KR102067260B1 - 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치에 관한 것으로, 사용자의 신체로 복수의 파장을 갖는 근적외선을 각각 조사 가능한 광원부, 상기 사용자의 신체로부터 확산 반사되는 광신호를 측정하고, 상기 광원부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광수신부 및 상기 광수신부로부터 광신호를 제공받아 상기 사용자 신체에 대한 피부톤이나 생체조직의 생리학적 정보와 같은 사용자정보를 생성하는 정보처리부;를 포함하고, 상기 광원부는, 상기 사용자정보를 기반으로 설정된 파장과 출력세기를 갖는 레이저광을 조사하고, 상기 정보처리부는, 상기 광신호를 기반으로 상기 사용자 신체에 대한 광학적 특성을 산출하는 광특성산출모듈, 상기 광특성산출모듈에서 산출된 광학적 특성을 기반으로 상기 사용자 신체에 대한 생리학적 정보를 산출하는 생체분석모듈 및 상기 생체분석모듈에서 산출된 생리학적 정보를 기반으로 상기 광원부의 파장 설정 및 출력세기를 조절하는 출력조절모듈을 포함한다.
본 발명은 사용자의 피부톤이나 생리학적 정보를 산출하여 사용자 맞춤별 파장과 세기를 갖는 레이저광을 조사하여 미용, 치료, 관리 효과를 증대시킬 수 있다.
본 발명은 사용자의 피부톤이나 생리학적 정보를 산출하여 사용자 맞춤별 파장과 세기를 갖는 레이저광을 조사하여 미용, 치료, 관리 효과를 증대시킬 수 있다.
Description
본 발명은 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치 및 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 근적외선을 이용하여 사용자의 피부톤과 생체조직에 대한 생리학적 정보를 측정하고, 이를 반영하여 사용자 맞춤별로 광바이오 변조 치료를 수행 가능한 장치 및 방법에 관한 것이다.
근적외선은 빛의 스펙트럼에서 적색 바깥쪽에 위치한 적외선의 일종으로, 가시광선이나 자외선에 비해 강한 열작용 특성을 가져 근육이나 관절 등의 치료목적으로 사용되고 있다.
이러한 근적외선은 피부로 침투하는 침투깊이가 크고 세포 내 미토콘드리아의 활동을 촉진하는 것으로 알려져 있다. 최근 나사(NASA)에서는 근적외선이 피부질환, 뇌종양, 심혈관계질환, 암, 화상 등의 치료에 효과가 있다는 것을 발표하였다.
근적외선은 인체에 무해한 저출력 광을 이용하여 상처치료, 탈모 완화, 피부 주름 개선, 통증완화, 지방 감소 등의 치료 목적으로 활용하고 있는데, 이를 광바이오 변조 치료라 한다.
광바이오 변조 치료에 관한 기술로 대한민국 등록특허 제10-1739653호에서는 광 바이오 치료장치가 개시되고 있다. 상기 등록특허에서는 가시광선과 원적외선을 병용하여 환자에 대해 광치료를 실행할 수 있는 장치를 설명하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1951828호에서는 근적외선을 방출하는 형광체를 포함하는 마스크 및 이를 이용한 피부미용방법에 대한 기술이 개시되고 있으며, 근적외선을 방출하는 형광체를 파스크에 적용하여 피부재생, 상처치료, 주름개선 등의 효과를 발생시키는 효과가 기재되어 있다.
그러나 위 등록특허들의 경우 사용자 별로 피부톤과 생리학적 정보를 반영하지 못하여 사용자별로 효과의 편차가 심한 문제가 있다.
한편, 근적외선은 신체의 질병이나 신체에 관한 정보를 측정 또는 진단하는데 사용될 수 있다.
대한민국 등록특허 제10-0659496호에서는 단일파장을 이용하여 사용자의 신체정보를 측정하는 기술이 개시되어 있고, 대한민국 등록특허 제10-0679106호에서는 근적외선을 이용하여 체지방을 측정하는 기술이 개시되어 있다.
위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 사용자 각각의 피부톤과 생체조직의 생리학적 정보를 측정 및 산출하여 이를 기준으로 사용자에게 적합한 파장이나 세기를 갖는 저출력광 조사하여 치료 효과를 높이는 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 하나의 목적은 다파장의 근적외선을 이용하고, 사용자의 생리학적 정보의 산출 시간을 단축하여 즉각적으로 치료가 가능한 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치를 제공하는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치는 사용자의 신체로 복수의 파장을 갖는 근적외선을 각각 조사 가능한 광원부, 사용자의 신체로부터 확산 반사되는 광신호를 측정하고, 광원부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광수신부 및 광수신부로부터 광신호를 제공받아 사용자 신체에 대한 사용자정보를 생성하는 정보처리부를 포함한다.
또한, 정보처리부는, 광신호를 기반으로 사용자 신체에 대한 광학적 특성을 산출하는 광특성산출모듈, 광특성산출모듈에서 산출된 광학적 특성을 기반으로 사용자 신체에 대한 생리학적 정보를 산출하는 생체분석모듈 및 생체분석모듈에서 산출된 생리학적 정보를 기반으로 광원부의 파장 및 출력을 조절하는 출력조절모듈을 포함할 수 있다.
