KR20180037350A - Apparatus for diagnosing diseases using exhaled breath analysis - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 사람이 내뱉는 호기를 분석하여 사람의 질병을 진단하는 질병진단기술에 관한 것이다.The present invention relates to a disease diagnosis technique for diagnosing a human disease by analyzing human expiration.
호기 분석으로 질병을 진단하기 위해 필요한 시료는 폐포벽을 사이에 두고 폐포기와 모세관 중의 혈액 사이에서 일어나는 가스 교환으로 VOCs 및 다양한 가스 성분들이 포함되어 있는 폐포의 공기이며, 폐포의 공기에는 바이오마커(Biomarker)의 주성분으로 분류되는 대부분의 물질들을 포함하고 있다.The samples needed to diagnose the disease by expiration analysis are alveolar air containing VOCs and various gas components through gas exchange between the alveolar air and the blood in the capillary with the alveoli wall interposed. The alveolar air contains a biomarker, Which is the major component of the product.
바이오마커(biomarker)는 발암, 유전질환, 노환 등이 진행되는 단계 중 특징적으로 나타나는 형태학적, 생화학적, 분자생물학적 변화로써 생체지표를 검색함으로써 물질의 위해성 판단이 가능하기 때문에 질병 진단을 위한 지표로 활용되고 있다.Biomarker is a morphological, biochemical, and molecular biologic change characteristic of carcinogenesis, genetic disease, and obesity. It is possible to determine the risk of a substance by searching biomarkers. .
도 1은 종래의 비침습성의 사람의 호기 중 바이오마커 분석을 통해 질병을 진단하는 장치에 관한 것이다. Figure 1 is a device for diagnosing disease through biomarker analysis in a conventional non-invasive human breath.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 호기 분석을 통한 질병진단장치는 특정 주성분 물질을 검출하기 위하여 센서 어레이 기반으로 구성된 장치가 이용되고 있다. 또한, 검출 센서에 도달하기 전에 혼합된 분석물질의 성분들을 각각의 성분들로 분리하기 위하여 GC 칼럼을 사용하였으며, 사람의 호기 중 폐포를 모으기 위한 샘플링 장치로서 3-way 솔레노이드 밸브가 적용되고 있다.As shown in FIG. 1, in the disease diagnosis apparatus through the conventional breath analysis, a device configured based on a sensor array is used to detect a specific principal ingredient. In addition, a GC column was used to separate the components of the mixed analyte into individual components before reaching the detection sensor, and a 3-way solenoid valve was applied as a sampling device for collecting alveoli in the human breath.
우선, 센서 어레이 기반의 검출장치는 장기간 사용시 감도가 낮아지고, 재현성이 떨어진다. 그리고 바이오마커로 분류되는 주성분의 패턴을 분석하기 위해서 특정 주성분 물질을 검출할 수 있는 센서를 제작해야 하는데 이 과정이 쉽지 않고, 새로운 물질이 바이오마커로 확인되어 검출해야 할 필요가 있을 경우, 이에 해당하는 센서를 새롭게 제작해야 하는 문제점이 있다. 또한, 표적 물질에 대해서만 전기적인 신호 변화를 나타내야 하는데 표적 물질 뿐만 아니라 이와 유사한 물질에도 상호작용에 의한 전기적 신호가 발생될 수 있기 때문에 발생된 신호가 바이오마커로 분류되는 주성분에 의한 것인지 아니면 이와 유사한 물질에 의한 것인지 명확하게 구분할 수 없어서 오진단율이 높아지는 원인이 될 수 있다.First, the sensor array-based detection device has low sensitivity and low reproducibility when used over a long period of time. In order to analyze the pattern of the main component classified as the biomarker, it is necessary to fabricate a sensor capable of detecting a specific principal component material. If this process is not easy and a new substance is identified as a biomarker and needs to be detected, There is a problem in that a new sensor must be manufactured. In addition, it is necessary to show an electrical signal change only for the target substance, since an electrical signal due to interaction with not only the target substance but also similar substances may be generated, so that the generated signal is due to the main component classified as the biomarker, It is impossible to clearly distinguish whether or not it is caused by a defect.
또한, 호기(Exhaled breath) 중에 존재하는 다양한 VOCs들이 센서에 도달하기 전, 혼합된 분석물질의 성분들을 각각의 성분들로 분리하기 위해 미터 (meter) 단위 길이의 GC의 칼럼(Column)을 사용하였으나 이러한 GC 칼럼은 샘플 수용력이 낮고, 흐를 수 있는 유량 범위가 크기 않으며, 컬럼의 길이가 미터(Meter) 단위로 매우 길기 때문에 혼합성분이 분리되는데 오랜 시간이 걸리며, 결국 총 분석에 소요되는 시간이 길어지면서 분석 결과를 통해 질병 진단 결과를 확인하는데 많은 시간이 소요된다는 문제가 있다.Also, before the various VOCs present in the exhaled breath reach the sensor, a GC column of meter length was used to separate the components of the mixed analyte into their respective components Such a GC column has a low sample capacity, a small flowable flow range, and a long column length, which takes a long time to separate the mixed components, resulting in a long total analysis time And it takes a lot of time to check the diagnosis result through analysis results.
