KR101527665B1 - 혈액 수치 파라미터의 검출을 위한 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위한 검출 장치에 관한 것으로, 그러한 검출 장치는 적어도 하나의 송신 신호를 송신하는 다수의 송신 안테나들(203)을 구비한 송신기(101), 적어도 하나의 수신 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나들(207)을 구비한 수신기(105), 다수의 송신 안테나들(203) 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들(207) 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제1 검출 구성을 선택하고 다수의 송신 안테나들(203) 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들(207) 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제2 검출 구성을 선택하도록 형성된 프로세서(109), 및 송신 신호의 송신을 위해 제1 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하고 송신 신호의 송신을 위해 제2 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하도록 형성된 손실 검출기(107)를 포함하되, 프로세서는 혈액 수치 파라미터의 검출을 위해 더 작은 손실량을 갖는 검출 구성을 선택하도록 형성된다.

Description

혈액 수치 파라미터의 검출을 위한 검출 장치{DETECTION DEVICE FOR THE DETECTION OF A BLOOD COUNT PARAMETER}
본 발명은 혈관을 통해 흐르는 혈액 중의 혈액 성분, 예컨대 혈당의 농도를 검출하는 분야에 관한 것이다.
예컨대, 혈액 성분의 농도와 같은 혈액 수치 파라미터(blood count parameter)를 결정하기 위해, 침습적으로(invasive) 혈액을 채혈할 수 있다. 그 경우, 혈액 수치 파라미터는 채혈된 혈액을 사용하여 그 전기 저항값이 혈액 성분, 예컨대 혈당의 농도에 의존하여 달라지는 표준화된 측정 스트립(test strip)에 의해 결정될 수 있다. 각각의 전기 저항값은 예컨대 측정 스트립의 전기 저항값의 검출을 위해 직류 저항 측정을 수행하는 혈당 측정기(blood glucose meter)를 사용하여 검출될 수 있다. 저항값은 혈당 농도와 저항값 사이의 기지의 관계에 의거하여 혈당 농도로 환산될 수 있다. 높은 검출 정확도를 달성하기 위해, 각각의 측정 스트립은 보정 데이터, 예컨대 기준 저항값 또는 상응하는 코딩을 갖고, 그럼으로써 측정 스트립의 특성들의 변동을 보상할 수 있다. 그러나 침습적 방법은 채혈이 필요하고 그에 따라 환자가 상처를 입는다는 단점이 있다. 또한, 혈액 성분의 일간 변화 곡선을 산출하기 위해 혈액 성분의 농도를 연속적으로 검출하는 것이 복잡하다. 아울러, 침습적 방법에 의해서는 음식물 섭취와 예컨대 혈당의 증가 사이의 시간 지연을 정확하게 검출할 수가 없다. 또한, 특히 혈액 중의 혈당의 농도가 낮을 경우에는, 환자에게 인슐린을 투여할 시점을 정확하게 결정할 수 없다.
예컨대, 혈액 중의 물질 농도 또는 물질 조성과 같은 혈액 수치 파라미터의 비침습적 결정을 위해, 마이크로파 분광법(microwave spectroscopic method)을 사용할 수 있다. 혈액 수치 파라미터들의 검출을 위한 마이크로파 분광법은 혈액이 통과하여 흐르는 조직에 마이크로파 신호를 주입하여 주입된 마이크로파 에너지의 주파수 의존 흡수를 검출하는 것을 기반으로 한다.
Andreas Caduff 등의 간행물 "타입 1 당뇨병을 가진 환자들에서의 비침습적 혈당 모니터링: 피부의 유전 특성 및 광학 특성에 대한 센서들을 결합한 다중 센서 시스템(Non-invasive glucose monitoring in patients with Type 1 diabetes: A multi-sensor system combining sensors for dielectric and optical characterization of skin)", Biosensors and Bioelectronics 24(2009) 2778-2784에는, 혈액 수치 파라미터의 마이크로파 기반 결정을 위한 다중 전극 어셈블리(multi-electrode assembly)가 개시되어 있다. 그러한 다중 전극 어셈블리는 마이크로파 신호들의 상이한 침투 깊이들을 구현할 수 있는, 상이한 전극 간격들을 갖는 다수의 전극 쌍들을 포함한다. 혈액 수치 파라미터의 검출은 임피던스 측정에 의해, 즉 단일 포트 측정(single port measurement)에 의해 이뤄지고, 따라서 혹시 있을 수 있는 임피던스 부정합(impedance mismatch) 시에 오류가 발생하기 쉽다. 상이한 침투 깊이들로 인해, 모세관 혈액과 정맥 혈액 사이의 구별이 가끔 불가능하고, 그것은 측정 결과를 왜곡시킬 수 있다. 일반적으로, 정맥 혈액에서의 혈액 수치 파라미터의 측정이 모세관 혈액에서의 혈액 수치 파라미터의 측정보다 더 정확한데, 왜냐하면 예컨대 모세관 혈액 중에서의 혈당 변동이 정맥 혈액에 비해 지연되기 때문이다.
Buford Randal Jean 등의 간행물 "비침습적 혈당 측정을 위한 마이크로파 주파수 센서(A microwave frequency sensor for non-invasive blood-glucose measurement)", SAS 2008 - IEEE Sensors Applications Symposium, Atlanta, GA, February 12 - 14, 2008과 M. McClung의 간행물 "마이크로파 비침습적 혈당 센서에 대한 보정 방법(Calibration methodology for a microwave non-invasive glucose sensor)", Master Thesis, Baylor University, Mai 2008에는, 또 다른 혈당 농도 결정용 전극 어셈블리가 개시되어 있다. 여기서는, 혈액의 유전 특성이 혈당 함량에 의존하여 달라진다는 사실을 이용하고 있다. 엄지 손가락을 마이크로파 센서에 대고 누름으로써, 공진기의 디튜닝(detuning)을 통해 엄지 손가락의 유전 상수의 변동을 측정한다. 그러나 엄지 손가락을 누름으로써 혈액이 밀려나게 되고, 그것은 측정 결과의 왜곡을 가져올 수 있다. 또한, 측정을 연속적으로 수행할 수 없다. 또한, 혈당 함량을 결정하기 위한 측정 데이터의 평가가 각각의 환자에 의존하여 달라지고, 따라서 다른 환자에게서는 재현될 수 없다. 아울러, 그러한 방법에 의하면, 마이크로파 출력의 침투 깊이를 제어할 수 없어 모세관 혈액과 정맥 혈액 사이의 구별이 가능하지 않다. 또한, 유전 상수의 변동의 측정이 부정합과 관련하여 취약한 단일 포트 측정을 기반으로 하여 수행된다.
따라서 본 발명의 과제는 혈액 수치 파라미터, 예컨대 혈중 혈당의 농도를 검출하는 더욱 정확한 방법을 제공하는 것이다.
그러한 과제는 독립 청구항들의 특징들에 의해 해결된다. 바람직한 부가의 구성들이 종속 청구항들의 주제를 이루고 있다.
본 발명은 정맥 혈액에 의거하여 혈액 수치 파라미터가 결정될 수 있도록 마이크로파를 혈관에 직접 주입하는 경우에 혈액 수치 파라미터를 마이크로파 기반으로 정확하게 결정할 수 있다는 인식을 기반으로 하고 있다.
그를 위해, 혈관, 그 혈관을 둘러싼 지방 조직, 및 피부층을 횡전기파는 물론 황자기파가 전파성을 갖는 유전체 도파관 시스템으로서 해석할 수 있다는 또 다른 인식이 이용된다. 혈관에 의도적으로 마이크로파를 주입하는 것을 구현하기 위해, 예컨대 송신 측에 다수의 송신 안테나들이 마련되고 수신 측에 다수의 수신 안테나들이 마련될 수 있다. 모든 안테나 조합들의 순열에 의해, 예컨대 가장 작은 주입 손실들을 수반하는 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 포함한 안테나 쌍이 선택될 수 있다. 그러면 그 선택된 안테나 쌍을 혈액 수치 파라미터의 마이크로파 기반 검출에 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 송신 신호를 송신하는 다수의 송신 안테나들을 구비한 송신기, 적어도 하나의 수신 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나들을 구비한 수신기, 다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제1 검출 구성을 선택하고 다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제2 검출 구성을 선택하도록 형성된 프로세서, 및 송신 신호의 송신을 위해 제1 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하고 송신 신호의 송신을 위해 제2 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하도록 형성된 손실 검출기를 포함하되, 프로세서가 혈액 수치 파라미터의 검출을 위해 더 작은 손실량을 갖는 검출 구성을 선택하도록 형성되는, 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위한 검출 장치에 관한 것이다.
