KR102348195B1 - 광학적 피분석물 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광학적 피분석물 모니터링 시스템은 광원과 광센서를 포함하는 모니터링 기기와; 피부 아래 이식되어 상기 광원에서 조사된 빛을 반사할 수 있는 광 반사체로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

광학적 피분석물 모니터링 시스템 및 방법{Optical Analyte Monitering System and Method}

본 발명은 광학적 피분석물 모니터링 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 빛과 물질 간의 상호작용에 기초한 광학적 원리에 따라 피분석물을 모니터링하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

최근 인구의 노령화 및 생활 습관의 서구화로 인해 당뇨병이 증가하고 있다.

당뇨병은 췌장이 인슐린을 충분히 만들어 내지 못하거나 인체가 인슐린에 적절하게 반응하지 못하는 것이 원인으로 알려져 있고, 인슐린의 부족 등에 의한 만성 고혈당증은 여러 특징적인 대사 이상을 수반한다. 인슐린은 주로 탄수화물 대사에 관여하므로, 당뇨병은 탄수화물 대사의 이상이 기본적인 문제이나, 이로 인해 체내의 모든 영양소 대사가 영향을 받게 되므로, 또한 총체적인 대사상의 질병이라고 할 수 있다.

당뇨병은 혈당을 일정하게 관리하여야 하는 질병으로, 환자들은 혈당을 측정하기 위해 매 식전, 식후로 손가락 등에 바늘을 찔러 소량의 혈액을 채취하여야 하는 고통을 겪고 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 매번 바늘로 찔러 혈당을 측정하지 않더라도 일정기간 동안 혈당을 측정할 수 있는 방법이 개발되고 있으며 이와 관련된 장치들이 시판되고 있다.

연속혈당측정장치(Continuous Glucose Monitering System, 이하 'CGMS'라 함)라 불리는 시판 장비들은 다음과 같다.

마이크로 니들을 피부에 침습시킨 후 패치에 의해 측정하는 미국 Dexcom. Inc.의 CGMS(대한민국 공개특허 10-2020-0067124호 참고)는 마이크로 니들의 교체주기가 7일 정도이며, 미국 등록특허 7,951,080호에 개시된 것과 같은 미국 ABBOTT DIABETES CARE Inc.의 CGMS의 경우는 14일마다 패치를 교체하여야 한다.

미국등록특허 9,814,389호에 개시된 Senseonic Inc.의 CGMS는 글루코스와 반응하여 형광특성을 나타내는 물질을 코팅한 캡슐을 인체 내에 삽입하여 외부의 트랜스미터에 의해 측정값을 전송받는 것이다. Senseonic Inc.의 이 제품은 약 90일 마다 캡슐을 교체하여야 한다.

상기와 같은 CGMS들은 착용의 불편함 뿐만 아니라 주기적으로 교체가 필요한 문제점으로 인해 반영구적으로 사용가능한 CGMS의 개발이 요청되고 있다.

현재 반영구적인 CGMS는 광학적인 방법, 전기적인 방법, 호흡기체에서 물질을 측정하는 방법, 조직에 센서를 삽입하여 조직액에서 혈당을 측정하는 방법 등을 적용하고 있다. (Wonsil Ahn and Jin-Tae Kim, "Blood Glucose Measurement Principle of Non-invasive Blood Glucose Meter:Focused on the Detection Method of Blood Glucose", Journal of Biomedical Research 33 : 114-127, 2012)

이 중 광학적인 방법은 적외선 분광법 (Infrared spectroscopy), 라만 분광법 (Raman spectroscopy), 빛 간섭 촬영법 (Optical coherence tomo- graphy, OCT), 편광법 (Polarization), 형광법 (Fluorescence), 폐쇄 분광법 (Occlusion spectroscopy), 광음향 분광법 (Photo- acoustic spectroscopy) 등을 적용한다.

빛을 이용하여 혈당 농도를 측정하는 광학적 측정방법은 완전히 비침습적이고 자극이 없으므로 진정한 의미의 무채혈 혈당 측정기라고 할 수 있겠지만 광학적인 방법으로 정확성을 높이는데 여러 가지 한계가 있을 수 있고 이것을 극복하기 위해 다양한 연구개발이 이루어지고 있다.

상기 광학적인 방법 중 분광학적인 방법은 특정 물질이 빛과 어떻게 반응하는지를 측정하여 그 물질의 존재 또는 농도를 측정하는 방법이다.

빛은 물질을 통과할 때 반사, 산란, 굴절 , 흡수되고 일부는 투과한다. 또 어떤 경우는 빛이 물질과 부딪치면 그 물질은 특정 에너지를 발산하기도 한다. 빛의 파장에 따라 흡수, 투과, 발산의 정도를 그려 볼 수 있는데 이것을 스펙트럼(Spectrun)이라 한다.

