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KR102651120B1 - 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법 및 이를 이용한 디바이스 - Google Patents

표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법 및 이를 이용한 디바이스 Download PDF

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KR102651120B1
KR102651120B1 KR1020210159529A KR20210159529A KR102651120B1 KR 102651120 B1 KR102651120 B1 KR 102651120B1 KR 1020210159529 A KR1020210159529 A KR 1020210159529A KR 20210159529 A KR20210159529 A KR 20210159529A KR 102651120 B1 KR102651120 B1 KR 102651120B1
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micro
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이석재
배남호
노동기
이태재
이문근
박유민
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 방법 및 이를 이용한 디바이스를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법은, 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하도록, 복수 개의 미세 액적을 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널로 흘려 보내는 단계, 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는, 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계, 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계를 포함하며, 검출 영역이 복수 개의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 갖고, 복수 개의 미세 액적이 상기 검출 영역을 채우도록 복수의 열로 분산되어 있는 영역으로 정의되는 정량 정보 제공용 방법 및 이를 이용한 디바이스가 제공된다.

Description

표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법 및 이를 이용한 디바이스{METHOD FOR PROVIDING QUANTITATIVE INFORMATON OF TARGETS AND DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 방법 및 이를 이용한 디바이스에 관한 것이다.
디지털 분석은 표적 물질을 수 천 개의 마이크로 구조에 분할하여 표적 물질 유/무에 따른 신호를 확인한 후 푸아송 프로세스 (Poisson process) 를 통해 정량 하는 방식을 의미할 수 있다. 이러한 디지털 분석은 다른 분석 방법보다 높은 정확도 및 민감도를 갖고, 표준 시료가 필요 없는 절대 정량이 가능한 장점을 가지고 있다.
디지털 분석 방법으로는 디지털 PCR (polymerase chain reaction), 디지털 ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), 디지털 PLA (proximity Ligation Assay), 디지털 LAMP (loop-mediated isothermal amplification assay) 등이 있고, 이러한 디지털 분석 방법은 다양한 진단에 적용되고 있다.
예를 들어, 디지털 PCR의 경우 생명과학, 유전공학 및 의학 분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 널리 활용되고 있다.
구체적으로, PCR은 분리된 생물학적 시료에 대하여 DNA를 복제하기 위한 분자 생물학 기술로, 다양한 과제, 예를 들면, 감염 질환 (infectious disease) 의 진단, 유전 질환 (hereditary disease) 의 검출, 유전자 지문 (genetic fingerprint) 의 확인, 유전자의 클로닝 (cloning), 친자확인검사 (paternity testing), 유전자형 (genotyping) 확인, 유전자 염기서열 (gene sequencing) 검사 그리고 DNA 컴퓨팅 (computing) 에 일상적으로 이용될 수 있다.
특히, 디지털 PCR (Digital Polymerase Chain Reaction; dPCR) 기술은 기존의 시료를 나노 리터 부피의 미세 액적으로 나누고, 그 안에 들어 있는 표적 물질의 형광 변화를 관찰하는 유전자 검사 방법이다. 이러한 디지털 PCR은, 민감도가 매우 높고 절대 정량 분석이 가능하여 유전자 분석, 바이오 마커 개발, 유전자 염기 서열 분석 등에 있어 그 활용도가 높다.
한편, 디지털 PCR을 포함하는 일부 디지털 분석 기술은 광 검출에 있어서 광 간섭의 발생 등의 이슈를 피하기 위해, 리더기를 지나가는 미세 액적간의 간격 조절 (spacing) 을 위한 구성 및 절차가 필수적일 수 있다. 즉, 이와 같은 방법은 리더기를 지나가는 미세 액적 각각에 대한 광학 피크를 측정하고, 이로부터 표적 물질의 정량 정보를 결정함에 따라 분석 시간이 다소 오래 걸릴 수 있다.
따라서, 종래의 디지털 분석의 한계를 극복하고, 시료 내의 표적 물질에 대한 정밀도 높은 분석이 가능한, 새로운 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 시스템의 개발이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
발명의 배경이 되는 기술은 본 발명에 대한 이해를 보다 용이하게 하기 위해 작성되었다. 발명의 배경이 되는 기술에 기재된 사항들이 선행기술로 존재한다고 인정하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
선행문헌: 미국공개특허 US20140221239A1
한편, 본 발명의 발명자들은, 종래의 디지털 분석 기술에서, 표적 물질의 정량 분석을 위해 PCR과 같은 특정 단계가 종료된 미세 액적을 채널 형태의 검출부로 유동시키면서 수행되며, 기하광학 리더기를 기반으로 함에 따른 한계에 주목하였다.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 종래의 디지털 분석 기술의 경우 검출부로 유동하는 미세 액적 각각에 대한 형광 물질의 강도를 분석함에 따라 분석 시간이 오래 걸리며, 고가의 PMT (Photo Multiplier Tube) 가 필요하고, 액적 재생산이 요구될 수 있으며, 광 간섭의 요인으로 정량 분석의 오차가 발생할 수 있다는 점을 인지할 수 있었다.
본 발명의 발명자들은, 미세 액적에 대한 이미지 기반의 정량 분석이 전술한 문제점을 해결할 수 있음에 주목하였다.
특히, 본 발명의 발명자들은, 표적 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 이미지를 획득하여 정량 분석을 수행함으로써, 특정 파장대의 피크를 검출하여 정량 분석을 수행하는 종래의 디지털 분석이 갖는 한계를 극복할 수 있음에 주목하였다.
