KR102043670B1 - 미생물 자동관리 인큐베이터 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미생물을 접종한 배지를 설정된 조건으로 배양하여 증식 전·후의 영상분석을 통해 콜로니 수를 파악하여 보고서를 작성하되 배양중 실시간 모니터링을 통해 설정된 수치 이상으로 증식하는 경우 증식을 억제하여 원활한 영상분석 및 결과확인이 이루어질 수 있도록 하는 미생물 자동관리 인큐베이터 시스템에 관한 것이다.

Description

미생물 자동관리 인큐베이터 시스템 {Automatic microorganism management incubator system}

본 발명은 미생물 인큐베이터에 관한 것으로, 자세하게는 미생물을 접종한 배지를 설정된 조건으로 배양하여 증식 전·후의 영상분석을 통해 콜로니 수를 파악하여 보고서를 작성하되 배양중 실시간 모니터링을 통해 설정된 수치 이상으로 증식하는 경우 증식을 억제하여 원활한 영상분석 및 결과확인이 이루어질 수 있도록 하는 미생물 자동관리 인큐베이터 시스템에 관한 것이다.

다양한 식품을 비롯하여 약품, 위생용품 등의 생산, 유통을 위해서는 유해한 세균의 유무를 검사하는 작업이 필수적으로 요구된다.

이를 위해 일반적인 세균의 유무의 검사방법으로는 시료의 균을 채취하여 인큐베이터 내에서 일정시간 배양하고, 배양결과를 전문가가 현미경을 사용하여 육안으로 계측, 검지하는 방법이 사용된다.

즉 양분을 포함한 배지 상에서 설정된 시간 및 온도로 증식시킨 후 집락인 콜로니를 계수하는 것으로 이를 정확하게 수행하기 위해서는 상당한 숙련도가 요구된다.

도 1(a)는 종래의 방식에 따른 미생물 배양 및 콜로니 계수와 보고서 작성 과정을 나타낸 개념도로서, 기존의 방식은 기본적으로 배지에 미생물을 접종 후 인큐베이터를 통한 배양을 하게 되며, 일정 시간 후 육안으로 콜로니를 계수하여 보고서를 작성하는 과정으로 이루어지며 숙련된 연구원 1인이 통상 18시간가량 투입되고 있다.

이러한 종래의 방식은 연구원의 숙련도에 따라 결과가 정확하지 않을 뿐 아니라 배양조건이 까다로운 미생물인 경우 인큐베이터의 각종 파라미터 설정이 적절히 이루어지지 않을 경우 원활한 증식이 이루어지지 않거나 반대로 증식이 과하게 이루어져 콜로니 계수 자체가 이루어질 수 없는 상황이 발생하기도 하여 연구원의 장시간 업무로 인한 피로도 상승의 요인으로 작용하였다.

이에 최근에는 광학장비 및 컴퓨터를 사용한 계수방법이 제안되어 연구원의 육안 계수를 대체하여 비교적 정확하게 콜로니를 계수할 수 있도록 하나 앞서 언급한 바와 같이 대상 균마다 배양 조건이 다른 상황에서 배양 자체가 원활치 않을 경우 광학장비 및 컴퓨터를 사용하더라도 원활한 계수가 이루어질 수 없는 문제가 여전히 존재하였었다.

공개특허공보 제10-2017-0132856호(2017.12.04.)