송신 신호들은 혈관의 방향으로 송신되는 것이 바람직하다. 송신 신호들의 수신 버전(received version)들인 수신 신호들을 기반으로 하여 그리고 송신 신호들을 기반으로 하여, 예컨대 가장 작은 주입 손실들을 갖는 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 포함한 안테나 쌍을 가장 작은 주입 손실을 수반하는 검출 구성으로서 선택할 수 있다. 주입 손실들은 예를 들어 전술한 손실량들, 예컨대 흡수선들 또는 감쇠량들의 비교를 기반으로 하여 검출될 수 있다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 제1 검출 구성의 선택 시에 제1 검출 구성의 송신 안테나에 의해 송신 신호를 송신하도록 형성되고, 수신기는 제1 검출 구성의 선택 시에 제1 검출 구성의 수신 안테나에 의해 수신 신호를 수신하도록 형성되며, 송신기는 제2 검출 구성의 선택 시에 제2 검출 구성의 송신 안테나에 의해 송신 신호를 송신하도록 형성되고, 수신기는 제2 검출 구성의 선택 시에 제2 검출 구성의 수신 안테나에 의해 수신 신호를 수신하도록 형성되며, 손실 검출기는 제1 검출 구성의 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하고 제2 검출 구성의 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 프로세서는 2개의 손실량들 중의 더 작은 손실량을 결정하기 위해 제1 손실량을 제2 손실량과 비교하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 검출 장치는 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나의 출력을 손실 검출기와 각각 연결하도록 형성된 스위치 매트릭스, 특히 프로세서에 의한 제어가 가능한 스위치 매트릭스를 포함한다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 송신 신호 생성기를 포함하고, 송신기 신호 생성기의 출력은 스위치 매트릭스에 의해, 특히 프로세서에 의한 제어가 가능한 스위치 매트릭스에 의해 다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 각각 연결될 수 있다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 제1 검출 구성의 선택 시와 제2 검출 구성의 선택 시에 동일한 주파수의, 특히 1 ㎓ 내지 15 ㎓의 주파수 영역에 있는 주파수의 송신 신호들 또는 동일한 모드 또는 동일한 파형의, 특히 횡전기 또는 횡자기 모드 또는 파형의 송신 신호들을 송신하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 적어도 2개의 송신 안테나들을 포함하고, 수신기는 적어도 2개의 수신 안테나들을 포함한다. 송신 안테나들과 수신 안테나들은 다이폴 안테나(dipole antenna)들 또는 프레임 안테나(frame antenna)들 또는 패치 안테나(patch antenna)들일 수 있다.
일 실시 형태에 따르면, 손실 검출기는 네트워크 분석기(network analyzer), 특히 스칼라 네트워크 분석기나 벡터 네트워크 분석기, 또는 파워 검출기(power detector)를 포함한다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위해 선택된 검출 구성의 송신 안테나를 사용하여 제1 주파수를 갖는 제1 송신 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 송신 신호를 혈관에 주입하도록 형성된다. 수신기는 선택된 검출 구성의 수신 안테나를 사용하여 제1 주파수에서 제1 수신 신호를 수신하고, 제2 주파수에서 제2 수신 신호를 수신하도록 형성된다. 손실 검출기는 제1 주파수에서의 제1 송신 신호와 제1 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 결정하고, 제2 주파수에서의 제2 송신 신호와 제2 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 결정하도록 형성된다. 프로세서는 제1 기준 손실량에 대한 제1 손실량의 제1 주파수 편이(frequency shift)를 결정하고, 제2 기준 손실량에 대한 제2 손실량의 제2 주파수 편이를 결정하며, 제1 주파수 편이와 제2 주파수 편이를 기반으로 하여 혈액 수치 파라미터를 산출하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 선택된 검출 구성의 송신 안테나를 사용하여 제1 주파수를 갖는 제1 송신 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 송신 신호를 혈관에 주입하도록 형성된다. 수신기는 선택된 검출 구성의 수신 안테나를 사용하여 제1 주파수에서 제1 수신 신호를 수신하고, 제2 주파수에서 제2 수신 신호를 수신하도록 형성된다. 프로세서는 제1 송신 신호와 제1 수신 신호를 기반으로 하여 제1 전기 손실량을 산출하고, 제2 송신 신호와 제2 수신 신호를 기반으로 하여 제2 전기 손실량을 산출하며, 더 큰 전기 손실량을 갖는 주파수에 의존하여 혈액 성분의 이완 시간 상수를 결정하고, 이완 시간 상수의 혈액 수치 파라미터 사이의 이미 알려져 있는 관계를 기반으로 하여 혈액 수치 파라미터를 산출하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 손실 검출기는 제1 손실량과 제2 손실량의 결정을 위해 투 포트 측정(two port measurement)을 수행하도록, 특히 투 포트 측정에 의해 순방향 투과 계수(forward transmisison factor) S21을 결정하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 손실 검출기는 다음의 식을 기반으로 하여 제1 손실량과 제2 손실량을 각각 결정하도록 형성된다:
Figure 112013048538590-pct00001
,
여기서, PVerlust는 각각의 손실량을 나타내고, S11은 입력 반사 계수를 나타내며, S21은 순방향 투과 계수를 나타낸다.
일 실시 형태에 따르면, 송신기는 송신 신호를 하나의 모드 또는 하나의 파형으로서, 특히 횡전기파(TE 파) 또는 횡자기파(TM 파) 또는 횡전자파(TEM 파) 또는 HE 파로서 주입하도록, 특히 혈관의 진로 또는 혈액 흐름 방향에 대해 길이 방향으로 또는 횡 방향으로 주입하도록 형성된다.
일 실시 형태에 따르면, 혈액 수치 파라미터는 혈액 성분, 특히 포도당과 같은 당, 젖산 또는 유산, 또는 산소의 농도이다.
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 적어도 하나의 송신 신호를 송신하는 다수의 송신 안테나들을 구비한 송신기와 적어도 하나의 수신 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나들을 구비한 수신기를 사용하여 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하는 방법으로서, 다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제1 검출 구성을 선택하는 단계, 송신 신호의 송신을 위해 제1 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하는 단계, 다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제2 검출 구성을 선택하는 단계, 송신 신호의 송신을 위해 제2 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하는 단계, 및 혈액 수치 파라미터의 검출을 위해 더 작은 손실량을 갖는 검출 구성을 선택하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.
또 다른 방법 단계들은 검출 장치의 기능으로부터 바로 드러날 것이다.
첨부 도면들을 참조하여 또 다른 실시예들을 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 검출 장치의 블록 선도이고;
도 2는 검출 장치의 블록 선도이며;
도 3은 사람의 팔뚝의 횡단면의 모델이고;
도 4A 내지 도 4D는 안테나들이며;
도 5A는 전기 다이폴 안테나이고;
도 5B는 여기자(exciter) 어셈블리이며;
도 6A 및 도 6B는 여기자 어셈블리이고;
도 7A는 루프 안테나(701)이며;
도 7B는 여기자 어셈블리이고;
도 8은 여기자 어셈블리이며;
도 9는 여기자 어셈블리이고;
도 10은 여기자 어셈블리이며;
도 11은 여기자 어셈블리이고;
도 12는 검출 장치의 원리적 회로도이며;
도 13은 흡수 최대점의 주파수 편이이고;
도 14는 투과 특성이며;
도 15는 주파수 편이이고;
도 16은 주파수에 따른 실수 유전 상수(ε')와 복소 유전 상수(ε")를 예시하기 위한 도표이며;
도 17은 이완 시간 상수(τ)와 혈중 포도당 농도 사이의 관계를 예시하기 위한 도표이고;
도 18은 통신 장치를 포함한 검출 장치의 개략적인 블록 선도이며;
도 19는 암 밴드(arm band)의 개략적인 블록 선도이고;
도 20은 암 밴드의 일부의 개략적인 블록 선도이며;
도 21은 암 밴드의 일부의 개략적인 블록 선도이고;
도 22는 검출 장치의 전극들의 배열의 개략적인 블록 선도이다.
도 1은 예컨대 혈당의 농도와 같은 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위한 검출 장치(100)의 블록 선도를 도시하고 있다. 그러한 검출 장치는 도 1에 개략적으로 도시된 혈관(103)에 적어도 하나의 송신 신호, 예컨대 마이크로파 신호를 주입하도록 형성된 송신기(101)를 포함한다.
