KR101919229B1 - 생체 정보 측정 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 정보 측정 장치는, 생체 신호를 감지할 수 있는 비관혈 방식의 플래너 센서 및 상기 플래너 센서에서 감지되는 생체 감지신호들을 다변량 분석 방법에 기반하여 감지된 생체 정보들을 분석하는 분석 모듈을 포함할 수 있다. 그리고 플래너 센서는 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 모듈, 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신하는 광수신 모듈, 및 상기 광수신 모듈에 수신되는 스펙트럼별 사람의 생체정보들을 검출하여 상기 분석 모듈에 출력하는 검출 모듈을 포함할 수 있다.

Description

생체 정보 측정 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING A BIOMETRICS INFORMATION}
본 발명은 복수의 생체 정보들을 측정할 수 있는 플래너 타입의 비관혈성 생체 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
당뇨병과 심혈관계 질환은 남녀를 불문하고 사망의 주요 원인으로 알려져 있으며, 이런 질환을 가지는 사람은 가정 혹은 직장에서 지속적인 모니터링을 필요로 한다. 예를들면, 당뇨를 가진 사람은 혈액채취를 통한 식전 및 식후 혈당의 주기적인 측정을 필요로 할 수 있다. 생체 측정 방법은 채혈하는 방식 또는 무채혈 방식인 비관혈식(noninvasive) 센서를 사용하는 방법들을 사용할 수 있다.
채혈 방식의 생체 측정 방법은 혈액 채취를 필요로 하여 불편할 뿐만 아니라 위생 또는 감염의 문제를 일으킬 수 도 있다. 따라서 사람이 직접 자신의 생체 정보를 측정할 수 있는 비관혈식 생체 측정 방법이 개발되고 있다. 비관혈식 생체 정보 측정 방법은 특정 생체 정보를 측정하기 위한 특정 스펙트럼의 빔을 사용할 수 있다.
생체 정보를 다양한 종류를 가질 수 있다. 예를들면, 체지방, 글루코스, 콜레스테롤 등과 같은 다양한 종류의 생체 정보를 하나의 비관혈식 센서를 이용하여 측정할 수 없었다.
본 발명의 다양한 실시예들은 플래너 타입의 생체 감지 센서를 이용하여 복수의 생체 정보를 비관혈식으로 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 사람의 피부에 접촉하여 복수의 생체 정보를 획득하기 위한 스펙트럼들을 조사하고, 플라즈몬 도파관에 기반하여 사람의 피부층 및 혈관에서 반사되는 복수의 스펙트럼을 검출하여 분석할 수 있는 생체정보 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들은 사람의 피부에 접촉하여 복수의 생체 정보를 획득하기 위한 스펙트럼들을 조사하고, 제로인덱스 미터물질에 기반하여 사람의 피부층 및 혈관에서 반사되는 복수의 스펙트럼을 검출하여 분석할 수 있는 생체정보 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들을 플래너 타입의 생체 감지 센서를 구비하며, 상기 생체감지 센서가 사람의 피부에 접촉하여 복수의 생체 정보를 획득하기 위한 스펙트럼들을 조사하고, 사람의 피부층 및 혈관에서 반사되는 복수의 스펙트럼을 검출하여 분석할 수 있는 전자장치의 생체정보 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 정보 측정 장치는, 생체 신호를 감지할 수 있는 비관혈 방식의 플래너 센서 및 상기 플래너 센서에서 감지되는 생체 감지신호들을 다변량 분석 방법에 기반하여 감지된 생체 정보들을 분석하는 분석 모듈을 포함할 수 있다. 그리고 플래너 센서는 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 모듈, 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신하는 광수신 모듈, 및 상기 광수신 모듈의 스펙트럼별 광신호들을 검출하여 상기 분석 모듈에 출력하는 검출 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 정보 측정 방법은, 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 단계, 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 대응되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 광수신 단계, 상기 수신되는 스펙트럼별 광신호들을 검출하는 검출 단계 및 상기 검출되는 생체 생체정보들 다변량 분석 방법에 기반하여 감지된 생체 정보들을 분석하는 분석단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 전자장치는, 몸체의 전면 또는 뒷면에 장착되며, 생체 신호를 감지할 수 있는 비관혈 방식의 생체 센서부, 생체 감지 어플리케이션의 실행이 요청되면 상기 생체 센서부의 구동을 제어하며, 상기 생체 센서부에서 감지되는 생체 감지신호들을 다변량 분석 방법에 기반하여 감지된 생체 정보들을 분석하는 프로세서, 상기 프로세서에서 분석된 생체 정보를 표시하는 표시부 및 상기 프로세서의 제어하여 상기 분석된 생체정보를 외부 장치에 전송하는 통신부를 포함할 수 있다. 그리고 생체 센서부는 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 모듈, 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 반사되는 대응되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 광수신 모듈, 상기 광수신 모듈에 수신되는 스펙트럼별 광신호들을 검출하여 상기 프로세서에 출력하는 검출 모듈을 포함할 수 있다
당뇨병(diabetes) 및 심장 순환계 질병(cardio-circulatory disorder)은 사망의 심각한 원인이 될 수 있으며, 이런 환자들은 가정이나 직장에서 항상 모니터할 필요가 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 생체 측정 장치는 전자장치에 장착할 수 있으며, 다목적 센서들을 통해 사람의 다양한 생체 정보들을 측정할 수 있어 건강 추적 서비스에 관련된 이상적인 플랫폼을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 플래너 타입의 다목적용 생체 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다
도 3은 파장의 함수로서 유산소 순환 분석에 사용되는 다양한 헤모글로빈 함수(hemoglobin derivatives)의 흡수 스펙트럼의 특성을 도시하는 도면이다
도 4는 혈액 콜레스트롤에 대한 흡수 스펙트럼의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 5a는 글루코스의 흡수 스펙트럼을 도시하는 도면이며, 도 5b는 다양한 조건하에서의 글루코스 흡수 스펙트럼을 도시하는 도면이다
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에서 표면 플라즈몬 도파관을 이용하여 반사 광신호를 수신하는 생체 측정장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 7은 표면 플라즈몬 도파관을 이용하는 광수신기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에서 제로인덱스 메터물질을 이용하여 피부층에서 반사되는 광신호를 수신하는 생체 측정장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 9는 제로인덱스 메터물질의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에서 표면 플라즈몬 도파관 및 제로인덱스 메터물질을 이용하여 피부층에서 반사되는 광신호를 수신하는 생체 측정장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정장치를 구비하는 전자장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 12a - 도 12c는 생체 센서부가 장착되는 전자장치의 예를 도시하는 도면이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정 장치의 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 생체 측정 장치는 광조사 모듈(110), 광수신 모듈(120), 검출 모듈(130) 및 분석 모듈(140)을 포함할 수 있다. 도 1에서, 광조사 모듈(110), 광수신 모듈(120) 및 검출 모듈(130)은 플래너 타입(planar type)의 비관혈식 측정 방법(noninvasive measurement techniques)을 사용하는 센서 장치가 될 수 있다.
