KR100581518B1

KR100581518B1 - 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR100581518B1
Application number: KR1020040045158A
Authority: KR
Inventors: 원종화; 김동균; 에브게니 에브게니비치 치그라이; 비아체슬라브 비아체슬라보비치 메리아크리
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2006-05-22
Also published as: JP2006000659A; JP4180069B2; US20060025664A1; US7371217B2; KR20050119992A

Abstract

밀리미터파를 이용한 무혈 혈당측정장치 및 방법이 개시된다. 본 무혈 혈당측정장치는 측정주파수 대역 내에서 밀리미터파 대역 신호 발생기로부터 발생된 밀리미터파에 대한 전력반사계수가 최소가 되도록 굴절률 및 두께를 가지면서, TE10 모드 직사각형 도파관의 종단면에 측정유전체의 전단에 위치하도록 평행평면판을 설치하고, TE10 모드 직사각형 도파관을 통해 평행평면판 및 측정유전체로 전달되는 입사파와 평행평면판 및 측정유전체로부터 반사된 반사파를 전력검출기들을 통해 검출한 후, 입사파 및 반사파로부터 최소전력반사계수와 최소반사주파수를 판독하며, 온도 센서를 통해 측정유전체의 온도를 검출하여 측정유전체의 온도에 따른 변화를 보상하도록 구성된다. 본 발명의 무혈 혈당측정장치는 비관혈적인 방법에 의해 주기적인 자가혈당측정이 원활히 이루어지도록 함으로써 당뇨병 환자의 자가 당뇨병 관리에 도움을 줄 뿐만 아니라 진단 스트립 등이 요구되지 않아 환자 및 환자의 가족에게 경제적 부담을 경감시킬 수 있게 한다.

무혈, 혈당, 글루코오스, 밀리미터파, 유전체, 도파관, 전력반사계수

Description

밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치 및 방법{Device for the non-invasive measurement of blood glucose concentration by millimeter waves and method thereof}

도 1은 본 발명에 따른 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치의 측정 원리를 설명하기 위하여 자유공간에 평행하게 적층된 세 개의 유전체 구조를 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치의 측정 원리에 따른 글루코오스가 포함되지 않은 표준 용액과 χ%의 글루코오스가 함유된 측정 용액의 전력반사계수들을 주파수의 함수로 표현한 그래프,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 TE10 모드 도파관 내에 평행평면판이 삽입된 구조를 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 무혈혈당측정장치의 블럭선도를 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무혈 혈당측정장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면, 그리고

도 6 및 도 7은 본 발명의 무혈혈당측정장치를 이용하여 주파수별로 글루코오스 농도에 따른 순수와 글루코오스 용액의 유전상수의 차이 Δε'x와 유전손실의 차이 Δε"x를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 밀리미터파 대역 신호 발생기 20: 도파관

30: 평행평면판 40: 전력검출기들

50: 온도 센서 60: 판독기

본 발명은 높은 유전 손실을 갖는 유전체의 유전 특성을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히, 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 신체활동의 부족 및 식생활의 변화에 기인하여 당뇨병 환자가 급증하고 있다. 2001년 대한민국에서 당뇨병으로 인한 사망은 인구 10만명당 23.8명으로 사망원인들 중 4위이며, 1990년의 인구 10만명당 11.8명이었던 수치와 비교했을 때 대략 2배나 증가하였다. 이와 같은 수치에서 개개인이 스스로 혈당을 측정할 수 있는 자가혈당측정의 필요성이 대두되었다. 자가혈당측정은 오늘날 당뇨병 관리의 가장 중요한 도구 중 하나로서, 일상생활 중의 혈당치 변동에 대한 정보를 제공하는 것으로 혈당 변동에 대한 즉각적인 교정이 가능하도록 하는 데 그 목적이 있다. 자가혈당측정은 하루에 최소 3회 내지 4회 정도의 검사가 권장되고 있지만 실제로 사회 복지가 잘 되고 있다는 미국에서 조차도 당뇨병 환자의 18%만이 주기적으로 혈 당을 재는 것으로 보고되고 있다. 이렇게 혈당측정이 소홀하게 다루어지는 이유는 현재 보급되어 있는 자가혈당측정기들이 혈액을 직접 채취하여 검사하기 때문으로 볼 수 있다. 주기적인 직접 혈액 채취 방식은 혈액을 채취하는 과정에서 오는 고통과 불쾌감 그리고 혈액 채취를 위한 필요한 진단 스트립의 상당한 구입비용 등으로 인해 환자에게 정신적 경제적 부담을 주고 있다.

