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KR102655200B1 - Method and apparatus for multiplexted imaging through iterative separation of fluorophores - Google Patents

Method and apparatus for multiplexted imaging through iterative separation of fluorophores Download PDF

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KR102655200B1
KR102655200B1 KR1020210089419A KR20210089419A KR102655200B1 KR 102655200 B1 KR102655200 B1 KR 102655200B1 KR 1020210089419 A KR1020210089419 A KR 1020210089419A KR 20210089419 A KR20210089419 A KR 20210089419A KR 102655200 B1 KR102655200 B1 KR 102655200B1
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한국과학기술원
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Abstract

본 개시는 반복색분리를 통한 분자 다중 이미징 방법 및 장치를 제공한다. 본 개시에 따르면, 첫번째 형광 검출 파장대에서 두 형광 물질의 신호가 모두 검출되어도, 반복적 상호정보량 최소화를 이용하여 두 검출 파장대를 통해 얻은 두 이미지의 신호 분리가 가능하다. 이 때, 두 형광 물질의 방출 파장에 따른 형광 방출 세기가 서로 상이하므로, 두 검출 파장대에서 얻은 두 이미지에서, 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 나타나게 된다. 구체적으로, 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 나타난 IMG1과 IMG2에서 상호정보량 최소화가 되는 α를 계산해내고, 이를 통해 IMG1R1과 IMG2R1을 얻는다. 그 후 IMG1R1 과 IMG2R1을 다시 한번 상호정보량 최소화를 사용하여 분리하면 IMG1R2과 IMG2R2을 얻을 수 있다. α 값 유추와 신호 분리를 n번 반복하는 과정을 통해, 두 형광 물질의 신호가 점진적으로 분리가 되며, 최종적으로 두 형광 물질을 신호 분리해낸 IMG1Rn = F1과 IMG2Rn = F2를 얻어낼 수 있다. The present disclosure provides a method and device for multiple molecular imaging through repetitive color separation. According to the present disclosure, even if the signals of both fluorescent substances are detected in the first fluorescence detection wavelength band, it is possible to separate the signals of the two images obtained through the two detection wavelength bands using iterative mutual information minimization. At this time, since the fluorescence emission intensities according to the emission wavelengths of the two fluorescent substances are different from each other, the signals of the two fluorescent substances appear at different intensities in the two images obtained in the two detection wavelength bands. Specifically, α, which minimizes the amount of mutual information, is calculated from IMG1 and IMG2, where the signals of the two fluorescent substances appear at different intensities, and through this, IMG1 R1 and IMG2 R1 are obtained. After that, if IMG1 R1 and IMG2 R1 are separated again using mutual information minimization, IMG1 R2 and IMG2 R2 can be obtained. Through the process of repeating α value inference and signal separation n times, the signals of the two fluorescent substances are gradually separated, and finally, IMG1 Rn = F1 and IMG2 Rn = F2, which are the signal separation of the two fluorescent substances, can be obtained. .

Description

반복색분리를 통한 분자 다중 이미징 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEXTED IMAGING THROUGH ITERATIVE SEPARATION OF FLUOROPHORES}Molecular multiple imaging method and device through repetitive color separation {METHOD AND APPARATUS FOR MULTIPLEXTED IMAGING THROUGH ITERATIVE SEPARATION OF FLUOROPHORES}

본 개시는 반복색분리를 통한 분자 다중 이미징 방법 및 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method and device for multiple molecular imaging through repetitive color separation.

최근 환자 암 조직 내에 존재하는 면역 세포를 활성화시켜 항암 효과를 내는 면역항암제가 크게 각광받고 있다. 면역항암제는 환자 암 조직 내에 어떤 면역 세포가 존재하는지에 따라 그 항암 효과에 큰 편차가 있다. 환자별 최적의 항암제를 선정하거나 새로운 기작의 면역항암제를 개발하기 위해서는, 환자 암 조직 내부에서 여러 면역 바이오 마커를 동시에 이미징해야 할 필요성이 있다. 기존의 여러 멀티 마커 동시 이미징 기술들은 고가의 특수 장비가 필요하거나, 과정이 복잡하고 이미징 속도가 느리거나, 이미징 과정에서 시료가 파괴되는 등, 여러 단점이 존재하여 면역항암제 개발, 새로운 바이오 마커 발굴, 면역항암제 반응성 예측에 널리 사용되고 있지 못하다. 따라서, 환자별 최적의 면역항암제 추천 및 새로운 면역항암제 개발을 위해서는, 저비용 고효율 무손상 멀티 마커 동시 이미징 기술이 필요하다. Recently, immunotherapy drugs that produce anti-cancer effects by activating immune cells present in the patient's cancer tissue have been receiving a lot of attention. Immunoanticancer drugs have large differences in their anticancer effects depending on which immune cells are present in the patient's cancer tissue. In order to select the optimal anticancer agent for each patient or develop an immunotherapy agent with a new mechanism, there is a need to simultaneously image multiple immune biomarkers within the patient's cancer tissue. Many existing multi-marker simultaneous imaging technologies have several disadvantages, such as requiring expensive special equipment, complicated processes and slow imaging speeds, and sample destruction during the imaging process. It is not widely used to predict immunotherapy reactivity. Therefore, in order to recommend optimal immuno-anticancer drugs for each patient and develop new immuno-anticancer drugs, low-cost, high-efficiency, and intact multi-marker simultaneous imaging technology is needed.

해결하고자 하는 과제는 반복색분리를 통한 분자 다중 이미징 방법 및 장치를 제공하는 것이다. The problem to be solved is to provide a molecular multiple imaging method and device through repeated color separation.

본 개시에 따른 전자 장치의 동작 방법은, 상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 두 형광 물질들에 대해, 두 개의 이미지들을 획득하는 단계, 및 상기 획득된 이미지들 사이에서 공유되는 상호정보량을 반복적으로 감소시키면서, 상기 획득된 이미지들로부터 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. A method of operating an electronic device according to the present disclosure includes acquiring two images for two fluorescent substances each labeled with different biomolecules, and repeatedly calculating the amount of mutual information shared between the acquired images. While reducing, it may include separating images for each of the fluorescent substances from the acquired images.

본 개시에 따른 전자 장치는, 메모리, 및 상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 두 형광 물질들에 대해, 두 개의 이미지들을 획득하고, 상기 획득된 이미지들 사이에서 공유되는 상호정보량을 반복적으로 감소시키면서, 상기 획득된 이미지들로부터 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하도록 구성될 수 있다. An electronic device according to the present disclosure includes a memory, and a processor connected to the memory and configured to execute at least one instruction stored in the memory, wherein the processor includes two fluorescent substances each labeled with different biomolecules. For each image, it may be configured to acquire two images and separate images for each of the fluorescent substances from the acquired images while iteratively reducing the amount of mutual information shared between the acquired images.

본 개시에 따르면, 이미지 분리 성능이 향상될 수 있다. 이 때, 본 개시에서는 반복적 상호정보량 최소화 전략을 통해 특이적 형광 물질 선정 및 형 광 검출 파장대 선정 전략을 제거 및 완화시킬 수 있다. 그리고, 본 개시에서는 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 검출되는 두 이미지를 단계별 α 유추 및 점진적 신호 분리를 통해 두 형광 물질의 신호를 성공적으로 분리해낼 수 있다.According to the present disclosure, image separation performance can be improved. At this time, in the present disclosure, the strategy of selecting a specific fluorescent material and selecting a fluorescence detection wavelength band can be eliminated and alleviated through an iterative mutual information minimization strategy. In addition, in the present disclosure, the signals of the two fluorescent substances can be successfully separated through step-by-step α inference and gradual signal separation in two images in which the signals of the two fluorescent substances are detected at different intensities.

아울러, 본 개시의 결과로, 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 20 nm 이하로 차이나는 두 형광 물질 신호 분리에 성공할 수 있다. 본 개시에서는 반복적 상호정보량 최소화 전략을 통해 형광 검출 파장대의 최적화 과정없이 유사한 방출 스펙트럼을 가진 두 형광 물질의 신호 분리에 성공할 수 있다. 본 개시에서는 형광 검출 파장대 선정 전략을 배제함으로 인해, 첫번째 형광 검출 파장대의 범위를 넓게 설정할 수 있어 신호대잡음비가 올라가며, 이에 따라 양질의 신호 분리 이미지를 얻어낼 수 있다. 또한, 본 개시에서는 형광 물질에 특화된 파장대 선정을 하지 않아도 되므로 하드웨어적인 요구사항이 적어지며, 방출필터의 선택이 자유로워질 수 있다. In addition, as a result of the present disclosure, it is possible to successfully separate signals of two fluorescent substances whose wavelengths at the maximum of the emission spectrum differ by less than 20 nm. In the present disclosure, through an iterative mutual information minimization strategy, it is possible to successfully separate signals of two fluorescent substances with similar emission spectra without optimization of the fluorescence detection wavelength band. In the present disclosure, by excluding the fluorescence detection wavelength band selection strategy, the range of the first fluorescence detection wavelength band can be set widely, increasing the signal-to-noise ratio, and thus obtaining high-quality signal separation images. Additionally, in the present disclosure, since there is no need to select a wavelength band specialized for fluorescent materials, hardware requirements are reduced and the selection of the emission filter can be freely performed.

도 1은 본 개시에 따른 반복적 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리 기법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 블록도이다.
도 3은 본 개시에 따라 얻을 수 있는 장점을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치의 반복적 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리 방법의 흐름도이다.
도 5는 도 4의 획득된 이미지들로부터 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계를 도시하는 흐름도이다.
도 6 및 도 7은 도 4의 획득된 이미지들로부터 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계를 설명하기 위한 이미지들이다.
도 8, 도 9 및 도 10은 본 개시의 적용 범위를 설명하기 위한 이미지들이다.
1 is a schematic diagram illustrating a signal separation technique through iterative mutual information minimization according to the present disclosure.
2 is a block diagram of an electronic device according to various embodiments of the present disclosure.
Figure 3 is a schematic diagram to explain the advantages that can be obtained according to the present disclosure.
Figure 4 is a flowchart of a signal separation method through iterative mutual information minimization of an electronic device according to various embodiments of the present disclosure.
FIG. 5 is a flowchart showing steps for separating images for each fluorescent material from the acquired images of FIG. 4 .
FIGS. 6 and 7 are images for explaining the step of separating images for each fluorescent material from the acquired images of FIG. 4.
Figures 8, 9, and 10 are images for explaining the scope of application of the present disclosure.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 개시의 실시예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 개시를 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present disclosure will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice them. However, the present disclosure may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present disclosure in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "??부", "??기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary. In addition, terms such as "unit", "unit", and "module" used in the specification refer to a unit that processes at least one function or operation, which is implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software. It can be.

