 상에 형성될 수 있다. 상기 주입 장치는 주사기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

상기 주입 장치의 센서는 생체조직의 임피던스를 측정하여 해당 생체조직을 구분할 수 있다.

상기 제어부는 인젝터 제어 모듈, 로봇암 제어 모듈, 이미지 저장 모듈 및 생체조직 판단 모듈을 포함하고, 상기 제어부는 1) 로봇암 제어 모듈을 통하여, 주입 지점의 영역과 주입 장치를 평행하게 위치시키는 단계; 2) 로봇암 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치의 단부를 기준으로 4 ~ 9°의 기울기로 상기 주입 장치를 기울이는 단계; 3) 인젝터 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치의 단부를 실험동물의 피부에 주입시키는 단계; 4) 로봇암 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치의 단부를 기준으로 -1 ~ -3°의 기울기로 상기 주입 장치를 기울이는 단계; 5) 인젝터 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치를 주입 영역과 평행하게 이동시켜 상기 주입 장치를 주입 영역에 삽입하는 단계; 6) 인젝터 제어 모듈을 통하여, 주입 물질을 미리 정해진 양으로 투여하는 단계로 물질 투여를 제어할 수 있다.

상기 단계 3) 및 5) 단계에서 생체조직 판단 모듈을 통하여, 주입 장치의 위치를 파악하는 단계를 더 포함할 수 있다.

단계 6)의 투여가 완료된 후, 인젝터 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치를 삽입 방향과 반대 방향으로 이동시켜 실험동물로부터 상기 주입 장치를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.

상기 보정기는 실험동물이 놓여지는 베이스, 상기 베이스 중앙 상부에 위치하는 중공의 마취구, 상기 마취구를 베이스에 고정시키기 위한 마취구 고정부 실험동물 머리 받침대 및 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 꼬리 거치부를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 인젝터는 주입 장치의 플런저를 이동시키기 위한 제1모터, 상기 주입 장치의 배럴을 이동시키기 위한 제2모터, 상기 제1모터의 구동축, 제2모터의 구동축, 상기 구동축 중 어느 하나와 결합된 플런저 지지부, 상기 구동축 중 다른 하나와 결합된 배럴 지지부, 상기 지지부를 동축으로 고정하기 위한 복수의 로드, 상기 로드를 인젝터 프레임에 고정하기 위한 고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 로봇암은 다관절 방식으로, 상기 실험동물의 주입 위치 및 주입 지점으로 상기 인젝터를 이송시킬 수 있다.

본 발명은 임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물의 주입 영역의 위치를 정확하게 인식하고, 로봇암을 이용하여 원하는 위치에 주입 장치를 주입하고, 주입하고자 하는 물질을 소량으로 정확하게 제어할 수 있는 장점을 가지며, 실험동물을 고정한 이후에는 물질 주입까지 자동화가 가능하여 실험자의 편의와 실험의 정확도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 구성도를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 예시도를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 마취구, 상기 마취구를 베이스에 고정시키기 위한 마취구 고정부 및 실험동물 머리 받침대를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 꼬리 거치부를 확대한 도면이다.

도 5a-d는 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 인젝터를 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 니들 센서를 도시한 도면이다.

도 7은 동물실험용 물질 자동 주입 시스템을 구현하기 위한 전제 흐름도이다.

본 발명의 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 예시도이다.

상기 동물실험용 물질 자동 주입 시스템은 보정기(10), 적외선 카메라(20), 제어부(30), 인젝터(40) 및 로봇암(50)을 포함할 수 있다.

또한, 상기 동물실험용 물질 자동 주입 시스템은 감지된 주입 영역을 표시하고, 주입 과정을 확인할 수 있는 디스플레이(60)를 더 포함할 수 있다.

상기 보정기(10)는 임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물을 고정할 수 있는 장치로, 상기 보정기(10)는 실험동물이 놓여지는 베이스(11), 상기 베이스(11) 중앙 상부에 위치하는 중공의 마취구(12), 상기 마취구(12)를 베이스(11)에 고정시키기 위한 마취구 고정부(13), 실험동물 머리 받침대(14) 및 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 꼬리 거치부(15)를 포함할 수 있으며, 상기 보정기(10)의 일측면에 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 꼬리 고정부(16)를 포함할 수 있다.

상기 적외선 카메라(20)는 카메라 고정부(21)를 통하여 상기 보정기에 부착되고, 실험동물의 꼬리를 중심으로 직교 방향으로 상부에 배치되어 상기 실험동물의 혈관 이미지를 생성할 수 있다. 상기 적외선 카메라(20)는 실험동물의 꼬리를 촬영하고, 상기 실험동물의 꼬리의 혈관과 관련된 원본이미지를 획득할 수 있다. 상기 제어부(30)는 엣지 컴퓨팅 모듈(31), 인젝터 제어 모듈(32), 로봇암 제어 모듈(33) 및 이미지 저장 모듈(34)을 포함할 수 있다.

