KR100905571B1 - 생체 정보 측정 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 사용자의 생체 정보를 측정하기 위한 장치는, 상기 사용자의 기본 생체 정보를 입력받는 입력 장치와; 피부의 표면 상에 배치되며, 제1 파장을 갖는 제1 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제1 광원과; 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제2 파장을 갖는 제2 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제2 광원과; 광검출기로부터 상기 제1 및 제2 광원보다 먼 곳에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제3 파장을 갖는 제3 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제3 광원과; 상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제1 내지 제3 검출광을 전기 신호들로 순차적으로 검출하는 광검출기와; 상기 제1 내지 제3 광원을 순차적으로 구동하고, 상기 기본 생체 정보와 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들에 근거하여 상기 사용자의 생체 정보를 산출하는 제어부를 포함한다.
생체 정보, 피부, 피하지방, 광원, 광검출기
Description
본 발명은 생체 정보(living body information)를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 광을 이용하여 피부 및 피하지방(subcutaneous fat)에 대한 정보를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래에 체지방률(percent body fat) 또는 피하지방의 두께를 측정하는 다양한 방법들이 공지된 바 있다. 피하지방의 두께를 측정하는 방법들로는, 캘리퍼스(calipers)를 이용하여 직접 측정하는 방법, 초음파를 이용하는 방법, 컴퓨터단층촬영법(computer tomography: CT), 자기공명영상법(magnetic resonance imaging: MRI) 등이 있다. 캘리퍼스를 이용한 측정 방법은 부정확 및 불편하고 피측정자에게 고통을 야기하며, 초음파를 이용하는 방법, CT 및 MRI는 고가의 장비와 숙련자를 필요로 한다. 또한, 이러한 방법들을 구현하는 장치들은 휴대가 용이하지 않아서 수시로 측정하기 어려우므로, 광을 이용한 다양한 방법들이 연구되고 있다.
광을 이용하여 체지방률 또는 피하지방의 두께를 측정하는 방법은, 생체 피부의 표면에 광을 조사(illumination)하고, 다중 산란(multiple scattering)에 의해 피부의 표면로부터 방출되는 광을 전기 신호로 검출하는 방법으로서, 비침습 적(non-invasive)이고, 측정 시간이 짧다는 이점이 있다. 또한, 이러한 방법을 구현하는 장치는 그 부피가 작아서 수시로 측정할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래에 따른 피하지방의 두께를 측정하는 장치를 나타내는 도면이다. 생체 조직(130)은 근육(132), 피하지방(134) 및 0.5~4㎜ 두께의 피부(136)가 차례로 적층된 구조를 가지며, 피부(136)는 각질층, 표피, 진피 등으로 세분화할 수 있다. 상기 장치(100)는 발광 다이오드(light emitting diode: LED, 110) 및 포토다이오드(photodiode: PD, 120)를 포함한다. 상기 발광 다이오드(110) 및 포토다이오드(120)는 서로 이격되어 있으며, 각각 피부(136)의 표면 상에 배치된다. 상기 발광 다이오드(110)는 근적외선(near-infrared) 대역의 광을 피부(136)의 표면에 조사하고, 피부(136)의 표면으로부터 상기 근육(132) 방향으로 진행하는 광은 그 일부가 다중 산란에 의해 피부(136)의 표면으로 지향되고 그 나머지는 대부분 상기 근육(132)에서 흡수 소멸된다. 상기 포토다이오드(120)는 피부(136)의 표면으로부터 방출되는 광을 전기 신호로 검출한다.
도 2는 상기 피하지방(134)의 두께 및 상기 발광 다이오드(110)로부터의 이격 거리에 따른 상기 포토다이오드(120)의 출력 변화를 나타내는 그래프이다. x축은 상기 피하지방(134)의 두께를 ㎜ 단위로 나타내고, y축은 상기 포토다이오드(120)의 출력 전압을 볼트(volt: V) 단위로 나타낸다. SD는 상기 발광 다이오드(110) 및 포토다이오드(120) 사이의 이격 거리를 나타낸다. 도 2에는, 이격 거리가 5㎜인 경우(사각형으로 표시), 10㎜인 경우(원으로 표시) 및 20㎜인 경우(삼각형으로 표시)의 출력 곡선들이 도시되어 있다. 각 이격 거리에 대한 출력 곡선을 보면, 상기 피하지방(134)의 두께가 증가할수록 상기 포토다이오드(120)의 출력이 증가하다가 포화(saturation)되는 것을 알 수 있다. 또한, 이격 거리가 증가할수록 측정할 수 있는 피하지방의 두께 범위가 증가함을 알 수 있다.
Rosenthal 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제4,850,365호{Near infrared apparatus and method for determining percent fat in a body}는, 피부 표면에 단일 파장의 광을 조사하고, 피하지방 내에서의 다중 산란에 의해 피부의 표면으로부터 방출되는 광을 검출함으로써, 체지방률을 측정하는 기술을 개시한다.
Rosenthal 등에 의해 발명되어 특허허여된 미국특허번호 제4,633,087호{Near infrared apparatus for measurement of organic constituents of material}는, 피부 표면에 서로 다른 파장의 광들을 조사하고, 피하지방 내에서의 다중 산란에 의해 피부의 표면으로부터 방출되는 광을 검출함으로써, 체지방률을 측정하는 기술을 개시한다.
그러나, 피하지방의 두께뿐만 아니라 피부의 색 및 두께도 포토다이오드의 출력에 영향을 미치므로, 종래의 생체 정보 측정 기술들은 피부의 색 및 두께로 인한 체지방률 오차 또는 피하지방의 두께 오차를 효과적으로 보정할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 사용자로부터 기본 생체 정보를 입력 받고, 이를 이용하여 생체 정보를 종래보다 정확하게 측정할 수 있는 생체 정보 측정 장치를 제공함에 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따른 사용자의 생체 정보를 측정하기 위한 장치는, 상기 사용자의 기본 생체 정보를 입력받는 입력 장치와; 피부의 표면 상에 배치되며, 제1 파장을 갖는 제1 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제1 광원과; 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제2 파장을 갖는 제2 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제2 광원과; 광검출기로부터 상기 제1 및 제2 광원보다 먼 곳에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제3 파장을 갖는 제3 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제3 광원과; 상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제1 내지 제3 검출광을 전기 신호들로 순차적으로 검출하는 광검출기와; 상기 제1 내지 제3 광원을 순차적으로 구동하고, 상기 기본 생체 정보와 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들에 근거하여 상기 사용자의 생체 정보를 산출하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 사용자의 생체 정보를 측정하기 위한 장치는, 상기 사용자의 기본 생체 정보를 입력받는 입력 장치와; 피부의 표면 상에 배치되며, 제1 파장을 갖는 제1 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제1 광원과; 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제2 파장을 갖는 제2 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제2 광원과; 상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제1 내지 제2 검출광을 전기 신호들로 순차적으로 검출하는 제1 광검출기와; 상기 제1 및 제2 광원으로부터 상기 제1 광검출기보다 먼 곳에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제3 검출광을 전기 신호로 검출하는 제2 광검출기와; 상기 제1 및 제2 광원을 순차적으로 구동하고, 상기 기본 생체 정보와 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들에 근거하여 상기 사용자의 생체 정보를 산출하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 생체 정보 측정 장치는 종래의 장치와는 달리 피부의 영향을 무시하지 않을 뿐더러, 사용자로부터 기본 생체 정보를 입력 받음으로써, 이를 반영한 보다 정확한 피하지방 두께를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 생체 정보 측정 장치는 도파로를 이용함으로써 종래에 비해 적은 수의 광원을 사용할 수 있으므로, 높은 경제성을 요구하는 휴대 단말기에 적합하다는 이점이 있다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능이나 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타 내는 평면도이고, 도 4는 상기 생체 정보 측정 장치를 나타내는 단면도이다. 생체 조직(270)은 근육(272), 피하지방(274) 및 피부(276)가 차례로 적층된 구조를 갖는다. 상기 생체 정보 측정 장치(200)는 광검출기(optical detector, 210)와, 복수의 제1 광원(220)과, 복수의 제2 광원(230)과, 제3 광원(240)과, 메모리(memory: MEM, 260)와, 입력 장치(input device, 265)와, 제어부(controller: CTRL, 250)를 포함한다. 도 3에는 도 4에 도시된 상기 제어부(250), 메모리(260) 및 입력 장치(265)가 도시되어 있지 않다.
