KR100742713B1 - 근적외선 스펙트럼에 의한 개인의 신원 확인장치 및 방법 - Google Patents

근적외선 스펙트럼에 의한 개인의 신원 확인장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

근적외선 분광학을 이용하여 사람의 신원을 비관혈적으로 확인하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 근적외선 조직 스펙트럼은 사람의 팔뚝 밑면의 피부 내로 근적외 방사선을 투사하고 조직을 통해서 되반사되는 빛을 집속함으로써 얻을 수 있다. 다수의 조직 스펙트럼과 신원은 나중에 신원확인을 원하는 개인으로부터 모아질 수 있다. 각 개인에 대한 조직 스펙트럼은 컴퓨터 상에서 분석될 수 있고, 각 개인에 대한 스펙트럼은 선형 판별 분석과 같은 툴을 이용하여 함께 클러스터 및 분류된다. 신원확인을 요구하는 목표 개인은 팔뚝의 근적외선 분광학을 통한 분석을 위해서 의도한 신원과 근적외선 조직 스펙트럼 모두를 제출할 수 있다. 마찬가지로, 목표 스펙트럼과 분광 데이터베이스 내의 의도한 신원에 대한 다수의 스펙트럼 간은 유사도를 바탕으로 하여 신원이 확인되거나 확인되지 않는다.
근적외선 스펙트럼, 신원확인장치, 신원확인방법

Description

근적외선 스펙트럼에 의한 개인의 신원 확인장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR IDENTIFICATION OF INDIVIDUALS BY NEAR-INFRARED SPECTRUM}
본 발명은 비관혈적 근적외선 조직 분석에 의해 개인 이용 데이터의 신원을 확인하기 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이미 저장된 개인의 분광 데이터와 비교하여 얻어지는 피하조직의 분광 데이터를 바탕으로 다변수 확인 분석기술을 이용하여 신원 확인된 조직에 의해서, 광에너지의 근적외선 흡수를 이용하는 비관혈적 생체의 신원 확인방법 및 장치에 관한 것이다.
신원 확인은 많은 응용에 있어서 유용하다. 예를 들면 기계의 작동이나 안전지역으로의 출입승인에 앞서서 행하는 신원 확인이 있다. 다른 예로서는 개인의 신원이 알려지지 않은 상태에서 병원 환자를 신원을 맞춰볼 경우, 개인에 대한 파일 상의 기록에 대해 개인을 맞춰보기 위해 행하는 개인의 신원 확인이 있다. 또한 신원 확인은 용의자가 체포되었지만 그 용의자의 진짜 신원이 알려지 있지 않았을 때 경찰의 기록을 맞춰보는데도 유용하다. 패스워드, 키, 숫자코드 및 지문은 현재 통용되고 있는 해법들이다. 그러나, 키 및 코드는 그 키 또는 코드를 소유하고 있는 자는 누구든지 사용할 수 있다. 키나 패스워드를 사용하도록 승인된 사람에 대한 현장에서의 물리적인 요청을 실시하는 것은 쉽지 않다. 일반적으로 지문분석은 신속한 결과를 제공하는데 실패하였으며, 오스텐(Osten)등에게 허여된 미국특허 제5,719,950호에 개시된 바와 같이 지문분석에 따른 안전장치는 교묘하게 회피할 수 있다.
살아있는 인간의 조직은 인간의 신체적인 조건을 진단하고, 치료 및 감시하기 위해 의료 분야에서 특히 유용한 다수의 구성요소 및 검체의 정보를 포함하는 동적인 시스템으로 인식된다. 이같은 목적을 위해서, 분광법을 사용하는 조직구성의 비관혈적 측정에 대한 방법을 발전시키는 쪽으로 노력을 기울여 왔다. 살아있는 조직의 분광학적인 분석은 개인의 검체를 제공하고 검체의 농도에 대한 분광 데이터와 관련된 스펙트럼 정보의 확인에 초점이 맞춰져 있었다. 개별 환자에 대한 이들 검체의 농도는 시간에 따라 변화한다. 진단 및 처리에서 사용하기에 충분한 정확도를 갖는 조직 분광 데이터를 얻는 것이 어렵다는 사실은 증명되었다. 분광법 상의 어려운 점은, 조직 시스템이 굴절률 및 흡착성이 다른 물질의 합성 매트릭스라는 사실과 관련이 있다는 것이다. 또한, 관심대상의 성분은 많은 경우에 매우 낮은 농도로 존재하기 때문에, 물과 같은 고농도의 성분은 낮은 레벨의 성분 스펙트럼 정보를 확인하고 원하는 성분 농도의 정확한 판독을 제공하는데 악영향을 준다. 이들 기술의 발전은 항상 포도당과 같은 관심대상의 동적인 검체에 대한 농도 상의 변화와 함께 스펙트럼 출력에 있어서의 변화에 초점이 맞춰져 있다. 개시된 기술들은 특수한 검체의 농도를 증명하는데 초점이 맞춰져 있으며, 이 연구는 시간에 따 라서 변화하는 것으로 예상된다.
검체의 농도에 대한 근적외선 조직 스펙트럼을 모아서 분석하기 위한 개선된 방법 및 장치가 통상적으로 양도된 미국 특허출원 및 허여된 특허에 개시되어 있다. 미국특허 제5,655,530호 및 "개선된 광학적 계면에 의한 비관혈적 혈액 검체 측정방법(Method for Non-invasive Blood Analyte Measurement with Improved Optical Interface"이란 명칭의 미국 특허출원번호 제08/844,501호는 시간에 따라 변화하는 조직의 검체 농도의 근적외선 분석에 관한 것으로, 당뇨병 환자의 개인에 있어서의 포도당 농도에 주로 초점이 맞춰져 있다. 이 방법 및 장치는 실험의 정확도 및 재현성을 개선하기 위해서 센서와 피부 사이에 굴절률-정합 매질을 배치하는 단계를 포함한다. "개선된 광학적 계면에 의한 비관혈적 혈액 검체 측정방법"이란 명칭으로 1998년 10월 19일 출원된 미국 특허출원번호 제09/174,812호에는 살아있는 조직에 대한 비관혈적 검체 분석의 추가적인 개량이 개시되어 있다. 이들 3개의 출원 및 특허는 각각 여기에 참고로서 인용한다.
미국특허 제5,636,633호는 부분적으로 검체 농도의 정확한 비관혈적 측정의 다른 태양에 관한 것이다. 이 장치는 정반사광으로부터 난반사광을 분리하기 위한 투명 반사 관측기(quadrant)를 갖는 기구를 구비한다. 피부에 투사된 입사광은 피부로부터 되돌아오는 반사광을 정반사시키거나 난반사시키는 결과를 가져온다. 정반사광은 적거나 전혀 유용하지 않은 정보를 가지며 집속되기 전에 제거하는 것이 바람직하다. "개선된 난반사율 감시장치(Improved Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus)"란 명칭으로 1997년 6월 9일 출원된 미국 특허출원 제08/871,366호는 정반사광으로부터 난반사광을 분리하기 위한 블로킹 블레이드 장치를 구비하는 정밀한 검체의 농도 분석에 대한 추가적인 개량을 개시한다. 이 블레이드는 깊은 진피층으로부터의 광이 표면, 표피층으로부터의 반사광을 집속하는 것을 가능케 하는데, 여기에서 표피층은 내부 진피층보다 적은 검체의 정보를 가지며, 노이즈를 발생시킨다. 이 블레이드는 표피로부터 정반사광뿐만 아니라 난반사광도 차단한다. 또 본 출원의 양도인에게 양도된 상기 특허 및 출원의 개시는 참조로서 여기에 인용한다.
미국특허 제5,435,309호는 다변수 스펙트럼 분석을 위해 광학 파장을 선택하는 시스템에 관한 것이다. 단일 파장만의 사용은 특히 다수의 구성요소를 갖는 해법에 대해 불충분한 정보를 제공한다. 너무 많은 파장의 사용은 상당히 많은 노이즈를 가지며 추측컨데 복합 폭발을 초래할 수 있다. 그러므로, 사용한 파장의 수는 반드시 제한해야 하며 파장을 잘 선택해야 한다. 이와 관련하여 유전자 알고리즘은 최적의 파장을 선택하기 위해 사용한다. 이 특허의 개시내용을 참고로 여기에 인용한다.