상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 상기 적외선 카메라(20)로부터 획득된 이미지를 이용하여 실험동물의 혈관 위치 및 주입 물질의 주입 지점에 관한 정보를 산출할 수 있다.

상기 제어부(30)의 인젝터 제어 모듈(32) 및 로봇암 제어 모듈(33)은 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)로부터 생성된 혈관 위치 및 투여 지점에 관한 정보를 이용하여, 상기 투여 지점으로 로봇암을 이동시키고 상기 주입 장치가 실험동물에 삽입되도록 상기 인젝터를 제어할 수 있다.

상기 인젝터(40)에는 센서가 부착된 주입 장치 및 상기 주입 장치를 수직 또는 수평으로 이동시킬 수 있으며, 상기 인젝터(40)는 로봇암(50)의 말단에 고정될 수 있다.

상기 로봇암(50)은 다관절 방식으로 제작되어 설정된 방향과 위치로 상기 인젝터(40)를 이동시킬 수 있다.

보정기(10)

상기 보정기(10)는 임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물을 고정할 수 있는 장치로, 상기 보정기(10)는 실험동물이 놓여지는 베이스(11), 상기 베이스(11) 중앙 상부에 위치하는 중공의 마취구(12), 상기 마취구(12)를 베이스(11)에 고정시키기 위한 마취구 고정부(13) 실험동물 머리 받침대(14) 및 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 꼬리 거치부(15)를 포함할 수 있다.

상기 베이스(11)는 임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물이 놓여지는 곳으로, 상기 베이스(11)에 놓인 실험동물을 구속하기 위하여 상기 베이스(11)와 결합되는 실험동물 고정부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 실험동물 고정부는 자켓 및 보아시스템를 포함할 수 있다. 상기 자켓은 실험동물의 몸체를 감싸는 역할을 하고, 상기 보아시스템은 실험동물을 상기 베이스(11)에 구속시킬 수 있다. 여기서 보아시스템은 고정다이얼 및 끈을 활용하여 고정다이얼의 회전에 따라 끈이 조여지는 신발 등에 주로 활용되는 체결형태이다. 상기 베이스(11)에는 상기 보아시스템의 끈이 결합될 수 있는 적어도 4개의 체결부가 형성될 수 있다. 상기 자켓 및 보아시스템에 대한 구체적인 설명은 본 발명자의 이전 출원인 대한민국 등록특허 제10-2038991호에 설명되어 있으며, 구체적인 도면 및 설명은 이를 참고한다.

상기 마취구(12), 상기 마취구(12)를 베이스(11)에 고정시키기 위한 마취구 고정부(13) 및 실험동물 머리 받침대(14)는 도 3을 참고하여 설명한다.

도 3A는 상기 마취구(12)를 도시하고, 도 3B는 상기 마취구(12)를 베이스(11)에 고정시키기 위한 마취구 고정부(13)를 도시한다.

상기 마취구(12)는 중공의 원통 형상일 수 있으며, 상기 마취구(12)의 일단부는 실험동물의 안면에 가까이 위치하고, 상기 마취구(12)의 타단부는 마취 가스가 공급될 수 있는 호스(미도시)와 연결될 수 있다. 따라서 상기 마취 가스 호스로부터 공급되는 마취 가스에 의하여 상기 실험동물은 마취 상태를 유지할 수 있다.

도 3A를 참고하면, 상기 마취구(12)는 복수의 마취 가스 유입구(12a, 12a')를 포함할 수 있으며, 상기 마취 가스 유입구(12a, 12a')에는 서로 다른 종류의 마취 가스를 공급하는 마취 가스 호스(미도시)와 연결될 수 있다. 상기 복수의 마취 가스 유입구(12a, 12a')로 유입된 서로 다른 마취 가스는 안내관(74)에서 서로 혼합되어 마취 가스 배출구(12c)로 배출될 수 있다.

도 3B는 마취구 고정부(13)를 도시한다. 상기 마취구 고정부(13)는 상기 베이스(11)에 결합될 수 있는 베이스 결합부(13a) 및 상기 베이스 결합부에 수직으로 고정되고 상기 마취구를 고정할 수 있는 마취구 결합부(13b)를 포함할 수 있다.

상기 마취구 결합부(13b)는 상기 마취구(12)가 고정되는 부위로 만곡된 후크 형상이나 중공의 원통 형상으로 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이 경우 상기 마취구 결합부(13b)는 내부 면에 마취구(12)와 결합할 수 있는 복수의 결합홈(13c)을 포함할 수 있으며, 마취구(12)의 외부면에는 상기 결합홈에 대응하는 결합돌출부를 포함할 수 있다.

상기 마취구 고정부(13a)는 상기 베이스(11)에 결합되고, 상기 마취구(12)는 상기 마취구 결합부(13b)에 끼워져서 고정될 수 있다. 상기 마취구 고정부(13a)의 일 측면에는 상기 베이스(11)와 결합하기 위한 결합돌출부를 포함할 수 있으며, 상기 베이스(11)에는 상기 마취구 고정부(13a)의 결합 돌출부와 대응하는 부위에 결합홈을 포함할 수 있다. 상기 결합돌출부 및 결합홈의 위치, 형상 및 크기는 특별히 정해진 것은 아니며, 결합 강도, 제조 공정 등을 고려하여 다양하게 적용될 수 있다.