그리고, 호기 분석을 통한 질병 진단을 위해서는 내뱉는 호기 과정에서 나오는 폐포의 공기를 모아서 측정해야 한다. 폐포의 공기를 모으기 위해서는 한 호기를 길게(약 350mL 이상) 내뱉어야 하는데, 종래에는 폐포의 공기를 샘플링 루프에 모으기 위한 3-way 솔레노이드 밸브만 있을 뿐, 내뱉는 호기의 유량을 측정 모니터링 할 수 있는 별도의 장치가 없어서 샘플링 루프에 모아진 공기가 폐포의 공기인지 확인이 어려운 문제가 있다.In order to diagnose diseases through exhalation analysis, the air of the alveoli from the exhalation process should be collected and measured. In order to collect the air of the alveoli, one unit should be spit long (about 350mL or more). In the past, there is only a 3-way solenoid valve for collecting the alveolar air in the sampling loop. There is a problem that it is difficult to confirm whether the air collected in the sampling loop is the air of the alveoli.
본 발명의 발명자는 위와 같은 문제를 해결하기 위하여 오랫동안 연구하고 시행착오를 거친 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다. The inventor of the present invention has studied for a long time to solve the above problems, and after trial and error, has come to complete the present invention.
본 발명은 비침습성의 방식으로 사람의 호기를 분석하여 질병 진단 결과를 빠른 시간 내에 획득할 수 있는 호기 분석을 통한 질병진단장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a disease diagnosis apparatus by analyzing the breath of a person in a non-invasive manner to obtain a disease diagnosis result in a short time.
또한, 오진단율을 낮추어 진단 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 호기 분석을 통한 질병진단장치를 제공하고자 한다.In addition, the present invention provides a disease diagnosis apparatus by means of breath analysis which can improve the reliability of diagnostic results by lowering the false positive rate.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.On the other hand, other unspecified purposes of the present invention will be further considered within the scope of the following detailed description and easily deduced from the effects thereof.
위와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 제 1 국면은, 피검자의 날숨에 의한 가스를 분석하여 질병을 진단하는 호기 분석을 통한 질병진단장치에 있어서,In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention is a disease diagnosis apparatus for analyzing a gas caused by an exhalation of a subject to diagnose a disease through exhalation analysis,
피검자의 호기가 유입되는 호기 유입부; 및An exhale inflow portion into which the exhalation of the examinee flows; And
상기 호기 유입부를 통과한 상기 호기 중의 VOCs 혼합 가스를 검출하는 검출부를 포함하고,And a detection unit for detecting a mixed gas of VOCs in the exhalation unit that has passed through the exhalation inlet unit,
상기 검출부는 IMS(Ion Mobility Spectroscopy)를 포함하는 것을 특징으로 하는,Characterized in that the detector comprises Ion Mobility Spectroscopy (IMS)
호기 분석을 통한 질병진단장치를 제공한다.And provides a disease diagnosis device through exhalation analysis.
또한, 본 발명은 상기 호기 유입부와 상기 IMS 사이에 형성되며, 상기 호기 유입부를 통과한 호기의 유량이 기설정량 미안인 경우, 상기 호기를 그대로 배출하고, 상기 호기 유입부를 통과한 호기의 유량이 기설정량 이상인 경우, 상기 호기를 상기 IMS로 공급하는, 호기 공급조절부를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention is characterized in that when the flow rate of the exhalation unit that is formed between the exhalation unit and the IMS and flows through the exhalation unit has been set to a predetermined fixed amount, the exhalation unit is directly discharged and the flow rate of the exhalation unit passing through the exhalation unit is And an expiration supply regulator for supplying the expiration date to the IMS when the expiration amount is equal to or larger than the predetermined amount.
상기 호기 공급조절부는,Wherein the exhalation supply regulator comprises:
상기 호기 유입부를 통과한 호기의 유량을 측정하는 유량측정부;A flow rate measuring unit for measuring a flow rate of the exhalation unit passing through the exhalation unit;
상기 유량측정부에 의하여 측정된 호기의 유량에 따라서 상기 IMS로 상기 호기의 공급을 조절하기 위하여 일시적으로 상기 호기를 수용하는 샘플 루프(sample loop); A sample loop temporarily accommodating the patient to adjust the supply of the patient to the IMS according to the flow rate of the patient measured by the flow measuring unit;
상기 호기의 상기 샘플 루프로의 이동라인과 상기 샘플루프를 거친 상기 호기를 상기 IMS로 이동시키는 캐리어가스(carrier gas)의 이동라인을 제어하는 6-way 밸브; 및A 6-way valve for controlling a movement line of the ox unit to the sample loop and a movement line of a carrier gas to move the ox unit through the sample loop to the IMS; And
상기 유량측정부에서 측정된 호기의 유량에 따라서 상기 6-way 밸브를 제어하여, 상기 샘플 루프에 수용된 호기를 상기 IMS로 공급하는 것을 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.And a control unit for controlling the 6-way valve according to the flow rate of the exhalation measured by the flow rate measuring unit to control supply of the exhalation unit accommodated in the sample loop to the IMS.
본 발명은 상기 호기 공급조절부와 상기 IMS 사이에 형성되며, 상기 호기가 상기 IMS에 공급되기 전 상기 호기 내의 다양한 혼합가스 성분을 분리하는 MCC 칼럼(Multi Capillary Column)을 더 포함할 수 있다.The present invention may further comprise an MCC column (Multi-Capillary Column) formed between the exhalation supply regulating unit and the IMS and separating various mixed gas components in the exhalation before the exhalation unit is supplied to the IMS.