최근에 이러한 혈액 채취에서 오는 고통과 불쾌감을 해결하면서 원활한 자가혈당측정이 가능한 무혈 혈당측정기들이 개발되고 있다. 지금까지 보고된 무혈혈당측정법으로는 적외선 영역의 흡수스펙트럼 분석을 이용한 방법들과 수십 내지 수백 ㎒ 대역에서 임피던스 분광학을 이용한 방법이 주로 연구되어 시제품들이 각각 연구개발되고 있다. 또한, 밀리미터파 대역에서의 무혈혈당측정에 대한 타당성을 살펴보기 위해서 개방동축선방법(open-ended coaxial line method)과 투과계수측정법에 의해 30-40㎓ 대역에서의 글루코오스 농도에 따른 글루코오스-0.9% 염화나트륨(NaCl) 용액의 유전특성이 조사된 바 있다.

밀리미터파 대역에서 높은 유전손실을 갖는 유전체의 유전상수(ε')와 유전손실(ε")을 비파괴적으로 측정하기 위해서는 벡터네트워크분석기를 사용한 개방동축선방법에 의해 유전체로부터 반사된 전자기파의 전력반사계수(power reflection coefficient)와 위상(phase)을 측정하는 방법이 일반적이었다. 그러나 벡터네트워크분석기를 이용한 유전상수(ε')의 측정 정확도는 ±5%의 수준으로 알려져 있고, 고형의 유전체를 측정할 때는 개방 동축선의 탐침과 유전체의 접촉으로 인해 측정 정밀도와 재현성이 주요한 문제가 된다. 한편 기존의 30-40㎓ 주파수 범위에서의 실험 결과들은 이 주파수 대역에서 20-30의 유전상수(ε')값을 갖는 글루코오스-0.9% NaCl 용액의 0.3~0.6 정도의 Δε'를 측정할 수 있다고 하나 벡터네트워크분석기의 측정 정확도를 고려한다면 이와 같은 정밀도로 측정은 불가능하다고 판단된다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 비관혈적이고 주기적인 자가혈당측정을 보다 높은 정밀도로 원활하게 수행할 수 있는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 무혈혈당측정장치는, 밀리미터파 대역 신호 발생기와, 상기 밀리미터파 대역 신호 발생기로부터 발생된 밀리미터파를 전달하는 TE10 모드 직사각형 도파관과, 측정주파수 대역 내에서 상기 밀리미터파에 대한 전력반사계수가 최소가 되도록 굴절률 및 두께를 가지면서, 상기 TE10 모드 직사각형 도파관의 종단면에 측정유전체의 전단에 위치하도록 설치된 평행평면판과, 상기 밀리미터파 대역 신호 발생기에 발생되어 상기 TE10 모드 직사각형 도파관을 통해 평행평면판 및 측정유전체로 전달되는 입사파와 상기 평행평면판 및 상기 측정유전체에 따른 반사파를 검출하는 전력검출기들, 측정유전체의 온도에 따른 변화를 보상하기 위하여 측정유전체의 온도를 검출하기 위한 온도 센서, 그리고 상기 전력검출기들을 통해 검출된 상기 입사파 및 상기 반사파로부터 최소전력반사계수와 최소반사주파수를 판독하는 판독기를 포함한다.

본 발명의 무혈혈당측정장치는 상기 판독기로부터 얻어진 최소전력반사계수와 최소반사주파수 그리고 온도 센서로부터 얻어진 측정유전체의 온도로부터 측정유전체의 유전특성 및 측정유전체 내의 글루코오스 농도를 산출하는 계산부와 이를 표시하기 위한 표시부를 포함할 수 있으며 또한 자동측정을 위해 구성요소들을 제어할 수 있는 제어부를 포함할 수 있다.

