KR102185227B1 - 방광 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
방광 모니터링 장치 및 방법이 개시된다. 방광 모니터링 장치는, 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 광조사부, 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하며, 광조사부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광센서를 포함하는 광검출부 및 측정된 반사신호세기를 이용하여 반사도(Reflectance)를 산출하고, 산출된 반사도를 이용하여 광흡수도를 산출하고, 산출된 광흡수도를 이용하여 방광 내의 수분함량, 산화 헤모글로빈(O2Hb) 및 탈산화 헤모글로빈(HHb)을 산출하는 제어부를 포함함으로써, 잔류 소변량과 더불어 혈류량을 산출하여 방광의 건강상태를 모니터링하게 할 수 있다.
Description
본 발명은 방광 상태를 모니터링하고 방광 내의 소변의 양을 측정하기 위한 방광 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
척수 손상, 척수 수술 등으로 인하여 요의(micturition desire)를 느끼지 못하는 환자들의 경우, 스스로 배뇨(urination) 및 도뇨(catheterization) 시점을 판단하기가 어려우므로, 방광 내 소변량을 모니터링하여 적절한 시점에 배뇨를 실시하는 것이 매우 중요하다. 또한, 알츠하이머나 파킨슨 증상이 심해지면, 이로 인하여 환자 스스로 배뇨(urination) 및 도뇨(catheterization) 시점을 판단하기가 어려워진다. 만약, 적절한 빈도와 시점에 적정량의 배뇨 및 도뇨를 하지 못하면, 빈뇨, 요실금, 요정체와 같은 가벼운 방광 기능 장애부터 요로감염, 수신증, 방광요관 역류와 같은 합병증까지 유발될 수 있다.
종래에는, 환자가 병원에 내원한 후, 초음파 장비를 활용하여 해당 환자의 방광의 용적 및 소변량을 측정할 수는 있었으나, 초음파 프로브의 정확한 위치를 선정하기가 어렵고, 가격이 고가였기 때문에, 자가 모니터링의 용도로 활용되기에는 적합하지 않았다.
또한, 종래에 생체 임피던스 정보에 기초하여 방광과 관련된 기능을 감지하는 방법이 있으나, 이는 별도의 시술이 요구되는 이식형 의료 기기를 통한 방법이었고, 전기 임피던스 단층 촬영(EIT; Electrical Impedance Tomography)을 통한 임피던스 분포 영상(impedance distribution image)을 분석하기 위한 고가의 장비를 필요로 하였기 때문에, 자가 모니터링 용도로 사용되기는 어려웠다.
따라서, 자가 모니터링 용도로 사용 가능한 잔뇨량 측정기와 더불어 방광의 상태를 모니터링할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명은 요의를 느끼지 못하는 환자가 자신의 방광 내에 저장된 소변량을 모니터링하도록 방광 내의 소변량을 측정하며, 방광의 혈류량을 측정하여 방광의 상태를 모니터링하는 방광 모니터링 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 방광 모니터링 장치가 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치는, 상기 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 광조사부, 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하며, 상기 광조사부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광센서를 포함하는 광검출부 및 상기 측정된 반사신호세기를 이용하여 반사도(Reflectance)를 산출하고, 상기 산출된 반사도를 이용하여 광흡수도를 산출하고, 상기 산출된 광흡수도를 이용하여 상기 방광 내의 수분함량을 산출함으로써, 상기 소변량을 산출하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 근적외선의 조사신호세기에 대한 상기 반사신호세기의 비율을 상기 반사도로 산출한다.
상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 광흡수도를 산출한다.
여기서, R(ρ)는 반사도이고, ρ=(x, y)이고, a'는 표면에서의 반사율을 나타내는 알베도(albedo)로서, a' = μ's / (μa + μ's)이고, μa는 광흡수도이고, μ's는 광산출도이고, z0는 관심영역(ROI: Region of Interest)으로부터 측정표면(방광 부위의 피부표면) 까지의 거리로서, z0 = (μa + μ's)-1이고, μeff는 유효감쇄계수(effective attenuation coefficient)로서, μeff = [3 μa (μa + μ's)]1/2이고, r1는 관심영역으로부터 양의 광소스(positive impulse source)까지의 거리로서, r1 = [(z - z0)2 + ρ 2]1/2이고, zb는 Extrapolate boundary condition의 핵심으로서, 광자의 Flux가 사라진다고 가정하는 가상경계의 값이고, r2는 관심영역으로부터 음의 광소스(negative impulse source)까지의 거리로서, r2 = [(z + z0 + 2zb)2 + ρ 2]1/2이고, Rexp(ρ)는 실험시스템을 이용하여 생리학적인 조직에서 측정된 반사도의 실험값(experimental R)이고, α는 실험시스템에 설정된 시스템파라미터이다.
상기 광흡수도 μa, 상기 광산출도 μ's 및 상기 시스템파라미터 α는 미지수이되, 상기 광검출부는, 상기 미지수의 해의 계산을 위한 3개의 방정식을 생성하기 위하여, 최소 3개의 광센서를 포함한다.