적외선 분광법을 이용하는 혈액 또는 조직의 검체 농도의 비관혈적 분석에 대해 상술한 종래의 기술과는 대조적으로, 본 발명은 특정한 개인의 결과적인 조직 스펙트럼이, 일단 분석장치가 개인을 판별하기 위해 트레이닝된 후 개인의 확인을 위해 사용될 수 있는 고유한 스펙트럼 특징 및 스펙트럼 특징의 조합을 포함하는 피검자의 인식에 기반을 두고 있다. 근적외선 범위 내의 스펙트럼 정보는 바람직하지만, 가시광선 또는 중간 적외선 광에너지가 단독 또는 근적외선과 조합하여 사용될 수 있음을 알았다. 장치의 트레이닝은 테스트에 앞서서 개인에 대해 저장된 분광 데이터의 사용에 의해 달성된다. 출원인은 비록 분석되는 조직이 검체 농도를 갖는 동적인 시스템이라도, 여기에 개시한 기술로써 근본적으로 제로 퍼센트의 명백히 틀린 에러율을 달성할 수 있었으며, 조직 분광 데이터는 분석들 간에 및 시간의 경과에 따라서 상당히 변한다. 본 발명에 따른 방법의 성공은 2개의 구성요소에 달려있다고 여겨진다. 첫째, 어떤 주어진 파장에서의 스펙트럼 출력이 미세 변화에 민감한 반면에, 이 방법은 안정적인 조직 스펙트럼을 정확하고 반복적으로 얻기 위한 장치 및 기술과 조합한다. 이 시스템은 조직 샘플 내로 및 그로부터의 광학적인 처리량을 최적화한다. 둘째, 특정 개인에 대해서 균일한 스펙트럼 특징 또는 스펙트럼 특징의 조합이 스펙트럼 결과의 광학적인 비교에 의해서 명확하거나 쉽게 확인되지 않기 때문에, 본 발명은 개인에 대한 중요한 스펙트럼 특징을 확인하여 그같은 특징을 신원확인을 시도할 때에 새로운 분광 데이터와 비교하기 위한 제 1트레이닝 장치에 대한 판별 분석기술에 의존한다. 이 방법은 데이터베이스에 존재하는 분광 데이터를 갖는 개인으로부터 얻어진 분광 데이터와 비교하기 위한 마하라노비스(Mahalanobis) 거리 기법이나 다른 거리 기법에 기반한 판별 분석기술과 조합할 수 있다.
그러므로, 본 발명은 비관혈적 조직 분광법을 이용하여 개인의 신원을 확인하는 방법을 포함한다. 바람직한 방법 및 장치는 근적외 방사선으로 피부를 제거하 고 반사된 비흡수적 근적외 방사선을 모은다. 반사광은 난반사되는 것보다 모아지는 것이 바람직하며, 표피보다는 내부 진피로부터 광이 난반사되는 것이 보다 바람직하다. 모아진 근적외선 분광 데이터는 컴퓨터 데이터베이스에 저장될 수 있다. 그같은 분광 데이터 시리즈는 개인 또는 신원확인이 요구되는 개인으로부터 모아진다. 개인의 신원은 인증된 데이터베이스 내의 관련 분광 데이터에 따라서 확인 및 저장된다. 인증 스펙트럼은 분단위로 모아질 수 있으며, 보다 바람직하게는 다수의 스펙트럼을 일(日)이나 주단위로 모을 수 있는데, 이것은 개인의 조직 스펙트럼에 영향을 주는 어떤 주어진 분석 시간에서 타고난 생리적인 차이에 대한 평가를 위해 확인하기 위한 개인의 모델에 대한 조정을 가능케 한다.
집속된 후에, 특정 개인에 대한 인증 분광 데이터는 개인 또는 알려지지 않은 개인임을 의도하는 개인으로부터의 새로운 분광 데이터와 관련하여 판별 분석 툴을 이용하여 분석할 수 있다. 목표 개인의 의도한 신원이 확인되거나 알려지지 않은 개인의 신원이 저장된 데이터베이스에 의해서 체크될 때, 목표 조직의 스펙트럼은 이미 저장된 인증 스펙트럼의 처리와 유사한 방식으로 취합되어 처리될 수 있다. 하나의 방법에 있어서, 마하라노비스 거리 및 분광 오차의 크기는 의도한 신원을 확인하거나 데이터베이스에 의해서 알려지지 않은 개인의 분광 데이터를 체크하는데 사용된다. 바람직한 방법에 있어서, 마하라노비스 거리 및 분광 오차의 크기는 의도한 신원을 갖는 개인에 대한 데이터베이스 스펙트럼과 관련하여 목표 스펙트럼에 대해 계산된다. 신원은 상술한 거리 및 크기가 각각에 대한 소정의 임계설정보다 작은 경우에만 확인된다.
신원확인을 실행하기 위한 하나의 시스템은 입력장치와 출력장치를 갖는 컴퓨터와; 기(旣)인증자 또는 알려지지 않은 개인의 체크에 의해서 개인에 대한 분광 데이터 수집용 근적외선 조직 분광 데이터를 구비하는 데이터베이스와; 근적외 방사선을 피하조직으로 투사하기 위한 근적외 방사선원과; 다수의 파장에 걸쳐서 피하조직의 근적외선 세기를 측정하기 위한 근적외선 분광계와; 개인의 분광 데이터와 개인 그룹에 대해 인증된 분광 데이터 또는 분광 데이터베이스의 수집물 간의 식별을 위해 컴퓨터에서 실행되는 프로그램을 포함한다. 이 프로그램은 판별 분석을 실행하기 위한 소프트웨어를 구비한다. 하나의 시스템에 있어서, 관리 학습 프로그램은 확인된 각 개인에 대한 다양한 분광 데이터와 연관하여 조력하도록 이용할 수 있다.
이들 및 여러 가지 다른 이익과 본 발명을 특징짓는 신규성은 명세서의 일부를 구성하며 그에 첨부된 특허청구범위에 특히 명시된다. 그러나, 본 발명의 보다 낳은 이해를 위해서, 이것의 이익 및 이것의 사용으로 얻어지는 목적, 참고는 명세서의 추가 부분을 형성하는 도면 및 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 기술하는 첨부된 서술적인 내용에 따라서 설명될 것이다.
도면에서, 동일 참조번호는 몇 개의 도면을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에서 상응하는 부분이나 요소를 가리킨다.
도 1은 굴절률-정합 유체를 통해 피부 표면에 결합된 센서 소자의 부분 단면 도이다.
도 2는 굴절률-정합 유체를 통해 피부 표면의 양쪽에 결합된 센서 소자의 다른 실시예의 부분 단면도이다.
도 3은 굴절률-정합 매질을 통해 피부에 결합된 센서의 정확성 및 재현성에 대한 개선을 나타내는 실험 데이터의 그래프이다.
이하, 본 발명의 상세한 실시예를 설명한다. 그러나, 개시된 실시예는 단지 본 발명의 예시이며 다양한 시스템에서 실시 가능함은 물론이다. 그러므로, 여기에 개시된 특정 상세한 설명은 한정하는 것으로 해석되기보다는 특허청구의 범위에 대한 기초 및 당업자에게 발명의 다양한 실시예를 가르치기 위한 대표적인 기초이다.
본 발명은 근적외선 범위에서 개인의 정확하고, 정밀하며 재현가능한 조직 스펙트럼이 개인에 대해 고유한 분광 특징 및 분광 특징의 조합을 포함한다는 출원인의 인식에 근거하고 있다. 또한, 몇 개의 고유한 정보는 그같은 분석에 적용할 수 있는 여기에 개시된 기술로써 가시광선 영역에 존재할 수 있는 것으로 믿어진다. 본 발명은 또한 판별 분석기술을 이용하는 적절한 방법이 이들 고유의 특징이나 조합을 확인할 수 있다는 인식에 근거하고 있는데, 이것은 분광 출력의 가시적인 분석에서 쉽게 보이지 않으므로, 개인의 확인이 이전의 테스트에서 저장된 조직 분광 데이터와 비교한 확인 시점에서 취합한 조직 분광 데이터의 비교를 통해서 확인할 수 있다. 확인방법은 개인의 검체 농도의 측정과 관련해서 또는 동시에 사용 할 수 있다.
이전의 분광 데이터는 특정 개인에 대해서 고유하게 인식되는 특징에 의거하여 특정인을 확인하기 위해 장치를 트레이닝하는데 사용된다. 이들 고유의 분광 특징은 비록 각 분석 시점에서 분석되는 조직이, 개인의 생리적인 변화로 인해 농도 변화가 조직 분광의 변화를 가져오는 검체 및 구성요소를 포함하는 동적 시스템이라 해도 일정하게 존재하는 것을 발견하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 방법의 성공적인 2개의 구성요소가 있다. 첫째, 이 방법은 조직 분광 데이터를 정확하고 반복 가능하게 얻을 수 있는 장치 및 기술과 조합된다. 이 장치는 어떤 주어진 입력파장에서 분광 출력에서의 미세한 변화에 민감하고 조직 샘플 내로 및 그로부터의 전체 광학적 처리량을 최적화한다. 둘째, 이 방법은 특정 개인에 대한 중요한 분광 특징을 확인한 다음, 그같은 특징을 확인하려고 시도한 시점에서 얻은 새로운 분광 데이터와 비교하기 위해 기계를 트레이닝하는 특수한 기술을 필요로 한다. 특정 개인에 대한 고유한 분광 특징 또는 분광 특징의 조합이 분광 결과의 시각적인 비교에 의해서 쉽게 보이거나 확인되지 않으며 고유한 분광 특징이 서로 다른 개인에 대해 다른 파장으로 존재하기 때문에, 본 발명은 분광 데이터를 비교하기 위한 판별 분석 기술에 의존한다. 본 발명에 따른 장치 및 방법의 각 구성요소는 이하에서 상세하게 설명한다.
