KR102290329B1 - 스마트 생리학적 정보 측정 시스템 - Google Patents

스마트 생리학적 정보 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 근적외선분광법(Near Infrared Ray Spectroscopy, NIRS)을 이용하여 비만, 고지혈증 및 당뇨병 등과 같은 질병을 관리하고 근육도 관리할 수 있으며 휴대할 수도 있는 형태의 스마트 생리학적 정보 측정 시스템에 관한 것으로서, 다수 파장의 빛을 갖는 빛을 생체조직으로 방사하고 반사되는 빛을 수광하여 상기 수광된 빛의 디지털 진폭정보로 변환하는 스마트 생리학적 정보 측정장치; 상기 스마트 생리학적 정보 측정장치로부터 송신된 디지털 진폭정보를 전송받고 설치된 어플리케이션을 통해 분석하여 상기 생체조직 내에서의 지방의 비율, 상기 지방의 크기 및 근육량을 알려주는 체질량지수(BMI) 지표를 표시하는 단말기; 및 상기 단말기로부터 진폭정보 및 상기 단말기의 고유정보를 수신하여 상기 생체조직에 대응하는 진폭정보에 따라 분석된 정보인 개인분석 데이터를 상기 단말기로 전송하는 서버;를 포함하여 구성되어 비만, 고지혈증 및 당뇨병과 같은 질병을 관리하고 지방 및 근육도 휴대용 장비를 이용하여 효과적으로 관리할 수 있는 효과가 있다.

Description

스마트 생리학적 정보 측정 시스템{SMART BIOLOGICAL MEASUREMENT SYSTEM}
본 발명은 스마트 생리학적 정보 측정 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 근적외선분광법(Near Infrared Ray Spectroscopy, NIRS)을 이용하여 비만, 고지혈증 및 당뇨병 등과 같은 질병을 관리하고 근육도 관리할 수 있으며 휴대할 수도 있는 형태의 스마트 생리학적 정보 측정 시스템에 관한 것이다.
고령화 사회의 진입과 더불어 삶의 질을 향상시키기 위한 노력이 증가하고 있는 가운데, 비만, 당뇨, 심혈관 질환 뿐만아니라 근육감소와 같은 근골력계 질환이 가파르게 상승하는 추세이며 근육 상태 등 신체 균형을 유지하기 위한 건강 관리가 사회적 문제로 대두되고 있다.
한편, 비만은 고혈압, 뇌출혈, 심장질환, 호흡곤란, 암 등의 발병 위험을 증가시키는 중요한 유병 인자이며, 전 세계적인 산업화와 경제발전과 더불어 비만인구는 증가 추세에 있다. 이런 비만의 진단을 위해서는 체지방량을 직접 측정하여 평가하는 것이 가장 정확한 방법이지만 실제 체지방량을 직접적으로 정확히 측정하기 위한 기술적인 한계를 지니고 있다. 따라서 종래의 체지방량을 측정하는 기술은 주로 간접 측정방식으로 평가하게 되며, 그 중 많이 사용하는 방법이 체중과 키를 이용하여 비만을 분석하는 체질량지수(BMI; Body Mass Index)를 이용하는 방법이다. 체질량지수를 이용하는 방법은 체중과 키의 관계로 계산되는 체질량지수를 구하여 구해진 체질량지수에 따라 비만도를 설정하는 방법이다.
또한 건강 검진이나 휘트니스 센터에서 보편적으로 사용하는 생체전기 임피던스측정법(Bioelectrical Impedance Analysis)은 피측정자가 장비 위에 올라선 후 손목과 발목에 낮은 교류 전압을 통과시켜 주파수에 따라 인체에 일정한 저항이 발생하는 원리를 이용하여 인체의 체수분량을 측정하여 단백질, 무기질, 체수분, 그리고 체지방의 구성 비율을 이용하여 체지방량을 간접적으로 추정하는 방식이다. 반면, 전문적인 의료수준의 체지방량 분석법으로는 DXA(이중에너지 X-선 흡수법), 자기공명영상, 컴퓨터단층촬영 및 초음파 등도 있다.
