KR101531158B1 - 광열효과를 이용한 헤모글로빈 농도측정장치 및 그 방법 - Google Patents

광열효과를 이용한 헤모글로빈 농도측정장치 및 그 방법 Download PDF

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임진영
김훈
유수호
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Abstract

본 발명의 일측면에 따르면 광열효과를 이용한 혈액 내의 헤모글로빈 농도 측정 장치로서, 기준빔을 방출하는 기준광원부, 광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부, 채취된 혈액 시료를 수용하기 위한 큐벳부, 및 기준광원부에서 방출된 기준빔이 큐벳부에 입사되어 큐벳부의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 광열광원부에서 광열빔이 큐벳부에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생한 이후 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 계산하는 농도연산부를 포함하는 헤모글로빈 농도 측정 장치가 제공될 수 있다.

Description

광열효과를 이용한 헤모글로빈 농도측정장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR measuring concentration OF HEMOGLOBIN USING PHOTOTHERMAL EFFECT}
본 발명은 헤모글로빈 농도측정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광열효과를 이용한 헤모글로빈 농도측정장치 및 그 방법에 관한 것이다.
헤모글로빈은 적혈구에 존재하는 철-함유 단백질로, 혈액 중 산소의 주요 운반수단이다. 헤모글로빈의 결핍은 빈혈 증상으로 이어진다. 빈혈은 그 원인이 매우 다양하며, 헤모글로빈 농도 측정은 빈혈의 원인별 분류에 사용된다. 예를 들면 철분이 부족하여 생긴 빈혈인 경우에는 이들 적혈구 지수들이 감소하고 비타민 B12결핍이나 엽산 결핍에 의한 빈혈에서는 증가한다. 기타 수많은 원인에 의해 빈혈이 발생할 수 있는데 진단 별로 적혈구 지수들 양상이 다르므로 처음 빈혈을 감별 진단하는 데 혈색소양의 측정이 매우 중요하다. 또한 헤모글로빈 함량은 철결핍의 민감한 지표로 이러한 지표는 철결핍으로 인한 질환의 진단 또는 정맥 내 철분요법의 효능을 모니터링하는데 사용된다.
이와 같이 헤모글로빈 함량은 여러 질환의 진단 등에 이용될 수 있으므로 혈액 내 헤모글로빈 농도를 측정하기 위해 다양한 기술이 개발되어왔다. 헤모글로빈 농도 측정의 기준이 되는 기술은 시안화칼륨(KCN)을 이용하여 헤모글로빈의 지질 이중층을 파괴하여 비색분석(colorimetric analysis)을 하는 것이다. 그러나 헤모글로빈 농도를 측정할 때마다 독성 화학물질을 사용해야 하는 문제점이 있다. 상기 방법 이외의 다른 방법으로 전기화학적방법, 면역분석법 등이 제시되고 있으나, 이와 같은 방법들은 모델링 의존도가 높거나, 정확성이 떨어지며, 미세전자기계시스템(MEMS)이나 전기화학(electrochemistry)을 이용한 추가적인 센서의 제조가 필요하며 농도측정에도 긴 시간이 소요되는 문제점이 있다.
한국공개특허 2002-0081763
본 발명의 실시 예들은 기준빔을 방출하는 기준광원부, 광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부, 채취된 혈액 시료를 수용하기 위한 큐벳부로 이루어진 간단한 구성으로 화학약품의 첨가없이 정확도 높은 헤모글로빈 농도를 측정 하고자 한다.
