스마트폰 기반 형광 smartscope의 입자계수 및 회전하는 나선형 채널의 입자정렬 성능 평가 Evaluation of Particle Counting by Smartphone-based Fluorescence Smartscope and Particle Positioning in Spinning Helical Channel원문보기
스마트폰의 영상정보처리에 기반한 현장 진단기기 개발을 목표로 입자계수용 형광 smartscope와 DC 모터로 제어되는 입자정렬 시스템을 제작하였다. 크기가 작고 저렴한 비용으로 비전문가도 쉽게 다룰 수 있는 smartscope는 LED, 볼렌즈, 형광필터가 설치된 어댑터가 스마트폰 카메라 앞에 장착되어 전용 애플리케이션으로 형광입자와 형광염색된 백혈구를 계수할 수 있었다. 모터는 안드로이드 스마트폰의 블루투스 무선통신 기능을 통해 제어되었다. 나선형 미세유동채널이 축을 중심으로 회전하는 동안 백혈구와 크기가 유사한 입자가 정렬되는 현상을 관찰하였다. 모터로 회전 방향과 속도가 조절되는 입자 정렬 시스템은 많은 시간이 소요되는 수작업을 최소화하고 시료 전처리 과정을 자동화할 수 있으므로, smartscope와 통합될 경우 스마트폰을 이용한 현장진단기기에 활용될 수 있을 것이다.
스마트폰의 영상정보처리에 기반한 현장 진단기기 개발을 목표로 입자계수용 형광 smartscope와 DC 모터로 제어되는 입자정렬 시스템을 제작하였다. 크기가 작고 저렴한 비용으로 비전문가도 쉽게 다룰 수 있는 smartscope는 LED, 볼렌즈, 형광필터가 설치된 어댑터가 스마트폰 카메라 앞에 장착되어 전용 애플리케이션으로 형광입자와 형광염색된 백혈구를 계수할 수 있었다. 모터는 안드로이드 스마트폰의 블루투스 무선통신 기능을 통해 제어되었다. 나선형 미세유동채널이 축을 중심으로 회전하는 동안 백혈구와 크기가 유사한 입자가 정렬되는 현상을 관찰하였다. 모터로 회전 방향과 속도가 조절되는 입자 정렬 시스템은 많은 시간이 소요되는 수작업을 최소화하고 시료 전처리 과정을 자동화할 수 있으므로, smartscope와 통합될 경우 스마트폰을 이용한 현장진단기기에 활용될 수 있을 것이다.
With the aim of developing a smartphone-based point-of-care device that is small, inexpensive, and easy to handle by non-expert, we designed a fluorescence smartscope for counting particles and a DC motor-controlled particle positioning system. Our smartscope can count the number of fluorescent part...
With the aim of developing a smartphone-based point-of-care device that is small, inexpensive, and easy to handle by non-expert, we designed a fluorescence smartscope for counting particles and a DC motor-controlled particle positioning system. Our smartscope can count the number of fluorescent particles and fluorescently-stained white blood cells through a phone camera with an adaptor containing a LED, a ball lens and optical filters and an application running on a smartphone. The motor was controlled wirelessly via Bluetooth with an Android smartphone. We found that axial spinning of a helical microfluidic channel allows arrangement of particles having size similar to the white blood cells. The motor-controlled particle positioning system can minimize time-consuming manual processes and automate sample preparation process and thus, if integrated with the smartscope, it can be used for a point-of-care testing device based on a smartphone.
With the aim of developing a smartphone-based point-of-care device that is small, inexpensive, and easy to handle by non-expert, we designed a fluorescence smartscope for counting particles and a DC motor-controlled particle positioning system. Our smartscope can count the number of fluorescent particles and fluorescently-stained white blood cells through a phone camera with an adaptor containing a LED, a ball lens and optical filters and an application running on a smartphone. The motor was controlled wirelessly via Bluetooth with an Android smartphone. We found that axial spinning of a helical microfluidic channel allows arrangement of particles having size similar to the white blood cells. The motor-controlled particle positioning system can minimize time-consuming manual processes and automate sample preparation process and thus, if integrated with the smartscope, it can be used for a point-of-care testing device based on a smartphone.