상기 제어부는 상기 산출된 광흡수도로부터 하기 수학식을 이용하여 상기 수분함량을 산출한다.
여기서, 
, 
, 
및 
는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 파장별 광소멸계수(extinction rate)이고, [O2Hb], [HHb], [water] 및 [lipid]는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 함량이고, 
는 파장별 광흡수도이다.
상기 광검출부는 상기 광조사부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 제1 내지 제5 광센서를 포함하되, 상기 제어부는, 상기 제1 내지 제3 광센서를 이용하여 산출된 제1 측정영역의 제1 수분함량을 산출하고, 상기 제3 내지 제5 광센서를 이용하여 산출된 제2 측정영역의 제2 수분함량을 산출하고, 상기 제2 수분함량에서 상기 제1 수분함량을 빼서 상기 방광 내의 수분함량을 산출한다.
상기 방광 모니터링 장치는 상기 소변량을 주기적으로 측정하여 소변량 데이터를 사용자 단말로 전송하되, 상기 사용자 단말은 사용자가 소변량을 모니터링하도록 방광 용량 대비 소변량의 비율을 출력하고, 상기 비율이 임계치를 초과하는 경우, 상기 사용자가 배뇨를 수행하도록 알람신호를 출력한다.
상기 제어부는 상기 산출된 광흡수도를 이용하여 상기 방광의 혈류량을 산출한다.
상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 혈류량의 지표인 산화 헤모글로빈(O2Hb) 및 탈산화 헤모글로빈(HHb)의 양을 산출한다.
여기서, 
, 
, 
및 
는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 파장별 광소멸계수(extinction rate)이고, [O2Hb], [HHb], [water] 및 [lipid]는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 함량이고, 
는 파장별 광흡수도이다.
상기 방광 모니터링 장치는 상기 혈류량을 주기적으로 측정하여 혈류량 데이터를 사용자 단말로 전송하되, 상기 사용자 단말은 사용자가 혈류량을 모니터링하도록 혈류량의 변화를 출력하며, 상기 혈류량 데이터를 축적하여 개인화 데이터를 생성하고, 상기 개인화 데이터는 개인의 방광 진단에 이용된다.
상기 사용자 단말은 상기 생성된 개인화 데이터를 방광 모니터링 서버로 전송하되, 상기 방광 모니터링 서버는 다수의 사용자의 개인화 데이터를 수집하고 미리 설정된 기간동안 축적하여 방광의 혈류량에 대한 빅데이터를 생성한다.
상기 방광 모니터링 장치는 플렉서블(Flexible)한 패치(Patch) 형태로 제작되어, 환자의 배에서 상기 방광이 위치하는 부위에 부착되어 상기 소변량을 측정한다.
상기 방광 모니터링 장치는, 상기 광조사부의 광원으로 구성된 광원 모듈이 장착된 본체 및 상기 본체 양측에 결합되며, 상기 복수의 광센서가 매트릭스 형태로 배열되어 형성된 광센서 어레이 모듈 및 피부에 부착되는 접착부가 장착된 한 쌍의 패드로 구성되되, 상기 본체는 상기 제어부를 포함한다.
상기 패드는 1회용으로 제작되고, 상기 본체는 충전용 배터리를 구비하여 지속적으로 사용된다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 사용자의 몸에 부착되는 방광 모니터링 장치 및 사용자 단말이 수행하는 방광 모니터링 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법은, 상기 방광 모니터링 장치가 방광 내의 소변량을 주기적으로 측정하여 측정된 소변량 데이터를 상기 사용자 단말로 전송하는 단계, 상기 사용자가 소변량을 모니터링하도록, 상기 사용자 단말이 상기 방광 용량 대비 소변량의 비율을 출력하는 단계, 상기 비율이 임계치를 초과하는 경우, 상기 사용자 단말이 상기 사용자가 배뇨를 수행하도록 알람신호를 출력하는 단계 및 상기 배뇨에 따라 상기 비율이 임계치 미만으로 감소하면, 상기 사용자 단말이 상기 알람신호의 출력을 중지하는 단계를 포함한다.
상기 소변량 데이터를 상기 사용자 단말로 전송하는 단계는, 상기 방광 모니터링 장치가 상기 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 단계, 상기 방광 모니터링 장치가 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하는 단계, 상기 방광 모니터링 장치가 상기 측정된 반사신호세기를 이용하여 반사도(Reflectance)를 산출하는 단계, 상기 방광 모니터링 장치가 상기 산출된 반사도를 이용하여 광흡수도를 산출하는 단계 및 상기 방광 모니터링 장치가 상기 산출된 광흡수도를 이용하여 상기 방광 내의 수분함량을 산출함으로써, 상기 소변량을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 방광 모니터링 방법은, 상기 방광 모니터링 장치가 방광 내의 혈류량을 주기적으로 측정하여 측정된 혈류량 데이터를 상기 사용자 단말로 전송하는 단계, 상기 사용자 단말이 사용자가 혈류량을 모니터링하도록 혈류량의 변화를 출력하는 단계 및 상기 사용자 단말이 상기 혈류량 데이터를 축적하여 개인화 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하되, 상기 개인화 데이터는 개인의 방광 진단에 이용된다.