또한 본 발명은 상기 샘플 루프 및 상기 6-way 밸브 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제1 온도조절부를 더 포함할 수 있다.Further, the present invention may further include a first temperature controller for maintaining the temperature of the sample loop and the inside of the 6-way valve at a predetermined temperature.
그리고 본 발명은 상기 MCC 칼럼 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제2 온도조절부를 더 포함할 수 있다.Further, the present invention may further include a second temperature controller for maintaining the temperature inside the MCC column at a preset temperature.
또한 본 발명은 상기 IMS 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제3 온도조절부를 더 포함할 수 있다.The present invention may further include a third temperature controller for maintaining the temperature of the IMS at a preset temperature.
그리고 본 발명은 상기 호기를 상기 IMS로 이동시키는 캐리어가스 및 상기IMS 내부에서 상기 호기의 이동방향과 반대방향으로 이동하면서 자기장을 유도하는 드리프트가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.The present invention may further comprise a gas supply unit for supplying a carrier gas for moving the ox unit to the IMS and a drift gas for guiding a magnetic field while moving in a direction opposite to the moving direction of the ox unit within the IMS.
상기 캐리어가스 및 상기 드리프트가스는 동일한 가스로서, 질소 가스 또는 공기를 포함하며,Wherein the carrier gas and the drift gas are the same gas and include nitrogen gas or air,
상기 가스 공급부는, The gas-
상기 질소 가스 또는 공기를 수용하는 가스 탱크;A gas tank for containing the nitrogen gas or air;
상기 가스 탱크와 연결되어, 상기 가스 탱크에 수용된 질소 가스 또는 공기를 캐리어가스 및 드리프트가스로 분류하는 Y-Fitting을 포함할 수 있다.And a Y-fitting that is connected to the gas tank and divides the nitrogen gas or air contained in the gas tank into a carrier gas and a drift gas.
또한, 상기 가스 탱크를 대신하여 외부 공기 흡입 펌프 및 필터를 포함할 수 있다.In addition, the gas tank may be replaced with an external air suction pump and a filter.
그리고 본 발명은 상기 호기 유입부와 상기 유량측정부 사이에 형성되어, 상기 호기 유입부를 통과한 호기의 수분을 제거하는 수분제거필터를 더 포함할 수 있다.The present invention may further comprise a moisture removing filter formed between the expiratory volume inlet and the flow volume measuring unit to remove moisture from the expired volume passed through the expiratory volume inlet.
본 발명을 이용하면, 바이오마커로 분류되는 주성분인 VOCs 등을 검출하는데 감도 및 재현성이 우수한 IMS 센서를 적용함으로써, 오진단율을 감소시키고, 질병 진단 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.By using the present invention, an IMS sensor having excellent sensitivity and reproducibility can be applied to detect VOCs or the like, which is a main component classified as a biomarker, thereby reducing the false-positive rate and improving the reliability of the diagnosis result.
또한, MCC를 사용하여 종래보다 빠른 Pre-separation이 이루어져서 총 분석 소요 시간이 단축되기 때문에 단 시간 내에 질병진단 결과를 확인할 수 있다.In addition, since the MCC is used for pre-separation faster than the conventional method, the total analysis time is shortened, and the diagnosis result can be confirmed within a short time.
그리고, IMS에서 다양한 VOCs 성분들에 대한 검출 신호를 출력하기 때문에 Topographic plot을 기반으로 다양한 질병 진단을 위한 각각의 데이터 구축이 가능하다.Since IMS outputs detection signals for various VOCs, each data can be constructed for diagnosis of various diseases based on the topographic plot.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.On the other hand, even if the effects are not explicitly mentioned here, the effect described in the following specification, which is expected by the technical features of the present invention, and its potential effects are treated as described in the specification of the present invention.
도 1은 종래의 비침습성의 사람의 호기 중 바이오마커 분석을 통해 질병을 진단하는 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 분석을 통한 질병진단장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 분석을 통한 질병진단장치의 IMS를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 IMS로부터 얻은 신호를 토포그래픽 플랏(topographic plot) 기반의 출력신호로 분석한 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 유량이 기설정값에 도달하지 않았을 때 6-way 밸브의 연결 상태 및 호기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 유량이 기설정값에 도달했을 때 6-way 밸브의 연결 상태 및 호기의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MCC 칼럼에 의한 혼합 가스 성분의 분리를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부공기를 드리프트가스와 캐리어가스로 이용하는 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 유입부와 유량측정부 사이에 호기의 수분을 제거하는 수분제거필터가 결합된 것을 나타낸 도면이다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.FIG. 1 is a diagram showing an apparatus for diagnosing a disease through biomarker analysis in a conventional non-invasive human breath.
FIG. 2 is a diagram illustrating a disease diagnosis apparatus using breath analysis according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an IMS of a disease diagnosis apparatus using breath analysis according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
4 is a diagram illustrating an analysis of a signal obtained from an IMS according to an embodiment of the present invention into an output signal based on a topographic plot.
FIG. 5 is a view showing a connection state of a 6-way valve and a flow of an exhalation when the exhalation flow rate according to an embodiment of the present invention has not reached a preset value.