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문제 정의
또한 안드로이드 스마트폰의 블루투스 통신 기능을 통해 무선으로 제어되는 DC 모터를 활용하여 나선형 미세유동채널의 회전에 의한 입자의 정렬 기능을 구현하였다. 궁극적으로는 시료 카트리지에 전혈 주입 후 시료 전처리에서 분석까지의 전 과정을 자동으로 수행하는 현장진단기기 개발을 목표로 하고 있으나 본 연구에서는 각 기능을 독립적으로 수행하는 두 가지 요소 시스템 개발에 주력하였다.
본 논문에서는 HIV의 감염여부를 진단하는 현장진단기기를 목표로 두 가지 시스템을 개발하여 성능을 평가하였다. 상용 스마트폰을 활용한 영상 기반 세포분석기인 smartscope[13-14]에 형광검출 기능을 추가한 시스템을 구성하였고 시뮬레이션 프로그램을 통해 시스템의 광학적 성능을 평가한 후에 입자 계수 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 현장진단기기에 활용할 수 있는 두 가지 요소 시스템을 제안하였다. Smartscope는 휴대성이 용이하고 일상생활에서 사용하는 스마트폰을 활용하여 혈액검사를 할 수 있다는 장점을 갖는다.
현장진단은 환자가 있는 현장에서 바로 수행하여 결과를 획득해 신속한 치료를 할 수 있도록 하는 진단을 의미한다. 현장진단의 목적은 질병의 조기검진 및 더 나은 치료를 위한 환자 모니터링이다. 현장진단기기는 연구용이나 병원용 진단기기와 다르게 연구소의 전문 인력과 고가의 전문 설비를 활용하지 못하기 때문에 이용방법이 단순해야 하며 가볍고 작아야 한다.
형광 smartscope의 입자 계수 성능평가를 수행한 결과 일반 형광현미경 얻은 결과와 상관관계가 있음을 확인하였다. 현재 smartscope가 가지고 있는 한계인 시료챔버의 수동 이송 및 작은 시야크기를 보완하고자 모터로 제어되는 나선형 채널 시료챔버 시스템을 개발하였다. 나선형 채널과 모터 통합 시스템의 가장 큰 장점은 카메라의 위치를 고정시키고 모터의 회전으로 채널 전체를 촬영할 수 있다는 점이다.
제안 방법
상용 스마트폰을 활용한 영상 기반 세포분석기인 smartscope[13-14]에 형광검출 기능을 추가한 시스템을 구성하였고 시뮬레이션 프로그램을 통해 시스템의 광학적 성능을 평가한 후에 입자 계수 성능을 검증하였다. 또한 안드로이드 스마트폰의 블루투스 통신 기능을 통해 무선으로 제어되는 DC 모터를 활용하여 나선형 미세유동채널의 회전에 의한 입자의 정렬 기능을 구현하였다. 궁극적으로는 시료 카트리지에 전혈 주입 후 시료 전처리에서 분석까지의 전 과정을 자동으로 수행하는 현장진단기기 개발을 목표로 하고 있으나 본 연구에서는 각 기능을 독립적으로 수행하는 두 가지 요소 시스템 개발에 주력하였다.
시료로는 크기가 10μm인 형광입자(F8836,Invitrogen)를 10% 희석하여 사용하였으며, 혈액 10μl에 PBS(phosphate buffered saline) 185μl와 5μl 형광염료(SYTO9, Invitrogen)를 넣은 후 실온에서 20분간 반응시켜 형광염색한 백혈구를 사용하였다. 백혈구 시료는 1.25, 2.5, 3.3, 5%로 희석하여 농도 변화에 따른 입자계수 성능을 평가하였다. 형광현미경에서 입자 계수 시에는 형광 입자 및 형광염색된 백혈구 각 10μl를 플라스틱 시료챔버에 주입하여 4개 구역에 포함된 입자를 수동 계수하여 분석하였다.
본 연구진은 이러한 요구 사항을 반영하고자 안드로이드 스마트폰으로 블루투스 무선통신을 통해 제어되는 모터와 나선형 미세유동채널을 활용하였으며, 미세채널 내에서 시료 전처리 및 정확한 입자 계수를 위한 입자 정렬 기능을 갖춘 시스템을 개발하였다. 같은 크기의 채널로 제작된 나선형 채널 시료챔버와 직선 채널 시료챔버가 동일한 면적 내에 있다고 가정해보면 나선형 채널에 더 많은 양의 시료가 포함된다.