설명에서는 동작 주체가 생략될 수 있으나, 본 개시에서 설명하는 방법은 전자 장치, 예컨대 컴퓨팅 장치와 형광 현미경을 포함하는 장치에서 구현될 수 있다.Although the operating entity may be omitted in the description, the method described in the present disclosure may be implemented in an electronic device, such as a device including a computing device and a fluorescence microscope.

형광 이미징은 시료 내부의 생체 분자를 다양한 형광 물질(fluorophore)로 표지하고 이를 빛으로 여기(excitation)시킨 후, 각 형광 물질에서 방출(emission)되는 빛을 광학현미경으로 탐지하여 시료 내부의 생체 분자를 간접적으로 관찰할 수 있는 기법이다. 형광 물질들은 고유의 화학 구조로 인해 각기 다른 여기 스펙트럼(excitation spectrum)과 방출 스펙트럼(emission spectrum)을 가지며, 이 때 항상 흡수한 빛보다 긴 파장의 빛을 방출하게 된다. 형광 물질들의 여기 및 방출 스펙트럼은 일반적으로 가시광선 범위(400 - 700 nm) 내에서 100 nm 정도의 넓은 너비를 가지고 있다. 하나의 시료에서 여러 생체 분자를 동시에 관찰하기 위해서는 여러 생체 분자를 서로 다른 형광 물질로 표지한 후, 각 형광 물질의 이미지를 선택적으로 얻는 것이 필요하다. 이를 위해, 여기 스펙트럼과 방출 스펙트럼이 겹치지 않는 형광 물질을 사용해야 하는데, 네 개 이상의 형광 물질을 동시에 사용할 시 방출 스펙트럼의 넓은 너비로 인해 형광 물질 간 방출 스펙트럼 겹침이 발생하게 되고 서로 구분할 수 없게 된다. 따라서, 일반적으로 표준 여기 파장(405, 488, 560, 633 nm) 하나 당 하나의 형광 물질 만을 여기시켜 최대 네 개의 생체 분자들을 탐지해 낸다. Fluorescence imaging labels biomolecules inside a sample with various fluorophores, excites them with light, and then detects the light emitted from each fluorophore using an optical microscope to identify biomolecules inside the sample. It is a technique that can be observed indirectly. Fluorescent substances have different excitation and emission spectra due to their unique chemical structures, and always emit light with a longer wavelength than the light they absorb. The excitation and emission spectra of fluorescent materials generally have a wide width of about 100 nm within the visible light range (400 - 700 nm). In order to observe multiple biomolecules simultaneously in one sample, it is necessary to label multiple biomolecules with different fluorescent substances and then selectively obtain images of each fluorescent substance. To achieve this, it is necessary to use fluorescent materials whose excitation and emission spectra do not overlap. When four or more fluorescent materials are used simultaneously, the emission spectra overlap between the fluorescent materials due to the wide width of the emission spectrum and they become indistinguishable from each other. Therefore, in general, up to four biomolecules can be detected by exciting only one fluorescent substance per standard excitation wavelength (405, 488, 560, 633 nm).

최근 의학 진단 및 연구 분야에서 하나의 시료에서 더 많은 생체 분자를 동시에 이미징해야 하는 필요성이 증가하고 있다. 하지만, 기존의 형광 현미경 기법으로는 한번에 최대 네 개의 형광 물질만을 동시에 사용할 수 있다는 한계가 있다. 이러한 한계를 뛰어 넘기 위해서, 다양한 기술들이 개발되었는데, 이 기술들은 크게 세 가지로 나눌 수 있다.Recently, the need to simultaneously image more biomolecules in a single sample has increased in the fields of medical diagnosis and research. However, existing fluorescence microscopy techniques have a limitation in that only up to four fluorescent substances can be used simultaneously at a time. To overcome these limitations, various technologies have been developed, and these technologies can be broadly divided into three categories.

첫 번째로, 반복 염색 기법(Multi-round staining)은, 방출 스펙트럼이 겹치지 않는 3개 혹은 4개의 형광 물질로 시료 내부의 생체 분자를 각각 표지하여 이미징 한 후, 화학적 처리를 통해 형광 물질을 비활성 시키거나 생체 분자에서 형광 물질을 떼어 낸다. 그 후 다시 다른 생체 분자를 동일한 3개 혹은 4개의 형광 물질로 표지하여 이미징한다. 이러한 방법을 반복하면 하나의 생체 시료에서 수십가지 생체 분자를 동시에 관찰하는 것이 가능하다. 하지만, 형광 물질 표지와 비활성 과정을 반복해야 하기 때문에 시간이 오래 걸리고, 반복되는 과정에서 얻은 각 이미지들을 서로 정합(image registration) 해줘야 하는 번거로움이 있다. 또한, 정합의 문제로 인해서 다분자의 분포를 삼차원으로 얻을 수 없다. 게다가, 화학적 처리 과정 중 시료가 손상되는 문제가 있다. First, multi-round staining involves imaging biomolecules inside a sample by labeling them with three or four fluorescent substances whose emission spectra do not overlap, and then deactivating the fluorescent substances through chemical treatment. Alternatively, fluorescent substances are removed from biomolecules. Afterwards, other biomolecules are labeled with the same three or four fluorescent substances and imaged. By repeating this method, it is possible to observe dozens of biomolecules simultaneously in one biological sample. However, it takes a long time because the fluorescent labeling and deactivation process must be repeated, and there is the inconvenience of having to register each image obtained during the repeated process. Additionally, due to matching problems, the distribution of multimolecules cannot be obtained in three dimensions. In addition, there is a problem of sample damage during the chemical treatment process.

두 번째로, 스펙트럼 이미징 후 신호 분리 기법(Spectral Imaging and Signal unmixing)은, 방출 스펙트럼이 겹치는 여러 형광 물질로 여러 생체 분자를 각각 표지 한 후, 여러 형광 물질을 동시에 여기시킨다. 그 후 여러 검출 파장대에서 시료의 이미지를 얻은 후 파장대별 각 형광 물질의 상대적 세기에 대한 정보를 바탕으로, 얻은 이미지를 각 형광 물질만의 이미지로 분리한다. 만약 다양한 생체분자를 표지한 각 형광 물질의 방출 스펙트럼 정보를 알고 있다면, 형광 물질의 파장 별 방출 세기를 바탕으로 각 형광 물질의 이미지를 분리(unmixing)하는 것이 가능하다. 하지만, 형광 물질의 방출 스펙트럼을 정확히 측정(calibration)하기 위해 스펙트랄 디텍터(spectral detector)라는 고가의 특수 장비를 필요로 한다. 그리고, 각 형광 물질의 파장 별 세기는 현미경 내부의 광학적 특성과 카메라의 파장 별 감도, 시료의 화학적 조성 등에 따라서 달라지게 된다. 이에 따라, 매 현미경마다, 매 시료마다 각 형광 물질의 방출 스펙트럼을 매번 따로 측정해줘야 한다는 번거로움이 있어 실제로 조직 이미징에 사용되기 매우 어렵다. Second, in the spectral imaging and signal unmixing technique, several biomolecules are individually labeled with several fluorescent substances with overlapping emission spectra, and then several fluorescent substances are excited simultaneously. Afterwards, images of the sample are obtained in several detection wavelength bands, and the obtained images are separated into images of each fluorescent material only, based on information about the relative intensity of each fluorescent material in each wavelength band. If the emission spectrum information of each fluorescent substance labeling various biomolecules is known, it is possible to separate (unmix) the images of each fluorescent substance based on the emission intensity for each wavelength of the fluorescent substance. However, to accurately calibrate the emission spectrum of a fluorescent material, expensive special equipment called a spectral detector is required. In addition, the intensity of each fluorescent material at each wavelength varies depending on the optical characteristics inside the microscope, the sensitivity of the camera at each wavelength, and the chemical composition of the sample. Accordingly, there is the inconvenience of having to measure the emission spectrum of each fluorescent substance separately for each microscope and each sample, making it very difficult to actually use it for tissue imaging.

세 번째로, 블라인드 신호 분리 기법(Blind Unmixing)은 형광 물질의 방출 스펙트럼을 모르는 상태에서 형광 물질 신호들을 분리해 내는 방법으로, 이를 위해서 독립 성분 분석(Independent Component Analysis; ICA) 혹은 음수 미포함 행렬 분석(Non-negative matrix factorization; NMF)이 사용되어 왔다. 하지만, 수백 만개에 달하는 원소들을 동시에 정확히 유추해야 하므로 신호 분리의 정확성이 크게 떨어져 매우 제한적으로 사용되어 왔다. 예를 들어, 방출 스펙트럼이 겹치는 세 가지 형광 물질 신호를 분리하기 위해서는 3,145,728(=3 x 1024 x 1024)개가 넘는 원소를 동시에 유추해내야 한다(1024 x 1024 해상도 기준). 또한, 기존의 ICA, NMF는 분리를 위해서 필요한 이미지의 수(IMG 행렬의 행의 수)가 반드시 형광 물질의 수(F 행렬의 행의 수)보다 많아야 한다는 조건이 있다. 즉, 8개의 형광 물질을 동시에 이미징 하기 위해서는 9장 이상의 이미지를 얻어야 하기 때문에 스펙트랄 디텍터(spectral detector)라는 고가의 특수 장비를 필요로 한다. Third, blind signal separation technique (Blind Unmixing) is a method of separating fluorescent material signals without knowing the emission spectrum of the fluorescent material. For this, Independent Component Analysis (ICA) or matrix analysis without negative values ( Non-negative matrix factorization (NMF) has been used. However, because millions of elements must be accurately inferred at the same time, the accuracy of signal separation is greatly reduced, and its use has been very limited. For example, to separate the signals of three fluorescent substances with overlapping emission spectra, more than 3,145,728 (=3 x 1024 x 1024) elements must be inferred simultaneously (based on 1024 x 1024 resolution). Additionally, existing ICA and NMF have a condition that the number of images (number of rows of the IMG matrix) required for separation must be greater than the number of fluorescent substances (number of rows of the F matrix). In other words, in order to simultaneously image eight fluorescent substances, more than nine images must be obtained, which requires expensive special equipment called a spectral detector.