FIG. 6 is a view showing a connection state of a 6-way valve and a flow of an exhalation flow when an exhalation flow rate according to an embodiment of the present invention has reached a preset value.
7 is a view illustrating the separation of mixed gas components by an MCC column according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a view showing a configuration using outside air as a drift gas and a carrier gas according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a moisture removing filter for removing moisture of the breathing unit between a breathing unit and a flow measuring unit according to an embodiment of the present invention.
It is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명에 따른 호기 분석을 통한 질병진단장치의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, an embodiment of a disease diagnosis apparatus based on breath analysis according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding components A duplicate description thereof will be omitted.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 분석을 통한 질병진단장치를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 호기 분석을 통한 질병진단장치는, 호기 유입부(100) 및 검출부를 포함한다. FIG. 2 is a diagram illustrating a disease diagnosis apparatus using breath analysis according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. The apparatus for diagnosing disease through exhalation analysis according to the present invention includes a
호기 유입부(100)는 피검자가 날숨으로 호기를 불어넣는 곳으로서, 마우스피스(mouthpiece)를 포함할 수 있다. 피검자가 마으스피스를 입에 물고 길게 호흡을 내뱉애서 호기를 전달할 수 있다. 이때 마우스피스는 내열성과 내화학성이 우수한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.The
검출부는 호기 유입부(100)를 통과한 상기 호기 중의 VOCs 혼합 가스를 검출하는 기능을 하는 것으로서, 본 발명에서는 이러한 검출부로 IMS(200)를 이용한다. IMS(200)는 피검자의 호기 중의 이온화된 분자 또는 이온들의 크기, 모양, 질량, 전하 등에 따라 이온이동도 차이를 통해 성분을 식별하여 바이오마커를 검출할 수 있다.The detection unit has a function of detecting a mixed gas of VOCs in the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 분석을 통한 질병진단장치의 IMS(200)를 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating an
IMS(200)는 기본적으로 시료 흡입부, 이온화부, 이온분자 반응영역, 이온이동관, 컬렉터, 신호증폭부 및 전자 제어부등으로 구성된다. 호기 중의 VOCs 혼합 가스 성분들이 IMS(200)에 도달하게 되면, 이온화원 영역에 있는 Ni63 동위원소나 코로나 방전 등의 이온화원으로부터 형성된 반응이온과 화학적인 반응으로 이온화되어 + 또는 -의 전하를 갖게 되고, 반응영역과 이온이동관 사이에 있는 셔터의 On/Off 제어를 통해 이온화된 가스의 일정량이 이온이동관 내부로 유입된다.The
이때, 이온이동관 내부에는 강한 자기장이 형성되어 있고, 전기장 유도에 의해 이온화된 분자나 이온은 컬렉터 방향으로 이동하게 된다. 컬렉터는 이온화된 분자나 이온이 도착할 때마다 신호를 출력하게 된다.At this time, a strong magnetic field is formed inside the ion moving tube, and molecules or ions ionized by the electric field induction move toward the collector. The collector outputs a signal whenever an ionized molecule or ion arrives.
이온이동관 내부에는 드리프트가스가 이온의 이동방향과 반대방향으로 이동하고 있다. 이온이 드리프트가스 사이를 지나면서 수없이 충돌하고 저항을 받으며, 이때 이온의 크기, 모양에 따라 충돌 단면적이 다르고, 표면 전하의 크기에 따라 자기장의 영향을 받는 정도가 다르기 때문에 이온에 따라 이온이동관 내부를 비행하는데 걸리는 시간의 차이가 발생하는 것이다.The drift gas moves in the direction opposite to the moving direction of the ions in the ion moving tube. Since the ion crosses the drift gas several times and receives resistance, the impact surface area varies depending on the size and shape of the ion and the degree of influence of the magnetic field varies depending on the surface charge. The time required to fly the aircraft will be different.
이러한 IMS(200)를 이용하여 이온을 분리하여 검출하게 되면, 종래 센서 어레이 방식과 비교하여, 감도가 우수하고, 장기간 사용에도 재현성이 뛰어나며, 바이오마커로 분류되는 주성분 물질에 대한 데이터베이스 구축이 용이하게 된다.By separating and detecting ions using the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 IMS(200)로부터 얻은 신호를 토포그래픽 플랏(topographic plot) 기반의 출력신호로 분석한 것을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an analysis of a signal obtained from the
IMS(200)의 컬렉터에서 검출된 신호를 바탕으로 드리프트 타임(drift time), 리텐션 타임(retention time) 및 신호세기로 표현되는 토포그래픽 플랏(topographic plot)을 도시할 수 있게 된다. 트포그래픽 플랏 기반의 출력 신호 패턴 분석을 통하여 각 질병에 대한 데이터베이스 구축할 수 있게된다.It is possible to show a topographic plot expressed by a drift time, a retention time, and a signal intensity based on the signal detected at the collector of the
도 4(a)는 토포그래픽 플랏을 통한 IMS(200) 출력 신호 패턴 분석을 위해 개발된 자체 UI프로그램으로 x축은 Drift time(ms) 오른쪽의 y축은 Retention time(min) 왼쪽의 y축은 색상으로 나타내는 Amplitude(mV)를 나타낸 것으로 구성되어 있으며, 각 질병에 대한 바이오마커 주성분을 확인하고 그에 대한 출력 신호 패턴을 DB 구축하여 질병진단을 할 수 있다.4A is a UI program developed for analyzing the pattern of the output signal of the
도 4(b)는 UI 프로그램에서 실제 나타나는 화면으로서, Retention time 동안 계속 측정하면서 축적되는 Drift time에 대한 신호출력 그래프를 위에서 바라본 것이다.FIG. 4 (b) shows a graph of the signal output for the drift time accumulated during the retention time, which is actually displayed in the UI program.