7(a)와 같이 제어시스템을 구성하였다. 블루투스 보드를 통해 블루투스 통신으로 모터보드와 스마트폰을 연결하여 스마트폰으로 모터를 무선 제어할 수 있도록 하였다. 사용된 애플리케이션의 화면은 Fig.
상용 광학 시뮬레이션 프로그램(Zemax 13,Radiant Zemax)를 이용하여 제작된 형광 smartscope 시스템의 광학 성능을 평가하였다. 지름 2mm 및 지름 1mm인 볼렌즈를 사용한 경우 광학 시뮬레이션 결과를 각각 Fig.
본 논문에서는 HIV의 감염여부를 진단하는 현장진단기기를 목표로 두 가지 시스템을 개발하여 성능을 평가하였다. 상용 스마트폰을 활용한 영상 기반 세포분석기인 smartscope[13-14]에 형광검출 기능을 추가한 시스템을 구성하였고 시뮬레이션 프로그램을 통해 시스템의 광학적 성능을 평가한 후에 입자 계수 성능을 검증하였다. 또한 안드로이드 스마트폰의 블루투스 통신 기능을 통해 무선으로 제어되는 DC 모터를 활용하여 나선형 미세유동채널의 회전에 의한 입자의 정렬 기능을 구현하였다.
시료로는 크기가 10μm인 형광입자(F8836,Invitrogen)를 10% 희석하여 사용하였으며, 혈액 10μl에 PBS(phosphate buffered saline) 185μl와 5μl 형광염료(SYTO9, Invitrogen)를 넣은 후 실온에서 20분간 반응시켜 형광염색한 백혈구를 사용하였다.
제작된 형광 smartscope의 입자계수 성능을 평가하고자 시료를 smartscope와 형광현미경(IX51, Olympus)에서 촬영한 후 분석결과를 비교하였다. 형광현미경에서는 높이가 0.
지름이 1μm인 형광입자(F8852, Invitrogen) 0.2%와 10μm인 형광입자 40%가 섞인 증류수를 나선형 미세유동채널에 주입하였다.
지름이 10μm인 형광입자를 증류수로 20% 희석하여 나선형 미세유동채널에 주입하였다.
형광입자 및 형광염색된 백혈구 세포를 계수하고자 광학모듈은 푸른색 파장의 빛을 방출하는 고출력 LED(M470L2, Thorlabs), 여기필터(ET460/50m, Omega Optical), 시료 슬라이드, 지름 1mm 또는 2mm인 볼렌즈(Fused silica ball lens, Edmund Optics), 방사필터(ET535/50m, Omega Optical)로 구성되었다. 표준 규격(75mmx 25mm x 1mm)의 시료 슬라이드를 광학모듈의 홈에 밀어 넣은 후 초점 조절 나사를 이용하여 Z축 방향으로 움직여서 초점을 맞춘 후 스마트폰(GALAXY Note II, Samsung Electronics)의 내장 카메라로 영상을 촬영하였다. Fig.
2는 형광 smartscope 광학모듈의 3차원 모델과 실제 제작된 시제품의 사진을 나타낸다. 형광 영상에서 고출력 LED 광으로 인한 배경을 최대한 제거하고 형광입자 및 형광염색 된 백혈구를 검출할 수 있도록 카메라 렌즈 바로 앞에 위치하는 방사필터는 시료에서 방출되어 1mm 볼렌즈를 통과한 빛의 파장대만 통과시키고 여기 파장대의 빛은 반사시키는 대역폭을 가지도록 선정하였다.
1에 나타내었다. 형광입자 및 형광염색된 백혈구 세포를 계수하고자 광학모듈은 푸른색 파장의 빛을 방출하는 고출력 LED(M470L2, Thorlabs), 여기필터(ET460/50m, Omega Optical), 시료 슬라이드, 지름 1mm 또는 2mm인 볼렌즈(Fused silica ball lens, Edmund Optics), 방사필터(ET535/50m, Omega Optical)로 구성되었다. 표준 규격(75mmx 25mm x 1mm)의 시료 슬라이드를 광학모듈의 홈에 밀어 넣은 후 초점 조절 나사를 이용하여 Z축 방향으로 움직여서 초점을 맞춘 후 스마트폰(GALAXY Note II, Samsung Electronics)의 내장 카메라로 영상을 촬영하였다.