상기 광검출기(210)는 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 입력된 광을 광전 변환(photoelectric conversion)하여 얻어진 전기 신호를 출력한다. 즉, 상기 광검출기(210)는 피부(276)의 표면을 투과하여 입력된 광을 전기 신호로 검출한다. 상기 광검출기(210)는 그 하단에 수광면을 구비하며, 상기 광검출기(210)의 수광면은 피부(276)의 표면과 밀착되거나 그로부터 이격될 수 있다. 상기 광검출기(210)로는 통상의 포토다이오드를 사용할 수 있다.
상기 광검출기(210)의 둘레에는 그로부터 동일한 거리로 이격되며 원주 방향(다르게 말하자면, 상기 광검출기(210)를 중심으로 한 지름 방향에 수직한 방향)을 따라 동일 간격으로 배치된 1개 이상(4개를 예시함)의 제1 광원들(220)과 1개 이상(4개를 예시함)의 제2 광원들(230)이 교호적으로 배치된다.
상기 각 제1 광원(220)은 상기 광검출기(210)와 이격되도록 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 가시광선 대역(바람직하게는, 600~750㎚)의 제1 파장(예를 들어, 660㎚)을 갖는 제1 광(실선으로 표시)을 피부(276)의 표면에 조사한다. 상기 제1 광원(220)은 그 하단에 발광면을 구비하며, 상기 제1 광원(220)의 발광면은 피부(276)의 표면과 밀착되거나 그로부터 이격될 수 있다. 상기 제1 광원(220)으로는 통상의 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드(laser diode: LD)를 사용할 수 있다.
상기 각 제2 광원(230)은 상기 광검출기(210)와 이격되도록 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 근적외선 대역(바람직하게는, 750~1000㎚)의 제2 파장(예를 들어, 880㎚)을 갖는 제2 광(점선으로 표시)을 피부(276)의 표면에 조사한다. 상기 제2 광원(230)은 그 하단에 발광면을 구비하며, 상기 제2 광원(230)의 발광면은 피부(276)의 표면과 밀착되거나 그로부터 이격될 수 있다. 상기 제2 광원(230)으로는 통상의 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.
상기 제3 광원(240)은 상기 광검출기(210)로부터 상기 제1 및 제2 광원(220,230)보다 먼 곳에 위치하도록 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 근적외선 대역의 제3 파장을 갖는 제3 광(일점쇄선으로 표시)을 피부(276)의 표면에 조사한다. 상기 제3 광원(240)은 그 하단에 발광면을 구비하며, 상기 제3 광원(240)의 발광면은 피부(276)의 표면과 밀착되거나 그로부터 이격될 수 있다. 상기 제3 광원(240)으로는 통상의 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 사용할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제3 파장은 상기 제2 파장과 동일하게 설정된다.
상기 광검출기(210)와, 제1 및 제2 광원(220,230)과, 상기 제3 광원(240)은 각각 피부의 표면으로부터 이격될 수 있으나, 이러한 경우에 광결합 효율과, 정렬 오차로 인한 측정 정확도가 저하될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 광검출기(210)와 상기 제1 및 제2 광원(220,230) 사이 의 거리는 2㎜이고, 상기 광검출기(210)와 상기 제3 광원(240) 사이의 거리는 10㎜이다. 바람직하게는, 상기 광검출기(210)와 상기 제1 및 제2 광원(220,230) 사이의 거리는 5㎜ 이내이고, 상기 광검출기(210)와 상기 제3 광원(240) 사이의 거리는 10㎜ 이상이다. 상기 제1 및 제2 광원(220,230)은 피부(276) 정보를 측정하기 위해 사용되므로, 피하지방(274)의 두께에 의한 영향을 줄일 수 있도록 상기 광검출기(210)와 상기 제1 및 제2 광원(220,230) 사이의 거리는 5㎜ 이내로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제3 광원(240)은 피하지방(274)의 정보를 측정하기 위해 사용되므로, 충분한 범위의 피하지방의 두께 측정이 가능하도록 상기 광검출기(210)와 상기 제3 광원(240) 사이의 거리는 10㎜ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
피부(276)에 포함된 콜라겐(collagen) 섬유질은 비대칭적인 광학적 특성을 갖는다. 본 실시예에서는, 이러한 피부(276)의 방향성을 상쇄하기 위해 상기 광검출기(210)의 둘레에 복수의 제1 광원(220)을 고루 배치하고 있으나, 하나의 제1 광원(220)을 사용할 수도 있다. 위와 마찬가지 이유로, 하나의 제2 광원(230)을 사용할 수도 있다.
이하, 상기 제1 광 중 상기 광검출기(210)에 입력되는 광을 제1 검출광이라고 특정하여 지칭하고, 상기 제2 광 중 상기 광검출기(210)에 입력되는 광을 제2 검출광이라고 특정하여 지칭하며, 상기 제3 광 중 상기 광검출기(210)에 입력되는 광을 제3 검출광이라고 특정하여 지칭한다.
피부색은 멜라닌 지수(melanin index: MI)와 홍반 지수에 의해 크게 좌우된 다. 멜라닌 지수는 통상적으로 인종을 구분하는데 사용되고, 홍반 지수는 피부에 존재하는 모세혈관 분포 및 혈액 분포에 의해 결정된다. 홍반 지수는 피부에 가해지는 압력에 의해 쉽게 영향을 받으며, 이러한 압력이 클 경우에 혈액 차단으로 인해 개인별 편차가 크게 감소하는 경향을 갖는다. 이러한 조건하에서, 피부색을 멜라닌 지수만으로 나타낼 수 있다.
멜라닌 지수(MI)는 하기 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.
상기 <수학식 1>에서, A 및 B는 제1 계수들을 나타내며, I1은 660㎚ 파장을 갖는 제1 검출광의 세기를 나타내고, I2은 880㎚ 파장을 갖는 제2 검출광의 세기를 나타낸다. 상기 제1 계수들 A 및 B는 최소자승법 등의 수치해석을 통해 구하고, 이때 상용의 피부색 진단 장치(예로, CK Electric사의 Mexameter MX18)에 의해 얻어진 멜라닌 지수(이하, 상용 장치에 의해 얻어진 멜라닌 지수를 표준 멜라닌 지수라고 칭함)와, 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 얻어진 I1 및 I2를 상기 <수학식 1>에 대입한다.