검출 장치(100)는 적어도 하나의 수신 신호를 수신하도록 형성된 수신기(105)를 더 포함한다.
검출 장치(100)는 예컨대 파워 검출기를 포함할 수 있는 손실 검출기(107)를 더 포함한다. 손실 검출기(107)는 송신기(101) 및 수신기(105)와 커플링된다.
검출 장치는 손실 검출기(107)와 커플링된 프로세서(109)를 더 포함한다.
선택적으로, 검출 장치(100)는 예컨대 프로세서(109)가 그리고 선택적으로 손실 검출기(107)가 액세스할 수 있는 메모리(111)를 더 포함할 수 있다.
송신기(101)는 예컨대 하나 이상의 송신 신호들을 송신하는 하나 이상의 송신 안테나들을 포함할 수 있고, 그 송신 안테나들은 다이폴 안테나들 또는 프레임 안테나들 또는 패치 안테나들로서 형성될 수 있다. 그와 유사하게, 수신기(105)는 하나 이상의 수신 신호들을 수신하는 하나 이상의 수신 안테나들을 포함할 수 있다. 프로세서(109)는 다수의 검출 구성들을 순차적으로 선택하도록 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 각각의 검출 구성은 단일의 송신 안테나와 단일의 수신 안테나를 포함하는데, 송신 안테나들이 서로 이격되어 있고 수신 안테나들이 서로 이겨되어 있을 수 있다. 하나의 검출 구성의 선택 시에, 송신기(101)는 그에 속한 송신 안테나를 여기하여 송신 신호를 송신하고, 수신기(105)는 각각의 수신 안테나를 사용하여 수신 신호를 수신한다.
송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여, 손실 검출기(107)는 예컨대 에너지 흡수와 같은 전자기 손실량을 결정할 수 있다. 다음 단계로, 또 다른 검출 구성을 송신 신호를 송신하는데 사용하여 또 다른 손실량을 검출한다. 그러한 방식으로, 다수의 검출 구성들을 차례대로 또는 임의의 순서로 사용하여 혈관(103)에 송신 신호를 주입하고, 각각의 검출 구성에서 손실 검출기(107)에 의해 손실량을 결정한다. 프로세서(109)는 예컨대 손실량들을 비교하여 가장 작은 손실량을 수반하는 검출 구성을 선택할 수 있다. 선택된 검출 구성은 후술할 바와 같이 혈액 수치 파라미터를 검출하는데 사용된다.
도 2는 도 1에 도시된 검출 장치(100)의 일 실시 형태일 수 있는 검출 장치를 도시하고 있다. 그러한 검출 장치는 예컨대 튜닝 가능한 발진기(202) 및 다수의 송신 안테나들(203)을 구비할 수 있는 송신기(201)를 포함한다. 검출 장치는 예컨대 파워 검출기를 구비할 수 있는 손실 검출기(205)를 더 포함한다. 또한, 다수의 수신 안테나들(207)을 구비하는 수신기(206)가 마련된다.
튜닝 가능한 발진기(202)의 출력은 예컨대 스위치 매트릭스(209)에 의해 예컨대 차례대로 또는 임의의 순서로 스위칭 가능하게 각각의 안테나 입력과 연결될 수 있다. 그와 유사하게, 다수의 수신 안테나들(207)의 수신 안테나의 각각의 출력은 스위치 매트릭스(211)에 의해 손실 검출기(205)와 연결될 수 있다.
스위치 매트릭스들(209, 211)은 스위치, 예컨대 트랜지스터 스위치를 포함할 수 있다.
스위치 매트릭스(211)와 스위치 매트릭스(209)에 의해, 예컨대 도 2에 개략적으로 도시된 혈관(213)에 마이크로파 신호가 최적으로 주입되는 것을 가능하게 하는 하나의 송신 안테나와 하나의 수신 안테나를 포함한 쌍이 선택될 수 있다. 스위치 매트릭스들(209, 211)에 의해, 예컨대 제1 송신 안테나(215)로부터 시작하여 차례대로 안테나 쌍이 선택되고, 그것에 의해 송신 신호가 송신된다.
수신 측에서는, 스위치 매트릭스(211)에 의해, 예컨대 수신 안테나(217)로부터 시작하여 해당 수신 신호를 수신하는 수신 안테나들이 차례대로 선택되는데, 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 손실량을 검출한다. 다음 단계로, 예컨대 수신 안테나(219)가 선택되고, 역시 송신 신호와 그 수신 안테나(219)에 의해 수신된 수신 신호를 기반으로 하여 손실 검출기에 의해 손실량을 검출한다. 그 다음으로, 예컨대 수신 안테나(221)가 선택되고, 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 또 다른 손실량을 검출한다. 다음 단계로, 수신 안테나(223)가 선택되고, 송신 신호와 그 수신 안테나(223)에 의해 수신된 수신 신호를 기반으로 하여 또 다른 손실량을 결정한다. 다음 단계로, 스위치 매트릭스(209)는 예컨대 또 다른 송신 안테나를 선택하여 전술한 단계들을 반복할 수 있다. 산출된 손실량들의 비교를 통해, 예컨대 가장 작은 손실량을 산출한다. 도 2에 도시된 예에서는, 예컨대 송신 안테나(215)와 수신 안테나(221)를 포함한 검출 구성이 가장 작은 주입 손실을 수반할 것으로 예상할 수 있는데, 왜냐하면 그 안테나들(215, 221)이 혈관의 바로 위에 놓여 혈관(213)에의 신호 주입을 가능하게 하기 때문이다. 그와 같이 선택된 검출 구성은 예컨대 혈액 수치 파라미터를 검출하는데 사용될 수 있다. 전술한 선택 단계들은 임의의 순서로 수행될 수 있다. 즉, 예컨대 송신 안테나(215)에 대해 모든 수신 안테나들 또는 몇 개의 수신 안테나들(207)을 테스트할 수 있다.
송신 안테나들(203) 또는 수신 안테나들(207)은 그 위치 및/또는 주로 여기하려고 하는 그 전자기장 성분들에 있어 상이할 수 있다. 그와 관련하여, 각각의 선택된 주파수에 대해, 예컨대 루프 안테나, 전기 다이폴 안테나, 또는 패치 안테나와 같은 최적의 여기자 타입 또는 여기자 위치를 선택할 수 있는 것이 스위치 매트릭스들(209, 211)에 의해 보장되게 된다.
도 2에 도시된 검출 장치는 예컨대 부풀릴 수 있는 암 밴드(inflatable arm band)에 통합될 수 있다. 예컨대, 제어 파라미터들의 측정들에 의해 이뤄질 수 있는 손실량들의 검출들 사이에 암 밴드로부터 공기를 빼내어 피부를 통풍시킴으로써 땀이 생기지 않게 할 수 있다. 이때, 측정들 사이의 시간 간격을 가변적으로 둘 수 있다. 측정들은 예컨대 10분의 간격으로 수행될 수 있다. 그러나 필요에 따라서는, 측정들이 더 자주 수행될 수 있고, 측정들의 빈도는 예컨대 식사를 하는 시점들에 의해 결정될 수 있다.
특히, 전극 플레이트에 의해 각각 형성될 수 있는, 피부에 놓인 송신 안테나들 또는 수신 안테나들이 측정들 사이의 중간 휴식기에 미끄러져 내릴 수 있기 때문에, 도 2에 도시된 다수의 여기자들의 선택에 의해, 혈관(213)의 위에 놓인 여기자를 선택하는 것이 보장될 수 있다. 따라서 각각의 스위치 매트릭스(209, 211)에 의해, 혈관(213)에 주입되는 마이크로파 에너지가 최대로 되는 것을 가능하게 하는 여기자가 선택될 수 있다.
이하, 예시적으로 도 1에 도시된 검출 장치(100)에 의해 혈액 수치 파라미터를 결정하는 것을 설명하기로 한다. 그러나 이하의 설명은 도 2에 도시된 검출 장치에도 마찬가지로 적용된다.
혈액 수치 파라미터를 검출하기 위해, 일 실시 형태에 따른 송신기(101)는 예컨대 도 1에 개략적으로 도시된 혈관(103)에 제1 주파수를 갖는 제1 송신 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 송신 신호를 주입하도록 형성될 수 있다. 제1 송신 신호와 제2 송신 신호는 예컨대 함께 광대역 신호를 제공할 수 있다. 송신기(101)는 제1 송신 신호와 제2 송신 신호를 예컨대 주파수 스윕(frequency sweep)에 의해 연달아 송신하도록 형성될 수 있다. 그를 위해, 송신기(101)는 예컨대 다이폴 안테나들 또는 프레임 안테나들 또는 패치 안테나들로서 형성될 수 있는 하나 이상의 송신 안테나들을 구비할 수 있다.
