WO2024053903A1 - Electronic nose sensor for diagnosing lung cancer, and electronic nose system for diagnosing lung cancer using same - Google Patents

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WO2024053903A1
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lung cancer
electronic nose
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bacteriophage
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오진우
최은정
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주식회사 젠라이프
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Abstract

The present invention relates to an electronic nose sensor for diagnosing lung cancer, and an electronic nose system for diagnosing lung cancer using same. More specifically, by means of the technical solution, the present invention makes it possible to manufacture an electronic nose (D2 pNose) using a bacteriophage and use the electronic nose to distinguish between lung cancer patients and healthy individuals on the basis of only respiration, and identify, through a deep learning method and a neural pattern separation (NPS) analysis, a receptor contributing to pattern separation in the classification of lung cancer patients and healthy individuals.

Description

폐암 진단용 전자코 센서 및 이를 이용한 폐암 진단용 전자코 시스템 Electronic nose sensor for lung cancer diagnosis and electronic nose system for lung cancer diagnosis using the same
본 발명은 폐암 진단용 전자코 센서 및 이를 이용한 폐암 진단용 전자코 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 박테리오 파지를 이용하여 전자 코(D2 pNose)를 제조하여 이를 이용하여 호흡 만으로도 폐암 환자와 건강한 사람을 쉽게 구별할 수 있고 폐암 환자와 건강한 사람의 분류에 딥러닝 학습 방법과 신경 패턴 분리(NPS) 분석을 통해 패턴 분리에 기여하는 수용체를 확인할 수 있다.The present invention relates to an electronic nose sensor for lung cancer diagnosis and an electronic nose system for lung cancer diagnosis using the same. More specifically, as a means of solving the above problem, the present invention manufactures an electronic nose (D2 pNose) using bacteriophage and uses it. Therefore, it is possible to easily distinguish between lung cancer patients and healthy people just by breathing, and the receptors that contribute to pattern separation can be identified through deep learning methods and neural pattern separation (NPS) analysis for classification of lung cancer patients and healthy people.
1918년 인플루엔자 대유행은 호흡기 질환과 그로 인한 사회적 혼란이 전 세계적으로 퍼질 수 있음을 보여주었다. 조류 기원의 유전자를 가지고 있는 H1N1 바이러스에 의한 호흡기 질환은 1차 세계대전 참전용사들에 의해 전염되었다. 당시에는 대륙간 이동에 많은 제한이 있었지만, 이 대유행은 세계 인구의 3분의 1을 감염시킨 것으로 추정된다. 사람 간의 단순한 접촉을 통해 빠르게 전파되는 것이 호흡기 질환의 특징이다. 이러한 특징은 현재 코로나19의 초확산 현상에서도 드러난다. 현재의 기술로는 호흡기 질환의 확산과 그에 따른 사회적 손실을 효과적으로 방지하기에는 불충분하며, 이러한 상황은 백신과 치료제가 개발될 때까지 계속될 것으로 예상된다. 대유행이 진행됨에 따라 호흡기 질환의 전파를 억제하는 수단으로 신속하고 접근 가능하며 정확한 진단 검사 방법에 대한 요구가 높아지고 있다.The 1918 influenza pandemic demonstrated that respiratory disease and the resulting social chaos could spread globally. Respiratory disease caused by the H1N1 virus, which carries genes of avian origin, was transmitted by World War I veterans. Although there were many restrictions on intercontinental travel at the time, the pandemic is estimated to have infected one-third of the world's population. A characteristic of respiratory diseases is that they spread rapidly through simple contact between people. These characteristics are also revealed in the current super-spreading phenomenon of COVID-19. Current technologies are insufficient to effectively prevent the spread of respiratory diseases and the resulting social losses, and this situation is expected to continue until vaccines and treatments are developed. As the pandemic progresses, there is a growing need for rapid, accessible, and accurate diagnostic testing methods as a means of curbing the spread of respiratory diseases.
호흡기 질환의 인간 호흡 기반 감지는 신속하고 접근 가능하며 비접촉 테스트를 허용하기 때문에 슈퍼 확산을 방지하는 데 도움이 된다. 그러나 인간의 호흡을 포함하여 다양한 형태의 생명체와 관련된 환경에서 냄새를 분류하는 것은 복잡한 배경에 대한 미묘한 반응을 감지해야 하기 때문에 매우 어려운 작업이다. 이러한 어려움에도 불구하고 많은 동물, 심지어 인간 자신도 복잡한 냄새 환경에서도 특정 물체를 감지하고 추적하기 위해 후각을 사용한다. 믿기 어려울 수 있지만, 가장 효과적인 냄새 측정 에이전트는 첨단 기술 기반 센서 장치가 아니라 훈련된 K9 탐지견이다. K9의 2억 2천만 개의 수용체 세포와 신경계는 복잡한 환경에서 표적 물질에 대해 매우 높은 감도와 선택성을 보여준다. 이러한 K9의 능력에 영감을 받아 우수한 냄새 기반 측정 특성을 보여주는 전자 코(E-noses)로 알려진 인공 후각 기관이 개발되었다. 하지만 K9의 후각 기관은 공학적인 한계로 해부학적 구조를 완전히 모방하는 것은 불가능하다. 이러한 한계 때문에 인간의 호흡과 같은 환경에서 복잡한 물체를 구별하기 위한 E-noses의 새로운 개발 접근 방식에 대한 요구가 증가하고 있다.Human breath-based detection of respiratory diseases helps prevent superspreading because it allows rapid, accessible, and non-contact testing. However, classifying odors in the environment associated with various forms of life, including human breathing, is a very difficult task because it requires detecting subtle responses against a complex background. Despite these difficulties, many animals, and even humans themselves, use their sense of smell to detect and track specific objects even in complex odor environments. It may be hard to believe, but the most effective scent detection agent is not a high-tech based sensor device, but a trained K9 detection dog. K9's 220 million receptor cells and nervous system show extremely high sensitivity and selectivity for target substances in a complex environment. Inspired by K9's capabilities, artificial olfactory organs known as electronic noses (E-noses) were developed that demonstrate excellent odor-based measurement properties. However, due to engineering limitations of K9's olfactory organ, it is impossible to completely imitate its anatomical structure. Because of these limitations, there is an increasing need for new development approaches in E-noses to distinguish complex objects in environments such as human breathing.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서 안출 된 것으로서, 본 발명의 목적은 타겟 물질과 반응하여 컬러 변화를 바로 확인할 수 있어 폐암을 육안으로 확인 용이하고 직관적으로 검출할 수 있는 폐암 진단용 센서 및 검출 시스템을 제공하는 것이다.The present invention was developed to solve the above problems. The purpose of the present invention is a sensor and detection system for lung cancer diagnosis that can easily confirm and intuitively detect lung cancer with the naked eye by immediately confirming the color change in response to the target material. is to provide.
또한, 본 발명의 목적은 검체를 호흡으로 하여 타겟 물질을 확인할 수 있어 기존의 폐암 검출의 번거로운 기기나 방법 없이 쉽게 적용 가능하며 시간과 비용을 절약할 수 있는 폐암 진단용 센서 및 검출 시스템을 제공하는 것이다.In addition, the purpose of the present invention is to provide a sensor and detection system for lung cancer diagnosis that can be easily applied without cumbersome devices or methods of existing lung cancer detection and save time and cost by allowing the target substance to be identified by breathing the sample. .
또한, 본 발명의 목적은 신속하고 현장에서 적용 가능하며 휴대용 비대면 선별 검사가 가능한 진단 방법을 제시하여 코로나19와 같은 유행성 질병에 적극적으로 사용할 수 있는 폐암 진단용 센서 및 검출 시스템을 제공하는 것이다.In addition, the purpose of the present invention is to provide a sensor and detection system for lung cancer diagnosis that can be actively used for pandemic diseases such as COVID-19 by presenting a diagnostic method that is rapid, applicable in the field, and capable of portable non-face-to-face screening.
발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be solved by the invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below. You will be able to.
본 발명에 따른 폐암 진단용 전자코 센서는,The electronic nose sensor for lung cancer diagnosis according to the present invention,
베이스 기재 상에 M13 박테리오파지가 배열되고,M13 bacteriophage is arranged on the base substrate,
상기 M13 박테리오파지와 폐암 환자의 호흡 부산물이 반응하여 컬러가 변화하되,The color changes as the M13 bacteriophage reacts with the lung cancer patient's respiratory by-products,
상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 발린(Valine), 프롤린(Proline), 이소루신(Isoleucine), 루신(Leucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Trypthophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 티로신(Tyrosine), 리신(Lysine), 알지닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 세린(serine), 스레오닌(Theronine) 및 시스테인(Cysteine)인 20개의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.Glycine, Alanine, Valine, Proline, Isoleucine, Leucine, Methionine, Tryptophan, Phenylalanine, Tyrosine , Lysine, Arginine, Histidine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Asparagine, Glutamine, Serine, Threonine It is characterized by containing 20 amino acid sequences, including Theronine and Cysteine.
상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
상기 20개의 아미노산 중 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.Among the 20 amino acids, it includes the amino acid sequences of Histidine, Valine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Serine, Glutamine, and Asparagine. It is characterized by:
상기 폐암 환자의 호흡 부산물은,The respiratory by-products of the lung cancer patient are,
4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one) 중 적어도 어느 하나 이상과 반응하여 컬러가 변화하는 것을 특징으로 한다.4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, 2-Ethyl-4-methyl-1pentanol -1pentanol), 2,3,4-trimethyl-pentane (2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-Dimethyl-hexane (2,3-Dimethyl-hexane), 3-ethyl-3-methyl- 2-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one, 2 -Propyl-1-pentanol (2-Propyl-1-pentanol), 6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one ) is characterized in that the color changes in response to at least one of the following.
베이스 기재 상에 M13 박테리오파지가 배열된 전자코 센서가 마련된 센싱부;A sensing unit provided with an electronic nose sensor in which M13 bacteriophages are arranged on a base substrate;
상기 센싱부와 연결되고, 상기 전자코 센서가 미지 물질과 반응하여 컬러 변화를 나타내는 경우에 광학 데이터를 얻는 광학데이터획득부; 및An optical data acquisition unit connected to the sensing unit and obtaining optical data when the electronic nose sensor reacts with an unknown substance and shows a color change; and
상기 광학데이터획득부와 연결되고, 상기 미지 물질에 의한 광학 데이터를 이미 저장하고 있는 타겟 물질별 저장 데이터와 비교하여 상기 전자코 센서와 반응한 미지 물질을 타겟 물질 중 어느 하나로 식별하는 판단부;를 포함하되,A determination unit connected to the optical data acquisition unit and identifying the unknown substance reacting with the electronic nose sensor as one of the target substances by comparing the optical data for the unknown substance with stored data for each target substance that has already been stored; Including,
상기 센싱부는 상기 M13 박테리오파지와 폐암 환자의 호흡 부산물이 반응하여 컬러가 변화하고,The color of the sensing unit changes as the M13 bacteriophage reacts with the lung cancer patient's respiratory by-products,
상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 발린(Valine), 프롤린(Proline), 이소루신(Isoleucine), 루신(Leucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Trypthophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 티로신(Tyrosine), 리신(Lysine), 알지닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 세린(serine), 스레오닌(Theronine) 및 시스테인(Cysteine)인 20개의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.Glycine, Alanine, Valine, Proline, Isoleucine, Leucine, Methionine, Tryptophan, Phenylalanine, Tyrosine , Lysine, Arginine, Histidine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Asparagine, Glutamine, Serine, Threonine It is characterized by containing 20 amino acid sequences, including Theronine and Cysteine.
상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
상기 20개의 아미노산 중 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.Among the 20 amino acids, it includes the amino acid sequences of Histidine, Valine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Serine, Glutamine, and Asparagine. It is characterized by:
상기 폐암 환자의 호흡 부산물은,The respiratory by-products of the lung cancer patient are,
4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one) 중 적어도 어느 하나 이상과 반응하여 컬러가 변화하는 것을 특징으로 한다.4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, 2-Ethyl-4-methyl-1pentanol -1pentanol), 2,3,4-trimethyl-pentane (2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-Dimethyl-hexane (2,3-Dimethyl-hexane), 3-ethyl-3-methyl- 2-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one, 2 -Propyl-1-pentanol (2-Propyl-1-pentanol), 6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one ) is characterized in that the color changes in response to at least one of the following.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 M13 박테리오파지에 기반한 폐암 진단용 센서 및 검출 시스템에 관한 것으로, 타겟 물질과 반응하여 컬러 변화를 바로 확인할 수 있어 폐암을 육안으로 확인이 용이하고 직관적으로 검출할 수 있는 효과가 있다.As a means of solving the above problem, the present invention relates to a sensor and detection system for lung cancer diagnosis based on M13 bacteriophage, which can immediately confirm the color change in response to the target material, making it easy to visually check and intuitively detect lung cancer. There is an effect.
