KR102712830B1 - Method for quantitative analysis of target gene and device using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 및 이를 이용하는 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석 방법은, 공초점형 (confocal) 렌즈 기반의 정량 분석용 디바이스를 이용하여, 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 복수의 제1 시트 (sheet) 이미지를 획득하는 단계, 인공 지능 알고리즘 기반의 광학 모델을 이용하여, 복수의 제1 시트 이미지에 기초하여 제2 시트 이미지를 획득하는 단계, 및 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함한다.A device for quantitative analysis of a target gene and a method for using the same according to an embodiment of the present invention are provided. A method for quantitative analysis of a target gene according to an embodiment of the present invention includes a step of obtaining a plurality of first sheet images of micro-droplets containing a target gene and a fluorescent substance using a confocal lens-based quantitative analysis device, a step of obtaining a second sheet image based on the plurality of first sheet images using an optical model based on an artificial intelligence algorithm, and a step of performing quantitative analysis of the target gene based on the fluorescence intensity of the micro-droplets in the second sheet images.
Description
본 발명은 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 및 이를 이용하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device for quantitative analysis of a target gene and a method of using the same.
생명과학, 유전공학 및 의학 분야 등의 연구개발 및 진단 목적으로 DNA 증폭기술이 광범위하게 활용되고 있으며, 그 중 중합효소 연쇄반응 (Polymerase Chain Reaction; PCR) 을 이용한 DNA 증폭기술이 널리 활용되고 있다.DNA amplification technology is widely used for research and development and diagnostic purposes in the fields of life sciences, genetic engineering, and medicine, and among them, DNA amplification technology using polymerase chain reaction (PCR) is widely used.
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.Specifically, PCR is a molecular biology technique for replicating DNA from isolated biological samples, and is routinely used for a variety of tasks, such as diagnosing infectious diseases, detecting hereditary diseases, identifying genetic fingerprints, cloning genes, paternity testing, genotyping, gene sequencing, and DNA computing.
특히, 디지털 PCR (Digital Polymerase Chain Reaction; dPCR) 기술은 기존의 시료를 나노 리터 부피의 미세 액적으로 나누고, 그 안에 들어 있는 표적 유전자의 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.In particular, digital PCR (Digital Polymerase Chain Reaction; dPCR) technology is a genetic testing method that divides existing samples into nanoliter-volume microdroplets and observes the fluorescence changes of target genes contained therein. This digital PCR has very high sensitivity and enables absolute quantitative analysis, so it is widely used in genetic analysis, biomarker development, and genetic base sequence analysis.
한편, 디지털 PCR 기술은 절대 정량 분석이 가능함에 따라, 2세대의 RT (real-time PCR) 의 단점을 보완할 수 있으나, 기하광학 리더기에 기초함에 따라 광 간섭의 발생, 별도의 형광 리더기의 이용, 낮은 형광 강도의 이유로 분석 단계에서 한계가 여전히 존재할 수 있다.Meanwhile, digital PCR technology can complement the shortcomings of the second-generation RT (real-time PCR) by enabling absolute quantitative analysis, but since it is based on a geometrical optical reader, there may still be limitations in the analysis stage due to the occurrence of optical interference, the use of a separate fluorescence reader, and low fluorescence intensity.
따라서, 종래의 디지털 PCR의 한계를 극복하고, 시료 내의 표적 유전자에 대한 정밀도 높은 분석이 가능한, 새로운 표적 유전자의 정량 분석 시스템의 개발이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다. Therefore, there is a continuous demand for the development of a new quantitative analysis system for target genes that can overcome the limitations of conventional digital PCR and enable high-precision analysis of target genes in samples.
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.The background technology of the invention has been written to facilitate understanding of the present invention. It should not be understood that the matters described in the background technology of the invention are recognized as prior art.
한편, 본 발명의 발명자들은, 종래의 디지털 PCR 기술에서, 표적 유전자의 정량 분석을 위해 PCR 단계가 종료된 미세 액적을 채널 형태의 검출부로 유동시키면서 수행되며, 기하광학 리더기를 기반으로 함에 따른 한계에 주목하였다.Meanwhile, the inventors of the present invention have noted the limitations of conventional digital PCR technology, which is based on a geometrical optical reader and is performed by flowing microdroplets, at which the PCR step is completed, into a channel-shaped detection section for quantitative analysis of target genes.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 종래의 디지털 PCR 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.More specifically, the inventors of the present invention were able to recognize that, in the case of conventional digital PCR technology, since the intensity of fluorescent material for each micro droplet flowing to the detection unit is analyzed, the analysis time is long, an expensive PMT (Photo Multiplier Tube) is required, droplet reproduction may be required, and errors in quantitative analysis may occur due to light interference.
이에, 본 발명의 발명자들은, 미세 액적에 대한 이미지 기반의 정량 분석이 전술한 문제점을 해결할 수 있음에 주목하였다.Accordingly, the inventors of the present invention noted that image-based quantitative analysis of microdroplets can solve the above-mentioned problems.
특히, 본 발명의 발명자들은, 표적 유전자와 형광 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 이미지를 획득하여 정량 분석을 수행함으로써 종래의 디지털 PCR이 갖는 한계를 극복할 수 있음에 주목하였다.In particular, the inventors of the present invention noted that the limitations of conventional digital PCR can be overcome by acquiring images of microdroplets containing target genes and fluorescent substances and performing quantitative analysis.
그 결과, 본 발명의 발명자들은, 미세 액적의 유동 없이도 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 검출이 가능하며, 보다 빠른 표적 유전자의 정량 분석이 가능한 미세 액적 이미지 기반의 새로운 표적 유전자 정량 시스템을 개발하기에 이르렀다.As a result, the inventors of the present invention have developed a new target gene quantification system based on microdroplet images that enables detection of target genes within microdroplets without the flow of microdroplets and enables faster quantitative analysis of target genes.
이때, 본 발명의 발명자들은, 3D 형태로 재구성된 미세 액적 이미지에 기초하여 정량 분석을 수행하도록 표적 유전자 정량 시스템을 설계할 수 있었다. At this time, the inventors of the present invention were able to design a target gene quantification system to perform quantitative analysis based on micro-droplet images reconstructed in a 3D form.
그 결과, 미세 액적, 나아가 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 정밀한 정량 분석이 가능함을 기대할 수 있었다.As a result, it was expected that precise quantitative analysis of microdroplets and target genes within microdroplets would be possible.
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. In particular, the inventors of the present invention expected that since analysis of microdroplet units is possible, detection of viruses present in trace amounts would be possible, and differentiation of asymptomatic viral infection patients would be easy.
또한, 본 발명의 발명자들은, 새로운 표적 유전자 정량 시스템에 대하여 인공 지능 기반 알고리즘을 더욱 적용하고자 하였다.In addition, the inventors of the present invention sought to further apply artificial intelligence-based algorithms to a novel target gene quantification system.
보다 구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 저해상도의 이미지를 고해상도의 이미지로 복원하도록 학습된 광학 모델을 새로운 표적 유전자 정량 시스템에 대하여 적용하고자 하였고, 이로 하여금 진단 기술의 고도화가 가능함을 기대할 수 있었다.More specifically, the inventors of the present invention sought to apply an optical model learned to restore a low-resolution image to a high-resolution image to a new target gene quantification system, and expected that this would enable advancement of diagnostic technology.
관련하여, 본 발명의 발명자들은 저성능의 렌즈를 사용하더라도, 표적 유전자에 대한 정밀도 높은 정량 분석이 가능함을 기대할 수 있었다.In this regard, the inventors of the present invention expected that high-precision quantitative analysis of target genes would be possible even when using low-performance lenses.
이에, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공초점형 (confocal) 렌즈 기반의 미세 액적에 대한 시트 이미지를 수신하고, 인공지능 알고리즘 기반 광학 모델을 이용하여 고해상도의 시트 이미지를 획득하고 이를 기초로 표적 유전자에 대한 정량 분석을 수행하도록 구성된, 표적 유전자의 정량 분석 방법 및 이를 이용한 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스를 제공하는 것이다. Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for quantitative analysis of a target gene and a device for quantitative analysis of a target gene using the same, which is configured to receive a sheet image of a micro droplet based on a confocal lens, obtain a high-resolution sheet image using an optical model based on an artificial intelligence algorithm, and perform quantitative analysis on a target gene based on the sheet image.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석 방법이 제공된다. In order to solve the above-described task, a method for quantitative analysis of a target gene according to one embodiment of the present invention is provided.