본 발명은 정확하고, 재현 가능하며 민감한 근적외선 조직 분광 데이터의 비관혈적 측정 방법을 이용한다. 샘플은 상이한 굴절률 및 흡수성을 갖는 물질의 복합 매트릭스임을 알았다. 또한, 많은 성분이 매우 낮은 농도로 존재하므로, 효과적 인 방법으로 조직 내로 및 그로부터 빛을 결합하는 것이 필수적임을 발견하였다. 본 발명의 방법은 조직 샘플 내로 및 그로부터의 광결합 효율성을 향상시키기 위해, 굴절률-정합 매질, 유체 또는 변형 가능한 고체와 조합한다.
본 발명은 분석용 에너지원으로서 광학 스펙트럼의 근적외선 영역 내의 광에너지를 이용한다. 물은 그의 농도 뿐만 아니라 그의 강한 흡수율 때문에 근적외선 영역에서 조직에 흡수되는 단연 최대의 기여 요소이다. 따라서, 조직의 총 흡수 스펙트럼은 물 스펙트럼을 상당히 닮았음을 발견하였다. 광 흡수의 0.1퍼센트 이하는 가령, 포도당과 같은 성분에 있다. 또한, 전형적인 조직 샘플에는 많은 굴절률 불연속선이 존재하기 때문에 조직이 크게 산란되는 것을 발견하였다. 물은 1.33의 굴절률로 조직을 통해 살포된다. 조직의 세포벽과 다른 특징은 1.5 내지 1.6 근방의 굴절률을 갖는 점이다. 이들 굴절율 불연속선은 산란을 일으킨다. 비록 이들 굴절률의 연속성이 자주 일어난다 해도, 이들은 전형적으로 크기가 작으며 분산은 일반적으로 전방으로 강한 지향성을 갖는다.
이 전방 분산은 이방성이란 용어로 설명해 왔는데, 이것은 평균 분산각의 코사인으로 규정된다. 그러므로, 완전한 후방 분산이란 모든 분산 이벤트가 광자의 이동 방향을 180도로 전환시키는 것을 의미하며, 이방성 계수는 -1이다. 마찬가지로, 완전한 전방 분산의 이방성 계수는 +1이다. 근적외선에 있어서, 조직은 0.9 내지 0.95 근방의 이방성 계수를 갖는 것을 발견하였으며, 이것은 상당한 전방 분산이다. 가령, .9의 이방성 계수는 평균 광자가 샘플을 통과함에 따라서 25도 상승한 각도를 통한 분산만임을 의미한다.
얻어지는 조직 분광 데이터에 있어서, 측정은 적어도 2개의 다른 모드로 실행될 수 있다. 하나는 조직의 단면을 통해 전달되는 광을 측정할 수 있고, 다른 하나는 조직으로부터 반사되거나 복귀되는 빛을 측정할 수도 있음을 알았다. 빛이 조직을 통과함에 따른 그 빛의 전방 분산으로 인해, 분광법에서의 바람직한 분석방법은 전달이라는 것을 알았다. 그러나, 특히 긴 파장을 갖는 근적외선 광이 통과하기에 광학적으로 충분히 얇은 신체의 일부를 찾기란 어렵다. 그러므로, 본 발명에서 바람직한 측정방법은 샘플로부터의 광의 굴절에 초점이 맞춰져 있다.
굴절률 불연속선에서의 광자 반사와 굴절 및 조직 상의 빛의 충돌은 곧바로 조직 표면에서 작은 반사율을 갖는다. 이것은 광학 반사율이라 부른다. 이 빛은 조직 내로 침투하지 않으므로, 이것은 조직성분에 대한 작은 정보를 포함한다. 이것은 특히 피부 생리의 빛으로 변환되는데, 피부는 개인에 대해 고유한 것으로 믿어지는 근본적으로 쓸모없고 부족한 정보를 지닌 외층을 포함하고 있다. 그러므로, 개인에 대한 고유의 분광 데이터를 포함하는 반사광 에너지는 조직 샘플 내에서 깊은 굴절율 불연속선을 통해 표면으로 되반사되는 빛이라고 믿어진다. 이 반사광 에너지는 난반사광이라고 부른다.
출원인은 입사광자의 큰 파편이 조직 내에서 흡수 및 산란되는 것을 알아내었다. 조직의 후방을 결합하는데 이용할 수 있는 그들 광자는 그들의 각도 경로에서 전향될 것이다. 실제로, 정의에 의하면 입사광 쪽 방향으로 조직을 방출하기 위해서 광자는 반드시 방향을 변화시켜야 한다. 그러나, 출원인은 평균 조직 굴절율과 조직의 외부공기 굴절률 간의 굴절률 연속선과 연관되는 검출에 커다란 문제가 있음을 발견하였다. 이 연속선은 약 5퍼센트 이하의 작은 분광 굴절율 및 반사를 가져오는 입사광에 작용하는 것을 알아내었다. 그러나, 도중에 연속선은 임계각 현상을 일으킨다. 광자가 높은 굴절률 매질로부터 낮은 매질로 이동하므로, 임계각은 전체적으로 내부 반사되고 조직 샘플을 벗어나지 않는 광자 상에 존재한다. 조직으로부터 공기로 이동하는 광자에 대한 임계각이 약 46도라는 것을 발견하였으며, 이것은 어떤 문제를 갖고 있다. 조직 표면 상의 보통 입사 광자는 반드시 방출을 위해 큰 각도로 전향된다. 전방 지향성 분산으로 인해, 광자에 대해 그같이 행하는 것은 힘들며, 조직 및 공기 계면과 함께 스쳐 지나가거나 높은 각도의 입사를 만들 것이다. 스쳐 지나가는 입사 광자는 임계각이 과도하기 때문에 벗어나지 않을 것이다.
출원인은 분석기구에 관한 조직에 존재하는 결합 광에너지와 관련된 굴절률에서의 차이에 대한 해법을 발견하였다. 이 해법은 관심대상의 분광범위에서 매우 낮은 흡수율을 갖는 침투유체를 사용하는데 있으며, 조직 내로 빛을 효과적으로 도입하는 굴절률을 갖는 한편, 우수한 유동 및 피복률과 함께 점도 호환성을 지니며, 분광 굴절을 감소시켜 조직으로 빛을 효과적으로 후퇴시키는 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 굴절률-정합 유체는 개인의 확인과 관련하여 선택된 파장에서의 광에너지가 근본적으로 흡수되지 않거나 바람직하게 극미하다. 그러므로, 이 유체는 목표 파장에서 비(非)분광적으로 작용한다. 그러나, 가령 파장과 관련하여 약 10%이하의 광에너지를 흡수하는 극소 흡수 굴절률-매칭 유체는 여전히 이용 가능하다. 바람직한 물질은 Occidental Chemical 사에 의해 제조된 FLUOROLUBE란 상표명의 플 루오르화, 염소화 탄화수소 폴리머 오일이다. FS5는 바람직한 FLUOROLUBE이다. 이들 오일은 약 1.38의 반사율을 가지며, 무독성이고, 근적외선 영역에서 분광 신호가 극미하다는 것을 발견하였다.
이하, 조직 스펙트럼을 비관혈적으로 얻기 위한 장치에 관한 2개의 바람직한 실시예를 나타내는 부분 단면도인 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1과 도 2에서의 표현은 에너지원(16)과 스펙트럼 분석기(30)에 작동적으로 연결된 비관혈적 센서 소자(11)와 관련하여 굴절률-정합 매질(22)을 이용하는 개념을 나타내기 위한 개략도이다. 상대적인 크기, 형상 및 신체 구성요소의 상세는 표현하지 않았다.
도 1에 도시된 장치와 도 2에 도시된 장치는 개략적으로, 에너지원(16), 센서 소자(11) 및 스펙트럼 분석기(30)인 3개의 구성요소를 포함한다. 도 1의 실시예는 입력장치(20)와 출력 소자(26)를 갖는 센서 소자를 나타내는데, 이것은 입력 및 출력 광에너지용의 단일 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 입력 소자(20)와 출력 소자(26)는 선택한 조직(10)의 공동 피부 표면(12)과 접촉되어 있다. 도 2의 다른 실시예는 다른 센서 소자(11)의 배열을 나타내는데, 여기에서 입력 소자(20)와 출력 소자(26)는 조직(10)의 양면(12, 14)에 배열된다. 2개의 실시예는 모두 조직(10)에 의해 적외선 에너지의 흡수의 측정을 제공하는 역할을 한다. 그러나, 도 1의 실시예는 조직 내의 구성요소나 특징에 의해 그 조직(10)으로부터 반사되는 광에너지의 양을 측정하는데 이용된다. 반면에, 도 2는 조직(10)을 통과하는 광에너지의 전달을 측정한다. 어느 실시예에 있어서나, 다양한 파장에서의 흡수는 에너지원(16)으로부터의 광에너지의 세기에 대한 비교에 의해 결정할 수 있다.