광조사 모듈(110)는 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사할 수 있다. 여기서 “피부층”이라는 용어는 각질층(stratum corneum), 층화 세포 표피(straitified cellular epidermis) 및 피부 결합 조직(dermis of connective tissue)로 알려진 표면층(superficial layer)을 포함하는 용어로 사용될 것이며, 또한 피부 아래의 지방층 또는 지방 조직(subcutaneous fatty layer or adipose tissue)을 포함하는 용어로 사용될 것이다. 광조사 모듈(110)은 피부층의 각 조직들 및/또는 혈관에 도달할 수 있는 다양한 종류의 빔(multi spectrum)들을 생성할 수 있다. 상기 광조사 모듈(110)에서 조사되는 광신호 들은 사람의 피부에서 반사될 수 있으며, 피부를 투과하여 피부층의 각 조직 및 혈관 등에서 반사될 수 있다. 광조사 모듈(110)은 다양한 종류의 스펙트럼 광들을 생성할 수 있는 복수의 발광 소자들을 포함할 수 있으며, 발광 소자들은 어레이(array) 형태 또는 단일 요소(single element)들로 구성할 수 있다.
광수신 모듈(120)은 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 반사되는 대응되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신할 수 있다. 광수신 모듈(120)은 광조사 모듈(110)에서 생성되어 사람의 피부에 조사되는 광신호들 중에서 피부층을 투과하여 피부층의 각 조직에서 반사되거나 혈관에서 반사되는 광을 수신할 수 있다. 사람의 피부층 및 혈관에서 반사되는 광신호는 매우 미악할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에서 광수신 모듈(120)은 표면 플라즈몬 도파관(surface plasmon waveguide) 및/또는 제로인덱스 메터 물질(zero-index metamaterial)을 이용하여 구성할 수 있다.
검출 모듈(130)은 광수신 모듈(120)에서 수신되는 스펙트럼별 광신호들을 검출할 수 있다. 예를들면 검출 모듈(130)은 사람의 생체정보를 나타내는 스펙트럼 광신호들을 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 수신되는 스펙트럼별 광신호들은 사람의 피부층 및 혈관 등에서 반사되는 사람의 생체정보들이 될 수 있다. 검출 모듈(130)은 수광 소자(photo detector device)를 포함할 수 있다. 예를들면 검출 모듈(130)은 이미지 센서를 포함할 수 있다.
광수신 모듈(120) 및 검출 모듈(130)은 피부층 및 혈관 등에서 반사되는 사양한 스펙트럼 광신호들을 수신 및 검출할 수 있으며, 어레이(array) 형태 또는 단일 요소(single element)들로 구성할 수 있다.
분석 모듈(140)은 검출 모듈(130)에서 출력되는 사람의 생체정보들에 기반하여 검출신호들을 다변량 분석 방법에 기반하여 감지된 생체 정보들을 분석할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 플래너 타입의 다목적용 생체 측정 장치(Multi-purpose planar optical diffuse reflectance sensor device)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 광조사기(211 - 21N), 광수신기(221 - 22N), 검출기(231 -는 23 N) 및 분석기(240)을 포함할 수 있다.
광조사기(211 - 21N)는 광조사 모듈(예를들면 도 1의 광조사 모듈(110)이 될 수 있다. 광조사기(light emitter of various wavelength)(211-21N)는 사람의 피부층의 각 조직들 및 혈관에 조사될 수 있는 다양한 파장(wavelength, spectrum)들을 가지는 광 신호를 생성할 수 있다. 광조사기(211-21N)에서 생성할 수 있는 광들의 파장은 가시광선(visible light) 대역 및 적외선(near infrared and infrared) 대역의 파장들이 될 수 있다. 예를들면, 광조사기(211 - 21N)는 430nm에서 480nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 청색 LED, 500nm에서 590nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 녹색 LED, 620nm에서 660nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 적색 LED 및 800nm에서 1720nm 대역의 스펙트럼 광신호들을 생성하는 적외선 LED들을 포함할 수 있다.
광수신기(221 - 22N)은 광수신 모듈(예를들면, 도 1의 광수신 모듈(120))이 될 수 있다. 사람의 피부층은 상기한 바와 같이 각질층, 층화 세포 표피, 표면층, 및 지방층 등을 포함할 수 있다. 사람의 생체 정보를 획득하기 위해서는 피부층의 각 조직들 및 혈관의 정보들을 감지할 수 있어야 한다. 광조사기(211 - 21N)에서 조사되는 광신호는 대부분이 피부층의 표면에서 반사되거나 또는 피부층 및 혈관에 투과되어 흡수될 수 있으며, 피부층 및 혈관에서 반사되는 광량은 매우 미약한 세기를 가질 수 있다. 따라서 광수신기(221-22NJ)는 사람의 목표하는 피부층 또는 혈관에서 반사되는 미약한 스펙트럼 광신호들을 손실없이(또는 최소의 손실로) 수신할 수 있어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예들에서는 사람의 피부층 및 혈관 등에서 반사되는 미약한 광신호를 손실없이 수신하기 위하여, 검출기(231-23n)의 앞 단에 광수신기(221-22N)을 구성할 수 있다. 즉, 광수신기(221-22n))는 피부층에서 반사되는 광신호를 손실없이(또는 최소의 손실로) 수신하여 검출기(231-23N)에 전달하여, 검출기(231-23N)이 스펙트럼별 광신호들을 정확하게 검출할 수 있도록 할 수 있다. 광수신기(221-22N)는 제로 인덱스 메터물질 및/또는 표면 플라즈몬 도파관을 이용하여 구성할 수 있다.
검출기(multi-wavelength detector)(231 - 23N)는 검출 모듈(도 1의 검출 모듈(130))이 될 수 있다. 검출기(231-23N)은 광수신기(221-231)들에서 수신되는 다양한 파장의 광신호들을 수신하여 전기적인 신호로 변환할 수 있다.
분석기(240)는 분석 모듈(예를들면 도 1의 분석 모듈(140))이 될 수 있다. 분석기(240)는 검출기(231-23N)들에서 검출되는 다양한 파장(스펙트럼)의 광신호들을 분석하여 사람의 생체 상태의 측정 결과를 분석할 수 있다. 분석기(240)는 다양한 파장의 검출신호들을 감지신호들을 다변량 분석 방법에 기반하여 분석할 수 있다.
참조번호 250은 조사되는 광신호를 반사하는 사람의 피부층 또는 혈관이 될 수 있다. 광조사기(211-21N)에서 조사되는 다양한 파장들의 광신호는 피부층의 표면에서 반사될 수 있으며, 피부층을 투과하여 피부층 내에서 흡수될 수 있으며, 피부층에서 반사되어 광수신기(221-22N)에 입사될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정장치는 비관혈식 방법의 생체 측정장치가 될 수 있다. 예를들면, 생체 측정장치는 심장의 박동수와 혈액의 산소 농도를 측정할 수 있다. 산소 농도를 측정하기 위하여, 생체 측정장치는 두 개의 다른 파장들을 가지는 광신호들을 생성하고, 생성된 광신호들을 사람의 피부층에 조사할 수 있다. 이러한 비관혈식 측정 방법(noninvasive measurement techniques)은 확산(또는 산란) 광반사(diffuse optical) 기법에 기반하며, 사람의 피부와 터비드 샘플(turbid sample)에서 입사된 광 중에서 피부층 및/또는 혈관에서 반사되는 광신호의 비율을 측정할 수 있다. 터비드 샘플의 탁도(turbidity)는 육안으로 보이지 않는 부유 물질에 의한 유체의 흐림을 의미할 수 있다. 혈관 및 지방 조직 등은 다양한 크기의 다양한 입자로 구성된 부유 고형물이 포함되어 있을 수 있다.
