KR102515833B1 - 대상체의 성분 분석 장치 및 방법과, 이미지 센서 - Google Patents

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Abstract

대상체의 성분 분석 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면 성분 분석 장치는 대상체로부터 산란 또는 반사된 광 및 레퍼런스(reference) 광을 검출할 수 있는 이미지 센서와, 대상체로부터 산란 또는 반사된 광 및 레퍼런스 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출하여 대상체의 성분을 분석하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

대상체의 성분 분석 장치 및 방법과, 이미지 센서{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING SUBSTANCE OF OBJECT, AND IMAGE SENSOR}
대상체의 성분 분석 장치 및 방법과, 그 성분 분석 장치에 탑재되는 이미지 센서에 관한 것이다.
환경 모니터링, 식품 검사, 의료 진단 분야 등 다양한 응용 분야에서 샘플을 분석하기 위해 흡광도를 이용한다. 특히 소형 분광기를 이용하여 피부의 흡광도를 연속적으로 측정하고 이를 통해 대상체의 다양한 성분을 분석하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 일반적으로 피부의 불균일성으로 인해 측정 부위에 따라 생체신호 측정 결과가 달라지게 된다. 피부로부터 생체신호를 측정하는 경우 불균일성으로 인한 측정 오차를 줄이기 위해서는 2차원적 측정이 필요하다. 특히 공간 주파수 도메인 이미징(Spatial Frequency Domain Imaging) 기반의 이미지 센서를 이용하는 일반적인 측정 시스템의 경우 부피가 매우 커서 웨어러블 기기에 부적합하다. 또한, 정확한 흡광도 측정을 위해서 레퍼런스(reference)를 매번 측정해야 하므로 생체신호의 연속 모니터링이 곤란하다.
다양한 광 패턴 모듈레이션을 이용하는 반도체 광원/광검출기 기반의 이미지 센서 및 그 이미지 센서를 이용한 대상체의 성분 분석 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 대상체의 성분 분석 장치는 광을 조사하는 광원, 광원에서 조사되어 대상체로부터 산란 또는 반사되는 제1 광을 검출하는 제1 검출기 및, 광원에서 조사되어 대상체로 입사되지 않은 제2 광을 검출하는 제2 검출기를 포함하는 광 모듈을 포함하는 이미지 센서 및 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출하고, 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체의 성분을 분석하는 프로세서를 포함할 수 있다.
이미지 센서는 소정의 네트워크 구조를 갖도록 복수의 노드에 광 모듈이 하나씩 배치되는 기판을 더 포함할 수 있다.
이때, 광원의 제1 면에서 조사된 광은 대상체에 입사된 후 산란 또는 반사되어 기판에 형성된 제1 홀을 통과하여 제1 검출기로 향하고, 광원의 제2 면에서 조사된 광은 기판에 형성된 제2 홀을 통과하여 직접 제2 검출기로 향할 수 있다.
광원은 프로세서의 제어에 따라 상기 제1 면 및 제2 면에서 동시에 광을 조사할 수 있다.
프로세서는 네트워크 구조가 소정 패턴을 갖도록 하는 광 패턴에 따라 광 모듈을 구동하는 포함할 수 있다.
이때, 소정 패턴을 갖도록 하는 광 패턴은 상기 대상체의 종류 및 특성 중의 하나 이상을 기초로 미리 정의될 수 있다.
프로세서는 적어도 둘 이상의 광 패턴에 따라 각 광 모듈의 광원 세기를 조절하고, 각 광 모듈의 광원을 동시에 구동할 수 있다.
프로세서는 순차적으로 서로 다른 제1 광 패턴 및 제2 광 패턴에 따라 광 모듈을 구동하고, 제1 광 패턴에 따라 검출된 제1 광 및 제2 광과, 제2 광 패턴에 따라 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출할 수 있다.
이때, 이미지 센서는 공간 주파수 도메인(spatial frequency domain, SFDI)을 기반으로 할 수 있다.
프로세서는 공간 주파수 및 위상 중의 하나 이상을 조절하여 서로 다른 제1 광 패턴 및 제2 광 패턴으로 설정할 수 있다.
프로세서는 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로, 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성할 수 있다.
프로세서는 흡수 이미지를 기초로 대상체의 성분을 분석할 수 있다.
프로세서는 대상체에서 서로 영향을 미치는 둘 이상의 성분 중의 제1 성분에 대한 흡수 이미지를 기초로 제2 성분에 대한 흡수 이미지를 보정하고, 보정된 흡수 이미지를 기초로 제2 성분을 분석할 수 있다.
대상체의 성분은 중성지방, 혈당, 칼로리, 콜레스테롤, 단백질, 요산, 수분 및 크로모포어(chromophore) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 대상체의 성분 분석 장치는 프로세서의 분석 결과를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 대상체의 성분 분석 방법은 광원에 의해 광을 조사하는 단계, 제1 검출기에 의해 광원에서 조사되어 대상체로부터 산란 또는 반사된 제1 광을 검출하는 단계, 제2 검출기에 의해 광원에서 조사되어 대상체로 입사되지 않은 제2 광을 검출하는 단계, 프로세서에 의해 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출하는 단계 및 프로세서에 의해 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체의 성분을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
광을 조사하는 단계는 광원의 제1 면에서 대상체 방향으로 제1 광을 조사하고, 동시에 광원의 제2 면에서 기판에 형성된 홀을 통해 제2 검출기 방향으로 제2 광을 조사할 수 있다.