또한, 기준광원부에서 방출된 기준빔이 큐벳부에 입사되어 큐벳부의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 광열광원부에서 광열빔이 상기 큐벳부에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈 농도를 정확히 측정하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면 광열효과를 이용한 혈액 내의 헤모글로빈 농도 측정 장치로서, 기준빔을 방출하는 기준광원부(100); 광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부(200); 채취된 혈액 시료를 수용하기 위한 큐벳부(300); 및 상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 상기 광열광원부(200)에서 광열빔이 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 계산하는 농도연산부(400)를 포함하는 헤모글로빈 농도 측정 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 기준빔은 파장이 800 nm 내지 2000 nm 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광열빔은 파장이 300 nm 내지 600nm 인 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
또한, 상기 기준광원부(100)는 광대역 파장대의 빛을 방출하는 기준빔발생부(110)를 포함하며, 상기 기준빔발생부(110)는 초발광다이오드(SLD), LED, Supercontinuum laser, Wavelength-swept laser 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준빔발생부(110)에서 방출된 광신호를 상기 큐벳부(300)에 전달하고 상기 큐벳부(300)에서 반사되어 돌아오는 간섭신호를 농도연산부(400)로 전달하는 광신호전달부(120)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광신호전달부(120)는 광커플러, 자유공간 간섭계, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 큐벳부(300)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질로서, 상부반사층(310)과 하부반사층(320)을 포함하며, 혈액 시료는 상기 상부반사층(310)과 하부반사층(320) 사이에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광열광원부(200)는 DPSS(diode pumped solid state) 레이저, LED, 레이저다이오드(laser diode) 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광열광원부(200)의 전방에는 광열광원부(200)에서 방출하는 빔에 모듈레이션을 주기 위한 모듈레이션발생부(500)가 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모듈레이션발생부(500)는 광쵸퍼(optical chopper), AOM(acousto-optical modulator), EOM(electro-optical modulator) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하되, 모듈레이션발생부(500)에 의하여 모듈레이션된 간섭신호의 위상변화정보를 푸리에 변환하여 해당 모듈레이션 주파수에서 peak값을 이용하여 헤모글모빈의 농도로 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 기준빔을 방출하는 기준광원부(100); 광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부(200); 채취된 혈액 시료를 수용하기 위한 큐벳부(300); 및 상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 상기 광열광원부(200)에서 광열빔이 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 계산하는 농도연산부(400)를 포함하는 헤모글로빈 농도 측정 장치를 이용하여, 상기 큐벳부(300)에 혈액 시료를 제공하는 혈액시료제공단계; 상기 기준광원부(100)에서 기준빔을 방출하는 기준빔방출단계; 상기 기준빔방출단계에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어, 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상을 검출하는 기준 간섭신호검출단계; 상기 광열광원부(200)에서 광열빔을 방출하는 광열빔방출단계; 상기 광열광원부(200)에서 광열빔을 방출하여 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생하는 광열효과발생단계; 상기 광열효과발생단계 이후 상기 기준광원부(100)에서 기준빔을 방출하여 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어, 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상 변화를 검출하는 간섭신호위상변화검출단계; 및 상기 간섭신호의 위상 변화와 헤모글모빈 농도와의 관계에 따라 헤모글로빈 농도를 연산하는 헤모글로빈농도연산단계를 포함하는 헤모글로빈 농도측정방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 기준빔은 파장이 800 nm 내지 2000 nm 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광열빔은 파장이 300 nm 내지 600nm 인 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
또한, 상기 기준광원부(100)는 광대역 파장대의 빛을 방출하는 기준빔발생부(110)를 포함하며, 상기 기준빔발생부(110)는 초발광다이오드(SLD), LED, Supercontinuum laser, Wavelength-swept laser 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준빔발생부(110)에서 방출된 광신호를 상기 큐벳부(300)에 전달하고 상기 큐벳부(300)에서 반사되어 돌아오는 간섭신호를 농도연산부(400)로 전달하는 광신호전달부(120)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광신호전달부(120)는 광커플러, 자유공간 간섭계, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 큐벳부(300)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질로서, 상부반사층(310)과 하부반사층(320)을 포함하며, 혈액 시료는 상기 상부반사층(310)과 하부반사층(320) 사이에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광열광원부(200)는 DPSS(diode pumped solid state) 레이저, LED, 레이저다이오드(laser diode) 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광열광원부(200)의 전방에는 광열광원부(200)에서 방출하는 빔에 모듈레이션을 주기 위한 모듈레이션발생부(500)가 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 모듈레이션발생부(500)는 광쵸퍼(optical chopper), AOM(acousto-optical modulator), EOM(electro-optical modulator) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값dl 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하되, 모듈레이션발생부(500)에 의하여 모듈레이션된 간섭신호의 위상변화정보를 푸리에 변환하여 해당 모듈레이션 주파수에서 peak값을 이용하여 헤모글모빈의 농도로 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 기준빔을 방출하는 기준광원부, 광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부, 채취된 혈액 시료를 수용하기 위한 큐벳부로이루어진 간단한 구성으로 화학약품의 첨가없이 정확도 높은 헤모글로빈 농도를 측정할 수 있다.