예를들면, 확산 반사 측정(diffuse reflectance measurement) 방법은 800-1350nm의 파장으로 혈당(blood glucose)을 감지할 수 있다. 산소 포화도를 측정하기 위한 생체 측정장치는 660nm와 905-940nm의 파장을 이용할 수 있다. 생체 측정장치는 430nm와 590nm에서 구분되는 혈액 속에서 헤모글로빈과 일산화탄소가 결합된 카복시헤모글로빈(carboxyhemoglobin)과 혈액 속에서 헤모글로빈과 산소가 결합된 산화 헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 광 스펙트럼을 확인할 수 있다. 혈중 콜레스테롤(blood cholesterol)은 620nm에서 광학적으로 흡수 피크(absorption peak)로 측정될 수 있다. 체지방(body fat)의 흡수대(absorption band)는 1210nm 내지 1720nm로 알려져 있다.
단일 광조사기 및 검출기를 사용하는 생체 측정장치는 복수의 생체 정보를 측정할 수 없다. 즉, 체지방, 글루코스, 콜레스테롤, 옥시헤모글로빈 및 카복시헤모글로빈(body fat, glucose, cholesterol, oxyhemoglobin and carboxyhemoglobin) 에 대한 광범위한 파장으로 인해 이런 요소들을 하나의 센서를 이용하여 측정하는 것이 어려울 수 있다. 즉, 단일의 센서를 구비하는 생체 측정장치는 옥시헤모글로빈에서 카복시헤모글로빈을 구별하는 것이 어렵기 때문에, 카본 모노사이드(carbon monoxide)에 기인하는 카복시헤모글로빈의 측정은 매우 중요할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들에서는 가시광선 대역의 복수 파장들 및 적외선 대역의 복수 파장들을 가지는 광신호들을 생성할 수 있는 복수의 광조사기(211-21N)들 및 반사되는 복수 파장들의 광신호들을 수신할 수 있는 복수의 광검출기(231-23N))들을 포함하는 생체 측정장치를 제공할 수 있다.
또한 모바일 폰(mobile phone, cellular phone) 등과 같은 전자장치는 다양한 종류의 생체 측정장치들을 탑재하는 추세이다. 일반적인 생체 측정장치는 분광계(spectrometer) 내에서 빛을 콜리메이팅(collimating)하기 위한 파이버 번들 프로브(fiber bundle probes)들을 사용할 수 있다. 파이버 번들 프로브(fiber bundle probes)는 복수의 광 파장들을 생성하기 위한 광원들의 출력을 묶어(bundle) 방사하는 방법이 될 수 있다. 그러나 프로브 타입의 생체 측정장치는 전자장치에 탑재하기 어려울 수 있다. 광조사기(211-21N)에서 생성되어 사람의 접촉되어 조사되는 다양한 파장의 광신호들은 사람의 피부에서 반사되거나 피부층 및 혈관에 흡수될 수 있다. 따라서 피부층 및 혈관에서 반사되는 광신호는 매우 미약한 세기를 가질 수 있다. 따라서 생체 측정장치는 피부층 및 혈관에서 반사되는 미약한 광신호를 손실없이 수신할 수 있어야 한다. 본 발명의 다양한 실시예들에서 생체 측정장치는 검출기(231-23N)의 전단에 피부층 및 혈관에서 반사되는 광신호를 손실없이(또는 최소의 손실로) 수신할 수 있는 광수신기(221-22N)을 더 구비할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체측정장치는 광수신기(221-22N)에서 피부층 및 혈관에서 반사되는 다양한 파장들의 광신호들을 수신하여 검출기(231-23N)에 전달할 수 있으며, 이로인해 플래너 타입의 생체 측정 장치(Multi-purpose planar optical diffuse reflectance sensor device)를 구성할 수 있다.
사람의 피부층은 각질층(stratum corneum), 층화 세포 표피(straitified cellular epidermis) 및 피부 결합 조직(dermis of connective tissue)로 알려진 표면층(superficial layer)으로 구성될 수 있다. 피부 아래는 피하의 지방층 또는 지방 조직(subcutaneous fatty layer or adipose tissue)이 있다. 피부에서, 수분은 약 70%가 될 수 있다. 반대로 지방 조직은 약 10%의 수분을 포함할 수 있으며, 주로 트리글리세리드(triglycerides (fat))로 구성될 수 있다. 근 적외선이 피부에 조사될 때, 반사되는 비율은 피부를 투과할 때의 잔여 광이 될 수 있다. 반사광의 비율 또는 정반사율(specular reflectance)은 일반적으로 240nm-300nm로 전체 스펙트럼에 걸쳐 전달되는 광의 4% - 7%가 될 수 있다. 피부층에 입사되는 광량의 93-96%는 피부의 다양한 층들에서 흡수 및 산란(absorption and scattering)에 의해 감쇠될 수 있다. 스펙트로미터(spectrometer)의 센서들의 오리엔테이션에 의해 결합되는 이들 두 프로세스들은 소스에 의해 조사(방사)되고 넓게 반사되는 광의 수집(collection)을 통해 샘플링되어 조직 크기 (tissue volume)를 결정할 수 있다.
확산 반사(diffuse reflectance)는 터비드 샘플로부터 되돌아오는 입사 광의 일부(fraction)으로 정의될 수 있다. 다양한 피부층 구성요소에 의한 흡수는 각 레이어들 내의 광의 스펙트럼 감쇠(spectral extinction)로 설명될 수 있다. 산란(scattering)은 확산 반사에 기여하여 리턴될 수 있는 빔에 의해 처리될 수 있다. 피부층 내에서 빔은 마이크로스코픽 레벨(microscopic level)의 굴절률(refractive index) 내의 단속성에 기인될 수 있다. 마이크로스코픽 레벨은 세포외 매트릭스(extracellular matrix) 내의 각 티슈 컴파트먼트(tissue compartment) 또는 콜라겐 섬유(collagen fibrils)들 간에 지방질(collagen fibrils, 수분을 함유한 지방질) 인터페이스와 같은 것이 될 수 있다.
피부 조직 내의 광 흡수는 주로 수분, 단백질 및 지방에 의해 이루어질 수 있다. 가장 중요한 구성요소로서, 물은 약 1100nm에서 근적외선 흡수를 탁월하게 할 수 있다. 피부층(dermis)에서 수분 함량의 변화는 피하 조직(subcutaneous tissue)을 조사하고, 지방에 의해 흡수되는 전체 광량을 변화시킬 수 있는 검출기에 도달하는 전체 광량을 나타낼 수 있다. 피하 지방층에 대한 흡수 대역은 1210nm - 1720nm로 알려져있다.