또한, 광원부는, 근적외선을 사용자의 신체로 조사 가능한 제1광원 및 사용자정보를 기반으로 설정된 파장과 출력세기를 갖는 레이저광을 조사 가능한 제2광원을 포함할 수 있다.
또한, 광특성산출모듈에서 산출된 광학적 특성은 광흡수계수(μa;absorption coefficient) 및 광산란계수(μ's;reduced scattering coefficient) 중 어느 하나 이상을 포함하고, 생체분석모듈에서 산출된 생리학적 정보는 ctO2Hb(Oxy-Hemoglobin), ctHHb(Deoxy-Hemoglobin), H2O 및 Lipid 중 어느 하나 이상으로부터 도출된 것일 수 있다.
또한, 정보처리부는, 광신호의 크기와 미리 설정된 데이터를 비교하여 사용자의 피부톤을 산출하는 피부톤산출모듈을 더 포함하고, 출력조절모듈은, 사용자의 피부톤과 미리 설정된 데이터를 비교하여 광원부의 출력을 최적출력 범위 이내로 조절할 수 있다.
또한, 약품용액을 저장하고 저장된 약품용액을 사용자의 신체로 분사하는 분사부를 더 포함할 수 있다.
또한, 분사부는, 약품용액을 저장하는 저장유닛, 저장유닛으로부터 약품용액을 제공받아 사용자의 신체로 분사하며, 광원부와 인접하게 배치된 복수의 분사노즐 및 분사노즐을 조절하여 약품용액의 분사량을 조절하는 분사량조절유닛을 포함할 수 있다.
또한, 정보처리부는, 광신호가 이루는 파형에서 초기 변조값으로부터 일정 주기 동안 설정된 위상을 고정하면서 수신된 신호 중 잡음을 제외하고 동위상(in-phase)의 신호만 측정할 수 있다.
또한, 광원부는, 생리학적 정보를 산출하기 위해 파장이 서로 다른 근적외선을 순차적으로 스위칭하면서 신체로 조사하고, 정보처리부는, 스위칭됨에 따른 처핑을 회피하기 위한 안정화 시간 동안, 이전 측정 파장의 광신호의 측정 결과를 파이프라이닝 방식으로 전송하는 제1실시간산출모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 광원부는, 파장이 서로 다른 근적외선을 순차적으로 스위칭하면서 신체로 조사하고, 정보처리부는, 광신호가 이루는 파형에서 한 주기를 복수의 샘플링으로 나누고, 복수의 샘플링의 크기를 평균하여 광신호의 평균값을 산출하는 제2실시간산출모듈을 더 포함할 수 있다.
또한, 제2실시간산출모듈은, 광신호가 이루는 파형에서 평균값을 산출하기 위한 저역통과필터의 적용을 대체할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 사용자의 생리학적 정보를 측정하고 이를 반영하여 사용자 별로 맞춤별 레이저광을 조사하여 치료 효과를 높일 수 있다.
또한, 사용자의 피부톤을 측정하고 이를 반영하여 근적외선 또는 레이저광의 출력 세기를 조절할 수 있다.
또한, 복수의 파장을 갖는 근적외선의 조사 시 실시간 측정을 가능하도록 할 수 있다.
또한, 약품용액을 분사하여 출력광의 치료효과를 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부와 광수신부를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분석모듈에서 이용 가능한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부톤산출모듈을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력제어모듈을 나타낸 신호흐름도이다.
도 6은 본 발명의 피부톤 및 생리학적 정보를 실시간으로 측정하기 위한 제1실시간산출모듈의 핵심기술인 파이프라이닝에 대한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실시간산출모듈의 구현 속도를 나타낸 예시도이다.
도 8은 광신호의 파형에서 저역통과필터를 통과시켜 평균값을 산출하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실시간산출모듈(360)을 나타낸 예시도이다.
도 10 내지 도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부와 광수신부를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분석모듈에서 이용 가능한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부톤산출모듈을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력제어모듈을 나타낸 신호흐름도이다.
도 6은 본 발명의 피부톤 및 생리학적 정보를 실시간으로 측정하기 위한 제1실시간산출모듈의 핵심기술인 파이프라이닝에 대한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실시간산출모듈의 구현 속도를 나타낸 예시도이다.
도 8은 광신호의 파형에서 저역통과필터를 통과시켜 평균값을 산출하는 과정을 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실시간산출모듈(360)을 나타낸 예시도이다.
도 10 내지 도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치를 나타낸 예시도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 광바이오 변조 치료장치(10)는 사용자가 소지 가능한 웨어러블장치, 사용자가 착용 가능한 마스크, 헬멧, 벨트 등의 구조를 가질 수 있으며, 후술하는 레이저의 파장이나 세기 또는 약품용액의 종류에 따라 사용자의 신체에 대한 미용, 치료, 관리 등의 목적으로 사용될 수 있다. 근적외선은 레이저의 하위 구성에 해당되나, 본 발명에서 설명의 명확화를 위하여 근적외선과 레이저의 용어를 구분하여 사용한다. 상기 근적외선은 사용자정보나 피부톤을 측정하는데 이용될 수 있으며, 상기 레이저는 상기 사용자정보나 피부톤을 기반으로 결정되며 미용, 치료, 관리 등의 목적으로 이용될 수 있다. 상기 레이저의 파장 범위는 상기 근적외선의 파장 범위를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치(10)를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치(10)는 사용자의 신체로 복수의 파장을 갖는 근적외선을 각각 조사 가능한 광원부(100), 상기 사용자의 신체로부터 확산 반사되는 광신호를 측정하고, 상기 광원부(100)로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광수신부(200) 및 상기 광수신부(200)로부터 광신호를 제공받아 상기 사용자 신체에 대한 사용자정보를 생성하는 정보처리부(300)를 포함한다.