또한, 대상체의 성분 분석 방법은 프로세서에 의해 소정의 네트워크 구조를 갖도록 기판의 각 노드에 하나씩 배치된 광원을 구동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
광원을 구동하는 단계는 네트워크 구조가 소정 패턴을 갖도록 하는 광 패턴에 따라 각 광원을 구동할 수 있다.
광원을 구동하는 단계는 적어도 둘 이상의 광 패턴에 따라 각 광 광원의 세기를 조절하고, 조절된 광 세기로 각 광원을 동시에 구동할 수 있다.
광원을 구동하는 단계는 제1 광 패턴에 따라 각 광원을 구동하는 단계 및 제1 광 패턴에 따라, 제1 광을 검출하는 단계 및 제2 광을 검출하는 단계가 수행된 이후, 제1 광 패턴과는 다른 제2 광 패턴으로 각 광원을 다시 구동하는 단계를 포함할 수 있다.
산란계수 및 흡수계수를 산출하는 단계는 제1 광 패턴에 따라 검출된 제1 광 및 제2 광과, 제2 광 패턴에 따라 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출할 수 있다.
대상체의 성분을 분석하는 단계는 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로, 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성하는 단계를 포함하고, 흡수 이미지를 기초로 대상체의 성분을 분석할 수 있다.
또한, 대상체의 성분 분석 방법은 대상체의 성분 분석 결과를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 이미지 센서는 광 모듈이 배치되는 기판 및 광을 조사하는 광원, 광원의 제1 면에서 조사되어 대상체로부터 반사 또는 산란되는 제1 광을 검출하는 제1 검출기 및, 광원의 제2 면에서 조사되어 대상체에 입사되지 않은 제2 광을 검출하는 제2 검출기를 포함하는 광 모듈을 포함할 수 있다.
광 모듈은 소정 네트워크 구조를 형성하도록 기판 상의 각 노드에 하나씩 배치될 수 있다.
이때, 네트워크 구조는 사각형, 동심원형, 마름모형, 스타형 중의 적어도 하나의 구조를 포함할 수 있다.
복수의 광 모듈은 공간 주파수(spatial frequency)의 조절을 통해 둘 이상의 패턴의 광을 조사하도록 순차적으로 구동될 수 있다.
광원은 상기 기판의 제1 면에 배치되고, 제1 검출기 및 제2 검출기는 기판의 제2 면에 배치될 수 있다.
기판은 대상체로부터 반사 또는 산란되는 제1 광이 통과하도록 형성된 제1 홀 및 제2 광이 통과하도록 형성된 제2 홀을 포함할 수 있다.
이미지 센서는 기판의 제1 홀의 일측에 배치되며, 대상체로부터 반사 또는 산란되는 제1 광을 제1 검출기 방향으로 집광시키는 집광기를 더 포함할 수 있다.
집광기는 도파관, 집광 렌즈, 반사 거울, 그레이팅(grating) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 이미지 센서는 광 모듈이 배치되는 기판, 광을 조사하는 광원, 광원의 제1 면에서 조사되어 대상체로부터 반사 또는 산란되는 제1 광을 검출하는 제1 검출기 및 광원의 제2 면에서 조사되는 제2 광을 검출하는 제2 검출기를 포함하는 광 모듈 및 광원의 일면에 설치되어, 광원에서 조사되는 광의 파장 대역을 조절하는 파장 조절기를 포함할 수 있다.
광 모듈은 소정의 네트워크 구조를 갖도록 기판 상의 각 노드에 하나씩 배치될 수 있다.
파장 조절기는 광원의 온도를 조절하여 파장 대역을 조절하는 온도 조절기를 포함할 수 있다.
온도 조절기는 저항 발열체 및 열전 소자 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
파장 조절기는 광원에서 조사된 광의 소정 파장 대역을 통과시키는 필터를 포함할 수 있다.
다양한 광 패턴 모듈레이션을 이용하는 반도체 광원/광검출기 기반의 이미지 센서를 통해 레퍼런스 광량 및 대상체의 산란 광량을 동시에 측정할 수 있다. 이로 인해 대상체의 연속 모니터링이 가능하다.
도 1 내지 3은 실시예들에 따른 이미지 센서를 간략하게 도시한 것이다.
도 4는 이미지 센서 네트워크 구조의 일 실시예를 간략하게 도시한 것이다.
도 5는 이미지 센서 네트워크 구조의 광 패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일반적인 레퍼런스 광량 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 8은 도 7의 실시예에 따른 광 모듈의 블록도이다.
도 9a 내지 9d는 산란 이미지 및 흡수 이미지 획득을 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 대상체의 성분 분석의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 방법의 흐름도이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 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.