또한, 본 발명은 검체를 호흡으로 하여 타겟 물질을 확인할 수 있어 기존의 폐암 검출의 번거로운 기기나 방법 없이 쉽게 적용 가능하여 시간과 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can identify the target substance by breathing the sample, so it can be easily applied without the cumbersome devices or methods of existing lung cancer detection, which has the effect of saving time and cost.
또한, 본 발명은 신속하고 현장에서 적용 가능하며 휴대용 비대면 선별 검사가 가능한 진단방법을 제시하여 코로나19와 같은 유행성 질병에 적극적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention provides a diagnostic method that is quick, applicable in the field, and capable of portable non-face-to-face screening, so it can be actively used for pandemic diseases such as COVID-19.
또한, 본 발명은 기존의 전자코에 비해 본 발명의 전자코 시스템은 100만개의 리셉터 경우의 수를 갖고 있어 민감도가 탁월한 센서로 체외 진단 의료 기기에 적용 가능한 전자코 센서이며, 인공 지능 모델을 반영하여 다양한 임상에 의한 학습 효과로 민감도와 특이도가 증가 될 수 있다.In addition, compared to the existing electronic nose, the electronic nose system of the present invention has a number of receptors of 1 million, so it is an electronic nose sensor that can be applied to in vitro diagnostic medical devices as a sensor with excellent sensitivity, and reflects an artificial intelligence model. Therefore, sensitivity and specificity can be increased due to the learning effect from various clinical trials.
도 1은 본 발명인 폐암 진단용 전자코 센서 및 폐암 진단용 전자코 시스템에 포함된 M13 박테리오파지의 개략도로, 포유류의 후각 수용체 세포에서 작용하는 아미노산을 적용하여 제조된다.Figure 1 is a schematic diagram of the M13 bacteriophage included in the electronic nose sensor for lung cancer diagnosis and the electronic nose system for lung cancer diagnosis of the present invention, which is manufactured by applying amino acids that act in mammalian olfactory receptor cells.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라, M13 박테리오파지의 20개 아미노산 서열 목록이다.Figure 2 is a list of 20 amino acid sequences of M13 bacteriophage, according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라, M13 박테리오파지의 20개 아미노산 중 폐암 진단에 최적화 된 9개 아미노산이 적용된 파지 필름의 개략도이다.Figure 3 is a schematic diagram of a phage film to which 9 amino acids optimized for lung cancer diagnosis among the 20 amino acids of M13 bacteriophage have been applied, according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라, D2 pNose를 사용한 61개의 호흡 샘플을 분류하여 D2 pNose가 나타내는 지문 패턴을 나타낸 것으로, D2 pNose에 31명의 건강한 대상(Healthy subjects, 좌)과 31명의 폐암 환자(Lung cancer patients, 우)의 호흡 샘플을 노출시켰을 때 색상 차이를 정규화하여 얻은 지문 패턴이다.Figure 4 shows the fingerprint pattern indicated by D 2 pNose by classifying 61 breath samples using D 2 pNose, according to an embodiment of the present invention. 31 healthy subjects (left) and D 2 pNose This is a fingerprint pattern obtained by normalizing color differences when exposed to breath samples from 31 lung cancer patients (right).
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라, D2 pNose를 사용한 61개의 호흡 샘플을 분류하여 31명의 건강한 대상(Healthy subjects, 좌)과 31명의 폐암 환자(Lung cancer patients, 우)의 호흡으로 측정한 평균 색거리이다.Figure 5 shows the breathing of 31 healthy subjects (left) and 31 lung cancer patients (right) by classifying 61 respiratory samples using D 2 pNose, according to an embodiment of the present invention. This is the average color distance.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라, D2 pNose에 대한 NPS 분석으로, (a)는 20개 필름의 가능한 모든 조합에 대해 계산한 CSS 히스토그램이고, (b)는 CSS 결과를 기반으로 한 상위 24개 조합에 대한 센서 단위 주파수의 히스토그램이다.Figure 6 is an NPS analysis for D 2 pNose, according to an embodiment of the present invention, where (a) is a CSS histogram calculated for all possible combinations of 20 films, and (b) is a CSS histogram based on the CSS results. This is a histogram of sensor unit frequencies for the top 24 combinations.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라, D2 pNose에 대한 NPS 분석 결과로, 아미노산 20개를 모두 조합하여 사용한 경우 CSS는 50이고, 상위 5개의 CSS 결과일 때 아미노산의 조합을 확인할 수 있다. M13 박테리오파지의 아미노산 조합이 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)인 경우, 가장 높은 CSS 결과값인 458을 획득하였다.Figure 7 shows the results of NPS analysis for D 2 pNose according to an embodiment of the present invention. When all 20 amino acids are used in combination, the CSS is 50, and the combination of amino acids can be confirmed when the top 5 CSS results are used. . If the amino acid combination of M13 bacteriophage is Histidine, Valine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Serine, Glutamine, and Asparagine, the most A high CSS result value of 458 was obtained.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라, 도 7에서 획득한 D2 pNose에 대한 NPS 분석 결과 중 최상의 아미노산 조합으로 구성된 D2 pNose를 기반으로 한 덴드로그램으로, 레이블 i, ii 및 iii은 종양이 모두 상엽에 있고 말초 병변인 환자를 나타낸다(i: 환자 12; ii: 환자 14; iii: 환자 25).Figure 8 is a dendrogram based on D 2 pNose composed of the best amino acid combination among the NPS analysis results for D 2 pNose obtained in Figure 7, according to an embodiment of the present invention, where labels i, ii and iii are tumor These all represent patients with upper lobe and peripheral lesions (i: patient 12; ii: patient 14; iii: patient 25).
도 9는 본 발명의 일실시예에 따라, 에탄올 10ppm 농도에서 20개 아미노산 별로 비교하였을 때 CSS 값을 확인한 그래프이다.Figure 9 is a graph confirming CSS values when comparing 20 amino acids at a concentration of 10 ppm ethanol, according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라, 20개의 유전자를 조작하여 제조된 M13 박테리오파지 필름을 기반한 D2 pNose를 이용하여 아세톤을 검출한 색거리 그래프이다.Figure 10 is a color distance graph of acetone detected using D 2 pNose based on an M13 bacteriophage film prepared by manipulating 20 genes, according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라, 20개의 유전자를 조작하여 제조된 M13 박테리오파지 필름을 기반한 D2 pNose를 이용하여 에탄올을 검출한 색거리 그래프이다.Figure 11 is a color distance graph of ethanol detected using D 2 pNose based on an M13 bacteriophage film prepared by manipulating 20 genes, according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라, 호흡 부산물 중 폐암 환자의 호흡 부산물인 6개의 VOC(에탄올, 아세톤, 아세트알데히드, 에틸아세테이트, Y-헤놀락톤 및 2-이소프로필-4-메틸티아졸)을 5가지 농도(10ppb, 50ppb, 100ppb, 500ppb, 1ppm)에 대해 측정된 D2 pNose의 유클리드 거리(Euclidian distance) 결과이다.Figure 12 shows six VOCs (ethanol, acetone, acetaldehyde, ethyl acetate, Y-henolactone, and 2-isopropyl-4-methylthiazole), which are respiratory by-products of lung cancer patients, according to an embodiment of the present invention. ) is the Euclidean distance result of D 2 pNose measured for 5 concentrations (10ppb, 50ppb, 100ppb, 500ppb, 1ppm).
도 13은 본 발명의 일실시예에 따라 제조된 폐암 진단용 전자코 시스템으로, (a) 센싱부가 마련되어 있고, (b) 20개 아미노산 어레이로 마련된 M13 박테리오파지 컬러 필름(크기 : 1.5 X 1.0 ㎝ 미만) 및 (c)호흡 샘플링 도구이다.Figure 13 is an electronic nose system for lung cancer diagnosis manufactured according to an embodiment of the present invention, (a) provided with a sensing unit, and (b) M13 bacteriophage color film provided with a 20 amino acid array (size: less than 1.5 and (c) a breath sampling tool.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따라, 호흡 부산물 중 폐암 환자의 호흡 부산물인 6개의 VOC에 대한 D2 pNose의 특성을 분석한 결과로, (a) D2 pNose를 사용한 6개의 VOC(에탄올, 아세톤, 아세트알데히드, 에틸아세테이트, Y-헤놀락톤 및 2-이소프로필-4-메틸티아졸)의 색상 변화 프로파일이고, (b) 6개의 VOC에 대한 응답으로D2 pNose가 나타내는 색상 차이를 정규화하여 얻은 지문 패턴이고, (c) 계산된 결합 에너지와 실험적 색 거리의 비교데이터이다.Figure 14 shows the results of analyzing the characteristics of D 2 pNose for 6 VOCs that are respiratory by-products of lung cancer patients among respiratory by-products, according to an embodiment of the present invention. (a) 6 VOCs (ethanol) using D 2 pNose , acetone, acetaldehyde, ethyl acetate, Y-henolactone, and 2-isopropyl-4-methylthiazole), and (b) normalized color differences exhibited by D 2 pNose in response to six VOCs. This is the fingerprint pattern obtained, and (c) is comparative data between the calculated binding energy and the experimental color distance.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따라, 20개의 아미노산 조합으로 구성된 D2 pNose를 기반으로 한 덴드로그램으로, 62개 중 건강한 대상자(파란색)와 폐암 환자(빨간색)에 대한 측정 결과이다.Figure 15 is a dendrogram based on D 2 pNose consisting of 20 amino acid combinations, according to an embodiment of the present invention, and shows measurement results for healthy subjects (blue) and lung cancer patients (red) among 62.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따라, 종양이 모두 상엽에 위치하고 말초 병변이었던 폐암 환자의 CT 이미지이다.Figure 16 is a CT image of a lung cancer patient whose tumors were all located in the upper lobe and were peripheral lesions, according to an embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따라 CNN 아키텍처의 사용을 위한 Deep Insight 방법의 개략도(a) 및 Deep Insight 방법을 이용한 병렬 CNN 아키텍쳐(b)이다.Figure 17 is a schematic diagram (a) of the Deep Insight method for using the CNN architecture and a parallel CNN architecture (b) using the Deep Insight method according to an embodiment of the present invention.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따라 분류 성공 점수(CSS)의 계산 알고리즘을 보여주는 개략도이다.Figure 18 is a schematic diagram showing a calculation algorithm for classification success score (CSS) according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly explained, and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention are general terms that are currently widely used as much as possible while considering the function in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a person working in the art, the emergence of new technology, etc. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, rather than simply the name of the term.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.When a part in the entire specification is said to “include” a certain element, this means that it does not exclude other elements but may further include other elements, unless specifically stated to the contrary.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.Specific details, including the problem to be solved by the present invention, the means for solving the problem, and the effect of the invention, are included in the examples and drawings described below. The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
본 발명은, 도 1에 나타난 바와 같이, 전처리 없이 인간의 호흡으로부터 호흡기 질환을 진단하기 위해 유전자 조작된 M13 파지를 기반으로 한 DNA 유래 박테리오파지(파지) 코(이하, D2 pNose)에 관한 것이다. 상기 D2 pNose는, 도 3에 나타난 바와 같이, 크기가 1.5cm × 1cm 이하인 파지 코팅된 기질의 배열로, 도 13에 나타난 바와 같이, 개별 유전자 유형의 파지가 있는 기질 20개 사용한다. 모든 포유동물의 후각 수용체 세포의 반응성을 발현하는 20개의 유전자 조작된 파지가 필름 생산에 사용되었다.As shown in Figure 1, the present invention relates to a DNA-derived bacteriophage (phage) Nose (hereinafter referred to as D2 pNose) based on genetically engineered M13 phage for diagnosing respiratory diseases from human breath without pretreatment. The D2 pNose, as shown in Figure 3, is an array of phage-coated substrates with a size of 1.5 cm × 1 cm or less, and as shown in Figure 13, 20 substrates with phages of individual gene types are used. Twenty genetically engineered phages expressing the responsiveness of all mammalian olfactory receptor cells were used to produce the films.
