KR102415949B1 - Apparatus for bladder condition measurement based on near infrared - Google Patents

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KR102415949B1
KR102415949B1 KR1020210111901A KR20210111901A KR102415949B1 KR 102415949 B1 KR102415949 B1 KR 102415949B1 KR 1020210111901 A KR1020210111901 A KR 1020210111901A KR 20210111901 A KR20210111901 A KR 20210111901A KR 102415949 B1 KR102415949 B1 KR 102415949B1
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김세환
김정훈
제시 호우 램
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Abstract

Disclosed is an apparatus for measuring a bladder condition based on near-infrared rays (NIR). The apparatus for measuring the bladder condition based on the NIR comprises: a first measurement unit, in order to analyze the bladder condition in a time domain (TD) method and a frequency domain (FD) method among optical analysis methods of biological tissues, including one light source for measurement irradiating the bladder of a patient with light for measurement which is multi-wavelength NIR, and one light sensor measuring the first optical characteristics of an optical signal reflected and diffused from the bladder; a second measurement unit, in order to analyze the bladder condition in a multi-distance continuous wave (MD-CW) method among optical analysis methods, including at least one light source for measurement irradiating the bladder with light for measurement, and a plurality of optical sensors disposed to be sequentially away from the light source for measurement to measure the second optical characteristics of an optical signal reflected and diffused from the bladder; and a control unit calculating a first light absorption coefficient and a first light scattering coefficient of the bladder by using the measured first optical characteristics, calculating first physiologic information of the bladder by using the calculated first light absorption coefficient, calculating a second light absorption coefficient and a second light scattering coefficient of the bladder by using the measured second optical characteristics, and calculating second physiologic information of the bladder by using the calculated second light absorption coefficient. The present invention can monitor the bladder condition of the patient in real time.

Description

근적외선 기반 방광 상태 측정 장치{Apparatus for bladder condition measurement based on near infrared}Apparatus for bladder condition measurement based on near infrared

본 발명은 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a near-infrared-based bladder condition measurement device.

척추손상(Spinal Cord Injury), 알츠하이머(Alzheimer Disease), 파킨슨 (Parkinson Disease) 등으로 인한 환자들의 경우, 스스로 배뇨(urination) 시점을 판단하기가 어려우므로, 환자들의 방광 내 소변량이 400~500mL가 되기 전에 카테터(Catheter)를 이용한 도뇨(Catheterization)가 시행된다. 정상 상태에서 90% 이상의 소변이 배출되어야 하기 때문에, 대략 하루 4~6회의 도뇨가 시행되어야 하며, 이에 따라 연간 2000회 이상의 도뇨가 시행될 수 있다.In patients with Spinal Cord Injury, Alzheimer's Disease, Parkinson's Disease, etc., it is difficult to determine when to urinate on your own. Prior to catheterization using a catheter (Catheterization) is performed. Since more than 90% of urine must be excreted in a normal state, catheterization should be performed approximately 4 to 6 times a day, and accordingly, catheterization more than 2000 times a year can be performed.

이와 같은 적절한 도뇨가 시행되지 못하면, 연간 1회 이상으로 재발성 요로감염이 100% 발생한다. 그리고, 방광결석 49%, 수면 신경증 47%, 방광요관 역류 33%가 발생하는 것으로 나타났다. 나아가, 적절한 도뇨가 시행되지 못함으로 인하여 발생하는 사망 중 주요 원인은 신부전(Renal Failure)으로 나타났다.If such proper catheterization is not performed, 100% of recurrent UTIs occur at least once a year. In addition, bladder stones 49%, sleep neurosis 47%, and vesicoureteral reflux 33% occurred. Furthermore, the main cause of death caused by the failure of proper catheterization was Renal Failure.

신경인성 방광, 요실금 등의 여성 질환, 알츠하이머 파킨슨 등의 노인성 질환을 가진 환자들도 요의(Micturition desire)를 불명료하게 느끼거나 혹은 느끼지 못할 경우, 적절하게 정해진 시간에 맞춰 카테터를 이용한 도뇨를 시행할 수 있다. 이러한 환자들은 자가도뇨를 스스로 못하는 경우가 많아 가족이 도와주어야 하며, 때로는 소변줄을 차고 생활해야 한다. 하지만, 소변줄을 차는 경우, 요로 감염의 위험성이 증가하게 되어, 의료적인 부작용이 가장 적은 방법이 자가도뇨이지만, 앞서 언급했듯이 본인 스스로 하기 어려운 점으로 인해 환자 스스로 외출을 꺼리게 되기 때문에, 집이 곧 감옥과 같이 될 수 있고, 특히 젊은 환자들에게는 삶이 마치 지옥 같은 상황이 된다. 자가도뇨는 규칙적인 시간에 4~6회를 실시하게 되지만, 사람마다 매일 먹는 양이 다르고, 매일 수분 섭취가 다른데, 정해진 시간에 맞춰 소변줄을 삽입하는 것은 때로는 불필요한 많은 에너지를 소모시킨다.If patients with geriatric diseases such as neurogenic bladder and urinary incontinence, or geriatric diseases such as Alzheimer's and Parkinson's, do not feel or feel unclear, catheterization using a catheter can be performed at an appropriate time. can These patients are often unable to self-urethane themselves, so family members have to help, and sometimes they have to wear a urinal. However, if the urinal is kicked, the risk of urinary tract infection increases, and self-catheterization is the method with the least medical side effects. It can be like this, and life becomes a hellish situation, especially for young patients. Self catheterization is performed 4 to 6 times at a regular time, but the amount eaten each day is different for each person, and water intake is different every day.

이러한 환자들에게 하루에 카테터를 이용한 도뇨를 시행하는 횟수를 1~2회만 줄일 수 있어도, 환자와 그 가족의 삶의 질은 놀랍도록 개선될 수 있으며, 환자의 요로 감염 위험성도 낮출 수 있어, 환자의 합병증 및 사망률 감소에도 획기적인 도움이 될 수 있다. 뿐만 아니라, 요양병원에서도 제 시간에 관리하지 못해 발생할 수 있는 합병증을 예방할 수 있고, 요실금과 같은 여성질환의 경우도 어느정도 방광이 차게 되면 발생할 수 있는 시간을 미리 예측하여, 요실금 환자의 삶의 질을 개선시킬 수 도 있다.Even if the number of times catheterized catheterization is reduced to 1 or 2 times a day for these patients, the quality of life of the patient and their family can be surprisingly improved, and the risk of urinary tract infection of the patient can be lowered. It can also be of great help in reducing the complications and mortality of In addition, it is possible to prevent complications that may occur if the nursing hospital fails to manage it on time, and in the case of female diseases such as urinary incontinence, the quality of life of incontinence patients can be improved by predicting the time that may occur when the bladder is somewhat full. It can also be improved.

따라서, 신경인성 방광, 요실금 등의 여성 질환, 알츠하이머 파킨슨 등의 노인성 질환을 지닌 환자들에 대한 카테터를 이용한 도뇨가 일괄적으로 정해진 시간에 맞춰 시행되는 것이 아니라, 환자의 방광 내의 소변량에 따라 적절한 도뇨 시점을 알려주어 자가도뇨가 시행되도록 하기 위해서는 환자의 방광 상태를 실시간으로 모니터링하는 방안이 요구된다.Therefore, catheter catheterization for patients with neurogenic bladder and female diseases such as urinary incontinence and geriatric diseases such as Alzheimer's Parkinson's is not performed at a set time, but appropriate catheterization according to the amount of urine in the bladder of the patient. In order to inform the timing of self catheterization, a method for monitoring the patient's bladder condition in real time is required.

대한민국등록특허공보 제10-1431051호(2014.08.11.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1431051 (2014.08.11.)