그 결과, 본 발명의 발명자들은, 미세 액적 이미지 기반의 새로운 정량 정보 제공 시스템을 개발하기에 이르렀다.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은 상기 정량 정보 제공 시스템에 대하여, 미세 액적을, 미세 액적이 단층으로 존재하도록 구조적으로 설계된 챔버 또는 채널에 흘려 보낸 후, 특정 반응 또는 분석 (예를 들어 PCR, ELISA, PLA, LAMP 등) 을 수행하고 이에 대한 단층 이미지를 획득하여 표적 물질을 포함하는 양성 미세 액적을 검출하도록 설계할 수 있었다.
더욱이, 본 발명의 발명자들은, 상기 정량 정보 제공 시스템에 대하여 특정 반응 또는 분석이 완료된 미세 액적을, 미세 액적이 단층으로 존재하도록 설계된 챔버 또는 채널에 흘려 보낸 후 이에 대한 단층 이미지를 획득하여 표적 물질을 포함하는 양성 미세 액적을 검출하도록 설계할 수 있었다.
즉, 본 발명의 발명자들은, 새로운 정량 정보 제공 시스템을 통해, 반응 또는 분석이 완료된 표적 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 간격 조절 없이도, 표적 물질에 대한 정량 분석이 가능함을 인지할 수 있었다.
특히, 본 발명의 발명자들은 미세 액적에 대한 이미지를 분할 (segmentation) 하는 딥 러닝 (deep learning) 을 이용하여 이미지 내의 양성 미세 액적과 음성 미세 액적의 분할이 가능한 모델을 적용하고자 하였다.
그 결과, 본 발명의 발명자들은, 예측 모델을 적용함으로써, 미세 액적에 대한 이미지 (예를 들어, 형광 이미지) 내에서 양성 미세 액적뿐만 아니라, 표적 유전자를 포함하지 않는 음성 미세 액적의 구별 및 계수가 가능한 새로운 정량 정보 제공 시스템을 설계할 수 있었다.
본 발명의 발명자들은 새로운 정량 정보 제공 시스템을 통해, 미세 액적, 나아가 미세 액적 내의 표적 물질에 대한 정밀한 정량 분석이 가능함을 기대할 수 있었다.
특히, 본 발명의 발명자들은, 미세 액적 단위의 분석이 가능함에 따라, 미량으로 존재하는 바이러스의 검출이 가능하며, 무증상의 바이러스 감염증 환자의 구별이 용이할 것을 기대할 수 있었다.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복수의 미세 액적을 챔버 또는 채널로 흘려 보내주고, 미세 액적에 대한 단층 이미지를 수신하고, 이를 이용하여 표적 물질에 대한 정량 분석을 수행하도록 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법 및 이를 이용한 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법이 제공된다.
상기 방법은, 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하도록, 복수 개의 미세 액적을 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널로 흘려 보내는 단계, 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는, 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계, 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계를 포함한다. 이때, 검출 영역은 복수 개의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 갖고, 복수 개의 미세 액적이 검출 영역을 채우도록 복수의 열로 분산되어 있는 영역으로 정의된다.
본 발명의 특징에 따르면, 챔버 또는 채널은, 복수 개의 미세 액적의 이동을 제어하는 밸브부를 더 포함하고, 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계는, 챔버 또는 채널 내에서 복수 개의 미세 액적이 정지하도록 밸브부를 조절하는 단계, 및 정지된 상태의 복수 개의 미세 액적이 존재하는 챔버 또는 채널 이미지를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 챔버 또는 채널은, 복수 개의 미세 액적이 챔버 또는 채널 내로 유입되는 입구부, 및 복수 개의 미세 액적이 챔버 또는 채널 밖으로 유출되는 출구부를 포함할 수 있다. 이때, 흘려 보내는 단계는, 복수 개의 미세 액적을 입구부에서 출구부로 흘려 보내는 단계를 포함하고, 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계는 복수 개의 미세 액적이 입구부에서 출구부로 이동하는 상태의 챔버 또는 채널 이미지를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 챔버는 입구부 또는 출구부로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼 (taper) 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 흘려 보내는 단계 이전에, 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 흘려 보내는 단계 이후에, 챔버 또는 채널 내에서 복수 개의 미세 액적 내의 표적 물질의 PCR (polymerase chain reaction) 이 수행되도록, 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 나아가, 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계는, 증폭된 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은 흘려 보내는 단계 이전에, 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하는 단계, 및 복수 개의 미세 액적 내의 표적 물질의 PCR이 수행되도록, 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 흘려 보내는 단계는, 미세 액적에 대한 간격 조절 (spacing) 없이, 증폭된 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적을 챔버 또는 채널로 흘려 보내는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계는, 미세 액적의 단층 이미지를 입력으로 하여, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 영역을 분할하도록 구성된 인공 신경망 (artificial neural network) 기반의 예측 모델을 이용하여, 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역을 예측하는 단계, 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 복수 개의 미세 액적에 대한 수를 결정하는 단계, 및 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 양성 미세 액적은, 표적 물질 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적으로 정의되고, 음성 미세 액적은, 형광 물질만을 포함하는 미세 액적 또는 빈 미세 액적 (void droplets) 으로 정의될 수 있다. 이때, 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계는, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 수에 기초하여 표적 물질의 농도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 예측 모델은, 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 표적 물질을 정량 분석하도록 더 구성되고, 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계는, 예측 모델을 이용하여 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스가 제공된다.
