초록 ▼

연구의 목적 및 내용
●본 연구과제의 목표는 초정밀도의 3차원 공간 분해능을 갖는 3차원 현미경 영상시스템에 대한 연구를 수행하는 것이며, 디지털 홀로그래픽 현미경 기술, 광신호처리 및 영상처리기술 등을 3차원 현미경 영상시스템 모델링에 적합한 설계기법으로 체계화하여 이를 적용한 실험을 통해 가능성을 제시하는 것임.
●디지털 홀로그래픽 현미경 기술, 광정보처리, 고급영상처리, 고급통계처리 기술 등이 결합된 3차원 현미경 최적화 설계 및 홀로그래픽 3차원 구조영상에서 존재하는 wavefront 왜곡보정, 백그라운드 노이즈

연구의 목적 및 내용
●본 연구과제의 목표는 초정밀도의 3차원 공간 분해능을 갖는 3차원 현미경 영상시스템에 대한 연구를 수행하는 것이며, 디지털 홀로그래픽 현미경 기술, 광신호처리 및 영상처리기술 등을 3차원 현미경 영상시스템 모델링에 적합한 설계기법으로 체계화하여 이를 적용한 실험을 통해 가능성을 제시하는 것임.
●디지털 홀로그래픽 현미경 기술, 광정보처리, 고급영상처리, 고급통계처리 기술 등이 결합된 3차원 현미경 최적화 설계 및 홀로그래픽 3차원 구조영상에서 존재하는 wavefront 왜곡보정, 백그라운드 노이즈 제거 및 위상 unwrapping 알고리즘 연구.
●본 연구과제에서 개발된 생물세포의 초정밀 위상정보 자동측정 알고리즘의 활용 가능성을 입증하게 위하여 계산된 생물세포의 초정밀 위상정보 등이 기존의 노동집약적이며, 침입적인 생화학적 정량방법과의 성능비교를 수행함.
연구결과
●생물세포의 정량적인 3차원 위상정보 획득을 위한 디지털 홀로그래피 기반 3차원 현미경에 대한 광학적 셋업을 구축하였음.
●이 광학셋업으로부터 획득된 생물세포의 홀로그램 패턴 값에 참조빔 wavefront 매칭, wavefront 왜곡 보정 알고리즘, 영상 segmentation 및 위상 unwrapping 기술 등을 응용하여 적혈구세포 및 줄기세포의 홀로그램 패턴에 존재하는 잡음제거 및 정량적 위상 값을 측정하는데 성공하였으며, 680nm의 파장의 코히어런스 광원 사용 시 적혈구 세포의 두께에 대한 해상도는 1nm 이하로 측정될 수 있음을 증명하였음.
●생물세포의 초정밀 위상 값 획득을 위하여 제안된 디지털 홀로그래피 기반 3차원 현미경으로 부터 획득된 미생물체의 3차원 구조영상(위상정보)에서 존재하는 백그라운드 잡음제거 및 홀로그래픽 3차원 구조영상으로부터 적혈구 세포들만을 추출하기 위한 Marker-controlled watershed 및 graph-cut 기반 image segmentation 알고리즘을 개발하였으며, 백그라운드 잡음이 제거된 적혈구 세포들의 위상정보를 이용하여 적혈구세포의 임상파라미터들에 대한 통계적 특성 값을 계산하였음.
●디지털 홀로그래픽 현미경으로부터 획득된 초정밀 위상정보를 기반으로 적혈구 세포의 MCH 및 MCHSD 값을 자동으로 계산하는 알고리즘을 설계 및 구현하였음.
●기존의 침입적이며 노동집약적인 생화학적 정량방법과 성능비교를 수행하였으며, 제안한 방법의 우수성을 입증하였음.
●위의 연구결과물들이 국제 광학회(OSA)에서 가장 권위 있는 학술지인 Optics & Photonics News의 표지논문으로 출판되었으며, Journal of Biomedical Optics (IF: 3.157, JCR: 9/79), IEEE Journal of Display Technology (IF: 2.280, JCR: 15/79) 등에 출판되었음.
연구결과의 활용계획
●본 연구에서 제안 되는 생물세포 3차원구조, 두께 및 다이내믹스 등의 정량적 조사를 위한 초정밀 3차원 현미경 영상시스템 개발은 그 응용분야와 파급효과가 매우 커서 물리학·생물학을 비롯한 기초과학부터 IT·BT·NT등 많은 응용분야가 있음.
●생물세포 분석에서 매우 중요한 임상파라미터인 생물세포의 위상값을 자동으로 측정할 수 있는 디지털 홀로그래피 기술 기반 3차원 현미경 기술 개발은 질병 조기진단, 바이오 테러리즘 예방, 음식물 안전성 검사, 그리고 새로운 치료제 개발을 위한 줄기세포 연구 등 수많은 연구 및 산업분야에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.