상기 방광 모니터링 방법은, 상기 사용자 단말이 상기 생성된 개인화 데이터를 방광 모니터링 서버로 전송하는 단계를 더 포함하되, 상기 방광 모니터링 서버는 다수의 사용자의 개인화 데이터를 수집하고 미리 설정된 기간동안 축적하여 방광의 혈류량에 대한 빅데이터를 생성한다.
본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치 및 방법은, 요의를 느끼지 못하는 환자가 자신의 방광 내에 저장된 소변량을 모니터링하도록 방광 내의 소변량을 측정함으로써, 환자가 요의를 느끼지 못하더라도 방광 내 소변량을 간편하게 모니터링하여 적절한 시점에 배뇨를 하게 할 수 있다.
또한, 방광의 혈류량을 측정하여 방광의 상태를 모니터링함으로써, 방광의 건강상태를 진단하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치를 구현한 예를 나타낸 도면.
도 8은 도 6 또는 도 7과 같이 구현된 방광 모니터링 장치의 사용예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법이 수행되는 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 나타낸 흐름도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치를 구현한 예를 나타낸 도면.
도 8은 도 6 또는 도 7과 같이 구현된 방광 모니터링 장치의 사용예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법이 수행되는 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 나타낸 흐름도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 도 1을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치에 대하여 설명하되, 도 2 내지 도 5를 참조하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치(100)는, 광조사부(110), 광검출부(120), 출력부(130), 입력부(140), 통신부(150) 및 제어부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
광조사부(110)는 환자의 배에서 방광이 위치하는 부위에서 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사한다. 이때, 광조사부(110)는 제어부(160)의 제어에 따라 미리 설정된 조사신호세기를 가지는 근적외선을 파장별로 조사할 수 있다.
예를 들어, 광조사부(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 하나의 광원(111)을 포함하여 구성될 수 있으며, 광원(111)은 LD(Laser Diode), LED(Light-Emitting Diode) 또는 OLED(Organic Light-Emitting Diode)로 구성될 수 있다.
광검출부(120)는 광조사부(110)에 의하여 방광에 조사된 다파장 근적외선이 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 신호세기를 측정한다.
예를 들어, 광검출부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 광원(111)으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광센서(121)를 포함하여 구성될 수 있으며, 광센서(121)는 PD(Photodiode), IR enhanced PD, APD(Avalanche Photodiode)나 CCD, CMOS로 구성될 수 있다.
출력부(130)는 청각적 또는 시각적 신호를 출력한다. 예를 들어, 출력부(130)는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치(100)의 구동시작, 측정중, 측정완료 등과 같은 동작상태를 표시하는 상태표시램프 및/또는 부저를 포함할 수 있다.
또한, 출력부(130)는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치(100)가 입력받거나 처리한 정보를 표시하여 출력하는 디스플레이 모듈(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 즉, 디스플레이 모듈은 광검출부(120)에 의하여 검출되는 확산광(Diffuse optics)에 대한 후술할 제어부(160)의 분석결과(방광 내의 소변량 등)를 출력할 수 있다.
예를 들어, 디스플레이 모듈은 액정 디스플레이(liquid crystal display) 등으로 구현될 수 있다. 또한, 디스플레이 모듈과 터치 동작을 감지하는 센서가 상호 레이어 구조를 이루는 경우(즉, 터치 스크린), 디스플레이 모듈은 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 이하, 디스플레이 모듈로 터치 스크린이 사용되는 경우, 터치 동작을 감지하는 센서는 후술할 입력부(140)로 지칭하도록 한다.
입력부(140)는 사용자로부터 각종 명령을 입력받기 위한 사용자 인터페이스(user interface)로서, 그 구현 방식에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 입력부(140)는 복수의 조작 유닛들을 포함할 수 있으며, 이러한 조작 유닛들은 키 패드(key pad), 터치 패드(정압/정전), 휠 키, 조그 스위치 등으로 제작될 수 있다.
통신부(150)는 사용자 단말과 유무선 통신을 수행한다.
예를 들어, 통신부(150)는 USB(Universal Serial Bus) 모듈, 블루투스(Bluetooth) 모듈, 와이파이(wifi) 모듈 등을 포함할 수 있으며, 블루투스(Bluetooth) 또는 와이파이(wifi)와 같은 근거리 무선통신이나 USB와 같은 근거리 유선통신을 이용하여, 스마트폰이나 데스크탑 PC와 같은 사용자 단말로 데이터를 전송할 수 있다.
제어부(160)는 기본적으로, 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다.
즉, 제어부(160)는 광조사부(110) 및 광검출부(120)가 각각 방광 부위에 다파장의 근적외선을 조사하고, 방광 부위로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하도록 제어할 수 있다.