본 발명은 생체조직의 광학적 분석법으로서, 시간 영역(TD: Time Domain) 방식, 주파수 영역(FD: Frequency Domain) 방식, 다중거리 연속 광파(MD-CW: Multi-Distance Continuous Wave) 방식 및 연속 광파(CW: Continuous Wave) 방식을 복합적으로 이용하여 방광의 잔뇨량과 더불어 생리학적 정보를 실시간으로 측정하고, 측정된 정보에 따른 방광의 모니터링 정보를 알람 또는 건강상태 정보 등의 다양한 방식으로 실시간 제공할 수 있는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is an optical analysis method of living tissue, a time domain (TD: Time Domain) method, a frequency domain (FD: Frequency Domain) method, a multi-distance continuous wave (MD-CW) method and a continuous light wave ( By using the Continuous Wave (CW) method in a complex manner, it is possible to measure the amount of residual urine and physiological information in real time, and to provide monitoring information of the bladder according to the measured information in real time in various ways such as alarm or health status information. An object of the present invention is to provide a near-infrared-based bladder condition measurement device.

본 발명의 일 측면에 따르면, 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치가 개시된다.According to one aspect of the present invention, a near-infrared-based bladder condition measurement device is disclosed.

본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치는, 생체조직의 광학적 분석법 중 시간 영역(TD: Time Domain) 방식 및 주파수 영역(FD: Frequency Domain) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 환자의 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)인 측정용 광을 조사하는 하나의 측정용 광원 및 상기 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호의 제1 광학적 특성을 측정하는 하나의 광센서를 포함하는 제1 측정부, 상기 광학적 분석법 중 다중거리 연속 광파(MD-CW: Multi-Distance Continuous Wave) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 상기 방광으로 상기 측정용 광을 조사하는 적어도 하나의 측정용 광원 및 상기 측정용 광원으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치되어, 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 제2 광학적 특성을 측정하는 복수의 광센서를 포함하는 제2 측정부 및 상기 측정된 제1 광학적 특성을 이용하여 상기 방광의 제1 광흡수계수 및 제1 광산란계수를 산출하고, 상기 산출된 제1 광흡수계수를 이용하여 상기 방광의 제1 생리학적 정보를 산출하고, 상기 측정된 제2 광학적 특성을 이용하여 상기 방광의 제2 광흡수계수 및 제2 광산란계수를 산출하고, 상기 산출된 제2 광흡수계수를 이용하여 상기 방광의 제2 생리학적 정보를 산출하는 제어부를 포함한다.Near-infrared-based bladder state measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, in order to analyze the bladder state in a time domain (TD: Time Domain) method and a frequency domain (FD: Frequency Domain) method among the optical analysis methods of biological tissue, the patient's A first light source for measurement irradiating multi-wavelength near infrared (NIR) measurement light to the bladder, and one optical sensor for measuring the first optical characteristics of the optical signal reflected and diffused from the bladder 1 measurement unit, at least one light source for measurement that irradiates the measurement light to the bladder in order to analyze the bladder condition in a multi-distance continuous wave (MD-CW) method among the optical analysis methods, and the A second measuring unit including a plurality of photosensors disposed sequentially away from the light source for measurement and measuring second optical properties of the optical signals reflected and diffused from the bladder and the measured first optical properties are used. Calculating a first light absorption coefficient and a first light scattering coefficient of the bladder, calculating first physiological information of the bladder using the calculated first light absorption coefficient, and using the measured second optical characteristic and a control unit calculating a second light absorption coefficient and a second light scattering coefficient of the bladder, and calculating second physiological information of the bladder using the calculated second light absorption coefficient.

상기 생리학적 정보는 산소 헤모글로빈(O2Hb), 환원 헤모글로빈(HHb), 체수분(Water) 및 지방(Lipid)의 함량을 포함한다.The physiological information includes content of oxygenated hemoglobin (O2Hb), reduced hemoglobin (HHb), body water (Water), and fat (Lipid).

제1 측정부는 미리 설정된 빠른 펄스의 상기 측정용 광을 상기 방광으로 조사하고, 상기 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 시간에 따른 반사신호세기를 측정한다.The first measuring unit irradiates the light for measurement of a preset fast pulse to the bladder, and measures the reflected signal intensity over time from the light signal reflected and diffused from the bladder.

상기 제어부는 상기 측정된 시간에 따른 반사신호세기를 이용하여 시간 영역 방식으로 상기 제1 광흡수계수 및 상기 제1 광산란계수를 산출한다.The control unit calculates the first light absorption coefficient and the first light scattering coefficient in a time domain method by using the reflected signal intensity according to the measured time.

상기 제1 측정부는 50~1,000MHz 주파수의 광원이 정현파 형태로 변조된 상기 측정용 광을 상기 방광으로 조사하고, 상기 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율을 측정한다.The first measuring unit irradiates the measurement light modulated in the form of a sine wave with a light source of 50 to 1,000 MHz frequency to the bladder, and from the optical signal reflected and diffused from the bladder, the phase shift, the modulation depth, and the DC component versus the AC component measure the ratio of

상기 제어부는 상기 측정된 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율을 이용하여 주파수 영역 방식으로 상기 제1 광흡수계수 및 상기 제1 광산란계수를 산출한다.The controller calculates the first light absorption coefficient and the first light scattering coefficient in a frequency domain method using the measured phase shift, modulation depth, and ratio of the DC component to the AC component.

상기 제2 측정부는 상기 복수의 광센서 별로 파장별 반사신호세기를 측정한다.The second measurement unit measures the reflected signal intensity for each wavelength for each of the plurality of optical sensors.

상기 제어부는 상기 제2 광흡수계수, 상기 제2 광산란계수 및 시스템파라미터를 미지수로 하는 방정식을 이용하여 상기 제2 광흡수계수 및 상기 제2 광산란계수를 산출하되, 상기 제2 측정부는, 상기 미지수의 해의 계산을 위한 3개의 방정식을 생성하기 위하여, 최소 3개의 광센서를 포함한다.The control unit calculates the second light absorption coefficient and the second light scattering coefficient using an equation using the second light absorption coefficient, the second light scattering coefficient, and the system parameter as unknowns, wherein the second measurement unit includes the unknown In order to generate three equations for the calculation of the solution of

상기 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치는, 상기 광학적 분석법 중 연속 광파(CW: Continuous Wave) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 상기 방광으로 상기 측정용 광을 조사하는 복수의 측정용 광원 및 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 제3 광학적 특성을 측정하는 복수의 광센서를 포함하는 제3 측정부를 더 포함한다.The near-infrared-based bladder condition measuring device includes a plurality of light sources for measurement that irradiate the light for measurement to the bladder and reflection from the bladder in order to analyze the condition of the bladder in a continuous wave (CW) method among the optical analysis methods. and a third measuring unit including a plurality of optical sensors for measuring a third optical characteristic of the diffused optical signal.

상기 제3 측정부는, 각 측정용 광원 별로 4개의 광센서가 대응되도록 배치되어 복수의 채널을 형성한다.The third measurement unit is arranged such that four optical sensors correspond to each light source for measurement to form a plurality of channels.

상기 제어부는 상기 측정된 제3 광학적 특성을 이용하여 상기 방광의 제3 광흡수계수 및 제3 광산란계수를 산출하고, 상기 산출된 제3 광흡수계수를 이용하여 상기 방광의 제3 생리학적 정보를 산출한다.The control unit calculates a third light absorption coefficient and a third light scattering coefficient of the bladder using the measured third optical characteristic, and obtains third physiological information of the bladder using the calculated third light absorption coefficient Calculate.