이처럼 바이오마커로 분류되는 주성분 물질에 대한 데이터베이스 구축이 용이하기 때문에 패턴분석 알고리즘을 통해 다양한 질병의 진단이 가능해진다.Since database construction of main ingredient materials classified as biomarkers is easy, it is possible to diagnose various diseases through pattern analysis algorithm.
호기 분석을 통한 질병진단을 위해서는 내뱉는 호기 중 폐포의 공기를 모아서 측정해야 한다. 폐포의 공기를 모으기 위해서는 한 호기를 길게(약 350ml 이상) 내뱉어야 한다.In order to diagnose diseases through exhalation analysis, the alveolar air should be collected and measured. In order to collect the air of the alveoli, one unit should be spit long (about 350ml or more).
따라서 본 발명은 긴 호흡으로 호기를 배출하는 경우에만 호기 중 가스의 성분을 분석하기 위하여 호기 공급조절부(300)를 더 포함할 수 있다.Therefore, the present invention may further include an
호기 공급조절부(300)는 호기 유입부(100)와 IMS(200) 사이에 위치할 수 있다. 호기 공급조절부(300)는 호기 유입부(100)를 통과한 호기의 유량이 기설정량 미만인 경우에는 호기를 그대로 외부로 배출하고, 호기 유입부(100)를 통과한 호기의 유량이 기설정량 이상인 경우에만 호기를 IMS(200)로 공급하는 역할을 하게 된다.The
도 2를 참조하여 호기 공급조절부(300)의 구성을 설명한다.The configuration of the
호기 공급조절부(300)는 유량측정부(310), 샘플 루프(320), 6-way 밸브(330) 및 제어부(340)를 포함한다.The
유량측정부(310)는 호기 유입부(100)를 통과한 호기의 유량을 측정하는 장치이다. 유량측정부(310)는 flow meter를 포함하고, flow meter는 기체 유량을 측정하는 장치로 피검자가 길게 내쉬는 호기의 유량을 실시간으로 측정할 수 있다.The flow
샘플 루프(320)는 호기 가스 중 폐포의 공기만을 채취하기 위한 공간으로서, IMS(200)에 호기가 공급되기 전 일시적으로 호기를 수용하게 된다. 아래 상술하는 6-way 밸브(330)의 조정에 의하여 샘플 루프(320)의 호기가 IMS(200)로 이동하거나 또는 외부로 배출된다. 즉, 일정 유량 이상 즉, 약 350mL 이상의 호기가 유량측정부(310)에서 측정되면 6-way 밸브(330)의 온오프 조절을 통하여 샘플 루프(320)의 호기를 IMS(200)로 이동시킨다. 그리고 그 미만의 호기가 유량측정부(310)에서 측정되면 샘플 루프(320)의 호기는 그대로 외부로 배출된다. 6-way 밸브(330)의 자세한 동작제어는 이후 상술하기로 한다. 샘플 루프(320)는 내열성과 내화학성이 우수한 재질로 구성됨이 바람직하다.The
제어부(340)는 유량측정부(310)에서 측정된 호기의 유량에 따라서 6-way 밸브(330)를 제어하여, 샘플 루프(320)에 수용된 호기를 상기 IMS(200)로 공급하는 것을 조절하는 역할을 하게 된다.The
6-way 밸브(330)는 호기 가스의 흐름 라인과 캐리어가스의 흐름 라인을 제어하는 밸브로 총 6개의 포트(Port)로 구성되며, 각 포트의 연결 방식은 유량측정부(310)에서 측정된 호기의 유량에 따라서 제어부(340)의 동작 제어 신호를 통해 제어된다.The 6-
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 유량이 기설정값에 도달하지 않았을 때 6-way 밸브(330)의 연결 상태 및 호기의 흐름을 나타낸 도면이다.5 is a view showing the connection state of the 6-
호기 유량이 기설정값에 도달하지 않았을 때는 캐리어가스가 MCC 칼럼(400)에 전달될 수 있도록 포트 2와 포트 6이 연결되어 있으며, 호기 유입부(100)의 마으스피스로부터 유입되는 호기 가스가 샘플 루프(320)로 전달될 수 있도록 포트 1과 포트 3이 연결되어 있고, 샘플 루프(320)를 빠져나가는 호기가 외부로 배출될 수 있도록 포트 4와 포트 6이 연결되어 있다. 따라서 캐리어 가스는 샘플 루프(320)를 거치지않고 그대로 MCC 칼럼(400)으로 전달되고, 피검자의 호기는 샘플 루프(320)를 거쳐 밖으로 배출되게 된다.When the exhalation flow rate does not reach the preset value, the port 2 and the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 유량이 기설정값에 도달했을 때 6-way 밸브(330)의 연결 상태 및 호기의 흐름을 나타낸 도면이다.6 is a view showing the connection state of the 6-
호기 유량이 기설정값에 도달한 경우, 포트의 연결상태를 설명한다. 이때, 샘플 루프(320)에는 호기가 가득 차 있는 상태이다.When the exhalation flow rate reaches the preset value, the connection state of the port is explained. At this time, the
