KR101781738B1 - 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템은 피사체(100)에 스캔 광을 투사하는 프로젝터(11), 피사체(100)의 지방층에 주파수 변조된 빛을 조사하여 산란광의 위상지연으로 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 비만도 지표 데이터로 산출하는 주파수 영역 확산광 장치(20-1), 프로젝터(11)와 카메라(15) 및 주파수 영역 확산광 장치(20-1)와 연계되어 상기 피사체(100)의 시각화 이미지가 생성되는 영상생성장치(30)를 포함하고; 상기 피사체(100)를 3D 피사체 비만도 이미지와 함께 지방 세포의 신진대사를 나타내는 피사체 체지방 이미지를 생성하며, 3D 피사체 비만도 이미지에 상기 피사체 체지방 이미지를 결합하여 체지방 비교 이미지와 체지방 비교 그래프를 각각 생성함으로써 체중 감량 보다는 체형 변화가 일어나는 시점에서 지방 세포 크기를 정확하게 파악하는 특징이 구현된다.

Description

주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템 및 방법{Apparatus and method for analyzing obesity using frequency modulation - based body fat indexing and imaging techniques}

본 발명은 비만도 분석 시스템에 관한 것으로, 특히 체형 분석 및 주파수 영역 해석 기법이 적용된 비만도 분석 시스템으로 체지방의 신진대사를 영상화함으로써 객관적이고 과학적인 체중감량 방향지표가 제시되는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 비만환자(또는 과체중 환자)는 적정한 체중감량 방향지표를 이용함으로써 체중감량에 보다 효과적인 식단이나 운동 방식을 정하는데 도움을 얻을 수 있다.

상기 체중감량 방향지표의 예로서, 신체질량지수(BMI; Body Mass Index), 피부두겹법, 생체전기임피던스법, 이중에너지 X선 흡수법, 수중 밀도법, CT 촬영법 등이 있다.

상기 신체질량지수는 몸무게/키의 제곱에 의한 수치(예, 20 미만, 20~24, 25~30, 30 이상)로 나타내고, 저체중(예, 20 미만), 정상체중((예, 20~24), 경도비만(예, 25~30), 비만(예, 30 이상)으로 가시화하는 방식이다.

상기 피부두겹법은 피하지방의 측정 두께(예, 스킨폴드 캘리퍼를 이용한 측정)의 변화를 확인하는 직접추정방식이고, 상기 생체전기임피던스법은 체지방이 아닌 체수분을 측정하는 간접추정 방식으로서 병원, 건강진단센터, 각종 비만 클리닉 센터에서 가장 보편적으로 사용하는 방식이다.

상기 이중에너지 X선 흡수법이나 상기 수중 밀도법이나 상기 CT 촬영법은 모두 여러 설비를 이용함으로써 비교적 정확도가 높은 방식이다.

그러므로, 비만환자(또는 과체중 환자)가 체중감량을 시도할 경우 언급된 체중감량 방향지표 중 하나의 방식을 적절히 이용함으로써 운동을 포기하거나 혹은 비정상적인 식이요법의 시도로 인해 체내 지방감소대신 일시적인 체내 수분이나 근육량 감소가 가져오는 부작용에 따른 심각한 요요 현상을 겪지 않도록 도움을 받을 수 있다.

국내특개 10-2011-0077656(2011년07월07일)

하지만, 상기 체중감량 방향지표 방식은 다음과 같은 한계성을 가질 수밖에 없다.

일례로, 상기 신체질량지수는 계산된 신체질량지수가 인체 내의 수분 감소로 인한 체중 감소인지 지방 산화로 인한 체중 감소인지에 대한 판별이 불가함으로써 다이어트 전후 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 어렵다. 그리고, 상기 피부두겹법은 숙련된 측정자에 의해 측정되어야 측정 신뢰도가 보장될 수 있으며, 상기 생체전기임피던스법은 피검자 표피 상의 수분 정도에 따라 상당한 측정 오차가 발생할 수 있기 때문에 체지방량에 대한 정확도 및 측정 정밀도가 낮게 된다. 또한, 상기 이중에너지 X선 흡수법, 상기 수중 밀도법, 상기 CT 촬영법은 여러 설비가 요구되므로 가격이 비싸고, 방사선을 사용하는 장비의 경우 인체에 유해할 수 있기에 일반인이 보편적으로 사용하기 어렵게 된다.

무엇보다도, 상기 체중감량 방향지표 방식의 유용성에 대한 한계는 초기의 체중 감량 이후 시점에 나타난다.

이는 체중 감량 효과는 다양한 유산소 운동 시 꾸준히 늘어나는 초기 이후 시점에서 체중의 감소가 거의 없거나 아주 적게 되고, 이때 원인 파악을 위해 사용한 체중감량 방향지표도 체중감량을 위한 다이어트 의지나 식단조절 의지를 고무시킬 만한 체중감량 변화 형태를 보여주지 못함에 기인된다.

그 결과, 대부분의 비만환자(또는 과체중 환자)는 체중감량을 위한 다이어트 운동을 포기하거나 혹은 비정상적인 식이요법의 시도로 인해 체내 지방을 태우기보다는 일시적인 체내 수분이나 근육 량이 줄어들게 되어 이에 대한 부작용으로 심각한 요요 현상을 겪게 되고, 이는 여러 사회적 문제를 야기하기도 한다.

이와 같이, 기존 어떤 기술도 체형에 대한 정량화 및 체지방량 변화의 가장 중요한 인자인 지방세포 크기의 변화와 같은 신진 대사의 변화를 보여주지 못함으로써 올바른 비만 치료를 위해서 현재 진행중인 다이어트가 정상적으로 진행되고 있음을 판별하는 중요관찰인자(예, 체형 변화가 반영된 체형 정량화 및 정확하게 측정된 체지방량이 반영된 지방 신진대사 변화)로 적합한 운동량 혹은 식이요법을 결정하는 척도가 제공되지 못하고 있음을 나타내고 있다.

