KR100765250B1 - 피부의 빌리루빈 레벨의 비침입성 측정 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조직, 특히 피부의 빌리루빈 레벨의 비침입성 측정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 장치는 피검 조직(2)을 향하여 여러 가지 특정 파장의 몇 개의 섬광을 보내고 복귀되는 반사광을 받아서 측정할 수 있는 판독 헤드(1); 각 파장에 대하여 반사광의 양을 계산할 수 있고, 그것을 소정의 파장에 대하여 동일한 기준값에 비례하여 계산된 값으로 할 수 있는 마이크로프로세서와 같은 계산기; 이 계산된 값을 기준값 테이블과 비교하는 비교기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

피부의 빌리루빈 레벨의 비침입성 측정 방법 및 장치{NON-INVASIVE MEASUREMENT OF SKIN BILIRUBIN LEVEL}

본 발명은 예를 들면 피부와 같은 조직의 비침입성 분석을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

많은 연구는, 피부와 같은 조직 또는 식물 조직에 백색광을 보내고 반사된 광을 분석하면 조직의 특성, 특히 여러 가지 구성 성분의 농도에 관한 몇 가지 정보를 얻을 수 있다는 것을 보여줘 왔다. 그 일반적인 원리는 백색광을 형성하는 여러 가지 파장의 성분은 그 백색광이 부딪히는 조직의 구성 성분에 따라 다르게 반사된다는 것이다. 따라서, 반사된 광을 세밀하게 계속적으로 분석하면, 피검(被檢) 조직의 매우 정밀한 비침입성 분석을 할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 이러한 원리에 따라 작동하는 이미 공지된 장치들은 여러 가지 기구의 까다로운 검교정은 물론 수집된 데이타의 분석을 위하여 분광사진기 및 강력한 계산기와 같은 고가의 광학적 분석 장치를 필요로 한다.

본 발명은 이와 같은 실시상의 어려움을 극복하는 측정 방법 및 장치를 제공한다.

이러한 취지에서, 피부 구성 성분의 레벨, 특히 피부 중의 빌리루빈 레벨을 측정하는 본 발명에 따른 방법은, 수행될 측정을 나타내는 주어진 제1 파장으로 제 1 광반사를 측정하고, 기준으로 사용되는 소정 파장의 제2 광반사를 적어도 1회 측정하며, 상기 소정의 파장에 대하여는 제2 파장에 대하여 조직에서 측정된 반사 및 동일한 상기 제2 파장에 대하여 표준체(standard)에서 측정된 반사 사이의 비(ratio) k를 계산함으로써 반사 기준 단위값이 결정되며, 평가 대상 구성 성분의 레벨은, 기준값 테이블과 비교될 값을 얻기 위하여 상기 반사 측정에 의하여 미리 얻은 인자(factor) k에 의한 교정 후에, 상기 제1 파장에 대하여 소정의 기지(旣知)의 값들의 테이블에 따라 상기 주어진 제1 파장의 반사의 측정에 의하여 추론되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 장치 자체는

여러 가지 정해진 파장의 몇 개의 섬광을 피검 조직을 향하여 계속적으로 보내고 복귀되는 반사광을 받아서 측정할 수 있는 판독 헤드와,

각 파장에 대하여 반사광의 양을 계산하고, 그것을 주어진 소정의 기준 파장에 대하여 동일한 기준값에 비례하여 계산된 값으로 할 수 있는 마이크로프로세서와 같은 계산기와,

그렇게 계산된 값을 기준값 테이블과 비교할 수 있는 비교기

로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 장치는 정해진 파장의 순차적인 섬광을 보내기 위하여 전계 발광 다이오드를 사용하는 것이 유리하다.

본 발명 및 그 실시 양태는 첨부 도면 및 후술되는 설명으로부터 더 명확해질 것이다.

도 1은 피부에 의한 빛의 광학적 반사의 밑바탕이 되는 원리를 보여주는 도면이다.

도 2는 3명의 피험자(被驗者)에 대하여 기록된 3개의 LIR 곡선을 보여주는 도면으로서, 이들 곡선은 주어진 파장의 역치에 대한 이들의 레벨 측정을 위하여 수학적으로 처리된다.

도 3은 본 발명에 따른 측정 장치의 원리를 보여주는 다이아그램(diagram)이다.

도 4 내지 도 6은 상기 측정 장치의 실제 이용의 밑바탕이 되는 원리를 보여준다.

도 7은 본 발명에 따른 측정 장치의 변형예를 보여주는 다이아그램이다.