위와 같은 무혈혈당측정장치는 글루코오스 농도를 측정하고자 하는 신체 피부 또는 혈액 샘플 등의 측정유전체로부터 반사된 밀리미터파의 전력반사계수가 측정주파수 대역 내에서 최소가 되도록 설계되는 것에 의해 글루코오스 농도에 따라 변하는 최소반사주파수 및 측정유전체의 측정온도로부터 신체 내에 또는 혈액 샘플 내에 혈당을 결정할 수 있게 한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치의 측정 원리를 설명하기 위하여 자유공간에 평행하게 적층된 세 개의 유전체 구조를 나타낸 도면이다. 좌측으로부터 유전체들은 각각 n1*, n2*, n3*의 복소굴절률 값들을 가지는 공기층, 평행평면판 그리고 측정유전체를 나타낸다. 여기서, 복소굴절률 nj* = nj + ikj (j=1,2,3이고 i=√-1)이다. 도 1에서와 같이 유전체들이 평행하게 배열된 구조에 균일한 평면파가 상기 공기층으로부터 입사될 경우 상기 공기층과 상기 평행평면판의 입사경계면에서의 복소반사계수는 다음 수학식 1과 같이 표현된다.

여기서, r12* 와 r23* 은 두 경계면들에서의 기본 반사계수들로서, 각 유전체들의 복소굴절률들 n1*, n2*, n3*에 의해 다음 수학식 2a 및 2b와 같이 주어진다.

또한, 수학식 1에서 β*는 평행평면판 내에서의 전파 파수로 복소굴절률 n2*와 입사되는 평면파의 주파수 f로 표현되며, 다음 수학식 3과 같다.

여기서 c는 자유공간에서의 빛의 속도이고, λ0는 자유공간에서 주파수 f로 전파하는 전자기파의 파장이다.

공기의 굴절률은 대략 1로 알려져 있고, 낮은 유전손실의 유전체로 제작된 평행평면판의 복소굴절률의 경우 허수부 k2 값이 상대적으로 충분히 작아 편의상 무시할 수 있다. 따라서, 수학식 2a 및 2b는 다음 수학식 4a 및 4b와 같이 다시 쓸 수 있다.

균일 평면파의 주파수 fm에서 매질 2, 즉 평행평면판의 굴절률(복소굴절률의 실수부) n2와 두께 h2가 다음 수학식 5 및 6과 같이 주어질 때, 입사파와 반사파 간의 위상차가 180°가 되어 수학식 1의 복소반사계수가 '0'이 되는 이상적인 무반사 조건을 얻을 수 있다.

여기서, s는 임의의 정수이다.

그러나 실제로는 수학식 5에 의해 주어지는 굴절률 n2값을 갖는 유전체가 존재하지 않고, 수학식 6에 의해 선정된 두께 h2값이 되도록 평행평면판을 제작하기 용이하지 않기 때문에 수학식 5 및 6의 조건들을 만족시키는 평행평면판을 구현할 수는 없다. 따라서 실제의 경우 주파수 fm에서 전력반사계수는 최소값 Rm(|rm*|2)을 갖게 된다. 역으로, 수학식 1, 5 및 6의 조건을 적용하면, 자유공간 상에서 수학식 5 및 6의 조건에 따라 제작된 평행평면판이 도 1에서와 같이 측정유전체의 앞 단에 삽입된 구조에서 측정된 최소전력반사계수 Rm 와 최소반사주파수 fm 로부터 측정유전체의 복소굴절률 n3 + ik3은 다음 수학식 7 및 8과 같이 계산된다.

여기서,

이다.

부호 ± 는 두 개의 기본반사계수들의 크기들 r12와 r23의 상대적 차에 의해 따라 결정된다.

최종적으로, 측정유전체의 복소유전율은 다음 수학식 9의 복소굴절률과 복소유전율 사이의 관계에 의해서 결정된다.

도 2는 글루코오스가 포함되지 않은 표준 용액과 x%의 글루코오스가 함유된 측정 용액의 전력반사계수들을 주파수의 함수로 표현한 그래프이다. 표준 용액에 x%의 글루코오스가 함유되면, 최소전력반사계수와 최소반사주파수는 각각 Rm,0 와 fm,0에서 Rm,x 와 fm,x 로 이동하게 된다. 결과적으로 수학식 7과 8을 통해 x%의 글루코오스가 함유된 측정 용액의 복소유전율을 결정할 수 있다. 또한, 용액 내 글루코오스 농도와 측정변수들 사이의 상관관계를 얻을 수 있고, 이 상관관계로부터 미지의 측정용액 내 글루코오스 농도를 측정변수들로부터 결정할 수 있다.