본 발명의 일 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석 방법은, 공초점형 (confocal) 렌즈 기반의 정량 분석용 디바이스를 이용하여, 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 복수의 제1 시트 (sheet) 이미지를 획득하는 단계, 인공 지능 알고리즘 기반의 광학 모델을 이용하여, 복수의 제1 시트 이미지에 기초하여 복수의 제2 시트 이미지를 획득하는 단계, 및 복수의 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함한다.A method for quantitative analysis of a target gene according to one embodiment of the present invention includes the steps of: obtaining a plurality of first sheet images of micro-droplets including a target gene and a fluorescent substance using a confocal lens-based quantitative analysis device; obtaining a plurality of second sheet images based on the plurality of first sheet images using an optical model based on an artificial intelligence algorithm; and performing quantitative analysis of the target gene based on fluorescence intensities of micro-droplets in the plurality of second sheet images.
본 발명의 특징에 따르면, 복수의 제1 시트 이미지를 획득하는 단계는, 튜브 내의 PCR이 완료된 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 시트 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.According to a feature of the present invention, the step of acquiring a plurality of first sheet images may include a step of acquiring sheet images for microdroplets containing target genes and fluorescent substances for which PCR has been completed within the tube.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 튜브는 복수 개이고, 복수의 제1 시트 이미지를 획득하는 단계는, 복수 개의 튜브를 일렬로 배치하는 단계, 일렬로 배치된 복수 개의 튜브 각각을 일방향으로 이동하도록 제어하는 단계, 및 일방향으로 이동하는 동안 정량 분석용 디바이스를 이용하여, 미세 액적을 포함하는 튜브에 대한 제1 시트 이미지를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the tubes are plural, and the step of obtaining a plurality of first sheet images may include the steps of arranging the plurality of tubes in a row, the step of controlling each of the plurality of tubes arranged in a row to move in one direction, and the step of obtaining a first sheet image for a tube including a microdroplet using a quantitative analysis device while moving in one direction.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은, 복수의 제2 시트 이미지를 획득하는 단계 이후에, 복수의 제2 시트 이미지를 기초로 3차원 이미지를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 정량 분석을 수행하는 단계는, 3차원 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the method may further include, after the step of acquiring a plurality of second sheet images, a step of generating a three-dimensional image based on the plurality of second sheet images. In this case, the step of performing quantitative analysis may include a step of performing quantitative analysis of a target gene based on the fluorescence intensity of microdroplets within the three-dimensional image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 정량 분석을 수행하는 단계는, 3차원 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적을 계수하는 단계를 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the step of performing quantitative analysis may include the step of counting microdroplets expressing fluorescence within the three-dimensional image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 정량 분석을 수행하는 단계는, 3차원 이미지 내의 형광 강도에 기초하여, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the step of performing quantitative analysis may include the step of performing quantitative analysis of a target gene for each microdroplet based on fluorescence intensity within a three-dimensional image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은, 3차원 이미지를 생성하는 단계 이후에, 미세 액적 각각의 크기를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the method may further include, after the step of generating a three-dimensional image, a step of determining the size of each microdroplet.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 정량 분석을 수행하는 단계는, 미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적을 검출하도록 구성된 예측 모델을 이용하여, 복수의 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 개수를 예측하는 단계를 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the step of performing quantitative analysis may include the step of predicting the number of micro-droplets in the plurality of second sheet images using a prediction model configured to detect micro-droplets by taking as input images of micro-droplets.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 광학 모델은, 학습용 저해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 학습하는 단계를 통해 학습된 모델일 수 있다.According to another feature of the present invention, the optical model may be a model learned through a step of learning to reconstruct a low-resolution image for learning into a high-resolution image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 방법은, 학습하는 단계 이후에, 재구성된 고해상도 이미지를 학습용 중해상도 이미지로 전환하는 단계, 및 학습용 중해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 재학습하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the method may further include, after the learning step, a step of converting the reconstructed high-resolution image into a medium-resolution image for learning, and a step of re-learning the medium-resolution image for learning to reconstruct it into a high-resolution image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 복수의 제2 시트 이미지를 획득하는 단계는, 광학 모델을 이용하여, 복수의 제1 시트 이미지와 기저장된 재구성된 고해상도 이미지를 비교하여, 고해상도의 제2 시트 이미지로 전환하는 단계를 포함할 수 있다.According to another feature of the present invention, the step of acquiring a plurality of second sheet images may include a step of comparing the plurality of first sheet images with a previously stored reconstructed high-resolution image using an optical model to convert the same into a high-resolution second sheet image.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스가 제공된다. 상기 디바이스는, PCR (polymerase chain reaction) 이 완료된 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적이 배치된 튜브; 튜브의 적어도 일면에 광을 조사하는 광원; 튜브의 적어도 일면에 대응하는 공초점형 (confocal) 렌즈; 광원을 통해 조사된 광과 상이한 방향에 배치되고, 튜브 내의 미세 액적에 대한 복수의 제1 시트 이미지를 제공하도록 구성된 이미지 센서, 및 이미지 센서와 동작가능하게 연결된 프로세서를 포함한다. 이때, 프로세서는, 인공 지능 알고리즘 기반의 광학 모델을 이용하여, 복수의 제1 시트 이미지에 기초하여 복수의 제2 시트 이미지를 획득하고, 복수의 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 구성된다.In order to solve the problem described above, a device for quantitative analysis of a target gene according to another embodiment of the present invention is provided. The device includes: a tube in which microdroplets containing a target gene for which polymerase chain reaction (PCR) has been completed and a fluorescent material are arranged; a light source for irradiating light to at least one surface of the tube; a confocal lens corresponding to at least one surface of the tube; an image sensor arranged in a different direction from the light irradiated through the light source and configured to provide a plurality of first sheet images of the microdroplets in the tube; and a processor operably connected to the image sensor. At this time, the processor is configured to acquire a plurality of second sheet images based on the plurality of first sheet images, and perform quantitative analysis of the target gene based on the fluorescence intensities of the microdroplets in the plurality of second sheet images, by using an optical model based on an artificial intelligence algorithm.
본 발명의 특징에 따르면, 상기 디바이스는 튜브가 배치되고, 배치된 튜브가 일 방향으로 이동하도록 제어하는, 튜브 제어부를 더 포함할 수 있다.According to a feature of the present invention, the device may further include a tube control unit that arranges a tube and controls the arranged tube to move in one direction.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 프로세서는, 복수의 제2 시트 이미지를 기초로 3차원 이미지를 생성하고, 3차원 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 더 구성될 수 있다.According to another feature of the present invention, the processor may be further configured to generate a three-dimensional image based on a plurality of second sheet images, and perform quantitative analysis of a target gene based on fluorescence intensity of micro-droplets within the three-dimensional image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 프로세서는 3차원 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적을 계수하도록 더 구성될 수 있다.According to another feature of the present invention, the processor may be further configured to count microdroplets that exhibit fluorescence within the three-dimensional image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 프로세서는, 3차원 이미지 내의 형광 강도에 기초하여, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 더 구성될 수 있다.According to another feature of the present invention, the processor may be further configured to perform quantitative analysis of a target gene for each microdroplet based on fluorescence intensity within the three-dimensional image.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 프로세서는, 미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적을 검출하도록 구성된 예측 모델을 이용하여, 복수의 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 개수를 예측하도록 더 구성될 수 있다.According to another feature of the present invention, the processor may be further configured to predict the number of microdroplets within the plurality of second sheet images using a predictive model configured to detect microdroplets by taking as input images of microdroplets.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 광학 모델은, 학습용 저해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 학습하는 단계를 통해 학습된 모델일 수 있다. According to another feature of the present invention, the optical model may be a model learned through a step of learning to reconstruct a low-resolution image for learning into a high-resolution image.
기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명은, 미세 액적의 유동 없이도 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 검출이 가능한, 미세 액적 이미지 기반의 새로운 표적 유전자 정량 시스템을 제공할 수 있다.The present invention can provide a novel target gene quantification system based on microdroplet images, which can detect target genes within microdroplets without the flow of microdroplets.
보다 구체적으로, 본 발명은, 인공 지능 알고리즘에 기초하여 재구성된 고해상도의 미세 액적 이미지에 기초하여 정량 분석을 수행하도록 구성된 표적 유전자 정량 시스템을 제공할 수 있다. More specifically, the present invention can provide a target gene quantification system configured to perform quantitative analysis based on a high-resolution micro-droplet image reconstructed based on an artificial intelligence algorithm.
특히, 본 발명은 3D 형태로 재구성된 미세 액적 이미지에 기초하여 정량 분석을 수행하도록 구성된 표적 유전자 정량 시스템을 제공함에 따라, 미세 액적, 나아가 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 정밀한 정량 분석이 가능할 수 있다. In particular, the present invention provides a target gene quantification system configured to perform quantitative analysis based on a micro-droplet image reconstructed in a 3D form, thereby enabling precise quantitative analysis of micro-droplets and, further, target genes within the micro-droplets.