도 1 내지 도 6을 참조하여, 실시예들에 따른 이미지 센서를 설명한다.
도 1 내지 3은 실시예들에 따른 이미지 센서를 간략하게 도시한 것이다. 도 4는 이미지 센서 네트워크 구조의 일 실시예를 간략하게 도시한 것이다. 도 5는 이미지 센서 네트워크 구조의 광 패턴을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 일반적인 레퍼런스 광량 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 기판(120) 및 기판(120)상에 배치되는 광 모듈을 포함한다.
이미지 센서(100)는 미리 정의된 네트워크 구조로 형성되어, 네트워크 구조를 갖는 기판(120)상의 각 노드에 광 모듈이 하나씩 배치될 수 있다. 미리 정의된 네트워크 구조는 도 4에 도시된 바와 같이 사각형 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 원형, 마름모형, 동심원형, 스타형 등 다양한 형태를 갖도록 정의될 수 있다.
기판(120)은 인쇄회로기판(Printed Circuit Board)일 수 있다. 기판(120)상에는 두 개의 홀(121,122)이 형성된다. 제1 홀(121)은 제1 검출기(112)가 배치되는 기판(120) 영역에 형성되며, 제2 홀(122)은 제2 검출기(113)가 배치되는 기판(120) 영역에 형성될 수 있다.
광 모듈은 광을 조사하는 광원(111) 및 광원(111)에 의해 조사된 광을 검출하는 적어도 두 개의 검출기(112,113)를 포함할 수 있다. 광 모듈을 각 구성(111,112,113)들은 격벽(130) 내에 배치될 수 있다. 각 광 모듈에는 서로 다른 파장의 광을 조사하도록 복수의 광원(111)을 포함할 수 있다. 이때, 각 광원(111)들은 시분할 방식으로 순차적으로 구동될 수 있다.
광원(111)은 LED(light emitting diode), 레이저 다이오드(laser diode) 및 형광체 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 검출기(112)는 광원(111)에 의해 조사되어 대상체(OBJ)로부터 산란 또는 반사되는 제1 광을 검출할 수 있다. 제2 검출기(113)는 광원(111)에 의해 조사되어 대상체(OBJ)로 입사되지 않는 제2 광을 검출할 수 있다. 제1 검출기(112) 및 제2 검출기(113)는 포토다이오드(photo diode) 및 포토트랜지스터(photo transistor, PTr) 중의 어느 하나를 포함할 수 있다.
광원(111)은 기판(120)상의 제1 면에 배치되고, 제1 검출기(112) 및 제2 검출기(113)는 기판(120) 상의 제2 면 예컨대, 제1 면의 반대측 면에 배치될 수 있다.
광원(111)은 제1 면에서 대상체(OBJ) 방향으로 제1 광을 조사할 수 있다. 대상체(OBJ)로 입사된 제1 광은 대상체(OBJ)의 특성에 따라 흡수, 산란 또는 반사되며, 산란 또는 반사된 광은 기판(120)에 형성된 제1 홀(121)을 통과하여 제1 검출기(112)로 들어간다.
또한, 광원(111)은 제1 면에서 대상체(OBJ) 방향으로 제1 광을 조사함과 동시에 제2 면에서 제2 검출기(113) 방향으로 제2 광을 조사할 수 있다. 제2 면에서 조사된 제2 광은 기판(120)에 형성된 제2 홀(122)을 통과해 직접 제2 검출기(113)로 들어갈 수 있다.
이미지 센서(100)는 또한 대상체(OBJ)에 의해 산란 또는 반사된 제1 광을 제1 검출기(112) 방향으로 집광시키는 집광기(130)를 더 포함할 수 있다. 집광기(130)는 도파관, 집광 렌즈, 반사 거울, 그레이팅(grating) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 이미지 센서(200)는 도 1의 실시예에 비해 광원(111)에 의해 조사되는 광의 파장을 조절하는 파장 조절기를 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 파장 조절기는 미리 정의된 파장 대역을 통과시키는 필터(210,221,222)를 포함할 수 있다. 예컨대, 컬러 필터일 수 있으며, 필요에 따라 일부는 설치되지 않을 수 있다. 예컨대, 광원(111)의 제1 면에 설치되는 필터(210)를 제외한 다른 필터(221,222)는 설치되지 않을 수 있다. 한편, 광원(111)의 제1 면에 배치되는 필터(210)는 일체형 또는 교체형으로 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 파장 조절기는 광원(110)의 온도를 조절하여 파장 대역을 조절하는 온도 조절기(310)를 포함할 수 있다. 온도 조절기(310)는 저항 발열체 및 열전 소자 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 광원(111)에 의해 방출될 피크 파장에 따른 적절 온도는 미리 설정될 수 있다.