본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치는, 생체조직의 광학적 분석법으로서, 시간 영역(TD: Time Domain) 방식, 주파수 영역(FD: Frequency Domain) 방식, 다중거리 연속 광파(MD-CW: Multi-Distance Continuous Wave) 방식 및 연속 광파(CW: Continuous Wave) 방식을 복합적으로 이용하여 방광의 잔뇨량과 더불어 생리학적 정보를 실시간으로 측정하고, 측정된 정보에 따른 방광의 모니터링 정보를 알람 또는 건강상태 정보 등의 다양한 방식으로 실시간 제공함으로써, 요의를 불분명하게 느끼거나 혹은 느끼지 못하는 환자의 방광 상태를 실시간 모니터링할 수 있다.The apparatus for measuring bladder status based on near-infrared rays according to an embodiment of the present invention is an optical analysis method of a living tissue, and includes a time domain (TD) method, a frequency domain (FD) method, and a multi-distance continuous light wave (MD-CW) method. : By using the Multi-Distance Continuous Wave method and the Continuous Wave (CW) method in combination, it measures the amount of residual urine and physiological information in real time, and sends the bladder monitoring information according to the measured information to an alarm or health By providing the status information in real time in various ways, it is possible to monitor the bladder status of a patient who does not feel the need to urinate in real time.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면.
도 2 내지 도 18은 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치를 설명하기 위한 도면.
1 is a view schematically illustrating the configuration of a near-infrared-based bladder state measuring device according to an embodiment of the present invention.
2 to 18 are views for explaining a near-infrared-based bladder state measuring apparatus according to the embodiment of the present invention of FIG.

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.As used herein, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "consisting of" or "comprising" should not be construed as necessarily including all of the various components or various steps described in the specification, some of which components or some steps are It should be construed that it may not include, or may further include additional components or steps. In addition, terms such as "...unit" and "module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software, or a combination of hardware and software. .

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다. Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치의 구성을 개략적으로 예시하여 나타낸 도면이고, 도 2 내지 도 18은 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다. 이하, 도 1을 중심으로, 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치(100)에 대하여 설명하되, 도 2 내지 도 18을 참조하기로 한다.1 is a diagram schematically illustrating the configuration of a near-infrared-based bladder condition measuring device according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2 to 18 are a near-infrared-based bladder condition measuring device according to an embodiment of the present invention in FIG. It is a drawing for explanation. Hereinafter, an apparatus 100 for measuring a bladder state based on near-infrared rays according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 , with reference to FIGS. 2 to 18 .

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치(100)는, 제1 측정부(110), 제2 측정부(120), 제3 측정부(130), 출력부(140), 입력부(150), 통신부(160) 및 제어부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , an apparatus 100 for measuring a bladder state based on near-infrared rays according to an embodiment of the present invention includes a first measuring unit 110 , a second measuring unit 120 , a third measuring unit 130 , and an output unit. 140 , the input unit 150 , the communication unit 160 , and the control unit 170 may be included.

제1 측정부(110)는 생체조직의 광학적 분석법 중 시간 영역(TD: Time Domain) 방식 및 주파수 영역(FD: Frequency Domain) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 환자의 방광으로 측정용 광을 조사하고, 환자의 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호를 측정한다.The first measurement unit 110 irradiates light for measurement to the bladder of a patient in order to analyze the bladder state in a time domain (TD) method and a frequency domain (FD) method among optical analysis methods of biological tissues. and measure the optical signal reflected and diffused from the patient's bladder.

이때, 제1 측정부(110)는 시간 영역 방식을 위하여, 미리 설정된 빠른 펄스(예를 들어, 100ps)의 측정용 광을 방광으로 조사하고, 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 시간에 따른 반사신호세기를 측정할 수 있다. 또한, 제1 측정부(110)는 주파수 영역 방식을 위하여, 50~1,000MHz 주파수의 광원이 정현파 형태로 변조된 측정용 광을 방광으로 조사하고, 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율을 측정할 수 있다.At this time, for the time domain method, the first measurement unit 110 irradiates light for measurement of a preset fast pulse (eg, 100ps) to the bladder, and reflects over time from the light signal reflected and diffused from the bladder. Signal strength can be measured. In addition, for the frequency domain method, the first measuring unit 110 irradiates a light source of 50 to 1,000 MHz frequency modulated in the form of a sine wave to the bladder, and a phase shift from the optical signal reflected and diffused from the bladder, It is possible to measure the modulation depth and the ratio of the AC component to the DC component.

예를 들어, 도 2를 참조하면, 제1 측정부(110)는 방광을 전체적으로 덮도록 형성되며, 하나의 측정용 광원(111) 및 하나의 광센서(115)로 구성된 측정 소자가 다수 개 배열되어 형성될 수 있다. 여기서, 측정용 광원(111)은 측정용 광원(121)은 LD(Laser Diode), LED(Light-Emitting Diode) 또는 OLED(Organic Light-Emitting Diode)로 구성되고, 광센서(115)는 PD(Photodiode), IR enhanced PD, APD(Avalanche Photodiode)나 CCD, CMOS로 구성될 수 있다.For example, referring to FIG. 2 , the first measurement unit 110 is formed to completely cover the bladder, and a plurality of measurement elements including one light source 111 for measurement and one optical sensor 115 are arranged. can be formed. Here, the light source for measurement 111 is a light source for measurement 121 is composed of LD (Laser Diode), LED (Light-Emitting Diode) or OLED (Organic Light-Emitting Diode), and the optical sensor 115 is PD ( Photodiode), IR enhanced PD, APD (Avalanche Photodiode), CCD, or CMOS can be configured.

제2 측정부(120)는 생체조직의 광학적 분석법 중 다중거리 연속 광파(MD-CW: Multi-Distance Continuous Wave) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, 환자의 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 적어도 하나의 측정용 광원(121) 및 측정용 광원(121)으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치되어, 측정용 광원(121)에 의하여 방광에 조사된 다파장 근적외선이 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하는 복수의 광센서(125)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 3 , the second measuring unit 120 analyzes the bladder condition by using a multi-distance continuous wave (MD-CW) method among the optical analysis methods of living tissue. At least one light source for measurement 121 irradiating multi-wavelength near infrared (NIR) and the light source 121 for measurement are sequentially disposed away from each other, and the bladder is irradiated by the light source 121 for measurement The wavelength near-infrared light may include a plurality of optical sensors 125 for measuring the reflected signal intensity for each wavelength of the reflected and diffused optical signal from the bladder.

여기서, 측정용 광원(121)은 후술할 제어부(170)의 제어에 따라 미리 설정된 조사신호세기를 가지는 근적외선을 파장별로 조사할 수 있다.Here, the light source 121 for measurement may irradiate near-infrared rays having a preset irradiation signal intensity for each wavelength according to the control of the controller 170, which will be described later.

예를 들어, 적어도 하나의 측정용 광원(121)은 LD(Laser Diode), LED(Light-Emitting Diode) 또는 OLED(Organic Light-Emitting Diode)로 구성될 수 있다. 그리고, 복수의 광센서(125)는 측정용 광원(121)으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치되어 구성될 수 있으며, 각 광센서(125)는 PD(Photodiode), IR enhanced PD, APD(Avalanche Photodiode)나 CCD, CMOS로 구성될 수 있다.For example, the at least one light source for measurement 121 may include a laser diode (LD), a light-emitting diode (LED), or an organic light-emitting diode (OLED). In addition, the plurality of optical sensors 125 may be configured to be sequentially disposed away from the light source 121 for measurement, and each optical sensor 125 may be a photodiode (PD), an IR enhanced PD, an avalanche photodiode (APD) or It can be composed of CCD or CMOS.

예를 들어, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제2 측정부(120)는 환자의 배에서 방광이 위치하는 부위의 피부에 부착될 수 있다. 그리고, 제2 측정부(120)에 구비되는 측정용 광원(121)은 제2 측정부(120)의 중앙에 배치되고, 측정용 광원(121)의 양측으로 순차적으로 멀어지도록 복수의 광센서(125)가 배치될 수 있다. 그래서, 제2 측정부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 측정용 광이 방광에서 반사 및 확산된 광을 수신할 수 있다.For example, referring to FIG. 3 , the second measurement unit 120 according to an embodiment of the present invention may be attached to the skin of the patient's abdomen where the bladder is located. In addition, the light source 121 for measurement provided in the second measurement unit 120 is disposed in the center of the second measurement unit 120, and a plurality of optical sensors ( 125) can be arranged. Thus, as shown in FIG. 3 , the second measurement unit 120 may receive light reflected and diffused from the bladder for measurement.