광신호 감지는 확산 반사에 기반하여 수행될 수 있다. 피부 조직 및 혈관으로부터 확산 반사의 스펙트럼 특성은 피부 조직의 고유한 흡수 및 산란 속성들(properties)들과, 또한 이종의 피부 조직(heterogeneous tissue)의 예에서, 크로모포스(chromophores, 발색체) 및 산란 요소들 및 소스 티슈 검출기 지오메트리(source-tissue-detector geometry)와 함께 확산 요소(scattering components)들의 분배들의 상호 복합체(complex interplay)들의 결과들이 될 수 있다. 따라서, 조직의 신진 대사적인(metabolic), 생리적인(physiologic) 및/또는 구조적인 특성들은 선택된 파장에 따라 측정된 파라미터들을 발생 할 수 있는 조직의 고유한 흡수 및 산란 요소들을 발생할 수 있다.
μa가 흡수 계수(absorption coefficient)이고, μs가 산란 계수(scattering coefficient)라고 하면, 전체 감쇠계수(total attenuation constant μt=μa+μs)를 정의할 수 있다. 그리고 확산 근사 계산에서, 확산 반사는 하기 <수학식 1>과 같이 구할 수 있다.
Figure 112017027934300-pat00001
상기 <수학식 1>에서, ｇ=<cosθ>는 산란각의 평균 코사인(average cosine of the scattering angle)이 될 수 있으며, k는 감쇠계수(effective attenuation coefficient),
Figure 112017027934300-pat00002
는 글루코스 등과 같은 특정 요소의 산란 또는 흡수 파라미터가 될 수 있다. 확산 반사 측정(measurement of the diffuse reflectance) R (총 전송율(total transmittance))은 흡수 계수(absorption coefficient μa) 및 감소되는 산란 계수(reduced scattering coefficient μs(1-ｇ))의 계산에 의해 구할 수 있다.
특정 구성 요소의 농도(concentration)는 다변량 분석 방법(multivariate analytical method)에 의해 수행될 수 있다. 다변량 분석은 변수들 간의 인과 관계를 분석(회귀 분석, 분산 분석), 변수들 간의 상관 관계(데이터 차원의 축약(reduction), 개체들 간의 유사성에 의해 개체들을 분류(classification)하는 방법이 될 수 있다.
도 3은 파장의 함수로서 유산소 순환 분석(the cardio-circulatory assay)에 사용되는 다양한 헤모글로빈 함수(hemoglobin derivatives)의 흡수 스펙트럼의 특성을 도시하는 도면이다.
도 3에서 (a)는 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 특성이 될 수 있으며, (b)는 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin)의 특성이 될 수 있으며, (c)는 카복시헤모글로빈(carboxyhemoglobin)의 특성이 될 수 있으며, (d)는 헤모글로빈 니트라이트(hemoglobin nitrite) 특성이 될 수 있다. 도 3에서 일산화탄소 흡입(carbon monoxide inhalation)에 따른 카복시 헤모글로빈(carboxyhemoglobin)의 흡수 스펙트럼이 590nm 및 430nm에서 다른 헤모글로빈 함수들과 다른 특성을 갖는 것으로 도시하고 있다.
도 4는 혈액 콜레스트롤에 대한 흡수 스펙트럼의 다른 예를 도시하는 도면이다. 도 5a는 글루코스(glucose)의 흡수 스펙트럼을 도시하는 도면이며, 도 5b는 다양한 조건하에서의 글루코스 흡수 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 4에서 (a)는 혈액 콜레스테롤(blood cholesterol, colored cholesterol)의 흡수 스펙트럼(absorption spectra of colored cholesterol) 방사대역이 될 수 있으며, (b)는 가시광선 대역의 발광 소자(광조사기)의 조사 대역(radiation band of the visible diode laser)이 될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 혈액 콜레스테롤의 흡수 스펙트럼은 620nm에서 흡수 피크치를 가질 수 있다.
한편, 헤모글로빈과 헤모글로빈의 신호가 제거된 디옥시헤모글로빈들의 흡수율은 660nm 및 904-940 nm의 스펙트럼 구간에서 크게 다른 것으로 알려져있다. 심장 박동에 의해 동맥 혈관 (arterial blood vessels)은 팽창 및 축소되기 때문에, 동맥 혈관의 측정신호는 심장 박동이 발생될 때 측정될 수 있다. 따라서 심장 박동은 옥시헤모글로빈 및 디옥시 헤모글로빈의 비율(oxy/deoxyhemoglobin ratio)에 따라 측정될 수 있다. 유사하게, 혈당(blood glucose) 레벨은 800nm와 1350nm 간의 흡수 스펙트럼 비교에 의해 측정될 수 있다. 혈액 콜레스테롤은 620nm에서 검출될 수 있다. 상기 <수학식 1> 및 다변량 분석 방법(multivariate analytical procedure)을 통해, 1100nm의 스펙트럼 데이터로부터 피부층(dermis 및 epidermis) 내의 수분 함량 또는 스킨(skin)의 수분(hydration) 레벨을 결정할 수 있다. 체지방(body fat)은 1210nm 및 1720nm의 스펙트럼 데이터에서 피하 지방 층(subcutaneous fatty layer)의 두께를 계산하여 결정될 수 있다. 혈액 산소 레벨(blood oxygen level)은 590nm, 430nm, 660nm 및 920 nm 스펙트럼에서 결정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정 장치에서 광조사기(211-21N)는 상기한 바와 같은 다양한 종류의 생체 정보를 측정하기 위하여 각각 대응되는 파장들의 광신호들을 생성하기 위한 발광소자들을 포함할 수 있다. 발광 소자는 LED(light emitting diode)가 될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 광조사기(211-21N)는 430nm에서 480nm 대역(예를들면 430nm 파장 또는 이에 근접하는 파장 대역) 광신호를 생성하는 청색 LED, 500nm에서 590nm 파장 대역(예를들면 590nm 또는 이에 근접하는 파장 대역)의 광신호를 생성하는 녹색 LED, 620nm에서 780nm) 파장 대역(예를들면, 620nm 및 640nm 파장 또는 이에 근접하는 파장 대역의 광신호를 생성하는 적색 LED를 포함하여 가시광선 대역의 다양한 파장들을 가지는 광신호들을 생성할 수 있다. 또한 광조사기(211-21N)는 800nm에서 2000nm 파장 대역(예를드면 800nm, 1100nm, 1210nm, 1350nm 및 1720nm 파장)의 광신호를 생성하는 적외선(near infrared and infrared) LED들을 포함하여 적외선 대역의 파장들을 가지는 다양한 광신호들을 생성할 수 있다. 청색(blue) LED는 InGaN LED를 사용할 수 있으며, 적색 LED는 InGaP LED를 사용할 수 있다. 광신호는 백색 LED 또는 청색 (430nm), 적색 (620nm), 백색 LED들의 방사되는 레이저 다이오드들의 결합을 사용할 수도 있다.
광조사기(211-21N)에서 생성되어 피부층에 조사되는 다양한 파장들의 광신호는 사람의 피부층을 통해 투과하여 피부층 내의 다양한 조직들 및 혈관에서 반사되어 광수신기(221-22N)에 입사될 수 있으며, 광수신기(221-22N)는 수신되는 반사 광신호를 검출기(231-23N)에 인가할 수 있다. 그리고 검출기(231-23N)는 수신되는 광신호들을 전기적인 신호로 변환하며, 분석기(240)는 검출된 신호들을 다변량 분석 방법에 기반하여 생체 정보를 측정 결과를 분석학 수 있다.