물질에 의한 빛의 흡수나 복사를 분광계 또는 분광광도계 등을 사용하여 스펙트럼으로 나누어 측정 해석하는 분광학적 기법은 혈중 산소포화도의 측정 등 다양한 의료분야에 사용되고 있다.

빛을 이용해 혈당을 측정하기 위해서는, 먼저 빛을 발광시켜 측정하고자 하는 당이 있는 혈액 혹은 조직에 빛을 보내고, 조직을 통과하면서 빛이 반사/산란/흡수/투과되는 양 등을 측정하게 된다. (Jyoti Yadav, Asha Rani, Vijander Singh and Bhaskar Mohan Murari, "Near-infrared LED based Non-invasive Blood Glucose Sensor", 2014 International Conference on Signal Processing and Integrated Networks, 591-594, 2014)

이와 같은 분광학적 측정방법을 적용하려면 임의 파장의 빛을 발광시킬 수 있는 광원을 구비하며, 혈액 혹은 조직을 통과하며 반사/산란/흡수/투과되는 빛의 양이나 방출되는 특정 에너지를 감지하는 광센서를 구비하여야 한다.

통상 분광학적 측정방법은 광원과 광센서를 피부에 접촉시켜, 피부 내를 통과한 빛의 반사/산란/흡수/투과되는 양이 인체를 구성하는 각 물질의 광학적 특성에 따라 달라지는 것을 이용하여 이루어진다.

그러나, 빛을 이용해 생체 내의 피분석물의 양을 측정하는데는 여러가지 어려움이 따른다. 왜냐하면 피부를 구성하는 층 자체가 빛의 반사와 굴절을 유발하게 되고 피부의 거침 정도도 빛의 경로에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 예를 들어 각질층(stratum corneum)과 외피는 빛의 상당량을 흡수하며 빛의 투과를 방해한다. 또한 인체 내부에는 여러가지 다양한 피분석물이 존재하는 것도 측정을 곤란하게 한다.

빛의 흡수 스펙트럼은 흡수되지 않은 빛의 투과 스펙트럼을 측정하는 것과 같은 분석이 되며, 물질들은 고유의 빛의 흡수 투과 스펙트럼 (Light Absorption Transmission Spectrum)을 가지고 있어서, 이를 이용하면 각 물질에 대해서 정보를 알 수 있다.

인체에 일정량이 유지되어야 하고 결핍되거나 적정수치 이상이 있으면 장애를 일으키는 인체 내의 구성성분 또는 물질로는, 당뇨와 관계있는 글루코스(Glucose, 포도당), 장기적인 당뇨 추이를 나타내는 당화혈색소(Glycated Hemoglobin), 글루코스와 결합된 물질인 최종당화산물, 산소를 공급하는 적혈구 또는 헤모글로빈, 적혈구 또는 헤모글로빈의 산소 포화 농도, 혈중 콜레스테롤 수치, 황달 등을 일으키는 대사물질인 빌리루빈, 젖산(Lactic Acid)등이 있다. 이러한 구성성분 또는 물질들은 광학적으로 그 특성을 측정할 수 있다.

또한 인체를 구성하는 기본 물질인 지방 및 단백질 등도 특정 파장에서 빛의 흡수를 나타낸다.

각 물질들은 빛의 파장에 따란 고유의 광흡수 스펙트럼을 가지고 있으며, 이를 이용해서 각 물질의 양을 계산할 수 있다.

예를 들어, 글루코스(Glucose, 포도당)는 인체의 에너지원으로 사용되면서도 혈중 농도가 증가하면 당뇨병을 유발하며, 당뇨병 환자는 글루코스 농도를 지속적으로 모니터링하면서 관리하는 것이 중요하다.

당뇨병을 규정짓는 기준은 혈중 글루코스 농도('혈당' 이라고도 함.)으로, 8시간 이상 금식 후 채혈한 공복 혈장 혈당이 126mg/dL(7.0 mmol/liter) 이상이거나, 75g 경구 당부하 검사에서 2시간 혈장 혈당이 200mg/dL(11.1 mmol/liter) 이상이거나, 고혈당 증상과 함께 식사와 관계없이 하루 중 어느 때에 채혈한 혈장 혈당이라도 200 mg/dL 이상이면 당뇨병으로 규정하고 있다.

따라서 혈중 글루코스 농도가 이 기준치의 이하가 될 수 있도록 측정하고 관리하는 것이 중요하다.