Abstract ▼

Purpose& contents
The study of harmful biological micro/nano organisms such as cancer cells and bacteria would have numerous applications in a wide spectrum of fields including defense against biological warfare, disease control, environmental health and safety and medical treatments. Therefore,

Purpose& contents
The study of harmful biological micro/nano organisms such as cancer cells and bacteria would have numerous applications in a wide spectrum of fields including defense against biological warfare, disease control, environmental health and safety and medical treatments. Therefore, the ability to quantitatively investigate biological structures and dynamics in an automated and integrated system is of great importance from both scientific and technological standpoints. In this research, we present a three-dimensional microscopic imaging system with ultra high accuracy and speed which is based on digital holography for quantitatively measuring the microbial phase information.
Result
●For acquisition of biological cells quantitative phase value, digital holographic 3D microscopy has been studied.
●We have calculated clinical parameters related to the RBCs morphology. It allows us to explore large number of cells and to rapidly classify RBCs into well-defined subpopulations, opening the way for promoting DHM as a diagnostic method.
●We have developed an improved marker-controlled watershed transform algorithm for precise RBCs segmentation.
●We have presented a method to automatically segment red blood cells (RBCs) visualized by digital holographic microscopy (DHM), which is based on the marker-controlled watershed algorithm.
●Quantitative phase images of RBCs have been obtained by using off-axis DHM with the segmentation algorithm along to provide some important information about each RBC, including size, shape, drymass, volume, hemoglobin content, etc.
●Furthermore, the internal and external parts of the RBCs phase image have also been segmented by using the marker-controlled watershed combined with our method, which can identify the internal and external markers appropriately.
●Our experimental results show that the proposed method achieves good performance in terms of segmenting RBCs and could thus be helpful when combined with an automated classification of RBCs.
●We have published the above research results to the Optics & Photonics News (Cover Paper), Journal of Biomedical Optics (IF: 3.157, JCR: 9/79), and IEEE Journal of Display Technology (IF: 2.280, JCR: 15/79).
Expected Contribution
Development of 3D microscopic imaging system with high accuracy and speed for quantitative investigation of biological structure, thickness and dynamics will contribute to many applications such as in detection of biological weapons in security and defense, in diagnosis of diseases, in stem cells research for new medical treatments, in ecological monitoring, food safety investigation and so on. These optical systems can be compact and manufactured with commercially available off-the-shelf components. If successful, they can yield substantial benefits in automated early detection and study of harmful biological microorganisms.

목차 Contents

• 중견연구자지원사업(핵심연구) 최종보고서 ... 1
• 목 차 ... 3
• 연구계획 요약문 ... 4
• 연구결과 요약문 ... 5
• 한글요약문 ... 5
• SUMMARY ... 6
• 연구내용 및 결과 ... 7
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 14
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 49
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 52
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 54
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 71
• 8. 참고문헌 ... 72
• 9. 연구성과 ... 83
• 10. 기타사항 ... 85
• [별첨1] 대표연구성과 ... 86