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미세유체소자와 디지털 홀로그래피 기술을 이용한 미생물의 3D 이미징과 세그먼테이션
3D sensing and segmentation of microorganism using microfluidic device and digital holography 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.17 no.2, 2013년, pp.447 - 452  

신동학 (동서대학교 IAI연구소) ,  이준재 (계명대학교 게임모바일콘텐츠학과)

초록
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미세유체소자(microfluidic device)는 미생물과 관련된 다양한 작업들에 대해서 정확한 제어를 제공할 수 있다. 본 논문에서는 미세유체 소자와 디지털 홀로그래피 마이크로스코피 기술로 구성된 시스템을 구성하고 미생물의 3D 이미징과 세그먼테이션을 설명한다. 각각의 미생물은 미세유체 채널을 통하여 흘러가며 홀로그래피 마이크로스코피가 홀로그램을 기록한다. 기록된 홀로그램은 Fresnel 변환을 통하여 컴퓨터적으로 복원되며, 복원된 영상의 위상성분을 이용하여 미생물의 위치 정보를 찾기 위한 세그먼테이션을 수행한다. 제안하는 방법의 유용함을 설명하기 위하여 광학 실험을 수행하고 그 결과를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Microfluidic devices can offer precise control for a verity of tasks involving biological specimen. In this paper, we propose an integrated system consisting of a microfluidic device along with a digital holographic microscope and present three-dimensional (3D) sensing and segmentation of biological...

주제어

#미세유체소자   #디지털 홀로그래피   #미생물   #세그먼테이션  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 이 결과에서 보여 지듯이 위상 영상이 세기 영상에 비해 더 선명하게 복원됨을 알 수 있다. 따라서 본 논문에서는 이들 위상 영상을 이용하여 미생물의 세그먼테이션을 수행한다.
  • 미생물의 인식이나 식별을 위해서는 세그먼테이션 과정이 필요하다. 본 논문에서는 디지털 홀로그램으로부터 복원되는 평면영상들을 이용하여 쉽게 미생물의 영역을 추출하는 방법을 설명한다. 본 논문에서 사용하는 복원 평면 영상은 홀로그램으로부터 재생되는 위상 영상들이다.
  • 본 논문에서는 미세유체 소자와 디지털 홀로그래피 마이크로스코피 기술로 구성된 시스템을 구성하고 미생물의 3D 이미징과 세그먼테이션에 대해서 설명한다. 각각의 미생물은 미세유체 채널을 통하여 흘러가며 홀로그래피 마이크로스코피 기술로 미생물에 대한 홀로그램을 기록한다.
  • 본 논문에서는 서로 다른 2 종류의 미생물에 대한 실험을 수행하였다. 그림 6은 실제 실험한 시스템의 구성을 보여준다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
홀로그래피 기술은 무엇을 만드는 문제점을 가지고 있는가? 일반적으로 홀로그래피 기술을 사용할 경우 레이저 빔을 사용하여 물체에서 나오는 빔과 평면빔을 간섭하여 영상 센서에 기록을 한다. 이 방법의 경우 스페클 영상을 만드는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 integral imaging 기술과 같은 3D passive imaging 기술은 3D 영상의 다양한 시점 영상을 획득하고 이를 이용하여 고속 3D 영상을 복원하는 기술로써 최근 새로이 시도되고 있다 [13,14].
3D 마이크로스코피 기술의 장점은? 이 홀로그래피 (holography)나 3D passive imaging 기술을 이용하는 3D 마이크로스코피 기술은 스캐닝을 사용하지 않기 때문에 one-shot으로 고속의 3D 영상을 복원할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 최근 활발히 연구되고 있다. 일반적으로 홀로그래피 기술을 사용할 경우 레이저 빔을 사용하여 물체에서 나오는 빔과 평면빔을 간섭하여 영상 센서에 기록을 한다.
3D 마이크로스코프가 3D 영상을 생성하는 두 가지 방법은? 3D 마이크로스코프는 3D 영상을 생성하는데 크게 2가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 광섹셔닝 (optical sectioning)로 불리는 기술로써 서로 다른 각도에서 3D 물체의 사영(projection)을 기록하기 위해 작은 depth of field (DOF)를 가지는 광학장치를 사용하여 연속적인 깊이 영상을 얻는다 [1,5]. 다른 방법은 홀로그래피와 같은 3D imaging 기술을 이용하여 물체의 3D 정보를 추출하는 기술이다 [6-14].
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참고문헌 (17)