글루코스는 빛을 조사하면, 623nm, 646nm, 722nm, 728nm, 733nm, 777nm, 839nm, 996nm, 1015nm, 1024nm 등의 빛의 파장에서 흡수 피크(light absorption peak) 를 나타내며, 파장이 1024nm 보다 긴 영역에서도 흡수 파장이 존재하며, 특히 2100nm~2200nm 사이에서도 흡수 파장이 존재하는 것으로 알려져 있으며, 1688nm, 2261nm, 2326nm의 근적외선 대역의 흡수 파장이 존재하는 것으로 알려져 있다.

글루코스에 흡수될 수 있는 특정 파장의 빛을 광원에서 조사하고 광센서에서 체내 조직 등을 통과해 온 빛을 측정하였을 때, 글루코스 농도가 증가하면 광센서로 입력되는 특정 파장의 빛의 세기가 감소하게 된다.

또한 글루코스와 같은 피분석물의 흡수 파장이 여러 개 있는 경우 이를 조합해서 농도를 보다 정밀하게 측정할 수 있다.

당뇨병의 기준으로 측정되는 글루코스의 혈중 농도와 함께, 당화혈색소 (Glycated Hemoglobin, HbA1c)를 측정하는 것에 의해 당뇨병을 진단하기도 한다.

당화혈색소란 산소를 운반하는 적혈구의 혈색소(헤모글로빈) 분자가 혈액 속의 글루코스와 결합한 것이다. 적혈구는 약 120일이 지나면 새로운 적혈구로 대체되기 때문에 당화혈색소는 대체로 2-3개월 동안의 장기적인 혈당치를 나타낸다.

당화혈색소가 6.5%를 넘으면 당뇨병이 의심되는 것으로 진단되며, 당화혈색소 수치는 당뇨 환자에서 신장병증, 망막병증, 등 당뇨 합병증과 관련이 있다.

당화혈색소는 파장 412nm 와 541nm 와 577nm 의 빛을 강하게 흡수하는 것으로 알려져 있다.

한편, 혈액속의 적정한 적혈구의 양도 건강에 영향을 미친다.

적혈구를 구성하는 혈색소(Hemoglobin)의 수치의 정상치는 성인 남자의 경우 14-17.5 g/dL 성인 여자의 경우 12.3-15.3 g/dL 정도이며, 7-8g/dL 이하로 떨어지면 심장에 부담을 주거나 심부전까지 발생하는 것으로 알려져 있다.

1 ㎕ 혈액에는 4-500 만개의 적혈구가 있으며, 한 개의 적혈구 안에 2억 8천만개 정도의 혈색소가 포함된 것으로 알려져 있으며, 혈색소의 양을 기준으로 빈혈에 대한 진단이 이루어진다.

혈색소(Hemoglobin)의 흡수피크(absorption peaks)는 산소포화농도가 100mg Hg 이상일 때 540nm 와 576nm 의 파장에서 나타나며, 760nm, 805nm, 820nm, 910nm, 1020nm 등의 흡수 파장이 존재하는 것으로 알려져 있다. 따라서 혈색소(Hemoglobin)의 흡수파장을 이용해서 혈중 산소 농도의 측정도 가능하다.

혈중 콜레스테롤의 흡수피크는 460nm 정도와 578nm 인 것으로 알려져 있으며, 혈액을 구성하는 물질로서의 물은 흡수파장이 749nm, 880nm, 980nm, 1211nm, 1450nm, 1787nm, 1934nm 인 것으로 알려져 있다.

또한 지방은 770nm, 920nm, 1040nm의 흡수파장을 가지며, 단백질은 910nm, 1020nm 정도의 흡수파장을 가진다.

근육에 형성되는 젖산은 747nm, 823nm, 923nm, 1047nm 정도에서 흡수파장을 가지며, 음주등을 통해서 흡수되는 알코올인 에탄올(Ethanol)은 669nm, 881nm, 1050nm, 1090nm, 1274nm 정도에서 흡수파장이 형성된다.

상기와 같이 빛의 흡수파장을 응용한 스펙트럼을 측정하는 분광학적 방법 이외에, 굴절률 차이에 의한 스캐터링(Scattering)의 변화를 측정해서 빛의 투과도를 측정하는 방법도 있다.

예를 들어 글루코스의 농도가 높아지면 굴절률이 낮아지며, 이에 따라 빛의 투과도가 높아지며, 높아진 투과도에 따라 투과되는 빛이거나 확산 또는 반사되는 빛의 세기의 변화를 측정하면 글루코스 농도를 측정할 수 있게 된다.