한편, 체질량지수는 자신의 몸무게(kg)를 키의 제곱(m2)으로 나눈 값으로 구할 수 있다. 체질량 지수는 서양인 젊은이에 맞추어 측정되는 값이므로 서양인, 젊은이에게 잘 맞으며, 동양인이나 노인에게는 다소 맞지 않을 수도 있다. 예컨대, 노인층에는 약간 살찐 정도인 체질량지수(BMI) 25~30(전비만) 내외가 적당하다는 주장이 설득력을 가진다. 따라서 체질량지수를 이용한 비만도로 건강을 설명하는 것은 연령층 및 개인적인 차이에 따라 모순이 발생할 수 있다.
또한 체질량지수는 보편적으로 사용하는 비만을 평가하는 평가지수이지만 근육량, 유전적 원인, 개인적 차이를 반영하지 못하기 때문에 정확한 자료로는 사용되지 못하는 문제점이 있다.
이와 같은 체질량지수 측정에 있어서 전술한 자기공명영상, 컴퓨터단층촬영 및 양전자방출 단층촬영술, DXA(이중에너지 X-선 흡수법)와 같은 고가의 장비를 사용하면 매우 정밀한 측정이 가능하여 정확한 진단이 가능하지만, 비용이 크게 증가한다는 측면에서의 문제점이 있으며, 개인이 사용할 수 없고, 병원을 직접 방문하여 전문가에 의해 운영되어야 한다는 점에서 접근이 어렵다는 문제점이 있다.
4차 산업의 도래와 더불어 스마트 헬스 케어 분야에서는 환자에게 스마트 플랫폼을 적용하여 보다 적은 비용으로 높은 기술 수준의 휴대가 간편한 건강 정보 시스템을 많이 제공하려고 하고 있다. 예컨대 운용자 또는 환자들에게 나이키사의 퓨얼 밴드(Nike Fuel Band)나, 핏빗(Fitbit)과 같은 상품들을 이용하여 인체에 무해한 근적외선 대역의 광원을 이용하여, 착용자의 상태를 체크하는 휴대용 단말기들이 출시되어 있다. 그러나 이와 같은 휴대용 단말기들은 라이프로그 기반 활동 모니터링하는 것으로 맥박이나 체온 등을 체크하여 활동에 따른 신체의 기본적인 정보만을 제공하도록 구성되어 있어 보다 의료적인 수준의 생리학적인 정보나 비만 정보 또한 기타의 질병에 대한 정보를 제공하지 못하고 있다.
근적외선(NIR: near infrared)과 분광법(Spectroscopy)을 이용한 기술은 현재 생리학적인 정보 측정이 가능하지만, 생물학적 조직은 투명 매체가 아니고 탁한 매체이므로 근적외선이 조직을 통과할 때 흡수 및 산란을 통한 수광량의 감소를 고려해야하며, 무엇보다도 피부 조직의 색에 따라 발생되는 측정오류를 고려하지 않고 있는 문제점을 지니고 있다.