캐리어가스가 샘플 루프(320)에 전달될 수 있도록 포트 2와 포트 3이 연결되어 있고, 샘플 루프(320)에 가득 차있는 호기(폐포의 공기)를 MCC 칼럼(400)으로 전달할 수 있도록 포트 4와 포트 6이 연결되어 있으며, 마우스피스 로부터 유입되는 호기 가스는 샘플 루프(320)를 거치지 않고 그대로 배출되도록 포트 1과 포트 6이 연결되어 있다.Port 2 and
따라서 캐리어가스는 샘플 루프(320)에 가득 차있는 폐포의 공기를 이끌고 MCC 칼럼(400)으로 이동하고 있으며, 피검자가 길게 내쉬는 호기의 유량은 샘플 루프(320)를 거치지 않고 밖으로 배출되는 상태이다. MCC 칼럼(400)을 거친 폐포의 공기는 차례로 분리되어 IMS(200) 센서로 전달되고 분석이 이루어지게 된다.Therefore, the carrier gas is led to the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MCC 칼럼(400)에 의한 혼합 가스 성분의 분리를 나타낸 도면이다.7 is a view illustrating separation of a mixed gas component by the
유입된 호기를 IMS(200)로 이동시켜 분석하기 전에 호기 내의 다양한 혼합가스 성분을 분리할 수 있다. 즉, 본 발명은 IMS(200) 이전에 Pre-separion 장치로 MCC(multi capillary column)칼럼을 사용하는 것이다. MCC 칼럼(400)은 약 천 개의 얇은 평행 캐필러리가 다발로 구성되어 매우 높은 수용력을 가지며, 흐를 수 있는 유량의 범위가 넓고, 컬럼의 총 길이가 센치미터(Cm) 단위로 짧기 때문에 단 시간 내에 우수한 분리능으로 혼합성분을 분리할 수 있다.It is possible to separate various mixed gas components in the exhalation before moving the introduced exhalation to the
결국 총 분석에 소요되는 시간이 짧아지면서 단 시간 내에 분석 결과를 통한 질병진단결과를 확인할 수 있게 된다.As a result, the time required for the total analysis is shortened, and the results of the diagnosis can be confirmed in a short time.
본 발명은 샘플 루프(320) 및 6-way 밸브(330) 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제1 온도조절부(500)를 포함할 수 있다. The present invention may include a
제1 온도조절부(500)는 샘플 루프(320) 내부에 가스가 흡착되는 것을 방지하기 위하여 가열하여 일정온도를 유지하는 것이다. 이를 위하여 실시간 온도를 측정하는 온도 센서 및 열을 공급하는 히터를 포함할 수 있다. 바람직하게는 샘플 루프(320) 및 6-way 밸브(330) 내부의 온도를 균일한 온도(약 40~60)를 유지할 수 있다. 균일한 온도가 유지되는 영역은 호기유입부를 통해 가스가 샘플 루프(320)로 유입되는 영역 및 캐리어가스가 유입되는 영역을 포함할 수 있다.The
또한, 본 발명은 MCC 칼럼(400) 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제2 온도조절부(600)를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a
제2 온도조절부(600)는 혼합 가스의 원할한 분리를 위해 MCC 칼럼(400)을 일정온도로 유지하도록 MCC 칼럼(400)에 열을 공급하는 것이다. 온도 센서를 통해 실시간 온도를 측정하고, 이에 따라 열 공급을 조절하여 MCC 칼럼(400) 내부가 항상 설정된 값(약 40~80)을 유지할 수 있다.The
보다 정확히는 VOCs 등의 가스가 MCC 칼럼(400)내부를 통과하면서 흡착되는 것을 방지하고, 원활한 분리가 이루어 지도록 하기 위한 목적이며, 균일한 온도로 가열되는 영역은 MCC 칼럼(400) 영역으로 가스가 MCC 칼럼(400)으로 유입되는 영역과 MCC 칼럼(400)에서 IMS(200)로 운반하는 영역이 포함될 수 있다.More precisely, it is intended to prevent the gas such as VOCs from being adsorbed while passing through the inside of the
그리고, 본 발명은 IMS(200) 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제3 온도조절부(700)를 더 포함할 수 있다. In addition, the present invention may further include a
이온의 원활한 검출을 위하여 IMS(200)를 가열하는 것으로, 온도 센서를 통해 실시간 온도를 측정하고, 측정된 온도에 따라서 열의 공급을 제어하여 IMS(200)를 항상 설정된 값의 균일한 온도(약 100~250)로 유지하게 한다.The
정확히는 VOCs 등의 가스가 IMS(200) 내부에 흡착되는 것을 방지하고, 원활한 검출이 이루어 지도록 하기 위한 목적이며, 균일한 온도로 가열되는 영역은 IMS(200) 영역으로 IMS(200)로 유입되는 캐리어가스 주입구 영역과 드리프트가스 주입구 영역, IMS(200)에서 외부로 배출되는 영역이 포함될 수 있다.(IOC) 200 is a region that is heated to a uniform temperature. The