또한, 기준광원부에서 방출된 기준빔이 큐벳부에 입사되어 큐벳부의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 광열광원부에서 광열빔이 상기 큐벳부에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 정확히 측정하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치의 구성도이다.
도 2는 헤모글로빈의 흡수스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치의 농도연산부에서 역푸리에 변환하는 한 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치에서, 광열효과발생에 따른 위상변화를 도시한 것으로서, (a)는 기준빔만 입사되는 경우의 위상변화, (b)는 기준빔이 입사되는 도중 광열빔이 입사되면서 발생하는 위상변화, (c)는 기준빔이 입사되는 도중 광열빔에 모듈레이션이 적용되어 입사되는 경우에 발생하는 위상변화를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치의 농도연산부에서 위상변화정보를 푸리에 변환하여 PT SD-OCR Signal을 구하는 예이다.
도 6은 혈액구성요소인 혈장, 백혈구, 적혈구에서 광열빔 세기변화에 따른 PT SD-OCR Signal 변화를 도시한 것이다.
도 7은 헤모글로빈 농도와 광열빔 세기의 변화에 따른 PT SD-OCR Signal 변화를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치에서의 측정결과와 헤모글로빈농도측정의 표준방법 분석결과를 비교하여 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치의 구성도이다. 본 발명은 혈액 내의 헤모글로빈 농도를 측정하기 위해 혈액에서 채취된 소량의 혈액시료에 두 가지 다른 파장의 빛을 이용하여 각각 광학간섭신호와 광열효과(Photothermal Effect)를 발생시키고, 이때, 광열효과에 의한 간섭신호의 위상의 변화가 헤모글로빈 농도와 상응하는 관계를 이용하는 것을 기본 개념으로 하고 있다.
이를 바탕으로 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도 측정 장치는 광열효과를 이용한 혈액 내의 헤모글로빈 농도 측정 장치로서, 기준빔을 방출하는 기준광원부(100); 광열효과를 발생시키기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부(200); 채취된 혈액 시료를 수용하기 위한 큐벳부(300); 및 상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 상기 광열광원부(200)에서 광열빔이 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 계산하는 농도연산부(400)를 포함한다.
기준광원부(100)는 기준빔을 방출하는 구성으로 광간섭계의 원리를 이용하기 위해서, 기준빔발생부(110)로서 광대역파장대(Broadband) 빛을 방출할 수 있는 초발광다이오드(SLD), LED, Supercontinuum laser, Wavelength-swept laser 등의 장치가 이용될 수 있다.
이때, 기준빔은 혈액 시료에 의하여 흡수되지 않고 반사되어야 그 위상변화 등을 확인할 수 있다. 도 2는 헤모글로빈의 흡수스펙트럼을 나타낸 것인데 도 2를 참조하면, 헤모글로빈의 흡수스펙트럼은 532nm 파장에서 강한 것을 확인할 수 있다. 그리고 800nm 이상의 파장에서 532nm 파장에서의 흡수율과 비교할 때 약 1% 정도의 값을 흡수하는 것을 알 수 있으므로 기준빔으로는 혈액 시료에 의한 흡수율이 낮은 800 nm 내지 2000nm 파장의 빔이 이용될 수 있다. 즉 광열효과에 의한 영향을 받지 않는 파장대의 빔이 이용된다.
또한, 기준빔발생부(110)에서 방출된 광신호를 상기 큐벳부에 전달하고 상기 큐벳부에서 반사되어 돌아오는 간섭신호를 농도연산부(400)로 전달하는 광신호전달부(120)을 더 포함할 수 있다.