상기 디바이스는 복수 개의 미세 액적을 수용하고, 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널, 챔버 또는 채널의 검출 영역에 광을 조사하는 광원, 검출 영역 내에서 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는, 미세 액적의 단층 이미지를 제공하도록 구성된 이미지 센서, 및 이미지 센서와 동작 가능하게 연결된 프로세서를 포함하고, 프로세서는, 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 표적 물질의 정량 데이터를 제공하도록 구성된다. 한편, 검출 영역은 복수 개의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 갖고, 복수 개의 미세 액적이 검출 영역을 채우도록 복수의 열로 분산되어 있는 영역으로 정의된다.
본 발명의 특징에 따르면, 챔버 또는 채널은, 복수 개의 미세 액적의 이동을 제어하는 밸브부를 더 포함할 수 있다. 이때, 프로세서는, 챔버 또는 채널 내에서 복수 개의 미세 액적이 정지하도록 밸브부를 조절하도록 구성되고, 이미지 센서는, 정지된 상태의 복수 개의 미세 액적이 존재하는 챔버 또는 채널 이미지를 획득하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 챔버 또는 채널은 복수 개의 미세 액적이 챔버 또는 채널 내로 유입되는 입구부, 및 복수 개의 미세 액적이 챔버 또는 채널 밖으로 유출되는 출구부를 포함할 수 있다. 이때, 프로세서는, 복수 개의 미세 액적을 입구부에서 출구부로 흘려 보내도록 구성되고, 이미지 센서는, 복수 개의 미세 액적이 입구부에서 출구부로 이동하는 상태의 챔버 또는 채널 이미지를 획득하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 챔버는 입구부 또는 출구부로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼 (taper) 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 상기 디바이스는 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하도록 구성된 미세 액적 생성부, 및 챔버 또는 채널 내에서 복수 개의 미세 액적 내의 표적 물질의 PCR (polymerase chain reaction) 이 수행되도록, 온도를 제어하도록 구성된 온도 조절부를 더 포함할 수 있다. 이때 이미지 센서는, 증폭된 표적 물질을 포함하는 미세 액적의 단층 이미지를 획득하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 상기 디바이스는 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하도록 구성된 미세 액적 생성부, 및 복수 개의 미세 액적 내의 상기 표적 물질의 PCR이 수행되도록, 온도를 제어하도록 구성된 온도 조절부를 더 포함할 수 있다. 이때, 챔버 또는 채널에서, 증폭된 상기 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적은 간격 조절 (spacing) 없이 이동하거나 수용되는, 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 프로세서는, 미세 액적의 단층 이미지를 입력으로 하여, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 영역을 분할하도록 구성된 인공 신경망 기반의 예측 모델을 이용하여, 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역을 예측하고, 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 복수 개의 미세 액적에 대한 수를 결정하고, 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 제공하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 양성 미세 액적은, 표적 물질 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적으로 정의되고, 음성 미세 액적은, 형광 물질만을 포함하는 미세 액적 또는 빈 미세 액적 (void droplets) 으로 정의될 수 있다. 이때, 프로세서는, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 수에 기초하여 표적 물질의 농도를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 예측 모델은, 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 표적 물질을 정량 분석하도록 더 구성될 수 있다. 이때, 프로세서는, 예측 모델을 이용하여 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은, 미세 액적간 간격 조절을 위한 유닛의 구비 없이 미세 액적 내의 표적 물질에 대한 검출이 가능한, 미세 액적 이미지 기반의 새로운 표적 물질 정량 시스템을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 어레이 (array) 와 같이 생성된 미세 액적 각각을 고정하기 위한 파티션 없이도 표적 물질을 포함하는 양성 미세 액적 (positive microdroplets) 에 대한 검출이 가능하며, 정확도가 향상된 유전자의 정량 분석이 가능할 수 있다.
즉, 본 발명은, 채널에서 이동하는 미세 액적 각각에 대한 광학 신호를 검출함에 따라 간격 조절이 필수적으로 요구되는, 일련의 계수 (serial counting) 방법에 기초한 리딩 방법보다 용이하게 표적 물질의 검출이 가능할 수 있다.
나아가, 본 발명은, 미세 액적에 대한 이미지 (예를 들어, 형광 이미지) 내에서 양성 미세 액적뿐만 아니라, 표적 물질을 포함하지 않는 음성 미세 액적을 구별하여 제공할 수 있다.
이에, 표적 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 정확도 높은 검출이 가능할 수 있다.
더욱이, 본 발명은 사용자의 개입 없이 자동으로 정량 분석이 가능하도록, 미세 액적 이미지를 기초로 표적 물질의 절대 정량 값을 제공할 수 있어, 진단 기술의 고도화에 기여할 수 있다.
특히, 본 발명은, 양성 신호를 명확하게 분별할 수 있음에 따라, 미량으로 존재하는 바이러스의 검출이 가능하며, 무증상의 바이러스 감염증 환자의 구별이 용이할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스의 챔버의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 3, 도 4a 및 4b, 및 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스를 이용한 표적 물질에 대한 정량 정보 제공의 절차를 예시적으로 도시한 것이다.
발명의 이점, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급된 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우, '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.