결론적으로, 기존 다분자 동시 이미징 기법은 실험과정 및 이미징 과정의 번거로움과 복잡성, 신호 분리 부정확도, 특수 장비 요구 등의 문제점으로 인해 실질적으로 연구 및 진단에 활용하기 어려워 활발하게 사용되지 않고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 최근 새로운 블라인드 신호 분리 기반 다분자 동시 이미징 기법(Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores; PICASSO)이 개발되었다. PICASSO는 세가지 전략(형광 물질 선정 전략, 형광 검출 파장대 선정 전략, 상호정보량 최소화를 통한 α 유추 전략)을 통해 기존의 블라인드 신호 분리 기법에 비해 훨씬 더 높은 정확도로, 8번의 이미징만으로 8개의 형광 물질을 동시에 분리할 수 있는 기법이다. 기존의 블라인드 신호 분리 기법은 수백 만개의 원소들을 유추해야 하므로 신호 분리의 수학적 복잡성이 증가하고 정확도가 낮아졌다면, PICASSO에서는 형광 물질 선정 전략 및 형광 검출 파장대 선정 전략을 이용하여 유추해야 하는 원소를 하기 [수학식 1]과 같이 간략화하였다.In conclusion, existing multi-molecule simultaneous imaging techniques are difficult to practically utilize for research and diagnosis due to problems such as the inconvenience and complexity of the experimental and imaging process, signal separation inaccuracy, and the requirement for special equipment, so they are not actively used. To solve this problem, a new blind signal separation-based multimolecular simultaneous imaging technique (Process of ultra-multiplexed Imaging of biomoleCules viA the unmixing of the Signals of Spectrally Overlapping fluorophores; PICASSO) was developed. PICASSO uses three strategies (fluorescent material selection strategy, fluorescence detection wavelength band selection strategy, and α inference strategy by minimizing the amount of mutual information) to identify 8 fluorescent materials with much higher accuracy than existing blind signal separation techniques, with only 8 imaging times. It is a technique that can be separated at the same time. While the existing blind signal separation technique requires millions of elements to be inferred, which increases the mathematical complexity of signal separation and reduces accuracy, PICASSO uses a fluorescent material selection strategy and a fluorescence detection wavelength band selection strategy to determine the elements that need to be inferred [ It was simplified as shown in Equation 1].

상기 [수학식 1]에서 볼 수 있듯이, PICASSO에서는 형광 물질과 형광 검출 파장대 선정 전략을 통해 첫번째 검출 파장대에서 얻은 이미지(IMG1)에는 첫번째 형광 물질의 신호(F1)만이 포함되도록 하여 IMG1 = F1의 관계가 성립한다. IMG2는 F1와 F2의 합(IMG2 = F1 x α + F2)으로 나타낼 수 있는데, F1은 측정값인 IMG1과 같기 때문에 α만 정확히 유추해낸다면 F2를 계산(F2 = IMG2 - α x IMG1)해 낼 수 있다. PICASSO에서는 IMG1과 IMG2 사이의 상호정보량 최소화 전략을 통해 α 값을 정확하게 유추한다. 하지만, IMG1 = F1 관계가 성립되어야만 신호분리가 완벽히 이루어지고, 이 전제조건을 만족시키기 위해서는 형광 물질 및 형광 검출 파장대 선정 전략이 필수적이다. 이에 따라, 선정된 형광 검출 파장대로 이미징을 하기 위해서는 검출 파장대에 최적화되어 있는 다종의 광학필터 혹은 검출 파장대를 자유롭게 조절할 수 있는 스펙트랄 디텍터를 필요로 하는 제약조건이 있다. As can be seen in [Equation 1] above, in PICASSO, through a selection strategy for fluorescent substances and fluorescence detection wavelength bands, the image (IMG1) obtained in the first detection wavelength band includes only the signal (F1) of the first fluorescent substance, so that the relationship of IMG1 = F1 is established. IMG2 can be expressed as the sum of F1 and F2 (IMG2 = F1 You can. In PICASSO, the value of α is accurately inferred through a strategy to minimize the amount of mutual information between IMG1 and IMG2. However, complete signal separation is achieved only when the relationship IMG1 = F1 is established, and in order to satisfy this prerequisite, a strategy for selecting fluorescent substances and fluorescence detection wavelength bands is essential. Accordingly, in order to perform imaging at the selected fluorescence detection wavelength, there is a constraint that requires a variety of optical filters optimized for the detection wavelength band or a spectral detector that can freely adjust the detection wavelength band.

따라서, 본 개시는 반복적 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리 기법(iterative PICASSO; iPICASSO)을 제안한다. 이 기법은 상호정보량 최소화 과정을 반복적으로 수행하는 전략을 통하여 IMG1 = F1 전제조건 없이 신호 분리가 가능한 기법이다. Therefore, the present disclosure proposes a signal separation technique (iterative PICASSO; iPICASSO) through iterative mutual information minimization. This technique is a technique that allows signal separation without the IMG1 = F1 prerequisite through a strategy of repeatedly performing the process of minimizing the amount of mutual information.

도 1은 본 개시에 따른 반복적 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리 기법을 설명하기 위한 개략도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a signal separation technique through iterative mutual information minimization according to the present disclosure.

도 1을 참조하면, IMG1 = F1 전제 조건이 반복적 상호정보량 최소화를 통해 해결된다. 기존 PICASSO와는 다르게 첫번째 형광 검출 파장대(파란색 점선)에서 두 형광 물질의 신호가 모두 검출되어도, 반복적 상호정보량 최소화를 이용하여 두 검출 파장대(파란색 점선, 빨간색 점선)를 통해 얻은 두 이미지(IMG1, IMG2)의 신호 분리가 가능하다. 이 때, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 두 형광 물질(F1, F2)의 방출 파장에 따른 형광 방출 세기가 서로 상이하므로, 두 검출 파장대에서 얻은 두 이미지에서, 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 나타나게 된다.Referring to Figure 1, the IMG1 = F1 precondition is solved through iterative mutual information minimization. Unlike the existing PICASSO, even if the signals of both fluorescent substances are detected in the first fluorescence detection wavelength band (blue dotted line), two images (IMG1, IMG2) obtained through the two detection wavelength bands (blue dotted line, red dotted line) using iterative mutual information minimization Signal separation is possible. At this time, as shown in (a) of Figure 1, the fluorescence emission intensity according to the emission wavelength of the two fluorescent substances (F1, F2) is different from each other, so in the two images obtained in the two detection wavelength bands, the signals of the two fluorescent substances appears at different intensities.

두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 나타난 IMG1과 IMG2에서 상호정보량 최소화가 되는 α를 계산해내고, 이를 통해 IMG1R1과 IMG2R1을 얻는다. 그 후 IMG1R1 과 IMG2R1을 다시 한번 상호정보량 최소화를 사용하여 분리하면 IMG1R2과 IMG2R2을 얻을 수 있다. α 값 유추와 신호 분리를 n번 반복하는 과정을 통해, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 두 형광 물질의 신호가 점진적으로 분리가 되며, 최종적으로 두 형광 물질을 신호 분리해낸 IMG1Rn = F1과 IMG2Rn = F2를 얻어낼 수 있다. α, which minimizes the amount of mutual information, is calculated from IMG1 and IMG2, where the signals of the two fluorescent substances appear at different intensities, and through this, IMG1 R1 and IMG2 R1 are obtained. After that, if IMG1 R1 and IMG2 R1 are separated again using mutual information minimization, IMG1 R2 and IMG2 R2 can be obtained. Through the process of repeating α value inference and signal separation n times, the signals of the two fluorescent substances are gradually separated as shown in (b) of Figure 1, and the signals of the two fluorescent substances are finally separated, IMG1 Rn = F1 and IMG2 Rn = F2 can be obtained.

도 2는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)의 블록도이다. FIG. 2 is a block diagram of an electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure.

도 2를 참조하면, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)는 디텍터(210), 입력 모듈(220), 출력 모듈(230), 메모리(240) 또는 프로세서(250) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나가 생략되거나, 전자 장치(200)에 하나 이상의 다른 구성 요소들이 추가될 수 있다.Referring to FIG. 2, the electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure includes at least one of a detector 210, an input module 220, an output module 230, a memory 240, and a processor 250. It can contain one. In some embodiments, at least one of the components of the electronic device 200 may be omitted, or one or more other components may be added to the electronic device 200.

디텍터(210)는 시료에 대한 이미지를 촬영할 수 있다. 이 때 디텍터(210)은 전자 장치(200)의 미리 정해진 위치에 설치되어, 이미지를 촬영할 수 있다. 예를 들면, 디텍터(210)는 sCMOS(scientific complementary metal-oxide-semiconductor) 카메라, PMT(photo multiplier tube), 혹은 그 이외에 빛의 세기를 측정하여 이를 이미지로 표현할 수 있는 장비 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The detector 210 can capture images of the sample. At this time, the detector 210 is installed at a predetermined location of the electronic device 200 and can capture an image. For example, the detector 210 includes at least one of a scientific complementary metal-oxide-semiconductor (sCMOS) camera, a photo multiplier tube (PMT), or other equipment that can measure the intensity of light and express it as an image. can do.