인용발명1 : 한국공개특허 제10-2009-001288899호(기준반사체를 이용한 체지방 및 피하지방의 두께 측정장치 및 방법) 인용발명2 : 한국공개특허 제10-2008-0020340호(체지방 측정 장치 및 그 방법) 인용발명3 : 한국등록특허 제10-1867902호(지방과 물의 최대 흡수 파장을 이용한 피하 지방 두께 측정 시스템 및 방법)
따라서, 본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 근적외선 분광법(NIRS: Near Infrared Ray Spectroscopy)에 의해 휴대용 단말기를 이용하여 비만, 고지혈증 및 당뇨병과 같은 질병을 관리하고 지방 및 근육도 관리할 수 있는 휴대용 스마트 생리학적 정보 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 측정대상인 생체조직의 피부톤에 무관하게 정보를 검출하고 신호를 처리하기 위하여 측정단(즉, 송수신 제어 및 증폭단)의 이득을 자동 조절 할 수 있는 기능을 구비하도록 하여 다파장 광원이 생체조직에 빛을 방출한 후 흡수와 산란이 피부톤에 따라 발생하는 편차를 없앤 측정 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스마트 생리학적 정보 측정 시스템은, 다수 파장의 빛을 생체조직으로 방사하고 반사되는 빛을 수광하여 상기 수광된 빛의 진폭 정보를 디지털정보로 생성하는 측정장치;를 포함하고, 상기 측정장치는 송신된 진폭정보를 전송받아 생체조직의 광학적 특성을 분석하여, 이를 기반으로 생리학적 정보로 변경한다. 이를 통해 상기 생체조직 내에서의 산소포화도, 지방과 물의 비율, 상기 지방 세포의 크기 및 근육량 중 어느 하나 이상을 알려주는 정보를 분석하여 체질량지수(BMI) 지표를 표시하고, 상기 생체조직에 대응하는 생리학적인 정보에 따라 개인분석 데이터를 제공하도록 구성될 수 있다.
상기 생체조직 내에서의 산소포화도, 지방과 물의 비율, 상기 지방 세포의 크기 및 근육량 중 어느 하나 이상을 알려주는 체질량지수(BMI) 지표를 표시하는 단말기;를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 단말기로부터 상기 진폭 정보 및 상기 단말기의 고유정보를 수신하여 상기 생체조직에 대응하는 진폭정보에 따라 분석된 개인의 생리학적 정보를 분석하고 상기 단말기로 전송하는 서버;를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 서버는, 상기 단말기로부터 상기 생체조직의 지방층의 신진대사량, 피하지방의 두께, 지방세포의 크기 변화율, 국소지방량(%), 국소 체수분(H2O, %), 헤모글로빈 농도, 근육의 질 등의 생리학적 정보를 분석하고, 상기 분석된 생리학적 정보를 기반으로 개인분석 데이터인 비만, 대사성 질환, 고지혈증, 당뇨병, 유방암 및 알츠하이머 질병의 여부 및 위험성에 대한 정보를 상기 단말기로 전송하도록 구성될 수 있다.
상기 스마트 생리학적 정보 측정장치는, 생체조직에 접촉하여 상기 생체조직을 투과하여 반사되는 다수 파장의 빛을 발생시키는 광원부; 상기 광원부로부터 방사되어 상기 생체조직에 의해 반사되어 수신되는 빛을 소정 거리 이격되어 수신하는 다수의 포토다이오드를 구비하는 다중거리포토다이오드; 상기 다중거리포토다이오드로부터 수신한 빛이 변환된 전기신호를 증폭시키는 증폭기; 상기 증폭기로부터 출력된 전기신호의 진폭을 검출하는 락인증폭기; 및 상기 락인증폭기에 의해 검출된 진폭을 디지털 신호로 변환하여 디지털 진폭정보를 읽어내기 위해 제어부에 구성된 A/D 변환;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 스마트 생리학적 정보측정장치는,
상기 A/D 변환을 통해 생성된 디지털 진폭정보를 상기 제어부를 통해 이를 상기 단말기로 전송하는 통신부; 및 상기 스마트 생리학적 정보측정장치에 전력을 공급하는 배터리;를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광원부는, 각각의 파장을 갖는 다수의 빛을 발생시키도록 하는 빔컴바이너와 같은 다파장 광원; 상기 빔컴바이너와 같은 광원을 구동할 수 있도록 전류를 공급하는 드라이버; 상기 다파장광원의 전류값을 조절하기 위해 상기 드라이버와 연결된 가변저항; 및 상기 드라이로부터 수신한 전류를 스위칭시켜 상기 다파장 광원의 각 광원에 순차적으로 전류를 공급하기 위한 디멀티플렉서;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 빔컴바이너는, 레이저다이오드 또는 LED를 광원으로 사용하여 각각 690nm, 785nm, 830nm, 850nm, 920nm, 980nm와 같은 근적외선 대역의 다파장을 갖는 다수의 빛을 발생시키도록 구성될 수 있다.