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 미생물을 접종한 배지를 설정된 조건으로 배양하여 증식 전·후의 영상분석을 통해 콜로니 수를 파악하여 보고서를 작성하되 배양중 실시간 모니터링을 통해 설정된 수치 이상으로 증식하는 경우 증식을 억제하여 원활한 영상분석 및 결과확인이 이루어질 수 있도록 하는 미생물 자동관리 인큐베이터 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위해 본 발명은 미생물을 접종한 배지가 수용되는 배양기를 포함하는 미생물 인큐베이터 시스템에 있어서, 배양기 내부의 밝기를 감지하는 조도감지수단과, 배양기 내부를 설정된 밝기로 유지하는 조명으로 구성되는 조도조절부; 배양기 내부의 온도를 감지하는 온도감지수단과, 배양기 내부를 가열하는 전열수단으로 구성되는 온도조절부; 상기 배양기 내부에 자외선을 조사하는 UV 램프; 상기 배양기 내부에 설치되어 수용된 배지를 촬영하는 영상취득부; 상기 배양기 제어를 위한 동작신호를 입력받고, 배양기의 상태정보를 출력하는 인터페이스부; 타이머 회로 및 상기 동작신호를 기반으로 상기 조도조절부 및 온도조절부를 제어하여 설정된 온도 및 밝기를 유지하되, 배지 촬영 영상을 처리하여 콜로니를 모니터링하는 영상처리부와, 처리된 영상으로부터 콜로니 수를 파악하는 계수부와, 모니터링된 콜로니의 형상에 대응하여 상기 UV 램프를 동작시키는 증식억제부와, 상기 조도조절부 및 온도조절부와 UV 램프의 동작상황을 상태정보로서 상기 인터페이스부에 인가하는 제어부; 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 영상처리부는, 상기 영상취득부에서 취득된 영상을 보정 및 노이즈를 제거 후 2차화하는 전처리부와, 2차화된 영상으로부터 계수를 위한 콜로니 부분을 추출하는 추출부와, 추출된 콜로니의 외형적 특징점을 분석하는 분석부를 포함할 수 있다.

또한, 배지에 적용되는 작업일자, 미생물 종류, 배율에 관한 정보를 포함하는 바코드를 출력하는 바코드처리부; 를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 영상취득부를 통해 배지에 붙은 바코드를 촬영 및 인식하여 포함된 정보를 취득하는 바코드인식부를 더 포함할 수 있다.

또한, 복수의 배양기 간의 상호 통신을 지원하는 연동부; 상기 연동부와 연계하여 각각의 배양기로부터의 동작신호 및 상태정보와 분석된 콜로니 외형적 특징점 및 계수결과를 보고서 형태로 작성하여 출력하는 리포팅부; 를 더 포함할 수 있다.

본 발명은 센서 기반의 미생물 자동 배양과 함께 영상처리 및 분석을 통한 콜로니의 자동계수와 실험 결과 및 보고서를 자동 생성하여 출력할 수 있으므로, 연구원의 투입시간을 현저히 줄이면서도 정확한 배양 및 분석이 이루어질 수 있다.

특히 배양조건을 잘못 설정함에 따른 과잉 증식으로 콜로니 계수가 원활하지 못하는 것을 예방하여 배양 중 콜로니 형상을 모니터링하며 계수 가능한 수준으로 증식을 억제할 수 있어 효율적인 배양관리가 가능하다.

도 1(a)는 종래의 방식에 따른 미생물 배양 및 콜로니 계수와 보고서 작성 과정을 나타낸 개념도,
도 1(b)는 본 발명에 따른 미생물 배양 및 콜로니 계수와 보고서 작성 과정을 나타낸 개념도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인큐베이터의 구조를 나타낸 정면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도,
도 4는 본 발명에 따른 배지 및 바코드의 형상을 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시스템 구성을 나타낸 개념도 이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 미생물 자동관리 인큐베이터 시스템의 구성을 구체적으로 설명한다.

도 1(b)는 본 발명에 따른 미생물 배양 및 콜로니 계수와 보고서 작성 과정을 나타낸 개념도이다. 본 발명은 앞서 설명한 종래의 방식과 대비하여 센서 기반의 미생물 자동 배양과 함께 영상처리 및 분석을 통한 콜로니의 자동계수와 실험 결과 및 보고서를 자동 생성하여 출력할 수 있으므로, 연구원의 투입시간을 현저히 줄이면서도 정확한 배양 및 분석이 이루어질 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인큐베이터의 구조를 나타낸 정면도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 연결관계를 나타낸 블록도로서, 본 발명은 기본적으로 미생물을 접종한 배지가 수용되는 배양기(100)를 포함하며, 이와 연동하여 처리된 데이터를 처리하여 보고서를 생성하는 컴퓨터 기반의 단말기(200)로 구성된다.