실시예들에 따른 이미지 센서(100,200,300)는 도 4에 도시된 바와 같이 복수의 광 모듈이 미리 정의된 네트워크 구조를 형성하도록 배치될 수 있다. 이미지 센서(100,200,300)는 공간 주파수 도메인(Spatial Frequency Domain) 기반의 이미지 센서일 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 이미지 센서(100,200,300)는 공간 주파수를 조절함으로써 다양한 광 패턴을 갖도록 각 광 모듈의 광원을 구동할 수 있다. 예를 들어, 도 5의 (1)을 참조하면, 위로 볼록한 포물선 형태를 갖도록 정의된 광 패턴에 따라 네 번째 광 모듈의 광원(x4)의 광 세기를 가장 강하게 하고, 그 광원(x4)을 중심으로 좌우로 갈수록 점차 광 세기를 약하게 하여 이미지 센서(100,200,300)의 각 광 모듈의 광원을 구동할 수 있다. 또는, 도 5의 (2)를 참조하면, 정현파 형태로 정의된 광 패턴에 따라 광원들의 광 세기를 조절함으로써 정현파를 이산적으로 조사할 수 있다. 광 패턴은 대상체의 종류 및 특성 등에 따라 정의될 수 있으며, 그 밖에도 동심원, 대각선, 마름모 형태 등의 다양한 형태를 갖도록 정의될 수 있다.
본 실시예들에 따른 이미지 센서(100,200,300)를 이용하여 대상체의 성분을 분석하는 경우, 제1 검출기(112)를 통한 대상체의 산란/반사 광량 측정 및 제2 검출기(113)를 통한 레퍼런스 광량 측정이 동시에 이루어지므로 광원 표류(drift)로 인한 이미지 왜곡을 방지할 수 있어 연속적인 대상체의 성분 모니터링이 가능하다. 이에 반해, 일반적으로 대상체의 성분을 모니터링하기 위해서는 도 6에 도시된 바와 같이 대상체, 예컨대 피부(620) 측정전에 매번 레퍼런스(610)를 측정하는 과정을 거쳐야 하므로 피부(620)로부터 연속 측정은 쉽지 않다.
이하, 도 7 내지 도 12를 참조하여 대상체의 성분 분석 장치 및 방법의 실시예들을 설명하도록 한다.
이하에서 설명하는 대상체의 성분 분석 장치의 다양한 실시예들은 휴대용 웨어러블 기기나 스마트 기기 등의 다양한 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 다양한 기기는 손목에 착용하는 스마트 워치, 스마트 밴드형, 헤드폰형, 헤어밴드 형 등의 다양한 형태로 제작되는 웨어러블 기기나, 스마트폰, 태블릿 PC등와 같은 모바일 기기를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 7은 일 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 장치의 블록도이다. 도 8은 도 7의 실시예에 따른 광 모듈의 블록도이다. 도 9a 내지 9d는 산란 이미지 및 흡수 이미지 획득을 설명하기 위한 도면이다. 도 10a 내지 도 10c는 대상체의 성분 분석의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 대상체의 성분 분석 장치(700)는 이미지 센서(710) 및 프로세서(720)를 포함한다.
이미지 센서(710)는 전술한 실시예들의 이미지 센서(100,200,300)로서, 도시된 바와 같이 복수의 광 모듈(711)을 포함할 수 있다. 이때, 이미지 센서(710)는 공간 주파수 도메인(Spatial Frequency Domain) 기반의 이미지 센서일 수 있다.
도 8을 참조하면, 어느 하나의 광 모듈(711)은 광을 조사하는 광원(811) 및 광원(811)에 의해 조사된 광을 검출하는 적어도 두 개의 검출기(812,823)를 포함할 수 있다. 광원(811)에서 조사된 광량의 대부분은 대상체(OBJ)에 접한 광원(811)의 제1 면으로 방출되어 대상체(OBJ)에 입사되며, 조사된 광량의 일부분은 대상체(OBJ)에 접하지 않은 제2 면으로 방출된다.
제1 검출기(812)는 광원(811)의 제1 면에서 방출되어 대상체(OBJ)에 입사된 제1 광이 대상체(OBJ) 내에서 산란 또는 반사되면 제1 광을 검출할 수 있다. 또한, 제2 검출기(813)는 광원(811)의 제2 면에서 방출한 제2 광을 직접 검출할 수 있다. 이때, 대상체(OBJ)에서 산란 또는 반사되는 제1 광이 이미지 센서(710)의 기판에 형성된 제1 홀을 통과하여 제1 검출기(812)로 들어가며, 광원(811)의 제2 면에서 방출된 제2 광은 기판에 형성된 제2 홀을 통과해 제2 검출기(812)로 들어갈 수 있다.
프로세서(720)는 미리 정의된 광 패턴에 따라 복수의 광 모듈(711)의 각 광원(811)을 구동할 수 있다. 프로세서(720)는 먼저 제1 광 패턴으로 광원(811)을 구동하고, 제1 광 패턴에 따른 제1 광 및 제2 광을 검출되면, 그 다음, 순차적으로 소정 시간 후 제1 광 패턴과는 다른 제2 광 패턴으로 광원(811)을 구동할 수 있다.