도 1은 빛의 전파와 피부에 의한 반사에 관한 원리를 보여주는 도면이다. 이 원리는 특히 도슨(Dawson), 바커(Barker) 등이 발표한 "피부에 의한 광의 생체 흡수 및 확산의 이론 및 실험적 연구(A theoretical and experimental study of the in vivo absorption and diffusion of light by the skin" (Phys. Med. Biol. 1980, 25권, 4호, 695-709쪽)에 상설되어 있다.

연속해서, 층(1)은 각질층이고, 층(2)은 표피에 해당하며, 층(3)은 진피에 해당하고, 층(4)은 피하조직에 해당하는 것으로 하여, 이들 연속된 층의 반사율을 각각 R₁, R₂, R₃, R₄로 나타내고, 투과율을 각각 T₁, T₂, T₃, T₄로 나타내면, 반사된 광은 전체적으로 다음과 같이 표현된다.

I = I₀R₁ + I₀T₁ ²R₂ + I₀T ₁ ²T₂ ²R₃ + I₀T₁ ²T ₂ ²T₃ ²R₄ ...

피부가 너무 건조하지 않으면, 반사율 R₁, R₂, R₃는 R₄보다 현저히 작아서 전체 반사율은 다음과 같이 환산된다.

R = (I/I₀) ≒ T₁ ²T₂ ²T₃ ²R₄ ...

반사식에 대한 역함수의 자연 대수(LN), 즉, LIR(Logarithm of the inverse of the reflection)를 취하면 다음과 같이 된다.

LIR = - LN(T₁ ²) - LN(T₂ ²) - LN(T₃ ²) - LN(R₄).....

모든 파장에 대하여 표현되는 이 LIR은 모든 피부 특성을 표시할 수 있게 한다. 그러므로, 곡선을 그리고 피부의 여러 가지 구성 성분을 특성화하는 해당 흡수 밴드를 분석함으로써, 상기 곡선으로부터 피부의 특성, 예를 들면, 빌리루빈, 헤모글로빈, 멜라닌 등의 레벨을 추론하는 것이 가능해진다.

이미 언급한 바와 같이, 이러한 이론의 실제의 적용은 상당한 장비 및 검교정의 어려움에 봉착하는데, 그 이유는 곡선들이, 특히 피험자 자신의 피부색(pigmentation)에 따라, 피험자마다 크게 다르기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 본 발명에 따르면, 기준으로 사용되는 특정 파장 λ_f 에 대하여 기준 역치 레벨로 모든 곡선들을 "조정(tuning)"함으로써, 피험자마다 매우 다른 피부의 반응과 관련된 이러한 어려움들을 극복하는 것이 가능해지는데, 이로 인해 역치 설정의 간단한 계산 후에 정밀하고 관련 있는 파장에 대한 몇 개 의 측 정점을 기록하는 것만으로 곡선들을 그릴 필요 없이(따라서, 분광사진기에 대한 필요성을 회피함) 정성 및 정량적인 분석을 행할 수 있다.

이제 도 2를 참고로 하면, 이 도면에는 3명의 다른 피험자의 피부가 받은 광의 파장의 함수로서 LIR %로 측정된 흡수율을 세로 좌표에 표시한 3개의 곡선을 보여주고 있다. 그러나, 이들 곡선은 이것들을 표준화하고 본 발명의 장치 및 방법의 연산을 보여주기 위하여 수학적으로 처리되었다.

도 2의 곡선을 얻기 위하여 4개의 연속적인 단계를 밟는다.

제1 단계

"회색" 또는 "백색" 표준체(standard)(예컨대, 황산바륨의 컴팩트 분말)에 대한 반사를 측정함으로써 검교정을 행한다. 양호한 결과를 위하여, 특히 시간이 지남에 따라 그리고/또는 실온에 따라 다이오드에서 일어날 수 있는 편차(drift)를 배제시키기 위하여, "회색" 또는 "백색"의 선택된 표준체(standard)에 대한 매 번의 측정 전에 상기 검교정/표준화를 행한다.

도시된 예에서는, 520 nm, 460 nm, 660 nm, 545 nm, 575 nm 및 430 nm의 파장에 대하여 개별적으로 6번의 연속적인 측정을 행한 것으로 가정하였다. 이들 특정 파장은 적절한 품질의 전계 발광 다이오드(DEL)에 의하여 방출될 수 있다.

