KR102627146B1 - 스펙트럼 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

분광기에 의해 획득된 스펙트럼에서 외부 환경 변화에 따른 노이즈를 제거하는 스펙트럼 처리 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면 스펙트럼 처리 장치는 제1 대상체로부터 외부 환경의 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하고, 제2 대상체로부터 성분 분석용 제2 스펙트럼을 측정하는 분광기와, 제1 스펙트럼을 기초로 외부 환경 변화에 따른 파장별 특성 벡터를 추출하고, 추출된 파장별 특성 벡터를 이용하여 제2 스펙트럼을 보정하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

스펙트럼 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING SPECTRUM}
스펙트럼 처리 장치 및 방법에 관한 것으로, 대상체로부터 측정된 스펙트럼으로부터 외부 환경 변화에 따른 노이즈를 제거하는 기술과 관련된다.
최근 라만 분광이나 근적외선 분광 기술을 이용하여 비침습적으로 혈당과 같은 생체 정보를 측정하는 방법이 연구되고 있다. 일반적으로 분광 기술을 적용한 생체정보 측정 기기들은 대상체에 광을 조사하는 광원과 대상체로부터 되돌아오는 광학 신호를 검출하는 디텍터로 구성되며, 디텍터에 의해 검출된 광학 신호를 이용하여 스펙트럼을 재건하고, 재건된 스펙트럼을 분석하여 혈당, 칼로리 등의 생체 내 성분 정보를 측정한다. 일반적으로 분광 스펙트럼의 경우 온도 변화에 영향을 받느다. 대형 분광기의 경우 시스템 자체의 온도를 조절할 수 있는 온도 조절 시스템을 갖추고 있어 온도에 대한 영향을 최소화할 수 있으나, 소형 분광기의 경우 온도 조절 시스템을 갖추는 게 어려움이 있다.
온도와 같은 외부 환경 변화를 반영하여 스펙트럼의 노이즈를 제거하는 스펙트럼 처리 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 스펙트럼 처리 장치는 제1 대상체로부터 외부 환경의 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하고, 제2 대상체로부터 성분 분석용 제2 스펙트럼을 측정하는 분광기 및 제1 스펙트럼을 기초로 외부 환경 변화에 따른 파장별 특성 벡터를 추출하고, 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼을 보정하여 최종 스펙트럼을 획득하는 프로세서를 포함할 수 있다.
이때, 외부 환경은 온도를 포함할 수 있다.
이때, 제1 대상체는 분석할 성분을 포함하지 않은 순수한 물을 포함하고, 제2 대상체는 분석할 성분을 포함한 인체 피부를 포함할 수 있다.
프로세서는 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법 중의 적어도 하나를 기초로 상기 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다.
프로세서는 최소 제곱법(least square)을 포함하는 노이즈 제거 방법을 적용하여, 상기 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼으로부터 외부 환경에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
분광기는 분석할 성분을 포함한 제3 대상체로부터 제3 스펙트럼을 측정하고, 프로세서는 파장별 특성 벡터를 기초로 제3 스펙트럼을 보정하고, 제2 스펙트럼을 보정하여 획득된 제2 보정 스펙트럼에서 제3 스펙트럼을 보정하여 획득된 제3 보정 스펙트럼을 빼서 최종 스펙트럼을 획득할 수 있다.
분광기는 제1 대상체 및 제2 대상체에 광을 조사하는 하나 이상의 광원 및 제1 대상체 및 제2 대상체에서 돌아오는 광을 검출하는 하나 이상의 디텍터를 포함할 수 있다.
이때, 하나 이상의 광원은 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있다.
프로세서는 소정 기준에 따라 외부 환경 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하도록 사용자에게 가이드할 수 있다.
스펙트럼 처리 장치는 프로세서의 처리 결과를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
또한, 스펙트럼 처리 장치는 프로세서의 처리 결과를 외부 기기에 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
이때, 성분은 혈당, 중성지방, 콜레스테롤, 칼로리, 단백질 및 요산 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 스펙트럼 처리 방법은 제1 대상체로부터 외부 환경의 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하는 단계, 제1 스펙트럼을 기초로 외부 환경 변화에 따른 파장별 특성 벡터를 추출하는 단계, 제2 대상체로부터 제2 스펙트럼을 측정하는 단계 및 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 상기 제2 스펙트럼을 보정하여 최종 스펙트럼을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 외부 환경은 온도를 포함할 수 있다.
이때, 제1 대상체는 순수한 물 및 공복 상태의 인체 피부 중의 적어도 하나를 포함하고, 제2 대상체는 인체 피부를 포함할 수 있다.