상기 배양기(100)는 전면에 투명 내지는 반투명한 재질의 커버가 구비된 밀폐구조의 배양공간이 형성되며 미생물의 자동배양 및 영상을 통한 콜로니 계수를 위한 구성으로 조도조절부(110)와 온도조절부(120)와 UV 램프(130)를 비롯하여 영상취득부(140)와 인터페이스부(150)와 제어부(160)의 세부구성이 구비된다.

상기 조도조절부(110)는 미생물의 생장에 필요한 빛의 공급과 더불어 연구원이 배양공간에 배지를 넣고 빼는 등의 작업에 필요한 빛을 방출하는 구성으로, 배양기(100) 내부 배양공간의 밝기를 감지하는 조도감지수단(111)과, 배양기(100) 내부를 설정된 밝기로 유지하는 조명(112)으로 구성된다.

상기 조도감지수단(111)은 조도센서로서 상시 배양공간 내부의 밝기를 측정하게 되며, 상기 조명(112)은 미생물 배양에 필요한 설정된 파장대의 빛을 방출하는 LED나 전구로 이루어지며 전력변화에 따라 방출되는 빛의 밝기를 조절하거나 LED나 전구를 다수 구비한 상태에서 점등되는 LED나 전구의 수를 달리함으로 내부 밝기를 제어할 수 있도록 구성된다.

상기 온도조절부(120)는 미생물의 생장에 필요한 온도를 유지하기 위한 구성으로, 배양기(100) 내부의 온도를 감지하는 온도감지수단(121)과, 배양기(100) 내부를 가열하는 전열수단(122)으로 구성된다. 통상적으로 배양공간 내부를 단열 소재로 구성하여 외부와의 열이 차단되도록 한 상태에서 미생물의 번식이 가장 활발한 온도범위를 유지할 수 있도록 온도감지수단(121) 및 전열수단(122)을 연계 동작시키게 된다.

상기 UV 램프(130)는 상기 배양기(100) 내부에 자외선을 조사하여 특히 수용된 배지의 미생물을 사멸시키며 증식을 억제하기 위한 구성으로, 미생물 사멸을 위한 범위의 파장대를 갖는 자외선을 방출시키게 된다. 자외선의 살균작용은 자외선의 파장, 조사 조도와 조사시간에 비례하며, 상대적으로 살균력이 높은 파장은 250 ~ 260㎚ 부근이고, 근자외선(300 ~ 400㎚)보다 1,000 ~ 10,000배의 살균효과가 있다. 본 발명에서는 증식을 억제하거나 과잉 증식된 콜로니를 계수 가능한 수준으로 낮추는 목적이므로 너무 강력할 경우 미생물이 사멸되므로 적정한 파장 및 조도로 구성될 필요가 있다.

상기 영상취득부(140)는 상기 배양기 내부에 설치되어 수용된 배지를 촬영하도록 설치된 카메라로 구성된다. 본 발명에서는 배양 배지에 형성된 콜로니의 계수와 함께 콜로니의 형상을 파악하는 용도로 활용됨에 따라 적정한 화소의 카메라와 함께 작은 콜로니를 명확하게 확인할 수 있도록 영상확대를 위한 광학 수단을 구비하게 된다.

상기 인터페이스부(150)는 상기 배양기 제어를 위한 동작신호를 입력받고, 배양기의 상태정보를 출력하는 구성으로, 배양기(100) 외부의 동작버튼을 비롯한 LED 패널 등으로 구성되어 연구원이 동작제어를 하면서 작동상태를 확인할 수 있도록 한다.