대한민국 등록특허 10-2191057호에는 적색과 근적외선 LED를 사용하여 광원를 구성하고, 포토 어레이 센서(Photo array sensor)를 사용하여 투과되거나 반사된 빛을 측정하는 것이 개시되어 있는데, 이와 같은 경우 포토 어레이 센서에서 의미있는 결과를 얻기 위해서는 광원의 출력을 조절하거나 센서의 출력을 조절하는 것이 필요하다. 즉, 강한 빛을 투입하고 민감도가 뛰어난 센서가 필요한 문제점이 있다.

KR 10-2020-0067124 A1, 2020.06.11, 도 2a US 7,951,080 B1, 2011.05.31, 도 2 US 9,814,389 B1, 2017.11.14, 도 1B KR 10-2191057 B1, 2020.12.15, 도2

Wonsil Ahn and Jin-Tae Kim, "Blood Glucose Measurement Principle of Non-invasive Blood Glucose Meter:Focused on the Detection Method of Blood Glucose", Journal of Biomedical Research 33 : 114-127, 2012 Jyoti Yadav, Asha Rani, Vijander Singh and Bhaskar Mohan Murari, "Near-infrared LED based Non-invasive Blood Glucose Sensor", 2014 International Conference on Signal Processing and Integrated Networks, 591-594, 2014

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 광학적 측정방법에 있어서 피분석물을 통과하며 반사/산란/흡수/투과되는 빛의 양을 보다 많이 수집할 수 있도록 하여 그 측정 정밀도를 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 비침습적이고도 반영구적인 CGMS를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 광학적 피분석물 모니터링 시스템은
광원과 광센서를 포함하는 모니터링 기기와;
피부 아래 이식되어 상기 광원에서 조사된 빛을 반사하는 광 반사체로 이루어진 광학적 피분석물 모니터링 시스템에 있어서,
광반사체가 표피층에 대해 경사진 평면을 구비하고,
광반사체로 조사된 빛은 경사진 평면에서 반사되어 진행되고,

이미지 센서와 렌즈계가 있는 카메라로 이루어진 상기 광센서는 빛이 진행하는 형상 및 표피층에 도달한 형상을 측정하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 모니터링 기기는 상기 광원에서 발광되는 빛의 파장을 조절할 수 있는 것이 바람직하다.

상기 모니터링 기기는 상기 광센서에서 수광되는 빛의 특성을 분석할 수 있는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 모니터링 기기는 광센서에서 수광되는 빛의 특성을 디스플레이할 수 있는 디스플레이부를 더 구비하는 것도 바람직하다.

상기 모니터링 기기는 광센서에서 수광되는 신호 또는 제어부에서 분석된 빛의 특성을 외부 기기로 전송하는 통신부를 더 구비하는 것도 바람직하다.

상기 모니터링 기기의 광원과 광센서는 서로 분리된 기기로 구성되는 것도 바람직하다.

상기 모니터링 기기는 신체에 착용할 수 있는 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 광 반사체는 생체친화적 금속으로 이루어지거나, 투명한 합성수지제, 실리콘 고무, 세라믹 또는 유리 중 하나에 의해 형성되는 피복층으로 반사체 표면 전체가 피복되어 있는 것이 바람직하다.

상기 광반사체의 경사진 평면은 반사영역과 비반사영역으로 구분되는 것이 바람직하다.

광반사체의 일부 영역에는 형광물질이 도포되어 있는 것이 바람직하다.

상기 광반사체에 의해 반사된 빛의 방향은 표피층과 나란하게 또는 표피층과 일정 각도를 이루는 것이 바람직하다.

본 발명의 광학적 피분석물 모니터링 방법은,
광원과, 이미지 센서와 렌즈계가 있는 카메라로 이루어진 광센서를 포함하는 모니터링 기기를 구비하는 단계와;
표피층에 대해 경사진 평면을 갖는 광 반사체가 피부 아래 이식하는 단계와;
상기 광반사체가 이식된 위치의 피부면에 상기 광원을 근접시키거나 접촉시키는 단계와;
상기 광원이 발광하는 단계와;
상기 광 센서에 의해 광 반사체에 의해 반사된 빛이 진행하는 형상 및 표피층에 도달한 형상을 측정하는 단계와;

관찰된 빛의 특성을 분석하여 디스플레이부에 표시하거나, 광센서에서 측정된 빛의 특성을 분석하여 외부 기기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