따라서 생체 측정장치는 목표하는 조직 또는 혈관에 전송되어 반사되는 특정 범위의 가시광선 및 근적외선을 검출할 수 있으며, 데이터 처리를 통해 구성 요소들을 인식할 수 있다. 센싱 엘리먼트들은 목표 파장에 대한 수신기들 및 검출기들이 될 수 있으며, 어레이 또는 싱글 엘리먼트로 구성될 수 있다. 검출 유니트들은 1200 nm에서 400 nm를 커버할 수 있는 영역(range of infrared to deep blue)을 가지는 디지털 카메라의 이미지 센서로 구현될 수 있다.
일반적으로 확산 반사는 혈관 및 지방조직 등과 같은 터비드 샘플에서 리턴되는 입사 광의 일부를 측정할 수 있으며, 측정되는 신호는 매우 약할 수 있다. 대체적으로, 입사 및 반사 비율의 적절한 콜리메이션이 필요할 수 있다. 이런 목적에 사용되는 전통적인 파이버 옵틱 조사는 플래너 타입의 센서들에는 적합하지 않을 수 있다. 따라서 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정 장치(multi-purpose planar optical diffuse reflectance sensor device)는 피부층에 투과되어 반사되는 광신호의 손실을 최소화하기 위한 광수신기들을 포함할 수 있다. 이때 광수신기들은 표면 플라즈몬 도파관(surface plasmon waveguide) 및/또는 제로인덱스 메터물질(Zero-index metamaterial)을 사용하여 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에서 표면 플라즈몬 도파관을 이용하여 반사 광신호를 수신하는 생체 측정장치의 구조를 도시하는 도면이다. 도 6에 도시된 생체 측정 장치는 3개의 표면 플라즈몬 도파관을 이용하여 생체 정보를 측정하는 플래너 센서의 구성 예가 될 수 있다.
도 6을 참조하면, 참조번호 611 - 613은 광조사기(light emitter of various wavelength)들이 될 수 있다. 광조사기(611-613)는 도 1의 광조사 모듈(130) 및 도 2의 광조사기(211-21N)에 대응될 수 있다. 참조번호(621-623)는 광수신기들이 될 수 있다. 광수신기(621-623)는 도 1의 광수신 모듈(130) 및 도 2의 광수신기(221-22N)에 대응될 수 있다. 도 6에서 광수신기(621-623)는 표면 플라즈몬 도파관(surface plasmon waveguide)이 될 수 있다. 참조번호 631-633은 검출기가 될 수 있다. 검출기(631-633)는 도 1의 광검출 모듈(130) 및 도 2의 광검출기(231-23N)에 대응될 수 있다. 도 6에서 광조사기, 광수신기 및 검출기는 3개로 구성되는 예를 도시하고 있다. 그러나 공조사기, 광수신기 및 검출기는 필요에 따라 2개 이하로 구성될 수 있으며, 또한 4개 이상으로 구성될 수 있다.
표면 플라즈몬(surface plasmon): 금속박막 표면에서 집단적으로 진동하는 유사 입자를 의미할 수 있다. 금속 나노 입자에서는 가시광선 대역 및 적외선 대역의 광신호들과 플라즈몬이 짝지어지면서 광 흡수가 일어나 선명한 색을 띠게 할 수 있다.
도 7은 표면 플라즈몬 도파관을 이용하는 광수신기의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 표면 플라스몬 도파관(또는 표면 플라즈몬 커플러)(720)의 전기장을 도시하는 도면이 될 수 있다.
도 7을 참조하면, 금속 구조물(721, 722) 사이에 유전물질(dielectric) 물체가 채워질 수 있으며, 금속 구조물(721, 722) 사이의 유전 매질(730)에 갇히는 전기장은 하기 <수학식 2> 에 의해서 설명될 수 있다.
Figure 112017027934300-pat00003
<수학식 2>에서 Dx_metal 은 x-축을 따르는 금속 구조물(721 또는 722)에서의 전기변위장(electricdisplacement field)이고, Dx_dielectric은 x-축을 따르는 유전 매질에서의 전기변위장이고, Ex_metal은 x-축을 따르는 금속 구조물(721 또는 722)에서의 전기장이고, Ex_dielectric은 x-축을 따르는 유전 매질에서의 전기장이며, εmetal은 가늘고 긴 금속 구조물(721 또는 722)의 유전율이고, εdielectric은 유전매질(730)의 유전율이 될 수 있다.
광조사기가 반사 방지층을 포함하는 경우, 반사지층은 유전 매질의 기능을 수행하거나 또는 유전 매질로 작용할 수 있다. 광조사기가 반사 방지층을 포함하지 않는 경우에는, 공기가 유전 매질 기능을 수행하거나 또는 유전매질로 작용할 수 있다.
상기 도 7에 도시된 바와 같이, 금속 구조물(721, 722) 사이에(즉, 유전 매질(730) 안에) 갇힌 입사 광자의 전기장은 금속 구조물(721, 722)의 유전율과 유전 매질(130)의 유전율 사이의 비에 비례할 수 있다. 따라서, 원하는 전기장 가둠은 금속 구조물(721, 722) 및/또는 유전 매질(130)에 대하여 적절한 유전율의 물질(들)을 선택함으로써 얻어질 수 있다. 금속 구조물(721,722)은 다양한 종류의 금속 중 하나 이상으로 만들어질 수 있다. 금속의 유전율은 주파수와 함수 관계이므로, 사용되는 금속의 유형은 광조사기에 의해서 검출될 광자의 주파수에 의존할 수 있다. 또한 금속 구조물(721, 722)은 특정 스펙트럼(예컨대, 푸른색, 녹색, 적색, 근적외선, 적외선 스펙트럼등)에 적절한 유전율을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 구조물(721, 722)은 Ag, Al, Au, Ni, Ti, 또는 임의의 다른 적절한 금속 중 적어도 하나를 가지는 물질을 포함할 수 있다.
일반적으로 금속의 유전율이 유전 매질의 유전율보다 훨씬 높다는 것을 고려할 때, 두 개의 금속 구조물(721, 722)의 배열은 일반적으로 입사되는 광(예를들면 피부층에 투과되어 반사되는 광신호)의 전기장의 강한 가둠을 가능하게 할 수 있다. 이는 두 개의 금속 구조물(721, 722) 사이의 거리 "D" 및/또는 금속 구조물(721, 722) 각각의 높이가 입사 광 신호의 파장보다 작은 경우에도 유효할 수 있다. 일 실시예에서, 두개 금속 구조물(721, 722) 사이의 거리 및/또는 높이는 검출될 입사 광자의 파장과 같거나, 그보다 작을 수 있다.
따라서 도 7에 도시된 바와 유전 물질(730) 층의 폭이 피부층에 반사되어 입사되는 광 파장보다 작더라도 대부분의 옵티컬 필드가 유전체(또는 반도체) 층에서 제한(confine)될 수 있다. 옵티컬 제한(optical confinement)의 개선은 유전률(permittivity)의 비율에 의해 결정될 수 있다.