도 3C는 마취된 실험동물의 머리를 거치할 수 있는 실험동물 머리 받침대(14)를 도시한다.

상기 머리 받침대(14)는 포물면 형상 또는 면의 일부가 개방되어 있는 스쿱 형상을 갖는다. 상기 스쿱 형상의 경우 실험동물의 머리를 완전하게 덮는 포물면 형상보다 실험동물의 머리 위치를 정확하게 파악할 수 있어, 실험동물의 마취 상태를 유지하는데 도움을 줄 수 있다.

도 3C는 머리 받침대(14)가 상기 마취구(12')에 일체형으로 결합된 형상을 도시하며, 복수의 가스 주입이 필요한 경우 상기 마취구(12')는 도 3A의 마취 가스 배출구(12c)에 결합될 수 있다. 상기 머리 받침대(14) 및 마취구(12')는 분리형으로 형성될 수 있고, 또는 일체형으로 형성될 수 있다. 상기 마취구(12)와의 결합을 위하여 상기 마취구(12')는 복수의 결합돌출부(14a, 14a')를 포함할 수 있으며, 그 중 하나는 상기 마취구 고정부(13c)의 결합홈에 결합되고, 나머지 하나는 마취 가스 배출구(12c)에 형성되어 있는 결합홈에 결합될 수 있다.

도 4는 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 꼬리 거치부(15)를 도시한다. 상기 꼬리 거치부(15)는 상기 베이스(11)에 실험동물이 놓였을 때 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 홈이 형성되어 있다. 상기 꼬리 거치부(15)는 실험동물의 꼬리의 중간 부분을 고정하며, 상기 베이스(11)도 상기 꼬리 거치부(15)로부터 연장된 홈을 포함하고, 상기 베이스(11)의 홈에는 실험동물 꼬리의 상부를 고정한다.

상기 꼬리 거치부(15)에 고정되지 않은 실험동물 꼬리의 하부는 상기 보정기(10)의 일측면에서 아래 수직으로 늘어지게 되고, 상기 실험동물 꼬리의 하부는 상기 보정기(10)의 일측면에서 꼬리 고정부(16)에 의하여 고정된다.

상기 꼬리 고정부(16)는 바형상으로 형성되고, 상기 꼬리 고정부 양 단은 각각 지지봉(16a)에 의하여 상기 보정기(10)의 일측면에 고정되며, 상기 지지봉(16a)에는 상기 꼬리 고정부(16)에 탄성력을 제공하는 스프링(16b)을 구비할 수 있다. 상기 지지봉(16a) 및 스프링(16b)에 의하여 상기 꼬리 고정부(16)는 상기 보정기(10)에 밀착된 상태를 유지한다. 상기 실험동물 꼬리의 하부는 상기 꼬리 고정부(16)를 살짝 당겨서 이격시킨 상태에서 상기 지지봉 사이에 위치시킨 후 손을 놓으면 일정한 압력으로 실험동물 꼬리의 하부를 상기 보정기(10)에 밀착시킬 수 있다.

적외선 카메라(20)

적외선 카메라(20)는 상기 보정기에 부착되고, 실험동물의 꼬리를 중심으로 직교 방향으로 상부에 배치되어 상기 실험동물의 혈관 이미지를 생성할 수 있다. 상기 적외선 카레마(20)는 상기 보정기 일측면에 고정된 카메라 고정부(21)에 결합되어 배치될 수 있다. 상기 카메라 고정부(21)는 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 다만 실험동물의 꼬리에 바늘이 도달할 수 있도록 중앙에 개구부를 포함하여야 한다.

상기 적외선 카메라(20)는 구체적으로 상기 꼬리 거치부(15)의 상부에 위치하여 꼬리 거치부(15)에 거치되어 있는 실험동물의 꼬리를 촬영한다.

상기 적외선 카메라(20)는 적외선을 방출하여 실험동물의 꼬리를 촬영하고, 상기 실험동물의 꼬리의 혈관과 관련된 일련의 적외선 원본이미지를 획득하여 제공한다.

상기 적외선은 적외선 카메라에 의하여 별도로 장착된 적외선 조사기(22), 예를 들어 적외선 LED를 통하여 방출될 수 있다. 상기 적외선 조사기(22)는 카메라 고정부(21)에 장착될 수 있고, 바람직하게는 적외선 카메라(20) 양 측면에 부착될 수 있다. 상기 적외선 조사기(22)는 실험동물의 꼬리를 향하여 적외선을 조사하고, 상기 꼬리로부터 반사되는 적외선을 상기 적외선 카메라(20)가 흡수하여 혈관과 조직의 명암비를 통하여 혈관을 식별하도록 한다.