입력 모듈(220)은 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나에 사용될 명령 또는 데이터를 전자 장치(200)의 외부로부터 수신할 수 있다. 이 때 입력 모듈(220)은 입력 장치 또는 수신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 입력 장치는 마이크(microphone), 마우스 또는 키보드 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 입력 장치는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(touch circuitry) 또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 수신 장치는 무선 수신 장치 또는 유선 수신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The input module 220 may receive a command or data to be used for at least one of the components of the electronic device 200 from outside the electronic device 200. At this time, the input module 220 may include at least one of an input device or a receiving device. For example, the input device may include at least one of a microphone, mouse, or keyboard. In some embodiments, the input device may include at least one of touch circuitry configured to detect a touch or a sensor circuit configured to measure the intensity of force generated by the touch. The receiving device may include at least one of a wireless receiving device or a wired receiving device.

출력 모듈(230)은 전자 장치(200)의 외부로 정보를 제공할 수 있다. 이 때 출력 모듈(230)은 표시 장치 또는 송신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들면, 표시 장치는 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 표시 장치는 입력 모듈(220)의 터치 회로 또는 센서 회로 중 적어도 어느 하나와 조립되어, 터치 스크린으로 구현될 수 있다. 송신 장치는 무선 송신 장치 또는 유선 송신 장치 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The output module 230 may provide information to the outside of the electronic device 200. At this time, the output module 230 may include at least one of a display device or a transmission device. For example, the display device may include at least one of a display, a hologram device, or a projector. In some embodiments, the display device may be implemented as a touch screen by being assembled with at least one of the touch circuit or the sensor circuit of the input module 220. The transmission device may include at least one of a wireless transmission device or a wired transmission device.

일 실시예에 따르면, 수신 장치와 송신 장치는 하나의 통신 모듈로 통합될 수 있다. 통신 모듈은 전자 장치(200)와 외부 장치(미도시) 간 통신을 지원할 수 있다. 이러한 통신 모듈은 무선 통신 모듈 또는 유선 통신 모듈 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이 때 무선 통신 모듈은 무선 수신 장치 또는 무선 송신 장치 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 그리고, 무선 통신 모듈은 원거리 통신 방식 또는 근거리 통신 방식 중 적어도 어느 하나를 지원할 수 있다. 근거리 통신 방식은, 예컨대 블루투스(Bluetooth), 와이파이 다이렉트(WiFi direct), 또는 적외선 통신(IrDA; infrared data association) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 무선 통신 모듈은 네트워크를 통해 원거리 통신 방식으로 통신할 수 있으며, 네트워크는, 예컨대 셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 LAN(local area network)이나 WAN(wide area network)과 같은 컴퓨터 네트워크 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 한편, 유선 통신 모듈은 유선 수신 장치 또는 유선 송신 장치 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. According to one embodiment, the receiving device and the transmitting device may be integrated into one communication module. The communication module may support communication between the electronic device 200 and an external device (not shown). This communication module may include at least one of a wireless communication module or a wired communication module. At this time, the wireless communication module may be comprised of at least one of a wireless receiving device or a wireless transmitting device. Additionally, the wireless communication module may support at least one of a long-distance communication method or a short-distance communication method. The short-range communication method may include, for example, at least one of Bluetooth, WiFi direct, or infrared data association (IrDA). The wireless communication module may communicate in a long-distance communication manner through a network, and the network may include, for example, at least one of a cellular network, the Internet, or a computer network such as a local area network (LAN) or a wide area network (WAN). You can. Meanwhile, the wired communication module may be comprised of at least one of a wired receiving device or a wired transmitting device.

메모리(240)는 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나에 의해 사용되는 프로그램 또는 데이터 중 적어도 어느 하나를 저장할 수 있다. 예를 들면, 메모리(240)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. The memory 240 may store at least one of programs or data used by at least one of the components of the electronic device 200. For example, the memory 240 may include at least one of volatile memory and non-volatile memory.

프로세서(250)는 메모리(240)의 프로그램을 실행하여, 전자 장치(200)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있고, 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 프로세서(250)는 두 검출 파장대를 통해 얻은 두 이미지(IMG1, IMG2)를 획득할 수 있다. 이 때, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 두 형광 물질(F1, F2)의 방출 파장에 따른 형광 방출 세기가 서로 상이하므로, 두 검출 파장대에서 얻은 두 이미지에서, 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 나타나게 된다. 그리고, 프로세서(250)는 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 나타난 IMG1과 IMG2에서 상호정보량 최소화가 되는 α를 계산해내고, 이를 통해 IMG1R1과 IMG2R1을 얻는다. 그 후, 프로세서(250)는 IMG1R1과 IMG2R1에서 상호정보량 최소화가 되는 α를 계산해내고, 이를 통해 IMG1R2과 IMG2R2을 얻는다. 프로세서(250)가 이러한 과정을 n번 반복함에 따라, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 두 형광 물질의 신호가 점진적으로 분리된다. 최종적으로, 프로세서(250)는 두 형광 물질을 신호 분리해낸 IMG1Rn = F1과 IMG2Rn = F2를 얻어낼 수 있다. The processor 250 may execute a program in the memory 240 to control at least one of the components of the electronic device 200 and perform data processing or calculation. The processor 250 can acquire two images (IMG1, IMG2) obtained through two detection wavelength bands. At this time, as shown in (a) of Figure 1, the fluorescence emission intensity according to the emission wavelength of the two fluorescent substances (F1, F2) is different from each other, so in the two images obtained in the two detection wavelength bands, the signals of the two fluorescent substances appears at different intensities. Then, the processor 250 calculates α, which minimizes the amount of mutual information, in IMG1 and IMG2, where the signals of the two fluorescent substances appear at different intensities, and obtains IMG1 R1 and IMG2 R1 through this. Afterwards, the processor 250 calculates α, which minimizes the amount of mutual information, from IMG1 R1 and IMG2 R1 , and obtains IMG1 R2 and IMG2 R2 through this. As the processor 250 repeats this process n times, the signals of the two fluorescent substances are gradually separated, as shown in (b) of FIG. 1. Finally, the processor 250 can obtain IMG1 Rn = F1 and IMG2 Rn = F2, which are signals separated from the two fluorescent substances.

도 3은 본 개시에 따라 얻을 수 있는 장점을 설명하기 위한 개략도이다. 여기서, 도 3의 (a)는 기존의 PICASSO의 동작 절차를 나타내고, 도 3의 (b)는 본 개시의 동작 절차를 나타내는 것이다. Figure 3 is a schematic diagram to explain the advantages that can be obtained according to the present disclosure. Here, Figure 3(a) shows the operation procedure of the existing PICASSO, and Figure 3(b) shows the operation procedure of the present disclosure.

도 3을 참조하면, 기존의 PICASSO에 비해서, 본 개시는 아래와 같은 장점을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 3, compared to the existing PICASSO, the present disclosure can obtain the following advantages.

첫 번째 장점은, 형광 검출 파장대 선정이 불필요하다는 것이다. The first advantage is that selection of the fluorescence detection wavelength band is unnecessary.

기존 PICASSO는 첫번째 형광 물질의 신호인 F1만이 포함되도록(IMG1 = F1) 첫번째 형광 검출 파장대를 설정해야 하는 전제조건이 있다. 두번째 형광 검출 파장대에서 얻은 IMG2는 F1와 F2의 합 (IMG2 = F1 x α + F2)으로 나타낼 수 있기 때문에, 상호정보량 최소화를 통해 α만 정확히 유추해낸다면 F2를 계산(F2 = IMG2 - α x IMG1)해낼 수 있다. 하지만, IMG1 = F1 조건을 만족시키지 못하면 신호 분리가 정확히 이루어지지 않는다는 단점이 있다. 그리고, 위의 조건으로 인해 첫번째 형광 물질 방출 스펙트럼이 최대가 되는 파장대를 첫번째 검출 파장대 범위로 잡을 수 없다. 이로써, IMG1의 신호대잡음비(Signal-to-noise ratio)가 저하되며, 따라서 이미지의 퀄리티 저하 및 신호 분리의 부정확성이 야기된다. Existing PICASSO has a prerequisite to set the first fluorescence detection wavelength band to include only F1, the signal of the first fluorescent substance (IMG1 = F1). Since IMG2 obtained in the second fluorescence detection wavelength band can be expressed as the sum of F1 and F2 (IMG2 = F1 )You can do it. However, there is a disadvantage that signal separation is not performed accurately if the condition IMG1 = F1 is not satisfied. Also, due to the above conditions, the wavelength band where the emission spectrum of the first fluorescent substance is maximum cannot be set as the first detection wavelength range. As a result, the signal-to-noise ratio of IMG1 deteriorates, thereby causing deterioration in image quality and inaccuracy in signal separation.

그런데, 본 개시에서는 IMG1에 F2의 신호가 검출(IMG1 되어도, 반복적 상호정보량 최소화 전략을 통해 신호 분리를 해낼 수 있다는 장점이 있다. 또한, IMG1의 신호대잡음비가 기존 PICASSO에 비해 증가하여, 보다 정확하게 신호 분리가 된 양질의 이미지를 얻을 수 있다. However, in the present disclosure, a signal of F2 is detected in IMG1 (IMG1 However, it has the advantage of being able to separate signals through an iterative mutual information minimization strategy. In addition, the signal-to-noise ratio of IMG1 is increased compared to the existing PICASSO, making it possible to obtain high-quality images with more accurate signal separation.

두 번째 장점은, 제한적 형광 물질 선정 전략이 완화된다는 것이다. The second advantage is that the restrictive fluorescent material selection strategy is alleviated.

IMG1 = F1 조건이 성립되게 형광 검출 파장대를 설정하기 위해서는 유사한 방출 스펙트럼을 가진 두 형광 물질 선정 전략이 필요하다. 기존 PICASSO에서는 각 표준 여기 레이저별로 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 20 nm 이상 차이나는 두 형광 물질을 선정한다. 이러한 형광 물질 선정 전략으로 인해 첫번째 형광 물질 검출 파장대의 범위가 좁게 설정된다. In order to set the fluorescence detection wavelength range so that the IMG1 = F1 condition is established, a strategy for selecting two fluorescent substances with similar emission spectra is required. In the existing PICASSO, two fluorescent materials whose maximum emission spectrum wavelengths differ by more than 20 nm are selected for each standard excitation laser. Due to this fluorescent material selection strategy, the range of the first fluorescent material detection wavelength band is set narrowly.