에너지원(16)은 광대역, 적외선 블랙 바디원(infrared black body source)이 바람직하다. 에너지원(16)으로부터 방출되는 광파장은 1.0 내지 2.5㎛ 사이가 바람직하다. 에너지원(16)은, 그 에너지원으로부터 입력 소자(20)까지 적외선 에너지(18)를 전달하기 위한 제 1수단과 작동적으로 결합되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 제 1수단(18)은 에너지원(16)을 입력 소자(20)근방에 배치함으로써 공기를 통해서 입력 소자(20)로 광에너지를 간단히 전달한다.
센서 소자(11)의 입력 소자(20)는 광에너지를 고에너지 밀도점에 초점을 맞추는 광학렌즈가 바람직하다. 그러나, 광초점수단은 조명 영역을 변경하기 위해 광학렌즈와 관련하여 사용할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 입사광 에너지를 변경하기 위해서 다중 렌즈시스템, 테이퍼형 섬유, 또는 다른 통상적인 광학 빔-형성장치를 사용할 수 있다.
도 1과 도 2에 도시한 2개의 실시예 모두에 있어서, 출력센서(26)는 조직(10)으로부터 반사되는 광에너지를 수신하거나 광에너지의 전달을 위해서 이용된다. 바람직한 실시예에 있어서, 반사 제어장치는 난반사광으로부터 정반사광을 분리하기 위해 조합된다. 그같은 장치는 "개선된 난반사율 감시장치(Improved Diffuse Reflectance Monitoring Apparatus)"란 명칭으로 1997년 6월 9일 출원되어 계류중인 공동 양도의 미국 특허출원 제08/871,366호에 개시되어 있으며, 참고로 여기에서 인용한다. 이하의 분석방법과 관련하여 설명하는 바와 같이, 도 2의 실시예가 조직(10)을 통과하는 전달광을 수신하는 출력센서(26)를 포함하는 반면에, 도 1의 실시예는 반사광 에너지를 수신하는 출력센서(26)를 갖는다. 입력 소자(20)와 마찬가지로, 출력 소자(26)는 광학렌즈가 바람직하다. 다른 광집속 수단으로서, 스펙트럼 분석기(30)로 광에너지를 보내도록 조력하는 다중 렌즈시스템, 테이퍼형 섬유, 또는 다른 광집속 수단과 같은 출력 소자(26)가 조합될 수 있다.
적외선 에너지(28)를 전달하기 위한 제 2수단은 출력 소자(26)와 작동적으로 연결된다. 적외선 에너지(28)를 전달하기 위한 제 2수단을 통해 전달된 빛은 스펙트럼 분석기(30)로 전달된다. 바람직한 실시예에 있어서, 출력 소자에 대한 작동적인 연결은 공기를 통해 스펙트럼 분석기(30)에 반사 또는 전달된 광에너지를 방출하기 위한 전송을 포함한다. 미러 또는 미러 시리즈는 이 광에너지를 스펙트럼 분석기로 보내기 위해 이용될 수 있다.
실제로 본 발명의 방법에 있어서, 조직(10)영역은 분석점으로서 선택된다. 이 영역은 손가락의 피부 표면(12), 귓불, 팔뚝 또는 임의의 기타 피부 표면을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 샘플링을 위한 영역의 분석시료를 함유하는 조직은 표면 근처의 혈관과 비교적 매끄러운 딱딱하지 않은 피부 표면을 포함한다. 바람직한 시료 위치는 팔뚝 아래쪽이다. 유체 또는 변형가능한 다량의 굴절률-정합 매질(22)은 센서 소자(11)와 결합되어 분석될 영역에 배치되는데, 이 센서 소자는 장치에 대한 입력 소자(20)와 출력 소자(26)를 구비한다.
조직(10)의 광학 데이터를 얻는데 있어서, 에너지원(16)으로부터의 광에너지는 입력 소자(20)내로 적외선 에너지(18)를 전달하기 위한 제 1수단을 통해서 전달된다. 광에너지는 굴절률-정합 매질(22)을 통해서 입력 소자(20)로부터 피부 표면(12)으로 전달된다. 피부 표면(12)과 접촉하는 광에너지는 여러 구성요소 및 피부 표면(12)아래에 있는 검체에 의해 상이하게 흡수된다. 바람직한 실시예에 있어서, 흡수되지 않은 광에너지는 다시 굴절률-정합 매질(22)을 통한 전달을 통해서 출력 소자(26)로 되반사된다. 흡수되지 않은 광에너지는 적외선 에너지(28)를 스펙트럼 분석기(30)로 전달하기 위한 제 2수단을 통해서 전달된다.
도 2의 다른 실시예에 있어서, 다양한 파장을 갖는 다량의 광에너지가 조직(10)을 통과하여 양면 또는 제 2피부 표면(14)으로 전달되는 반면에, 입력 소자(20)와 굴절률-정합 매질(22)의 제 1양을 통해서 전달되는 광에너지는 조직(10)에 의해서 상이하게 흡수된다. 제 2피부 표면(14)에서 흡수되지 않은 광에너지는 조직 스펙트럼을 생성하기 위한 스펙트럼 분석기(30)로의 후속 전달과 함께 굴절률-정합 매질(24)의 제 2양을 통해서 출력 소자(26)로 전달된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 굴절률-정합 매질(22)은 상술한 방법의 향상된 정확성 및 재현성에 대한 키(key) 역할을 한다. 굴절률-정합 매질(22)은 클로로플루오로카본을 함유하는 유체 합성물인 것이 바람직하다. 이 합성물은 클로로플루오로카본 및 퍼플루오로카본의 혼합물일 수 있다. 바람직한 합성물은 클로로트리플루오로에틸렌을 포함한다. 바람직한 합성물은 클로로플루오로카본의 중량으로 약 80% 내지 약99.8%를 함유한다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 분석될 조직으로의 광에너지의 입력 및 그로부터의 출력을 최적화하기 위해 굴절률-정합 유체를 이용한다. 넓은 의미에서, 본 발명의 굴절률-정합 유체는 피부 표면 상에 본 발명의 검사체를 간단히 배치할 수 있는 계면 상의 향상된 광학적 계면을 생성하는 유체라면 어느 것이나 사용할 수 있다. 본 발명의 굴절률-정합 유체가 없으면, 이 계면은 공기로 채워지고 조직 내로의 진행 및 조직으로 방출되는 빛의 판별 굴절을 일으키는 갭을 포함할 수 있다. 그러므로, 약 1.0의 공기 굴절률에 대해 약 1.38의 조직 굴절률과 유사한 굴절률을 갖는 어떤 굴절률-정합 유체는 향상된 계면을 제공할 수 있다.
최적의 시스템은 조직 내로 빛을 효과적으로 도입할 수 있는 굴절률-정합 유체를 포함하며, 정반사를 줄이고, 조직으로부터 돌아오는 빛을 효과적으로 취합할 수 있다. 유체에 대한 굴절률의 선택은 반드시 조직의 굴절률과 렌즈 시스템을 고려하여 최적이 되어야 한다. 굴절률-정합 투시로부터 시스템의 처리량을 최대화하기 위한 프로세스는 다음의 식 1에 의해서 결정된다.
Figure 112002010378847-pct00001
여기에서, N1은 조직의 굴절률이고, N3는 광학 시스템의 굴절률이며, N2는 광학 결합매질의 굴절률이다. 비록 광범위한 정합 유체는 조직 내로의 전체 전달에 낮은 비율의 변화로 사용될 수 있으나, 하나의 키(key)는 원하지 않는 정반사광의 원인이 되는 반사 굴절광의 양에 있다. 상술한 조절방정식으로 1.38의 조직 굴절률 및 1.42의 렌즈 굴절률을 갖는 시스템에 있어서, 이상적인 정합 유체 굴절률은 1.39986이다. 참고로서 이것을 사용하면, 계면으로부터의 반사광의 양은 1.38 또는 1.42의 유체값이 사용되는 경우에 2배가 될 것이다.
정반사의 생성이 통상의 분광법 모델링 툴로 모델링하기가 힘들다는 사실 때문에 적절한 굴절률-정합을 통한 정반사광의 최소화는 중요하다. 정반사광은 세기 유닛에서 부가적이지만 흡광도 유닛에서는 비선형적이다. 부분 최소 2승 분석이 흡 광도 공간에서 처리됨에 따라, 그같은 비선형성은 부분 최소 2승 분석이 선형 모델이라는 사실로 인해서 분석에 대해서는 불리하다.
출원인은 센서의 결합이 반복 가능하게 되고 얻어지는 피검자 조직 농도를 정확하게 반영하는 결과를 가져올 것을 필요로 하는 본 발명의 장치에 대한 유용성을 알아보았다. 이같은 목적 하에서, 출원인은 본 발명의 굴절률-정합 유체가 진단용 첨가제나 생리적인 첨가제를 포함하는 것이 바람직하다는 것을 알았다. 생리적인 첨가제가 혈액 분석농도에 대해 조직 분석농도에서의 차이를 수정하도록 조직의 생리를 변경하는 반면에, 진단용 첨가제는 조직 계면 및/또는 기구의 현재 성능의 평가에 대한 렌즈 질의 평가를 제공한다. 이하에서는 이들 첨가제에 대해 설명한다.