이에, 본 발명은, 검출 채널로 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 수도 있는 종래의 디지털 PCR 기술이 갖는 한계를 극복할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, the present invention has the effect of overcoming the limitations of conventional digital PCR technology, which requires a long analysis time by analyzing the intensity of fluorescent material for each microdroplet flowing into a detection channel, requires an expensive PMT (Photo Multiplier Tube), may require droplet reproduction, and may cause errors in quantitative analysis due to light interference.
특히, 본 발명은 종래의 디지털 PCR보다, 표적 유전자의 정량 분석 시간을 단축시킬 수 있어, 다량의 시료에 대하여 빠르고 정밀한 분석 결과를 제공할 수 있다. In particular, the present invention can shorten the quantitative analysis time of a target gene compared to conventional digital PCR, thereby providing fast and precise analysis results for a large number of samples.
나아가, 본 발명은 미세 액적 단위의 분석이 가능함에 따라, 미량으로 존재하는 바이러스의 검출이 가능하며, 무증상의 바이러스 감염증 환자의 구별의 용이함을 제공할 수 있다.Furthermore, since the present invention enables analysis of microdroplet units, it enables detection of viruses present in trace amounts, and can provide ease in distinguishing asymptomatic viral infection patients.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.The effects according to the present invention are not limited to those exemplified above, and more diverse effects are included in this specification.
도 1a 및 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스에 기초한 통합 장비의 구성을 예시적으로 도시한 것이다.
도 2b는 표적 유전자의 존재 여부에 따른 PCR 반응 이후 미세 액적을 예시적으로 도시한 것이다.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스를 이용한 표적 유전자의 정량 분석의 절차를 예시적으로 도시한 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스의 광학 모델의 학습 절차를 예시적으로 도시한 것이다.FIGS. 1A and 1B illustrate the structure and configuration of a device for quantitative analysis of a target gene used in various embodiments of the present invention.
FIG. 2a illustrates an exemplary configuration of an integrated device based on a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
Figure 2b illustrates an example of microdroplets after a PCR reaction depending on the presence or absence of a target gene.
FIGS. 3A to 3D illustrate an example of a procedure for quantitative analysis of a target gene using a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
FIGS. 4A and 4B illustrate an example of a learning procedure of an optical model of a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
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. The advantages of the invention and the method for achieving them will become apparent by referring to the embodiments described in detail below together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and these embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete and to fully inform those skilled in the art of the scope of the invention, and the present invention is defined only by the scope of the claims.
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.The shapes, sizes, ratios, angles, numbers, etc. disclosed in the drawings for explaining embodiments of the present invention are exemplary, and therefore the present invention is not limited to the matters illustrated. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. When the terms “includes,” “has,” “consists of,” etc. are used in this specification, other parts may be added unless “only” is used. When a component is expressed in the singular, it includes a case where the plural is included unless there is a specifically explicit description.
구성요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.When interpreting components, it is interpreted as including the error range even if there is no separate explicit description.
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.The individual features of the various embodiments of the present invention may be partially or wholly combined or combined with each other, and as can be fully understood by those skilled in the art, various technical connections and operations are possible, and each embodiment may be implemented independently of each other or may be implemented together in a related relationship.
본 명세서의 해석의 명확함을 위해, 이하에서는 본 명세서에서 사용되는 용어들을 정의하기로 한다.For clarity in the interpretation of this specification, the terms used in this specification are defined below.
본 명세서에서 사용되는 용어, "시료"는 분석하고자 하는 상의 유체 시료를 의미할 수 있다. 예를 들어, 유체 시료는, 검출 대상을 포함하는 미세 액적, 나아가 세포 용해물, 전혈, 혈장, 혈청, 침, 안구액, 뇌척수액, 땀, 뇨, 젖, 복수액, 활액 및 복막액일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. The term "sample" as used herein may mean a fluid sample to be analyzed. For example, the fluid sample may be, but is not limited to, microdroplets containing a detection target, and further, cell lysates, whole blood, plasma, serum, saliva, ocular fluid, cerebrospinal fluid, sweat, urine, milk, ascites fluid, synovial fluid, and peritoneal fluid.
한편, 시료 내의 표적 유전자는, 특정 DNA 또는 RNA일 수 있다. 바람직하게, 표적 유전자는 특정 바이러스에 대한 RNA일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. Meanwhile, the target gene in the sample may be a specific DNA or RNA. Preferably, the target gene may be RNA for a specific virus, but is not limited thereto.
본 명세서에서 사용되는 용어, "미세 액적"은 디지털 PCR을 위한 미세 방울로서, 증폭 대상이 되는 표적 유전자 (또는 비표적 유전자), 형광 물질, PCR을 위한 시료를 포함할 수 있다. 나아가, 미세 액적은 PCR이 완료된 표적 유전자와 형광 물질을 포함할 수도 있다. As used herein, the term "microdroplet" refers to a microdroplet for digital PCR, which may contain a target gene (or non-target gene) to be amplified, a fluorescent substance, and a sample for PCR. Furthermore, the microdroplet may contain a target gene for which PCR has been completed and a fluorescent substance.
이때, 미세 액적은 시료와 비혼화 성질을 갖는 오일의 접촉에 의해 생성될 수 있다.At this time, microdroplets can be generated by contact between the sample and oil having immiscible properties.
본 명세서에서 사용되는 용어, "공초점형 렌즈"는 특수한 핀홀 (pinhole) 을 사용하여 초점 거리에 일치하는 광학 영상을 선택적으로 제공하는 렌즈로서, 초점 거리의 조절에 따라 3D 이미지의 제공이 가능할 수 있다.As used herein, the term "confocal lens" refers to a lens that selectively provides an optical image matching the focal length by using a special pinhole, and can provide a 3D image depending on the adjustment of the focal length.
즉, 공초점형 렌즈와 이미지 센서에 의해 시트 형태의 미세 액적에 대한 이미지의 획득이 가능할 수 있다.That is, it is possible to acquire images of sheet-shaped microdroplets using a confocal lens and an image sensor.
본 명세서에서 사용되는 용어, "시트 이미지"는 3D 형태의 미세 액적을 이루는 복수의 슬라이스 (slice) 이미지를 의미할 수 있다. 이때, 시트 이미지는, 공초점형 렌즈 기반의 디바이스로부터 획득 가능한 이미지로서, 표적 유전자의 증폭이 일어나 형광을 발현하는 미세 액적에 의한 광학 시트 이미지에 대응할 수도 있다.The term "sheet image" as used herein may mean a plurality of slice images forming a 3D microdroplet. In this case, the sheet image may correspond to an optical sheet image obtained from a confocal lens-based device by a microdroplet that fluoresces when a target gene is amplified.
한편, 본 발명의 특징에 따르면, 시트 이미지는, 미세 액적을 포함하는 튜브로부터 획득될 수 있다. 즉, 시트 이미지는 미세 액적이 존재하는 튜브의 이미지일 수 있다. Meanwhile, according to a feature of the present invention, the sheet image can be obtained from a tube including microdroplets. That is, the sheet image can be an image of a tube in which microdroplets exist.
또한, 시트 이미지는 일 방향으로 이동하는 튜브에 대한 스틸 컷 이미지일 수도 있다.Additionally, the sheet image may be a still cut image of a tube moving in one direction.
본 명세서에서 사용되는 용어, "제1 시트 이미지"는 공초점형 렌즈 기반의 디바이스로부터 획득된 원본의 시트 이미지로서, 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적 (또는, 미세 액적을 포함하는 튜브) 에 대한 시트 이미지를 의미할 수 있다. 이때, 미세 액적은 전술한 바와 같이 PCR 반응에 따라 증폭된 표적 유전자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As used herein, the term "first sheet image" may mean an original sheet image obtained from a confocal lens-based device, which may refer to a sheet image of a microdroplet (or a tube including a microdroplet) containing a target gene and a fluorescent material. In this case, the microdroplet may contain a target gene amplified according to a PCR reaction as described above, but is not limited thereto.
본 명세서에서 사용되는 용어, "제2 시트 이미지"는 제1 시트 이미지로부터 해상도 (또는, 화질) 가 개선된 이미지를 의미할 수 있다. 즉, 제2 시트 이미지는, 제1 시트 이미지보다 해상도가 높을 수 있다. 따라서, 제2 시트 이미지는, 제1 시트 이미지보다 미세 액적에 대한 정량 분석이 용이할 수 있다. The term "second sheet image" as used herein may mean an image with improved resolution (or image quality) from the first sheet image. That is, the second sheet image may have a higher resolution than the first sheet image. Accordingly, the second sheet image may facilitate quantitative analysis of fine droplets than the first sheet image.