이하, 본 발명에서 제공하는 다양한 알고리즘들에 대한 수치예들을 제공함에 있어서, 아래와 같은 실험 조건을 전제로 한다.
상기 제1 광원(220)으로는 Knowledge-on 사에서 출시한 OPA6611 LED 칩을 사용하고, 듀티(duty) 8% 펄스 구동시의 최대 전류값은 145mA이다. 상기 제2 광 원(230)으로는 Knowledge-on 사에서 출시한 OPA8732HP(F) LED 칩을 사용하고, 듀티 8% 펄스 구동시의 최대 전류값은 28mA이다. 상기 제3 광원(240)으로는 Knowledge-on 사에서 출시한 OPA8750T LED 칩을 사용하고, 듀티 8% 펄스 구동시의 최대 전류값은 290mA이다. 상기 제1 및 제2 광원(220,230)은 50㏀의 이득을 갖고, 상기 제3 광원(240)은 2㏁의 이득을 갖는다. 상기 광검출기(210)는 Kodenshi Korea 사에서 출시한 HPI-12N 실리콘 포토다이오드를 사용하고, 1.2mm×1.2mm의 칩 크기를 갖는다. 상기 광검출기(210)와 상기 제1 및 제2 광원(220,230) 사이의 거리는 2㎜이고, 상기 광검출기(210)와 상기 제3 광원(240) 사이의 거리는 25㎜이다. 각 검출광의 세기(즉, 광파워(optical power))는 해당 광원을 동작시킨 상태에서 상기 광검출기(210)에 의해 검출되는 세기로부터 해당 광원을 정지시킨 상태에서 상기 광검출기(210)에 의해 검출되는 세기(자연광, 조명 등의 주변(ambient) 광의 세기)를 뺀 값이다. 임상 실험은 20~50대의 성인 남성 84명과 20~30대의 성인 여성을 대상으로 이루어졌다.
<수치예 1>
도 5는 상용 장치에 의해 측정된 표준 멜라닌 지수와 상기 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 멜라닌 지수와의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5에서, x축은 상용 장치에 의해 측정된 표준 멜라닌 지수를 나타내고, y축은 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 멜라닌 지수를 나타낸다. 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 각 멜라닌 지수는 사각형으로 표시되어 있다. 본 수치예 1에서, 측정된 멜라닌 지수는 상기 <수학식 1>을 이용하여 산출되 었고, 제1 계수들 A 및 B는 280.14 및 -575.01로 각각 설정되었다. 상기 두 멜라닌 지수들은 약 0.921 정도의 상관 계수를 나타낸다.
상기 광검출기(210)에서 검출되는 검출광의 세기는 피부(276)의 색 및 두께에 따라 변화하고, 이에 더하여 성별, 나이, 키, 체중 등과 같이 피부(276), 피하지방(274) 및 근육(272)이 갖는 광학적 특성들이 상기 검출광의 세기에 영향을 미친다.
피하지방(274)의 두께(SAT)는, 880㎚ 파장을 갖는 제3 검출광의 세기(I3)와, 피부(276), 피하지방(274) 및 근육(272)이 갖는 광학적 특성들의 함수로 주어진다.
상기 <수학식 2>에서, GEN은 성별, AGE는 나이, HT는 키, WT는 체중, SC는 피부색, ST는 피부 두께를 나타낸다.
도 6은 측정 위치들에 따른 피부 두께의 변화를 나타내는 그래프이다. 피부 두께는 CT를 이용하여 측정되었으며, 20대의 한국인 여성 34명에 대해, 이두근(biceps), 삼두근(triceps), 상복부(upper abdomen), 하복부(lower abdomen), 전대퇴부(front thigh), 내측 대퇴부(inner thigh), 외측 대퇴부(lateral thigh), 후대퇴부(rear thigh) 및 장딴지(calf)를 측정하였다. 도시된 바와 같이, 각 측정 위치에 대한 피부 두께의 편차가 크지 않으므로, 상기 <수학식 2>에서 피부 두께를 측정 위치로 대체하는 것이 가능하다.
상기 <수학식 3>에서, POS는 측정 위치를 나타낸다.
하기 <수학식 4>에 나타낸 바와 같이, 피부색은 멜라닌 지수로 대체할 수 있고, 키 및 체중은 체질량 지수(body mass index: BMI)로 나타낼 수 있다.
BMI = WT [kg] / HT2 [m]
상기 <수학식 4>에서, 제3 검출광의 세기, 체질량 지수 및 멜라닌 지수를 변수로 하고, 나머지 인자들을 계수들로 설정하면, 상기 <수학식 4>는 아래와 같이 나타낼 수 있다. SATp는 측정 위치별 피하지방 두께를 나타낸다.
또한, 상기 <수학식 5>는 아래와 같이 나타낼 수 있다.
IMI = I3 / (I1 / I2)
상기 <수학식 6>에서, 함수 fp를 구체적으로 나타내면 아래와 같다.
= Cp + Dp BMI + Ep IMI
상기 <수학식 7>에서, 제2 계수들 Cp, Dp 및 Ep는, 성별, 나이 및 측정 위치를 상수들로 하고, CT에 의해 측정된 SATp와, 상기 생체 정보 측정 장치(200)를 이용하여 측정한 IMI와, 사용자 입력에 의해 얻어진 BMI를 상기 <수학식 7>에 대입하는 과정을 반복하는 다중회귀분석(multiple regression)을 통해 구할 수 있다. 이러한 다중회귀분석은 상기 <수학식 5>에 적용될 수도 있다.
도 7은 상용 장치에 의해 측정된 표준 피하지방 두께와 상기 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 피하지방 두께와의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7에서, x축은 상용 장치(예를 들어, 초음파 장치)에 의해 측정된 표준 피하지방 두께를 나타내고, y축은 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 피하지방 두께를 나타낸다. 상기 두 피하지방 두께들은 약 0.95 정도의 상관 계수를 나타낸다. 피하지방 두께는 CT를 이용하여 측정되었으며, 20대의 한국인 여성 13명에 대해, 이두근, 삼두근, 상복부, 하복부, 전대퇴부, 내측 대퇴부, 외측 대퇴부, 후대퇴부 및 장딴지를 측정하였다.
<수치예 2>
도 8은 상용 장치에 의해 측정된 표준 피하지방 두께와 상기 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 피하지방 두께와의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8에서, x축은 상용 장치에 의해 측정된 표준 피하지방 두께를 나타내고, y축은 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 피하지방 두께를 나타낸다. 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 각 피하지방 두께는 사각형으로 표시되어 있고, 임상 실험은 남성에 대해 수행되었다. 본 수치예 2에서, 측정된 피하지방 두께는 상기 <수학식 7>을 이용하여 산출되었고, 제2 계수들 Cp, Dp 및 Ep는 측정 위치에 따라 하기 <표 1>과 같이 주어진다. 상기 두 피하지방 두께들은 약 0.932 정도의 상관 계수를 나타낸다.
