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문제 정의
- 하지만 발광신호의 정량화방법에는 이상에서 설명한 세 가지의 중요한 요소가 잘 반영이 되어야하는데, 발광광원의 특성, 전자결합소자의 특성, 그리고 기기의 광학적 특성이 그것이다. 이 연구에서는 이러한 세 가지 요소를 잘 고려한 발광신호 검출 방법을 제안하였다. 그리고 빛의 세기가 다른 발광영상에서 측정된 값을 팬텀을이용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 전자결합소자의 특성과 기기의 광학적 특징을 반영하여 표준화된 검출신호의 표현방법을 제안하고자 한다. 개발 중인 광학영상기 기 ALIS에서는 질소 냉각형 전자 결합 소자를 사용하고 있으며 발광영상신호의 정 량화를위해 광학적 접근 방법을 통한 정량화방법을 제안하였다
제안 방법
- 있지는 않다. 본 연구팀에 의해 개발되어 온 광학분자영상장비 (animal light imaging system, 이하 ALIS) 에서는 고민감도 전자결합소자를 사용하여 발광영상을 성공적으로 획득하였다. 하지만 발광신호의 정량화방법에는 이상에서 설명한 세 가지의 중요한 요소가 잘 반영이 되어야하는데, 발광광원의 특성, 전자결합소자의 특성, 그리고 기기의 광학적 특성이 그것이다.
- 이 연구에서는 이러한 세 가지 요소를 잘 고려한 발광신호 검출 방법을 제안하였다. 그리고 빛의 세기가 다른 발광영상에서 측정된 값을 팬텀을이용하여 분석하였다.
- 2)를 사용하고 있는 광학영상기기로국내에서 최초로 개발한 소동물 분자영상기기이다. 이 연구에서는 개발 중인 ALIS로부터 발광영상신호를 얻어 정량화 하는데 필요한 방법을 개발하여 적용하였다. 발광신호를얻기 위해서 발광박테리아(450-500nm), 플라스틱 마우스팬텀과 2종류의 Xenogen사 측정용 광원(485-565nm, 590- 680nm)을 사용하였다.
- 정량화 함수의 상수 값을 결정하고 적용하기 위하여 ALIS의 전자결합소자를 액화질소를 이용하여 -120까지온도를 낮춘 후, Nikon 렌즈의 배율을 동일하게 설정하였다. 그리고 아래와 같은 광원을 노출시간 1, 2, 3, 5, 10, 20.
-
1) 발광박테리아 실험
실험에서 얻어진 광량을 이용하여 정량화를 위한 함수의상수 값(k, a을 결정할 수 있는 값(kmax, kmin, &nax,) 들을 얻기 위하여 발광 박테리아를 사용하였으며, 발광박테리아의 수를 각각 1X109, 5xl09, 2.5X1O10 CFU (colony forming unit) 로 빛의 세기를 달리 하여 방출된 광량을 측정하였다.
- 먼저발광물질이 들어있는 플라스틱 마우스 팬텀과 xenogen 사에서 제공한 측정용 광원 중 2개를 이용하여 발광박테리아실험과 같은 방법으로 신호를 얻었다. 그리고 측정된 영상에위치와 크기가 동일한 관심 영역을 그려서 결과를 얻었다.
- 측정하였다. 같은 마우스에서 노출시간을 달리하여 5, 10, 20, 30, 60초에서 광량의 변화를 측정하고 개발한 방법을 이용하여 정량화하였다
- 측정한 임의의 시간과 측정값을 대입하여 정량화 함수의상수 값을 결정하였다. 이 상수 값들을 이용하여 발광 박테리아 실험에서 얻은 결과를 정량화하였으며 정량화 전과 후의 결과를 Fig.
- 다른 팬텀에 제안한 방법을 적용하기 위해 실험한 다른 세기를 갖는 세 광원에 대해서 광량을 측정하였다(Table 2A). 측정결과를 제시한 정량화 방법을 적용하여 정량화시키고(Fig.
- 발광박테리아 수를 달리한 세 개의 광원을 사용하여 빛의 세기를 측정하고, 노출시간에 대해서 측정된 값들이 만드는 그래프의 기울기 변화율을 구하였다. 얻어진 변화율을이용하여 표준정량화 식을 유도하였다.
- 소동물 실험에서도 광량이 선형적으로 증가하는 보정된 데이터를 얻을 수 있었다. 정량화된 값은 노출 시간에 대해 비례한 값들을 제공하였으며, 노출시간으로 나눈 광속 값은 시간에 관계없는 일정한 값을 제공하였다. 그리고 노출 시간을 10초에서 20초 이상으로 하여 측정한 값들은 10초 이하에서 측정한 값보다 일정하게 보정이 되었다.
- 이 연구에서는 렌즈의 크기 및 물체와의 거리에 대한 개념을 cd를 이용하여 단위 입체각을 기준으로 평가하려 하였다. 하지만 사방으로 방사되는 광원을 고려하면 단위 sr보다는 4% sr을 적용한 추가적인 연구가 진행될 필요가 있다.
- 위 실험에 의해 결정된 상수 값을 적용하여 세기가 다른세 개의 광원에 대해 정량화 방법을 적용하여 보았다. 먼저발광물질이 들어있는 플라스틱 마우스 팬텀과 xenogen 사에서 제공한 측정용 광원 중 2개를 이용하여 발광박테리아실험과 같은 방법으로 신호를 얻었다.
