WO2017086719A1 - 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치 - Google Patents

혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치 Download PDF

Info

Publication number
WO2017086719A1
WO2017086719A1 PCT/KR2016/013288 KR2016013288W WO2017086719A1 WO 2017086719 A1 WO2017086719 A1 WO 2017086719A1 KR 2016013288 W KR2016013288 W KR 2016013288W WO 2017086719 A1 WO2017086719 A1 WO 2017086719A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sample
unit
laser speckle
wave
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2016/013288
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
박용근
윤종희
이겨레
김영덕
김남균
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Advanced Institute of Science and Technology
Wave Talk Inc
Original Assignee
Korea Advanced Institute of Science and Technology
Wave Talk Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020160028966A external-priority patent/KR101686766B1/ko
Priority claimed from KR1020160092901A external-priority patent/KR20180010589A/ko
Priority claimed from KR1020160132149A external-priority patent/KR20180040364A/ko
Priority claimed from KR1020160132150A external-priority patent/KR101959023B1/ko
Priority claimed from KR1020160144640A external-priority patent/KR102018895B1/ko
Priority claimed from KR1020160152973A external-priority patent/KR102652472B1/ko
Priority to EP16866671.7A priority Critical patent/EP3379234B1/en
Application filed by Korea Advanced Institute of Science and Technology, Wave Talk Inc filed Critical Korea Advanced Institute of Science and Technology
Priority to JP2018526645A priority patent/JP7058837B2/ja
Priority to CN201680079041.1A priority patent/CN108474740B/zh
Priority to US15/776,584 priority patent/US10551293B2/en
Publication of WO2017086719A1 publication Critical patent/WO2017086719A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US16/697,373 priority patent/US10914665B2/en
Priority to US17/142,529 priority patent/US11262287B2/en
Priority to JP2022060460A priority patent/JP7377475B2/ja
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C12Q1/18—Testing for antimicrobial activity of a material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4788—Diffraction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
    • G01N21/95607—Inspecting patterns on the surface of objects using a comparative method
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/956—Inspecting patterns on the surface of objects
    • G01N21/95623—Inspecting patterns on the surface of objects using a spatial filtering method
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/02—Food
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483—Physical analysis of biological material
    • G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/569—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor for microorganisms, e.g. protozoa, bacteria, viruses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/01—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials specially adapted for biological cells, e.g. blood cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/075—Investigating concentration of particle suspensions by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N2015/0687—Investigating concentration of particle suspensions in solutions, e.g. non volatile residue
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4788—Diffraction
    • G01N2021/479—Speckle