검출 장치(100)는 제1 주파수에서 제1 수신 신호를 수신하고 제2 주파수에서 제2 수신 신호를 수신하도록 형성된 수신기(105)를 더 포함한다. 그를 위해, 수신기는 하나 이상의 수신 안테나들을 구비할 수 있다.
검출 장치(100)는 예컨대 송신기(101) 및 수신기(105)와 커플링된 손실 검출기(107)를 더 포함하고, 손실 검출기(107)는 제1 송신 신호와 제1 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 결정하고 제2 송신 신호와 제2 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 결정하도록 마련된다.
검출 장치(100)는 손실 검출기(107)와 커플링된 프로세서(109)를 더 포함하고, 프로세서(109)는 제1 기준 손실량에 대한 제1 손실량의 제1 주파수 편이와 제2 기준 손실량에 대한 제2 손실량의 제2 주파수 편이를 결정하도록 마련될 수 있다. 프로세서(109)는 그 2개의 주파수 편이들을 기반으로 하여 혈액 수치 파라미터를 결정하도록 더 형성될 수 있다.
검출 장치(100)는 예컨대 프로세서(109)가 그리고 선택적으로 손실 검출기(107)가 액세스할 수 있는 메모리(111)를 더 포함한다. 메모리(111)에는, 예컨대 제1 및 제2 기준 손실량들 또는 다수의 기준 손실량들이 저장되어 있다. 기준 손실량들은 예를 들어 혈액 성분, 예컨대 혈당을 함유한 수용액의 흡수들 또는 흡수선들이다. 주파수 편이들을 기반으로 하여 파악된 손실량들은 주파수 편이 흡수들 또는 흡수선들일 수 있으므로, 주파수 편이들을 기반으로 하여 예컨대 혈당의 농도와 같은 혈액 수치 파라미터를 산출할 수 있다.
도 1 또는 도 2에 도시된 검출 장치(100)는 예컨대 사람의 팔뚝의 혈관, 피부층, 및 혈관을 둘러싼 지방 조직을 유전체 도파관 시스템으로서 해석할 수 있다는 인식을 이용하고 있다. 사람의 팔뚝의 구조가 Netter, F. N., Atlas der Anatomie, Thieme-Verlag, 2006에 개시되어 있다. 사람의 팔뚝은 횡단면에서 근육 조직으로 둘러싸인 2개의 뼈들로 이뤄져 있다. 근육 조직의 주위를 둘러 표면 정맥들이 분포한다. 뼈들, 근육 조직, 및 정맥들은 지방 조직에 의해 둘러지고, 지방 조직은 상부 피부층에 의해 덮인다. 표면 정맥들은 상대적으로 상부 피부층들에 가깝게 배치되고, 지방 조직에 의해 그 피부층들로부터 분리된다. 예컨대, 도 1에 도시된 송신기(101)와 수신기(105)가 상부 피부층 상에 놓이면, 송신기(101)는 혈관, 지방 조직, 및 피부층에 의해 형성된 유전체 도파관 시스템에 예컨대 횡전기파(TE 파) 또는 횡자기파(TM 파)를 주입하는데 사용될 수 있다. 이때, 피부층과 지방 조직은 피막 도파관(film waveguide)으로서 이해될 수 있다.
이제, 물질들의 복소 유전 상수를 결정하는데 이용될 수 있는 마이크로파 측정 헤드를 사용하면, 피부, 지방 조직, 및 정맥으로 이뤄진 물질 혼합체가 그 복소 유전 상수에 의해 특징져질 수 있다.
혈액 수치 파라미터를 검출하기 위해서는, 기본적으로 정맥 혈액만을 검출하는 것이 바람직하다. 그를 위해, 송신기(101)는 전자파의 형태의 송신 신호를 혈관(103)에 직접 주입하도록 형성될 수 있다. 송신기(101)와 수신기(105)는 각각 다수의 안테나들을 구비할 수 있고, 그에 따라 혈관에 전자파를 주입하기 위해 그리고 혈관(103)으로부터 전자파를 추출하기 위해 가장 작은 커플링 손실을 수반하는 송신 안테나와 수신 안테나가 각각 선택될 수 있다.
도 3A 내지 도 3C에는, 예컨대 유전체 도파관 시스템의 필드 시뮬레이션(field simulation) 또는 모델링에 사용될 수 있는 것과 같은, 사람의 팔뚝, 예컨대 손목의 횡단면의 단순화된 모델이 도시되어 있다. 도 3A에 도시된 바와 같이, 본 모델은 피부층(301), 혈관(303), 및 혈관(303), 예컨대 정맥을 둘러싼 지방 조직(305)을 포함한다. 도 3A에 도시된 모델은 도 3B에 도시된 유전체 도파관 및 도 3C에 도시된 유전체 피막 도파관을 포함한 유전체 도파관 시스템을 형성한다.
도 3B에 도시된 유전체 도파관은 혈관(303)과 그것을 둘러싼 지방 조직(305)을 포함한다. 그 반면에, 도 3C의 유전체 피막 도파관은 피부층(301)과 지방 조직(305)을 포함한다. 피부층(301), 지방 조직(305), 및 혈관(303)에 대해, 각각의 복소 유전 상수의 상이한 분산 거동(dispersive behavior), 즉 주파수 의존 거동을 각각 적용할 수 있다. 이때, 위쪽에 놓인 혈관(303)은 주파수에 따라 상이한 모드들 또는 파형들, 예컨대 TE 파, TM 파, TEM 파, 또는 HE 파가 전파성을 가질 수 있는 유전체 도파관으로서 해석된다. 그러한 유전체 도파관에서의 도파관 메커니즘에 더하여, 상부 피부층(301)에 의해 형성되는 도 3C에 도시된 피막 도파관의 형태의 도파관 메커니즘이 추가된다.
송신기(101)의 송신 안테나와 수신기(105)의 수신 안테나는 결정된 마이크로파 출력을 혈관(303)에 주입하였다가 그것을 예컨대 수 센티미터 후에 다시 추출하도록 형성될 수 있는 것이 바람직하다. 이때, 혈관(303)은 측정 구간으로서의 역할을 하고, 따라서 혈관(303)을 분산 소자(distributed element)로서 보아야지 더 이상 집중 소자(concentrated element)로서 볼 수 없다. 손실량들의 측정은 투 포트 측정을 기반으로 하여 수행되는 것이 바람직하다. 그럴 경우, 특히 검출 장치를 손목에 연결할 때에 도 3B에 따른 유전체 도파관에서 일차 모드들이 여기될 수 있고, 그에 따라 도 3C에 따른 피막 도파관에서 피막 도파관 모드들이 여기되는 것이 회피되어 혈액 수치 파라미터의 검출이 더 정확하게 수행될 수 있다.
유전체 도파관 시스템에서 일차 모드들을 여기하기 위해, 송신 신호의 선택된 주파수에 따라 상이한 모드들이 우세하게 될 수 있다는 점을 고려할 수 있다. 바람직하게는 전자기장이 피부층(301)에서 집중되는 그러한 모드들보다는 혈관(303)에서 전자기장의 집중을 보이는 모드 타입들이 선호될 수 있다. 도 3B에 도시된 유전체 도파관의 유전 특성들에 의거하면, 특정의 모드 타입들에 있어 전파 방향, 즉 혈관 진로의 방향으로의 길이 방향 성분들 Elongitudinal, Hlongitudinal이 횡 방향 성분들, 즉 혈관 진로를 가로지르는 성분들 Etransverse, Htransverse보다 더 강한 것으로 판명되었다. 따라서 검출하려는 주파수 영역에서 혈관(303)에의 마이크로파 출력의 최대 주입을 가능하게 하는 모드들이 여기되는 것이 바람직하다.
도 4A 내지 도 4D에는, 송신 안테나들로서, 즉 여기자로서 사용될 수 있거나, 수신 안테나들로서도 사용될 수 있는 몇 가지 안테나들이 예시적으로 도시되어 있다.