<수치예 3>
도 9는 상용 장치에 의해 측정된 표준 피하지방 두께와 상기 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 피하지방 두께와의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9에서, x축은 상용 장치에 의해 측정된 표준 피하지방 두께를 나타내고, y축은 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 피하지방 두께를 나타낸다. 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 각 피하지방 두께는 사각형으로 표시되어 있고, 임상 실험은 여성에 대해 수행되었다. 본 수치예 3에서, 측정된 피하지방 두께는 상기 <수학식 7>을 이용하여 산출되었고, 제2 계수들 Cp, Dp 및 Ep는 측정 위치에 따라 하기 <표 2>와 같이 주어진다. 상기 두 피하지방 두께들은 약 0.926 정도의 상관 계수를 나타낸다.
체지방률은 하기 <수학식 8>에 의해 정의될 수 있다.
상기 <수학식 8>에서, 제3 계수들 Fp, Gp, Hp 및 Ip는, 성별 및 측정 위치를 상수들로 하고, CT에 의해 측정된 BPFp와, 상기 생체 정보 측정 장치(200)를 이용하 여 측정한 IMI와, 사용자 입력에 의해 얻어진 AGE 및 BMI를 상기 <수학식 8>에 대입하는 과정을 반복하는 다중회귀분석(multiple regression)을 통해 구할 수 있다.
<수치예 4>
도 10은 상용 장치에 의해 측정된 체지방률과 상기 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 체지방률과의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10에서, x축은 상용 장치(예로, 생체 임피던스 측정(bioelectric impedance analysis : BIA) 장치)에 의해 측정된 표준 체지방률을 나타내고, y축은 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 체지방률을 나타낸다. 상기 생체 정보 측정 장치(200)에 의해 측정된 각 체지방률은 사각형으로 표시되어 있고, 임상 실험은 남성 및 여성에 대해 수행되었다. 본 수치예 4에서, 측정된 체지방률은 상기 <수학식 8>을 이용하여 산출되었고, 남성인 경우에는 하복부를 측정하였고, 여성인 경우에는 내측 허벅지를 측정하였다. 남성인 경우에 제3 계수들 Fp, Gp, Hp 및 Ip는 -14.693, 1.303, 0.067 및 10.833으로 각각 주어지고, 여성인 경우에 제3 계수들 Fp, Gp, Hp 및 Ip는 -3.009, 1.142, 0.088 및 13.339으로 각각 주어진다. 상기 두 체지방률들은 약 0.905 정도의 상관 계수를 나타낸다.
다시 도 3을 참고하면, 상기 입력 장치(265)는 사용자로부터 성별, 나이, 키, 체중 등의 기본 생체 정보를 입력받는 인터페이스로서 기능한다. 예를 들어, 상기 입력 장치(265)는 휴대용 무선 단말기 등의 소형 기기에 통상적으로 구비되는 키패드로 구현될 수 있다.
상기 메모리(260)는 상기 기본 생체 정보와, 상기 기본 생체 정보와 피하지방 두께를 산출하기 위한 제2 계수들의 관계를 나타내는 테이블을 저장한다. 즉, 상기 테이블에는 기본 생체 정보들(예를 들어, {성별, 나이, 측정 위치}로 표현되는 데이터 셋들)과, 상기 기본 생체 정보들에 대응하는 계수 셋들(예를 들어, {Cp, Dp, Ep}로 표현되는 데이터 셋들)이 기록되어 있다.
상기 제어부(250)는 상기 입력 장치(265)로부터 입력된 기본 생체 정보를 상기 메모리(260)에 저장하고, 상기 제1 광원들(220), 제2 광원들(230) 및 제3 광원(240)을 순차적으로 구동하며, 상기 광검출기(210)에 의해 순차적으로 검출되는 제1 내지 제3 검출광의 세기들과 상기 테이블에 근거하여 피부색(즉, 멜라닌 지수)과 피하지방 두께를 산출한다. 선택적으로, 상기 제어부(250)는 체지방률을 산출할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부(250)는 상기 광검출기(210), 제1 광원들(220), 제2 광원들(230) 및 제3 광원(240)과 전기적으로 연결되고, 상기 광검출기(210)의 출력 신호를 입력받으며, 상기 제1 광원들(220), 제2 광원들(230) 및 제3 광원(240) 각각에게 구동 신호를 출력한다. 상기 제어부(250)는 상기 입력 장치(265)로부터 입력된 기본 생체 정보 중 키 및 체중을 상기 <수학식 4>에 의해 산출되는 체질량 지수로 대체하여 저장할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 광원들(220), 제2 광원들(230) 및 제3 광원(240)을 순차적으로 구동하는 것을 예시하고 있으나, 구동 순서는 임의대로 정할 수 있다.
도 11은 상기 제어부(250)의 제어 과정을 나타내는 흐름도이다. 상기 제어 부(250)는 하기하는 (S1) 내지 (S4) 과정을 수행한다.
상기 (S1) 과정은, 상기 입력 장치(265)를 이용하여 사용자로부터 성별, 나이, 키, 체중, 측정 위치 등의 기본 생체 정보를 입력받는 과정이다.
상기 (S2) 과정은, 제1 내지 제3 검출광의 세기들을 검출하는 과정이다. 상기 제어부(250)는 상기 제1 광원들(220), 제2 광원들(230) 및 제3 광원(240)을 순차적으로 구동하고, 상기 광검출기(210)에 의해 순차적으로 검출되는 제1 내지 제3 검출광의 세기들을 파악한다. 상기 광검출기(210)로부터 출력되는 전기 신호는 상기 광검출기(210)에 입력되는 광의 세기에 따른 전압 레벨을 갖는다. 상기 제어부(250)가 아날로그/디지털 인터페이스를 구비하지 않는 디지털 소자이거나, 상기 광검출기(210), 제1 광원들(220), 제2 광원들(230) 및 제3 광원(240)이 아날로그/디지털 인터페이스를 구비하지 않는 아날로그 소자일 수 있다. 이러한 경우에, 상기 제어부(250) 및 광검출기(210)의 사이에 아날로그/디지털 변환기를 연결하고, 상기 제어부(250) 및 각 광원(220,230,240)의 사이에 디지털/아날로그 변환기를 연결할 수 있다.
상기 (S3) 과정은, 상기 제1 및 제2 검출광의 세기들에 해당하는 피부색을 결정하는 과정이다. 피부색(즉, 멜라닌 지수)은 상기 제1 및 제2 검출광의 세기들을 상기 <수학식 1>에 대입함으로써 산출할 수 있다.
상기 (S4) 과정은, 상기 기본 생체 정보와, 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기와, 상기 테이블에 근거하여 피하지방의 두께를 결정하는 과정이다.
첫째, 상기 제어부(250)는 상기 기본 생체 정보에 대응하는 계수 셋을 결정 한다. 이러한 과정은, 기본 생체 정보를 계수 셋에 맵핑하는 과정으로 볼 수 있다. 상기 테이블은 연속적이 아닌 이산적인 데이터 셋들(즉, {성별, 나이, 측정 위치}-{Cp, Dp, Ep})을 갖기 때문에, 기본 생체 정보가 주어진 경우에 이에 대응하는 계수 셋은 공지된 근사 알고리즘을 통해 결정될 수 있다. 예를 들어, 테이블 상에서 주어진 기본 생체 정보와 가장 근사한 기본 생체 정보를 찾거나, 보간법을 통해 근사화된 계수 셋을 산출할 수 있다.