도 2는 유전자 조작을 통해 파지 pVIII에 발현된 펩타이드 서열을 나타낸다. 그 의도는 장치에 동물의 후각 기관의 일반적이고 포괄적인 반응을 부여하는 것이다. 유전자 조작 파지 컬러 필름은 이전 작업에서 보고된 방법을 사용하여 생성되었다. 일부 동물 종의 피부색이 변하는 원리를 모방한 이 컬러 필름은 외부 물질에 즉시(수 밀리초 이내) 반응하며 1 ppb의 낮은 농도도 감지할 수 있음이 입증되었다. 분석을 위한 호흡 샘플은 의학적 지식이 필요하지 않은 간단한 절차(환자가 스스로 수행할 수 있음)에 따라 수집할 수 있다.Figure 2 shows the peptide sequence expressed in phage pVIII through genetic manipulation. The intention is to endow the device with a general and comprehensive response of the animal's olfactory system. Genetically engineered phage color films were generated using methods reported in previous work. This color film, which mimics the way skin color changes in some animal species, responds immediately (within a few milliseconds) to external substances and has been proven to be able to detect concentrations as low as 1 ppb. Breath samples for analysis can be collected following a simple procedure that does not require medical knowledge (the patient can perform it on his or her own).
본 발명에 따른 폐암 진단용 전자코 센서는, 베이스 기재 상에 M13 박테리오파지가 배열되고, 상기 M13 박테리오파지와 폐암 환자의 호흡 부산물이 반응하여 컬러가 변화한다.In the electronic nose sensor for lung cancer diagnosis according to the present invention, M13 bacteriophages are arranged on a base substrate, and the color changes as the M13 bacteriophage reacts with respiratory by-products of lung cancer patients.
상기 박테리오파지의 증착은 주사기 펌프를 수정하여 구성되었다. 보다 구체적으로, 5nm 백금 접착층에 100nm 금 필름이 있는 실리콘 웨이퍼를 M13 박테리오파지를 증착하기 위한 기판 베이스로 선택했다. 간단한 당김 방법을 사용하여 20가지 유형의 기능성 펩타이드를 포함하는 M13 박테리오파지로 구성된 비색 센서를 제조했다.The deposition of the bacteriophage was accomplished by modifying the syringe pump. More specifically, a silicon wafer with a 100 nm gold film on a 5 nm platinum adhesive layer was selected as the substrate base for depositing M13 bacteriophages. A colorimetric sensor composed of M13 bacteriophages containing 20 types of functional peptides was fabricated using a simple pulling method.
여기서, 상기 M13 박테리오파지는 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 발린(Valine), 프롤린(Proline), 이소루신(Isoleucine), 루신(Leucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Trypthophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 티로신(Tyrosine), 리신(Lysine), 알지닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 세린(serine), 스레오닌(Theronine) 및 시스테인(Cysteine)인 20개의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the M13 bacteriophage contains glycine, alanine, valine, proline, isoleucine, leucine, methionine, tryptophan, and phenylalanine. ), Tyrosine, Lysine, Arginine, Histidine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Asparagine, Glutamine, Serine It is characterized by containing 20 amino acid sequences, including serine, threonine, and cysteine.
상기 M13 박테리오파지는, 도 9에 나타난 바와 같이, 상기 20개의 아미노산 중 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.As shown in Figure 9, the M13 bacteriophage contains histidine, valine, L-aspartic acid, glutamic acid, serine, and glutamine among the 20 amino acids. It is characterized by containing the amino acid sequences of Glutamine and Asparagine.
상기 폐암 환자의 호흡 부산물은, 4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one) 중 적어도 어느 하나 이상과 반응하여 컬러가 변화하는 것을 특징으로 한다.The respiratory by-products of lung cancer patients are 4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, and 2-ethyl-4-methyl-1pentanol. (2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-trimethyl-pentane (2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-dimethyl-hexane (2,3-Dimethyl-hexane), 3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-methyl-4,6-octadiin-3-one (2-Methyl-4,6- octadiyn-3-one), 2-Propyl-1-pentanol, 6,10-dimethyl-5,9-dodecadien-2-one (6,10-Dimethyl-5 , 9-dodecadien-2-one) is characterized in that the color changes in response to at least one of the following.
본 발명의 폐암 진단용 전자코 센서와 반응하는 타겟 물질들은 앞서 기재된 폐암환자의 호흡 부산물에 포함된 화합물들이다. 정상인들의 호흡 시에는 상기와 같은 타겟 물질이 배출되지 않지만, 폐암환자의 경우 상기와 같은 타겟 물질을 호흡에 의해 배출한다.The target substances that react with the electronic nose sensor for lung cancer diagnosis of the present invention are the compounds contained in the respiratory by-products of lung cancer patients described above. When normal people breathe, the above target substances are not excreted, but in lung cancer patients, the above target substances are excreted through respiration.
폐암이 의심되는 환자의 호흡 부산물에 본 발명의 폐암 진단용 전자코 센서를 노출시키는 경우, 전자코 센서의 컬러 변화가 발생하면 폐암으로 진단할 수 있어 육안으로 직관적인 판단이 가능한 폐암 진단용 센서로 제공될 수 있다.When the electronic nose sensor for lung cancer diagnosis of the present invention is exposed to the respiratory by-products of a patient suspected of having lung cancer, lung cancer can be diagnosed if a color change occurs in the electronic nose sensor, so it can be provided as a sensor for lung cancer diagnosis that can be intuitively judged with the naked eye. You can.
본 발명에 따른 폐암 진단용 전자코 시스템은 상기에서 설명한 폐암 진단용 전자코 센서를 포함하고, 전자코 센서의 컬러 변화를 정량적으로 분석하여 미지 물질이 타겟 물질 중에서도 어떠한 물질인지 식별한다.The electronic nose system for diagnosing lung cancer according to the present invention includes the electronic nose sensor for diagnosing lung cancer described above, and quantitatively analyzes the color change of the electronic nose sensor to identify which substance the unknown substance is among the target substances.
본 발명에 따른 폐암 진단용 전자코 시스템은 전자코 센서가 마련된 센싱부, 상기 센싱부와 연결된 광학 데이터 획득부 및 상기 광학 데이터 획득부와 연결되어 상기 센싱부에서 반응한 미질 물질의 종류를 식별하는 판단부를 포함한다.The electronic nose system for lung cancer diagnosis according to the present invention includes a sensing unit equipped with an electronic nose sensor, an optical data acquisition unit connected to the sensing unit, and a determination device connected to the optical data acquisition unit to identify the type of substance reacted in the sensing unit. Includes wealth.
상기 센싱부는 베이스 기재 상에 M13 박테리오파지가 배열된 전자코 센서가 마련된다. 상기 센싱부는 상기 M13 박테리오파지와 폐암 환자의 호흡 부산물이 반응하여 컬러가 변화한다.The sensing unit is provided with an electronic nose sensor in which M13 bacteriophages are arranged on a base substrate. The color of the sensing unit changes as the M13 bacteriophage reacts with the lung cancer patient's respiratory by-products.
여기서, 상기 M13 박테리오파지는 글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 발린(Valine), 프롤린(Proline), 이소루신(Isoleucine), 루신(Leucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Trypthophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 티로신(Tyrosine), 리신(Lysine), 알지닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 세린(serine), 스레오닌(Theronine) 및 시스테인(Cysteine)인 20개의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 M13 박테리오파지는, 도 9에 나타난 바와 같이, 상기 20개의 아미노산 중 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the M13 bacteriophage contains glycine, alanine, valine, proline, isoleucine, leucine, methionine, tryptophan, and phenylalanine. ), Tyrosine, Lysine, Arginine, Histidine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Asparagine, Glutamine, Serine It is characterized by containing 20 amino acid sequences, including serine, threonine, and cysteine. As shown in Figure 9, the M13 bacteriophage contains histidine, valine, L-aspartic acid, glutamic acid, serine, and glutamine among the 20 amino acids. It is characterized by containing the amino acid sequences of Glutamine and Asparagine.
또한, 상기 폐암 환자의 호흡 부산물은 4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one) 중 적어도 어느 하나 이상과 반응하여 컬러가 변화하는 것을 특징으로 한다.In addition, the respiratory by-products of lung cancer patients include 4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, and 2-ethyl-4-methyl-1pentane. 2-Ethyl-4-methyl-1pentanol, 2,3,4-trimethyl-pentane, 2,3-dimethyl-hexane , 3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-methyl-4,6-octadiin-3-one (2-Methyl-4,6 -octadiyn-3-one), 2-Propyl-1-pentanol, 6,10-dimethyl-5,9-dodecadien-2-one (6,10-Dimethyl- It is characterized by a color change in reaction with at least one of 5,9-dodecadien-2-one).
상기 광학데이터획득부는 상기 센싱부와 연결되고, 상기 전자코 센서가 미지 물질과 반응하여 컬러 변화를 나타내는 경우에 광학 데이터를 얻는다.The optical data acquisition unit is connected to the sensing unit, and obtains optical data when the electronic nose sensor reacts with an unknown substance and shows a color change.
일실시예로, 상기 광학데이터획득부는 상기 전자코 센서가 미지 물질과 반응하여 생성한 컬러 변화를 수치화 하기 위해 색상 요소(R, G, B)로 구성된 거리 벡터를 핑거 프린팅 패턴으로 플로팅한 데이터인 것 일 수 있다.In one embodiment, the optical data acquisition unit is data that plots a distance vector composed of color elements (R, G, B) as a fingerprint pattern to quantify the color change generated by the electronic nose sensor reacting with an unknown substance. It could be something.
본 발명에 따른 전자코 센서는 파지 컬러 필름은 특정 표적 물질에 노출되면 색이 변하는데, 이를 바탕으로 검출 및 분류할 수 있다. 색 차이는 특별한 장비 없이 육안으로 변화를 감지할 수 있어서 단순한 물질을 측정할 때 유리하다. 그러나 사람의 호흡과 같은 복합 물질의 경우, 육안으로 인지되는 색상 변화를 기준으로 존재하는 물질을 분류하는 것은 쉽지 않으므로, 얻은 색차를 수치로 변환하여 컴퓨터 기반의 데이터 처리를 통해 분석해야 한다. 이를 시각적으로 표현하기 위해, 도 14(b) 에 나타난 바와 같이, 색상 요소(R, G, B)로 구성된 거리 벡터를 핑거 프린팅 패턴으로 플로팅한다.The electronic nose sensor according to the present invention changes color when the paper color film is exposed to a specific target substance, and can detect and classify based on this. Color differences are advantageous when measuring simple substances because changes can be detected with the naked eye without special equipment. However, in the case of complex substances such as human breath, it is not easy to classify existing substances based on color changes perceived with the naked eye, so the obtained color difference must be converted into numerical values and analyzed through computer-based data processing. To express this visually, a distance vector composed of color elements (R, G, B) is plotted as a fingerprint pattern, as shown in FIG. 14(b).
이러한 색 거리 벡터는 유전자 조작된 파지의 특성을 기반으로 비교하기 위해 정규화되었다. 핑거 프린팅 패턴으로부터 타겟 물질마다 고유한 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 고유한 패턴이 나타나는 방식을 이해하는 것은 전자 코를 효과적이고 체계적으로 설계하는 데 중요하다. 도 14(c)에 나타난 바와 같이, 파지 컬러 필름의 반응성과 파지 표면 화학 사이의 상관관계에서 확보할 수 있다.These color distance vectors were normalized for comparison based on the properties of the genetically engineered phages. From the fingerprint pattern, it can be seen that a unique pattern appears for each target material. Understanding how unique patterns emerge is important for designing electronic noses effectively and systematically. As shown in Figure 14(c), it can be obtained from the correlation between the reactivity of the phage color film and the phage surface chemistry.