따라서 장기간의 다이어트 운동을 통한 비만 치료 시에는 환자에게 지속적인 다이어트의 동기를 부여해 주는 것도 중요하지만, 무엇보다도 비만 환자의 다이어트 시 적합한 운동량 혹은 식이요법을 위한 객관적, 정량적 지표가 선행적으로 제시 될 수 있어야 한다.

이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 3D 스캐닝에 의한 3D 체형변화영상과 주파수 변조의 주파수 영역 해석을 이용한 체지방 이미지화로 지방 세포 크기 및 구조의 신진대사 변화량이 시각화됨으로써 비만환자(또는 과체중 환자)에게 객관적이고 과학적인 체중감량 방향지표가 제시될 수 있는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템 및 방법의 제공에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법은 (A) 피사체에 프로젝터의 스캔 광을 투사하고, 카메라에서 상기 스캔 광의 패턴이 투사된 상기 피사체의 영상 데이터가 전송되는 단계; (B) 상기 피사체의 국부에 주파수 영역 확산광 장치가 밀착되고, 상기 국부의 한 지점으로 주파수 변조되어 조사된 조사 광이 상기 국부를 통해 산란 광으로 전환되어 수신되며, 상기 조사 광과 상기 산란 광의 위상지연으로부터 상기 국부의 비만도 지표 데이터로 전송되는 단계; (C) 상기 영상 데이터와 상기 비만도 지표 데이터가 입력된 영상생성장치에서 상기 피사체의 3D 피사체 비만도 이미지를 생성하고, 상기 국부의 지방 세포의 신진대사를 나타내는 피사체 체지방 이미지를 생성하는 단계; (D) 상기 3D 피사체 비만도 이미지에 상기 피사체 체지방 이미지를 결합하여 현재상태분석결과로 보여지는 단계; 로 수행되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 프로젝터와 상기 주파수 영역 확산광 장치는 각각 독립적으로 동작하거나 동시에 동작한다.

바람직한 실시예로서, 상기 비만도 지표 데이터는, (b-1) 상기 주파수 영역 확산광 장치를 수치화 데이터 모드로 동작시키는 단계, (b-2) 상기 국부의 제1 지점에서 주파수 변조된 조사 광을 방출하는 단계, (b-3) 상기 주파수 영역 확산광 장치가 상기 제1지점과 이격된 제2지점에서 상기 국부를 통과한 산란 광을 수신 전기신호로 검출하는 단계, (b-4) 상기 수신 전기신호를 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출하고, 주파수 영역 확산광 분광법으로 광흡수계수와 광산란계수를 분리 산출하여 그래프 적용 수치화 데이터로 획득하는 단계, (b-5) 상기 수치화 데이터 모드 중지 후 상기 주파수 영역 확산광 장치를 시각 이미지화 데이터 모드로 동작시키는 단계, (b-6) 상기 국부의 N x M 그리드(N,M은 1이상의 정수) 중 첫 번째 지점에서 주파수 변조된 조사 광을 방출하는 단계, (b-7) 상기 주파수 영역 확산광 장치가 상기 첫 번째 지점에서 상기 국부를 통과한 산란 광을 수신 전기신호로 검출하고, 상기 N x M 그리드의 마지막 지점까지 조사 광에 대한 수신 전기신호를 검출하는 단계, (b-8) 상기 수신 전기신호 들을 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출하고, 주파수 영역 확산광 분광법으로 광흡수계수와 광산란계수를 분리 산출하여 그림 적용 시각 이미지 데이터로 획득하는 단계로 구분된다.

바람직한 실시예로서, 상기 3D 피사체 비만도 이미지 생성은, (c-1) 상기 3차원 데이터를 디지털 이미지화하는 단계, (c-2) 상기 디지털 이미지를 스캐닝 패턴에 기반한 피사체 영상으로 생성하는 단계, (c-3) 상기 피사체 영상으로 상기 3D 피사체 비만도 이미지로 생성하는 단계로 구분된다.

바람직한 실시예로서, 상기 피사체 체지방 이미지 생성은, (c-4) 상기 비만도 지표 데이터에 포함된 상기 위상지연을 검출하는 단계, (c-5) 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 산출하는 단계, (c-6) 상기 광흡수계수 및 상기 광산란계수에 기반하여 상기 체지방 이미지로 생성하는 단계로 구분된다.

바람직한 실시예로서, 상기 현재상태분석결과는 체지방 비교 이미지와 체지방 비교 그래프로 보여진다. 상기 체지방 비교 이미지는 정상체중의 지방 신진대사와 상기 피사체의 지방 신진대사를 서로 비교 대조하거나 상기 피사체의 지방 신진대사를 변화전과 비교 대조된다. 상기 체지방 비교 그래프는 상기 피사체의 비만도 분석결과를 정상체중과 그래프로 비교하거나 상기 피사체의 비만도 분석결과를 변화전과 비교 대조된다.