  1. C. J. R. Sheppard, D. M. Shotton, "Confocal laser scanning microscopy," BIOS, Oxford, 1997. 

  2. H. Naora, "Microspectrophotometry and cytochemical analysis of nucleic acids," Science, vol. 114, pp. 279-280, 1951. 

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  3. D. M. Maurice, "A scanning slit optical microscope," Invest. Ophthalmol. vol. 13, pp. 1033-1037, 1974. 

  4. C. J. R. Sheppard, X. Mao, "Confocal microscopes with slit apertures," J. Mod. Opt. vol. 35, pp. 1169-1185, 1988. 

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  5. C. J. R. Sheppard, M. Roy, M. D. Sharma, "Image formation in low-coherence and confocal interference microscopes," Appl. Opt. vol. 43, pp. 1493-1502, 2004. 

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  6. E. Tajahuerce, O. Matoba, and B. Javidi, "Shift -invariant three-dimensional object recognition by means of digital holography," Appl. Opt. vol. 40, pp. 3877-3886, 2001. 

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  7. O. Matoba, T. J. Naughton, Y. Frauel, N. Bertaux, B. Javidi, "Real-time three-dimensional object reconstruction by use of a phase-encoded digital Hologram," Appl. Opt. vol. 41, pp. 6187-6192, 2002. 

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  8. B. Javidi, I. Moon, S. Yeom, and E. Carapezza, "Three-dimensional imaging and recognition of microorganism using single-exposure on-line (SEOL) digital holography," Opt. Express vol. 13, pp. 4492-4506, 2005. 

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  9. Y. Frauel, T. J. Naughton, O. Matoba, E. Tajahuerce, and B. Javidi, "Three-dimensional imaging and processing using computational holographic imaging," Proc. IEEE vol. 94, pp. 636-653, 2006. 

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  10. T. Nomura, S. Murata, E. Nitanai, and T. Numata, "Phase-shifting digital holography with a phase difference between orthogonal polarizations," Appl. Opt. vol. 45, pp. 4873-4877, 2006. 

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  11. B. Javidi, S. Yeom, I. Moon, and M. Daneshpanah, "Real-time automated 3D sensing, detection, and recognition of dynamic biological micro-organic events," Opt. Express vol. 14, pp. 3806-3829, 2006. 

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  12. S. Yeom, I Moon, and B. Javidi, "Real-time 3D sensing, visualization and recognition of dynamic biological micro-organisms," Proc. IEEE vol. 94, pp. 550-566, 2006. 

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  13. J.-S. Jang and B. Javidi, "Three-dimensional integral imaging of micro-objects," Opt. Lett. vol. 29, pp. 1230-1232, 2004. 

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  14. B. Javidi, I. Moon and S. Yeom, "Three-dimensional identification of biological microorganism using integral imaging," Opt. Express, vol. 14, pp. 12096- 12108, 2006. 

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  15. L. Hood, J. R. Heath, M. E. Phelps, and B. Lin "Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine," Science, vol. 306, pp. 640-643, 2004. 

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  16. D. Breslauer, P. Lee, and L. Lee, "Microfluidics-based systems biology," Mol. Syst. Biol. vol. 2, pp. 97-112, 2006. 

  17. D. Shin, M. Daneshpanah, A. Anand, and B. Javidi, "Optofluidic system for three-dimensional sensing and identification of micro-organisms with digital holographic microscopy," Opt. Lett. vol. 35, pp. 4066-4068, 2010. 

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