한편, 평행평면판을 TE10 모드 도파관과 측정유전체의 사이에 삽입하여 측정유전체의 유전특성 및 글루코오스 농도를 결정할 수 있다. 도 3은 TE10 모드 도파관 내에 평행평면판이 삽입된 구조를 나타낸 도면이다. 도 3에서와 같이 a >> b인 직사각형 단면 형상의 TE10 모드 도파관 내에 평행평면판을 삽입한 경우, 각 매질 1, 2, 3에서 전파하는 밀리미터파의 전파 파수는 다음 수학식 10과 같이 주어진다.

여기서, j는 1, 2, 3이고, λc는 차단파장으로 도 3과 같이 주어진 TE10 모드 도파관에서 2× a로 주어진다.

수학식 3과 수학식 10을 비교해 보았을 때, 다음 수학식 11과 같이 자유공간 상에서의 복소굴절률들 nj*에 대응하는 TE10 모드 도파관 내에서의 유효복소굴절률 ngj*를 정의하면, 앞에서 기술한 자유공간 상에서의 균일 평면파에 대한 모든 수식 들을 동일하게 적용하여 측정에 필요한 모든 변수들을 구할 수 있다.

특히, 평행평면판의 유효굴절률 ng2는 공기층의 유효굴절률 ng1이 '1'이 아니므로 다음 수학식 12와 같이 주어진다.

따라서, TE10 모드 도파관의 경우 수학식 11 및 12와 함께 상기 자유공간 상에서 평면파가 입사되는 경우에 적용된 수학식들을 이용하여 측정된 최소 전력반사계수와 최소반사주파수 및 측정유전체의 온도로부터 측정유전체의 유전특성을 결정할 수 있다.

위와 같은 측정법에 근거하여 두 종류의 측정장치를 구축할 수 있다. 첫째로는 TE10 모드 도파관 내로 측정주파수 대역에 따라 수학식 12 및 수학식 6에 따라 굴절률 n2과 두께 h2가 결정된 평행평면판을 삽입한 장치이며, 이를 이하 유전체 삽입법(method of dielectric insertion: MDI)이라 명명한다. 두 번째로는 TE10 모드 도파관 끝 단에 호른 안테나(horn antenna)을 설치하고 측정유전체 앞 단에 측정주파수 대역에 따라 수학식 5 및 수학식 6에 의해 굴절률 n2과 두께 h2가 결정된 평행평면판 또는 이를 포함하는 준광학적 큐벳을 배치하여 자유공간에서의 측정용액의 유전특성을 측정하도록 한 장치이다. 이를 이하 부가판 방법(method of auxiliary plate: MAP)이라 명명한다.

도 4 및 5는 각기 본 발명의 실시예에 따른 무혈 혈당 측정장치의 블럭선도와 개략적인 구성도이다. 측정장치는 밀리미터파 대역 신호 발생기(10), TE10 모드 직사각형 도파관(20), 평행평면판(30), 전력검출기들(40), 온도 센서(50) 그리고 판독기(60)를 포함한다. 추가적으로 계산부와 표시부 및 제어부를 포함할 수 있다.

밀리미터파 대역 신호 발생기(10)은 측정주파수 대역의 전자기파를 발생시키며, 후진파 발진관(BWO; Backward Wave Oscillator) 또는 건 다이오드(Gunn Diode)과 같은 반도체 공진기에 의해 구성될 수 있다.

TE10 모드 직사각형 도파관(20)은 밀리미터파 대역 신호 발생기(10)로부터 발생된 밀리미터파를 평행평면판(30) 및 측정유전체 측으로 전달한다. TE10 모드 직사각형 도파관(20)은 타 요소들의 배치에 따라 직선과 곡선 형상 도파관들, 방향성 결합기들(directional couplers), 호른 안테나 등에 의해 다양한 형상을 가지도록 구성될 수 있다.

평행평면판(30)은 측정주파수 대역 내에서 밀리미터파에 대한 전력반사계수가 최소가 되도록 굴절률 및 두께를 가지도록 낮은 유전손실을 갖는 세라믹(ceramic), 유리섬유(fiber-glass), 결정질 수정(crystal quartz), 용융수정(fused quartz) 등의 재료로 제작되며, TE10 모드 직사각형 도파관(20)의 종단면에 측정유전체의 전단에 위치하도록 설치된다. MDI의 경우, 평행평면판(30) 이 도파관(20) 끝 단에 삽입되고, MAP의 경우, TE10 모드 도파관 끝단에 호른 안테나을 설치하고 측정유전체 앞 단과의 사이에 평행평면판 또는 이를 포함하는 준광학적 큐벳을 설치된다.