예를 들어, 도 9a를 참조하면 이미지 센서(710)는 사각형 형태의 네트워크 구조로 형성될 수 있다. 프로세서(720)는 네트워크 구조로 형성된 이미지 센서(710)의 각 광 모듈(710)을 미리 정의된 광 패턴에 따라 구동할 수 있다. 이때, 공간 주파수(spatial frequency) 및 위상 중의 적어도 하나를 조절함으로써 광 패턴을 설정할 수 있다.
도 9b를 참조하면, (1)은 공간 주파수(Spatial Frequency) k를 0 mm-1으로 설정한 제1 광 패턴에 따라 모든 광원(811)들의 광 세기를 동일하게 구동한 것을 예시한 것이다. (2)는 공간 주파수 k를 0.21mm-1를 설정한 제2 광 패턴에 따라 정현파 형태로 광원(811)들의 광 세기를 조절하여 구동한 것을 예시한 것이다. 이때, 각각의 공간 주파수에 대하여 위상 오프셋을 0°,120°및 240°를 설정함으로써 총 6번의 광 패턴 모듈레이션이 가능하다.
도 9c를 참조하면, (1)은 공간 주파수 k를 0으로 설정한 제1 광 패턴에 따라 광원(811)을 구동하여 획득한 이미지를 도시한 것이다. (2)는 공간 주파수 k를 0.21mm-1를 설정한 제2 광 패턴에 따라 광원(811)들을 구동하여 획득한 이미지를 도시한 것이다. 도 9c의 (1) 및 (2)에 도시된 바와 같이, 어느 공간 주파수에서 획득한 이미지에는 산란 및 흡수 특성이 혼재해 있으므로, 흡수 특성을 이용한 성분 분석에 있어서는 정확성이 감소할 수 있다.
프로세서(720)는 각 광 모듈(711)의 제1 검출기(812) 및 제2 검출기(813)에 의해 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(720)는 둘 이상의 광 패턴에 대하여 각각 제1 검출기(812) 및 제2 검출기(813)에서 각각 검출된 제1 광 및 제2 광의 양을 기초로 산란 반사도를 산출할 수 있다. 예컨대, 제1 광 패턴에 따라 제1 검출기(812)에서 측정된 제1 광량 및 제2 검출기(813)에서 검출된 제2 광량의 비율을 기초로 제1 산란 반사도를 산출할 수 있다. 또한, 제2 광 패턴에 따라 검출된 제1 광량 및 제2 광량의 비율을 기초로 제2 산란 반사도를 산출할 수 있다.
프로세서(720)는 각 광 패턴에 대하여 산출된 각 산란 반사도 및 각 공간 주파수를 아래의 수학식 1에 대입하여 산란계수(μ' s) 및 흡수계수(μa)를 산출할 수 있다. 또는, 산란 반사도와 산란계수(μ' s) 및 흡수계수(μa) 사이의 상관 관계를 나타내는 룩업 테이블을 이용하여 산란계수(μ' s) 및 흡수계수(μa)를 산출할 수 있다.
Figure 112018076115621-pat00001
여기서, Rd(k,μa,μ' s)는 각 공간 주파수 k에서의 산란 반사도를 나타낸다. A는 미리 정의된 상수이다. 일반적으로 공간 주파수가 높아지면 산란 반사도는 낮아진다. 이때, 산란 반사도와 공간 주파수의 관계는 로우 패스 필터(low pass filter)의 특성을 갖는다.
또한, 프로세서(720)는 산출된 산란계수(μ' s) 및 흡수계수(μa)를 이용하여 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성하고, 생성된 각 이미지를 이용하여 대상체의 성분을 분석할 수 있다. 이때, 대상체의 성분은 중성지방, 혈당, 칼로리, 콜레스테롤, 단백질, 요산, 수분 및 크로모포어(chromophore) 중의 하나 이상을 포함할 수 있다. 크로모포어는 헤모글로빈(hemoglobin), 카로티노이드, 멜라닌(melanin), 항산화 물질, 수분, 흑색종 등을 포함할 수 있다. 다만, 예시된 바에 한정되는 것은 아니다.
도 9d를 참조하면, (1) 프로세서(720)는 산란계수(μ' s)에 따른 산란 이미지와 (2) 흡수계수(μa)에 따른 흡수 이미지를 분리 생성할 수 있다. 이에 따르면, 도 9c와 달리 산란계수 특성이 제거된 흡수 효과에 따른 흡수 이미지를 획득할 수 있으므로 보다 정확한 대상체의 성분 분석이 가능하다.
프로세서(720)는 대상체에서 서로 영향을 미치는 둘 이상의 성분 중의 제1 성분(예: 헤모글로빈)에 대한 흡수 이미지를 기초로 제2 성분(예: 카로티노이드)에 대한 흡수 이미지를 보정하고, 보정된 흡수 이미지를 기초로 제2 성분을 분석할 수 있다.