그리고, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템은 피사체를 둘러싼 3D 스캐너, 상기 피사체에 밀착된 주파수 영역 확산광 장치, 상기 3D 스캐너 및 상기 주파수 영역 확산광 장치와 상호 통신하면서 상기 피사체의 시각화 이미지가 생성되는 영상생성장치를 포함하고; 상기 3D 스캐너는 레이저, LED, 할로겐 램프, 백색광원 중 어느 하나를 스캔 광으로 하여 상기 피사체에 투사하는 프로젝터, 상기 스캔 광의 투사된 패턴 영상을 상기 영상생성장치로 전송하는 카메라로 구성되며; 상기 주파수 영역 확산광 장치는 상기 피사체의 국부에 밀착되어 한 지점 또는 N x M 그리드 지점으로 조사 광을 조사한 후 수신된 산란 광을 전기신호로 검출하고, 상기 전기신호를 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출하고, 주파수 영역 확산광 분광법으로 광흡수계수와 광산란계수를 분리 산출하여 수치화 데이터와 시각 이미지화 데이터를 비만도 지표 데이터로 획득하고; 상기 영상생성장치는 상기 스캔 광의 투사 패턴 영상의 수신, 상기 패턴 영상의 3차원 입체정보 생성, 상기 3차원 입체정보의 3D 피사체 비만도 이미지 생성, 상기 수치화 데이터와 상기 시각 이미지화 데이터에 기반된 피사체 체지방 이미지, 체지방 비교 이미지와 체지방 비교 그래프의 현재상태분석결과를 제어하는 프로그램이 탑재된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예로서, 상기 주파수 영역 확산광 장치는 정해진 주파수 범위에서 주파수 스윕을 하도록 주파수 신호를 발생하는 가변주파수 발생기, 상기 주파수 신호를 분배하는 신호분배기, 상기 주파수 신호를 변조시키는 광원구동부, 변조된 주파수 신호를 상기 조사광으로 발생하는 광조사부, 상기 산란 광을 수신하여 전기신호로 생성하는 광수신부, 상기 신호분배기의 신호를 기준신호로 하여 상기 광수신부의 증폭기를 거친 전기신호와 비교하는 신호크기 및 위상 측정부, 상기 광조사부와 상기 광수신부의 동작을 제어하면서 상기 신호크기 및 위상 측정부의 비교 결과로 상기 비만도 지표 데이터를 생성하여 전송하는 광제어부가 포함된다.

바람직한 실시예로서, 상기 광제어부는 상기 비만도 지표 데이터로 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 산출하거나 또는 디지털 신호로 변환된 신호의 진폭 및 위상 데이터를 산출한다.

이러한 본 발명은 3D 스캐닝에 의한 3D 체형변화영상과 변조된 주파수의 주파수 영역 해석 기법에 의한 체지방 이미지화로 다이어트 진행과정 중 체형 변화가 반영된 체형 정량화 및 정확하게 측정된 체지방량이 반영된 지방 신진대사 변화를 당사자에게 제공함으로써 다음과 같은 장점 및 효과가 구현된다.

첫째, 비만 치료를 위한 다이어트나 장기간의 비만 치료에 따른 체중감소시기가 아닌 체형 변화 시기에 들인 많은 체중감량 노력 하에서 체중 감소가 아주 적거나 혹은 피하지방 두께의 변화가 거의 없을 때 객관적이면서 정량적 지표가 제시 될 수 있다. 둘째, 체중감량 프로그램의 진행 중 어느 시기에서도 체형 변화의 육안검사에 의한 설명이나 기존 경험에 근거한 주관적인 설명대신 현 상태의 데이터 분석에 따른 객관성을 제시함으로써 체중감량 프로그램의 효과성을 입증할 수 있다. 셋째, 3D 스캐닝 기술을 이용하여 체형의 데이터를 디지털 정량화하여 이를 실질적으로 분석하여 추적된 체형 변화를 기반으로 현재 상태를 진단함으로써 비만 환자의 다이어트 시 보다 적합한 운동방법 및 운동량을 제시할 수 있는 척도를 제공할 수 있다. 넷째, 복부 등 인체에 지방층이 있는 곳에 부착된 주파수 영역 확산광 장치로 다이어트 중에 일어난 지방세포 크기 및 구조의 변화와 같은 지방의 신진 대사의 변화를 정량적으로 보여줌으로써 체중의 더딘 감소와는 별개로 실질적으로 지방세포의 크기에 변화가 시작되고 있음을 보여줄 수 있다. 다섯째, 실질적인 지방세포의 크기 변화 시작을 정확하게 분석한 데이터를 기반으로 신진대사의 활성화를 이끌 수 있는 적절한 다이어트 운동 및 식이 요법을 적합하게 조절함으로써 궁극적으로는 향후 체중 감량을 예측할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 주파수 변조의 주파수 영역 해석 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 주파수 변조의 주파수 영역 해석 기법을 위한 주파수 영역 확산광 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 주파수 영역 해석 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법의 순서도이며, 도 4는 본 발명에 따른 주파수 영역 확산광 장치의 주파수 변조에 의한 주파수 영역 확산광 측정 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 주파수 영역 확산광 장치의 체지방 측정상태이며, 도 6은 본 발명에 따른 비만도 분석 시스템의 배치촬영모드 중 3D 스캐너에 의한 신체 디지털 데이터가 영상생성장치로 전송되는 상태이고, 도 7은 본 발명에 따른 비만도 분석 시스템의 배치촬영모드 중 주파수 영역 확산광 장치에 의한 주파수 확산광 방식 체지방 이미지 데이터가 영상생성장치로 전송되는 상태이며, 도 8은 본 발명에 따른 비만도 분석 시스템의 연속촬영모드에 의한 3D 스캐너의 신체 디지털 데이터와 주파수 영역 확산광 장치의 주파수 확산광 방식 체지방 이미지 데이터가 영상생성장치로 동시에 전송되는 상태이고, 도 9는 본 발명에 따른 영상생성장치가 구현한 3D 체형변화영상의 예이며, 도 10은 본 발명에 따른 영상생성장치가 구현한 주파수 확산광 방식 체지방 이미지의 예이고, 도 11은 본 발명에 따른 영상생성장치가 구현한 정상체중과 비만환자의 체지방 비교 영상의 예이며, 도 12는 본 발명에 따른 영상생성장치가 구현한 정상체중과 비만환자의 체지방 비교 그래프의 예이다.

