KR20180055301A - 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 시료를 수용하는 시료 배치부, 시료를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 시료에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클을 검출하되, 상기 시료에 의해 상기 다중 산란된 파동이 이동하는 경로 상의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)을 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계를 기초하여, 상기 시료의 특성을 실시간(real-time)으로 탐지하는 제어부;를 포함하는 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.
Description
본 발명의 실시예들은 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치에 관한 것이다.
인간은 다양한 생물들과 같은 공간에서 생활하고 있다. 눈에 보이는 생물부터 눈에 보이지 않는 생물들까지 인간의 주변에서 함께 생활하면서, 인간에게 직간접적으로 영향을 주고 있다. 그 중 인간의 건강에 영향을 주는 미생물 또는 작은 생물들은 눈에는 잘 보이지 않지만 인간의 주변에 존재하여 다양한 질병들을 유발하고 있다.
눈에 보이지 않는 미생물을 측정하기 위해서, 종래에는 미생물 배양법, 질량분석법(mass spectrometry), 핵자기공명(unclear magnetic resonance) 기법 등을 이용하였다. 미생물 배양법, 질량분석법, 핵자기공명 기법의 경우, 특정 종류의 세균을 정밀하게 측정할 수 있으나, 세균을 배양시키는 준비 시간이 오래 걸리고, 고비용의 정밀하고 복잡한 장비를 필요로 한다.
이외에, 광학적 기법을 이용하여 미생물을 측정하는 기법이 있다. 예를 들어, 광학적 기법으로 라만 분광법(Raman spectrometry), 및 다중분광영상(Multispectral imaging)이 이용되나, 복잡한 광학계가 필요하여, 복잡한 광학계를 다룰 수 있는 전문적인 지식과 연구실 수준의 설비를 요구하며, 오랜 측정 시간이 필요하므로, 일반적인 대중이 사용하는데 문제점이 있다.
상기한 문제 및/또는 한계를 해결하기 위하여, 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 시료를 수용하는 시료 배치부, 시료를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 시료에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클을 검출하되, 상기 시료에 의해 상기 다중 산란된 파동이 이동하는 경로 상의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)을 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계를 기초하여, 상기 시료의 특성을 실시간(real-time)으로 탐지하는 제어부;를 포함하는 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치는 파동경로변경부를 이용하여 복수의 시료배치부에 수용된 복수의 시료들의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 빠르게 탐지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도다.
도 3은 도 2의 시료채취수단의 다른 실시형태를 도시한 개념도이다.
도 4는 도 2의 시료채취수단을 이용한 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 도 2의 검출부에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계를 분석하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 통해 시간에 따라 측정된 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 분포를 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100-4)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 10은 도 9의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절취한 단면도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예예 따른 시료 특성 탐지 장치의 다른 실시형태들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도다.
도 3은 도 2의 시료채취수단의 다른 실시형태를 도시한 개념도이다.
도 4는 도 2의 시료채취수단을 이용한 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 도 2의 검출부에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계를 분석하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 통해 시간에 따라 측정된 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 분포를 도시한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100-4)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 10은 도 9의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절취한 단면도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예예 따른 시료 특성 탐지 장치의 다른 실시형태들을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이하의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 실시예들의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 내용들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 실시예들은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서 유닛, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 유닛, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
이하의 실시예에서 연결하다 또는 결합하다 등의 용어는 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 반드시 두 부재의 직접적 및/또는 고정적 연결 또는 결합을 의미하는 것은 아니며, 두 부재 사이에 다른 부재가 개재된 것을 배제하는 것이 아니다.
명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
이하에서는 먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 혼돈파 센서의 원리에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
유리와 같이 내부 굴절율이 균질한 물질의 경우에는 광을 조사했을 때에 일정한 방향으로 굴절이 일어난다. 하지만, 내부 굴절률이 불균질한 물체에 레이저와 같은 간섭광(Coherent Light)을 조사하면, 물질 내부에서 매우 복잡한 다중 산란(multiple scattering)이 발생하게 된다.
도 1을 참고하면, 파동원에서 조사한 빛 또는 파동(이하, 간략화를 위하여 파동이라 함) 중, 다중 산란을 통해 복잡한 경로로 산란된 파동의 일부는 검사 대상면을 통과하게 된다. 검사 대상면의 여러 지점을 통과하는 파동들이 서로 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키게 되고, 이러한 파동들의 보강/상쇄 간섭은 낱알 모양의 무늬(스페클; speckle)를 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스페클을 통해 검출할 수 있다.
다시, 도 1의 좌측 도면은 안정한 매질을 레이저로 조사하였을 때를 나타낸 도면이다. 내부 구성 물질의 움직임이 없는 안정한 매질을 간섭광(예를 들면 레이저)로 조사하였을 때에는 변화가 없는 안정한 스페클 무늬를 관측할 수 있다.
그러나, 도 1의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스페클 무늬가 변화하게 된다.
즉, 생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동, 진드기의 움직임 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스페클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스페클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스페클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 생물의 움직임을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스페클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 생물의 종류 또한 알 수 있다.