제어부(30)

상기 제어부(30)는 엣지 컴퓨팅 모듈(31), 인젝터 제어 모듈(32), 로봇암 제어 모듈(33) 및 이미지 저장 모듈(34)을 포함할 수 있다.

상기 적외선 카메라(20)로부터 획득된 적외선 이미지는 상기 제어부(30)로 전송되고, 상기 이미지 저장 모듈(34)에 저장될 수 있다.

상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 상기 적외선 카메라(20)로부터 획득된 적외선 이미지를 이용하여 실험동물의 혈관 위치 및 주입 물질의 주입 지점에 관한 정보를 산출할 수 있다.

상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 1) 적외선 카메라로부터 수집된 이미지의 명암비를 조절하여 조직과 혈관을 구별하는 단계(by sobel), 2) 호프 변환을 통하여, 조직과 혈관 사이의 명암을 이용하여 혈관을 선으로 표시하는 단계 및 3) line segments를 통하여, 선의 경사에 따라 선을 결합하여 혈관을 표시하는 단계를 통하여 실험동물의 꼬리에서 혈관을 인식할 수 있다.

상기 적외선 이미지에서 실험동물의 혈관을 인식하기 위하여 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 상기 이미지의 명암비를 통하여 조직과 혈관을 구별한다. 조직과 혈관을 구별하기 위하여 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 상기 획득된 이미지 내의 대상체의 윤곽선(contour) 정보, 경사도(gradient) 정보, 영상 내의 픽셀에 대한 강도(intencity) 정보 및 영상 내의 어두운 영역에서 밝은 영역까지의 픽셀 분포를 나타내는 히스토그램(histogram) 정보를 획득할 수 있다. 윤곽선 정보는 영상 처리 필터에 기초하여 획득될 수 있으며, 상기 영상 처리 필터는 가바 필터, 소벨 필터 및 로버츠 필터 중 적어도 하나에 해당될 수 있고, 이에 한정되지 않는다. 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31) 상기 획득된 정보를 통하여 조직과 혈관을 구별한다.

다음 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 호프 변환을 통하여, 조직과 혈관 사이의 명암을 이용하여 혈관을 선으로 표시한다. 즉 소벨 필터를 이용하여 수평과 수직 에지 성분이 큰 화소들의 집합을 얻은 후, 수직 에지 성분이 큰 화소 집합에서 호프 변환을 이용하여 최우세 수직 라인을 검출한다.

다음 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 라인 세그먼트(line segments)를 통하여, 선의 경사에 따라 선을 결합하여 혈관을 표시할 수 있다.

상기 방법에 의하여 혈관이 감지되면 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 혈관의 정중앙을 표시하여 주입 물질의 주입 지점을 산출할 수 있다.

상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 상기 방법에 의하여 감지된 혈관을 상기 디스플레이(60)에 표시하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 엣지 컴퓨팅 모듈(31)로부터 생성된 혈관 위치 정보와 관련되는 이미지는 상기 이미지 저장 모듈(34)에 저장될 수 있다.

인젝터(40)

도 5는 본 발명의 인젝터(40)를 도시한다. 상기 인젝터(40)에는 센서가 부착된 주입 장치가 장착될 수 있고, 상기 인젝터(40)는 상기 장착된 주입 장치를 수직 또는 수평으로 이동시킬 수 있으며, 상기 인젝터(40)는 로봇암(50)의 말단에 고정될 수 있다.

상기 인젝터(40)는 상기 주입 장치의 플런저를 이동시키기 위한 제1모터(41a), 상기 주입 장치의 배럴을 이동시키기 위한 제2모터(41b), 상기 제1모터의 구동축(42a), 제2모터의 구동축(42b), 상기 구동축 중 어느 하나와 결합된 플런저 지지부(43), 상기 구동축 중 다른 하나와 결합된 배럴 지지부(44), 상기 지지부(43, 44)를 동축으로 고정하기 위한 복수의 로드(45a, 45b), 상기 로드를 가로 프레임(47)에 고정하기 위한 고정부(46, 46')를 포함한다. 상기 인젝터(40)는 상기 구성요소를 고정하기 위한 가로 프레임(47)을 포함한다.

상기 모터(41a, 41b), 구동축(42a, 42b), 지지부 (43, 44) 및 복수의 로드(45a, 45b)는 상기 가로 프레임(47)에 고정된다. 또한 상기 주입 장치의 니들이 아래쪽으로 소정의 각도로 기울어지도록, 상기 구동축 및 로드는 소정의 각도로 기울어져서 상기 가로 프레임(47)에 고정된다. 상기 각도는 15 ~ 30도일 수 있으나, 20도인 것이 바람직하다.

상기 구동축(42a, 42b) 및 복수의 로드(45a, 45b)는 평행하게 배치되는 것이 바람직하고, 상기 구동축(42a, 42b) 및 지지부(43, 44)는 나사 결합되는 것이 바람직하다.