본 발명에서 사용자정보란 후술하는 생체분석모듈(320)에서 산출된 생리학적 정보와 피부톤산출모듈(340)에서 산출된 피부톤에 대한 정보를 모두 포괄하는 개념으로 정의된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부(100)와 광수신부(200)를 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 광원부(100)는 제1광원(110) 및 제2광원(120)으로 구성될 수 있다. 상기 제1광원(110) 및 제2광원(120)은 동일한 위치에 위치되거나 서로 다른 위치에 위치될 수 있으며, 제1광원(110)과 제2광원(120)을 위해서는 LD(Laser Diode), LED(Light-Emitting Diode), OLED(Organic Light-Emitting Diode) 등이 이용될 수 있다. 제1광원(110)은 사용자의 피부와 근접하도록 배치되어 상기 피부로 근적외선을 조사한다. 근적외선은 600 내지 1100nm 사이의 파장 대에서 선택된 복수이다. 상기 제2광원(120)은 정보처리부(300)로부터 산출된 사용자정보를 기반으로 설정된 파장과 출력세기를 갖는 레이저광을 상기 사용자의 신체로 조사한다. 상기 제2광원은 서로 다른 다수의 파장을 가질 수 있다.
상기 제1광원(110)을 통한 근적외선이 사용자정보를 산출하기 위한 측정 목적으로 이용된다고 가정하면 상기 레이저광은 상기 사용자정보를 기반으로 미용, 치료, 관리 등의 목적으로 이용될 수 있다.
상기 제2광원(120)은 제1광원(110)과 동일한 구조를 가질 수 있으며, 상기 제2광원(120)은 제1광원(110)과 동일한 개체일 수 있다. 이 경우 상기 광원부(100)는 근적외선과 레이저 모두 조사 가능한 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 광원부(100)는 상기 복수의 파장을 갖는 근적외선을 순차적으로 스위칭하면서 조사할 수 있다. 예를 들어, 상기 광원부(100)는 대한민국 등록특허 제10-1493257호에서 공개된 다파장 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 구조가 적용될 수 있다. 이는 하나의 광원부(100)(제1광원(110) 또는 제2광원(120))를 통해 서로 다른 파장을 갖는 빛이 스위칭되면서 조사되는 것을 의미한다.
본 발명의 광수신부(200)는 상기 사용자의 신체로 조사된 근적외선이 신체로부터 확산, 산란 또는 반사되는 광신호를 측정한다. 광신호는 상기 광수신부(200)를 통해 측정된 근적외선을 의미할 수 있다.
광수신부(200)는 PD(Photodiode), IR enhanced PD, APD(Avalanche Photodiode)나 CCD, CMOS 등의 이미지 센서가 이용될 수 있다.
상기 광수신부(200)는 복수이고 상기 제1광원(110)으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치되어 각각 광신호를 수신한다.
구체적으로, 피부 등으로부터 확산된 확산광의 측정 시 3가지 방식을 이용할 수 있는데, 연속 광파 방식은 가장 간단한 유형이며 빠른 데이터 수집과 단순한 회로 구성이 가능하나 단일 측정만으로는 흡수 및 산란 정보와 같은 광학계수를 검출할 수 없다. 펄스광원 방식은 전체 시간에 대한 확산 함수를 수집하는데 단일 측정으로 광학 계수를 얻을 수 있으나 높은 제작비용과 복잡한 회로로 인해 소형화 하거나 휴대장치로는 적합하지 않다. 또한, 주파수 영역의 방식은 여러 주파수에서 만들어진 신호로 광원을 변호하여 단일 측정만으로 광학 계수를 측정할 수 있으나 스펙트럼의 대역폭이나 회로가 복잡해서 비용이나 적용되는 장치의 크기에 제한이 있다.
본 발명에서 광원부(100)는 연속 광파 방식을 이용하되, 공간 분해 확산 이론을 기반으로 광학 계수를 산출한다.
공간 분해 확산 이론은 2개 이상의 측정 지점이 요구되며, 광원과 측정 지점 사이의 거리 및 반사율 등을 통해 광학 계수를 검출하는 이론을 말한다. 상기 광수신부(200)는 광원부(100)로부터 순차적으로 거리가 멀어지도록 위치되며, 광수신부(200)를 통해 측정된 광신호는 후술하는 정보처리부(300)의 광특성산출모듈(310)로 전달된다. 광특성산출모듈(310)은 후술한다.