둘째, 상기 제어부(250)는 결정된 계수 셋과, 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들과, 체질량 지수(또는, 키 및 체중)를 상기 <수학식 7>에 대입함으로써 피하지방 두께를 산출한다.
이후의 과정으로서, 상기 제어부(250)가 피부색 및 피하지방 두께를 시각적으로 표시하는 과정을 더 포함할 수 있다. 이를 위해, 상기 생체 정보 측정 장치(200)는 상기 제어부(250)와 전기적으로 연결된 액정 표시 장치(liquid crystal display: LCD)와 같은 표시 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 생체 정보 측정 장치(200)는 휴대폰, PDA(personal digital assistant) 등과 같은 휴대 단말기 또는 부착형 기기(wearable device)에 적용될 수 있으며, 상기 휴대 단말기에 일체화되거나, 상기 휴대 단말기에 장착 가능하도록 모듈화될 수 있다. 선택적으로, 본 발명에 따른 생체 정보 측정 장치(200)는 적어도 하나의 광검출기(210), 적어도 하나의 제1 광원(220), 적어도 하나의 제2 광원(230) 및 적어도 하나의 제3 광원(240) 및 제어부(250)를 포함하고, 상기 광검출 기(210)의 출력을 유선으로 휴대 단말기로 출력하거나, 상기 광검출기(210)의 출력을 안테나를 이용하여 무선으로 휴대 단말기로 출력할 수 있다. 이러한 경우에, 상기 생체 정보 측정 장치(200)의 제어부(250)는 상기 제1 광원(220), 제2 광원(230) 및 제3 광원(240)을 순차적으로 구동하는 기능만을 수행하고, 휴대 단말기에는 통상적으로 제어부 및 메모리가 구비되어 있으므로, 상기 휴대 단말기의 제어부가 전술한 피부색 및 피하지방 산출 과정들을 수행할 수 있다.
생체 조직의 방향성을 고려할 때, 상기 제1 및 제2 광원들(220,230)뿐만 아니라, 상기 광검출기(210)를 둘러싸도록 상기 제3 광원(240)의 수도 늘릴 필요가 있다.
그러나, 이러한 경우에 생체 정보 측정 장치(200)의 제조 비용이 증가하게 되므로, 이하의 실시예들에서는, 도파로(waveguide)를 이용하여 광원의 수를 최소화함과 동시에 생체 조직의 방향성에 따른 오차를 보정할 수 있는 구조들을 제공한다.
도 12는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타내는 평면도이고, 도 13은 상기 생체 정보 측정 장치를 A-A를 따라 나타낸 단면도이다. 상기 생체 정보 측정 장치(300)는 도 3에 도시된 생체 정보 측정 장치(200)와 유사한 구성 및 기능을 가지며, 다만 제3 광원(240a)의 수와, 도파로(310)를 더 포함한다는 점에 있어서만 차이가 있으므로, 동일한 구성 소자에 대해 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 상기 생체 정보 측정 장치(300)는 광검출기(210)와, 복수의 제1 광원(220)과, 복수의 제2 광원(230)과, 복 수의 제3 광원(240a)과, 도파로(310)와, 메모리(260)와, 입력 장치(265)와, 제어부(250)를 포함한다. 도 12에는 도 13에 도시된 상기 제어부(250), 메모리(260) 및 입력 장치(265)가 도시되어 있지 않다.
상기 광검출기(210)는 피부(미도시)의 표면 상에 배치되며, 입력된 광을 광전 변환하여 얻어진 전기 신호를 출력한다. 즉, 상기 광검출기(210)는 피부의 표면으로부터 방출되는 광을 전기 신호로 검출한다.
상기 광검출기(210)의 둘레에는 그로부터 동일한 거리로 이격되며 원주 방향을 따라 동일 간격으로 배치된 4개의 제1 광원들(220)과 4개의 제2 광원들(230)이 교호적으로 배치된다.
상기 각 제1 광원(220)은 상기 광검출기(210)와 이격되도록 피부의 표면 상에 배치되며, 가시광선 대역의 제1 파장(예를 들어, 660㎚)을 갖는 제1 광을 피부의 표면에 조사한다.
상기 각 제2 광원(230)은 상기 광검출기(210)와 이격되도록 피부의 표면 상에 배치되며, 근적외선 대역의 제2 파장(예를 들어, 940㎚)을 갖는 제2 광을 피부의 표면에 조사한다.
상기 도파로(310)는 원형 링(ring)의 형태를 갖고, 상기 광검출기(210)와 제1 및 제2 광원들(220,230)을 둘러싸도록 피부의 표면 상에 배치되며, 서로 대향된 내주면 및 외주면과, 서로 대향된 상면 및 하면을 갖는다. 이때, 상기 도파로(310)의 하면은 출력단으로서 기능하며, 상기 도파로(310)의 하면은 피부의 표면과 밀착되거나 그로부터 이격될 수 있다. 상기 도파로(310)의 원주 방향(다르게 말하자면, 지름 방향에 수직한 방향)에 수직한 단면은 사각형을 이룬다. 상기 도파로(310)는 공기 및 피부보다 높은 굴절률을 갖고 있고, 광은 상기 도파로(310) 내에서 원주 방향을 따라 전반사 진행한다. 상기 도파로(310)는 제3 광의 파장에 대해 투명한 특성을 갖는 폴리카보네이트(polycarbonate), 아크릴계 수지(acryl-based resin) 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 사출 성형 등에 의해 제조될 수 있다. 또는, 상기 도파로(310)는 제3 광의 파장에 대해 투명한 특성을 갖는 고무 재질로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 폴리우레탄(polyurethane), 실리콘(silicone) 등의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 도파로(310)의 상면에는 상기 도파로(310)의 내부로 진행하는 광을 상기 도파로(310)의 하면을 통해 외부로 출력하기 위한 복수의 광 추출 패턴(light extracting pattern, 320)이 형성되어 있다. 상기 각 광 추출 패턴(320)은 입사된 광을 산란시킨다. 상기 광 추출 패턴들(320)은 상기 도파로(310)의 곡률 중심을 기준으로 대칭적으로 형성된다. 상기 각 광 추출 패턴(310)은 입사된 광에 대한 상기 도파로(310)와 공기 또는 피부의 경계에서의 내부 전반사 조건을 파괴함으로써, 상기 광 추출 패턴(320)에서 산란된 광이 상기 도파로(310)의 하면을 투과하도록 한다. 상기 광 추출 패턴(320)에 의해 상기 도파로(310)의 하면 측으로 산란된 광의 일부는 전반사 조건을 만족하지 못하므로(입사각이 임계각(critical angle)보다 작은 경우) 상기 도파로(310)의 하면을 투과하여 외부로 출사된다. 또한, 상기 광 추출 패턴(320)에 의해 산란되지 않고 그대로 지나치게 되는 광과 상기 산란된 광의 나머지는 전반사 조건을 만족하면서 상기 도파로(310) 내로 계속 진행함으로써, 다 른 광 추출 패턴에 입사한다. 상기 각 광 추출 패턴(320)은 인쇄(printing), 사진식각(photolithography), 레이징(lasing), 스템핑(stamping) 등에 의해 형성되는 스크래치(scratch), 요철, 프리즘 패턴(prism pattern) 등일 수 있다. 상기 각 광 추출 패턴(320)은 원뿔, 반구, 육면체, 삼각뿔, 사각뿔과 같은 다양한 형태의 입체 구조를 가질 수 있으며, 상기 도파로(310)의 상면에 음각 또는 양각의 형태로 형성될 수 있다. 선택적으로, 금형에 원하는 광 추출 패턴들을 적용하고, 상기 금형을 이용한 사출 성형을 통해 상기 도파로(310) 및 광 추출 패턴들(320)을 동시에 형성할 수도 있다. 선택적으로, 상기 각 광 추출 패턴(320)은 주기적인 굴절률 변화를 갖는 브래그 격자(Bragg grating) 등의 형태로도 제공될 수 있으며, 이러한 굴절률 변화는 폴링(polling), 자외선 조사 등을 통해 구현될 수 있다. 선택적으로, 상기 광 추출 패턴들(320)은 상기 도파로(310)의 하면에 형성될 수도 있다. 본 실시예에서, 상기 광 추출 패턴(225)이 입사된 광을 산란시키는 것으로 한정하고 있으나, 이와 다르게 거울 반사를 일으키는 V-홈(V-groove), 내부 전반사 조건을 파괴하는 굴절률(예를 들어, 상기 도파로(310)의 굴절률과 유사한 굴절률)을 갖는 코팅층(coating layer) 등의 형태로도 제공될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 도파로(310)의 상면에 복수의 광 추출 패턴이 형성되는 것으로 한정하고 있으나, 상기 도파로(310)의 상면에 그 전체에 걸쳐 연속적으로 형성된 하나의 광 추출 패턴이 존재할 수도 있다.