도 3은 측정 장치의 다이아그램이다. 여기에서, 측정 장치(1)는 전계 발광 다이오드(DEL)을 포함하는데, 이 다이오드는 광선을, 예컨대 거의 원뿔형으로 수렴하게(화살표로 도시된 바와 같이) 피험자의 피부(2)로 보낸다. 피험자의 피부에 거의 수직인 반사광은 검출기(3)에 의하여 수광되고, 이 검출기는 수광된 복사도를 분석한다. 원뿔형 광선을 사용하는 것은 몇 가지 점에서 유리한 바, 즉 대부분의 정반사를 배제할 수 있고, 또한 광출력이 주로 피부(2) 상의 한 점으로 감소될 때 반사를 측정함으로써 측정 장치(1)와 피부 사이의 최적의 거리 d를 정밀하게 측정할 수 있게 해준다. 원뿔각은 30°내지 50° 사이, 예컨대 약 45°인 것이 유리하다.

측정 장치의 검출기는 다음과 같이 반사율의 강도를 기록한다.

다이오드 D1에 대해서는 I_OD1,

다이오드 D2에 대해서는 I_OD2,

.......

다이오드 D6에 대해서는 I_OD6.

제2 단계

연산을 수행하여 피검 피부상에서의 반사를 측정한다.

어린이 "x"의 피부상에서의 측정 과정 중에, 측정 장치의 검출기는 반사율의 강도를 다음과 같이 기록한다.

다이오드 D1에 대해서는 I_xD1,

다이오드 D2에 대해서는 I_xD2,

.......

다이오드 D6에 대해서는 I_xD6.

제3 단계

이제 수학적인 "표준화" 처리가 행하여지며, 따라서 주어진 기준 파장(이 경우에는 520 nm에서의 제1 다이오드 D1의 기준 파장)에 대하여, 모든 곡선들은 세로 좌표에 측정된 동일한 흡수 레벨 지점 또는 반사율을 통과한다. 마이크로프로세서인 것이 유리한 계산기는 다음의 표준화 계산을 행한다.

다이오드 D1에 대해서 (I_xD1/I_OD1) = R_x1

다이오드 D2에 대하여 (I_xD2/I_OD2) = R_x2

.....

다이오드 D6에 대하여 (I_xD6/I_OD6) = R_x6

그 후, 연산은 관련 λ_f1 으로서 선택된 기준 파장에 대하여, 모든 반사율 R_x1f가 기준값 Rf와 같도록 한다.

R_x1f = R_0f 4 k = R_0f/R_x1f

그 후, 여러 가지 반사율 R_xn에 해당 인자 k를 곱하여 표준화된 반사율 R_xnf를 얻는다.

R_x2f = kR_x2

....

R_x6f = kR_x6

이 기준 파장에 대하여 모든 반사 레벨을 동일한 역치 레벨 Rf로 함으로써, 표준화된 해당 LIR의 단순한 판독에 의하여, 시험 중인 레벨, 예컨대 빌리루빈의 레벨의 직접적인 판독을 연산하는 것이 가능해진다.

제4 단계

마이크로프로세서가 표준화된 반사율로부터 LIR들을 계산한다.

LIR_x1 = Log(1/R_xlf) = Log(1/R_f) = 상수

LIR_x2 = Log(1/R_x2f)

.....

LIR_x6 = Log(1/R_x6f)

이렇게 하여 설정된 LIR들은 몇 개의 분광 곡선들, 즉 예시된 실시예에 있어서 검사 중인 3명의 피험자의 여러 가지 반사율에 상응하는 3개의 곡선과 비교할 수 있게 한다. 도시된 곡선들의 예에 있어서, 주어진 3개의 측정 예를 참고로 상세히 후술되겠지만, 전체 곡선들은 실제 이들 곡선의 경로의 보다 정밀한 표현을 얻기 위하여 430 nm 내지 750 nm 범위 내의 파장들을 계속 분광사진 분석하여 얻어졌지만, 실제 피부의 여러 가지 구성 성분의 분석 측정에는 상기 파장들이 필수적인 것은 아니다.

도 2로 돌아가서, 460 nm의 파장의 경우, 3개의 곡선들 C1, C2, C3는 %표준화 LIR로 측정된 약 0.75, 0.55 및 0.5의 흡수 비율에 각각 해당한다는 것을 알 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 상기 흡수 레벨의 간단한 측정으로 곡선 C2의 피험 자의 경우 빌리루빈 레벨이 정상인 반면, 곡선 C1의 피험자의 경우 빌리루빈 레벨이 높고 곡선 C3의 피험자는 빌리루빈 레벨이 너무 낮다는 것을 추론할 수 있다. 이들 데이터(이들 LIR 백분율)는 미리 검사한 기지(旣知)의 기준값 테이블에 간단히 기록될 수 있다.