본 발명에 의한 조직 분광 데이터의 비관혈적 측정은 첨가제를, 조직이 기구와 접촉하도록 배치될 때 유체 두께의 평가를 가능케 하는 굴절률-정합 유체로 교체함으로써 향상된다. 바람직한 실시예에 있어서, 또 첨가제는 빛의 특정 파장에서 높은 흡수를 갖는 것으로 알려진 합성물을 포함함으로써 기구의 측정을 제공한다. 또한, 그같은 첨가제는 굴절률-정합 유체가 측정을 위해서 이용되는 정확성을 보증한다.
굴절률-정합 유체가 본질적으로 샘플 검사 상의 조직에서의 높이 변화를 일으키기 때문에, 분광 측정에 제공될 경로 길이의 보정이 시료 검사자 상의 조직 높이의 함수로서 가능케 하는 한편, 이 높이의 측정은 전체 포도당 또는 다른 검체의 측정에서도 도움이 될 수 있다. 이것은 재현성을 보증할 수 있으며, 조직의 분광 측정을 시작하기 전에 일정한 높이가 달성되고, 추가로 조직의 분광 측정을 시작하기 전에 높이의 조절을 가능케 한다. 이러한 방법으로, 사용자는 과도한 정합 유체 높이, 이용 중인 불충분한 굴절률-정합 유체, 또는 다른 몇가지의 분석기와 관련한 조직 표면의 오배열로 인해 달성되지 않았던 의사 결과를 확실하게 할 수 있다.
실험실 분광계는 기구가 계산하는 파장 및 개런티를 정하기 위해서 레이저 기준신호와 조합되는 푸리에 변환 시스템을 이용한다. 그러나, 이것은 회절, CCD 배열 등과 같은 분산식 기구보다는, 최종 사용자가 레이저를 사용하지 않는 경우에 알맞는 기구일 것이다. 그러한 기구에 있어서, 조직 분광 데이터의 각 분석에 앞서서 측정이 정확하도록 보증하는 것이 중요하다. 이를 위해서, 출원인은 알려진 광파장에서 명확한 분광특징을 포함하는 첨가제의 첨가가 측정을 보증하는데 유용할 수 있음을 발견하였다.
굴절률-정합 유체에 대한 알려진 분광 활성 첨가제의 사용은 최종 사용자가 측정 및 프로그램된 기구에서 정확한 굴절률-정합 유체를 사용하는 것을 보증한다. 상이한 굴절률-정합 유체의 사용은 개인을 확인하기 위한 관심영역에서 광에너지를 흡수하는 것에 의해서, 비관혈적 조직 스펙트럼에 에러를 초래할 수 있다.
상술한 재현성, 정확성 및 질적인 보증을 달성하기 위해서, 분광 활성제는 굴절률-정합 유체에 첨가되는 것이 바람직하다. 활성제는 측정될 관심대상 영역 밖의 흡수 협대역을 갖는 것이 바람직하다. 가령, 개인의 신원확인을 위한 바람직한 방법에 있어서, 활성제는 4200 내지 4700 파수의 범위 밖에서 활성화될 수 있다. 활성제는 개인의 신원확인을 위해 실제로 사용한 파장과 크게 중첩되지 않는 한 이 범위 내에서 활성될 수 있다. 첨가제는 퍼플루오리네이티드 하이드로카본 (perfluorinated hydrocarbon) 상에 적절한 관능기를 배치함으로써 제조할 수 있다. 퍼플루오리네이티드 하이드로카본은 관심영역에서 분광적으로 불활성이지만, 퍼플루오로화 하이드로카본 상에 배치된 관능기는 분광적으로 활성일 수 있다. 부가적으로, 이들 관능기는 관심대상인 혈액 검체의 분석과 간섭하지 않는다. 바람직한 화합물은 퍼플루오로-2-부틸테트라하이드로퓨란 (perfluoro-2-butiltetrahydrofuran) 및 퍼플루오로서시닐 클로라이드 (perfluorosuccinyl chloride)를 포함한다.
다른 실시예에 있어서, 굴절률-정합 유체와 진단 첨가제는 양자 모두의 기능을 제공하는 동일한 유체를 포함할 수 있다. 예로서, 퍼플루오로-2-부틸테트라하이드로퓨란은 광학적 계면을 향상시키는 굴절률-정합 매질로서 사용될 수 있으며, 동시에, 진단 목적을 위해 소정 범위에서 분광적으로 활성인 화합물을 형성하는 관능기를 포함할 수 있다.
출원인은 국부적으로 첨가되는 혈관확장제가 본 분석과 관련하여 사용할 수 있다고 믿는다. 이들 확장제는 굴절률-정합 매질 내에 혼합할 수 있다. 이들 확장제는 피부 내로의 확산 및 모세관으로 공급되는 소동맥 상의 아드레날린제 수용체를 차단함으로써 작용한다. 이것은 동맥 활약근의 팽창, 유동 저항의 감소, 및 모세관의 압력과 크기의 감소를 가져온다. 다수의 바람직한 혈관 확장제는 메틸 니코틴아미드, 미녹시딜, 니트로글리세린, 히스타민, 멘톨, 캡사이신(capsaicin)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 조직 분광 데이터는 조직 샘플의 합성물 기능으로서 근적외선 에너지의 그같은 파장에서의 흡수의 지시를 제공하는 다양한 파장의 출력 센서에 의해서 수신된 광농도의 측정을 통해서 결정된다. 종래에 잘 알려진 바와 같이, 본 발명의 스펙트럼 분석기(30)는 검출기 상의 적외선 에너지 입사의 세기를 적절한 전압의 크기로 변환할 수 있다. 이 방법에 있어서, 출력 스펙트럼은 분석 중인 조직에 대해 제공된다. 조직 분광 데이터를 얻기 위한 상술한 방법과 관련된 개선을 증명하는 실험결과는 도 3에 표시되어 있다. 50으로 표시된 상단 궤적은 굴절률-정합 매질이 없이, 상술한 모드에서 샘플링될 때 얻어진 결과를 나타낸다. 52로 표시된 하단 궤적에서, 팔을 배치하기 이전에 상기 반구의 표면에 100마이크로리터의 클로로트리플루오로에틸렌 폴리머가 제공된다. 50 및 52는 각각 다수의 스펙트럼으로 구성되어 있다. 굴절률-정합 유체가 있을 때, 서로 중첩되는 모든 스펙트럼은 매우 근접하다. 이는 계면이 매우 안정하다는 것을 의미한다. 굴절률-정합 유체가 없을 때, 계면은 극도로 불안정하고, 특정 파장에서의 데이터는 분명 개인의 신원을 가리키는 특정 성분의 농도에 작은 변화가 가해질 때 특히 정확하게 된다.
일단 조직 분석에 대한 정확하고 재현 가능한 분광 데이터가 얻어지면, 본 발명의 두번째 키는 특정 개인에 대한 고유한 분광 특징이나 특징의 조합을 확인하기 위해 장치 또는 기구를 트레이닝하기 위한 방법론을 규정한 다음, 분광 데이터가 동일한 개인으로부터 나온 것인지의 여부를 결정하기 위해서, 데이터베이스의 분광 데이터를 동일한 개인이라고 추측하는 새로운 분광 데이터에 대한 고유의 특 징을 비교하는 것이다.
바람직한 방법에 있어서, 확인 태스크(task)는 인증받은 사람의 수가 제한되는 작동의 실행(가령, 분광법 측정, 방으로의 출입 허가의 획득, 연동차량 또는 기계 부분 상의 제어달성 등의 실행)을 어떤 사람이 추구할 때 실행된다. 사람의 NIR 분광 데이터는 그 사람의 신원을 확인하는데 사용된다. 이 바람직한 방법에 있어서, 사람은 하나 이상의 조직 스펙트럼을 모으기 위해 분광 측정장치를 사용한다. 측정 전후나 측정 중에, 사람은 어떤 수단(개인 ID 번호, 이름, 배지(badge) 등)에 의해 그들이(가령, "사람 X") 누구인지를 말할 수 있다. 다음에 확인 태스크는 근적외선 스펙트럼을 하나 이상의 이전 기록 및 사람 X로부터 인증된 스펙트럼과 비교함으로써 그들이 말한 자가 누구인지를 확인한다. 마찬가지로, 확인 태스크가 한 사람만 인증되는 동작과 관련한 것이라면, 다음에 태스크는 한사람의 기(旣)인증자가 동작을 시도하는지의 보증에 대해 단순화한다.
제안한 확인 방법론의 모든 바람직한 실시예는 사람의 소망 인증, V(ν), 및 미리 저장된 인증 스펙트럼, A(ν), 또는 확인이 언급된 사람과 상응하는 스펙트럼으로부터 방금 모아진 스펙트럼을 사용하여 차(差)스펙트럼D(ν)을 생성한다.
Figure 112002010378847-pct00002
여기에서, ν는 분광 주파수 또는 파장을 나타내는 변수이고, D, V, A는 유닛의 부재시나 어떤 관련 양에서의 분광값이다. 또한, D, V, 및 A는 분광 세기값일 수 있으며, "차(差)"연산은 요소대 요소의 비가 된다.