상기 광수신부(200)에서 측정된 광신호는 증폭기를 통해 증폭될 수 있으며, 특정 주파수 대역이 선별되어 증폭되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 증폭기는 광신호로부터 상기 근적외선과 동일한 주파수 대역만을 증폭시켜 정보생성부로 전달할 수 있다. 제1광원(110)에서 제1주파수를 갖는 근적외선을 조사한 경우 상기 증폭기는 위상고정 기술을 이용하여 광신호에서 제1주파수 대역만을 증폭시키고 나머지 대역은 차단함으로써 광신호의 측정을 용이하게 할 수 있으며, 노이즈를 제거할 수 있다. 광수신부(200)가 3개의 포토다이오드로 구성되는 경우 광원부(100)에서 가장 멀리 배치된 광수신부(200)에서 측정된 광신호의 크기는 매우 작아지며, 주변 빛의 영향을 크게 받는 문제점이 있다. 일반적인 필터링을 통해서는 광신호보다 큰 노이즈를 제거하는 것이 어려우나 상기 광원부(100)에서 조사되는 주파수의 대역만을 필터링하는 방식이라고 할 수 있는 위상고정방식을 통해 수신된 신호만을 증폭하는 경우 위 문제점을 해결 할 수 있다.
위와 같은 점을 반영하여 일 실시예에서 정보처리부(300)는 상기 광신호가 이루는 파형에서 초기 변조값으로부터 일정 주기 동안 설정된 위상을 고정하면서 수신된 신호 중 잡음을 제외하고 동위상의 신호만 측정할 수 있다.
본 발명의 정보처리부(300)는, 상기 광신호를 기반으로 상기 사용자 신체에 대한 광학적 특성을 산출하는 광특성산출모듈(310), 상기 광특성산출모듈(310)에서 산출된 광학적 특성을 기반으로 상기 사용자 신체에 대한 생리학적 정보를 산출하는 생체분석모듈(320) 및 상기 생체분석모듈(320)에서 산출된 생리학적 정보를 기반으로 상기 광원부(100)를 통해 조사되는 레이저광의 파장 또는 출력세기를 조절하는 출력조절모듈(330)을 포함한다. 또한, 상기 정보처리부(300)는, 상기 광신호의 크기와 미리 설정된 데이터를 비교하여 사용자의 피부톤을 산출하는 피부톤산출모듈(340)을 더 포함할 수 있으며, 후술하는 제1실시간산출모듈(350) 및/또는 제2실시간산출모듈(360)을 더 포함할 수 있다.
이하, 상기 정보처리부(300)의 각 모듈을 구체적으로 설명한다.
광특성산출모듈(310)은 상기 광수신부(200)로부터 광신호를 제공받아 설정된 계산식을 통해 광학적 특성을 산출하며, 상기 광학적 특성은 광흡수계수(μa;absorption coefficient) 및 광산란계수(μ'sreduced scattering coefficient) 중 어느 하나 이상을 포함한다.
상기 광학흡수계수 또는 광산란계수는 상술한 공간 분해 확산 이론을 기반으로 상기 사용자의 신체로 입사되는 근적외선의 진폭과 반사되는 근적외선의 진폭의 비율을 통해 반사율을 산출한다. 이 경우 파렐 방정식이 이용될 수 있으며, 파렐 방정식에서 시스템 매개 변수와, 입사된 근적외선과 반사된 근적외선의 거리 및 반사율의 값을 통해 광학흡수계수(ua) 또는 광학산란계수(u's)를 구할 수 있다.
상기 광특성산출모듈(310)에서 아래의 수학식 1을 이용할 수 있다.
<수학식 1>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체분석모듈(320)에서 이용 가능한 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 생체분석모듈(320)은 상기 광특성산출모듈(310)을 통해 산출된 광흡수계수 또는 광산란계수를 기반으로 상기 사용자에 대한 생리학적 정보를 산출하며, 상기 생리학적 정보는 ctO2Hb(Oxy-Hemoglobin), ctHHb(Deoxy-Hemoglobin), H2O 및 Lipid 중 어느 하나 이상이거나 ctO2Hb(Oxy-Hemoglobin), ctHHb(Deoxy-Hemoglobin), H2O 및 Lipid 중 어느 하나 이상으로부터 도출된 것을 의미한다. 위 4가지 정보는 혈류/신진대사 파라미터, 체수분 파라미터, 지방파라미터로 표현될 수 있다. 또한, 위 4가지 정보를 통해 THC(Total Hemoglobin Concentration)과 산소포화도(SaO2)를 구할 수 있다.
상기 생체분석모듈(320)에서 아래의 수학식 2를 이용할 수 있다.
<수학식 2>
출력조절모듈(330)은 상기 생리학적 정보를 기반으로 상기 광원부(100)를 통해 조사되는 레이저광의 파장 또는 출력세기를 조절하여 사용자 맞춤별 미용, 치료, 관리 등의 효과를 극대화시킨다. 예컨대, 출력조절모듈(330)은 미리 설정된 데이터를 상기 생리학적 정보를 비교하여 레이저의 파장이나 세기를 조절하며, 미용, 치료, 관리 등의 목적에 따라 레이저의 파장과 세기는 달라질 수 있다. 이는 후술하는 실시예에서 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피부톤산출모듈(340)을 나타낸 예시도이다.