유사하게, 다이오드 D4에 의하여 545 nm 또는 550 nm에서, 그리고 다이오드 D5에 의하여 575 nm에서 방출된 광의 반사율로부터 헤모글로빈 함량을 평가하는 것이 가능하다. 약 430 nm의 다이오드 D6의 방출 영역에서의 반사 레벨의 측정은 결과에 대한 정밀도를 더하게 된다.

다이오드 D3에 의하여 약 660 nm에서 (620 nm 내지 780 nm 범위 내에서) 방출되는 광에 대한 반사율 레벨을 통해서 피부색을 평가할 수 있다. 실제, 이를 벗어나면 LIR 곡선은 거의 직선인 것으로 관찰되고 있으며, 따라서 이 파장으로부터 충분히 먼 두 지점, 예컨대 약 620 nm과 780 nm의 이 곡선 상에서의 측정으로 해당 피부색 특성, 즉 아프리카인, 유럽인, 아시아인 등의 타입을 정확하게 결정할 수 있게 된다.

본 발명의 방법으로는, 정확하고 특정된 파장에 대한 제한된 측정에만 의존하는 것이 가능함에 따라 전체 곡선을 추적하는 것이 필수적인 것은 아니다. 이는 여러 종류의 피부의 특이한 색깔 또는 피부색 및 순간적인 변동이 이미 설명한 "표준화" 과정에 의하여 극복되기 때문이다.

더욱이 피검 조직에 기계적인 압력이 전혀 인가되지 않기 때문에, 혈액을 측정 영역으로부터 밀어내는 압력을 피부에 인가하면서 피부의 헤모글로빈 레벨을 측 정하는 경우처럼 측정이 왜곡되는 일이 없다.

그러므로, 얌전한 아기의 하얀 피부의 빌리루빈 레벨을 측정하고자 하는 경우에는, 연산 LIR_x2 - LIR_x1을 행함으로써 다이오드 D2로 측정한 LIR_x2로부터 직접 이 빌리루빈 레벨이 평가된다.

유색 피부[비유럽계 인종군] 및/또는 번잡한 아기[혈액이 피부 영역으로 몰림]에 대하여 빌리루빈 레벨을 측정하는 경우, LIR_x2에 대한 지수는 감산 LIR_x2 - LIR_x1 때문에, 그리고 LIR_x1 값이 전술한 연산(각 측정마다 표준화된 다이오드 D1에 대한 동일의 표준화된 반사 역치 Rf)에 의하여 표준화되었기 때문에 동일한 방법으로 자동적으로 교정된다.

도 4 내지 도 6을 참고로 하면, 원뿔형 광선의 사용으로 인하여 도 5에 도시된 바와 같이 측정 장치와 피험자 피부 사이의 정확한 측정 거리를 측정하는 것이 어떻게 즉각적으로 가능하였는 가를 알 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 측정 장치가 너무 가까운 경우에는 피부에 도 5에 도시된 바와 같은 핀포인트(pinpoint: 원뿔 꼭지점)가 위치하지 않으며, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 측정 장치가 너무 먼 경우에도 마찬가지이다.

따라서, 상기 측정 장치는 피부를 향하여 지향되어 있을 때 정확한 거리에 있을 경우에만, 즉 광선이 피부상의 핀포인트로 거의 수렴하는 경우에만 조사(照射; lighting)가 이루어지도록 설계될 수 있다.

도 7에 도시된 이 실시예의 변형예에 따르면, 판독 헤드를 구비한 전계 발광 다이오드(4)는 피부 표면(5)에 30° 내지 60°사이에 포함되는 것이 바람직한, 예컨대 45°의 각도 알파(α)에서 광을 조사하며, 광선(6)은 피부상에서 반사된다. 측정 장치 판독 헤드의 센서(7)를 피부의 조사 영역의 표면(5)에 수직인 축선(8)에 세팅함으로써 전계 발광 다이오드(4)로부터 도입하여 피부에 의하여 확산되는 광의 부분만이 센서(7)에 의하여 검출되며, 피부의 표면에서 반사되어 피부의 휘도에 좌우되는 광은 검출되지 않는다. 그러므로, 측정될 특성, 즉 빌리루빈 레벨, 헤모글로빈 레벨 등에 관하여 보다 신뢰성 있는 데이터를 얻는 것이 가능하다.