10~150 ㎓의 주파수 대역에서의 글루코오스 농도에 따른 글루코오스 수용액, 글루코오스-생리식염수(0.9% NaCl 용액), 혈액, 및 신체 피부의 유전특성 변화를 조사하기 위하여 다음 표 1과 같이 평행평면판들과 준광학적 큐벳들을 제작하였다. 표 1에는 MDI법에 사용될 평행평면판들이 10~80GHz 사이의 각각의 주파수 범위에 따라 적용될 수 있도록 기입되어 있으며, 또한, 80~100GHz에서의 MAP법에 의한 측정을 위해 준광학적 큐벳들의 평행평면판들도 기입되어 있다. 평행평면판의 굴절률 n2 및 두께 h2는 순수(順水)를 표준용액으로 하여 J.Liebe 등에 의해 알려진 주파수와 온도의 함수로 주어진 순수의 유전상수 ε'ω 과 유전손실 ε"ω 의 값들을 사용하여 수학식 5, 6, 11, 및 12로부터 결정되었다. 신체 피부나 혈액 샘플들 내의 혈당 농도를 측정하기 위해서는 알려진 신체 피부나 혈액의 유전특성으로부터 평행평면판의 굴절률 n2 및 두께 h2을 결정할 수 있다.

주파수 대역	굴절률(n2)	흡수율(k2)	두께(h2),㎜	장폭(a),㎜	단폭(b),㎜
9~ 10	2.58	0.05	3.08	23	10
28~ 29	2.46	0.038	3.26	7.2	3.4
31~ 32	2.46	0.002	2.91	7.2	3.4
36~ 37	2.46	0.013	2.43	7.2	3.4
42~ 43	1.99	0.035	2.72	5.2	2.6
47~ 48	2.927	0.065	3.75	5.2	2.6
58~ 59	2.332	0.065	3.81	5.2	2.6
62~ 65	2.182	0.01	2.80	3.6	1.8
77~ 78	2.294	0.06	3.82	3.6	1.2
83~ 84	2.17	0.01	2.00	14	14
92~ 93	2.11	0.005	1.83	14	14
99~100	2.11	0.005	3.95	14	14
102~103	2.13	0.017	3.62	20	20

전력검출기들(40)은 TE10 모드 직사각형 도파관(20)의 두 개의 방향성 결합기(directional couplers)의 끝 단에 부착되며, 밀리미터파 대역 신호 발생기(10)로부터 발생되는 입사파의 파워 PIN와 평행평면판(30) 및 측정유전체에 따른 반사파의 파워 PREFL를 검출한다.

온도 센서(50)은 측정된 최소전력반사계수와 최소반사주파수로부터 측정유전체의 글루코오스 농도를 결정할 때 측정유전체의 온도에 따른 변화를 보상하기 위하여, 평행평면판(30)과 동일하게 측정유전체에 접촉하도록 설치된다.

판독기(60)는 전력검출기들(40)을 통해 검출된 입사파의 파워 PIN 및 반사파의 파워 PREFL로부터 최소전력반사계수와 최소반사주파수를 판독한다. 판독기(60)는 정재파비/감쇠 측정기(SWR/attenuation meter), 디지털 표시기(digital indicator), 오실로스코프(oscilloscope) 등을 포함할 수 있다.

위와 같은 무혈 혈당측정장치는 밀리미터파 대역 신호 발생기(10)에서 발생된 밀리미터파에 따른 측정유전체 및 평행평면판(30)으로부터 반사파가 발생하게 되며, 전력검출기들(40)에서 입사되고 반사되는 밀리미터파를 검출하여 판독기(60)에 전달하게 된다. 그러면 판독기에서는 전달된 입사파와 반사파로부터 최소전력반사계수 및 최소반사주파수를 판독하고 결과 파형을 도 2에서와 같이 표시하게 된다. 최종적으로 측정유전체 내의 글루코오스 농도와 측정 변수들, 즉 최소전력반사계수와 최소반사주파수 및 온도, 사이의 상관관계로부터 측정유전체 내의 글루코오스 농도가 결정된다.