피부톤산출모듈(340)은 상기 광신호를 기반으로 사용자의 피부톤을 산출한다.
도 4를 참조하여 구체적으로 설명하면, 사용자의 피부톤에 따라 광신호의 광학적 특성은 달라지는데, 동일한 파장대의 근적외선을 조사하였을 때 피부톤이 어두운 사람의 경우 반사율이 낮고, 피부톤이 밝은 사람의 경우 반사율이 높다. 또한 동일한 파장대의 레이저를 조사하였을 때 피부톤이 어두운 사람의 경우 흡수율이 높고, 피부톤이 밝은 사람의 경우 흡수율이 낮다. 본 발명에서는 위와 같은 점을 고려하여 상기 광신호의 반사율이나 광학적 특성을 미리 설정된 데이터와 비교하여 사용자의 피부톤을 산출한다.
상기 미리 설정된 데이터는 광원부(100)로부터 복수의 광수신부(200)까지 거리에 따라 측정된 광신호를 구분하는 범위를 나타내는 데이터일 수 있고, 상기 사용자의 피부톤에 대한 정보는 상기 데이터 내에서 측정된 광신호와 최적출력 값을 비교하여 결정될 수 있다.
상기 출력조절모듈(330)은 사용자의 피부톤과 최적출력 값를 비교하여 상기 광원부(100)의 출력을 상기 최적출력 값에 근접하도록 조절한다. 이 경우 상기 출력조절모듈(330)은 설정된 최적출력 범위 이내에 해당되도록 광원부(100)의 출력을 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 출력제어모듈을 나타낸 신호흐름도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 설정된 데이터 내에서 피부톤이 밝은 경우 생체조직에서의 흡수율이 낮아 기울기가 감소된 상태를 보이고, 피부톤이 어두운 사람의 경우 생체조직에서의 흡수율이 높아 기울기가 증가하는 상태를 보인다. 이 경우 상기 출력조절모듈(330)은 상기 피부톤산출모듈(340)에서 산출된 사용자의 피부톤이 상기 최적출력 값에 근접하도록 상기 광원부(100)의 출력을 조절한다. 예를 들어, 복수의 광수신부(200)에서 각각 수신된 광신호의 값이 이루는 기울기(slope)가 상기 최적출력 값이 이루는 기울기(slope_optimal)보다 큰 경우 광원부(100)의 출력(LD1-n)을 감소시키고, 최적출력 값이 이루는 기울기(slope_optimal)보다 작은 경우 광원부(100)의 출력(LD1-n)을 증가시킨다. 이 경우 상기 광신호의 값이 이루는 기울기(slope)가 최적출력 범위 이내에 수렴될 때까지 반복 실행될 수 있다. 상기 최적출력 범위는 미리 설정된 기울기의 범위를 의미할 수 있다.
상기 출력조절모듈(330)의 피부톤에 따른 출력 조절은 상기 제1광원(110)의 근적외선 출력을 조절하여 사용자정보의 생성을 보다 원활히 하거나, 상기 제2광원(120)의 레이저 출력을 조절하여 미용, 치료, 관리 등의 효과를 높일 수 있다. 예컨대, 레이저광을 이용하여 미용, 치료, 관리를 수행하는 경우 피부톤이 밝은 사용자는 피부톤이 어두운 사용자보다 레이저광의 흡수율이 낮은데, 본 발명의 출력조절모듈(330)은 피부톤에 따라 레이저광의 출력을 조절하므로 사용자의 피부톤에 관계없이 동일한 레이저광의 흡수율을 보장할 수 있다.
도 6은 본 발명의 피부톤 및 생리학적 정보를 실시간으로 측정하기 위한 제1실시간산출모듈(350)의 핵심기술인 파이프라이닝에 대한 개념도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1실시간산출모듈(350)의 구현 속도를 나타낸 예시도이다.
제1실시간산출모듈(350)은 파이프라이닝(pipelining) 기술을 이용하여 피부톤과 생리학적 정보와 같은 사용자정보의 생성시간을 단축시킨다.
도 6 및 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이 서로 다른 다수의 파장을 갖는 근적외선이 상기 광원부(100)에서 스위칭되면서 사용자의 신체로 조사되는 경우 제1파장을 갖는 근적외선을 조사한 후 스위칭을 통해 제2파장을 갖는 근적외선을 조사하는 경우 제2파장을 갖는 근적외선으로부터 측정된 광신호의 측정 정확도를 확보하기 위해서는 스위칭 된 제2파장의 처핑(chirping)으로부터 안정화시간을 요한다.
광원부(100)를 통해 근적외선을 조사한 후 광수신부(200)를 통해 광신호를 측정하고, 상기 측정된 광신호를 정보생성부로 전달하는 과정에서 위 안정화 시간은 제1파장과 제2파장을 갖는 근적외선의 광출력의 스위칭 지연을 유발시킨다. 위와 같은 스위칭 지연은 실시간 측정에는 바람직하지 않다.