Definitions

  • Embodiments of the present invention are directed to a sample characterization device using a chaos wave sensor.
  • Humans are living in the same space as various creatures. From creatures that are visible to invisible creatures living together around human beings, they are directly or indirectly affecting humans. Among them, microorganisms or small organisms affecting human health are not visible to the eye, but they are present around human beings and cause various diseases.
  • microorganism culture In order to measure invisible microorganisms, microbial culture, mass spectrometry, and unclear magnetic resonance have been used.
  • mass spectrometry In the case of microorganism culture, mass spectrometry, and nuclear magnetic resonance technique, it is possible to precisely measure a specific kind of bacteria, but it takes a long preparation time to cultivate the bacteria and requires expensive and precise and complicated equipment.
  • a wave source for irradiating a wave toward a sample a laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave by the sample is detected, And a temporal correlation that is a change with time of the detected laser speckle, and based on the obtained time correlation, the characteristics of the sample are measured in real time (for example, real-time), and the detector detects the laser speckle between the sample and the detection unit or in one area inside the detection unit.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample can realize an optical system using only a laser light source and an image sensor, and thus can provide an optical system at a low cost and can be manufactured in a small size, and thus can be widely applied in various environments.
  • only optical measurement is used for detecting microorganisms, it is not necessary to use a target substance such as an antigen-antibody, and it is not necessary to collect a sample such as gene amplification technology, so that the cost incurred in the microorganism measurement process can be reduced .
  • FIG. 1 is a view for explaining the principle of a chaotic wave sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing a method of detecting a laser speckle in the detection unit of FIG.
  • 4A to 4C are conceptual diagrams schematically showing an embodiment of the apparatus for detecting the characteristic of the sample of FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart sequentially illustrating a method for detecting microorganisms using the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining a method of analyzing time correlation of laser speckles in a controller according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing a standard deviation distribution of light intensity of a laser speckle measured with time in a sample property detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A and 8B are conceptual diagrams schematically showing a sample characteristic detecting apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram schematically showing a sample characteristic detecting apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing an embodiment of a sample property detecting apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a block diagram of the sample property detection apparatus of FIG.
  • FIG. 12 is a view schematically showing another embodiment of the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a view schematically showing another embodiment of the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph schematically showing a change in time correlation before and after administration of an antibiotic obtained using the sample property detecting apparatus of FIG. 9; FIG.
  • 15 is a conceptual diagram schematically showing a portable biological detection system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is an exemplary view schematically showing an embodiment of the portable bio-sensing system of Fig. 15. Fig.
  • 17 is a conceptual diagram schematically showing a biological detection system according to another embodiment of the present invention.
  • 18A to 18D are exemplary views schematically showing various embodiments of the body portion of the biological sensing device of FIG.
  • 19A and 19B are conceptual diagrams schematically showing a biological sensing device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of a biological detection system provided with the biological detection device of FIG.
  • 21A and 21C are conceptual diagrams schematically showing a biological detection system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 21B is a block diagram schematically showing the optical section of FIG. 21A.
  • 22 is a conceptual diagram schematically showing an apparatus for identifying an individual according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a block diagram schematically showing the relationship between the control unit and the data storage unit in Fig.
  • 24 is a view schematically showing an apparatus for identifying an individual according to another embodiment of the present invention.
  • 25A and 25B are conceptual diagrams schematically showing an apparatus for identifying an individual according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 26 is a flowchart illustrating an individual identification method using an individual identification apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 is a conceptual diagram schematically showing a virus detection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a block diagram schematically showing the virus detection apparatus of Fig.
  • 29A and 29B are diagrams schematically illustrating a process of applying a virus marker in the virus marker application unit of FIG.
  • FIG. 30 is a flowchart sequentially illustrating a virus detection method according to an embodiment of the present invention.
  • 31 is a graph showing time correlation coefficients according to the type of virus in a sample.
  • FIG. 32 is an exemplary view showing a case where a sample property detecting device according to embodiments of the present invention is installed in a refrigerator.
  • FIG. 33 is an exemplary view schematically showing a configuration in which the sample characteristic detecting device of FIG. 32 is installed on a ceiling of a refrigerator.
  • FIG. 34 is an illustration of an image photographed through the sample property detection device of FIG.
  • FIGS. 35 and 36 are illustrations showing a state in which the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to an embodiment of the present invention is installed on the lid of the washing machine, the outer periphery of the laundry inlet, or the lid or the wall of the toothbrush sterilizer.
  • Figure 37 is a diagram of a network for exploiting the presence and concentration of microorganisms and microbial species measured in a sample characterization apparatus according to embodiments of the present invention.
  • 38 is a diagram showing the shape of a laser speckle measured in relation to oral cavity including periodontal and teeth, according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 39 is a diagram illustrating the shape of laser speckles measured in relation to the nail and toenails in one embodiment of the present invention.
  • Figure 40 is a flow chart provided to illustrate a method for determining whether microorganisms are present in or on a specific body part, in an embodiment of the present invention.
  • 41 is a view for explaining a method of measuring whether a microorganism exists in a specific body part using two speckle images.
  • FIG. 42 is a view for explaining a method for measuring whether or not microorganisms are present in a specific body part using three or more speckle images.
  • FIG. 43 is a diagram showing a case where an optical system is constructed using a time reversing mirror in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 44 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • 46 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus using the sample collecting means of FIG. 45;
  • FIG. 47 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 47 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 49 and 50 schematically show another embodiment of the apparatus for detecting the characteristic of a sample according to the fourth embodiment of the present invention.
  • 51 is a view showing a sample characteristic detecting apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 52 is a diagram showing an inspection method according to an embodiment of the present invention.
  • 53 is a view showing a multilayered metallization structure of a semiconductor device as an example of a sample.
  • Fig. 54 is an example in which line width variation of a metal wiring is confirmed by laser speckle analysis as another example.
  • 55 is an illustration showing an example in which a plurality of pattern regions are formed on a silicon wafer.
  • FIG. 56 is a diagram illustrating an example in which a pattern is inspected according to an inspection region using the sample characteristic detecting apparatus of FIG. 51; FIG.
  • a wave source for irradiating a wave toward a sample a laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave by the sample is detected, And a temporal correlation that is a change with time of the detected laser speckle, and based on the obtained time correlation, the characteristics of the sample are measured in real time (for example, real-time), and the detector detects the laser speckle between the sample and the detection unit or in one area inside the detection unit.
  • the controller may estimate the presence or concentration of the bacteria, microorganisms, or viruses in real time in accordance with changes in speckles generated from bacteria, microorganisms, or viruses moving within the sample have.
  • the detection unit may detect the laser speckle in the first area spaced a predetermined distance from the surface of the sample.
  • the first region comprises a first surface including a first point spaced a first distance from a surface of the sample and a second surface spaced a second distance from the surface of the sample, And a second surface including a second point.
  • the temporal correlation may be determined based on the first image information of the laser speckle detected at the first point of time and the second image information of the laser speckle detected at the second point of time other than the first point of time, And may include differences in image information.
  • the first image information and the second image information may include at least one of pattern information of the laser speckle and intensity information of the wave.
  • the apparatus may further include a sample placement part for receiving the sample.
  • the apparatus further comprises an antibiotic application unit for administering a predetermined antibiotic to the sample in the sample arrangement unit, wherein the control unit is configured to perform, on the basis of the time correlation of the laser speckle, The presence or absence of the microorganism in the sample before or after the administration of the antibiotic is estimated and the suitability of the antibiotic can be determined in real time according to the presence or absence of the estimated microorganism or the concentration of the microorganism.
  • the cover member covers at least the sample arrangement part so that the sample is not exposed to the external environment.
  • a culture environment regulator for regulating an environmental condition to maintain a constant culture environment of the sample.
  • a three-dimensional image generation unit for generating a three-dimensional speckle image using a plurality of laser speckles detected from the plurality of detection units, when the detection unit includes two or more detection units
  • the control unit can detect the characteristics of the sample using the three-dimensional speckle image.
  • the multi-scattering amplification unit may further include a multiple scattering amplification unit that reflects at least a part of the waves that are multi-scattered and emitted from the sample to the sample to amplify the number of multiple scatterings in the sample.
  • the multi-scattering amplification unit may include a first multi-scattering unit that is disposed on an extension line passing through the center of the sample and reflects at least a part of the waves emitted from the multi- An amplifying unit; And a second multiple scattering amplification unit arranged to be opposed to the first multiple scattering amplification unit based on the sample and to reflect at least a part of the waves that are multiple scattered and emitted from the sample to the sample .
  • a sample preparation apparatus including a sample placement unit for receiving a sample, a reference sample placement unit disposed adjacent to the sample placement unit and accommodating a reference sample, A first laser speckle and a reference laser speckle generated by multiple scattering the irradiated waves with the sample and the reference sample, A detection section for detecting the laser speckle at a predetermined time point which is set in advance and a temporal correlation which is a change with time of the detected first laser speckle using the detected first laser speckle, And detects the characteristics of the sample in real time based on the obtained time correlation, and the detecting unit detects the characteristics of the sample in real time between the sample and the detecting unit Or the laser speckle is detected in one region inside the detection unit.
  • the controller may estimate the presence or concentration of the bacteria, microorganisms, or viruses in real time in accordance with changes in speckles generated from bacteria, microorganisms, or viruses moving within the sample have.
  • the apparatus further comprises an antibiotic application unit for administering a predetermined antibiotic to the sample in the sample arrangement unit, wherein the control unit is operable to determine, based on the time correlation of the laser speckle, The presence or absence of the microorganism in the sample before or after the administration of the antibiotic is estimated and the suitability of the antibiotic can be determined in real time according to the presence or absence of the estimated microorganism or the concentration of the microorganism.
  • the temporal correlation may include at least one of first image information of the first laser speckle detected at a first time point and first image information of the first laser specimen detected at a second point of time other than the first point of time The difference between the first and second image information of the second set may be included.
  • the first image information and the second image information may include at least one of pattern information of a laser speckle and intensity information of a wave.
  • the controller obtains reference information of the detected reference laser speckle using the detected reference laser speckle, and calculates a time of the first laser speckle using the reference information It is possible to remove noise from the correlation.
  • a multi-beam reflector for dividing a wave incident from the wave source into a plurality of wave paths; And a beam splitter disposed on the wave paths provided from the multi-beam reflector, wherein the beam splitter changes paths of the waves reflected and emitted from the sample and the reference sample to the detection unit.
  • Another embodiment of the present invention relates to a wave source for irradiating a wave toward a sample; Detecting a laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated waves with the sample, detecting a laser speckle generated in the laser speckle in a region on the path where the laser speckle diffuses, A detection unit for detecting the light beam; And a controller for obtaining a temporal correlation of the detected laser speckle and detecting the characteristics of the sample in real time based on the obtained time correlation, Provides a feature detection device.
  • FIG. 1 is a view for explaining the principle of a chaotic wave sensor according to an embodiment of the present invention.
  • a portion of a wave scattered by a complex path through multiple scattering among light or waves (hereinafter referred to as waves for simplicity) irradiated from the wave source 120 passes through the surface to be inspected.
  • the waves passing through the points on the surface to be inspected cause constructive or destructive interference with each other, and the reinforcement / destructive interference of these waves causes a speckle (speckle).
  • FIG. 1 is a diagram showing a case where a stable medium is irradiated with a laser. A stable speckle pattern having no change can be observed when irradiating a stable medium with no motion of the internal constituent material with interference light (for example, laser).
  • interference light for example, laser
  • microscopic life activity of microorganisms such as microbial migration can cause minute changes in the light path.
  • the speckle pattern is a phenomenon caused by wave interference, a change in the fine light path can cause a change in the speckle pattern.
  • the life activity of the microorganism can be measured quickly.
  • the change of the speckle pattern with time is measured, the presence and concentration of the microorganism can be known, and furthermore, the kind of the microorganism can be known.
  • a configuration for measuring the change of the speckle pattern is defined as a Chaotic Wave Sensor.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram schematically showing an apparatus for detecting a characteristic of a sample 100 according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of detecting a laser speckle in the detector 130 of FIG. 1
  • 4A to 4C are conceptual diagrams schematically showing an embodiment of the sample property detecting apparatus 100 of FIG.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 100 may include a wave source 120, a detector 130, and a controller 140.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 100 may further include a sample arrangement unit 110, a multiple scattering amplification unit 150, and a display unit 190.
  • the sample S which can be measured through the sample property detecting apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention may be a sample such as saliva, blood, tissue sampled from the object to be measured, It may be a sample such as discharged feces, urine, or keratin. Or an organic sample taken from an object such as food or the like.
  • the sample S may mean the object itself to be measured.
  • the food is an individual and it is desired to measure the presence of microorganisms without damaging the food, the food itself may become the sample (S).
  • an object such as meat packaged for sale can be a sample S.
  • the sample (S) may be prepared by using the entire sample as a sample, or by means of a microorganism such as a tape, a membrane or the like.
  • the sample (S) may be collected by picking up the individual by mouth or taken from the skin, or may be collected by filtering the feces and the like.
  • the collected sample S may be accommodated in the sample placement part 110.
  • the sample arrangement part 110 may be in the form of a container capable of receiving the sample S.
  • the sample placement unit 110 can support the sample S while restricting the movement of the sample itself. In other words, the sample S itself is detected in a state in which the motion is limited. In the present invention, the sample S does not necessarily need to be accommodated in the sample arrangement part 110.
  • the sample arrangement part 110 may be a petri dish such as an agar plate.
  • the microorganisms are selected from the group consisting of Staphylococcus, coagulase negative staphylococci, Staph. Aureus, Streptococcus spp., Streptococcus viridans group Streptococcus viridans group, Enterococcus spp., Corynebacterium spp., Aerococcus spp., Micrococcus spp., Peptostreptococcus spp. , Lactococcus spp., Leuconostoc spp., Tothia spp., Gemella spp., Alcaligenes spp., Alternaria spp.
  • Flavobacterium spp. Bacillus spp., Achromobacter spp., Acinetobacter spp., Actinobacillus spp. Alkali genetics (Alcalig (Ehrlichia spp.), Enterobacter spp., Ewingella spp., Edwardsiella spp., Campylobacter spp., Edwardsiella spp., Ehrlichia spp., Enterobacter spp. , Flavobacteria, Hafnia spp., Klebsiella spp., Kluyvera spp., Legionella spp.
  • Morbusella spp. Morganella spp., Neisseria spp., Pasteurella spp., Prevotella spp., Proteus spp. Proteus spp., Providencia spp., Pseudomonas spp., Rahnella spp., Salmonella spp., Serratia spp., Streptococcus spp. ), Shigella spp., Sphingobacterium spp., Vibrio spp.
  • Neisseria spp. Kingella spp., Cardiobacterium, non-Tuberculosis mycobacteria (NTB), Yersinia spp., Neisseria spp. ), Mycobacterium tuberculosis, and Mycobacterium avium.
  • NTB non-Tuberculosis mycobacteria
  • Yersinia spp. Yersinia spp.
  • Neisseria spp. Neisseria spp.
  • Mycobacterium tuberculosis Mycobacterium tuberculosis
  • Mycobacterium avium Mycobacterium avium.
  • the wave source 120 can irradiate a wave toward the sample S in the sample arrangement part 110.
  • the wave source 120 may be any type of source device capable of generating a wave, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the present invention is not limited to the kind of the wave source, but the following description will focus on the case of a laser for convenience of explanation.
  • a laser having good coherence can be used as the wave source 120 in order to form a speckle in the sample arrangement unit 110.
  • the shorter the spectral bandwidth of the wave source that determines the coherence of the laser source the greater the measurement accuracy. That is, the longer the coherence length, the greater the measurement accuracy.
  • the laser beam whose spectral bandwidth of the wave source is less than the predetermined reference bandwidth can be used as the wave source 120, and the measurement accuracy can be increased as it is shorter than the reference bandwidth.
  • the spectral bandwidth of the wave source may be set such that the condition of Equation (1) below is maintained.
  • the spectral bandwidth of the wave source 120 can be kept less than 1 nm when irradiating the light in the culture dish for each reference time.
  • the detector 130 may detect laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated waves by the sample S at predetermined time points have.
  • time refers to any one of continuous time flows, and time points can be set in advance at the same time interval, but are not limited thereto, and may be set in advance at an arbitrary time interval .
  • the detection unit 130 may include a detection unit corresponding to the type of the wave source 120. For example, when a light source of a visible light wavelength band is used, an image sensor that is a photographing apparatus for photographing an image may be used .
  • the detector 130 may include an image sensor and at least one lens having a predetermined focal length to detect the laser speckle.
  • the focal distance may be shorter than the distance between the sample S and the detection unit 130, but is not limited thereto.
  • the detection unit 130 may use an image sensor that does not include a lens.
  • the detection unit 130 may detect the laser speckle at the first time point, detect the laser speckle at the second time point, and provide the laser speckle to the control unit 140.
  • the first and second points of time are only one example selected for convenience of explanation, and the detector 130 can detect laser speckles at a plurality of points of time greater than the first point and the second point of time.
  • the incident wave can form laser speckles by multiple scattering. Since the laser speckle is caused by the light interference phenomenon, if there is no movement in the sample, it can always show a constant interference pattern with time. In contrast, when a microorganism such as bacteria is present in the sample S, the laser speckle may change with time due to the movement of the microorganism.
  • the detection unit 130 may detect the laser speckles varying in time according to the time, and provide the detected laser speckles to the control unit 140 at predetermined time points.
  • the detection unit 130 can detect the laser speckle at a speed at which the microbial movement can be detected. For example, the detection unit 130 can detect the laser speckle at a speed of 25 to 30 frames per second.
  • the detector 130 can detect laser speckles generated by multiple scattering of waves irradiated by the sample S by the sample S.
  • the detection unit 130 can detect the laser speckle caused by the sample S.
  • the detection unit 130 may detect the laser speckle on the surface F of the sample S, but may detect the laser speckle in one region A1 on the path where the multiple scattered waves are moved by the sample S, It is possible to detect a set at a preset time point.
  • the first region A1 may be a region spaced from the surface F of the sample S by a certain distance.
  • the first area (A1) has a first side (B 1) comprising a first distance (d1) spaced from the first point (x1) from the surface (F) of the sample (S) and the sample (S And a second surface B 2 that includes a second point x 2 that is spaced a second distance d 2 from the surface F of the first surface D 1 that is greater than the first distance d 1.
  • the laser speckle can be detected in the first region A1 between the detection unit 130 and the sample.
  • laser speckles may be detected within the detection unit 130, for example, on the surface of the CCD sensor when the detection unit 130 is a CCD sensor.
  • the detection unit 130 may detect the laser speckle using an image sensor. In the case of detecting the laser speckle using the image sensor, the laser speckle can be detected by reducing the focal distance as compared with the case of observing the laser speckle on the surface of the sample (S).
  • the image sensor when used as the detection unit 130, the image sensor may be arranged such that the size d of one pixel of the image sensor is smaller than or equal to the grain size of the speckle pattern.
  • the image sensor may be disposed in the optical system of Figs. 4A to 4C so as to satisfy the condition of the following equation (2).
  • the image sensor can be arranged so that no more than five pixels are located in the speckle grain size to achieve an effective SNR (Signal to Noise Ratio).
  • two or more laser speckle images may be generated for each reference time at regular intervals.
  • a large image can be generated. Then, the presence or absence of microorganisms in the culture dish can be detected by analyzing the difference between the generated laser speckle images.
  • the method of detecting microorganisms may be changed depending on whether two speckle images are used to detect the presence or absence of microorganisms or whether three or more speckle images are used to detect presence or absence of microorganisms.
  • the difference between the speckle images may be very small below the predetermined first reference value. Sometimes there may be small signal differences, but this can be interpreted as the effect of all noise present in the experiment, such as moisture evaporation, vibration, and so on.
  • the difference between the speckle image generated at 0 second and the speckle image generated at 10 seconds is equal to or more than the predetermined second reference value . That is, if the difference between the speckle signals measured between 0 second and 10 seconds is greater than or equal to the second reference value and there is a large change in the signal, it is possible to detect that microorganisms such as bacteria are present in the subject.
  • the control unit 140 obtains a temporal correlation using the detected laser speckle and determines the presence or absence of microorganisms contained in the sample S based on the obtained time correlation, (real-time).
  • real-time means to judge the suitability of antibiotics by estimating the presence of microorganisms or changes in the concentration of microorganisms within 1 hour.
  • the presence of microorganisms or the concentration of microorganisms Can be estimated. More preferably, the presence of the microorganism or the concentration change of the microorganism can be estimated within 20 seconds.
  • the control unit 140 checks whether the difference between the two speckle images (for example, the pixel value difference) is less than or equal to the first reference value and is greater than or equal to the second reference value, It can detect.
  • the first reference value and the second reference value may be defined as the same value or may be defined as different values.
  • the controller 140 performs time correlation analysis on three or more speckle images to detect whether microorganisms are present in the culture dish can do.
  • the detecting unit 130 may detect a laser beam based on a temporal correlation between laser speckles formed by irradiating light to an object to be inspected at a predetermined time interval and performing multiple scattering It is possible to detect whether or not microorganisms are present in the culture dish. For example, if the data obtained by leveling the speckle image measured for each time t is I (x, y; t), the control unit 140 calculates the time correlation coefficient at each point with respect to the specific delay time? . A method for estimating the presence or absence of microorganisms in the control unit 140 will be described later.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 100 may further include a multi-scattering amplification unit 150.
  • FIG. 1 A multi-scattering amplification unit 150.
  • the multiple scattering amplification unit 150 may amplify the number of multiple scatterings in the sample S by reflecting at least a part of the waves that are multiple scattered and emitted from the sample S to the sample S.
  • the multiple scattering amplification unit 150 may include multiple scattering materials.
  • the multiple scattering material includes particles having a diameter not larger than a micrometer size having a large refractive index, for example, titanium oxide (TiO2) nanoparticles
  • TiO2 titanium oxide
  • the multiple scattering amplification unit 150 is disposed adjacent to the sample S so that the waves that are generated by multiple scattering from the sample S can propagate the space between the sample S and the multiple scattering amplification unit 150 at least once Or more.
  • the sample (S) may contain microorganisms, but the number of microorganisms may be small. Conventionally, it is possible to detect the microorganism in the sample S after prolonging the microorganism for a long time, for example, for several days, and it takes much time to detect the microorganism.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 100 amplifies the number of times of multiple scattering of waves in the sample S through the multiple scattering amplification unit 150, thereby detecting the microorganisms quickly and accurately can do.
  • the multiple scattering amplification unit 150 may reflect a part of the incident wave and transmit the remaining wave. Alternatively, the multiple scattering amplification unit 150 can transmit a part of the incident wave and reflect the remaining wave. Alternatively, the multiple scattering amplification unit 150 may reflect all of the incident waves.
  • the multiple scattering amplification unit 150 may be selected from at least one of the configurations described above so as to correspond to the optical system structures of the wave source 120 and the detector unit 130.
  • the optical system including the wave source 120 and the detection unit 130 may be of a reflective type.
  • the wave L1 incident on the sample S may be caused by multiple scattering phenomenon due to the optical nonuniformity characteristic of the sample S, so that some waves may be reflected.
  • the detection unit 130 photographs the laser speckle signal generated as the wave is reflected and emitted to the sample S due to the optical non-uniformity characteristic of the sample S, and detects the laser speckle Can be measured.
  • the sample characteristic detecting apparatus 100-1 may include a first multiple scattering amplifying unit 151 and a second multiple scattering amplifying unit 153.
  • the first multiple scattering amplification section 151 is disposed on an extension line C passing through the center of the sample S and is capable of reflecting at least a part of the waves emitted by the multiple scattering from the sample S to the sample S have.
  • the second multiple scattering amplification unit 153 is disposed opposite to the first multiple scattering amplification unit 151 on the basis of the sample S and detects at least a part of the waves that are multi- .
  • the first multiple scattering amplification unit 151 may be a transflective type that transmits a part of the waves and reflects a part of the waves.
  • the second multiple scattering amplification unit 153 may be of a reflection type that reflects all of the incident waves. This can significantly amplify the number of times the waves are multiply scattered in the sample (S).
  • the detection unit 130 can be used without being limited by the wavelength and the intensity of the wave source 120, and a camera capable of measuring two-dimensional information is preferred. However, A camera can also be used.
  • the positions of the wave source 120 and the sample S are not limited, and the detector 130 for measuring the reflected laser speckle signal may determine that the size of one speckle is smaller than the size of the pixels of the detector 130 Or more than 2 to 3 pixels out of the pixels.
  • the detector 130 may be inclined at a predetermined angle with respect to the surface on which the light S is incident to the sample S, in order to measure the laser speckle signal due to the reflection of the wave by the sample S.
  • the optical system including the wave source 120 and the detector 130 may be of a transmissive type.
  • the wave incident on the sample S may be caused by multiple scattering phenomenon due to the optical nonuniformity characteristic of the sample S, so that some waves can be transmitted through the sample S and emitted.
  • the detection unit 9130 can measure the laser speckle caused by the penetration of the sample S by photographing the laser speckle signal generated as the waves are transmitted through the sample S.
  • the first multiple scattering amplification unit 151 and the second multiple scattering amplification unit 153 transmit a part of the waves, Transmissive type.
  • the optical system including the wave source 120 and the detector 130 may be formed in a spectroscopic type.
  • the wave L1 incident on the sample S is reflected by some waves due to the optical scattering phenomenon due to the optical nonuniformity characteristic of the sample S.
  • the beam L1 is reflected by the beam splitter 181, Can be changed to the detection unit (130).
  • it may further include an optical portion such as a phase delay plate or a polarizing plate, because it utilizes the polarization state of the wave.
  • the detector 130 is located between the wave source 120 and the sample S, and can change the path of the wave reflected and emitted by the sample S.
  • the detection unit 130 can measure the laser speckles generated as the reflection and the path are changed by the sample S.
  • the first multiple scattering amplification unit 151 may be of a transflective type which transmits a part of a wave and reflects a part of the wave.
  • the second multiple scattering amplification unit 153 may be of a reflection type that reflects all of the incident waves.
  • FIG. 5 is a flowchart sequentially illustrating a method of detecting microorganisms using the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to an embodiment of the present invention.
  • the wave source 120 can irradiate a sample S with a wave (S10).
  • the detection unit 130 can detect the laser speckles generated as the waves incident on the sample S are multi-scattered at predetermined time points.
  • the control unit 140 may calculate the time correlation coefficient between images using the laser specicular images generated at predetermined time points, and determine whether microorganisms are present in the sample S based on the temporal correlation coefficient (S30).
  • the control unit 140 can measure the concentration of microorganisms based on the degree of change of the temporal correlation coefficient.
  • the movement of the optical system constituted by the wave source 120 and the detection unit 130 may be restricted while measuring the laser speckle formed by the sample S.
  • the concentration of the microorganism can be accurately measured until there is no movement of the wave source 120 and the detection unit 130 until the concentration of the microorganism is measured by irradiating a wave with the sample S from the wave source 120.
  • the optical system may be configured as a reflection type, a transmission type, or a spectral type as described above.
  • the sample property detecting apparatus 100 may further include a display unit 190.
  • the display unit 190 can display the presence or absence of the estimated microorganism or the concentration of the microorganism externally from the control unit 140.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of analyzing time correlation of laser speckles in the controller 140 according to an embodiment of the present invention.
  • the controller 140 determines whether the first image information of the laser speckle detected at the first point of time and the second image information of the laser speckle detected at the second point of time other than the first point of view Information differences can be used to estimate the presence of microorganisms or the concentration of microorganisms.
  • the first image information and the second image information may be at least one of pattern information of the laser speckle and intensity information of the wave.
  • the embodiment of the present invention does not use only the difference between the first image information at the first viewpoint and the second image information at the second viewpoint, and extends the plurality of laser speckles detected at a plurality of viewpoints Video information can be used.
  • the control unit 140 may calculate the temporal correlation coefficient between the images using the image information of the laser speckles generated at a plurality of predetermined points in time. Based on the temporal correlation coefficient, the control unit 140 determines whether the microbe exists in the sample S Or the concentration of the microorganism.
  • the temporal correlation of the detected laser speckle image can be calculated using the following equation (3).
  • (X, y) is the pixel coordinate of the camera, t is the measured time, T is the total measurement time, and ⁇ is the time lag. .
  • the time correlation coefficient may be calculated according to Equation (3).
  • the presence or absence of the microorganism or the concentration of the microorganism can be estimated through the analysis that the time correlation coefficient falls below a preset reference value. Specifically, it can be assumed that microorganisms exist because the temporal correlation coefficient falls below a reference value beyond a predetermined error range. Also, as the concentration of the microorganism increases, the time correlation coefficient falls below the reference value becomes shorter, so that the concentration of the microorganism can be estimated through the slope value of the graph showing the time correlation coefficient.
  • the reference value may vary depending on environmental factors such as the type of microorganism and the temperature. In the graph of Fig.
  • the solid line S1 represents the time correlation coefficient of the sample in which no microorganisms are present
  • the dotted line S2 represents the time correlation coefficient of the sample in the presence of microorganisms. If the concentration of the microorganism is different, the slope value of the dotted line S2 may be varied.
  • FIG. 7 is a graph showing a standard deviation distribution of light intensity of a laser speckle measured over time through a sample characteristic detecting apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the controller 140 may calculate the standard deviation of the intensity of the laser speckle on the laser speckle image measured for each reference time.
  • the control unit 140 can determine the presence or absence of bacteria and microorganisms in the sample by obtaining a standard deviation representing a degree of change in the light intensity.
  • control unit 140 may detect the laser speckle image measured at predetermined time intervals and calculate the light intensity standard deviation of the laser speckle over time in the detected image.
  • the light intensity standard deviation of the laser speckle over time can be calculated based on Equation (4) below.
  • the intensities of the reinforcement and destructive interference patterns are changed according to the movement of bacteria and microorganisms, and the standard deviation value calculated based on Equation (4) becomes large, so that the concentration of bacteria and microorganisms can be measured based on this.
  • the controller 140 can measure the distribution, that is, the concentration, of the bacteria and microorganisms included in the sample based on the relationship between the magnitude of the standard deviation of the light intensity of the laser speckle and the bacterial and microbial concentration.
  • 8A and 8B are conceptual diagrams schematically showing a sample property detection apparatus 100-4 according to another embodiment of the present invention. 8A and 8B, the relationship between the optical section 135 and the detection section 130 is mainly shown for convenience of explanation.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 100-4 includes a sample-characteristic detecting device 100-4 for detecting a first wave signal scattered from a sample, a modulation for restoring a wave of the wave source 120 to a second optical signal before being scattered by the sample, And an optical unit 135 that is disposed on the optical path.
  • the optical unit 135 may include a spatial light modulator (SLM) 1351 and a detection unit 130.
  • SLM spatial light modulator
  • the optical unit 135 controls the wavefront of the scattered waves, restores the waves to the scattered waves (light), and provides the waves to the detector 130.
  • the spatial light modulator 1351 can receive waves (light) scattered from the sample.
  • the spatial light modulator 1351 can control the wavefront of the scattered wave in the sample and provide it to the lens 1352.
  • the lens 1352 can collect the controlled light and provide it to the detection unit 130 again.
  • the detection unit 130 may detect the wave condensed in the lens and restore the wave to be output from the original wave source that is scattered and output.
  • the optical unit 135 can restore the first optical signal scattered from the sample to light before the scattering, when there is no stable movement of the living body, that is, the movement of the living things in the measurement target.
  • the first optical signal changes due to the motion of the detection complex, so that the phase control wavefront can not be detected, and therefore, the second optical signal having the phase conjugate wavefront can not be modulated .
  • the microorganism detecting apparatus 100-4 including the optical unit 135 can more finely estimate the presence of microorganisms or the concentration of microorganisms using the difference of the second optical signals.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus 200 according to a second embodiment of the present invention.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 200 includes a sample arrangement unit 210, an antibiotic application unit 260, a wave source 220, a detection unit 230, 240).
  • the configuration of the wave source 220, the detection unit 230, and the control unit 240 and the method of detecting microorganisms using the same are the same as those of the first embodiment, do.
  • the sample arrangement unit 210 can receive the sample S.
  • the sample (S) may include a sample such as saliva, blood, tissue, or an organic sample such as food.
  • the sample arrangement part 210 may be in the form of a container capable of accommodating the sample S.
  • the sample (S) may be prepared by using the entire sample as a sample, or by means of a microorganism such as a tape, a membrane or the like.
  • the antibiotic application unit 260 may administer a predetermined antibiotic (A) to the sample in the sample placement unit 210.
  • the antibiotic application unit 260 may be disposed adjacent to the sample placement unit 210 and may be disposed at a position opposite to the sample placement unit 210 as shown in the figure to allow the sample S to contain an antibiotic Can supply.
  • the antibiotic application 260 may administer one type of antibiotic and, if the suitability of the administered antibiotic is not met, it may be replaced with another type of antibiotic.
  • the antibiotic application unit 260 may include a plurality of antibiotic application units 260 corresponding to a plurality of antibiotics, and the antibiotic application unit 260 may be used as needed.
  • the wave source 220 can irradiate a wave toward the sample S in the sample arrangement part 210.
  • the wave source 220 may be any type of source device capable of generating a wave, and may be, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the detection unit 230 can detect laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave by the sample S at predetermined time points.
  • time refers to any one of continuous time flows, and time points can be set in advance at the same time interval, but are not limited thereto, and may be set in advance at an arbitrary time interval .
  • the detection unit 230 may include detection means corresponding to the type of the wave source 220. For example, when a light source of a visible light wavelength band is used, a CCD camera serving as a photographing device for photographing an image is used .
  • the detection unit 230 may detect the laser speckle at the first time point and detect the laser speckle at the second time point and provide the laser speckle to the control unit 240.
  • the first time point may be the time before the antibiotic is administered to the sample S
  • the second time point may be the time point after the antibiotic is administered to the sample S.
  • the first and second points of view are merely examples selected for convenience of explanation, and the detector 230 can detect the laser speckles at a plurality of points of view greater than the first point and the second point of time.
  • the control unit 240 obtains a temporal correlation using the detected laser speckle and determines the presence or absence of microorganisms before or after administration of the antibiotic to the sample S based on the obtained time correlation, Can be estimated.
  • the control unit 240 can determine the suitability of the applied antibiotic based on the presence of the estimated microorganism or the concentration of the microorganism in real-time.
  • real-time means to judge the suitability of antibiotics by estimating the presence of microorganisms or changes in the concentration of microorganisms within 1 hour.
  • the presence of microorganisms or the concentration of microorganisms can be determined. More preferably, the suitability of the antibiotic can be determined by estimating the concentration change of the antibiotic within 20 seconds.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 200 further includes a temperature adjusting unit 284 connected to the sample placing unit 210 and supplying a predetermined temperature of heat to the sample placing unit 210 can do.
  • the temperature control unit 284 is controlled by the control unit 240 and can provide heat to maintain the proper temperature so as to promote the propagation of the microorganisms in the sample S.
  • the control unit 240 can control the temperature regulator 284 so that the sample S can maintain a temperature of about 30 ° C to 40 ° C.
  • the present invention is not limited thereto, and the controller 240 may control the temperature regulator 284 as a different set temperature depending on the type of the microorganism to be estimated.
  • FIG. 10 is a perspective view schematically showing an embodiment of a sample property detection apparatus 100 according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a block diagram of the sample property detection apparatus 200 of FIG.
  • the sample property detecting apparatus 200 may further include a cover member 200A and a sample transfer unit 200B.
  • the cover member 200A may cover at least the sample placement unit 210 so that the sample S is not exposed to the external environment.
  • the cover member 200A includes a sample placement unit 210, an antibiotic application unit 260, a wave source 220, a detection unit 230, and a control unit 240, .
  • the sample (S) may be exposed to the external environment and noise may be generated, so that accurate examination may not proceed. Therefore, the cover member 200A can separate the sample S from the external environment, especially from the outside air, thereby minimizing contamination and improving the accuracy.
  • the sample transfer unit 200B has one end connected to the sample placement unit 210 and the other end projecting to the outside of the cover member 200A and having a communication hole extending in the longitudinal direction between one end and the other end, S to the sample arranging unit 210.
  • the sample S may be collected by a syringe or the like, and then may be directly transferred to the sample placement unit 210 through the sample transfer unit 200B without exposure to external air.
  • the subject may blow the sample S from the other end of the sample transfer unit 200B to the sample placement unit 210.
  • the antibiotic application unit 260 may supply antibiotics to the antibiotic application unit 260 from the outside, including the antibiotic inlet 211 communicated with the outside of the cover member 200B.
  • the sample property detecting apparatus 200 may further include a display unit 290.
  • the display unit 290 may display the presence or absence of the microorganisms estimated by the control unit 240 or the concentration results of the microorganisms as an external unit and may be disposed outside the cover member 200B as shown in the figure.
  • FIG. 12 is a view schematically showing another embodiment of a sample property detecting apparatus 200-1 according to the second embodiment of the present invention.
  • the apparatus 200-1 may include two or more detectors 230A, 230B, 230C, and 230D.
  • the apparatus for detecting the characteristic of a sample 200-1 includes a three-dimensional image generation unit 245 for generating a three-dimensional speckle image using a plurality of laser speckles detected from the plurality of detection units 230A, 230B, 230C and 230D ). Since the number of detectors 230 that are theoretically required to generate a three-dimensional image is two or two, the relative image is grasped. Therefore, at least three detectors 230 are included to generate an absolute three-dimensional image . In the drawing, four detection units 230A, 230B, 230C and 230D are shown for improving the accuracy.
  • FIG. 13 is a view schematically showing another embodiment of the apparatus for detecting a characteristic of a sample 200-2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 200-2 includes a sample arrangement unit 210, a reference sample arrangement unit 215, an antibiotic application unit (not shown), a wave source 220, A detection unit 230, a control unit 240, a beam splitter 281, and a multi-beam reflector 283.
  • the multi- Other embodiments are the same as the components of the second embodiment except that they further include the reference sample arranging unit 215 and the wave paths thereof are different from each other. Therefore, a duplicate description will be omitted.
  • the sample arrangement part 210 can receive the sample.
  • the reference sample arrangement part 215 is disposed adjacent to the sample arrangement part 210 and can accommodate the reference sample.
  • the reference sample may be a sample containing external environmental conditions to which the sample can be exposed.
  • the reference sample may be air in which the sample is placed.
  • the reference sample can be a control sample for minimizing the noise that may be caused by external environmental factors.
  • the antibiotic application part (not shown) may be provided with a known antibiotic to the sample in the sample placement part 210.
  • the wave source 220 can irradiate a wave in the sample in the sample arrangement part 210 and the reference sample in the reference sample arrangement part 215.
  • a multi-beam reflector 283 and a beam splitter 281 may be positioned between the wave source 220 and the sample placement unit 210 and the reference sample placement unit 215. It may further include a mirror 285 for changing the wave path provided from the wave source 220.
  • the multi-beam reflector 283 can divide a wave incident from the wave source 220 into a plurality of wave paths.
  • the multi-beam reflector 283 may reflect the waves on the front and back surfaces, respectively, to provide a parallel first divided wave L2 and a second divided wave L3.
  • the beam splitter 281 is disposed on a plurality of wave paths provided from the multiple beam reflector 283 and can provide the first wave L2 and the second wave L3 as a sample and a reference sample, respectively. Thereafter, the path of the wave reflected and emitted from the sample and the reference sample may be changed and provided to the detection unit 230.
  • the detection unit 230 can detect the first laser speckle and the reference laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated waves from the sample and the reference sample at the same preset time points.