또한, 제어부(160)는 측정된 광신호의 파장별 신호세기를 이용하여 검출된 확산광(Diffuse optics)의 분석을 통해 방광 내의 수분함량을 측정함으로써, 방광 내 소변량을 측정한다.
즉, 제어부(160)는 반사 및 확산된 광신호의 측정된 파장별 반사신호세기를 이용하여 반사도(Reflectance)를 산출하고, 산출된 반사도를 이용하여 파장별 광흡수도를 산출하고, 산출된 파장별 광흡수도를 이용하여 방광 내의 수분함량을 산출할 수 있다.
이때, 제어부(160)는 파장별 광흡수도를 이용하여 방광의 수분함량과 함께, 혈류량을 산출할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 근적외선 대역에는, 콜라겐(collagen), 체수분(water), 지방(lipid), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 산화 헤모글로빈(O2Hb) 등의 85% 이상의 생체조직 성분의 광흡수 피크가 존재한다. 여기서, 탈산화 헤모글로빈(HHb) 및 산화 헤모글로빈(O2Hb)는 혈류량 지표이다. 따라서, 방광 내의 수분함량의 측정을 통해 방광 내에 채워진 소변의 양 측정이 가능하며, 방광의 탈산화 헤모글로빈(HHb) 및 산화 헤모글로빈(O2Hb)의 양 측정을 통해 방광의 혈류량이 산출될 수 있다. 체수분의 광흡수 피크가 존재하는 파장은 960nm, 1180nm, 1440nm 등이다.
예를 들어, 물의 광흡수 피크는 근적외선 파장 중 960nm, 1180nm, 1440nm 등의 파장에 존재하므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 물의 광흡수 피크 파장과 둔감한 650nm~900nm 대역의 파장을 가지는 근적외선을 조사하도록 광조사부(110)가 제어될 수 있다.
제어부(160)는 방광 내의 수분함량을 측정하기 위하여 우선, 광조사부(110)가 조사하는 근적외선의 조사신호세기에 대하여, 방광 부위로부터 반사 및 확산된 광신호의 반사신호세기의 비율을 산출함으로써, 반사도를 산출할 수 있다.
그리고, 제어부(160)는 하기 수학식을 이용하여 파장별 광흡수도를 산출할 수 있다.
[수학식 1]
여기서, R(ρ)는 반사도이고, ρ=(x, y)이고, a'는 표면에서의 반사율을 나타내는 알베도(albedo)로서, a' = μ's / (μa + μ's)이고, μa는 광흡수도이고, μ's는 광산출도이고, z0는 관심영역(ROI: Region of Interest)으로부터 측정표면(방광 부위의 피부표면) 까지의 거리로서, z0 = (μa + μ's)-1이고, μeff는 유효감쇄계수(effective attenuation coefficient)로서, μeff = [3 μa (μa + μ's)]1/2이고, r1는 관심영역으로부터 양의 광소스(positive impulse source)까지의 거리로서, r1 = [(z - z0)2 + ρ 2]1/2이고, zb는 Extrapolate boundary condition의 핵심으로서, 광자의 Flux가 사라진다고 가정하는 가상경계의 값이고, r2는 관심영역으로부터 음의 광소스(negative impulse source)까지의 거리로서, r2 = [(z + z0 + 2zb)2 + ρ 2]1/2이다.
[수학식 2]
여기서, R(ρ)는 반사도이고, Rexp(ρ)는 실험시스템을 이용하여 생리학적인 조직에서 측정된 반사도의 실험값(experimental R)이고, α는 실험시스템에 설정된 시스템파라미터이다.
수학식 1과 수학식 2에서, 광흡수도 μa, 광산출도 μ's 및 시스템파라미터 α는 미지수이다. 이러한 3개의 미지수의 해를 계산하기 위해서는 적어도 3개의 방정식이 필요하므로, 각각 도 4에 도시된 바와 같이, 1개의 광원(111) 및 최소 3개의 광센서(121)가 필요하다. 즉, 3개의 지점에서 측정된 반사신호세기를 이용하여, 수학식 1 및 2로부터, 광흡수도 μa, 광산출도 μ's 및 시스템파라미터 α의 3개 미지수에 대한 3개의 방정식이 생성될 수 있고, 생성된 3개의 방정식으로부터, 광흡수도 μa, 광산출도 μ's 및 시스템파라미터 α의 값이 산출될 수 있다.
그리고, 제어부(160)는 산출된 광흡수도로부터 하기 수학식을 이용하여 제1 측정영역(10)의 수분함량을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
여기서, 
, 
, 
및 
는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 파장별 광소멸계수(extinction rate)이고, [O2Hb], [HHb], [water] 및 [lipid]는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 함량이고, 
는 파장별 광흡수도이다.