상기한 바와 같이, 표면 플라즈몬 도파관은 가시광선 대역 및 적외선 대역의 광신호들과 플라즈몬이 짝지어지면서 광 흡수를 할 수 있다. 따라서 광검출기(631-635)의 앞단에 광수신기(621-625)를 위치시키면, 피부층에서 반사되는 광신호를 광검출기(631-635)에 효율적으로 전달할 수 있다. 이때 플라즈몬 도파관을 특정 파장에 적절한 유전율을 가지는 금속 구조물로 구성하면, 해당하는 파장의 반사 광신호를 효율적으로 수신할 수 있다.
검출기(631-635)는 각각 대응되는 광수신기(621-635)에서 수신되는 광신호들을 검출하여 생체 정보를 나타내는 전기적인 신호로 변환할 수 있으며, 분석부는 광검출기(631-635)들에서 검출되는 생체 정보들을 다변량 분석 방법에 기반하여 분석할 수 있다. 예를들면, 두개의 다른 파장(660nm, 940nm)를 사용하여 산화 혈색소와 환원 혈색소 간의 흡광도 차이로 산소 포화도를 측정할 수 있으며, 430nm와 590nm를 사용하여 카복시 헤모글로빈(헤모글로빈과 일산화탄소의 결합)과, 산화 헤모글로빈(헤모글로빈과 산소의 결합)의 광스펙트럼을 확인할 수 있으며, 800-1350nm의 파장 사용하여 혈당(blood glucose) 측정할 수 있으며, 62nm의 파장을 사용하여 혈중 콜레스테롤 측정할 수 있으며, 1210nm 내지 1720nm를 사용하여 체지방 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다양한 실시예들에서 제로인덱스 메터물질을 이용하여 피부층에서 반사되는 광신호를 수신하는 생체 측정장치의 구조를 도시하는 도면이다. 도 8에 도시된 생체 측정 장치는 3개의 제로인덱스 메터물질을 이용하여 생체 정보를 측정하는 플래너 센서의 구성 예가 될 수 있다.
도 8을 참조하면, 참조번호 811 - 813은 광조사기(light emitter of various wavelength)들이 될 수 있다. 광조사기(811-813)는 도 1의 광조사 모듈(130) 및 도 2의 광조사기(211-21N)에 대응될 수 있다. 참조번호(821-823)는 광수신기들이 될 수 있다. 광수신기(821-823)는 도 1의 광수신 모듈(130) 및 도 2의 광수신기(221-22N)에 대응될 수 있다. 도 8에서 광수신기(821-823)는 제로인덱스 메터물질(zero-index metamaterial)이 될 수 있다. 참조번호 831-833은 검출기가 될 수 있다. 검출기(831-833)는 도 1의 광검출 모듈(130) 및 도 2의 광검출기(231-23N)에 대응될 수 있다. 도 8에서 광조사기, 광수신기 및 검출기는 3개로 구성되는 예를 도시하고 있다. 그러나 공조사기, 광수신기 및 검출기는 필요에 따라 2개 이하로 구성될 수 있으며, 또한 4개 이상으로 구성될 수 있다.
도 9는 제로인덱스 메터물질의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 메터물질은 일반적인 자연계에서 찾을 수 없는 특성을 갖도록 설계되는 인공 재료를 의미할 수 있다. 메타 물질의 특성 중 대표적인 예로는 전자기장에 대한 ‘0’ 또는 음의 굴절율을 들 수 있다. 메타 물질은 주로 금속이나 플라스틱 등의 소재를 이용하여 특정 패턴을 형성함으로써 제작될 수 있으며, 메타 물질은 특징적인 물성은 그 소재가 아닌 특정 패턴에 의해 주어질 수 있다. 메타 물질의 대표적인 예로는 유전율과 투자율이 모두 음의 값을 가지는 NIM(Negative Index Material)이나 유전율과 투자율 중 하나만 음의 값을 가지는 SNG(Single NeGative) 등을 들 수 있으며, SRR(Split Ring Resonator) 등의 패터닝에 의해 이러한 성격을 가질 수 있다. 메타 물질은 특정 주파수의 전자기장에 대한 굴절율(refraction index)로서 ‘0’의 굴절율(제로 굴절율) 또는 음의 굴절율(마이너스 굴절율)을 가질 수 있다. 자기장이 ‘0’ 또는 음의 굴절율을 가지는 메타 물질을 통과하면 마치 광학 렌즈를 통과하는 광이 굴절되는 것과 유사한 효과가 발생한다. 즉, 메타 물질은 방사상으로 퍼져나가는 전자기장을 원하는 방향으로 집중시킬 수 있다. 이런 효과를 이용하면 메타 물질 구조체(1000)를 이용하여 생체 측정장치에서 피부층 내에서 반사되어 방사상으로 퍼져나가는 광신호를 특정 방향으로 할 수 있다.
확산(분산, dispersion)에 따른 메터 구조 또는 메터 물질의 등가 유전율(equivalent permittivity)은 하기 <수학식 3>에 의해 근사화될 수 있다.
Figure 112017027934300-pat00004
여기서 ωp는 물질의 플라스마 각주파수가 될 수 있다.
제로인덱스 메터물질은 설계 과정에서 전반사(complete reflection) 또는 전체 전달(complete transmission)이 가능할 수 있다. 도 9에서 영역(930)의 유전율, 투자율이 0에 근접하면 complete transmission 효과를 얻을 수 있다.
도 9에서 광신호가 영역 (910)에서 영역 (920)으로 입사되는 경우, 맥스웰 방정식으로부터 반사계수 (R)와 투과 계수(T)를 하기 <수학식 4>와 같이 구할 수 있다
Figure 112017027934300-pat00005
상기 <수학식 4>에서 영역 (930)이 존재하지 않고 영역 (920)의 유전율(permittivity)이 0에 접근하면 투과계수는 1에 근접함을 어렵지 않게 보일 수 있다. 즉, 인체 피부 및 내피 조직으로부터 반사된 광신호를 손실 없이 검출기(이미지 센서)에 전송할 수 있다.
따라서 광검출기(831-835)의 앞단에 제로인덱스 메터물질로 구성되는 광수신기(821-825)를 위치시키면, 피부층에서 반사되는 광신호를 광검출기(831-835)에 효율적으로 전달할 수 있다. 이때 제로인덱스 물질을 특정 파장을 전투과(complete transmission)하도록 구성하면, 해당하는 파장의 반사 광신호를 효율적으로 수신할 수 있다.
검출기(831-835)는 각각 대응되는 광수신기(821-825)에서 수신되는 광신호들을 검출하여 생체 정보를 나타내는 전기적인 신호로 변환할 수 있으며, 분석부는 광검출기(831-835)들에서 검출되는 생체 정보들을 다변량 분석 방법에 기반하여 분석할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다양한 실시예들에서 표면 플라즈몬 도파관 및 제로인덱스 메터물질을 이용하여 피부층에서 반사되는 광신호를 수신하는 생체 측정장치의 구조를 도시하는 도면이다. 도 10에 도시된 생체 측정 장치는 3개의 제로인덱스 메터물질을 이용하여 생체 정보를 측정하는 플래너 센서의 구성 예가 될 수 있다.
