KR102445629B1 - 비침습 혈당측정 시스템 및 그 동작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카메라로 촬영된 손가락 컬러영상을 처리하여 PPG파형을 획득하고, PPG파형을 적분하여 PPG면적을 도출하며, PPG파형을 두 번 미분하여 APG파형을 도출하고, PPG면적 및 APG파형의 최대점과 최소점을 함께 이용하여 혈당을 측정하는 비침습 혈당측정 시스템 및 그 동작방법을 개시한다.

Description

비침습 혈당측정 시스템 및 그 동작방법{SYSTEM FOR MEASURING BLOOD GLUCOSE BASED ON NON-INVASIVE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 비침습 혈당측정 시스템 및 그 동작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카메라를 이용하여 손가락을 촬영하고, 촬영된 영상을 이용하여 혈당을 측정하는 기술에 관한 것이다.

당뇨병이란 신체 내에서 혈당조절에 필요한 인슐린의 분비나 기능장애로 인해 발생된 고혈당을 특징으로 하는 대사성 질환이다. 당뇨병 예방이나 환자들의 관리를 위해서는 자신의 혈당측정을 위한 장치가 필요하다.

자가 혈당측정 방법은 일반적으로 의료기관 또는 가정용 혈당계를 사용하는 방법이지만, 모두 혈액을 채취하기 위해서 주사기 또는 채혈침을 이용해 신체를 침습하는 방식이다. 특히나 대부분 사용자들이 혈당측정을 위해서는 소형화된 가정용 혈당계를 이용하는 경우가 많지만, 혈당측정을 위해서는 소독용 알코올, 채혈기, 채혈침, 혈당 스트립 및 혈당계를 직접적으로 모두 휴대해야 한다.

결국 현재 혈당을 측정하는 방법에 있어서 침습이라는 단점이 점점 더 부각됨에 따라 기술에 발달에 따른 혈당측정을 위해 휴대하기 쉽고 간편하고 고통 없이 측정이 가능한 측정기기가 요구되고 있다.

최근에는 선행기술로 기재된 특허문헌과 같이 카메라를 이용하여 손가락을 촬영하고, 촬영된 영상을 이용하여 혈당을 측정하는 비침습 혈당측정 장치가 개발되고 있다. 그러나 종래에는 카메라의 영상을 그대로 사용하여 혈당값의 측정 정확도가 감소되는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-1144434호

상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 컬러영상에서 적색영상을 분리하고, 설정된 시간동안 적색영상에 포함된 관심영역의 밝기값을 누적하여 PPG파형을 생성한다.

본 발명은 대역통과필터를 이용하여 PPG파형에 존재 가능한 손가락의 미세한 떨림과 잡음을 제거시키고, 기저선필터를 이용하여 PPG파형의 밝기값 변화에 대한 중심을 정렬한다.