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삭제

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본 발명에 의하면 광학적 측정방법에 있어서 피분석물을 통과하며 반사/산란/흡수/투과되는 빛의 양을 보다 많이 수집할 수 있어 그 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 비침습적이고도 반영구적인 CGMS을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명 제 1 실시예의 배치 형태를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명 제 1 실시예의 작동관계를 나타낸 도.
도 3은 본 발명 제 1 실시예 인쇄회로기판의 하부면을 나타낸 도.
도 4는 본 발명 제 2 실시예 인쇄회로기판의 하부면을 나타낸 도.
도 5는 본 발명 제 2 실시예의 작동관계를 나타낸 도.
도 6은 본 발명 제 3 실시예의 인쇄회로기판의 하부면을 나타낸 도.
도 7은 본 발명 제 4 실시예의 인쇄회로기판의 하부면을 나타낸 도.
도 8은 본 발명 제 5 실시예의 인쇄회로기판의 하부면을 나타낸 도.
도 9는 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 여러 실시형태를 나타낸 도.
도 10은 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 제 2 실시형태를 나타낸 도.
도 11은 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 제 3 실시형태를 나타낸 도.
도 12는 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 제 4 실시형태를 나타낸 도.
도 13은 광 반사체 제 4 실시형태에 따라 피부에 형성되는 무늬를 나타낸 도.
도 14는 광 반사체 제 4 실시형태에 따른 모니터링 기기의 형태를 나타낸 도.
도 15는 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 제 5 실시형태를 나타낸 도.
도 16은 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 제 6 실시형태를 나타낸 도.
도 17은 광 반사체 제 6 실시형태에 따른 모니터링 기기의 형태를 나타낸 도.

이하, 본 발명을 그 실시예에 따라 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1는 본 발명 제 1 실시예의 배치 형태를 나타낸 개략도이다. 본 발명은 광원(110)과 광센서(120)를 구비한 모니터링 기기(100)와, 상기 모니터링 기기의 광원(110)에서 발광되어 피부 내로 침투된 빛을 반사하며 피부 아래 이식된 광 반사체(200)로 이루어져 있다.

본 실시예 모니터링 기기(100)는 광원(110)과 광센서(120)를 피부에 맞닿게 하여 사용하게 되며, 이를 위해 모니터링 기기(100)는 피부를 향하는 인쇄회로기판(130) 하면에 광원(110)과 광센서(120)를 구비하고 있다.

본 발명에서 광원(Light Source)은 전기에 의해 빛을 내는 것을 의미하며, 그 예로 엘이디(LED), 레이저 다이오드(Laser Diode), 형광 램프 등 본 발명의 목적을 달성하기 위해 사용 가능한 빛을 내는 소스를 의미한다.

본 발명에서 광센서(Photo Sensor)는 Ge 기판, 실리콘(Silicon)기판에 형성된 반도체, InGaP를 포함하는 3-5족 반도체를 기판으로 전자층과 정공층의 조합으로 제작되는 광센서로서, 포토다이오드(Photo Diode), PIN 광센서, 포토트랜지스터(Photo Transistor), 포토 IC(Photo IC), Avlanche Photodiode, , 이미지 센서와 같이 빛이 입사되면 전기 신호로 변환할 수 있는 센서를 의미한다.

본 발명에서의 광센서는 이미지센서와 렌즈계가 있는 카메라를 포함하며, 분광기(Spectroscopy), 라만 스펙트로스코피, 광음향측정장치와 같이 빛을 측정하는 장치도 광센서에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

모니터링 기기(100)의 인쇄회로기판(130)에는 제어부(140)와 통신부(150)가 구비된다.

모니터링 기기(100)는 제어부(140)를 통하여 상기 광원(110)에서 발광되는 빛의 세기 및/또는 파장을 조절할 수 있으며, 또한 광센서(120)로 받아들인 빛의 특성을 분석할 수 있다. 그리고, 제어부(140)는 통신부(150)를 통하여 외부 기기로부터의 광원을 제어하는 명령을 받아 제어하고 수광된 빛의 특성을 외부기기로 송신하게 된다.

광원(110)은 가변저항 등에 의해 빛의 세기 및/또는 파장을 조절될 수도 있다.

통신부(150)는 블루투스, 와이파이 등 공지의 무선통신으로, 또는 USB커넥터 등 공지의 유선 통신 수단으로 이루어져, 외부 기기와의 통신을 가능하게 한다.

또한, 모니터링 기기(100)는 배터리를 구비하여 전원을 공급받을 수 있고, 커넥터 등을 통하여 외부의 전원공급수단에 의해 전원을 공급받아 작동할 수 있다.

모니터링 기기(100)는 웨어러블 기기의 형태로 이루어지거나, 또는 스마트 워치 등 다른 목적의 기기에 부가적 기능을 구현하는 부품 형태로 탑재될 수도 있다.