예를 들어, 도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 프로세서(720)는 대상체의 카로티노이드 성분을 분석할 수 있다. 도 10a를 참조하면 일반적으로 카로티노이드 성분의 농도 측정은 헤모글로빈, 멜라닌 등의 성분들에 의한 산란 및 흡광 효과에 의해서도 영향을 받는다. 이와 같이, 측정 광 경로상에 원하지 않는 조직 성분이 존재하는 경우 그 조직 성분에 따라 흡광과 산란 특성에 영향을 미치게 되어 측정값에 오차가 크게 발생할 수 있다. 도 10b는 산란 특성에 따라 카로티노이드의 흡광도 변화 측정 결과를 도시한 것으로, 산란계수가 큰 지점에서의 흡광도는 산란계수가 작은 지점에서의 흡광도에 비해 상대적으로 작게 측정됨을 알 수 있다.
도 10c를 참조하면, 예컨대 카로티노이드 성분을 분석하기 위해 (1) 제1 시점에 획득한 2D 흡수 이미지 및 (2) 제2 시점에 획득한 2D 흡수 이미지를 기초로 카로티노이드 성분이 아닌 성분 예컨대 헤모글로빈 농도 변화에 따라 영향을 받는 영역(HA)을 모니터링할 수 있다. (3) 제3 시점에 획득된 2D 흡수 이미지에서 (2)에서 모니터링한 결과를 기초로 헤모글로빈 농도에 영향을 받는 영역(CA)을 보정함으로써 카로티노이드 성분 분석의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
한편, 프로세서(710)는 전술한 바와 같이 산란계수 및 흡수계수를 산출하면, 산란계수 및 흡수계수 중의 적어도 하나를 이용하여 대상체의 성분 농도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(710)는 아래의 수학식 2와 같이 산란계수 및 성분 농도 또는, 흡수계수 및 성분 농도와의 상관 관계를 나타내는 성분 측정식을 이용하여 대상체의 성분 농도를 측정할 수 있다. 수학식 2는 선형 함수식으로 예시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 비선형 함수식, 매칭 테이블 형태로도 정의될 수 있다.
Figure 112018076115621-pat00002
여기서, y는 성분 농도를 나타내고, x는 산란계수 또는 흡수계수를 의미한다. 또한, a 및 b는 미리 정의된 상수이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 장치(1100)는 이미지 센서(1110), 프로세서(1120), 출력부(1130), 저장부(1140) 및 통신부(1150)를 포함할 수 있다. 도 7의 성분 분석 장치(700)와 동일한 명칭의 구성에 대해서는 간략하게 설명하기로 한다.
이미지 센서(1110)는 전술한 바와 같이 미리 정의된 네트워크 구조로 이루어지며, 네트워크 구조의 각 노드에는 각각의 광 모듈(1111)이 배치될 수 있다. 각각의 광 모듈(1111)은 광원 및, 대상체의 산란/반사 광량을 측정하는 제1 검출기와 동시에 레퍼런스 광량을 측정하는 제2 검출기를 포함할 수 있다.
프로세서(1120)는 이미지 센서(1110)의 각 광 모듈(1111)을 미리 정의된 둘 이상의 광 패턴에 따라 순차적으로 구동할 수 있다. 프로세서(1120)는 각 광 패턴에 따라 정의된 각 광원에 대한 광 세기 또는 위상을 조절하여 광원을 구동할 수 있다.
프로세서(1120)는 둘 이상의 광 패턴에 따라 검출된 대상체의 산란/반사 광량 및 레퍼런스 광량을 기초로 각각의 산란 반사도를 산출하고, 각각의 산란 반사도 및 공간 주파수를 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출할 수 있다. 또한, 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성할 수 있다.
프로세서(1120)는 산란 특성이 제거된 흡수 이미지를 기초로 대상체의 성분을 보다 정확하게 분석할 수 있다. 또한, 프로세서(1120)는 흡수계수 또는 산란계수를 기초로 대상체의 성분 농도를 구할 수 있다. 프로세서(1120)는 대상체의 성분 농도를 기초로 사용자의 건강 상태를 모니터링할 수 있다.
출력부(1130)는 프로세서(1120)의 처리 결과를 사용자에게 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부(1130)는 현재 구동 중인 광 패턴에 대한 정보를 예컨대, 도 9b와 같은 방식으로 시각적으로 표시할 수 있다. 또한, 출력부(1130)는 도 9d와 같은 산란 이미지 및 흡수 이미지를 시각적으로 표시할 수 있다. 또한, 출력부(1130)는 측정된 대상체의 성분 농도 정보를 시각적 또는 비시각적으로 사용자에게 제공할 수 있다. 출력부(1130)는 이와 더불어 사용자의 건강 상태 모니터 정보를 출력할 수 있다. 이때, 디스플레이에 출력되는 성분 농도 값의 색상을 변경하거나, 햅틱 모듈을 통해 촉감이나 진동 등의 방법으로 사용자에게 정보를 제공할 수 있다.
저장부(1140)는 각종 기준 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 기준 정보는 광 패턴에 관한 정보, 대상체의 성분 측정 함수식및, 사용자의 연령, 성별 및 건강 상태 등의 사용자 정보를 포함할 수 있다. 또한, 저장부(1140)는 프로세서(1120)의 처리 결과를 저장할 수 있다. 예컨대, 산출된 산란계수 및 흡수계수, 생성된 산란 이미지 및 흡수 이미지, 대상체의 성분 농도 등에 관한 정보를 저장할 수 있다.