파장별 특성 벡터를 추출하는 단계는 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법 중의 적어도 하나를 기초로 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다.
최종 스펙트럼을 획득하는 단계는 최소 제곱법(least square)을 포함하는 노이즈 제거 방법을 적용하여, 상기 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼으로부터 상기 외부 환경에 의한 노이즈를 제거할 수 있다.
스펙트럼 처리 방법은 분석할 성분을 포함한 제3 대상체로부터 제3 스펙트럼을 측정하는 단계 및 파장별 특성 벡터를 기초로 제3 스펙트럼을 보정하는 단계를 더 포함하고, 최종 스펙트럼을 획득하는 단계는 제2 스펙트럼을 보정하여 획득된 제2 보정 스펙트럼에서 제3 스펙트럼을 보정하여 획득된 제3 보정 스펙트럼을 빼서 최종 스펙트럼을 획득할 수 있다.
또한, 스펙트럼 처리 방법은 사용자 입력 또는 소정 기준에 따라 외부 환경 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하도록 사용자에게 가이드하는 단계를 더 포할 수 있다.
또한, 스펙트럼 처리 방법은 최종 스펙트럼을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
온도와 같은 외부 환경 변화를 반영하여 스펙트럼의 노이즈를 제거함으로써 스펙트럼을 이용한 대상체의 성분 분석의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 스펙트럼 처리 장치의 블록도이다.
도 2는 분광기 구조의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3g는 스펙트럼 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 스펙트럼 처리 장치의 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 스펙트럼 처리 방법의 흐름도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 스펙트럼 처리 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 생체성분 분석 장치의 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 8은 도 7의 생체성분 분석 장치의 블록도이다.
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.
이하, 스펙트럼 처리 장치 및 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
이하에서 설명하는 스펙트럼 처리 장치의 다양한 실시예들은 휴대용 웨어러블 기기나 스마트 기기 등의 각종 정보 처리 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 각종 정보 처리 기기는 손목에 착용하는 스마트 워치, 스마트 밴드형, 헤드폰형, 헤어밴드 형 등 다양한 형태의 웨어러블 기기나, 스마트폰, 태블릿 PC등와 같은 모바일 기기 또는 전문적인 의료 기관 시스템 등을 포함할 수 있다. 다만, 이러한 예시에 한정되지 않는다.
도 1은 일 실시예에 따른 스펙트럼 처리 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 스펙트럼 처리 장치(100)는 분광기(110) 및 프로세서(120)를 포함한다.
분광기(110)는 대상체로부터 스펙트럼을 측정할 수 있다. 분광기(110)는 라만 분광법 또는 근적외선 분광법을 기반으로 스펙트럼을 측정할 수 있다. 분광기(110)는 대상체에 광을 조사하는 하나 이상의 광원 및 대상체로부터 산란 또는 반사되는 광을 검출하는 하나 이상의 디텍터를 포함할 수 있다.
광원은 발광 다이오드(light emitting diode), 레이저 다이오드(laser diode) 및 형광체 등을 포함할 수 있다. 복수의 광원은 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있다. 이때, 적어도 일부의 광원은 상부에 특정 파장 영역의 광을 투과시키거나 차단하기 위한 컬러 필터가 배열될 수 있다. 디텍터는 하나의 픽셀 또는 둘 이상의 픽셀 어레이를 포함할 수 있으며, 각 픽셀은 포토 다이오드(photo diode) 또는 포토 트랜지스터(photo transister)를 포함할 수 있다. 디텍터는 광을 검출하면 검출된 광 신호를 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 각 픽셀의 상부에는 각각의 집광력을 높이기 위한 마이크로 렌즈와 같은 광 집중기가 배열될 수 있다.
프로세서(120)는 분광기(110)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 스펙트럼 측정 요청에 따라 분광기(110)를 제어할 수 있다. 또한, 분광기(110)로부터 신호를 수신하면, 수신된 신호를 이용하여 대상체의 스펙트럼을 복원할 수 있다. 이와 같이 재건된 스펙트럼은 대상체로부터 성분을 분석하는데 활용될 수 있다. 이때, 대상체의 성분은 혈당, 칼로리, 알코올, 중성지방, 단백질, 콜레스테롤, 요산 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서(120)는 대상체의 성분 분석을 위해 스펙트럼이 측정되면 측정된 스펙트럼에서 외부 환경 변화에 따른 노이즈를 제거하는 등의 다양한 스펙트럼 처리 과정을 수행할 수 있다. 이때, 외부 환경 변화는 온도, 습도 등의 스펙트럼의 정확성에 영향을 미치는 다양한 요인을 포함할 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해 온도 변화를 위주로 설명한다.