본 명세서는 이러한 스페클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
이하에서는, 상술한 혼돈파 센서의 원리를 바탕으로 본 발명의 일 실시예인 시료 특성 탐지 장치(300)에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(300)를 개략적으로 도시한 개념도고, 도 3은 도 2의 시료채취수단(311)의 다른 실시형태를 도시한 개념도이다. 또한, 도 4는 도 2의 시료채취수단(311)을 이용한 시료 특성 탐지 장치(300)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(300)는 파동원(320), 검출부(330), 제어부(340), 시료 배치부(310) 및 시료채취수단(311)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 탐지 장치시료 특성 탐지 장치(300)를 통해 측정할 수 있는 시료(S)는 측정하고자 하는 개체로부터 채취된 타액, 혈액, 조직과 같은 시료일 수도 있고, 개체의 외부로 배출된 대변, 소변, 각질과 같은 시료일 수도 있다. 또는 음식물과 같은 개체로부터 채취된 유기 시료 등을 포함할 수 있다. 한편, 시료(S)는 측정하고자 하는 개체 그 자체를 의미할 수도 있다. 다시 말해, 음식물이 개체이고, 음식물을 훼손(damage)하지 않으면서 미생물의 존재 여부를 측정하고자 하는 경우에는 음식물 그 자체가 시료(S)가 될 수 있다. 예를 들면, 판매를 위해 포장된 고기(meat)와 같은 개체가 시료(S)가 될 수 있다. 시료(S)는 시료 전체가 샘플로 이용될 수도 있고, 테이프, 생체막(membrane) 등과 같이 미생물이 옮겨갈 수 있는 수단을 이용하여 준비될 수도 있다. 한편, 시료(S)는 개체가 입으로 부는 것에 의해 채취 또는 피부로부터 채취되거나, 대변 등을 필터에 걸러 채취될 수도 있다. 일 실시예로서, 채취된 시료(S)는 시료 배치부(110)에 수용될 수 있다. 시료배치부(110)는 시료(S)를 수용할 수 있는 용기 형태로 이루어질 수 있다. 시료배치부(110)는 시료 자체의 움직임을 제한하면서 시료(S)를 지지할 수 있다. 다시 말해, 시료(S) 자체는 움직임이 제한된 상태에서 검출을 진행하게 된다.
파동원(320)은 시료 배치부(310) 내의 시료(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(320)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 본 발명은 파동원 종류에 제한이 없으나, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 레이저인 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
예를 들어, 시료 배치부(310) 에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(320)으로 이용할 수 있다. 이때, 레이저 파동원의 간섭성을 결정하는 파동원의 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 파동원의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원(320)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 배양접시 내에 광을 조사 시에, 파동원(320)의 스펙트럴 대역폭은 1nm 미만을 유지될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 검출부(330)는 조사된 파동이 시료(S)에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클(laser speckle)을 사전에 설정된 시점(time)마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다. 검출부(330)는 파동원(320) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 다른 실시예로서, 검출부(330)는 렌즈를 포함하지 않는 이미지 센서가 이용될 수도 있다. 검출부(330)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(340)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(330)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
구체적으로, 시료(S)에 파동이 조사되면, 입사된 파동은 다중 산란에 의해 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 샘플 내에 움직임이 없으면 시간에 따라 항상 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다. 이와 비교하여, 시료(S) 내에 박테리아와 같은 미생물이 존재하는 경우, 레이저 스펙클은 미생물의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출부(330)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(340)로 제공할 수 있다. 검출부(330)는 미생물의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25 프레임 내지 30 프레임의 속도로 검출할 수 있다.
도 5는 도 2의 검출부(330)에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 검출부(330)는 시료(S)로 조사된 파동이 시료(S)에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 다시 말해, 검출부(130)는 시료(S)로부터 유발된(caused) 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 구체적으로, 검출부(330)는 시료(S)의 표면(F)에서 레이저 스펙클을 검출할 수도 있지만, 시료(S)에 의해 다중산란된 파동이 이동하는 경로 상의 일 영역(A1)에서 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 이때, 제1 영역(A1)은 시료(S)의 표면(F)으로부터 일정 거리 이격된 영역일 수 있다. 일 실시예로서, 제1 영역(A1)은 시료(S)의 표면(F)으로부터 제1 거리(d1) 이격된 제1 지점(x1)을 포함하는 제1 면(B1)과 시료(S)의 표면(F)으로부터 제1 거리(d1)보다 먼 제2 거리(d2) 이격된 제2 지점(x2)을 포함하는 제2 면(B2) 사이에 배치된 영역일 수 있다. 다른 실시예로서, 검출부(330)는 이미지 센서를 이용하여 레이저 스펙클을 검출할 수도 있다. 이미지 센서를 이용하여 레이저 스펙클을 검출하는 경우, 시료(S)의 표면에서 레이저 스펙클을 관찰하는 경우보다 초점 거리를 줄여 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
한편, 검출부(330)로 이미지 센서가 이용되는 경우, 이미지 센서 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size)보다 작거나 같아지도록 이미지 센서가 배치될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 2의 조건을 만족하도록, 도 4a 내지 도 4c의 광학계에서 이미지 센서가 배치될 수 있다.