본 명세서에서 사용되는 용어, "광학 모델"은 저해상도 (또는, 저화질) 의 이미지를 고해상도 (또는, 고화질) 이미지로 변환시키도록 구성된, 인공지능 알고리즘 기반의 모델일 수 있다.As used herein, the term “optical model” may be an artificial intelligence algorithm-based model configured to convert a low-resolution (or, low-quality) image into a high-resolution (or, high-quality) image.
보다 구체적으로, 광학 모델은, 저해상도의 미세 액적에 대한 학습용 이미지를 입력으로 하여, 원래의 고해상도의 미세 액적 이미지로 복원하도록 학습된 모델일 수 있다.More specifically, the optical model may be a model trained to take as input a training image of a low-resolution microdroplet and restore it to an original high-resolution microdroplet image.
즉, 광학 모델은, 제1 시트 이미지를 재구성하여, 고해상도의 제2 시트 이미지를 출력하도록 학습될 수 있다. That is, the optical model can be trained to reconstruct the first sheet image and output a high-resolution second sheet image.
이때, 학습에 이용되는 저해상도의 이미지는, 고해상도의 미세 액적에 대한 이미지 (또는, 미세 액적을 포함하는 튜브 이미지) 가 저해상도로 전환된 이미지일 수 있다.At this time, the low-resolution image used for learning may be an image converted from a high-resolution image of a microdroplet (or an image of a tube including a microdroplet) to a low-resolution image.
본 발명의 특징에 따르면, 광학 모델은, 컨볼루션 레이어 (Convolutional Layer) 를 사용하는 CNN (Convolutional Neural Network) 기반의 모델일 수 있다. 예를 들어, 광학 모델은 GAN (Generative Adversarial Network) 기반, VDSR (Very Deep Super Resolution) 기반, SRUGAN (Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network) 기반, DCGAN (Deep Convolution GAN), iGAN (Interactive GAN) 기반, 또는 StackGAN (Stacked GAN) 기반의 해상도 복원 알고리즘에 기초할 수 있다.According to a feature of the present invention, the optical model may be a CNN (Convolutional Neural Network)-based model using a convolutional layer. For example, the optical model may be based on a resolution restoration algorithm based on a GAN (Generative Adversarial Network), a VDSR (Very Deep Super Resolution), a SRUGAN (Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network), a DCGAN (Deep Convolution GAN), an iGAN (Interactive GAN), or a StackGAN (Stacked GAN).
이에, 광학 모델은, 저화질의 이미지를 제공하는 저성능의 렌즈를 이용하는 등의 다양한 촬영 조건에서 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 정밀한 정량 분석 결과를 제공할 수 있다.Accordingly, the optical model can provide precise quantitative analysis results for target genes within microdroplets under various shooting conditions, such as using low-performance lenses that provide low-quality images.
본 명세서에서 사용되는 용어, "예측 모델"은 미세 액적에 대한 시트 이미지를 입력으로 하여, 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적의 개수를 예측하도록 학습된 모델일 수 있다.As used herein, the term "predictive model" may be a model trained to predict the number of microdroplets that express fluorescence within the image, given a sheet image of microdroplets as input.
즉, 예측 모델은 이미지 내에서 형광 발현 미세 액적을 검출하여, 표적 유전자의 정량 값을 제공하도록 구성될 수 있다.That is, the prediction model can be configured to detect fluorescently expressed microdroplets within an image and provide quantitative values of target genes.
이때, 예측 모델은, Segnet, Unet, faster rcnn, FCN 또는 Voxnet 기반의 영상 분할을 위한 딥러닝 알고리즘에 기초할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.At this time, the prediction model may be based on a deep learning algorithm for image segmentation, such as, but not limited to, Segnet, Unet, faster rcnn, FCN or Voxnet.
이하에서는, 1a 및 1b를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 및 이의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, with reference to 1a and 1b, a device for quantitative analysis of a target gene and its configuration according to various embodiments of the present invention will be specifically described.
도 1a 및 1b는 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스의 구조 및 이의 구성들을 예시적으로 도시한 것이다. FIGS. 1A and 1B illustrate the structure and configuration of a device for quantitative analysis of a target gene used in various embodiments of the present invention.
먼저, 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 는, 미세 액적, 특히 PCR이 완료된 미세 액적과 형광 물질을 포함하는 튜브 (110), 튜브 (110) 가 배치되고, 배치된 튜브를 일 방향으로 이동하도록 제어하는 튜브 제어부 (120), 공초점형 렌즈 (210), 광원 (310), 시트 이미지 제공을 위한 이미지 센서 (400) 및 이와 통신하도록 구성된 프로세서 (500) 로 이루어질 수 있다. First, referring to FIG. 1A, a device (1000) for quantitative analysis of a target gene according to one embodiment of the present invention may be composed of a tube (110) including microdroplets, particularly microdroplets in which PCR has been completed, and a fluorescent substance, a tube control unit (120) in which the tube (110) is placed and which controls the placed tube to move in one direction, a confocal lens (210), a light source (310), an image sensor (400) for providing a sheet image, and a processor (500) configured to communicate with the same.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 는, 미세 액적을 포함하는 튜브 (110) 의 근접한 위치에 배치된 대물 렌즈 (220a, 220b), 광원의 방향을 전환하는 반사부 (320) 를 더 포함할 수 있다.At this time, the device (1000) for quantitative analysis of a target gene according to one embodiment of the present invention may further include an objective lens (220a, 220b) positioned in the vicinity of a tube (110) containing microdroplets, and a reflector (320) for changing the direction of a light source.
보다 구체적으로, 광원 (310) 및 반사부 (320) 를 통해 튜브 (110) 상의 미세 액적으로 시트-광이 조사되고, 동시에 튜브 (110) 는 스캐닝을 위해 튜브 제어부 (120) 에 의해 일 방향으로 이동하거나 정지할 수 있다. 이때, 공초점형 렌즈 (210), 대물 렌즈 (220) 및 이미지 센서 (400) 에 의해, 일정한 속도로 이동하거나 정지된 튜브 (110) 에 대한 복수의 제1 시트 이미지가 획득될 수 있다.More specifically, sheet light is irradiated onto microdroplets on a tube (110) through a light source (310) and a reflector (320), and at the same time, the tube (110) can be moved in one direction or stopped by a tube control unit (120) for scanning. At this time, a plurality of first sheet images for the tube (110) moving at a constant speed or stopped can be acquired by a confocal lens (210), an objective lens (220), and an image sensor (400).
한편, 획득된 복수의 제1 시트 이미지는, 미세 액적을 포함하는 튜브에 대한 이미지로서, 표적 유전자의 증폭에 따라, 형광을 발현하는 미세 액적에 대한 광학 시트 이미지에 대응할 수 있다. Meanwhile, the acquired plurality of first sheet images, as images of a tube including microdroplets, can correspond to optical sheet images of microdroplets that express fluorescence according to amplification of the target gene.
이미지 센서 (400) 로부터 획득된 복수의 제1 시트 이미지는, 이미지 센서 (400) 와 통신하도록 구성된 프로세서 (500) 로 송신되고, 프로세서 (500) 에 의해 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석이 수행될 수 있다.A plurality of first sheet images acquired from the image sensor (400) are transmitted to a processor (500) configured to communicate with the image sensor (400), and quantitative analysis of target genes can be performed based on the fluorescence intensity of microdroplets in the images by the processor (500).
이때, 프로세서 (500) 는 인공 지능 알고리즘 기반의 광학 모델에 기초할 수 있다. At this time, the processor (500) may be based on an optical model based on an artificial intelligence algorithm.
보다 구체적으로, 수신된 복수의 제1 시트 이미지는, 저해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 학습된 광학 모델에 의해 제2 시트 이미지로 전환될 수 있다. 따라서, 이미지 센서 (400) 로부터 저해상도의 이미지가 획득되더라도, 인공지능 알고리즘 기반의 광학 모델에 의해, 고해상도의 시트 이미지의 획득이 가능할 수 있다. More specifically, the received plurality of first sheet images can be converted into second sheet images by an optical model learned to reconstruct low-resolution images into high-resolution images. Accordingly, even if a low-resolution image is acquired from the image sensor (400), acquisition of a high-resolution sheet image can be possible by an optical model based on an artificial intelligence algorithm.
선택적으로, 프로세서 (500) 는, 재구성된 이미지를 3D 복셀 (voxel), 즉 3D 이미지로 전환한 후 형광이 발현되는 미세 액적의 계수를 수행하도록 구성될 수 있다.Optionally, the processor (500) can be configured to count the fluorescence-emitting microdroplets after converting the reconstructed image into 3D voxels, i.e., a 3D image.