본 명세서의 해석의 명확함을 위해, 이하에서는 본 명세서에서 사용되는 용어들을 정의하기로 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "표적 물질"은, 특정 DNA 또는 RNA일 수 있다. 바람직하게, 표적 물질은 특정 바이러스에 대한 RNA일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "미세 액적"은 디지털 분석을 위한 미세 방울로서, 증폭 대상이 되는 표적 물질 (또는 비표적 물질), 형광 물질, PCR과 같은 특정 반응을 위한 시료를 포함할 수 있다.
이때, 미세 액적은 시료와 비혼화 성질을 갖는 오일의 접촉에 의해 생성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "챔버 또는 채널"은 미세 액적을 수용하거나 미세 액적이 이동 가능한 모든 구성을 의미할 수 있다. 즉, 챔버 또는 채널은 특정한 구조로 한정되어 해석되어서는 아니된다. 한편, 챔버 또는 채널은, 미세 액적 내의 표적 물질의 검출을 위한 검출 영역을 포함한다.
이때, "검출 영역"은 복수 개의 미세 액적이 검출 영역을 채우도록 복수의 열로 분산되어 있는 영역을 의미할 수 있다. 예를 들어, 검출 영역은 이미지 센서로부터 검출 가능한 챔버 또는 채널 영역에 대응할 수 있다. 한편, 미세 액적의 직경에 대응하는 폭을 갖는 채널에 미세 액적이 존재할 경우, 복수의 미세 액적은 하나의 열로 분산되어 존재할 수도 있다.
이때, 검출 영역의 높이는 복수 개의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 가질 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "높이"는 채널 또는 챔버의 내부의 상부면에서 하부면으로의 수직 거리를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "약"은 특정 수치에서 ± 10%의 범위를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "미세 액적의 단층 이미지"는 표적 물질, 형광 물질을 포함하거나, 포함하지 않는 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는 이미지를 의미할 수 있다. 즉, 미세 액적의 단층 이미지는 챔버 또는 채널 상에 단층으로 정렬된 미세 액적에 대한 이미지로, 챔버 또는 채널 상부에서 촬상된 이미지를 의미할 수 있다.
한편, 미세 액적의 단층 이미지는, 챔버 또는 채널 내의 미세 액적에 대한 이미지, 바람직하게, 챔버 또는 채널의 검출 영역에 대한 이미지를 의미할 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 미세 액적의 단층 이미지는, 채널 또는 챔버 상에 정지된 상태의 미세 액적에 대한 이미지, 또는 챔버 또는 채널에서 단층으로 이동하는 상태의 미세 액적에 대한 이미지를 모두 포함할 수 있다. 나아가, 미세 액적의 단층 이미지는 표적 물질의 증폭이 일어나 형광을 발현하는 미세 액적에 의한 형광 이미지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 미세 액적에 대한 이미지는, 양성 미세 액적, 음성 미세 액적을 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "양성 미세 액적"은, 상기 표적 물질 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적을 의미할 수 있고, "음성 미세 액적"은, 형광 물질만을 포함하는 미세 액적, 또는 빈 미세 액적 (void droplets) 을 의미할 수 있다. 이때, 양성 미세 액적은 표적 물질의 증폭에 따라 형광을 발현할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어, "예측 모델"은 미세 액적에 대한 미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여, 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적을 분할하도록 학습된 모델일 수 있다.
보다 구체적으로, 예측 모델은 미세 액적에 대한 형광 이미지를 입력으로 하여, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적 또는 미세 액적이 존재하지 않는 배경 영역을 분할하여 분류하도록 학습된 모델일 수 있다.
본 발명의 특징에 따르면, 예측 모델은, 분할된 결과에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터 (예를 들어, 카피 수, 농도) 를 출력하도록 더욱 학습될 수 있다.
이때, 예측 모델은, ResNet DNN (Deep Neural Network) 에 기초한 모델일 수 있다. 그러나 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 예측 모델은, SegNet 네트워크, VGG-16, DCNN (Deep Convolutional Neural Network) 및 CNN (Convolutional Neural Network), RNN (Recurrent Neural Network), RBM (Restricted Boltzmann Machine), DBN (Deep Belief Network), SSD (Single Shot Detector) 모델 또는 U-net을 기반으로 하는 예측 모델일 수도 있다.
이하에서는, 도 1a 및 1b을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스 및 이의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.
이때, 디지털 분석 방법 중, 디지털 PCR을 예시로 설명하나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
먼저, 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스 (1000) 는, 미세 액적을 생성하는 미세 액적 생성부 (110), 생성된 미세 액적에 대한 PCR이 수행되며, 표적 물질의 증폭이 완료된 미세 액적을 포함하는 챔버 (120), 미세 액적의 이동을 제어하는 밸브 (130), 광원 (310), 미세 액적에 대한 이미지 제공을 위한 이미지 센서 (400) 및 이와 통신하도록 구성된 프로세서 (500) 로 이루어질 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스 (1000) 는, 챔버 (120) 의 온도를 제어하는 온도 조절부 (200) 와 광원의 방향을 전환하는 반사부 (320) 를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 광원 (310) 및 반사부 (320) 를 통해 챔버 (120) (또는 검출 영역) 상의 미세 액적, 특히 온도 조절부 (200) 에 의해 증폭이 완료된 미세 액적으로 광이 조사되고, 챔버 (120) 내의 복수 개의 미세 액적에 단층 이미지가 이미지 센서 (400) 로부터 획득될 수 있다. 이때, 챔버의 높이는 복수의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하일 수 있다. 이에, 챔버 (120), 특히 검출 영역 상의 복수의 미세 액적은 단층으로 존재할 수 있다.