수학식 3에서, 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 함량은 최소자승법을 이용하여 산출될 수 있으며, 산화 헤모글로빈(O2Hb)과 탈산화 헤모글로빈(HHb)의 함량은 mol 단위의 절대값으로 산출되고, 체수분(water)과 지방(lipid)의 함량은 % 단위의 상대값으로 산출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광조사부(110) 및 광검출부(120)는 각각, 1개의 광원(111) 및 최소 5개의 광센서(121)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 방광(30)은 피부층(11) 아래쪽의 내장층(12)에 위치하므로, 방광(30)에서 반사 및 확산된 광신호를 획득하기 위하여 광원(111)으로부터 충분히 떨어진 R4 및 R5와 같은 추가적인 광센서(121)가 필요하다. 따라서, 전술한 바와 같이 방광 내의 수분함량의 산출을 위해서는 최소 3개의 광센서(121)가 필요하므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 광검출부(120)는 5개(R1, R2, R3, R4 및 R5)의 광센서(121)로 구성될 수 있다.
그래서, 제어부(160)는 R1, R2 및 R3의 광센서(121)를 이용하여 산출된 제1 측정영역(10)의 제1 수분함량을 산출하고, R3, R4 및 R5의 광센서(121)를 이용하여 산출된 제2 측정영역(20)의 제2 수분함량을 산출하고, 제2 수분함량에서 제1 수분함량을 빼서 방광(30) 내의 수분함량을 산출할 수 있다.
한편, 수분함량과 함께 산출되는 산화 헤모글로빈(O2Hb) 및 탈산화 헤모글로빈(HHb)의 양은, 혈류량의 변화 관찰을 통한 방광 상태 모니터링에 이용되거나, 장기간동안 빅데이터로 축적되어 빅데이터 분석을 통한 개인 방광의 상태 분석에 이용될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치를 구현한 예를 나타낸 도면이고, 도 8은 도 6 또는 도 7과 같이 구현된 방광 모니터링 장치의 사용예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 장치(100)는, 하나의 광원(111) 및 광원(111)으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 5개의 광센서(121)가 장착된 측정용 기판(160) 및 복수의 전자부품(175)이 장착된 제어용 기판(170)으로 구성되어 구현될 수 있다.
즉, 측정용 기판(160)에는, 전술한 광조사부(110) 및 광검출부(120)가 구현되며, 제어용 기판(170)에 장착되는 복수의 전자부품(175)을 이용하여, 광조사부(110) 및 광검출부(120) 외의 구성 즉, 출력부(130), 입력부(140), 통신부(150), 제어부(160) 등이 구현될 수 있다. 또한, 제어용 기판(170)에는 전원공급을 위한 배터리 모듈과 연결되는 전원 인터페이스가 구현될 수 있다.
여기서, 측정용 기판(160) 및 제어용 기판(170)은 각각 커넥터(161, 171)를 구비하며, 구비된 커넥터(161, 171)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
측정용 기판(160)은 방광 부위에 광을 조사하고 반사된 광을 검출하기 위하여 환자의 피부에 직접 접촉하므로, 플렉서블(Flexible)한 재질로 형성될 수 있다.
이와 같이 구현되는 방광 모니터링 장치(100)는, 전체적으로 플렉서블(Flexible)한 패치(Patch) 형태를 가질 수 있으며, 별도의 부착수단을 구비하여 사용자의 몸에 부착되어 동작될 수 있다.
도 7을 참조하면, 방광 모니터링 장치(100)는, 광원 모듈(185) 및 조작용 버튼(181)이 장착된 본체(180) 및 본체(180) 양측에 결합되며 광센서 어레이 모듈(197, 198) 및 접착부(195, 196)가 장착된 한 쌍의 패드(191, 192)로 구성되어 구현될 수 있다.
즉, 본체(180)에는, 전술한 광조사부(110), 출력부(130), 입력부(140), 통신부(150), 제어부(160) 등이 구현될 수 있으며, 전원공급을 위하여 충전 가능한 배터리가 장착될 수 있다. 본체(180)에 장착된 조작용 버튼(181)은 입력부(140) 중 하나일 수 있다. 그리고, 광원 모듈(185)을 구성하는 복수의 광원(111)은 600~1100nm 대역에서 최소 4개의 다파장 광을 발생시킬 수 있다.
패드(191, 192)에는 광센서 어레이 모듈(197, 198)이 장착되는데, 도 7에 도시된 바와 같이, 광센서 어레이 모듈(197, 198)은 다수의 광센서(121)가 매트릭스 형태로 배열되어 형성될 수 있다.
또한, 패드(191, 192)에는 접착부(195, 196)가 장착되는데, 접착부(195, 196)는 피부에 부착되어 방광 모니터링 장치(100)를 사용자의 몸에 부착하기 위한 역할을 한다.
본체(180)와 패드(191, 192)는 별도의 탈부착 수단을 구비하여 서로 탈부착되도록 구성될 수 있다. 그리고, 패드(191, 192)는 1회용으로 사용하도록 제작되어 사용자가 쓰고 버릴 수 있다. 반면에, 본체(180)는 배터리 충전을 통해 지속적으로 사용할 수 있다. 즉, 패드(191, 192)는 사용 후, 본체(180)로부터 분리되어 버려질 수 있다.