본 발명의 특징에 따르면, 프로세서 (500) 는 3차원 이미지 내의 형광 강도에 기초하여, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 더 구성될 수 있다.According to a feature of the present invention, the processor (500) may be further configured to perform quantitative analysis of target genes for each microdroplet based on fluorescence intensity within the three-dimensional image.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 프로세서 (500) 는 미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적을 검출하도록 학습된 예측 모델을 이용하여, 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 개수를 예측하도록 더 구성될 수 있다. According to another feature of the present invention, the processor (500) may be further configured to predict the number of microdroplets in the second sheet image using a prediction model learned to detect microdroplets by inputting an image of the microdroplets.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 의 구성 및 이의 위치는 전술한 것에 제한되는 것이 아니다.Meanwhile, the configuration and position of the device (1000) for quantitative analysis of a target gene according to one embodiment of the present invention are not limited to those described above.
예를 들어, 이미지 센서 (400) 는 대물 렌즈 (220b) 의 후면에 위치하는 것에 제한되는 것이 아니라, 광원이 조사된 미세 액적에 대한 시트 이미지를 획득하고, 광원과 상이한 방향 (예를 들어, 수직인 위치) 에 존재할 수 있다. For example, the image sensor (400) is not limited to being located at the rear of the objective lens (220b), but may be located in a different direction (e.g., perpendicular to) from the light source to obtain a sheet image of a microdroplet irradiated by the light source.
나아가, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 상에서 공초점형 렌즈 (210) 는 복수 개로 구비될 수 있다. Furthermore, a plurality of confocal lenses (210) may be provided on the device (1000) for quantitative analysis of target genes.
한편, 도 1b를 참조하면, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000') 에서 튜브 (110) 가 복수 개 구비될 수도 있다.Meanwhile, referring to FIG. 1b, according to another feature of the present invention, a device (1000') for quantitative analysis of a target gene may be provided with a plurality of tubes (110).
이때, 복수의 튜브 (110) 는 미세 액적의 스캐닝을 위해 튜브 제어부 (미도시) 에 일렬로 배치된 후 시트-광이 조사되는 방향으로 이동할 수 있다. At this time, a plurality of tubes (110) can be arranged in a row in a tube control unit (not shown) for scanning microdroplets and then moved in the direction in which the sheet light is irradiated.
예를 들어, PCR이 수행되는 동안, 온도 제어를 위해 뭉쳐 있던 복수의 튜브 (110) 는 표적 유전자의 검출 단계에서 튜브 (110) 각각에 대한 분석을 위해 튜브 제어부 상에 일렬로 배치될 수 있다. For example, while PCR is being performed, a plurality of tubes (110) that were grouped together for temperature control can be arranged in a row on a tube control unit for analysis of each tube (110) at the detection step of the target gene.
이때, 복수의 튜브 (110) 는 조사되는 시트-광과 수직인 위치에 배치된 이미지 센서 (400) 사이로 이동할 수 있고, 튜브 (110) 각각의 스틸 컷의 시트 이미지를 획득하기 위해, 스캐닝 동안 일시적으로 멈출 수도 있다. At this time, a plurality of tubes (110) can be moved between image sensors (400) positioned perpendicular to the sheet-light being investigated, and may be temporarily stopped during scanning to obtain a sheet image of a still cut of each tube (110).
그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 복수의 튜브 (110) 가 일렬로 배치되어 이동하는 동안 각각의 튜브 (110) 에 대한 시트 이미지가 획득될 수도 있다. However, it is not limited thereto, and a sheet image for each tube (110) may be acquired while a plurality of tubes (110) are arranged in a row and moving.
나아가, 튜브 제어부에 의한 튜브 (110) 의 이동 방향은 이미지 센서 (400) 와 평행한 방향에 제한되는 것이 아니며, 보다 다양한 방향으로 설정될 수 있다. Furthermore, the direction of movement of the tube (110) by the tube control unit is not limited to the direction parallel to the image sensor (400), and can be set in various directions.
이상의 구조적 특징에 따라, 미세 액적의 채널 형태의 검출부로의 이동 절차 없이도 PCR이 완료된 미세 액적을 포함하는 튜브의 이미지만으로 분석이 가능함에 따라, 표적 유전자에 대한 정밀하고 빠른 정량 분석이 가능할 수 있다. 나아가, 인공 지능 기반의 광학 모델 및/또는 예측 모델이 적용될 수 있어 표적 유전자 검사의 신뢰성이 향상될 수 있다. According to the structural features above, since analysis is possible only with the image of the tube containing the microdroplets where PCR is completed without the procedure of moving to the channel-type detection section of the microdroplets, precise and fast quantitative analysis of the target gene can be possible. Furthermore, since an artificial intelligence-based optical model and/or a prediction model can be applied, the reliability of the target gene test can be improved.
이하에서는 도 2a 및 2b를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스가 구비된, 통합형 분석 장비에 대하여 설명한다. 도 2a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스에 기초한 통합 장비의 구성을 예시적으로 도시한 것이다. 도 2b는 표적 유전자의 존재 여부에 따른 PCR 반응 이후 미세 액적을 예시적으로 도시한 것이다. Hereinafter, with reference to FIGS. 2A and 2B, an integrated analysis device equipped with a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention will be described. FIG. 2A illustrates an exemplary configuration of an integrated device based on a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention. FIG. 2B illustrates an exemplary microdroplet after a PCR reaction depending on the presence or absence of a target gene.
통합형 분석 장비 (10000) 는, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 과 함께 미세 액적 생성 유닛 (2000) 및 PCR 유닛 (3000) 으로 구성될 수 있다.The integrated analysis equipment (10000) can be composed of a micro-droplet generation unit (2000) and a PCR unit (3000) together with a device (1000) for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
보다 구체적으로, 미세 액적 생성 유닛 (2000) 에서 표적 유전자를 포함하는 시료와 오일의 접촉이 유도될 수 있다. 시료와 오일이 접촉하면, 오일로 캡슐화된 복수의 미세 액적이 형성될 수 있다. 이때, 미세 액적은, 표적 유전자를 포함하는 미세 액적이 생성될 수 있다. 이때, 미세 액적은, 표적 유전자, 형광 물질, 나아가 프라이머, 폴리머레이즈 (polymerase) 를 포함할 수 있다. More specifically, contact between a sample containing a target gene and oil can be induced in the microdroplet generation unit (2000). When the sample and the oil come into contact, a plurality of microdroplets encapsulated in the oil can be formed. At this time, the microdroplets containing the target gene can be generated. At this time, the microdroplets can contain the target gene, a fluorescent substance, a primer, and a polymerase.
미세 액적 생성 유닛 (2000) 으로부터 생성된 미세 액적은 PCR 유닛 (3000) 으로 이동하게 된다. 이때, 미세 액적은, 미리 구비된 튜브 내에 수용될 수 있다. 그 다음, 미세 액적을 미세 액적 내의 표적 유전자의 증폭을 위한 온도 조건 사이클이 제공되고, 그 결과로 튜브 상에 미세 액적은, 증폭된 표적 유전자 및 형광 물질을 포함할 수 있다.The microdroplets generated from the microdroplet generation unit (2000) are moved to the PCR unit (3000). At this time, the microdroplets can be accommodated in a pre-equipped tube. Then, the microdroplets are provided with a temperature condition cycle for amplification of a target gene in the microdroplet, and as a result, the microdroplets in the tube can include the amplified target gene and a fluorescent substance.
보다 구체적으로, 도 2b를 함께 참조하면, 바이러스 유전자와 같이 표적 유전자가 포함된 미세 액적은 유전자의 증폭과 함께 형광이 발현할 수 있다.More specifically, referring to FIG. 2b together, microdroplets containing a target gene, such as a viral gene, can express fluorescence along with amplification of the gene.
이와 대조적으로, 비어 있는 미세 액적 및 정상 유전자를 포함하는 미세 액적의 경우 PCR 유닛 (3000) 에 의해 PCR이 수행되었음에도 형광 발현이 일어나지 않을 수 있다. In contrast, for empty microdroplets and microdroplets containing normal genes, fluorescence expression may not occur even if PCR is performed by the PCR unit (3000).
그 다음, PCR이 완료된 미세 액적을 포함하는 튜브는, 튜브 제어부에 의해 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 로 이동할 수 있다. Next, the tube containing the microdroplets in which PCR has been completed can be moved by the tube control unit to a device (1000) for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
이때, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 (1000) 에 의해 튜브에 대한 복수의 제1 시트 이미지와 고해상도의 제2 시트 이미지가 순차적으로 획득되고, 3차원 이미지가 재구성된다. 그 다음, 재구성된 3차원 이미지로부터 표적 유전자를 포함하는 미세 액적의 개수가 결정된다.At this time, multiple first sheet images and high-resolution second sheet images of the tube are sequentially acquired by a device (1000) for quantitative analysis of the target gene, and a three-dimensional image is reconstructed. Then, the number of micro droplets containing the target gene is determined from the reconstructed three-dimensional image.