상기 다중거리포토다이오드는, 상기 광원으로부터 방사되어 생체조직을 통해 반사되어 돌아오는 빛을 수광하기 위하여 상호 일정거리 이격되어 구비된 3개 이상의 다수의 포토다이오드를 구비하도록 구성될 수 있다.
상기 증폭기는, 가변 이득 증폭기로 구성하여 포토다이오드로부터 출력되는 전기신호를 상기 A/D변환에 적절한 크기로 증폭하도록 증폭단의 이득을 자동 조절 할 수 있도록하여, 피부톤에 무관하게 상기 전기신호의 진폭을 검출하도록 구성되는 스마트 생리학적 정보 측정 시스템.
따라서 본 발명의 스마트 생리학적 정보 측정 시스템은 근적외선분광법(Near Infrared Ray Spectroscopy, NIRS)을 이용하여 비만, 고지혈증 및 당뇨병과 같은 질병을 관리하고 지방 및 근육도 관리할 수 있는 휴대용 기기와 함께 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 스마트 생리학적 정보 측정 시스템은 측정대상인 사람의 피부톤에 따라 측정단의 이득을 자동 조절 할 수 있는 기능을 구비하도록 하여 다파장 광원이 생체조직에 빛을 방출한 후 흡수와 산란이 피부톤에 따라 발생하는 편차에 상관없이 정확한 측정이 가능하도록하여 생리학적 정보를 검출할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 스마트 생리학적 정보 측정 시스템은 사춘기 이후에 지방 세포 수는 변하지 않으며 지방 세포의 크기만이 변화한다는 점을 이용하여 광산란을 기반으로한 지방 세포 크기의 정량화를 통해 비만을 진단하도록 함으로써 훌륭한 바이오 마커로서의 역할을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 생리학적 정보 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 스마트 생리학적 정보 측정장치의 구성을 나타낸 블록 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원이 생체조직을 통해 반사된 광을 이용하는 것을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원과 광원에서 반사되어 나온 빛을 수광하는 다중거리포토다이오드를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체조직 성분에 따른 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 스마트 생리학적 정보 측정장치를 나타낸 사진.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 생리학적 정보 측정장치에 의해 측정된 2사람의 조직산소 포화도와 총 헤모글로빈 농도와 이에 따라 산출된 지방과 근육량을 비교하여 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지방세포크기를 추정하기 위하여 신진대사량을 나타낸 분포도.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 생리학적 정보 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 시스템은 스마트 생리학적 정보 측정장치(100), 단말기(200) 및 서버(300)를 포함하여 구성된다.
먼저, 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)는 다수 파장의 빛을 갖는 빛을 생체조직으로 방사하고 반사되는 빛을 수광하여 상기 수광된 빛의 진폭정보로 변환한다. 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)는 휴대하고 손에 쥔 상태에서 측정할 수 있도록 하기 위하여 핸드 헬드 수준으로 소형으로 구성될 수 있으며, 측정된 상기 진폭정보를 단말기(200)에 전송한다. 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)에 대한 상세한 설명은 후술하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
단말기(200)는 상기 진폭정보를 전송받고 설치된 어플리케이션을 통해 분석한다. 단말기(200)의 어플리케이션은 상기 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)에 의해 측정된 정보, 즉, 생체조직을 통해 반사되어 수광된 빛의 상기 진폭정보를 사용하여 분석된 정보를 보여준다. 보여주는 정보는 생체조직의 지방층의 신진대사량, 피하지방의 두께, 지방세포의 크기 변화율, 국소지방량(%), 국소 체수분(%), 헤모글로빈 농도, 산소포화도, 근육의 질, 근육의 양 등의 정보를 도출한다.