상기 제3 광원들(240a)은 상기 광검출기(210)를 중심으로 대칭적으로 배치되며, 각각 그 출력단이 상기 도파로(310)의 외주면과 대면한다. 상기 각 제3 광 원(240a)은 근적외선 대역의 제2 파장을 갖는 제3 광을 상기 도파로(310)의 내부로 결합시킨다.
상기 각 제3 광원(240a)으로부터 상기 도파로(310)의 내부로 결합된 광은 상기 도파로(310)의 원주 방향을 따라 전반사 진행하면서 점차 감쇠되므로, 상기 도파로(310)에서 상기 제3 광원(240a)에 보다 가까운 부분을 투과하는 광량이 상기 제3 광원(240a)에 보다 먼 부분을 투과하는 광량보다 클 수 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위해, 상기 제3 광원(240a)과 상대적으로 가까운 곳에 위치한 광 추출 패턴(320)의 밀도 또는 크기와 상대적으로 먼 곳에 위치한 광 추출 패턴(320)의 밀도 또는 크기를 서로 다르게 함으로써, 상기 도파로(310)의 하면 상에 나타나는 전체적인 광량 분포를 상기 제3 광원(240a)과의 거리에 상관없이 균일하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 광원(240a)을 기준으로 하여, 상대적으로 가까운 위치의 광 추출 패턴(320)의 밀도를 저밀도로 하고, 상대적으로 먼 위치의 광 추출 패턴(320)의 밀도를 고밀도로 할 수 있다.
도 14는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타내는 평면도이고, 도 15는 상기 생체 정보 측정 장치를 B-B를 따라 나타낸 단면도이다. 상기 생체 정보 측정 장치(400)는 도 12에 도시된 생체 정보 측정 장치(300)와 유사한 구성 및 기능을 가지며, 다만 제1 및 제2 광원(220a,230a)의 수 및 배치와, 제1 도파로(310) 외에 제2 도파로(410)를 더 포함한다는 점에 있어서만 차이가 있으므로, 동일한 구성 요소에 대해 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 상기 생체 정보 측정 장치(400)는 광검출기(210)와, 복수의 제1 광원(220a)과, 복수의 제2 광원(230a)과, 복수의 제3 광원(240a)과, 제1 및 제2 도파로(310,410)와, 메모리(260)와, 입력 장치(265)와, 제어부(250)를 포함한다.
상기 제2 도파로(410)는 원형 링의 형태를 갖고, 상기 광검출기(210)를 둘러싸도록 피부의 표면 상에 배치되며, 서로 대향된 내주면 및 외주면과, 서로 대향된 상면 및 하면을 갖는다. 이때, 상기 제2 도파로(410)의 하면은 출력단으로서 기능하며, 상기 제2 도파로(410)의 하면은 피부의 표면과 밀착되거나 그로부터 이격될 수 있다. 상기 제2 도파로(410)의 원주 방향(다르게 말하자면, 지름 방향에 수직한 방향)에 수직한 단면은 사각형을 이룬다. 상기 제2 도파로(410)는 공기 및 피부보다 높은 굴절률을 갖고 있고, 광은 상기 제2 도파로(410) 내에서 원주 방향을 따라 전반사 진행한다. 상기 제2 도파로(410)는 상기 제1 도파로(310)와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제2 도파로(410)의 상면에는 상기 제2 도파로(410)의 내부로 진행하는 광을 상기 제2 도파로(410)의 하면을 통해 외부로 출력하기 위한 복수의 광 추출 패턴(420)이 형성되어 있다. 상기 각 광 추출 패턴(420)은 입사된 광을 산란시킨다. 상기 광 추출 패턴들(420)은 상기 제2 도파로(410)의 곡률 중심을 기준으로 대칭적으로 형성된다. 상기 각 광 추출 패턴(420)은 입사된 광에 대한 상기 제2 도파로(410)와 공기 또는 피부의 경계면에서의 내부 전반사 조건을 파괴함으로써, 상기 광 추출 패턴(420)에서 산란된 광이 상기 제2 도파로(410)의 하면을 투과하도록 한다. 상기 광 추출 패턴(420)에 의해 상기 제2 도파로(410)의 하면 측으로 산란된 광의 일부는 전반사 조건을 만족하지 못하므로(입사각이 임계각보다 작은 경우) 상 기 제2 도파로(410)의 하면을 투과하여 외부로 출사된다. 또한, 상기 광 추출 패턴(420)에 의해 산란되지 않고 그대로 지나치게 되는 광과 상기 산란된 광의 나머지는 전반사 조건을 만족하면서 상기 제2 도파로(410) 내로 계속 진행함으로써, 다른 광 추출 패턴에 입사한다. 상기 광 추출 패턴(420)은 상기 제1 도파로(310)에 형성된 광 추출 패턴(320)과 동일한 형태를 가질 수 있다.
상기 제1 광원들(220a)은 상기 광검출기(210)를 중심으로 대칭적으로 배치되며, 각각 그 출력단이 상기 제2 도파로(420)의 외주면과 대면한다. 상기 제2 광원들(230a)은 상기 광검출기(210)를 중심으로 대칭적으로 배치되며, 각각 그 출력단이 상기 제2 도파로(410)의 외주면과 대면한다. 상기 각 제1 광원(220a)은 제1 파장을 갖는 제1 광을 상기 제2 도파로(420)의 내부로 결합시키고, 상기 각 제2 광원(230a)은 제2 파장을 갖는 제2 광을 상기 제2 도파로(410)의 내부로 결합시킨다. 본 실시예에서, 하나의 제1 광원(220a)과 하나의 제2 광원(230a)이 서로 밀착됨으로써 한 쌍을 이루는 것을 예시하고 있으나, 상기 광검출기(210)를 중심으로, 제1 광원들(220a)을 한 축에 정렬하고, 제2 광원들(230a)을 상기 축에 수직한 다른 축에 정렬할 수도 있다.