즉, 통합형 분석 장비 (10000) 는, 표적 유전자를 포함하는 미세 액적의 생성 및 미세 액적 내 표적 유전자의 증폭을 수행할 뿐만 아니라, 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 구성될 수 있다.That is, the integrated analysis equipment (10000) can be configured to perform not only generation of microdroplets containing a target gene and amplification of the target gene within the microdroplets, but also quantitative analysis of the target gene.
이에, 사용자의 핸들링 없이 표적 유전자에 대한 분자 생물학적 분석이 가능하여, 신뢰도가 높은 정량 분석 결과가 획득될 수 있다. Accordingly, molecular biological analysis of target genes is possible without user handling, and highly reliable quantitative analysis results can be obtained.
이하에서는, 도 3a 내지 3d를 참조하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스를 이용한 표적 유전자의 정량 분석 방법의 절차를 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 3a to 3d, a procedure for a method for quantitative analysis of a target gene using a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention will be described.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스를 이용한 표적 유전자의 정량 분석 방법의 절차를 예시적으로 도시한 것이다.FIGS. 3A to 3D illustrate an example of a procedure for a quantitative analysis method of a target gene using a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
먼저, 도 3a를 참조하면, 먼저, 공초점형 렌즈 기반의 정량 분석용 디바이스로부터, 미세 액적에 대한 복수의 제1 시트 이미지가 획득되고 (S210), 광학 모델에 의해 복수의 제1 시트 이미지에 대한 복수의 제2 시트 이미지가 획득된다 (S220). 마지막으로, 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 표적 유전자의 정량 분석이 수행된다 (S230).First, referring to FIG. 3a, first, a plurality of first sheet images for micro droplets are acquired from a quantitative analysis device based on a confocal lens (S210), and a plurality of second sheet images for the plurality of first sheet images are acquired by an optical model (S220). Finally, quantitative analysis of a target gene is performed based on the fluorescence intensity of the micro droplets in the second sheet images (S230).
보다 구체적으로, 도 3b를 함께 참조하면, 복수의 제1 시트 이미지가 획득되는 단계 (S210) 에서, 공초점형 렌즈 기반의 본 발명의 다양한 실시예에 따른 정량 분석용 디바이스 (100) 에 의해 미세 액적에 대한 복수의 제1 시트 이미지 (612) 가 획득된다.More specifically, referring to FIG. 3b together, in step (S210) where a plurality of first sheet images are acquired, a plurality of first sheet images (612) for microdroplets are acquired by a quantitative analysis device (100) according to various embodiments of the present invention based on a confocal lens.
이때, 복수의 제1 시트 이미지 (612) 는 튜브에 대한 이미지에 대응할 수 있다.At this time, a plurality of first sheet images (612) can correspond to images for the tube.
나아가, 복수의 제1 시트 이미지 (612) 는 저해상도의 이미지일 수도 있다.Furthermore, the plurality of first sheet images (612) may be low-resolution images.
그 다음, 제2 시트 이미지가 획득되는 단계 (S220) 에서 복수의 제1 시트 이미지 (612) 가 인공지능 기반의 광학 모델 (510) 에 입력되고, 고해상도의 복수의 제2 시트 이미지 (614) 가 획득된다. 이후, 고해상도의 제2 시트 이미지 (614) 는 3D 복셀로 재구성된다.Next, in the step (S220) where the second sheet image is acquired, a plurality of first sheet images (612) are input into the artificial intelligence-based optical model (510), and a plurality of high-resolution second sheet images (614) are acquired. Thereafter, the high-resolution second sheet images (614) are reconstructed into 3D voxels.
즉, 제2 시트 이미지가 획득되는 단계 (S220) 에서 광학 모델 (510) 에 의해 저해상도의 이미지가 고해상도의 이미지로 복원될 수 있다.That is, in the step (S220) where the second sheet image is acquired, a low-resolution image can be restored to a high-resolution image by the optical model (510).
이때, 광학 모델 (510) 은 저해상도 (또는, 저화질) 의 이미지를 고해상도 (또는, 고화질) 이미지로 변환시키도록 구성된, 인공지능 알고리즘 기반의 모델일 수 있다.At this time, the optical model (510) may be an artificial intelligence algorithm-based model configured to convert a low-resolution (or, low-quality) image into a high-resolution (or, high-quality) image.
보다 구체적으로, 도 3c를 함께 참조하면, 제2 시트 이미지가 획득되는 단계 (S220) 에서, 미세 액적을 포함하는 튜브에 조사된 시트-광에 의해, 저화질의 복수의 제1 시트 이미지 (612) 가 광학 모델 (510) 에 입력된다. 그 다음, 광학 모델 (510) 은, 학습 단계에서 기저장된 제2 시트 이미지와 입력된 복수의 제1 시트 이미지 (612) 를 비교하여 고해상도의 복수의 제2 시트 이미지 (614) 를 출력한다. 이렇게 출력된 고해상도의 복수의 제2 시트 이미지 (614) 는 3D 복셀로 변환되고, 그 결과 미세 액적에 대한 3D 이미지 (616) 가 획득될 수 있다.More specifically, referring together with FIG. 3c, in the step (S220) where the second sheet image is acquired, a plurality of low-quality first sheet images (612) are input to the optical model (510) by sheet-light irradiated on a tube including microdroplets. Then, the optical model (510) compares the input plurality of first sheet images (612) with the second sheet images stored in the learning step to output a plurality of high-resolution second sheet images (614). The plurality of high-resolution second sheet images (614) thus output are converted into 3D voxels, and as a result, a 3D image (616) of the microdroplet can be acquired.
다시 도 3a를 참조하면, 표적 유전자의 정량 분석이 수행되는 단계 (S230) 에서 3D 이미지 내의 미세 액적에 대한 형광 강도에 기초하여 표적 유전자에 대한 정량 분석이 수행될 수 있다.Referring again to FIG. 3a, in step (S230) where quantitative analysis of a target gene is performed, quantitative analysis of the target gene can be performed based on the fluorescence intensity of micro-droplets within the 3D image.
본 발명의 특징에 따르면, 표적 유전자의 정량 분석이 수행되는 단계 (S230) 에서, 미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적의 개수를 예측하도록 구성된 예측 모델을 이용하여, 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 검출이 수행될 수 있다.According to a feature of the present invention, in a step (S230) in which quantitative analysis of a target gene is performed, detection of micro-droplets in a second sheet image can be performed using a prediction model configured to predict the number of micro-droplets by inputting an image of the micro-droplets.
보다 구체적으로, 도 3d를 참조하면, 표적 유전자의 정량 분석이 수행되는 단계 (S230) 에서, 재구성된 3D 이미지 (616) 가 인공 지능 기반의 예측 모델 (520) 에 입력되고, 예측 모델 (520) 로부터 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 정량 분석 결과 (618) 가 출력될 수 있다.More specifically, referring to FIG. 3d, in the step (S230) where quantitative analysis of a target gene is performed, a reconstructed 3D image (616) is input into an artificial intelligence-based prediction model (520), and a quantitative analysis result (618) for a microdroplet containing a target gene and a fluorescent substance can be output from the prediction model (520).
이때, 예측 모델은 미세 액적에 대한 시트 이미지를 입력으로 하여, 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적을 분할하고, 이로부터 미세 액적의 수를 예측하도록 학습된 모델일 수 있다. At this time, the prediction model may be a model trained to input a sheet image of microdroplets, segment microdroplets that express fluorescence within the image, and predict the number of microdroplets from this.
본 발명의 특징에 따르면, 예측 모델 (520) 은 Segnet, Unet, faster rcnn, FCN 또는 Voxnet 기반의 영상 분할을 위한 딥러닝 알고리즘에 기초할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.According to a feature of the present invention, the prediction model (520) may be based on a deep learning algorithm for image segmentation based on Segnet, Unet, faster rcnn, FCN or Voxnet, but is not limited thereto.
이에, 미세 액적에 대한 정량 분석 결과 (618) 는, 3D 이미지 (616) 내에서 형광이 발현된 미세 액적의 영역 분할 결과를 포함할 수 있고, 형광이 발현된 미세 액적, 즉 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적에 대한 계수 결과를 더욱 포함할 수 있다. Accordingly, the quantitative analysis results (618) for the microdroplets may include the results of segmenting the regions of the microdroplets in which fluorescence is expressed within the 3D image (616), and may further include the results of counting the microdroplets in which fluorescence is expressed, i.e., the microdroplets containing the target gene and the fluorescent substance.