이때, 저장부(1140)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory: RAM) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory: ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
통신부(1150)는 외부 기기(1160)와 통신 연결하여 외부 기기(1160)로부터 각종 기준 정보를 수신할 수 있다. 수신된 기준 정보는 저장부(1130)에 저장될 수 있다. 또한, 통신부(1150)는 산란계수, 흡수계수, 산란 이미지, 흡수 이미지 및 대상체의 성분 분석 결과 등을 외부 기기(1160)에 전송할 수 있다. 이때, 외부 기기(1160)는 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC등의 정보 처리 장치 및, 침습적으로 대상체의 성분을 측정하는 성분 측정 장치를 포함할 수 있다.
이때, 통신부(1150)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, 3G, 4G 및 5G 통신 기술 등을 활용할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않는다.
도 12는 일 실시예들에 따른 대상체의 성분 분석 방법의 흐름도이다.
도 12는 도 7 및 도 11의 실시예에 따른 대상체의 성분 분석 장치(700,1100)에 의해 수행되는 성분 분석 방법의 일 실시예일 수 있다.
도 12를 참조하면, 먼저 대상체의 성분 분석 요청이 수신되면 초기 광 패턴을 설정할 수 있다(1211). 이때, 대상체의 성분 분석 요청은 사용자에 의해 입력될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며 소정 주기 단위로 반복적으로 자동 실행되도록 장치에 미리 설정될 수 있다. 또한, 광 패턴은 공간 주파수 및 위상의 조절을 통해 이산적으로 정현파를 조사하도록 서로 다른 둘 이상의 패턴으로 정의될 수 있다. 또한 각 광 패턴을 설정할 순서는 미리 정의될 수 있다.
그 다음, 설정된 광 패턴에 따라 광원을 구동하고(1212), 각 광원은 광을 조사할 수 있다(1213).
그 다음, 제1 검출기에 의해 대상체로부터 산란/반사된 제1 광을 검출할 수 있다(1214). 광원에 의해 대상체 방향으로 조사된 광은 대상체로 입사되며, 대상체 내의 조직 성분에 따라 산란 또는 반사된 후 제1 검출기로 들어갈 수 있다.
또한, 이와 동시에 제2 검출기에 의해 광원으로부터 조사되어 대상체로 입사되지 않은 제2 광을 검출할 수 있다(1215). 광원에서 방출된 대부분의 광은 대상체 방향으로 조사되며, 일부의 광은 제2 검출기 방향으로 조사될 수 있다.
그 다음, 단계(1214) 및 단계(1215)에서 각각 설정된 광 패턴에 따라 제1 광 및 제2 광이 검출되면, 다음 설정할 광 패턴이 존재하는지 확인하고(1216), 다음 설정할 광 패턴이 존재하면 다음 광 패턴을 설정한 후(1217), 단계(1212) 이하를 다시 수행할 수 있다.
그 다음, 둘 이상의 서로 다른 광 패턴에 따라 단계(1214) 및 단계(1215)에서 각각의 제1 광 및 제2 광이 검출되면, 각각의 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출할 수 있다(1218). 예를 들어, 서로 다른 둘 이상의 광 패턴 중의 제1 광 패턴에 따라 검출된 제1 광량 및 제2 광량의 비에 기초하여 제1 산란 반사도 및, 제2 광 패턴에 따라 검출된 제1 광량 및 제2 광량의 비에 기초하여 제2 산란 반사도를 산출할 수 있다. 또한, 제1 산란 반사도와 제1 광 패턴에 따른 공간 주파수 및, 제2 산란 반사도와 제2 광 패턴에 따른 공간 주파수를 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출할 수 있다.
그 다음, 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체의 성분을 분석할 수 있다(1219). 예를 들어, 산란계수 및 흡수계수를 기초로 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성할 수 있다. 이때, 분석하고자 하는 대상체의 성분에 영향을 미치는 다른 성분들에 대한 흡수 이미지를 기초로 측정하고자 하는 성분에 대한 흡수 이미지를 보정하고, 보정된 이미지를 분석하여 대상체의 성분을 분석할 수 있다. 또는, 산란계수 및 흡수계수가 산출되면, 산란계수 및 흡수계수 중의 적어도 하나를 이용하여 대상체의 성분 농도를 측정할 수 있다. 예컨대, 산란계수 또는 흡수계수와 성분 농도 사이의 상관 관계를 나타내는 성분 측정식을 이용하여 대상체의 성분 농도를 측정할 수 있다.
그 다음, 대상체의 성분 분석 결과를 사용자에게 출력할 수 있다(1220). 예를 들어, 현재 구동 중인 광 패턴에 대한 정보, 산란 이미지 및 흡수 이미지, 대상체의 성분 농도 정보를 시각적 또는 비시각적으로 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 사용자의 건강 상태 모니터 정보를 출력할 수 있다.