특히, 신체 피부를 통한 무혈 혈당측정의 경우 사용자 간의 개인차가 발생할 수 있고 온도 이외의 측정 조건들에 의해 측정 변수들이 영향을 받을 수 있으므로, 이러한 개인차와 영향들을 보상하기 위한 알고리즘을 포함한 계산부가 포함될 수 있다. 또한 측정유전체 내의 혈당을 자동측정하고 표시하기 위한 제어부와 표시부가 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 무혈 혈당 측정장치의 측정법을 검증하기 위하여 18℃ 순수(順水)의 복소유전율을 9~10, 42~43, 및 50~65 ㎓의 주파수 대역에서 측정하고, 다음으로 9~10, 42~43, 및 50~65 ㎓의 주파수 대역에서 글루코오스 농도에 따른 글루코오스 용액과 글루코오스-0.9% NaCl 용액의 복소유전율을 측정하였다.

먼저, 18℃ 순수(順水)에 대해 9~10, 42~43, 및 50~65 ㎓의 주파수 대역에서 복소유전율을 측정한 결과와 순수의 J. Liebe 등(J. Liebe.A. G. A. Hufford and T. Manabe, " A model for the complex permittivity of water at frequencies below 1 ㎔," Int. J. of infrared and Millimeter Waves, Vol. 12, No. 7, pp. 659-675, 1991.)에 의해 제안된 스펙트럼 모델식에 의해 경험치들과 비교한 실험 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2에서 스펙트럼 모델식에 의한 경험치들은 다양한 주파수 대역에서 많은 저자들에 의해 측정된 순수의 유전상수 ε'ω 및 유전손실 ε"ω 값들로부터 얻어진 모델식에 의한 계산값들이며, 본 발명에 따른 측정값들이 스펙트럼 모델식에 의한 계산값들과 1% 이내의 오차를 가지며 일치함을 볼 수 있다.

다음으로, 글루코오스 용액의 유전특성을 측정하기 위하여 9~10, 42~43, 및 50~65 ㎓의 주파수 대역에 해당하는 각각의 매칭판을 TE10 도파관에 삽입하여 글루코오스 농도가 0~5 wt.%인 글루코오스 용액을 이용하였다. 글루코오스 농도별로 측정된 최소 전력반사계수 Rm과 최소반사주파수 fm는 표 3과 같다.

상기 기술된 유전특성 계산법에 따라 표 3의 측정 결과들로부터 글루코오스 용액의 유전상수 ε'x 및 유전손실 ε"x을 구하였다. 도 5와 도 6은 주파수별로 글루코오스 농도에 따른 순수와 글루코오스 용액의 유전상수의 차이 Δε'x와 유전손실의 차이 Δε"x를 표현한 것이다.

기존(A. Saito, O. Miyawaki, and K. Nakamura, "Dielectric Relaxation of Aqueous Solution with Low-molecular-weight Nonelectrolytes and Its Relationship with Solution Structure", Biosci. Biotech. Biochem., Vol. 61, No. 11, pp. 1831-1835, 1997.)의 10 ㎓에서 0.01~0.04의 몰분율을 갖는 25℃ 글루코오스 용액의 측정 결과에 의하면, 순수의 유전 상수와 대비하여 0.01 몰분율(9.2 wt.%)의 글루코오스 용액의 유전상수는 대략 -7만큼의 차이를 보이며, 0.04몰분율(29.4 wt.%)의 글루코오스 용액의 유전상수는 대략 -30 정도의 차이를 보이고 있다. 따라서 글루코오스 농도 대비 유전상수의 변화율은 대략 -1.1 Δε'χ /wt.%임을 알 수 있다. 18℃에서 측정된 경우에는 글루코오스 농도에 따른 유전상수의 변화율은 -0.8 Δε'χ /wt.%로 측정되었다. 측정온도의 차이를 고려하면, 기존 실험결과와 본 실험 결과는 유사한 결과를 보임을 알 수 있다.

또한, 17℃에서 생리적 식염수(0.9% NaCl)와 이에 0.4 및 0.5 wt.%의 글루코오스를 추가한 글루코오스-0.9% NaCl 용액들에 대한 83 ㎓ 대역에서의 최소전력반사계수와 최소반사주파수는 표 4와 같이 측정되었다.