도 4A에 도시된 안테나(401)는 제1 안테나 섹션(403)과 제2 안테나 섹션(405)을 포함한 전기 다이폴로서 구성된다. 안테나 섹션들(403, 405)은 서로 이격되고, 예컨대 혈관(407)의 진로를 가로질러 배치된다. 그러한 안테나(401)의 여기는 급전선들(408)을 통해 이뤄질 수 있다. 그와 같이 배치된 다이폴은 예컨대 혈관의 진로 또는 혈액 흐름 방향을 가로질러 향하는 전기장 Etangential을 생성할 수 있다.
도 4B에는, 프레임 안테나일 수 있는 안테나(409)가 도시되어 있다. 그러한 프레임 안테나는 예컨대 사각형 또는 원형을 가질 수 있다. 프레임 안테나(409)가 혈관(407)에 대해 도 4B에 도시된 대로 배치될 경우, 예컨대 혈관(407)의 진로 또는 혈액 흐름 방향을 가로질러 향하는 자기장 Htangential이 여기된다. 그러한 안테나(409)의 여기는 급전선들(410)을 통해 이뤄질 수 있다.
도 4C에는, 제1 안테나 섹션(413)과 제2 안테나 섹션(415)을 포함한 전기 다이폴을 형성하는 안테나(411)가 도시되어 있다. 안테나 섹션들(413, 415)은 서로 이격되고, 도 4C에 도시된 급전선들(417)을 통해 여기된다. 그러한 안테나(411)에 의해 형성되는 전기 다이폴은 안테나 섹션들(413, 415)이 혈관(407)의 진로와 평행하게 배열되도록 혈관(407)의 진로에 대해 배치된다. 그럼으로써, 혈관의 진로의 방향으로 향한 전기장 성분 Elongitudinal을 갖는 전기장이 여기된다.
도 4D는 예컨대 루프 안테나를 형성하는 사각형 또는 원형 프레임의 형태로 예컨대 패치 안테나로서 형성될 수 있는 프레임 안테나(419)를 도시하고 있다. 그러한 프레임 안테나(419)는 급전선들(420)을 통해 여기되고, 도 4D에 도시된 바와 같이 자기장이 혈관(407)의 진로의 방향으로 향한 성분 Hlongitudinal을 갖도록 혈관(407)의 진로 또는 혈액 흐름 방향에 대해 배치된다.
측정할 각각의 주파수 영역은 예컨대 어떤 스펙트럼선들, 즉 어떤 흡수선들을 검출할지에 따른다. 예컨대, 물질의 특징적 흡수선들을 관찰하거나, 특정 혈액 성분이 물 또는 해당 농도의 혈액 성분을 함유한 수용액의 흡수선들에서 보이는 효과를 관찰할 수 있다.
도 4A 내지 도 4D에 도시된 안테나들은 전기 다이폴이거나 자기 프레임 안테나들이다. 또한, 패치 안테나도 사용될 수 있다. 전기 다이폴은 주로 전기 다이폴의 축으로 전기장을 생성한다. 그러한 축은 도 4A에 도시된 바와 같이 혈관(407) 또는 혈액 흐름 방향에 대해 접선 방향으로 향하거나, 도 4C에 도시된 바와 같이 혈관(407)의 방향 또는 혈액 흐름 방향으로 향할 수 있다. 주로 자기장을 생성하려고 할 경우에는, 프레임 안테나를 여기자로서 사용할 수 있다. 프레임 안테나를 형성하는 프레임에 의해 펼쳐진 면 상의 면 벡터가 혈관(407) 또는 혈액 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 향하면, 도 4B에 도시된 바와 같이 자기장도 역시 혈관(407)을 가로지르는 방향으로 향한다. 그 반면에, 면 벡터가 혈관(407)의 방향으로 향하면, 예컨대 도 4D에 도시된 바와 같이 자기장도 역시 혈관(407)의 방향으로 향한다. 그러면 도 4A 내지 도 4D에 도시된 여기자들 중의 하나를 선택하는 것으로부터 예컨대 주된 여기 모드 또는 파형이 주어지게 된다.
도 5A는 송신 안테나 또는 수신 안테나로서 사용될 수 있는 전기 다이폴 안테나(501)를 도시하고 있다. 그러한 전기 다이폴 안테나(501)는 기판(508)에 배치되어 급전선들(507)에 의해 여기될 수 있는 다이폴 안테나 섹션들(503, 505)을 포함한다. 본 다이폴 안테나(501)는 송신 안테나로서 또는 수신 안테나로서 사용될 수 있다.
도 5B는 피부층(515)의 아래의 혈관(513)의 진로의 방향으로 배열된 송신기의 송신 안테나(509)와 수신기의 수신 안테나(511)를 포함한 여기자 어셈블리를 도시하고 있다. 송신 안테나(509)와 수신 안테나(511)는 예컨대 도 5A에 따른 전기 다이폴 안테나들이다. 도 5B에 도시된 배열에서는, 혈관(513)의 진로의 방향 또는 혈액 흐름 방향의 전기장 성분들을 갖는 전기장이 생성된다.
도 6A는 피부층(607)의 아래에 놓인 혈관(605)의 진로 방향을 가로지르는, 즉 혈액 흐름 방향을 가로지르는 송신기의 송신 안테나(601)와 수신기의 수신 안테나(603)를 포함한 여기자 어셈블리를 도시하고 있다. 송신 안테나(601)와 수신 안테나(603)는 예컨대 도 5A에 도시된 전기 다이폴 안테나에 의해 각각 형성될 수 있다. 도 6B에는, 혈액 흐름 방향에 대한 다이폴 안테나 섹션들(503, 505)의 배열이 더 상세하게 도시되어 있다.
도 7A는 원형 프레임(703)과 원형 프레임(703)의 여기를 위한 급전선들(705)을 포함한 루프 안테나(701)를 도시하고 있다. 그러한 루프 안테나(701)는 예컨대 송신 안테나로서 또는 수신 안테나로서 사용될 수 있다. 원형 프레임(703)과 급전선들(705)은 기판에 배치될 수 있다.
도 7B는 도 7A에 따른 루프 안테나들로서 형성될 수 있는 송신기의 송신 안테나(707)와 수신기의 수신 안테나(709)를 포함한 여기자 어셈블리를 도시하고 있다. 루프 안테나들(707, 709)은 예컨대 원형 프레임(703)이 혈관(711)의 위에 배치되되, 급전선들(705)이 혈관(711)의 진로를 가로질러, 즉 혈관 흐름 방향을 가로질러 향하도록 배치된다. 그럼으로써, 송신기 측에서 혈관(711)의 진로를 가로질러 향하는 자기장 성분 H를 갖는 자기장이 생성된다.
도 8은 송신기의 송신 안테나(801)와 수신기의 수신 안테나(803)의 여기자 어셈블리를 혈관(805)에 대해 도시하고 있다. 송신 안테나(801)와 수신 안테나(803)는 예컨대 도 7A에 도시된 형태를 갖는 루프 안테나들일 수 있다. 그들은 예컨대 원형 프레임들(703)이 혈관(705)의 위에 각각 배치되고 급전선들(705)이 서로 떨어져 혈관(805)의 진로와 평행하게 향하여 연장되도록 배치된다. 그럼으로써, 혈관(8705)의 진로에 대해 수직으로 향하는 자기장 성분 H가 생성되는데, 그 자기장 성분 H는 원형 프레임(803)에 의해 펼쳐진 면의 법선의 방향으로 향한다.
도 9는 예컨대 도 7A에 도시된 루프 안테나의 형태를 갖는 송신기의 송신 안테나(901)를 포함한 여기자 어셈블리를 도시하고 있다. 송신 안테나(901)는 예컨대 프레임(703)에 의해 펼쳐진 면의 법선이 혈관(903)의 진로의 방향으로 향하도록 혈관(903)에 대해 배치된다. 그러한 배치는 예컨대 혈관(903)이 꺾일 경우에 구현될 수 있다. 그럼으로써, 혈관(903)의 진로의 방향으로 향하는 자기장 성분 H가 생성된다.
도 10은 예컨대 도 7A에 도시된 형태를 갖는 루프 안테나이고 기판(1001), 예컨대 플라스틱 기판에 배치될 수 있는 송신 안테나(701)를 포함한 여기자 어셈블리를 도시하고 있다. 송신 안테나(701)는 원형 프레임(703)에 의해 펼쳐진 면의 법선이 혈관(1003)의 진로의 방향으로 향하도록 혈관(1003)의 위에 배치된다. 그럼으로써, 혈관(1003)의 진로의 방향으로, 즉 혈액 흐름 방향으로 향하는 자기장 성분 H를 갖는 자기장이 생성된다.