수학식 2와 같이, 이미지 센서의 한 픽셀(pixel)의 크기 d가 스펙클 패턴의 입자 크기(grain size) 이하이어야 하나, 픽셀의 크기가 너무 작아지게 되면 언더샘플링(undersampling)이 발생해서 픽셀 해상도를 활용하는데 어려움이 존재할 수 있다. 이에 따라, 효과적인 SNR(Signal to Noise Ratio)를 달성하기 위해 스펙클 입자 크기(speckle grain size)에 최대 5개 이하의 픽셀이 위치하도록 이미지 센서가 배치될 수 있다.
스펙클 신호의 동적 변화를 비교하기 위해서는 서로 다른 시간에 측정된 최소 둘 이상의 영상이 필요할 수 있다. 예를 들어, 일정한 간격으로 기준 시간마다 둘 이상의 레이저 스펙클 영상이 생성될 수 있다. 예컨대, 현재 시간에 레이저 광을 조사하여 피검사대상을 촬영함으로써 생성된 레이저 스펙클 영상 1, 10초 후에 광을 조사하여 배양접시를 촬영함으로써 생성된 레이저 스펙클 영상 2가 존재할 수 있다. 이외에, 다시 10초 후에 레이저 스펙클 영상 3, 다시 10초 후에 레이저 스펙클 영상 4 등과 같이, 처음 광을 조사한 이후 일정 간격마다 광을 조사하여, 결국 n-1초 후에 n개의 레이저 스펙클 영상이 생성될 수 있다. 그러면, 생성된 레이저 스펙클 영상 간의 차이를 분석하여 배양접시 내의 미생물 존재유무가 탐지될 수 있다.
이때, 두 개의 스펙클 영상을 이용하여 미생물의 존재유무를 탐지하는지 또는 셋 이상의 스펙클 영상을 이용하여 미생물의 존재유무를 탐지하는지에 따라 미생물 탐지 방법이 달라질 수 있다.
일례로, 일정 시간 간격으로 광을 조사함에 따라 각각의 시간에서 생성된 두 개의 스펙클 영상을 이용하는 경우, 피검사대상 내에 미생물이 존재하지 않으면 0초에 측정한 스펙클 영상과 10초에 측정한 스펙클 영상 간의 차이가 기정의된 제1 기준값 이하로 매우 미미할 수 있다. 간혹 작은 신호 차이가 존재할 수 있으나, 이는 수분 증발, 진동 등과 같이 실험 시에 존재하는 모든 잡음(noise)의 영향으로 해석될 수 있다. 이때, 배양접시 내에 미생물이 존재하는 경우(예컨대, B. cereus, E. coli 등), 0초에 생성된 스펙클 영상과 10초에 생성된 스펙클 영상 간에 차이가 기정의된 제2 기준값 이상일 수 있다. 즉, 0초와 10초 사이에 측정한 스펙클 신호의 차이가 제2 기준값 이상으로, 신호에 큰 변화가 존재하면, 피검사대상 내에 박테리아 등의 미생물이 존재함을 탐지할 수 있다.
제어부(340)는 검출된 상기 레이저 스펙클을 이용하여 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료(S)에 포함된 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 1시간 내에 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화를 추정하여 항생제의 적합성을 판단하는 것을 의미하며, 바람직하게는 5분내에 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화를 추정할 수 있다. 더욱 바람직하게는 20초 내에 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화를 추정할 수 있다. 이처럼, 제어부(340)는 두 스펙클 영상 간의 차이(예컨대, 픽셀값 차이 등)가 제1 기준값 이하인지 여부, 그리고, 제2 기준값 이상인지 여부를 체크하여, 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다. 이때, 제1 기준값과 제2 기준값을 동일한 값으로 정의될 수도 있고, 서로 다른 값으로 정의될 수도 있다. 다른 예로, 일정 시간 간격으로 측정된 셋 이상의 스펙클 영상을 이용하는 경우, 제어부(340)는 셋 이상의 스펙클 영상에서 시간 상관 분석(time correlation analysis)을 수행하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다. 즉, 검출부(330)는 일정 시간 간격으로 서로 다른 시점에 피검사대상으로 광을 조사하고, 다중산란(multiple scattering)시켜서 형성된 레이저 스펙클(laser speckle) 간의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다. 예를 들어 각 시간 t에 대해 측정한 스펙클 영상을 평준화한 데이터를 
라고 하면, 제어부(340)는 특정 지연 시간 
에 대해, 각 지점에서 시간 상관 계수를 위의 연산할 수 있다. 제어부(340)에서 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화를 추정하는 방법에 관하여는 후술하기로 한다.