χ[wt%]	Rm[dB]	fm[GHz]
0.0	24.4	83.02
0.4	23.7	83.02
0.5	23.3	83.02

표 4에 의하면, 현재 제작된 평행평면판을 이용한 측정 결과 1.0 wt.%의 글루코오스 농도의 변화에 0.5 dB 정도의 최소 전력반사계수의 변화를 보임을 알 수 있다. 역으로, 본 측정법의 최소 반사조건에서의 전력반사계수와 주파수의 측정 정밀도가 각기 0.1 dB와 0.01 ㎓일 경우 대략 0.05 1.0 wt.% (대략 3 mmol/L)의 글루코오스-0.9% NaCl 용액의 글루코오스 농도차를 분별해 낼 수 있다.

본 발명의 무혈 혈당측정장치는 제작된 평행평면판의 굴절률 실제값이 측정 정밀도 및 글루코오스에 대한 민감도가 주요하게 영향을 주므로 평행평면판을 개선하는 것으로 전력반사계수를 35~40 dB 정도로 감소시킬 수 있고 결국 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

결과적으로, 본 발명에 근거한 9~10, 42~43, 및 50~65 ㎓의 주파수 대역에서 18℃의 글루코오스 용액에 대한 실험 결과들은 본 측정법의 타당성을 보여주고 있으며, 또한, 80~85 ㎓ 주파수 대역에서 17℃의 글루코오스-0.9% NaCl 용액에 대한 실험은 본 발명에 따른 측정법의 전력반사계수와 주파수의 측정 정밀도가 각기 0.1 dB와 0.01 ㎓일 경우 대략 3mmol/L의 용액 내 글루코오스 농도 변화를 측정할 수 있음을 나타낸다.

이상과 같은 본 발명의 무혈 혈당측정장치는 측정주파수 대역에 따라 선정된 낮은 유전손실을 갖는 평행평면판을 측정유전체의 앞 단에 배치하여 최소반사조건이 형성되도록 하고 최소 전력반사계수와 최소반사주파수를 측정함으로써 측정 유전체의 유전특성을 결정할 수 있도록 한 것으로서, 밀리미터파를 이용한 비관혈적 또는 관혈적 혈당 측정을 가능하게 한다.

또한, 핸드폰 등의 휴대용 디바이스에 탑재될 정도의 소형화된 혈당 측정기를 만들 수 있다.

또한, 비관혈적인 방법에 의해 주기적인 자가혈당측정이 원활히 이루어지도록 함으로서 당뇨병 환자의 당뇨병 관리에 도움을 줄 수 있다.

또한, 진단 스트립, 진단 시약 등의 부대 비용이 들지 않아 환자 및 환자의 가족들에게 경제적 부담을 줄이도록 할 수 있다.

그리고, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims

밀리미터파 대역 신호 발생기;

상기 밀리미터파 대역 신호 발생기로부터 발생된 밀리미터파를 전달하는 TE10 모드 직사각형 도파관;

측정주파수로 이용하는 상기 밀리미터파에 대한 전력반사계수가 최소가 되도록 굴절률 및 두께를 가지면서, 상기 TE10 모드 직사각형 도파관의 종단면에 측정유전체의 전단에 위치하도록 설치된 평행평면판;

상기 밀리미터파 대역 신호 발생기로부터 발생된 입사파와 상기 평행평면판 및 상기 측정유전체에 따른 반사파를 검출하는 전력검출기들;

측정 유전체의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 및

상기 전력검출기들을 통해 검출된 상기 입사파 및 상기 반사파로부터 최소전력반사계수와 최소반사주파수를 판독하는 판독기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 평행평면판의 굴절률은, 다음 수학식