이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시 예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

도 1을 참조하면, 주파수 영역 해석 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템을 예시한다. 도시된 바와 같이, 비만도 분석 시스템(1)은 피사체(100)를 둘러싼 3D 스캐너(10), 피사체(100)의 특정부위에 접근하여 밀착되는 체지방 분석장치(20'), 3D 스캐너(10) 및 체지방 분석장치(20')와 상호 통신하는 영상생성장치(30)를 포함한다.

구체적으로, 상기 피사체(100)는 과체중 사람이거나 의학적으로 비만으로 분류된 환자이다.

구체적으로, 상기 3D 스캐너(10)는 레이저, LED, 할로겐 램프, 백색광원 중 어느 하나를 광원으로 사용하여, 요구 사항에 따라 선택된 하나 또는 복수개의 광원을 공간 변조장치 혹은 프로젝터 등을 이용하여 1차원 내지는 2차원 패턴을 발생시키고, 이를 3차원 형상화 하고자 하는 대상체에 스캔 방식의 투사 혹은 일시 투사한 후, CCD(Charge-Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary metal - oxide - semiconductor) 기반 카메라를 이용하여 패턴이 투사된 대상체의 정보를 디지털화 하여, 이를 이용하여 3차원 형상을 구현해 내는 3D 스캐닝 기술을 구현한다. 그러므로, 상기 3D 스캐너(10)는 TOF(Time of Flight) 방식이나 백색광 방식의 3차원 스캔 기술을 적용할 수 있으나, 본 실시 예에선 레이저(sweeping laser)를 이용해 선(line)형태의 1차원 패턴이나 그리드(grid) 또는 스트라이프 무늬의 2차원 패턴을 피사체(100)에 프로젝션시켜 주는 DLP(Digital Light Processing) 또는 LCD 프로젝터 방식이 적용된다.

이를 위해, 상기 3D 스캐너(10)는 레이저, LED, 할로겐 램프, 백색광원중하나 또는 복수가 적용된 광원(13)을 스캔 광으로 하여 영상생성장치(30)의 제어로 피사체(100)의 전신 또는 부분으로 1차원 패턴이나 2차원 패턴을 프로젝션 시켜 주는 프로젝터(11), 피사체(100)의 크기에 따라 적절한 거리를 두고 위치하여 스캔 광의 투사된 패턴으로부터 광 삼각법 등을 이용하여 구해진 피사체(100)의 3차원 입체 정보를 영상생성장치(30)로 전송하는 CCD 또는 CMOS 기반 카메라(15)로 구성된다. 특히, 상기 프로젝터(11)는 미세구동거울을 집적한 반도체 광 스위치인 DMD칩(Digital Micromirror Device)를 사용한 투영방식의 프로젝터일 수 있다. 이 경우, 미세거울에 의하여 투사된 빛이 반사되어 나가거나 반사되지 않거나 하는 시간을 조절하여 시간 누적치에 해당하는 밝기만큼을 사람이 보게 됨으로써 화면의 각 Pixel 당 밝음/어두움을 표현할 수가 있다.

구체적으로, 상기 체지방 분석장치(20')는 피사체(100)의 피하지방을 주파수 영역 해석 기법인 주파수 영역 확산광 분광법으로 분석하는 주파수 영역 확산광 장치(20-1)로 구성된다. 그러므로, 상기 주파수 영역 확산광 장치(20-1)는 인체의 피하 지방층에 빛을 방출하기 위한 복수개 파장으로 피사체(100)에 조사하여 수신된 빛의 진폭 및 위상을 측정한 후 이를 기준 광원과 비교함으로써 광흡수계수와 광산란계수의 비만도 지표 데이터가 영상생성장치(30)로 전송한다. 특히, 상기 주파수 영역 확산광 장치(20-1)는 구동장치(20-2)와 함께 구성될 수 있다. 상기 구동장치(20-2)는 주파수 영역 확산광 장치(20-1)를 피사체(100)에 접근시켜 밀착해줌으로써 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 소형화가 불가한 경우를 반영한다. 그러므로, 상기 구동장치(20-2)는 동력의 힘을 이용하여 비교적 큰 사이즈의 주파수 영역 확산광 장치(20-1)를 피사체(100)의 피하지방과 같이 지방층이 비교적 넓고 두껍게 분포한 국소부위에 접근시키고 밀착시켜준다. 이를 위해, 상기 구동장치(20-2)는 액추에이터로 구성되고, 영상생성장치(30)로 제어될 수 있다.

구체적으로, 상기 영상생성장치(30)는 프로젝터(11)의 스캔 광 투사를 제어하며, 카메라(15)에서 전송된 스캔 데이터의 디지털 데이터 처리로 3D 피사체 비만도 이미지를 생성하고, 주파수 영역 확산광 장치(20-1)에서 전송된 비만도 지표 데이터의 광흡수계수로 산출된 지방층에 두께 또는 농도와 광산란계수로 산출된 지방층 내의 지방 세포의 구조나 크기의 변화는 지방층 조직에 신진대사를 보여주는 피사체 체지방 이미지의 생성에 적용한다. 이를 위해, 상기 영상생성장치(30)는 3차원 스캐닝 기술을 이용한 3D 피사체 비만도 이미지와 피사체 체지방 이미지가 구현되는 프로그램이 포함되고, 상기 프로그램이 탑재된 전용 제어장치나 컴퓨터와 같은 노트북(30-1) 또는 이동단말기와 같은 스마트폰(30-2)일 수 있다.

한편 도 2를 참조하면, 상기 주파수 영역 확산광 장치(20-1)는 광제어부(21), 가변주파수 발생기(22), 신호분배기(22A), 광원구동부(22B), 광조사부(23), 광수신부(25), 증폭기(26), 신호크기 및 위상 측정부(28)로 구성된다.

