Vieworks / 유전자 검사의 새로운 해법이 될 수 있는 TDI 카메라
DNA Sequencing, 우리말로 DNA 염기서열 결정법은 쉽게 말해 생명체의 염기서열을 분석하여 원하는 생채 정보를 얻는 방법이다. 이것을 통해 앞으로 내 키가 얼마나 클지, 어떤 암에 걸릴 확률이 있는지, 심지어 조상은 어디에서 왔는지를 알 수 있다. 과거에는 유전자 검사를 하기 위해 수 억 원의 비용이 들었지만, 최근에는 기술의 발달로 개인이 이용할 수 있을 만큼 저렴해졌다.
더구나 2008년을 기점으로 가격이 100배 이상 낮아졌다. 기존의 생어 염기서열 분석(Sanger Sequencing)과 차별화된 차세대 기술(Next Generation Sequencing)이 개발돼 가능한 것이다. 이른바 유전자 검사의 시대가 온 오늘날, TDI 카메라가 어떻게 유전자 검사의 해법이 될 수 있을까?
DNA Sequencing이란?
DNA는 4가지 염기(Base)로 구성됐으며, 각각 A, G, C, T라고 한다. A, G, C, T 라는 염기가 어떤 순서로 배열돼 있는지에 따라 생명체의 특성이 결정된다.
염기 네 가지에 서로 다른 형광 염료를 표지하여 구별할 수 있다. 다만 형광 신호의 크기가 약하므로 이 신호를 증폭하기 위해 많은 노력이 필요하다. 일반 Area 스캔 카메라나 싱글 라인 스캔 카메라로는 미약한 형광 신호를 감지하기 힘들다. 또한 30억 쌍에 이르는 염기서열을 분석하기 위해서는 데이터 전송 속도가 빠른 카메라가 필수다.
TDI 카메라의 장점
기존에는 시퀀싱에서 과학용 라인 스캔 카메라를 주로 썼다. 미약한 신호를 잡아내기 위해 픽셀 크기가 수십 ㎛ 이상의 센서를 선택해야 했고, 그 때문에 해상도나 속도를 포기해야만 했다. 그러나 TDI 라인 스캔 카메라를 이용하면 과학용 라인 스캔 카메라만큼 선명하게 신호를 구별할 수 있다.
TDI(Time Delayed Integration)는 이미지 센서의 스테이지 수만큼 이미지가 중첩돼 이미지를 더욱 선명하게 만들어주는 기술이다. 뷰웍스의 TDI 카메라는 최대 256 stage를 지원하여 기존보다 200배 이상의 밝기를 가질 수 있다.
뷰웍스 TDI 카메라는 하이브리드 센서를 적용하여 CCD 센서 급의 이미지 성능과, CMOS 센서 급의 속도와 적은 발열량을 탑재했다. 빛의 양이 적은 애플리케이션에서는 다크 노이즈(Dark Noise)에 취약할 수 밖에 없는데, 뷰웍스 TDI 카메라는 낮은 값의 다크 노이즈 때문에 어두운 조건에서도 신호를 구별할 수 있게 해준다. 그뿐만 아니라 아날로그 게인(Analog Gain)을 증폭시켜 원래 신호보다 최대 80배 높게 영상을 획득할 수 있다.
또한, 현대의 DNA Sequencing에서 중요하게 요구되는 성능 중에 하나를 속도라고 봤을 때, 뷰웍스의 CXP(CoaXpress) 인터페이스의 TDI 카메라는 좋은 해결책이 될 수 있다. CXP6 인터페이스의 대역폭은 2400Mbytes/s로 Cameralink(850Mbyte/s), GigE(100Mbytes/s), USB(400Mbytes/s) 인터페이스보다 속도가 훨씬 빠르다.
예를 들어, 뷰웍스 12K 카메라 기준으로 카메라의 최대 속도는 200kHz에 달한다. 이 중에서도 뷰웍스 최신 모델인 CXP6 8CH의 16k 급 카메라는 line rate(어떤 포트에서 물리적인 손실 없이 전달할 수 있는 최대 속도)가 300kHz에 도달하는데, 이는 기존 TDI 데이터 전송량의 두 배에 달한다. 각 염기 형광 물질에 적합한 광학 필터를 장착하여 4대의 TDI 카메라를 동시에 운영하면 더욱 빠르게 DNA Sequencing 데이터를 획득할 수 있다.
스캔 방향과 상관없이 일정한 영상 퀄리티
DNA Sequencing에 걸리는 시간을 줄이는 방법의 일환으로 양방향 스캔이 논의된다. DNA Sequencing에서 사용하는 형광 염료의 미약한 형광 신호 세기를 증폭하는 데에는 한계가 있다. 그래서 카메라의 감도가 높아야 할 뿐만 아니라 일정한 수준의 노이즈 레벨(Noise Level)을 갖고 있어야 한다. 그러나 TDI 카메라로 대상을 촬영할 때, 진행 방향에 따라서 감도가 조금씩 달라질 수 있다.
일반적인 애플리케이션에서는 문제가 되지 않겠지만 DNA Sequencing에서는 그러한 차이가 큰 문제점을 낳을 수 있다. 뷰웍스의 ‘양방향 DSNU’ 기능을 사용하면 카메라는 진행 방향에 상관없이 일정한 영상 퀄리티를 보장한다. 다크 필드(Dark Field)에서 한 개의 명령어로 양방향에 대한 DSNU 보정 데이터를 생성하고, 진행 방향이 바뀔 때마다 해당하는 보정 데이터를 자동으로 불러온다.
위 이미지는 VT-9K7X-H250 카메라로 ATGC 베이스 중 ‘A’의 형광 신호를 촬영한 것이다. 이 신호는 사람의 눈으로 보면 암흑으로 보이지만, 뷰웍스의 고성능 센서와 Dark 보정 기술로 선명하게 촬영할 수 있다.
2019 다보스 세계경제포럼에서 지목한 ‘10대 떠오르는 기술’에 DNA 저장 기술이 선정됐다. DNA저장 기술을 활용하기 위해선 DNA Sequencing의 역할이 커질 수 밖에 없는 부분이다. 뷰웍스는 이미 여러 DNA Sequencing 업체와 협업하며 관련된 경험을 축적하고 있다.
자료 제공: Vieworks(vision.vieworks.com)