형광현미경에서 10배 대물렌즈로 바닥면에 격자가 그려진 플라스틱 시료챔버 내 입자를 수동으로 계수할 때, 한 구역에 포함되는 시료 부피는 0.1μl이며 총 4구역에 포함된 입자를 계수하였다.
형광현미경에서 입자 계수 시에는 형광 입자 및 형광염색된 백혈구 각 10μl를 플라스틱 시료챔버에 주입하여 4개 구역에 포함된 입자를 수동 계수하여 분석하였다.
대상 데이터
지름이 10μm인 형광입자를 증류수로 20% 희석하여 나선형 미세유동채널에 주입하였다. 나선형 채널은 높이 400μm, 폭 300μm인 채널을 사용하였다. Fig.
4의 (a)는 볼렌즈와 휴대폰에 내장된 양면볼록렌즈의 규격을 고려하여 계산한 광경로 추적 모식도이다. 스마트폰에 내장된 카메라의 규격으로는 초점거리 =3.6mm, F number = 2.6을 적용하였다. 카메라 렌즈의 규격은 곡률반경 = 4mm, 두께 = 3.
형광현미경에서는 높이가 0.1mm인 투명한 플라스틱 시료챔버(C-Chip, INCYTO), smartscope에서는 슬라이드와 커버글라스 사이에 얇은 양면테이프를 붙여서 제작한 높이가 약 0.09-0.11μm인 시료챔버를 사용하였다.
데이터처리
5(c)에 나타내었다. 형광입자와 형광 염색된 백혈구 영상의 밝기를 비교할 수 있는 신호대잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 분석프로그램(ImageJ)을 이용하여 계산하였다. 형광 입자 영상의 SNR은 22로 형광염색된 백혈구 영상의 SNR인 1.
이론/모형
형광염색된 백혈구를 이용하여 smartscope의 계수 정확도를 평가하였다. 동일한 혈액을 희석하여 백혈구 수를 다단계로 조절한 시료를 형광 smartscope와 형광현미경으로 촬영하여 분석한 백혈구 농도를 Fig.
성능/효과
이러한 오차는 Table 1의 결과를 토의할 때 언급한 원인에 기인한다고 볼 수 있다. 4단계로 희석된 혈액 시료의 계수 결과로부터 얻어진 smartscope와 형광현미경 사이의 상관계수(R2)는0.85로 계산되었다.
나선형 채널과 모터 통합 시스템의 가장 큰 장점은 카메라의 위치를 고정시키고 모터의 회전으로 채널 전체를 촬영할 수 있다는 점이다. 또한 모터 회전을 통해 발생시킨 원심력과 중력을 적절히 활용하면 시료입자를 채널 내에서 일정한 영역에서 동일한 초점평면에 정렬시킬 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 형광 smartscope와 모터로 회전이 제어되는 나선형 채널 시료챔버가 결합되면 시료 전처리에서 분석까지 자동으로 수행되는 스마트폰 기반 현장진단기기 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
Smartscope는 휴대성이 용이하고 일상생활에서 사용하는 스마트폰을 활용하여 혈액검사를 할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 스마트폰의 애플리케이션을 활용하여 간단한 조작만으로 분석 정보를 얻을 수 있음을 확인하였다. 형광 smartscope의 입자 계수 성능평가를 수행한 결과 일반 형광현미경 얻은 결과와 상관관계가 있음을 확인하였다.
입자가 받는 부력은 밀도차 뿐만 아니라 입자 크기에도 영향을 받는다[15]. 마이크로 채널 내에서 유체와 입자 사이의 밀도차와 입자 크기에 따라 입자를 중력과 모터회전력을 이용하여 빠른 시간 내 정렬할 수 있음을 확인하였다. 물의 밀도는 1g/cm3이고 사용한 형광입자의 밀도는 1.
4의 (b)는 카메라의 이미지 센서가 위치한 지점에서 왜곡에 의한 주변 초점변형을 반영한 격자 영상 시뮬레이션 결과이며, (c)는 영상 중심에서 멀어짐에 따른 상면 만곡을 나타낸다. 볼렌즈의 특성상 중심에서 멀어질수록 영상의 왜곡 현상이 심해지는 것을 확인할 수 있었으나, 5-10%의 왜곡 정도는 일반적으로 허용할 수 있는 범위이고 smartscope의 시야크기는 좌우 0.1mm, 상하 0.125mm로 곡률반경에 비해 매우 작기 때문에 입자 및 세포 계수 결과에 크게 영향을 주지 않을 것으로 예상할 수 있다.