Figure 112002010378847-pct00003
또 이 출원에서 사용하기 위해서 유사한 특성의 다른 수학적인 연산을 사용하는 것도 가능하다.
바람직한 확인방법의 다른 키는 D(ν)를 생성하기 위해 사용한 바와 같은 동일한 수학적 연산을 이용하여 개발되는 분광차 데이터베이스에 있다. 인증 데이터베이스에서의 분광차(또는 분광비 등)는 각기 여러번 측정한 한명 이상의 사람으로부터 형성되는 것이 바람직하다. 신뢰성을 위해서, 개개인의 샘플링은 예견되는 개인의 생리적인 변화, 예견되는 분광법 측정장치에서의 변화, 및 측정환경에서의 변화를 감안해야 한다. 하나의 실시예에 있어서, 분광차는 주어진 사람으로부터의 다수의 스펙트럼 합성을 통해서 생성될 수 있으나, 다른 사람으로부터의 스펙트럼의 사용을 통해서는 결코 형성되지 않는다. 데이터베이스를 내부-피검자 차 스펙트럼으로 충진함으로써, 전형적인 피검자간의 분광차는 제거되며, 결과적인 데이터베이스는 내부-피검자의 분광특징 뿐만아니라 기구 및 환경의 영향도 포함한다.
확인 태스크는 분광차 D(ν)가 개인에 대한 분광차 데이터베이스와 일치한다면 결정을 통해서 달성된다. 만일 언급된 사람의 확인이 정확하면, 결과적인 차 스펙트럼 D(ν)은 내부-피검자의 분광 특징만을 포함하므로, 데이터베이스와 일치한다. 역으로, 확인이 정확하지 않으면 D(ν)는 피검자간의 분광 특징을 포함할 것이며, 개인에 대한 내부-피검자의 분광차 데이터베이스와 호환될 수 없다. 이 경우에, 확인은 실패할 것이다.
데이터베이스와의 일치 여부는 다양한 방법으로 확인할 수 있다. 컴퓨터 프로그램에 조합된 판별 분석기술의 바람직한 방법이 사용된다. 이들 방법은 분광 데이터베이스에서 근원적인 분광 형상(인자(factor), 부하 벡터, 고유벡터, 잠재적 변수 등)을 정하고, D(ν)와 데이터베이스와의 일치를 결정하기 위해서 표준 이상값 방법론(분광 F율, 마하라노비스 거리, 우클리덴(Eucliden)거리 등)을 사용하는 것에 의존한다. 근원적인 분광 형상은 여기에 기술한 바와 같이 여러 수단에 의해서 생성될 수 있다. 첫째, 근원적인 분광 형상은 단일 분광 분석(고유분석, 푸리에 분석 등)을 바탕으로 생성될 수 있다.
1999년 10월 8일 "분광학 측정모델의 수정방법 및 장치(Methods and Apparatus for Tailoring Spectroscopic Calibration Models)"란 명칭으로 출원되어 계류중이며, 여기에 참고로 인용하는 미국 특허출원번호 제 09/415,432호에 개시된 바와 같이, 근원적인 분광 형상을 생성하는 2번째 방법은 포괄적인 모델의 개발에 관한 것이다. 이 출원에 있어서, 근원적인 분광 형상은 내부-피검자의 분광 특징 상에서 실행되는 측정 절차를 통해서 생성된다. 이 측정은 측정된 검체 농도의 특징을 토대로 한다.
3번째 방법에 있어서, 근원적인 분광 형상은 모의 성분의 변동을 토대로 하는 측정의 개발에 의해 생성된다. 모의 성분의 변동은 실제 검체의 변동에 의해 유도된 변화를 모델링할 수 있으며, 또는 가상 분광법의 변화에 의해 간단하게 할 수 있다. 어떠한 상황에서든, 변화는 반드시 측정의 발전을 가능케 하는 방법으로 추가되어야 한다. 예를 들면, 알콜 농도의 변화에 의해 유도된 분광법의 변화는 비어 의 법칙(Beer's law)과 일치하는 방법으로 인위적으로 데이터에 추가될 수 있다. 몇 개의 다른 측정 및 상응하는 확인으로부터 얻은 결과는 확인의 정확성을 높이기 위해서 결합될 수 있다.
분광차 D(ν)가 본 발명의 확인방법에 적용할 수 있는 데이터베이스와의 일치 여부에 대한 다른 분류수단이 있음을 알았다. 이들 방법은 상술한 기술과 함께 또는 그 대신에 사용될 수 있다.
방법론 상의 많은 변화는 본 발명의 범위 내에서 가능하다. 일 실시예에 있어서, 전체 스펙트럼은 실질적으로 균일한 파장폭으로 저장된다. 다른 실시예에 있어서, 관심대상의 미리 선택된 파장이 기록된다. 또 다른 실시예에 있어서, 분광 데이터는 다양한 스펙트럼을 실질적으로 재생할 수 있는 매개변수로서 분석 및 저장된다. 이 후자의 실시예에 있어서, 매개변수 밖의 특정한 파장에서의 측정은 저장되지 않는다. 확인된 스펙트럼은 데이터베이스에 저장될 수 있다. 일실시예에 있어서, 다수의 스펙트럼은 한번의 시험주기로 얻어지며 확인된 스펙트럼 데이터베이스를 격납하기 위해 사용된다. 다른 실시예에 있어서, 스펙트럼은 몇번의 개인에 대한 시험주기를 통해서 얻어진다.
상술한 바와 같이, 분광차 또는 거리는 동일한 개인에 대한 동일 파장에서 취한 상이한 측정 상의 계산의 실행에 의해서 얻어질 수 있다. 정의상 다양한 분광차는 가능하다. 본 발명을 설명하기 위해서 단일 파장에서 취한 측정샘플의 경우를 고려한다. 분광차는 그같은 파장에서의 새로운 분광값에 관한 평균에 대해 평균 측정값 및 표준 편차 등으로서 샘플 격납의 통계적 분석의 형태를 취할 수 있다. 다 양한 파장은 샘플 격납에 대한 표준 편차를 최대화 및 최소화하기 위한 시도로 평가할 수 있다. 한명의 개인에 대해 취해진 샘플에 대한 파장의 변화를 최소화하기 위해 파장의 선택을 고려할 수도 있다. 이와 동시에, 확인된 사람과 이방인 간의 구별 또는 식별을 가능케 하도록 개인간(inter-person)간에 변화하는 파장을 선택하는 것이 바람직하다. 가령, 개인내(intra-person)에서 변화되지 않는 파장은 사람들 간의 식별을 위해서 유용하지 않다. 이와 동시에, 개인내에서의 차가 개인간의 차를 압도할 수 있음에 따라서, 동일한 개인에 대한 측정값 간에 크게 변화하지 않는 파장을 선택하는 것이 바람직하다.
상술한 단순한 단일 파장의 경우에 있어서, 개인간의 분광차를 최소화하는 동안에 파장은 최소화된 개인내에서의 분광차를 선택할 수 있다. 이 일차원적인 예에 있어서, 이들 조밀한 클러스터가 다수의 개인에 대한 축을 따라 분산되는 동안에, 각 개인에 대한 측정이 축을 따르는 단일점에 대해서 집속되도록 하는 경향을 지닌 파장을 선택할 수 있다. 목표 샘플이 도입되면, 측정은 의도한 신원의 개인에 대한 값의 클러스터와의 비교를 행할 수 있다. 임계값은 확인된 개인에 대한 값의 각 클러스트에 대해 정할 수 있다. 가령, 임계값은 거부되는 이러한 범위 밖으로 떨어지는 어떤 측정 및 확인 거절된 목표 개인을 통해서, 샘플 격납에 대한 2개의 표준 편차로 설정할 수 있다.
상술한 단순화한 단일 파장의 예로부터, 분광 데이터를 분석하는 이론을 설명할 수 있다. 2파장의 예에 있어서, 2파장의 길이는 선택 가능하며, 2파장은 평면에서 2차원 도표의 X-Y좌표로서 서로에 대해 작성할 수 있다. 2차원 도표는 서로 폭넓게 분리되는 일련의 클러스터를 적절히 나타낼 것이다. 임계값은 가령, 확률 분포함수를 사용하는 각 클러스터에 대해 정할 수 있다. 목표 개인으로부터의 측정값은 어떤 확률까지 샘플집단 내의 회원에 대한 분석을 할 수 있다. 일예로서, 목표 측정이 99%의 확률 임계값 이내가 되면 회원은 확인된다. 다른 예로서, 클러스터의 기하학 중심은 계산되어 저장된다. 개인에 대해 취합된 2파장의 길이는 그래프화될 수 있으며, 클러스터 중심으로부터 2차원 공간에서의 분광거리가 결정된다. 이 실시예에서의 확인은 목표 개인에 대한 데이터 점이 클러스터 내인지 또는 클러스터가 없는지의 판단을 바탕으로 한다.