이때, 광원 (310) 은 형광 물질의 색 발현을 위한 형광 램프일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 형광 필터 (미도시) 에 의해 챔버 (120) 상에 형광이 조사될 수 있다.
한편, 미세 액적의 단층 이미지는, 채널 또는 챔버 상에 정지된 상태의 미세 액적에 대한 이미지, 또는 챔버 또는 채널에서 단층으로 이동하는 상태의 미세 액적에 대한 이미지를 모두 포함할 수 있다. 나아가, 미세 액적의 단층 이미지는 표적 물질의 증폭이 일어나 형광을 발현하는 미세 액적에 의한 형광 이미지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이미지 센서 (400) 로부터 획득된 미세 액적의 단층 이미지는, 이미지 센서 (400) 와 통신하도록 구성된 프로세서 (500) 로 송신되고, 프로세서 (500) 에 의해 이미지에 기초하여 표적 물질에 대한 정량 정보 제공이 수행될 수 있다.
이때, 프로세서 (500) 는 인공 신경망 기반의 예측 모델에 기초하여 동작을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서 (500) 는 미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적의 영역을 검출하도록 학습된 예측 모델에 의해, 미세 액적 이미지 내에서 미세 액적의 종류를 분할하고, 표적 물질을 발현하는 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적을 계수하고, 이를 기초로 표적 물질, 특히 표적 유전자의 농도를 결정하도록 더 구성될 수 있다.
이상의 구조적 특징에 따라, 미세 액적의 채널 형태의 검출부로의 이동 절차, 나아가 미세 액적에 대한 간격 조절 없이도, PCR이 완료된 미세 액적에 대한 이미지만으로 정량 분석이 가능할 수 있다. 특히, 예측 모델이 적용될 수 있어 표적 물질 검사의 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스 (1000) 는, 온도 조절부 (200) 를 제외한 구성으로 디지털 PCR 이외의 다양한 디지털 분석에 적용될 수 있다.
더욱이 정량 정보 제공용 디바이스 (1000) 는, 챔버 (120) 상에 이미 반응 또는 분석이 완료된 미세 액적을 수용하고, 이에 대한 단층 이미지를 기반으로 표적 물질에 대한 정량 정보를 생성 및 제공하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 1b를 함께 참조하면, 정량 정보 제공용 디바이스 (1000') 에, 튜브 (140), 인젝터 (330) 가 더 구비될 수 있다. 보다 구체적으로 튜브 (140) 상에 PCR 반응에 의해 증폭된 표적 유전자 (표적 물질) 를 포함하는 복수 개의 미세 액적 (142) 이 수용될 수 있다. 이때, 복수 개의 미세 액적 (142) 은 인젝터 (330) 를 통해 흡입된 후, 검출 영역을 포함하는 챔버 (120) 상에 주입될 수 있다. 이때, 복수 개의 미세 액적 (142) 이 챔버 (120) 로 주입되는 동안, 오일 주입과 같은 미세 액적 사이의 간격 조절 (spacing) 을 위한 별도의 절차는 요구되지 않을 수 있다. 이후, 이미지 센서 (400) 를 통해 챔버 (120) 상의 증폭된 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적 (142) 에 대한 단층 이미지가 획득될 수 있다.
이하에서는, 도 2a 내지 2c, 도 3a 및 3b를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스의 챔버 또는 채널의 구조적 특징을 설명한다.
도 2a 내지 2c는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스의 챔버의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다. 도 3a 및 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스의 채널의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
먼저, 도 2a를 참조하면, 챔버 (120) 는 복수 개의 미세 액적 (142) 이 챔버 (120) 내로 유입되는 입구부 (122a) 및 복수 개의 미세 액적 (142) 이 챔버 밖으로 유출되는 출구부 (122b) 를 포함할 수 있다. 이때, 출구부 (122b) 는 폐기부 (미도시) 와 연통할 수 있다. 한편, 챔버 (120) 는 미세 액적의 원활한 흐름을 위해 입구부 또는 출구부로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼 (taper) 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조적 특징에 의해, 챔버 (120) 상의 복수 개의 미세 액적 (142) 은 일 방향으로 이동할 수 있다.
한편, 복수 개의 미세 액적 (142) 은 챔버 (120) 의 검출 영역에서 복수의 열로 분산되어 존재할 수 있다. 이때, 표적 물질 (예를 들어, 표적 유전자)를 포함하는 양성 미세 액적 (142a), 표적 물질을 포함하지 않는 음성 미세 액적 (142b) 을 포함할 수 있다.
전술한 이미지 센서는, 챔버 (120), 특히 검출 영역에서 일 방향으로 이동하는 복수 개의 미세 액적 (142) 에 대한 단층 이미지를 센싱할 수 있다.
도 2b를 함께 참조하면, 다양한 실시예에서 챔버 (120) 의 입구부 (122a) 및 출구부 (122b) 각각에 밸브부 (130a, 130b) 가 더 구비될 수 있다. 이에, 이미지 센서는, 챔버 (120), 특히 검출 영역에서 정지된 상태의 복수 개의 미세 액적 (142) 에 대한 단층 이미지를 센싱할 수 있다.