이와 같은 방광 모니터링 장치(100)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 사용자의 배에서 방광(35)이 위치하는 부위에 부착되어, 전술한 바와 같이 방광(35) 내의 소변량을 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법이 수행되는 시스템의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 나타낸 흐름도이고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 9 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 방광 모니터링 방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 9를 참조하면, 시스템은 방광 모니터링 장치(100), 사용자 단말(200) 및 방광 모니터링 서버(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 10을 참조하면, S1010 단계에서, 방광 모니터링 장치(100)는 방광 내의 소변량을 주기적으로 측정하여 측정된 소변량 데이터를 사용자 단말(200)로 전송한다.
즉, 방광 모니터링 장치(100)는 전술한 바와 같이, 방광으로 다파장의 근적외선을 조사하고, 근적외선 조사에 따라 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하고, 측정된 반사신호세기를 이용하여 반사도를 산출하고, 산출된 반사도를 이용하여 광흡수도를 산출하고, 산출된 광흡수도를 이용하여 방광 내의 수분함량을 소변량으로 산출할 수 있다.
S1020 단계에서, 사용자 단말(200)은 소변량 데이터의 수신에 따라 사용자가 소변량을 모니터링하도록 도 9에 도시된 바와 같이, 방광 용량 대비 소변량의 비율(%)을 텍스트, 애니메이션 등으로 시각화하여 출력할 수 있다.
S1030 단계에서, 사용자 단말(200)은 방광 용량 대비 소변량의 비율(%)이 임계치를 초과하는지 여부를 판단한다.
S1040 단계에서, 사용자 단말(200)은 방광 용량 대비 소변량의 비율(%)이 임계치를 초과하는 경우, 시각 및 청각적인 알람신호를 출력한다.
이때, 사용자 단말(200)은 도 9에 도시된 바와 같이, 사용자가 착용하는 스마트워치와 같은 웨어러블 기기(210)와 연동되어 있는 경우, 소변량의 임계치 초과를 알리기 위하여 웨어러블 기기(210)로 알람발생 명령을 전송할 수 있다. 이에 따라, 웨어러블 기기(210)는 진동이나 소리로 알람신호를 출력하고 소변량이 임계치가 초과했음을 나타내는 메시지를 출력할 수 있다.
이러한 알람신호의 출력에 따라 사용자는 배뇨를 수행할 수 있으며, 배뇨에 따라 방광 용량 대비 소변량의 비율이 임계치 미만으로 감소하게 되면, 사용자 단말(200)은 알람신호의 출력을 중지할 수 있으며, 웨어러블 기기(210)로도 알람중지 명령을 전송할 수 있다.
전술한 S1020 단계에서, 방광 모니터링 장치(100)는 근적외선 조사에 따라 방광으로부터 반사된 광신호를 이용하여, 방광 내의 소변량을 산출할 뿐만 아니라, 방광의 탈산화 헤모글로빈(HHb) 및 산화 헤모글로빈(O2Hb)의 양 측정을 통해 혈류량을 산출할 수 있다.
즉, 방광 모니터링 장치(100)는 소변량 데이터 뿐만 아니라, 혈류량 데이터를 사용자 단말(200)로 전송할 수 있으며, 사용자 단말(200)은 혈류량 데이터의 수신에 따라 사용자가 혈류량을 모니터링하도록 혈류량의 변화를 출력할 수 있다.
예를 들어, 사용자 단말(200)은 도 11에 도시된 바와 같은 혈류량 변화 그래프로 혈류량 변화를 나타낼 수 있다.
도 11에 도시된 그래프는 연령에 따른 탈산화 헤모글로빈(HHb) 및 산화 헤모글로빈(O2Hb)의 양 변화를 나타낸다. 즉, 도 11의 (a)는 7세 여야, 도 11의 (b)는 31세 남자, 도 11의 (c)는 43세 여자의 소변 배출 시 측정된 혈류량 변화를 나타낸다. 도 11에 도시된 바와 같이, 나이가 많을수록 소변 배출 중 방광의 혈류 움직임이 약한 것을 알 수 있다.
그러나, 이와 같은 혈류량 변화 관찰을 통한 방광 모니터링은 단순히, 나이에 따른 차이나 혈류량의 정상 수치 여부를 확인될 수 있을 뿐, 개인의 방광 상태의 진단이 정확히 이루어질 수 없다.
따라서, 개인의 방광 상태를 보다 정확히 모니터링하기 위해서는, 방광 모니터링 장치(100)를 이용하여 주기적으로 측정된 혈류량 데이터 및 소변량 데이터의 축적이 필요하다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 사용자 단말(200)은 전술한 방광 모니터링 방법을 수행하는 방광 모니터링 어플리케이션을 탑재할 수 있다. 그래서, 사용자 단말(200)은 방광 모니터링 어플리케이션을 구동하여, 방광 모니터링 방법을 수행하는 한편, 사용자 단말(200)의 사용자의 방광의 혈류량 데이터 및 소변량 데이터를 축적하여 개인화 데이터를 생성할 수 있다. 여기서, 개인화 데이터는 스몰 데이터(small data)라 할 수 있다. 이 스몰 데이터를 이용하여 개인 맞춤형 방광 진단 및 치료가 이루어질 수 있다.