서버(300)는 단말기(200)로부터 진폭정보 및 단말기(200)를 구분하기 위한 고유정보와, 상기 단말기(200)에서 분석된 지방층의 신진대사량, 피하지방의 두께, 지방세포의 크기 변화율, 국소지방량(%), 국소 체수분(%), 헤모글로빈 농도, 산소포화도, 근육의 질, 근육의 양 등의 정보를 이용하여 고지혈증, 당뇨병 및 유방암 등의 질병의 여부에 대한 분석을 하고, 이에 대한 위험성을 알리는 개인분석 데이터를 단말기(200)로 전송한다.
단말기(200)는 개인분석 데이터를 수신하여 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)에 의해 측정된 결과로서 개인의 비만, 대사성 질환, 고지혈증, 당뇨병, 유방암 및 알츠하이머와 같은 질병의 감염 여부 및 위험성을 인지할 수 있다. 개인분석 데이터는 신진대사량, 피하지방의 두께, 지방세포의 크기 변화율, 국소지방량(%), 국소 체수분(H2O, %), 헤모글로빈 농도, 근육의 질 및 근육량과 관련이 높은 비만, 대사성 질환, 고지혈증, 당뇨병, 유방암 및 알츠하이머와 같은 질병의 감염 여부 및 위험성을 예측한 정보인 개인분석 데이터를 표시한다. 단말기(200)는 유선 또는 무선의 통신 기능을 가지며, 근거리 통신 및 원거리 통신할 수 있다. 단말기(200)는 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)와 유선 또는 근거리 무선 통신으로 연결되어 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)로부터 디지털 진폭정보를 수신할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 단말기(200)와 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)의 통신에 블루투스 통신 방식을 사용하였다.
단말기(200)는 서버(300)와는 원거리 무선 통신으로 연결되어 신진대사량, 피하지방의 두께, 지방세포의 크기 변화율, 국소지방량(%), 국소 체수분(%), 헤모글로빈 농도, 근육의 질 및 근육량 정보를 송신하고 비만, 대사성 질환, 고지혈증, 당뇨병, 유방암 및 알츠하이머와 같은 질병의 감염 여부 및 위험성을 알리는 개인분석 데이터를 수신한다. 단말기(200)와 서버(300)는 맞춤형 클라우드 서비스를 이용하여 데이터를 공유할 수도 있다.
서버(300)는 단말기(200)와 무선로부터 수신한 신진대사량, 피하지방의 두께, 지방세포의 크기 변화율, 국소지방량(%), 국소 체수분(%), 헤모글로빈 농도, 근육의 질 및 근육량 정보를 기반으로 비만, 대사성 질환, 고지혈증, 당뇨병, 유방암, 재활 치료, 및 알츠하이머 치료에 유용하게 적용될 수 있다. 서버(300)는 비만, 대사성 질환, 고지혈증, 당뇨병, 유방암 및 알츠하이머와 같은 질병의 감염 여부 및 위험성에 대한 정보인 개인분석 데이터를 단말기(200)로 전송한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 스마트 생리학적 정보 측정장치(200)의 구성을 나타낸 블록 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원이 생체조직을 통해 반사된 광을 이용하는 것을 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원과 광원에서 반사되어 나온 빛을 수광하는 다중거리포토다이오드를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 따른 생체조직 성분에 따른 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 스마트 생리학적 정보 측정장치를 나타낸 사진이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)는 광원부(110), 다중거리포토다이오드(120), 증폭기(130), 락인증폭기(140), A/D 변환(150), 통신부(160) 및 배터리(170)를 포함하여 구성된다.
광원부(110)는 생체조직에 접촉하여 상기 생체조직을 투과하여 반사되는 다수 파장의 빛을 발생시킨다.
광원부(110)는 가변저항(111), 드라이버(112), 디멀티플렉서(113) 및 빔컴바이너(114)를 포함하여 구성된다.
가변저항(111)은 상기 드라이버(112)에서 상기 레이저다이오드에 공급되는 전류값을 조절하여 상기 광원에서 방출되는 빛의 전력을 제어한다.
