작은 기업의 거대한 도전: Elvesys, 세계에서 가장 빠른 병원균 감지 플랫폼 설계

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"높은 정확도와 정밀도를 갖춘 데이터를 빠른 속도로 수집해야 합니다. 개발 초기 단계에 NI 하드웨어를 사용했는데, NI의 가격 정책 덕분에 최종 시판용 제품에도 같은 NI 카드를 사용할 수 있었습니다. 덕분에 개발 비용을 상당히 절감할 수 있었습니다."

- Dr Maël Le Berre, CTO and Cofounder, Elvesys

The Challenge:
이제 공공 의료의 위기는 더 이상 종말론을 다루는 소설이나 할리우드 스릴러 영화에서만 나오는 이야기가 아닙니다. 전 세계 인구가 증가하고 이동이 많아지면서, 에볼라와 인플루엔자 등의 질병, 탄저균과 같은 병원균의 위협은 현실적인 문제가 되었습니다. 따라서 확실히 인명을 구조하려면 이러한 위협을 신속하고 정확하게 진단할 수 있는 병원균 감지 방법을 마련해야 합니다.

The Solution:
Elvesys는 병원균 감지 분야를 선도하는 프랑스의 소규모 벤처 기업으로, NI 데이터 수집 하드웨어 및 LabVIEW 소프트웨어를 활용하여 세계에서 가장 빠른 병원균 감지 플랫폼을 제작함으로써 낮은 비용으로 환자를 진단할 수 있도록 지원합니다.

Author(s):
Dr Maël Le Berre, CTO and Cofounder - Elvesys
Dr Guilhem Velvé Casquillas, CEO and Cofounder - Elvesys

 

거대한 도전, 전 세계적인 유행병과의 싸움  

병원균을 효과적으로 감지하는 데 있어 중요한 요소는 시간과 정확도입니다. 이것이 미 국립 공학 아카데미가 의료정보학의 발전을 21세기 엔지니어링의 거대한 도전 중 하나로 꼽은 이유입니다. 이 거대한 도전의 근본적인 목표는 세계적인 유행병이나 생화학 무기와 같은 공공 의료 응급 상황에 대비하고 그에 대한 대응력을 높이는 것입니다.

 

기록적인 인명 구조 대응

현재 병원균 감지 기술로 신뢰할 수 있는 정확한 테스트 결과를 얻으려면 상당한 시간뿐 아니라 값비싼 실험실 장비도 필요합니다. 에볼라, 탄저균과 같은 생명을 위협하는 병원균의 세계적인 유행을 막으려면 일분일초가 중요합니다.

그렇기 때문에 Elvesys는 혈액 또는 타액 한 방울만으로 세계에서 가장 빠르게 병원체를 감지하는 기술 Fastgene의 개발에 박차를 가했습니다. Fastgene을 사용하면 에볼라를 6분, 탄저균을 7분 만에 감지할 수 있습니다. 이는 현재 세계에서 가장 빠른 기술보다 약 7~14배 빠른 속도입니다. 이 기술을 활용하면 환자가 신속하게 치료를 받을 수 있음은 물론, 집단 발병으로 이어질 수 있는 병원균의 노출 위험을 최소화할 수 있습니다.

 

그림 1. Fastgene 병원균 감지 기술

 

기술

Fastgene은 Elvesys 미세유체역학 기술을 바탕으로 합니다. 미세유체역학 기술은 액체 샘플을 정밀 제어할 수 있는 마이크로 전자공학을 기반으로 하고 있습니다. 샘플로 혈액 또는 타액 한 방울만 사용하면 되기 때문에 하나의 칩에서 여러 진단 작업을 한꺼번에 수행할 수 있으며, 이를 "랩온어칩(lab-on-a-chip)"이라고 부릅니다. Fastgene의 랩온어칩 병원균 진단 기술은 DNA의 특정 부분을 신속히 증식시켜 샘플 안에 나타나는 사본의 수를 늘려 주기 때문에 병원균을 훨씬 쉽게 감지할 수 있습니다.

이러한 미세유체역학 플랫폼을 성공적으로 구축하기 위한 세 가지 핵심 구성요소는 미세유체역학 샘플 관리 시스템, 형광 표지 감지 및 측정 시스템, 전체 프로세스를 제어하는 소프트웨어 인터페이스입니다. DNA가 증식되면 복제된 각 DNA 내부의 형광점을 감지하여 샘플 안에 나타나는 병원균의 총량을 판단합니다.

따라서 형광 표지 감지 시스템은 정확도를 유지하면서도 빠르게 증식되는 DNA의 속도를 따라잡을 수 있어야 합니다. 이를 위해 Elvesys는 NI USB-6003 저가형 다기능 데이터 수집 디바이스를 사용해 Elveflow 브랜드의 맞춤형 형광 판독기를 제작 및 상용화했습니다. 병원균을 감지하는 복잡한 과정을 간소화하고 DNA 샘플을 정확히 측정하기 위해서는, 소프트웨어가 통합된 하드웨어가 백그라운드 노이즈 속에서도 DNA 내부의 미세한 변화를 16비트 분해능으로 감지할 수 있는 성능과 100kHz의 수집 속도를 갖추고 있어야 합니다.

 

그림 2. Elvesys는 정확도, 정밀도, 속도 및 비용을 고려해 NI 데이터 수집 하드웨어를 선택했습니다.

 

Elvesys는 950가지 이상의 분석 기능이 내장된 LabVIEW 소프트웨어를 사용해 정밀도와 속도를 높이면서 개발 시간을 최소한으로 단축했습니다. 형광 판독기 자동화, DNA 감지, 데이터 분석 작업이 매우 복잡함에도 불구하고, Elvesys는 LabVIEW를 사용하여 현장에서 보다 간편하게 사용할 수 있는 사용자 인터페이스를 제작했습니다.

 

그림 3. NI 데이터 수집 하드웨어를 LabVIEW와 원활하게 통합하여 
Fastgene 시스템을 제어하게 되자 개발 시간이 크게 단축되었습니다.

 

LabVIEW와 NI 데이터 수집 하드웨어를 통한 개발 시간 단축 

Elvesys는 20인으로 구성된 소규모 팀으로 Elveflow를 통해 Fastgene 병원균 감지 시스템 개발에 사용된 기술을 출시했습니다. 혁신적인 신생 기업 Elvesys가 외부 투자 없이 본 기술 및 다른 Elvesys 장비를 성공적으로 개발하고 개발 주기를 단축할 수 있었던 데에는 편리한 개발 환경에서 프로그래밍할 수 있는 완벽한 맞춤형 데이터 수집 하드웨어가 결정적인 역할을 했습니다.

실제로 Elvesys는 전체 병원균 감지 플랫폼의 설계, 개발 및 프로토타입 제작을 2년도 안 되는 기간에 완료함으로써 프랑스 조달청(SAE)의 주목을 받았습니다. SAE는 프랑스 군에 작전용으로 현장에 배치할 수 있는 또다른 프로토타입 제작을 Elvesys에 의뢰했습니다. 이 프로토타입은 진료 상담 중 신속하고 저렴하게 병원균을 진단할 수 있도록 지원함으로써 인명을 보호하게 될 것입니다.

최첨단 미세유체역학 기술과 NI의 신뢰할 수 있는 측정 시스템을 활용한 Elvesys는 프랑스 정부로부터 세계적 혁신 도전(Worldwide Innovation Challenge) 상을 받기도 했습니다.

 

그림 4. Elveflow는 미세유체역학 과학 계측 분야를 선도하고 있습니다.

 

Author Information:
Dr Maël Le Berre, CTO and Cofounder
Elvesys
France

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