상기 판단부는 상기 광학데이터획득부와 연결되고, 상기 미지 물질에 의한 광학 데이터를 이미 저장하고 있는 타겟 물질별 저장 데이터와 비교하여 상기 전자코 센서와 반응한 미지 물질을 타겟 물질 중 어느 하나로 식별한다.The determination unit is connected to the optical data acquisition unit, and identifies the unknown substance reacting with the electronic nose sensor as one of the target substances by comparing optical data for the unknown substance with stored data for each target substance.
일 실시예에서, 타겟 물질별 저장 데이터는 전자코 센서의 변화된 컬러를 나타나는 영상 이미지일 수 있다. 이때, 상기 판단부는 이미 타겟 물질들 각각의 영상 이미지를 가지고 있고, 상기 판단부가 상기 광학 데이터 획득부로부터 광학 데이터인 미지 물질에 의한 전자코 센서의 영상 이미지를 수신하여 이들을 비교하여 미지 물질이 타겟 물질들 중에서 어떤 것인지 식별할 수 있다.In one embodiment, the stored data for each target material may be a video image showing the changed color of the electronic nose sensor. At this time, the determination unit already has an image image of each of the target substances, and the determination unit receives the image image of the electronic nose sensor by the unknown substance, which is optical data, from the optical data acquisition unit, compares them, and determines that the unknown substance is the target substance. You can identify which of these is which one.
일 실시예에서, 타겟 물질별 저장 데이터는 전자코 센서의 고유 컬러를 기초로 하여 타겟 물질들 각각과 반응하여 전자코 센서의 변화된 컬러의 적색광, 녹색광 및 청색광의 강도 변화(ΔRGB)일 수 있다. 이때, 판단부는 이미 타겟 물질들 각각의 ΔRGB 데이터를 가지고 있고, 상기 판단부가 상기 광학 데이터 획득부로부터 수신한 광학 데 이터를 토대로 하여 미지 물질의 ΔRGB 데이터로 변환한 후 이들을 비교하여 미지 물질이 타겟 물질들 중에서 어떤 것인지 식별할 수 있다.In one embodiment, the stored data for each target material may be a change in intensity (ΔRGB) of red, green, and blue light of the changed color of the electronic nose sensor in response to each of the target materials based on the unique color of the electronic nose sensor. At this time, the determination unit already has ΔRGB data for each of the target materials, and the determination unit converts the ΔRGB data of the unknown substance based on the optical data received from the optical data acquisition unit and compares them to determine whether the unknown substance is the target substance. You can identify which of these is which one.
일 실시예에서, 타겟 물질별 저장 데이터는 타겟 물질들 각각의 컬러 변화를 기반으로 한 컬러 데이터일 수 있 다. 예를 들어, 컬러 데이터는 광학 데이터를 통해 도출된 ΔRGB 데이터를 기반으로 컬러로 정량화한 데이터일 수 있다. 이때에는, 판단부는 미지 물질의 ΔRGB 데이터를 컬러 데이터로 변환하는 단계를 더 수행하고, 타겟 물질들의 컬러 데이터와 미지 물질의 컬러 데이터를 비교하여 미지 물질의 종류를 식별할 수 있다.In one embodiment, the stored data for each target material may be color data based on the color change of each target material. For example, color data may be data quantified in color based on ΔRGB data derived through optical data. At this time, the determination unit may further perform the step of converting the ΔRGB data of the unknown substance into color data, and compare the color data of the target substances with the color data of the unknown substance to identify the type of the unknown substance.
이와 달리, 타겟 물질별 저장 데이터는 타겟 물질들 각각의 컬러 변화를 기반으로 한 딥러닝 분석 데이터일 수 있다. 상기 판단부에서 상기 광학 데이터를 식별은 상기 측정된 호흡 부산물을 클러스터에 할당할 때 상기 저장 데이터와 비교하여 분류 성공 점수(CSS)의 증가 여부로 식별하는 것일 수 있다.In contrast, the stored data for each target material may be deep learning analysis data based on the color change of each target material. Identification of the optical data in the determination unit may be based on whether the classification success score (CSS) increases compared to the stored data when assigning the measured respiratory by-products to a cluster.
예를 들어, RGB 데이터에서 패턴을 찾기 위해 딥러닝 접근 방식이 사용하는데, CNN(Convolutional Neural Network) 모델을 사용할 수 있다. CNN 모델은 입력 이미지가 필요하므로 각 특징 벡터는 도 17(a) 와 같이 DeepInsight 방법 (Sharma et al., 2019)을 사용하여 이미지로 변환하고 샘플 벡터를 유사도별로 그룹화하는 차원 축소 방법을 사용하여 샘플 벡터를 2D 평면에 투영하였다. 다음으로 모든 투영된 샘플 벡터를 포함하는 가장 작은 직사각형 경계는 투영된 샘플 벡터의 좌표를 선형 비례로 이미지 픽셀에 매핑하는 것으로 나타났다. 결과 이미지에는 데이터 세트의 고유한 기능에 매핑된 60픽셀이 포함되었고 나머지 픽셀은 0으로 채워졌다.For example, a deep learning approach is used to find patterns in RGB data, which can use a CNN (Convolutional Neural Network) model. Since the CNN model requires an input image, each feature vector is converted to an image using the DeepInsight method (Sharma et al., 2019), as shown in Figure 17(a), and the sample vector is converted to an image using a dimensionality reduction method that groups the sample vectors by similarity. The vector was projected onto a 2D plane. Next, the smallest rectangular boundary containing all projected sample vectors was found to map the coordinates of the projected sample vectors linearly proportionally to the image pixels. The resulting image contained 60 pixels mapped to unique features in the dataset, with the remaining pixels filled with zeros.
이후, 상기 생성된 CNN 모델을 이용하여 선택적 전자코와 인간의 호흡 특성 간의 상관 관계를 분석하기 위해 신경 패턴 분리(이하, NPS) 방법을 적용했다(아래 실시예 참조). NPS를 기반으로 환자의 호흡과 정상 호흡을 구별하는 데 가장 중요한 역할을 하는 유전자 조작된 파지의 표면 화학을 찾을 수 있다.Afterwards, the neural pattern separation (NPS) method was applied to analyze the correlation between the selective electronic nose and human breathing characteristics using the generated CNN model (see examples below). Based on NPS, it is possible to find the surface chemistry of genetically engineered phages, which plays the most important role in distinguishing between patient's breathing and normal breathing.
이러한 20가지 유형의 파지 센서에 NPS 방법을 적용하는 것은 호흡과 같은 복잡한 환경에서 미세한 표적을 감지하는 데 적합한 수용체를 발견하는 유망한 방법이다. 실제 호흡 샘플 노출을 기반으로 본 발명인 전자코 시스템을 수행할 때, 건강한 사람과 폐암 환자 사이를 가장 잘 구분하는 민감한 센서를 NPS에 의해 계산된 분류 성공 점수(CSS)로 파지 아미노산을 선택하였다.Applying the NPS method to these 20 types of phage sensors is a promising way to discover receptors suitable for detecting microscopic targets in complex environments such as respiration. When performing the present invention's electronic nose system based on exposure to actual breath samples, phage amino acids were selected as the sensitive sensor that best distinguished between healthy individuals and lung cancer patients with a classification success score (CSS) calculated by NPS.
기존의 전자코에 비해 본 발명의 전자코 시스템은 100만개의 리셉터 경우의 수를 갖고 있어 민감도가 탁월한 센서로 체외 진단 의료 기기에 적용 가능한 전자코 센서이며, 인공 지능 모델을 반영하여 다양한 임상에 의한 학습 효과로 민감도와 특이도가 증가 될 수 있다.Compared to the existing electronic nose, the electronic nose system of the present invention has 1 million receptors, so it is a sensor with excellent sensitivity and can be applied to in vitro diagnostic medical devices. It reflects the artificial intelligence model and can be used in various clinical trials. Sensitivity and specificity can be increased due to learning effects.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. The purpose, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The embodiments introduced here are provided to enable the idea of the present invention to be sufficiently conveyed to those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.
실시예Example
1) 기능성 M-13 박테리오파지 구조물의 제조 1) Preparation of functional M-13 bacteriophage constructs
기능성 M-13 박테리오파지 구조물의 주요 단백질( pVIII )은 포유류의 후각 수용체 세포에서 DNA가 이식된 센서 유닛을 생성하도록 유전적으로 조작되었다. M13 박테리오파지의 1차 코트 단백질은 제조업체의 지침에 따라 QuikChange II XL Site-Directed Mutagenesis Kit(Agilent Technologies) 를 사용하여 20가지 유형의 아미노산으로 생성되었다. 의도한 돌연변이는 시퀀싱(Bionics Co., Korea)을 통해 확인하였다. 구축된 파지는 박테리아 배양을 사용하여 증폭되었고 표준 폴리에틸렌 글리콜 침전을 통해 정제되었다.The major protein (pVIII) of the functional M-13 bacteriophage construct was genetically engineered to generate a DNA-grafted sensor unit in mammalian olfactory receptor cells. The primary coat protein of M13 bacteriophage was generated with 20 types of amino acids using the QuikChange II XL Site-Directed Mutagenesis Kit (Agilent Technologies) according to the manufacturer's instructions. The intended mutation was confirmed through sequencing (Bionics Co., Korea). The constructed phages were amplified using bacterial culture and purified via standard polyethylene glycol precipitation.
2) D2 pNose 제작 2) D2 pNose production
파지 증착 장치는 주사기 펌프를 수정하여 구성되었다. 5nm 백금 접착층에 100nm 금 필름이 있는 실리콘 웨이퍼를 M13 박테리오파지를 증착하기 위한 기판으로 선택했다. 간단한 당김 방법을 사용하여 20가지 유형의 기능성 펩타이드를 포함하는 M13 박테리오파지로 구성된 비색 센서를 제조했다. 다양한 파지 농도, 이온 농도, 당김 속도 및 기질 표면 화학이 필름 제조에 사용되었다. 달리 설명하지 않는 한 금도금된 실리콘 기판을 사용했다. 20가지 유형의 비색 센서는 20μm /min, 30μm /min 및 40μm /min 의 당김 속도로 결정된 빨간색, 녹색 및 파란색 M13 박테리오파지 필름으로 구성되었다.The phage deposition device was constructed by modifying a syringe pump. A silicon wafer with a 100 nm gold film on a 5 nm platinum adhesive layer was chosen as the substrate for depositing M13 bacteriophages. A colorimetric sensor composed of M13 bacteriophages containing 20 types of functional peptides was fabricated using a simple pulling method. Various phage concentrations, ion concentrations, pulling rates, and substrate surface chemistries were used for film preparation. Unless otherwise stated, gold-plated silicon substrates were used. Twenty types of colorimetric sensors were composed of red, green, and blue M13 bacteriophage films with determined pulling speeds of 20 μm/min, 30 μm/min, and 40 μm/min.
3) D2 pNose 측정 분석3) D2 pNose measurement analysis
색상 변화를 확인하기 위해 기능성 파지 기반 다중 어레이 칩으로 만든 컬러 센서 어레이 세트의 가스 챔버에서 휴대용 디지털 현미경( Celestron DELUXE HANDHELD DIGITAL MICROSCOPE, Torrance, CA, USA)을 사용하여 사진을 촬영했다. 사진을 찍은 후에는 중앙 영역에서 표시하기 위해 세 위치로 잘렸다. 각 센서 칩에 해당하는 단위 셀의 색도 신호는 ~1000픽셀 정사각형의 평균값으로 측정되었다. ΔR, ΔG, ΔB 값을 설정하는 방법을 이용하여 각 변수의 변화량을 결정하는 기준으로 삼았다. D2 pNose 의 기본 특성은 도 10 내지 도 12를 참조할 수 있다.To confirm the color change, pictures were taken using a handheld digital microscope (Celestron DELUXE HANDHELD DIGITAL MICROSCOPE, Torrance, CA, USA) in the gas chamber of the color sensor array set made of functional phage-based multi-array chips. After the photo was taken, it was cropped into three positions for display in the central area. The chromaticity signal of the unit cell corresponding to each sensor chip was measured as the average value of ~1000 pixel squares. The method of setting the ΔR, ΔG, and ΔB values was used as a standard for determining the amount of change in each variable. The basic characteristics of D2 pNose can be seen in FIGS. 10 to 12.