본 발명에서는 위와 같은 점을 고려하여 상기 제1실시간산출모듈(350)에서는 상기 광신호의 안정화 시간 동안 이전 파장의 측정데이터를 전달하는 파이프라이닝 기술이 적용된다. 즉, 제1실시간산출모듈(350)은 제2파장의 안정화 시간 동안 제1파장의 측정데이터를 전달한다.
광신호의 안정화 시간과 이전 파장의 측정데이터를 전달하는 시간을 서로 겹치도록 하는 파이프라이닝 기술을 적용하여 여러 파장의 광이 순차적으로 스위칭되면서도 처핑에 대한 회피를 위한 안정화 시간으로부터 발생되는 지연시간을 최소화하여 도 7에 도시된 바와 같이 약 33Hz의 측정 속도의 향상을 꾀할 수 있다.
도 7의 (a)는 디지털 가변 저항을 사용하여 서로 다른 파장의 근적외선이 조사되도록 스위칭 할 때마다 상기 파장에 맞는 광세기를 위해 가변 저항 값을 파장별로 변경한 방식이고, 도 7의 (b)는 상기 파장에 맞는 저항 값을 미리 저장한 상태에서 가변 저항 값을 변경한 방식이고, 도 7의 (c)는 본 발명의 파이프라이닝 기술을 통해 제1실시간산출모듈(350)의 측정속도를 33Hz까지 향상시킨 방식을 나타낸다. 본 발명의 파이프 라이닝의 상술한 효과는 처핑에 대한 안정화 시간이 요구됨에 따라 지연시간이 발생하는 (a)나 (b)의 경우와 비교할 때 더욱 두드러진다.
도 8은 광신호의 파형에서 저역통과필터를 통과시켜 평균값을 산출하는 과정을 나타내고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2실시간산출모듈(360)을 나타낸 예시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 정보처리부(300)는, 상기 광신호가 이루는 파형에서 한 주기를 복수의 샘플링으로 나누고, 상기 복수의 샘플링의 크기를 평균하여 상기 광신호의 평균값을 산출하는 제2실시간산출모듈(360)을 더 포함할 수 있다.
제2실시간산출모듈(360)은 광신호의 파형에서 평균값을 산출하는 시간을 단축시킨다.
보다 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이 광신호의 파형은 계단 형태의 신호로 출력될 수 있다. 계단형태의 신호는 상술한 증폭기를 통해 광신호로부터 근적외선과 동일한 주파수 대역만을 증폭시키는 경우 발생된다. 이러한 광신호는 differential signal of digital output을 micro controller unit의 변환기(ADC)가 읽기 위하여 필터를 이용하여 DC값으로 변경시킨 후 ADC를 이용하여 측정된다. 도 8에서는 필터로 저역통과필터(Low-pass filter)를 통과시켜 평균값을 산출하는 과정을 나타내고 있는데, 저역통과필터를 통과시켜 광신호의 평균값을 산출하는 경우 약 1.5초의 시간이 소요되어 실시간측정에는 적합하지 않다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시간산출모듈(360)은 상기 광신호가 이루는 파형에서 평균값을 산출하기 위한 저역통과필터의 적용을 대체하여, 상기 광신호가 이루는 하나의 주기를 복수의 샘플링으로 나누어 평균값을 산출한다. 예컨대, 상기 하나의 주기를 8개의 샘플링으로 나누고, 8개의 샘플링에서 그 크기를 평균하여 상기 광신호의 평균값을 산출할 수 있다.
도 9의 좌측은 8개의 샘플링에 따른 값을 나타내고, 우측은 오실로스코프(oscilloscope)에 따른 값을 나타낸다. 제2실시간산출모듈(360)을 통해 하나의 주기 동안 8개의 샘플링을 평균한 값은 2.16375로, 오실로스코프의 2.1659값과 거의 유사한 것을 알 수 있다. 상기 샘플링의 수는 본 발명의 도면에서 8개로 표시되나 상기 광신호의 파장, 파형 등에 따라 달라질 수 있다.
위와 같은 방식이 적용된 본 발명은 저역통과필터를 통과시켜 평균값을 산출하는 방식과 비교할 때 하나의 주기(예컨대, 도 9의 파형에서 0.128ms)만을 측정하여 평균값을 산출할 수 있어 측정 시간 단축에 큰 효과를 가지며, 오실로스코프의 산출 값과 비교할 때 높은 정밀도의 평균값을 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 약품용액을 저장하고 상기 저장된 약품용액을 상기 사용자의 신체로 분사하는 분사부(400)를 더 포함할 수 있다.
상기 약품용액은 상기 사용자정보를 기반으로 결정될 수 있는데, 예컨대, 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치(10)는 통신부를 더 포함하고, 상기 통신부를 통해 사용자정보가 외부서버로 전송될 수 있다.
이 경우 상기 외부서버는 다수의 약품용액에 대한 정보를 미리 저장하고, 상기 사용자정보를 기반으로 설정된 알고리즘에 따라 사용자에 적합한 약품용액을 추천한다. 예를 들어, 상기 생리학적 정보에 포함된 수분 함유량으로부터 피부에 수분이 기준치 이하로 산출된 경우 다수의 약품용액 중 보습 기능을 갖는 약품용액을 추천할 수 있으며, 상기 생리학적 정보에 포함된 지방으로부터 신체 내 지방 함량이 높은 경우 다수의 약품용액 중 지방 분해 기능을 갖는 약품용액을 추천할 수 있다.