한편, 본 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100,200,300: 이미지 센서 111: 광원
112: 제1 검출기 113: 제2 검출기
120: 기판 221,222,223: 필터
310: 온도 조절기 700,1100: 성분 분석 장치
710,1110: 이미지 센서 720,1120: 프로세서
800: 광 모듈 811: 광원
812: 제1 검출기 813: 제2 검출기
1120: 출력부 1130: 저장부
1140: 통신부

Claims (37)

  1. 광을 조사하는 광원, 광원에서 조사되어 대상체로부터 산란 또는 반사되는 제1 광을 검출하는 제1 검출기 및, 광원에서 조사되어 대상체로 입사되지 않은 제2 광을 검출하는 제2 검출기를 포함하는 광 모듈을 포함하는 이미지 센서; 및
    상기 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출하고, 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체의 성분을 분석하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는
    상기 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로, 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성하는 대상체의 성분 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는
    소정의 네트워크 구조를 갖도록 복수의 노드에 상기 광 모듈이 하나씩 배치되는 기판을 더 포함하는 대상체의 성분 분석 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    광원의 제1 면에서 조사된 광은 대상체에 입사된 후 산란 또는 반사되어 기판에 형성된 제1 홀을 통과하여 제1 검출기로 향하고,
    광원의 제2 면에서 조사된 광은 기판에 형성된 제2 홀을 통과하여 직접 제2 검출기로 향하는 대상체의 성분 분석 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광원은
    상기 프로세서의 제어에 따라 상기 제1 면 및 제2 면에서 동시에 광을 조사하는 대상체의 성분 분석 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 네트워크 구조가 소정 패턴을 갖도록 하는 광 패턴에 따라 광 모듈을 구동하는 대상체의 성분 분석 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 소정 패턴을 갖도록 하는 광 패턴은 상기 대상체의 종류 및 특성 중의 하나 이상을 기초로 미리 정의되는 대상체의 성분 분석 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는
    적어도 둘 이상의 광 패턴에 따라 각 광 모듈의 광원 세기를 조절하고, 각 광 모듈의 광원을 동시에 구동하는 대상체의 성분 분석 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는
    순차적으로 서로 다른 제1 광 패턴 및 제2 광 패턴에 따라 광 모듈을 구동하고, 제1 광 패턴에 따라 검출된 제1 광 및 제2 광과, 제2 광 패턴에 따라 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출하는 대상체의 성분 분석 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 이미지 센서는
    공간 주파수 도메인(spatial frequency domain, SFDI)을 기반으로 하는 대상체의 성분 분석 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는
    공간 주파수 및 위상 중의 하나 이상을 조절하여 서로 다른 제1 광 패턴 및 제2 광 패턴으로 설정하는 대상체의 성분 분석 장치.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 흡수 이미지를 기초로 대상체의 성분을 분석하는 대상체의 성분 분석 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 프로세서는
    대상체에서 서로 영향을 미치는 둘 이상의 성분 중의 제1 성분에 대한 흡수 이미지를 기초로 제2 성분에 대한 흡수 이미지를 보정하고, 보정된 흡수 이미지를 기초로 제2 성분을 분석하는 대상체의 성분 분석 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 대상체의 성분은
    중성지방, 혈당, 칼로리, 콜레스테롤, 단백질, 요산, 수분 및 크로모포어(chromophore) 중의 하나 이상을 포함하는 대상체의 성분 분석 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서의 분석 결과를 출력하는 출력부를 더 포함하는 대상체의 성분 분석 장치.
  16. 광원에 의해 광을 조사하는 단계;
    제1 검출기에 의해 광원에서 조사되어 대상체로부터 산란 또는 반사된 제1 광을 검출하는 단계;
    제2 검출기에 의해 광원에서 조사되어 대상체로 입사되지 않은 제2 광을 검출하는 단계;
    프로세서에 의해 상기 검출된 제1 광 및 제2 광을 기초로 산란계수 및 흡수계수를 산출하는 단계; 및
    프로세서에 의해 상기 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체의 성분을 분석하는 단계를 포함하고,
    상기 대상체의 성분을 분석하는 단계는
    상기 산출된 산란계수 및 흡수계수를 기초로, 산란 이미지 및 흡수 이미지를 분리 생성하는 단계를 포함하는 대상체의 성분 분석 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광을 조사하는 단계는
    광원의 제1 면에서 대상체 방향으로 제1 광을 조사하고,
    동시에 광원의 제2 면에서 기판에 형성된 홀을 통해 제2 검출기 방향으로 제2 광을 조사하는 대상체의 성분 분석 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    프로세서에 의해 소정의 네트워크 구조를 갖도록 기판의 각 노드에 하나씩 배치된 광원을 구동하는 단계를 더 포함하는 대상체의 성분 분석 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광원을 구동하는 단계는
    상기 네트워크 구조가 소정 패턴을 갖도록 하는 광 패턴에 따라 각 광원을 구동하는 대상체의 성분 분석 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광원을 구동하는 단계는
    적어도 둘 이상의 광 패턴에 따라 각 광 광원의 세기를 조절하고, 조절된 광 세기로 각 광원을 동시에 구동하는 대상체의 성분 분석 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
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