{n2 : 평행평면판의 굴절률 (평행평면판의 복소굴절률
의 실수부)

n3 : 측정유전체의 근사 굴절률(측정유전체의 복소굴절률
의 실수부)

k3 : 측정유전체의 근사 흡수율(측정유전체의 복소굴절률
의 허수부)}

에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치.
제 1항에 있어서,

상기 평행평면판의 두께는, 다음 수학식

{ h2: 평행평면판의 두께

s : 임의의 정수

c : 자유공간에서의 빛의 속도

n2 : 평행평면판의 굴절률(평행평면판의 복소굴절률
의 실수부)

fm : 최소 반사 주파수 (최소 반사 조건이 일어나는 주파수)

n3 : 측정 유전체의 근사 굴절률 (측정유전체의 복소굴절률
의 실수부)

k3 : 측정유전체의 근사 흡수율(복소굴절률
의 허수부)}
제 1항에 있어서,

상기 판독기에서 측정된 최소전력반사계수Rm와 최소반사주파수fm로부터의 측정 유전체에 대한 복소 굴절률 n3 + ik3은, 다음 수학식

{Rm : 최소반사조건에서 판독기로 측정된 최소전력반사계수

fm : 최소반사조건에서 판독기로 측정된 최소반사주파수

h2 : 평행평면판의 두께

n2 : 평행평면판의 굴절률 (평행평면판의 복소굴절률
의 실수부)

k2 : 평행평면판의 흡수율 (평행평면판의 복소굴절률
의 허수부)

n3 : 측정유전체의 근사굴절률(측정유전체의 복소굴절률
의 실수부)

k3 : 측정유전체의 근사흡수율(측정유전체의 복소굴절률
의 허수부)

r12 : 공기층과 평행평면판 사이 경계입사면에서의 반사계수

r23 : 평행평면판과 측정유전체 사이 경계입사면에서의 반사계수}

에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정장치.
유전체의 복소유전율 및 글루코오스 농도를 측정하고자 하는 밀리미터파 대역의 주파수에 대한 전력반사계수가 최소가 되도록 굴절률 및 두께를 갖도록 특정하게 선정된 저손실의 평행평면판이 측정유전체의 전단에 위치하도록 밀리미터파를 전달하는 TE10 모드 직사각형 도파관 종단면에 설치하고, 상기 밀리미터파 대역의 측정주파수를 TE10 모드 직사각형 도파관에 입사시키는 단계;

상기 TE10 모드 직사각형 도파관을 통해 전달된 상기 측정주파수 및 상기 평행평면판과 상기 측정유전체에 따른 반사파를 검출하는 단계;

측정유전체의 온도를 측정하는 단계; 및

상기 측정주파수 및 상기 반사파로부터 최소전력반사계수와 최소반사주파수를 산출하고 측정된 측정유전체의 온도와 더불어 혈당을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정방법.
제 5항에 있어서,

상기 평행평면판의 굴절률은, 다음 수학식

{ n2 : 평행평면판의 굴절률 (평행평면판의 복소굴절률
의 실수부)

n3 : 측정유전체의 근사 굴절률(측정유전체의 복소굴절률
의 실수부)

k3 : 측정유전체의 근사 흡수율(측정유전체의 복소굴절률
의 허수부)}

에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정방법.
제 5항에 있어서,

상기 평행평면판의 두께는, 다음 수학식

{ h2: 평행평면판의 두께

s : 임의의 정수

c : 자유공간에서의 빛의 속도

n2 : 평행평면판의 굴절률 (평행평면판의 복소굴절률
의 실수부)

fm: 최소반사주파수 (최소 반사 조건이 일어나는 주파수)

n3 : 측정유전체의 근사 굴절률(측정유전체의 복소굴절률
의 실수부)

k3 : 측정유전체의 근사 흡수율(측정유전체의 복소굴절률
의 허수부)}

에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정방법.
제 5항에 있어서,

상기 판독기에서 측정된 최소전력반사계수Rm와 최소반사주파수fm로부터의 측정 유전체에 대한 복소 굴절률 n3 + ik3은, 다음 수학식

{Rm : 최소반사조건에서 판독기로 측정된 최소전력반사계수

fm : 최소반사조건에서 판독기로 측정된 최소반사주파수

h2 : 평행평면판의 두께

n2 : 평행평면판의 굴절률 (평행평면판의 복소굴절률
의 실수부)

k2 : 평행평면판의 흡수율 (평행평면판의 복소굴절률
의 허수부)

n3 : 측정유전체의 근사굴절률(측정유전체의 복소굴절률
의 실수부)

k3 : 측정유전체의 근사흡수율(측정유전체의 복소굴절률
의 허수부)

r12 : 공기층과 평행평면판 사이 경계입사면에서의 반사계수

r23 : 평행평면판과 측정유전체 사이 경계입사면에서의 반사계수}

에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 밀리미터파를 이용한 무혈혈당측정방법.