예를 들어, 분광기(110)가 제1 대상체로부터 외부 환경 변화 특성이 반영된 제1 스펙트럼을 측정하면, 프로세서(120)는 제1 스펙트럼을 이용하여 외부 환경 변화에 따른 분광기(110)의 파장별 특성을 추출할 수 있다. 이때, 제1 대상체는 배경 스펙트럼 획득을 위한 기준이 되는 대상체로서 분석할 성분, 예컨대 포도당(glucose)을 포함하지 않은 순수한 물 또는 공복 상태의 인체 피부일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 분광기(110)가 제2 대상체로부터 성분 분석을 위한 제2 스펙트럼을 측정하면, 프로세서(120)는 제1 스펙트럼을 기초로 제2 스펙트럼을 보정하여 최종 스펙트럼을 획득할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 제1 스펙트럼을 이용하여 추출된 분광기(110)의 파장별 특성을 기초로 제2 스펙트럼으로부터 외부 환경에 따른 노이즈를 제거할 수 있다. 이때, 제2 대상체는 성분 분석을 위한 인체 피부 조직 등으로 분석하고자 하는 대상 성분을 포함할 수 있다. 예컨대, 제2 대상체는 요골동맥 부위나, 정맥혈이나 모세혈 등이 지나가는 손목 상부, 손가락 등일 수 있다.
한편, 프로세서(120)는 분광기(110)를 제어하여 제1 대상체로부터 제1 스펙트럼을 획득하도록 할 수 있다. 이때, 제1 스펙트럼의 측정은 스펙트럼 처리 장치(100)의 제작시 또는, 다양한 외부 환경 변화가 발생하는 상황에서 사용자의 요청에 따라 수행될 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 소정 기준에 따라 제1 스펙트럼의 측정 여부를 판단하고 제1 스펙트럼의 측정이 필요한 경우 사용자에게 가이드할 수 있다. 예를 들어, 최종 스펙트럼의 감도가 높지 않다고 판단되는 경우, 최종 스펙트럼을 이용한 대상체의 성분 분석 결과가 정확하지 않다고 판단되는 경우 등과 같이 미리 설정된 기준에 따라 제1 스펙트럼 재측정 여부를 판단할 수 있다.
분광기(110)는 프로세서(120)의 제어에 따라, 외부 환경 예컨대, 온도가 변하는 환경에서 제1 대상체로부터 충분한 시간 동안 스펙트럼을 반복 측정하여 온도 변화 특성이 반영된 제1 스펙트럼을 획득할 수 있다. 이와 같이 획득된 제1 스펙트럼은 제2 스펙트럼의 보정에 활용하기 위해 저장 모듈에 저장될 수 있다. 이때, 인위적으로 외부 환경을 변화시키면서 또는 자연적인 환경 변화 상황에서 측정될 수 있다.
또한, 프로세서(120)는 성분 분석을 위한 제2 스펙트럼의 측정 요청이 수신되면, 분광기(110)를 제어하여 제2 대상체로부터 제2 스펙트럼을 측정하도록 할 수 있다. 이때, 제2 스펙트럼의 측정 요청은 사용자에 의해 단발적으로 입력될 수 있으나, 일정한 시간 간격으로 연속 측정할 수 있도록 스펙트럼 처리 장치(100)에 측정 시간 주기가 미리 설정되는 것도 가능하다.
일 예로, 프로세서(120)는 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법, 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 또는 최소 제곱법(Least Square) 등을 활용하여, 제1 스펙트럼을 기초로 제2 스펙트럼의 노이즈를 제거할 수 있다. 예컨대, 프로세서(120)는 주성분 분석 기법 또는 특이값 분해 기법 등을 이용하여 제1 스펙트럼으로부터 외부 환경 변화 특성이 반영된 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 최소 제곱법 등을 적용하여, 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼으로부터 외부 환경 변화에 따른 노이즈를 제거할 수 있다.
다른 예로, 분광기(110)는 제3 대상체로부터 제3 스펙트럼을 측정할 수 있다. 이때, 제3 대상체는 분석할 성분(예: 포도당)을 포함한 물 용액 또는 공복상태의 인체 피부 등을 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 분광기(110)의 광원 구동 조건 및/또는 스펙트럼 측정 환경은 성분 분석을 위한 제2 스펙트럼의 측정 환경과 동일할 수 있다. 프로세서(120)는 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼 및 제3 스펙트럼을 보정하고, 제2 스펙트럼에서 제3 스펙트럼을 빼서 최종 스펙트럼을 획득할 수 있다.