광신호전달부(120)는 광커플러, 자유공간 간섭계, 빔 스플리터 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
광열광원부(200)는 광열효과를 발생하기 위하여 흡수율이 높은 파장대의 빔을 방출하는 장치이다. 흡수율이 가장 높은 파장대는 532 nm이나 이에 한정되지 않고 300 내지 600 nm 범위 파장이면 이용할 수 있다. 이보다 더 짧은 파장의 경우, 헤모글로빈의 흡수 정도는 더 강하지만, 혈액을 투과할 수 있는 깊이가 제한되기 때문에 상기 파장대가 가장 적절하다.
광열광원부(200)로는 DPSS(diode pumped solid state) 레이저, LED, 레이저다이오드(laser diode) 등이 이용될 수 있는데 상기 언급된 범위의 파장의 빛을 충분한 출력으로 낼 수 있으면 족하므로, DPSS에 한정되는 것은 아니다.
또한, 광열광원부(200)의 전방에는 광열광원부(200)에서 방출하는 빔에 모듈레이션(modulation) 을 주기 위한 모듈레이션발생부(500)가 위치시킬 수 있으며 모듈레이션발생부(500)로는 광쵸퍼(optical chopper), AOM(acousto-optical modulator), EOM(electro-optical modulator) 등이 이용될 수 있다. 모듈레이션을 주는 것은 광열효과를 일정 시간간격으로 on/off하는 효과를 주게 되므로, 모듈레이션을 적용하면 위상(phase)의 변화가 증가와 감소를 반복하게 된다. 이 값을 시간에 따라 저장하고, 이를 연산하면 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise ratio)를 향상시켜 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있다.
큐벳부(300)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질로서 상부반사층(310)과 하부반사층(320)을 포함하며, 혈액 시료는 상기 상부반사층(310)과 하부반사층(320) 사이에 위치한다.
농도연산부(400)에서는 상기 구성에 의하여 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어, 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 상기 간섭신호에서 해당 path-length의 신호에서의 위상을 구한다. 이에 따라 기준빔의 간섭신호의 위상을 구하면서, 광열효과를 발생시킴에 따라 변화하는 기준빔의 간섭신호의 위상을 구하게 된다.
이때 모듈레이션발생부(500)에 의하여 모듈레이션된 간섭신호의 위상변화정보를 푸리에 변환하여 해당 모듈레이션 주파수에서 peak값을 PT SD-OCR(PhotoThermal Spectral-Domain Optical Coherence Reflectometry) Signal이라 명명하고 PT SD-OCR Signal을 기존의 reference로 얻은 데이터와 비교하여 헤모글로빈 농도를 측정한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치의 농도연산부(400)에서 역푸리에 변환하는 한 예를 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 스펙트로미터에서는 기준광원부(100)에서 나와 혈액 시료의 표면에서 반사되어 들어오는 광대역(Broadband) 빔의 간섭신호를 읽는다. 각각의 표면에서 반사되어 들어오는 빛은 서로 합해지면서 간섭을 일으키게 되는데 그 간섭신호를 읽는 것이다. 스펙트로미터로 읽어 들이는 간섭신호에 역푸리에 변환을 하면 wavelength domain(간섭신호의 x축, k)에서 Optical path-length domain(새로운 x축, z)의 데이터 F(z)로 바뀐 복소수(Complex-value) 형태의 데이터가 되며, 그 값의 절대값이 가장 큰 path-length에 해당하는 신호의 위상 정보를 얻는다. 즉, Optical path-length domain에서 peak(최대값)에 해당하는 path-length의 신호가 혈액시료가 있는 큐벳부(300)의 상부반사층(310)과 하부반사층(320)에서 반사되어 돌아온 빛간의 간섭으로 발생한 것이 되므로, 각 면에서 반사되는 빛간의 optical path-length에 해당하는 신호의 위상(phase) 정보를 지속적으로 기록하는 것이다.