구체적으로, 상기 광제어부(21)는 광조사부(23)와 광수신부(25)의 동작을 제어하는 마이크로 프로세서(microprocessor)이다. 특히 상기 마이크로 프로세서는 신호크기 및 위상 측정장치에서 출력된 결과를 내장된 아날로그 디지털 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환하는 역할을 수행한다. 또한, 광수신부(25)에 의해 검출된 확산 광을 분석하여 피사체(100)의 해당 신체 측정 부위 대해 비만도를 나타내는 지표로서 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 산출하거나 혹은 디지털 신호로 변환된 신호의 진폭 및 위상 데이터를 유선 혹은 무선을 통해 영상생성장치(30)로 전송한다. 그 결과, 영상생성장치(30)는 마이크로 프로세서의 데이터를 이용하여 피사체(100)의 비만도를 나타내는 지표로서 광흡수계수 및 광산란계수를 산출할 수 있다.

구체적으로, 상기 가변주파수 발생기(22)는 정해진 주파수 범위에서 50 ~ 1000 MHz로 주파수 스윕을 하고, 신호분배기(22A)를 통해 신호 일부를 신호크기 및 위상 측정부(28)에 기준신호로 입력시키고, 다른 부분은 광원구동부(22B)로 보내 광조사부(24)를 해당 주파수에 따라 변조시켜, 변조된 광신호는 피사체(100)의 지방조직에 조사한다. 상기 광조사부(23)는 지방층의 신진대사를 분석하고자 하는 피사체(100)의 지방층에 변조된 광신호를 조사한다. 상기 광수신부(25)는 광조사부(23)에서 조사되어 피사체(100)의 지방층을 통과하여 확산된 광신호를 수신하여 전기신호로 변환한다. 상기 증폭기(26)는 광수신부(25)의 전기신호를 증폭한다. 상기 신호크기 및 위상 측정부(28)는 증폭기(26)로 증폭된 광수신부(25)의 전기신호를 신호분배기(22A)에서 전달된 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출한다.

그러므로, 상기 주파수 영역 확산광 장치(20-1)는 한 지점에서 조사되어 피하지방층을 통과한 광을 이격된 한 지점에서 검출함으로써 광흡수 및 광산란을 분리하여 광산란 계수를 수치적으로 표현할 수 있고, 한 지점에서 시간에 따라 복수번 측정할 경우 시간에 따른 수치적 그래프로 나타내는 주파수 영역 확산광 분광법을 구현한다. 또한, 상기 주파수 영역 확산광 장치(20-1)는 NxM 그리드로 복수개의 측정지점을 설정한 후 각 측정 지점에서 광의 방출 및 검출을 반복함으로써 1x1 ~ NxM까지 복수지점의 광산란계수를 산출한 후 이를 시각적 이미지로 표시하는 주파수 영역 확산광 분광법을 구현한다.

한편, 도 3 및 도 4는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법의 순서도를 나타낸다. 이하, 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법의 실시 예를 도 5내지 도 12를 통해 상세히 설명한다. 이 경우, 3D 스캔과 3D 피사체 비만도 이미지 생성은 프로젝터(11)와 카메라(15)에 연계된 영상생성장치(30)의 제어로 설명되고, 피사체 지방층 이미지 생성은 주파수 영역 확산광 장치(20-1)에 연계된 영상생성장치(30)의 제어로 설명되나 필요 시 프로젝터(11)나 카메라(15) 및 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 각각과 연계된 마이크로 프로세서(microprocessor) 일 수 있다.

S10은 비만도 분석 시스템(1)을 세팅하는 단계이다. 도 6을 참조하면, 비만도 분석 시스템(1)의 세팅은 피사체(100)의 둘레로 프로젝터(11)와 카메라(15)를 설치하고, 이에 영상생성장치(30)를 연계하는 작업이다. 이때, 프로젝터(11)와 카메라(15)는 피사체(100)의 크기에 따라 적절한 거리를 두고 위치시켜 준다. 그러므로, 3D 스캐너(10)는 1개 이상으로 설치될 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 비만도 분석 시스템(1)의 세팅은 피사체(100)의 특정부위에 주파수 영역 확산광 장치(20-1)를 이동시켜 부착하는 작업을 포함한다.

이후, 비만도 분석 시스템(1)은 S20 내지 S24를 통해 피사체(100)에 대한 배치촬영모드를 수행하거나 또는 S30 내지 S32를 통해 피사체(100)에 대한 연속촬영모드를 수행한다.

상기 배치촬영모드는 S21의 3D 스캐너(10)를 구성하는 프로젝터(11)와 카메라(15)의 세팅 및 가동 단계, S22의 카메라(15)의 신체 데이터 전송 및 중지 단계, S23의 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 세팅 및 가동 단계, S24의 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 광조사부(23)의 변조된 주파수에 의한 광 조사와 광수신부(25)의 확산된 광신호에 의한 전기신호 및 증폭기(26)와 신호크기 및 위상 측정부(28)의 진폭 및 위상 데이터를 수신광을 처리한 광제어부(21)의 데이터 전송 및 중지 단계로 수행된다. 그러므로, 상기 배치촬영모드는 피사체(100)에 대한 3D 피사체 비만도 이미지와 피사체 체지방 이미지의 생성 시 도 6과 같이 3D 스캐너(10)를 우선 작동시킨 후 이어 3D 스캐너(10)를 중지한 다음 도 7과 같이 주파수 영역 확산광 장치(20-1)를 작동시키는 방식이다. 그 결과, 3D 피사체 비만도 이미지를 위한 디지털 데이터와 피사체 체지방 이미지를 위한 디지털 데이터가 각각 따로 생성된다.