모니터링 기기를 착용하거나 피부에 부착시켰을 때, 광원과 광센서는 피부에 접촉되거나 또는 피부와 일정거리 이격되도록 모니터링 기기에 설치된다.

광원은 각각 서로 다른 파장의 빛을 발광할 수 있는 복수 개로 이루어질 수 있다. 예를 들어 450nm, 550nm, 650nm, 940nm 등으로 파랑, 녹색, 적색의 엘이디 및 적외선 엘이디를 동시에 배치하는 형태로, 파장이 다른 여러 개의 엘이디를 사용할 수 있다.

이에 따라 제어부는 피분석물의 종류에 따라 서로 다른 파장의 빛을 각각의 광원에서 발광하게 할 수 있다.

광센서 역시 가시광선에 민감한 광센서, 적외선에 민감한 광센서, 자외선에 민감한 광센서 등 파장에 따라 광민감도(Photo Sensitivity)가 다른 센서를 복수개 배치할 수 있다.

또한 광센서를 여러 개 장착함으로서 광원과의 거리에 따른 광 신호의 세기를 측정해서 분석데이터로 사용할 수 있다.

모니터링 기기의 광원과 광센서는 별도의 기기로 구성될 수도 있다.

본 발명의 기술적 구성 및 작동관계에 따라 다양한 실시예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명 제 1 실시예의 작동관계를 나타낸 도로서 광원(110)에서 발광된 빛이 인체 내부를 통과하며 반사/산란/흡수/투과되며 광 반사체(200)에서 반사되어 광센서(120)로 향하는 경로 중 하나를 나타낸 것이다.

빛은 상기 도 2에 도시된 경로로만 진행하는 것이 아니며 다양한 경로를 통하여 광센서로 전달되는 것이며, 광센서로 도달되는 빛은 광원(110)에서 발광된 빛의 일부에 불과하다.

광 반사체(200)는 피부아래 이식(Implanted)되어 있으며, 그 의미는 피부(Skin)의 표피층(epidermis) 아래의 진피(Dermis), 피하지방(Subcutis, Subcutaneous Layer), 또는 피부 아래의 근육(Muscle)에 광반사체(200)가 삽입되는 것을 의미한다.

이와 같은 삽입은 외과적 시술에 의해 이루어져야 함은 당연하다.

일반적으로 피부는 표피와 진피와 피하지방층으로 구성되며 그 평균적인 두께는 2 mm ~ 2.2 mm 정도로 알려져 있다.

표피층은 각질등으로 구성되며 얇은 부분은 0.04mm 정도이며, 평균적으로는 0.1~0.3mm 정도로 알려져 있으며, 손바닥 같이 두꺼운 부분에는 1.6mm 정도까지의 두께로 알려져 있다.

진피층은 표피 밑의 두꺼운 층으로 피부의 90% 이상을 차지하며, 많은 혈관이 있으며, 신경과 림프순환계도 형성되어 있으며, 두꺼운 부분은 5mm 정도까지의 두께이다. 도 2에서 광 반사체(200)는 진피층에 위치하고 있는 것이다

피하지방층은 가장 아래층에 위치하며, 근육과 연결되는 층으로서, 혈관 등이 형성되어 있으며, 신체 내부를 보호하는 기능을 가지고 있다.

본 발명에서와 같이 광반사체(200)을 구비하게 되면, 광반사체(200)가 없는 경우에 비하여 광센서(120)로 유입되는 광량이 훨씬 증가하게 되며, 이에 따라 측정정밀도가 높아지게 되는 것이다. 도 1과 같이 손목 부위와 같이 얇은 피부 아래 뼈가 존재하여 빛의 투과를 차단하여 빛의 경로를 확보하기 힘든 경우에 보다 유용하게 적용될 수 있다.

도 3은 제 1 실시예 인쇄회로기판(130)의 하면에 배치된 광원(110)과 광센서(120)를 나타낸 것이다.

광원(110)과 광센서(120)는 다양한 형태로 배치될 수 있으며, 도 4에 도시한 제 2 실시예는 복수 개의 광센서(120)를 광원(110)으로부터 거리를 다르게 배치한 것으로, 도 5에 도시한 바와 같이 광원(110)으로부터 발광된 빛은 다양한 경로를 통해 각 광센서(120)로 도달하게 된다.

광원(110)과 광센서(120)간의 간격은 수 mm에서 수십 mm 정도가 적당하며, 도 4와 같이 3개의 광센서를 사용하면, 광원과의 간격을 3mm, 4mm, 5mm 등으로 간격을 정해서 각각의 광센서(120)에 광 반사체(200)를 통해서 반사되어 입광되는 빛을 측정할 수 있다.