한편, 다시 도 2를 참조하면, 시료채취수단(311)은 대상체로부터 미생물을 포함하는 시료(S)를 채취할 수 있다. 일 실시예로서, 도 2의 시료채취수단(311)은 평면 형태의 접착부재를 포함할 수 있다. 도 2의 시료채취수단(311)은 상기한 접착부재를 이용하여 사람의 피부에 접착시켰다 떼어낸 후 시료 배치부(310)에 수용될 수 있다. 사람의 피부에는 수많은 미생물이 존재하며, 모낭충과 같은 기생충도 존재할 수 있다. 눈에 잘 보이지 않는 미생물 또는 모낭충과 같은 기생충을 상기 시료채취수단(311)을 이용하여 채취한 후, 이를 시료 특성 탐지 장치(300)를 이용하여 분석함으로써, 대상체인 사람의 피부에 존재하는 미생물 또는 기생충의 존재 여부를 확인할 수 있다. 다른 실시예로서, 시료채취수단(311)은 사람의 활동이 많은 물건에 접착한 후 떼어내어 상기 물건에 존재하는 미생물의 존재를 확인할 수 있다. 예를 들면, 카페트와 같은 대상체는 부피가 클 뿐만 아니라 카페트 섬유의 움직임으로 인하여 직접 시료로 사용하기에는 적합하지 않을 수 있다. 이런 대상체에 상기 시료채취수단(311)을 이용하여 접착시켰다 떼어낸 후 시료 특성 탐지 장치(300)를 이용하여 분석함으로써, 대상체에 존재하는 미생물의 존재를 확인할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 다른 실시예로서, 시료채취수단(311)은 액체인 시료를 채취할 수 있다. 이때, 시료(S)는 소변, 혈액과 같은 유동성을 갖는 액체일 수 있다. 또는, 시료(S)는 대변과 같은 비유동성을 갖는 시료를 물과 같은 용매와 혼합한 시료일 수도 있다. 여기서, 혼합용매는 시료(S) 내의 미생물의 생장에 영향을 주지 않는 용매일 수 있다. 이러한, 유동성을 갖는 시료(S)는 시료채취수단(311)에 의해 채취된 후 필터(313)에 의해 걸러질 수 있다. 유동성을 갖는 시료(S)로 직접 미생물을 탐지하는 경우, 유동적인 움직임과 미생물의 움직임을 구분하기 어렵기 때문에 미생물을 정확히 탐지할 수 없다. 따라서, 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(300)는 박테리아와 같은 미생물은 걸러지고 나머지 액체(315)는 빠져나갈 수 있는 필터(313), 예를 들면, 다공성 필터를 이용함으로써, 시료(S)로부터 시료(S)에 포함된 미생물을 걸러낼 수 있다.
시료(S)가 소변인 경우 소변에 미생물이 존재한다면 필터(313)에 미생물이 걸러지고, 대부분의 물(315)은 필터(313)를 통과할 수 있다. 또는, 시료(S)가 혈액인 경우 적혈구, 백혈구 또는 박테리아와 같은 크기를 갖는 미생물이 필터(313)에 걸러지고, 혈장(315)은 필터(313)를 통과할 수 있다. 이와 같이, 미생물이 걸러진 필터(313)에 파동을 조사하고, 미생물에 의해 유발된 레이저 스펙클을 검출함으로써, 시료(S) 내의 미생물의 존재여부 또는 농도를 확인할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(340)의 제어 방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(340)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계를 분석하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예로서, 제어부(340)는 제1 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 레이저 스펙클의 제2 영상정보 차이를 이용하여 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 영상정보 및 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴 정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나 일 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예는 제1 시점에서의 제1 영상정보와 제2 시점에서의 제2 영상정보의 차이만을 이용하는 것이 아니며, 이를 확장하여 복수의 시점에서 검출된 복수의 레이저 스펙클의 영상정보를 이용할 수 있다. 제어부(340)는 사전에 설정된 복수의 시점마다 생성된 레이저 스펙클의 영상정보를 이용하여 영상들 간의 시간 상관 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 시료(S) 내에 미생물의 존재여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
검출된 레이저 스펙클 영상의 시간 상관 관계는 아래의 수학식 3을 이용하여 계산될 수 있다.
수학식 3에서 
은 시간 상관 관계 계수, 
은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간, 
는 타임래그(time lag)를 나타낸다.
수학식 3에 따라 시간 상관 관계 계수가 계산될 수 있으며, 일 실시예로서, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 기준값 이하로 떨어지는 분석을 통해 미생물의 존재여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 구체적으로, 시간 상관 관계 계수가 사전에 설정된 오차 범위를 넘어 기준값 이하로 떨어지는 것으로 미생물이 존재한다고 추정할 수 있다. 또한, 미생물의 농도가 증가할수록 시간 상관 관계 계수가 기준값 이하로 떨어지는 시간이 짧아지므로, 이를 이용하여 시간 상관 관계 계수를 나타내는 그래프의 기울기 값을 통해 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 기준값은 미생물의 종류에 따라 달라질 수 있다. 도 6의 그래프에 있어서, 실선(S1)은 미생물이 존재하지 않는 시료의 시간 상관 계수를 나타내며, 점선(S2)은 미생물이 존재하는 경우의 시료의 시간 상관 계수를 나타낸다. 미생물의 농도가 달라지면, 점선(S2)의 기울기 값도 달라질 수 있다.