마찬가지로, 이러한 분석의 출원에 대한 3파장의 예를 가정할 수 있는데, 이는 3차원 공간 내에서 그려지는 데이터 점의 클러스터로 표시되며, 클러스터로부터의 목표점의 기하학적 거리가 결정된다. 덧붙이면, 10파장이 선택될 수 있으며, 클러스터로부터의 목표점의 거리는 10차원 공간 내에서 계산된다. 쉽지는 않지만 가정해 보면, 다수 파장이 바람직한 실시예에서 사용된다. 바람직한 실시예에 있어서, 인자, 또는 다수의 파장에서 취한 길이의 조합은 간단한 분석 및 낮은 차원의 인간 시각화을 위해서 사용된다.
다른 방법에 있어서, 함수는 분광 측정값과 직접 측정 대신 사용한 결과 함수값을 전처리하기 위해 사용된다. 예를 들면, 2파장에서 취한 측정값은 개인에 대해 각자로부터 위아래 및 반대로 변화되도록 관찰될 수 있으나, 이들 2개 값의 평균 또는 전체는 그 개인에 대해 일정하게 남아있는 것으로 볼 수 있다. 이 실시예에 있어서, 몇 번의 시험주기로부터 서로에 대한 2개의 측정값의 점은 부(-)의 기 울기를 갖는 선분에 대한 클러스터를 보여준다. 전체 또는 평균의 1차원 곡선은 하나의 점에 대해 조밀한 클러스터를 보일 수 있다. 이 방법에 있어서, 다수의 파장은 함수로 전처리 되어 단일값을 갖게 되며, 이 단일값은 직접 측정값 대신에 사용된다.
다른 방법에 있어서, 측정값은 개인에 대한 검체 농도를 결정하는데 이용되며, 검체의 농도는 다른 직접 측정값 대신에 사용된다. 이 방법에 있어서, 다수의 조직 스펙트럼과 측정 혈액샘플은 알려진 신원을 갖는 사람에 대해서 실행된다. 측정샘플은 검체 농도의 입력 및 출력으로서 조직 스펙트럼을 수신할 수 있는 함수를 생성하는데 사용된다. 그러므로 단일값은 다수의 파장길이 대신에 사용될 수 있다. 사용상, 목표 개인의 의도한 신원은 조직 스펙트럼의 전처리 및 검체 농도값으로의 도달에 사용된다.
사용하고자 하는 파장의 선택은 중요하다. 파장을 선택하는 하나의 방법이 미국특허 제5,435,309호에 개시되어 있다. 하나의 방법에 있어서, 관심대상의 파장은 미리 선택되어 모든 샘플에 대해 사용된다. 다른 방법에 있어서, 측정값은 개인내에서 및 개인간 사이의 차를 재계산하기 위해서 주기적으로 사용된다. 새로운 밀접하게 군집거나 균일하게 중첩되는 추가의, 인증 데이터베이스 내로의 개인은 상이한 파장, 또는 이들 파장을 바탕으로 동작하는 다른 함수의 선택에 의해서 갱신될 수 있다.
사용상, 조직 분광 데이터는 상술한 바와 같이, 개인의 팔뚝 밑면으로부터 취할 수 있다. 다음에, 조직 분광 데이터는 컴퓨터 데이터베이스에 저장될 수 있 다. 일반적으로, 저장 전이나 후에, 인자, 부하 벡터, 고유벡터, 및 잠재적 변수와 같은 근원적인 분광 형상 및 비율이 정해질 수 있다. 의도한 신원을 갖는 사람에 대한 분광 데이터베이스로 목표 스펙트럼의 농도를 결정하기 위해서, 분광 F율, 마하라노비스 거리, 및 우클리덴(Eucliden)거리 등을 사용할 수 있다.
하나의 방법에 있어서, 충분한 수의 스펙트럼이 수집된 후에, 데이터베이스는 소프트웨어 및 적절한 인자를 생성하는 데이터 상에서 실행되는 판별 분석에 의해서 동작된다. 커다란 개인간 사이의 거리차에서 개인내 클러스터를 분리하는 동안에, 판별 분석은 개인내의 데이터 점과 함께 군집하는데 유용한 인자를 생성하기 위해서 실행된다. 본 발명과 관련하여 유용한 판별 분석방법의 예로는 선형 판별분석 및 비선형 판별 분석이 있다.
하나의 방법에 있어서, 신원확인이 요청되면, 조직 스펙트럼과 의도한 신원은 목표 개인으로부터 얻어진다. 조직 스펙트럼은 분광 데이터베이스에 데이터 점을 군집하기 위해 사용한 동일 인자를 생성하도록 동작된다. 목표 스펙트럼과 데이터베이스 스펙트럼 간의 분광차가 계산된다. 하나의 계산으로 의도한 신원에 대한 목표 스펙트럼과 데이터베이스 스펙트럼 간의 마하라노비스 거리를 측정한다. 만일 이 거리가 임계거리 이하라면, 의도한 신원은 긍정으로 확인될 수 있다. 다른 분광차는 데이베이스에서 의도한 개인에 대한 목표 스펙트럼과 누적 스펙트럼 간의 분광 오차, 또는 차 스펙트럼을 계산하는 것을 포함한다. 만일 분광오차가 미리 조절한 임계값 이하이면, 다음에 신원은 긍정으로 확인될 수 있다. 하나의 방법에 있어서, 마하라노비스 거리와 같은 분광 오차 및 차는 모두 신원이 긍정으로 정해지 기 전에 그들의 각 임계값 이하이어야 된다. 하나의 방법에 있어서, 임계값은 99%의 데이터베이스 스펙트럼을 갖도록 분광 거리와 분광 오차의 크기 모두에 대해 설정된다. 다른 방법에 있어서, 임계값은 95%의 데이터베이스 스펙트럼을 갖도록 분광 거리 및 분광 오차의 크기 모두에 대해 설정된다.
실험결과
여기에 개시한 개인의 신원을 확인하기 위한 방법론을 이용하여 실행 가능성을 결정하기 위한 실험이 행해졌다. 이용된 기구는 퍼킨 엘머(Perkin Elmer)사에서 제조한 근적외선 푸리에 변환 분광계이었다. 특정 모델은 Perkin Elmer 2000을 사용하였다. 인간 조직의 샘플링은 손바닥쪽 팔뚝에서 실행되었다. 광학 샘플링 장치는 조직과 섬유질로 빛을 투사하고 조직에서 방출되는 빛을 모으기 위한 분리 섬유를 갖는 섬유 광학 샘플링장치이었다. 굴절률-정합 유체는 팔과 섬유 광학 샘플링 헤드 사이에 배치되었다. 얻어지는 세기 스펙트럼은 흡수 스펙트럼으로 변환된 후에 벡터 파장으로 크기를 표시하였다. 스펙트럼은 기록된 후에 4,200 내지 4,200㎝-1의 파장범위로 처리되었다. 시험주기 평균 스펙트럼(시험주기 당 5개의 샘플)으로 구성된 데이터는 288명의 각기 다른 사람에 대해서 측정하였다. 각각 5주 간의 시간 내에서 단일 시험주기 동안 가끔씩 측정하였다. 게다가, 동일한 5주 간(통상 10번)에 걸쳐서 다수의 시험주기 동안 측정한 3명의 피검자가 있었다.
조사를 위한 구성은 정합 여부가 실행된 다수의 개인으로부터 스펙트럼을 구성하는 분광 데이터베이스, 측정 모델, 및 알려지지 않은 개인으로부터의 스펙트럼(목표 스펙트럼)을 취하였다. 확인 태스크는 특정 피검자 또는 피검자 자신의 신원이 적절하지 않다고 결정됨에 따라서 목표 스펙트럼을 적절히 확인하는 것이었다.
이 경우에 제공된 판별 방법은 마하라노비스 거리와 상이한 스펙트럼이 측정 모델에 대해서 나타날 때 생성된 분광 오차의 크기에 의존하였다. 분광차는 데이터베이스 내의 목표 스펙트럼과 테스트 스펙트럼 사이에서 형성되었다. 만일 마하라노비스 거리와 주어진 분광차 쌍에 대한 분광 오차가 모두 규정 레벨 이하라면, 2개의 스펙트럼은 동일한 개인으로부터 나온 것이라고 결정되었다. 만일 하나 또는 2개의 측정기준이 그들 개개의 임계값보다 크다면, 결정은 2개의 스펙트럼이 각기 다른 사람으로부터 나온 것이라고 내려졌다.
2개의 측정기준에 대한 임계값은 전체-모델 측정 데이터에 대한 각각의 누적 분포를 조사함으로써 설정되었다. 2개의 임계값은 이 조사를 위해 사용되었는데, 한쌍은 각각 99%의 ("관대한") 측정 데이터를 얻었고 한쌍은 각각 95%의 ("엄격한") 측정 데이터를 얻었다.