상기 제어부(160)는 외부에서 전원을 공급받고 타이머 회로 및 상기 동작신호를 기반으로 상기 조도조절부(110) 및 온도조절부(120)를 제어하여 설정된 온도 및 밝기를 유지하여 미생물을 배양하도록 제어하는 구성으로, 영상처리부(161)와, 계수부(165)와, 증식억제부(166)와, 학습부(168) 및 데이터베이스부(169)의 세부구성을 구비하게 되며, 상기 조도조절부(110) 및 온도조절부(120)와 UV 램프(130)의 동작상황을 상태정보로서 상기 인터페이스부(150)를 통해 출력할 수 있도록 한다.

상기 영상처리부(161)는 상기 영상취득부(140)를 통해 획득된 배지 촬영 영상을 처리하여 콜로니를 모니터링하는 구성으로 영상분석 알고리즘을 포함하게 된다. 다양한 방식으로 분석 가능하나 본 발명에서 영상분석을 통해 얻고자 하는 것은 콜로니 형태와 콜로니의 숫자이다. 콜로니의 형상의 미생물의 증식과 관련된 것으로 미생물이 과다 증식할 경우 상호 인접한 콜로니가 붙는 등 계수가 불가능하게 되므로 계수 가능한 형태의 콜로니 형태가 유지되는 것이 중요하다.

이를 위해 상기 영상처리부(161)는, 상기 영상취득부(140)에서 취득된 영상을 보정 및 노이즈를 제거 후 2차화하는 전처리부(162)와, 2차화된 영상으로부터 계수를 위한 콜로니 부분을 추출하는 추출부(163)와, 추출된 콜로니의 외형적 특징점을 분석하는 분석부(164)를 포함하여 이루어지게 된다.

상기 전처리부(162)는 기본적으로 영상 필터 알고리즘을 구비하여 실질적인 모니터링 대상이 되는 배지 이외 부분을 제거한 상태에서 배지 상의 콜로니를 파악할 수 있도록 처리하는 구성으로 원활한 콜로니 확인을 위해 적용된 배율확대에 따른 노이즈를 제거함과 더불어 영상을 2진화하는 2차화를 진행하게 된다. 이후 상기 추출부(163)에서는 2차화된 영상에서 콜로니 부분을 추출하게 되며, 분석부(164)를 통해 추출된 콜로니 부분을 확대하여 형태, 즉 외형적 특징점을 분석하게 된다.

상기 계수부(165)는 처리된 영상으로부터 콜로니 수를 파악하는 구성으로, 마찬가지로 영상분석 알고리즘을 통해 초기 배지의 영상분석결과와 증식 후 배지의 영상분석결과를 비교하여 생성된 콜로니의 숫자를 파악하게 된다. 이러한 배지 모니터링 및 영상분석을 통해 종래 육안으로 확인하기 어려운 증식과정에도 정확한 콜로지의 수를 측정할 수 있다.

상기 증식억제부(166)는 모니터링된 콜로니의 형상에 대응하여 상기 UV 램프(130)를 동작시키는 구성이다. 앞서 언급한 바와 같이 과도한 증식으로 생성된 콜로니의 이상형태는 원활한 콜로니 계수를 어렵게 함에 따라 모니터링 콜로니 형상을 통해 설정된 수치 이상으로 증식시 일차적으로 상기 온도조절부(120)를 통해 배양공간 내 온도를 설정된 비율로 낮추어 증식을 억제하게 된다. 이후 배지 모니터링 결과 설정된 값 이상으로 미생물 증식이 발견될 경우 상기 UV 램프(130)를 동작시켜 추가적인 증식을 막으며 미생물의 수치를 낮추어 원활한 계수가 이루어질 수 있도록 돕게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 배지 및 바코드의 형상을 나타낸 평면도이다. 통상적인 미생물 배양과정의 경우 다양한 미생물의 배양실험이 동시적으로 이루어지게 되며 미생물 및 결과보고서 작성시 혼동을 방지하도록 연구원이 수지로 라벨지에 정보를 기입하여 배지에 부착하는 경우가 일반적이다.