도 2c를 더욱 참조하면, 다양한 실시예에서 챔버 (120) 의 출구부 (122b) 에만 밸브부 (130b) 가 구비될 수 있다. 이에, 이미지 센서는, 입구부 (122a) 를 통해 유입된 복수 개의 미세 액적 (142) 에 대한 단층 이미지를 센싱할 수 있다.
즉, 미세 액적의 직경에 대하여 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 갖는 구조적 특징에 의해, 챔버 (120) 상에 다양한 상태로 존재하는 복수 개의 미세 액적 (142) 에 대한 단층 이미지의 획득이 가능할 수 있다.
이때, 단층 이미지는, 미세 액적이 챔버 상에서 복수의 열을 이루며 단층으로 분산되어 있는 이미지일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하에서는, 도 3, 도 4a 및 4b, 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스를 이용한 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법의 절차를 설명한다.
도 3, 도 4a 및 4b, 및 도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스를 이용한 표적 물질에 대한 정량 정보 제공의 절차를 예시적으로 도시한 것이다
먼저, 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법은, 복수 개의 미세 액적이 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널로 이동하고 (S410), 미세 액적의 단층 이미지가 획득된다 (S420). 그 다음, 미세 액적의 단층 이미지에 기반하여 표적 물질의 정량 데이터가 제공된다 (S430).
도 4a를 함께 참조하면 다양한 실시예에서, 복수 개의 미세 액적이 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널로 이동하는 단계 (S410) 이전에, 미세 액적 생성부 (110) 에서 표적 물질, 형광 물질, 나아가 프라이머, 폴리머레이즈 (polymerase) 를 포함하는 시료와 오일이 접촉하여 오일로 캡슐화된 복수의 미세 액적이 형성된다. 이의 결과로, 표적 물질을 포함하는 복수의 미세 액적이 생성된다.
그 다음, 복수 개의 미세 액적이 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널로 이동하는 단계 (S410) 에서, 복수 개의 미세 액적이 챔버 (120) 로 이동된다. 이때, 챔버 (120) 의 높이는 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하일 수 있다. 즉, 챔버 (120) 상에서 복수의 미세 액적은 단층으로 존재할 수 있다. 그 다음, 챔버 상의 미세 액적 내의 표적 물질의 증폭을 위한 온도 조건 사이클이 제공되고, 그 결과로 챔버 (120) 내에 증폭된 표적 물질을 포함하는 미세 액적이 존재할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 4b를 함께 참조하면, 온도 조절의 결과로 바이러스 유전자와 같이 표적 물질이 포함된 양성 미세 액적은 유전자의 증폭과 함께 형광 물질에 의해 형광이 발현할 수 있다. 이와 대조적으로, 비어 있는 미세 액적의 음성 미세 액적의 경우 PCR이 수행되었음에도 형광 발현이 일어나지 않을 수 있다.
다시 도 4a로 돌아와, 미세 액적의 미세 액적의 단층 이미지가 획득되는 단계 (S420) 에서 이미지 센서 (미도시) 및 광원 (미도시) 에 의해 챔버 (120), 특히 검출 영역에서 복수의 열로 분산된 미세 액적의 단층 이미지 (612) 가 획득된다. 이때, 미세 액적의 단층 이미지 (612) 는 형광 이미지일 수 있다. 즉, 미세 액적의 단층 이미지 (612) 를 통해 형광을 띄는 양성 미세 액적, 나아가 음성 미세 액적의 구별이 가능할 수 있다. 더욱이, 미세 액적의 단층 이미지 (612) 는 챔버 (120) 상의 정지된 미세 액적에 대한 이미지 또는 챔버 (120) 를 이동하는 상태의 미세 액적에 대한 이미지를 포함할 수 있다.
그 다음, 표적 물질의 정량 데이터가 제공되는 단계 (S430) 에서 양성 미세 액적의 수 및 음성 미세 액적의 수, 즉 계수 결과 (614) 가 결정되고, 표적 물질의 농도 (616) 가 결정될 수 있다. 이때, 표적 물질의 농도 (616) 가 표적 물질의 정량 데이터로서 제공될 수 있다.
다양한 실시예에서 표적 물질의 정량 데이터가 제공되는 단계 (S430) 는 예측 모델에 의해 수행될 수도 있다.
보다 구체적으로, 표적 물질의 정량 데이터가 제공되는 단계 (S430) 에서 예측 모델에 의해 미세 액적의 단층 이미지에 대하여 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 영역이 예측될 수 있다.
도 3 및 도 5를 함께 참조하면, 표적 물질의 정량 데이터가 제공되는 단계 (S430) 에서, 미세 액적의 단층 이미지가 획득되는 단계 (S420) 의 결과로 획득된 미세 액적의 단층 이미지 (612) 가 인공 신경망 기반의 예측 모델 (510) 에 입력된다. 그 다음, 예측 모델 (710) 에 의해 양성 미세 액적, 음성 미세 액적의 액적에 대한 영역과 배경 영역이 분할되어 출력될 수 있다. 이때, 미세 액적 영역이 분할된 이미지 (712) 를 참조하면 음성 미세 액적은 적색을 띄고, 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 양성 미세 액적은 형광 물질의 발현에 의해 녹색을 띌 수 있다. 즉, 미세 액적의 단층 이미지 (612) 가 입력되면 예측 모델 (510) 은 높은 정확도로 미세 액적에 대한 영역을 분할할 수 있다.