제3 측정부(130)는 생체조직의 광학적 분석법 중 연속 광파(CW: Continuous Wave) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 환자의 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)을 조사하는 복수의 측정용 광원(131) 및 측정용 광원(131)에 의하여 방광에 조사된 다파장 근적외선이 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 파장별 반사신호세기를 측정하는 복수의 광센서(135)를 포함할 수 있다.In order to analyze the bladder condition in a continuous wave (CW) method among the optical analysis methods of biological tissues, the third measurement unit 130 is a multi-wavelength near-infrared (NIR: NIR: A plurality of measurement light sources 131 for irradiating Near Infrared) and a plurality of measurement light sources 131 for measuring the reflected signal intensity for each wavelength of an optical signal reflected and diffused from the bladder by the multi-wavelength near-infrared rays irradiated to the bladder by the measurement light source 131 It may include an optical sensor 135 .

예를 들어, 복수의 측정용 광원(131) 및 복수의 광센서(135)는 도 4에 도시된 바와 같이, 각 측정용 광원(131) 별로 복수의 광센서(135)가 대응되도록 배치되어 복수의 채널(133)을 형성할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 제3 측정부(130)에서 하나의 채널(133)은 하나의 광센서(135)를 중심으로 4개의 광센서(135)가 둘러싸도록 배치되어 형성될 수 있다. 여기서, 측정용 광원(131)은 측정용 광원(121)은 LD(Laser Diode), LED(Light-Emitting Diode) 또는 OLED(Organic Light-Emitting Diode)로 구성되고, 광센서(135)는 PD(Photodiode), IR enhanced PD, APD(Avalanche Photodiode)나 CCD, CMOS로 구성될 수 있다.For example, as shown in FIG. 4 , the plurality of light sources for measurement 131 and the plurality of optical sensors 135 are arranged such that a plurality of optical sensors 135 correspond to each other for each light source 131 for measurement. of the channel 133 may be formed. That is, in the third measurement unit 130 shown in FIG. 4 , one channel 133 may be formed by disposing four photosensors 135 around one photosensor 135 as a center. Here, the light source for measurement 131 is composed of a laser diode (LD), a light-emitting diode (LED), or an organic light-emitting diode (OLED), and the light sensor 135 is a PD ( Photodiode), IR enhanced PD, APD (Avalanche Photodiode), CCD, or CMOS can be configured.

출력부(140)는 청각적 또는 시각적 신호를 출력한다. 예를 들어, 출력부(140)는 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치(100)의 구동시작, 측정중, 측정완료 등과 같은 동작상태를 표시하는 상태표시램프 및/또는 부저를 포함할 수 있다.The output unit 140 outputs an audible or visual signal. For example, the output unit 140 may display a status indicator lamp and/or a buzzer for displaying operating states such as driving start, measurement, and measurement completion of the near-infrared-based bladder state measurement apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. may include

또한, 출력부(140)는 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치(100)가 입력받거나 처리한 정보를 표시하여 출력하는 디스플레이 모듈(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 즉, 디스플레이 모듈은 측정부(110, 120, 130)의 광센서(115, 125, 135)에 의하여 검출되는 확산광(Diffuse optics)에 대한 후술할 제어부(170)의 분석결과(생리학적 정보 등)를 출력할 수 있다.In addition, the output unit 140 may further include a display module (not shown) for displaying and outputting information received or processed by the near-infrared-based bladder state measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. That is, the display module includes an analysis result (physiological information, etc.) of the control unit 170, which will be described later, for diffuse optics detected by the optical sensors 115, 125, 135 of the measurement units 110, 120, 130. ) can be printed.

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(150)로 지칭하도록 한다.For example, the display module may be implemented as a liquid crystal display or the like. In addition, when the display module and the sensor sensing a touch operation form a layered structure (ie, a touch screen), the display module may be used as an input device in addition to an output device. Hereinafter, when a touch screen is used as a display module, a sensor for detecting a touch operation will be referred to as an input unit 150 to be described later.

입력부(150)는 사용자로부터 각종 명령을 입력받기 위한 사용자 인터페이스(user interface)로서, 그 구현 방식에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 입력부(150)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.The input unit 150 is a user interface for receiving various commands from a user, and there is no particular limitation in its implementation method. For example, the input unit 150 may include a plurality of manipulation units, and these manipulation units may be manufactured as a key pad, a touch pad (static pressure/capacitance), a wheel key, a jog switch, or the like.

통신부(160)는 사용자 단말과 유무선 통신을 수행한다.The communication unit 160 performs wired/wireless communication with the user terminal.

예를 들어, 통신부(160)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.For example, the communication unit 160 may include a USB (Universal Serial Bus) module, a Bluetooth module, a Wi-Fi module, etc., and may include short-range wireless communication such as Bluetooth or Wi-Fi. Data can be transmitted to a user terminal such as a smart phone or a desktop PC using short-distance wired communication such as USB.

제어부(170)는 기본적으로, 본 발명의 실시예에 따른 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치(100)의 전반적인 동작을 제어한다.The controller 170 basically controls the overall operation of the near-infrared-based bladder state measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention.

즉, 제어부(170)는 제1 측정부(110), 제2 측정부(120) 및 제3 측정부(130)가 환자의 방광에 다파장의 근적외선을 조사하고, 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호를 수신하여, 시간 영역 방식, 주파수 영역 방식, 다중거리 연속 광파 방식 및 연속 광파 방식 별로 수신된 광신호의 광학적 특성을 측정하도록 제어한다. 여기서, 수신된 광신호의 광학적 특성은 제1 측정부(110)가 측정하는 시간에 따른 반사신호세기, 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율, 제2 측정부(120)가 측정하는 파장별 반사신호세기, 제3 측정부(130)가 측정하는 파장별 반사신호세기를 포함할 수 있다.That is, in the controller 170 , the first measuring unit 110 , the second measuring unit 120 , and the third measuring unit 130 irradiate multi-wavelength near-infrared rays to the bladder of the patient, and the reflected and diffused light from the bladder. A signal is received, and the optical characteristics of the received optical signal are measured for each time domain method, frequency domain method, multi-distance continuous light wave method, and continuous light wave method. Here, the optical characteristics of the received optical signal are measured by the first measuring unit 110 over time, the reflected signal strength, the phase shift, the modulation depth, and the ratio of the AC component to the DC component, and the second measuring unit 120 measures it. It may include the reflected signal intensity for each wavelength, and the reflected signal intensity for each wavelength measured by the third measuring unit 130 .

그리고, 제어부(170)는 측정된 광신호의 광학적 특성값의 분석을 통해 방광의 생리학적 정보를 산출한다. 여기서, 생리학적 정보는 산소 헤모글로빈(O2Hb), 환원 헤모글로빈(HHb), 체수분(Water) 및 지방(Lipid)의 함량을 포함할 수 있다.Then, the control unit 170 calculates the physiological information of the bladder through the analysis of the optical characteristic value of the measured optical signal. Here, the physiological information may include contents of oxygenated hemoglobin (O2Hb), reduced hemoglobin (HHb), body water (Water), and fat (Lipid).

도 5는 시간 영역 방식을 이용한 방광 상태의 분석 개념을 나타낸다. 도 5를 참조하면, 시간 영역 방식은 미리 설정된 빠른 펄스(예를 들어, 100ps)의 측정용 광을 방광으로 조사하고, 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 시간에 따른 반사신호세기를 측정하여 매질의 특성을 파악하는 방식이다. 이 방식은 단일 측정(검출소자 1개)을 통해 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)의 분리가 가능한 장점이 있으나, 회로가 복잡하고 고가이며 핸드헬드 수준 이상의 의료장비로 구현이 가능하다.5 shows a concept of analysis of a bladder condition using a time domain method. Referring to FIG. 5 , the time domain method irradiates a preset fast pulse (eg, 100ps) of light for measurement to the bladder, and measures the reflected signal intensity over time from the light signal reflected and diffused from the bladder to measure the medium. A way to understand the characteristics of This method has the advantage of being able to separate the optical characteristics of the bladder (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ' s ) through a single measurement (one detection element), but the circuit is complicated and expensive, and medical equipment above the handheld level can be implemented with

예를 들어, 도 5 및 도 6을 참조하면, 제어부(170)는 하기 수학식을 이용하여 시간 영역 방식에 따른 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 산출할 수 있다.For example, referring to FIGS. 5 and 6 , the controller 170 may calculate the optical characteristics of the bladder (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ' s ) according to the time domain method using the following equation. have.