상기 드라이버(112)는 온도가 증가하거나 과도 전류 또는 열리 발생하는 경우 가변되는 파장을 안정화된 일정한 출력파워를 갖는 빛을 방출하도록 제어한다.
디멀티플렉서(113)는 상기 드라이버(112)로부터 수신한 전기신호를 스위칭시켜 상기 빔컴바이너(114)에 순차적으로 전달한다. 본 발명의 실시예에 있어서는 1to8 디멀티플렉서를 사용하였다.
빔컴바이너(114)는 상기 디멀티플렉서(113)로부터 수신된 전기신호로 각각의 파장을 갖는 빛으로 생성시킨다. 본 발명의 실시예에서 상기 디멀티플렉서(113)로 부터 수신한 전기신호를 사용하여 각각 690nm, 785nm, 830nm, 850nm, 920nm, 980nm의 파장을 갖는 빛을 발생시킨다. 즉 여러 가지의 파장 빛을 순차적으로 이용하여 지방을 측정할 수 있다. 즉, 도 5를 참조하면 헤모글로빈(Hb), 산소헤모글로핀(HbO2), 지질(Lipid), 체수분(H2O)이 파장에 따라 나타나는 흡수스펙트럼이 도시되어 있으며, 헤모글로빈(Hb)은 650nm의 파장에서 가장 큰 흡수스펙트럼 지수를 나타내고, 산소헤모글로핀(HbO2)은 대략 920nm의 파장에서 가장 큰 흡수스펙트럼 지수를 나타내고 있으며, 지질(Lipid)은 930nm의 파장에서 가장 큰 흡수스펙트럼 지수를 나타내고, 체수분은 980nm의 파장에서 가장 큰 흡수스펙트럼 지수를 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 파장이 다른 빛을 각각 조사하여 각 파장의 흡수스펙트럼에 맞는 헤모글로빈(Hb), 산소헤모글로핀(HbO2), 지질(Lipid), 체수분(H2O)의 구성을 분석할 수 있다. 즉, 생물학적 조직은 투명 매체가 아니지만 탁한 매체이므로 근적외선이 조직을 통과 할 때 흡수 및 산란으로 인해 수광량이 감소한다. 흡수는 생리학적 정보인 발색단(chormophore) 농도로 변환 될 수 있으며 산란은 조직 구조와 관련이 있다. 따라서 흡수를 산란으로부터 분리하면 옥시 헤모글로빈, 산소 결핍 헤모글로빈, 체수분 및 지질과 같은 발색단 농도를 파악할 수 있다.
전술한 바와 같이 지방 세포의 크기는 사춘기 이후에만 변한다. 사춘기 이후에는 동일한 지방 세포 수에서 지방 세포의 크기가 증가하면 비만이 증가하게 되고, 지방 세포의 크기가 작아지면 비만이 감소한다. 지방 세포의 크기에 따라 빛의 산란도가 변하게 되며, 따라서, 지방 세포의 산란이 지방 세포의 크기 변화를 나타내는 체지방 측정을 위한 새로운 바이오 마커로서 중추적인 역할을 할 수 있다.
도 3, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이 다중거리포토다이오드(120)는 2개 이상의 포토다이오드로 구성된다. 즉, 다중거리포토다이오드(120)는 광원부(110)로부터 방사되어 상기 생체조직에 의해 반사되어 수신되는 빛을 각각 소정 거리 이격되어 수신하는 다수의 포토다이오드를 포함하여 구성된다. 도 6의 사진에서와 같이 본 발명의 실시예에서는 3개의 포토다이오드를 이용하여 다중거리포토다이오드(120)를 구현하였다.
다중거리포토다이오드(120)는 광원부(110)로부터 방사되어 상기 신체조직(10)을 통과하여 반사된 빛을 수광하며, 각 포토다이오드의 위치에 따라 측정되는 빛의 경로는 다르게 된다. 우선 지방은 얕은 지방 조직(Shallow adipose tissue, SAT), 깊은 지방 조직(deep adipose tissue, DAT) 및 내장 지방 조직(visceral adipose tissue, VAT)으로 구성된다. 깊은 지방 조직(DAT)은 내장 지방 조직(VAT)에 비례하므로 다중거리포토다이오드(120)를 이용하여 두 번째 계층인 깊은 지방 조직(DAT)에서 국소 지방량(%)을 찾을 수 있으며, 내장 지방 조직도 유사한 방식으로 관리될 수 있다.