  • the detection unit 230 includes a first detection unit 231 disposed corresponding to the path of the first wave reflected from the sample and a second detection unit 233 disposed corresponding to the path of the second wave reflected from the reference sample .
  • the control unit 240 obtains the time correlation of the detected first laser speckle using the detected first laser speckle, and determines the microorganism in the sample before or after the antibiotic is administered to the sample based on the obtained time correlation. Presence or presence of microorganisms can be estimated. The controller 240 can determine the suitability of the antibiotic according to the presence of the estimated microorganism or the change in the concentration of the microorganism. At this time, the control unit 140 can acquire the reference information of the detected reference laser speckle together using the detected reference laser speckle. The control unit 240 may remove the noise of the time correlation of the first laser speckle using the obtained reference information.
  • the above-described sample-characteristic detecting apparatus 200-2 can simultaneously detect a change in the temporal correlation coefficient due to the external environment by adding the reference sample arranging unit 215. [ Thus, it is possible to exclude noise from the time correlation coefficient of the actual sample, thereby enabling accurate inspection.
  • FIG. 14 is a graph schematically showing changes in time correlation before and after the administration of the antibiotic obtained using the sample property detecting device 200 of FIG.
  • the controller 240 may determine that the time correlation coefficient of the sample is appropriate for the administered antibiotic if it changes before and after administration of the antibiotic.
  • the solid line S1 represents the time correlation coefficient of the sample in which no microorganisms are present
  • the dotted line S2 represents the time correlation coefficient of the sample in the presence of microorganisms
  • the one-dot chain line S3 And the time correlation coefficient when antibiotics are administered.
  • the one-dot chain line S3 is the same as the slope of the dotted line S2 before antibiotic administration and the same as the slope of the solid line S1 after administration of the antibiotic have.
  • FIG. 14 shows an example before and after the administration of antibiotics. Actually, the slope value between the solid line S1 and the dotted line S2 may be displayed after administration of the antibiotic. However, through these changes, it is possible to judge whether the antibiotic is suitable for the sample.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 200 uses the change of the time correlation of the laser speckle by the microorganism, thereby enabling the rapid detection of the presence or the concentration of the microorganism And thus it is possible to quickly and accurately check the antibiotic suitability of the sample.
  • FIG. 15 is a conceptual diagram schematically showing a portable biological sensing system 1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is an exemplary view schematically showing an embodiment of the portable biological sensing system 1 of FIG. 15 .
  • a biological sensing system 1 may include an electronic device 10, a biological sensing device 20, a detection unit 30, and a control unit 40.
  • the microbe detection method using the laser speckle of the control unit 40 is the same as that described above, and a duplicate description will be omitted.
  • the electronic device 10 is an electronic device including a light source unit 11 and a camera unit 12 disposed on one surface, and may be a portable device that can be moved.
  • the electronic device 10 may include a display unit (not shown), which may be a surface facing the surface on which the display unit (not shown) is disposed (see FIG. 15) (Not shown) may be disposed.
  • the electronic device 10 may be disposed on both of the surfaces opposing the surface on which the display portion (not shown) is disposed, including the light source portion 11 and / or the camera portion 12 .
  • the electronic device 10 may be any type of portable device that is easy to move and may be a portable device such as a mobile phone, a tablet, a notebook, a graphing calculator, a portable game machine, a digital camera, a digital camcorder, A media player, and the like.
  • a portable device such as a mobile phone, a tablet, a notebook, a graphing calculator, a portable game machine, a digital camera, a digital camcorder, A media player, and the like.
  • the light source unit 12 is a light source used in an electronic device such as a general mobile phone, and may be a light source having a wide wavelength band.
  • the light source unit 12 may be a light source for irradiating light of a visible light ray wavelength band.
  • the present invention is not limited to this, and may be a light source for emitting light in the infrared wavelength band or a light source having a different wavelength band.
  • the camera section 11 includes a lens module including at least one lens and an image sensor that senses a light image provided by the lens module.
  • the camera section 11 photographs a light image of a measurement object, Can be generated.
  • the biological sensing device 20 senses the presence or concentration of an organism attached to the electronic device 10 or detects the presence or concentration of an organism in a detached state separate from the electronic device 10 Can be detected.
  • the biological sensing device 20 may include a body part 20A, a conversion part 22, and the like.
  • the body portion 20A of the biological sensing device 20 may be detachably attached to the electronic device 10.
  • the body part 20A may be provided with a conversion part 22 and may be formed in various forms for fixing the conversion part 22 to a position corresponding to the light source part 12 of the electronic device 10.
  • the body portion 20A may include an opening 21 for exposing the camera portion 11 of the electronic device 10.
  • the camera unit 11 can be exposed by forming the opening 21 through the body portion 20A at a position corresponding to the camera unit 11.
  • the conversion unit 22 of the biological detection device 20 is disposed in the body portion 20A at a position corresponding to the wave source 120 and converts the light emitted from the light source unit 12 into a first wave of a predetermined wavelength band So that it can be irradiated toward an external measurement object.
  • the conversion unit 22 is disposed at a position where the light is irradiated from the light source unit 12, and converts the provided light into a first wave of a predetermined wavelength band and irradiates the wave toward an external measurement target.
  • the conversion unit 22 may be a band pass filter. That is, the biological detection system 1 detects the presence or concentration of an organism in a measurement target by irradiating the first wave of a specific wavelength band, which is easy to detect laser specle, through the conversion unit 22 .
  • the conversion unit 22 can convert the spectrum into a spectral bandwidth having good coherence. At this time, the shorter the spectral bandwidth of the light to be irradiated Measurement accuracy can be increased. That is, the longer the coherence length, the greater the measurement accuracy.
  • the detection unit 30 can detect the first laser speckle generated by multiple scattering of the first wave irradiated by the conversion unit 22 with the object to be measured at predetermined time points.
  • time refers to any one of continuous time flows, and time points can be set in advance at the same time interval, but are not limited thereto, and may be set in advance at an arbitrary time interval .
  • the detection unit 30 may include a detection unit corresponding to the first wave to be irradiated but may not use the detection unit but may use the camera unit 11 of the electronic device 10 as a detection unit. In other words, the detection unit 30 receives the sensing information generated through the camera unit 11, and can detect the first laser speckle using the sensing information.
  • the detection unit 30 may detect the first laser speckle at least at the first time point and may detect the first laser speckle at the second time point different from the first time point and provide the first laser speckle to the control unit 40.
  • the first and second points of view are merely examples selected for convenience of explanation, and the detector 30 can detect laser speckles at a plurality of points of view greater than the first point and the second point of time.
  • the incident first wave can form the first laser speckle by multiple scattering.
  • the measurement object M can be any kind including a medium capable of forming the above-described chaotic wave.
  • a material having regular reflectivity such as a metal in a bed mattress
  • an object capable of human contact such as a sofa, a desk, a desk, a toilet handle
  • Any kind can be measured.
  • a person's body such as a tooth or a nail, can also be measured. Since the laser speckle is generated by the light interference phenomenon, if there is no movement in the measurement object, it can always show a constant interference pattern with time.
  • the laser speckle may change with time due to the movement of the organism.
  • the detection unit 30 may detect the laser speckles varying in time according to the time, and provide the detected laser speckles to the control unit 40 at predetermined time points.
  • the detection unit 30 can detect the laser speckle at such a speed as to detect the movement of the creature, and can detect the laser speckle at a speed of, for example, 25 frames to 30 frames per second.
  • the biological detection system may further include a medium filter unit (not shown) for filtering a liquid medium, and a medium filter unit (not shown) including a remainder
  • the laser speckle can be detected as a measurement target. Through this, it is possible to detect the presence or absence of an organism in the measurement object M such as a liquid in which laser speckle detection is difficult, or to estimate the concentration of an organism.
  • the control unit 40 obtains a temporal correlation using the detected first laser speckle, and determines the existence or non-existence of the measurement target M based on the obtained time correlation, Can be estimated in real time.
  • real-time means the estimation of the presence or the change in the concentration of living organisms within 1 hour, preferably within 5 minutes. More preferably, the presence of the organism or the concentration change of the organism can be estimated within 20 seconds.
  • the control unit 40 can operate to provide the user with the results regarding the presence of the organism and the estimation of the concentration change of the organism through the display unit (not shown) of the electronic device 10 to the user. The method of estimating the presence or absence of biological organisms or the concentration change of biological organisms in the control unit 40 will be described later.
  • control unit may include all kinds of devices capable of processing data, such as a processor.
  • " processor " may refer to a data processing apparatus embedded in hardware, for example, having a circuit physically structured to perform a function represented by a code or an instruction contained in the program.
  • the data processing apparatus built in hardware, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated circuit (ASIC) circuit, and a field programmable gate array (FPGA), but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • control unit 40 is disposed in the electronic device 10, but the present invention is not limited thereto.
  • the control unit 40 may be disposed in the biological sensing device 20 or may be disposed in an external server (not shown) capable of communicating with the electronic device 10 and the biological sensing device 20.
  • the control unit 40 will be mainly disposed within the electronic device 10.
  • the control unit 40 can implement the above-described operation by driving an application program or an application stored in a memory unit (not shown) of the electronic device 10.
  • the biological detection system 1 estimates the presence or absence of living beings or changes in the concentration of biological organisms using the time correlation of the first laser speckle, The change due to other factors may act as noise. In order to remove such noise, the biological detection system 1 adds a camera-shake correction function to the device in which the detection unit 30 is disposed, that is, the electronic device 10 in one embodiment, can do.
  • the biological sensing system 1 may also provide the user with a reference focal distance between the measurement object M and the biological sensing device 20 to detect the correct first laser speckle.
  • the biological sensing system 1 may further include a distance sensor 25 for measuring the distance between the measurement object M and the biological sensing device 20, And may be disposed in the body portion 20A of the biological sensing device 20.
  • the distance sensor 25 may measure the distance between the biological sensing device 20 and the measurement target M and may transmit information on the distance to the control unit 40.
  • the control unit 40 can determine whether the measured distance from the distance sensor 25 is within a predetermined range, and generate the first signal when the distance is within the preset range.
  • the detection unit 30 can operate when the first signal is received from the control unit 40, so that the first laser speckle can be automatically detected when the focus is adjusted.
  • FIGS. 18A to 18D are views showing the body part 20A of the biological detection apparatus 20 of FIG. Fig. 2 is a schematic view showing various embodiments of the present invention.
  • a biological sensing system 1-1 may include an electronic device 10, a biological sensing device 20, a detection unit 30, and a control unit 40 .
  • the same or corresponding components as those of the biological detection system 1 of FIG. 1 and FIG. 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
  • the electronic device 10 may be a portable device including a light source unit 12 and a camera unit 11 disposed on one surface.
  • the bio-sensing device 20 includes a body portion 20A and a conversion portion 22 and is configured to be independent of the state of being attached to the electronic device 10, And may further include a wave source part (23).
  • the body portion 20A can be detachably attached to the electronic device 10.
  • the body portion 20A may be formed in the form of a grip which can be mounted on one side of the electronic device 10.
  • the body portion 20A includes a main body 201 in which the opening 21, the conversion portion 22 and the wave source portion 23 are disposed, a handle portion 202 connected to the main body 201, The hinge portion 202 can be detachably attached to the electronic device 10 through the pressure applied to the handle 202.
  • the body portion 20A may further include a macro lens 29 so as to overlap with the opening 21 corresponding to the camera portion 11 of the electronic device 10. [ have.
  • the body portion 20A further includes a macro lens 29 to shorten the focal distance so that the camera portion 11 of the electronic device 10 is separated from the surface of the sample S A1 ) To detect the laser speckle.
  • the body portion 20A may further include a screen portion (not shown) capable of forming an image of a wave that is multiply scattered from the sample S at a position corresponding to the focal distance of the macro lens 29.
  • the screen unit (not shown) may be made of a semitransparent material capable of transmitting multi-scattered waves from the sample S.
  • the body portion 20A may be formed in the form of a case mountable to at least a portion of the electronic device 10.
  • the body portion 20A may be in the form of a case mounted on at least a part of one surface of the electronic device 10 in which the light source portion 12 and the camera portion 11 are disposed.
  • the body part 20A may be formed as a case mounted on the entire one surface of the electronic device 10, and the light source part 12 and the camera part 11 are located as shown in FIG. 18C It may be in a form that covers only a part of one surface.
  • the body portion 20A may be formed with an insertion port 204 passing through the center of the body portion 20A so as to be parallel to the surface on which the opening portion 21 and the conversion portion 22 are disposed,
  • the body portion 20A can be detachably attached by inserting the electronic device 10 into the insertion port 204.
  • the body portion 20A of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various embodiments that can be detachably attached to the electronic device 10 may be possible.
  • the body portion 20A may be detachably attached to the electronic device 10 by applying an adhesive to the contact surface contacting the electronic device 10.
  • the wave source portion 23 can irradiate the second wave toward the measurement object M.
  • the wave source 23 may be any type of source device capable of generating a wave, and may be, for example, a laser capable of emitting light in a specific wavelength band.
  • the present invention is not limited to the kind of the wave source, but the following description will focus on the case of a laser for convenience of explanation.
  • a laser having good coherence can be used as a wave source.
  • the shorter the spectral bandwidth of the wave source that determines the coherence of the laser source the greater the measurement accuracy. That is, the longer the coherence length, the greater the measurement accuracy.
  • the laser beam whose spectral bandwidth of the wave source portion 23 is less than the predetermined reference bandwidth can be used as the wave source portion 23, and the measurement accuracy can be increased as it is shorter than the reference bandwidth.
  • the spectral bandwidth of the wave source 23 may be set such that the condition of Equation (1) is maintained.
  • the spectral bandwidth of the wave source portion 23 can be kept less than 1 nm.
  • the detection portion 30 may be disposed at least in the biological sensing device 20.
  • the detection unit 30 may include a detection unit corresponding to the type of the wave source unit 23.
  • a CCD camera which is a photographing device for photographing an image
  • the detection unit 30 detects the laser speckle at the first time point and detects the laser speckle at the second time point and provides the laser speckle to the control unit 40.
  • the controller 40 may be disposed in the biological sensing device 20 to perform the above-described operation.
  • the control unit 40 may be located in the electronic device 10 as in one embodiment. The present invention is not limited to the position of the control unit 40, but will be described below with reference to the case where the control unit 40 is disposed in the electronic device 10 for convenience of explanation.
  • the biological sensing device 20 further includes a communication unit 24 capable of communicating with the electronic device 10 in a wired or wireless manner, 40).
  • the communication unit 24 may include hardware and software necessary for transmitting and receiving a signal such as a signal or a data signal through an electronic device and a wired or wireless connection.
  • the image sensor when used as the detection unit 30, the image sensor may be arranged such that the size d of one pixel of the image sensor is smaller than or equal to the grain size of the speckle pattern.
  • the detection unit 30 may include an image sensor satisfying the condition of Equation (2).
  • the image sensor can be arranged so that no more than five pixels are located in the speckle grain size to achieve an effective SNR (Signal to Noise Ratio).
  • the detection unit 30 detects a second laser speckle generated by multiplying the second wave irradiated from the wave source unit 23 by the measurement object in a state where the biological sensing apparatus 20 is separated from the electronic device 10 can do.
  • the detection unit 30 is configured such that the first wave which is irradiated from the light source unit 12 of the electronic device 10 in a state where the biological sensing device 20 is attached to the electronic device 10 is multi- It is possible to detect the generated first laser speckle. At this time, it is also possible to detect the second laser speckle due to the second wave. In other words, the detection unit 30 can select and detect at least one of the first laser speckle and the second laser speckle.
  • the controller 40 acquires the temporal correlation of the first laser speckle or the second laser speckle using the detected first laser speckle or the second laser speckle, It is possible to estimate in real time the presence or absence of a living thing in the measurement subject based on the relationship.
  • FIGS. 15 and 16 are conceptual diagrams schematically showing a biological sensing device 20 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a schematic view showing a biological sensing system 1- 2 is a conceptual diagram schematically showing an embodiment of the present invention.
  • 19 and 20 the same or corresponding components as those of the biological detection system 1 of FIGS. 15 and 16 are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.
  • the biological sensing apparatus 20 includes a support portion 205 (not shown) extending from the body portion 20A so as to project from the conversion portion 22 toward the measurement target M by a predetermined length L, ).
  • the biological detection system (1-2) estimates the biological presence or biological concentration change using the time correlation of the first laser speckle, and changes the laser speckle according to the time correlation The change due to other factors may act as noise.
  • the support portion 205 can accurately detect the laser speckle by not only supporting the biological sensing device 20 so as to be stably positioned on the measurement target but also maintaining the focal distance L of the detection portion 30.
  • the biological sensing device 20 is shown separated from the electronic device 10, but it is needless to say that the biological sensing device 20 can be measured even when the biological sensing device 20 is attached to the electronic device 10.
  • the biological sensing apparatus 20 may further include a reference measurement unit 209 for providing a reference value of a multiply scattered first laser speckle or a second laser speckle from the measurement object M have.
  • the reference measuring unit 209 is disposed at a position corresponding to the opening 21 and the converting unit 22 and is disposed at a position corresponding to the distance L between the measuring object M and the detecting unit 30 of the biological sensing device 20. [ Can be spaced apart from the opening (21) and the converting portion (22).
  • the reference measurement unit 209 may be formed extending from the support unit 205 as shown, but is not limited thereto.
  • the reference measuring unit 209 may be arranged corresponding to the opening 21 and the converting unit 22 or may be disposed corresponding to the wave source 23 and the detecting unit 30.
  • the reference measurement unit 209 measures a stable medium to provide a reference value of the laser speckle to be measured.
  • the biological sensing apparatus 20 is divided into two unit units for irradiating and detecting waves, And the other unit unit can measure the reference laser speckle of the reference measuring unit 209. [0100] Accordingly, the biological sensing device 20 can eliminate noise due to movement or external environment, thereby enabling accurate measurement.
  • Figs. 21A and 21C are conceptual diagrams schematically showing a biological detection system 1-3 according to another embodiment of the present invention
  • Fig. 21B is a block diagram schematically showing the optical part 35 in Fig. 21A .
  • the biological detection system 1-3 may include an optical system for restoring and detecting the first optical signal scattered at the measurement object M into a second optical signal before being scattered, (135). ≪ / RTI >
  • the optical unit 135 may include a spatial light modulator (SLM) 1351 and a lens 1352. When the light scattered from the measurement object is incident, the optical unit 135 may restore the scattered light to the light before being scattered and provide the light to the detection unit 30.
  • SLM spatial light modulator
  • the spatial light modulator 1351 may be incident on the first optical signal scattered at the measurement object.
  • the spatial light modulator 1351 can control the scattered wave and provide it to the lens 1352.
  • the lens 1352 can collect and output the first optical signal provided from the spatial light modulator 1351 to a second optical signal that is a power source signal to be scattered and output.
  • the optical unit 135 can restore the first optical signal scattered from the measurement object M to a light before being scattered when there is no stable movement of the living body, that is, the movement of the living things in the measurement object.
  • the first optical signal changes due to the movement of the living organism, so that it is impossible to detect the phase control wavefront.
  • the second optical signal having the phase conjugate wavefront can not be restored.
  • the biological sensing system 1 including the optical unit 135 described above can more accurately estimate the presence or the concentration of an organism using the difference of the second optical signal.
  • the optical section 135 may further include optical means such as a mirror or a beam splitter capable of changing paths of the first optical signal and the second optical signal Of course.
  • the biological sensing apparatus and the biological sensing system having the biological sensing apparatus can utilize the change of the time correlation of the laser speckle by the living things in the measurement object, Or the concentration of the creature can be estimated and provided to the user. This allows the user to directly see the contamination of the invisible environment.
  • the bio-sensing system can provide convenience to the user by allowing the bio-sensing device to be detachably attached to an electronic device having portability and being able to measure the position of the measurement object anywhere without limitation.
  • FIG. 22 is a conceptual diagram schematically showing an individual identification device 2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a block diagram schematically showing the relationship between the control unit 140 and the data storage unit 145 in FIG. .
  • An object identification apparatus 2 includes a sample placement unit 110, an environmental chamber 180, a wave source 120, at least one detection unit 130, and a control unit 140 ).
  • the object identification device 2 may further include a data storage unit 145 and a display unit 190.
  • the sample arrangement part 110 can receive the sample S taken from the target object.
  • the sample (S) may be a sample such as saliva, blood, tissue of the target object, or a sample such as stool, urine, or keratin that has been discharged from the target object to the outside of the body.
  • the sample (S) may be collected or taken from the skin by the target object being blown into the mouth, or the faeces and the like may be collected by filtering the sample.
  • Microorganisms present in the body also exist in these samples. Since the microorganisms in the body are released to the outside when a person nostrils, trims and farts, the sample S for identifying the target object can be collected in various ways.
  • sample S it is also possible to collect the sample S containing the microorganisms during the activity from the air filter disposed in the clean room after the target object is activated in the clean room for a predetermined time have.
  • the sample (S) may be prepared by using the entire sample as a sample, or by means of a microorganism such as a tape, a membrane or the like.
  • the environmental chamber 180 accommodates the sample placement unit 110 and can change the environmental conditions of the sample S.
  • the environmental chamber 180 can change the environmental conditions of at least one of temperature, humidity, pressure, magnetic field, antibiotic administration, and antibiotic type.
  • the environmental chamber 180 may include a temperature control device, a humidity control device, a pressure control device, a magnetic field control device, and the like to change the environmental conditions described above.
  • the environmental conditions described above are only one example, and the present invention is not limited thereto.
  • the environmental chamber 180 may further comprise an antibiotic administration device capable of administering one or more antibiotics. It goes without saying that various environmental conditions that can affect the microorganisms in the sample S as well as the above-mentioned environmental conditions can be applied.
  • the environmental chamber 180 may be controlled by the control unit 140.
  • the environmental chamber 180 is not limited in form, but may be made of a material or structure that is not affected by the environment outside the environmental chamber 180.
  • the environmental chamber 180 may be made of an insulating material.
  • the environmental chamber 180 may have a pressure-resistant structure capable of withstanding a constant pressure.
  • the environmental chamber 180 may be made of a transparent material having one side 181 disposed in a path along which waves are irradiated from the wave source 120.
  • the environmental chamber 180 may be formed of at least one surface 181 that is transparent to transmit the wave irradiated from the wave source 120 to the sample S when the wave source 120 is disposed outside the environmental chamber 180 ≪ / RTI >
  • the environmental chamber 180 may be made of a diffusion material that diffuses the waves, and the other surface 183 disposed in the path from which the waves are irradiated from the wave source 120.
  • the chaotic wave sensor described above can detect laser speckles generated by multiple scattering due to the movement of microorganisms in the sample (S).
  • the other surface 183 of the environmental chamber 180 may be formed of a diffusion material to further maximize the multiple scattering effect due to the movement of microorganisms.
  • the other surface 183 of the environmental chamber 180 may include multiple scattering materials to amplify multiple scattering times of the waves in the sample S.
  • the wave source 120 can irradiate a wave toward the sample S in the sample arrangement part 110.
  • the wave source 120 may be any type of source device capable of generating a wave, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the present invention is not limited to the kind of the wave source, but the following description will focus on the case of a laser for convenience of explanation.
  • a laser having good coherence can be used as the wave source 120 in order to form a speckle in the sample arrangement unit 110.
  • the detector 130 can detect a laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave by the sample S at predetermined time points have.
  • the control unit 140 can estimate the concentration of microorganisms in the sample before and after the environmental condition is changed using the detected laser speckle.
  • the control unit 140 can identify the target entity from a plurality of entities using the difference in the concentration of the microorganisms before and after the environmental condition is changed.
  • Microorganisms can exist anywhere inside and outside of an individual, and the type of microorganism that they carry may vary. In other words, the type of microorganism that coexists with an individual can be an identification of the individual, such as a gene or fingerprint of the individual.
  • microorganisms such as bacteria are invisible, it is difficult to analyze what kinds of microorganisms are contained in a sample collected from an individual. Although it is possible to analyze the microorganism gene contained in the sample collected from an individual, there is a problem that a complicated analysis process is required as in the case of analyzing an individual gene.
  • simple and rapid analysis can be performed using laser speckles generated by multiple scattering from microorganisms in the sample (S).
  • One or more microorganisms may be present in the sample (S) collected from an individual.
  • Microorganisms can show different concentrations depending on the kind of environment.
  • a target object can be identified from a plurality of individuals by using an average concentration in which one or more kinds of microorganisms change environmental conditions according to a change without distinguishing the concentrations according to the types of microorganisms.
  • control unit 140 may include an average concentration estimating unit 141, an identifying unit 143, and a data correcting unit 147.
  • the average concentration estimating section 141 receives the laser speckle detected from the detecting section 130 and obtains a temporal correlation of the detected laser speckle and calculates a sample S
  • the average concentration of one or more microorganisms contained in the microorganism can be estimated.
  • the average concentration estimating unit 141 can estimate the first average concentration of the microorganisms when the first environmental condition is applied to the sample S before the environmental condition is changed.
  • the average concentration estimating unit 141 can estimate the second average concentration of the microorganisms when the environmental condition is changed in the sample S, that is, when the second environmental condition different from the first environmental condition is applied.
  • the first environmental condition and the second environmental condition may include at least one of temperature, pressure, magnetic field, and humidity as described above.
  • each kind of environmental condition is sequentially changed to one sample S, or two or more kinds of environmental conditions
  • the concentration can be estimated individually by changing the concentration of each component.
  • the identification unit 143 can generate the identification data of the target entity by calculating the rate of change of the average concentration of the microorganisms according to the change of the environmental condition, and can identify the target entity from the plurality of the individuals using the identification data.
  • the identification unit 143 may generate the identification data by calculating the difference between the first average concentration according to the first environmental condition and the second average concentration according to the second environmental condition.
  • the first average concentration of microorganisms in the sample S is estimated to be 40% when the temperature is the first environmental condition of 30 ⁇ ⁇ .
  • the second average concentration of microorganisms in the culture medium may vary to 20%.
  • the target object has a kind of microorganism having a characteristic of killing 20% on average by the temperature change. This characteristic can be identification information that only the target entity can have.
  • the individual identification apparatus 2 may further include a data storage unit 145 corresponding to each of the plurality of entities, in which reference data relating to an average concentration change rate of microorganisms according to a change in environmental conditions are stored in advance have.
  • the identification unit 143 can identify the target entity from a plurality of entities by comparing the identification data with the reference data.
  • the identification unit 143 may generate identification data from two different samples, respectively, and compare the identification data with each other to determine that the two samples are collected or discharged from the same individual.
  • the identification section 143 may compare the identification data of the target entity with the reference data stored in the data storage section 145 to determine the health state of the target entity.
  • the reference data for each individual is stored in the data storage unit 145.
  • the reference data includes not only the average concentration change rate of the microorganisms according to the change in the environmental condition but also the average concentration value of the microorganisms under the predetermined environmental conditions can do.
  • the object identification apparatus 2 can monitor the health of a target object by using the identification data of the sample S periodically sampled from the target entity.
  • the data correcting unit 147 converts the identification data of the target object S generated from the identifying unit 143 into reference data, And may be stored in the data storage unit 145.
  • the object identification apparatus 2 can construct a database of reference data for a plurality of entities through the data corrector 147.
  • the data correction unit 147 may correct the reference data using the identification data when there is an error in the reference data stored in the data storage unit 145.
  • control unit 140 can determine the target object in real-time from a plurality of objects using the rate of change of the estimated average concentration of microorganisms.
  • real-time means to identify a target object by using an average concentration change rate of the microorganism within 1 hour, and preferably, it is possible to identify the target object by using the average concentration change rate of the microorganism within 5 minutes have. More preferably, the target entity can be identified within 20 seconds.
  • the object identifying apparatus 2 may further include a display unit 190.
  • the display unit 190 may externally display the average concentration change rate of the microorganisms estimated by the controller 140 and the identification result of the target entity.
  • 24 is a view schematically showing an individual identification device 2-2 according to another embodiment of the present invention.
  • the object identifying apparatus 2-2 includes a sample placement unit 210, a reference sample placement unit 215, an environmental chamber 280A, a reference chamber 280B, 220, a detection unit 230, and a control unit 240.
  • the object identification device 2-2 may further include optical means such as a beam splitter 281 and a multi-beam reflector 283.
  • the other embodiments are the same as the components of the embodiment except that the reference sample arrangement unit 215 and the reference chamber 280B are further included, and thus a duplicate description will be omitted.
  • the sample arrangement unit 210 can receive the sample taken from the target object.
  • the reference sample arrangement unit 215 can receive the reference sample.
  • the sample placement part 210 is accommodated in the environmental chamber 280A where the environmental condition is changed and the reference sample placement part 215 can be accommodated in the reference chamber 280B which does not change the environmental condition.
  • the reference sample is the same sample as the sample collected from the target object, and may be a control sample for minimizing the noise that may occur in estimating the average concentration of microorganisms.
  • the environmental chamber 280A can change the environmental condition of the sample and can change from the first environmental condition to the second environmental condition that is different from the first environmental condition.
  • the first environmental condition may be a temperature of the sample of 30 ⁇ ⁇
  • the second environmental condition may be a temperature of the sample of 60 ⁇ ⁇ .
  • the reference chamber 280B can arrange the reference sample arrangement part 215 inside and can keep the environmental condition of the reference sample constant under the condition before the environmental condition is changed in the environmental chamber 280A.
  • the environmental condition of the reference sample can be maintained at 30 ⁇ , which is the first environmental condition.
  • the wave source 220 can irradiate a wave in the sample in the sample arrangement part 210 and the reference sample in the reference sample arrangement part 215.
  • a multi-beam reflector 283 and a beam splitter 281 may be positioned between the wave source 220 and the sample placement unit 210 and the reference sample placement unit 215. It may further include a mirror 285 for changing the wave path provided from the wave source 220.
  • the multi-beam reflector 283 can divide a wave incident from the wave source 220 into a plurality of wave paths.
  • the multi-beam reflector 283 can reflect the waves on the front and back sides, respectively, and provide parallel first divided waves L4 and second divided waves L5.
  • the beam splitter 281 is disposed on a plurality of wave paths provided from the multiple beam reflector 283 and can provide the first wave L4 and the second wave L5 as a sample and a reference sample, respectively. Thereafter, the path of the wave reflected and emitted from the sample and the reference sample may be changed and provided to the detection unit 230.
  • the detection unit 230 can detect, from each of the sample and the reference sample, the laser speckle and the reference laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated wave at the same preset time points.
  • the detection unit 230 includes a first detection unit 231 disposed corresponding to the path of the first wave reflected from the sample and a second detection unit 233 disposed corresponding to the path of the second wave reflected from the reference sample .
  • the control unit 240 can obtain the time correlation of the detected laser speckle using the detected laser speckle and estimate the average concentration of one or more kinds of microorganisms contained in the sample based on the obtained time correlation . At this time, the control unit 240 can acquire the reference information of the detected reference laser speckle together using the detected reference laser speckle. The control unit 240 uses the average concentration difference of the microorganisms according to the change of the environmental condition. At this time, the time factor can be excluded from the average concentration difference of the microorganisms by using the reference information of the reference laser speckle.
  • the individual identifying apparatus 200 can obtain the average concentration difference of the microorganisms with respect to the change of the environmental condition by adding the reference chamber 280B. This makes it possible to eliminate noise over time, and it is not necessary to limit the measurement time, so that object identification analysis can be made simpler.
  • 25A and 25B are conceptual diagrams schematically showing an individual identification device 2-3 according to another embodiment of the present invention.
  • the object identifying apparatus 2-3 modulates the first wave signal scattered in the sample to restore the wave of the wave source 220 to the second optical signal before being scattered by the sample And may further include an optical portion 235.
  • the optical unit 235 may include a spatial light modulator (SLM) 2351 and a detection unit 230. The optical unit 235 controls the wavefront of the scattered wave to restore the wave to the scattered wave (light), and provides the wave to the detector 230 when the scattered wave is incident from the measurement object.
  • SLM spatial light modulator
  • the spatial light modulator 2351 can receive the scattered wave (light) from the sample.
  • the spatial light modulator 2351 can control the wavefront of the scattered wave in the sample and provide it to the lens 2352.
  • the lens 2352 can collect the controlled light and provide it to the detector 240 again.
  • the detection unit 240 may detect the wave condensed in the lens and may restore the waveform output from the original wave source to be scattered and output.
  • the optical section 235 can restore the first optical signal scattered from the sample to light before the scattering, when there is no stable movement of the living body, that is, in the case where there is no movement of the living body within the measurement object.
  • the first optical signal changes due to the movement of the living organism, so that the phase control wavefront can not be detected.
  • the second optical signal having the phase conjugate wavefront can not be modulated.
  • the individual identifying apparatus 200 including the optical unit 235 described above can estimate the presence or the concentration of living things more finely using the difference of the second optical signals.
  • FIG. 26 is a flowchart sequentially showing an individual identification method using the individual identification apparatus 2 according to an embodiment of the present invention.
  • reference data corresponding to each of a plurality of objects is stored in advance to construct a database (S100).
  • the reference data may include an average concentration change rate of the microorganisms according to a change in the environmental condition corresponding to each of the plurality of entities.
  • the average concentration change rate of microorganisms can be stored individually according to the type of environmental condition.
  • the reference data for an entity A is first reference data in which the average temperature of the microorganisms decreases by 30% when the temperature is changed from 30 ° C to 60 ° C, the first reference data for the microorganisms that reduce the average antibiotic B by 45%
  • a plurality of data corresponding to a plurality of environmental conditions such as two reference data may be included.
  • the detection unit 130 irradiates the laser beam toward the sample collected from the target object under the first environmental condition to detect a first laser speckle generated by multiple scattering, (S200).
  • the controller 140 may estimate the first concentration of the microorganisms in the sample under the first environmental condition using the first laser speckle (S300).
  • the step of estimating the first concentration in the control unit 140 may include obtaining a time correlation of the first laser speckle using the detected first laser speckle, It is possible to estimate the first average concentration of microorganisms of a kind or more.
  • the environmental chamber 180 may change the environmental conditions of the sample from the first environmental condition to the second environmental condition.
  • the detection unit 130 irradiates the sample with the wave in the second environmental condition, detects the second laser speckle generated by multiple scattering at a preset time point (S400).
  • the control unit 140 may estimate the second concentration of the microorganisms in the sample under the second environmental condition using the detected second laser speckle (S500).
  • the step of estimating the second concentration in the control unit 140 may include obtaining a time correlation of the second laser speckle using the detected second laser speckle, It is possible to estimate the second concentration of microorganisms of a kind or more.
  • the control unit 140 may discriminate the target entity from the plurality of entities using the difference between the first and second concentrations (S600).
  • the identification data can be generated by calculating the first average concentration of the microorganisms under the first environmental condition and the rate of change of the second average concentration of the microorganisms under the second environmental condition (S610).
  • the identification data may be unique identification information of the target entity.
  • the control unit 140 can compare the identification data with the previously stored reference data to identify the target entity from a plurality of entities.
  • the control unit 140 determines that the corresponding entity corresponds to the target entity and identifies the target entity (S620). However, when there is no reference data matched to the data storage unit 145 (A2), the data correction unit 157 converts the identification data of the target object into one reference data, You can build a database by storing it.
  • the apparatus for identifying an individual can analyze the unique microorganism information possessed by each individual at a low cost by using the change of the time correlation of the laser speckle by the microorganism Thereby allowing quick and accurate identification of the target entity from a plurality of entities.
  • FIG. 27 is a conceptual diagram schematically showing a virus detection device 3 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 28 is a block diagram schematically showing the virus detection device 3 of FIG. 29A and 29B are diagrams schematically illustrating a process of applying a virus marker in the virus marker application unit 165 of FIG.
  • the virus detection apparatus 3 includes a sample arrangement unit 110, a virus marker application unit 165, a magnetic field formation unit 170, a wave source 120 ), A detection unit 130, and a control unit 140.
  • the sample arrangement unit 110 can receive the sample S.
  • the sample (S) may be a sample such as a saliva, a blood, a tissue of an individual, or a sample such as a stool, a urine, or a keratin which is discharged from the body to the outside of the body.
  • the sample may be an organic sample such as food or a sample taken from a surface of an object using a cotton swab or tape.
  • the sample (S) may be prepared by using the entire sample as a sample, or by means of a virus, such as a tape, a membrane, or the like.
  • the sample arrangement part 110 may be in the form of a container capable of receiving the sample S.
  • the sample placement unit 110 can support the sample S while restricting the movement of the sample itself. In other words, the sample S itself is detected in a state in which the motion is limited.
  • the virus marker application unit 165 may apply a virus marker containing magnetic particles to the sample S to form a detection complex in which the virus marker and the virus in the sample are combined.
  • the virus marker application unit 165 may be disposed adjacent to the sample placement unit 110.
  • the virus detection device 3 may perform the step of moving the sample placement unit 110 to the virus marker application unit 165 to apply the virus marker.
  • the virus detection device 3 may move the collected sample S to the virus marker application unit 165 and apply the virus marker to the sample placement unit 110.
  • the position of the virus marker application unit 165 is not limited in the present invention.
  • the virus marker B1 may be formed by binding magnetic particles B13 to a substance that forms a gene pair with a specific virus.
  • the virus marker B1 may include an antibody B11 conjugated with the virus V1 in the sample S and magnetic particles B13 bonded to the antibody B11.
  • the antibody (B11) of the virus marker (B1) can bind to the virus (V1) in the sample (S) through the antigen-antibody reaction whereby the virus (V1) To form a detection complex (C1) combined with the detection complex (C1).
  • the magnetic particles may be particles having a particle diameter in the nanometer range. Since the magnetic particles have a large scattering of the waves irradiated from the wave source, the laser speckle can be easily detected.
  • the magnetic particles may be specifically a super-magnetic nanoparticle.
  • the superpowder magnetic nanoparticle means a material having strong magnetism when a magnetic field is applied from the outside. For example, at least one selected from the group consisting of Fe (III), Mg, Mg, Ni, Zn and Co.
  • the super-magnetic nanoparticles according to one embodiment may have an average particle size of 3 to 100 nm and may be particles having 4 to 30 nm.
  • the super magnet nanoparticles may have an average magnetizing power of 60 emu / g to 150 emu / g, and 80 emu / g to 130 emu / g.
  • the collected sample S may include plural kinds of viruses.
  • the virus marker application unit 165 applies a plurality of types of virus markers including the antibody conjugated with any one of the plural kinds of viruses and the magnetic particles bonded to the antibody to the sample (S) .
  • a case where two kinds of viruses are included in the sample S is shown as an example. Since it is not possible to visually check what kind of virus is contained in the sample (S) actually collected, plural kinds of virus markers can be applied to the sample (S) for virus detection.
  • the virus marker application unit 165 applies the first virus marker B1, the second virus marker B2 and the third virus marker B3, which are three types of virus markers, to the sample S, .
  • the sample S includes the first virus V1 paired with the first virus marker B1 and the second virus V2 paired with the second virus marker B2
  • the first detection complex C1 in which the first virus marker V1 and the first virus marker B1 are combined and the second detection complex C2 in which the second virus V2 and the second virus marker B2 are combined can be formed have.
  • the virus detection device 3 can detect not only the presence but also the types of viruses in the sample S through the first detection complex C1 and the second detection complex C2.
  • the virus marker application unit 165 can remove the virus marker that is not coupled with the virus from the sample (S).
  • the virus marker application unit 165 may remove the magnetic particles that are not coupled with the virus from the sample S by using a porous filter.
  • the porous filter may be an object for filtering a detection complex in which a virus marker and a virus marker are combined with each other.
  • the virus marker application unit 165 may remove the third virus marker B3 that is not paired with the sample S using a porous filter (not shown). As a result, only the first detection complex (C1) and the second detection complex (C2) combined with the virus marker including magnetic particles remain in the sample (S), and accurate virus detection can be performed.