따라서 상기 제1모터(41a)의 정회전을 통하여 상기 구동축(42a)이 정방향으로 회전하는 경우, 상기 구동축(42a)에 나사 결합되어 있는 어느 하나의 지지부는 전방으로 이동할 수 있고, 상기 제1모터(41a)의 역회전을 통하여 상기 구동축(42a)이 역방향으로 회전하는 경우, 상기 구동축(42a)에 나사 결합되어 있는 어느 하나의 지지부는 후방으로 이동할 수 있다.

또한, 상기 제2모터(41b)의 정회전을 통하여 상기 구동축(42b)이 정방향으로 회전하는 경우, 상기 구동축(42b)에 나사 결합되어 있는 다른 하나의 지지부는 전방으로 이동할 수 있고, 상기 제2모터(41b)의 역회전을 통하여 상기 구동축(42b)이 역방향으로 회전하는 경우, 상기 구동축(42b)에 나사 결합되어 있는 어느 하나의 지지부는 후방으로 이동할 수 있다.

상기 복수의 로드(45a, 45b)는 서로 평행하게 배치되고, 또한 상기 복수의 로드는 상기 구동축(42a, 42b)과 평행하게 배치되고, 상기 복수의 로드는 지지부(43, 44) 및 고정부(46, 46')와 함께 결합되어 상기 지지부(43, 44)를 동축에 배열한다.

상기 모터(41)에 의하여 구동축(42)이 회전하는 경우, 상기 지지부(43, 44)는 로드를 따라서 전방 또는 후방으로 이동할 수 있다.

상기 고정부(46, 46')는 인젝터 프레임(47)에 상기 복수의 로드를 고정하기 위한 것으로 하나 이상 배치될 수 있으며, 상기 고정부(46, 46')는 모터에 의하여 구동축이 회전하는 경우에도 이동하지 않고 상기 인젠터 프레임(47)에 고정되어 있다.

상기 주입 장치는 상기 지지부(43, 44) 및 고정부(46, 46') 상이 설치할 수 있다. 상기 주입 장치는 주사기인 것이 바람직하다. 상기 지지부(43, 44) 및 고정부(46, 46') 상에는 상기 주입 장치가 설치될 수 있는 소정의 크기의 홈을 더 포함한다.

상기 주입 장치가 주사기인 경우, 상기 플런저 지지부(43)에는 주사기의 플런저가 위치할 수 있고, 상기 플런저 지지부(43)에는 상기 주사기의 플런저가 위치할 수 있는 T-형상의 홈을 포함할 수 있다.

상기 주입 장치가 주사기인 경우, 상기 배럴 지지부(44)에는 주사기의 배럴, 바람직하게는 핑거 그립부가 위치할 수 있고, 상기 배럴 지지부(44)에는 상기 주사기의 핑거 그립부가 위치할 수 있도록 십자(+)-형상의 홈을 포함할 수 있다.

상기 플런저 지지부(43) 및 배럴 지지부(44)는 상기 모터의 회전에 따라서 동시에 이동할 수 있고, 상기 배럴 지지부(44)는 고정된 상태에서 상기 플런저 지지부(43)만 이동할 수 있다.

따라서 상기 제1모터(41a)의 구동축(42a)에 플런저 지지부(43)가 나사 결합되어 있다고 가정한다면, 상기 제2모터(41b)의 구동축(42b)에는 상기 배럴 지지부(44)가 나사 결합된다.

따라서 상기 인젝터 제어 모듈(32)은 투여 위치에서 제1모터 및 제2모터를 회전시켜 주입 장치를 동시에 전방으로 이동시켜 정확한 위치에 주입 장치의 니들을 실험동물의 꼬리에 인젝션한다. 원하는 위치에 인젝션이 완료되는 경우 상기 인젝터 제어 모듈(32)은 상기 제1모터(41a)만 회전시켜서 주입 장치의 플런저를 전방으로 이동시킨다. 이 경우 제2모터는 회전하지 않으므로 상기 배럴 지지부(44)는 고정되어 있고, 플런저의 전방 이동에 의하여 상기 배럴 내에 저장되어 있는 약물이 가압되고, 소정의 약물이 실험동물 내로 인젝션될 수 있다.

약물이 인젝션된 이후에는 다시 제1모터 및 제2모터를 동시에 역방향으로 회전시켜 상기 플런저 지지부(43) 및 배럴 지지부(44)를 후방으로 이동시켜 주입 장치를 실험동물로부터 제거할 수 있다.

상기 인젝터(40)는 상기 주입 장치를 상하로 이동시키기 위한 제3모터(41c) 및 제3모터(41c)의 구동축(42c)을 더 포함할 수 있다. 상기 인젝터(40)는 상기 구성요소를 고정하기 위한 세로 프레임(48)을 포함한다.

상기 인젝터(40)의 세로 프레임(48)은 가로 프레임(47)의 전단에 수직으로 결합되고, 상기 구동축(42c)은 지지부(49)를 통하여 상기 세로 프레임(48)에 고정되고, 상기 구동축(42c) 및 상기 지지부(49)는 나사 결합되는 것이 바람직하다.

