KR102540284B1 - 광학식 호흡 분석 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 광학식 호흡 분석 장치는, 인체의 호흡 가스를 저장하기 위한 호흡 저장 탱크와, 일측에 상기 호흡 저장 탱크에 연결된 가스 유입구가 형성되고, 타측에 가스 배출구가 형성되며, 내부에 광 공동이 형성되어 상기 광 공동 내에 입사된 광이 다중 반사되는 반사 공동 유닛과, 상기 반사 공동 유닛에 결합되어, 상기 가스 유입구를 통해서 상기 광 공동 내로 유입된 호흡 가스에 광을 조사하는 발광부와, 상기 반사 공동 유닛에 결합되고, 상기 광 공동 내의 호흡 가스 중 적어도 일부 가스의 성분을 분석하기 위하여 상기 광 공동 내에서 호흡 가스에서 산란 또는 반사된 광을 수광하는 수광 센서부를 포함한다.

Description

광학식 호흡 분석 장치{Optic breath analysis apparatus}
본 발명은 분석 장치에 대한 것으로서, 더 상세하게는 광학식 호흡 분석 장치에 관한 것이다.
최근 인체 호흡가스 분석을 이용한 질병 진단에 대한 연구가 지속적으로 증가하고 있다. 기존의 병원에서 진행되는 검진방법이 일반적으로 고가의 장비를 필요로 하거나, 환자의 혈액이나 조직 채취를 필요로 하여 환자의 불편을 가중시키고, 검진결과까지 일정 시간이 걸리는 등의 단점이 있다. 그러나 호흡가스 분석에 근거한 질병 진단은 환자에게 편리하고, 저가 진단이 가능하며, 분석결과의 판단과정 또한 실시간으로 이루어질 수 있다는 장점이 있다. 현재는 폐암, 폐결핵, 천식 등 주로 호흡기 관련 질병에 대한 분석법이 주를 이루고 있지만, 질병과 호흡가스 성분의 연관성이 밝혀짐에 따라 호흡가스 분석에 근거한 질병 진단은 미래의 다양한 질병 진단법으로 등장할 것으로 예상된다.
인체의 호흡가스의 주성분은 산소, 이산화 탄소, 질소, 습기이고, 이밖에 수 ppm(ppm part per million)에서 ppb(part per billion) 혹은 ppt(part per trillion) 수준의 다양한 VOC(volatile organic compound)가 존재하며 이들 미량의 호흡가스는 인체의 신진대사 상태를 반영하기 때문에 질병에 걸린 사람과 건강한 사람을 구분하는 인자가 될 수 있다. 혈액은 인체에서 발생하는 생리현상과 신진대사 상태를 반영하는 화학물질을 포함하고 있고 이들 중 분자량이 적은 화합물은 호흡과정에서 폐를 통해 인체 호흡가스 성분에 포함되어 인체 밖으로 배출된다. 이러한 다양한 생체 반응을 거친 호흡가스에는 인체의 건강상태를 반영하는 다양한 VOC가 존재한다. 질병과 관계 있는 호흡가스로는 일산화질소(NO), 일산화탄소(CO), 과산화수소(H2O2), 아세톤 그리고 벤젠과 톨루엔을 비롯한 탄화수소 계열의 VOC 등이 있다.
이러한 호흡가스 분석 장치로는 전기화학 방식의 감지기나 광학 방식의 감지가 사용되고 있다. 하지만, 전기화학 방식의 경우, 감지기 표면의 오염 가능성에 의하여 반복적인 캘리브레이션(calibration)이 필요하고, 가스의 선택성이 낮아 인공지능 등의 방법을 사용해야 해서 신뢰성이 낮다는 문제가 있다. 기존의 광학식 감지기의 경우, 가스의 선택성은 높으나, 감지하려고 하는 가스의 농도가 ppb(part per billion) 수준으로 낮아서 기존의 ppm(ppm part per million) 수준의 감지 성능으로는 어려움이 있다.