이하에서는 도 7을 참조하여 제어부(340)에서, 레이저 스펙클을 이용하여 시료의 미생물의 농도를 판단하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 통해 시간에 따라 측정된 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 분포를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 제어부(340)는 기준 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 대상으로, 레이저 스펙클의 빛 세기(intensity)의 표준편차를 계산할 수 있다.
시료 내에 존재하는 세균 및 미생물이 지속적으로 움직임에 따라 보강 간섭과 상쇄 간섭이 상기 움직임에 대응하여 변화할 수 있다. 이때, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 변화함에 따라, 빛 세기의 정도가 크게 변화할 수 있다. 그러면, 제어부(340)은, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 시료에서 세균 및 미생물이 있는 곳을 측정할 수 있으며, 세균 및 미생물의 분포도를 측정할 수 있다.
예를 들어, 제어부(340)은 미리 정해진 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 합성하고, 합성된 영상에서 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차를 계산할 수 있다. 레이저 스펙클의 시간에 따른 빛 세기 표준편차는 아래의 수학식 4에 기초하여 계산될 수 있다.
수학식 4에서, S: 표준편차, (x,y): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, It: t 시간에 측정된 빛 세기, 
: 시간에 따른 평균 빛 세기를 나타낼 수 있다.
세균 및 미생물의 움직임에 따라 보강 및 상쇄 간섭 패턴이 달라지게 되고, 수학식 4에 기초하여 계산된 표준편차 값이 커지게 되기 때문에 이에 기초하여 세균 및 미생물의 농도가 측정될 수 있다.
그리고, 제어부(340)는 레이저 스펙클의 빛 세기의 표준편차 값의 크기와 세균 및 미생물 농도와 선형적인 관계에 기초하여 시료에 포함된 세균 및 미생물의 분포도, 즉, 농도를 측정할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100-4)를 개략적으로 도시한 개념도이다. 도 8a 및 도 8b에서는 설명의 편의를 위하여, 광학부(335)과 검출부(330)과의 관계를 중심으로 도시하였다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(100-4)는 시료에서 산란된 제1 파동 신호를 파동원(320)의 파동이 시료에 의해 산란되기 전의 제2 광신호로 복원하는 변조하는 광학부(335)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(335)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 1351) 및 검출부(330)를 포함할 수 있다. 광학부(335)는 측정 대상으로부터 산란된 파동이 입사되면, 산란된 파동의 파면을 제어하여, 다시 산란되기 전의 파동(광)으로 복원하여 검출부(130)로 제공할 수 있다.
공간 광 변조부(1351)는 시료에서 산란된 파동(광)이 입사될 수 있다. 공간 광 변조부(1351)는 시료에서 산란된 파동의 파면을 제어하여 렌즈(1352)에 제공할 수 있다. 렌즈(1352)는 제어된 광을 집약하여 다시 검출부(330)로 제공할 수 있다. 검출부(330)는 렌즈에서 집약된 파동을 감지하여 산란되기 최초 파동원에서 출력된 파동으로 복원하여 출력할 수 있다.
여기서, 광학부(335)는 안정적인 매질, 즉, 측정 대상 내에 생물의 움직임이 없는 경우, 시료로부터 산란된 제1 광신호를 산란되기 이전의 광으로 복원할 수 있다. 그러나, 측정 대상 내에 바이러스가 존재하는 경우, 검출용 복합체의 움직임으로 인하여 제1 광신호가 달라지므로 위상 제어 파면을 감지할 수 없게 되고, 이로 인하여 위상 공액 파면을 갖는 제2 광신호로 변조할 수 없다. 전술한 광학부(335)를 포함하는 미생물 탐지 장치(100-4)는 이러한 제2 광신호의 차이를 이용하여 좀 더 미세하게 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(400)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 10은 도 9의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절취한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(400)는 파동원(420), 파동경로변경부(421), 검출부(430), 제어부(440), 시료 배치부(410), 시료어레이부(410A) 및 다중산란증폭부(450)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예는 파동원(420), 검출부(430) 및 제어부(440)의 구성 및 이를 이용하여 미생물을 탐지하는 방법이 일 실시예와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(400)는 복수의 시료배치부(410)들을 포함할 수 있다. 복수의 시료배치부(410)는 서로 소정의 이격 거리를 갖고 배열될 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 하나의 시료어레이부(410A)에 복수의 시료배치부(410)가 형성될 수도 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 하나의 시료어레이부(410A)에 복수의 시료배치부(410)가 배치되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다.