예컨대, 다중거리포토다이오드(120)를 구성하는 포토다이오드를 3개로 구성하고 상호 일정거리 이격시켜 구성한 경우에 대하여 설명하기로 한다. 먼저, 광원부(110)과 가장 가까운 포토다이오드는 신체조직(10)중 얕은 지방 조직을 투과하여 반사된 정보를 수신하게 된다. 광원부(110으로부터 상대적으로 멀리 떨어진 포토다이오드는 신체조직(10)중 깊은 지방 조직을 투과하여 반사된 정보를 수신하게 된다. 광원부(110으로부터 제일 멀리 떨어진 포토다이오드는 신체조직(10)중 내장 지방 조직을 투과하여 반사된 정보를 수신하게 된다.
증폭기(130)는 다중거리포토다이오드(120)로부터 수신한 빛의 전기신호를 증폭시킨다. 보다 구체적으로 증폭기(130)는 가변 이득 증폭기로 구성하고 증폭단의 이득을 자동 조절 할 수 있도록 하고 상기 이득을 조절하여 피부톤에 무관하게 상기 전기신호의 진폭이 유지되도록 구성한다. 즉, 증폭기(130)는 생체조직을 통과해 되돌아 나온 빛이 포토다이오드(PD)를 통해 전기신호로 변환된 후의 작은 진폭을 증폭시켜 검출된 전기 신호를 처리할 수 있게 한다. 특히, 다파장 광원이 생체조직에 빛을 방출한 후 흡수와 산란이 발생하게 되는데, 이는 인종에 따라 편차가 클 수 있으며, 본 발명에서는 인종이나 개인적인 차이의 피부톤에 무관하게 이를 검출하고 신호를 처리할 수 있도록 하기 위하여 본 증폭단의 이득을 자동 조절 할 수 있도록 하였다.
락인증폭기(140)는 증폭기(130)로부터 수신된 특정 주파수를 가진 전기신호의 진폭을 검출한다.
제어부(150)는 A/D 변환을 통해 상기 락인증폭기(140)로부터 수신한 상기 전기신호의 진폭을 디지털 진폭정보로 변환시키며, 통신부(160)에 상기 디지털 진폭정보를 전달한다.
통신부(160)는 A/D 변환된 디지털 진폭정보를 수신하여 이를 단말기(200)로 전송한다.
배터리(170)는 전술한 스마트 생리학적 정보 측정장치(100) 전체에 전력을 공급한다. 한편 도 2에서 광원부(110)는 다중거리포토다이오드(120)에 빛을 전송하는 것으로 표시되어 있지만, 실제 회로 연결에 있어서는 락인증폭기(140) 및 제어부(150)에 연결되어 기준클럭신호 및 통신정보들을 교환하기 위하여 연결되어 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 생리학적 정보 측정장치에 의해 측정된 두 사람의 조직산소 포화도와 총 헤모글로빈 농도와 이에 따라 산출된 지방과 근육량을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, person A는 근육이 많은 사람이고, person B는 근육이 적은 사람이다. 먼저, person B를 보면 휴식(rest) 상태에서 총메모글로빈 농도가 높았으며, 이는 근육이 발달하면 모세혈관이 많아지는 현상에 의해 총헤모글로빈의 농도가 높아진 것으로 추측할 수 있다.
팔 근육 수축시 총헤로글로빈 농도의 변화량도 큰 것을 알 수 있다. 이는 근육 사용이 혈류량 증가를 유도한다는 현상에 의해 총헤로글로빈 농도의 변화량도 증가한 것으로 추측할 수 있다.