다시, 도 9를 참조하면, 방광 모니터링 서버(300)는 사용자 단말(200)로부터 해당 사용자의 스몰 데이터를 수신하여 빅데이터를 생성할 수 있다. 즉, 방광 모니터링 서버(300)는 다수 사용자 단말(200)로부터 여러 사용자의 스몰 데이터를 축적함으로써, 방광의 혈류량에 대한 빅데이터를 생성할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 방광 모니터링 장치
110: 광조사부
120: 광검출부
130: 출력부
140: 입력부
150: 통신부
160: 제어부
110: 광조사부
120: 광검출부
130: 출력부
140: 입력부
150: 통신부
160: 제어부
Claims (18)
- 방광 모니터링 장치에 있어서,
상기 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 광조사부;
상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하며, 상기 광조사부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 복수의 광센서를 포함하는 광검출부; 및
상기 측정된 반사신호세기를 이용하여 반사도(Reflectance)를 산출하고, 상기 산출된 반사도를 이용하여 광흡수도를 산출하고, 상기 산출된 광흡수도를 이용하여 상기 방광 내의 수분함량을 산출함으로써, 소변량을 산출하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 광흡수도를 산출하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
여기서, R(ρ)는 반사도이고, ρ=(x, y)이고, a'는 표면에서의 반사율을 나타내는 알베도(albedo)로서, a' = μ's / (μa + μ's)이고, μa는 광흡수도이고, μ's는 광산출도이고, z0는 관심영역(ROI: Region of Interest)으로부터 측정표면(방광 부위의 피부표면) 까지의 거리로서, z0 = (μa + μ's)-1이고, μeff는 유효감쇄계수(effective attenuation coefficient)로서, μeff = [3 μa (μa + μ's)]1/2이고, r1는 관심영역으로부터 양의 광소스(positive impulse source)까지의 거리로서, r1 = [(z - z0)2 + ρ 2]1/2이고, zb는 Extrapolate boundary condition의 핵심으로서, 광자의 Flux가 사라진다고 가정하는 가상경계의 값이고, r2는 관심영역으로부터 음의 광소스(negative impulse source)까지의 거리로서, r2 = [(z + z0 + 2zb)2 + ρ 2]1/2이고, Rexp(ρ)는 실험시스템을 이용하여 생리학적인 조직에서 측정된 반사도의 실험값(experimental R)이고, α는 실험시스템에 설정된 시스템파라미터임
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 근적외선의 조사신호세기에 대한 상기 반사신호세기의 비율을 상기 반사도로 산출하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광흡수도 μa, 상기 광산출도 μ's 및 상기 시스템파라미터 α는 미지수이되,
상기 광검출부는,
상기 미지수의 해의 계산을 위한 3개의 방정식을 생성하기 위하여, 최소 3개의 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 산출된 광흡수도로부터 하기 수학식을 이용하여 상기 수분함량을 산출하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
여기서,,
,
및
는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 파장별 광소멸계수(extinction rate)이고, [O2Hb], [HHb], [water] 및 [lipid]는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 함량이고,
는 파장별 광흡수도임
- 제5항에 있어서,
상기 광검출부는 상기 광조사부로부터 순차적으로 멀어지도록 배치된 제1 내지 제5 광센서를 포함하되,
상기 제어부는,
상기 제1 내지 제3 광센서를 이용하여 산출된 제1 측정영역의 제1 수분함량을 산출하고, 상기 제3 내지 제5 광센서를 이용하여 산출된 제2 측정영역의 제2 수분함량을 산출하고, 상기 제2 수분함량에서 상기 제1 수분함량을 빼서 상기 방광 내의 수분함량을 산출하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 방광 모니터링 장치는 상기 소변량을 주기적으로 측정하여 소변량 데이터를 사용자 단말로 전송하되,
상기 사용자 단말은 사용자가 소변량을 모니터링하도록 방광 용량 대비 소변량의 비율을 출력하고, 상기 비율이 임계치를 초과하는 경우, 상기 사용자가 배뇨를 수행하도록 알람신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 산출된 광흡수도를 이용하여 상기 방광의 혈류량을 산출하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제8항에 있어서,
상기 제어부는 하기 수학식을 이용하여 상기 혈류량의 지표인 산화 헤모글로빈(O2Hb) 및 탈산화 헤모글로빈(HHb)의 양을 산출하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
여기서,,
,
및
는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 파장별 광소멸계수(extinction rate)이고, [O2Hb], [HHb], [water] 및 [lipid]는 각각 산화 헤모글로빈(O2Hb), 탈산화 헤모글로빈(HHb), 체수분(water) 및 지방(lipid)의 함량이고,
는 파장별 광흡수도임
- 제8항에 있어서,
상기 방광 모니터링 장치는 상기 혈류량을 주기적으로 측정하여 혈류량 데이터를 사용자 단말로 전송하되,
상기 사용자 단말은 사용자가 혈류량을 모니터링하도록 혈류량의 변화를 출력하며, 상기 혈류량 데이터를 축적하여 개인화 데이터를 생성하고,
상기 개인화 데이터는 개인의 방광 진단에 이용되는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제10항에 있어서,
상기 사용자 단말은 상기 생성된 개인화 데이터를 방광 모니터링 서버로 전송하되,
상기 방광 모니터링 서버는 다수의 사용자의 개인화 데이터를 수집하고 미리 설정된 기간동안 축적하여 방광의 혈류량에 대한 빅데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 방광 모니터링 장치는 플렉서블(Flexible)한 패치(Patch) 형태로 제작되어, 환자의 배에서 상기 방광이 위치하는 부위에 부착되어 상기 소변량을 측정하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 방광 모니터링 장치는,
상기 광조사부의 광원으로 구성된 광원 모듈이 장착된 본체; 및
상기 본체 양측에 결합되며, 상기 복수의 광센서가 매트릭스 형태로 배열되어 형성된 광센서 어레이 모듈 및 피부에 부착되는 접착부가 장착된 한 쌍의 패드로 구성되되,
상기 본체는 상기 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 제13항에 있어서,
상기 패드는 1회용으로 제작되고,
상기 본체는 충전용 배터리를 구비하여 지속적으로 사용되는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 장치.