반면, 상기 연속촬영모드는 S31의 3D 스캐너(10)의 프로젝터(11)와 카메라(15) 및 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 세팅 및 가동 단계, S32의 카메라(15)의 신체 데이터 및 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 광조사부(23)의 광조사 및 광수신부(25)의 수신광을 처리한 광제어부(21)의 데이터 전송 및 중지 단계로 수행된다. 그러므로, 상기 연속촬영모드는 도 8과 같이 3D 스캐너(10)와 주파수 영역 확산광 장치(20-1)를 함께 작동시키는 방식이다. 그 결과, 3D 피사체 비만도 이미지를 위한 디지털 데이터와 피사체 체지방 이미지를 위한 디지털 데이터가 동시에 생성된다.

한편, 도 4 및 도 5를 참조하면, S24의 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 동작은 S240의 비만도 지표 데이터의 수치화단계 또는 시각 이미지화단계로 선택되고, 상기 수치화단계는 S241-1의 제1지점에서 광조사부(23)가 피사체(100)의 국부(101)의 피하 지방층으로 변조된 주파수에 의한 조사 광을 방출하는 단계, S241-2의 광수신부(25)가 있는 제2지점에서 피하지방층을 통과하면서 흡수와 산란된 광을 전기신호로 검출하는 단계, S241-3의 검출된 빛을 광제어부(21)에서 주파수 영역 확산광 분광법으로 광의 흡수계수와 산란계수를 분리 산출하는 단계, S241-4의 광흡수계수와 광산란계수를 그래프적용 수치화하여 데이터로 전송하는 단계로 수행된다.

상기 시각 이미지화단계는 S242-1의 NxM 그리드 설정단계, S242-2의 제1x1지점에서 광조사부(23)가 피사체(100)의 국부(101)의 피하 지방층으로 변조된 주파수에 의한 조사 광을 방출하는 단계, S242-3의 광수신부(25)가 있는 제1x1지점에서 피하지방층을 통과하면서 흡수와 산란된 광을 전기신호로 검출하는 단계, S242-4의 검출된 빛을 광제어부(21)에서 주파수 영역 확산광 분광법으로 광의 흡수계수와 산란계수를 분리 산출하는 단계, S242-5의 1x1지점에 이어 NxM지점으로 반복하여 산출된 모든 광흡수계수와 광산란계수를 시각적 이미지화하여 데이터로 전송하는 단계로 수행된다.

여기서, 제1지점은 광조사부(23)의 1개의 조사 광이 조사되는 부위이고, 제2지점은 광수신부(25)로 조사 광의 산란 광이 수신되는 부위로서 제1지점에서 이격된 위치이다. 또한, 하기의 표는 NxM 그리드(N,M은 1이상의 정수)가 4x4로 적용된 예를 나타낸다.

	1	2	3	4
1	0.585	0.701	0.784	0.725
2	0.621	0.655	0.703	0.613
3	0.571	0.622	0.584	0.572
4	0.643	0.603	0.549	0.543

특히 도 5를 참조하면, 광조사부(23)에서 조사된 빛과 광수신부(25)에서 수신된 빛의 위상차 φ가 비만신체의 지방세포 크기와 정상신체의 지방세포 크기가 갖는 크기 차이만큼 발생된다. 즉, 광수신부(25)에서 수신된 산란 광(AC_SRC로 표현된 위쪽 그래프)은 광조사부(23)에서 조사된 조사 광(AC_DET로 표현된 아래쪽 그래프)에 대해 위상차 φ에 따른 위상 지연을 갖게 되며, 이러한 위상 지연은 비만도를 정량적으로 나타내는 지표가 된다. 이러한 이유는 지방세포는 사춘기 이후에 그 세포수가 결정되어 비만이 될수록 세포수가 증가하는 방식이 아닌 세포가 커지는 방식으로 진행됨으로써 체중이 정상인 경우 세포 크기가 비만인 사람에 비해 작으며, 이로 인해 빛이 인체를 통과할 경우 더욱 많은 산란을 겪게 되는 반면 세포의 크기가 커진 비만 환자의 경우 지방 세포가 크기 때문에 광 산란 계수가 작은 원리에 따른다. 그러므로, 광제어부(21)는 상기 위상차 φ로부터 비만도를 나타내는 지표인 광흡수계수 및 광산란계수를 산출한다. 이를 위해, 주파수 영역 확산광 분광법을 산란 광의 산란 계수를 측정하기 위한 주파수 영역 해석 기법으로 적용한다.

이후, 비만도 분석 시스템(1)은 S40의 체형영상생성모드를 통해 피사체(100)에 대한 3D 피사체 비만도 이미지를 생성하고, S50의 체지방 이미지생성모드를 통해 피사체(100)에 대한 피사체 체지방 이미지를 생성한다.

상기 3D 피사체 비만도 이미지생성은 3D 스캐너(10)의 카메라(15)가 전송한 3D 피사체 디지털 데이터를 영상생성장치(30)의 프로그램에서 디지털 이미지 처리로 이루어지며, 상기 체형영상생성모드는 S41의 신체 데이터기반 디지털 이미지화 단계, S42의 스캐닝 패턴기반 체형영상생성 단계로 구분된다. 그 결과, 도 9와 같이 피사체(100)의 3D 피사체 비만도 이미지는 비만환자전신(100-1) 또는 비만환자몸통(100-1A)의 영상으로 생성된다.

상기 피사체 체지방 이미지 생성은 주파수 영역 확산광 장치(20-1)의 광제어부(21)가 전송한 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)가 반영된 수치 데이터와 시각 이미지 데이터 처리로 이루어지며, 상기 체지방 이미지생성모드는 S51의 수신광 기반 진폭 및 위상검출 단계, S52의 광흡수 및 산란계수 추출 단계, S53의 지방층 신진대사기반 체지방 이미지 생성 단계로 구분된다.