  • the magnetic field forming unit 170 is disposed adjacent to the sample arranging unit 110 to form a magnetic field around the sample arranging unit 110 to move the detecting complex .
  • the magnetic field forming unit 170 can move magnetic particles included in the detecting complex by using a magnetic force.
  • the virus bound to the magnetic particles can move together. Since the virus does not move in the same way as a microorganism such as a bacterium, even if a sample (S) to which a virus marker is not applied is irradiated with a wave, the virus can not be detected due to no laser speckle.
  • the detection complex can be formed in which the magnetic particles are bound to the virus through the virus marker application unit 165, and the detection complex can be moved to the virus .
  • the magnetic field forming unit 170 can form a magnetic field using the RF coil 175 surrounding the sample arranging unit 110.
  • a magnetic field may be formed in the sample S of the sample arrangement part 110 simply by using the permanent magnet.
  • the magnetic field forming unit 170 may use micro-nuclear magnetic resonance (micro-NMR).
  • the magnetic field forming unit 170 may change the direction or intensity of the magnetic field every predetermined first time period to impart movement to the detecting complex.
  • the magnetic field generating unit 170 applies a magnetic field having a constant direction and intensity to the sample S, the detecting complex C1 may move in one direction and stop moving again, so that accurate virus detection may be difficult. Accordingly, the magnetic field generating unit 170 may change the direction or strength of the magnetic field every predetermined first time period so that the virus detecting apparatus 3 can continuously impart motion while detecting the virus.
  • the wave source 120 can irradiate a wave toward the sample S in the sample arrangement part 110.
  • the wave source 120 may be any type of source device capable of generating a wave, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the present invention is not limited to the kind of the wave source, but the following description will focus on the case of a laser for convenience of explanation.
  • a laser having good coherence can be used as the wave source 120 in order to form a speckle in the sample arrangement unit 110.
  • the shorter the spectral bandwidth of the wave source that determines the coherence of the laser source the greater the measurement accuracy. That is, the longer the coherence length, the greater the measurement accuracy.
  • the laser beam whose spectral bandwidth of the wave source is less than the predetermined reference bandwidth can be used as the wave source 120, and the measurement accuracy can be increased as it is shorter than the reference bandwidth.
  • the detection unit 130 detects the laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated waves due to the movement of the detection complex C1 in the sample S at predetermined time points can do.
  • the detection unit 130 may include detection means corresponding to the type of the wave source 120. For example, when a light source of a visible light wavelength band is used, a CCD camera, which is a photographing device for photographing an image, .
  • the detection unit 130 can detect the laser speckle in a region between the surface of the sample and the detection unit 130, although the surface of the sample on which the laser speckle is generated can be measured. Further, the detection unit 130 can detect the laser speckle without the lens unit having a constant focal length.
  • the detection unit 130 may detect the laser speckle at the first time point, detect the laser speckle at the second time point, and provide the laser speckle to the control unit 140. Meanwhile, the first and second points of time are only one example selected for convenience of explanation, and the detector 130 can detect laser speckles at a plurality of points of time greater than the first point and the second point of time.
  • the time interval of the preset points of time detected by the detector 130 may be shorter than the first time of giving motion to the complex for detection in the magnetic field generator 170.
  • fast movement of the detecting complex may act as noise if the movement of the detecting complex is shorter than the interval of the measuring points. Therefore, the detector 130 can detect the laser speckle at an interval shorter than the first time for changing the direction or intensity of the magnetic field in the magnetic field generator 170 for accurate detection.
  • the image sensor when used as the detection unit 130, the image sensor may be arranged such that the size d of one pixel of the image sensor is smaller than or equal to the grain size of the speckle pattern.
  • the control unit 140 can obtain a temporal correlation of the detected laser speckle using the detected laser speckle.
  • the control unit 140 can estimate the presence or absence of the virus in the sample S or the concentration of the virus in real time based on the obtained time correlation.
  • the controller 140 receives the magnetic field information about the direction or intensity of the magnetic field of the magnetic field generator 170, and obtains the time correlation of the detected laser speckle using the magnetic field information.
  • real-time means to estimate the presence or absence of a virus or the concentration of a virus within one hour, and preferably the presence or absence of the virus can be estimated within 5 minutes. More preferably, the virus can be detected within 20 seconds. A method of acquiring the time correlation of laser speckles in the control unit 140 will be described later.
  • the virus detection device 3 may further include a display unit 190.
  • the display unit 190 may display the results of the presence, concentration, and type of virus estimated by the control unit 140 as an external information.
  • FIG. 30 is a flowchart sequentially illustrating a virus detection method according to an embodiment of the present invention.
  • a virus marker containing magnetic particles is applied to a sample to form a detection complex having a virus marker and a virus in the sample (S) (A10). Since there may be a plurality of types of viruses in the sample S, the number of types of virus markers may be plural, and the number of virus types and the number of types of virus marker need not necessarily be the same. At this time, the virus marker may be different in the type of antibody corresponding to the virus, and the magnetic particles bound to the antibody may use the same magnetic particles. Accordingly, when a magnetic field is formed in the sample (S) to impart motion to the detection complex, movement differences may occur depending on the type of the virus, so that the virus can be classified according to the type of virus.
  • the magnetic field forming unit 170 may change the direction or intensity of the magnetic field every predetermined first time period, thereby inducing continuous movement of the detecting complex.
  • the interval of the predetermined time points may be shorter than the first time for changing the direction or strength of the magnetic field in the magnetic field forming unit 170.
  • control unit 140 obtains the time correlation of the detected laser speckle using the detected laser speckle, and determines the presence or concentration of the virus in the sample S based on the obtained time correlation It can be estimated in real time (A40).
  • FIG. 31 is a graph showing time correlation coefficients according to the type of virus in a sample.
  • the solid line S1 represents the time correlation coefficient of the sample in which the virus is not present
  • the first dashed line C1 represents the temporal correlation coefficient of the sample in which only the first virus V1 exists.
  • the third dashed line C2 represents the temporal correlation coefficient of the sample in which only the second virus V2 exists and the second dashed line C1 + C2 represents the time correlation coefficient between the first virus V1 and the second virus V2
  • the time correlation coefficient of the sample is shown.
  • the concentration is the same as the case where only the first virus exists or only the second virus exists.
  • the first virus (V1) and the second virus (V2) are shown in the same circle, but the first virus (V1) and the second virus (V2) may have different shapes and different weights. Therefore, the first detection complex (C1) containing the first virus (V1) and the second detection complex (C2) containing the second virus (V2) can show different motions even if they are placed on the same magnetic field . The time correlation of the laser speckle may be different from this other movement. By using these differences, the kinds of viruses in the sample (S) can be distinguished.
  • the virus detecting device can detect the presence of viruses at a low cost and at a low cost by using the change in the time correlation of the laser speckles by the detecting complex comprising viruses and magnetic particles. Whether or not, concentration and kind of virus can be estimated.
  • FIG. 32 to 37 various types of mounting positions and operations of the sample property detecting apparatus 100 according to the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 32 to 37.
  • FIG. 32 to 37 various types of mounting positions and operations of the sample property detecting apparatus 100 according to the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 32 to 37.
  • FIG. 32 is an exemplary view showing a case where a sample property detecting apparatus 100 according to the embodiments of the present invention is installed in a refrigerator P1.
  • FIG. 33 is a view showing a sample property detecting apparatus 100 of FIG. P1 in the ceiling portion 1050 of the first embodiment.
  • the refrigerator P1 may include a main body 1010 and a door 1020.
  • the main body 1010 and the door 1020 may be connected to the refrigerator P1 by a variety of means,
  • a sample property detecting apparatus 100 may be installed.
  • the refrigerator P1 further comprises one or more depressions 1040, and the sample property detection device 100 may be located in the depressions 1040.
  • the apparatus for detecting the characteristic of a sample 100 may be placed in the depression 1040 in order to secure a suitable distance for measuring chaos waves when the food in the refrigerator P1 is full.
  • the wave source 120 is preferably a laser light source.
  • the wave source 120 may include a driving unit 125 for switching the direction of the laser.
  • the driving unit 125 can change the irradiation direction of the wave source 120 so that bacteria of various parts of the refrigerator P1 can be measured.
  • the detection unit 130 is preferably a camera including an image sensor, and may also include a separate driving unit. Also, the focus can be adjusted so that one laser speckle corresponds to more than two pixels. In another embodiment, the detector 130 may be an image sensor.
  • FIG. 34 is an illustration of an image photographed through the sample property detection apparatus 100 of FIG.
  • the detection unit 130 can photograph the inside of the refrigerator. In this case, there may be an area I in which the food S is stored and a region in which no food is present in the image of the refrigerator.
  • the detection unit 130 detects the area where the food is stored, It is possible to control the driving unit 125 so that the driving unit 125 can be irradiated. Further, in order to accurately photograph the speckle of the portion irradiated with the wave source 120, the detection unit 130 can change the photographing position through the driving unit and adjust the focus.
  • the detection unit 130 can measure the distance before and after the measurement by sliding the wave source 120.
  • the wave source 120 may include a modulated laser beam, for example, a signal modulated by the amplitude or frequency of the laser beam, and may receive the modulated light through the detector 130 or a separate light receiver (not shown) After that, you can measure the distance.
  • the detection unit 130 can adjust the focus according to the measured distance.
  • FIGS. 35 and 36 are illustrations showing a state in which the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to an embodiment of the present invention is installed on the lid of the washing machine, the outer periphery of the laundry inlet, or the lid or the wall of the toothbrush sterilizer.
  • the lid of the washing machine P2 or the sample characteristic detecting device 100 provided at the outer periphery of the laundry loading port has a structure as described with reference to Figs. 32 and 33, and can operate.
  • Figure 37 is a diagram of a network for utilizing the presence and concentration of microorganisms and microbial species measured in the sample characterization apparatus 100 according to embodiments of the present invention.
  • a home server 1530 from devices 1510, 1020 including a sample characterization device 100 collects data on concentration, microbial presence, and microbial species.
  • the external server 1560 can perform the functions of the home server 1530.
  • the home server 1530 or the external server 1560 measures the risk based on the collected concentration, the presence or absence of the microorganism and the microorganism type, and notifies the user terminal 1570 or 1580 of the notification ).
  • the user can click on the link included in the notification to request the external vendor 1550 to clean or prevent the device 1510.
  • the analysis can be requested to the external company 1550, and based on the analysis result, the home server 1530 or the external server 1560 can update a new kind of microorganism have.
  • the user terminal 1570 or 1580 includes various types of terminals such as a computer, a mobile phone, and a tablet computer.
  • the user terminal 1570 or 1580 may request devices containing the sample characterization device 100 to view the current concentration of microorganisms.
  • the user terminal 1570 or 1580 may control the wave source 120 and the detection unit 130 of the sample characteristic detection apparatus 100 to measure an appropriate position.
  • the user terminal 1570 or 1580 can receive the image photographed by the detection unit 130 through the network, and can control the wave source 120 and the detection unit 130 based on the received image.
  • the optical system can be realized only by the laser light source and the image sensor, the optical system can be provided at an inexpensive price, and since it can be manufactured in a small size, it can be widely applied in various environments.
  • a target substance such as an antigen-antibody
  • a sample such as gene amplification technology
  • Figure 38 is a diagram illustrating the shape of the laser speckle measured in relation to the oral cavity including the periodontal tooth and the tooth in one embodiment of the present invention
  • Fig. 5 is a diagram showing the shape of the laser speckle measured in relation to the laser speckle.
  • a light source e.g., a laser light source having good coherency in the oral cavity 810 or the nail / claws 901 and 902 including the teeth to be measured, Or the like.
  • the light emitted from the light source 120 may be scattered many times by the material constituting the teeth 801, the periodontal tissue 802, the nails 901, the claws 902, and the like. That is, multiple scattering may occur.
  • the light can form a very long optical path. In the process of forming the optical path, the light emitted from the oral cavity 810, the nails 901, Or if bacteria or microorganisms are present in or on the claws 902, the light may pass through the microorganism many times.
  • the spatial intensity distribution of multiple scattered light has a very complex shape, which can be referred to as a laser speckle pattern.
  • a laser speckle pattern there is a difference in degree of constructive interference or destructive interference between light at each point on the measurement plane due to complex multiple scattering, which may cause laser speckle have.
  • the shape of the speckle may not be changed unless the spawning material 801, the periodontal tissue 802, the nail 901, and the claw 902 move.
  • the shape of the laser speckle may not change unless the surfaces of the teeth, periodontium, nails, and claws move.
  • the laser speckle pattern is a phenomenon caused by interference of light, a change in a minute optical path can cause a change in the laser speckle pattern.
  • the life activity of the microorganism that is, the presence or absence of the microorganism in the specific body part or on the surface can be quickly measured. That is, as described above, the presence or absence of microorganisms can be immediately measured by measuring the time variation of a plurality of laser speckle patterns measured for each reference time through multiple scattering.
  • Figure 40 is a flow chart provided to illustrate a method for determining whether microorganisms are present in or on a specific body part, in an embodiment of the present invention.
  • Each step of FIG. 40 may be performed by each component (for example, a light source and a measuring unit) of the sample characteristic detecting apparatus 100 according to an embodiment.
  • the wave source 120 and the detection part 130 and the sample nail or nail can be arranged in the structures of FIGS. 4A to 4C, and when the specific body part is an oral cavity
  • the wave source 120 and the detection unit 130, and the sample mouth can be arranged in the structures of FIGS. 4A and 4C.
  • the wave source 120 can irradiate light to or within a specific body part such as an oral cavity, a nail, or a claw.
  • a laser beam as a wave source 120 is reflected on a specific body part (a nail, a claw, an oral cavity or the like) as a sample, or a form in which a laser as a wave source 120 transmits a specific body part (nail, claw) Light can be irradiated.
  • the detection unit 130 can measure the laser speckle induced from a specific body part at each reference time at regular intervals. For example, as the light is irradiated to a specific body part at a predetermined interval at regular intervals, a laser speckle may be formed in a specific body part or on a surface thereof. In the case of a specific body part or a surface The laser speckle image formed with the laser speckles can be generated.
  • a camera including a two-dimensional image sensor or a one-dimensional optical sensor may be used as the detector 130 to measure a speckle pattern of the generated plurality of images.
  • a camera equipped with an image pickup device such as a CCD can be used as the detection unit 130.
  • the positions of the light incident on the specific body part and the position of the sensor such as the camera can be freely configured.
  • the incident light and the position of the sensor such as a camera can be arranged at any position.
  • the distance from the laser light source to the camera may be limited by the coherence length of the laser light source.
  • the coherence length indicates the distance at which light can cause interference, and the longer the coherence length of the light source is used, the greater the distance between the laser and the camera position (i.e., the distance between the laser light source and the camera)
  • an optical system can be constructed.
  • the detection unit 130 can measure whether or not microorganisms are present in a specific body part or on the surface based on a pattern change of the laser speckle indicating the degree of change of the measured plurality of laser speckles with time . That is, whether or not microorganisms are present in a specific body part or on the surface can be measured based on a dynamic change between a plurality of laser speckle patterns.
  • the laser speckle image 1 generated by photographing a specific body part by irradiating the laser light at the first time, 1 after the reference time (1 second, 10 seconds, etc.) from the first time
  • Two or more laser speckle images may be generated for each reference time at regular intervals such as a laser speckle image 2 generated by irradiating light at 2 hours and photographing a specific body part.
  • laser specular image 3 again 10 seconds later, laser specular image 4, etc.
  • light is irradiated at regular intervals (for example, every 10 seconds) after the first light is irradiated, n laser speckle images can be generated. Then, by analyzing the difference between the generated laser speckle images, it can be determined whether microorganisms are present in a specific body part or on the surface.
  • the method of measuring microorganisms may be different depending on whether two speckle images are used to measure the presence or absence of microorganisms or whether three or more speckle images are used to measure the presence or absence of microorganisms.
  • a detailed operation for measuring whether or not microorganisms are present in a specific body part or on a surface using two or more laser speckle images will be described with reference to FIGS. 41 and 42.
  • 41 is a view for explaining a method of measuring whether a microorganism exists in a specific body part using two speckle images.
  • the detection unit 130 checks whether the difference (e.g., pixel value difference) between the two speckle images is less than or equal to the first reference value, and whether or not the difference is greater than or equal to the second reference value, It can be determined whether or not it exists.
  • the first reference value and the second reference value may be set to the same value or may be set to different values.
  • FIG. 42 is a view for explaining a method for measuring whether or not microorganisms are present in a specific body part using three or more speckle images.
  • the detection unit 130 performs time correlation analysis on three or more speckle images to detect presence of microorganisms Can measure whether or not. That is, the detection unit 130 detects the temporal correlation between the laser speckles formed due to the multiple scattering due to the irradiation of light to or within a specific body region at a predetermined time interval, correlation can be determined based on the presence or absence of microorganisms in a specific body part. For example, if the data obtained by leveling the speckle image measured for each time t is I (x, y; t), the detection unit 130 calculates a time correlation coefficient at each point Can be calculated based on Equation (3).
  • the detection unit 130 can measure whether or not microorganisms are present in a specific body part or on the surface based on the degree of change of the calculated time correlation coefficient, and the measured experimental results may be as shown in FIG.
  • the configuration for calculating the time correlation coefficient based on the equation (3) and the measurement for the presence or absence of the microorganism in the specific body part based on the calculated time correlation coefficient have already been described in the equation (3) Is omitted.
  • the microorganism can be measured quickly in a few seconds without culturing over several days. For example, it is possible to detect the presence of microorganisms immediately by merely measuring the laser speckle by irradiating the sample with a laser light, omitting the conventional culture process from 1 to 4 days (i.e., without culturing) .
  • FIG. 43 is a diagram showing a case where an optical system is constructed using a time reversing mirror in an embodiment of the present invention.
  • reference numeral 1310 denotes a case where the path of light is reversed in the scattering body using a time reversing mirror
  • reference numeral 1320 denotes a case in which a moving object exists in the scattering body, and path reversal does not occur due to a change in the optical path Lt; / RTI > That is, 1310 represents a case where a time inverse reflection phenomenon occurs, and 1320 represents a case where a time inverse reflection phenomenon does not occur.
  • a time reversal mirror can be a mirror that generates a phenomenon that when a light returns to the mirror surface, it returns to the original path when it reaches the mirror surface (ie, a time reversal phenomenon).
  • a time reversal phenomenon In general mirrors, there is no time reversal reflection phenomenon, but under the special conditions, the time reversal reflection phenomenon may occur.
  • Korean Patent No. 10-1599147 discloses a digital optical single-channel phase conjugation apparatus using a time reversing mirror.
  • a scattering body e.g., a tooth
  • the presence of a moving object within a sample e.g., a sample of periodontal, nail, claw, food, etc.
  • time inversion reflection occurs in a complex scattering body, it is a physical phenomenon requiring very precise control, and therefore, as in 1320 of FIG. 43, a time inverse reflection phenomenon may not be established due to a small change in the scattering body.
  • light of an arbitrary pattern may be incident in front of the scattering body. That is, light having an arbitrary pattern can be incident on the scattering body.
  • the pattern may be generated using a fixed aperture, a mask, or the like, or may be implemented as a display pattern.
  • the light incident on the scattering body can be scattered by the scattering body.
  • a spatial light modulator (SLM) 1302 can convert the light 1301 scattered by the scatterer into a plane wave 1303.
  • the plane wave 1303 converted through the wavefront controller 1302 is reflected on the surface of the mirror 1304, and the time reversal reflection phenomenon occurs automatically, so that the light can be emitted to the light of the first departed type.
  • the light path may no longer follow the time reverse reflection phenomenon. That is, light of another pattern irrespective of the light first incident on the scattering body can be generated.
  • the user or the measuring unit can observe or measure the pattern of the light reflected from the mirror 1304 and measure the movement inside the scattering body. That is, it is determined whether or not a moving material (i.e., microorganism, bacteria, etc.) exists in the scattering body based on the difference in pattern, which is the result of the comparison, Can be detected.
  • a moving material i.e., microorganism, bacteria, etc.
  • the pattern of the returned light is the same as an arbitrary pattern of the light initially incident on the scattering body, or is similar within the predetermined reference range, that is, the pattern of the returned light is a time reverse reflection phenomenon . It can be detected that no moving material exists in the scattering body. That is, it can be detected that microorganisms or bacteria do not exist in the scattering body.
  • FIG. 44 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detection apparatus 300 according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 45 is a conceptual diagram showing another embodiment of the sample collection means 311 in FIG. 46 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detection apparatus 300 using the sample collection means 311 of FIG.
  • a sample property detecting apparatus 300 includes a wave source 320, a detecting unit 330, a controller 340, a sample arranging unit 310, and a sample collecting unit 311 .
  • the configuration of the wave source 320, the detection unit 330, and the control unit 340 and the method of detecting microorganisms using the same are the same as those of the first embodiment, do.
  • the wave source 320 can irradiate a wave toward the sample S in the sample arrangement part 310.
  • the wave source 320 may be any type of source device capable of generating a wave, and may be, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the detection unit 330 can detect laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated waves by the sample S at predetermined time points.
  • time refers to any one of continuous time flows, and time points can be set in advance at the same time interval, but are not limited thereto, and may be set in advance at an arbitrary time interval .
  • the detection unit 230 may include detection means corresponding to the type of the wave source 320. For example, when a light source of a visible light wavelength band is used, a CCD camera, which is a photographing device for photographing an image, is used .
  • the detection unit 330 detects the laser speckle at the first time point and detects the laser speckle at the second time point and provides the laser speckle to the control unit 340.
  • the control unit 340 can obtain a temporal correlation using the detected laser speckle and estimate the presence or the concentration of the microorganism in the sample S based on the obtained time correlation .
  • the sample collecting means 311 can collect the sample S containing microorganisms from the object.
  • the sample collecting means 311 of FIG. 44 may include a planar adhesive member.
  • the sample collecting means 311 of FIG. 44 can be adhered to the skin of a person using the above-described adhesive member and then taken out of the sample placing unit 310.
  • parasites such as folliculitis can also exist.
  • a parasitic organism such as a microorganism or a parasitic organism which is not visible to the naked eye is sampled using the sampler 311 and analyzed using the sampler 300, The presence of parasites can be confirmed.
  • the sample collecting means 311 can be detached after adhering to an object having a lot of human activity to confirm the presence of microorganisms present in the object.
  • objects such as carpets are not only bulky, but also may not be suitable for use as a direct sample due to movement of the carpet fibers.
  • the object is adhered to and detached from the object using the sample-collecting means 311, and analyzed using the sample-characteristic detecting apparatus 300, thereby confirming the presence of microorganisms present in the object.
  • the sample collection means 311 can sample a liquid sample.
  • the sample S may be a fluid having fluidity such as urine and blood.
  • the sample (S) may be a sample mixed with a non-flowable sample such as a feces with a solvent such as water.
  • the mixed solvent may be a solvent that does not affect the growth of microorganisms in the sample (S).
  • the sample S having fluidity can be collected by the sampling means 311 and then filtered by the filter 313.
  • the apparatus 300 for detecting a characteristic of a sample can detect the presence of a sample (for example, a sample) by using a filter 313, for example, a porous filter capable of filtering out microorganisms such as bacteria, S from the microorganisms contained in the sample (S).
  • a filter 313 for example, a porous filter capable of filtering out microorganisms such as bacteria, S from the microorganisms contained in the sample (S).
  • the sample S is urine
  • microorganisms are filtered in the filter 313, and most of the water 315 can pass through the filter 313.
  • a microorganism having a size such as red blood cells, white blood cells or bacteria is filtered on the filter 313, and the plasma 315 can pass through the filter 313.
  • the presence or concentration of the microorganism in the sample S can be confirmed by irradiating the filter 313 with the microorganisms filtered and detecting the laser speckles caused by the microorganisms.
  • FIG. 47 is a conceptual diagram schematically showing a sample property detecting apparatus 400 according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 48 is a sectional view taken along line I-I of FIG.
  • a sample property detecting apparatus 400 includes a wave source 420, a wave path changing unit 421, a detecting unit 430, a controller 440, a sample arranging unit 410, A sample array unit 410A, and a multiple scattering amplification unit 450.
  • the configuration of the wave source 420, the detection unit 430, and the control unit 440 and the method of detecting microorganisms using the same are the same as those of the first embodiment, do.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 400 may include a plurality of sample arrangement units 410.
  • the plurality of sample arrangement parts 410 may be arranged at a predetermined distance from each other. As shown in the figure, a plurality of sample arrangement parts 410 may be formed in one sample array part 410A.
  • a plurality of sample arranging units 410 are arranged in one sample array unit 410A.
  • a plurality of samples can be accommodated in each of the plurality of sample arrangement parts 410.
  • the plurality of samples may be the same sample, but may be different samples.
  • the first sample S-1 may be accommodated in the first sample arrangement part 410-1 and the second sample S-2 may be accommodated in the second sample arrangement part 410-2.
  • the first sample (S-1) and the second sample (S-2) may be samples taken from different objects or samples taken from different areas of the same object.
  • the wave source 420 can irradiate a wave toward the sample S in the sample arrangement part 410.
  • the wave source 320 may be any type of source device capable of generating a wave, and may be, for example, a laser capable of irradiating light of a specific wavelength band.
  • the sample property detecting apparatus 400 according to the fourth embodiment may include a wave path changing unit 421.
  • the sample S can be irradiated with the wave using the wave path changing unit 421, instead of the wave S being directly irradiated from the wave source 420.
  • the wave path changing unit 421 may receive a wave from the wave source 420.
  • the wave path changing unit 421 may be formed of a micromirror.
  • the wave path changing unit 421 may include a reflection surface to reflect the incident waves toward a plurality of samples S.
  • the reflecting surface is shown as a flat surface without refracting power, but the present invention is not limited thereto.
  • the wave path changing unit 421 may be finely driven by a drive control unit (not shown). In another embodiment, the wave path changing unit 421 is finely driven by the control unit 440, and thus the waves S can be irradiated to each of the plurality of samples S, respectively.
  • the micromirror constituting the wave path changing unit 421 may have various configurations in which the mechanical displacement of the reflection surface can be caused by electrical control.
  • a micro electromechanical system (MEMS) mirror e.g., a micro electromechanical system (MEMS) mirror
  • a digital micromirror device (DMD) device e.g., DMD
  • the wave path changing unit 421 is shown as one micromirror, this is an example, and a configuration in which a plurality of micromirrors are two-dimensionally arrayed may be used.
  • the wave path changing unit 421 may further include a mirror 422 disposed on the wave path so that the angle of the wave to be irradiated to the sample placing unit 410 can be adjusted to be constant.
  • the wave path changing unit 421 irradiates a wave with a plurality of sample arranging units 410 using a micromirror
  • the incident angle of the wave can be changed according to the position of the sample arranging unit 410. Accordingly, since the degree of multiple scattering in the sample S may vary depending on the positions of the plurality of sample arranging portions 410, accurate comparison and evaluation may be difficult, so that the mirror 422 is further disposed, 410 may be adjusted so that the angles of the waves incident on the waveguides 410, 410 are uniform.
  • the mirror 422 disposed on the first sample arrangement part 410-1 is shown in the figure, it is schematically shown for the sake of convenience of explanation, and a mirror is disposed on the top of each sample arrangement part 410 The angle of the wave irradiated to the sample arrangement part 410 can be adjusted.
  • the multiple scattering amplification unit 450 amplifies the number of multiple scatterings in the sample S by reflecting at least a part of the waves that are multi-scattered and emitted from the sample S to the sample S, .
  • the multiple scattering amplification unit 450 may include multiple scattering materials.
  • the multiple scattering material may include titanium oxide (TiO2), and the multiple scattering amplification unit 450 may reflect at least a part of the waves incident on the multiple scattering amplification unit 450.
  • TiO2 titanium oxide
  • the multiple scattering amplification unit 450 is disposed adjacent to the sample S so that the waves that are multiple scattered and emitted from the sample S transmit the space between the sample S and the multiple scattering amplification unit 450 at least once Or more.
  • the multiple scattering amplification unit 450 may include a first multiple scattering amplification unit 451 and a second multiple scattering amplification unit 453.
  • the first multiple scattering amplification unit 451 is disposed between the sample arrangement unit 410 and the wave path modification unit 421 and may be disposed to overlap the sample arrangement unit 410.
  • a plurality of first multiple scattering amplification parts 451 may be arranged in each sample arrangement part 410, And may be formed in a detachable structure in order to dispose the sample S in the sample arrangement part 410.
  • the first multi-scattering amplification unit 451 is formed to cover the entire surface of the sample array unit 410A, and has a structure in which multiple scattering materials are included in the positions corresponding to the respective sample arrangement units 410 .
  • the first multi-scattering amplification unit 451 may also be configured in the form of a lid.
  • the second multiple scattering amplification unit 453 may be disposed between the sample arrangement unit 410 and the detection unit 430.
  • the second multiple scattering amplification unit 453 may be disposed to overlap each of the plurality of sample arrangement units 410.
  • the second multiple scattering amplification unit 453 may be separately provided and disposed between the sample arrangement unit 410 and the detection unit 430.
  • the second multiple scattering amplification unit 453 may be disposed between the sample arrangement unit 410 and the detection unit 430, Or may be formed integrally with the sample array unit 410A by including multiple scattering materials in the sample array unit 410A. Or may be formed in a single plate shape disposed on the entire surface of the sample array part 410A.
  • the second multiple scattering amplification unit 453 includes multiple scattering materials only at positions corresponding to the sample arrangement unit 410, and the other parts are made of materials that do not transmit the waves, Interference caused by scattered waves can be minimized.
  • the detection unit 430 can detect laser speckle generated by multiple scattering of the irradiated waves by the sample S at predetermined time points.
  • time refers to any one of continuous time flows, and time points can be set in advance at the same time interval, but are not limited thereto, and may be set in advance at an arbitrary time interval .
  • the detection unit 430 may include detection means corresponding to the type of the wave source 420. For example, when a light source of a visible light wavelength band is used, a CCD camera, which is a photographing device for photographing an image, .
  • the detection unit 430 may detect the laser speckle at the first time point and detect the laser speckle at the second time point and provide the laser speckle to the control unit 440.
  • the control unit 440 may obtain a temporal correlation using the detected laser speckle and estimate the presence or the concentration of the microorganism in the sample S based on the obtained time correlation .
  • the control unit 440 can estimate the presence or the concentration of the microorganisms in the plurality of samples S accommodated in the plurality of sample arrangement units 410.
  • the control unit 440 can electrically control the reflection surface of the wave path changing unit 421 so as to change the wave path to the plurality of sample arranging units 410 at predetermined time intervals.
  • the control unit 440 may classify the laser speckle images detected by the detection unit 430 in association with the timing of controlling the wave path changing unit 421 to obtain time correlation. Therefore, the controller 440 can estimate the presence or the concentration of the microorganisms in the plurality of samples S contained in each of the plurality of sample arrangement units 410 even if one detector 430 is used.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to the fourth embodiment can quickly detect the presence of microorganisms or the concentration of microorganisms in a plurality of samples accommodated in a plurality of sample arranging units by using the wave path changing unit.
  • 49 and 50 schematically show another embodiment of the apparatus for detecting a characteristic of a sample according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 400-1 may include a wave source 420, a wave path changing unit 421, a detecting unit 430, and a control unit 440.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 400-1 can divide the sample S by regions and estimate the presence or absence of microorganisms or concentrations of microorganisms in the respective regions. For example, food such as packaged beef needs to be checked for the presence of microorganisms such as bacteria in a packaged state.
  • the sample characteristic detecting apparatus 400-1 including the wave path changing unit 421 sequentially detects the waves irradiated from the wave source 420 along the respective divided regions T1, T2, ..., T N of the sample By the irradiation, it is possible to detect the presence or the concentration of the microorganism in each region of the sample.
  • the sample property detection apparatus 400-1 may be provided with a reflection type optical system for detecting microorganisms in a sample such as food.
  • the mirror 421 may further include a mirror 423 for making the wave path changing unit 421 enter the wave irradiated from the wave source 420.
  • one mirror 423 is shown in the drawing, it may further include an additional lens or mirror for changing the wave path.
  • the sample property detecting apparatus 400-1 may be provided with a transmission type optical system.
  • the sample (S) may be the food contained in the transparent packaging material.
  • the sample characteristic detecting apparatus 400-1 may further include a multiple scattering amplifying unit (not shown) depending on the kind of the medium of the sample.
  • a multiple scattering amplifying unit (not shown) depending on the kind of the medium of the sample.
  • a multi-scattering amplification unit (not shown) is further provided to detect the presence of microorganisms in the sample, thereby enabling more accurate analysis.
  • the control unit 440 may classify the laser speckle images detected by the detection unit 430 in association with the timing of controlling the wave path changing unit 421 to obtain time correlation. Accordingly, the controller 440 can detect the presence or absence of microorganisms in each region using the detected laser speckle. In addition, the control unit 440 can control the scan path (one-dot chain line) of the wave path changing unit 421, thereby obtaining the spatial correlation of the laser speckle. That is, the sample characteristic detecting apparatus 400-1 of another embodiment can acquire not only time correlation but also spatial correlation of the laser speckle, so that mapping of presence or concentration of microorganisms in the sample can be possible.
  • the apparatus for detecting a characteristic of a sample 400-2 includes a rotation array unit 410B including a plurality of sample arrangement units 410, and includes a wave source 420, 430, a control unit 440, and multiple scattering amplification units 451, 453.
  • the optical system including the wave source 420, the detection unit 430 and the multiple scattering amplification units 451 and 453 is configured such that the rotating array unit 410B is rotated while the plurality of sample accommodation units 410 Can be measured.
  • the rotation array unit 410B may include a drive unit 415 that drives the rotation array unit 410B at a predetermined rotation speed.
  • a plurality of sample arrangement parts 410 may be disposed at predetermined intervals along the circumferential direction.
  • the plurality of sample arranging parts 410 arranged in the rotary array part 410B are spaced apart from each other at a predetermined interval and rotated at a constant rotational speed so that the sample arranging part 410 can be rotated by using the fixed wave source 420 and the detecting part 430, The presence or concentration of the microorganisms in the sample in the sample 410 can be detected.
  • the rotary array part 410B can be rotated along the central axis Axis1 passing through the center O and precisely driven so as not to be tilted with respect to the central axis Axis1 while rotating. This is because the tilting of the rotary array part 410B acts as noise in detecting the laser speckle.
  • the control unit 440 controls the driving unit 415 to rotate the rotating array unit 410B at a constant rotation speed and the laser speckle detected from the sample arranging units 410 is rotated for each sample Laser specs can be categorized and analyzed.
  • the rotary array part 410B may include a reference sample arrangement part R between the sample arrangement parts 410.
  • the reference sample placement part R is the same as the sample placement part 410 but the sample S may not be accommodated.
  • the multiple scattering amplification unit may include a first multiple scattering amplification unit 451 and a second multiple scattering amplification unit 452.
  • the first multiple scattering amplification unit 451 may be disposed between the wave source 420 and the sample arrangement unit 410.
  • the first multiple scattering amplification unit 451 may be disposed on the sample arrangement unit 410 to which the wave source 420 is irradiated so that no waves are irradiated to the other sample arrangement unit 410 to reduce the noise.
  • the second multiple scattering amplification unit 453 may be disposed between the sample arrangement unit 410 and the detection unit 430 and may be disposed between the sample arrangement unit 410 and the detection unit 430. In addition, And may be located on an area corresponding to the arrangement part 410.
  • first multipath scattering amplification unit 451 and the second multipath scattering amplification unit 453 are arranged apart from the sample arrangement unit 410 in the figure, the present invention is not limited thereto.
  • the first multi-scattering amplification unit 451 and the second multiple scattering amplification unit 453 may be fixedly disposed on the upper and lower portions of the sample arrangement units 410, respectively.
  • FIG. 51 An embodiment of a sample property detecting apparatus according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 51 to 56.
  • FIG. 51 An embodiment of a sample property detecting apparatus according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 51 to 56.
  • a laser speckle is an irregular pattern caused by interference of reflected information when light having coherence is irradiated on the scattering body. According to the technical idea of the present invention, it is possible to confirm whether or not a pattern abnormality of a structure formed on a substrate is analyzed through analysis of such a laser speckle.
  • FIG. 51 shows a sample property detection apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the apparatus 500 includes a light source for irradiating a laser beam, a sample holder for supporting the sample, an information collecting unit 500 for collecting laser specimen information formed by multiple scattering of light incident on the sample, And an information analysis unit for analyzing the collected information and outputting the analyzed result to the user.
  • the light source may correspond to the wave source of other embodiments
  • the information collecting unit may correspond to the detecting unit of other embodiments
  • the information analyzing unit may correspond to the control unit of other embodiments.
  • the light source generates a laser to irradiate a sample, and may be composed of a plurality of two or more light sources for irradiating one or a different wavelength.
  • Figure 52 shows an inspection method according to an embodiment of the present invention.
  • a laser beam is irradiated onto a sample supported by a sample holder (S01).
  • the information collecting unit collects the laser speckles formed by the interaction between the irradiated laser and the sample (S02).
  • the laser speckle information collected by the government collection unit is analyzed by the information analysis unit, and the analysis result is output to the user (S03).
  • the information collecting unit may be a camera as an example, and an optical system including a light source and a camera may be configured in various forms such as a reflection type and a transmission type as shown in Figs. 4A to 4C.
  • Figure 53 shows a multilayer metallization structure of a semiconductor device as an example of a sample.
  • a first insulating layer 64 is formed between the first metal wiring 61 and the second metal wiring 62 and a second insulating layer 65 is formed on the second metal wiring 62.
  • the material of the insulating layers 64 and 65 may be typically silicon oxide (SiO2), but an insulating material having transparency through which light is transmitted may be used as any material.
  • As the material of the metal wirings 61 and 62 for example, aluminum, tungsten, copper, or the like may be used.
  • the pattern of the laser speckle can be determined according to the shape of the structure (metal wiring, via, insulating layer, etc.) constituting the sample, and the pattern of the laser speckle changes in conjunction with the change of the structure.
  • FIG. 53 (a) shows that the process has proceeded normally.
  • FIG. 53 (b) shows that the via 610 is formed in the via portion, and
  • FIG. 53 (c) shows that no contact is formed through the insulator.
  • the sample After mounting the above-described sample on a sample holder, the sample is irradiated with a laser, and laser specular information scattered from the sample is collected.
  • the collected information is analyzed by the information analysis department.
  • the information analyzing unit is connected to a standard sample, that is, a DB storing laser specular information when it proceeds as shown in FIG. 53 (a).
  • the information analysis part compares the collected laser specular information with the laser speckle information of the standard sample stored in the DB to derive the difference value of the speckle pattern. If the difference is less than the predetermined standard, the analysis sample is interpreted as having the same structure as the standard sample, and therefore, the process can be determined to have proceeded normally.
  • Fig. 54 is an example in which line width variation of a metal wiring is confirmed by laser speckle analysis as another example.
  • the difference from the standard sample will be less than a predetermined standard.
  • the region 71 in which the line width is abnormally formed as shown in (c) of FIG. 54 exists, the difference from the standard sample will become significant, and it can be judged from this that the process has proceeded abnormally.
  • a pattern region formed of a plurality of silicon wafers is sequentially inspected to determine the presence or absence of a pattern shape for all of a plurality of pattern regions formed in the silicon wafer can do.
  • Fig. 55 exemplifies a case where a plurality of pattern regions are formed on a silicon wafer.
  • the pattern region is an area that is separated by sawing to finally become one final device when the process is finally completed.
  • FIG. 56 is a diagram illustrating an example in which a pattern is inspected according to an inspection region using the sample characteristic detecting apparatus of FIG. 51; FIG.
  • a sample characteristic detecting apparatus according to an embodiment of the present invention is used, a plurality of pattern regions, for example, starting from the uppermost leftmost pattern region as shown by an arrow in FIG. 56, are sequentially irradiated with a laser, The corresponding laser speckle information is collected and stored in the database.
  • the government analysis department analyzes the laser speckle information of each pattern area stored in DB and performs statistical analysis such as average value and standard deviation in the whole pattern area.
  • the pattern region in which the laser speckle information is significantly different from the average value can be interpreted as having a structure different from other pattern regions, and can be regarded as an area in which the process proceeds abnormally.
  • the user can acquire information on the abnormal pattern region without locally cutting the silicon wafer and irradiating it.
  • the present invention can be applied to various fields using laser speckle such as non-invasive blood flow measurement using laser speckle, Laser Speckle Contrast Imaging, non-invasive blood vessel examination, and personal authentication using blood flow measurement.
  • the present invention can be utilized in the fields of production inspection such as mirror-surface processing inspection and peel inspection of multi-layer structure films.
  • the present invention can be utilized in the fields of tracking a moving object using binary imaging and a rotation sensor using an optical encoder.
  • an apparatus for detecting a characteristic of a sample using a chaos wave sensor is provided.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Tropical Medicine & Parasitology (AREA)
  • Virology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 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 및 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 제어부를 포함하며, 상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.