본 발명은 드리프트가스와 캐리어가스를 공급하는 가스공급부(800)를 더 포함할 수 있다. 그리고 가스공급부(800)는 가스탱크(810), 및Y-Fitting(820)을 포함한다.The present invention may further include a
드리프트가스와 캐리어가스 용으로 질소 가스 또는 공기가 이용될 수 있다. 이러한 가스는 가스탱크(810)에 수용되어 있다가 Y-Fitting(820)에 의하여 분류되어 드리프트가스 및 캐리어가스의 각각의 용도에 맞게 이용될 수 있다. Nitrogen gas or air may be used for the drift gas and the carrier gas. Such gas may be accommodated in the
캐리어가스는 샘플 루프(320) 속에 가득 차 있는 폐포의 공기를 MCC 칼럼(400)으로 운반하여 Pre-separation 한 뒤, IMS(200)의 이온화 영역으로 운반하는 역할을 수행한다. 그리고 드리프트가스는 IMS(200) 내부에서 이온이 흐르는 반대 방향으로 흐르면서 자기장에 유도에 의해 이동하는 이온에 저항을 주는 역할을 수행하며, 충돌 단면적에 따라 발생하는 저항의 변화를 통해 이온이동도 차이가 발생하도록 하는 역할을 한다.The carrier gas carries the full alveolar air in the
Y-Fitting(820)은 유량의 흐름을 두 갈래로 분래하는 구성으로서, 질소 가스 또는 공기가 가득 담긴 고순도의 가스탱크(810)(810)에서 나오는 유량을 캐리어가스 용도와 드리프트 가스 용도로 동시에 사용할 수 있도록 두 개의 방향으로 흐를 수 있게 해준다.The Y-fitting 820 is a structure for bifurcating the flow of the flow rate. The Y-
Y-Fitting(820) 이후의 드리프트가스 및 캐리어가스의 이동라인에는 MFC(Mass Flow Controller)가 설치되어 드리프트가스 및 캐리어가스의 유속을 각각 제어할 수 있다.An MFC (Mass Flow Controller) is installed in the drift gas and carrier gas movement lines after the Y-fitting 820 to control the flow rates of the drift gas and the carrier gas, respectively.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부공기를 드리프트가스와 캐리어가스로 이용하는 구성을 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a view showing a configuration using outside air as a drift gas and a carrier gas according to an embodiment of the present invention.
드리프트가스와 캐리어가스로서 가스탱크(810)에 수용된 일정량의 질소가스 또는 공기가 아닌 외부 공기를 그대로 이용할 수도 있다. 외부공기를 흡입 펌프(830)를 통해 흡입한 다음 필터(840)를 거쳐 Y-Fitting(820)으로 이동시켜 외부 공기를 드리프트가스 및 캐리어가스로 이용할 수도 있는 것이다.As the drift gas and the carrier gas, a certain amount of nitrogen gas contained in the
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 호기 유입부(100)와 유량측정부(310) 사이에 호기의 수분을 제거하는 수분제거필터(110)가 결합된 것을 나타낸 도면이다.9 is a view showing a
호기의 분석은 수분에 많은 영향을 받을 수 있기 때문에 호기 유입부(100)와 유량측정부(310) 사이에 호기의 수분을 제거하는 필터가 추가될 수 있는 것이다.Since the analysis of the expiration can be greatly affected by moisture, a filter for removing the moisture of the expiration can be added between the
본 발명은 Sieve & Carbon filter를 더 포함할 수 있고, Sieve & Carbon filter는 IMS(200)를 거친 가스 중의 수분을 제거하고, VOCs 등의 물질로 오염 공기를 정화하는 역할을 수행하며, 정화된 공기가 대기 중으로 배출될 수 있도록 하는 구성이다.The present invention may further include a sieve & carbon filter. The sieve & carbon filter removes moisture in the gas passing through the
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.The scope of protection of the present invention is not limited to the description and the expression of the embodiments explicitly described in the foregoing. It is again to be understood that the present invention is not limited by the modifications or substitutions that are obvious to those skilled in the art.