- 사용자의 몸에 부착되는 방광 모니터링 장치 및 사용자 단말이 수행하는 방광 모니터링 방법에 있어서,
상기 방광 모니터링 장치가 방광 내의 소변량을 주기적으로 측정하여 측정된 소변량 데이터를 상기 사용자 단말로 전송하는 단계;
상기 사용자가 소변량을 모니터링하도록, 상기 사용자 단말이 상기 방광 용량 대비 소변량의 비율을 출력하는 단계;
상기 비율이 임계치를 초과하는 경우, 상기 사용자 단말이 상기 사용자가 배뇨를 수행하도록 알람신호를 출력하는 단계; 및
상기 배뇨에 따라 상기 비율이 임계치 미만으로 감소하면, 상기 사용자 단말이 상기 알람신호의 출력을 중지하는 단계를 포함하되,
상기 소변량 데이터를 상기 사용자 단말로 전송하는 단계는,
상기 방광 모니터링 장치가 상기 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 단계;
상기 방광 모니터링 장치가 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하는 단계;
상기 방광 모니터링 장치가 상기 측정된 반사신호세기를 이용하여 반사도(Reflectance)를 산출하는 단계;
상기 방광 모니터링 장치가 상기 산출된 반사도를 이용하여 광흡수도를 산출하는 단계; 및
상기 방광 모니터링 장치가 상기 산출된 광흡수도를 이용하여 상기 방광 내의 수분함량을 산출함으로써, 소변량을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 광흡수도는 하기 수학식을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 방법.
여기서, R(ρ)는 반사도이고, ρ=(x, y)이고, a'는 표면에서의 반사율을 나타내는 알베도(albedo)로서, a' = μ's / (μa + μ's)이고, μa는 광흡수도이고, μ's는 광산출도이고, z0는 관심영역(ROI: Region of Interest)으로부터 측정표면(방광 부위의 피부표면) 까지의 거리로서, z0 = (μa + μ's)-1이고, μeff는 유효감쇄계수(effective attenuation coefficient)로서, μeff = [3 μa (μa + μ's)]1/2이고, r1는 관심영역으로부터 양의 광소스(positive impulse source)까지의 거리로서, r1 = [(z - z0)2 + ρ 2]1/2이고, zb는 Extrapolate boundary condition의 핵심으로서, 광자의 Flux가 사라진다고 가정하는 가상경계의 값이고, r2는 관심영역으로부터 음의 광소스(negative impulse source)까지의 거리로서, r2 = [(z + z0 + 2zb)2 + ρ 2]1/2이고, Rexp(ρ)는 실험시스템을 이용하여 생리학적인 조직에서 측정된 반사도의 실험값(experimental R)이고, α는 실험시스템에 설정된 시스템파라미터임
- 삭제
- 제15항에 있어서,
상기 방광 모니터링 방법은,
상기 방광 모니터링 장치가 방광 내의 혈류량을 주기적으로 측정하여 측정된 혈류량 데이터를 상기 사용자 단말로 전송하는 단계;
상기 사용자 단말이 사용자가 혈류량을 모니터링하도록 혈류량의 변화를 출력하는 단계; 및
상기 사용자 단말이 상기 혈류량 데이터를 축적하여 개인화 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하되,
상기 개인화 데이터는 개인의 방광 진단에 이용되는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 방광 모니터링 방법은,
상기 사용자 단말이 상기 생성된 개인화 데이터를 방광 모니터링 서버로 전송하는 단계를 더 포함하되,
상기 방광 모니터링 서버는 다수의 사용자의 개인화 데이터를 수집하고 미리 설정된 기간동안 축적하여 방광의 혈류량에 대한 빅데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 방광 모니터링 방법.
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