이와 같이, 스펙트럼 처리 과정을 통해 획득한 최종 스펙트럼은 대상체의 성분 분석을 위해 저장 모듈에 저장되거나, 웨어러블 기기, 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 PC, 데스크탑 PC, 의료 기관 정보 처리 시스템 등의 외부 기기에 전송될 수 있다.
도 2는 분광기 구조의 일 실시예를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 분광기(110)는 n개의 LED 광원이 원형의 프레임에 LED 어레이로 배열될 수 있다. 또한, 포토 다이오드 디텍터(PD)가 원형 프레임의 중심에 배치될 수 있다. 여기서, 프레임의 형태는 원형으로 한정될 필요는 없으며, 스펙트럼 처리 장치(100)가 탑재되는 기기에 따라 변형될 수 있다.
각 LED 광원의 피크 파장(λ1,λ2,λ3,…,λn)은 적어도 일부가 서로 다른 파장 대역을 갖도록 설정될 수 있다. 각 LED 광원의 피크 파장은 미리 설정될 수 있으며, 스펙트럼 측정 부위 및 분석하고자 하는 성분 등을 기초로 설정될 수 있다.
각 LED 광원은 시분할 방식으로 파장(λ1,λ2,λ3,…,λn)을 순차적으로 대상체(OBJ)에 조사할 수 있다. 이때, 광원 구동 순서 및 광원 구동 시간 등의 광원 구동 조건은 미리 설정될 수 있다. 각 LED 광원에 의해 성분 분석을 위한 대상체(OBJ)에 조사된 광은 조직 특성에 따라 흡수, 반사 또는 산란된다. 이때, 대상체(OBJ)의 광 반응 특성은 대상체(OBJ)의 종류 및 광의 파장 등에 따라 달라지며, 이와 같이 대상체(OBJ)의 광 반응 특성에 따라 대상체(OBJ)에서 빛의 흡수, 반사, 투과 또는 산란 정도는 달라질 수 있다.
프로세서(120)는 디텍터(PD)에 의해 검출된 대상체(OBJ)의 응답에 따른 신호의 데이터 세트를 기초로 선형-독립 방정식을 수립하고 이를 기초로 스펙트럼을 복원할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 아래의 수학식 1에 표현된 바와 같은 행렬 형태의 선형 방정식을 수립할 수 있으며 이 선형 방정식을 푸는 방식으로 복원된 스펙트럼을 획득할 수 있다.
여기서, A는 각 광원별 구동 조건에 따라서 측정된 기준이 되는 스펙트럼 특성의 매트릭스이며, U는 각 광원별 동일한 구동 조건으로 성분 분석을 위한 대상체(OBJ)로부터 실제로 측정된 값의 매트릭스를 의미한다. 또한, z는 복원될 스펙트럼을 의미한다. 이때, 행렬 A의 상태가 좋지 않은 경우가 있을 수 있다. 이 경우 선형 방정식인 수학식 1의 시스템의 해가 정확하지 않을 수 있으므로 역문제(inverse problem)를 해법을 사용함으로써 스펙트럼 해상도의 크기에 제한을 두지 않으며 사용된 스펙트럼 곡선의 최소 개수로 높은 정확도를 가지는 스펙트럼을 복원할 수 있다. 이때, 역문제(inverse problem)를 푸는 티코노프 규칙화(Tikhonov regularization) 방법은 아래의 수학식 2와 같다.
여기서, u는 디텍터로 실제로 측정된 매트릭스 U의 각 컴포넌트를 의미하고, E는 단위행렬, A는 커널 매트릭스로서 각 광원별 구동 조건에 따라 측정된 기준이 되는 스펙트럼의 매트릭스를 의미한다. 또한, α는 노이즈 제거 단위를 나타낸다. 수학식 2는 임의의 공지된 방법 예컨대, 최소 제곱법(Least Square)에 의해 풀이될 수 있으며 일 예로 QR 분해를 사용하여 최소 제곱법을 풀 수 있다.