1. 공개특허공보 10-2020-0085972 (2020. 7. 16) 2. 공개특허공보 10-2020-0037595 (2020. 4. 9)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 가스 선택성이 높으면서도 저농의 가스 감지가 가능한 광학식 호흡 분석 장치를 제공하하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 광학식 호흡 분석 장치는, 인체의 호흡 가스를 저장하기 위한 호흡 저장 탱크와, 일측에 상기 호흡 저장 탱크에 연결된 가스 유입구가 형성되고, 타측에 가스 배출구가 형성되며, 내부에 광 공동이 형성되어 상기 광 공동 내에 입사된 광이 다중 반사되는 반사 공동 유닛과, 상기 반사 공동 유닛에 결합되어, 상기 가스 유입구를 통해서 상기 광 공동 내로 유입된 호흡 가스에 광을 조사하는 발광부와, 상기 반사 공동 유닛에 결합되고, 상기 광 공동 내의 호흡 가스 중 적어도 일부 가스의 성분을 분석하기 위하여 상기 광 공동 내에서 호흡 가스에서 산란 또는 반사된 광을 수광하는 수광 센서부를 포함한다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 호흡 저장 탱크는 인체로부터 채취된 호흡 가스가 들어있는 호흡 팩으로부터 호흡 가스를 공급받고, 상기 호흡 팩으로부터 상기 호흡 저장 탱크 방향으로 호흡 가스를 공급하도록 상기 호흡 팩 및 상기 호흡 저장 탱크 사이에 연결된 제 1 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 호흡팩의 토출구 또는 상기 호흡팩 및 상기 호흡 저장 탱크 사이에 상기 호흡 팩으로부터 공급되는 호흡 가스의 수분을 필터링하기 위한 수분 필터가 결합될 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 호흡 저장 탱크에 결합되어 내부의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 센서와, 상기 반사 공동 유닛에 결합되어 상기 광 공동 내 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 반사 공동 유닛으로부터 상기 호흡 가스를 배출하기 위해 상기 가스 유출구에 연결된 제 2 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 광 공동 내로 세정 가스를 공급하기 위하여, 상기 반사 공동 유닛에 결합된 세정 가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 발광부는 상기 광 공동 내로 비분산형 적외선(NDIR)을 조사할 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 반사 공동 유닛은 적분구(integrating sphere)를 포함하고, 상기 발광부에서 조사된 비분산형 적외선이 상기 수광 센서부로 직접 수신되지 않고 상기 적분구 내에서 다중 반사되도록 상기 수광 센서부는 상기 발광부의 광 조사 축에서 벗어난 위치에서 상기 반사 공동 유닛에 결합될 수 있다.
상기 광학식 호흡 분석 장치에 따르면, 상기 수광 센서부는 다수의 파장 대역의 비분산형 적외선을 감지하도록 센서 어레이 구조를 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반사 공동 유닛 내로 유입되는 호흡 가스의 압력을 조절하고 광 공동 내에서 광 경로를 길게 함으로써 저농도의 성분 분석이 가능한 호흡 분석 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 호흡 분석 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 호흡 분석 장치를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 호흡 분석 장치의 수광 센서부를 보여주는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 호흡 분석 장치(100)를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 호흡 분석 장치(100)는 호흡 저장 탱크(110), 반사 공동 유닛(120), 발광부(130) 및 수광 센서부(140)를 포함할 수 있다.
호흡 저장 탱크(110)는 인체의 호흡 가스를 저장하여, 반사 공동 유닛(120으로 제공할 수 있다. 호흡 저장 탱크(110)에는 유입부(112)와 유출부(114)가 형성될 수 있다. 호흡 가스는 유입부(112)를 통해서 호흡 저장 탱크(110) 내로 유입되고, 유출부(114)를 통해서 호흡 저장 탱크(110)로부터 반사 공동 유닛(120)으로 공급될 수 있다. 이러한 호흡 저장 탱크(110)는 그 내부로 공급되는 호흡 가스를 일정 부피 또는 일정 압력이 되도록 임시 저장하여 반사 공동 유닛(120)으로 제공하는 역할을 할 수 있다.
