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레이저 스페클 영상을 통한 정밀한 박테리아 콜로니 측정 기술 개발

Development of a Bacterial Colony Quantification Method via Multiple Speckle Illumination

  • 김동혁 (Kim donghyeok, 아주대학교 일반대학원)

초록/요약

항생제 감수성 검사(Antimicrobial susceptibility test)는 박테리아가 항균제에 얼마나 민감한지 측정하는 기술이다. 디스크 확산법(Disk diffusion method)이라고 불리는 커비-바우어 검사(Kirby-Bauer Test)는 검사 중 한 방법이다. 위 검사는 억제 영역(Inhibition zone)의 직경으로 박테리아의 민감도를 측정한다. 억제 영역의 직경은 눈금자 또는 캘리퍼스, 영역 판독기 등으로 측정한다. 따라서 분석 과정에서 오류가 발생할 가능성이 있다. 또한 억제 구역을 판단하기 위해서는 18 시간 이상 세균을 배양해야 한다. 박테리아 및 항생제의 억제 영역을 영상 처리를 통해 조기에 측정할 수 있다면 박테리아에 감염된 환자에게 적합한 항생제를 조기에 투약할 수 있는 가능성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 레이저 스페클 영상(Laser speckle imaging)과 시변 상관계수 분석(Temporal correlation method)을 통한 박테리아 콜로니 분석 기술을 개발하여 레이저 스페클 영상을 통한 억제 영역 및 세균 군집을 측정 및 분류하고자 한다. 카메라, 660nm 반도체 레이저, 광 확산기(Optical diffuser)를 사용한 광학계를 제작했다. 또한 레이저 스페클의 광도와 카메라의 노이즈를 구분하기 위해서 광 확산기의 회전이 가능한 광학계를 개발하였다. 개발된 광학계를 통해 무균 상태의 고체 배지와 디스크 확산법으로 24 시간 이상 배양한 대장균 샘플을 측정한 후 시변 광도 상관계수 분석을 진행해 성능을 검증하였다. 제안된 레이저 스페클 영상을 통하여 박테리아의 유무를 영상 처리를 통해 구분해낼 수 있었고, 박테리아의 성장과 같은 표면의 움직임에서 나타나는 스페클 영상이 무균 상태의 배지에서 나타나는 영상과 다름을 확인하였으며 조기에 측정할 수 있음을 확인하였다. 추후 더욱 다양한 박테리아를 및 항생제를 측정하여 레이저 스페클 영상을 통한 박테리아 측정 기술이 새로운 검사 기술로서 활용될 것이라 기대한다.

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목차

제 1 장 서론 1
제 2 장 기초이론 4
제 1 절 매질에서의 빛의 산란 (scattering in medium) 4
2. 1. 1 미 산란(Mie scattering) 4
제 2 절 피어슨 상관 관계(Pearson correlation) 5
제 3 장 실험 방법 6
제 1 절 레이저 스페클 영상 및 분석 6
3.1.1 레이저 스페클 영상 6
3.1.2 시간 상관 분석(temporal correlation method) 7
3.1.3 스페클 대비 분석법(speckle contrast method) 7
제 2 절 레이저 스페클 영상(Laser speckle imaging) 및 광 확산기 포함 광학계 및 측정 8
3.2.1 광 확산기를 포함한 다중 레이저 스페클 영상 광학계 8
3.2.2 레이저 스페클 광학계의 박테리아 콜로니 측정 9
제 4 장 실험 결과 10
제 1 절 영역의 공간적 특징 측정 및 정량화 10
4.1.1 균일한 상관 관계 결과 도출을 위한 성능 평가 10
4.1.2 공간 측정의 정확도 향상 13
제 2 절 억제 영역 분석 및 정량화 평가 14
제 3 절 억제 영역 조기 측정 및 정량화 평가 17
4.3.1 상관 계수의 대비 분석 17
4.3.2 상관 계수 대비 분석 정량화 평가 19
제 5 장 결론 20
참 고 문 헌 23
영 문 요 약 28

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