이와 같은 경우에도 광원(110)으로부터 가장 멀리 있는 광센서(120)에 도달하는 광량이 가장 작을 것이고, 각 광센서(120)에 달하는 광량은 광원(110)과의 거리에 따른 상관관계를 갖게 된다. 이에 따라 각 광센서(120)에 달하는 경로 길이에 따른 광량의 차이와 흡광정도를 파악하면 보다 정밀한 측정치를 구할 수 있게 된다.

도 6은 제 3 실시예를 나타낸 것으로 복수 개의 광원(110)과 복수 개의 광센서(120)을 배치한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이 광원은 각각 서로 다른 파장의 빛을 발광할 수 있는 복수 개로 이루어져 있다. 이에 따라 제어부는 피분석물의 종류에 따라 서로 다른 파장의 빛을 각각의 광원에서 발광하게 할 수 있다.

또한 도 6에서의 복수 개의 광센서(120)는 가시광선에 민감한 광센서, 적외선에 민감한 광센서, 자외선에 민감한 광센서 등 파장에 따라 광민감도(Photo Sensitivity)가 다른 센서를 복수 개로 배치하는 것으로, 빛의 특성에 맞춰 민감도가 높은 광센서를 적용하여 보다 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 7은 본 발명 제 4 실시예를 나타낸 것으로, 3 X 5 배열의 15 개의 광센서를 사용하였지만, 다양한 2 차원 배열의 다수 개의 광센서의 장착이 가능하다. 일부 광센서(120)에는 특정 파장을 잘 통과시키는 필터를 코팅할 수도 있다.

도 8은 광센서(120)로서 이미지 센서를 채택한 것을 나타낸 것으로, 스펙트럼 분석을 위해 채택될 수 있는 것이다.

도 9는 본 발명에 적용될 수 있는 광 반사체의 다양한 형태를 나타낸 것이다.

도 9(a)는 광 반사체의 제 1 실시형태인 평판 형상이며, 도 9(b)는 오목한 형상의 반사면을 가진 것이며, 도 9(c)는 표면에 일정 각을 가지는 면을 형성하여 빛의 반사 방향을 변경시킬 수 있는 것이며, 도 9(d)는 경사면을 가진 구조체의 경사면을 반사면으로 금속코팅한 것이며, 이외에도 목적에 따라 구와 같은 형상 등 다양한 형상의 반사체를 사용할 수 있을 것이다.

도 10은 본 발명 광 반사체(200)의 제 2 실시형태를 나타낸 것으로, 광 반사체(200)는 광 반사체는 생체친화적 금속으로 이루어지거나, 투명한 합성수지제, 실리콘 고무, 세라믹 또는 유리 중 하나에 의해 형성되는 피복층으로 반사체 표면 전체가 피복되어 있다. 광 반사체(200)는 금과 같은 생체친화적 금속으로 제작될 수 있으며, 이와 같은 금속이 아니더라도 반사성질이 우수한 재질은 어느 것이나 그 외부를 투명 피복층으로 둘러싸서 인체 내에 이식하는 것이 가능할 것이다.

도 11은 본 발명 광 반사체의 제 3 실시형태를 나타낸 것으로 광 반사체(200)의 일부 영역에 형광물질(220)을 도포한 것이다.

형광 물질(220)은 전자기파를 흡수해서 빛을 방출하는 물질이며, 물론 빛도 전자기파의 일종이므로 빛을 흡수해서 다른 파장의 빛을 내는 물질이다.

형광물질(220)의 파장을 피분석물의 광특성이 발현될 수 있는 파장으로 설정하면, 형광물질(220)이 발광하는 빛을 관찰하여 피분석물을 분석할 수 있게 되는 것이다.

또한, 서로 다른 형광물질을 도포함에 따라 다양한 피분석물을 파악할 수 있게 된다.

도 12는 본 발명 광 반사체(200)의 제 4 실시형태를 나타낸 것으로 광 반사체(200)의 표피층 쪽 면이 반사영역(230)과 비반사영역(240)을 구분되어 있는 것이다.

이에 따라 반사영역(230)에서만 빛이 반사되게 되는데, 이러한 반사영역(230)의 크기 및 형상과 관련되어 반사된 빛은 측정하고자하는 피분석물의 광특성에 따라 도 12와 같이 크기가 다르거나 빛의 강도분포가 다른 무늬를 표피층에 형성하게 된다.