분사부(400)는, 상기 약품용액을 상기 약품용액을 저장하는 저장유닛(410), 상기 저장유닛(410)으로부터 상기 약품용액을 제공받아 상기 사용자의 신체로 분사하며, 상기 광원부(100)와 인접하게 배치된 복수의 분사노즐(420) 및 상기 분사노즐(420)을 조절하여 상기 약품용액의 분사량을 조절하는 분사량조절유닛(40)을 포함할 수 있다.
상기 분사량조절유닛(40)과 분사노즐(420)은 스프레이방식, 압력제어 기반의 피스톤 방식 또는 초음파를 기반으로 한 분사방식이 적용될 수 있으며, 상기 약품용액의 분사량과 분사시간을 조절 가능하다면 구조나 종류가 특별하게 제한되지 않는다. 예컨대 상기 분사노즐(420)에는 컨트롤밸브가 구비될 수 있으며, 분사량조절유닛(40)은 상기 컨트롤밸브의 개폐를 조절하여 사용자의 신체로 분사되는 약품용액의 분사량을 조절할 수 있다.
상기 분사량조절유닛(40)은 상기 광원부(100)를 통한 레이저광의 출력과 동시에 일정량의 약품용액을 사용자의 신체로 분사하도록 조절할 수 있으며, 상기 약품용액을 레이저광과 동시에 분사하여 미용, 치료, 관리 등의 효과를 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 도시되진 않았으나 상기 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치(10)는 사용자의 신체에 전위차를 주는 이온토포레시스(iontophoresis), 고전압을 이용하는 전기영동법(electroporation), 초음파를 이용한 소노포레시스(sonophoresis) 등의 기능을 추가로 가질 수 있다. 위 이온토포레시스 등의 기능은 상기 약품용액의 흡수율을 증가시킨다.
도 10 내지 도 12은 본 발명의 일 실시예에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치(10)를 나타낸 예시도이다.
도 10에서는 사용자의 복부에 배치되어 피부톤, 지질 등의 사용자정보를 기반으로, 지방을 분해하는 레이저광을 조사 가능한 광바이오 변조 치료장치(10)가 개시된다. 이 경우 사용자마다 피하지방의 두께가 다르므로 비만도가 높은 사용자의 경우 신진대사와 관련된 혈관분포영역까지 광원이 침투하기 어려워 내장지방의 분해 효과가 작다. 본 발명에서는 사용자정보를 통해 지방 관련 파라미터가 높은 경우 피하지방을 우선 대상으로 930 내지 1064nm의 파장을 갖는 레이저광을 출력하여 지방분해 효과를 높이고, 신진대사 관련 파라미터가 높은 경우 내장지방을 우선 대상으로 650nm 또는 850nm의 파장을 갖는 레이저광을 출력한다. 또한, 지방 관련 파라미터와 신진대사 관련 파라미터가 유사한 경우 피하지방과 내장지방의 분해 효과가 있는 파장의 레이저광을 번갈아 출력할 수 있다. 여기서, 상기 레이저광의 파장이나 출력은 피부톤 등에 따라 다소 가변될 수 있다. 또한, 분사부(400)를 통해 지방 분해와 관련된 약품용액을 분사할 수 있다.
도 11에서는 사용자의 얼굴에 배치되어 피부톤, 지질, 수분량 등의 사용자정보를 기반으로, 피부톤 개선, 잔주름 개선, 리프팅 효과를 갖는 레이저광을 조사하는 광바이오 변조 치료장치(10)가 개시된다. 이 경우 사용자의 피부톤에 적합한 레이저광을 조사하고, 지성피부이며 어두운 피부인 경우 지질을 감소시키는 930nm의 파장을 갖는 레이저광과 피부톤을 밝게 유도하는 830nm의 파장을 갖는 레이저광을 번갈아 조사할 수 있다. 여기서, 레이저광은 사용자의 피부톤 등에 따라 다소 가변될 수 있으며, 분사부(400)를 통해 미용 목적의 약품용액을 분사할 수 있다.
도 12에서는 사용자의 머리에 배치되어 탈모 등을 치료하는 레이저광을 조사하는 광바이오 변조 치료장치(10)가 개시된다. 이 경우에도 두피나 모발에 관한 사용자정보를 통해 사용자 개인에 맞는 관리를 수행할 수 있으며, 사용자 개인에 적합한 약품용액을 두피로 분사할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 사용자 별로 서로 다른 광학적 특성과 생리학적 정보 및 피부톤을 반영하여 미용, 치료, 관리 등의 목적으로 이용되는 레이저광의 파장이나 세기를 조절함으로써 미용, 치료, 관리의 효과를 증대시킬 수 있으며, 파이프라이닝 기술이 접목된 제1실시간산출모듈(350)이나 샘플링을 통한 평균값을 산출하는 제2실시간산출모듈(360)을 통해 보다 빠른 처리속도로 사용자에 대한 정보를 즉각 산출할 수 있다. 또한, 사용자정보를 반영한 약품용액을 분사하여 미용, 치료, 관리의 효과를 더욱 증대시키고 이온토포레시스 기능 등을 통하여 약품용액의 흡수 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치(10)는 다양한 목적으로 이용될 수 있으며, 두피, 얼굴, 복부 뿐만 아니라 목, 어깨 등 본 발명의 목적 범위 내에서 다양한 사용자의 신체 부위에 착용되도록 변경될 수 있다.