상기 제3모터(41c)는 로봇암 결합부(51)에 고정되어 있다. 상기 로봇암 결합부(51)는 상기 인젝터(40)를 로봇암(50)의 말단에 결합시키기 위한 어댑터로, 복수의 결합 수단을 포함할 수 있다.

상기 로봇암 결합부(51)는 상기 제2모터(41c)를 고정하기 위한 마운트(52)를 더 포함할 수 있으며, 상기 마운트(52)에는 구동축(42c)과 평행하게 하나 이상의 로드(45c)가 고정될 수 있다. 상기 로드(45c)는 세로 프레임(48) 또는 지지부(49)와 결합되어 인젝터(40)의 세로 방향의 이동을 안내할 수 있다.

상기 마운트(52)는 로봇암 결합부(51)가 로봇암에 결합하는 면과 수직으로 로봇암 결합부(51)에 배치되는 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는 상기 마운트(52)는 마운트 결합부(53)를 통하여 상기 로봇암 결합부(51)에 결합될 수 있고, 상기 마운트 결합부(53)는 직사각형의 플레이트 형상으로 상기 마운트 결합부(53)의 측면은 로봇암 결합부(51)에 수직으로 결합되고, 상기 마운트(53)는 마운트 결합부(53) 윗면에 수직으로 결합된다.

따라서 로봇암 결합부(51)의 마운트(52)에 고정된 제3모터(41c)의 회전에 의하여 상기 구동축(42c)이 회전하고 나사 결합된 상기 지지부(49)가 상하로 이동하면서 상기 인젝터(40) 자체를 상하로 이동시킬 수 있다.

로봇암(50)

상기 로봇암(50)은 다관절 방식으로 제작되어, 상기 로봇암(50)의 말단 축에는 인젝터(40)가 결합되고 설정된 방향과 위치로 상기 인젝터(40)를 이동시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 로봇암(50)은 6축 다관절 방식으로 제작되며 각각의 관절에는 제어부에 연결된 회전용 모터가 구비되어 각각의 관절들의 회전을 허용하며, 상기 제어부의 제어에 의해 하모닉 드라이버 감속기를 이용하는 방식으로 각각의 관절들을 펴거나 굽힐 수 있어, 설정된 위치로 상기 인젝터(40)를 이동시킬 수 있다.

상기 로봇암(50)은 로봇암 구동기(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 로봇암 구동기는 상기 로봇암(50)에 연결되어 로봇암(50)의 작동을 위한 동력을 제공할 수 있다.

니들 센서(60)

상기 주입 장치는 니들 표면에 센서가 부착된 니들 센서(60)를 포함할 수 있으며, 상기 니들 센서(60)의 일 실시예는 도 6에 도시되어 있다.

상기 니들 센서(60)는 생체조직에 삽입되는 몸체를 이루며, 단면이 원형으로 형성되는 핀 형태로 뾰족한 선단부를 포함하는 니들(61) 및 상기 니들(61)의 외주면 상에서 이격되어 형성된 이격되어 형성된 센싱부(62)를 포함하고, 상기 센싱부(62)는 양전극부(62a)와 음전극부(62b)를 더 포함한다.

상기 전극부는 포토리소그래피(photolithography) 방식으로 상기 니들(61)의 외주면에 형성될 수 있다.

도 6에서 도시한 바와 같이 일실시예의 양전극부(62a)와 음전극부(62b)는 단일 니들(110)의 외주면상에 패턴화되어 선단부(63)에서 약 10mm 정도 떨어진 높이(H)에 형성된다. 양전극부(121)와 음전극부(62b)는 대향하여 이격되어 형성되며, 교번적으로 각각 돌출된 패턴이 대향하여 반복되게 구성됨으로써, 보다 정밀하게 전기적 흐름을 유도하도록 구성한다.

상기 센싱부(62)는 삽입된 생체조직에서 통전되어, 생체조직의 임피던스를 측정하여 해당 생체조직을 구분하는 역할을 한다. 구체적으로 상기 니들이 실험동물의 꼬리에 인젝션되는 경우 현재 니들이 위치하는 부위가 조직인지 또는 혈관인지 구분하여 위치 정보를 상기 제어부(30)에 전달한다.

이는, 각 생체조직의 전기 저항의 상이성을 활용한 것으로, 각 생체조직의 조직구조가 다르기 때문에, 임피던스 값이 다르게 나타난다. 예를 들어, 체액의 경우 64~65.2[Ωcm], 혈액의 경우 148~176[Ωcm], 근육의 경우, 240~675[Ωcm], 지방의 경우 1100~5000[Ωcm], 뼈의 경우 1800[Ωcm]에 해당한다. 측정된 임피던스를 활용하여 각 생체조직들의 손실계수-주파수 관계를 매칭하여 해당 생체조직을 구분하여 판단할 수 있다.

상기 센싱부(62)에 의하여 측정된 임피던스 값을 이용하여 생체 조직을 구분하기 위해, 상기 제어부(30)는 생체조직 판단 모듈을 더 포함할 수 있다.