20개의 유전자를 조작하여 제조된 M13 박테리오파지 필름을 기반한 D2 pNose를 이용하여 아세톤(도 10) 및 에탄올(도 11)을 검출한 색거리 그래프이다.This is a color distance graph detecting acetone (FIG. 10) and ethanol (FIG. 11) using D 2 pNose based on the M13 bacteriophage film produced by manipulating 20 genes.
D2 pNose 측정은, 도 13에 나타난 바와 같이, VOC (Ethanol, Acetone, Acetaldehyde, Ethyl acetate, Y-Heanolactone, and 2-Isopropyl-4-methylthiazole) 5가지 농도(10ppb, 50ppb, 100ppb, 500ppb, 1ppm)에서 대해 수행되었다. 도 10은 D2 pNose를 사용한 아세톤 검출의 색 거리이고, 도 11은 D2pNose를 사용한 에탄올 검출의 색 거리이다.As shown in Figure 13, D2 pNose measurement was performed at five concentrations (10ppb, 50ppb, 100ppb, 500ppb, 1ppm) of VOC (Ethanol, Acetone, Acetaldehyde, Ethyl acetate, Y-Heanolactone, and 2-Isopropyl-4-methylthiazole). was carried out in Figure 10 is the color distance of acetone detection using D2pNose, and Figure 11 is the color distance of ethanol detection using D2pNose.
Ethanol, Acetone 및 Acetaldehyde는 인간의 호흡에서 발견되는 비교적 단순한 구조를 가진 분자로 측정되었고, Ethyl acetate, Y-Heanolactone, and 2-Isopropyl-4-methylthiazole는 비교적 복잡한 구조를 가진 분자이며 폐암 환자의 호흡에서 발견되는 9개의 특이적 VOC와 같은 분자로 측정되었다. D2 pNose가 이러한 VOC에 대한 선택성과 분해능이 좋다면 폐암 진단을 위한 호흡 분석에 유리하다고 가정할 수 있다. 측정 결과의 선택성을 논의하기 위해 계층적 분류 분석(HCA)을 수행했다. 다양한 농도에도 불구하고 전자코가 VOC를 구별한다면 선택도가 높다고 판단할 수 있다. 분석 결과에 따르면 D2 pNose는 에탄올에 대한 선택성이 가장 우수하였다. 다른 VOC의 경우 농도가 낮으면 혼합 분류되는데, 이는 D2 pNose의 민감도와 관련이 있을 것으로 예상된다.Ethanol, Acetone, and Acetaldehyde were measured as molecules with relatively simple structures found in human breath, while Ethyl acetate, Y-Heanolactone, and 2-Isopropyl-4-methylthiazole were molecules with relatively complex structures found in the breath of lung cancer patients. Nine specific VOC-like molecules were found and measured. If D2 pNose has good selectivity and resolution for these VOCs, it can be assumed that it is advantageous for breath analysis for lung cancer diagnosis. Hierarchical classification analysis (HCA) was performed to discuss the selectivity of the measurement results. If the electronic nose can distinguish between VOCs despite various concentrations, it can be judged to have high selectivity. According to the analysis results, D2 pNose had the best selectivity for ethanol. In the case of other VOCs, they are classified as mixed at low concentrations, which is expected to be related to the sensitivity of D2 pNose.
4) D2 pNose의 VOC 분석4) VOC analysis of D2 pNose
파지 컬러 필름은 특정 표적 물질에 노출되면 색이 변하는데, 이를 바탕으로 검출 및 분류할 수 있다. D2 pNose는 표적 물질에 대해 서로 다른 반응성을 나타내는 다중 어레이의 파지 컬러 필름으로 구성되어 다양한 색상 변화를 초래한다. 앞선 기술은 폐암 환자의 호흡 정량 분석을 통해 9가지 희귀 VOC가 나타났다고 보고했다. 독특한 분자 구성은 호흡기 분석을 통해 폐암을 감지하는데 도움이 된다.Phage color films change color when exposed to specific target substances, and can be detected and classified based on this. D2 pNose consists of multiple arrays of phage color films that exhibit different reactivity toward target substances, resulting in various color changes. Previous technology reported that nine rare VOCs appeared through quantitative analysis of the breath of lung cancer patients. The unique molecular composition helps detect lung cancer through respiratory analysis.
폐암 환자의 호흡에서만 발견되는 9가지 희귀 VOC는 4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one)이다. 파지 기반 센서는 분자의 작용기에 따라 다른 반응성을 나타내기 때문에 여기에 명시된 희귀 VOC를 구성하는 작용기를 주로 고려하였다. 도 14(a)는 같은 밀도 (1ppm)에서 다양한 휘발성 유기 화합물(VOC, 탈이온수(DI) 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 디에틸 에테르 및 헥산)은 검토 목적으로 선택되었다.The nine rare VOCs found only in the breath of lung cancer patients are 4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, and 2-ethyl-4-methyl. -1pentanol (2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-trimethyl-pentane (2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-dimethyl-hexane (2,3-Dimethyl -hexane), 3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-methyl-4,6-octadiin-3-one (2-Methyl- 4,6-octadiyn-3-one), 2-Propyl-1-pentanol, 6,10-dimethyl-5,9-dodecadien-2-one (6,10 -Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one). Since phage-based sensors exhibit different reactivity depending on the functional group of the molecule, the functional groups constituting the rare VOCs specified here were mainly considered. Figure 14(a) shows that various volatile organic compounds (VOC, deionized (DI) water, methanol, ethanol, propanol, diethyl ether, and hexane) at the same density (1 ppm) were selected for review purposes.
파지 기반 센서는 분자의 작용기에 따라 다른 반응성을 나타내므로, 여기서 규정하는 희귀 VOC를 구성하는 작용기를 주로 고려하였다. 3분이라는 충분한 시간 후에 나타난 색상에서 초기 색상을 빼서 색상 차이를 구한다. 대상 물질마다 고유한 패턴이 나타나는 것을 확인하였다.Since phage-based sensors exhibit different reactivity depending on the functional group of the molecule, the functional groups constituting the rare VOCs defined herein were mainly considered. The color difference is obtained by subtracting the initial color from the color that appears after a sufficient period of 3 minutes. It was confirmed that a unique pattern appeared for each target material.
색 차이는 특별한 장비 없이 육안으로 변화를 감지할 수 있어서 단순한 물질을 측정할 때 유리하다. 그러나 사람의 호흡과 같은 복합 물질의 경우, 육안으로 인지되는 색상 변화를 기준으로 존재하는 물질을 분류하는 것은 어려운 일이다. 얻은 색차를 수치로 변환하여 컴퓨터 기반의 데이터 처리를 통해 분석해야 한다. 이를 시각적으로 표현하기 위해, 도 14(b) 에 나타난 바와 같이, 색상 요소(R, G, B)로 구성된 거리 벡터를 핑거 프린팅 패턴으로 플로팅한다.Color differences are advantageous when measuring simple substances because changes can be detected with the naked eye without special equipment. However, in the case of complex substances such as human breath, it is difficult to classify existing substances based on color changes perceived with the naked eye. The obtained color difference must be converted into numerical values and analyzed through computer-based data processing. To express this visually, a distance vector composed of color elements (R, G, B) is plotted as a fingerprint pattern, as shown in FIG. 14(b).
이러한 색 거리 벡터는 유전자 조작된 파지의 특성을 기반으로 비교하기 위해 정규화되었다. 핑거 프린팅 패턴으로부터 타겟 물질마다 고유한 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이러한 핑거 프린팅 패턴의 차이는 통계적 방법에 따른 물질 분류와 직접적인 관련이 있다는 기존 연구 결과가 확인됐다. 그러나 복잡한 물질(예 : 사람의 호흡)에 대한 분석에서는 다양한 변수 간의 간섭으로 인해 통계적 분석의 적용에 한계가 있다.These color distance vectors were normalized for comparison based on the properties of the genetically engineered phages. From the fingerprint pattern, it can be seen that a unique pattern appears for each target material. Previous research results have been confirmed that these differences in fingerprint patterns are directly related to material classification according to statistical methods. However, in the analysis of complex substances (e.g., human breath), there are limits to the application of statistical analysis due to interference between various variables.
고유한 패턴이 나타나는 방식을 이해하는 것은 전자 코를 효과적이고 체계적으로 설계하는 데 중요하다. 이것은, 도 14(c)에 나타난 바와 같이, 파지 컬러 필름의 반응성과 파지 표면 화학 사이의 상관관계에서 확보할 수 있다.Understanding how unique patterns emerge is important for designing electronic noses effectively and systematically. This can be ensured from the correlation between the reactivity of the phage color film and the phage surface chemistry, as shown in Figure 14(c).
이러한 상관관계가 완벽하다면(결정계수: R2 = 1), 계산된 결합 에너지가 감소함에 따라 색 거리가 증가하는 경향으로 결과를 배열해야 한다. 핵산(R2 = 1)을 제외하고 다른 VOC는 상관관계가 높다. R2 값은 DI : 0.52, Me : 0.67, Et : 0.75, Pr : 0.72, DE : 0.59이다. 이 결과는 파지 표면의 화학적 성질이 유전자 조작에 의해 제어될 수 있음을 컬러 필름 수준에서 입증했다. 한편, 아미노산의 화학적 성질과 결합 에너지 사이에는 특별한 관계가 없다. 아미노산의 화학적 성질과 달리 표적 분자와의 결합 반응은 국부 분자의 성질에 기인한다. 화학적 성질이 같은 아미노산이라도 특정 표적 분자에 대한 결합 에너지는 크게 다를 수 있다. 그 결과, 아미노산 수용체에서도 다양한 반응성을 얻을 수 있다. 다양한 반응성은 전자코의 특성에 중요한 역할을 한다.If this correlation is perfect (coefficient of determination: R2 = 1), the results should line up with a trend of color distance increasing as the calculated binding energy decreases. Except for nucleic acids (R2 = 1), other VOCs are highly correlated. The R2 values are DI: 0.52, Me: 0.67, Et: 0.75, Pr: 0.72, DE: 0.59. These results demonstrated at the color film level that the chemical properties of the phage surface can be controlled by genetic manipulation. Meanwhile, there is no special relationship between the chemical properties of amino acids and their binding energies. Unlike the chemical properties of amino acids, the binding reaction with the target molecule is due to the properties of the local molecules. Even amino acids with the same chemical properties may have significantly different binding energies for specific target molecules. As a result, various reactivity can be obtained in amino acid receptors. Various reactivity plays an important role in the characteristics of electronic noses.
5)폐암 딥러닝 분석5) Lung cancer deep learning analysis
호흡기 질환의 유무는 D2 pNose로 얻은 패턴에 딥러닝 기법을 적용하여 분류할 수 있다. 폐암 환자와 건강한 피험자의 호기는 추가 치료 없이 수집되었다. 수집된 호흡(200mL)를 D2 pNose 장치가 위치한 폐쇄된 챔버에 주입했다. 도 4 및 도 5는 D2 pNose가 사람의 호흡에 노출된 결과 지문 패턴을 보여준다(왼쪽 : 건강한 대상, 오른쪽 : 폐암 환자, 원시 데이터는 도 10). 폐암 환자와 건강한 피험자 사이의 호흡 조성의 차이는 미묘하여 결과적으로 도 14(b)의 패턴 간에 명백한 차이를 찾기 어렵다. 따라서 RGB 데이터에서 패턴을 찾기 위해 딥러닝 접근 방식이 사용되었다. 딥러닝은 대규모 다층 신경망을 통해 인간 두뇌의 메커니즘을 모방하는 기계 학습 기술이다. 많은 수의 레이어가 높은 수준의 추상화를 허용하므로, 복잡한 환경에서 수집된 데이터 표현을 학습할 수 있다. 본 발명에서는 딥러닝 모델로 CNN(Convolutional Neural Network) 모델을 사용했다. 본 발명에 따라 학습을 실시하였을 때 CNN 모델은 5겹 교차 검증에서 75.15%의 정확도를 달성했다. 폐암 환자와 건강한 피험자 모두에 대해 더 많은 데이터를 사용할 수 있게 됨에 따라 모델의 정확도가 더 높아질 것으로 기대한다.The presence or absence of respiratory disease can be classified by applying deep learning techniques to the pattern obtained with D2 pNose. Exhaled air from lung cancer patients and healthy subjects was collected without additional treatment. Collected breath (200 mL) was injected into a closed chamber where the D2 pNose device was located. Figures 4 and 5 show fingerprint patterns resulting from exposure of D2 pNose to human breath (left: healthy subject, right: lung cancer patient, raw data in Figure 10). The differences in breath composition between lung cancer patients and healthy subjects are subtle, and as a result, it is difficult to find obvious differences between the patterns in Figure 14(b). Therefore, a deep learning approach was used to find patterns in RGB data. Deep learning is a machine learning technology that mimics the mechanisms of the human brain through large-scale multi-layer neural networks. The large number of layers allows for a high level of abstraction, making it possible to learn representations of data collected in complex environments. In the present invention, a CNN (Convolutional Neural Network) model was used as a deep learning model. When trained according to the present invention, the CNN model achieved an accuracy of 75.15% in 5-fold cross-validation. As more data becomes available for both lung cancer patients and healthy subjects, we expect the model's accuracy to increase further.