도 11은 패치 안테나 면(1103)과 급전선들(1105)을 갖는 패치 안테나일 수 있는 송신 안테나(1101)를 포함한 여기자 어셈블리를 도시하고 있다. 패치 안테나 면(1103)은 예컨대 혈관(1107)의 위에 배치되고, 그럼으로써 혈관(1107)의 진로의 방향으로, 즉 혈액 흐름 방향으로 향하는 전기장 성분 E를 갖는 전기장이 생성된다.
일 실시 형태에 따르면, 손실 검출기(107)는 예컨대 스칼라 측정 또는 벡터 측정 또는 출력 측정을 수행하도록 형성된다. 손실량들의 결정을 위해, 측정 파라미터 S21의 크기를 검출하는 간단한 분광 측정이 수행될 수 있다.
Figure 112013048538590-pct00002
의 측정은 예컨대 도 12에 도시된 검출 장치에 의해 수행될 수 있다. 그러한 검출 장치는 튜닝 가능한 발진기일 수 있는 송신 신호 생성기(1201)를 구비한 송신기를 포함한다. 송신 신호 생성기(1201)의 출력은 송신 안테나(1203)와 연결된다. 검출 장치는 수신 안테나(1205)를 구비한 수신기를 더 포함하고, 수신 안테나(1205)의 출력은 손실 검출기(1207)와 연결된다. 손실 검출기는 예컨대 파워 검출기를 포함할 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 송신 안테나(1201)와 수신 안테나(1205)는 혈관(1209)의 위에 배치된다. 송신기는 송신기(101)의 특징들과 상응할 수 있고, 수신기는 수신기(105)의 특징들과 상응할 수 있으며, 손실 검출기(1207)는 손실 검출기(107)의 특징들과 상응할 수 있다.
그러나 S11의 측정 파라미터의 크기를 더 측정함으로써, 손실량들, 즉 도파관에서의 손실들을 결정함에 있어서의 정확도를 한층더 높일 수 있다. 손실량들을 예컨대 다음의 식을 기반으로 하여 결정될 수 있다:
Figure 112013048538590-pct00003
,
여기서, PVerlust는 각각의 손실량을 나타내고, S11은 입력 반사 계수를 나타내며, S21은 순방향 투과 계수를 나타낸다.
예컨대, 혈당의 농도와 같은 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위해, 예컨대 당을 함유한 수용액의 흡수선들의 주파수 편이들을 분석할 수 있다.
도 13은 예컨대 제1 혈당 농도에서의 흡수 최대점(1301)의 주파수 편이를 제1 혈당 농도보다 더 높은 제2 혈당 농도에서의 흡수 최대점(1303)의 주파수 편이와 대비하여 도시하고 있다. 여기서는, 손실량으로서 예시적으로 투과가 약 6 ㎓만큼 검출되었다.
흡수 최대점의 주파수 편이는 혈액 수치 파라미터에 대한, 예컨대 혈당 레벨에 대한 척도로 이해될 수 있다. 당을 함유한 수용액의 다수의 흡수들에서의 주파수 편이들을 관찰함으로써, 측정 신뢰도를 한층더 높일 수 있다.
도 14는 손목의 정맥 혈액의 광대역 투과 거동을 예시적으로 도시하고 있다. 여기서, 추이 곡선들(1401, 1403)은 상이한 혈당 농도들에서 흡수선들의 주파수 위치들이 상이하다는 것을 설명하고 있다. 예컨대, 혈당의 농도와 같은 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위해, 예컨대 흡수들 A, B, C, D, E, F, 및 G의 주파수 편이들을 의도적으로 파악할 수 있다. 즉, 예컨대 흡수 최대점 및/또는 흡수 최소점의 각각의 주파수에 대해, 예컨대 2 ㎓ 내지 12 ㎓의 주파수 영역에서 혈당 레벨에 따른 더 높거나 더 낮은 주파수들 쪽으로의 편이를 관찰할 수 있다.
도 15는 지름 6 ㎜의 혈관과 지름 3.4 ㎜의 혈관에 대한 도 14에 도시된 흡수들 A, B, C, D, E, F, 및 G의 주파수 편이들을 예시적으로 도시하고 있다. 혈당 레벨 변화에 대한 흡수들이 양의 방향으로는 물론 음의 방향으로도 주파수 편이들을 가질 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 다수의 흡수들 또는 흡수선들의 파악은 혈액 수치 파라미터, 예컨대 혈당 레벨의 더 정확한 검출을 가능하게 한다.
일 실시 형태에 따르면, 도 1에 도시된 검출 장치(100)의 송신기(101)는 제1 주파수를 갖는 제1 송신 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 송신 신호를 도 1에 개략적으로 도시된 혈관(103)에 주입하도록 형성될 수 있다. 제1 송신 신호와 제2 송신 신호는 예컨대 함께 광대역 신호를 제공할 수 있다. 송신기(101)는 제1 송신 신호와 제2 송신 신호를 순차적으로 연달아 혈관(103)에 주입하도록 더 형성될 수 있다. 수신기(105)는 제1 주파수에서 제1 수신 신호를 수신하고, 제2 주파수에서 제2 수신 신호를 수신하도록 유사하게 형성될 수 있다. 손실 검출기(107)는 제1 송신 신호와 제1 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 결정하고, 제2 송신 신호와 제2 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 결정하도록 마련될 수 있다. 프로세서(109)는 더 큰 손실량을 갖는 주파수에 의존하여 혈액 수치 파라미터의 이완 시간 상수 τ를 결정하도록 마련될 수 있다.
예컨대, 프로세서(109)는 제1 손실량이 제2 손실량보다 더 큰 경우에 제1 주파수에 의존하여 혈액 수치 파라미터의 이완 시간 상수를 결정한다. 그와 상응하게, 프로세서(109)는 제2 손실량이 제1 손실량보다 더 큰 경우에 제2 주파수에 의존하여 혈액 수치 파라미터의 이완 시간 상수(τ)를 결정한다. 그와 같이 함에 있어서는, 혈액 성분의 이완 시간 상수를 검출함으로써 혈액 수치 파라미터를 산출할 수 있다는 인식이 이용되고 있다. 결정할 혈액 수치 파라미터가 예컨대 혈중 혈당의 농도이면, 당을 함유한 수용액의 이완 시간 상수가 혈당의 농도에 대한, 즉 혈당 레벨에 대한 척도가 된다.
또한, 손실 검출기는 각각의 손실량을 결정하기 위해 복소 유전 상수 ε"을 산출하도록 구성될 수 있다.
그에 대해, 도 16은 주파수 f에 따른 실수 유전 상수 ε'과 복소 유전 상수 ε"을 예시하기 위한 도표를 도시하고 있다.
그와 관련하여, 도 16은 실수부 ε'이 높은 레벨로부터 낮은 레벨로 이행하는 주파수 영역에서 복소 유전 상수 ε"에 의해 표현되는 손실이 증가하는 것을 예시하고 있다. 그러한 손실의 증가는 분광학에서는 흡수선들로도 지칭된다. 여기서 이용할 수 있는 효과는 손실의 증가가 있는(ε"의 극대값 참조) 주파수가 혈당 함량의 농도에 따라 이동한다는 것이다.
예컨대, 사람의 신체는 80%까지 물로 이뤄져 있다. 물은 예컨대 19 ㎓와 50 ㎓에서 흡수선들을 갖는다. 그들의 디튜닝(detuning)을 결정하여 혈당 함량에 맵핑할 수 있다. ε"에서의 공진 주파수의 디튜닝은 도 16에 예시된 바와 같이 ε'의 평탄역(plateau) 변동보다 더 쉽게 검출될 수 있다. 특히, 커플링에서의 변동이 ε"의 극대값의 주파수를 이동시키지 않는다는 점에서 유리하다. 그럼으로써, ε"의 관찰로부터 혈당 농도를 결정하는 것이 ε' 또는 그 레벨 변동의 관찰로부터 혈당 농도를 결정하는 것보다 오류의 발생 소지가 훨씬 덜하다.
다수의 물질들에서 도 16의 것들과 같은 그러한 곡선들이 겹쳐지기 때문에, 물질의 분리가 허수 유전 상수 ε"의 관찰을 통해 더 간단하게 수행될 수 있는데, 왜냐하면 각각의 물질에 특정의 흡수 최대점이 할당될 수 있기 때문이다. 그러나 실수 유전 상수 ε'에서는, 관여된 물질들 모두의 모든 실수 유전 상수들 ε'의 합만이 관찰될 수 있다.