10 : 광바이오 변조 치료장치
100 : 광원부 110 : 제1광원
120 : 제2광원
200 : 광수신부
300 : 정보처리부 310 : 광특성산출모듈
320 : 생체분석모듈 330 : 출력조절모듈
340 : 피부톤산출모듈 350 : 제1실시간산출모듈
360 : 제2실시간산출모듈
400 : 분사부 410 : 저장유닛
420 : 분사노즐 430 : 분사량조절유닛
100 : 광원부 110 : 제1광원
120 : 제2광원
200 : 광수신부
300 : 정보처리부 310 : 광특성산출모듈
320 : 생체분석모듈 330 : 출력조절모듈
340 : 피부톤산출모듈 350 : 제1실시간산출모듈
360 : 제2실시간산출모듈
400 : 분사부 410 : 저장유닛
420 : 분사노즐 430 : 분사량조절유닛
Claims (11)
- 사용자의 신체로 복수의 파장을 갖는 근적외선을 각각 조사 가능한 광원부;
상기 사용자의 신체로부터 확산 반사되는 광신호를 측정하고, 상기 광원부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광수신부; 및
상기 광수신부로부터 광신호를 제공받아 상기 사용자 신체에 대한 사용자정보를 생성하는 정보처리부;를 포함하고,
상기 정보처리부는,
상기 광신호를 기반으로 상기 사용자 신체에 대한 광학적 특성을 산출하는 광특성산출모듈;
상기 광특성산출모듈에서 산출된 광학적 특성을 기반으로 상기 사용자 신체에 대한 생리학적 정보를 산출하는 생체분석모듈; 및
상기 생체분석모듈에서 산출된 생리학적 정보를 기반으로 상기 광원부의 파장 및 출력을 조절하는 출력조절모듈;을 포함하며,
상기 광원부는,
파장이 서로 다른 근적외선을 순차적으로 스위칭하면서 상기 신체로 조사하고,
상기 정보처리부는,
스위칭됨에 따른 처핑을 회피하기 위한 안정화 시간 동안, 이전 측정 파장의 광신호의 측정 결과를 파이프라이닝 방식으로 전송하는 제1실시간산출모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 광원부는,
상기 근적외선을 사용자의 신체로 조사 가능한 제1광원; 및
상기 사용자정보를 기반으로 설정된 파장과 출력세기를 갖는 레이저광을 조사 가능한 제2광원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 광특성산출모듈에서 산출된 상기 광학적 특성은 광흡수계수(absorption coefficient) 및 광산란계수(reduced scattering coefficient) 중 어느 하나 이상을 포함하고,
상기 생체분석모듈에서 산출된 상기 생리학적 정보는 ctO2Hb(Oxy-Hemoglobin), ctHHb(Deoxy-Hemoglobin), H2O 및 Lipid 중 어느 하나 이상으로부터 도출된 것임을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 3항에 있어서,
상기 정보처리부는,
상기 광신호의 크기와 미리 설정된 데이터를 비교하여 상기 사용자의 피부톤을 산출하는 피부톤산출모듈;을 더 포함하고,
상기 출력조절모듈은,
상기 사용자의 피부톤과 미리 설정된 데이터를 비교하여 상기 광원부의 출력을 최적출력 범위 이내로 조절하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 1항에 있어서,
약품용액을 저장하고 상기 저장된 약품용액을 상기 사용자의 신체로 분사하는 분사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 분사부는,
상기 약품용액을 저장하는 저장유닛;
상기 저장유닛으로부터 상기 약품용액을 제공받아 상기 사용자의 신체로 분사하며, 상기 광원부와 인접하게 배치된 복수의 분사노즐; 및
상기 분사노즐을 조절하여 상기 약품용액의 분사량을 조절하는 분사량조절유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 정보처리부는,
상기 광신호가 이루는 파형에서 초기 변조값으로부터 일정 주기 동안 설정된 위상을 고정하면서 수신된 신호 중 잡음을 제외하고 동위상의 신호만 측정하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 광원부는,
파장이 서로 다른 근적외선을 순차적으로 스위칭하면서 상기 신체로 조사하고,
상기 정보처리부는,
상기 광신호가 이루는 파형에서 한 주기를 복수의 샘플링으로 나누고, 상기 복수의 샘플링의 크기를 평균하여 상기 광신호의 평균값을 산출하는 제2실시간산출모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 제2실시간산출모듈은,
상기 광신호가 이루는 파형에서 평균값을 산출하기 위한 저역통과필터의 적용을 대체하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 정보처리부는,
스위칭됨에 따른 처핑을 회피하기 위한 안정화 시간 동안, 이전 측정 파장의 광신호의 측정 결과를 파이프라이닝 방식으로 전송하는 제1실시간산출모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생리학적 측정 정보 피드백기반 개인 맞춤형 광바이오 변조 치료장치.
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