도 13 (a)와 도 13 (b)는 피분석물에 따라 표피층에 나타난 무늬를 도시한 것이며, 도 13 (c)와 도 13 (d)는 도 13 (a)와 도 13 (b)의 무늬의 중심선을 따라 측정된 빛의 강도를 나타낸 것이다. 이에 따라 피분석물의 농도 등에 의해 굴절률 차이가 발생하여 생기는 스캐터링(Scattering)의 변화로부터 피분석물의 특성을 파악할 수 있게 된다.

이와 같은 경우는 광원(110)과 광센서(120)가 도 1의 제 1 실시예와 같이 피부에 직접 접촉될 필요가 없으며, 도 14와 같이 광원(110)과 광센서(120)가 피부와 이격되어 있더라도, 카메라로 이루어진 광센서(120)에 의해 반사영역의 크기 및 빛 분포 등을 파악할 수 있게 된다. 또한 광원(100)과 광센서(120)은 서로 분리된 기기로 구성되는 것이 가능하다.

광 반사체는 도 15와 같이 여러가지 실시형태로 다양하게 구성될 수 있다.

도 15(a) (b)는 앞선 광반사체의 제 3 실시형태 및 제 4 실시형태를 조합한 제 5 실시형태를 나타낸 측면도 및 평면도이며, 도 15(c)(d)는 반사영역을 여러 형상, 크기 및 형광물질로 구비한 것을 나타낸 것이다.

도 16은 도 15의 광반사체가 경사진 형태로 형성된 것을 나타내었다. 이에 따라 빛은 표피층을 향해 직각으로 반사되는 것보다, 표피층과 일정 각도를 이루는 방향으로 반사되기 때문에 보다 긴 경로를 따라 진행하면서 반사/산란/흡수/투과된다. 광반사체의 경사각에 따라 빛은 표피층과 나란한 방향으로 진행될 수도 있고, 도 17에 도시한 바와 같이 표피층과 일정한 각도를 이루는 방향으로 진행하게 되면 진행되는 형상 및 표피층에 도달한 형상으로 관찰할 수 있다.

상기와 같은 실시예에 따라 본 발명은 피부 표면에는 형광물질 및 반사영역에 따른 무늬가 형성되게 되고, 이를 모니터링 기기의 광센서로 측정하여 피분석물의 농도나 유무를 파악할 수 있게 된다.

100: 모니터링 기기 110 : 광원 120 : 광센서 130 : 인쇄회로기판
140 : 제어부 150 : 통신부 160 : 디스플레이부
200 : 광 반사체 210 : 투명 합성수지제 220 : 형광물질 230 : 반사영역
240 : 비반사영역

Claims (11)

1. 광원과 광센서를 포함하는 모니터링 기기와;
   피부 아래 이식되어 상기 광원에서 조사된 빛을 반사하는 광 반사체로 이루어진 광학적 피분석물 모니터링 시스템에 있어서,
   광반사체가 표피층에 대해 경사진 평면을 구비하고,
   광반사체로 조사된 빛은 경사진 평면에서 반사되어 진행되고,
   이미지 센서와 렌즈계가 있는 카메라로 이루어진 상기 광센서는 빛이 진행하는 형상 및 표피층에 도달한 형상을 측정하는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 모니터링 기기는 상기 광원에서 발광되는 빛의 파장을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 모니터링 기기는 상기 광센서에서 수광되는 빛의 특성을 분석할 수 있는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 모니터링 기기는 광센서에서 수광되는 신호 또는 제어부에서 분석된 빛의 특성을 외부 기기로 전송하는 통신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 모니터링 기기의 광원과 광센서는 서로 분리된 기기로 구성되는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 광 반사체는 생체친화적 금속으로 이루어지거나, 투명한 합성수지제, 실리콘 고무, 세라믹 또는 유리 중 하나에 의해 형성되는 피복층으로 반사체 표면 전체가 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 광반사체의 경사진 평면은 반사영역과 비반사영역으로 구분되는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 광반사체의 일부 영역에는 형광물질이 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 시스템.
   
10. 삭제
11. 광원과, 이미지 센서와 렌즈계가 있는 카메라로 이루어진 광센서를 포함하는 모니터링 기기를 구비하는 단계와;
    표피층에 대해 경사진 평면을 갖는 광 반사체가 피부 아래 이식하는 단계와;
    상기 광반사체가 이식된 위치의 피부면에 상기 광원을 근접시키거나 접촉시키는 단계와;
    상기 광원이 발광하는 단계와;
    상기 광 센서에 의해 광 반사체에 의해 반사된 빛이 진행하는 형상 및 표피층에 도달한 형상을 측정하는 단계와;
    관찰된 빛의 특성을 분석하여 디스플레이부에 표시하거나, 광센서에서 측정된 빛의 특성을 분석하여 외부 기기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 피분석물 모니터링 방법.

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