6) 신경 패턴 분리(NPS)6) Neural Pattern Separation (NPS)
D2 pNose를 NPS 방법과 통합하면 호흡 기반 호흡기 질환 감지를 위한 수용체 개발에 유리하다. 진공(또는 불활성 매트릭스)에서 표적 물질과 반응하는 수용체는 1:1 반응을 나타내므로 화학적 시뮬레이션을 통해 쉽게 예측할 수 있다. 그러나 인간의 호흡의 구성은 매우 복잡하고 질병으로 인한 이 구성의 차이는 미미하다. 다양한 스크리닝 효과는 정보가 없고 중복되는 반응을 일으켜 적절한 수용체를 찾기 어렵다. 또한 E-nose는 수용체 간 상호작용이 있는 수용체로 구성되어 있으므로 단순한 반응성 비교를 통해 최적의 구성으로 설계하는 것이 어렵다. 따라서 이러한 20가지 유형의 파지 센서에 NPS 방법을 적용하는 것은 호흡과 같은 복잡한 환경에서 미세한 표적을 감지하는 데 적합한 수용체를 발견하는 유망한 방법이다. 분석은 이론적인 모델이 아닌 실제 샘플 노출을 기반으로 수행된다. D2 pNose 에서 생성된 패턴에 대한 (hierarchical clustering analysis) 결과는 도 15과 같으며 분류 성공률은 62.9% 이다. 딥러닝과 달리 HCA는 D2 pNose의 다양하고 복잡한 반응성을 정제할 수 없어 분류 성공률이 낮다. NPS는 E-nose 데이터에 대한 신경계의 학습 및 인지 과정의 메커니즘이다. 도 9는 NPS를 통해 계산된 분류 성공 점수(CSS)의 산란을 보여준다(계산 알고리즘은 도 18이다). 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, NPS는 건강한 대상과 폐암 환자 간의 차이에 가장 민감한 센서 요소를 식별한다. 도 8에 나타난 바와 같이, NPS를 사용한 분류 성공률은 87%이며 패턴 분리가 좋다. 선택된 파지 유전형(센서 요소)은 히스티딘(His), 발린(Val), 아스파르트산(Asp), 글루탐산(Glu), 세 린(Ser), 글루타민(Gln) 및 아스파라긴(Asn)이다.Integrating D2 pNose with the NPS method is advantageous for developing receptors for detection of breathing-based respiratory diseases. Receptors that react with target substances in a vacuum (or inert matrix) exhibit a 1:1 reaction and can be easily predicted through chemical simulation. However, the composition of human breathing is very complex, and differences in this composition due to disease are minimal. Various screening effects are uninformative and cause overlapping reactions, making it difficult to find appropriate receptors. Additionally, because E-nose is composed of receptors with interactions between receptors, it is difficult to design it into an optimal configuration through simple comparison of reactivity. Therefore, applying the NPS method to these 20 types of phage sensors is a promising method to discover receptors suitable for detecting microscopic targets in complex environments such as respiration. The analysis is performed based on actual sample exposure rather than a theoretical model. The results of (hierarchical clustering analysis) for the pattern generated in D2 pNose are shown in Figure 15, and the classification success rate is 62.9%. Unlike deep learning, HCA cannot refine the diverse and complex reactivity of D2 pNose, resulting in a low classification success rate. NPS is a mechanism of the nervous system's learning and recognition process for E-nose data. Figure 9 shows the scattering of classification success scores (CSS) calculated through NPS (the calculation algorithm is in Figure 18). As shown in Figures 6 and 7, NPS identifies sensor elements that are most sensitive to differences between healthy subjects and lung cancer patients. As shown in Figure 8, the classification success rate using NPS is 87% and pattern separation is good. The selected phage genotypes (sensor elements) are histidine (His), valine (Val), aspartic acid (Asp), glutamic acid (Glu), serine (Ser), glutamine (Gln), and asparagine (Asn).
NPS를 이용한 분류 결과는 폐암 환자의 검사 결과와 좋은 상관관계를 보였다. 환자 2, 4, 12, 14, 25 및 28은 건강한 대상 그룹으로 잘못 분류되었다. 이 중 환자 12, 14, 25는 종양이 모두 상엽에 위치하며 말초 병변으로 호흡 수집에 제한이 있는 것으로 나타났다. 이러한 결과는, 도 16에 나타난 바와 같이, 폐암 환자들 사이에서도 다양한 특성이 혼합되어 있음을 보여주고, 이는 딥러닝 기반 분류에 걸림돌이 되는 반면 건강한 사람은 2명(38명, 54명) 만이 폐암 환자군으로 오분류 됐다. 건강한 피험자의 호흡 특징이 폐암 환자의 호흡 특징보다 더 간단하다는 것이 믿기 어렵다. 대신 NPS를 기반으로 한 선택적 E-nose는 패턴 분리 를 통해 두 그룹 간의 구분을 명확하게 할 수 있음을 결과를 제시한다. 이 결과는 NPS가 사람의 호흡 기반 측정용 E-nose 개발에 성공적으로 적용될 수 있음을 증명한다. 또한, 폐암 환자에 대한 임상 결과를 보면 수집한 호흡 샘플의 특징이 너무 다양하다는 것을 알 수 있다. 각 특징을 나타내는 호흡 샘플의 수를 충분히 늘릴 수 있다면 학습 기반 검증 확률을 달성할 수 있다.The classification results using NPS showed a good correlation with the test results of lung cancer patients. Patients 2, 4, 12, 14, 25, and 28 were misclassified as healthy subjects. Among these, patients 12, 14, and 25 had tumors located in the upper lobe and were peripheral lesions, which limited respiratory collection. These results, as shown in Figure 16, show that various characteristics are mixed even among lung cancer patients, which is an obstacle to deep learning-based classification, while only 2 healthy people (38 and 54) had lung cancer. was misclassified as a patient group. It is difficult to believe that the breathing characteristics of healthy subjects are simpler than those of lung cancer patients. Instead, the results show that selective E-nose based on NPS can clearly distinguish between the two groups through pattern separation. These results demonstrate that NPS can be successfully applied to the development of E-nose for human respiration-based measurement. Additionally, clinical outcomes for lung cancer patients show that the characteristics of collected breath samples are extremely variable. If the number of breath samples representing each feature can be sufficiently increased, learning-based verification probability can be achieved.
실험예Experiment example
1) 실험 참가자1) Experiment participants
merican Joint Committee on Cancer Staging Manual의 제8판에 근거한 모든 병기의 비소세포폐암(NSCLC) 또는 소세포폐암(SCLC)이 있는 환자 및 등록된 모든 환자가 분석에 포함되었다. 이 환자들은 호흡 샘플링 전에 암 치료를 받은 적이 없다. 건강한 대조군은 부산대학교 캠퍼스 광고를 통해 모집되었으며 흉부 X-선에서 폐암 음성이어야 한다. 현재 흡연 습관 및 흡연 이력에 대한 정보를 팩년 단위로 수집하고 보고했다. 금연은 지난 3개월 동안 금연한 것으로 정의하였다. 측정은 호흡기내과 내 기관지경 준비실에서 시행하였다. 폐암 환자(n = 31)와 건강한 참가자(n = 31)가 이 연구에 포함되었다. 폐암 환자 및 건강한 지원자의 연구 모집단의 임상 특성은 각각 표 1, 표 2 및 도 11에 나열되어 있다. 이 연구는 프로토콜 no. 04-2018-035 및 헬싱키 선언에 따라 수행되었다. 모든 환자는 이 연구에 포함되기 전에 사전 동의를 제공했다. 이 연구에서 분석된 샘플은 호기 가스 분석을 위해 전향적으로 수집되었다.Patients with any stage of non-small cell lung cancer (NSCLC) or small cell lung cancer (SCLC) based on the 8th edition of the American Joint Committee on Cancer Staging Manual and all enrolled patients were included in the analysis. These patients had not received cancer treatment prior to breath sampling. Healthy controls were recruited through advertisements on the Pusan National University campus and must be negative for lung cancer on chest X-ray. Information on current smoking habits and smoking history was collected and reported on a pack-year basis. Smoking cessation was defined as quitting smoking in the past 3 months. Measurements were performed in the bronchoscopy preparation room within the Department of Respiratory Medicine. Lung cancer patients (n = 31) and healthy participants (n = 31) were included in this study. The clinical characteristics of the study populations of lung cancer patients and healthy volunteers are listed in Table 1, Table 2, and Figure 11, respectively. This study was conducted under protocol no. 04-2018-035 and was performed in accordance with the Declaration of Helsinki. All patients provided informed consent before inclusion in this study. Samples analyzed in this study were prospectively collected for exhaled gas analysis.
형질characteristics 건강한 통제healthy control 폐암lung cancer
과목 (명)
중간 나이 (y)
성별 (남성)
현재 흡연율 (%)
평균 팩 (년)
Subject name)
median age (y)
Gender (male)
Current smoking rate (%)
Average pack (year)
31
40
13 (43.3%)
13 (43.3%)
25
31
40
13 (43.3%)
13 (43.3%)
25
31
67
21 (70%)
11 (36.6%)
42
31
67
21 (70%)
11 (36.6%)
42
매개변수parameter 폐암(n-=31)Lung cancer (n-=31)
종양 단계, n(%)Tumor stage, n (%) 1
2
3
4
LD
ED
One
2
3
4
L.D.
ED
10 (30%)
2 (6.6%)
6 (20%)
5 (16.7%)
3 (10%)
5 (16.7%)
10 (30%)
2 (6.6%)
6 (20%)
5 (16.7%)
3 (10%)
5 (16.7%)
조직학적 하위유형,histological subtype; n(%)
SCLC
n(%)
SCLC
8 (26.7%)
22 (73.3%)
8 (26.7%)
22 (73.3%)
비소세포폐암Non-small cell lung cancer COPD
천식
IPF
고혈압
당뇨병
COPD
asthma
IPF
High blood pressure
diabetes
5 (16.7)
2 (6.6%)
1 (3.3%)
11 (36.7%)
7 (23.3%)
5 (16.7)
2 (6.6%)
1 (3.3%)
11 (36.7%)
7 (23.3%)
2) 연구 디자인2) Research design
호기 호흡은 유럽 호흡기 학회 기술 표준 (Horv' ath et al., 2017) 의 권장 사항에 따라 폐암 환자와 건강한 피험자로부터 통제된 방식으로 수집되었다. 간단히 말해서, 모든 참가자는 호흡 샘플링 전에 환기가 잘되는 기관지 내시경 준비실에서 최소 8시간 동안 금식하고 최소 10분 동안 휴식을 취해야 했다. 기관지경 검사 전 아침 9:00~11:00 사이에 호기를 채취하였다.Expiratory respiration was collected in a controlled manner from lung cancer patients and healthy subjects according to the recommendations of the European Respiratory Society technical standards (Horv'ath et al., 2017). Briefly, all participants were required to fast for at least 8 hours and rest for at least 10 minutes in a well-ventilated bronchoscopy preparation room before breath sampling. Exhaled air was collected between 9:00 and 11:00 in the morning before bronchoscopy.