한편, 본 발명의 특징에 따르면, 표적 유전자의 정량 분석이 수행되는 단계 (S230) 에서, 3차원 이미지 (616) 내의 형광 강도에 기초하여, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석이 수행될 수 있다.Meanwhile, according to a feature of the present invention, in the step (S230) where quantitative analysis of a target gene is performed, quantitative analysis of the target gene for each microdroplet can be performed based on the fluorescence intensity within the three-dimensional image (616).
즉, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 정량 분석 방법에 의해, 미세 액적 각각에 대한 형광 강도가 결정될 수 있어, 시료 전체에 대한 표적 유전자의 정량 분석뿐만 아니라, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석이 가능할 수 있다. 이에, 표적 유전자에 대한 정밀한 분석 결과가 제공될 수 있다.That is, by the quantitative analysis method according to various embodiments of the present invention, the fluorescence intensity for each microdroplet can be determined, so that not only quantitative analysis of the target gene for the entire sample but also quantitative analysis of the target gene for each microdroplet can be possible. Accordingly, precise analysis results for the target gene can be provided.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 표적 유전자의 정량 분석이 수행되는 단계 (S230) 에서, 형광 강도에 따라 미세 액적 각각에 대한 크기가 결정될 수도 있다.According to another feature of the present invention, in the step (S230) where quantitative analysis of a target gene is performed, the size of each microdroplet may be determined based on the fluorescence intensity.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른, 튜브 이미지에 기초한 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스 및 이를 이용한 정량 분석 방법은, 3D 형태로 재구성된 미세 액적 이미지에 기초하여 정량 분석을 수행할 수 있어, 미세 액적, 나아가 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 정밀한 정량 분석 결과를 제공할 수 있다.Therefore, according to various embodiments of the present invention, a device for quantitative analysis of a target gene based on a tube image and a quantitative analysis method using the same can perform quantitative analysis based on a micro-droplet image reconstructed in a 3D form, thereby providing precise quantitative analysis results for micro-droplets and, further, target genes within the micro-droplets.
특히, 본 발명은, 검출 채널로 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 수도 있는 종래의 디지털 PCR 기술이 갖는 한계를 극복할 수 있다.In particular, the present invention can overcome the limitations of conventional digital PCR technology, which requires a long analysis time, requires an expensive PMT (Photo Multiplier Tube), may require droplet reproduction, and may cause errors in quantitative analysis due to light interference as a factor, by analyzing the intensity of a fluorescent material for each microdroplet flowing into a detection channel.
이하에서는, 도 4a 및 4b를 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 이용되는 광학 모델의 학습 방법을 설명한다.Hereinafter, a learning method of an optical model used in various embodiments of the present invention is described with reference to FIGS. 4a and 4b.
도 4a 및 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스의 광학 모델의 학습 절차를 예시적으로 도시한 것이다.FIGS. 4A and 4B illustrate an example of a learning procedure of an optical model of a device for quantitative analysis of a target gene according to various embodiments of the present invention.
먼저, 도 4a를 참조하면, 광학 모델의 학습을 위해 미세 액적에 대한 제2 시트 이미지가 획득된다 (S310), 그 다음 제2 시트 이미지가 학습용 저해상도 이미지로 변환된다 (S320). 그 다음, 학습용 저해상도 이미지를 제2 시트 이미지로 재구성하도록 광학 모델이 학습된다 (S330).First, referring to Fig. 4a, a second sheet image for a microdroplet is acquired for learning an optical model (S310), then the second sheet image is converted into a low-resolution image for learning (S320). Then, the optical model is trained to reconstruct the low-resolution image for learning into a second sheet image (S330).
보다 구체적으로, 도 4b를 함께 참조하면, 제2 시트 이미지가 획득되는 단계 (S310) 에서 낮은 FOV (field of view) 의 고해상도 시트 이미지 (712) 가 획득된다. 그 다음, 광학 모델 (510) 의 학습용 데이터를 획득하기 위해, 학습용 저해상도 이미지로 변환되는 단계 (S320) 가 수행된다. 그 결과, 저해상도의 학습용 시트 이미지 (714) 가 획득된다. 이때, 학습 데이터의 다양화를 위해 저해상도의 학습용 시트 이미지 (714) 에 대하여 비율, 크기 등의 다양한 변환이 수행될 수 있다. 그 다음, 학습되는 단계 (S330) 에서 변환된 학습용 시트 이미지 (716) 가 광학 모델 (510) 에 입력되고, 광학 모델 (510) 은 변환된 학습용 시트 이미지 (716) 를 고해상도 시트 이미지 (712) 에 대응하는 이미지로 복원하도록 학습된다. More specifically, referring together with FIG. 4b, in the step (S310) of acquiring the second sheet image, a high-resolution sheet image (712) with a low FOV (field of view) is acquired. Then, in order to acquire training data of the optical model (510), a step (S320) of converting into a low-resolution image for training is performed. As a result, a low-resolution training sheet image (714) is acquired. At this time, various conversions such as a ratio and a size may be performed on the low-resolution training sheet image (714) in order to diversify the training data. Then, in the learning step (S330), the converted training sheet image (716) is input to the optical model (510), and the optical model (510) is trained to restore the converted training sheet image (716) into an image corresponding to the high-resolution sheet image (712).
즉, 광학 모델 (510) 은 저해상도의 학습용 시트 이미지 (714) 로부터 재구성된 고해상도 시트 이미지 (718) 를 출력하도록 학습된다. 선택적으로, 재구성된 고해상도 시트 이미지 (718) 는 중화질의 시트 이미지 (719) 로 전환되어, 광학 모델 (510) 의 학습에 재이용될 수 있다.That is, the optical model (510) is trained to output a high-resolution sheet image (718) reconstructed from a low-resolution training sheet image (714). Optionally, the reconstructed high-resolution sheet image (718) can be converted into a medium-quality sheet image (719) and reused for training the optical model (510).
이상의 절차에 의해 학습된 광학 모델 (510) 은, 저화질의 이미지를 제공하는 저성능의 렌즈 또는 이미지 센서가 구비된 다양한 촬영 조건에서 미세 액적 내의 표적 유전자에 대한 정밀한 정량 분석 결과를 제공할 수 있다.The optical model (510) learned by the above procedure can provide precise quantitative analysis results for target genes in microdroplets under various shooting conditions equipped with low-performance lenses or image sensors that provide low-quality images.
이때, 광학 모델 (510) 은 컨볼루션 레이어 (Convolutional Layer) 를 사용하는 CNN (Convolutional Neural Network) 기반의 모델일 수 있다. 예를 들어, 광학 모델은 GAN (Generative Adversarial Network) 기반, VDSR (Very Deep Super Resolution) 기반, SRUGAN (Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network) 기반, DCGAN (Deep Convolution GAN), iGAN (Interactive GAN) 기반, 또는 StackGAN (Stacked GAN) 기반의 해상도 복원 알고리즘에 기초할 수 있다.At this time, the optical model (510) may be a CNN (Convolutional Neural Network)-based model using a convolutional layer. For example, the optical model may be based on a resolution restoration algorithm based on a GAN (Generative Adversarial Network), a VDSR (Very Deep Super Resolution), a SRUGAN (Super-Resolution Using a Generative Adversarial Network), a DCGAN (Deep Convolution GAN), an iGAN (Interactive GAN), or a StackGAN (Stacked GAN).
그러나, 광학 모델 (510) 의 학습 절차 및 알고리즘은 전술한 것에 제한되는 것이 아니다. However, the learning procedure and algorithm of the optical model (510) are not limited to those described above.
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.Although the embodiments of the present invention have been described in more detail with reference to the attached drawings, the present invention is not necessarily limited to these embodiments, and various modifications may be made without departing from the technical idea of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain it, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all aspects and not restrictive. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within a scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the rights of the present invention.