Description

혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치
본 발명의 실시예들은 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치에 대한 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 특성탐지 장치를 제공하는 데에 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예는 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 및 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 제어부를 포함하며, 상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치는 레이저 광원과 이미지 센서만으로 광학계 구현이 가능하므로, 저렴한 가격으로 광학계를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 소형 제작이 가능하므로 다양한 환경에서 폭넓게 적용될 수 있다. 그리고, 미생물 탐지를 위해 광학적인 측정만을 이용하므로, 항원-항체 등 표적 물질의 사용이 필요 없고, 유전자 증폭 기술 등과 같이 시편을 채취할 필요도 없으므로, 미생물 측정 과정에서 발생하는 비용을 절감시킬 수 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 혼돈파 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 3은 도 1의 검출부에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 시료 특성 탐지 장치의 실시 형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 이용한 미생물 탐지 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
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 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치의 일 실시형태를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 11은 도 10의 시료 특성 탐지 장치의 블록도이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치의 다른실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치의 또 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 14는 도 9의 시료 특성 탐지 장치를 이용하여 획득한 항생제 투여 전후의 시간 상관 관계 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 생물 감지 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 16은 도 15의 휴대용 생물 감지 시스템의 실시 형태를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 생물 감지 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 18a 내지 도 18d는 도 17의 생물 감지 장치의 바디부의 여러 실시형태를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생물 감지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 20은 도 19의 생물 감지 장치를 구비한 생물 감지 시스템의 실시형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 21a, 도 21c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생물 감지 시스템을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 21b는 도 21a의 광학부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 개체 식별 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 23은 도 22의 제어부 및 데이터 저장부의 관계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개체 식별 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 25a 및 도 25b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개체 식별 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 개체 식별 장치를 이용한 개체 식별 방법을 순서대로 도시한 순서도이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 검출 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 28은 도 27의 바이러스 검출 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 29a 및 도 29b는 도 27의 바이러스 마커 적용부에서 바이러스 마커가 적용되는 과정을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 검출 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 31은 시료 내의 바이러스 종류에 따른 시간 상관관계 계수를 도시한 그래프이다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치가 냉장고에 설치되는 경우를 도시한 예시도이다.
도 33은 도 32의 시료 특성 탐지 장치가 냉장고의 천장부에 설치된 형태를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 34는 도 32의 시료 특성 탐지 장치를 통해 촬영된 영상의 예시이다.
도 35 및 도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치가 세탁기의 뚜껑이나 세탁물 투입구의 외주부에 설치되거나, 칫솔살균기의 뚜껑 또는 벽면에 설치된 상태를 도시한 예시도이다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치에서 측정된 미생물의 존재 여부 및 농도 및 미생물 종류를 활용하기 위한 네트워크에 관한 도면이다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 치주 및 치아를 포함하는 구강과 관련하여 측정된 레이저 스펙클의 형태를 도시한 도면이다.
도 39는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 손톱 및 발톱과 관련하여 측정된 레이저 스펙클의 형태를 도시한 도면이다.
도 40은 본 발명의 일실시예에 있어서, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 41은 두 개의 스펙클 영상을 이용하여 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 42는 세 개 이상의 스펙클 영상을 이용하여 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 43은 본 발명의 일실시예에 있어서, 시간 역전 거울을 이용하여 광학계가 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 44는 본 발명의 제3 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 45는 도 44의 시료채취수단의 다른 실시형태를 도시한 개념도이다.
도 46은 도 45의 시료채취수단을 이용한 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 47은 본 발명의 제4 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 48은 도 47의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절취한 단면도이다.
도 49 및 도 50은 본 발명의 제4 실시예예 따른 시료 특성 탐지 장치의 다른 실시형태들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 51은 본 발명의 제5 실시예를 따른 시료 특성 탐지 장치를 도시한 도면이다.
도 52는 본 발명의 일실시예를 따르는 검사 방법을 도시한 도면이다.
도 53은 샘플의 예로서 반도체 소자의 다층 금속 배선 구조물을 도시한 도면이다.
도 54는 다른 예로서 금속배선의 선폭 변화를 레이저 스펙클 분석으로 확인하는 예이다.
도 55는 실리콘 웨이퍼 상에 복수개의 패턴영역 형성되어 있는 경우를 도시한 예시도이다.
도 56은 도 51의 시료 특성 탐지 장치를 이용하여 검사영역에 따라 패턴을 검사하는 예시도이다.
본 발명의 일 실시예는 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 및 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 제어부를 포함하며, 상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 시료 내부에서 움직임이 있는 세균이나 미생물 또는 바이러스로부터 생성되는 스펙클의 변화에 따라 상기 세균이나 미생물 또는 바이러스의 존재 여부 또는 농도를 실시간으로 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부는 상기 시료의 표면으로부터 일정 거리 이격된 상기 제1 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영역은 상기 시료의 표면으로부터 제1 거리 이격된 제1 지점을 포함하는 제1 면과 상기 시료의 표면으로부터 상기 제1 거리보다 먼 제2 거리 이격된 제2 지점을 포함하는 제2 면 사이에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간 상관관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영상정보 및 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료를 수용하는 시료 배치부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료 배치부 내의 상기 시료에 소정의 항생제를 투여하는 항생제 적용부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료에 상기 항생제가 투여되기 전 또는 후의 상기 시료 내의 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정하고, 상기 추정된 미생물 존재 여부 또는 상기 미생물의 농도 변화에 따라 상기 항생제의 적합성을 실시간으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료가 외부 환경에 노출되지 않도록 적어도 상기 시료 배치부를 커버하는 커버부재; 및 상기 시료의 일정한 배양 환경을 유지하도록 환경 조건을 조절하는 배양환경조절부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 검출부를 둘 이상 포함하는 경우, 상기 복수의 검출부들로부터 검출된 복수의 상기 레이저 스펙클들을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 3차원 스펙클 이미지를 이용하여 상기 시료의 특성을 탐지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시켜 상기 시료에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는 다중산란증폭부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 다중산란증폭부는, 상기 시료의 중심을 지나는 연장선 상에 배치되며, 상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시키는 제1 다중산란증폭부; 및 상기 시료를 기준으로 상기 제1 다중산란증폭부와 대향되게 배치되며, 상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시키는 제2 다중산란증폭부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 시료를 수용하는 시료 배치부, 상기 시료 배치부와 인접하게 배치되며, 기준 시료를 수용하는 기준 시료 배치부, 상기 시료 배치부 내의 상기 시료 및 상기 기준 시료 배치부 내의 상기 기준 시료를 향하여 파동을 조사하는 파동원, 상기 조사된 파동이 상기 시료 및 상기 기준 시료 각각에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 제1 레이저 스펙클(laser speckle) 및 기준 레이저 스펙클을 검출하되, 사전에 설정된 동일 시점마다 검출하는 검출부 및 상기 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화인 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료의 특성을 실시간(real-time)으로 탐지하며, 상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 시료 내부에서 움직임이 있는 세균이나 미생물 또는 바이러스로부터 생성되는 스펙클의 변화에 따라 상기 세균이나 미생물 또는 바이러스의 존재 여부 또는 농도를 실시간으로 추정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시료 배치부 내의 상기 시료에 소정의 항생제를 투여하는 항생제 적용부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료에 상기 항생제가 투여되기 전 또는 후의 상기 시료 내의 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정하고, 상기 추정된 미생물 존재 여부 또는 상기 미생물의 농도 변화에 따라 상기 항생제의 적합성을 실시간으로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 시간 상관관계는 제1 시점에서 검출된 상기 제1 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 제1 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영상정보 및 상기 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는 상기 검출된 기준 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 기준 레이저 스펙클의 기준 정보를 획득하고, 상기 기준 정보를 이용하여 상기 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 대한 노이즈를 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 파동원으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공하는 다중 빔 리플렉터; 및 상기 다중 빔 리플렉터로부터 제공되는 상기 파동 경로들 상에 배치되고, 상기 시료 및 상기 기준 시료에서 반사되어 출사되는 상기 파동의 경로들을 변경하여 상기 검출부로 제공하는 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 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 스펙클이 확산되는 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.
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 1는 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, 파동원(120)에서 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(스펙클)를 발생시키게 된다.
본 명세서에서는 이러한 복잡한 경로로 산란되는 파동들을 "혼돈파(Chaotic wave)"라고 명명하였으며, 혼돈파는 레이저 스펙클을 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 스펙클 패턴을 관측할 수 있다.
그러나, 도 1의 우측 도면과 같이, 내부에 박테리아 등, 내부 구성 물질 중 움직임이 있는 불안정한 매질을 포함하고 있는 경우에는 스펙클 패턴이 변화하게 된다.
즉, 미생물의 이동과 같은 미생물의 미세한 생명활동으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변화할 수 있다. 스펙클 패턴은 파동의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 미생물의 생명활동을 신속하게 측정할 수 있다. 이처럼, 스펙클 패턴의 시간에 따른 변화를 측정하는 경우, 미생물의 존재여부 및 농도를 알 수 있으며, 더 나아가서는 미생물의 종류 또한 알 수 있다.
본 명세서는 이러한 스펙클 패턴의 변화를 측정하는 구성을 혼돈파 센서(Chaotic Wave Sensor)라 정의한다.
이하에서는, 상술한 혼돈파 센서의 원리를 바탕으로 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 3은 도 1의 검출부(130)에서의 레이저 스펙클의 검출 방법을 도시한 도면이다. 또한, 도 4a 내지 도 4c는 도 1의 시료 특성 탐지 장치(100)의 실시 형태를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)는 파동원(120), 검출부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 또한, 시료 특성 탐지 장치(100)는 시료 배치부(110), 다중산란증폭부(150) 및 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)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. 본 발명에서는, 시료(S)가 반드시 시료배치부(110)에 수용될 필요는 없다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 시료(S)가 시료배치부(110)에 배치된 경우를 중심으로 설명하기로 한다. 한편, 시료배치부(110)는 아가 플레이트(agar plate)와 같은 배양접시(petri dish)일 수 있다.
여기서, 미생물은 포도상구균속(Staphylococcus), 응고효소 음성 포도상구균속(staph Coagulase negative), 스타필로코커스 아우레우스(Staph. aureus), 연쇄구균종(Streptococcus spp.), 스트렙토코커스 비리 댄스군(Streptococcus viridans group), 장구균종(Enterococcus spp.), 코리네박테륨 균종(Corynebacterium spp.), 에어로 코카스 균종(Aerococcus spp.), 마이크로 코카스 균종(Micrococcus spp.), 펩토스트렙토코커스 균종(Peptostreptococcus spp.), 유산구균종(Lactococcus spp.), 류코노스톡 균종(Leuconostoc spp.), Tothia spp., 쌍둥이 균종(Gemella spp.), 알칼리게네스 균종(Alcaligenes spp.), 알테르나리아 균종(Alternaria spp.), 플라보박테리움 균종(Flavobacterium spp.), 바실러스 균종(Bacillus spp.), 아크로모박터 균종(Achromobacter spp.), 아시네토박터 균종(Acinetobacter spp.), 악티노바실러스 균종(Actinobacillus spp.), 알칼리게네스 균종(Alcaligenes spp.), 캄필로박터 균종(Campylobacter spp.), 에드워드 시에라 균종(Edwardsiella spp.);에를리히아 균종(Ehrlichia spp.), 엔테로박터 균종(Enterobacter spp.), 에윈게라 균종(Ewingella spp.), 후라보바크테리아속(Flavobacteria), 하프니아 균종(Hafnia spp.), 클렙시엘라(klebsiella) 균종(Klebsiella spp.), 크루이베라 균종(Kluyvera spp.), 레지오넬라균종(Legionella spp.), 모락셀라 균종(Morxella spp.), 모르가넬라 균종(Morganella spp.), 나이세리아 균종(Neisseria spp.), 파스튜렐라 균종(Pasteurella spp.), 프레보테라 균종(Prevotella spp.), 프로테우스 균종(Proteus spp.), 프로비덴시아 균종(Providencia spp.), 슈도모나스 균종(Pseudomonas spp.), 라네라 균종(Rahnella spp.), 살모넬라균종(Salmonella spp.), 세라티아(serratia) 균종(Serratia spp.), 적리균종(Shigella spp.), 스핑고 박테리움 균종(Sphingobacterium spp.), 비브리오 균종(Vibrio spp.), 여시니아(yersinia) 균종(Yersinia spp.), 나이세리아 균종(Neisseria spp.), 킨게라 균종(Kingella spp.), 카르지오바크테리움속(Cardiobacterium), 비결핵성 항산균(NTB:non-Tuberculosis mycobacteria), 결핵균(Mycobacterium tuberculosis) 및 새형 결핵균(Mycobacterium avium)으로 구성되는 군에서 선택되는 세균을 포함할 수 있다.
파동원(120)은 시료 배치부(110) 내의 시료(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(120)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(110)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(120)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(120)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
Figure PCTKR2016013288-appb-M000001
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위해, 기준 시간마다 배양접시 내에 광을 조사 시에, 파동원(120)의 스펙트럴 대역폭은 1nm 미만을 유지될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 검출부(130)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(130)는 파동원(120) 종류에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 파장 대역의 광원을 이용하는 경우에는 영상을 촬영하는 촬영장치인 이미지 센서가 이용될 수 있다. 일 실시예로서, 검출부(130)는 이미지 센서 및 소정의 초점 거리를 갖는 하나 이상의 렌즈를 포함하여 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 이때, 초점 거리는 시료(S)와 검출부(130) 사이의 거리보다 짧을 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예로서, 검출부(130)는 렌즈를 포함하지 않는 이미지 센서가 이용될 수도 있다. 검출부(130)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(140)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(130)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(130)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(140)로 제공할 수 있다. 검출부(130)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 3을 참조하면, 검출부(130)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(130)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. . 즉, 검출부(130)과 시료 사이의 제 1 영역(A1)에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 또는 레이저 스펙클은 검출부(130) 내부, 예컨대, 검출부(130)가 CCD 센서일 경우, CCD 센서의 표면에서 검출될 수 있다. 다른 실시예로서, 검출부(130)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(130)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.
Figure PCTKR2016013288-appb-M000002
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 10(n-1)초 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(140)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(140)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(140)는 셋 이상의 스펙클 영상에서 시간 상관 분석(time correlation analysis)을 수행하여 배양접시 내에 미생물이 존재하는지 여부를 탐지할 수 있다. 즉, 검출부(130)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 I(x,y;t) 라고 하면, 제어부(140)는 특정 지연 시간 τ에 대해, 각 지점에서 시간 상관 계수를 위의 연산할 수 있다. 제어부(140)에서 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화를 추정하는 방법에 관하여는 후술하기로 한다.
한편, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)는 다중산란증폭부(150)를 더 포함할 수 있다.
다중산란증폭부(150)는 시료(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 시료(S)로 반사시켜 시료(S)에서의 다중산란 횟수를 증폭시킬 수 있다. 다중산란증폭부(150)는 다중산란물질(multiple scattering material)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 다중산란물질은 굴절률이 큰 마이크로 미터 크기 이하의 지름을 가지는 입자, 예를 들면 산화티타늄 (TiO2) 나노입자를 포함하며, 다중산란증폭부(150)는 상기 다중산란증폭부(150)로 입사되는 파동의 적어도 일부를 반사시킬 수 있다. 다중산란증폭부(150)는 시료(S)와 인접하게 배치되어, 시료(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동이 시료(S)와 상기 다중산란증폭부(150) 사이의 공간을 적어도 1회 이상 왕복하도록 할 수 있다. 시료(S)에는 미생물이 존재할 수 있지만, 그 미생물의 수는 미미할 수도 있다. 종래에는 시료(S) 내의 미생물을 검출하기 위하여 오랜 시간 동안, 예를 들면, 며칠 동안 미생물을 증식시킨 후에야 이를 검출할 수 있어, 미생물 검출을 위해 많은 시간이 필요했다. 이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)는 다중산란증폭부(150)를 통해 시료(S) 내에서 파동의 다중산란되는 횟수를 증폭시킴으로써, 빠르고 정밀하게 미생물을 검출할 수 있다.
다중산란증폭부(150)는 입사되는 파동의 일부를 반사시키고, 나머지 파동은 투과시킬 수 있다. 또는, 다중산란증폭부(150)는 입사되는 파동의 일부를 투과시키고, 나머지 파동은 반사시킬 수 있다. 또는, 다중산란증폭부(150)는 입사되는 파동의 전부를 반사시킬 수도 있다. 다중산란증폭부(150)는 파동원(120)과 검출부(130)의 광학계 구조에 대응되도록 전술한 구성 중 적어도 하나 이상 선택될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(100-1)는 파동원(120)과 검출부(130)를 포함하는 광학계가 반사형으로 구성될 수 있다. 시료(S)에 입사된 파동(L1)은 시료(S)의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발행하여 일부 파동이 반사되어 나올 수 있다. 이때, 검출부(130)는 시료(S)의 광학적 불균일 특성으로 인해 시료(S)에 파동이 반사되어 출사됨에 따라 발생되는 레이저 스펙클 신호를 촬영하여, 시료(S)에 의해 유발된 레이저 스펙클을 측정할 수 있다.
시료 특성 탐지 장치(100-1)는 제1 다중산란증폭부(151) 및 제2 다중산란증폭부(153)를 포함할 수 있다. 제1 다중산란증폭부(151)는 시료(S)의 중심을 지나는 연장선(C) 상에 배치되며, 시료(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 시료(S)로 반사시킬 수 있다. 제2 다중산란증폭부(153)는 시료(S)를 기준으로 제1 다중산란증폭부(151)와 대향되게 배치되며, 시료(S)로부터 다중산란되어 출사되는 파동의 적어도 일부를 시료(S)로 반사시킬 수 있다. 반사형 광학계의 경우, 제1 다중산란증폭부(151)는 파동의 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 반투과형으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 다중산란증폭부(153)는 입사되는 파동의 전부를 반사시키는 반사형으로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 시료(S) 내에서 파동이 다중산란되는 횟수를 현저하게 증폭시킬 수 있다.
도 4a에서, 파동원(120)의 파장, 파동의 세기 등 제한을 받지 않고 사용될 수 있으며, 검출부(130)의 종류는 2차원 정보를 측정할 수 있는 카메라가 선호되나, 1차원 정보를 측정하는 카메라도 사용될 수 있다.
도 4a에서, 파동원(120), 시료(S)의 위치는 제한되지 않으며, 반사된 레이저 스펙클 신호를 측정하는 검출부(130)는 측정된 하나의 스펙클 크기가 검출부(130)의 픽셀들 중 2 내지 3 픽셀 이상에 해당하도록 위치할 수 있다. 예컨대, 검출부(130)는 시료(S)에 의한 파동의 반사로 인한 레이저 스펙클 신호를 측정하기 위해, 시료(S)로 광이 입사되는 면과 일정 각도로 기울어져 위치할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(100-2)는 파동원(120)과 검출부(130)를 포함하는 광학계가 투과형으로 구성될 수 있다. 시료(S)에 입사된 파동은 시료(S)의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 파동이 시료(S)를 투과하여 출사될 수 있다. 그러면, 검출부9130)는 파동이 시료(S)를 투과하여 출사됨에 따라 발생하는 레이저 스펙클 신호를 촬영함으로써, 시료(S)를 투과함에 따라 유발된 레이저 스펙클을 측정할 수 있다. 시료 특성 탐지 장치(100-2)의 광학계가 투과형으로 구성되는 경우, 제1 다중산란증폭부(151) 및 제2 다중산란증폭부(153)는 파동의 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 반투과형으로 이루어질 수 있다.
도 4c를 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(100-3)는 파동원(120)과 검출부(130)를 포함하는 광학계가 분광형으로 구성될 수 있다. 시료(S)에 입사된 파동(L1)은 시료(S)의 광학적 불균일한 특징 때문에 다중산란 현상이 발생하여 일부 파동이 반사되어 나오게 되고, 이를 빔 스플리터(Beam splitter, 181)를 이용하여 일부 파동의 경로를 검출부(130)로 변경할 수 있다. 분광형으로 이루어지는 경우, 파동의 편광상태를 이용하기 때문에, 위상지연판 또는 편광판과 같은 광학부를 더 포함할 수 있다. 이때, 검출부(130)는 파동원(120)과 시료(S) 사이에 위치하며, 시료(S)에 의해 반사되어 출사되는 파동의 경로를 변경시킬 수 있다. 또한, 검출부(130)는 시료(S)에 의해 반사 및 경로가 변경됨에 따라 발생되는 레이저 스펙클을 측정할 수 있다.
한편, 시료 특성 탐지 장치(100-3)의 광학계가 분광형으로 구성되는 경우, 제1 다중산란증폭부(151)는 파동의 일부를 투과시키고, 일부를 반사시키는 반투과형으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 다중산란증폭부(153)는 입사되는 파동의 전부를 반사시키는 반사형으로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)를 이용한 미생물 탐지 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 5를 참조하면, 파동원(120)에 의해, 시료(S)에 파동을 조사할 수 있다(S10). 다음, 검출부(130)에 의해, 시료(S)에 입사된 파동이 다중산란됨에 따라 발생된 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다. 다음, 제어부(140)는 사전에 설정된 시점마다 생성된 레이저 스펙클 영상들을 이용하여 영상들 간의 시간 상관 관계 계수를 계산할 수 있으며, 시간 상관 관계 계수에 기초하여 시료(S) 내에 미생물이 존재하는지 여부를 추정할 수 있다(S30). 또한, 제어부(140)는 시간 상관 관계 계수의 변화도에 기초하여 미생물의 농도를 측정할 수 있다.
이때, 시료(S)에 의해 형성된 레이저 스펙클을 측정하는 동안 파동원(120)과검출부(130)로 구성된 광학계의 움직임이 제한될 수 있다. 예컨대, 파동원(120)에서 시료(S)로 파동을 조사하여 미생물의 농도를 측정할 때까지 파동원(120)과 검출부(130)에 움직임이 없어야, 미생물의 농도가 정확히 측정될 수 있다. 광학계는 전술한 바와 같이, 반사형, 투과형, 또는 분광형의 형태로 구성될 수 있다.
한편, 시료 특성 탐지 장치(100)는 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이부(190)는 제어부(140)로부터 추정된 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도 결과를 외부로 표시할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(140)의 제어 방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(140)에서 레이저 스펙클의 시간 상관 관계를 분석하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예로서, 제어부(140)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(140)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.
Figure PCTKR2016013288-appb-M000003
수학식 3에서 C은 시간 상관 관계 계수, I은 표준화된 빛 세기, (x,y)는 카메라의 픽셀 좌표, t는 측정된 시간, T는 총 측정 시간, τ는 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 종류 및 온도와 같은 환경 요인에 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(140)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(140)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(140)은, 빛 세기의 변화 정도를 나타내는 표준 편차를 구하여 시료에서 세균 및 미생물의 존재 여부를 확인할 수 있다.
예를 들어, 제어부(140)은 미리 정해진 시간마다 측정된 레이저 스펙클 영상을 검출하고, 검출된 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.
Figure PCTKR2016013288-appb-M000004
수학식 4에서, S: 표준편차, (x,y): 카메라 픽셀 좌표, T: 총 측정 시간, t: 측정 시간, It: t 시간에 측정된 빛 세기, I: 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(140)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(135)과 검출부(130)과의 관계를 중심으로 도시하였다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(100-4)는 시료에서 산란된 제1 파동 신호를 파동원(120)의 파동이 시료에 의해 산란되기 전의 제2 광신호로 복원하는 변조하는 광학부(135)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(135)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 1351) 및 검출부(130)를 포함할 수 있다. 광학부(135)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(130)로 제공할 수 있다. 검출부(130)는 렌즈에서 집약된 파동을 감지하여 산란되기 최초 파동원에서 출력된 파동으로 복원하여 출력할 수 있다.
여기서, 광학부(135)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(135)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.
*
이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200)에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200)는 시료 배치부(210), 항생제 적용부(260), 파동원(220), 검출부(230) 및 제어부(240)를 포함할 수 있다. 본 발명의 제2 실시예는 파동원(220), 검출부(230) 및 제어부(240)의 구성 및 이를 이용하여 미생물을 탐지하는 방법이 제1 실시예와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
시료 배치부(210)는 시료(S)를 수용할 수 있다. 이때, 시료(S)는 타액, 혈액, 조직과 같은 시료 또는 음식물과 같은 유기 시료 등을 포함할 수 있다. 시료 배치부(210)는 시료(S)를 수용할 수 있는 용기 형태로 이루어질 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.
항생제 적용부(260)는 시료 배치부(210) 내의 시료에 소정의 항생제(A)를 투여할 수 있다. 항생제 적용부(260)는 시료 배치부(210)에 인접하게 배치될 수 있으며, 예를 들면, 도시한 바와 같이, 시료 배치부(210)에 대향되는 위치에 배치되어 시료(S)로 항생제를 공급할 수 있다. 항생제 적용부(260)는 한 종류의 항생제를 투여할 수 있고, 투여된 항생제의 적합성이 맞지 않을 경우, 다른 종류의 항생제로 교체하여 투여할 수 있다. 다른 실시예로서, 복수의 항생제에 대응하는 복수의 항생제 적용부(260)를 포함하고, 필요에 따라 항생제 적용부(260)를 교체하여 사용할 수도 있다.
파동원(220)은 시료 배치부(210) 내의 시료(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(220)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.
검출부(230)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(230)는 파동원(220) 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(230)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(240)로 제공할 수 있다. 여기서, 제1 시점은 시료(S)에 항생제를 투여하기 전 시점이고, 제2 시점은 시료(S)에 항생제를 투여한 후의 시점일 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(230)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
제어부(240)는 검출된 상기 레이저 스펙클을 이용하여 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료(S)에 항생제가 투여되기 전 또는 후의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 제어부(240)는 추정된 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화에 따라 적용한 항생제의 적합성을 실시간(real-time)으로 판단할 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 추정하여 항생제의 적합성을 판단할 수 있다. 더욱 바람직하게는 20초 내에 항생제의 농도 변화를 추정하여 항생제의 적합성을 판단할 수 있다.
한편, 제2 실시예예 따른 시료 특성 탐지 장치(200)는 시료 배치부(210)와 연결되고, 시료 배치부(210)에 사전에 설정된 온도의 열을 공급하는 온도조절부(284)를 더 포함할 수 있다. 온도조절부(284)는 제어부(240)에 의해 제어되며, 시료(S) 내의 미생물의 번식을 촉진할 수 있도록 적정 온도를 유지시킬 수 있는 열을 제공할 수 있다. 예를 들면, 제어부(240)는 시료(S)가 약 30℃ 내지 40℃의 온도를 유지할 수 있도록 온도조절부(284)를 제어할 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않으며, 제어부(240)는 추정하고자 하는 미생물의 종류에 따라 다른 설정 온도로서 온도조절부(284)를 제어할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)의 일 실시형태를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 11은 도 10의 시료 특성 탐지 장치(200)의 블록도이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(200)는 커버 부재(200A) 및 시료 전달부(200B)를 더 포함할 수 있다.
커버 부재(200A)는 시료(S)가 외부 환경에 노출되지 않도록 적어도 시료 배치부(210)를 커버할 수 있다. 일 실시예로서, 커버 부재(200A)는 전술한 구성요소인 시료 배치부(210), 항생제 적용부(260), 파동원(220), 검출부(230) 및 제어부(240)를 내부에 배치시킬 수 있다. 시료(S)는 항생제 적합성 검사가 진행되는 동안, 외부 환경에 노출되어 노이즈가 발생함으로써 정확한 검사가 진행되지 않을 수 있다. 따라서, 커버 부재(200A)는 시료(S)를 외부 환경, 특히 외부 공기로부터 분리시켜 오염을 최소화하여 정확성을 높일 수 있다.
시료 전달부(200B)는 일단이 시료 배치부(210)와 연결되고 타단이 커버부재(200A)의 외부로 돌출되며, 일단과 타단 사이에 길이 방향으로 연장된 연통공이 형성되어 타단을 통해 시료(S)를 시료 배치부(210)로 전달할 수 있다. 시료(S)는 주사기 등으로 채취된 후 외부의 공기에 노출없이 시료 전달부(200B)를 통해 바로 시료 배치부(210)로 전달될 수 있다. 다른 실시예로서, 피검자는 시료 전달부(200B)의 타단에서 입으로 불어 시료(S)를 시료 배치부(210)로 전달할 수 있다.
이때, 항생제 적용부(260)는 커버 부재(200B)의 외부와 연통된 항생제 투입구(211)를 포함하여 외부에서 항생제 적용부(260)로 항생제를 공급할 수 있다.
한편, 시료 특성 탐지 장치(200)는 디스플레이부(290)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이부(290)는 제어부(240)로부터 추정된 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도 결과를 외부로 표시할 수 있으며, 도시된 바와 같이, 커버 부재(200B)의 외측에 배치될 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200-1)의 다른실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
다른 실시예에 있어서, 시료 특성 탐지 장치(200-1)는 둘 이상의 검출부(230A, 230B, 230C, 230D)를 포함할 수 있다. 이때, 시료 특성 탐지 장치(200-1)는 복수의 검출부(230A, 230B, 230C, 230D)로부터 검출된 복수의 레이저 스펙클을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성부(245)를 더 포함할 수 있다. 3차원 이미지를 생성하기 위해서 이론적으로 필요한 검출부(230)의 대수는 2대이나, 2대인 경우에는 상대적인 이미지를 파악하는 것이므로, 절대적인 3차원 이미지를 생성하기 위하여 적어도 3대의 검출부(230)를 포함할 수 있다. 도면에서는 정확도 향상을 위하여 4개의 검출부(230A, 230B, 230C, 230D)를 도시하였다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200-2)의 또 다른 실시형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200-2)는 시료 배치부(210), 기준 시료 배치부(215), 항생제 적용부(미도시), 파동원(220), 검출부(230), 제어부(240), 빔 스플리터(281) 및 다중 빔 리플렉터(283)를 포함할 수 있다. 다른 실시예는 기준 시료 배치부(215)를 더 포함하고, 이에 따른 파동 경로를 달리한다는 점을 제외하고 전술한 제2 실시예의 구성요소와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
시료 배치부(210)는 시료를 수용할 수 있다.
기준 시료 배치부(215)는 시료 배치부(210)와 인접하게 배치되며, 기준 시료를 수용할 수 있다. 이때, 기준 시료는 시료가 노출될 수 있는 외부 환경 조건을 포함하는 시료일 수 있으며, 예를 들면, 기준 시료는 시료가 놓여지는 공기일 수 있다. 다시 말해, 기준 시료는 외부 환경 요인으로 인해 발생될 수 있는 노이즈를 최소화하기 위한 시료의 대조군이 될 수 있다.
항생제 적용부(미도시)는 도시하지 않았지만, 시료 배치부(210) 내의 시료에 미리 알고 있는 항생제를 투여할 수 있다.
파동원(220)은 시료 배치부(210) 내의 시료 및 기준 시료 배치부(215) 내의 기준 시료를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 여기서, 파동원(220)과 시료 배치부(210) 및 기준 시료 배치부(215) 사이에는 다중 빔 리플렉터(283) 및 빔 스플리터(281)가 위치할 수 있다. 또한, 파동원(220)으로부터 제공된 파동 경로를 변경하기 위한 미러(285)를 더 포함할 수도 있다.
다중 빔 리플렉터(283)는 파동원(220)으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공할 수 있다. 다중 빔 리플렉터(283)는 전면과 후면에서 각각 파동을 반사시켜, 평행하면서 분할된 제1 파동(L2) 및 제2 파동(L3)을 제공할 수 있다.
빔 스플리터(281)는 다중 빔 리플렉터(283)로부터 제공되는 복수의 파동 경로 상에 배치되고, 상기 제1 파동(L2) 및 제2 파동(L3)을 각각 시료 및 기준 시료로 제공할 수 있다. 이후, 시료 및 기준 시료에서 반사되어 출사되는 파동의 경로들을 변경하여 검출부(230)로 제공할 수 있다.
검출부(230)는 시료 및 기준 시료 각각으로부터, 조사된 파동의 다중 산란에 의해 발생된 제1 레이저 스펙클 및 기준 레이저 스펙클을 사전에 설정된 동일 시점마다 검출할 수 있다. 검출부(230)는 시료로부터 반사된 제1 파동의 경로에 대응하여 배치된 제1 검출부(231) 및 기준 시료로부터 반사된 제2 파동의 경로에 대응하여 배치된 제2 검출부(233)를 포함할 수 있다.
제어부(240)는 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료에 항생제가 투여되기 전 또는 후의 시료 내의 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 제어부(240)는 추정된 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도 변화에 따라 항생제의 적합성을 판단할 수 있다. 이때, 제어부(140)는 검출된 기준 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 기준 레이저 스펙클의 기준 정보를 함께 획득할 수 있다. 제어부(240)는 획득된 기준 정보를 이용하여 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 대한 노이즈를 제거할 수 있다.
다시 말해, 전술한 시료 특성 탐지 장치(200-2)는 기준 시료 배치부(215)를 추가함으로써, 외부 환경에 의한 시간 상관 관계 계수에 대한 변화를 동시에 검출할 수 있다. 이를 통해, 실제 시료의 시간 상관 관계 계수에서 노이즈를 배제시킬 수 있어 정확한 검사가 가능하도록 할 수 있다.
도 14는 도 9의 시료 특성 탐지 장치(200)를 이용하여 획득한 항생제 투여 전후의 시간 상관 관계 변화를 개략적으로 도시한 그래프이다.