본 발명에서는 이러한 불편함을 줄이면서 혼동을 방지하기 위해 단말기(200) 측에 시험 대상이 되는 배지에 적용되는 작업일자, 미생물 종류, 배율에 관한 정보를 포함하는 바코드를 출력하는 바코드처리부(220)를 구비하되, 상기 제어부(160)는 상기 영상취득부(140)를 통해 배지에 붙은 바코드를 촬영 및 인식하여 포함된 정보를 취득하는 바코드인식부(167)를 구비할 수 있다.

즉 연구원은 상기 바코드처리부(220)를 통해 출력된 바코드를 배치 한 부분에 붙이는 것을 통해 별도의 정보기재 없이 상기 영상취득부(140) 및 바코드인식부(167)를 통해 배지의 관리가 이루어질 수 있으며, 미생물의 혼동, 배지가 바뀌는 것을 예방할 수 있다.

또한, 콜로니 계수와 보고서 작성 이후 진행되는 미생물의 고압증기 멸균 공정까지 배지에 붙은 바코드를 통해 관리가 이루어지도록 함으로 최초 미생물의 접종으로부터 최종단계인 멸균단계까지 바코드 및 소프트웨어에 의한 미생물 통합관리가 이루어질 수 있다.

즉 고압증기 멸균기에 폐기대상 배지 투입 전·후로 배지에 부착된 바코드를 인식하여 처리함으로 착오없이 정확하게 배지를 폐기 처리할 수 있게 된다.

상기 학습부(168)는 미생물의 종류에 따른 배양조건, 즉 온도, 조도의 구체적인 제어값과 취득된 배지 영상의 시간별 모니터링 결과를 취합 및 분석하여 추후 동일 또는 유사 배양과정의 정확도를 높이기 위한 구성으로, 본 발명에 따른 배양 시스템에서 입력된 제어명령과 취득된 동작상태 정보 및 배지 모니터링에 따른 영상분석결과는 별도의 데이터베이스부(169)에 저장된다.

상기 데이터베이스부(169)에 저장된 모든 정보들은 미생물별로 분류되며, 이후 동일 내지는 유사한 것으로 분류된 미생물의 배양작업시 상기 학습부(168)는 저장된 정보를 검색 및 분석하여 미생물 과다 증식이나 증식이 원활치 않은 온도 및 조도 조건을 확인하고 상기 인터페이스부를 통해 출력함으로 연구원이 시행착오를 줄일 수 있도록 지원하게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시스템 구성을 나타낸 개념도로서, 1대의 단말기(컴퓨터)에 다수의 배양기를 연결하여 통합 관리와 더불어 보고서를 생성할 수 있는 구조를 도시하고 있다.

이를 위해 복수로 구비되는 배양기 간의 상호 통신을 지원하는 유선 또는 무선 통신모듈인 연동부(170)가 구비되며, 각각의 배양기(100)에는 일련 코드가 부여되어 각 배양기로부터 취득된 동작신호, 상태정보와, 영상 및 영상분석결과를 취합할 수 있도록 하며, 이에 대응하여 상기 단말기(200)에는 상기 연동부와 연계하여 각각의 배양기로부터의 동작신호 및 상태정보와 분석된 콜로니 외형적 특징점 및 계수결과를 보고서 형태로 작성하여 출력하는 리포팅부(210)가 구비되어 종래 수기로 작성된 보고서의 자동적으로 생성 및 출력할 수 있도록 한다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 배양기 110: 조도조절부
111: 조도감지수단 112: 조명
120: 온도조절부 121: 온도감지수단
122: 전열수단 130: UV 램프
140: 영상취득부 150: 인터페이스부
160: 제어부 161: 영상처리부
162: 전처리부 163: 추출부
164: 분석부 165: 계수부
166: 증식억제부 167: 바코드인식부
168: 학습부 169: 데이터베이스부
170: 연동부 210: 리포팅부
220: 바코드처리부