예를 들어, 호흡 저장 탱크(110)에는 그 내부의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 센서(116)가 결합될 수 있다. 제 1 압력 센서(116)는 가스의 압력을 측정하기 위한 다양한 압력 게이지를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 제 1 압력 센서(116)를 통해서 호흡 저장 탱크(110)의 내부 압력을 모니터링함으로써, 호흡 저장 탱크(110) 내로 인입되는 호흡 가스의 양 또는 압력을 조절할 수 있다. 호흡 저장 탱크(110)의 유입구(112)에는 호흡 저장 탱크(110)로 유입되는 호흡 가스의 유량을 조절하기 위한 밸브(151)가 결합될 수 있다.
반사 공동 유닛(120)은 일측에 호흡 저장 탱크(110)에 연결된 가스 유입구(122)가 형성되고, 타측에 가스 배출구(124)가 형성될 수 있다. 호흡 가스는 가스 유입구(122)를 통해서 반사 공동 유닛(120) 내로 유입되어 분석되고, 가스 배출구(124)를 통해서 외부로 유출될 수 있다. 예를 들어, 호흡 저장 탱크(110)의 유출구(114)는 반사 공동 유닛(120)의 가스 유입구(122)와 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 호흡 저장 탱크(110)의 유출구(114)는 반사 공동 유닛(120)의 가스 유입구(122) 사이에는 반사 공동 유닛(120)으로 유입되는 호흡 가스의 유량을 조절하기 위해서 밸브(152)가 결합될 수 있다.
반사 공동 유닛(120)의 내부에는 광 공동(121)이 형성되어 광 공동(121) 내에 입사된 광이 광 공동(121) 내에서 다중 반사될 수 있다. 예를 들어, 반사 공동 유닛(120)의 내벽에는 광 반사를 위한 반사막이 코팅될 수 있다. 일부 실시예에서, 반사 공동 유닛(120)은 적분구(integrating sphere)를 포함할 수 있다. 적분구는 광원에서 방사되는 광을 포집하고 내부에서는 반복적인 Lambertian 반사로 광의 균일한 분포를 가능하게 하는 광학기구의 일종일 수 있다. 보다 구체적으로 보면, 적분구는 구형 내면이 있는 측정기로 다양한 파장에 대해서 비선택적이고 균등 확산면에 가깝게 반사를 하도록 내면에 백색 도료가 코팅될 수 있다.
나아가, 반사 공동 유닛(120)에는 광 공동(121) 내 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 센서(126)가 결합될 수 있다. 제 2 압력 센서(126)는 가스의 압력을 측정하기 위한 다양한 압력 게이지를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 제 2 압력 센서(126)를 통해서 광 공동(121) 내 압력을 모니터링함으로써, 광 공동(121) 내 호흡 가스의 양 또는 압력을 조절할 수 있다. 이와 같이, 반사 공동 유닛(120) 내 호흡 가스의 압력을 조절하여, 광 공동(121) 내 호흡 가스의 압력을 일정 수준 이상으로 일정하게 함으로써, 호흡 가스 내 미량 성분에 대해서도 신뢰성 있게 성분 분석을 진행할 수 있다.
발광부(130)는 가스 유입구(122)를 통해서 광 공동(121) 내로 유입된 호흡 가스에 광을 조사하도록 반사 공동 유닛(120)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 발광부(130)는 반사 공동 유닛(120)의 가스 유입구(122)에서 가스 배출구(124)로 이어지는 라인과 어긋나는 위치에서 광 공동(121) 내로 광을 조사하도록 반사 공동 유닛(120)에 설치될 수 있다.
발광부(130)에서 조사된 광(L1)은 반사 공동 유닛(120)의 광 공동(121)에서 다중 반사될 수 있다. 이에 따라, 반사 공동 유닛(120) 내에서 광 경로는 광 공동(121)의 수 배 이상으로 길어질 수 있다. 이에 따라, 발광부(130)에서 조사된 광(L1)이 광 공동(121) 내 호흡 가스와 반응 확률이 높아질 수 있어서, 호흡 가스 내 미량의 성분에 대해서도 분석이 가능해질 수 있다.