도 10을 참조하면, 참조번호 1011 - 1013은 광조사기(light emitter of various wavelength)들이 될 수 있다. 광조사기(1011-1013)는 도 1의 광조사 모듈(130) 및 도 2의 광조사기(211-21N)에 대응될 수 있다. 참조번호 1021-1023 및 1031-1033은 광수신기들이 될 수 있다. 광수신기(1021-1023) 및 (1031-1033)는 도 1의 광수신 모듈(130) 및 도 2의 광수신기(221-22N)에 대응될 수 있다. 도 10에서 광수신기(1021-1023) 및 (1031-1033)는 제로인덱스 메터물질(zero-index metamaterial)이 될 수 있다. 참조번호 1041-1043은 검출기가 될 수 있다. 검출기(1041-1043)는 도 1의 광검출 모듈(130) 및 도 2의 광검출기(231-23N)에 대응될 수 있다. 도 10에서 광조사기, 광수신기 및 검출기는 3개로 구성되는 예를 도시하고 있다. 그러나 광조사기, 광수신기 및 검출기는 필요에 따라 2개 이하로 구성될 수 있으며, 또한 4개 이상으로 구성될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 피부층 및 혈관 등에서 반사되는 미약한 광신호들은 표면 플라즈몬 도파관 및 제로인덱스 메터물질로 구성된 광수신기를 통해 광검출기에 전달될 수 있다. 즉, 피부층 및 혈관 등에서 반사되는 미약한 광신호는 표면 플라즈몬 도파관의 광수신기(1021-1023) 및 제로인덱스 메터물질의 광수신기(1031-1033)를 통해 검출기(1041-1043)에 전달될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정장치는 광대역(wide range, 예를들면 430nm, 560nm, 620nm, 660nm, 800nm, 905-940nm, 1100nm, 1210nm, 1350nm and 1720nm 등) 플래너 타입 생체 측정장치(planar type compact optical emitter/detector unit)일 수 있다. 플래너 타입의 생체 측정장치는 모바일 폰 등과 같은 전자장치에 적용할 수 있다.
상기와 같은 플래터 타입의 생체 감지 센서를 구비하는 장치는 다음과 같은 동작을 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정 방법은 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 단계, 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 반사되는 대응되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 광수신 단계, 상기 수신되는 스펙트럼별 사람의 생체정보들을 검출하는 검출 단계 및 상기 검출되는 생체 생체정보들 다변량 분석 방법에 기반하여 감지된 생체 정보들을 분석하는 분석단계를 포함할 수 있다.
이때 광조사 단계는 적어도 하나의 가시광선 대역의 파장을 가지는 광신호 및 적어도 하나의 적외선 대역의 파장을 가지는 광신호들을 생성할 수 있다. 예를들면, 광조사 단계에서 생성되는 광신호들은 430nm, 590nm, 620nm, 660nm. 800nm, 1100nm, 1210nm, 1350nm, 1720nm 파장의 광신호들을 포함할 수 있다. 또한 광수신 단계에서 피부층에서 반사되는 광신호를 수신하는 방법은 표면 플라즈몬 도파관 또는 제로인덱스 메터물질을 통해 수행될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 생체 측정장치를 구비하는 전자장치의 구성을 도시하는 도면이다. 도 12a - 도 12c는 생체센서부가 장착되는 전자장치의 예를 도시하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 프로세서(1100)는 어플리케이션 프로세서(application processor) 또는 통신 프로세서(communication processor)들 중의 하나 또는 모두를 포함할 수 있다. 프로세서(1100)는 생체 정보 측정 어플리케이션 실행시 생체 센서부(1120)를 제어하여 사용자의 생체 정보를 검출할 수 있으며, 검출되는 생체정보를 다변량 분석 방법에 기반하여 분석할 수 있다. 프로세서(1110)는 생체 정보의 통신 어플리케이션 실행시 분석된 생체 정보를 해당하는 외부 장치(또는 외부 서버)에 전송하도록 통신부(1130)을 제어할 수 있다.
메모리(1110)는 휘발성 및/또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(1110)는 다변량 분석 방법에 의해 생체 정보를 분석하기 위한 프로그램을 저장할 수 있다.
생체센서부(1120)는 광조사 모듈, 광수신 모듈 및 검출 모듈을 포함할 수 있다. 광조사 모듈은 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사할 수 있다. 광조사 모듈은 가시광선 대역의 파장을 가지는 광신호들을 생성할 수 있는 청색 LED, 녹색 LED, 적색 LED들 중의 하나 또는 두개 이상을 포함할 수 있다. 또한 광조사 모듈은 근적외선 및 적외선 대역의 광신호들을 생성할 수 있는 적외선 LED를 포함할 수 있다. 광수신 모듈은 사람의 피부층 또는 혈관에 반사되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신할 수 있다. 광수신 모듈은 표면 플라즈몬 도파관 또는 제로 인덱스 메터물질들 중의 하나 또는 모두를 이용할 수 있다. 검출 모듈은 광수신 모듈에 수신되는 스펙트럼별 사람의 생체정보들을 검출하여 프로세서(1100)에 인가할 수 있다.
통신부(1130)는 전자장치와 이부 전자장치 또는 서버 간의 통신을 설정할 수 있다. 예를들면, 통신부(1130)는 무선 통신 및/또는 유선 통신을 통해서 외부 망(기지국 또는 인터넷 망)에 연결되어 외부장치 또는 외부 서버와 통신할 수 있다. 예를들면, 무선 통신은 LTE(long-term evolution), wifi, blutooth, NFC(near field communication) 모듈들 중의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 유선 통신은 RS-232, RS-422 통신 방식에 기반하여 수행할 수 있다.
표시부(1140)는 사용자에게 생체 측정 정보를 표시할 수 있다. 표시부(1140)는 LCD(liquid crystal diplay), LED(light emitting diode) 디스플레이를 포함할 수 있다. 입력부(1150)는 전자장치의 입력신호를 발생할 수 있다. 입력부(1150)는 터치 패널을 포함할 수 있다. 또한 표시부(1140) 및 입력부(1150)는 일체형으로 구성될 수 있다.
도 11과 같은 구성을 가지는 전자장치에서 생체 센서부(1120)는 도 12a 또는 도 12b와 같이 장착될 수 있다.
생체 센서부(1120)는 플래너 타입의 센서(Multi-purpose planar optical diffuse reflectance sensor)가 될 수 있으며, 도 6, 도 8 또는 도 10과 같은 구조를 가질 수 있다. 따라서 전자장치의 사용자는 입력부(1150)를 통해 생체 측정 어플리케이션의 실행을 요청하면, 프로세서(1100)는 생체 센서부(1120)을 구동하여 사용자의 생체 측정 어플리케이션을 실행시킬 수 있다. 사용자가 생체 센서부(1120)을 사용자의 피부에 접촉하면, 생체센서부(1120)의 광조사 모듈은 사용자의 피부층을 투과하여 피부층(지방층을 포함함) 및 혈관에서 반사될 수는 광신호들을 생성하여 피부층에 조사할 수 있다. 이때 광조사 모듈에서 피부층에 조사할 수 있는 광신호들을 다양한 파장을 가질 수 있다. 예를들면, 광조사 모듈은 blue (430nm), green (590nm), red (620nm and 660nm) and near infrared and infrared (800nm, 1100nm, 1210nm, 1350nm and 1720nm)로 방사할 수 있는 LED 어레이 또는 LED 싱글 앨리먼트들을 포함할 수 있다.