도 7은 본 발명의 동물실험용 물질 자동 주입 시스템을 이용하여 실험동물에 주입 물질을 투여하는 방법을 나타내는 흐름도를 나타낸다.

단계 100은 실험동물을 고정하는 단계로, 동물실험용 물질 자동 주입 시스템의 보정기(10)에 마취된 실험동물을 고정한다. 상기 실험동물은 꼬리가 있는 실험동물이고, 상기 꼬리는 꼬리 거치부(15)에 끼워주고 상기 꼬리의 하부는 꼬리 고정부(16)에 고정한다.

단계 200은 적외선 카메라(20)를 이용하여 혈관을 감지하고 투여 지점을 산출하는 단계이다. 우선 적외선 카메라(20)를 이용하여 꼬리 거치부에 거치된 실험동물의 꼬리의 적외선 이미지를 획득한다(S210). 엣지 컴퓨팅 모듈(31)은 소벨 필터를 통하여 상기 획득된 이미지의 명암비를 이용하여 혈관과 조직을 감지한다(S220). 혈관을 감지한 이후에 호프 변환을 통하여 조직와 혈관 사이에 선을 표시한다(S230). 상기 표시된 선은 라인 세그먼트를 통하여 경사에 따라 선을 결합하여 혈관을 표시한다(S240). 혈관이 표시되면 혈관의 정중앙을 투여 지점으로 지정하고, 상기 투여 지점의 위치에 대한 정보를 제어부(30)로 전송한다.

단계 300은 주입 장치의 니들을 실험동물의 혈관과 평행하게 배치하는 단계로, 제어부(30)는 로봇암 제어 모듈(33)을 통해 로봇암(50)을 구동하여 상기 산출된 투여 지점으로 인젝터(40)를 이동시킨다.

단계 400은 니들을 주입하기 전 니들을 기울이는 단계로, 로봇암 제어 모듈(33)을 통하여 니들 팁을 중심으로 인젝터를 아래 방향으로 회전시켜 상기 니들을 11 ~ 16°정도 아래 방향으로 기울인다.

인젝터(40)에 주입 장치가 20°의 기울기로 배치되어 있으므로, 니들은 혈관과 20°의 각도를 형성하고, 니들 팁을 중심으로 인젝터를 아래 방향으로 11 ~ 16°회신시킴으로써, 상기 니들은 혈관과 4 ~ 9°의 각도를 갖는다.

단계 500에서 인젝터 제어 모듈(32)은 제1 및 제2모터를 동시에 구동하여, 상기 니들을 실험동물 꼬리 피하에 주입하는 단계로 혈관에 도달하지 전까지 니들이 이동한다. 상기 니들이 실험동물의 피하에 위치하는지 혈관에 위치하는지 니들 표면에 형성된 센싱부(62)로부터 측정된 임피던스 값으로 구분할 수 있다.

단계 600에서 로봇암 제어 모듈(33)을 통하여 상기 니들이 혈관내로 주입되기 전에, 단계 400에서와 반대 방향으로 상기 니들을 -1 ~ -3° 기울인다.

단계 700에서는 상기 니들이 혈관과 평행하게 1 ~ 3 mm 이동하여 상기 니들을 혈관에 삽입하는 단계이다. 이는 니들 전체, 즉 인젝터 전체가 혈관과 평행하게 이동하는 것으로, 인젝터 제어 모듈(32)을 통해 인젝터의 제1모터(41a) 및 제2모터(41b)를 동시에 구동하여 수행된다. 상기 니들이 실험동물의 피하에 위치하는지 혈관에 위치하는지 니들 표면에 형성된 센싱부(62)로부터 측정된 임피던스 값으로 구분할 수 있다.

단계 800은 혈관내로 약물을 주입하는 단계로, 인젝터 제어 모듈(32)은 제1 및 제2모터 중 플런저 지지부에 결합된 구동축 모터를 회전시켜 현관내로 약물을 주입한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 혈관 내로 약물을 주입하기 위하여 상기 인젝터 제어 모듈(32)은 제1모터(41a)만 회전시켜 주사기의 플런저를 전방으로 이동시킨다.

단계 900은 니들을 제거하는 단계로, 인젝터 제어 모듈(32)을 통해 인젝터의 제1모터(41a) 및 제2모터(41b)를 동시에, 단계 700에서와 반대 방향으로 구동하여 수행되고, 상기 단계 700과 반대 방향으로 니들을 이동시켜 상기 혈관으로부터 니들을 제거할 수 있다.