Figure 112021097778195-pat00001
Figure 112021097778195-pat00001

여기서, z는 경계에 수직인 거리(The distance normal to the boundary)이고,

Figure 112021097778195-pat00002
이고,
Figure 112021097778195-pat00003
이고, Reff는 유효 프레넬 계수이고,
Figure 112021097778195-pat00004
이고, c는 광속으로,
Figure 112021097778195-pat00005
이고, n은 매질의 굴절율이고, ρ는 광원과 광센서 간의 거리이다.Here, z is the distance normal to the boundary,
Figure 112021097778195-pat00002
ego,
Figure 112021097778195-pat00003
and R eff is the effective Fresnel coefficient,
Figure 112021097778195-pat00004
and c is the speed of light,
Figure 112021097778195-pat00005
, n is the refractive index of the medium, and ρ is the distance between the light source and the photosensor.

도 7은 주파수 영역 방식을 이용한 방광 상태의 분석 개념을 나타낸다. 도 7을 참조하면, 주파수 영역 방식은 50~1,000MHz 주파수의 광원이 정현파 형태로 변조된 측정용 광을 방광으로 조사하고, 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율을 측정하여 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 산출할 수 있다. 이 방식은 시간 영역 방식에 비하여 적절한 비용으로 시스템 구현이 가능한 장점이 있으나, 여전히 회로가 복잡하고 고가이며 핸드헬드 수준 이상의 의료장비로 구현이 가능하다.7 shows a concept of analyzing a bladder condition using a frequency domain method. Referring to FIG. 7 , in the frequency domain method, a light source with a frequency of 50 to 1,000 MHz irradiates light modulated in the form of a sinusoid to the bladder, and contrasts the phase shift, modulation depth, and DC component from the optical signal reflected and diffused from the bladder. By measuring the ratio of the AC component, optical properties (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ' s ) can be calculated. This method has the advantage of being able to implement a system at an appropriate cost compared to the time domain method, but it is still complicated and expensive and can be implemented with medical equipment above the handheld level.

예를 들어, 도 7 및 도 8을 참조하면, 제어부(170)는 하기 수학식을 이용하여 주파수 영역 방식에 따른 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 산출할 수 있다.For example, referring to FIGS. 7 and 8 , the controller 170 can calculate the optical characteristics of the bladder (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ' s ) according to the frequency domain method using the following equation. have.

Figure 112021097778195-pat00006
Figure 112021097778195-pat00006

Figure 112021097778195-pat00007
Figure 112021097778195-pat00007

Figure 112021097778195-pat00008
Figure 112021097778195-pat00008

Figure 112021097778195-pat00009
Figure 112021097778195-pat00009

Figure 112021097778195-pat00010
Figure 112021097778195-pat00010

여기서,

Figure 112021097778195-pat00011
이고,
Figure 112021097778195-pat00012
이고,
Figure 112021097778195-pat00013
이고,
Figure 112021097778195-pat00014
이고,
Figure 112021097778195-pat00015
이고, ρ는 광원과 광센서 간의 거리이다.here,
Figure 112021097778195-pat00011
ego,
Figure 112021097778195-pat00012
ego,
Figure 112021097778195-pat00013
ego,
Figure 112021097778195-pat00014
ego,
Figure 112021097778195-pat00015
and ρ is the distance between the light source and the photosensor.

도 9는 다중거리 연속 광파 방식을 이용한 방광 상태의 분석 개념을 나타낸다. 도 9를 참조하면, 다중거리 연속 광파 방식은 후술할 연속 광파 방식과 유사하나, 다중거리를 통해 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 산출할 수 있는 특징이 있다. 이 방식은 시간 영역 방식 및 주파수 영역 방식에 비하여 비교적 저렴한 비용으로 시스템 구현이 가능하며, 회로가 간단하여 소형화가 용이하여 웨어러블 제품으로 개발이 가능한 장점이 있다.9 shows an analysis concept of a bladder condition using a multi-distance continuous light wave method. Referring to FIG. 9 , the multi-distance continuous light wave method is similar to the continuous light wave method to be described later, but has a feature that can calculate the optical characteristics of the bladder (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ' s ) through multiple distances. . This method has the advantage of being able to implement a system at a relatively low cost compared to the time domain method and the frequency domain method, and can be developed as a wearable product because of its simple circuit and easy miniaturization.

예를 들어, 도 9를 참조하면, 제어부(170)는 하기 수학식을 이용하여 다중거리 연속 광파 방식에 따른 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 산출할 수 있다.For example, referring to FIG. 9 , the controller 170 may calculate the optical characteristics (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ' s ) of the bladder according to the multi-distance continuous light wave method using the following equation. .

Figure 112021097778195-pat00016
Figure 112021097778195-pat00016

Figure 112021097778195-pat00017
Figure 112021097778195-pat00017

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 광흡수계수이고, μ's는 광산란계수이고, 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 μaa + 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.Here, R(ρ) is the reflectance, ρ=(x, y), a' is the albedo indicating the reflectance at the surface, a' = μ' s / (μ a + μ' s ), and , μ a is the light absorption coefficient, μ' s is the light scattering coefficient, z 0 is the distance from the region of interest (ROI) to the measurement surface (the skin surface of the bladder region), z 0 = (μ a + μ' s ) -1 , μ eff is the effective attenuation coefficient, μ eff = [3 μ aa + μ' s )] 1/2 , r 1 is positive from the region of interest As the distance to the positive impulse source of , r 1 = [(z - z 0 ) 2 + ρ 2 ] 1/2 , and z b is the core of the Extrapolate boundary condition, which assumes that the flux of photons disappears. is the value of the virtual boundary, r 2 is the distance from the region of interest to the negative impulse source, r 2 = [(z + z 0 + 2z b ) 2 + ρ 2 ] 1/2 , R exp (ρ) is the experimental value (experimental R) of the reflectance measured in the physiological tissue using the experimental system, and α is the system parameter set in the experimental system.

수학식 3에서, 광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's 및 시스템파라미터 α는 미지수이다. 이러한 3개의 미지수의 해를 계산하기 위해서는 적어도 3개의 방정식이 필요하므로, 적어도 하나의 측정용 광원(121) 및 최소 3개의 광센서(125)가 필요하다. 즉, 3개의 지점에서 측정된 반사신호세기를 이용하여, 수학식 3으로부터, 광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's 및 시스템파라미터 α의 3개 미지수에 대한 3개의 방정식이 생성될 수 있고, 생성된 3개의 방정식으로부터, 미지수인 광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's 및 시스템파라미터 α의 값이 산출될 수 있다.In Equation 3, the light absorption coefficient μ a , the light scattering coefficient μ′ s and the system parameter α are unknown. Since at least three equations are required to calculate the solutions of these three unknowns, at least one light source for measurement 121 and at least three optical sensors 125 are required. That is, by using the reflected signal intensity measured at three points, from Equation 3, three equations for the three unknowns of the light absorption coefficient μ a , the light scattering coefficient μ' s and the system parameter α can be generated, From the generated three equations, the values of the unknown light absorption coefficient μ a , the light scattering coefficient μ′ s and the system parameter α can be calculated.

한편, 연속 광파 방식은 전술한 시간 영역 방식, 주파수 영역 방식 및 다중거리 연속 광파 방식과 같이, 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 특정값으로 산출할 수 없다. 즉, 광학적 특성인 광흡수계수 μa와 광산란계수 μ's의 구분이 불가하므로, 초기 측정값을 기준으로 한 변화량 즉, 추세로 방광의 상태의 측정이 이루어질 수 있다.On the other hand, in the continuous light wave method, like the time domain method, the frequency domain method, and the multi-distance continuous light wave method described above, the optical characteristics of the bladder (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ′ s ) cannot be calculated as specific values. That is, since it is impossible to distinguish between the optical properties of the light absorption coefficient μ a and the light scattering coefficient μ' s , the bladder condition can be measured with the amount of change, that is, the trend, based on the initial measured value.