참가자들은 일회용 마우스피스를 통해 5분 동안 부드럽게 숨을 들이쉬고 내쉬도록 지시받았다. 이 마우스피스에는 박테리아 및 바이러스에 의한 오염을 방지하기 위한 미립자 억제 필터가 있다. 참가자의 입술은 항상 마우스피스로 막고 있어야 하며 참가자는 입으로만 호흡하도록 요청했다. 이 연구에서 피험자들은 200ml Tedlar 샘플링 백에 지속적으로 숨을 내쉬었다. 이러한 수집을 수행해도 정기적인 진단 작업이 지연되지 않는다. 환자는 E-nose 분석에서 개별 진단 결과를 받지 못했다.Participants were instructed to breathe gently in and out through a disposable mouthpiece for 5 minutes. This mouthpiece has a particle suppression filter to prevent contamination by bacteria and viruses. Participants' lips must be covered with a mouthpiece at all times, and participants are asked to breathe only through their mouths. In this study, subjects continuously exhaled into a 200ml Tedlar sampling bag. Performing this collection does not delay routine diagnostic work. The patient did not receive individual diagnostic results from the E-nose analysis.
3) D2 pNose 의 안정성 및 재현성 3) Stability and reproducibility of D2 pNose
장기 안정성과 관련하여 D2 pNose의 감지 부분은 나노 섬유 구조이므로 장기적인 물리적 안정성에는 문제가 없다. 이 물리적 구조의 색상 변화는 굴절률과 나노 번들의 크기에만 의존한다. 접촉에 의한 스크래치는 전반적인 기능 유지에 영향을 미치지 않는다. 화학적 안정성 측면에서 D2 pNose는 염료를 기반으로 하지 않는다. 또한 아세톤에 대한 화학적 안정성이 확인되었다. 파지 색상 센서는 표적 분자와 파지 표면의 기능성 펩타이드 간의 결합을 기반으로 한다. 밀폐된 공간에서 표적 분자의 농도가 유지되면 반응이 안정적이다. 그러나 분자 기능 펩타이드의 결합 에너지가 크지 않기 때문에 공기 순환이 있을 때 결합이 쉽게 분리된다.Regarding long-term stability, the sensing part of D2 pNose is a nanofiber structure, so there is no problem with long-term physical stability. The color change of this physical structure depends only on the refractive index and the size of the nanobundles. Scratches from contact do not affect overall functionality. In terms of chemical stability, D2 pNose is not dye-based. Additionally, chemical stability to acetone was confirmed. Phage color sensors are based on the binding between target molecules and functional peptides on the phage surface. If the concentration of the target molecule is maintained in a closed space, the reaction is stable. However, because the binding energy of the molecular functional peptide is not large, the bond is easily separated when air circulates.
4) Deep Insight 방법을 사용한 CNN의 데이터 준비 및 훈련4) Data preparation and training of CNN using Deep Insight method
이 작업에 사용된 데이터 세트는 샘플당 60개의 고유한 기능(3개의 RGB 값 x 20개의 파지 필름)과 558개의 샘플(3개의 시험 x 3개의 추출 위치 x 62명의 대상)으로 구성되었다. 이 데이터 세트는 무작위로 섞인 후 훈련 및 테스트를 위해 모든 샘플의 각각 80% 및 20%를 포함하는 두 개의 하위 집합으로 나뉜다. CNN 모델은 입력으로 이미지가 필요하므로 각 특징 벡터는 도 17(a) 와 같이 DeepInsight 방법 (Sharma et al., 2019)을 사용하여 이미지로 변환되었다. 데이터 세트는 먼저 60개의 샘플 벡터로 분할되었으며, 각각은 동일한 종류의 기능과 샘플 크기(m = 558)와 동일한 차원 수를 포함한다. 그런 다음 샘플 벡터를 유사도별로 그룹화하는 차원 축소 방법을 사용하여 샘플 벡터를 2D 평면에 투영했다. 특히, 저차원 임베딩과 고차원 데이터의 결합 확률을 최소화하여 임베딩 평면을 결정하는 t-SNE(t-distributed stochastic Neighbor Embedding) 방법24이 사용되었다. 다음으로 모든 투영된 샘플 벡터를 포함하는 가장 작은 직사각형 경계는 투영된 샘플 벡터의 좌표를 선형 비례로 이미지 픽셀에 매핑하는 것으로 나타났다. 결과 이미지에는 데이터 세트의 고유한 기능에 매핑된 60픽셀이 포함되었고 나머지 픽셀은 0으로 채워졌다.The dataset used in this work consisted of 558 samples (3 trials x 3 extraction locations x 62 subjects) with 60 unique features per sample (3 RGB values x 20 phage films). This dataset is randomly shuffled and then divided into two subsets containing 80% and 20% of all samples, respectively, for training and testing. Since the CNN model requires an image as an input, each feature vector was converted to an image using the DeepInsight method (Sharma et al., 2019), as shown in Figure 17(a). The data set was first split into 60 sample vectors, each containing the same kind of features and the same number of dimensions as the sample size (m = 558). The sample vectors were then projected onto a 2D plane using a dimensionality reduction method that groups the sample vectors by similarity. In particular, the t-SNE (t-distributed stochastic neighbor embedding) method24 was used, which determines the embedding plane by minimizing the probability of combining low-dimensional embedding and high-dimensional data. Next, the smallest rectangular boundary containing all projected sample vectors was found to map the coordinates of the projected sample vectors linearly proportionally to the image pixels. The resulting image contained 60 pixels mapped to unique features in the dataset, with the remaining pixels filled with zeros.
CNN 모델의 간단한 개략도가 도 17(b)에 나와 있다. 20 × 20 픽셀의 입력 이미지는 2개의 병렬 CNN 구조에 공급되었으며, 각각에는 2개의 컨볼루션 레이어와 배치 정규화 및 ReLU 기능이 있다. Max pooling layer는 첫 번째 convolutional layer 뒤에도 존재했다. 두 번째 컨볼루션 계층의 출력을 연결하여 단일 완전 연결 계층으로 전달하고 softmax 함수를 사용하여 완전 연결 계층의 출력을 악성 확률로 변환했다. CNN 모델의 가중치를 업데이트하기 위해 기울기가 역전파되는 교차 엔트로피 손실 함수를 사용하여 예측된 레이블과 실제 레이블 간의 오류를 평가했다. 실제로 무작위로 섞인 데이터 세트에서 이미지 배치를 선택하고 반복할 때마다 CNN 모델에 공급했으며 Adam 최적화 프로그램이 가중치를 최적화했다. CNN 모델의 훈련 및 테스트는 2-core/4-thread 프로세서(Intel Xeon, 2.5GHz) 가 탑재된 서버에서 진행되었으며, CNN 모델 구축에는 PyTorch v1.3.1을 사용하였다.A simple schematic of the CNN model is shown in Figure 17(b). An input image of 20 × 20 pixels was fed into two parallel CNN structures, each with two convolutional layers and batch normalization and ReLU functions. Max pooling layer also existed after the first convolutional layer. The output of the second convolutional layer was concatenated and passed to a single fully connected layer, and the output of the fully connected layer was converted to a malignancy probability using the softmax function. To update the weights of the CNN model, we evaluated the error between the predicted and actual labels using a cross-entropy loss function with backpropagated gradients. In fact, we selected a batch of images from a randomly shuffled dataset and fed it to the CNN model at each iteration, and the Adam optimizer optimized the weights. Training and testing of the CNN model were conducted on a server equipped with a 2-core/4-thread processor (Intel Xeon, 2.5GHz), and PyTorch v1.3.1 was used to build the CNN model.
채널 수와 각 컨볼루션 레이어의 필터 크기로 구성된 CNN 모델의 하이퍼 매개변수는 베이지안 최적화 기술을 사용하여 조정되었다. 데이터 크기가 작기 때문에 채널 수에 대한 검색 공간은 20-60으로 제한되었고 첫 번째 컨볼루션 레이어의 필터 크기는 1-5로, 두 번째 컨볼루션 레이어의 필터 크기는 1로 제한되었다. 하이퍼파라미터의 성능은 5겹 교차 검증 방법을 사용하여 평가되었다. 데이터 세트는 무작위로 섞이고 이후에 총 샘플의 4/5 및 1/5을 포함하는 훈련 세트와 검증 세트로 나뉜다. 검증 세트는 훈련된 CNN 모델의 정확도를 결정하는 데 사용되었으며 이 절차는 각각 다른 검증 세트로 5회 반복되었다. 이 절차의 평균 정확도는 베이지안 최적화 기술을 사용하여 다음 최적의 하이퍼 매개변수 세트를 찾는 데 사용되었으며 최상의 하이퍼 매개변수 세트는 향후 교육을 위해 저장되었다. Adam 옵티마이저의 학습률도 LRFinder 방법25으로 미세 조정되었다.The hyperparameters of the CNN model, consisting of the number of channels and the filter size of each convolutional layer, were adjusted using Bayesian optimization techniques. Due to the small data size, the search space for the number of channels was limited to 20-60, the filter size of the first convolutional layer was limited to 1-5, and the filter size of the second convolutional layer was limited to 1. The performance of hyperparameters was evaluated using a 5-fold cross-validation method. The data set is randomly shuffled and subsequently divided into a training set and a validation set containing 4/5 and 1/5 of the total samples. The validation set was used to determine the accuracy of the trained CNN model and this procedure was repeated five times, each with a different validation set. The average accuracy of this procedure was used to find the next optimal set of hyperparameters using Bayesian optimization techniques, and the best set of hyperparameters was saved for future training. The learning rate of the Adam optimizer was also fine-tuned using the LRFinder method25.
훈련 단계에서 우리는 첫 번째 컨볼루션 레이어가 28개의 채널과 상단 및 하단 CNN 브랜 치에 대해 각각 5와 3의 필터 크기를 갖고 두 번째 컨볼루션 레이어가 있는 CNN 모델을 발견했다. 컨볼루션 레이어에는 46개의 채널이 있고 상단 및 하단 CNN 분기에 대해 각각 3 및 5의 필터 크기가 최상의 결과를 산출했다.In the training phase, we found a CNN model where the first convolutional layer had 28 channels and a filter size of 5 and 3 for the top and bottom CNN branches, respectively, and the second convolutional layer had 28 channels. The convolutional layer had 46 channels, and filter sizes of 3 and 5 for the top and bottom CNN branches, respectively, yielded the best results.
16, 32, 64의 배치 크기와 1부터 20까지의 epoch 수도 테스트했으며, 32개의 이미지와 11개의 epoch로 구성된 배치 크기로 훈련된 모델이 최고의 성능을 보였다. Adam 옵티마이저의 최적 학습률은 5104 인 것으로 나타났다. 이 구성으로 5겹 교차 검증을 10회 반복한 후 모델은 75.15 ± 1.26%의 평균 정확도를 보여주었다.Batch sizes of 16, 32, and 64 and the number of epochs from 1 to 20 were also tested, and the model trained with a batch size of 32 images and 11 epochs performed best. The optimal learning rate of the Adam optimizer was found to be 5104. After 10 iterations of 5-fold cross-validation with this configuration, the model showed an average accuracy of 75.15 ± 1.26%.