복수의 시료배치부(410) 각각에는 복수의 시료들이 수용될 수 있다. 복수의 시료들은 동일한 시료일 수도 있으나, 서로 다른 시료일 수도 있다. 예를 들면, 제1 시료배치부(410-1)에는 제1 시료(S-1)가 수용될 수 있고, 제2 시료배치부(410-2)에는 제2 시료(S-2)가 수용될 수 있다. 제1 시료(S-1)과 제2 시료(S-2)는 서로 다른 대상체로부터 채취된 시료일 수도 있고, 같은 대상체의 다른 영역에서 채취된 시료일 수도 있다.
파동원(420)은 시료 배치부(410) 내의 시료(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(320)은 파동(wave)을 생성할 수 있는 모든 종류의 소스 장치를 적용할 수 있으며, 예를 들면, 특정 파장 대역의 광을 조사할 수 있는 레이저(laser)일 수 있다. 파동원(420)을 이용하여 복수의 시료들에 파동을 조사하기 위해서, 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(400)는 파동경로변경부(421)를 포함할 수 있다. 다시 말해, 파동원(420)으로부터 직접 시료(S)에 파동이 조사되는 것이 아니라, 파동경로변경부(421)를 이용하여 시료(S)에 파동이 조사될 수 있다.
파동경로변경부(421)는 파동원(420)으로부터 파동이 입사될 수 있다. 파동경로변경부(421)는 마이크로 미러로 이루어질 수 있다. 파동경로변경부(421)는 반사면을 구비하여, 입사된 파동을 복수의 시료(S)들을 향해 반사시킬 수 있다. 반사면은 굴절력이 없는 플랫면으로 도시되었으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 파동경로변경부(421)는 구동제어부(미도시)에 의해 미세 구동될 수 있다. 다른 실시예로서, 파동경로변경부(421)는 제어부(440)에 의해 미세 구동되며, 이에 따라 복수의 시료(S)들 각각에 파동을 조사할 수 있다. 파동경로변경부(421)를 구성하는 마이크로 미러는 전기적 제어에 따라 반사면의 역학적 변위가 일어날 수 있는 다양한 구성이 채용될 수 있으며, 예를 들어, 일반적으로 알려진 멤스(micro electromechanical system; MEMS) 미러, 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device, DMD) 소자 등이 채용될 수 있다. 파동경로변경부(421)는 하나의 마이크로 미러로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 복수개의 마이크로 미러가 2차원적으로 어레이된 구성일 수도 있다.
한편, 파동경로변경부(421)는 파동 경로 상에 배치되는 미러(422)를 더 포함하여, 시료배치부(410)로 조사되는 파동의 각도가 일정하도록 조절할 수 있다. 다시 말해, 파동경로변경부(421)는 마이크로 미러를 이용하여 복수의 시료배치부(410)들로 파동을 조사하는 경우 시료배치부(410)의 위치에 따라 파동의 입사각도가 달라질 수 있다. 이에 따라, 시료(S) 내에서 다중산란되는 정도가 복수의 시료배치부(410)들의 위치에 따라 달라질 수 있어, 정확한 비교 평가가 어려울 수 있으므로, 미러(422)를 더 배치시켜 시료배치부(410)들로 입사되는 파동의 각도가 균일할 수 있도록 조절할 수 있다. 도면에서는 제1 시료배치부(410-1) 상에 배치된 미러(422)만 도시하였으나, 이는 설명의 편의를 위하여 개략적으로 도시한 것이며, 시료배치부(410) 각각의 상단에 미러가 배치되어 시료배치부(410)로 조사되는 파동의 각도를 조절할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 다중산란증폭부(450)는 시료(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 시료(S)로 반사시켜 시료(S)에서의 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭부(450)는 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 산화티타늄(TiO2)를 포함하며, 다중산란증폭부(450)는 상기 다중산란증폭부(450)로 입사되는 파동의 적어도 일부를 반사시킬 수 있다. 다중산란증폭부(450)는 시료(S)와 인접하게 배치되어, 시료(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동이 시료(S)와 상기 다중산란증폭부(450) 사이의 공간을 적어도 1회 이상 왕복하도록 할 수 있다.
다중산란증폭부(450)는 제1 다중산란증폭부(451) 및 제2 다중산란증폭부(453)을 포함할 수 있다. 제1 다중산란증폭부(451)는 시료배치부(410)와 파동경로변경부(421) 사이에 배치되며, 시료배치부(410)에 중첩되도록 배치될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 복수의 시료배치부(410)를 포함하는 제4 실시예는, 각각의 시료배치부(410)에 복수의 제1 다중산란증폭부(451)가 배치될 수 있으며, 시료(S)를 시료배치부(410)로 배치시키기 위하여 탈착이 가능한 구조로 형성될 수 있다. 다른 실시예로서, 제1 다중산란증폭부(451)는 시료어레이부(410A) 전체면을 덮는 구조로 형성되어, 각각의 시료배치부(410)에 대응되는 위치에 다중산란물질이 포함되는 영역으로 구분될 수도 있다. 마찬가지로, 시료배치부(410)에 시료(S)를 투입하기 위해서 다른실시예에 따른 제1 다중산란증폭부(451)도 뚜껑과 같은 형태로 구성될 수 있다.