예를 들어, 기존 PICASSO는 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 20 nm 이상 차이나는 두 형광 물질(예: CF488A, ATTO514)를 선정하고, 첫번째 형광 물질만의 신호만 나타나는 첫번째 형광 검출 파장대를 설정한다. 하지만, 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 20 nm 이하로 차이나는 두 형광 물질을 사용할 경우, 첫번째 형광 물질만의 신호만 나타나는 첫번째 형광 검출 파장대를 설정하기 매우 어려우며, IMG1의 신호대잡음비가 저하되어 이미지 퀄리티의 저하 및 신호 분리의 부정확성이 야기된다. 본 개시에서는 IMG1에 F2의 신호가 검출(IMG1 되어도, 반복적 상호정보량 최소화 전략을 통해 신호 분리를 해낼 수 있어서, 형광 물질 선정 전략을 완화시킬 수 있다. 즉, 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 20 nm 이하로 차이나는 두 형광 물질을 사용해도 신호 분리가 가능하다. 그리고, IMG1의 신호대잡음비가 기존 PICASSO에 비해 증가하여, 보다 정확하게 신호 분리가 된 양질의 이미지를 얻을 수 있다. For example, the existing PICASSO selects two fluorescent materials (e.g., CF488A, ATTO514) whose wavelengths at the maximum emission spectrum differ by more than 20 nm, and sets the first fluorescence detection wavelength band where only the signal of the first fluorescent material appears. However, when using two fluorescent substances whose wavelengths at the maximum emission spectrum differ by less than 20 nm, it is very difficult to set the first fluorescence detection wavelength band in which only the signal of the first fluorescent substance appears, and the signal-to-noise ratio of IMG1 deteriorates, reducing image quality. This causes degradation and inaccuracy in signal separation. In the present disclosure, a signal of F2 is detected in IMG1 (IMG1 Even if this is the case, signal separation can be achieved through an iterative mutual information minimization strategy, so the fluorescent material selection strategy can be relaxed. In other words, signal separation is possible even when using two fluorescent materials whose wavelengths at the maximum emission spectrum differ by less than 20 nm. In addition, the signal-to-noise ratio of IMG1 is increased compared to the existing PICASSO, making it possible to obtain high-quality images with more accurate signal separation.

도 4는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 전자 장치(200)의 반복적 상호정보량 최소화를 통한 신호 분리 방법의 흐름도이다. FIG. 4 is a flowchart of a signal separation method through iterative mutual information minimization of the electronic device 200 according to various embodiments of the present disclosure.

도 4를 참조하면, 전자 장치(200)는 410 단계에서 상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 두 형광 물질들에 대해, 두 개의 이미지들을 획득할 수 있다. 이 때, 프로세서(250)는 서로로부터 구분되는 상이한 검출 파장대들에서 상기 두 개의 이미지들을 각각 획득할 수 있다. 여기서, 획득된 이미지들의 각각에는, 상기 형광 물질들이 둘 다 나타날 수 있다. 즉, 형광 물질들은 상이한 형광 방출 세기들을 각각 갖고, 상기 획득된 이미지들에는, 형광 물질들이 상이한 신호 세기들로 나타날 수 있다. 프로세서(250)는 하기 [수학식 2]와 같이, 획득된 두 이미지들을 두 개의 새로운 변수로 정의할 수 있다. Referring to FIG. 4, the electronic device 200 may acquire two images for two fluorescent substances each labeled with different biomolecules in step 410. At this time, the processor 250 may respectively acquire the two images in different detection wavelength bands that are distinct from each other. Here, in each of the acquired images, both of the above fluorescent substances may appear. That is, the fluorescent materials each have different fluorescence emission intensities, and in the acquired images, the fluorescent materials may appear with different signal intensities. The processor 250 may define the two acquired images as two new variables, as shown in Equation 2 below.

여기서, u1 및 u2는 획득된 이미지들을 나타낼 수 있다.Here, u1 and u2 may represent acquired images.

다음으로, 전자 장치(200)는 420 단계에서 획득된 이미지들 사이에서 공유되는 상호정보량을 반복적으로 감소시키면서, 획득된 이미지들로부터 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(250)는 획득된 이미지들에 대해 계산되는 상호정보량 최소화를 위한 변수를 적용하여, 획득된 이미지들로부터 갱신되는 두 개의 새로운 이미지들을 획득하는 동작을 반복적으로 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 동작은, 미리 정해진 횟수, 즉 N회만큼, 반복될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 이러한 동작은, 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값 이하가 될 때까지, 반복될 수 있다. 이러한 동작의 반복이 완료되면, 프로세서(250)는 최종적으로 획득된 이미지들이 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득될 수 있다. 이에 대해, 도 5 및 도 6을 참조하여, 보다 상세하게 후술될 것이다. Next, the electronic device 200 may separate images for each fluorescent material from the acquired images while repeatedly reducing the amount of mutual information shared between the acquired images in step 420. To this end, the processor 250 may repeatedly perform an operation of acquiring two new images that are updated from the acquired images by applying a variable for minimizing the amount of mutual information calculated for the acquired images. According to one embodiment, this operation may be repeated a predetermined number of times, that is, N times. According to another embodiment, this operation may be repeated until the amount of mutual information between the acquired images becomes less than a reference value. When repetition of this operation is completed, the processor 250 can acquire the finally obtained images as images for each of the fluorescent substances. This will be described in more detail later with reference to FIGS. 5 and 6.

여기서, 상호정보량은 정보이론에서부터 비롯된 값으로, 두 변수 사이의 상호정보량은 두 변수가 공유하고 있는 정보의 총량을 의미할 수 있다. 따라서, 두 무작위 변수 (two random variables) 사이의 상호정보량은 0 일 수 있다. 디지털 이미지는 불연속 변수(discrete variable)이므로, 하기 [수학식 3]와 같이 두 개의 이미지 사이의 상호정보량이 계산될 수 있다. Here, the amount of mutual information is a value derived from information theory, and the amount of mutual information between two variables can refer to the total amount of information shared by the two variables. Therefore, the amount of mutual information between two random variables may be 0. Since a digital image is a discrete variable, the amount of mutual information between two images can be calculated as shown in [Equation 3] below.

여기서, pX(x)와 pY(y)는 각 이미지의 확률분포함수(혹은 히스토그램)에 해당하며, p(X,Y)(x,y)는 두 이미지의 결합 확률분포 함수(혹은 결합 히스토그램)에 해당할 수 있다. Here , p histogram).

도 5는 도 4의 획득된 이미지들로부터 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계(420 단계)를 구체적으로 도시하는 흐름도이다. 도 6 및 도 7은 도 4의 획득된 이미지들로부터 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계(420 단계)를 설명하기 위한 이미지들이다. FIG. 5 is a flowchart specifically illustrating the step 420 of separating images for each fluorescent material from the acquired images of FIG. 4 . FIGS. 6 and 7 are images for explaining the step of separating images for each fluorescent material from the acquired images of FIG. 4 (step 420).

도 5를 참조하면, 전자 장치(200)는 선택적으로 521 단계에서 획득된 이미지들을 저해상도 이미지들로 각각 처리할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 521 단계는 생략될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 프로세서(250)는 521 단계에서, 하기 [수학식 4]과 같이, 필요한 경우 획득된 이미지들을 획득된 이미지들보다 낮은 해상도를 가진 저해상도 이미지들로 각각 처리할 수 있다. 일 예로, 프로세서(250)는 각 획득된 이미지 내에서 인접한 k×k 픽셀들의 값을 더해서 k배 낮은 해상도의 저해상도 이미지를 획득할 수 있다. 이를 통해, 이후 단계들에서의 연산 속도를 높이고 노이즈에 대한 대응력이 상승될 수 있다. 다른 예로, 프로세서(250)는 k=1로 하여 생략하거나, 다른 이미지 샘플링 방법을 이용하여, 획득된 이미지들을 저해상도 이미지들로 각각 처리할 수 있다.Referring to FIG. 5, the electronic device 200 may optionally process the images acquired in step 521 into low-resolution images. According to one embodiment, step 521 may be omitted. According to another embodiment, in step 521, the processor 250 may process the acquired images into low-resolution images with a lower resolution than the acquired images, if necessary, as shown in Equation 4 below. As an example, the processor 250 may obtain a low-resolution image with a resolution k times lower by adding the values of adjacent k × k pixels within each acquired image. Through this, the computation speed in subsequent steps can be increased and the ability to respond to noise can be increased. As another example, the processor 250 may omit k=1 or use another image sampling method to process the acquired images into low-resolution images.

여기서, u1 및 u2는 획득된 이미지들을 나타내고, v1 및 v2는 저해상도 이미지들을 나타내고, k는 획득된 이미지들을 저해상도 이미지들로 각각 처리하기 위해 적용되는 팩터로 정의될 수 있다. Here, u1 and u2 represent acquired images, v1 and v2 represent low-resolution images, and k can be defined as a factor applied to process the acquired images into low-resolution images, respectively.

전자 장치(200)는 523 단계에서 손실 함수를 이용하여, 획득된 이미지들 또는 저해상도 이미지들로부터 변수를 계산할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 521 단계가 생략되는 경우, 프로세서(250)는 획득된 이미지들로부터 변수를 계산할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 521 단계가 수행된 다음, 프로세서(250)는 저해상도 이미지들로부터 변수를 계산할 수 있다. 이 때, 하기 [수학식 5]와 같이 손실 함수가 정의될 수 있다. 그리고, 프로세서(250)는 손실 함수를 이용하여, 하기 [수학식 6]와 같이 저해상도 이미지들로부터 변수를 계산할 수 있다. 523 단계에서, 프로세서(250)는 손실 함수를 계산하기 전, 필요한 경우, 획득된 이미지들 또는 저해상도 이미지들을 양자화(quantization)할 수 있다. The electronic device 200 may calculate variables from acquired images or low-resolution images using a loss function in step 523. According to one embodiment, if step 521 is omitted, the processor 250 may calculate variables from the acquired images. According to another embodiment, after step 521 is performed, the processor 250 may calculate variables from low-resolution images. At this time, the loss function can be defined as shown in [Equation 5] below. Additionally, the processor 250 can use a loss function to calculate variables from low-resolution images as shown in Equation 6 below. In step 523, the processor 250 may quantize the acquired images or low-resolution images, if necessary, before calculating the loss function.