한편, 예측 모델 (710) 은 ResNet, Segnet, Unet, faster rcnn, FCN 또는 Voxnet 기반의 영상 분할을 위한 딥러닝 알고리즘에 기초할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
그 다음, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 수가 결정되고 (714), 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 수에 기초하여 표적 물질의 카피수가 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 양성 미세 액적의 수 및 음성 미세 액적의 수에 기초하여 검체 당 표적 물질의 농도 (copies/㎕) (716) 가 결정되고, 표적 물질의 농도가 정량 데이터로서 제공될 수 있다.
한편, 예측 모델 (710) 은 미세 액적의 단층 이미지를 입력으로 하여, 정량 분석 결과 (예를 들어, 카피 수, 표적 물질의 농도, 또는 양성 미세 액적의 수) 를 출력하도록 학습된 모델일 수 있다. 이에, 표적 물질의 정량 데이터가 제공되는 단계 (S430) 에서, 예측 모델에 의해 표적 물질의 카피 수, 나아가 표적 물질의 농도가 결정될 수도 있다.
이상의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 정량 정보 제공 방법에 의해, 표적 물질에 대한 정밀한 분석 결과가 제공될 수 있다.
특히, 본 발명은, 검출 채널로 유동하는 미세 액적 각각에 대한 형광 물질의 강도를 분석함에 따라 미세 액적의 간격 조절이 필수적으로 요구되고 분석 시간이 오래 걸리는 종래의 디지털 분석 방법 기술이 갖는 한계를 극복할 수 있다.
즉, 본 발명은 고가의 PMT (Photo Multiplier Tube) 가 필요하고, 액적 재생산이 요구될 수 있으며, 광 간섭의 요인으로 정량 분석의 오차가 발생할 수도 있는, 일련의 계수 (serial counting) 방법에 기초한 리딩 방법보다 용이하게 표적 물질의 검출이 가능할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000: 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스
110: 미세 액적 생성부
120: 챔버
122a: 입구부
122b: 출구부
130, 130a, 130b: 밸브부
140: 튜브
142: 복수 개의 미세 액적
142a: 양성 미세 액적
142b: 음성 미세 액적
200: 온도 조절부
310: 광원
320: 반사부
330: 인젝터
400: 이미지 센서
500: 프로세서
612: 미세 액적의 단층 이미지
614, 714: 계수 결과
616, 716: 표적 물질의 농도
710: 예측 모델
712: 미세 액적 영역이 분할된 이미지

Claims (18)

  1. 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하도록, 상기 복수 개의 미세 액적을 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널로 흘려 보내는 단계;
    상기 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는, 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계;
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 검출 영역은 상기 복수 개의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 갖고, 상기 복수 개의 미세 액적이 상기 검출 영역을 채우도록 복수의 열로 분산되어 있는 영역으로 정의되고,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계는,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 입력으로 하여, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 영역을 분할하도록 구성된 인공 신경망 (artificial neural network) 기반의 예측 모델을 이용하여, 상기 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역을 예측하는 단계,
    상기 양성 미세 액적의 영역 및 상기 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 상기 복수 개의 미세 액적에 대한 수를 결정하는 단계, 및
    상기 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계를 포함하는,
    표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 또는 상기 채널은,
    상기 복수 개의 미세 액적의 이동을 제어하는 밸브부를 더 포함하고,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계는,
    상기 챔버 또는 상기 채널 내에서 상기 복수 개의 미세 액적이 정지하도록 상기 밸브부를 조절하는 단계, 및
    정지된 상태의 상기 복수 개의 미세 액적이 존재하는 챔버 또는 채널 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 또는 상기 채널은,
    상기 복수 개의 미세 액적이 상기 챔버 또는 상기 채널 내로 유입되는 입구부, 및
    상기 복수 개의 미세 액적이 상기 챔버 또는 상기 채널 밖으로 유출되는 출구부를 포함하고,
    상기 흘려 보내는 단계는,
    상기 복수 개의 미세 액적을 상기 입구부에서 상기 출구부로 흘려 보내는 단계를 포함하고,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계는
    상기 복수 개의 미세 액적이 상기 입구부에서 상기 출구부로 이동하는 상태의 챔버 또는 채널 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 챔버는
    상기 입구부 또는 상기 출구부로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼 (taper) 구조를 갖는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흘려 보내는 단계 이전에,
    상기 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 상기 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 상기 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하는 단계를 더 포함하고,
    상기 흘려 보내는 단계 이후에,
    상기 챔버 또는 상기 채널 내에서 상기 복수 개의 미세 액적 내의 상기 표적 물질의 PCR (polymerase chain reaction) 이 수행되도록, 온도를 제어하는 단계를 더 포함하고,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계는,
    증폭된 상기 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적의 단층 이미지를 획득하는 단계를 더 포함하는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 흘려 보내는 단계 이전에,
    상기 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 상기 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 상기 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하는 단계, 및
    상기 복수 개의 미세 액적 내의 상기 표적 물질의 PCR이 수행되도록, 온도를 제어하는 단계를 더 포함하고,
    상기 흘려 보내는 단계는,
    미세 액적에 대한 간격 조절 (spacing) 없이, 증폭된 상기 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적을 상기 챔버 또는 상기 채널로 흘려 보내는 단계를 포함하는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 양성 미세 액적은, 상기 표적 물질 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적으로 정의되고,
    상기 음성 미세 액적은, 상기 형광 물질만을 포함하는 미세 액적 또는 빈 미세 액적 (void droplets) 으로 정의되고,
    상기 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계는,
    상기 양성 미세 액적 및 상기 음성 미세 액적의 수에 기초하여 표적 물질의 농도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 예측 모델은,
    상기 양성 미세 액적의 영역 및 상기 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 상기 표적 물질을 정량 분석하도록 더 구성되고,
    상기 표적 물질의 정량 데이터를 제공하는 단계는,
    상기 예측 모델을 이용하여 상기 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 결정하는 단계를 더 포함하는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공 방법.