본 발명은 PPG파형을 적분하여 PPG면적을 도출하고, PPG파형을 두 번 미분하여 APG파형을 도출하며, PPG면적과 APG파형의 최대점과 최소점을 함께 이용하여 혈당을 측정한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명의 실시예에 따른 비침습 혈당측정 시스템은, 손가락 컬러영상을 생성하는 손가락 촬영부(20), 컬러영상을 처리하여 획득된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하는 혈당 측정기(10) 및 혈당값을 출력하는 결과 출력부(30)를 포함하고, 상기 혈당 측정기는, 상기 PPG파형을 적분하여 PPG면적을 도출하고, PPG파형을 두 번 미분하여 APG파형을 도출하며, APG파형의 최대점과 최소점을 이용하여 혈관의 탄성도를 측정하는 혈당 측정부(17)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 혈당 측정부는 PPG면적 및 APG파형의 최대점과 최소점을 함께 이용하여 혈당을 측정하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 손가락 촬영부는 손가락의 첫 번째 마디를 향하여 광원을 조사하는 발광기(21) 및 상기 광원이 투과된 손가락을 촬영하는 카메라(22)를 포함하고, 상기 혈당 측정기는 컬러영상에서 손가락의 첫 번째 마디와 두 번째 마디 간의 밝기를 비교하여 관심영역을 설정하는 영상처리 중앙 제어부(11)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 손가락 촬영부는 손가락의 끝단을 감지하여 발광기와 카메라의 구동을 알리는 알림신호를 생성하는 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 결과 출력부는 그래프의 형태로 혈당등급을 시각화하고, 복수의 색상으로 혈당등급을 구분하여 시각화하며, 혈당등급에 매칭되는 색상으로 혈당값을 시각화하고, 혈당값에 대응하는 혈당등급을 지시하는 지시수단을 시각화하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 손가락 컬러영상을 생성하는 손가락 촬영부, 컬러영상을 처리하여 획득된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하는 혈당 측정기 및 혈당값을 출력하는 결과 출력부를 포함하는 비침습 혈당측정 시스템의 동작방법은, 상기 혈당 측정기의 영상처리 중앙 제어부가 컬러영상에서 적색영상을 분리하는 단계; 상기 혈당 측정기의 신호처리부(16)가 설정된 시간동안 적색영상에 포함된 관심영역의 밝기값을 누적하여 PPG파형을 생성하고, 대역통과필터를 이용하여 PPG파형에서 손가락의 미세한 떨림에 의한 잡음을 제거시키며, 기저선필터를 이용하여 PPG파형의 밝기값 변화에 대한 중심을 정렬하는 단계 및 상기 혈당 측정기의 혈당 측정부(17)가 신호처리된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 비침습 혈당측정 시스템의 동작방법은, 상기 신호처리부가 보간법을 이용하여 PPG파형의 분해능을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 적색영상 기반의 영상처리 및 대역통과필터와 기저선필터 기반의 신호처리가 적용된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정함으로써, 혈당값의 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 PPG면적과 APG파형의 최대점과 최소점을 함께 이용하여 혈당을 측정함으로써, 혈당측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비침습 혈당측정 시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1의 손가락 촬영부를 상세하게 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 혈당 측정기의 동작방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 손가락을 촬영한 컬러영상을 도시한 예이다.
도 5는 PPG파형을 도시한 예이다.
도 6은 PPG파형에 보간법을 적용한 예이다.
도 7은 PPG파형의 면적을 도출하는 예이다.
도 8은 PPG파형의 미분에 따른 파형의 변화를 도시한 예이다.
도 9는 결과 출력부의 화면을 도시한 예이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비침습 혈당측정 시스템을 도시한 블록도로서, 비침습 혈당측정 시스템은 손가락 촬영부(20), 혈당 측정기(10) 및 결과 출력부(30)를 포함한다.

손가락 촬영부(20)는 손가락 컬러영상을 생성하고, 혈당 측정기(10)는 컬러영상을 처리하여 획득된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하며, 결과 출력부(310)는 혈당값을 출력한다.

도 2는 도 1의 손가락 촬영부를 상세하게 도시한 것으로서, 손가락 촬영부(20), 혈당 측정기(10) 및 결과 출력부(310)는 유선 또는 무선으로 통신되고, 일체형 또는 분리형으로 제작이 가능하다. 예를 들어 결과 출력부(310)는 일체형으로 제작되면 혈당 측정기(10)의 설정된 위치에 디스플레이(31)가 형성되고, 분리형으로 제작되면 디스플레이(31)가 구비된 스마트폰이다.

손가락 촬영부(20)는 발광기(21) 및 카메라(22)를 포함한다. 발광기(21)는 광을 조사하는 장치로서 설정된 파장의 광원을 조사한다. 발광기(21)는 손가락의 첫 번째 마디를 향하여 850nm의 광원을 조사할 수 있다. 카메라(22)는 광원이 투과된 손가락을 촬영하여 손가락 컬러영상을 생성한다.

신체의 구조상 손가락에는 정맥, 동맥, 모세혈관이 형성되고, 모세현관은 손가락 전체에 퍼져 있으므로, 본 발명은 손가락의 첫 번째 마디에 광원을 조사하여 혈당측정을 용이하도록 한다. 850nm 파장의 광원은 혈액 속에 함유되어 있는 포도당 등 혈당 측정에 유리한 광원이다.

본 발명은 고혈액 속에 함유된 성분 중 당분과 850nm 광원에 빛을 비추었을 때 빛을 반사시키는 특성을 가지고 있으므로, 850nm의 광원을 사용할 수 있다. 본 발명은 혈액 속 당분이 적으면 빛을 반사시키는 빛의 양이 적기 때문에 촬영되는 빛의 세기가 밝게 촬영되지만, 혈액 속 당분이 많으면 빛을 반사시키는 빛의 양이 많아지기 때문에 촬영되는 빛의 세기가 비교적 어둡게 촬영되어진다.

손가락 촬영부(20)는 손가락의 끝단을 감지하여 발광기(21)와 카메라(22)의 구동을 알리는 알림신호를 생성하는 센서부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 센서부는 발광기(21)와 카메라(22)의 사이 또는 끝단에 형성될 수 있다. 센서부는 터치 센서, 압력 센서, 적외선 센서 또는 스위치일 수 있다.

도 3은 도 1의 혈당 측정기의 동작방법을 도시한 흐름도로서, 혈당 측정기(10)는 영상처리 중앙 제어부(11), 신호처리부(16) 및 혈당 측정부(17)를 포함한다.

영상처리 중앙 제어부(11)는 첫 번째 마디에만 광원을 비추기 때문에, 손가락의 첫 번째 마디와 두 번째 마디 간의 밝기를 비교하여 관심영역(ROI, Region Of Image)을 설정할 수 있다.

본 발명은 관심영역을 설정하여 영상의 신호처리 속도를 향상시킬 수 있고, 신호처리에 대한 연산 복잡도를 감소시킬 수 있으며, 궁극적으로 혈당 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 4는 손가락을 촬영한 컬러영상을 도시한 예로서, 영상처리 중앙 제어부(11)는 컬러영상에서 적색영상을 분리한다. 컬러영상은 적색영상, 녹색영상 및 청색영상으로 구분된다.

적색영상만을 사용하는 이유는 혈액이 적색을 띄고 있고, 광원을 투과한 손가락에서 적색의 빛이 가장 많은 영향력을 가지기 때문이다. 중앙 제어부(11)는 컬러영상에서 적색영상을 분리함으로써, 녹색영상과 청색영상 등 불필요한 잡음을 제거할 수 있다.

신호처리부(16)는 설정된 시간동안 적색영상에 포함된 관심영역의 밝기값을 누적하여 건강정보 획득을 위한 원형(raw) 파형으로 변환할 수 있다. 여기서 원형파형은 신호처리가 되지 않은 PPG파형을 의미하고, 설정된 시간은 최소 1초에서 최대 2분까지이다.

PPG파형을 관측하는데 있어 최소 한 개 이상의 주기를 관측하기 위해서는 1초의 시간이 필요하다. 만약 1초 미만이면 PPG파형이 단락되는 현상이 발생하여 심장활동에 따른 혈액의 변화를 관측할 수 없는 현상이 발생할 수 있다.

본 발명에서 설정된 시간을 최대 2분으로 설정한 이유는, 사용자가 손가락 촬영부(20)에 손가락을 넣고 있는 지속시간을 최소화하거나, 사용자가 측정을 기다리는 불편한 상황을 최소화하기 위함이고, 2분 안에 혈당측정이 충분히 가능하기 때문이다.

신호처리부(16)는 관심영역에 대한 밝기값을 평균으로 도출하고, 이를 시간에 대한 밝기값으로 누적하여 하나의 PPG파형으로 도출된다. 밝기값은 0~255의 픽셀(pixel)값을 포함할 수 있고, 영상은 사용자별 손가락에 따라 해상도가 변할 수 있다.

신호처리부(16)는 설정된 관심영역이 전체를 하나의 밝기값으로 변환하기 위하여 관심영역의 밝기값을 평균으로 하여 하나의 밝기값으로 변환할 수 있다. 데이터의 시간과 평균 밝기값을 파형의 형태로 변환하는 것은 X축의 밝기값과 Y축의 시간으로 변환할 수 있다.

도 5는 PPG파형을 도시한 예로서, PPG파형은 심장박동에 의한 혈액량의 변화를 나타내는 파형이다. PPG파형의 원리는 심장이 수축하여 혈액을 신체에 공급할 경우 전체적인 손가락에선 혈액량이 증가되어 빛의 투과량이 적어지고, 심장의 이완으로 혈액이 심장으로 돌아갈 경우 전체적인 손가락에선 혈액량이 감소되어 빛의 투과량이 증가되므로, 빛의 투과량 변화에 의한 파형이 도출되는 원리이다.

일반적으로 심장에서 관측되는 PPG파형은 도 5에 도시된 바와 같은 파형으로 관측되지만, 카메라(22)의 영상으로 측정된 PPG파형은 카메라(20)의 분해능(resolution)이 낮고, 손가락의 미세한 떨림에 의한 잡음이 발생함으로, 추가적인 신호처리가 필요하다.

신호처리부(16)는 전술한 카메라(20) 영상의 문제점을 해결하기 위하여 대역통과필터(밴드 패스 필터)를 이용하여 PPG파형에 존재 가능한 손가락의 미세한 떨림과 잡음을 제거시키고, 기저선필터(Savitzky-Golay Filter)를 이용하여 PPG파형의 밝기값 변화에 대한 중심을 정렬하며, 보간법을 이용하여 PPG파형의 분해능을 증가시킬 수 있다.

필터에는 로우 패스 필터(Low Pass Filter, LPF), 밴드 패스 필터(Band Pass Filter, BPF) 및 하이 패스 필터(High Pass Filter, HPF)로 구분되고, 일반적으로 특정 빛에 대한 보정을 위해 사용된다.

본 발명에서는 빛에 대한 보정이 아니라 손가락의 미세한 떨림에 의한 잡음을 제거시키기 위하여 0.1~60Hz 주파수대역을 갖는 대역통과필터를 사용할 수 있다. 신호처리부(16)는 대역통과필터를 사용하여 0.1~60Hz를 제외한 그 외의 주파수를 제거할 수 있다. 본 발명은 손가락의 미세한 떨림에 의한 잡음이 제거되어 혈당을 더욱 정확하게 측정할 수 있다.

사람은 본인이 인지하지 못하는 미세한 떨림이 있는데 이는 신체의 활동과 연관되어 있고, 미세한 떨림은 신체의 활동에 따른 일정한 흔들림으로 영상촬영에 방해가 되는 요소이므로, 본 발명은 이러한 미세한 떨림을 제거하기 위하여 0.~60Hz의 주파수대역을 갖는 대역통과필터를 사용할 수 있다.

본 발명은 사람에 따라 신체활동이 각각 다르고 그에 따라 발생하는 주파수도 다르기 때문에 사람마다 맞는 고유의 특정 주파수가 있지만, 연구를 통하여 인체공학적으로 0.1~60Hz의 인지하지 못하는 주파수로 떨린다는 것을 알아냈다.

신호처리부(16)는 기저선필터를 통해서 밝기값의 변화에 대한 중심을 맞추기 위해서 기저선필터를 이용하여 중심선값을 필터링한 뒤 이를 대역통과필터에서 도출된 필터링 이전의 파형에서 빼주어 제거할 수 있다.

신호처리부(16)는 기저선(base-line) 제거를 통해서 PPG파형의 진폭의 크기변화를 0을 기준으로 하여 변화폭을 확인할 수 있고, 빛에 의한 외부적인 변화를 제거하여 PPG의 원형에 가까운 파형을 획득할 수 있다.

도 6은 PPG파형에 보간법을 적용한 예로서, 신호처리부(16)는 보간법을 이용하여 PPG파형의 분해능을 증가시킬 수 있다. 예를 들어 보간법은 3차 보간법(cubic interpolation)이다.

종래에는 보간법을 사용하여 파형의 곡률을 보정하기 위해 사용된다. 본 발명에서는 분해능이 낮은 카메라(22)의 성능에 의해 곡률이 0에 가까울 수 있고, 이로 인해 혈당 측정의 정확도가 감소될 수 있으므로, 곡률과 데이터의 양 등 분해능을 증가시키기 위하여 보간법을 사용하는 것이다.

예를 들어 카메라의 성능은 대략 15∼30FPS(Frame Per Second)로 이는 전문적인 의료기기와 대비하여 동일한 PPG 그래프를 획득하지는 못하는 실정이다. 더욱 상세하게는 카메라(22)로 촬영된 파형은 1초당 분해능 또는 샘플링의 데이터 개수가 대략 30~60개로 제한되고, 기존의 의료기기에서 측정되는 센서일 경우 1초당 약 1,000개 이상의 분해능을 제공하므로, 본 발명에서는 보간법을 사용하여 500~1000개의 분해능 데이터로 향상시키고, 분해능이 향상된 PPG파형을 이용하여 혈당측정에 사용한다.

신호처리부(16)는 획득한 파형의 분해능 성능을 향상시키기 위해 PPG 파형의 좌표값(

)를 이용하여 3차 보간법을 실시하여 분해능을 향상시킬 수 있다.

PPG파형에서 측정되는 점의 좌표(

)는 시간에 따라 측정되는 시간과 PPG파형의 진폭값을 나타낸다. 3차 보간법은 두 점의 좌표(

), (

)와 기울기를 이용하여 사이값을 보충하게 된다. 3차 보간법은 공식화된 4개의 수식을 포함하는 [수식 1]에 다음의 두 점값을 대입한다.

[수식 1]

정형화된 [수식 1]은 보간법 [수식 2]의 보조적인 역할이고, [수식 1]과 [수식 2]를 통하여 두 점 사이의 좌표값(

)을 도출 할 수 있다.

[수식 2]

최초 촬영된 영상에서 획득한 데이터의 개수는 1초당 15∼30개이지만 3차 보간법을 통해 도출된 PPG파형은 5,000개의 데이터 개수를 확보할 수 있다. 모든 신호처리가 완료된 5,000개의 PPG파형은 혈당 측정부(17)로 전달되어 비침습 무채혈 혈당 측정을 가능하게 한다.

보간법에는 다양한 방법이 존재하지만, PPG파형과 3차 방정식의 정규 그래프가 유사하기 때문에, 본 발명에서는 3차 보간법이 가장 유사한 값으로 분해능을 상승시킬 수 있는 성능을 도출할 수 있다. PPG파형에서 측정되는 점의 좌표(

)는 시간에 따라 측정되는 시간과 PPG파형의 진폭값을 나타낸다.

신호처리부(16)는 대역통과 → 기저선 → 보간법 순으로 처리된다. 순서가 정해진 이유는 다음과 같다. 먼저 영상을 촬영할 때 사용자의 손가락에서는 미세한 떨림의 잡음이 발생하게 되고, 이를 제거하기 위해 대역통과필터를 활용한다. 이때 대역통과필터를 이용한 잡음을 제거하지 않으면 기저선필터와 보간법의 과정에서 무작위의 주파수변형을 발생하고, 무작위의 주파수변형에 의해 혈당측정의 정확도가 감소될 수 있다. 아래에는 이러한 순서를 지키지 않았을 때 발생하는 상황을 설명하기로 한다.

<기저선 → 보간법 → 대역통과 또는 보간법 → 기저선 → 대역통과>

다음의 상황은 대역통과필터가 가장 마지막으로 처리하는 것으로서, 기저선과 보간법에 의해서 손가락 떨림에 의한 잡음을 유지된 상태에서 신호처리를 하게 되어 있다. 만약 위 순서대로 신호처리부(16)를 구성하게 될 경우 잡음의 주파수가 무작위로 변형되어 대역통과를 위한 주파수 범위 내에 들어갈 가능성이 있고, 이럴 경우 정확한 PPG파형을 얻지 못하며 결국 잡음이 완벽하게 제거되지 않은 PPG파형이 도출되지 않는다.

<기저선 → 대역통과 → 보간법 또는 보간법 → 대역통과 → 기저선>

다음의 상황은 대역통과필터가 중간에 처리하는 것으로서, 위의 방식보단 주파수의 변형이 많이 발생하지는 않지만, 각 필터의 특성으로 신호의 특성이 달라질 수 있다.

먼저 기저선 → 대역통과 → 보간법의 방법의 경우, 기저선을 제거하였지만 대역통과필터로 인해 다시 신호의 기저선의 변화가 생길 수 있고, 이전에 제거된 기저선이 다시 발생할 수 있다.

또한 보간법 → 대역통과 → 기저선의 방법의 경우, 보간법은 데이터의 양을 증대시키는 효과도 있지만 부족하였던 데이터의 양을 증대시키기 위해 보간하는 것이다. 그러나 이러한 경우 잡음을 데이터로 간주하고, 데이터의 양을 증대시키기 때문에 잡음의 주파수의 변형이 크게 발생하게 될 수 있다. 또한 이러한 경우 대역통과를 통해서 모든 잡음이 제거되지 않는 상황이 발생할 수 있다.

<대역통과 → 보간법 → 기저선>

대역통과 → 보간법 → 기저선의 방법은 잡음을 제거하여 가능한 것으로 보일수도 있지만, 보간법의 의의는 부족한 데이터를 보충하는데 있는 것이다. 그렇기 때문에 보간법은 신호의 형태가 알맞게 띄고 있으나, 이에 대한 데이터가 부족하기 때문에 이를 보간하는데 사용하게 된다. 만약 기저선과 보간법의 순서가 다음과 같이 바뀌게 된다면 기저선필터에 의해서 다시 데이터의 변형을 일으키게 된다. 보간법이 신호가 완벽하지 않은 상태에서 사용하게 된다는 것은 결국 불완전한 신호를 보간하게 된 것이고, 차후 신호처리과정에서 문제가 발생할 수 있다.

따라서 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 대역통과, 기저선 및 보간법 순의 시계열적 신호처리가 필요한 것이다.

도 7은 PPG파형의 면적을 도출하는 예로서, 혈당 측정부(17)는 PPG파형을 적분하여 PPG면적을 도출할 수 있다. 면적을 도출하는 방법은 [수식 3]을 이용한다.

[수식 3]

도 8은 PPG파형의 미분에 따른 파형의 변화를 도시한 예로서, PPG의 면적(

)은 PPG파형에 대한 이완기 및 수축기를 모두 포함한 혈당을 계산하기 용이하다.

혈당 측정부(17)는 혈당을 도출하기 위해 혈관의 탄성도를 이용하여 혈당 측정 관계식에 이용해야 하고, 혈관의 탄성도는 PPG를 두 번 미분한 APG파형에 의해 도출되고, 도 8에 도시된 바와 같이 PPG(300-1) 파형을 APG(300-3) 파형으로 변환한다. 변환된 APG 파형에서 a의 지점(최대점)과 b의 지점(최소점) 간의 비율은 혈관의 탄성도를 유추할 수 있다. 더욱 상세하게는 혈관의 탄성도는

이다.

a지점은 심장에서 보내는 PPG에서 심장의 혈액을 내보내기 위한 도입점으로서, 이는 비교하기 위한 용도로 사용되고 있다.

b지점은 심장에서 보내는 혈액의 세기입니다. PPG에서는 혈액을 보낼 때의 중간지점이며, 이때 혈관의 탄성도에 따라 가속도가 얼마나 큰 변화를 일으키는가를 확인할 수 있다. 만약 혈관의 탄성도가 혈액을 몸 전체에 보내는 탄력이 부족하여 b에 대한 가속도가 급격히 낮아지게 될 수 있다. 그렇게 되면 결국

의 비율은 낮아진다. 그렇지만 만약 혈관의 탄성도가 높은 경우 혈관의 탄성도가 혈액을 몸 전체에 보내는데 탄력이 충분하여 b에 대한 가속도가 유지되거나 완만하게 낮아지게 도비된다. 그러면

의 비율은 높아질 수밖에 없다.

그 외에 c,d,e의 지점은 심장 수축에 이후에 발생하는 가속도이며 다음과 같은 역할을 수행한다. c는 혈액이 몸 전체에서 다시 심장으로 되돌아갈 때의 비교값이다. d는 혈액이 빠져나가는 세기이지만 위 값의 경우 혈액의 탄성도와 관련이 있다. 그러다 d는 혈액이 다시 심장으로 돌아가고 있는 도중이기 때문에 아직 혈관에 남아있는 혈액으로 인해 혈관의 탄성도로 활용하기 어려울 수 있다.

e는 혈액이 빠져나가는 중간지점이며, 심장활동의 특징으로 인해 혈액이 심장으로 돌아가는 것이 잠시 멈춰지며, 가속도의 변화를 일으킨다. 이는 혈액의 탄성도와는 다른 의미를 두고 있다.

종합적으로 다음의 [수식 4]를 이용하여 혈당(

)을 측정할 수 있다.

[수식 4]

혈당 측정부(17)는 PPG면적 및 APG파형의 최대점과 최소점을 함께 이용하여 혈당을 측정할 수 있다.

위 내용과 같이 APG의 최대점(

)과 최소점(

)은 혈관의 탄성도(

)를 나타내고 있다. 혈액의 탄성도는 혈액속 포함된 당분읜 농도와 관련이 되어있는 것으로서, 일반적으로 당분의 경우 물과 섞이게 되면 끈적거리게 변하는 성질이 있다. 이러한 경우 보다 혈당이 높아지면 혈관의 탄성도가 높아도 가속도가 제 속도를 내지 못하기 때문에 이를 요인(factor)으로 활용될 수 있다.

또한 혈당은 다음과 같은 성질이 있다. 혈관 내 당분이 적게 함유된 경우 광원의 빛 감쇄량이 적어 촬영되는 영상의 밝기는 밝게 촬영된다. 그러나 당분이 다량 함유된 경우 광원의 빛 감쇄량이 많아 촬영되는 영상의 밝기는 어둡게 촬영될 수 있다. 이러한 밝기값의 변화는 픽셀값을 통해서 확인 가능하게 되지만, 전체적으로 어두운지 또는 밝은지 확인할 수 없다.

그렇기 때문에 PPG의 면적은 종래의 PPG의 전체적인 밝기값 변화를 이용한 방법보단 보다 확실하게 감지할 수 있다. 더욱 상세하게는 종래기술의 경우 혈당측정을 위해 모든 PPG값에 대한 빛의 변화를 확인하는 방법이지만, 이는 순간적인 픽셀값의 변화를 확인하여 기울기에 따른 빛의 어두움과 밝음을 확인하는 것이다. 최종적으로 종래의 혈당 측정은 광원의 감쇄량을 순간적으로 감지할 수 있는 방법이지만, 이에 대한 문제점은 순간적인 변화량을 감지하기 때문에 심장박동에 대한 모든 광원의 감쇄량을 적용하기에는 어려움이 있는 것이다.

반면에 본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 PPG면적을 이용한 PPG파형의 전체에 대한 어두움과 밝음의 확인하여 혈당의 농도를 확인하고, 추가적으로 APG의 최대점과 최소점을 함께 사용하여 당분에 의한 혈관 탄성도의 변화를 확인하여 보다 정확한 혈당을 측정할 수 있다.

도 9는 결과 출력부의 화면을 도시한 예로서, 결과 출력부(30)는 복수의 색상으로 혈당등급을 구분하여 시각화하고, 혈당등급에 매칭되는 색상으로 혈당값을 시각화하며, 혈당값에 대응하는 혈당등급을 지시하는 지시수단을 시각화할 수 있다.

결과 출력부(30)는 도 9에 도시된 바와 같이 3가지로 혈당등급을 구분하여 시각화할 수 있고, 3가지의 색상(예를 들어 정상은 녹색, 주의는 주황색 및 위험은 적색의 색상) 혈당등급과 혈당값을 시각화할 수 있으며, 화살표 형상의 지시수단을 시각화할 수 있으므로, 사용자는 쉽게 자신의 혈당 상태를 알 수 있다.

결과 출력부(30)는 도 9에 도시된 바와 같이 원형 그래프의 형태로 혈당등급을 시각화할 수 있고, 막대 그래프 등 다양한 형식의 그래프로 혈당등급을 시각화할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면 혈당 측정기(10)는 발광 제어부(12), 영상촬영 제어부(13), 전원부(14) 또는 혈당측정 중앙 제어부(15)를 더 포함할 수 있다.

발광 제어부(12)는 발광기(21)의 동작을 제어한다. 영상촬영 제어부(13)는 카메라(22)에서 촬영된 컬러영상을 영상처리 중앙 제어부(11)로 전달한다. 전원부(14)는 전체적인 시스템의 전원공급을 담당한다.

영상처리 중앙 제어부(11)는 발광 제어부(12), 영상촬영 제어부(13) 또는 전원부(14)의 동작을 종합적으로 제어할 수 있고, 각 부의 수행순서와 정보전달의 관리를 수행할 수 있다.

혈당측정 중앙 제어부(15)는 혈당 측정을 위해서 촬영된 영상을 신호처리부(16)으로 전송한 뒤 혈당 측정을 위한 신호처리 후 획득한 신호를 혈당 측정부(17)로 전송한다. 혈당 측정부(17)는 신호를 이용하여 혈당을 측정한 뒤 이를 혈당측정 중앙제어부(15)로 측정된 혈당값을 전달한다. 측정된 혈당값은 결과 출력부(30)로 전송하여 디스플레이(31)에 측정된 혈당값을 출력한다.

10: 혈당 측정기 11: 영상처리 중앙 제어부
12: 발광 제어부 13: 영상촬영 제어부
14: 전원부 15: 혈당측정 중앙 제어부
16: 신호처리부 17: 혈당 측정부
20: 손가락 촬영부 21: 발광기
22: 카메라 30: 결과 출력부
31: 디스플레이

Claims (7)

1. 손가락 컬러영상을 생성하는 손가락 촬영부(20), 컬러영상을 처리하여 획득된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하는 혈당 측정기(10) 및 혈당값을 출력하는 결과 출력부(30)를 포함하는 비침습 혈당측정 시스템에 있어서,
   상기 혈당 측정기는,
   상기 PPG파형을 적분하여 PPG면적을 도출하고, PPG파형을 두 번 미분하여 APG파형을 도출하며, APG파형의 최대점과 최소점을 이용하여 혈관의 탄성도를 측정하는 혈당 측정부(17)를 포함하고,
   상기 손가락 촬영부는 손가락의 첫 번째 마디를 향하여 광원을 조사하는 발광기(21), 상기 광원이 투과된 손가락을 촬영하는 카메라(22) 및 손가락의 끝단을 감지하여 발광기와 카메라의 구동을 알리는 알림신호를 생성하는 센서부를 포함하며,
   상기 혈당 측정기는,
   상기 컬러영상에서 손가락의 첫 번째 마디와 두 번째 마디 간의 밝기를 비교하여 관심영역을 설정하는 영상처리 중앙 제어부(11) 및
   설정된 시간동안 적색영상에 포함된 관심영역의 밝기값을 누적하여 건강정보 획득을 위한 원형 파형으로 변환하는 신호처리부(16)를 더 포함하고,
   상기 영상처리 중앙 제어부는 잡음에 해당하는 녹색영상과 청색영상을 제거하기 위해 컬러영상에서 적색영상을 분리하고, 상기 손가락 촬영부는 관심영역의 밝기값을 누적하기 위해 설정된 시간동안 손가락을 촬영하는 것을 특징으로 하는 비침습 혈당측정 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 혈당 측정부는 PPG면적 및 APG파형의 최대점과 최소점을 함께 이용하여 혈당을 측정하는 것을 특징으로 하는 비침습 혈당측정 시스템.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 결과 출력부는 그래프의 형태로 혈당등급을 시각화하고, 복수의 색상으로 혈당등급을 구분하여 시각화하며, 혈당등급에 매칭되는 색상으로 혈당값을 시각화하고, 혈당값에 대응하는 혈당등급을 지시하는 지시수단을 시각화하는 것을 특징으로 하는 비침습 혈당측정 시스템.
6. 손가락 컬러영상을 생성하는 손가락 촬영부, 컬러영상을 처리하여 획득된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하는 혈당 측정기 및 혈당값을 출력하는 결과 출력부를 포함하는 비침습 혈당측정 시스템의 동작방법에 있어서,
   상기 혈당 측정기의 영상처리 중앙 제어부가 컬러영상에서 적색영상을 분리하는 단계;
   상기 혈당 측정기의 신호처리부가 설정된 시간동안 적색영상에 포함된 관심영역의 밝기값을 누적하여 PPG파형을 생성하고, 대역통과필터를 이용하여 PPG파형에서 손가락의 미세한 떨림에 의한 잡음을 제거시키며, 기저선필터를 이용하여 PPG파형의 밝기값 변화에 대한 중심을 정렬하는 단계 및
   상기 혈당 측정기의 혈당 측정부가 신호처리된 PPG파형을 이용하여 혈당값을 측정하는 단계를 포함하고,
   상기 손가락 촬영부는 손가락의 첫 번째 마디를 향하여 광원을 조사하는 발광기, 상기 광원이 투과된 손가락을 촬영하는 카메라 및 손가락의 끝단을 감지하여 발광기와 카메라의 구동을 알리는 알림신호를 생성하는 센서부를 포함하며,
   상기 영상처리 중앙 제어부는 손가락의 첫 번째 마디와 두 번째 마디 간의 밝기를 비교하여 관심영역을 설정하고,
   상기 신호처리부는 설정된 시간동안 적색영상에 포함된 관심영역의 밝기값을 누적하여 건강정보 획득을 위한 원형 파형으로 변환하며,
   상기 영상처리 중앙 제어부는 잡음에 해당하는 녹색영상과 청색영상을 제거하기 위해 컬러영상에서 적색영상을 분리하고, 상기 손가락 촬영부는 관심영역의 밝기값을 누적하기 위해 설정된 시간동안 손가락을 촬영하는 것을 특징으로 하는 비침습 혈당측정 시스템의 동작방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 신호처리부가 보간법을 이용하여 PPG파형의 분해능을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 혈당측정 시스템의 동작방법.

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