100: 호기 유입부
110: 수분제거필터
200: IMS
300: 호기 공급조절부
310: 유량측정부
320: 샘플 루프
330: 6-way 밸브
340: 제어부
400: MCC 칼럼
500: 제1 온도조절부
600: 제2 온도조절부
700: 제3 온도조절부
800: 가스 공급부
810: 가스 탱크
820: Y-Fitting
830: 흡입 펌프
840: 필터100:
110: Moisture removal filter
200: IMS
300:
310: Flow measuring unit
320: Sample Loop
330: 6-way valve
340:
400: MCC column
500: first temperature regulator
600: second temperature regulator
700: third temperature regulator
800: gas supply part
810: Gas tank
820: Y-Fitting
830: Suction pump
840: Filter
Claims (11)
피검자의 호기가 유입되는 호기 유입부; 및
상기 호기 유입부를 통과한 상기 호기 중의 VOCs 혼합 가스를 검출하는 검출부를 포함하고,
상기 검출부는 IMS(Ion Mobility Spectroscopy)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.An apparatus for diagnosing a disease through expiration analysis for diagnosing a disease by analyzing a gas caused by an exhalation of a subject,
An exhale inflow portion into which the exhalation of the examinee flows; And
And a detection unit for detecting a mixed gas of VOCs in the exhalation unit that has passed through the exhalation inlet unit,
Characterized in that the detector comprises Ion Mobility Spectroscopy (IMS)
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 호기 유입부와 상기 IMS 사이에 형성되며, 상기 호기 유입부를 통과한 호기의 유량이 기설정량 미안인 경우, 상기 호기를 그대로 배출하고, 상기 호기 유입부를 통과한 호기의 유량이 기설정량 이상인 경우, 상기 호기를 상기 IMS로 공급하는, 호기 공급조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.The method according to claim 1,
Wherein when the flow rate of the exhalation unit that is formed between the exhalation unit and the IMS and flows through the exhalation unit has been set to a predetermined fixed amount, Further comprising an expiration supply regulator for supplying the exhalation unit to the IMS.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 호기 공급조절부는,
상기 호기 유입부를 통과한 호기의 유량을 측정하는 유량측정부;
상기 유량측정부에 의하여 측정된 호기의 유량에 따라서 상기 IMS로 상기 호기의 공급을 조절하기 위하여 일시적으로 상기 호기를 수용하는 샘플 루프(sample loop);
상기 호기의 상기 샘플 루프로의 이동라인과 상기 샘플루프를 거친 상기 호기를 상기 IMS로 이동시키는 캐리어가스(carrier gas)의 이동라인을 제어하는 6-way 밸브; 및
상기 유량측정부에서 측정된 호기의 유량에 따라서 상기 6-way 밸브를 제어하여, 상기 샘플 루프에 수용된 호기를 상기 IMS로 공급하는 것을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.3. The method of claim 2,
Wherein the exhalation supply regulator comprises:
A flow rate measuring unit for measuring a flow rate of the exhalation unit passing through the exhalation unit;
A sample loop temporarily accommodating the patient to adjust the supply of the patient to the IMS according to the flow rate of the patient measured by the flow measuring unit;
A 6-way valve for controlling a movement line of the ox unit to the sample loop and a movement line of a carrier gas to move the ox unit through the sample loop to the IMS; And
And a control unit for controlling the 6-way valve according to the flow rate of the exhalation measured by the flow rate measuring unit to control supply of the exhalation unit accommodated in the sample loop to the IMS.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 호기 공급조절부와 상기 IMS 사이에 형성되며, 상기 호기가 상기 IMS에 공급되기 전 상기 호기 내의 다양한 혼합가스 성분을 분리하는 MCC 칼럼(Multi Capillary Column)을 더 포함하는 것을 특징을로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.3. The method of claim 2,
Further comprising an MCC column (Multi-Capillary Column) formed between the exhalation supply regulating unit and the IMS and separating various mixed gas components in the exhalation before the exhalation unit is supplied to the IMS.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 샘플 루프 및 상기 6-way 밸브 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제1 온도조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치. The method of claim 3,
Further comprising a first temperature controller for maintaining the temperature of the sample loop and the inside of the 6-way valve at a preset temperature.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 MCC 칼럼 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제2 온도조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.5. The method of claim 4,
And a second temperature controller for maintaining the temperature inside the MCC column at a preset temperature.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 IMS 내부의 온도를 기설정온도로 유지하기 위한 제3 온도조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.The method according to claim 1,
Further comprising a third temperature regulator for maintaining the temperature inside the IMS at a predetermined temperature.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 호기를 상기 IMS로 이동시키는 캐리어가스 및 상기IMS 내부에서 상기 호기의 이동방향과 반대방향으로 이동하면서 자기장을 유도하는 드리프트가스를 공급하는 가스 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.The method of claim 3,
Further comprising a gas supply unit for supplying a carrier gas for moving the ox unit to the IMS and a drift gas for guiding a magnetic field while moving in a direction opposite to the moving direction of the ox unit within the IMS.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 캐리어가스 및 상기 드리프트가스는 동일한 가스로서, 질소 가스 또는 공기를 포함하며,
상기 가스 공급부는,
상기 질소 가스 또는 공기를 수용하는 가스 탱크;
상기 가스 탱크와 연결되어, 상기 가스 탱크에 수용된 질소 가스 또는 공기를 캐리어가스 및 드리프트가스로 분류하는 Y-Fitting을 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.9. The method of claim 8,
Wherein the carrier gas and the drift gas are the same gas and include nitrogen gas or air,
The gas-
A gas tank for containing the nitrogen gas or air;
And a Y-fitting which is connected to the gas tank and divides the nitrogen gas or air contained in the gas tank into a carrier gas and a drift gas.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 가스 탱크를 대신하여 외부 공기 흡입 펌프 및 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.10. The method of claim 9,
Characterized by comprising an external air suction pump and a filter in place of the gas tank.
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
상기 호기 유입부와 상기 유량측정부 사이에 형성되어, 상기 호기 유입부를 통과한 호기의 수분을 제거하는 수분제거필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
호기 분석을 통한 질병진단장치.
The method of claim 3,
Further comprising a moisture removing filter formed between the expiratory volume inflow section and the flow volume measurement section for removing water from the breathing section that has passed through the expiration volume inflow section,
Disease diagnosis device through exhalation analysis.
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KR1020160127361A KR101910017B1 (en) | 2016-10-04 | 2016-10-04 | Apparatus for diagnosing diseases using exhaled breath analysis |
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-
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- 2016-10-04 KR KR1020160127361A patent/KR101910017B1/en active IP Right Grant
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