제2 다중산란증폭부(453)는 시료배치부(410)와 검출부(430) 사이에 배치될 수 있다. 제2 다중산란증폭부(453)는 복수의 시료배치부(410) 각각에 중첩되도록 배치될 수 있다. 제2 다중산란증폭부(453)는 따로 구비되어 시료배치부(410)와 검출부(430) 사이에 배치될 수 있으나, 다른 실시예로서, 시료배치부(410)에 중첩되는 영역의 시료어레이부(410A)에 다중산란물질을 포함시켜 시료어레이부(410A)와 일체로 형성될 수도 있다. 또는, 시료어레이부(410A) 전체면에 배치되는 하나의 판 형태로 형성될 수도 있다.
검출부(430)는 조사된 파동이 시료(S)에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클(laser speckle)을 사전에 설정된 시점(time)마다 검출할 수 있다. 여기서, 시점(time)이란, 연속적인 시간의 흐름 가운데 어느 한 순간을 의미하며, 시점(time)들은 동일한 시간 간격으로 사전에 설정될 수 있으나 반드시 이에 제한되지 않으며, 임의의 시간 간격으로 사전에 설정될 수도 있다. 검출부(430)는 파동원(420) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 CCD 카메라(camera)가 이용될 수 있다. 검출부(430)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(440)로 제공할 수 있다.
제어부(440)는 검출된 상기 레이저 스펙클을 이용하여 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료(S) 내의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 제어부(440)는 복수의 시료배치부(410)에 수용된 복수의 시료(S)들 각각의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 이때, 제어부(440)는 일정 시간마다 복수의 시료배치부(410)로 파동의 경로를 변경하여 조사하도록 파동경로변경부(421)의 반사면을 전기적으로 제어할 수 있다. 제어부(440)는 파동경로변경부(421)를 제어하는 타이밍과 연동하여 검출부(430)에서 검출된 레이저 스펙클 영상을 분류하여 시간상관관계를 획득할 수 있다. 따라서, 제어부(440)는 하나의 검출부(430)를 이용하더라도 복수의 시료배치부(410) 각각에 수용된 복수의 시료(S)들의 미생물 존재여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 제4 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치는 파동경로변경부를 이용하여 복수의 시료배치부에 수용된 복수의 시료들의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 빠르게 탐지할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 다른 실시예예 따른 시료 특성 탐지 장치의 다른 실시형태들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(400-1)는 파동원(420), 파동경로변경부(421), 검출부(430) 및 제어부(440)를 포함할 수 있다. 다른 실시형태의 시료 특성 탐지 장치(400-1)는 시료(S)를 영역별로 분할하여 각 영역에서의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정하고 비교할 수 있다. 예컨대, 포장된 소고기와 같은 식품은 포장된 상태 그대로 세균과 같은 미생물의 존재 여부를 확인할 필요가 있다. 이때, 파동경로변경부(421)를 구비한 시료 특성 탐지 장치(400-1)는 시료의 각 분할 영역(T1, T2 .. TN)을 따라 파동원(420)으로부터 조사되는 파동을 순차적으로 조사함으로써, 시료의 각 영역에서의 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 탐지할 수 있다.
시료 특성 탐지 장치(400-1)는 식품과 같은 시료의 미생물을 탐지하기 위하여 반사형 광학계로 구비될 수 있다. 이때, 파동원(420)으로부터 조사된 파동을 파동경로변경부(421)로 입사시키기 위한 미러(423)를 더 포함할 수 있다. 도면에서는 하나의 미러(423)를 도시하였으나, 파동 경로 변경을 위한 추가적인 렌즈 또는 미러를 더 구비할 수도 있다. 다른 실시예로서, 시료 특성 탐지 장치(400-1)는 투과형 광학계로 구비될 수도 있다. 이때 시료(S)는 투명한 포장재에 수용된 식품일 수 있다.
한편, 시료 특성 탐지 장치(400-1)는 시료의 매질 종류에 따라 다중산란증폭부(미도시)를 더 구비할 수 있다. 예를 들면, 소고기와 같이 조직이 치밀한 매질의 시료인 경우 다중산란증폭부를 구비하지 않아도 다중 산란이 충분히 일어나기 때문에 미생물을 탐지하는 것이 가능하다. 그러나, 이와 다른 매질의 경우에는 다중산란증폭부(미도시)를 더 구비하여 시료 내의 미생물 존재 여부를 탐지함으로써, 좀 더 정밀한 분석이 가능할 수 있다.
제어부(440)는 파동경로변경부(421)를 제어하는 타이밍과 연동하여 검출부(430)에서 검출된 레이저 스펙클 영상을 분류하여 시간상관관계를 획득할 수 있다. 이를 통해, 제어부(440)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 각 영역에서의 미생물 존재 여부를 탐지할 수 있다. 또한, 제어부(440)는 파동경로변경부(421)의 스캔 경로(일점쇄선)를 제어할 수 있으며, 이를 통해, 레이저 스펙클의 공간상관관계를 획득할 수 있다. 즉, 다른 실시형태의 시료 특성 탐지 장치(400-1)는 레이저 스펙클의 시간상관관계뿐만 아니라 공간상관관계를 획득함으로써, 시료 내의 미생물 존재여부 또는 농도에 관한 매핑(mapping)이 가능할 수 있다.