상술한 실시예들에서는, 생체 정보 측정 장치의 중앙에 하나의 광검출기를 배치하고, 상기 광검출기의 둘레에 복수의 광원들을 배치한 구조를 예시하였으나, 생체 정보 측정 장치의 중앙에 한쌍의 광원들을 배치하고, 상기 광원들의 둘레에 복수의 광검출기들을 배치할 수도 있다.
도 16은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타 내는 단면도이다. 상기 생체 정보 측정 장치(500)는 도 3에 도시된 생체 정보 측정 장치(200)와 유사한 구성 및 기능을 가지며, 다만 광검출기(210a,210b)의 수 및 배치와, 제1 및 제2 광원(220b,230b)의 수 및 배치에 있어서만 차이가 있으므로, 동일한 구성 요소에 대해 동일한 참조 번호를 사용하고, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
생체 조직(270)은 근육(272), 지방(274) 및 피부(276)가 차례로 적층된 구조를 갖는다.
상기 생체 정보 측정 장치(200)는 제1 및 제2 광원(220b,230b)과, 제1 및 제2 광검출기(210a,210b)와, 메모리(260)와, 입력 장치(265)와, 제어부(250)를 포함한다.
상기 제1 광원(220b)은 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 가시광선 대역의 제1 파장(예를 들어, 660㎚)을 갖는 제1 광을 피부(276)의 표면에 조사한다.
상기 제2 광원(230b)은 상기 제1 광원과 밀착되도록 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 근적외선 대역의 제2 파장(예를 들어, 880㎚)을 갖는 제2 광을 피부(276)의 표면에 조사한다.
상기 제1 광검출기(210a)는 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b)과 이격되도록 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 입력된 광을 광전 변환하여 얻어진 전기 신호를 출력한다. 즉, 상기 제1 광검출기(210a)는 피부(276)의 표면으로부터 방출되는 광을 전기 신호로 검출한다.
상기 제2 광검출기(210b)는 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b)으로부터 상기 제1 광검출기보다 먼 곳에 위치하도록 피부(276)의 표면 상에 배치되며, 입력된 광을 광전 변환하여 얻어진 전기 신호를 출력한다. 즉, 상기 제2 광검출기(210b)는 피부(276)의 표면으로부터 방출되는 광을 전기 신호로 검출한다.
본 실시예에서, 상기 제1 광검출기(210a)와 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b) 사이의 거리는 2㎜이고, 상기 제2 광검출기(210b)와 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b) 사이의 거리는 10㎜이다. 바람직하게는, 상기 제1 광검출기(210a)와 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b) 사이의 거리는 5㎜ 이내이고, 상기 광검출기(210b)와 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b) 사이의 거리는 10㎜ 이상이다.
이하, 상기 제1 광 중 상기 제1 광검출기(210a)에 입력되는 광을 제1 검출광이라고 특정하여 지칭하고, 상기 제2 광 중 상기 제1 광검출기(210a)에 입력되는 광을 제2 검출광이라고 특정하여 지칭하며, 상기 제2 광 중 상기 제2 광검출기(210b)에 입력되는 광을 제3 검출광이라고 특정하여 지칭한다.
상기 메모리(260)는 상기 기본 생체 정보와, 상기 기본 생체 정보와 피하지방 두께를 산출하기 위한 제2 계수들의 관계를 나타내는 테이블을 저장한다.
상기 제어부(250)는 상기 제1 광원(220b) 및 제2 광원(230b)을 순차적으로 구동하고, 상기 제1 광검출기(210a)에 의해 순차적으로 검출되는 제1 및 제2 검출광의 세기들로부터 피부(276)의 색을 산출하고, 상기 제2 광검출기(210b)에 의해 검출되는 제3 검출광의 세기와 상기 테이블에 근거하여 피하지방(274)의 두께를 산출한다. 이를 위해, 상기 제어부(250)는 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b), 그리고 상기 제1 및 제2 광검출기(210a,210b)와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 및 제2 광 검출기(210a,210b)의 출력 신호를 입력받으며, 상기 제1 및 제2 광원(220b,230b) 각각에게 구동 신호를 출력한다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 제4 실시예에서는 서로 다른 파장의 광들을 출력하는 제1 및 제2 광원을 사용하는 것을 예시하였으나, 서로 다른 파장의 광들을 동시에 출력하거나 파장 가변이 가능한 단일 광원을 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에서 피부의 색 및 두께와 피하지방의 두께만을 측정하는 것을 예시하였으나, 제1 내지 제3 검출광의 세기들을 이용하여 다양한 생체 정보들을 도출할 수 있다. 예를 들자면, 근적외선 파장을 사용하므로, 모세혈관이 밀집되어 있는 손가락 끝에서 맥파를 측정하여 심박수의 변이(heart rate variability)(다르게 말하자면, 스트레스)를 도출할 수 있다. 또한, 근적외선 파장과 가시광선 파장을 동시에 사용하므로, 혈중산소포화도(SpO2)를 측정할 수도 있다. 이외에도, 말초 동맥의 혈류량 변화 파형(photoplethysmography: PPG), 분당 호흡수, 맥박 등을 측정할 수도 있다.
도 1은 종래에 따른 피하지방의 두께를 측정하는 장치를 나타내는 도면,
도 2는 피하지방 두께 및 발광 다이오드로부터의 이격 거리에 따른 포토다이오드의 출력 변화를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타내는 평면도,
도 4는 도 3에 도시된 생체 정보 측정 장치를 나타내는 단면도,
도 5는 상용 장치에 의해 측정된 표준 멜라닌 지수와 도 4에 도시된 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 멜라닌 지수와의 상관 관계를 나타내는 그래프,
도 6은 측정 위치들에 따른 피부 두께의 변화를 나타내는 그래프,
도 7 내지 도 9는 상용 장치에 의해 측정된 표준 피하지방 두께와 도 4에 도시된 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 피하지방 두께와의 상관 관계를 나타내는 그래프들,
도 10은 상용 장치에 의해 측정된 체지방률과 상기 생체 정보 측정 장치에 의해 측정된 체지방률과의 상관 관계를 나타내는 그래프,
도 11은 도 4에 도시된 제어부의 제어 과정을 나타내는 흐름도,
도 12는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타내는 평면도,
도 13은 도 12에 도시된 생체 정보 측정 장치를 A-A를 따라 나타낸 단면도,
도 14은 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타 내는 평면도,
도 15는 도 14에 도시된 생체 정보 측정 장치를 B-B를 따라 나타낸 단면도,
도 16은 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 생체 정보 측정 장치를 나타내는 단면도.