이때, 위상(phase) 정보를 지속적으로 얻으면서, 그와 동시에 광열광원부(200)에서 적혈구가 광열효과(PT effect)를 잘일으키는 파장의 빛을 혈액시료에 가해준다. 가해주는 광열빔은 모듈레이션발생부(500)를 통해 모듈레이션(modulation)이 가해진 채로 혈액시료에 전달되게 되며, 이로 인해 위상(phase) 변화가 생기게 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치에서, 광열효과발생에 따른 위상변화를 도시한 것으로서, (a)는 기준빔만 입사되는 경우의 위상변화, (b)는 기준빔이 입사되는 도중 광열빔이 입사되면서 발생하는 위상변화, (c)는 기준빔이 입사되는 도중 광열빔에 모듈레이션이 적용되어 입사되는 경우에 발생하는 위상변화를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, (a)는 광열빔이 가해지지 않은 상태에서 얻어지는 위상정보의 형태로서, 광열효과가 일어나지 않는 경우에는 빛의 간섭이 일정하므로 시간이 지남에 따른 변화는 없다. (b)는 기준빔이 입사되는 도중 광열빔을 가해주었을 때 위상 정보의 형태이다. 혈액시료 내의 헤모글로빈이 광열빔을 흡수하게 되고, 그에 따라 열을 방출한다 (Photothermal Effect). 이때 방출하는 열로 인해 혈액시료가 열팽창을 하면서, 혈액시료의 굴절률이 변하게 된다. 굴절률이 변함에 따라 큐벳의 상부반사층(310)에서 반사되는 빛과 하부반사층(320)에서 반사되는 빛의 광경로차가 생기게 되고, 그에 따른 간섭신호의 변화로 인해 지속적으로 읽던 간섭신호의 위상이 변하게 된다. 그러나 시간이 지나면서 광열효과의 세츄레이션(saturation)이 일어남에 따라 위상이 더 이상 변하지 않는다. (c)는 기준빔이 입사되는 도중 모듈레이션(modulation)이 적용된 광열빔이 혈액시료에 가해질 때의 위상정보이다. 광열빔에 가해주는 모듈레이션 주파수(modulation frequency)에 해당하는 시간 간격으로 위상 값의 크기가 증가와 감소를 반복하게 된다. 이때, 모듈레이션을 통해 얻어지는 값을 통해 SNR(Signal-to-Noise Ratio) 를 향상시켜 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치의 농도연산부(400)에서 위상변화정보를 푸리에 변환하여 PT SD-OCR Signal을 연산하는 한 예이다. 도 5를 참조하면 시간에 따른 위상 정보는(a)와 같다. 이 위상 정보에서 일정한 시간만큼의 구간을취하고, 이를 푸리에 변환(Fourier Transform)하여 (b)와 같은 결과를 얻을 수 있다. 이때, (b)에서 모듈레이션 주파수(modulation frequency)에 해당하는 첫 번째 peak의 값을 취하게 되면, 그 값이 특정 헤모글로빈 (Hb) 농도와 광열빔의 세기에 따른 PT SD-OCR(PhotoThermal Spectral-Domain Optical Coherence Reflectometry) Signal이 된다. 이때, (b)에 *표시가 된 주파수에 해당하는 데이터들은 고조파로서 무시할 수 있다.
도 6은 혈액구성요소인 혈장, 백혈구, 적혈구에서 광열빔 세기변화에 따른 PT SD-OCR Signal 변화를 도시한 것이다. 도 6을 참조하면, 혈액 내 헤모글로빈의 농도를 알기 위해서 원심분리를 통해 얻어낸 혈액 구성요소 각각을 가지고 PT SD-OCR Signal을 측정한 결과이다. 혈장과 백혈구에서는 PT SD-OCR Signal이 적혈구혈액시료 (15.0 g/dL)에 비해 거의 발견되지 않았음을 알 수 있다. 이때, 백혈구의 경우 완벽한 분리를 하기 힘들어 ~0.3 g/dL 정도의 적혈구가 함유된 혈액시료로 실험을 한 것이므로, 적혈구외의 혈액구성요소에서는 광열효과가 거의 없다고 말할 수 있다. 이를 통해 PT SD-OCR Signal을 이용하여 혈액자체의 헤모글로빈 농도를 측정하는 것이 가능하다고 볼 수 있다.