10000: 통합 분석 장비
1000, 1000': 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스
110: 튜브
120: 튜브 제어부
210: 공초점형 렌즈
220a, 220b: 대물 렌즈
310: 광원
320: 반사부
400: 이미지 센서
500: 프로세서
510: 광학 모델
520: 예측 모델
612: 복수의 제1 시트 이미지
614: 고해상도의 복수의 제2 시트 이미지
616: 재구성된 3D 이미지
618: 정량 분석 결과
712: 고해상도 시트 이미지
714: 저해상도의 학습용 시트 이미지
716: 변환된 학습용 시트 이미지
718: 재구성된 고해상도 시트 이미지
719: 중화질의 시트 이미지
2000: 미세 액적 생성 유닛
3000: PCR 유닛10000: Integrated Analysis Equipment
1000, 1000': Device for quantitative analysis of target genes
110: Tube
120: Tube Control Unit
210: Confocal lens
220a, 220b: Objective lens
310: Light source
320: Reflector
400: Image sensor
500: Processor
510: Optical Model
520: Prediction Model
612: Multiple First Sheet Images
614: Multiple high resolution second sheet images
616: Reconstructed 3D image
618: Quantitative analysis results
712: High resolution sheet image
714: Low-resolution image of learning sheet
716: Converted learning sheet image
718: Reconstructed high-resolution sheet image
719: Medium-quality sheet image
2000: Microdroplet Generation Unit
3000: PCR Unit
Claims (18)
인공 지능 알고리즘 기반의 광학 모델을 이용하여, 상기 복수의 제1 시트 이미지에 기초하여 고해상도의 복수의 제2 시트 이미지를 획득하는 단계, 및
미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적을 검출하도록 구성된 예측 모델을 이용하여, 상기 복수의 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 개수를 예측하는 단계를 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.A step of acquiring a plurality of first sheet images of microdroplets containing a target gene and a fluorescent substance using a confocal lens-based quantitative analysis device;
A step of obtaining a plurality of high-resolution second sheet images based on the plurality of first sheet images using an optical model based on an artificial intelligence algorithm, and
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising the step of predicting the number of micro-droplets in the plurality of second sheet images using a prediction model configured to detect micro-droplets by inputting images of micro-droplets.
상기 복수의 제1 시트 이미지를 획득하는 단계는,
유전자 증폭이 완료된 표적 유전자 및 형광 물질을 포함하는 미세 액적을 포함하는 튜브에 대한 시트 이미지를 획득하는 단계인, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In the first paragraph,
The step of obtaining the plurality of first sheet images is:
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising the step of obtaining a sheet image for a tube containing microdroplets containing a target gene and a fluorescent material for which gene amplification has been completed.
상기 튜브는 복수 개이고,
상기 복수의 제1 시트 이미지를 획득하는 단계는,
상기 복수 개의 튜브를 일렬로 배치하는 단계;
일렬로 배치된 복수 개의 튜브 각각을 일방향으로 이동하도록 제어하는 단계, 및
일방향으로 이동하는 동안 상기 정량 분석용 디바이스를 이용하여, 상기 미세 액적을 포함하는 튜브에 대한 제1 시트 이미지를 획득하는 단계를 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In the second paragraph,
The above tubes are plural,
The step of obtaining the plurality of first sheet images is:
A step of arranging the above plurality of tubes in a row;
A step of controlling each of a plurality of tubes arranged in a row to move in one direction, and
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising the step of obtaining a first sheet image for a tube containing the microdroplet using the quantitative analysis device while moving in one direction.
상기 복수의 제2 시트 이미지를 획득하는 단계 이후에,
상기 복수의 제2 시트 이미지를 기초로 3차원 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하고,
상기 정량 분석을 수행하는 단계는,
상기 3차원 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 상기 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In the first paragraph,
After the step of obtaining the plurality of second sheet images,
Further comprising a step of generating a three-dimensional image based on the plurality of second sheet images,
The steps for performing the above quantitative analysis are:
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising the step of performing quantitative analysis of the target gene based on the fluorescence intensity of micro-droplets within the three-dimensional image.
상기 정량 분석을 수행하는 단계는,
상기 3차원 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적을 계수하는 단계를 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In paragraph 4,
The steps for performing the above quantitative analysis are:
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising a step of counting microdroplets expressing fluorescence within the three-dimensional image.
상기 정량 분석을 수행하는 단계는,
상기 3차원 이미지 내의 형광 강도에 기초하여, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석을 수행하는 단계를 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법. In paragraph 4,
The steps for performing the above quantitative analysis are:
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising the step of performing quantitative analysis of a target gene for each microdroplet based on the fluorescence intensity within the three-dimensional image.
상기 3차원 이미지를 생성하는 단계 이후에,
미세 액적 각각의 크기를 결정하는 단계를 더 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In paragraph 4,
After the step of generating the above 3D image,
A method for quantitative analysis of a target gene, further comprising the step of determining the size of each microdroplet.
상기 광학 모델은,
학습용 저해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 학습하는 단계를 통해 학습된 모델인, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In the first paragraph,
The above optical model is,
A method for quantitative analysis of target genes, wherein the model is trained through a step of learning to reconstruct low-resolution images for training into high-resolution images.
상기 학습하는 단계 이후에,
재구성된 고해상도 이미지를 학습용 중해상도 이미지로 전환하는 단계, 및
학습용 중해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 재학습하는 단계를 더 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In Article 9,
After the above learning steps,
A step of converting the reconstructed high-resolution image into a medium-resolution image for training, and
A method for quantitative analysis of a target gene, further comprising a step of retraining a medium-resolution image for training to be reconstructed into a high-resolution image.
상기 복수의 제2 시트 이미지를 획득하는 단계는,
상기 광학 모델을 이용하여, 상기 복수의 제1 시트 이미지와 기저장된 재구성된 제2 시트 이미지를 비교하여 고해상도의 제2 시트 이미지로 전환하는 단계를 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석 방법.In Article 9,
The step of obtaining the plurality of second sheet images is:
A method for quantitative analysis of a target gene, comprising the step of comparing the plurality of first sheet images with the previously stored reconstructed second sheet images using the optical model to convert them into a high-resolution second sheet image.
상기 튜브의 적어도 일면에 대응하는 공초점형 (confocal) 렌즈;
상기 광원을 통해 조사된 광과 상이한 방향에 배치되고, 튜브 내의 미세 액적에 대한 복수의 제1 시트 이미지를 제공하도록 구성된 이미지 센서, 및
상기 이미지 센서와 동작가능하게 연결된 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
인공 지능 알고리즘 기반의 광학 모델을 이용하여, 상기 복수의 제1 시트 이미지에 기초하여 고해상도의 복수의 제2 시트 이미지를 획득하고,
미세 액적에 대한 이미지를 입력으로 하여 미세 액적을 검출하도록 구성된 예측 모델을 이용하여, 상기 복수의 제2 시트 이미지 내의 미세 액적의 개수를 예측하도록 구성된, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스.A light source that irradiates light to at least one side of a tube in which microdroplets containing target genes and fluorescent substances in which PCR (polymerase chain reaction) has been completed are placed;
A confocal lens corresponding to at least one surface of the tube;
An image sensor arranged in a different direction from the light irradiated through the light source and configured to provide a plurality of first sheet images of microdroplets within the tube, and
A processor operatively connected to the image sensor,
The above processor,
Using an optical model based on an artificial intelligence algorithm, a plurality of high-resolution second sheet images are obtained based on the plurality of first sheet images,
A device for quantitative analysis of a target gene, configured to predict the number of micro-droplets in the plurality of second sheet images using a prediction model configured to detect micro-droplets by inputting images of micro-droplets.
상기 튜브가 배치되고, 배치된 튜브가 일 방향으로 이동하도록 제어하는, 튜브 제어부를 더 포함하는, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스.In Article 12,
A device for quantitative analysis of a target gene, further comprising a tube control unit that controls the tubes to be placed and move in one direction.
상기 프로세서는,
상기 복수의 제2 시트 이미지를 기초로 3차원 이미지를 생성하고, 상기 3차원 이미지 내의 미세 액적의 형광 강도에 기초하여 상기 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 더 구성된, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스.In Article 12,
The above processor,
A device for quantitative analysis of a target gene, further configured to generate a three-dimensional image based on the plurality of second sheet images and perform quantitative analysis of the target gene based on the fluorescence intensity of micro-droplets within the three-dimensional image.
상기 프로세서는,
상기 3차원 이미지 내의 형광을 발현하는 미세 액적을 계수하도록 더 구성된, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스. In Article 14,
The above processor,
A device for quantitative analysis of a target gene, further configured to count micro-droplets expressing fluorescence within the three-dimensional image.
상기 프로세서는,
상기 3차원 이미지 내의 형광 강도에 기초하여, 미세 액적 각각에 대한 표적 유전자의 정량 분석을 수행하도록 더 구성된, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스.In Article 14,
The above processor,
A device for quantitative analysis of a target gene, further configured to perform quantitative analysis of the target gene for each microdroplet based on the fluorescence intensity within the three-dimensional image.
상기 광학 모델은,
학습용 저해상도 이미지를 고해상도 이미지로 재구성하도록 학습하는 단계를 통해 학습된 모델인, 표적 유전자의 정량 분석용 디바이스.In Article 12,
The above optical model is,
A device for quantitative analysis of target genes, wherein the model is trained through a step of learning to reconstruct low-resolution images for training into high-resolution images.
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