제어부(240)는 시료의 시간 상관 관계 계수가 항생제의 투여 전후로 달라진다면 투여된 항생제에 적합성이 있다고 판단할 수 있다. 도 14의 그래프에 있어서, 실선(S1)은 미생물이 존재하지 않는 시료의 시간 상관 계수를 나타내며, 점선(S2)은 미생물이 존재하는 경우의 시료의 시간 상관 계수를 나타내고, 일점쇄선(S3)은 항생제를 투여한 경우의 시간 상관 계수를 나타낸다. 도 14에서와 같이, 일점 쇄선(S3)은 항생제 투여 시점(t1)을 기준으로 항생제 투여 전에는 점선(S2)의 기울기와 동일하고, 항생제 투여 후에는 실선(S1)의 기울기와 동일함을 알 수 있다. 도 14는 항생제 투여 전후의 일례를 나타낸 것으로서, 실제로는 이와 달리 항생제 투여 후에 실선(S1)과 점선(S2) 사이의 기울기 값을 나타낼 수도 있다. 다만, 이러한 변화를 통해서, 시료에 항생제가 적합한지 여부를 판단할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(200)는 미생물에 의한 레이저 스펙클의 시간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 미생물 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정할 수 있으며, 이에 따라 시료에 대한 항생제 적합성을 빠르고 정확하게 검사할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예들에 따른 미생물 탐지 방법을 이용한 휴대용 생물 감지 시스템(1)을 설명한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 생물 감지 시스템(1)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 16은 도 15의 휴대용 생물 감지 시스템(1)의 실시 형태를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 감지 시스템(1)은 전자 장치(10), 생물 감지 장치(20), 검출부(30) 및 제어부(40)를 포함할 수 있다. 이때, 제어부(40)의 레이저 스펙클을 이용한 미생물 탐지 방법은 전술한 바와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전자 장치(10)는 일면에 배치되는 광원부(11) 및 카메라부(12)를 포함하는 전자 장치로서, 이동이 가능한 휴대용 장치일 수 있다. 전자 장치(10)는 디스플레이부(미도시)를 포함할 수 있으며, 상기한 일면은 디스플레이부(미도시)가 배치되는 면과 대향되는 면일 수 있으며(도 15 참조), 다른 실시예로서, 디스플레이부(미도시)가 배치되는 면과 동일할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 전자 장치(10)는 광원부(11) 및/또는 카메라부(12)를 둘 이상 포함하여, 디스플레이부(미도시)가 배치되는 면과 대향되는 면 모두에 배치될 수도 있다. 전자 장치(10)는 이동이 용이한 다양한 종류의 휴대용 장치일 수 있으며, 예를 들면, 휴대폰, 태블릿(tablet), 노트북, 그래핑 계산기(graphing calculator), 휴대용 게임기, 디지털 카메라, 디지털 캠코더, 포터블 미디어 플레이어 등일 수 있다.
광원부(12)는 일반적인 휴대폰과 같은 전자 장치에 사용되는 광원으로서, 넓은 파장 대역을 갖는 광원일 수 있으며, 예를 들면, 가시광선 전 파장 대역의 광을 조사하는 광원일 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않으며, 적외선 파장 대역의 광을 조사하는 광원일 수도 있으며, 이와 다른 파장 대역을 갖는 광원일 수도 있다.
카메라부(11)는 도시하지 않았지만, 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈 모듈과 상기한 렌즈 모듈로 제공되는 광 이미지를 감지하는 이미지 센서를 포함하여, 측정 대상의 광 이미지를 촬영하고, 촬상 정보를 생성할 수 있다.
한편, 생물 감지 장치(20)는 상기한 전자 장치(10)에 부착된 상태에서 생물의 존재여부 또는 농도를 감지하거나, 전자 장치(10)와 분리되어 탈착된 상태에서 생물의 존재여부 또는 농도를 감지할 수 있다. 생물 감지 장치(20)는 바디부(20A), 변환부(22)를 포함할 수 있다.
생물 감지 장치(20)의 바디부(20A)는 전자 장치(10)에 탈부착이 가능하도록 형성될 수 있다. 바디부(20A)에는 변환부(22)가 배치될 수 있으며, 변환부(22)를 전자 장치(10)의 광원부(12)에 대응되는 위치에 고정하기 위한 다양한 형태로 형성될 수 있다. 바디부(20A)의 다양한 실시형태에 대해서는 후술하기로 한다. 한편, 바디부(20A)는 전자 장치(10)의 카메라부(11)를 노출시키는 개구(21)를 포함할 수 있다. 카메라부(11)에 대응되는 위치에 바디부(20A)를 관통하는 개구(21)가 형성됨으로써, 카메라부(11)를 노출시킬 수 있다.
생물 감지 장치(20)의 변환부(22)는 파동원(120)에 대응되는 위치의 바디부(20A)에 배치되며, 광원부(12)에서 조사되는 광을 일정 파장 대역의 제1 파동으로 변환시켜 외부의 측정 대상을 향하여 조사할 수 있다. 변환부(22)는 광원부(12)로부터 광이 조사되는 위치에 배치되어, 제공되는 광을 일정 파장 대역의 제1 파동(wave)으로 변환시켜 외부의 측정 대상을 향하여 조사하게 된다. 예를 들면, 변환부(22)는 밴드 패스 필터(Band Pass Filter)일 수 있다. 즉, 생물 감지 시스템(1)은 변환부(22)를 통해 레이저 스펙클(laser specle) 검출에 용이한 특정 파장 대역의 제1 파동을 조사함으로써, 측정 대상 내의 생물의 존재 여부 또는 농도를 감지할 수 있다.
예를 들어, 변환부(22)는 측정 대상에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 스펙트럴 대역폭(spectral bandwidth)으로 변환할 수 있는데, 이때, 조사되는 광의 스펙트럴 대역폭이 짧을수록 측정 정확도가 증가할 수 있다. 즉, 간섭 길이(coherence length)가 길수록 측정 정확도가 증가할 수 있다.
한편, 검출부(30)는 상기 변환부(22)에 의해 조사된 제1 파동이 측정 대상에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 제1 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 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(30)는 조사되는 제1 파동에 대응한 감지수단을 포함할 수 있으나, 따로 감지수단을 포함하지 않고, 전자 장치(10)의 카메라부(11)를 감지수단으로 이용할 수도 있다. 다시 말해, 검출부(30)는 카메라부(11)를 통해 생성된 촬상 정보를 전달받고, 상기한 촬상 정보를 이용하여 제1 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 검출부(30)는 적어도 제1 시점에서의 제1 레이저 스펙클을 검출하고, 제1 시점과 다른 제2 시점에서의 제1 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(40)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(30)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
구체적으로, 도 16을 참조하여 검출부(30)에서의 제1 레이저 스펙클 검출 방법을 설명한다.
도 16을 참조하면, 측정 대상(M)에 제1 파동이 조사되면, 입사된 제1 파동은 다중 산란에 의해 제1 레이저 스펙클을 형성할 수 있다. 여기서, 측정 대상(M)은 전술한 혼돈파(chaotic wave) 형성이 가능한 매질을 포함하는 어떠한 종류든 가능하다. 예를 들면, 도 2에 도시한 바와 같이 침대 매트리스나, 소파, 도마, 책상, 화장실 손잡이, 키보드 등과 같이 사람이 접촉할 수 있는 물체 중 금속(metal)과 같이 규칙적인 반사성을 갖는 매질만 아니면 어떠한 종류든 측정 대상이 될 수 있다. 또한, 치아 또는 손톱과 같이 사람의 신체도 측정 대상이 될 수 있다. 레이저 스펙클은 빛의 간섭 현상에 의해 발생하므로, 측정 대상 내에 움직임이 없으면 시간에 따라 항상 일정한 간섭 무늬를 나타낼 수 있다. 이와 비교하여, 측정 대상(M) 내에 박테리아, 세균, 진드기와 같은 생물이 존재하는 경우, 레이저 스펙클은 생물의 움직임에 의해 시간에 따라 변화할 수 있다. 검출부(30)는 이러한 시간에 따라 변화하는 레이저 스펙클을 사전에 설정된 시점마다 검출하여 제어부(40)로 제공할 수 있다. 검출부(30)는 생물의 움직임을 감지할 수 있을 정도의 속도로 레이저 스펙클을 검출할 수 있으며, 예를 들면, 초당 25 프레임 내지 30 프레임의 속도로 검출할 수 있다.
한편, 매질이 우유 또는 정수기 물과 같이 액체인 경우, 매질의 유동성으로 인하여 레이저 스펙클이 검출되지 않을 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 생물 감지 시스템은 액체인 매질을 여과시키는 매질필터부(미도시)를 더 포함하고, 매질이 여과되고 남은 잔여물이 포함된 매질필터부(미도시)를 측정 대상으로 하여 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 이를 통해, 레이저 스펙클 검출이 어려운 액체와 같은 측정 대상(M) 내의 생물의 존재 여부를 감지하거나 생물의 농도를 추정할 수 있다.
한편, 제어부(40)는 검출된 상기 제1 레이저 스펙클을 이용하여 시간 상관관계(temporal correlation)를 회득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 측정 대상(M)의 생물 존재 여부 또는 생물의 농도를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 1시간 내에 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도 변화를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 5분 내에 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도 변화를 추정할 수 있다. 더욱 바람직하게는 20초 내에 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도 변화를 추정할 수 있다. 제어부(40)는 생물의 존재 여부에 관한 겨로가 및 생물의 농도 변화 추정에 관한 결과를 전자 장치(10)의 디스플레이부(미도시)를 통해 사용자에게 제공하도록 동작할 수 있다. 제어부(40)에서 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도 변화를 추정하는 방법에 관하여는 후술하기로 한다.
여기서, 제어부는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 15 및 도 16에서는 제어부(40)가 전자 장치(10) 내에 배치되는 것으로 도시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제어부(40)는 생물 감지 장치(20)에 배치될 수도 있고, 전자 장치(10) 및 생물 감지 장치(20)와 통신이 가능한 외부 서버(미도시)에 배치될 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위하여, 제어부(40)가 전자 장치(10) 내에 배치되는 것을 중심으로 설명하기로 한다. 이때, 제어부(40)는 전자 장치(10)의 메모리부(미도시)에 저장된 응용 프로그램(application program) 또는 애플리케이션(application)을 구동함으로써 전술한 동작을 구현할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 생물 감지 시스템(1)은 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도 변화를 추정하는데, 시간 상관관계에 따른 레이저 스펙클의 변화를 제외한 다른 요인에 의한 변화는 노이즈(noise)로 작용할 수 있다. 이러한 노이즈를 제거하기 위하여, 생물 감지 시스템(1)은 검출부(30)가 배치되는 장치, 즉 일 실시예에 있어서의 전자 장치(10)에 손떨림 보정 기능을 추가하여 사용자의 손떨림에 의한 노이즈를 최소화할 수 있다.
또한, 생물 감지 시스템(1)은 정확한 제1 레이저 스펙클을 검출하기 위하여 측정 대상(M)과 생물 감지 장치(20) 사이의 기준 초점거리를 사용자에게 제공할 수 있다. 다른 실시예로서, 생물 감지 시스템(1)은 측정 대상(M)과 생물 감지 장치(20) 사이의 거리를 측정하는 거리 센서(25)를 더 포함할 수 있으며, 상기한 거리 센서(25)는 생물 감지 장치(20)의 바디부(20A)에 배치될 수 있다. 거리 센서(25)는 생물 감지 장치(20)와 측정 대상(M) 사이의 거리를 측정하고, 거리에 관한 정보를 제어부(40)로 전달할 수 있다. 제어부(40)는 거리 센서(25)로부터 측정된 거리가 사전에 설정된 범위 내에 포함되는지 여부를 판단하고, 거리가 사전에 설정된 범위 내에 포함되는 경우 제1 신호를 생성할 수 있다. 이때, 검출부(30)는 제어부(40)로부터 상기한 제1 신호가 수신되면 동작하도록 함으로써, 초점이 맞춰진 경우 자동적으로 제1 레이저 스펙클을 검출할 수 있도록 할 수 있다.
도 17a 및 17b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생물 감지 시스템(1-1)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 18a 내지 도 18d는 도 17의 생물 감지 장치(20)의 바디부(20A)의 여러 실시형태를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 17a을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생물 감지 시스템(1-1)은 전자 장치(10), 생물 감지 장치(20), 검출부(30) 및 제어부(40)를 포함할 수 있다. 도 17을 참조하여 설명할 때 도 1 및 도 2의 생물 감지 시스템(1)과 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
전자 장치(10)는 일면에 배치되는 광원부(12) 및 카메라부(11)를 포함하여 이동이 가능한 휴대용 장치일 수 있다.
다른 실시예에 따른 생물 감지 장치(20)는 바디부(20A) 및 변환부(22)를 포함하며, 전자 장치(10)에 부착된 상태뿐만 아니라 분리된 상태에서도 생물을 감지할 수 있도록 독립적인 파동원부(23)를 더 포함할 수 있다.
바디부(20A)는 전자 장치(10)에 탈부착이 가능하도록 형성될 수 있다. 도 18a를 참조하면, 바디부(20A)는 전자 장치(10)의 일측으로 장착이 가능한 집게 형태로 형성될 수 있다. 바디부(20A)는 개구부(21), 변환부(22) 및 파동원부(23)가 배치되는 본체(201), 본체(201)와 연결되는 손잡이부(202) 및 본체(201)와 손잡이부(202) 사이를 탄성력을 갖는 힌지로 결합되어 손잡이부(202)에 가해지는 압력을 통해 전자 장치(10)에 탈착이 가능할 수 있다. 한편, 도 17b를 참조하면, 바디부(20A)는 전자 장치(10)의 카메라부(11)가 대응되는 위치인 개구(21)와 중첩되도록 매크로 렌즈(macro lens, 29)를 더 포함할 수 있다. 바디부(20A)는 매크로 렌즈(29)를 더 포함하여 초점 거리를 짧게 함으로써, 전자 장치(10)의 카메라부(11)가 시료(S)의 표면으로부터 이격된 일 영역(A1, 도 3 참조)에서 레이저 스펙클의 검출할 수 있도록 한다. 또한, 바디부(20A)는 매크로 렌즈(29)의 초점 거리에 대응되는 위치에 시료(S)로부터 다중 산란되어 진행되는 파동의 상이 맺힐 수 있는 스크린부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이때, 스크린부(미도시)는 시료(S)로부터 다중산란된 파동이 투과될 수 있는 반투광성 재질로 이루어질 수 있다.
다른 실시형태로서, 바디부(20A)는 전자 장치(10)의 적어도 일부에 장착 가능한 케이스(case)형태로 형성될 수도 있다. 구체적으로, 바디부(20A)는 광원부(12) 및 카메라부(11)가 배치되는 전자 장치(10)의 일면의 적어도 일부 영역에 장착되는 케이스 형태일 수 있다. 도 18b에 도시된 바와 같이, 바디부(20A)는 전자 장치(10)의 일면 전체에 장착되는 케이스 형태로 형성될 수도 있고, 도 18c와 같이 광원부(12) 및 카메라부(11)가 위치하는 일면의 일부 영역에만 덮이는 형태일 수도 있다. 또한, 도 18d와 같이, 바디부(20A)는 개구부(21) 및 변환부(22)가 배치된 면에 평행하도록 바디부(20A)의 중심을 관통하는 삽입구(204)가 형성될 수 있으며, 바디부(20A)는 삽입구(204)로 전자 장치(10)를 삽입하는 것에 의해 탈부착이 가능할 수 있다. 본 발명의 바디부(20A)는 상기한 실시형태로 한정되지 않으며, 전자 장치(10)에 탈부착될 수 있는 다양한 실시예들이 가능할 수 있다. 다른 실시예로서, 바디부(20A)는 전자 장치(10)에 접촉하는 접촉면에 접착제를 부여하여 전자 장치(10)에 탈부착될 수도 있다.
다시 도 17을 참조하면, 파동원부(23)는 측정 대상(M)을 향하여 제2 파동을 조사할 수 있다. 파동원부(23)는 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, 측정 대상(M)에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원으로 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, 파동원부(23)의 스펙트럴 대역폭이 기정의된 기준 대역폭 미만인 레이저광이 파동원부(23)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다. 예컨대, 상기 수학식 1의 조건이 유지되도록 파동원부(23)의 스펙트럴 대역폭이 설정될 수 있다.
수학식 1에 따르면, 레이저 스펙클의 패턴 변화를 측정하기 위한 기준 시간마다 측정 대상 내에 광을 조사 시에, 파동원부(23)의 스펙트럴 대역폭은 1nm 미만을 유지할 수 있다.
다른 실시예에 따른 생물 감지 장치(20)가 전자 장치(10)로부터 분리되어 동작하기 위해서, 검출부(30)는 적어도 생물 감지 장치(20)에 배치될 수 있다.
검출부(30)는 파동원부(23) 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(30)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(40)로 제공할 수 있다. 이때, 제어부(40)는 생물 감지 장치(20)에 배치되어, 전술한 동작을 수행할 수 있다. 다른 실시예로서, 제어부(40)는 일 실시예와 같이 전자 장치(10)에 배치될 수도 있다. 본 발명은 제어부(40)의 위치에 한정되지 않으며, 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제어부(40)가 전자 장치(10)에 배치되는 경우를 중심으로 설명하기로 한다. 제어부(40)가 전자 장치(10)에 배치되는 경우, 생물 감지 장치(20)는 전자 장치(10)와 유무선으로 통신 가능한 통신부(24)를 더 포함하고, 상기 검출된 레이저 스펙클을 제어부(40)로 전송할 수 있다. 통신부(24)는 전자 장치와 유무선 연결을 통해 신호 또는 데이터 신호와 같은 신호를 송수신하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트 웨어를 포함할 수 있다.
한편, 검출부(30)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, 검출부(30)는 상기 수학식 2의 조건을 만족하는 이미지 센서를 포함할 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.
검출부(30)는 생물 감지 장치(20)가 전자 장치(10)로부터 분리된 상태에서 파동원부(23)로부터 조사된 제2 파동이 측정 대상에 의해 다중 산란되어 발생된 제2 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 또한, 검출부(30)는 생물 감지 장치(20)가 전자 장치(10)에 부착된 상태에서 전자 장치(10)의 광원부(12)로부터 조사되어 변환된 제1 파동이 측정 대상에 의해 다중 산란되어 발생된 제1 레이저 스펙클을 검출할 수 있는데, 이때, 제2 파동에 의한 제2 레이저 스펙클도 검출할 수 있음은 물론이다. 다시 말해, 검출부(30)는 제1 레이저 스펙클 및 제2 레이저 스펙클 중 적어도 하나를 선택하여 검출할 수 있다.
한편, 제어부(40)는 검출된 제1 레이저 스펙클 또는 제2 레이저 스펙클을 이용하여 제1 레이저 스펙클 또는 제2 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 측정 대상 내의 생물 존재여부 또는 생물의 농도를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생물 감지 장치(20)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 20은 도 19의 생물 감지 장치(20)를 구비한 생물 감지 시스템(1-2)의 실시형태를 개략적으로 도시한 개념도이다. 도 19 및 도 20을 참조하여 설명할 때 도 15 및 도 16의 생물 감지 시스템(1)과 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 19a 및 도 20을 참조하면, 생물 감지 장치(20)는 변환부(22)로부터 측정 대상(M)을 향하여 사전에 설정된 길이(L)만큼 돌출되도록 바디부(20A)로부터 연장되는 지지부(205)를 더 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 생물 감지 시스템(1-2)은 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 이용하여 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도 변화를 추정하는데, 시간 상관관계에 따른 레이저 스펙클의 변화를 제외한 다른 요인에 의한 변화는 노이즈(noise)로 작용할 수 있다. 지지부(205)는 생물 감지 장치(20)를 측정 대상에 안정적으로 위치할 수 있도록 지지할 뿐만 아니라 검출부(30)의 초점 거리인 L만큼 유지할 수 있도록 함으로써, 레이저 스펙클을 정확히 검출할 수 있다. 또한, 도 20에서는 생물 감지 장치(20)를 전자 장치(10)로부터 분리된 상태로 도시하였으나, 생물 감지 장치(20)가 전자 장치(10)에 부착된 상태에서도 측정가능함은 물론이다.
도 19b를 참조하면, 생물 감지 장치(20)는 측정 대상(M)으로부터 다중 산란된 제1 레이저 스펙클 또는 제2 레이저 스펙클의 기준값을 제공하기 위한 기준측정부(209)를 더 포함할 수 있다. 기준측정부(209)는 개구부(21) 및 변환부(22)에 대응되는 위치에 배치되며, 측정 대상(M)과 생물 감지 장치(20)의 검출부(30)가 이격된 길이(L)만큼 개구부(21) 및 변환부(22)로부터 이격될 수 있다. 기준측정부(209)는 도시된 바와 같이, 전술한 지지부(205)로부터 연장되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 기준측정부(209)는 개구부(21) 및 변환부(22)에 대응되어 배치될 수도 있고, 파동원부(23) 및 검출부(30)에 대응되어 배치될 수도 있다. 즉, 기준측정부(209)는 측정되는 레이저 스펙클의 기준값을 제공하기 위해 안정적인 매질을 측정하도록 하는 것으로서, 생물 감지 장치(20)를 파동을 조사하고 검출하는 두 개의 단위 유닛으로 구분하였을 때 하나의 단위 유닛은 측정 대상의 레이저 스펙클을 측정하고, 나머지 하나의 단위 유닛은 기준측정부(209)의 기준 레이저 스펙클을 측정하도록 할 수 있다. 이를 통해, 생물 감지 장치(20)는 움직임이나 외부 환경에 의한 노이즈를 배제시킬 수 있어 정확한 측정이 가능하도록 할 수 있다.
도 21a, 도 21c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생물 감지 시스템(1-3)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 21b는 도 21a의 광학부(35)를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 21a 내지 도 21c를 참조하면, 또 다른 실시예로서, 생물 감지 시스템(1-3)은 측정대상(M)에서 산란된 제1 광신호를 산란되기 전의 제2 광신호로 복원하여 감지하는 광학부(135)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(135)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 1351), 렌즈(1352)를 포함할 수 있다. 광학부(135)는 측정 대상으로부터 산란된 광이 입사되면, 산란된 광을 산란되기 전의 광으로 복원하여 검출부(30)로 제공할 수 있다.
공간 광 변조부(1351)는 측정 대상에서 산란된 제1 광신호가 입사될 수 있다. 공간 광 변조부(1351)는 산란된 파동을 제어하여 렌즈(1352)로 제공할 수 있다. 렌즈(1352)는 공간 광 변조부(1351)로부터 제공된 제1 광신호를 집약하여 산란되기 전 원 신호인 제2 광신호로 복원하여 출력할 수 있다.
여기서, 광학부(135)는 안정적인 매질, 즉, 측정 대상 내에 생물의 움직임이 없는 경우, 측정대상(M)으로부터 산란된 제1 광신호를 산란되기 이전의 광으로 복원할 수 있다. 그러나, 측정 대상 내에 생물이 존재하는 경우, 생물의 움직임으로 인하여 제1 광신호가 달라지므로 위상 제어 파면을 감지할 수 없게 되고, 이로 인하여 위상 공액 파면을 갖는 제2 광신호로 복원할 수 없다. 전술한 광학부(135)를 포함하는 생물 감지 시스템(1)은 이러한 제2 광신호의 차이를 이용하여 좀 더 정확히 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도를 추정할 수 있다.
한편, 다른 실시예로서, 광학부(135)는 제1 광신호 및 제2 광신호의 경로를 변경할 수 있는 미러(mirror), 빔 스플리터(beam splitter)와 같은 광학 수단을 더 포함할 수도 있음은 물론이다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 생물 감지 장치 및 이를 구비한 생물 감지 시스템은 측정 대상 내의 생물에 의한 레이저 스펙클의 시간 상관 관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 생물 존재 여부 또는 생물의 농도를 추정하여 사용자에게 제공할 수 있다. 이를 통해 사용자는 눈에 잘 보이지 않는 주변 환경의 오염 상태를 직접적으로 확인할 수 있다. 또한, 생물 감지 시스템은 휴대성을 갖는 전자 장치에 탈부착이 가능한 형태의 생물 감지 장치를 통해 측정 대상의 위치에 제한없이 어디서든 측정이 가능하여 사용자에게 편리성을 제공할 수 있다.
이하에서는, 전술한 본 발명의 실시예들에 따른 미생물 탐지 방법을 이용한 객체 식별 장치(2)를 설명한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 개체 식별 장치(2)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 23은 도 22의 제어부(140) 및 데이터 저장부(145)의 관계를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개체 식별 장치(2)는 시료 배치부(110), 환경 챔버(180), 파동원(120), 하나 이상의 검출부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 또한, 개체 식별 장치(2)는 데이터 저장부(145) 및 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다.
시료 배치부(110)는 표적 개체로부터 채취된 시료(S)를 수용할 수 있다. 이때, 시료(S)는 표적 개체의 타액, 혈액, 조직과 같은 시료일 수도 있고, 표적 개체로부터 몸의 외부로 배출된 대변, 소변, 각질과 같은 시료일 수도 있다. 시료(S)는 표적 개체가 입으로 부는 것에 의해 채취 또는 피부로부터 채취되거나, 대변 등을 필터에 걸러 채취될 수도 있다. 체내에 존재하는 미생물은 이러한 시료들에도 존재하게 된다. 이는 사람이 코를 골거나 트림을 하고 방귀를 뀌거나 할 때 체내에 있는 미생물들이 외부로 배출되므로, 표적 개체를 식별하기 위한 시료(S)는 다양한 방법으로 채취될 수 있다. 시료(S)를 채취하는 다른 실시예로서, 표적 개체를 일정 시간동안 클린룸에서 활동하게 한 후, 클린룸에 배치된 에어필터로부터 활동하는 동안의 미생물을 포함하는 시료(S)를 채취할 수도 있다. 시료(S)는 시료 전체가 샘플로 이용될 수도 있고, 테이프, 생체막(membrane) 등과 같이 미생물이 옮겨갈 수 있는 수단을 이용하여 준비될 수도 있다.
환경 챔버(180)는 상기한 시료 배치부(110)를 내부에 수용하며, 시료(S)의 환경 조건을 변화시킬 수 있다. 환경 챔버(180)는 온도, 습도, 압력, 자기장, 항생제 투여 여부, 항생제 종류 중 적어도 어느 하나의 환경 조건을 변화시킬 수 있다. 구체적으로, 환경 챔버(180)는 온도 조절 장치, 습도 조절 장치, 압력 조절 장치, 자기장 조절 장치 등을 구비하여 상기한 환경 조건들을 변화시킬 수 있다. 그러나, 전술한 환경 조건들은 하나의 예시일 뿐이며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 다른 실시예로서, 환경 챔버(180)는 한 종류 이상의 항생제를 투여할 수 있는 항생제 투여 장치를 더 포함할 수도 있다. 또한, 전술한 환경 조건들뿐만 아니라, 시료(S) 내의 미생물에 영향을 줄 수 있는 다양한 환경 조건이 적용될 수 있음은 물론이다. 환경 챔버(180)는 제어부(140)에 의해 제어될 수 있다.
환경 챔버(180)는 형태에 제한이 없으나, 환경 챔버(180) 외부의 환경에 영향을 받지 않는 재질 또는 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 환경 챔버(180) 내부에 일정한 온도를 유지하기 위해 환경 챔버(180)는 단열 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 환경 챔버(180)는 일정한 압력을 견딜 수 있는 내압 구조로 이루어질 수도 있다.
한편, 환경 챔버(180)는 파동원(120)으로부터 파동이 조사되는 경로에 배치되는 일면(181)이 투명한 재질로 이루어질 수 있다. 환경 챔버(180)는 파동원(120)이 환경 챔버(180)의 외부에 배치되는 경우, 파동원(120)으로부터 조사된 파동을 시료(S)로 전달하기 위해서 적어도 일면(181)이 투명한 재질로 이루어질 수 있다. 다른 실시예로서, 환경 챔버(180)는 파동원(120)으로부터 파동이 조사되는 경로에 배치되는 타면(183)이 파동을 확산시키는 확산 재질로 이루어질 수도 있다. 전술한 혼돈파 센서는 시료(S) 내의 미생물의 움직임에 의해 다중 산란되어 발생된 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 이때, 환경 챔버(180)의 타면(183)을 확산 재질로 형성하여 미생물의 움직임에 의한 다중 산란 효과를 더욱 극대화시킬 수 있다. 다른 실시예로서, 환경 챔버(180)의 타면(183)은 다중산란물질을 포함하여, 시료(S) 내에서 파동의 다중산란횟수를 증폭시킬 수도 있다.
파동원(120)은 시료 배치부(110) 내의 시료(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(120)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(110) 에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(120)으로 이용할 수 있다.
다시 도 22을 참조하면, 검출부(130)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.
제어부(140)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 환경 조건이 변화되기 전과 후의 시료 내의 미생물의 농도를 추정할 수 있다. 제어부(140)는 환경 조건이 변화되기 전과 후에 대하여 추정된 미생물의 농도 차이를 이용하여 복수의 개체로부터 표적 개체를 식별할 수 있다. 미생물은 개체의 내부와 외부 어디든 존재할 수 있으며, 각 개체마다 지니고 있는 미생물의 종류는 다를 수 있다. 다시 말해, 개체와 공존하고 있는 미생물의 종류는 개체의 유전자 또는 지문과 같이 개체를 식별할 수 있는 하나의 식별 정보가 될 수 있다. 그러나, 박테리아와 같은 미생물은 눈에 보이지 않기 때문에 개체로부터 채취된 시료에 어떠한 종류의 미생물이 포함되어 있는지 분석하는 것이 어렵다. 개체로부터 채취된 시료에 포함된 미생물의 유전자를 분석할 수도 있지만, 개체의 유전자를 분석하는 경우와 마찬가지로 복잡한 분석 과정을 거쳐야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 시료(S) 내의 미생물로부터 다중 산란되어 발생된 레이저 스펙클을 이용하여 간단하면서도 빠른 분석이 가능할 수 있다. 개체로부터 채취된 시료(S)에는 한 종류 이상의 미생물이 존재할 수 있다. 미생물은 종류에 따라 환경 조건에 따라 다른 농도 변화를 보일 수 있다. 본 발명에서는 미생물 종류에 따른 농도들을 구분하지 않고, 한 종류 이상의 미생물이 환경 조건이 변화에 따라 달라지는 평균적인 농도를 이용함으로써, 복수의 개체로부터 표적 개체를 식별할 수 있다.
도 23을 참조하면, 제어부(140)는 평균 농도 추정부(141), 식별부(143) 및 데이터 보정부(147)를 포함할 수 있다.
평균 농도 추정부(141)는 검출부(130)로부터 검출된 레이저 스펙클을 제공받고, 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관 관계(temporal correlation)를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료(S)에 포함된 한 종류 이상의 미생물의 평균 농도를 추정할 수 있다. 평균 농도 추정부(141)는 시료(S)에 환경 조건을 변화하기 전, 다시 말해 제1 환경 조건을 적용한 경우의 미생물의 제1 평균 농도를 추정할 수 있다. 또한, 평균 농도 추정부(141)는 시료(S)에 환경 조건을 변화한 후, 다시 말해 제1 환경 조건과 다른 제2 환경 조건을 적용한 경우의 미생물의 제2 평균 농도를 추정할 수 있다. 여기서, 제1 환경 조건 및 제2 환경 조건은 전술한 바와 같이 온도, 압력, 자기장, 습도 중 적어도 하나의 조건을 포함할 수 있다. 이때, 환경 조건 중 한 종류만을 변화시키는 경우, 다른 환경 조건들은 상수로 고정시켜야만 제1 환경 조건 및 제2 환경 조건 차이에 의한 평균 농도 변화를 정확히 확인할 수 있다. 다른 실시예로서, 두 종류 이상의 환경 조건을 변화시키는 경우에는 하나의 채취된 시료(S)에 각 종류의 환경 조건을 순차적으로 변화시키거나, 둘 이상의 시료(S)를 이용하여 각 종류의 환경 조건마다 개별적으로 변화시켜 농도를 추정할 수 있다.
식별부(143)는 환경 조건의 변화에 따른 미생물의 평균 농도의 변화율을 연산하여 표적 개체의 식별 데이터를 생성하고, 식별 데이터를 이용하여 복수의 개체로부터 표적 개체를 식별할 수 있다. 식별부(143)는 제1 환경 조건에 따른 제1 평균 농도와 제2 환경 조건에 따른 제2 평균 농도의 차이를 연산하여 식별 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들면, 제1 환경 조건인 온도 30℃인 경우, 시료(S) 내의 미생물의 제1 평균 농도가 40%로 추정되었는데, 제2 환경 조건인 온도 60℃로 변화한 경우, 시료(S) 내의 미생물의 제2 평균 농도가 20%로 변화할 수 있다. 이때, 표적 개체는 온도 변화에 의해 평균적으로 20%가 사멸하는 특성을 갖는 미생물의 종류를 갖고 있는 것이다. 이러한 특성은 표적 개체만이 가질 수 있는 식별 정보가 될 수 있다.
일 실시예에 따른 개체 식별 장치(2)는 복수의 개체 각각에 대응하여, 환경 조건의 변화에 따른 미생물의 평균 농도 변화율에 관한 기준 데이터들이 사전에 저장된 데이터 저장부(145)를 더 포함할 수 있다. 식별부(143)는 상기 식별 데이터와 기준 데이터를 비교하여 복수의 개체로부터 표적 개체를 식별할 수 있다.
다른 실시예로서, 식별부(143)는 서로 다른 두 개의 시료로부터 각각 식별 데이터를 생성하고, 식별 데이터들끼리 비교하여, 두 개의 시료가 동일 개체로부터 채취 또는 배출된 것임을 판별할 수도 있다.
또 다른 실시예로서, 식별부(143)는 표적 개체를 미리 알고 있는 경우, 표적 개체의 식별 데이터와 데이터 저장부(145)에 저장된 기준 데이터를 비교하여 표적 개체의 건강 상태를 판단할 수 있다. 구체적으로, 데이터 저장부(145)에는 각 개체에 대한 기준 데이터가 저장되는데, 기준 데이터에는 환경 조건의 변화에 따른 미생물의 평균 농도 변화율뿐 만 아니라, 일정 환경 조건에서의 미생물의 평균 농도값도 포함할 수 있다. 표적 개체를 미리 알고 있는 경우, 시료(S)로부터 채취된 식별 데이터가 일정 환경 조건에서의 평균 농도값에 대하여 사전에 설정된 오차 범위에 포함되는 경우 표적 개체가 건강한 상태라고 판단할 수 있다. 반대로, 시료(S)로부터 채취된 식별 데이터가 평균 농도값의 사전에 설정된 오차 범위를 벗어나는 경우, 표적 개체는 건강하지 못한 상태라고 판단할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 개체 식별 장치(2)는 표적 개체로부터 주기적으로 채취된 시료(S)의 식별 데이터를 이용하여 표적 개체의 건강을 모니터링(monitoring)할 수 있다.
한편, 데이터 보정부(147)는 데이터 저장부(145)에 비교할 수 있는 기준데이터가 존재하지 않는 경우, 식별부(143)로부터 생성된 표적 개체(S)의 식별 데이터를 기준데이터로 변환하고, 데이터 저장부(145)에 저장시킬 수 있다. 개체 식별 장치(2)는 데이터 보정부(147)를 통해 복수의 개체들에 대한 기준 데이터들의 데이터 베이스를 구축할 수 있다. 또한, 데이터 보정부(147)는 데이터 저장부(145)에 저장된 기준 데이터에 오류가 있는 경우 식별 데이터를 이용하여 기준 데이터를 보정할 수도 있다.
다시 도 22를 참조하면, 제어부(140)는 추정된 미생물의 평균 농도의 변화율을 이용하여 복수의 개체로부터 표적 개체를 실시간(real-time)으로 판단할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 1시간 내에 미생물의 평균 농도 변화율을 이용하여 표적 개체를 식별하는 것을 의미하며, 바람직하게는 5분내에 미생물의 평균 농도 변화율을 이용하여 표적 개체를 식별할 수 있다. 더욱 바람직하게는 20초 내에 표적 개체를 식별할 수 있다.
한편, 개체 식별 장치(2)는 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이부(190)는 제어부(140)로부터 추정된 미생물의 평균 농도 변화율 및 표적 개체의 식별 결과를 외부로 표시할 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개체 식별 장치(2-2)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 24를 참조하면, 다른 실시예에 따른 개체 식별 장치(2-2)는 시료배치부(210), 기준 시료 배치부(215), 환경 챔버(280A), 기준 챔버(280B), 파동원(220), 검출부(230), 제어부(240)를 포함할 수 있다. 또한, 개체 식별 장치(2-2)는 빔 스플리터(281) 및 다중 빔 리플렉터(283)와 같은 광학 수단을 더 포함할 수 있다. 다른 실시예는 기준 시료 배치부(215) 및 기준 챔버(280B)를 더 포함한다는 점을 제외하고 일 실시예의 구성요소와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
시료 배치부(210)는 표적 개체로부터 채취된 시료를 수용할 수 있다.
기준 시료 배치부(215)는 기준 시료를 수용할 수 있다. 시료 배치부(210)는 환경 조건이 변화되는 환경 챔버(280A)의 내부에 수용되고, 기준 시료 배치부(215)는 환경 조건을 변화시키지 않는 기준 챔버(280B)의 내부에 수용될 수 있다. 이때, 기준 시료는 상기 표적 개체로부터 채취된 시료와 동일한 시료이며, 미생물의 평균 농도를 추정하는 데 발생될 수 있는 노이즈를 최소화하기 위한 시료의 대조군이 될 수 있다.
환경 챔버(280A)는 시료의 환경 조건을 변화시킬 수 있으며, 제1 환경 조건에서 제1 환경 조건과 다른 조건을 갖는 제2 환경 조건으로 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 환경 조건은 시료의 온도가 30℃이고, 제2 환경 조건은 시료의 온도가 60℃인 경우일 수 있다.
기준 챔버(280B)는 기준 시료 배치부(215)를 내부에 배치시키고, 환경 챔버(280A)에서 환경 조건이 변화되기 전의 조건으로 기준 시료의 환경 조건을 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 환경 조건인 30℃로 기준 시료의 환경 조건을 유지시킬 수 있다.
파동원(220)은 시료 배치부(210) 내의 시료 및 기준 시료 배치부(215) 내의 기준 시료를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 여기서, 파동원(220)과 시료 배치부(210) 및 기준 시료 배치부(215) 사이에는 다중 빔 리플렉터(283) 및 빔 스플리터(281)가 위치할 수 있다. 또한, 파동원(220)으로부터 제공된 파동 경로를 변경하기 위한 미러(285)를 더 포함할 수도 있다.
다중 빔 리플렉터(283)는 파동원(220)으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공할 수 있다. 다중 빔 리플렉터(283)는 전면과 후면에서 각각 파동을 반사시켜, 평행하면서 분할된 제1 파동(L4) 및 제2 파동(L5)을 제공할 수 있다.
빔 스플리터(281)는 다중 빔 리플렉터(283)로부터 제공되는 복수의 파동 경로 상에 배치되고, 상기 제1 파동(L4) 및 제2 파동(L5)을 각각 시료 및 기준 시료로 제공할 수 있다. 이후, 시료 및 기준 시료에서 반사되어 출사되는 파동의 경로들을 변경하여 검출부(230)로 제공할 수 있다.
검출부(230)는 시료 및 기준 시료 각각으로부터, 조사된 파동의 다중 산란에 의해 발생된 레이저 스펙클 및 기준 레이저 스펙클을 사전에 설정된 동일 시점마다 검출할 수 있다. 검출부(230)는 시료로부터 반사된 제1 파동의 경로에 대응하여 배치된 제1 검출부(231) 및 기준 시료로부터 반사된 제2 파동의 경로에 대응하여 배치된 제2 검출부(233)를 포함할 수 있다.
제어부(240)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료에 포함된 한 종류 이상의 미생물의 평균 농도를 추정할 수 있다. 이때, 제어부(240)는 검출된 기준 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 기준 레이저 스펙클의 기준 정보를 함께 획득할 수 있다. 제어부(240)는 환경 조건의 변화에 따른 미생물의 평균 농도 차이를 이용하는데, 이때, 기준 레이저 스펙클의 기준 정보를 이용하여 미생물의 평균 농도 차이에서 시간 요소를 배제시킬 수 있다.
다시 말해, 다른 실시예에 따른 개체 식별 장치(200)는 기준 챔버(280B)를 추가함으로써, 환경 조건의 변화에 대한 미생물의 평균 농도 차이를 획득할 수 있다. 이를 통해, 시간에 따른 노이즈를 제거할 수 있고, 측정 시간을 한정할 필요가 없어 개체 식별 분석이 좀 더 간편해질 수 있다.
도 25a 및 도 25b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개체 식별 장치(2-3)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 25a 및 도 25b를 참조하면, 개체 식별 장치(2-3)는 시료에서 산란된 제1 파동 신호를 파동원(220)의 파동이 시료에 의해 산란되기 전의 제2 광신호로 복원하는 변조하는 광학부(235)를 더 포함할 수 있다. 이때, 광학부(235)는 공간 광 변조부(Spatial Light Modulator; SLM, 2351) 및 검출부(230)를 포함할 수 있다. 광학부(235)는 측정 대상으로부터 산란된 파동이 입사되면, 산란된 파동의 파면을 제어하여, 다시 산란되기 전의 파동(광)으로 복원하여 검출부(230)로 제공할 수 있다.
공간 광 변조부(2351)는 시료에서 산란된 파동(광)이 입사될 수 있다. 공간 광 변조부(2351)는 시료에서 산란된 파동의 파면을 제어하여 렌즈(2352)에 제공할 수 있다. 렌즈(2352)는 제어된 광을 집약하여 다시 검출부(240)로 제공할 수 있다. 검출부(240)는 렌즈에서 집약된 파동을 감지하여 산란되기 최초 파동원에서 출력된 파동으로 복원하여 출력할 수 있다.
여기서, 광학부(235)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 생물이 존재하는 경우, 생물의 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(235)를 포함하는 개체 식별 장치(200)는 이러한 제2 광신호의 차이를 이용하여 좀 더 미세하게 생물의 존재 여부 또는 생물의 농도를 추정할 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 개체 식별 장치(2)를 이용한 개체 식별 방법을 순서대로 도시한 순서도이다.
도 26을 참조하면, 복수의 개체 각각에 대응하는 기준 데이터를 사전에 저장하여 데이터 베이스를 구축한다(S100). 기준 데이터는 복수의 개체 각각에 대응하여 환경 조건의 변화에 따른 미생물의 평균 농도 변화율을 포함할 수 있다. 미생물의 평균 농도 변화율은 환경 조건의 종류에 따라 개별적으로 저장될 수 있다. 예를 들면, A라는 개체에 있어서의 기준데이터는 온도가 30℃에서 60℃로 변화하는 경우 미생물이 평균 30% 줄어드는 제1 기준 데이터, B종류의 항생제를 투여에 따라 미생물이 평균 45% 줄어드는 제2 기준 데이터와 같이 복수의 환경 조건에 대응한 복수의 데이터들이 포함될 수 있다.
다음, 검출부(130)에 의해, 제1 환경 조건에서 표적 개체로부터 채취된 시료를 향해 파동을 조사하여 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 제1 레이저 스펙클(laser speckle)을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다(S200). 이후, 제어부(140)는 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 제1 환경 조건에서의 시료 내의 미생물의 제1 농도를 추정할 수 있다(S300). 제어부(140)에서 제1 농도를 추정하는 단계는, 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 제1 레이저 스펙클의 시간 상관 관계를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료에 포함된 한 종류 이상의 미생물의 제1 평균 농도를 추정할 수 있다.
다음, 환경 챔버(180)는 제1 환경 조건에서 제2 환경 조건으로 시료의 환경 조건을 변화시킬 수 있다. 제2 환경 조건으로 환경 조건이 변화한 후, 검출부(130)에 의해, 제2 환경 조건에서 시료를 향해 파동을 조사하여, 다중산란되어 발생된 제2 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출할 수 있다(S400). 이후, 제어부(140)는 검출된 제2 레이저 스펙클을 이용하여 제2 환경 조건에서의 시료 내의 미생물의 제2 농도를 추정할 수 있다(S500). 제어부(140)에서 제2 농도를 추정하는 단계는, 검출된 제2 레이저 스펙클을 이용하여 제2 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료에 포함된 한 종류 이상의 미생물의 제2 농도를 추정할 수 있다.
다음, 제어부(140)는 제1 농도와 제2 농도의 차이를 이용하여 복수의 개체로부터 표적 개체를 식별(discrimination)할 수 있다(S600). 구체적으로, 제1 환경 조건에서의 미생물의 제1 평균 농도와 제2 환경 조건에서의 미생물의 제2 평균 농도의 변화율을 연산하여 식별 데이터를 생성할 수 있다(S610). 식별 데이터는 표적 개체의 고유의 식별 정보일 수 있다. 제어부(140)는 식별 데이터와 사전에 저장된 기준 데이터를 비교하여 복수의 개체로부터 표적 개체를 식별할 수 있게 된다.
만약, 식별 데이터와 매칭되는 기준 데이터가 존재하는 경우(A1), 제어부(140)는 매칭되는 기준 데이터에 대응하는 개체가 표적 개체와 동일한 개체라고 판단하고 표적 개체를 식별하게 된다(S620). 그러나, 데이터 저장부(145)에 매칭되는 기준 데이터가 존재하지 않는 경우(A2), 데이터 보정부(157)는 표적 개체의 식별 데이터를 하나의 기준 데이터로 변환하고, 데이터 저장부(145)로 저장함으로써 데이터 베이스를 구축할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 개체 식별 장치는 미생물에 의한 레이저 스펙클의 시간 상관관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 개체마다 갖고 있는 고유의 미생물 정보를 분석할 수 있고, 이에 따라 복수의 개체로부터 표적 개체를 빠르고 정확하게 식별할 수 있다.