도 7은 헤모글로빈 농도와 광열빔 세기의 변화에 따른 PT SD-OCR Signal 변화를 도시한 것이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 헤모글로빈 농도측정장치에서의 측정결과와 헤모글로빈농도 측정의 표준방법 분석결과를 비교하여 도시한 것이다. 도 7 내지 도 8을 참조하면, 헤모글로빈 (Hb) 농도와 광열빔 세기를 바꿔가며 PT SD-OCR Signal을 측정하였다. 그래프 (a)와 (b)의 경우 각각 x축을 Hb농도, 광열빔 세기로 한경우이다. 얻은 데이터를 curve fitting 하면, (a)의 경우 log 함수형태를, (b)의 경우 linear 함수형태를 갖는다. (a)의 log 함수 형태는 기존의 헤모글로빈 혈액이 아닌- gold nanorod의 광열효과를 이용한 선행연구의 결과와 같은 경향성을 보인다.
이 측정된 그래프를 이용하면, 임의의 농도를 갖는 혈액혈액시료의 PT SD-OCR Signal을 측정하여 헤모글로빈 농도를 추정 가능하다. 임의의 헤모글로빈 농도를 갖는 50개 혈액시료의 PT SD-OCR Signal 값을 측정한 뒤, 도 7 (a)의 curve fitting 결과에 대입하여 헤모글로빈농도를 추정하였다. 이 헤모글로빈 농도추정값을 헤모글로빈 농도측정의 표준방법(독성물질로 헤모글로빈 분자를 변형시켜, 변형된 헤모글로빈 분자의 양을 측정)을 사용한 hematology 분석기의 결과와 1:1 대조한 결과가 도 8인데, 본 발명의 실시예에 의하여 헤모글로빈의 농도를 측정할 수 있음을 알 수 있다.
100 : 기준광원부
110 : 초발광다이오드
120 : 광신호전달부
200 : 광열광원부
300 : 큐벳부
310 : 상부반사층
320 : 하부반사층
400 : 농도연산부
500 : 모듈레이션발생부

Claims (24)

  1. 광열효과를 이용한 혈액 내의 헤모글로빈 농도 측정 장치로서,
    기준빔을 방출하는 기준광원부(100);
    광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부(200);
    채취된 혈액 시료를 수용하고, 상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔의 전부 또는 일부를 반사하는 상부면과 상기 상부면과 마찬가지로 상기 기준빔의 전부 또는 일부를 반사하는 하부면을 가지는 큐벳부(300); 및
    상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어 상기 큐벳부(300)의 상기 상부면과 상기 하부면에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 상기 광열광원부(200)에서 상기 광열빔이 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 계산하는 농도연산부(400);를 포함하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준빔은 파장이 800 nm 내지 2000 nm인 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광열빔은 파장이 300 nm 내지 600nm 인 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준광원부(100)는
    광대역 파장대의 빛을 방출하는 기준빔발생부(110)를 포함하며, 상기 기준빔발생부(110)는 초발광다이오드(SLD), LED, Supercontinuum laser, Wavelength-swept laser 중 어느 하나를 포함하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기준빔발생부(110)에서 방출된 광신호를 상기 큐벳부(300)에 전달하고 상기 큐벳부(300)에서 반사되어 돌아오는 간섭신호를 농도연산부(400)로 전달하는 광신호전달부(120)을 포함하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 광신호전달부(120)는 광커플러, 자유공간 간섭계, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 큐벳부(300)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질로서, 상부반사층(310)과 하부반사층(320)을 포함하며, 혈액 시료는 상기 상부반사층(310)과 하부반사층(320) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광열광원부(200)는 DPSS(diode pumped solid state) 레이저, LED, 레이저다이오드(laser diode) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광열광원부(200)의 전방에는 광열광원부(200)에서 방출하는 빔에 모듈레이션을 주기 위한 모듈레이션발생부(500)가 위치하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 모듈레이션발생부(500)는 광쵸퍼(optical chopper), AOM(acousto-optical modulator), EOM(electro-optical modulator) 중 어느 하나를 포함하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하되, 모듈레이션발생부(500)에 의하여 모듈레이션된 간섭신호의 위상변화정보를 푸리에 변환하여 해당 모듈레이션 주파수에서 peak값을 이용하여 헤모글모빈의 농도로 연산하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정장치.