이미 전술한 바와 같이, 프로세서(109)는 더 큰 손실량 또는 최대 손실량을 갖는 주파수에 의존하여 혈액 수치 파라미터의 이완 시간 상수 τ를 결정하도록 형성된다. 또한, 프로세서(109)는 결정된 이완 시간 상수에 의존하여 혈중 포도당 농도와 같은 혈액 수치 파라미터를 산출하도록 형성된다.
그에 대해, 도 17은 이완 시간 상수(τ)와 혈중 포도당 농도 C/mol L-1 사이의 관계를 예시하기 위한 도표를 도시하고 있다. 여기서, 도 17에서 도면 부호 "1701"으로 인용된 영역은 임계 혈당 영역을 나타내고 있다.
또한, 프로세서(109)는 특히 식
Figure 112013048538590-pct00004
을 기반으로 하여 이완 시간 상수(τ)를 계산하도록 구성되는데, 여기서 fA는 산출된 손실량이 최대인 주파수를 나타낸다.
그 경우, 프로세서(109)는 복소 유전 상수 ε"의 허수부가 최대인 주파수를 결정하고, 결정된 주파수에 의존하여 이완 시간 상수(τ)를 산출하도록 형성되는 것이 바람직하다. 그러면 프로세서(109)는 그와 같이 결정된 주파수를 포도당 농도와 같은 혈액 수치 파라미터를 결정하는데 사용한다.
도 18은 검출 장치(1800)의 개략적인 블록 선도를 도시하고 있다. 검출 장치(1800)는 암 밴드(1801), 암 밴드(1801)에 고정된 센서 어레이(1803), 마이크로프로세서(1805), 송신 신호를 생성하는 마이크로파 회로(1807), 및 통신 장치(1809)를 포함한다.
센서 어레이(1803)는 예컨대 마이크로파 센서, 온도 센서, 및 습도 센서를 구비한다.
마이크로프로세서(1805)는 예컨대 도 1의 프로세서(109)와 같이 형성된다.
통신 장치(1809)는 검출 장치(1800)에 또 다른 통신 장치(1811)와의 통신 연결을 제공하도록 구성된다. 통신 장치(1809)는 예컨대 블루투스 인터페이스를 포함한다. 또 다른 통신 장치(1811)는 예컨대 이동 무선 기기, 스마트폰, 또는 GPS 기반 장치이다.
혈액 수치 파라미터의 측정들 또는 검출들은 전술한 검출 장치들 중의 하나의 검출 장치를 포함한 암 밴드가 측정들 중에 미리 정해진 또는 소정의 가압 압력으로 팔을 누를 경우에 그 암 밴드에 의해 재현 가능하게 제공될 수 있다. 주어진 가압 압력을 제공하기 위해, 암 밴드는 검출 장치에 추가하여 설정 장치를 구비한다. 그러한 설정 장치는 적어도 검출 장치가 혈액 수치 파라미터를 검출하는 동안 소정의 또는 미리 정해진 가압 압력을 설정할 수 있도록 형성된다.
검출 장치와 설정 장치를 포함한 암 밴드는 환자의 팔, 특히 환자의 손목의 영역에 착용하도록 구성된다.
손목이라는 그러한 위치는 특히 환자의 이동 자유의 제약을 요하지 않는다. 또한, 그러한 위치는 환자에게는 이미 종래의 혈당 측정기가 자리 잡던 곳이다. 암밴드를 손목에 착용하는 또 다른 이점은 그 부위에서는 통상적으로 맥이 짚어지고 피부가 얇아 오류의 근원들이 줄어들 수 있다는데 있다. 또한, 혈액 수치 파라미터를 검출하는 동안 검출 장치에 의한 마이크로파 기술적 정합(matching)을 변경할 수 있는 에어 갭(air gap)이 암 밴드의 가압에 의해 회피된다. 소정의 가압 압력으로의 암 밴드의 가압에 의해, 암 밴드가 각각의 환자의 해부학적 구조에 맞춰질 수 있다.
검출 장치와 설정 장치를 포함한 암 밴드를 사용함으로써, 혈액 수치 파라미터가 연속적으로 모니터링될 수 있다. 그러한 혈액 수치 파라미터의 일례는 전술한 바와 같이 혈당 농도이다. 혈당 농도를 연속적으로 모니터링할 수 있음으로써, 음식물 섭취와 혈당 상승 사이의 지연 시간의 결정이 가능하게 된다. 또한, 환자의 일간 변화 곡선에 매우 신속하게 반응할 수 있다. 특히, 고혈당 또는 저혈당 시에, 즉각 경보를 발할 수 있다.
또 다른 양태에 따라, 팔의 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하는 검출 장치와 암 밴드가 팔을 누르는 소정의 가압 압력을 설정하는 설정 장치를 포함하는 암 밴드를 제안한다. 검출 장치는 전술한 검출 장치들의 특징들을 가질 수 있다.
일 실시 형태에 따르면,측정은 협대역 대신에 광대역으로 수행된다. 송신 신호들은 예컨대 주파수 스윕에 의해 또는 광대역 신호의 부분 신호로서 혈관에 주입될 수 있다. 이제, S 파라미터의 바람직한 벡터 검출에 의해, 복소 유전 상수를 평가하지 그 실수부만을 평가하는 것이 아니다. 다수의 흡수선들의 주파수 편이들을 관찰함으로써, 혈액 수치 파라미터의 결정이 더 정확하게 수행될 수 있다. 그것은 투 포트 측정에 의해 측정되고 단일 포트 측정에 의해 수행되지 않는 것이 바람직하다.
도 19는 검출 장치(1901)와 설정 장치(1903)를 포함한 암 밴드(1900)의 일 실시예의 블록 선도를 도시하고 있다. 검출 장치(1901)는 팔의 혈관 내 혈액 중의 혈액 수치 파라미터를 검출하도록 구성된다. 검출하려는 혈액 수치 파라미터의 일례는 혈중 포도당 농도이다.
설정 장치(1903)는 암 밴드(1900)가 팔을 누르는 미리 정해질 수 있는 가압 압력을 설정하도록 구성된다. 설정 장치(1903)는 암 밴드(1900)의 소정의 가압 압력을 설정함으로써 검출 장치(1901)에 의한 혈액 수치 파라미터의 재현 가능한 검출을 보장한다. 그를 위해, 설정 장치(1903)는 특히 검출 장치(1901)가 혈액 수치 파라미터를 검출하는 동안 암 밴드(1900)의 가압 압력을 미리 정해질 수 있는 가압 압력으로 설정하도록 구성된다.
암 밴드(1900)는 특히 부풀릴 수 있는 암 밴드(1900)로서 형성된다. 그 경우, 설정 장치(1903)는 특히 미리 정해진 가압 압력의 설정을 위해 암 밴드(1900)를 부풀리도록 형성된 에어 펌프를 구비한다.
구체적으로, 검출 장치(1901)는 특히 적어도 하나의 고주파 신호를 혈관에 주입하도록 형성된 전극들을 포함한다. 고주파 신호는 혈액 수치 파라미터의 검출을 위한 파라미터를 공급하도록 형성된다. 그러한 파라미터의 일례는 혈액 수치 파라미터의 이완 시간 상수 τ를 구성하고 있다. 이때, 설정 장치(1903)는 특히 전극들이 팔을 누르는 가압 압력을 미리 정해질 수 있는 가압 압력으로 설정하도록 형성된다.
또한, 설정 장치(1903)는 검출 장치(1901)가 혈액 수치 파라미터를 검출하는 동안 암 밴드(1900)의 가압 압력을 팔에 균일하게 분포시키도록 형성될 수 있다. 또한, 설정 장치(1903)는 검출 장치(1901)가 혈액 수치 파라미터를 검출하는 동안 암 밴드(1900)가 균일하게 접하는 것을 보장하도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 20은 암 밴드(2000)의 일 실시예의 일부의 블록 선도를 도시하고 있다. 암 밴드(2000)는 검출 장치(2001)와 설정 장치(2003)를 포함한다. 검출 장치(2001) 및 설정 장치(2003)는 적어도 도 19의 검출 장치(1901) 및 설정 장치(1903)와 같이 형성된다. 또한, 도 20의 설정 장치(2003)는 센서 장치(2005)와 제어 장치(2007)를 구비한다. 센서 장치(2005)는 암 밴드(2000)가 팔을 누르는 현재의 가압 압력을 측정하도록 구성된다. 측정된 현재의 가압 압력에 의존하여, 제어 장치(2007)는 팔에 대한 소정의 가압 압력을 설정한다.