그 결과, 영상생성장치(30)는 수치 데이터와 시각 이미지 데이터에 기반한 피사체 체지방 이미지를 생성한다. 도 10은 상기 피사체 체지방 이미지중 시각 이미지 데이터에 기반한 피사체(100)의 환부(101)에 대한 비만지방 신진대사(101A)의 이미지의 예이다.

이후, 비만도 분석 시스템(1)의 영상생성장치(30)는 비만도분석모드를 수행하고, 상기 비만도분석모드는 S60의 3D 피사체 비만도 이미지와 피사체 체지방 이미지의 결합단계, S70의 비만도 측정 및 체중감소 예측결과 생성단계로 구분된다.

도 11은 3D 피사체 비만도 이미지와 시각 이미지 데이터에 기반된 체지방 비교 이미지를 결합한 예이다. 도시된 바와 같이, 피사체(100)의 정상지방 신진대사(101B)와 비만환자전신(100-1)의 비만지방 신진대사(101A)가 서로 비교 대조하거나 또는 비만환자전신(100-1)의 지방 신진대사를 변화전과 비교 대조함으로써 당사자는 피하지방층의 지방 세포 크기의 변화를 시각적으로 파악할 수 있다. 도 12는 3D 피사체 비만도 이미지와 수치 데이터에 기반된 체지방 비교 그래프를 결합한 예이다. 도시된 바와 같이, 피사체(100)를 정상체중으로 하고, 비만환자전신(100-1)의 비만도 분석결과를 그래프로 비교하거나 비만환자전신(100-1)의 비만도 분석결과를 변화전과 비교 대조하는 선도로서, 가로축은 광원과 수신단 사이의 거리를 나타내는 축이고 세로축은 위상 지연을 나타내는 축이다. 그러므로, 당사자는 피하지방층의 지방 세포 크기의 변화를 시각적으로 파악할 수 있다.

따라서, 당사자는 비만 치료를 위한 다이어트 운동 중 더 이상의 체중 감량 보다는 체형 변화가 일어나는 시점에서 정상체중과 비교된 이미지로 현재 시점에서 자신의 지방 세포 크기를 정확하게 파악할 수 있다. 그 결과, 당사자는 현재의 다이어트 방법이 효과적으로 진행되고 있으며 또한 이를 기반으로 보다 효율적인 식이요법을 결정할 수 있는 척도를 확보할 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템은 피사체(100)에 스캔 광을 투사하는 프로젝터(11), 피사체(100)의 지방층에 주파수 변조된 빛을 조사하여 산란광의 위상지연으로 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 비만도 지표 데이터로 산출하는 주파수 영역 확산광 장치(20-1), 프로젝터(11)와 카메라(15) 및 주파수 영역 확산광 장치(20-1)와 연계되어 상기 피사체(100)의 시각화 이미지가 생성되는 영상생성장치(30)를 포함하고; 상기 피사체(100)를 3D 피사체 비만도 이미지와 함께 지방 세포의 신진대사를 나타내는 피사체 체지방 이미지를 생성하며, 3D 피사체 비만도 이미지에 상기 피사체 체지방 이미지를 결합하여 체지방 비교 이미지와 체지방 비교 그래프를 각각 생성함으로써 체중 감량 보다는 체형 변화가 일어나는 시점에서 지방 세포 크기를 정확하게 파악할 수 있다.

1 : 비만도 분석 시스템 10 : 3D 스캐너
11 : 프로젝터 13 : 광원
15 : 카메라
20' : 체지방 분석장치 20-1 : 주파수 영역 확산광 장치
20-2 : 구동장치 21 : 광제어부
22 : 가변주파수 발생기 22A : 신호분배기
22B : 광원구동부 23 : 광조사부
25 : 광수신부 26 : 증폭기
28 : 신호크기 및 위상 측정부
30 : 영상생성장치 30-1 : 노트북
30-2 : 스마트폰
100: 피사체 100-1 : 비만환자전신
100-1A : 비만환자몸통 101 : 국부
101A : 비만신체 지방 101B : 정상신체 지방

Claims (13)

1. (A) 피사체에 프로젝터의 스캔 광을 투사하고, 카메라에서 상기 스캔 광의 투사된 패턴으로부터 상기 피사체의 3차원 데이터가 전송되는 단계;
   (B) 상기 피사체의 국부에 주파수 영역 확산광 장치가 밀착되고, 상기 국부의 한 지점으로 주파수 변조되어 조사된 조사 광이 상기 국부를 통해 산란 광으로 전환되어 수신되며, 상기 조사 광과 상기 산란 광의 위상지연으로부터 상기 국부의 비만도 지표 데이터로 전송되는 단계;
   (C) 상기 3차원 데이터와 상기 비만도 지표 데이터가 입력된 영상생성장치에서 상기 피사체의 3D 피사체 비만도 이미지를 생성하고, 상기 국부의 지방 세포의 신진대사를 나타내는 피사체 체지방 이미지를 생성하는 단계;
   (D) 상기 3D 피사체 비만도 이미지에 상기 피사체 체지방 이미지를 결합하여 현재상태분석결과로 보여지는 단계;로 수행되고,
   상기 (B)의 상기 비만도 지표 데이터는, (b-1) 상기 주파수 영역 확산광 장치를 수치화 데이터 모드로 동작시키는 단계, (b-2) 상기 국부의 제1 지점에서 주파수 변조된 조사 광을 방출하는 단계, (b-3) 상기 주파수 영역 확산광 장치가 상기 제1지점과 이격된 제2지점에서 상기 국부를 통과한 산란 광을 수신 전기신호로 검출하는 단계, (b-4) 상기 수신 전기신호를 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출하고, 주파수 영역 확산광 분광법으로 광흡수계수와 광산란계수를 분리 산출하여 그래프 적용 수치화 데이터로 획득하는 단계, (b-5) 상기 수치화 데이터 모드 중지 후 상기 주파수 영역 확산광 장치를 시각 이미지화 데이터 모드로 동작시키는 단계, (b-6) 상기 국부의 N x M 그리드(N,M은 1이상의 정수) 중 첫 번째 지점에서 주파수 변조된 조사 광을 방출하는 단계, (b-7) 상기 주파수 확산광 장치가 상기 첫 번째 지점에서 상기 국부를 통과한 산란 광을 수신 전기신호로 검출하고, 상기 N x M 그리드의 마지막 지점까지 조사 광에 대한 수신 전기신호를 검출하는 단계, (b-8) 상기 수신 전기신호 들을 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출하고, 주파수 영역 확산광 분광법으로 광흡수계수와 광산란계수를 분리 산출하여 그림 적용 시각 이미지 데이터로 획득하는 단계로 구분되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 프로젝터와 상기 주파수 영역 확산광 장치는 각각 독립적으로 동작하거나 동시에 동작하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서 상기 3D 피사체 비만도 이미지 생성은, (c-1) 상기 3차원 데이터를 디지털 이미지화하는 단계, (c-2) 상기 디지털 이미지를 스캐닝 패턴에 기반한 피사체 영상으로 생성하는 단계, (c-3) 상기 피사체 영상으로 상기 3D 피사체 비만도 이미지로 생성하는 단계
   로 구분되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
   