예를 들어, 도 10을 참조하면, 제어부(170)는 하기 수학식을 이용하여 연속 광파 방식에 따른 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's)을 산출할 수 있다.For example, referring to FIG. 10 , the controller 170 may calculate the optical characteristics (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ′ s ) of the bladder according to the continuous light wave method using the following equation.

Figure 112021097778195-pat00018
Figure 112021097778195-pat00018

여기서, r1 = [z0 2 + ρ 2]1/2이고, r2 = [(z0 + 2zb)2 + ρ 2]1/2이고, z0 = (μa + μ's)-1이고, μeff = [3 μaa + μ's)]1/2이다.where r 1 = [z 0 2 + ρ 2 ] 1/2 , r 2 = [(z 0 + 2z b ) 2 + ρ 2 ] 1/2 , z 0 = (μ a + μ' s ) -1 and μ eff = [3 μ aa + μ' s )] 1/2 .

수학식 4에 나타난 바와 같이, 연속 광파 방식은 광학적 특성인 광흡수계수 μa와 광산란계수 μ's의 구분이 불가하므로, 광산란계수 μ's의 값을 임의의 상수로 설정한 상태에서, 이를 기준으로 광흡수계수 μa가 산출될 수 있다.As shown in Equation 4, in the continuous light wave method, it is impossible to distinguish between the light absorption coefficient μ a and the light scattering coefficient μ ' s , which are optical properties. As a reference, the light absorption coefficient μ a can be calculated.

그리고, 제어부(170)는 이와 같이 산출된 방광의 광학적 특성(광흡수계수 μa, 광산란계수 μ's) 중 광흡수계수 μa를 이용하여 생리학적 정보를 산출할 수 있다. 즉, 제어부(170)는 산출된 광흡수계수 μa로부터 하기 수학식을 이용하여 생리학적 정보를 산출할 수 있다.In addition, the controller 170 may calculate physiological information by using the light absorption coefficient μ a among the optical characteristics (light absorption coefficient μ a , light scattering coefficient μ′ s ) of the bladder calculated as described above. That is, the controller 170 may calculate physiological information from the calculated light absorption coefficient μ a using the following equation.

Figure 112021097778195-pat00019
Figure 112021097778195-pat00019

여기서,

Figure 112021097778195-pat00020
,
Figure 112021097778195-pat00021
,
Figure 112021097778195-pat00022
Figure 112021097778195-pat00023
는 각각 산소 헤모글로빈(O2Hb), 환원 헤모글로빈(HHb), 체수분(Water) 및 지방(Lipid)의 파장별 광소멸계수(extinction rate)이고, [O2Hb], [HHb], [water] 및 [lipid]는 각각 산소 헤모글로빈(O2Hb), 환원 헤모글로빈(HHb), 체수분(Water) 및 지방(Lipid)의 함량이고,
Figure 112021097778195-pat00024
는 파장별 광흡수계수이다.here,
Figure 112021097778195-pat00020
,
Figure 112021097778195-pat00021
,
Figure 112021097778195-pat00022
and
Figure 112021097778195-pat00023
are the extinction rates for each wavelength of oxygenated hemoglobin (O2Hb), reduced hemoglobin (HHb), body water (Water) and fat (Lipid), [O2Hb], [HHb], [water] and [lipid] are the contents of oxygenated hemoglobin (O2Hb), reduced hemoglobin (HHb), body water (Water) and fat (Lipid), respectively,
Figure 112021097778195-pat00024
is the light absorption coefficient for each wavelength.

수학식 3에서, 산소 헤모글로빈(O2Hb), 환원 헤모글로빈(HHb), 체수분(Water) 및 지방(Lipid)의 함량은 최소자승법을 이용하여 산출될 수 있으며, 산소 헤모글로빈(O2Hb)과 환원 헤모글로빈(HHb)의 함량은 mol 단위의 절대값으로 산출되고, 체수분(Water)과 지방(Lipid)의 함량은 % 단위의 상대값으로 산출될 수 있다.In Equation 3, the contents of oxygenated hemoglobin (O2Hb), reduced hemoglobin (HHb), body water (Water), and fat (Lipid) can be calculated using the least squares method, and oxygenated hemoglobin (O2Hb) and reduced hemoglobin (HHb) The content of is calculated as an absolute value in mol unit, and the content of body water (Water) and fat (Lipid) can be calculated as a relative value in % unit.

도 11을 참조하면, 근적외선 대역에는, 콜라겐(Collagen), 체수분(Water), 지방(Lipid), 환원 헤모글로빈(HHb), 산소 헤모글로빈(O2Hb) 등의 85% 이상의 생체조직 성분의 광흡수 피크가 존재한다. 여기서, 환원 헤모글로빈(HHb) 및 산소 헤모글로빈(O2Hb)는 혈류량 지표이다. 따라서, 방광 내의 수분함량의 측정을 통해 방광 내에 채워진 소변의 양 측정이 가능하며, 방광의 환원 헤모글로빈(HHb) 및 산소 헤모글로빈(O2Hb)의 양 측정을 통해 방광의 혈류량이 산출될 수 있다.Referring to FIG. 11 , in the near-infrared band, there is a light absorption peak of 85% or more of biological tissue components such as collagen, body water, fat, reduced hemoglobin (HHb), and oxygen hemoglobin (O2Hb). do. Here, reduced hemoglobin (HHb) and oxygen hemoglobin (O2Hb) are blood flow indicators. Therefore, it is possible to measure the amount of urine filled in the bladder by measuring the water content in the bladder, and the blood flow in the bladder can be calculated by measuring the amount of reduced hemoglobin (HHb) and oxygen hemoglobin (O2Hb) in the bladder.

예를 들어, 물의 광흡수 피크는 근적외선 파장 중 960nm, 1180nm, 1440nm 등의 파장에 존재하므로, 도 11에 도시된 바와 같이, 물의 광흡수 피크 파장과 둔감한 650nm~900nm 대역의 파장을 가지는 근적외선을 조사하도록 측정부(110, 120, 130)가 제어될 수 있다.For example, since the light absorption peak of water exists at wavelengths such as 960 nm, 1180 nm, and 1440 nm among the near infrared wavelengths, as shown in FIG. The measuring units 110 , 120 , 130 may be controlled to irradiate.

제어부(170)는 이와 같이 산출되는 생리학적 정보에 따른 방광의 모니터링 정보를 실시간으로 출력부(140)를 통해 출력하고, 통신부(160)를 통해 사용자 단말로 전송할 수 있다.The controller 170 may output the bladder monitoring information according to the physiological information calculated in this way through the output unit 140 in real time, and transmit it to the user terminal through the communication unit 160 .

예를 들어, 도 12 내지 도 15는 시간 영역 방식, 주파수 영역 방식 및 다중거리 연속 광파 방식의 경우의 방광의 소변량에 대한 모니터링 정보를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 복수의 광센서(115, 125)에 대하여 적어도 하나의 광센서가 중첩되도록 복수의 영역(Zone1 ~ Zone 8)으로 나눠질 수 있다. 그리고, 하기 표와 같이, 나눠진 영역별로 소변량을 나타내는 방광의 체수분 함량이 산출되어 출력 및 전송될 수 있다.For example, FIGS. 12 to 15 show monitoring information on bladder urine volume in the time domain method, the frequency domain method, and the multi-distance continuous light wave method. Referring to FIG. 12 , the plurality of optical sensors 115 and 125 may be divided into a plurality of zones (Zone1 to Zone 8) such that at least one optical sensor overlaps. And, as shown in the table below, the body water content of the bladder indicating the amount of urine for each divided area may be calculated, output, and transmitted.

Figure 112021097778195-pat00025
Figure 112021097778195-pat00025

제어부(170)는 영역별로 산출된 체수분 함량을 이용하여 도 13에 도시된 바와 같이, 방광에 소변이 반쯤 또는 완전히 차 있는지를 표시하여 출력할 수 있다.The controller 170 may display and output whether the bladder is half or completely filled with urine as shown in FIG. 13 by using the body water content calculated for each region.