라운드 로빙 방식으로 288명의 개별 피검자의 스펙트럼을 이용하여 틀린 긍정 에러율이 조사되었다. 각기 데이터베이스 및 데이터베이스 내의 많은 나머지 사람이 2개의 각 유사 임계값에서의 이 스펙트럼과 어떻게 일치하는지가 행해진 측정으로부터 추출되었다. 틀린 부정 에러율은 동일 피검자(3명의 각 반복 피검자에 대해 실행)의 시험주기 사이에서 관찰된 일치정도를 주시함으로써 검사되었다.
임계값이 관대한 임계값(99%)으로 설정되면, 라운드 로빙의 결과는 각 288명 의 피검자가 분광 라이브러리로 추출되고 나머지 287명의 피검자 스펙트럼에 관해서 계산되었을 때 발생한 "일치"의 수를 보였다. 평균적으로, 각 피검자는 0.17%의 틀린 긍정 에러율을 초래하면서, 이 데이터베이스 내에서 0.5%의 다른 피검자와 일치한다. 이것은 데이터베이스 내의 피검자가, 하나의 피검자 라이브러리에 있고 측정이 이것을 확인하는 것이 부정확하고 특정되지 않을 때 발생하는 에러율이다.
후속 테스트에 있어서, 5주의 데이터 수집 기간에 걸쳐서 반복적으로 측정되는 피검자 중 한명은 상술한 바와 동일한 확인 방법론을 이용하여 모든 다른 관측과 비교된다. 관대한 임계값을 사용하여, 매(每)시험주기는 다른 매(每)시험주기와 일치하였고, 0.0%의 틀린 부정 에러율을 가져왔다. 다른 2명의 반복 피검자로부터의 결과는 유사하였다.
확인 임계값이 엄격한 기준(95%)보다 약간 높게 설정되면, 교차-개인 및 동일한 개인의 결과는 사람들로부터 관찰된 아무런 일치도 없다는 것을 보였으며, 0.0%의 틀린 긍정 에러율을 가져왔다. 동일한 사람, 교차 시험주기의 결과는 어느 하나의 시험주기와 다른 하나의 시험주기와의 일치에 대해 감소된 능력을 보이며, 30% 이상의 단일-샘플의 틀린 부정 에러율을 가져온다. 그러나, 분광 라이브러리가 각기 다른 생리적인 상태에서 피검자의 다양한 샘플링으로 구성되면, 확인 결과는 크게 향상될 수 있다. 이 경우에, 만일 분광 라이브러리가 나머지 샘플의 전체 9로 구성되면, 분광 라이브러리 전체의 하나 이상(실제로 3이상)의 시간의 100%가 목표 스펙트럼과 일치하여, 0.0%의 틀린 부정 에러율을 가져온다. 다른 2명의 피검자로부터의 결과는 유사하였다.
본 발명은 생체 분석에 초점을 맞춰서 개시하였다. 그러나, 본 발명의 방법과 기술은 혈액, 조직 또는 유체 샘플의 생체분석에도 이용할 수 있다.
본 발명의 신규한 특징 및 이익은 본 명세서의 상술한 설명에서 이미 언급하였다. 그러나, 이러한 설명이 많은 관점에서 단지 예시임을 이해할 것이다. 본 발명의 정신을 벗어남이 없이, 특정 물체의 형상, 크기 및 부품의 배열에 대한 상세한 변화가 가능하다. 본 발명의 범위는 물론 첨부한 특허청구범위에 표현된 언어로 규정된다.

Claims (23)

  1. 알려진 신원을 갖는 확인된 개인으로부터의 다수의 인증 조직 분광 데이터를 이용하여 목표 개인의 의도한 신원을 확인하는 것으로, 상기 분광데이터는 다수의 측정 파장을 갖는 신원 확인방법에 있어서,
    상기 목표 개인으로부터, 다수의 측정 파장을 갖는 목표 조직 분광 데이터를 얻는 단계와;
    인증 조직 분광 데이터와 미리 선택한 임계값에 관련된 목표 조직 분광 데이터와의 비교에 의해서 상기 목표 개인의 의도한 신원을 긍정으로 확인하는 단계를 포함하는 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 조직 분광 데이터와 상기 인증 조직 분광 데이터 간의 차이를 계산하는 단계를 추가로 포함하는 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    계산된 차이를 평가하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 평가는 피검자 간의 차이를 확인하는 모델에 의해서 실행되는 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 차이는 확인된 차이의 중요도를 결정하기 위한 모델을 통해서 처리되는 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    다수의 인증 조직 분광 데이터는 하나 이상인 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 확인된 개인은 한명과 동일한 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 확인된 개인은 한명 이상인 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    개인으로부터 다수의 인증 조직 분광 데이터를 획득하는 단계를 더 포함하되,
    상기 다수의 인증 조직 분광 데이터는 2이상인 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 목표 조직 분광 데이터는 상기 확인 후에 상기 인증 조직 분광 데이터에 추가되는 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 측정 파장은 4이상이고, 상기 파장에서 상기 확인된 개인의 상기 인증 조직 분광 데이터 간의 개인간(inter-person) 분광 거리를 계산하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 파장은 적어도 부분적으로 상기 개인간 분광 차이를 최대화하도록 선택되는 신원 확인방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 다수의 인증 조직 분광 데이터는 4이상이고, 상기 파장에서 개인에 대한 상기 인증 조직 분광 데이터 간의 개인내(intra-person)의 분광 거리를 계산하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 파장은 적어도 부분적으로 상기 개인내의 분광 차이를 최소화하도록 선택되는 신원 확인방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 인증 조직 분광 데이터와 상기 목표 조직 분광 데이터는 근적외선 파장을 포함하는 신원 확인방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 인증 조직 분광 데이터와 상기 목표 조직 분광 데이터는 피하 혈액으로부터 실질적으로 주어진 분광을 포함하는 목표 개인의 의도한 신원 확인방법.
  14. 신원을 갖는 다수의 확인된 개인으로부터, 다수의 측정 파장을 갖는 다수의 인증 조직 스펙트럼을 얻는 단계와;
    상기 목표 개인으로부터, 다수의 측정 파장을 갖는 목표 조직 스펙트럼을 얻는 단계와;
    상기 의도한 신원에 대한 상기 목표 조직 스펙트럼과 상기 인증 조직 스펙트럼 상에서 판별 분석을 실행하는 단계와;
    상기 판별분석이 만족되는 경우에만 상기 목표 의도한 신원을 긍정으로 확인하는 단계를 포함하는 목표 개인의 의도한 신원 확인시스템.
  15. 다수의 기(旣)인증자에 대한 근적외선 조직 스펙트럼을 포함하는 인증 데이터베이스와;
    목표 개인으로부터 근적외선 조직 스펙트럼과 의도한 신원을 얻기 위한 수단과;
    상기 기인증자의 데이터베이스와 상기 목표 개인으로부터의 조직 스펙트럼을 이용하여, 상기 목표 개인의 근적외선 스펙트럼과 상기 기인증자의 근적외선 스펙트럼 간을 판별하기 위한 수단과;
    상기 목표 개인의 의도한 신원이 맞는 경우에 표시하기 위한 수단을 포함하는 목표 개인의 의도한 신원을 확인하는 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 판별하기 위한 수단은 상기 목표 개인으로부터의 의도한 신원을 이용하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 목표 개인으로부터의 조직 스펙트럼을 얻기 위한 상기 수단은 상기 인증된 개인의 피하 조직으로부터 반사된 근적외 방사선을 측정하기 위한 수단을 포함하는 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 근적외선 스펙트럼은 각기 파장과 관련된 다수의 측정값을 포함하고, 상기 판별수단은 상기 스펙트럼 중 어느 것과의 분광차를 계산하기 위한 수단을 포함하고, 상기 판별수단은 상기 다수의 파장을 선택하기 위한 수단을 포함하여, 상기 기인증자의 상기 스펙트럼 간의 분광차가 최대화되는 시스템.
  19. 입력장치와 출력장치를 갖는 컴퓨터와;
    다수의 기인증자에 대한 근적외선 조직 스펙트럼을 구비하는 데이터베이스와;
    근적외 방사선을 피하에 투사하기 위한 근적외 방사선원 및 다수의 파장에 걸쳐서 피하의 근적외선 세기를 측정하기 위한 근적외선 분광계를 구비하며, 상기 목표 개인으로부터 근적외선 조직 스펙트럼을 얻기 위한 수단과;
    상기 기인증자 데이터베이스와 상기 목표 스펙트럼을 이용하여 상기 목표 개인의 근적외선 스펙트럼과 상기 기인증자의 근적외선 스펙트럼 사이를 판별하기 위해 상기 컴퓨터에서 실행되는 프로그램을 포함하는 목표 개인의 의도한 신원을 확 인하는 시스템.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 근적외선 조직 스펙트럼을 얻기 위한 수단은 굴절률-정합 매질을 통해서 상기 조직에 결합된 입력 소자와 출력 소자를 포함하는 시스템.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 굴절률-정합 매질은 클로로플루오로카본 폴리머를 함유하는 시스템.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 폴리머는 클로로플루오로에틸렌을 함유하는 시스템.
  23. 제 20항에 있어서,
    상기 굴절률-정합 매질은 약 1.30 내지 약 1.45 사이의 굴절률을 갖는 시스템.
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