5. 청구항 1에 있어서, 상기 (C)에서 상기 피사체 체지방 이미지 생성은, (c-4) 상기 비만도 지표 데이터에 포함된 상기 위상지연을 검출하는 단계, (c-5) 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 산출하는 단계, (c-6) 상기 광흡수계수 및 상기 광산란계수에 기반하여 상기 체지방 이미지로 생성하는 단계
   로 구분되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
   
6. 청구항 1에 있어서, 상기 현재상태분석결과는 체지방 비교 이미지와 체지방 비교 그래프로 보여지는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서, 상기 체지방 비교 이미지는 정상체중의 지방 신진대사와 상기 피사체의 지방 신진대사를 서로 비교 대조하거나 상기 피사체의 지방 신진대사를 변화전과 비교 대조하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
   
8. 청구항 6에 있어서, 상기 체지방 비교 그래프는 상기 피사체의 비만도 분석결과를 정상체중과 그래프로 비교하거나 상기 피사체의 비만도 분석결과를 변화전과 비교 대조하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법.
   
9. 청구항 1과 청구항 2 및 청구항 4 내지 청구항 8중 어느 한 항에 의한 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 방법이 구현되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템.
   
   
10. 피사체를 둘러싼 3D 스캐너, 상기 피사체에 밀착된 주파수 영역 확산광 장치, 상기 3D 스캐너 및 상기 주파수 영역 확산광 장치와 상호 통신하면서 상기 피사체의 시각화 이미지가 생성되는 영상생성장치를 포함하고;
    상기 3D 스캐너는 레이저, LED, 할로겐 램프, 백색광원 중 어느 하나를 스캔 광으로 하여 상기 피사체에 투사하는 프로젝터, 상기 스캔 광의 투사된 패턴으로부터 구해진 상기 피사체의 3차원 입체정보를 상기 영상생성장치로 전송하는 카메라로 구성되며;
    상기 주파수 영역 확산광 장치는 상기 피사체의 국부에 밀착되어 한 지점 또는 N x M 그리드(N,M은 1이상의 정수) 지점으로 조사 광을 조사한 후 수신된 산란 광을 전기신호로 검출하고, 상기 전기신호를 기준 신호와 비교하여 진폭 및 위상의 차이를 검출하고, 주파수 영역 확산광 분광법으로 광흡수계수와 광산란계수를 분리 산출하여 수치화 데이터와 시각 이미지화 데이터를 비만도 지표 데이터로 획득하고;
    상기 영상생성장치는 상기 스캔 광의 투사, 상기 3차원 입체정보의 수신, 상기 3차원 입체정보의 3D 피사체 비만도 이미지 생성, 상기 수치화 데이터와 상기 시각 이미지화 데이터에 기반된 피사체 체지방 이미지, 체지방 비교 이미지와 체지방 비교 그래프의 현재상태분석결과를 제어하는 프로그램이 탑재된 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템.
    
11. 청구항 10에 있어서, 상기 주파수 영역 확산광 장치는 액추에이터를 이용하여 상기 피사체로 이동된 후 밀착되는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템.
    
12. 청구항 10에 있어서, 상기 주파수 영역 확산광 장치는 정해진 주파수 범위에서 주파수 스윕을 하도록 주파수 신호를 발생하는 가변주파수 발생기, 상기 주파수 신호를 분배하는 신호분배기, 상기 주파수 신호를 변조시키는 광원구동부, 변조된 주파수 신호를 상기 조사광으로 발생하는 광조사부, 상기 산란 광을 수신하여 전기신호로 생성하는 광수신부, 상기 신호분배기의 신호를 기준신호로 하여 상기 광수신부의 증폭기를 거친 전기신호와 비교하는 신호크기 및 위상 측정부, 상기 광조사부와 상기 광수신부의 동작을 제어하면서 상기 신호크기 및 위상 측정부의 비교 결과로 상기 비만도 지표 데이터를 생성하여 전송하는 광제어부가 포함된 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템.
    
13. 청구항 12에 있어서, 상기 광제어부는 상기 비만도 지표 데이터로 광흡수 계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(scattering coefficient)를 산출하거나 또는 디지털 신호로 변환된 신호의 진폭 및 위상 데이터를 산출하는 것을 특징으로 하는 주파수 변조 방식 체지방 이미지화를 이용한 비만도 분석 시스템.

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