  10. 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적을 수용하고, 상기 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는 검출 영역이 구비된 챔버 또는 채널;
    상기 챔버 또는 상기 채널의 상기 검출 영역에 광을 조사하는 광원;
    상기 검출 영역 내에서 상기 복수 개의 미세 액적이 단층으로 존재하는, 미세 액적의 단층 이미지를 제공하도록 구성된 이미지 센서, 및
    상기 이미지 센서와 동작 가능하게 연결된 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 표적 물질의 정량 데이터를 제공하도록 구성되고, 상기 검출 영역은 상기 복수 개의 미세 액적의 직경의 1 배 이상 약 2 배 이하의 높이를 갖고, 상기 복수 개의 미세 액적이 상기 검출 영역을 채우도록 복수의 열로 분산되어 있는 영역으로 정의되고,
    상기 프로세서는,
    상기 미세 액적의 단층 이미지를 입력으로 하여, 양성 미세 액적 및 음성 미세 액적의 영역을 분할하도록 구성된 인공 신경망 (artificial neural network) 기반의 예측 모델을 이용하여, 상기 미세 액적의 단층 이미지를 기초로 양성 미세 액적의 영역 및 음성 미세 액적의 영역을 예측하고,
    상기 양성 미세 액적의 영역 및 상기 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 상기 복수 개의 미세 액적에 대한 수를 결정하고,
    상기 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 제공하도록 더 구성된,
    표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 챔버 또는 상기 채널은,
    상기 복수 개의 미세 액적의 이동을 제어하는 밸브부를 더 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 챔버 또는 상기 채널 내에서 상기 복수 개의 미세 액적이 정지하도록 상기 밸브부를 조절하도록 구성되고,
    상기 이미지 센서는,
    정지된 상태의 상기 복수 개의 미세 액적이 존재하는 챔버 또는 채널 이미지를 획득하도록 더 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 챔버 또는 상기 채널은,
    상기 복수 개의 미세 액적이 상기 챔버 또는 상기 채널 내로 유입되는 입구부, 및
    상기 복수 개의 미세 액적이 상기 챔버 또는 상기 채널 밖으로 유출되는 출구부를 포함하고,
    상기 프로세서는,
    상기 복수 개의 미세 액적을 상기 입구부에서 상기 출구부로 흘려 보내도록 구성되고,
    상기 이미지 센서는,
    상기 복수 개의 미세 액적이 상기 입구부에서 상기 출구부로 이동하는 상태의 챔버 또는 채널 이미지를 획득하도록 더 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 챔버는,
    상기 입구부 또는 상기 출구부로 갈수록 폭이 좁아지는 테이퍼 (taper) 구조를 갖는, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 상기 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 상기 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하도록 구성된 미세 액적 생성부, 및
    상기 챔버 또는 상기 채널 내에서 상기 복수 개의 미세 액적 내의 상기 표적 물질의 PCR (polymerase chain reaction) 이 수행되도록, 온도를 제어하도록 구성된 온도 조절부를 더 포함하고,
    상기 이미지 센서는,
    증폭된 상기 표적 물질을 포함하는 미세 액적의 단층 이미지를 획득하도록 더 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 미세 액적이 생성되도록, 상기 표적 물질 및 형광 물질이 포함된 시료와, 상기 시료에 대하여 비혼화 성질을 가지는 오일의 접촉을 유도하도록 구성된 미세 액적 생성부, 및
    상기 복수 개의 미세 액적 내의 상기 표적 물질의 PCR이 수행되도록, 온도를 제어하도록 구성된 온도 조절부를 더 포함하고,
    상기 챔버 또는 상기 채널에서, 증폭된 상기 표적 물질을 포함하는 복수 개의 미세 액적은 간격 조절 (spacing) 없이 이동하거나 수용되는, 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  16. 삭제
  17. 제10항에 있어서,
    상기 양성 미세 액적은, 상기 표적 물질 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적으로 정의되고,
    상기 음성 미세 액적은, 상기 형광 물질만을 포함하는 미세 액적 또는 빈 미세 액적 (void droplets) 으로 정의되고,
    상기 프로세서는,
    상기 양성 미세 액적 및 상기 음성 미세 액적의 수에 기초하여 표적 물질의 농도를 결정하도록 더 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 예측 모델은,
    상기 양성 미세 액적의 영역 및 상기 음성 미세 액적의 영역에 기초하여 상기 표적 물질을 정량 분석하도록 더 구성되고,
    상기 프로세서는,
    상기 예측 모델을 이용하여 상기 복수 개의 미세 액적에 대한 수에 기초하여 표적 물질의 정량 데이터를 결정하도록 더 구성된, 표적 물질에 대한 정량 정보 제공용 디바이스.
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