- 측정된 신호의 노출시간 1초를 기준으로 놓고 얻어진 신호는 일정한 비율을 가지고 획득되어 물리적, 수학적 방법을 이용하여 표준정 량화를 위한 정량화 식으로 유도할 수 있었다. 일정한 세기의 빛을 나타내기 위해 cd를 이용하여 신호를 표현했으며 렌즈를 통과하는 빛을 각 픽셀의 광자수로 계산하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 개발 중인 ALIS로부터 발광영상신호를 얻어 정량화 하는데 필요한 방법을 개발하여 적용하였다. 발광신호를얻기 위해서 발광박테리아(450-500nm), 플라스틱 마우스팬텀과 2종류의 Xenogen사 측정용 광원(485-565nm, 590- 680nm)을 사용하였다.
- 실험에서 사용한 총 광자 수는 관심영역에서의 얻어진 광자의 수이고, 평균 광자 수는 관심영역에서 각 픽셀 당 평균 광자 수이다. 정량화 관계식의 상수 값을 결정하기 위하여 평균 광자 수를 사용하였다.
- 얻어진 변화율을이용하여 표준정량화 식을 유도하였다. 그리고 유도된 식의검증을 위해 플라스틱 마우스 팬텀, xenogen 사에서 제공한 측정용 광원 중 2개를 선택하여 신호를 획득하였다. 유도되어진 식에 측정된 값과 노출시간을 대입하여 정량화된값이 얻어짐을 확인하였다.
데이터처리
- 광자 수이다. 정량화 관계식의 상수 값을 결정하기 위하여 평균 광자 수를 사용하였다.
이론/모형
- 종양세포(CT26) 이식 마우스 모델(dayl)을 이용하여 발광신호를 측정하였다. 같은 마우스에서 노출시간을 달리하여 5, 10, 20, 30, 60초에서 광량의 변화를 측정하고 개발한 방법을 이용하여 정량화하였다
- 그래프의 기울기 변화율을 구하였다. 얻어진 변화율을이용하여 표준정량화 식을 유도하였다. 그리고 유도된 식의검증을 위해 플라스틱 마우스 팬텀, xenogen 사에서 제공한 측정용 광원 중 2개를 선택하여 신호를 획득하였다.
성능/효과
- 3) 각각의 노출시간에 대해서 나눠준 결과는 일정한 값을 얻었다(Table 2B). 편차가 정량화하기 전보다 크게 줄었으며, cd의 의미에 부합하는 결과를 얻었다.
- 4A에서 보는 것과 같은 발광영상을 얻었으며 각각의 영상에 같은 크기와 같은 위치에 관심영역을 그려서 결과를 얻었다(Table 3). 또한 개발한 정량화 방법을 적용하여 정량화된 값을 얻었으며 (Fig. 4B) 각각의 값을 노출시간으로 나눠준 값(Fig. 4C) 의 편차가 정 량화 전에는 10.898 이었으며, 정 량화 후에는 3.026으로 보다 일정한 광량을 얻었다.
- 이 개념을 이용한 정량화 방법은 빛의 세기에 따라 전자결합소자에 인식되는 광량의 변화를 정량적으로 보여주었다. 측정된 신호의 노출시간 1초를 기준으로 놓고 얻어진 신호는 일정한 비율을 가지고 획득되어 물리적, 수학적 방법을 이용하여 표준정 량화를 위한 정량화 식으로 유도할 수 있었다. 일정한 세기의 빛을 나타내기 위해 cd를 이용하여 신호를 표현했으며 렌즈를 통과하는 빛을 각 픽셀의 광자수로 계산하였다.
- 그리고 유도된 식의검증을 위해 플라스틱 마우스 팬텀, xenogen 사에서 제공한 측정용 광원 중 2개를 선택하여 신호를 획득하였다. 유도되어진 식에 측정된 값과 노출시간을 대입하여 정량화된값이 얻어짐을 확인하였다.
- 제안한 방법을 적용한 결과 플라스틱 마우스 팬텀과 발광박테리아에서도 올바르게 보정된 정량화 결과를 도출 할 수 있었다. 소동물 실험에서도 광량이 선형적으로 증가하는 보정된 데이터를 얻을 수 있었다.
- 정량화된 값은 노출 시간에 대해 비례한 값들을 제공하였으며, 노출시간으로 나눈 광속 값은 시간에 관계없는 일정한 값을 제공하였다. 그리고 노출 시간을 10초에서 20초 이상으로 하여 측정한 값들은 10초 이하에서 측정한 값보다 일정하게 보정이 되었다.
- 본 연구에서는 측정된 발광신호의 정량화 방법을 제안하고 제안한 방법을 통해 세기가 다른 광원에 대해서 정량적인 비교/대조가 가능하며 정량적인 분석이 가능함을 보여주었다. 이와 같은 정량화 기법은 암의 조기진단, 약제 개발과 유전자/세포치료에 대한 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다 또한 제안한 방법을 다른 광학적 분자영상 장비에 적용하여 광량을 얻게 된다면 빛의 세기를 표준화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 성격이 다른 각각의 광원에 대해서도 보다 정량적인 분석을 가져다 줄 것이며, 또한 이에 더하여 하드웨어적인 광학요소를 반영하는 계속된 개발을 통해 보다 정밀한 측정결과를 제공할 것으로 생각된다.
후속연구
- 이와 같은 정량화 기법은 암의 조기진단, 약제 개발과 유전자/세포치료에 대한 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다 또한 제안한 방법을 다른 광학적 분자영상 장비에 적용하여 광량을 얻게 된다면 빛의 세기를 표준화 시킬 수 있을 뿐만 아니라 성격이 다른 각각의 광원에 대해서도 보다 정량적인 분석을 가져다 줄 것이며, 또한 이에 더하여 하드웨어적인 광학요소를 반영하는 계속된 개발을 통해 보다 정밀한 측정결과를 제공할 것으로 생각된다.
- 하지만 사방으로 방사되는 광원을 고려하면 단위 sr보다는 4% sr을 적용한 추가적인 연구가 진행될 필요가 있다.
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