  13. 기준빔을 방출하는 기준광원부(100);
    광열효과를 발생하기 위한 광열빔을 방출하는 광열광원부(200);
    채취된 혈액 시료를 수용하고, 상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔의 전부 또는 일부를 반사하는 상부면과 상기 상부면과 마찬가지로 상기 기준빔의 전부 또는 일부를 반사하는 하부면을 가지는 큐벳부(300); 및 상기 기준광원부(100)에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어 상기 큐벳부(300)의 상기 상부면과 상기 하부면에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상이 상기 광열광원부(200)에서 상기 광열빔이 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생함에 따라 변화하는 것을 이용하여 헤모글로빈의 농도를 계산하는 농도연산부(400);를 포함하는 헤모글로빈 농도 측정 장치를 이용하여,
    상기 큐벳부(300)에 혈액 시료를 제공하는 혈액시료제공단계;
    상기 기준광원부(100)에서 기준빔을 방출하는 기준빔방출단계;
    상기 기준빔방출단계에서 방출된 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어, 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상을 검출하는 기준 간섭신호검출단계;
    상기 광열광원부(200)에서 광열빔을 방출하는 광열빔방출단계;
    상기 광열광원부(200)에서 광열빔을 방출하여 상기 큐벳부(300)에 입사하여 헤모글로빈이 이를 흡수하고 열을 방출하여 광열효과가 발생하는 광열효과발생단계;
    상기 광열효과발생단계 이후 상기 기준광원부(100)에서 기준빔을 방출하여 기준빔이 상기 큐벳부(300)에 입사되어, 상기 큐벳부(300)의 상부와 하부에서 각각 반사되어 발생하는 간섭신호의 위상 변화를 검출하는 간섭신호위상변화검출단계; 및
    상기 간섭신호의 위상 변화와 헤모글모빈 농도와의 관계에 따라 헤모글로빈 농도를 연산하는 헤모글로빈농도연산단계를 포함하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기준빔은 파장이 800 nm 내지 2000 nm 인 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 광열빔은 파장이 300 nm 내지 600nm 인 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 기준광원부(100)는
    광대역 파장대의 빛을 방출하는 기준빔발생부(110)를 포함하며, 상기 기준빔발생부(110)는 초발광다이오드(SLD), LED, Supercontinuum laser, Wavelength-swept laser 중 어느 하나를 포함하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기준빔발생부(110)에서 방출된 광신호를 상기 큐벳부(300)에 전달하고 상기 큐벳부(300)에서 반사되어 돌아오는 간섭신호를 농도연산부(400)로 전달하는 광신호전달부(120)을 포함하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 광신호전달부(120)는 광커플러, 자유공간 간섭계, 빔 스플리터 중 어느 하나를 포함하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 큐벳부(300)는 빛이 투과할 수 있는 투명한 재질로서, 상부반사층(310)과 하부반사층(320)을 포함하며, 혈액 시료는 상기 상부반사층(310)과 하부반사층(320) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 광열광원부(200)는 DPSS(diode pumped solid state) 레이저, LED, 레이저다이오드(laser diode) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 광열광원부(200)의 전방에는 광열광원부(200)에서 방출하는 빔에 모듈레이션을 주기 위한 모듈레이션발생부(500)가 위치하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 모듈레이션발생부(500)는 광쵸퍼(optical chopper), AOM(acousto-optical modulator, EOM(electro-optical modulator) 중 어느 하나를 포함하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
  24. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 농도연산부(400)에서 간섭신호의 위상은 반사된 간섭신호를 스펙트로미터에서 읽고 이를 역푸리에 변환하여 얻어지는 복소수값의 절대값을 읽어 상기 절대값이 가장 큰 path-length를 찾아 해당 path-length에서의 신호를 이용하되, 모듈레이션발생부(500)에 의하여 모듈레이션된 간섭신호의 위상변화정보를 푸리에 변환하여 해당 모듈레이션 주파수에서 peak값을 이용하여 헤모글모빈의 농도로 연산하는 것을 특징으로 하는 헤모글로빈 농도측정방법.
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