도 7에서, 피부에 의하여 확산되는 광선(10)의 경로 내에 렌즈(9)가 배치되어 센서(7)가 검출하는 광의 세기를 증대시킨다. 도면 부호 11 및 12는 각각 전계 발광 다이오드(4)의 파워 와이어(power wire) 및 센서(7)로부터 인출되는 광출력의 파워 와이어를 나타낸다.

미리 정해진 것과 같은 적절한 파장을 방출하는 5 또는 6개의 전계 발광 다이오드(DEL)가 사용되는 경우, 이들 다이오드에 연속해서 전력이 공급되고, 이에 따라 센서가 결과의 분석을 위하여 필요한 반사 레벨의 측정을 연속해서 수행할 수 있는 것이 유리하다. 분석 대상 조직에 대하여 수행되는 매 번의 측정 전에, 측정 장치는 전술한 바와 같이 "회색" 또는 "백색"의 표준체(standard)에 대하여 검교정되게 되며, 이는 전술한 바와 같은 계수 k를 계산할 수 있게 한다.

비록 본 발명을 피부에 함유된 빌리루빈 레벨, 또는 색소, 헤보글로빈 등과 같은 다른 피부 구성 성분의 분석과 관련하여 보다 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 원리는, 관련 측정치를 얻기 위하여 반사 레벨이 기록되어야 하는 정밀한 파 장(들) 및 곡선의 표준화를 위하여 모든 곡선을 조정하는 파장이 결정된다면, 어떤 조직의 분석으로도 확장될 수 있다.

Claims (10)

1. 수행될 측정을 나타내는 주어진 제1의 파장으로 제1 광반사를 측정하고, 기준 Rf로서 역할을 하는 또 다른 제2 파장에 대하여 적어도 1회의 제2 광반사를 측정하며, 상기 제2 파장에 대하여 조직에서 측정된 반사 및 동일한 상기 제2 파장에 대하여 표준체에서 측정된 반사 사이의 비 k를 계산함으로써 반사 기준 단위 값이 결정되며, 평가 대상 구성 성분의 레벨은, 기준값 테이블과 비교될 값을 얻기 위하여 반사 측정에 의하여 미리 얻은 인자 k에 의한 교정 후에, 동일한 상기 제1 파장에 대하여 미리 검사한 기지(旣知)의 값들의 테이블에 따라 상기 제1 파장의 반사 측정으로부터 추론되며, 상기 단위 값 및 상기 제2 파장은 표준화 후에 모든 LIR(Logarithm of the inverse of the reflection)곡선들이 상기 기준 Rf를 통과하는 점을 결정하는 것을 특징으로 하는 조직의 구성 성분의 레벨을 측정하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 개인의 피부에 대하여 선택된 상기 제2 파장은 λ= 520 nm 인 것을 특징으로 하는 조직의 구성 성분의 레벨을 측정하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 피부의 빌리루빈 레벨을 측정하기 위하여 선택된 파장은 λ= 460 nm 인 것을 특징으로 하는 조직의 구성 성분의 레벨을 측정하는 방법.
4. 피검 조직을 향하여 서로 다른 파장의 복수 개의 섬광을 계속적으로 보내고 복귀되는 반사광을 받아서 측정할 수 있는 판독 헤드와,

   각 파장에 대하여 상기 반사광의 양을 계산할 수 있고, 그것을 기준 파장에 대하여 동일한 기준값에 비례하여 계산된 값으로 할 수 있는 마이크로프로세서와 같은 계산기와,

   상기 계산된 값을 기준값 테이블과 비교하는 비교기

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직의 구성 성분의 레벨, 특히 피부의 빌리루빈의 레벨을 측정하고, 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 서로 다른 파장의 복수 개의 섬광을 보내기 위한 소자로서 전계 발광 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제4항에 있어서, 30도 내지 50도 사이에 포함되는 각도를 갖는 광을 보내는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제4항에 있어서, 피험자 피부에 관하여 기준점을 측정하기 위하여 사용되는 광파장은 520 nm인 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제4항에 있어서, 빌리루빈 레벨을 측정하는 데 사용되는 광파장은 460 nm인 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제4항에 있어서, 피부색을 측정하는 데 사용되는 광파장은 620 nm 내지 780 nm 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제4항에 있어서, 피부의 헤모글로빈을 측정하는 데 사용되는 광파장은 545 nm 및 575 nm의 2개의 파장 또는 550 nm 또는 430 nm의 파장인 것을 특징으로 하는 장치.

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