나아가, 발광부(130)는 광 공동(121) 내로 비분산형 적외선(non-dispersive infrared, NDIR)을 조사하는 적외선 조사 장치일 수 있다. 가스 분자는 고유의 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성이 있다. 따라서, 적외선을 호흡 가스에 조사하여 그 흡수 특성을 감지하면 호흡 가스 내 특정 성분의 농도를 측정할 수 있다. 발광부(130)에서 조사되는 적외선은 방향 제어를 위하여 직사광에 가까운 비분산형 적외선(NDIR)이 사용될 수 있다.
수광 센서부(140)는 반사 공동 유닛(120)에 결합되고, 광 공동(121) 내의 호흡 가스 중 적어도 일부 가스의 성분을 분석하기 위하여 광 공동(121) 내에서 호흡 가스에서 산란 또는 반사된 광(L2)을 수광할 수 있다. 예를 들어, 발광부(130)가 비분산형 적외선을 이용하는 경우, 수광 센서부(140)는 적외선을 감지하기 위한 적외선 센서를 포함할 수 있다.
나아가, 발광부(130)에서 조사된 광, 예컨대 비분산형 적외선이 수광 센서부(140)로 직접 수신되지 않고 반사 공동 유닛(120), 예컨대 적분구 내에서 다중 반사되도록 수광 센서부(140)는 발광부(130)의 광 조사 축에서 벗어난 위치(off-axes position)에서 반사 공동 유닛(120)에 결합될 수 있다.
일부 실시예에서, 수광 센서부(140)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 파장 대역의 비분산형 적외선을 감지하도록 센서 어레이 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 수광 센서부(140)는 어레이 배치된 복수의 적외선 센서들(142)을 포함할 수 있고, 이러한 적외선 센서들(142)의 적어도 일부는 서로 다른 파장 대역의 적외선을 감지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 호흡 분석 장치(100a)를 보여주는 개략도이다. 호흡 분석 장치(100a)는 도 1의 호흡 분석 장치(100)에 일부 구성을 부가한 것이고, 따라서 두 실시예들은 서로 참조될 수 있는 바 중복된 설명은 생략된다.
도 2를 참조하면, 호흡 분석 장치(100a)에서 호흡 저장 탱크(110)는 인체로부터 채취된 호흡 가스가 들어있는 호흡 팩(50)으로부터 호흡 가스를 공급받을 수 있다. 호흡 팩(50)은 호흡 가스 분석 후 호흡 분석 장치(100a)에서 분리될 수 있다.
호흡 분석 장치(100a)에는, 호흡 팩(50)으로부터 호흡 저장 탱크(110) 방향으로 호흡 가스를 공급하도록 호흡 팩(50) 및 호흡 저장 탱크(110) 사이에 연결된 제 1 펌프(163)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 제 1 펌프(163)는 공기 펌프의 일종일 수 있다. 호흡 저장 탱크(110)의 압력을 모니터링하면서, 제 1 펌프(163)를 이용해서 호흡 팩(50)으로부터 호흡 저장 탱크(110)로 원하는 양의 호흡 가스를 공급할 수 있다. 나아가, 호흡 팩(50)과 제 1 펌프(163) 사이에는 호흡 가스의 유량을 제어하기 위한 밸브(153)가 결합될 수 있다.
한편, 호흡팩(50) 및 호흡 저장 탱크(110) 사이에는 호흡 팩(50)으로부터 공급되는 호흡 가스의 수분을 필터링하기 위한 수분 필터(60)가 더 결합될 수 있다. 예를 들어, 수분 필터(60)는 호흡 팩(50)의 토출구 또는 밸브(153) 전단의 라인에 결합될 수 있다.
제 2 펌프(166)는 반사 공동 유닛(120)으로부터 호흡 가스를 배출하기 위해서 반사 공동 유닛(120)의 가스 유출구(124)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 제 2 펌프(166)는 공기 펌프의 일종일 수 있다. 나아가, 나아가, 가스 유출구(124)와 제 2 펌프(166) 사이에는 호흡 가스의 유동을 제어하기 위한 밸브(154)가 결합될 수 있다.
선택적으로, 반사 공동 유닛(120) 내로 세정 가스(cleaning gas)를 공급하기 위하여, 반사 공동 유닛(120)에 세정 가스 공급부(170)가 더 결합될 수 있다. 나아가, 세정 가스 공급부(170)와 반사 공동 유닛(120) 사이에는 세정 가스의 유량을 조절하기 위한 밸브(155)가 더 결합될 수 있다.