도 12를 참조하면, 또 다른 실시형태의 시료 특성 탐지 장치(400-2)는 복수의 시료배치부(410)들을 포함하는 회전어레이부(410B)를 구비하며, 파동원(420), 검출부(430), 제어부(440) 및 다중산란증폭부(451, 453)를 포함할 수 있다. 여기서, 파동원(420), 검출부(430) 및 다중산란증폭부(451, 453)으로 이루어진 광학계는 고정된 상태에서 회전어레이부(410B)가 회전하면서 복수의 시료배치부(410)에 수용된 복수의 시료들을 측정할 수 있다.
회전어레이부(410B)는 사전에 설정된 회전 속도로 회전어레이부(410B)를 구동하는 구동부(415)를 포함할 수 있다. 회전어레이부(410B)에는 복수의 시료배치부(410)가 원주 방향을 따라 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 회전어레이부(410B)에 배치된 복수의 시료배치부(410)는 일정한 간격으로 이격되며, 일정한 회전속도로 회전하도록 함으로써, 고정된 파동원(420) 및 검출부(430)를 이용하여 시료배치부(410) 내의 시료의 미생물의 존재여부 또는 농도를 탐지할 수 있다. 회전어레이부(410B)는 중심(O)을 지나는 중심축(Axis1)을 따라 회전할 수 있으며, 회전하는 동안 중심축(Axis1)을 기준으로 틸트(tilt)되지 않도록 정밀하게 구동될 수 있다. 회전어레이부(410B)의 틸트는 레이저 스펙클을 검출하는 것에 노이즈(noise)로 작용하기 때문이다. 제어부(440)는 상기한 구동부(415)를 제어하여 회전어레이부(410B)를 일정한 회전 속도로 회전시킬 수 있으며, 이때 시료배치부(410)들로부터 검출된 레이저 스펙클을 각각의 시료에 대한 레이저 스펙클로 분류하여 분석할 수 있다.
한편, 회전어레이부(410B)는 시료배치부(410)들 사이에 기준시료배치부(R)을 포함할 수 있다. 기준시료배치부(R)는 시료배치부(410)와 동일하나 시료(S)가 수용되지 않을 수 있다. 기준시료배치부(R)에서의 기준 레이저 스펙클을 측정함으로써, 회전어레이부(410B)가 회전하는 동안 발생될 수 있는 노이즈를 제거하여 정확한 레이저 스펙클 검출이 가능할 수 있다.
다중산란증폭부는 제1 다중산란증폭부(451)과 제2 다중산란증폭부(452)를 포함할 수 있다. 제1 다중산란증폭부(451)는 파동원(420)과 시료배치부(410) 사이에 배치될 수 있다. 제1 다중산란증폭부(451)는 파동원(420)이 조사되는 시료배치부(410) 상에 배치되어 다른 시료배치부(410)에 파동이 조사되지 않게 하여 노이즈를 저감시킬 수 있다. 또한, 제2 다중산란증폭부(453)는 시료배치부(410)과 검출부(430) 사이에 배치될 수 있으며, 마찬가지로 측정되는 시료배치부(410)에서 다중산란되는 파동만을 검출하도록 측정되는 시료배치부(410)에 대응되는 영역 상에 위치할 수 있다. 도면에서는 제1 다중산란증폭부(451)과 제2 다중산란증폭부(453)이 시료배치부(410)으로부터 이격되어 배치된 것처럼 도시하였으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예로서, 각각 시료배치부(410)들의 상부와 하부에 제1 다중산란증폭부(451) 및 제2 다중산란증폭부(453)가 고정되어 위치할 수도 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
100: 바이러스 검출 장치
110: 시료 배치부
120: 바이러스 마커 적용부 130: 파동원
140: 검출부 150: 자계 형성부
155: RF 코일 160: 제어부
190: 디스플레이부 200: 바이러스 검출 장치
240: 검출부
120: 바이러스 마커 적용부 130: 파동원
140: 검출부 150: 자계 형성부
155: RF 코일 160: 제어부
190: 디스플레이부 200: 바이러스 검출 장치
240: 검출부
Claims (1)
- 시료를 향하여 파동을 조사하는 파동원;
상기 조사된 파동이 상기 시료에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클(laser speckle)을 검출하되, 상기 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하는 검출부;
상기 검출된 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화인 시간 상관관계(temporal correlation)을 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계를 기초하여, 상기 시료의 특성을 실시간(real-time)으로 탐지하는 제어부; 및
상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시켜 상기 시료에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는 다중산란증폭부;를 포함하며,
상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치
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| WO2023153623A1 (ko) * | 2022-02-09 | 2023-08-17 | 주식회사 더웨이브톡 | 탁도 모니터링 장치 |
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|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |