KR102466236B1 - 단일 파장을 갖는 레이저 조합을 이용한 광음향 진단 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단일 파장을 갖는 레이저 조합을 이용한 광음향 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피검체에 단일 파장을 갖는 레이저 광의 조합을 조사함으로써 광음향 장치의 소형화를 도모하는 광음향 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치는, 피검체에 단일 파장을 갖는 레이저 광이 조합된 광을 조사하는 광원, 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 감지부 및 상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치는, 피검체에 단일 파장을 갖는 레이저 광이 조합된 광을 조사하는 광원, 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 감지부 및 상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 단일 파장을 갖는 레이저 조합을 이용한 광음향 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피검체에 단일 파장을 갖는 레이저 광의 조합을 조사함으로써 광음향 장치의 소형화를 도모하는 광음향 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
당뇨병은 세계 성인 인구의 10명 중 한 명이 가지고 있는 질병으로서, 개인, 가족, 보건 시스템, 및 국가에 상당한 경제적 부담이 된다. 당뇨병 환자의 혈중 포도당(혈당) 수치가 유지되지 않으면, 당뇨병 환자는 심혈관 질환, 신장 질환, 당뇨발 등 환자의 생활에 큰 불편을 초래하고 자칫 생명에도 위협을 줄 수 있는 심각한 합병증을 갖게 된다. 따라서 혈당 수치가 규칙적으로 모니터링되고, 높은 혈당 수치는 즉각적으로 대처될 필요가 있다.
일반적으로 혈당 수치는, 효소가 함유된 전기 화학 반응 센서를 이용하여 침습적으로(invasive) 얻어진 혈액 샘플로부터 결정된다. 이때 손가락을 바늘로 찌르는 등의 과정을 통해 혈액을 획득하는 것은, 하루 동안 수회 혈당을 측정해야 하는 당뇨 환자에게 큰 불편이 될 수 있고, 감염의 위험도 크다.
또한, 비침습적 혈당 측정 방법으로서, 라만 분광법(Raman spectroscopy), 분산 반사 분광법(diffuse reflection spectroscopy), 열발산 분광법(thermal emission spectroscopy), 근적외선 흡수 분광법(near-infrared absorption spectroscopy), 테라주파수 분광법(mm-wave terahertz spectroscopy), 경피전달 임피던스 측정법(transdermal impedance spectroscopy), 저주파 초음파 측정 방법(sonophoresis), 및 이온토포레시스법(iontophoresis techniques) 등이 개발되었다. 하지만, 이러한 측정 방법은 피부 조직의 분비물 또는 피부 상태에 따라 정밀도가 떨어지는 문제점을 갖는다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서, 종래의 한국공개특허 제10-2019-0063446호는 광음향을 이용하여 체내의 혈당을 예측하는 방법을 개시한다. 그러나, 종래 공개 특허는 혈당을 측정하기 위해 연속적으로 변화하는 레이저 광을 조사하며, 이를 위해 레이저 및 광학 설비의 크기가 증가하고, 웨어러블 기기의 제작이 어렵다는 문제점을 갖는다.
상기 전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 혈당과 다른 물질을 구분할 수 있는 최적의 단일 파장 레이저의 조합을 사용함으로써, 레이저 및 광학 설비의 크기를 줄인 광음향 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예로써, 단일 파장을 갖는 레이저 조합을 이용한 광음향 진단 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치는, 피검체에 단일 파장을 갖는 레이저 광이 조합된 광을 조사하는 광원, 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 감지부 및 상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치에서, 상기 광은, 1400nm 내지 1520nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 1 레이저 광, 1520nm 내지 1720 nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 2 레이저 광 및 1720nm 내지 1850nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 3 레이저 광 중 적어도 어느 하나를 조합한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치에서, 상기 제어부는, 머신러닝을 이용하여 상기 혈당의 농도를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로써, 단일 파장을 갖는 레이저 조합을 이용한 광음향 진단 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법은, 광원을 통해 단일 파장을 갖는 복수의 레이저 광이 조합된 광을 피검체에 조사하는 광 조사 단계, 감지부를 통해 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 음향 감지단계 및 상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 혈당농도 분석단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법은, 상기 광 조사 단계에서, 상기 광은, 1400nm 내지 1520nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 1 레이저 광, 1520nm 내지 1720 nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 2 레이저 광 및 1720nm 내지 1850nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 3 레이저 광 중 적어도 어느 하나를 조합한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법에서, 상기 혈당농도 분석단계는, 상기 광 조사 단계 및 상기 음향 감지단계를 반복 수행하여 얻은 데이터를 이용하여 인공신경망을 학습시키는 학습단계 및 상기 인공신경망을 이용하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 인공지능 분석단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로써, 전술한 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
본 발명에 따른 광음향 진단 장치 및 방법은 혈액 내에 포함된 혈당을 다른 물질과 구분할 수 있는 최적의 파장 조합을 이용함으로써, 광음향 진단 장치에 사용되는 광학 설비의 크기를 최소화하고, 더 나아가 웨어러블 장치로의 구현을 가능하게 하였다는 점에서 이점을 갖는다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치의 블록도이다.
도 2는 레이저 광의 파장에 따른 인체 내 포함된 물질들의 광 흡수 계수의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치에서 사용되는 단일 파장을 갖는 레이저 조합의 일 실시 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법에서 혈당농도 분석단계의 순서도이다.
도 2는 레이저 광의 파장에 따른 인체 내 포함된 물질들의 광 흡수 계수의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치에서 사용되는 단일 파장을 갖는 레이저 조합의 일 실시 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법에서 혈당농도 분석단계의 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 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. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고"연결되어 있는 경우도 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치(1)는, 피검체에 단일 파장을 갖는 레이저 광이 조합된 광을 조사하는 광원(100), 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 감지부(200) 및 상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 제어부(300)를 포함할 수 있다.
광원(100)은 복수의 단일 파장 레이저 광을 출력할 수 있으며, 상기 레이저 광은 적외선일 수 있다. 즉, 본 발명에서 광원(100)은 근적외선 또는 중적외선 대역에서 파장을 순차적으로 증가시키거나 감소시키면서 빛을 출력하지 않고, 특정 파장을 갖는 레이저 광 복수 개를 조합하여 출력한다.
상기 광원(100)에 의해 출력된 광은 피검체에 조사되어 피검체에 포함된 분자들을 진동시키며, 분자들의 진동에 의해 초음파가 방사된다.
감지부(200)는 광에 의해 피검체로부터 방사되는 음향을 수음하는 수음부와 수음부의 형태변화를 측정하는 측정부로 구성될 수 있다.
감지부(200)는 피에조(piezo) 방식 또는 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical System) 방식이 적용될 수 있다. 피에조 방식은 초음파에 의한 압력에 의해 압전 물질 내에 전위가 형성되고 전위차인 전압을 측정하여 초음파를 측정하며, 멤스 방식은 초음파에 의한 압력에 의해 멤브레인 막의 형태가 변화하고, 형태 변화를 측정하여 초음파를 측정한다.
제어부(300)는 광원(100) 또는 감지부(200)를 제어하여, 피검체에 광을 조사하고, 그로 인해 방사되는 음향을 획득하여 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출할 수 있다.
상기 제어부(300)는, 음향을 직접 분석하여 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출할 수 있으며, 반복된 실험을 통해 획득한 결과 데이터를 이용하여 인공지능 신경망을 학습시키고, 학습시킨 인공 신경망을 이용하여 혈당의 농도를 산출할 수 있다.
도 2는 레이저 광의 파장에 따른 인체 내 포함된 물질들의 광 흡수 계수의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 인체 내에는 혈당 이외에 레이저 광을 흡수하는 다양한 물질이 포함되어 있음을 알 수 있다.
도 2에서 x축은 파장(Wavelength, [nm])을 y축은 흡수 계수(Absorption spectra, [λ])를 나타낸다. 또한, 도 2에서 A는 혈당(glucose), B는 지방(fat), C는 기준선(baseline), D는 단백질(protein), E는 물(water)의 파장에 따른 광 흡수 계수를 나타낸다.
즉, 본 발명에 따르면, 물질 별로 파장에 따른 광 흡수 계수의 변화율이 상이한 특징을 이용하여 혈당을 다른 물질들과 구분하는 데에 최적의 파장 조합을 찾고 이를 이용하여 혈당의 농도를 산출함으로써, 광학설비의 크기를 크게 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치에서 사용되는 단일 파장을 갖는 레이저 조합의 일 실시 예이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치에서, 상기 광은, 1400nm 내지 1520nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 1 레이저 광(101), 1520nm 내지 1720 nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 2 레이저 광(102) 및 1720nm 내지 1850nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 3 레이저 광(103) 중 적어도 어느 하나를 조합한 것을 특징으로 할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 장치(1)는 1480nm의 파장을 갖는 제 1 레이저 광(101), 1640nm의 파장을 갖는 제 2 레이저 광(102) 및 1810nm의 파장을 갖는 제3 레이저 광이 조합된 광을 조사하는 광원(100)으로 구성될 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 레이저 광(103)이 갖는 파장은 상기 한정된 범위 내에서 혈당과 다른 물질을 구분할 수 있는 최적의 파장으로 선택될 수 있다.
상기 최적의 파장을 선택할 때 사용되는 기준에는 물질들 간의 광 흡수 계수의 크기 차이가 가장 큰 지점, 혈당 외 다른 물질들 중 어느 하나의 물질의 광 흡수 계수가 혈당의 광 흡수 계수와 같은 지점 등이 포함될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법은, 광원(100)을 통해 단일 파장을 갖는 복수의 레이저 광이 조합된 광을 피검체에 조사하는 광 조사 단계(S100), 감지부(200)를 통해 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 광음향 감지단계(S200) 및 상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 혈당농도 분석단계(S300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법은, 상기 광 조사 단계(S100)에서, 상기 광은, 1400nm 내지 1520nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 1 레이저 광(101), 1520nm 내지 1720 nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 2 레이저 광(102) 및 1720nm 내지 1850nm의 범위에서 적어도 어느 하나의 파장을 갖는 제 3 레이저 광(103) 중 적어도 하나를 조합한 것을 특징으로 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법에서 혈당농도 분석단계(S300)의 순서도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광음향 진단 방법에서, 상기 혈당농도 분석단계(S300)는, 상기 광 조사 단계(S100) 및 상기 음향 감지단계(S200)를 반복 수행하여 얻은 데이터를 이용하여 인공신경망을 학습시키는 학습단계(S310) 및 상기 인공신경망을 이용하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 인공지능 분석단계(S320)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 방법과 관련하여서는 전술한 장치에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 방법과 관련하여 전술한 장치에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위게 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 광음향 진단 장치
100: 광원
101: 제 1 레이저 광
102: 제 2 레이저 광
103: 제 3 레이저 광
200: 감지부
300: 제어부
100: 광원
101: 제 1 레이저 광
102: 제 2 레이저 광
103: 제 3 레이저 광
200: 감지부
300: 제어부
Claims (7)
- 단일 파장을 갖는 레이저 광으로 조합된 광을 피검체에 조사하는 광원;
상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 감지부; 및
상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 제어부를 포함하며,
상기 광은,
1480nm의 파장을 갖는 제 1 레이저 광, 1640nm 파장을 갖는 제 2 레이저 광 및 1810nm의 파장을 갖는 제 3 레이저 광을 포함하며,
상기 제1 내지 제3 레이저 광은,
물질들 간의 광 흡수 계수의 크기 차이가 가장 큰 지점이거나, 혈당 외 다른 물질들 중 어느 하나의 물질의 광 흡수 계수가 혈당의 광 흡수 계수와 같은 지점인 것인,
광음향 진단장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는,
머신러닝을 이용하여 상기 혈당의 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 광음향 진단장치.
- 광원을 통해 피검체에 단일 파장을 갖는 복수의 레이저 광으로 조합된 광을 조사하는 광 조사 단계;
감지부를 통해 상기 광에 의해 방사되는 음향을 획득하는 음향 감지단계; 및
상기 음향을 분석하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 혈당농도 분석단계를 포함하며,
상기 광 조사 단계에서, 상기 광은,
1480nm의 파장을 갖는 제 1 레이저 광, 1640nm 파장을 갖는 제 2 레이저 광 및 1810nm의 파장을 갖는 제 3 레이저 광을 포함하며,
상기 제1 내지 제3 레이저 광은,
물질들 간의 광 흡수 계수의 크기 차이가 가장 큰 지점이거나, 혈당 외 다른 물질들 중 어느 하나의 물질의 광 흡수 계수가 혈당의 광 흡수 계수와 같은 지점인 것인,
광음향 진단 방법.
- 삭제
- 제 4 항에 있어서,
상기 혈당농도 분석단계는,
상기 광 조사 단계 및 상기 음향 감지단계를 반복 수행하여 얻은 데이터를 이용하여 인공신경망을 학습시키는 학습단계; 및
상기 인공신경망을 이용하여 상기 피검체의 혈액 내 포함된 혈당의 농도를 산출하는 인공지능 분석단계를 더 포함하는 광음향 진단 방법.
- 제 4 항 및 제 6 항 중 어느 한 항의 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체.
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