이하에서는, 전술한 본 발명의 실시예들에 따른 미생물 탐지 방법을 이용한 바이러스 검출 장치(3)를 설명한다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 검출 장치(3)를 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 28은 도 27의 바이러스 검출 장치(3)를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 29a 및 도 29b는 도 27의 바이러스 마커 적용부(165)에서 바이러스 마커가 적용되는 과정을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 도면이다.
도 27 및 도 28을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 검출 장치(3)는 시료배치부(110), 바이러스 마커 적용부(165), 자계 형성부(170), 파동원(120), 검출부(130), 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
시료 배치부(110)는 시료(S)를 수용할 수 있다. 이때, 시료(S)는 개체의 타액, 혈액, 조직과 같은 시료일 수도 있고, 개체로부터 몸의 외부로 배출된 대변, 소변, 각질과 같은 시료일 수도 있다. 또한, 시료는 음식물과 같은 유기 시료일 수도 있고, 물체의 표면으로부터 면봉 또는 테이프 등을 이용하여 채취한 시료일 수도 있다. 시료(S)는 시료 전체가 샘플로 이용될 수도 있고, 테이프, 생체막(membrane) 등과 같이 바이러스가 옮겨갈 수 있는 수단을 이용하여 준비될 수도 있다. 시료 배치부(110)는 시료(S)를 수용할 수 있는 용기 형태로 이루어질 수 있다. 시료 배치부(110)는 시료 자체의 움직임을 제한하면서 시료(S)를 지지할 수 있다. 다시 말해, 시료(S) 자체는 움직임이 제한된 상태에서 검출을 진행하게 된다.
바이러스 마커 적용부(165)는 시료(S)에 자성 입자(magnetic particle)를 포함하는 바이러스 마커(virus marker)를 적용하여 바이러스 마커와 시료 내의 바이러스가 결합된 검출용 복합체를 형성할 수 있다. 바이러스 마커 적용부(165)는 시료 배치부(110)와 인접하게 배치될 수 있다. 다른 실시예로서, 바이러스 검출 장치(3)는 시료 배치부(110)를 바이러스 마커 적용부(165)로 이동하여 바이러스 마커를 적용하는 단계를 수행할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 바이러스 검출 장치(3)는 채취된 시료(S)를 먼저 바이러스 마커 적용부(165)로 이동하여 바이러스 마커를 적용한 후, 시료 배치부(110)에 배치할 수도 있다. 이와 같이, 본 발명에서는 바이러스 마커 적용부(165)의 위치를 제한하지 않는다.
도 3a를 참조하면, 바이러스 마커(B1)는 특정 바이러스와 유전자 짝을 이루는 물질에 자성입자(B13)를 결합하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 바이러스 마커(B1)는 시료(S) 내의 바이러스(V1)와 컨쥬게이션(conjugation)되는 항체(B11) 및 항체(B11)에 결합된 자성입자(B13)를 포함할 수 있다. 바이러스 마커(B1)의 항체(B11)는 항원항체반응을 통해 시료(S) 내의 바이러스(V1)와 결합할 수 있으며, 이를 통해, 바이러스(V1)는 바이러스 마커(B1)의 자성입자(B13)와 결합한 검출용 복합체(C1)를 형성할 수 있다.
자성입자는 입자 직경이 나노미터 범위인 입자들일 수 있다. 자성입자는 파동원에서 조사되는 파동의 산란이 세므로, 레이저 스펙클의 검출이 용이할 수 있다. 한편, 자성입자는 구체적으로 초상자성 나노입자일 수 있다. 여기서, 초상자성 나노입자는 외부에서 자기장을 가하는 경우 강한 자성을 띄는 물질을 의미한다. 예를 들면, 철(Fe(Ⅲ)), 망간(Mg), 마그네슘(Mg), 니켈(Ni), 아연(Zn) 및 코발트(Co)로 이루어진 군으로부터 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다. 일 실시예에 따른 초상자성 나노입자는 평균 입경이 3 내지 100nm일 수 있고, 4 내지 30nm를 갖는 입자일 수 있다. 또한, 초상자성 나노입자는 평균자화력이 60emu/g 내지 150emu/g일 수 있고, 80 emu/g 내지 130emu/g일 수 있다.
도 29b를 참조하면, 채취된 시료(S)는 복수 종류의 바이러스를 포함할 수 있다. 이러한 복수 종류의 바이러스들을 검출하기 위해서, 바이러스 마커 적용부(165)는 복수 종류의 바이러스 중 어느 하나와 컨쥬게이션되는 항체 및 항체에 결합된 자성입자를 포함하는 복수 종류의 바이러스 마커를 시료(S)에 적용할 수 있다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 시료(S)에 2 종류의 바이러스가 포함된 경우를 예를 들어 도시하였다. 실제로 채취된 시료(S)에는 어떤 바이러스가 포함되어 있는지 눈으로 볼 수 없기 때문에, 바이러스 검출을 위해 복수 종류의 바이러스 마커를 시료(S)에 적용할 수 있다.
이때, 바이러스 마커의 종류의 수는 시료(S) 내 바이러스 종류의 수와 동일할 필요는 없다. 예를 들면 도 29b와 같이, 바이러스 마커 적용부(165)는 3 종류의 바이러스 마커인 제1 바이러스 마커(B1), 제2 바이러스 마커(B2), 제3 바이러스 마커(B3)를 시료(S)에 적용할 수 있다. 시료(S)가 제1 바이러스 마커(B1)와 짝을 이루는 제1 바이러스(V1)와, 제2 바이러스 마커(B2)와 짝을 이루는 제2 바이러스(V2)를 포함하는 경우, 제1 바이러스(V1)와 제1 바이러스 마커(B1)가 결합한 제1 검출용 복합체(C1)와, 제2 바이러스(V2)와 제2 바이러스 마커(B2)가 결합한 제2 검출용 복합체(C2)가 형성될 수 있다. 바이러스 검출 장치(3)는 제1 검출용 복합체(C1)와, 제2 검출용 복합체(C2)를 통해 시료(S) 내 바이러스의 존재뿐만 아니라, 종류까지 검출할 수 있다.
한편, 바이러스 마커 적용부(165)는 바이러스와 결합하지 못한 바이러스 마커를 상기 시료(S)에서 제거할 수 있다. 예를 들면, 바이러스 마커 적용부(165)는 다공성 필터(porous filter)를 이용하여, 바이러스와 결합하지 못한 자성입자를 시료(S)에서 제거할 수 있다. 여기서, 다공성 필터란, 바이러스 마커는 통과시키되, 바이러스와 바이러스 마커가 결합한 검출용 복합체는 필터링(filtering)하는 물체일 수 있다. 구체적으로, 일 실시예로서, 바이러스 마커 적용부(165)는 다공성 필터(미도시)를 이용하여 짝을 이루지 못한 제3 바이러스 마커(B3)를 시료(S)에서 제거할 수 있다. 이를 통해, 시료(S)에는 자성입자를 포함하는 바이러스 마커와 결합된 제1 검출용 복합체(C1)와 제2 검출용 복합체(C2)만 남게 되고, 정확한 바이러스 검출이 가능해질 수 있다.
다시 도 27 및 도 28을 참조하면, 자계 형성부(170)는 시료 배치부(110)에 인접하게 배치되어 시료 배치부(110) 주위에 자계(magnetic field)를 형성하여 검출용 복합체에 움직임을 부여할 수 있다. 자계 형성부(170)는 검출용 복합체에 포함된 자성입자를 자기력을 이용하여 이동시킬 수 있다. 이때, 자성입자와 결합된 바이러스도 함께 이동할 수 있다. 바이러스(virus)는 세균과 같은 미생물과 달리 움직임이 없기 때문에 바이러스 마커를 적용하지 않은 시료(S)에 파동을 조사하더라도 레이저 스펙클이 발생하지 않아 바이러스를 검출할 수가 없다. 따라서, 시료(S) 내에 바이러스가 존재하는 경우, 바이러스 마커 적용부(165)를 통해 자성입자가 바이러스와 결합된 검출용 복합체를 형성할 수 있고, 검출용 복합체에 자기력을 이용하여 바이러스에 움직임을 부여할 수 있다. 이때, 자계 형성부(170)는 도면에 도시된 것과 같이, 시료 배치부(110)를 감싸는 RF 코일(175)을 이용하여 자계를 형성할 수 있다. 그러나, 하나의 실시형태일 뿐이며, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 단순히, 영구자석을 이용하여 시료 배치부(110)의 시료(S)에 자계를 형성할 수도 있다. 자계 형성부(170)는 마이크로 핵자기공명장치(micro nuclear magnetic resonance, micro-NMR)를 이용할 수도 있다.
자계 형성부(170)는 일정한 제1 시간마다 자계의 방향 또는 세기를 변경하여 검출용 복합체에 움직임을 부여할 수 있다. 자계 형성부(170)가 시료(S)에 일정한 방향과 세기를 갖는 자계를 부여하는 경우, 검출용 복합체(C1)는 한 방향으로 움직이고 다시 움직임을 멈출 수 있어 정확한 바이러스 검출이 어려울 수 있다. 따라서, 자계 형성부(170)는 일정한 제1 시간마다 자계의 방향 또는 세기를 변경하여 바이러스 검출 장치(3)가 바이러스를 검출하는 동안에 지속적으로 움직임을 부여할 수 있다.
파동원(120)은 시료 배치부(110) 내의 시료(S)를 향하여 파동을 조사할 수 있다. 파동원(120)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(110) 에 스펙클을 형성하기 위해서 간섭성(coherence)이 좋은 레이저를 파동원(120)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(120)으로 이용될 수 있으며, 기준 대역폭보다 짧을수록 측정 정확도는 증가할 수 있다.
검출부(130)는 조사된 파동이 시료(S) 내의 검출용 복합체(C1)의 움직임에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 레이저 스펙클(laser speckle)을 사전에 설정된 시점(time)마다 검출할 수 있다. 검출부(130)는 파동원(120) 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(130)는 레이저 스펙클이 발생되는 시료의 표면을 측정할 수 있지만, 시료의 표면과 검출부(130) 사이의 일 영역에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 또한, 검출부(130)는 일정한 초점 거리를 갖는 렌즈부 없이 레이저 스펙클을 검출할 수 있다. 검출부(130)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(140)로 제공할 수 있다. 한편, 제1 시점 및 제2 시점은 설명의 편의를 위하여 선택된 하나의 예시일 뿐이며, 검출부(130)는 제1 시점 및 제2 시점보다 많은 복수의 시점에서 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
한편, 검출부(130)가 검출하는 사전에 설정된 시점들의 시간 간격은 자계 형성부(170)에서 검출용 복합체에 움직임을 부여하는 제1 시간보다 짧을 수 있다. 다시 말해, 검출용 복합체의 움직임이 측정하는 시점들의 간격보다 짧은 경우 검출용 복합체의 빠른 움직임은 노이즈로 작용할 수도 있다. 따라서, 검출부(130)는 정확한 검출을 위하여 자계 형성부(170)에서 자계의 방향 또는 세기를 변경하는 제1 시간보다 짧은 간격으로 레이저 스펙클을 검출할 수 있다.
한편, 검출부(130)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.
제어부(140)는 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득할 수 있다. 제어부(140)는 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료(S) 내의 바이러스의 존재여부 또는 바이러스의 농도를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다. 이때, 제어부(140)는 자계 형성부(170)의 변경되는 자계의 방향 또는 세기에 대한 자계 정보를 제공받고, 자계 정보를 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득할 수 있다. 본 명세서에서 실시간(real-time)이란 1시간 내에 바이러스의 존재 여부 또는 바이러스의 농도 변화를 추정하는 것을 의미하며, 바람직하게는 5분내에 바이러스의 존재 여부 또는 바이러스의 농도 변화를 추정할 수 있다. 더욱 바람직하게는 20초 내에 바이러스를 검출할 수 있다. 제어부(140)에서 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득하는 방법은 후술하기로 한다.
한편, 바이러스 검출 장치(3)는 디스플레이부(190)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이부(190)는 제어부(140)로부터 추정된 바이러스의 존재 여부, 농도 및 종류에 대한 결과를 외부로 표시할 수 있다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 검출 방법을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 30을 참조하면, 우선, 시료에 자성입자(magnetic particle)를 포함하는 바이러스 마커(virus marker)를 적용하여 바이러스 마커와 시료(S) 내의 바이러스가 결합된 검출용 복합체를 형성한다(A10). 시료(S) 내의 바이러스 종류가 복수 개일 수 있으므로, 바이러스 마커의 종류도 복수 개일 수 있으며, 바이러스 종류의 개수와 바이러스 마커 종류의 개수가 동일할 필요는 없다. 이때, 바이러스 마커는 바이러스에 대응되는 항체의 종류를 다르게 하고 항체에 결합된 자성입자는 동일한 자성입자를 이용할 수 있다. 이를 통해, 시료(S)에 자계를 형성하여 검출용 복합체에 움직임을 부여하는 경우, 바이러스 종류에 따라서만 움직임의 차이가 발생될 수 있어 바이러스를 종류에 따라 구분할 수 있다.
이후, 시료(S) 주위에 자계를 형성하여 검출용 복합체에 움직임을 부여한다(A20). 전술한 자계 형성부(170)는 자계의 방향 또는 세기를 일정한 제1 시간마다 변경할 수 있고 이를 통해 검출용 복합체의 지속적인 움직임을 유도할 수 있다.
이후, 시료(S)를 향해 파동을 조사하여, 조사된 파동이 검출용 복합체의 움직임에 의해 다중 산란되어 발생된 레이저 스펙클을, 사전에 설정된 시점마다 검출한다(A30). 이때, 사전에 설정된 시점들의 간격은 자계 형성부(170)에서 자계의 방향 또는 세기를 변경하는 제1 시간보다 짧을 수 있다.
이후, 제어부(140)에 의해, 검출된 레이저 스펙클을 이용하여 검출된 레이저 스펙클의 시간 상관관계를 획득하고, 획득된 시간 상관관계에 기초하여 시료(S) 내의 바이러스의 존재 여부 또는 농도를 실시간(real-time)으로 추정할 수 있다(A40).
도 31은 시료 내의 바이러스 종류에 따른 시간 상관관계 계수를 도시한 그래프이다. 도 31의 그래프에 있어서, 실선(S1)은 바이러스가 존재하지 않는 시료의 시간 상관 계수를 나타내며, 제1 점선(C1)은 제1 바이러스(V1)만 존재하는 시료의 시간 상관 계수를 나타낸다. 제3 점선(C2)은 제2 바이러스(V2)만 존재하는 시료의 시간 상관 계수를 나타내며, 제2 점선(C1+C2)은 제1 바이러스(V1)와 제2 바이러스(V2)가 모두 존재하는 시료의 시간 상관 계수를 나타낸다. 이때, 제1 바이러스(V1)와 제2 바이러스(V2)가 공존하는 경우, 그 농도는 제1 바이러스만 존재하거나, 제2 바이러스만 존재하는 경우와 동일한 것으로 가정할 수 있다. 도 3b에서는 제1 바이러스(V1)와 제2 바이러스(V2)를 동일한 동그라미 형태로 도시하였으나, 실제 제1 바이러스(V1)와 제2 바이러스(V2)는 다른 형태 및 다른 무게를 가질 수 있다. 따라서, 제1 바이러스(V1)를 포함하는 제1 검출용 복합체(C1)와 제2 바이러스(V2)를 포함하는 제2 검출용 복합체(C2)는 동일한 자계에 놓이더라도, 다른 움직임을 보일 수 있다. 이러한 다른 움직임으로부터 레이저 스펙클의 시간 상관관계도 다를 수 있다. 이러한 차이점을 이용하여 시료(S) 내의 바이러스의 종류를 구분할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 바이러스 검출 장치는 바이러스와 자성입자를 포함하는 검출용 복합체에 의한 레이저 스펙클의 시간 상관관계의 변화를 이용함으로써, 저렴한 비용으로 신속하게 바이러스의 존재 여부, 농도 및 바이러스의 종류를 추정할 수 있다.
이하에서는 도 32 내지 도 37을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)의 다양한 형태의 설치 위치 및 동작을 설명한다.
도 32는 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)가 냉장고(P1)에 설치되는 경우를 도시한 예시도이고, 도 33은 도 32의 시료 특성 탐지 장치(100)가 냉장고(P1)의 천장부(1050)에 설치된 형태를 개략적으로 도시한 예시도이다.
도 32 및 도 33을 참조하면, 냉장고(P1)는 본체(1010) 및 도어(1020)를 포함할 수 있고, 냉장고(P1)의 측면(1053), 선반(1051), 천장(1050) 등 다양한 위치에 시료 특성 탐지 장치(100)가 설치될 수 있다. 본 실시예에 있어서, 냉장고(P1)는 하나 이상의 함몰부(1040)를 더 포함하고, 시료 특성 탐지 장치(100)는 함몰부(1040)에 위치할 수 있다. 시료 특성 탐지 장치(100)는 냉장고(P1)에 식품들이 가득찰 경우에 혼돈파 측정을 위한 적절한 거리를 확보하기 위하여 함몰부(1040)에 위치할 수 있다.
파동원(120)은 바람직하게는 레이저 광원이다. 파동원(120)은 레이저의 방향을 전환할 수 있도록 구동부(125)를 구비할 수 있다. 구동부(125)는 냉장고(P1)의 다양한 부분의 세균을 측정할 수 있도록 파동원(120)의 조사 방향을 변경할 수 있다.
검출부(130)는 바람직하게는 이미지 센서를 포함하는 카메라이며, 역시 별도의 구동부를 포함할 수 있다. 또한, 레이저 스펙클 하나가 2픽셀 이상에 대응될 수 있도록 초점을 조정할 수 있다. 다른 실시예로서, 검출부(130)는 이미지 센서일 수도 있다.
도 34는 도 32의 시료 특성 탐지 장치(100)를 통해 촬영된 영상의 예시이다.
도 34를 참조하면, 검출부(130)는 냉장고 내부를 촬영할 수 있다. 이 경우 냉장고 촬영 영상에는 식품(S)이 저장된 영역(I)과, 식품이 없는 영역이 있을 수 있는데, 검출부(130)는 식품이 저장된 영역을 검출하고, 그 부분에 파동원(120)이 광을 조사할 수 있도록 구동부(125)를 제어할 수 있다. 또한, 파동원(120)이 조사된 부분의 스펙클을 정확하게 촬영하기 위하여, 검출부(130)는 촬영 위치를 구동부를 통해 변경할 수 있으며, 초점을 조정할 수 있다.
또한, 적절한 제어를 위하여, 검출부(130)는 파동원(120)을 활영하여 측정 전, 거리를 측정할 수 있다. 예컨대, 파동원(120)는 변조된 레이저 광, 예를 들면, 레이저 광의 진폭이나 주파수를 변조한 신호를 포함시키고, 변조된 빛을 검출부(130) 또는 별도의 수광부(미도시)를 통하여 수신한 후, 거리를 측정할 수 있다.
검출부(130)는 측정된 거리에 따라 초점을 조정할 수 있다.
도 35 및 도 36은 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치가 세탁기의 뚜껑이나 세탁물 투입구의 외주부에 설치되거나, 칫솔살균기의 뚜껑 또는 벽면에 설치된 상태를 도시한 예시도이다. 세탁기(P2)의 뚜껑이나 세탁물 투입구의 외주부에 설치되는 시료 특성 탐지 장치(100)는 도 32 및 도 33을 통하여 설명한 바와 같은 구조를 가지며, 동작을 할 수 있다.
도 37은 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)에서 측정된 미생물의 존재 여부 및 농도 및 미생물 종류를 활용하기 위한 네트워크에 관한 도면이다.
도 37을 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(100)를 포함하는 장치들(1510, 1020)로부터 홈서버(1530)가 농도, 미생물 존재 여부 및 미생물 종류에 대한 데이터를 수집한다.
시료 특성 탐지 장치(100)를 포함하는 장치들(1510, 1520)이 직접 인터넷이 가능한 경우에는 외부 서버(1560)에서 홈서버(1530)가 하는 기능을 수행할 수 있다.
홈서버(1530) 또는 외부서버(1560)는 수집한 농도, 미생물 존재 여부 및 미생물 종류에 기초하여 위험도를 측정하고, 위험도가 일정 수준 이상이라고 판단하면, 사용자 단말(1570 또는 1580)에 알림(notification)을 보낸다.
사용자는 알림을 받은 후에 알림에 포함된 링크를 눌러서 외부 업체(1550)에 해당 장치(1510)의 청소 또는 방역을 요청할 수 있다.
또는, 새로운 종류의 미생물이 발견되었을 경우, 외부 업체(1550)에 분석을 의뢰할 수 있으며, 분석 결과에 기초하여 홈서버(1530) 또는 외부서버(1560)는 새로운 종류의 미생물 종류를 업데이트 할 수 있다.
사용자 단말(1570 또는 1580)은 컴퓨터, 휴대폰, 태블릿 컴퓨터 등 다양한 형태의 단말기를 포함한다. 사용자 단말(1570 또는 1580)은 시료 특성 탐지 장치(100)를 포함하는 장치들에 요청하여 현재 미생물의 농도를 볼 수 있다. 또한, 사용자 단말(1570 또는 1580)은 시료 특성 탐지 장치(100)의 파동원(120) 및 검출부(130)를 적절한 위치를 측정할 수 있도록 제어할 수도 있다. 특히, 사용자 단말(1570 또는 1580)은 검출부(130)에서 촬영된 영상을 네트워크를 통하여 수신할 수 있으며, 수신된 영상에 기초하여 파동원(120) 및 검출부(130)를 제어할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정하여 미생물의 존재유무를 탐지함으로써, 미생물을 며칠에 걸쳐 배양하지 않고도 수초 안에 신속하게 탐지할 수 있을 뿐만 아니라, 항생제에 대한 반응성을 비접촉으로 정밀하게 측정할 수 있다. 예컨대, 기존의 1일에서 4일까지 걸리는 배양과정을 생략하고(즉, 배양과정 없이), 배양접시 등의 피검사대상에 레이저 광을 조사하여 레이저 스펙클을 측정하는 것만으로 즉각적으로 미생물의 존재여부를 탐지할 수 있다. 이에 따라, 미생물이 존재하는 것으로 탐지되면, 탐지된 미생물에 대한 반응성을 바로 그 자리에서 측정할 수 있어, 미생물을 다루는 생명과학과 의학 분야에서는 상당한 시간을 단축할 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같이, 레이저 광원과 이미지 센서만으로 광학계 구현이 가능하므로, 저렴한 가격으로 광학계를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 소형 제작이 가능하므로 다양한 환경에서 폭넓게 적용될 수 있다. 그리고, 미생물 탐지를 위해 광학적인 측정만을 이용하므로, 항원-항체 등 표적 물질의 사용이 필요 없고, 유전자 증폭 기술 등과 같이 시편을 채취할 필요도 없으므로, 미생물 측정 과정에서 발생하는 비용을 절감시킬 수 있다.
이하에서는 도 38 내지 도 43을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)의 다른 실시형태를 설명한다.
도 38은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 치주 및 치아를 포함하는 구강과 관련하여 측정된 레이저 스펙클의 형태를 도시한 도면이고, 도 39는 본 발명의 일 실시예에 있어서, 손톱 및 발톱과 관련하여 측정된 레이저 스펙클의 형태를 도시한 도면이다.
도 38 및 도 39를 참고하면, 측정 대상이 되는 치아와 치주 등을 포함하는 구강(810) 또는 손톱/발톱(901, 902) 내 또는 표면에 간섭성(coherency)이 좋은 광원(예컨대, 레이저 광 등)을 이용하여 광이 조사될 수 있다. 이때, 광원(120)에서 방사된 광은 치아(801), 치주(802), 손톱(901), 발톱(902) 등을 구성하고 있는 물질에 의해 여러 번 산란될 수 있다. 즉, 다중 산란(multiple scattering)이 발생할 수 있다. 이처럼, 광이 다중 산란을 겪으면서 빛은 매우 긴 광경로를 형성할수 있으며, 광 경로를 형성하는 과정에서 치아(801) 및 치주(802) 등을 포함하는 구강(810), 손톱(901), 또는 발톱(902) 내 또는 표면에 세균, 미생물이 존재하는 경우, 광은 미생물을 수없이 많이 지나게 될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 다중 산란된 빛의 공간적인 세기 분포는 매우 복잡한 형태를 가지는 데 이를 레이저 스펙클(laser speckle) 패턴(pattern)이라고 할 수 있다. 즉, 도 38 및 도 39를 참고하면, 복잡한 다중 산란으로 인해 측정 면의 각 지점에서 빛이 보강 간섭(constructive interference) 또는 상쇄 간섭(destructive interference)를 일으키는 정도가 서로 상이하여 레이저 스펙클이 발생할 수 있다. 이때, 산란을 일으키는 물질인 치아(801), 치주(802), 손톱(901), 발톱(902) 등이 움직이지 않는다면 스펙클의 형태가 바뀌지 않을 수 있다. 다시 말해, 산란 현상은 파동방정식으로 결정되는 현상이기 때문에, 치아, 치주, 손톱, 발톱 등의 표면이 움직이지 않는다면 레이저 스펙클의 형태는 바뀌지 않을 수 있다.
이때, 특정 신체 부위(치아, 치주, 손톱, 발톱 등)의 표면에 미생물이 존재하는 경우, 미생물의 미세한 생명활동(예컨대, 세포 내 움직임, 미생물의 이동 등)으로 인해 광경로가 시간에 따라 미세하게 변경될 수 있다. 레이저 스펙클 패턴이 빛의 간섭으로 인해 발생하는 현상이기 때문에, 미세한 광경로의 변화는 레이저 스펙클 패턴에 변화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 레이저 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정함으로써, 미생물의 생명활동, 즉, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물의 존재 유무가 신속하게 측정될 수 있다. 즉, 전술한 바와 같이, 다중 산란을 통해 기준 시간마다 측정된 복수의 레이저 스펙클 패턴의 시간 변화를 측정하면, 미생물의 존재 유무가 즉각적으로 측정될 수 있다.
도 40은 본 발명의 일실시예에 있어서, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 흐름도이다.
도 40의 각 단계들(1001 내지 1003 단계)은 일 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(100)의 각 구성 요소(예컨대, 광원 및 측정부)에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 특정 신체 부위가 손톱 및 발톱인 경우, 파동원(120) 및 검출부(130), 그리고 샘플인 손톱 또는 발톱은 도 4A 내지 도 4C의 구조로 배치될 수 있으며, 특정 신체 부위가 구강인 경우, 파동원(120) 및 검출부(130), 그리고 샘플인 구강은 도 4A 및 도 4C의 구조로 배치될 수 있다.
1001 단계에서, 파동원(120)은 구강, 손톱, 발톱 등의 특정 신체 부위 내 또는 표면으로 광을 조사할 수 있다. 파동원(120)인 레이저가 샘플인 특정 신체 부위(손톱, 발톱, 구강 등)에 반사되는 형태, 또는 파동원(120)인 레이저가 샘플인 특정 신체 부위(손톱, 발톱)를 투과하는 형태로 광이 조사될 수 있다.
1002 단계에서, 검출부(130)는, 일정 간격으로 기준 시간마다 특정 신체 부위 로부터 유발된 레이저 스펙클을 측정할 수 있다. 예컨대, 일정 간격으로 기준 시간마다 특정 신체 부위로 광이 조사됨에 따라, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 레이저 스펙클이 형성될 수 있으며, 카메라 등을 이용하여 다중 산란이 발생하는 특정 신체 부위 내 또는 표면이 촬영됨에 따라, 레이저 스펙클이 형성된 레이저 스펙클 영상이 생성될 수 있다. 이때, 생성된 복수의 영상들의 스펙클 패턴을 측정하기 위해 2차원 이미지 센서 또는 1차원 광센서를 포함하는 카메라가 검출부(130)로 이용될 수 있다. 예컨대, CCD 등의 촬상소자를 탑재한 카메라가 검출부(130)로 이용될 수 있다.
이때, 도 4A 내지 도 4C와 같이, 특정 신체 부위로 입사되는 광과 카메라 등의 센서의 위치는 자유롭게 구성될 수 있다. 예컨대, 카메라 픽셀(pixel)의 크기와 스펙클 입자 크기(speckle grain size) 간에 기정의된 조건이 맞으면 상기 입사되는 광과 카메라 등의 센서의 위치는 어떠한 위치에서도 배치 가능하도록 구현될 수 있다. 이때, 레이저 광원으로부터 카메라까지의 거리는 레이저 광원의 간섭길이(coherence length)에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 간섭길이(coherencelength)는 빛이 간섭을 일으킬 수 있는 거리를 나타내는 것으로서, 간섭길이(coherence length)가 긴 광원을 이용할수록 레이저와 카메라 위치(즉, 레이저광원과 카메라 간의 거리)를 멀리 두고 광학계가 구성될 수 있다.
1003 단계에서, 검출부(130)는 측정된 복수의 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화 정도를 나타내는 레이저 스펙클의 패턴 변화에 기초하여 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부를 측정할 수 있다. 즉, 복수의 레이저 스펙클 패턴 간의 동적 변화에 기초하여 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부가 측정될 수 있다.
여기서, 레이저 스펙클 패턴의 동적 변화를 비교하기 위해서는 서로 다른 시간에 측정된 최소 둘 이상의 영상이 필요할 수 있다. 예를 들어, 1002 단계에서, 제1 시간에 레이저 광을 조사하여 특정 신체 부위를 촬영함으로써 생성된 레이저 스펙클 영상 1, 제1 시간으로부터 기준 시간(1초, 10초 등) 후, 즉, 제2 시간에 광을 조사하여 특정 신체 부위를 촬영함으로써 생성된 레이저 스펙클 영상 2 등과 같이 일정 간격으로 기준 시간마다 둘 이상의 레이저 스펙클 영상이 생성될 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(예컨대, 10초마다) 광을 조사하여, 결국 n-1초 후에 n개의 레이저 스펙클 영상이 생성될 수 있다. 그러면, 생성된 레이저 스펙클 영상들 간의 차이를 분석함으로써 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부가 측정될 수 있다.
이때, 두 개의 스펙클 영상을 이용하여 미생물의 존재유무를 측정하는지 또는 셋 이상의 스펙클 영상을 이용하여 미생물의 존재유무를 측정하는지에 따라 미생물 측정 방법이 달라질 수 있다. 여기서, 둘 또는 셋 이상의 레이저 스펙클 영상을 이용하여 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 자세한 동작은 도 41 및 도 42를 참고하여 설명하기로 한다.
도 41은 두 개의 스펙클 영상을 이용하여 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 41을 참고하면, 일정 시간 간격으로 광을 조사함에 따라 각각의 시간에서 생성된 두 개의 스펙클 영상을 이용하는 경우, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하지 않으면(static speckle), 0초에 측정한 스펙클 영상과 10초에 측정한 스펙클 영상 간의 차이가 기정의된 제1 기준값 이하로 매우 미미할 수 있다. 간혹 작은 차이가 존재할 수 있으나, 이는 수분 증발, 진동 등과 같이 실험 시에 존재하는 모든 잡음(noise)의 영향으로 해석될 수 있다. 이때, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물(예컨대, B. cereus bacteria 등)이 존재하는 경우(dynamic speckle), 0초에 생성된 스펙클 영상과 10초에 생성된 스펙클 영상 간에 차이가 기정의된 제2 기준값 이상일 수 있다. 즉, 0초와 10초 사이에 측정한 스펙클 패턴의 차이가 제2 기준값 이상으로, 레이저 스펙클 패턴에 큰 변화가 존재하면, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 박테리아 등의 미생물이 존재하는 것으로 결정될 수 있다.
이처럼, 검출부(130)는 두 스펙클 영상 간의 차이(예컨대, 픽셀값 차이 등)가 제1 기준값 이하인지 여부, 그리고, 제2 기준값 이상인지 여부를 체크하여, 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 이때, 제1 기준값과 제2 기준값을 동일한 값으로 기정의될 수도 있고, 서로 다른 값으로 기정의될 수도 있다.
도 42는 세 개 이상의 스펙클 영상을 이용하여 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 방법을 설명하기 위해 제공되는 도면이다.
도 42를 참고하면, 일정 시간 간격으로 측정된 셋 이상의 스펙클 영상을 이용하는 경우, 검출부(130)는 셋 이상의 스펙클 영상에서 시간 상관 분석(time correlation analysis)을 수행함으로써 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정할 수 있다. 즉, 검출부(130)는 일정 시간 간격으로 서로 다른 시점에 특정 신체 부위 내또는 표면으로 광이 조사되어 다중산란(multiple scattering)이 발생함에 따라 형성된 레이저 스펙클(laser speckle) 간의 시간 상관관계(temporal correlation)에 기초하여 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정할 수 있다. 예를 들어, 각 시간 t에 대해 측정한 스펙클 영상을 평준화한 데이터를 I(x,y;t)라고 하면, 검출부(130)는 특정 지연 시간 τ에 대해, 각 지점에서 시간 상관 관계 계수를 위의 수학식 3에 기초하여 계산할 수 있다. 그리고, 검출부(130)는 계산된 시간 상관 관계 계수의 변화도에 기초하여 특정 신체 부위 내 또는 표면에 미생물이 존재하는지 여부를 측정할 수 있으며, 측정된 실험결과는 도 42와 같을 수 있다. 여기서, 수학식 3에 기초하여 시간 상관 관계 계수를 계산하는 구성 및 계산된 시간 상관 관계 계수에 기초하여 특정 신체 부위에 미생물이 존재하는지 여부를 측정하는 것은 이미 수학식 3에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 스펙클 패턴의 시간적인 변화를 측정하여 미생물의 존재유무를 측정함으로써, 미생물을 며칠에 걸쳐 배양하지 않고도 수초 안에 신속하게 측정할 수 있다. 예컨대, 기존의 1일에서 4일까지 걸리는 배양과정을 생략하고(즉, 배양과정 없이), 샘플에 레이저 광을 조사하여 레이저 스펙클을 측정하는 것만으로 즉각적으로 미생물의 존재여부를 탐지할 수 있다. 이에 따라, 샘플(손톱, 발톱, 구강, 식품 등)이 준비되면, 그 자리에서 즉각적으로 미생물, 세균의 존재 여부와 활동성이 측정 가능하므로, 치과, 피부과, 가정, 식료품점 등에서 신속하고 간편하게 미생물, 세균의 존재유무를 측정할 수 있다.
도 43은 본 발명의 일실시예에 있어서, 시간 역전 거울을 이용하여 광학계가 구성되는 경우를 도시한 도면이다.
도 43의 1310은 시간 역전 거울을 이용하여 산란체에서 빛의 경로가 역전된 경우를 나타내고, 1320은 1320은 산란체 내에 움직이는 물체가 있는 경우, 광 경로의 변화로 인해 경로 역전이 발생하지 않는 경우를 나타낼 수 있다. 즉, 1310은 시간 역전 반사 현상이 일어난 경우이고, 1320은 시간 역전 반사 현상이 일어나지 않은 경우를 나타낼 수 있다.
시간 역전 거울이란 빛이 거울 면에 반사 후 되돌아 갈 때, 거울 면까지 도달할 때 이동한 경로를 그대로 거꾸로 되돌아가는 현상(즉, 시간 역전 반사 현상)을 발생시키는 거울을 나타낼 수 있다. 일반적인 거울에서는 시간 역전 반사 현상이 일어나지 않지만, 특수한 조건에서는 상기 시간 역전 반사 현상이 발생할 수 있다.
위의 한국등록특허 제10-1599147호에서는 시간 역전 거울을 이용한 디지털 광 단일 채널 위상 공액 장치를 설명하고 있으며, 시간 역전 거울을 이용하여 광학계를 구성하는 경우, 매우 민감하게 산란체(예컨대, 치아, 치주, 손톱, 발톱, 식품 등의 샘플) 내부에서 움직이는 물체의 존재 여부가 측정될 수 있다. 복잡한 산란체 내에서 시간 역전 반사가 일어나는 것은 매우 정교한 제어가 필요한 물리 현상이기 때문에, 도 43의 1320과 같이, 산란체 내의 작은 변화로 인해 시간 역전 반사 현상이 성립되지 않을 수도 있기 때문이다. 이에 따라, 시간 역전 거울을 이용하여 산란체 내에서 발생하는 시간 역전 반사 현상에 기초하여 산란체(즉, 샘플) 내에 세균, 미생물 등의 물체가 존재하는지 여부가 측정될 수 있다.
도 43의 1310을 참고하면, 산란체 앞에서 임의의 패턴의 빛이 입사될 수 있다. 즉, 산란체로 임의의 패턴을 가지는 빛이 입사될 수 있다. 여기서, 상기 패턴은 고정된 조리개(aperture) 또는 마스크(mask) 등을 이용하여 생성될 수 있으며, 이외에 디스플레이(display) 패턴으로 구현될 수 있다. 그러면, 산란체로 입사된 빛이 산란체에 의해 산란될 수 있다. 그러면, 파면제어기(spatial light modulator, SLM, 1302)는 산란체에 의해 산란된 빛(1301)을 평면파(1303)로 변환시킬 수 있다. 그러면, 파면 제어기(1302)를 통해 변환된 평면파(1303)는 거울(1304) 면에 반사되어, 자동으로 시간 역전 반사 현상이 일어나서 처음 출발한 그 형태의 빛으로 출사될 수 있다.
이때, 도 43의 1320과 같이, 산란체 내부에 움직이는 물질(예컨대, 세균, 미생물 등과 같이 탐지하고자 하는 물질)이 존재하는 경우, 빛의 경로가 더 이상 시간 역전 반사 현상을 따르지 않게 될 수 있다. 즉, 산란체로 처음 입사한 빛과는 상관 없는 다른 패턴의 빛이 발생할 수 있다. 그러면, 사용자 또는 측정부는 상기 거울(1304)에서 반사되어 되돌아온 빛의 패턴을 관찰하거나 측정하여, 산란체 내부의 움직임을 측정할 수 있다. 즉, 되돌아온 빛의 패턴이 산란체로 처음 입사된 빛이 가지는 임의의 패턴과 비교하여, 비교 결과인 패턴의 차이에 기초하여 산란체 내부에 움직이는 물질(즉, 미생물, 세균 등)이 존재하는지 여부가 탐지될 수 있다. 도 43의 1320을 참고하면, 되돌아온 빛의 패턴이 처음 입사된 빛의 패턴과 상이하므로, 산란체 내부에 움직이는 물질이 존재하는 것으로 탐지될 수 있다.
그리고, 도 43의 1310과 같이, 되돌아온 빛의 패턴이 산란체로 처음 입사된 빛이 가지는 임의의 패턴과 동일하거나 또는 기정의된 기준 범위 내에서 유사한 경우, 즉, 되돌아온 빛의 패턴이 시간 역전 반사 현상이 발생한 경우에 해당하면, 산란체 내부에 움직이는 물질이 존재하지 않는 것으로 탐지될 수 있다. 즉, 산란체 내부에 미생물 또는 세균이 존재하지 않는 것으로 탐지될 수 있다.
도 44는 본 발명의 제3 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(300)를 개략적으로 도시한 개념도고, 도 45는 도 44의 시료채취수단(311)의 다른 실시형태를 도시한 개념도이다. 또한, 도 46은 도 44의 시료채취수단(311)을 이용한 시료 특성 탐지 장치(300)를 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 44을 참조하면, 제3 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 제3 실시예는 파동원(320), 검출부(330) 및 제어부(340)의 구성 및 이를 이용하여 미생물을 탐지하는 방법이 제1 실시예와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
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.
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(230)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. 검출부(330)는 적어도 제1 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하고, 제2 시점에서의 레이저 스펙클을 검출하여 제어부(340)로 제공할 수 있다.
제어부(340)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.
시료채취수단(311)은 대상체로부터 미생물을 포함하는 시료(S)를 채취할 수 있다. 일 실시예로서, 도 44의 시료채취수단(311)은 평면 형태의 접착부재를 포함할 수 있다. 도 44의 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 45 및 도 46을 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, 제3 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(300)는 박테리아와 같은 미생물은 걸러지고 나머지 액체(315)는 빠져나갈 수 있는 필터(313), 예를들면, 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.
도 47은 본 발명의 제4 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치(400)을 개략적으로 도시한 개념도이고, 도 48은 도 41의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절취한 단면도이다.
도 47을 참조하면, 제4 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 제4 실시예는 파동원(420), 검출부(430) 및 제어부(440)의 구성 및 이를 이용하여 미생물을 탐지하는 방법이 제1 실시예와 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제4 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, 제4 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 47 및 도 48을 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. 이 경우, 제2 다중산란증폭부(453)은 시료배치부(410)에 대응되는 위치에만 다중산란물질을 포함하고, 다른 부분은 파동을 투과시키지 않는 재질로 이루어져 인접한 시료배치부(410)로부터 산라된 파동에 의한 간섭을 최소화할 수 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 49 및 도 50은 본 발명의 제4 실시예예 따른 시료 특성 탐지 장치의 다른 실시형태들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 49를 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 50을 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.
이하에서는 도 51 내지 도 56을 참조하여, 제5 실시예에 따른 시료 특성 탐지 장치의 실시형태를 설명하기로 한다.
간섭성을 가지는 빛을 산란체에 조사하였을 때 반사되는 정보의 간섭 현상에 의해 생기는 불규칙한 무늬를 레이저 스펙클(laser speckle)이라 한다. 본 발명의 기술사상에 의하면, 이러한 레이저 스펙클의 분석을 통해 기판 상에 형성된 구조물의 패턴 이상 여부를 확인할 수 있다.
도 51에는 본 발명의 제5 실시예를 따른 시료 특성 탐지 장치가 도시되어 있다. 이를 참조하면, 시료 특성 탐지 장치(500)는 레이저를 조사하는 광원, 샘플을 지지하는 샘플 홀더, 샘플로 입사된 광이 다중산란(multiple scattering)됨에 따라 형성된 레이저 스펙클 정보를 수집하는 정보수집부, 및 수집된 정보를 분석하고 분석된 결과를 사용자에게 출력하는 정보분석부로 구성된다. 여기서, 광원은 다른 실시예들의 파동원, 정보수집부는 다른 실시예들의 검출부, 정보분석부는 다른 실시예들의 제어부에 대응될 수 있다.
상기 광원은 레이저를 발생시켜 샘플로 조사하게 되며, 하나 또는 서로 다른 파장을 조사하는 2 이상의 복수개로 구성될 수 있다.
도 52에는 본 발명의 일실시예를 따르는 검사 방법이 나타나 있다. 도 52를 참조하면, 샘플홀더에 의해 지지되는 샘플에 레이저를 조사한다(S01). 다음, 조사된 레이저와 샘플의 상호작용에 의해 형성된 레이저 스펙클을 정보수집부가 수집한다(S02). 정부수집부에서 수집된 레이저 스펙클 정보는 정보분석부에 의해 분석된 후 분석 결과를 사용자에게 출력하게 된다(S03).
상기 정보수집부는 예시적으로 카메라일 수 있으며, 광원과 카메라로 구성되는 광학계는 도 4A 내지 도 4C와 같이 반사형, 투과형과 같이 다양한 형태로 구성 가능하다. 도 53에는 샘플의 예로서 반도체 소자의 다층 금속 배선 구조물이 도시되어 있다. 제1금속배선(61)과 제2금속배선(62) 사이에는 제1절연층(64)가 형성되어 있으며, 제2금속배선(62) 상부에는 제2절연층(65)이 형성되어 있다.
절연층(64, 65) 재료는 대표적으로 실리콘 산화물(SiO2)일 수 있으나, 그 외에도 빛이 투과되는 투명도가 있는 절연물은 어떠한 재료로 이용될 수 있다. 금속배선(61, 62)의 재료는 예시적으로 알루미늄, 텅스텐, 구리 등이 이용될 수 있다.
따라서 이러한 샘플에 레이저가 조사될 경우, 광의 투과가 가능한 제2절연층을(65)를 투과한 레이저 중 일부는 제2금속배선(62)에 의해 반사되나 일부는 제1절연층(64)을 투과하게 되고 다시 그 일부는 비아(63)이나 제1금속배선(61)이 형성된 구조물 내에서 반사되거나 산란된 후 다시 제1절연층(64) 및 제2절연층(65)를 투과하여 빠져나가며 레이저 스펙클을 형성하게 된다. 따라서 샘플의 구성하는 구조물(금속배선, 비아, 절연층 등)의 형태에 따라 레이저 스펙클의 패턴이 결정될 수 있으며, 이러한 구조물의 변화에 연동하여 레이저 스펙클의 패턴도 변화하게 된다. 이하 도 53을 참조하여 이러한 샘플 구조물의 변화를 이용하는 스펙클 패턴 분석 방법에 대해서 설명한다.
도 53의 (a)는 정상적으로 공정이 진행된 것이며, 도 53의 (b)는 비아 부분에 공공(610)이 형성된 것이며, 도 53의 (c)는 절연체를 관통하는 콘택이 형성되지 않은 것이다.
상술한 샘플을 샘플홀더에 장착한 후 샘플에 레이저를 조사하고, 샘플로부터 산란되는 레이저 스펙클 정보를 수집한다. 수집된 정보는 정보분석부에 분석된다. 정보분석부는 표준 샘플, 즉 도 53의 (a)와 같이 진행되었을 경우의 레이저 스펙클 정보가 저장된 DB와 연결되어 있다. 정보분석부는 수집된 레이저 스펙클 정보와 DB에 기 저장된 표준 샘플의 레이저 스펙클 정보를 상호 비교하여 스펙클 패턴의 차이값을 도출한다. 이러한 차이값이 기 설정된 기준 이하이면 분석 샘플은 표준 샘플과 동일한 구조를 가지고 있는 것으로 해석되며, 따라서 공정은 정상적으로 진행된 것으로 판정될 수 있다.
반면, 도 53의 (b) 또는 도 53의 (c)와 같이 비정상 적으로 공정이 진행되어 패턴상의 이상 영역이 존재할 경우에는 수집된 스펙클 정보와 표준 샘플의 스펙클 정보의 차이가 현저하여 그 차이값은 기 설정된 기준을 초과할 것이며, 따라서 공정이 비정상적으로 진행되었다는 것을 판단할 수 있다.
도 54는 다른 예로서 금속배선의 선폭 변화를 레이저 스펙클 분석으로 확인하는 예이다. 도 54의 (a)와 같이 정상적인 선폭을 가진 경우에는 표준 샘플과의 차이가 기 설정된 기준 이하일 것이다. 그러나 도 54의 (c)와 같이 비정상적으로 선폭이 형성된 영역(71)이 있는 경우에는 표준 샘플과의 차이가 현저하게 될 것이며, 이로부터 공정이 비정상적으로 진행되었다는 것을 판단할 수 있다.
다른 예로서 실리콘 기판에 이온주입에 의해 형성된 활성영역의 이상 여부에 대해서도 동일한 방식으로 검사 가능하다.
본 발명의 일실시예를 따르는 다른 시료 특성 탐지 장치에 의하면 실리콘 웨이퍼의 복수로 형성된 패턴영역을 순차적으로 검사하여 실리콘 웨이퍼 내에 형성된 복수개의 패턴영역 전체에 대해서 각각 패턴 형상의 유무를 판정하는 기능을 수행할 수 있다. 도 55에는 예시적으로 실리콘 웨이퍼 상에 복수개의 패턴영역 형성되어 있는 경우가 도시되어 있다. 이 경우 패턴영역은 최종적으로 공정이 완료될 경우 소잉(sawing)에 의해 분리되어 최종 하나의 소자가 되도록 구획된 영역이다.
도 56은 도 51의 시료 특성 탐지 장치를 이용하여 검사영역에 따라 패턴을 검사하는 예시도이다. 본 발명의 일실시예를 따른 시료 특성 탐지 장치를 이용할 경우, 복수의 패턴영역 예를 들어 도 56의 화살표와 같이 좌측 최상단 패턴영역에서 출발하여 순차적으로 레이저를 조사하고 정보수집부는 각각의 패턴영역으로부터 해당되는 레이저 스펙클 정보를 수집하여 DB상에 저장한다. 정부분석부는 DB에 저장된 각 패턴영역의 레이저 스펙클 정보를 분석하여 전체 패턴영역에서의 평균값과 표준편차 등과 같은 통계적 분석을 수행한다. 이 경우 레이저 스펙클 정보가 평균값에서 현저하게 벗어난 패턴영역은 다른 패턴영역과 상이한 구조를 가지는 것으로 해석할 수 있으며, 공정이 비정상적으로 진행된 영역으로 간주할 수 있다. 따라서 이렇게 비정상적으로 진행된 패턴영역에 대한 정보를 출력함으로써 사용자가 실리콘 웨이퍼를 국부적으로 절단하여 조사하지 않아도 비정상적인 패턴영역에 대한 정보를 취득할 수 있다.
레이저 스펙클을 이용한 비침습 혈류 측정, Laser Speckle Contrast Imaging, 비침습 혈관 검사, 혈류 측정을 이용한 개인 인증 등 레이저 스펙클을 활용한 다양한 분야에 본 발명의 적용이 가능할 수 있다. 또한, 경면 가공 검사, 다층 구조 필름의 박리검사 등의 제조 검사 분야에서도 본 발명의 활용이 가능하다. 또한, 바이너리 이미징(binary imaging)을 이용한 이동체의 위치 추적, 광학 엔코더를 활용한 로테이션 센서 등의 분야에서도 본 발명의 활용이 가능할 수 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.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치를 제공한다.