또한 스마트폰의 애플리케이션을 활용하여 간단한 조작만으로 분석 정보를 얻을 수 있음을 확인하였다. 형광 smartscope의 입자 계수 성능평가를 수행한 결과 일반 형광현미경 얻은 결과와 상관관계가 있음을 확인하였다. 현재 smartscope가 가지고 있는 한계인 시료챔버의 수동 이송 및 작은 시야크기를 보완하고자 모터로 제어되는 나선형 채널 시료챔버 시스템을 개발하였다.
형광입자와 형광 염색된 백혈구 영상의 밝기를 비교할 수 있는 신호대잡음비(signal-to-noise ratio; SNR)를 분석프로그램(ImageJ)을 이용하여 계산하였다. 형광 입자 영상의 SNR은 22로 형광염색된 백혈구 영상의 SNR인 1.5에 비해 약 14배 정도 높았다. 형광입자 영상에 비해 백혈구 영상의 신호대잡음비가 상대적으로 낮으나 백혈구를 검출하고 계수하는 데에는 문제가 없었다.
후속연구
또한 모터 회전을 통해 발생시킨 원심력과 중력을 적절히 활용하면 시료입자를 채널 내에서 일정한 영역에서 동일한 초점평면에 정렬시킬 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 형광 smartscope와 모터로 회전이 제어되는 나선형 채널 시료챔버가 결합되면 시료 전처리에서 분석까지 자동으로 수행되는 스마트폰 기반 현장진단기기 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 혈액의 백혈구 수가 적혈구 수에 비해서 극히 적어서 시료챔버 내에 백혈구가 균일하게 분포하지 않게 되므로, 충분히 많은 양의 시료부피를 분석하지 않을 때 오차가 크게 증가할 수 있다. 이러한 두 가지 문제점은 향후 smartscope를 이용한 영상 획득 과정을 자동화하고 시료를 농축해서 분석할 수 있는 시스템 구성을 통해 해결할 수 있을 것이다.
형광입자 영상에 비해 백혈구 영상의 신호대잡음비가 상대적으로 낮으나 백혈구를 검출하고 계수하는 데에는 문제가 없었다. 후속 연구를 통해 배경 영상의 밝기를 감소시켜 검출 한계를 향상시킬 수 있도록 광학모듈 설계를 개선할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
질병 진단의 목적은?
질병 진단은 질병 발병 및 질병 소인 여부를 신속하게 결정하는 것이 목적이다. 혈액검사 중형태학적 검사는 일반적으로 혈구의 개수 및 모양에 대한 정보를 분석해 환자 상태를 판단한다.
현장진단이란?
같은 세포를 계수한다 할지라도 진단기기에 적용된 기술들은 사용 목적에 따라 연구용·병원용·현장진단용으로 나눌 수 있다[1]. 현장진단은 환자가 있는 현장에서 바로 수행하여 결과를 획득해 신속한 치료를 할 수 있도록 하는 진단을 의미한다. 현장진단의 목적은 질병의 조기검진 및 더 나은 치료를 위한 환자 모니터링이다.
HIV의 감염여부를 진단하는 현장진단기기를 목표로 개발한 두 가지 시스템은?
본 논문에서는 HIV의 감염여부를 진단하는 현장진단기기를 목표로 두 가지 시스템을 개발하여성능을 평가하였다. 상용 스마트폰을 활용한 영상 기반 세포분석기인 smartscope[13-14]에 형광검출 기능을 추가한 시스템을 구성하였고 시뮬레이션 프로그램을 통해 시스템의 광학적 성능을 평가한 후에 입자 계수 성능을 검증하였다. 또한 안드로이드 스마트폰의 블루투스 통신 기능을 통해 무선으로 제어되는 DC 모터를 활용하여 나선형 미세유동채널의 회전에 의한 입자의 정렬 기능을 구현하였다. 궁극적으로는 시료 카트리지에 전혈 주입 후 시료 전처리에서 분석까지의 전 과정을 자동으로 수행하는 현장진단기기 개발을 목표로 하고 있으나 본 연구에서는 각 기능을 독립적으로 수행하는 두 가지 요소 시스템 개발에 주력하였다.
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