여기서, 는 변수를 나타낼 수 있다. here, and can represent a variable.

전자 장치(200)는 525 단계에서 획득된 이미지들에 대해 변수를 적용하여, 획득된 이미지들로부터 갱신된 두 개의 새로운 이미지들을 획득할 수 있다. 이 때, 프로세서(250)는 하기 [수학식 7]과 같이, 획득된 이미지들에 대해 변수 및 업데이트 비율(λ)을 적용하여, 획득된 이미지들로부터 갱신된 새로운 이미지들을 획득할 수 있다. 이 때, 업데이트 비율(λ)은 0에서 1사이의 값을 가질 수 있다. 525 단계에서 획득된 이미지들은, 고해상도 이미지들일 수 있다. The electronic device 200 may apply variables to the acquired images in step 525 to obtain two new images updated from the acquired images. At this time, the processor 250 may obtain new updated images from the acquired images by applying a variable and an update rate (λ) to the acquired images, as shown in Equation 7 below. At this time, the update rate (λ) may have a value between 0 and 1. Images acquired in step 525 may be high-resolution images.

전술된 설명에서, 획득된 두 이미지들에 대해 동시에 523 단계 및 525 단계가 수행되지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 획득된 이미지들에 대해 순차적으로 523 단계 및 525 단계가 수행될 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 521 단계가 생략되는 경우, 획득된 이미지들에 대해 순차적으로 523 단계 및 525 단계가 수행될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 두 변수 (,)에 대해서 순차적으로 수행될 수 있다. 구체적으로, 521 단계를 통해서 저해상도 이미지를 얻고, 이 이미지들로부터 먼저 하나의 변수(예: )를 계산하고, 이 값으로 두 이미지 중 하나의 이미지(예: v1)의 갱신된 고해상도 이미지(예: u1)를 획득한다. 그 후 이 갱신된 고해상도 이미지를 521 단계를 통해 저해상도 이미지(예: v1)를 얻고, 이 저해상도 이미지와 다른 하나의 이미지(예: v2)에 523 단계 및 525 단계를 수행하여 다른 하나의 변수()를 계산하고 이를 이용하여 다른 하나의 이미지(예: v2)의 고해상도 이미지(예: u2)를 갱신한다. 이와 같은 과정은 반복적으로 수행된 후 527 단계로 진행될 수 있다. In the above description, steps 523 and 525 are performed simultaneously on the two acquired images, but are not limited thereto. That is, steps 523 and 525 may be sequentially performed on the acquired images. According to one embodiment, when step 521 is omitted, steps 523 and 525 may be sequentially performed on the acquired images. According to another embodiment, two variables ( , ) can be performed sequentially. Specifically, through step 521, low-resolution images are obtained, and from these images, one variable (e.g. ), and obtain an updated high-resolution image (e.g., u1) of one of the two images (e.g., v1) with this value. Then, this updated high-resolution image is passed through step 521 to obtain a low-resolution image (e.g. v1), and steps 523 and 525 are performed on this low-resolution image and one other image (e.g. v2) to obtain another variable ( ) and use it to update the high-resolution image (e.g., u2) of another image (e.g., v2). This process can be performed repeatedly and then proceed to step 527.

전자 장치(200)는 527 단계에서 이전의 단계들을 반복할 지의 여부를 판단할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(250)는, 521에서 525 단계를 반복 횟수가 미리 정해진 횟수, 즉 N회에 도달했는 지의 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 반복 횟수가 정해진 횟수에 도달하지 않은 것으로 판단되면, 프로세서(250)는 이전 단계들을 반복해야 하는 것으로 판단하고, 521 단계로 복귀하여, 521에서 525 단계를 반복하여 수행할 수 있다. 한편, 반복 횟수가 정해진 횟수에 도달한 것으로 판단되면, 프로세서(250)는 이전 단계들을 반복하지 않아도 되는 것으로 판단하고, 529 단계로 진행할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 프로세서(250)는, 525 단계에서 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값 이하인 지의 여부를 판단할 수 있다. 여기서, 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값을 초과하는 것으로 판단되면, 프로세서(250)는 이전 단계들을 반복해야 하는 것으로 판단하고, 521 단계로 복귀하여, 521에서 525 단계를 반복하여 수행할 수 있다. 한편, 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값 이하인 것으로 판단되면, 프로세서(250)는 이전 단계들을 반복하지 않아도 되는 것으로 판단하고, 529 단계로 진행할 수 있다. The electronic device 200 may determine whether to repeat previous steps in step 527. According to one embodiment, the processor 250 may determine whether the number of repetitions of steps 521 to 525 has reached a predetermined number, that is, N times. Here, if it is determined that the number of repetitions has not reached the set number, the processor 250 determines that the previous steps must be repeated, returns to step 521, and repeats steps 521 to 525. Meanwhile, if it is determined that the number of repetitions has reached a predetermined number, the processor 250 may determine that there is no need to repeat the previous steps and proceed to step 529. According to another embodiment, the processor 250 may determine whether the amount of mutual information between the images obtained in step 525 is less than or equal to a reference value. Here, if it is determined that the amount of mutual information between the acquired images exceeds the reference value, the processor 250 determines that the previous steps must be repeated, returns to step 521, and repeats steps 521 to 525. there is. Meanwhile, if it is determined that the amount of mutual information between the acquired images is less than the reference value, the processor 250 determines that there is no need to repeat the previous steps and may proceed to step 529.

이를 통해, 521에서 525 단계가 반복됨에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 형광 물질들의 신호들이 점진적으로 분리될 수 있다. 그 결과, 전자 장치(200)는 529 단계에서 최종적으로 획득된 이미지들을 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득할 수 있다. 이 때, 프로세서(250)는 하기 [수학식 8]과 같이, 최종해로서, 상호정보량이 최소화된 이미지들을 획득하며, 이러한 이미지들은 상이한 형광 물질들을 각각 나타낼 수 있다. Through this, as steps 521 to 525 are repeated, the signals of the fluorescent substances can be gradually separated, as shown in FIG. 6. As a result, the electronic device 200 can acquire the images finally obtained in step 529 as images for each of the fluorescent substances. At this time, the processor 250 acquires images with the minimum mutual information amount as the final solution, as shown in Equation 8 below, and these images may each represent different fluorescent substances.

본 개시에 따르면, 이미지 분리 성능이 향상될 수 있다. 기존의 PICASSO 기술은 특이적 형광 물질 선정 및 형광 검출 파장대 선정 전략을 통해 신호 분리 기법을 위해서 유추해야 하는 원소의 수를 극단적으로 감소시켰고, 그 후 상호정보량 최소화를 통해 이를 정확히 유추해냈다. 본 개시에서는 반복적 상호정보량 최소화 전략을 통해 특이적 형광 물질 선정 및 형광 검출 파장대 선정 전략을 제거 및 완화시킬 수 있다. 그리고, 본 개시에서는 두 형광 물질의 신호가 서로 다른 세기로 검출되는 두 이미지를 단계별 α 유추 및 점진적 신호 분리를 통해 두 형광 물질의 신호를 성공적으로 분리해낼 수 있다. 따라서, 본 개시는 기존의 PICASSO 기술에 비해서 신규하다고 할 수 있다. According to the present disclosure, image separation performance can be improved. The existing PICASSO technology drastically reduced the number of elements that must be inferred for the signal separation technique through a strategy of selecting a specific fluorescent material and selecting a fluorescence detection wavelength band, and then accurately inferred them by minimizing the amount of mutual information. In the present disclosure, the strategy of selecting a specific fluorescent material and selecting a fluorescence detection wavelength band can be eliminated and alleviated through an iterative mutual information minimization strategy. In addition, in the present disclosure, the signals of the two fluorescent substances can be successfully separated through step-by-step α inference and gradual signal separation in two images in which the signals of the two fluorescent substances are detected at different intensities. Therefore, the present disclosure can be said to be novel compared to the existing PICASSO technology.

아울러, 본 개시의 결과로, 도 7에 도시된 바와 같이 기존의 PICASSO에서는 달성하기 어려운 방출 스펙트럼의 최대가 되는 파장이 20 nm 이하로 차이나는 두 형광 물질 신호 분리에 성공할 수 있다. 본 개시에서는 반복적 상호정보량 최소화 전략을 통해 형광 검출 파장대의 최적화 과정없이 유사한 방출 스펙트럼을 가진 두 형광 물질의 신호 분리에 성공할 수 있다. 본 개시에서는 형광 검출 파장대 선정 전략을 배제함으로 인해, 첫번째 형광 검출 파장대의 범위를 넓게 설정할 수 있어 신호대잡음비가 올라가며, 이에 따라 기존의 PICASSO에 비해 양질의 신호 분리 이미지를 얻어낼 수 있다. 또한, 본 개시에서는 형광 물질에 특화된 파장대 선정을 하지 않아도 되므로 하드웨어적인 요구사항이 적어지며, 방출필터의 선택이 자유로워질 수 있다. 따라서, 본 개시는 기존의 PICASSO 기술에 비해서 진보하다고 할 수 있다. In addition, as a result of the present disclosure, as shown in FIG. 7, it is possible to successfully separate signals of two fluorescent substances whose wavelengths at the maximum emission spectrum differ by less than 20 nm, which is difficult to achieve in the existing PICASSO. In the present disclosure, through an iterative mutual information minimization strategy, it is possible to successfully separate signals of two fluorescent substances with similar emission spectra without optimization of the fluorescence detection wavelength band. In this disclosure, by excluding the fluorescence detection wavelength band selection strategy, the range of the first fluorescence detection wavelength band can be set widely, increasing the signal-to-noise ratio, and thus obtaining high-quality signal separation images compared to the existing PICASSO. Additionally, in the present disclosure, since there is no need to select a wavelength band specialized for fluorescent materials, hardware requirements are reduced and the selection of the emission filter can be freely performed. Therefore, the present disclosure can be said to be advanced compared to the existing PICASSO technology.

도 8, 도 9 및 도 10은 본 개시의 적용 범위를 설명하기 위한 이미지들이다. Figures 8, 9, and 10 are images for explaining the scope of application of the present disclosure.