전술한 호흡 분석 장치(100, 100a)에 따르면, 광학 방식과 다중 센서 어레이 구조를 이용하여 가스의 선택성을 높이면서도, 반사 공동 유닛(120)을 이용하여 광 경로를 길게 하고, 반사 공동 유닛(120) 내 호흡 가스의 압력을 조절하여 선형성을 높임으로써, ppb(part per billion) 수준의 미량 성분에 대해서도 분석이 가능해진다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100, 100a: 호흡 분석 장치
110: 호흡 저장 탱크
120: 반사 공동 유닛
130: 발광부
140: 수광 센서부
151, 152, 153, 154: 밸브
163, 166: 펌프

Claims (9)

  1. 인체의 호흡 가스를 저장하기 위한 호흡 저장 탱크;
    일측에 상기 호흡 저장 탱크에 연결된 가스 유입구가 형성되고, 타측에 가스 배출구가 형성되며, 내부에 광 공동이 형성되어 상기 광 공동 내에 입사된 광이 다중 반사되는 반사 공동 유닛;
    상기 반사 공동 유닛에 결합되어, 상기 가스 유입구를 통해서 상기 광 공동 내로 유입된 호흡 가스에 광을 조사하는 발광부; 및
    상기 반사 공동 유닛에 결합되고, 상기 광 공동 내의 호흡 가스 중 적어도 일부 가스의 성분을 분석하기 위하여 상기 광 공동 내에서 호흡 가스에서 산란 또는 반사된 광을 수광하는 수광 센서부를 포함하고,
    상기 호흡 저장 탱크는 인체로부터 채취된 호흡 가스가 들어있는 호흡 팩으로부터 호흡 가스를 공급받고,
    상기 호흡 팩으로부터 상기 호흡 저장 탱크 방향으로 호흡 가스를 공급하도록 상기 호흡 팩 및 상기 호흡 저장 탱크 사이에 연결된 제 1 펌프;
    상기 호흡 저장 탱크에 결합되어 내부의 압력을 측정하기 위한 제 1 압력 센서; 및
    상기 반사 공동 유닛에 결합되어 상기 광 공동 내 압력을 측정하기 위한 제 2 압력 센서를 더 포함하고,
    상기 제 1 압력 센서를 통해서 상기 호흡 저장 탱크의 내부 압력을 모니터링함으로써 상기 호흡 저장 탱크 내로 인입되는 호흡 가스의 양 또는 압력을 조절하고,
    상기 제 2 압력 센서를 통해서 상기 광 공동 내 압력을 모니터링함으로써 상기 광 공동 내 호흡 가스의 양 또는 압력을 조절하는,
    광학식 호흡 분석 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 호흡팩의 토출구 또는 상기 호흡팩 및 상기 호흡 저장 탱크 사이에 상기 호흡 팩으로부터 공급되는 호흡 가스의 수분을 필터링하기 위한 수분 필터가 결합되는,
    광학식 호흡 분석 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 공동 유닛으로부터 상기 호흡 가스를 배출하기 위해 가스 유출구에 연결된 제 2 펌프를 더 포함하는,
    광학식 호흡 분석 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 공동 내로 세정 가스를 공급하기 위하여, 상기 반사 공동 유닛에 결합된 세정 가스 공급부를 더 포함하는,
    광학식 호흡 분석 장치.
  7. 제 1 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광부는 상기 광 공동 내로 비분산형 적외선(NDIR)을 조사하는,
    광학식 호흡 분석 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사 공동 유닛은 적분구(integrating sphere)를 포함하고,
    상기 발광부에서 조사된 비분산형 적외선이 상기 수광 센서부로 직접 수신되지 않고 상기 적분구 내에서 다중 반사되도록 상기 수광 센서부는 상기 발광부의 광 조사 축에서 벗어난 위치에서 상기 반사 공동 유닛에 결합된,
    광학식 호흡 분석 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 수광 센서부는 다수의 파장 대역의 비분산형 적외선을 감지하도록 센서 어레이 구조를 갖는,
    광학식 호흡 분석 장치.
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