자기 셀을 고속으로 정리하는 머신비전
세포 이동 측정에 큰 도움 … 입자 분석기·속도계로 활약
생물과학 분야에서는 세포나 박테리아 등의 움직임을 측정하려는 움직임이 늘어나고 있다. 세포의 움직임을 계산하고 특징화하는 작업 역시 중요하다. 이런 특징화 작업을 돕는 기계에 머신비전 카메라가 탑재되었다. 포인트그레이의 Grasshooper 카메라가 주인공이다.
자료제공 | Point Grey Research(ww2.ptgrey.com) 도움 | 싸이로드(www.cylod.com)
오늘날 여러 생물과학 분야에서 작은 이동성 물질의 특징화 작업을 필요로 한다. 세포 계수(세포의 숫자를 세는 행위), 박테리아의 움직임 추적, 정자 측정, 미생물 식별 그리고 수질 측정 등의 분야에서 특징화 작업이 유용하게 쓰인다.
Ikotech는 최근 특징화 작업에 도움을 줄 수 있는 HyperFlux 시스템을 개발했다. 이 시스템에는 포인트그레이의 Grasshooper 카메라와 특허 출원한 자기 셀 정렬 솔루션인 Quadrasep을 사용한 것이 특징이다. 두 장치의 조합을 통해 HyperFlux 시스템은 폐쇄계(閉鎖系) 내에서 초당 천만 개의 세포를 정리할 수 있다. 현존하는 여타 시스템보다 최대 144배 빠른 속도다.
고 정밀도 자분을 추적한다
Ikotech가 개발한 HyperFlux는 세포의 이동 속도를 측정하는 입자 분석기이자 속도계이다. 세포의 움직임은 자기 영동 이동성(magnetophoresis mobility)방식을 취한다고 알려져 있으며, 보정 작업을 거친 자기장을 장착함으로써 이 속도를 측정할 수 있다. 속도 측정 작업은 특별히 분류한 세포에 대한 많은 정보를 분석하며, 샘플 내에 있는 다른 세포와의 차이점을 감별한다. 뿐만 아니라 크기·침강 속도·모양·강도 등 각 입자에 대한 22가지의 특성을 측정 및 감별할 수 있다.
오늘날 많은 분석 기술이 세포의 형광 강도(fluorescence intensity)를 측정하고 세포 하나하나의 영상까지 분석할 수 있는 기술력을 가지고 있다. 하지만 HyperFlux는 완전자동화 턴키시스템의 일부로써 세포 또는 입자의 수량과 움직임을 빠르게 영상화해 분석할 수 있는 유일한 솔루션이다. 고속 촬영을 통한 형태 분석 능력과 저속 촬영을 활용한 속도 측정 능력을 고루 갖춘 이 시스템은 세포 연구자·제약 업체·자분(magnetic particle) 제조업체·환경생물학자 및 연구·품질관리 분야 종사자들에게 도움을 준다.
HyperFlux 속도계의 작동 원리
HyperFlux 속도계는 속도와 형태 매개변수를 사용해 세포의 크기와 형태를 측정·특징화해 개체군의 자료를 제공한다. HyperFlux는 수평 현미경을 사용해 미세 모세관 안에 있는 세포와 입자를 관찰하며, 결과물을 자석 내에 기계적으로 정렬한다.
자석은 산화철 자성에 강하게 반응하는 물질을 포함하고 있는 개체의 횡운동(측방향 운동, 즉 ‘이동성’)을 유도한다. 동시에 중력은 수직운동을 유도한다. 이때 발생하는 침강·떠오름 등의 구체적 움직임은 질량 밀도 및 개체의 크기와 관련이 있다.
수평 현미경은 모세관을 비추는 다크필드 LED 링 조명과 Grasshooper 2.0메가픽셀 단색 파이어와이어 카메라 그리고 긴 작동거리의 텔레센트릭 렌즈(일반적으로 4배 혹은 6배율 제품을 사용한다)를 사용해 영상을 획득한다.
카메라와 렌즈를 3축 현미경용 마이크로미터에 장착하면 카메라가 모세관의 영상을 수평 및 수직 정렬하며, 동시에 초점면을 조정한다(그림 1). 고해상도 영상을 초당 30프레임 속도로 획득해 컴퓨터에 기록한다. 컴퓨터는 사용자 소프트웨어와 포인트그레이의 FlyCapture 라이브러리를 이용해 영상 획득 및 분석을 자동화한다. 이 시스템은 또한 화각 안에 존재하는 표본 중 가장 분석에 용이한 것을 추출하는 ‘sets’ 기능을 활용한다.
일반적으로 샘플을 촬영한 화각은 밀도에 따라 10개 내지 1만 개의 세포 혹은 입자를 포함하고 있다. 샘플 안에서 통계적으로 의미 있는 자료를 추출하기 위해서는 많은 세포 혹은 입자 분석이 필요하다. Hyperflux는 보통 만 개에서 10만 개, 혹은 그 이상의 세포 또는 입자를 분석하며, 따라서 샘플의 어느 화각·어느 지점에서든 10세트에서 100세트가 넘는 검사를 수행할 수 있다.
Hyperflux는 각 세트 사이에 펌프 및 핀치 밸브를 사용해 샘플을 자동으로 재생(refreshes)한다. 분석 작업에 쓰이는 컴퓨터는 Dell의 쿼드코어 CPU 컴퓨터로, 우분투 리눅스 OS 및 소프트웨어는 한 번에 여러 세트를 분석할 수 있는 멀티스레딩 분석 기능을 자랑한다. 분석을 위해 영상을 식별할 때는 영상 안에 있는 개별 입자 혹은 세포를 ‘개체’로 간주한다. 여러 프레임을 통해 개체의 특징 및 구체적 형태를 규명한다. 또한 일련의 프레임들은 하나의 ‘트랙’으로 묶여 데이터베이스에 저장된다.
각 프레임을 통해 크기·밝기·표면 거칠기나 각도 등의 형태 패러미터를 포함한 여러 특성을 측정할 수 있다. 시스템은 측정한 패러미터들을 평균화해 각 개체에 대한 표준편차를 ‘트랙’을 통해 계산한다. 또한 각 개체의 중심을 이동해 트랙 길이와 수직·수평 속도를 계산한다.소프트웨어에 통합된 오픈 소스 데이터 프레젠테이션 도구를 통해 단일 패러미터 히스토그램, 이중 패러미터 산포도, 3차원 포인트 구성 등 다양한 방법으로 데이터를 시각화할 수 있다.
고감도·고해상도를 담다
HyperFlux 시스템의 중심에는 Grasshopper 2.0메가픽셀 CCD 카메라가 탑재되어있다. Grasshooper 카메라는 에드몬드 옵틱스의 2배율 및 8배율 텔레센트릭 렌즈와 결합해 움직이는 세포를 완전히 자동으로 캡처한다(그림 2).
Ikotech의 CEO이자 사장인 데이비드 케네디는 “GRAS-20S4M-C 카메라의 핵심적 특징은 고감도와 동시에 1600×1200픽셀의 고해상도에서도 낮은 신호대비 잡음비(SNR)를 자랑하며 최대 30fps로 촬영한다는 것”이라며, “Grasshopper 카메라는 리눅스, Mac, libdc1394나 OpenVC 등 IIDC 1.31 표준을 준수하는 윈도 외의 오픈 API에서도 작동한다”고 말했다. 또한 “HyperFlux 시스템에 적합한 54×44×29mm의 작은 크기(그림 3) 역시 이점”이라고 덧붙였다.