본 개시는 신호 분리를 위한 기존의 PICASSO의 전제조건을 제거 및 완화시켜 더 넓은 범위에 적용 가능하다. The present disclosure is applicable to a wider range by removing and relaxing the prerequisites of the existing PICASSO for signal separation.

일 예로, 본 개시에 적용할 수 있는 생체 분자로는, 배양 세포, 동물 조직 절편, 임상 시료 등이 가능하다. 다른 예로, 본 개시는 다종의 항체로 표지된 단백질 혹은 DNA로 표지 된 mRNA을 동시에 이미징하는 것이 가능하다. 또 다른 예로, 본 개시는 시료의 종류, 생체 분자의 종류에 국한되지 않고, 형광 물질이 사용될 수 있는 모든 종류의 시료에서 형광 물질로 표지 가능한 모든 생체 분자를 이미징 하는 데에 사용될 수 있다. For example, biomolecules applicable to the present disclosure include cultured cells, animal tissue fragments, clinical samples, etc. As another example, the present disclosure enables simultaneous imaging of proteins labeled with multiple types of antibodies or mRNA labeled with DNA. As another example, the present disclosure is not limited to the type of sample or type of biomolecule, and can be used to image all biomolecules that can be labeled with a fluorescent substance in all types of samples in which a fluorescent substance can be used.

형광 현미경으로 조직 내부의 생체 분자를 관찰하기 위해서는 생체 조직 내부의 특정 생체 분자를 형광 물질로 표지하는 것이 필요하다. 일반적으로 단백질을 관찰하기 위해서는 형광 물질이 붙어 있는 항체를 사용하고, mRNA를 관찰하는 경우에는 형광 물질이 붙어 있는 올리고뉴클레오타이드 (oligonucleotide)를 사용할 수 있다. 본 개시에서는 단백질을 관찰하기 위해서는 항체를 사용하였고, mRNA를 관찰하기 위해서는 올리고뉴클레오타이드를 사용하였으나, 본 개시는 형광 물질 구분에 대한 기술로, 형광 물질을 사용하는 모든 표지법 혹은 형광 물질이 붙어 있는 모든 표지 분자에 적용 가능하다. In order to observe biomolecules inside tissues with a fluorescence microscope, it is necessary to label specific biomolecules inside the tissues with a fluorescent substance. Generally, to observe proteins, an antibody with a fluorescent substance attached can be used, and when observing mRNA, an oligonucleotide with a fluorescent substance attached can be used. In the present disclosure, antibodies were used to observe proteins, and oligonucleotides were used to observe mRNA. However, the present disclosure is a technology for distinguishing fluorescent substances, and includes all labeling methods using fluorescent substances or all labels with fluorescent substances attached. Applicable to molecules.

본 개시는, 도 8에 도시된 바와 같이, 스펙트랄 디텍터를 갖추고 있는 점스캔 공초점 현미경(point-scanning confocal microscopy)에 의해 구현 가능하고, 도 9에 도시된 바와 같이, 필터 방식의 회전 디스크 공초점 현미경(spinning-disk confocal microscopy)에 의해 구현 가능하다. 뿐만 아니라, 본 개시는, 도 10에 도시된 바와 같이, 필터 방식의 점스캔 공초점 현미경 및 필터 방식의 형광현미경(widefield microscopy), 그리고 특정 파장대의 빛만을 선택적으로 검출할 수 있는 모든 현미경으로 구현 가능하다. The present disclosure can be implemented by a point-scanning confocal microscope equipped with a spectral detector, as shown in Figure 8, and as shown in Figure 9, a filter-type rotating disk ball. It can be implemented by spinning-disk confocal microscopy. In addition, as shown in Figure 10, the present disclosure is implemented with a filter-type point scan confocal microscope, a filter-type fluorescence microscope (widefield microscope), and any microscope that can selectively detect only light in a specific wavelength range. possible.

본 개시에서는 방출 스펙트럼이 서로 겹치는 8개의 형광 물질과 두 개의 large Stokes shift 형광 물질을 사용하여 총 10개의 형광 물질을 동시에 이미징 가능하다. 본 개시는 10개의 형광 물질에 국한되지 않고 모든 형광 물질에 사용할 수 있을 것이다. 본 개시는 방출 스펙트럼이 겹치는 형광 단백질들 혹은 형광 단백질과 형광 물질의 신호를 분리할 수 있다. 본 개시는 반복적 상호정보량 최소화를 통한 α 유추 및 점진적 신호 분리를 통해 기존의 PICASSO의 형광 검출 파장대 선정 전략을 제거했다. 따라서, 검출 파장대를 조절 가능한 스펙트랄 디텍터 및 필터 방식 현미경에 보다 범용적으로 사용할 수 있을 것이다. 본 개시는 반복 염색 기술과도 결합이 가능하며 형광 물질을 사용하는 모든 염색 기술에 적용할 수 있다. 또한, 본 개시는 다양한 이미징 기술들, 예를 들어 조직투명화 기술, 초고해상도 이미징 기술 등에 적용할 수 있다. In the present disclosure, a total of 10 fluorescent substances can be imaged simultaneously by using eight fluorescent substances with overlapping emission spectra and two large Stokes shift fluorescent substances. The present disclosure is not limited to 10 fluorescent materials and can be used for all fluorescent materials. The present disclosure can separate signals of fluorescent proteins whose emission spectra overlap, or between a fluorescent protein and a fluorescent substance. This disclosure eliminates the existing PICASSO fluorescence detection wavelength selection strategy through α inference and gradual signal separation through iterative mutual information minimization. Therefore, it can be used more universally in spectral detectors and filter-type microscopes with adjustable detection wavelengths. The present disclosure can also be combined with repeated dyeing techniques and can be applied to all dyeing techniques using fluorescent substances. Additionally, the present disclosure can be applied to various imaging technologies, such as tissue transparency technology, super-resolution imaging technology, etc.

이상에서 설명한 본 개시의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 개시의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiments of the present disclosure described above are not only implemented through devices and methods, but may also be implemented through programs that implement functions corresponding to the configurations of the embodiments of the present disclosure or recording media on which the programs are recorded.

이상에서 본 개시의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 개시의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 개시의 기본 개념을 이용한 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 개시의 권리범위에 속하는 것이다. Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above, the scope of the rights of the present disclosure is not limited thereto, and various modifications and improvements using the basic concept of the present disclosure defined in the following claims are also included in the scope of the rights of the present disclosure. belongs to

Claims (20)

전자 장치의 동작 방법에 있어서,
상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 두 형광 물질들에 대해, 두 개의 이미지들을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 이미지들 사이에서 공유되는 상호정보량을 반복적으로 감소시키면서, 상기 획득된 이미지들로부터 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계
를 포함하고,
상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계는,
상기 획득된 이미지들에 대해 계산되는 상호정보량 최소화를 위한 변수를 적용하여, 상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 두 개의 새로운 이미지들을 획득하는 단계
를 포함하고, 이로써 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되고,
상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 새로운 이미지들을 획득하는 단계는,
하기 [수학식 i]과 같이 상기 획득된 이미지들을 상기 획득된 이미지들보다 낮은 해상도들의 저해상도 이미지들로 각각 처리하는 단계;
[수학식 i]


여기서, 상기 u1 및 상기 u2는 상기 획득된 이미지들을 나타내고, 상기 v1 및 상기 v2는 상기 저해상도 이미지들을 나타내고, 상기 k는 상기 획득된 이미지들을 상기 저해상도 이미지들로 각각 처리하기 위해 적용되는 팩터를 나타냄,
하기 [수학식 ii]과 같이 정의되는 손실 함수를 이용하여, 하기 [수학식 iii]과 같이 상기 저해상도 이미지들로부터 변수를 계산하는 단계; 및
[수학식 ii]


[수학식 iii]


여기서, 상기 및 상기 는 상기 변수를 나타냄,
하기 [수학식 iv]와 같이 상기 획득된 이미지들에 대해 상기 변수 및 업데이트 비율(λ)을 적용하여, 상기 획득된 이미지들로부터 갱신된 새로운 이미지들을 획득하는 단계
[수학식 iv]


를 포함하는,
방법.
In a method of operating an electronic device,
Acquiring two images for two fluorescent substances each labeled with different biomolecules; and
Separating images for each of the fluorescent substances from the acquired images while iteratively reducing the amount of mutual information shared between the acquired images.
Including,
The step of separating images for each of the fluorescent substances is,
Obtaining two new images updated from the acquired images by applying a variable for minimizing the amount of mutual information calculated for the acquired images.
Includes, whereby the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
The step of acquiring new images updated from the acquired images is,
Processing each of the acquired images into low-resolution images with lower resolution than the acquired images as shown in [Equation i] below;
[Equation i]


Here, the u1 and the u2 represent the acquired images, the v1 and the v2 represent the low-resolution images, and the k represents a factor applied to respectively process the acquired images into the low-resolution images,
Calculating variables from the low-resolution images as shown in [Equation iii] below, using a loss function defined as [Equation ii] below; and
[Equation ii]


[Equation iii]


Here, the above and above represents the above variable,
Obtaining new updated images from the acquired images by applying the variable and update rate (λ) to the acquired images as shown in [Equation iv] below.
[Equation iv]