본 명세서에서는 본 발명을 한정된 실시 예를 중심으로 설명하였으나, 본 발 명의 사상적 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능하다. 또한 설명되지는 않았으나, 균등한 수단도 또한 본 발명에 그대로 결합되는 것이라 할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 하기 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

[부호의 설명]

10: 보정기 42a: 제1모터의 구동축

11: 베이스 42b: 제2모터의 구동축

12: 마취구 43: 플런저 지지부

13: 마취구 고정부 44: 배럴 지지부

14: 머리 받침대 45a, 45b: 로드

15: 꼬리 거치부 46: 고정부

16: 꼬리 고정부 47: 가로 프레임

20: 적외선 카메라 48: 세로 프레임

21: 카메라 고정부 49: 지지부

22: 적외선 조사기 50: 로봇암

30: 제어부 51: 로봇암 결합부

31: 엣지 컴퓨팅 모듈 52: 마운트

32: 인젝터 제어 모듈 53: 마운트 결합부

33: 로봇암 제어 보듈 60: 디스플레이

34: 이미지 저장 모듈 61: 니들

Claims

임의의 물질을 주입하고자 하는 실험동물을 고정하는 보정기;

상기 보정기에 부착되고, 실험동물의 주입 영역을 중심으로 직교 방향으로 배치되어 상기 실험동물의 주입 영역 이미지를 생성하기 위한 복수의 적외선 카메라;

상기 이미지를 이용하여 실험동물의 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 산출하는 엣지 컴퓨팅 모듈;

센서가 부착된 주입 장치 및 상기 주입 장치를 수직 또는 수평으로 이동시킬 수 있는 인젝터;

상기 인젝터가 말단에 부착되어 있는 로봇암;

상기 엣지 컴퓨팅 모듈로부터 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 수신하여, 상기 주입 지점으로 인젝터를 이동시키고 상기 주입 장치가 실험동물에 삽입되도록 상기 인젝터를 제어하는 제어부를 포함하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 시스템은 실험동물의 주입 영역 이미지 및 상기 이미지의 해당 좌표를 표시하기 위한 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 엣지 컴퓨팅 모듈은 명암비를 이용하여 주입 영역과 비주입 영역을 구분하고, 이를 선으로 표시하고, 표시된 선의 경사에 따라 선을 결합하여 실험동물의 주입 위치 정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 엣지 컴퓨팅 모듈은

1) 적외선 카메라로부터 수집된 이미지의 명암비를 조절하여 주입 영역과 비주입 영역을 구별하는 단계;

2) 호프 변환을 통하여, 주입 영역과 비주입 영역 사이의 명암을 이용하여 선으로 표시하는 단계;및

3) 라인 세그먼트를 통하여, 선의 경사에 따라 선을 결합하여 주입 영역을 표시하는 단계로 주입 위치 및 주입 지점에 관한 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 센서가 부착된 주입 장치는 센서 니들인 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제4항에 있어서,

상기 센서는 양전극부와 음전극부를 포함하고, 양전극부와 음전극부는 서로 대향하여 상기 니들의 외주면 상에 형성된 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제4항에 있어서,

상기 센서는 생체조직의 임피던스를 측정하여 해당 생체조직을 구분하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제4항에 있어서,

상기 제어부는 인젝터 제어 모듈, 로봇암 제어 모듈, 이미지 저장 모듈 및 생체조직 판단 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어부는

1) 로봇암 제어 모듈을 통하여, 주입 지점의 영역과 주입 장치를 평행하게 위치시키는 단계;

2) 로봇암 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치의 단부를 기준으로 4 ~ 9°의 기울기로 상기 주입 장치를 기울이는 단계;

3) 인젝터 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치의 단부를 실험동물의 피부에 주입시키는 단계;

4) 로봇암 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치의 단부를 기준으로 -1 ~ -3°의 기울기로 상기 주입 장치를 기울이는 단계;

5) 인젝터 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치를 주입 영역과 평행하게 이동시켜 상기 주입 장치를 주입 영역에 삽입하는 단계;

6) 인젝터 제어 모듈을 통하여, 주입 물질을 미리 정해진 양으로 투여하는 단계로 물질 투여를 제어하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제9항에 있어서,

상기 단계 3) 및 5) 단계에서 생체조직 판단 모듈을 통하여, 주입 장치의 위치를 파악하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제9항에 있어서,

상기 단계 6)의 투여가 완료된 후, 인젝터 제어 모듈을 통하여, 상기 주입 장치를 삽입 방향과 반대 방향으로 이동시켜 실험동물로부터 상기 주입 장치를 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 보정기는 실험동물이 놓여지는 베이스, 상기 베이스 중앙 상부에 위치하는 중공의 마취구, 상기 마취구를 베이스에 고정시키기 위한 마취구 고정부 실험동물 머리 받침대 및 실험동물의 꼬리를 고정할 수 있는 꼬리 거치부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 인젝터는 주입 장치의 플런저를 이동시키기 위한 제1모터, 상기 주입 장치의 배럴을 이동시키기 위한 제2모터, 상기 제1모터의 구동축, 제2모터의 구동축, 상기 구동축 중 어느 하나와 결합된 플런저 지지부, 상기 구동축 중 다른 하나와 결합된 배럴 지지부, 상기 지지부를 동축으로 고정하기 위한 복수의 로드, 상기 로드를 인젝터 프레임에 고정하기 위한 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.
제1항에 있어서,

상기 로봇암은 다관절 방식인 것을 특징으로 하는 동물실험용 물질 자동 주입 시스템.