Claims (20)

  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; 및
    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;를 포함하며,
    상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 시료 내부에서 움직임이 있는 세균이나 미생물 또는 바이러스로부터 생성되는 스펙클의 변화에 따라 상기 세균이나 미생물 또는 바이러스의 존재 여부 또는 농도를 실시간으로 추정하는, 시료 특성 탐지 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 검출부는 상기 시료의 표면으로부터 일정 거리 이격된 상기 제1 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 영역은 상기 시료의 표면으로부터 제1 거리 이격된 제1 지점을 포함하는 제1 면과 상기 시료의 표면으로부터 상기 제1 거리보다 먼 제2 거리 이격된 제2 지점을 포함하는 제2 면 사이에 배치되는, 시료 특성 탐지 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 시간 상관관계는 제1 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 영상정보 및 상기 제2 영상정보는 상기 레이저 스펙클의 패턴정보 및 상기 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 시료를 수용하는 시료 배치부;를 더 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 시료 배치부 내의 상기 시료에 소정의 항생제를 투여하는 항생제 적용부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료에 상기 항생제가 투여되기 전 또는 후의 상기 시료 내의 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정하고, 상기 추정된 미생물 존재 여부 또는 상기 미생물의 농도 변화에 따라 상기 항생제의 적합성을 실시간으로 판단하는, 시료 특성 탐지 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 시료가 외부 환경에 노출되지 않도록 적어도 상기 시료 배치부를 커버하는 커버부재; 및
    상기 시료의 일정한 배양 환경을 유지하도록 환경 조건을 조절하는 배양환경조절부;를 더 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 검출부를 둘 이상 포함하는 경우, 상기 복수의 검출부들로부터 검출된 복수의 상기 레이저 스펙클들을 이용하여 3차원 스펙클 이미지를 생성하는 3차원 이미지 생성부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 3차원 스펙클 이미지를 이용하여 상기 시료의 특성을 탐지하는, 시료 특성 탐지 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시켜 상기 시료에서의 다중 산란 횟수를 증폭시키는 다중산란증폭부;를 더 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 다중산란증폭부는,
    상기 시료의 중심을 지나는 연장선 상에 배치되며, 상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시키는 제1 다중산란증폭부; 및
    상기 시료를 기준으로 상기 제1 다중산란증폭부와 대향되게 배치되며, 상기 시료로부터 다중산란되어 출사되는 상기 파동의 적어도 일부를 상기 시료로 반사시키는 제2 다중산란증폭부;를 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  13. 시료를 수용하는 시료 배치부;
    상기 시료 배치부와 인접하게 배치되며, 기준 시료를 수용하는 기준 시료 배치부;
    상기 시료 배치부 내의 상기 시료 및 상기 기준 시료 배치부 내의 상기 기준 시료를 향하여 파동을 조사하는 파동원;
    상기 조사된 파동이 상기 시료 및 상기 기준 시료 각각에 의해 다중 산란(multiple scattering)되어 발생된 제1 레이저 스펙클(laser speckle) 및 기준 레이저 스펙클을 검출하되, 사전에 설정된 동일 시점마다 검출하는 검출부; 및
    상기 검출된 제1 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 제1 레이저 스펙클의 시간에 따른 변화인 시간 상관관계(temporal correlation)를 획득하고, 상기 획득된 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료의 특성을 실시간(real-time)으로 탐지하며,
    상기 검출부는 상기 시료와 상기 검출부 사이 또는 상기 검출부 내부의 일 영역에서 상기 레이저 스펙클을 검출하는, 시료 특성 탐지 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 시료 내부에서 움직임이 있는 세균이나 미생물 또는 바이러스로부터 생성되는 스펙클의 변화에 따라 상기 세균이나 미생물 또는 바이러스의 존재 여부 또는 농도를 실시간으로 추정하는, 시료 특성 탐지 장치.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 시료 배치부 내의 상기 시료에 소정의 항생제를 투여하는 항생제 적용부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 기초하여 상기 시료에 상기 항생제가 투여되기 전 또는 후의 상기 시료 내의 미생물의 존재 여부 또는 미생물의 농도를 추정하고, 상기 추정된 미생물 존재 여부 또는 상기 미생물의 농도 변화에 따라 상기 항생제의 적합성을 실시간으로 판단하는, 시료 특성 탐지 장치.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 시간 상관관계는 제1 시점에서 검출된 상기 제1 레이저 스펙클의 제1 영상정보와, 상기 제1 시점과 다른 제2 시점에서 검출된 상기 제1 레이저 스펙클의 제2 영상정보의 차이를 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    상기 제1 영상정보 및 상기 제2 영상정보는 레이저 스펙클의 패턴정보 및 파동의 세기 정보 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 검출된 기준 레이저 스펙클을 이용하여 상기 검출된 기준 레이저 스펙클의 기준 정보를 획득하고, 상기 기준 정보를 이용하여 상기 제1 레이저 스펙클의 시간 상관관계에 대한 노이즈를 제거하는, 시료 특성 탐지 장치.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 파동원으로부터 입사된 파동을 분할시켜 복수의 파동 경로로 제공하는 다중 빔 리플렉터; 및
    상기 다중 빔 리플렉터로부터 제공되는 상기 파동 경로들 상에 배치되고, 상기 시료 및 상기 기준 시료에서 반사되어 출사되는 상기 파동의 경로들을 변경하여 상기 검출부로 제공하는 빔 스플리터;를 더 포함하는, 시료 특성 탐지 장치.
  20. 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 스펙클이 확산되는 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 장치.
PCT/KR2016/013288 2015-11-17 2016-11-17 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치 Ceased WO2017086719A1 (ko)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/776,584 US10551293B2 (en) 2015-11-17 2016-11-17 Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor
CN201680079041.1A CN108474740B (zh) 2015-11-17 2016-11-17 利用混沌波传感器的样品特性探测装置
JP2018526645A JP7058837B2 (ja) 2015-11-17 2016-11-17 混沌波センサを利用した試料特性探知装置
EP16866671.7A EP3379234B1 (en) 2015-11-17 2016-11-17 Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor
US16/697,373 US10914665B2 (en) 2015-11-17 2019-11-27 Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor
US17/142,529 US11262287B2 (en) 2015-11-17 2021-01-06 Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor
JP2022060460A JP7377475B2 (ja) 2015-11-17 2022-03-31 混沌波センサを利用した試料特性探知装置

Applications Claiming Priority (26)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20150160915 2015-11-17
KR10-2015-0160915 2015-11-17
KR1020160028966A KR101686766B1 (ko) 2015-11-17 2016-03-10 레이저 스페클을 이용한 세균 및 미생물 탐지 장치 및 방법
KR10-2016-0028966 2016-03-10
US15/170,508 US10001467B2 (en) 2015-11-17 2016-06-01 Apparatus and method for detecting microbes or bacteria
US15/170,508 2016-06-01
KR10-2016-0068563 2016-06-02
KR20160068563 2016-06-02
EP16172885.2A EP3171160B1 (en) 2015-11-17 2016-06-03 Apparatus and method for detecting microbes or bacteria
EP16172885.2 2016-06-03
KR1020160090961A KR20170058251A (ko) 2015-11-17 2016-07-18 혼돈파 센서를 이용한 배양접시 내 박테리아 탐지 장치 및 방법
KR10-2016-0090961 2016-07-18
KR10-2016-0092901 2016-07-21
KR1020160092901A KR20180010589A (ko) 2016-07-21 2016-07-21 혼돈파 센서를 이용한 항생제 적합성 검사 장치
KR20160093466 2016-07-22
KR10-2016-0093466 2016-07-22
KR1020160120764A KR20170057827A (ko) 2015-11-17 2016-09-21 레이저 스페클을 이용한 혼돈파 산란과 손발톱 및 구강 내 미생물 측정 장치 및 방법
KR10-2016-0120764 2016-09-21
KR1020160132150A KR101959023B1 (ko) 2016-10-12 2016-10-12 혼돈파 센서를 이용한 개체 식별 장치 및 이를 이용한 개체 식별 방법
KR10-2016-0132149 2016-10-12
KR10-2016-0132150 2016-10-12
KR1020160132149A KR20180040364A (ko) 2016-10-12 2016-10-12 생물 감지 장치 및 이를 구비한 생물 감지 시스템
KR10-2016-0144640 2016-11-01
KR1020160144640A KR102018895B1 (ko) 2016-11-01 2016-11-01 혼돈파 센서를 이용한 바이러스 검출 장치 및 이를 이용한 바이러스 검출 방법
KR10-2016-0152973 2016-11-16
KR1020160152973A KR102652472B1 (ko) 2016-11-16 2016-11-16 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US15/170,508 Continuation-In-Part US10001467B2 (en) 2015-11-17 2016-06-01 Apparatus and method for detecting microbes or bacteria

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US15/776,584 A-371-Of-International US10551293B2 (en) 2015-11-17 2016-11-17 Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor
US16/697,373 Continuation US10914665B2 (en) 2015-11-17 2019-11-27 Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017086719A1 true WO2017086719A1 (ko) 2017-05-26

Family

ID=58719104

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2016/013288 Ceased WO2017086719A1 (ko) 2015-11-17 2016-11-17 혼돈파 센서를 이용한 시료 특성 탐지 장치

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3379234B1 (ko)
WO (1) WO2017086719A1 (ko)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108007352A (zh) * 2018-01-05 2018-05-08 洛阳理工学院 基于数字散斑相关技术的足部受力测量装置
KR101939779B1 (ko) * 2017-09-12 2019-01-18 주식회사 더웨이브톡 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템
KR20190029539A (ko) * 2017-09-12 2019-03-20 주식회사 더웨이브톡 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템
WO2019088723A1 (ko) * 2017-11-02 2019-05-09 주식회사 더웨이브톡 스펙클 검사 장치 및 스펙클 증폭 장치
KR20190068259A (ko) * 2017-12-08 2019-06-18 주식회사 더웨이브톡 장내 미생물 검출 시스템
WO2020050687A1 (ko) * 2018-09-07 2020-03-12 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR20200122193A (ko) * 2019-04-17 2020-10-27 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR20210013240A (ko) * 2019-04-17 2021-02-03 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
JP2021520500A (ja) * 2018-05-18 2021-08-19 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッドＴｈｅ Ｗａｖｅ Ｔａｌｋ， Ｉｎｃ． 光学検出システム
KR20220033690A (ko) * 2020-09-10 2022-03-17 주식회사 더웨이브톡 다중 광원을 활용한 분광 장치

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113518827B (zh) * 2019-03-01 2024-09-06 安格瑞卡姆有限公司 用于检测微生物的方法、装置和系统
KR102543670B1 (ko) * 2020-11-30 2023-06-16 주식회사 더웨이브톡 탁도계
KR102566721B1 (ko) * 2021-09-06 2023-08-16 주식회사 더웨이브톡 수질 검사기
CN114139562B (zh) * 2021-12-08 2025-07-01 深圳思谋信息科技有限公司 二维码检测装置
CN116106226B (zh) * 2023-02-13 2023-08-29 山东师范大学 用于生物检测的目标区域解析系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006515420A (ja) * 2002-11-06 2006-05-25 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 微粒子ベースの方法およびシステムならびにその用途
US20100277734A1 (en) * 2007-12-27 2010-11-04 Amnon Weichselbaum Detecting and counting bacteria suspended in biological fluids
US20120022381A1 (en) * 2000-10-30 2012-01-26 The General Hospital Corporation Methods and Systems for Tissue Analysis
US20120130253A1 (en) * 2009-03-12 2012-05-24 The General Hospital Corporation Non-contact optical system, computer-accessible medium and method for measurement at least one mechanical property of tissue using coherent speckle technique(s)
KR20150050265A (ko) * 2013-10-31 2015-05-08 서울바이오시스 주식회사 미생물 탐지 장치 및 이를 이용하는 미생물 탐지 방법
KR101599147B1 (ko) 2014-09-19 2016-03-04 한국과학기술원 디지털 광 단일 채널 위상 공액 장치 및 방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6076010A (en) * 1996-06-20 2000-06-13 Trustees Of The University Of Pennsylvania Imaging spatially varying dynamic media with diffusing correlation waves
US6064517A (en) * 1996-07-22 2000-05-16 Kla-Tencor Corporation High NA system for multiple mode imaging
US6137570A (en) * 1998-06-30 2000-10-24 Kla-Tencor Corporation System and method for analyzing topological features on a surface
GB2369182B (en) * 2000-11-15 2004-12-08 Rusteck Ltd Optical detection of particles in a liquid medium
WO2014043609A1 (en) * 2012-09-17 2014-03-20 The General Hospital Corporation Compensation for causes of temporal fluctuations of backscattered speckle patterns in laser speckle rheology of biological fluids

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120022381A1 (en) * 2000-10-30 2012-01-26 The General Hospital Corporation Methods and Systems for Tissue Analysis
JP2006515420A (ja) * 2002-11-06 2006-05-25 イー・アイ・デュポン・ドウ・ヌムール・アンド・カンパニー 微粒子ベースの方法およびシステムならびにその用途
US20100277734A1 (en) * 2007-12-27 2010-11-04 Amnon Weichselbaum Detecting and counting bacteria suspended in biological fluids
US20120130253A1 (en) * 2009-03-12 2012-05-24 The General Hospital Corporation Non-contact optical system, computer-accessible medium and method for measurement at least one mechanical property of tissue using coherent speckle technique(s)
KR20150050265A (ko) * 2013-10-31 2015-05-08 서울바이오시스 주식회사 미생물 탐지 장치 및 이를 이용하는 미생물 탐지 방법
KR101599147B1 (ko) 2014-09-19 2016-03-04 한국과학기술원 디지털 광 단일 채널 위상 공액 장치 및 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RAMIREZ-MIQUET ET AL.: "Escherichia Coli Activity Characterization Using a Laser Dynamic Speckle Technique", REVISTA CUBA NA DE FISICA, vol. 28, December 2011 (2011-12-01), XP055488897 *
See also references of EP3379234A4

Cited By (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102275361B1 (ko) * 2017-09-12 2021-07-12 주식회사 더웨이브톡 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템
KR101939779B1 (ko) * 2017-09-12 2019-01-18 주식회사 더웨이브톡 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템
KR20190029539A (ko) * 2017-09-12 2019-03-20 주식회사 더웨이브톡 혼돈파 센서를 이용한 유체 내 미생물 감지 시스템
KR102009370B1 (ko) * 2017-11-02 2019-08-09 주식회사 더웨이브톡 스펙클 검사 장치 및 스펙클 증폭 장치
WO2019088723A1 (ko) * 2017-11-02 2019-05-09 주식회사 더웨이브톡 스펙클 검사 장치 및 스펙클 증폭 장치
KR20190050245A (ko) * 2017-11-02 2019-05-10 주식회사 더웨이브톡 스펙클 검사 장치 및 스펙클 증폭 장치
KR20190068259A (ko) * 2017-12-08 2019-06-18 주식회사 더웨이브톡 장내 미생물 검출 시스템
KR102546325B1 (ko) * 2017-12-08 2023-06-22 주식회사 더웨이브톡 장내 미생물 검출 시스템
US11428629B2 (en) 2017-12-08 2022-08-30 The Wave Talk, Inc. Intestinal microorganism detection system
CN108007352A (zh) * 2018-01-05 2018-05-08 洛阳理工学院 基于数字散斑相关技术的足部受力测量装置
CN108007352B (zh) * 2018-01-05 2024-03-15 洛阳理工学院 基于数字散斑相关技术的足部受力测量装置
JP7037842B2 (ja) 2018-05-18 2022-03-17 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッド 光学検出システム
JP7487860B2 (ja) 2018-05-18 2024-05-21 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッド 光学検出システム
JP2021520500A (ja) * 2018-05-18 2021-08-19 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッドＴｈｅ Ｗａｖｅ Ｔａｌｋ， Ｉｎｃ． 光学検出システム
JP2022078159A (ja) * 2018-05-18 2022-05-24 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッド 光学検出システム
JP7315991B2 (ja) 2018-05-18 2023-07-27 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッド 光学検出システム
JP2023129747A (ja) * 2018-05-18 2023-09-15 ザ ウェーブ トーク， インコーポレイテッド 光学検出システム
CN112689841A (zh) * 2018-09-07 2021-04-20 韦务拓客公司 微生物信息提供装置及方法
US12228509B2 (en) 2018-09-07 2025-02-18 The Wave Talk, Inc. Microorganism information providing device and method
WO2020050687A1 (ko) * 2018-09-07 2020-03-12 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR20210013240A (ko) * 2019-04-17 2021-02-03 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR102207945B1 (ko) * 2019-04-17 2021-01-26 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR20200122193A (ko) * 2019-04-17 2020-10-27 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR102587495B1 (ko) * 2019-04-17 2023-10-12 주식회사 더웨이브톡 미생물 정보 제공 장치 및 방법
KR20220033690A (ko) * 2020-09-10 2022-03-17 주식회사 더웨이브톡 다중 광원을 활용한 분광 장치
KR102466257B1 (ko) * 2020-09-10 2022-11-14 주식회사 더웨이브톡 다중 광원을 활용한 분광 장치

Also Published As

Publication number Publication date
EP3379234C0 (en) 2025-08-27
EP3379234B1 (en) 2025-08-27
EP3379234A4 (en) 2019-06-05
EP3379234A1 (en) 2018-09-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2019221557A1 (ko) 광학 검출 시스템
WO2016195236A1 (en) Strip for analysis and apparatus and system using strip for analysis
WO2016204417A1 (ko) 하이퍼스펙트럴 이미지 측정장치 및 그 캘리브레이션 방법, 피부 진단용 촬영 모듈 및 장치, 피부 진단 방법 및 피부 이미지 처리 방법
JP3803550B2 (ja) 分光楕円偏光計
CN108474740B (zh) 利用混沌波传感器的样品特性探测装置
EP3379234B1 (en) Apparatus for detecting sample properties using chaotic wave sensor
WO2019050087A1 (ko) 스킨 프린터
WO2023204429A1 (ko) 바이오 센서 카트리지 및 그를 판독하는 바이오 센서 진단기기
WO2015080500A1 (en) X-ray imaging apparatus and control method thereof
WO2017086537A1 (ko) 센서 어레이를 이용한 생체 정보 측정 장치 및 방법
WO2015023081A1 (ko) 탄성 영상을 생성하는 방법 및 초음파 진단 장치
WO2020075955A1 (ko) 롤 간 상대적 자세정보 검출장치 및 이를 이용한 롤 정렬상태 측정방법
WO2016060301A1 (ko) 고정화제를 이용한 단일 세포 추적을 위한 신규한 생리 활성 검사용 구조물
WO2018084355A1 (ko) 고분해능 테라헤르츠파 집광모듈, 산란광 검출모듈 및 테라헤르츠파 베셀빔을 이용한 고분해능 검사 장치
WO2016068420A1 (en) Medical imaging apparatus
WO2022114663A2 (ko) 신속하고 정확한 물질 분석용 광학 신호 빅데이터 추출, 패턴인식, 저장, 공유 플랫폼
WO2017164717A1 (ko) 센서 모듈 및 이의 동작 방법
WO2021194196A1 (en) Method for managing respiratory infections through mobile terminal management system including central management server, server, and computer readable storage medium
WO2020080891A1 (ko) 유방암 재발 예측 방법
JPH09311074A (ja) 照明装置
US6728596B1 (en) Wafer prealigner with phase sensitive detection
WO2021091282A1 (ko) 3차원 진단 시스템
WO2023033563A1 (ko) 수질 검사기
WO2021221236A1 (ko) Iot 기반 공간 지능 기능이 구현되는 이동 로봇 및 이동 로봇의 제어 방법
WO2021132851A1 (ko) 전자 장치, 두피 케어 시스템 및 그들의 제어 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16866671

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2018526645

Country of ref document: JP

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016866671

Country of ref document: EP

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 2016866671

Country of ref document: EP