팔 근육 수축시 조직 산소포화도의 변화량이 근육의 질과 연관성이 있는 것임을 알 수 있다. 즉, person B와 같이 근육이 질이 좋은 경우 조직 산소포화도의 변화량도 크게 나타났다.
또한, 근육량은 측정 부위의 체수분값에 비례하는 것으로 나타났다. 즉, 체수분값이 높으면 근육량이 많은 것이다. 반대로 근육이 적은 경우에는 지방%가 높게 나타났다. 피하지방이 얇은 부위를 선택하여 근육을 측정하는 경우 근육 사이에 끼인 지방 밀도를 측정함으로써 근육의 질에 대에 접근할 수도 있다. 이와 같은 근육의 질에 대한 접근은 재활이나, 근감소증과 같은 질병에 대처할 수 있다. 즉, 단말기(200)는 스마트 생리학적 정보 측정장치(100)에서 측정한 디지털 진폭정보를 이용하여 의료수준의 체성분 정보 및 이를 기반으로 한 체질량지수(BMI) 지표를 사용자에게 제공한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 지방세포크기를 추정하기 위하여 신진대사량을 나타낸 분포도이다.
도 8을 참조하면, 측정된 생체 부분에 대하여 각각 산소 헤모글로빈, 디옥시 헤모글로빈, 체수분, 지질의 분포를 확인할 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 스마트 생리학적 정보 측정장치 110 : 광원부
111 : 가변저항 112 : 드라이버
113 : 제어부 114 : 디멀티플렉서
115 : 빔컴바이너 120 : 다중거리포토다이오드
130 : 증폭기 140 : 락인증폭기
150 : 제어부 160 : 통신부
170 : 배터리

Claims (11)

  1. 생체조직에 접촉하여 상기 생체조직을 투과하여 반사되는 빛을 발생시키는 광원;
    상기 광원으로부터 방사되어 상기 생체조직에 의해 산란된 빛을 수광하는 복수의 포토다이오드를 구비하는 다중거리포토다이오드;
    상기 다중거리포토다이오드에 의해 수광된 빛의 전기신호를 증폭시키는 증폭기;
    상기 증폭기로부터 수신된 전기신호중에서 특정 주파수를 가진 전기신호의 진폭을 검출하는 락인증폭기; 및
    상기 락인증폭기에 의해 검출된 진폭을 디지털 신호로 변환하여 디지털 진폭정보를 읽어내는 A/D 변환기;
    를 포함하되,
    상기 증폭기는 상기 다중거리포토다이오드에 의해 수광된 빛의 전기신호를 증폭시킨 결과값이 생체조직의 피부톤에 무관한 결과값이 얻어지도록 생체조직의 피부톤에 따라 증폭단의 이득을 조절하는 가변 이득 증폭기로 구성되고,
    상기 복수의 포토다이오드 각각은 얕은 지방조직(shallow adipose tissue, SAT), 깊은 지방조직(deep adipose tissue, DAT) 및 내장 지방조직(visceral adipose tissue, VAT)을 투과하여 반사된 빛을 수광하도록 이격 배치되어 광산란에 의해 상기 복수의 포토다이오드 각각에 수광되는 빛을 기반으로 얕은 지방조직(shallow adipose tissue, SAT), 깊은 지방조직(deep adipose tissue, DAT) 및 내장 지방조직(visceral adipose tissue, VAT) 각각의 지방 세포 크기를 정량화하여 비만을 진단하는 것을 특징으로 하는 스마트 생리학적 정보 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 스마트 생리학적 정보 측정장치는,
    얕은 지방조직(shallow adipose tissue, SAT), 깊은 지방조직(deep adipose tissue, DAT) 및 내장 지방조직(visceral adipose tissue, VAT) 각각의 지방세포 크기 정보를 표시하는 단말기로 전송하는 통신부; 및
    상기 스마트 생리학적 정보 측정장치에 전력을 공급하는 배터리;를 더 포함하는, 스마트 생리학적 정보 측정 시스템.
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