Including,
method.
제 1 항에 있어서,
상기 이미지들을 획득하는 단계는,
서로로부터 구분되는 상이한 검출 파장대들에서 상기 두 개의 이미지들을 각각 획득하는 단계
를 포함하는,
방법.
According to claim 1,
The step of acquiring the images is,
Acquiring each of the two images at different detection wavelengths distinct from each other.
Including,
method.
제 1 항에 있어서,
상기 획득된 이미지들의 각각에는,
상기 형광 물질들이 둘 다 나타나는,
방법.
According to claim 1,
In each of the acquired images,
Both of the above fluorescent substances appear,
method.
제 3 항에 있어서,
상기 형광 물질들은,
상이한 형광 방출 세기들을 각각 갖고,
상기 획득된 이미지들에는,
상기 형광 물질들이 상이한 신호 세기들로 나타나는,
방법.
According to claim 3,
The fluorescent substances are,
each having different fluorescence emission intensities,
In the acquired images,
wherein the fluorescent substances appear at different signal intensities,
method.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 새로운 이미지들을 획득하는 단계는,
미리 정해진 횟수만큼 반복되며,
상기 획득된 이미지들로부터 새로운 이미지들을 획득하는 단계의 반복이 완료되면, 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되는,
방법.
According to claim 1,
The step of acquiring new images updated from the acquired images is,
Repeated a predetermined number of times,
When the repetition of the step of acquiring new images from the acquired images is completed, the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
method.
제 1 항에 있어서,
상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 새로운 이미지들을 획득하는 단계는,
상기 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값 이하가 될 때까지 반복되며,
상기 획득된 이미지들로부터 새로운 이미지들을 획득하는 단계의 반복이 완료되면, 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되는,
방법.
According to claim 1,
The step of acquiring new images updated from the acquired images is,
This is repeated until the amount of mutual information between the acquired images becomes less than the reference value,
When the repetition of the step of acquiring new images from the acquired images is completed, the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
method.
삭제delete 전자 장치에 있어서,
메모리; 및
상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행하도록 구성된 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 두 형광 물질들에 대해, 두 개의 이미지들을 획득하고,
상기 획득된 이미지들 사이에서 공유되는 상호정보량을 반복적으로 감소시키면서, 상기 획득된 이미지들로부터 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하도록 구성되고,
상기 프로세서는,
상기 획득된 이미지들에 대해 계산되는 상호정보량 최소화를 위한 변수를 적용하여, 상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 두 개의 새로운 이미지들을 획득하는 동작을 수행하도록 구성되고,
이로써, 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되고,
상기 프로세서는, 상기 동작을 수행할 때,
하기 [수학식 i]과 같이 상기 획득된 이미지들을 상기 획득된 이미지들보다 낮은 해상도들의 저해상도 이미지들로 각각 처리하고,
[수학식 i]


여기서, 상기 u1 및 상기 u2는 상기 획득된 이미지들을 나타내고, 상기 v1 및 상기 v2는 상기 저해상도 이미지들을 나타내고, 상기 k는 상기 획득된 이미지들을 상기 저해상도 이미지들로 각각 처리하기 위해 적용되는 팩터를 나타냄,
하기 [수학식 ii]과 같이 정의되는 손실 함수를 이용하여, 하기 [수학식 iii]과 같이 상기 저해상도 이미지들로부터 변수를 계산하고,
[수학식 ii]


[수학식 iii]


여기서, 상기 및 상기 는 상기 변수를 나타냄,
하기 [수학식 iv]와 같이 상기 획득된 이미지들에 대해 상기 변수 및 업데이트 비율(λ)을 적용하여, 상기 획득된 이미지들로부터 갱신된 새로운 이미지들을 획득하도록 구성되는,
[수학식 iv]


전자 장치.
In electronic devices,
Memory; and
a processor coupled to the memory and configured to execute at least one instruction stored in the memory;
The processor,
For two fluorescent substances each labeled with a different biomolecule, two images are acquired,
configured to separate images for each of the fluorescent substances from the acquired images while iteratively reducing the amount of mutual information shared between the acquired images,
The processor,
configured to perform an operation of obtaining two new images updated from the acquired images by applying a variable for minimizing the amount of mutual information calculated for the acquired images,
As a result, the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
When performing the operation, the processor
Each of the acquired images is processed into low-resolution images with lower resolution than the acquired images, as shown in [Equation i] below,
[Equation i]


Here, the u1 and the u2 represent the acquired images, the v1 and the v2 represent the low-resolution images, and the k represents a factor applied to respectively process the acquired images into the low-resolution images,
Using a loss function defined as in [Equation ii] below, variables are calculated from the low-resolution images as in [Equation iii] below,
[Equation ii]


[Equation iii]


Here, the above and above represents the above variable,
Configured to obtain new updated images from the acquired images by applying the variable and update rate (λ) to the acquired images as shown in [Equation iv] below,
[Equation iv]


Electronic devices.
제 9 항에 있어서,
상기 프로세서는,
서로로부터 구분되는 상이한 검출 파장대들에서 상기 두 개의 이미지들을 각각 획득하도록 구성되는,
전자 장치.
According to clause 9,
The processor,
configured to each acquire said two images at different detection wavelength bands distinct from each other,
Electronic devices.
제 9 항에 있어서,
상기 획득된 이미지들의 각각에는,
상기 형광 물질들이 둘 다 나타나는,
전자 장치.
According to clause 9,
In each of the acquired images,
Both of the above fluorescent substances appear,
Electronic devices.
제 11 항에 있어서,
상기 형광 물질들은,
상이한 형광 방출 세기들을 각각 갖고,
상기 획득된 이미지들에는,
상기 형광 물질들이 상이한 신호 세기들로 나타나는,
전자 장치.
According to claim 11,
The fluorescent substances are,
each having different fluorescence emission intensities,
In the obtained images,
wherein the fluorescent substances appear at different signal intensities,
Electronic devices.
삭제delete 제 9 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 동작을 미리 정해진 횟수만큼 반복하도록 구성되고,
상기 동작이 완료되면, 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되는,
전자 장치.
According to clause 9,
The processor,
Configured to repeat the operation a predetermined number of times,
When the operation is completed, the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
Electronic devices.
제 9 항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 동작을 상기 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값 이하가 될 때까지 반복하도록 구성되고,
상기 동작이 완료되면, 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되는,
전자 장치.
According to clause 9,
The processor,
Configured to repeat the operation until the amount of mutual information between the acquired images becomes less than a reference value,
When the operation is completed, the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
Electronic devices.
삭제delete 비-일시적인 컴퓨터-판독 가능 저장 매체에 있어서,
상이한 생체 분자들에 각각 표지되어 있는 두 형광 물질들에 대해, 두 개의 이미지들을 획득하는 단계; 및
상기 획득된 이미지들 사이에서 공유되는 상호정보량을 반복적으로 감소시키면서, 상기 획득된 이미지들로부터 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계
를 포함하는 방법을 실행하기 위한 하나 이상의 프로그램들을 저장하고,
상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들을 분리하는 단계는,
상기 획득된 이미지들에 대해 계산되는 상호정보량 최소화를 위한 변수를 적용하여, 상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 두 개의 새로운 이미지들을 획득하는 단계
를 포함하고, 이로써 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되고,
상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 새로운 이미지들을 획득하는 단계는,
하기 [수학식 i]과 같이 상기 획득된 이미지들을 상기 획득된 이미지들보다 낮은 해상도들의 저해상도 이미지들로 각각 처리하는 단계;
[수학식 i]


여기서, 상기 u1 및 상기 u2는 상기 획득된 이미지들을 나타내고, 상기 v1 및 상기 v2는 상기 저해상도 이미지들을 나타내고, 상기 k는 상기 획득된 이미지들을 상기 저해상도 이미지들로 각각 처리하기 위해 적용되는 팩터를 나타냄,
하기 [수학식 ii]과 같이 정의되는 손실 함수를 이용하여, 하기 [수학식 iii]과 같이 상기 저해상도 이미지들로부터 변수를 계산하는 단계; 및
[수학식 ii]


[수학식 iii]


여기서, 상기 및 상기 는 상기 변수를 나타냄,
하기 [수학식 iv]와 같이 상기 획득된 이미지들에 대해 상기 변수 및 업데이트 비율(λ)을 적용하여, 상기 획득된 이미지들로부터 갱신된 새로운 이미지들을 획득하는 단계
[수학식 iv]


를 포함하는,
비-일시적인 컴퓨터-판독 가능 저장 매체.
In a non-transitory computer-readable storage medium,
Acquiring two images for two fluorescent substances each labeled with different biomolecules; and
Separating images for each of the fluorescent substances from the acquired images while iteratively reducing the amount of mutual information shared between the acquired images.
Store one or more programs for executing a method including,
The step of separating images for each of the fluorescent substances is,
Obtaining two new images updated from the acquired images by applying a variable for minimizing the amount of mutual information calculated for the acquired images.
Includes, whereby the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
The step of acquiring new images updated from the acquired images is,
Processing each of the acquired images into low-resolution images with lower resolution than the acquired images as shown in [Equation i] below;
[Equation i]


Here, the u1 and the u2 represent the acquired images, the v1 and the v2 represent the low-resolution images, and the k represents a factor applied to respectively process the acquired images into the low-resolution images,
Calculating variables from the low-resolution images as shown in [Equation iii] below, using a loss function defined as [Equation ii] below; and
[Equation ii]


[Equation iii]


Here, the above and above represents the above variable,
Obtaining new updated images from the acquired images by applying the variable and update rate (λ) to the acquired images as shown in [Equation iv] below.
[Equation iv]


Including,
Non-transitory computer-readable storage media.
제 17 항에 있어서,
상기 이미지들을 획득하는 단계는,
서로로부터 구분되는 상이한 검출 파장대들에서 상기 두 개의 이미지들을 각각 획득하는 단계
를 포함하는,
비-일시적인 컴퓨터-판독 가능 저장 매체.
According to claim 17,
The step of acquiring the images is,
Acquiring each of the two images at different detection wavelengths distinct from each other.
Including,
Non-transitory computer-readable storage media.
삭제delete 제 17 항에 있어서,
상기 획득된 이미지들로부터 갱신되는 새로운 이미지들을 획득하는 단계는,
미리 정해진 횟수만큼, 또는 상기 획득된 이미지들 사이의 상호정보량이 기준값 이하가 될 때까지 반복되며,
상기 획득된 이미지들로부터 새로운 이미지들을 획득하는 단계의 반복이 완료되면, 상기 획득된 이미지들이 상기 형광 물질들 각각에 대한 이미지들로 획득되는,
비-일시적인 컴퓨터-판독 가능 저장 매체.
According to claim 17,
The step of acquiring new images updated from the acquired images is,
This is repeated a predetermined number of times or until the amount of mutual information between the acquired images falls below a reference value,
When the repetition of the step of acquiring new images from the acquired images is completed, the acquired images are obtained as images for each of the fluorescent substances,
Non-transitory computer-readable storage media.
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