Claims (5)

1. 미생물을 접종한 배지가 수용되는 배양기(100)를 포함하는 미생물 인큐베이터 시스템에 있어서,
   배양기(100) 내부의 밝기를 감지하는 조도감지수단(111)과, 배양기(100) 내부를 설정된 밝기로 유지하는 조명(112)으로 구성되는 조도조절부(110);
   배양기(100) 내부의 온도를 감지하는 온도감지수단(121)과, 배양기(100) 내부를 가열하는 전열수단(122)으로 구성되는 온도조절부(120);
   상기 배양기(100) 내부에 자외선을 조사하되, 수용된 배지의 미생물을 사멸시키며 증식을 억제하는 UV 램프(130);
   상기 배양기(100) 내부에 설치되어 수용된 배지를 촬영하는 영상취득부(140);
   상기 배양기(100) 제어를 위한 동작신호를 입력받고, 배양기(100)의 상태정보를 출력하는 인터페이스부(150);
   타이머 회로 및 상기 동작신호를 기반으로 상기 조도조절부(110) 및 온도조절부(120)를 제어하여 설정된 온도 및 밝기를 유지하되, 상기 영상취득부(140)에서 취득된 영상을 보정 및 노이즈를 제거 후 2차화하는 전처리부(162)와 2차화된 영상으로부터 계수를 위한 콜로니 부분을 추출하는 추출부(163)와 추출된 콜로니의 외형적 특징점을 분석하는 분석부(164)를 포함하여 배지 촬영 영상을 처리하여 콜로니를 모니터링하는 영상처리부(161)와, 처리된 영상으로부터 콜로니 수를 파악하는 계수부(165)와, 모니터링된 콜로니 형상을 통해 설정된 수치 이상으로 증식함에 따라 상호 인접한 콜로니가 붙을 경우 일차적으로 상기 온도조절부(120)를 통해 배양공간 내 온도를 설정된 비율로 낮추어 증식을 억제하고 이후 배지 모니터링 결과 설정된 값 이상으로 미생물 증식이 발견될 경우 상기 UV 램프(130)를 동작시켜 콜로니를 계수 가능한 수준으로 추가적인 증식을 막아 미생물의 수치를 낮추어 원활한 계수가 이루어질 수 있도록 하는 증식억제부(166)와, 상기 조도조절부(110) 및 온도조절부(120)와 UV 램프(130)의 동작상황을 상태정보로서 상기 인터페이스부(150)에 인가하는 제어부(160);
   복수의 배양기 간의 상호 통신을 지원하는 연동부(170);
   상기 연동부(170)와 연계하여 각각의 배양기로부터의 동작신호 및 상태정보와 분석된 콜로니 외형적 특징점 및 계수결과를 보고서 형태로 작성하여 출력하는 리포팅부(210);
   배지에 적용되는 작업일자, 미생물 종류, 배율에 관한 정보를 포함하는 바코드를 출력하는 바코드처리부(220); 로 이루어지되,
   상기 제어부(160)는, 상기 영상취득부(140)를 통해 배지에 붙은 바코드를 촬영 및 인식하여 포함된 정보를 취득하는 바코드인식부(167)와, 입력된 동작신호와 취득된 상태정보 및 배지 모니터링에 따른 영상분석결과를 미생물별로 분류하여 저장하는 데이터베이스부(169)와, 동일 또는 유사한 것으로 분류된 미생물의 배양작업시 상기 데이터베이스부(169)에 저장된 정보를 검색 및 분석하여 미생물 과다 증식으로 상호 인접한 콜로니가 붙어 계수가 불가능한 온도 및 조도 조건을 확인하고 상기 인터페이스부(150)를 통해 출력하는 학습부(168)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 자동관리 인큐베이터 시스템.
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