5) NPS 분석5) NPS analysis
E-nose에서 생성된 신호는 코딩 공간에 투영되어 특정 패턴을 생성한다. 사람의 호흡을 기반으로 한 진단 시스템으로 E-nose를 사용하는 데 있어 주요 장애물은 아래에 설명되어 있다. 건강한 피험자와 폐암 환자 사이의 호흡 조성의 차이는 미미하다. 결과적으로 건강한 피험자와 환자의 호흡 샘플에 전자 코가 노출되면 코딩 공간에서 생성된 패턴이 겹친다. NPS 방법은 포유류 후각 신경계의 기억 및 학습 과정의 기초가 되는 패턴 분리 메커니즘을 E-nose에 이식하는 데 사용되는 계산 방법이다. NPS는 이러한 패턴 분리를 모방하기 위해)의 도움으로 E-nose는 호흡 구성의 미묘한 차이에 더 민감하게 반응하는 법을 배운다. 인간의 호흡 샘플에 대한 D2 pNose 의 측정 데이터는 1 × 60 매트릭스(20개의 유전자 유형 x 3개의 RGB 값)로 표현되었다. 20자리 이진수는 20개 필름 어레이의 가능한 모든 구성을 나타낸다. 각 숫자에서 "1'' 은 해당 위치에 해당하는 센서 유닛이 활성화되었음을 나타내고, "0'' 은 비활성화되었음을 나타낸다. 모든 센서 장치가 활성화되면 [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1] 로 표시된다. n 단위 배열의 NPS 샘플 크기는 (2n-1)이다. 1을 빼는 이유는 모든 센서 유닛이 비활성화된 구성(모두 '0')이 NPS 분석에 포함되지 않기 때문이다. HCA는 메서드를 구현하는 MATLAB 코드를 통해 1,048,575개의 데이터 세트(220-1)에 대해 수행되었다. 본 연구의 den drogram은 표준화된 Euclidean distance와 Ward's linkage 방법을 기반으로 HCA를 통해 얻어졌다. CSS는 MATLAB의 '클러스터' 함수에 의해 출력된 클러스터 번호를 기반으로 계산되었다.The signal generated from the E-nose is projected into the coding space to generate a specific pattern. The main obstacles to using E-nose as a diagnostic system based on human breathing are described below. Differences in breath composition between healthy subjects and lung cancer patients are minimal. As a result, when the electronic nose is exposed to breath samples from healthy subjects and patients, the patterns generated in the coding space overlap. The NPS method is a computational method used to transplant the pattern separation mechanism, which is the basis of the memory and learning process of the mammalian olfactory nervous system, into the E-nose. With the help of the NPS (to mimic this pattern separation), the E-nose learns to be more sensitive to subtle differences in respiratory configuration. Measurement data of D2 pNose for human breath samples were expressed as a 1 × 60 matrix (20 gene types × 3 RGB values). The 20 binary digits represent all possible configurations of the 20 film array. In each number, "1'' indicates that the sensor unit corresponding to that location is activated, and "0'' indicates that it is deactivated. When all sensor devices are activated, [1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1] is displayed. The NPS sample size for an array of n units is (2n-1). The reason for subtracting 1 is that configurations where all sensor units are disabled (all '0') are not included in the NPS analysis. HCA was performed on 1,048,575 data sets (220-1) through MATLAB code implementing the method. The den drogram in this study was obtained through HCA based on the standardized Euclidean distance and Ward's linkage method. CSS was calculated based on the cluster number output by the 'cluster' function in MATLAB.
기본 규칙은 측정된 사람의 호흡 샘플이 올바른 클러스터에 할당되면 CSS 값이 증가하고 그렇지 않으면 CSS가 감소한다는 것이다. 도 18은 이 알고리즘을 보여준다.The basic rule is that if the measured human breath sample is assigned to the correct cluster, the CSS value increases, otherwise the CSS decreases. Figure 18 shows this algorithm.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명은 M13 박테리오파지에 기반한 폐암 진단용 센서 및 검출 시스템에 관한 것으로, 타겟 물질과 반응하여 컬러 변화를 바로 확인할 수 있어 폐암을 육안으로 확인이 용이하고 직관적으로 검출할 수 있는 효과가 있다.As a means of solving the above problem, the present invention relates to a sensor and detection system for lung cancer diagnosis based on M13 bacteriophage, which can immediately confirm the color change in response to the target material, making it easy to visually check and intuitively detect lung cancer. There is an effect.
또한, 본 발명은 검체를 호흡으로 하여 타겟 물질을 확인할 수 있어 기존의 폐암 검출의 번거로운 기기나 방법 없이 쉽게 적용 가능하여 시간과 비용을 절약할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention can identify the target substance by breathing the sample, so it can be easily applied without the cumbersome devices or methods of existing lung cancer detection, which has the effect of saving time and cost.
또한, 본 발명은 신속하고 현장에서 적용 가능하며 휴대용 비대면 선별 검사가 가능한 진단방법을 제시하여 코로나19와 같은 유행성 질병에 적극적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention provides a diagnostic method that is quick, applicable in the field, and capable of portable non-face-to-face screening, so it can be actively used for pandemic diseases such as COVID-19.
또한, 본 발명은 기존의 전자코에 비해 본 발명의 전자코 시스템은 100만개의 리셉터 경우의 수를 갖고 있어 민감도가 탁월한 센서로 체외 진단 의료 기기에 적용 가능한 전자코 센서이며, 인공 지능 모델을 반영하여 다양한 임상에 의한 학습 효과로 민감도와 특이도가 증가 될 수 있다.In addition, compared to the existing electronic nose, the electronic nose system of the present invention has a number of receptors of 1 million, so it is an electronic nose sensor that can be applied to in vitro diagnostic medical devices as a sensor with excellent sensitivity, and reflects an artificial intelligence model. Therefore, sensitivity and specificity can be increased due to the learning effect from various clinical trials.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.As such, a person skilled in the art will understand that the technical configuration of the present invention described above can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive, and the scope of the present invention is indicated by the claims described later rather than the detailed description above, and the meaning and scope of the claims and their All changes or modified forms derived from the equivalent concept should be construed as falling within the scope of the present invention.

Claims (8)

  1. 베이스 기재 상에 M13 박테리오파지가 배열되고,M13 bacteriophage is arranged on the base substrate,
    상기 M13 박테리오파지와 폐암 환자의 호흡 부산물이 반응하여 컬러가 변화하되,The color changes as the M13 bacteriophage reacts with the lung cancer patient's respiratory by-products,
    상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
    글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 발린(Valine), 프롤린(Proline), 이소루신(Isoleucine), 루신(Leucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Trypthophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 티로신(Tyrosine), 리신(Lysine), 알지닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 세린(serine), 스레오닌(Theronine) 및 시스테인(Cysteine)인 20개의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 센서.Glycine, Alanine, Valine, Proline, Isoleucine, Leucine, Methionine, Tryptophan, Phenylalanine, Tyrosine , Lysine, Arginine, Histidine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Asparagine, Glutamine, Serine, Threonine An electronic nose sensor for lung cancer diagnosis, characterized in that it contains 20 amino acid sequences of (Theronine) and Cysteine.
  2. 제 1항에 있어서,According to clause 1,
    상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
    상기 20개의 아미노산 중 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 센서.Among the 20 amino acids, it includes the amino acid sequences of Histidine, Valine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Serine, Glutamine, and Asparagine. An electronic nose sensor for lung cancer diagnosis, characterized in that:
  3. 제 1항에 있어서,According to clause 1,
    상기 폐암 환자의 호흡 부산물은,The respiratory by-products of the lung cancer patient are,
    4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one) 중 적어도 어느 하나 이상과 반응하여 컬러가 변화하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 센서.4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, 2-Ethyl-4-methyl-1pentanol -1pentanol), 2,3,4-trimethyl-pentane (2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-Dimethyl-hexane (2,3-Dimethyl-hexane), 3-ethyl-3-methyl- 2-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one, 2 -Propyl-1-pentanol (2-Propyl-1-pentanol), 6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one ) An electronic nose sensor for lung cancer diagnosis, characterized in that the color changes in response to at least one of the following.
  4. 베이스 기재 상에 M13 박테리오파지가 배열된 전자코 센서가 마련된 센싱부;A sensing unit provided with an electronic nose sensor in which M13 bacteriophages are arranged on a base substrate;
    상기 센싱부와 연결되고, 상기 전자코 센서가 미지 물질과 반응하여 컬러 변화를 나타내는 경우에 광학 데이터를 얻는 광학데이터획득부; 및An optical data acquisition unit connected to the sensing unit and obtaining optical data when the electronic nose sensor reacts with an unknown substance and shows a color change; and
    상기 광학데이터획득부와 연결되고, 상기 미지 물질에 의한 광학 데이터를 이미 저장하고 있는 타겟 물질별 저장 데이터와 비교하여 상기 전자코 센서와 반응한 미지 물질을 타겟 물질 중 어느 하나로 식별하는 판단부;를 포함하되,A determination unit connected to the optical data acquisition unit and identifying the unknown substance reacting with the electronic nose sensor as one of the target substances by comparing the optical data for the unknown substance with stored data for each target substance that has already been stored; Including,
    상기 센싱부는 상기 M13 박테리오파지와 상기 미지물질인 폐암 환자의 호흡 부산물이 반응하여 컬러가 변화하고,The color of the sensing unit changes as the M13 bacteriophage reacts with the unknown substance, a respiratory by-product of a lung cancer patient,
    상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
    글리신(Glycine), 알라닌(Alanine), 발린(Valine), 프롤린(Proline), 이소루신(Isoleucine), 루신(Leucine), 메티오닌(Methionine), 트립토판(Trypthophan), 페닐알라닌(Phenylalanine), 티로신(Tyrosine), 리신(Lysine), 알지닌(Arginine), 히스티딘(Histidine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 아스파라긴(Asparagine), 글루타민(Glutamine), 세린(serine), 스레오닌(Theronine) 및 시스테인(Cysteine)인 20개의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 시스템.Glycine, Alanine, Valine, Proline, Isoleucine, Leucine, Methionine, Tryptophan, Phenylalanine, Tyrosine , Lysine, Arginine, Histidine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Asparagine, Glutamine, Serine, Threonine An electronic nose system for lung cancer diagnosis, characterized in that it contains 20 amino acid sequences of (Theronine) and Cysteine.
  5. 제 4항에 있어서,According to clause 4,
    상기 M13 박테리오파지는,The M13 bacteriophage,
    상기 20개의 아미노산 중 히스티딘(Histidine), 발린(Valine), L-아스파트산(Aspartic acid), 글루탐산(Glutamic acid), 세린(serine), 글루타민(Glutamine) 및 아스파라긴(Asparagine)의 아미노산 서열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 시스템.Among the 20 amino acids, it includes the amino acid sequences of Histidine, Valine, L-Aspartic acid, Glutamic acid, Serine, Glutamine, and Asparagine. An electronic nose system for lung cancer diagnosis, characterized in that:
  6. 제 4항에 있어서,According to clause 4,
    상기 폐암 환자의 호흡 부산물은,The respiratory by-products of the lung cancer patient are,
    4-메틸-옥탄(4-Methyl-octane), 2-에틸-1-헥산올(2-Ethyl-1-hexanol), 2-에틸-4-메틸-1펜탄올(2-Ethyl-4-methyl-1pentanol), 2,3,4-트리메틸-펜탄(2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-디메틸-헥산(2,3-Dimethyl-hexane), 3-에틸-3-메틸-2-펜탄온(3-Ethyl-3-methyl-2-pentanone), 2-메틸-4,6-옥타디인-3-온(2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one), 2-프로필-1-펜탄올(2-Propyl-1-pentanol), 6,10-디메틸-5,9-도데카디엔-2-온(6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one) 중 적어도 어느 하나 이상과 반응하여 컬러가 변화하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 시스템.4-Methyl-octane, 2-Ethyl-1-hexanol, 2-Ethyl-4-methyl-1pentanol -1pentanol), 2,3,4-trimethyl-pentane (2,3,4-Trimethyl-pentane), 2,3-Dimethyl-hexane (2,3-Dimethyl-hexane), 3-ethyl-3-methyl- 2-Ethyl-3-methyl-2-pentanone, 2-Methyl-4,6-octadiyn-3-one, 2 -Propyl-1-pentanol (2-Propyl-1-pentanol), 6,10-Dimethyl-5,9-dodecadien-2-one ) An electronic nose system for lung cancer diagnosis, characterized in that the color changes in response to at least one of the following.
  7. 제 4항에 있어서,According to clause 4,
    상기 광학데이터획득부는,The optical data acquisition unit,
    상기 전자코 센서가 미지 물질과 반응하여 생성한 컬러 변화를 수치화 하기 위해 색상 요소(R, G, B)로 구성된 거리 벡터를 핑거 프린팅 패턴으로 플로팅한 데이터인 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 시스템.An electronic nose system for lung cancer diagnosis, characterized in that the data is plotted as a fingerprint pattern of a distance vector composed of color elements (R, G, B) to quantify the color change generated by the electronic nose sensor reacting with an unknown substance. .
  8. 제 4항에 있어서,According to clause 4,
    상기 판단부에서 상기 광학 데이터를 식별은,Identifying the optical data in the determination unit,
    상기 측정된 호흡 부산물을 클러스터에 할당할 때 상기 저장 데이터와 비교하여 분류 성공 점수(CSS)의 증가 여부로 식별하는 것을 특징으로 하는, 폐암 진단용 전자코 시스템.An electronic nose system for lung cancer diagnosis, characterized in that when assigning the measured respiratory by-products to a cluster, the classification success score (CSS) increases by comparing with the stored data.
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