Claims (14)
- 사용자의 생체 정보를 측정하기 위한 장치에 있어서,상기 사용자의 기본 생체 정보를 입력받는 입력 장치와;피부의 표면 상에 배치되며, 제1 파장을 갖는 제1 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제1 광원과;상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제2 파장을 갖는 제2 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제2 광원과;광검출기로부터 상기 제1 및 제2 광원보다 먼 곳에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제3 파장을 갖는 제3 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제3 광원과;상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제1 내지 제3 검출광을 전기 신호들로 순차적으로 검출하는 광검출기와;상기 제1 내지 제3 광원을 순차적으로 구동하고, 상기 기본 생체 정보와 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들에 근거하여 상기 사용자의 생체 정보를 산출하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제어부는 상기 제1 및 제2 검출광의 세기들을 하기 <수학식 9>에 대입함으로써 멜라닌 지수를 산출함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
MI = A + B ln (I1 / I2) (MI : 멜라닌 지수, A 및 B : 기설정된 계수들, I1 : 상기 제1 검출광의 세기, I2 : 상기 제2 검출광의 세기) - 제1항에 있어서,상기 기본 생체 정보와 피하지방 두께를 산출하기 위한 계수들의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함하고,상기 제어부는 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들과, 상기 기본 생체 정보의 일부를 하기 <수학식 10>에 대입함으로써 피하지방 두께를 산출함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
SATp = Cp + Dp BMI + Ep I3 / (I1 / I2), BMI = WT / HT2(SATp : 피하지방 두께, Cp, Dp 및 Ep : 상기 계수들, I1 : 상기 제1 검출광의 세기, I2 : 상기 제2 검출광의 세기, I3 : 상기 제3 검출광의 세기, BMI : 상기 사용자의 체질량 지수, WT : 상기 사용자의 체중, HT : 상기 사용자의 키) - 제1항에 있어서,상기 기본 생체 정보와 체지방률을 산출하기 위한 계수들의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함하고,상기 제어부는 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들과, 상기 기본 생체 정보의 일부를 하기 <수학식 11>에 대입함으로써 체지방률을 산출함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
PBFp = Fp + Gp BMI + Hp AGE + Ip I3 / (I1 / I2), BMI = WT / HT2(PBFp : 체지방률, Fp, Gp, Hp 및 Ip : 상기 계수들, I1 : 상기 제1 검출광의 세기, I2 : 상기 제2 검출광의 세기, I3 : 상기 제3 검출광의 세기, BMI : 상기 사용자의 체질량 지수, WT : 상기 사용자의 체중, HT : 상기 사용자의 키, AGE : 상기 사용자의 나이) - 제1항에 있어서,상기 제1 파장은 가시광선 대역에 속하고, 상기 제2 및 제3 파장은 근적외선 대역에 속함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 제1항에 있어서,상기 제1 및 제2 광원과 상기 제3 광원의 사이에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 상기 제3 광원으로부터 그 내부로 입력된 제3 광을 전반사 진행시키는 도파로와;상기 제3 광을 상기 피부의 표면에 조사하기 위해, 전반사 진행하는 상기 제3 광을 상기 도파로의 외부로 추출하는 적어도 하나의 광 추출 패턴을 더 포함함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 제6항에 있어서,상기 도파로는 원형 링의 형태를 가지며, 상기 피부의 표면과 대면하는 하면과 상기 하면과 대향된 상면을 구비하고,상기 광 추출 패턴은 상기 도파로의 상면 상에 형성됨을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 제1항에 있어서,상기 광검출기와 상기 제1 및 제2 광원의 사이에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 상기 제1 또는 제2 광원으로부터 그 내부로 입력된 제1 또는 제2 광을 전반사 진행시키는 도파로와;상기 제1 또는 제2 광을 상기 피부의 표면에 조사하기 위해, 전반사 진행하는 상기 제1 또는 제2 광을 상기 도파로의 외부로 추출하는 적어도 하나의 광 추출 패턴을 더 포함함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 제8항에 있어서,상기 도파로는 원형 링의 형태를 가지며, 상기 피부의 표면과 대면하는 하면과 상기 하면과 대향된 상면을 구비하고,상기 광 추출 패턴은 상기 도파로의 상면 상에 형성됨을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 사용자의 생체 정보를 측정하기 위한 장치에 있어서,상기 사용자의 기본 생체 정보를 입력받는 입력 장치와;피부의 표면 상에 배치되며, 제1 파장을 갖는 제1 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제1 광원과;상기 피부의 표면 상에 배치되며, 제2 파장을 갖는 제2 광을 상기 피부의 표면에 조사하는 제2 광원과;상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제1 내지 제2 검출광을 전기 신호들로 순차적으로 검출하는 제1 광검출기와;상기 제1 및 제2 광원으로부터 상기 제1 광검출기보다 먼 곳에 위치하도록 상기 피부의 표면 상에 배치되며, 상기 피부의 표면을 투과하여 입력된 제3 검출광 을 전기 신호로 검출하는 제2 광검출기와;상기 제1 및 제2 광원을 순차적으로 구동하고, 상기 기본 생체 정보와 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들에 근거하여 상기 사용자의 생체 정보를 산출하는 제어부를 포함함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
- 제10항에 있어서,상기 제어부는 상기 제1 및 제2 검출광의 세기들을 하기 <수학식 12>에 대입함으로써 멜라닌 지수를 산출함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
MI = A + B ln (I1 / I2) (MI : 멜라닌 지수, A 및 B : 기설정된 계수들, I1 : 상기 제1 검출광의 세기, I2 : 상기 제2 검출광의 세기) - 제10항에 있어서,상기 기본 생체 정보와 피하지방 두께를 산출하기 위한 계수들의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함하고,상기 제어부는 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들과, 상기 기본 생체 정보의 일부를 하기 <수학식 13>에 대입함으로써 피하지방 두께를 산출함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
SATp = Cp + Dp BMI + Ep I3 / (I1 / I2), BMI = WT / HT2(SATp : 피하지방 두께, Cp, Dp 및 Ep : 상기 계수들, I1 : 상기 제1 검출광의 세기, I2 : 상기 제2 검출광의 세기, I3 : 상기 제3 검출광의 세기, BMI : 상기 사용자의 체질량 지수, WT : 상기 사용자의 체중, HT : 상기 사용자의 키) - 제10항에 있어서,상기 기본 생체 정보와 체지방률을 산출하기 위한 계수들의 관계를 나타내는 테이블을 저장하는 메모리를 더 포함하고,상기 제어부는 상기 제1 내지 제3 검출광의 세기들과, 상기 기본 생체 정보의 일부를 하기 <수학식 14>에 대입함으로써 체지방률을 산출함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
PBFp = Fp + Gp BMI + Hp AGE + Ip I3 / (I1 / I2), BMI = WT / HT2(PBFp : 체지방률, Fp, Gp, Hp 및 Ip : 상기 계수들, I1 : 상기 제1 검출광의 세기, I2 : 상기 제2 검출광의 세기, I3 : 상기 제3 검출광의 세기, BMI : 상기 사용자의 체질량 지수, WT : 상기 사용자의 체중, HT : 상기 사용자의 키, AGE : 상기 사용자의 나이) - 제10항에 있어서,상기 제1 파장은 가시광선 대역에 속하고, 상기 제2 파장은 근적외선 대역에 속함을 특징으로 하는 생체 정보 측정 장치.
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