하기 표는 방광에 소변이 반쯤 차 있는 경우의 영역별로 산출된 체수분 함량을 나타낸 것이다.The table below shows the body water content calculated for each area when the bladder is half full of urine.

Figure 112021097778195-pat00026
Figure 112021097778195-pat00026

하기 표는 방광에 소변이 완전히 차 있는 경우의 영역별로 산출된 체수분 함량을 나타낸 것이다.The table below shows the body water content calculated for each area when the bladder is completely filled with urine.

Figure 112021097778195-pat00027
Figure 112021097778195-pat00027

그리고, 도 14는 표 2에 따른 방광의 3차원 해석 그래프이고, 도 15는 표 3에 따른 방광의 3차원 해석 그래프이다. 도 14를 참조하면, 방광에 중간 정도로 소변이 찼을 때, 도 14의 그래프의 패치를 기준으로 위쪽의 수치가 낮고, 아래쪽의 수치가 높게 나타남을 알 수 있다. 이를 통해, 방광이 부풀어 오른 형태의 추정이 가능하다. 그리고, 도 15를 참조하면, 방광에 소변이 꽉 찼을 때, 도 15의 그래프의 패치를 기준으로 위쪽 및 아래쪽 모두 수치가 높은 편이나, 위쪽이 아래쪽보다 낮음을 알 수 있다.And, FIG. 14 is a 3D analysis graph of the bladder according to Table 2, and FIG. 15 is a 3D analysis graph of the bladder according to Table 3. Referring to FIG. 14 , when the bladder is moderately filled with urine, it can be seen that the upper value is low and the lower value is high based on the patch of the graph of FIG. 14 . Through this, it is possible to estimate the shape of the bladder inflated. And, referring to FIG. 15 , when the bladder is full of urine, it can be seen that both the upper and lower values of the patch in the graph of FIG. 15 are high, but the upper one is lower than the lower one.

한편, 도 16 내지 도 18은 연속 광파 방식의 경우의 방광의 소변량에 대한 모니터링 정보를 나타낸다. 연속 광파 방식의 경우의 방광의 소변량에 대한 모니터링 정보도, 도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 전술한 시간 영역 방식, 주파수 영역 방식 및 다중거리 연속 광파 방식의 경우의 방광의 소변량에 대한 모니터링 정보와 비슷하게 나타낼 수 있다. 즉, 연속 광파 방식의 경우, 채널별로 소변량을 나타내는 방광의 체수분 함량이 산출되고, 이로부터 방광에 소변이 차 있는 정도를 표시한 그림 및/또는 방광의 3차원 해석 그래프가 산출될 수 있다. 여기서, 도 16은 방광에 소변이 약간 차 있는 경우를 나타내고, 도 17은 방광에 소변이 반쯤 차 있는 경우를 나타내고, 도 18은 방광에 소변이 완전히 차 있는 경우를 나타낸다.Meanwhile, FIGS. 16 to 18 show monitoring information on the amount of urine in the bladder in the case of the continuous light wave method. Monitoring information for bladder urine output in the case of continuous light wave method, as shown in FIGS. 16 to 18, monitoring of bladder urine volume in the time domain method, frequency domain method, and multi-distance continuous light wave method described above It can be expressed similarly to information. That is, in the case of the continuous light wave method, the body water content of the bladder indicating the amount of urine for each channel is calculated, and a figure and/or a three-dimensional analysis graph of the bladder can be calculated from this. Here, FIG. 16 shows a case where the bladder is slightly filled with urine, FIG. 17 shows a case where the bladder is half full of urine, and FIG. 18 shows a case where the bladder is completely filled with urine.

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.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for purposes of illustration, and various modifications, changes, and additions will be possible within the spirit and scope of the present invention by those skilled in the art having ordinary knowledge of the present invention, and such modifications, changes and additions should be regarded as belonging to the following claims.

100: 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치
110: 제1 측정부
120: 제2 측정부
130: 제3 측정부
140: 출력부
150: 입력부
160: 통신부
170: 제어부
100: near-infrared based bladder condition measurement device
110: first measuring unit
120: second measurement unit
130: third measurement unit
140: output unit
150: input unit
160: communication department
170: control unit

Claims (11)

근적외선 기반 방광 상태 측정 장치에 있어서,
생체조직의 광학적 분석법 중 시간 영역(TD: Time Domain) 방식 및 주파수 영역(FD: Frequency Domain) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 환자의 방광으로 다파장의 근적외선(NIR: Near Infrared)인 측정용 광을 조사하는 하나의 측정용 광원 및 상기 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호의 제1 광학적 특성을 측정하는 하나의 광센서를 포함하는 제1 측정부;
상기 광학적 분석법 중 다중거리 연속 광파(MD-CW: Multi-Distance Continuous Wave) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 상기 방광으로 상기 측정용 광을 조사하는 적어도 하나의 측정용 광원 및 상기 측정용 광원으로부터 순차적으로 멀어지도록 배치되어, 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 제2 광학적 특성을 측정하는 복수의 광센서를 포함하는 제2 측정부;
상기 광학적 분석법 중 연속 광파(CW: Continuous Wave) 방식으로 방광 상태를 분석하기 위하여, 상기 방광으로 상기 측정용 광을 조사하는 복수의 측정용 광원 및 상기 방광으로부터 반사 및 확산된 광신호의 제3 광학적 특성을 측정하는 복수의 광센서를 포함하는 제3 측정부; 및
상기 측정된 제1 광학적 특성, 제2 광학적 특성 및 제3 광학적 특성을 이용하여 상기 방광의 제1 광흡수계수 및 제1 광산란계수, 제2 광흡수계수 및 제2 광산란계수, 제3 광흡수계수 및 제3 광산란계수를 산출하고, 상기 산출된 제1 광흡수계수, 제2 광흡수계수 및 제3 광흡수계수를 이용하여 상기 방광의 제1 생리학적 정보, 제2 생리학적 정보 및 제3 생리학적 정보를 산출하는 제어부를 포함하되,
상기 제어부는,
하기 수학식을 이용하여 상기 시간 영역 방식에 따른 상기 제1 광흡수계수 및 상기 제1 광산란계수를 산출하고,
Figure 112022046299895-pat00046

여기서, z는 경계에 수직인 거리(The distance normal to the boundary)이고,
Figure 112022046299895-pat00047
이고,
Figure 112022046299895-pat00048
이고, Reff는 유효 프레넬 계수이고,
Figure 112022046299895-pat00049
이고, c는 광속으로,
Figure 112022046299895-pat00050
이고, n은 매질의 굴절율이고, ρ는 광원과 광센서 간의 거리임
하기 수학식을 이용하여 상기 주파수 영역 방식에 따른 상기 제1 광흡수계수 및 상기 제1 광산란계수를 산출하고,
Figure 112022046299895-pat00051

Figure 112022046299895-pat00052

Figure 112022046299895-pat00053

Figure 112022046299895-pat00054

Figure 112022046299895-pat00055

여기서,
Figure 112022046299895-pat00056
이고,
Figure 112022046299895-pat00057
이고,
Figure 112022046299895-pat00058
이고,
Figure 112022046299895-pat00059
이고,
Figure 112022046299895-pat00060
이고, ρ는 광원과 광센서 간의 거리임
하기 수학식을 이용하여 상기 다중거리 연속 광파 방식에 따른 상기 제2 광흡수계수 및 상기 제2 광산란계수를 산출하고,
Figure 112022046299895-pat00061

Figure 112022046299895-pat00062

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 광흡수계수이고, μ's는 광산란계수이고, 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 μaa + 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
하기 수학식을 이용하여 상기 연속 광파 방식에 따른 상기 제3 광흡수계수 및 상기 제3 광산란계수를 산출하고,
Figure 112022046299895-pat00063