상기 광조사 모듈에 피부층에 조사되는 복수의 광 파장 신호들은 피부층에서 반사되거나 피부층에 투과되어 흡수되거나 피부층 및/또는 혈관에서 반사되어 광수신 모듈에 입사될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에서는 피부층에서 반사되는 특정 파장(가시광선 대역 및/또는 적외선 대역)의 미약한 광신호를 수신하기 위하여 검출 모듈의 전단에 광수신 모듈을 위치시킬 수 있다. 광수신 모듈은 상기 도 6, 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이 광수신 모듈은 표면 플라즈몬 도파관 및/또는 제로인덱스 메터물질을 이용하여 구성할 수 있다. 그리고 검출 모듈은 광수신 모듈에서 수신되는 광신호들을 전기적인 신호로 변환하여 프로세서(1100)에 인가할 수 있다. 그러면 프로세서(1100)는 생체 센서부(1120)에서 검출된 생체 정보들을 다변량 분석 방법에 기반하여 분석할 수 있다.
도 12c는 전자장치가 웨어러블 디바이스(wearable device)인 경우의 생체센서부의 장착 예를 도시하는 도면이다. 전자장치가 워치(watch)형 디바이이슨 인 경우, 전자장치의 후면에 생체센서부(1120)을 장착할 수 있다. 이런 경우, 사용자가 전자장치를 착용하면, 생체 센서부(1120)는 사용자의 손목에 접촉되어 사용자의 생체 정보를 감지할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (14)

  1. 생체 신호를 감지할 수 있는 비관혈 방식의 플래너 센서; 및
    상기 플래너 센서에서 검출되는 신호들에 다변량 분석 방법을 적용해, 생체 정보들을 분석하는 분석 모듈을 포함하며,
    상기 플래너 센서는
    사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 모듈;
    표면 플라즈몬 도파관(surface plasmon waveguide)을 포함하며, 상기 목표하는 피부층 또는 혈관에서 반사되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신하는 광수신 모듈; 및
    상기 표면 플라즈몬 도파관의 뒷단에 위치하고, 상기 광수신 모듈에 수신되는 스펙트럼별 광신호들을 검출하여 상기 분석 모듈에 출력하는 검출 모듈을 포함하고,
    상기 표면 플라즈몬 도파관은 제1 금속 구조물 및 제2 금속 구조물을 포함하며, 상기 제1 금속 구조물 및 상기 제2 금속 구조물 사이에 유전 매질이 존재하는
    생체 정보 측정 장치.

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광조사 모듈은
    430nm에서 480nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 청색 엘이디;
    500nm에서 590nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 녹색 엘이디;
    620nm에서 660nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 적색 엘이디; 및
    800nm에서 1720nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 적외선 엘이디를 포함하는
    장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광수신 모듈은
    소정의 주파수의 전자기장에 대한 0 이하의 굴절율(refraction index)을 가지며 소정의 파장을 전투과(complete transmission)하는 제로인덱스 메터물질(zero-index metamaterial)을 더 포함하는
    장치.

  5. 삭제
  6. 생체 정보 측정 장치의 생체 정보 측정 방법에 있어서,
    광조사 모듈을 통해, 사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 단계;
    표면 플라즈몬 도파관(surface plasmon waveguide)을 포함하는 광수신 모듈을 통해, 상기 목표하는 피부층 또는 혈관에서 반사되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신하는 광수신 단계;
    상기 표면 플라즈몬 도파관의 뒷단에 위치하는 검출 모듈을 통해, 상기 수신되는 스펙트럼별 광신호들을 검출하는 검출 단계; 및
    상기 검출되는 광신호들에 다변량 분석 방법을 적용하여 생체 정보들을 분석하는 분석단계를 포함하고,
    상기 표면 플라즈몬 도파관은 제1 금속 구조물 및 제2 금속 구조물을 포함하며, 상기 제1 금속 구조물 및 상기 제2 금속 구조물 사이에 유전 매질이 존재하는
    방법.

  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 광조사 단계는
    청색 엘이디를 통해 430nm 에서 480nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 단계;
    녹색 엘이디를 통해 500nm에서 590nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 단계;
    적색 엘이드를 통해 620nm에서 660nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 단계; 및
    적외선 엘이디를 통해 800nm에서 1720nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 단계를 포함하는
    방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 광수신 모듈은
    소정의 주파수의 전자기장에 대한 0 이하의 굴절율(refraction index)을 가지며 소정의 파장을 전투과(complete transmission)하는 제로인덱스 메터물질(zero-index metamaterial)을 더 포함하는
    방법.
  10. 삭제
  11. 전자장치에 있어서,
    몸체의 뒷면에 장착되며, 생체 신호를 감지할 수 있는 플래너 타입의 생체 센서부;
    생체 감지 어플리케이션의 실행이 요청되면 상기 생체 센서부의 구동을 제어하며, 상기 생체 센서부에서 감지되는 생체 신호들에 다변량 분석 방법을 적용해 생체 정보들을 분석하는 프로세서;
    상기 프로세서에서 분석된 생체 정보들을 표시하는 표시부; 및
    상기 프로세서의 제어하여 상기 분석된 생체 정보들을 외부 장치에 전송하는 통신부를 포함하며,
    상기 생체 센서부는,
    사람의 피부에 접촉되어 목표하는 피부층 또는 혈관에 도달될 수 있는 특정 스펙트럼들의 가시광선 및 적외선 광신호들을 생성하여 사람의 피부에 조사하는 광조사 모듈;
    소정의 주파수의 전자기장에 대한 0 이하의 굴절율(refraction index)을 가지며 소정의 파장을 전투과(complete transmission)하는 제로인덱스 메터물질(zero-index metamaterial)을 포함하고, 상기 목표하는 피부층 또는 혈관에서 반사되는 스펙트럼의 광신호들을 각각 수신하는 광수신 모듈; 및
    상기 제로인덱스 메터물질의 뒷단에 위치하고, 상기 광수신 모듈에 수신되는 스펙트럼별 광신호들을 검출하여 상기 프로세서에 출력하는 검출 모듈을 포함하는
    전자장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광수신 모듈은
    표면 플라즈몬 도파관(surface plasmon waveguide)을 더 포함하고,
    상기 표면 플라즈몬 도파관은 제1 금속 구조물 및 제2 금속 구조물을 포함하며, 상기 제1 금속 구조물 및 상기 제2 금속 구조물 사이에 유전 매질이 존재하는
    전자장치.

  13. 삭제
  14. 제11항에 있어서,
    상기 광조사 모듈은
    430nm에서 480nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 청색 엘이디;
    500nm에서 590nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 녹색 엘이디;
    620nm에서 660nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 적색 엘이디; 및
    800nm에서 1720nm 대역의 스펙트럼 광신호를 생성하는 적외선 엘이디를 포함하는
    전자장치.

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