도 21은 암 밴드(2100)의 또 다른 실시예의 일부의 블록 선도를 도시하고 있다. 암 밴드(2100)는 검출 장치(2101)와 설정 장치(2103)를 포함한다. 설정 장치(2103)는 센서 장치(2105), 제어 장치(2107), 및 에어 펌프(2111)를 구비한다. 센서 장치(2105)는 암 밴드(2100)가 팔을 누르는 현재의 가압 압력을 측정한다. 제어 장치(2107)는 측정된 현재의 가압 압력에 의존하여 제어 신호를 제공한다. 제공된 제어 신호에 의해, 암 밴드(2100)를 부풀리도록 에어 펌프(2111)가 제어된다.
도 22에는, 팔의 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위한 검출 장치의 전극들(2203, 2205)의 어셈블리(2200)의 블록 선도가 도시되어 있다.
일반성을 제한함이 없이, 어셈블리(2200)가 단지 2개의 전극들(2203, 2205)만을 도시하고 있다. 어셈블리(2200)는 특히 검출 장치의 일부이고, 예컨대 5 ㎝ × 2 ㎝의 예시적 치수를 갖는 플레이트로서 형성된다. 전극들(2203, 2205)은 예컨대 5 ㎜ × 5 ㎜의 밑면을 갖는다. 전극들(2203, 2205)의 간격은 예컨대 1 내지 2 ㎝이다. 그럼으로써, 한편으로 충분히 강력한 투과가 달성되고, 다른 한편으로 신체에 침투하는 충분히 큰 침투 깊이가 보장되게 된다.

Claims (15)

  1. 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하기 위한 검출 장치로서,
    적어도 하나의 송신 신호를 송신하는 다수의 송신 안테나들(203)을 구비한 송신기(101);
    적어도 하나의 수신 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나들(207)을 구비한 수신기(105);
    다수의 송신 안테나들(203) 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들(207) 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제1 검출 구성을 선택하고, 다수의 송신 안테나들(203) 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들(207) 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제2 검출 구성을 선택하도록 형성된 프로세서(109); 및
    송신 신호의 송신을 위해 제1 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하고,
    송신 신호의 송신을 위해 제2 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하도록 형성된 손실 검출기(107)를 포함하되,
    프로세서는 혈액 수치 파라미터의 검출을 위해 더 작은 손실량을 갖는 검출 구성을 선택하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 송신기(101)는 제1 검출 구성의 선택 시에 제1 검출 구성의 송신 안테나에 의해 송신 신호를 송신하도록 형성되고, 수신기(105)는 제1 검출 구성의 선택 시에 제1 검출 구성의 수신 안테나에 의해 수신 신호를 수신하도록 형성되며,
    송신기(101)는 제2 검출 구성의 선택 시에 제2 검출 구성의 송신 안테나에 의해 송신 신호를 송신하도록 형성되고, 수신기(105)는 제2 검출 구성의 선택 시에 제2 검출 구성의 수신 안테나에 의해 수신 신호를 수신하도록 형성되며,
    손실 검출기(107)는 제1 검출 구성의 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하고 제2 검출 구성의 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 프로세서(109)는 2개의 손실량들 중의 더 작은 손실량을 결정하기 위해 제1 손실량을 제2 손실량과 비교하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나의 출력을 손실 검출기(107)와 각각 연결하도록 형성되면서 프로세서(109)에 의한 제어가 가능한 스위치 매트릭스(211)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 송신기(101)는 송신 신호 생성기(202)를 포함하고, 송신기 신호 생성기(202)의 출력은 프로세서(109)에 의한 제어가 가능한 스위치 매트릭스(209)에 의해 다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 각각 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 송신기(101)는 제1 검출 구성의 사용 시와 제2 검출 구성의 사용 시에 1 ㎓ 내지 15 ㎓의 주파수 영역 내에서의 동일한 주파수의 송신 신호들 또는 횡전기 모드 또는 횡자기 모드 중에서의 동일한 모드의 송신 신호들을 송신하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 송신기(101)는 다이폴 안테나들 또는 프레임 안테나들 또는 패치 안테나들 중에서 적어도 2개의 송신 안테나들(203)을 포함하거나, 수신기(105)는 다이폴 안테나들 또는 프레임 안테나들 또는 패치 안테나들 중에서 적어도 2개의 수신 안테나들(207)을 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 손실 검출기(107)는 스칼라 네트워크 분석기나 벡터 네트워크 분석기, 또는 파워 검출기를 포함하는 네트워크 분석기를 포함하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 혈액 수치 파라미터의 검출을 위해,
    송신기(101)는 선택된 검출 구성의 송신 안테나를 사용하여 제1 주파수를 갖는 제1 송신 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 송신 신호를 혈관에 주입하도록 형성되고;
    수신기(105)는 선택된 검출 구성의 수신 안테나를 사용하여 제1 주파수에서 제1 수신 신호를 수신하고, 제2 주파수에서 제2 수신 신호를 수신하도록 형성되며;
    손실 검출기(107)는 제1 주파수에서의 제1 송신 신호와 제1 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 결정하고, 제2 주파수에서의 제2 송신 신호와 제2 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 결정하도록 형성되고;
    프로세서(109)는 제1 기준 손실량에 대한 제1 손실량의 제1 주파수 편이를 결정하고, 제2 기준 손실량에 대한 제2 손실량의 제2 주파수 편이를 결정하며, 제1 주파수 편이와 제2 주파수 편이를 기반으로 하여 혈액 수치 파라미터를 산출하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 혈액 수치 파라미터의 검출을 위해,
    송신기(101)는 선택된 검출 구성의 송신 안테나를 사용하여 제1 주파수를 갖는 제1 송신 신호와 제2 주파수를 갖는 제2 송신 신호를 혈관에 주입하도록 형성되고;
    수신기(102)는 선택된 검출 구성의 수신 안테나를 사용하여 제1 주파수에서 제1 수신 신호를 수신하고, 제2 주파수에서 제2 수신 신호를 수신하도록 형성되며;
    프로세서(109)는 제1 송신 신호와 제1 수신 신호를 기반으로 하여 제1 전기 손실량을 산출하고, 제2 송신 신호와 제2 수신 신호를 기반으로 하여 제2 전기 손실량을 산출하며, 더 큰 전기 손실량을 갖는 주파수에 의존하여 혈액 성분의 이완 시간 상수를 결정하고, 이완 시간 상수 및 혈액 수치 파라미터 사이의 미리 정의된 관계에 기초하여 혈액 수치 파라미터를 산출하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 손실 검출기(107)는 제1 손실량과 제2 손실량의 결정을 위해 순방향 투과 계수 S21을 결정하기 위한 투 포트 측정을 수행하는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 손실 검출기(107)는 다음의 식을 기반으로 하여 제1 손실량과 제2 손실량을 각각 결정하도록 형성되되,
    Figure 112014120742926-pct00005
    ,
    여기서, PVerlust는 각각의 손실량을 나타내고, S11은 입력 반사 계수를 나타내며, S21은 순방향 투과 계수를 나타내는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 송신기(101)는 횡전기파(TE 파) 또는 횡자기파(TM 파) 또는 횡전자파(TEM 파) 또는 HE 파 중에서의 하나의 모드 또는 파형으로 송신 신호를 혈관의 진로 또는 혈액 흐름 방향에 대해 길이 방향으로 또는 횡 방향으로 주입하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 혈액 수치 파라미터는 포도당과 같은 당 또는 산소의 농도를 포함하는 혈액 성분의 농도인 것을 특징으로 하는 검출 장치.
  15. 적어도 하나의 송신 신호를 송신하는 다수의 송신 안테나들을 구비한 송신기와 적어도 하나의 수신 신호를 수신하는 다수의 수신 안테나들을 구비한 수신기를 사용하여 혈관 내 혈액의 혈액 수치 파라미터를 검출하는 방법으로서,
    다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제1 검출 구성을 선택하는 단계;
    송신 신호의 송신을 위해 제1 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제1 손실량을 검출하는 단계;
    다수의 송신 안테나들 중의 하나의 송신 안테나와 다수의 수신 안테나들 중의 하나의 수신 안테나를 포함한 제2 검출 구성을 선택하는 단계;
    송신 신호의 송신을 위해 제2 검출 구성이 선택된 경우에 송신 신호와 수신 신호를 기반으로 하여 제2 손실량을 검출하는 단계; 및
    혈액 수치 파라미터의 검출을 위해 더 작은 손실량을 갖는 검출 구성을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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