여기서, r1 = [z0 2 + ρ 2]1/2이고, r2 = [(z0 + 2zb)2 + ρ 2]1/2이고, z0 = (μa + μ's)-1이고, μeff = [3 μaa + μ's)]1/2
상기 제3 측정부는 각 측정용 광원 별로 4개의 광센서가 대응되도록 배치되어 복수의 채널을 형성하고,
상기 제3 광흡수계수는 임의의 상수로 설정되는 제3 광산란계수를 기준으로 산출되는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
In the near-infrared-based bladder condition measurement device,
Among the optical analysis methods of biological tissue, to analyze the bladder condition in the time domain (TD) method and the frequency domain (FD) method, for measuring multi-wavelength near infrared (NIR) to the patient's bladder a first measuring unit including one measuring light source irradiating light and one optical sensor measuring a first optical characteristic of an optical signal reflected and diffused from the bladder;
In order to analyze the bladder condition in a multi-distance continuous wave (MD-CW) method among the optical analysis methods, at least one light source for measurement that irradiates the light for measurement to the bladder and the light source for measurement a second measurement unit disposed to be apart in sequence and including a plurality of optical sensors for measuring second optical characteristics of the optical signal reflected and diffused from the bladder;
In order to analyze the bladder condition in a continuous wave (CW) method among the optical analysis methods, a plurality of light sources for measurement irradiating the light for measurement to the bladder and a third optical signal reflected and diffused from the bladder a third measuring unit including a plurality of photosensors for measuring characteristics; and
A first light absorption coefficient, a first light scattering coefficient, a second light absorption coefficient, a second light scattering coefficient, and a third light absorption coefficient of the bladder using the measured first optical characteristic, the second optical characteristic, and the third optical characteristic and calculating a third light scattering coefficient, and using the calculated first light absorption coefficient, the second light absorption coefficient, and the third light absorption coefficient, the bladder first physiological information, the second physiological information, and the third physiological information Including a control unit for calculating academic information,
The control unit is
Calculating the first light absorption coefficient and the first light scattering coefficient according to the time domain method using the following equation,
Figure 112022046299895-pat00046

Here, z is the distance normal to the boundary,
Figure 112022046299895-pat00047
ego,
Figure 112022046299895-pat00048
and R eff is the effective Fresnel coefficient,
Figure 112022046299895-pat00049
and c is the speed of light,
Figure 112022046299895-pat00050
, n is the refractive index of the medium, and ρ is the distance between the light source and the photosensor
Calculating the first light absorption coefficient and the first light scattering coefficient according to the frequency domain method using the following equation,
Figure 112022046299895-pat00051

Figure 112022046299895-pat00052

Figure 112022046299895-pat00053

Figure 112022046299895-pat00054

Figure 112022046299895-pat00055

here,
Figure 112022046299895-pat00056
ego,
Figure 112022046299895-pat00057
ego,
Figure 112022046299895-pat00058
ego,
Figure 112022046299895-pat00059
ego,
Figure 112022046299895-pat00060
and ρ is the distance between the light source and the light sensor
Calculating the second light absorption coefficient and the second light scattering coefficient according to the multi-distance continuous light wave method using the following equation,
Figure 112022046299895-pat00061

Figure 112022046299895-pat00062

Here, R(ρ) is the reflectance, ρ=(x, y), a' is the albedo indicating the reflectance at the surface, a' = μ' s / (μ a + μ' s ), and , μ a is the light absorption coefficient, μ' s is the light scattering coefficient, z 0 is the distance from the region of interest (ROI) to the measurement surface (the skin surface of the bladder region), z 0 = (μ a + μ' s ) -1 , μ eff is the effective attenuation coefficient, μ eff = [3 μ aa + μ' s )] 1/2 , r 1 is positive from the region of interest As the distance to the positive impulse source of , r 1 = [(z - z 0 ) 2 + ρ 2 ] 1/2 , and z b is the core of the Extrapolate boundary condition, which assumes that the flux of photons disappears. is the value of the virtual boundary, r 2 is the distance from the region of interest to the negative impulse source, r 2 = [(z + z 0 + 2z b ) 2 + ρ 2 ] 1/2 , R exp (ρ) is the experimental value (experimental R) of reflectance measured in physiological tissues using the experimental system, and α is the system parameter set in the experimental system.
Calculating the third light absorption coefficient and the third light scattering coefficient according to the continuous light wave method using the following equation,
Figure 112022046299895-pat00063

where r 1 = [z 0 2 + ρ 2 ] 1/2 , r 2 = [(z 0 + 2z b ) 2 + ρ 2 ] 1/2 , z 0 = (μ a + μ' s ) -1 and μ eff = [3 μ aa + μ' s )] 1/2
The third measuring unit is arranged such that four optical sensors correspond to each light source for measurement to form a plurality of channels,
The third light absorption coefficient is a near-infrared-based bladder state measuring device, characterized in that calculated based on a third light scattering coefficient set to an arbitrary constant.
제1항에 있어서,
상기 생리학적 정보는 산소 헤모글로빈(O2Hb), 환원 헤모글로빈(HHb), 체수분(Water) 및 지방(Lipid)의 함량을 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
According to claim 1,
The physiological information is a near-infrared based bladder state measuring device, characterized in that it includes the content of oxygenated hemoglobin (O2Hb), reduced hemoglobin (HHb), body water (Water) and fat (Lipid).
제1항에 있어서,
제1 측정부는 미리 설정된 빠른 펄스의 상기 측정용 광을 상기 방광으로 조사하고, 상기 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 시간에 따른 반사신호세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
According to claim 1,
The first measuring unit irradiates the measurement light of a preset fast pulse to the bladder, and measures the reflected signal intensity over time from the optical signal reflected and diffused from the bladder.
제3항에 있어서,
상기 제어부는 상기 측정된 시간에 따른 반사신호세기를 이용하여 시간 영역 방식으로 상기 제1 광흡수계수 및 상기 제1 광산란계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
4. The method of claim 3,
The control unit calculates the first light absorption coefficient and the first light scattering coefficient in a time domain method using the reflected signal intensity according to the measured time.
제1항에 있어서,
상기 제1 측정부는 50~1,000MHz 주파수의 광원이 정현파 형태로 변조된 상기 측정용 광을 상기 방광으로 조사하고, 상기 방광으로부터 반사 및 확산되는 광신호로부터 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율을 측정하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
According to claim 1,
The first measuring unit irradiates the measurement light modulated in the form of a sine wave with a light source of 50 to 1,000 MHz frequency to the bladder, and from the optical signal reflected and diffused from the bladder, the phase shift, the modulation depth, and the DC component versus the AC component Near-infrared-based bladder condition measuring device, characterized in that for measuring the ratio of.
제5항에 있어서,
상기 제어부는 상기 측정된 위상 편이, 변조 깊이 및 DC 성분 대비 AC 성분의 비율을 이용하여 주파수 영역 방식으로 상기 제1 광흡수계수 및 상기 제1 광산란계수를 산출하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
6. The method of claim 5,
The control unit calculates the first light absorption coefficient and the first light scattering coefficient in a frequency domain method using the measured phase shift, modulation depth, and the ratio of the DC component to the AC component. Device.
제1항에 있어서,
상기 제2 측정부는 상기 복수의 광센서 별로 파장별 반사신호세기를 측정하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
According to claim 1,
The second measurement unit near-infrared-based bladder state measuring device, characterized in that for measuring the intensity of the reflected signal for each wavelength for each of the plurality of optical sensors.
제1항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제2 광흡수계수, 상기 제2 광산란계수 및 시스템파라미터를 미지수로 하는 방정식을 이용하여 상기 제2 광흡수계수 및 상기 제2 광산란계수를 산출하되,
상기 제2 측정부는, 상기 미지수의 해의 계산을 위한 3개의 방정식을 생성하기 위하여, 최소 3개의 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 근적외선 기반 방광 상태 측정 장치.
According to claim 1,
The control unit calculates the second light absorption coefficient and the second light scattering coefficient by using an equation in which the second light absorption coefficient, the second light scattering coefficient, and the system parameter are unknown,
The second measuring unit, to generate three equations for calculating the solution of the unknown, near-infrared-based bladder state measuring device, characterized in that it comprises at least three optical sensors.
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