도 3a 내지 도 3g는 스펙트럼 처리 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3g를 참조하여, 스펙트럼 처리 장치(100)가 온도 변화에 따른 스펙트럼을 처리하는 과정의 실시예를 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 온도 변화에 따른 스펙트럼의 흡광도의 변화를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 분광기(110)를 통해 획득되는 스펙트럼은 온도에 따라 영향을 받는데, 일반적으로 근적외선 분광의 경우 온도가 1 ℃ 변하면 흡광도가 약 10-3 수준의 변화를 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 온도가 일정하게 유지되지 않는 환경에서는 분광기(110)를 통해 높은 감도의 스펙트럼을 획득하는 것이 곤란할 수 있다. 이에 따라 온도와 같은 외부 환경의 변화에 따른 파장별 특성을 보정할 필요가 있다.
도 3c는 기준이 되는 배경 스펙트럼을 획득하는 동안의 외부 온도 변화를 예시한 것이다. 도시된 바와 같이, 시간의 경과에 따라 온도가 26 ℃에서 점차 24 ℃로 감소하는 것을 보여주고 있다. 도 3d는 도 3c와 같이 온도가 변화하는 환경에서 측정한 배경 스펙트럼을 도시한 것으로, 이때, 배경 스펙트럼은 분석 대상 성분을 포함하지 않은 순수한 물 용액으로부터 측정한 스펙트럼일 수 있다. 한편, 이러한 배경 스펙트럼은 스펙트럼 처리 장치(100)가 사용될 환경을 가정하여 실험실 내에서 인위적으로 온도를 변화시키면서 측정되거나, 온도가 변화하는 소정 시간 동안의 실제 사용 환경에서 측정될 수 있다.
도 3e는 성분 분석을 위한 인체 피부로부터 측정한 스펙트럼을 도시한 것이다. 이와 같이 측정된 스펙트럼에는 온도를 포함한 외부 환경에 따른 노이즈가 반영되어 있다. 도 3f는 프로세서(120)에 의해 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및/또는 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법 등을 적용하여 도 3d의 배경 스펙트럼으로부터 추출된 파장별 특성 벡터를 나타낸 것으로 외부 환경 변화에 따른 특성을 포함하고 있다.
도 3g는 프로세서(120)에 의해 도 3f의 파장별 특성 벡터를 이용하여 도 3e의 스펙트럼에서 노이즈를 제거한 후의 스펙트럼을 도시한 것이다. 이때, 프로세서(120)는 최소 제곱법(least square) 등을 적용하여 도 3g와 같은 스펙트럼을 획득할 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 스펙트럼 처리 장치의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 스펙트럼 처리 장치(400)는 분광기(110), 프로세서(120), 출력부(410), 저장부(420) 및 통신부(430)를 포함할 수 있다. 이때, 분광기(110) 및 프로세서(120)의 자세한 설명은 전술한 바 있으므로, 중복되지 않은 구성을 중심으로 설명한다.
출력부(410)는 프로세서(120)에 의해 처리된 각종 정보를 출력할 수 있다. 출력부(410)는 디스플레이 등의 시각적 출력 모듈, 스피커 등의 음성 출력 모듈 또는, 진동이나 촉감 등의 햅틱 모듈 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력부(410)는 최종 스펙트럼을 출력할 수 있다. 이때, 제1 스펙트럼, 제2 스펙트럼, 제3 스펙트럼 및 각각의 보정된 스펙트럼을 함께 출력할 수 있다.
저장부(420)는 사용자 특성 정보, 분광기(110)의 광원 구동 조건 정보 등을 저장할 수 있다. 또한, 프로세서(120)의 처리 결과를 저장할 수 있다. 예컨대, 배경 스펙트럼, 파장별 특성 벡터, 노이즈를 제거하기 전의 성분 분석용 스펙트럼, 노이즈가 제거된 성분 분석용 스펙트럼 등의 정보를 저장할 수 있다.
저장부(420)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 등의 저장매체를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
통신부(430)는 외부 기기와 유무선 통신 연결하고 외부 기기로부터 각종 정보를 수신할 수 있다. 외부 기기는 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 PC 및 데스크탑 PC 등의 정보 처리 장치 등을 포함하는 것으로 이에 제한되지 않으며, 필요에 따라 대상체의 성분 분석 기능을 탑재할 수 있다.
예를 들어, 통신부(430)는 외부 기기로부터 대상체의 성분 분석을 위한 스펙트럼 측정 요청을 수신하여 프로세서(120)에 전달할 수 있다. 이때, 프로세서(120)는 스펙트럼 측정 요청에 따라 분광기(110)를 제어할 수 있다. 또한, 통신부(430)는 외부 기기로부터 광원 구동 조건 등의 기준 정보를 수신하여 프로세서(120)로 전달할 수 있다. 이때, 프로세서(120)는 수신된 기준 정보를 저장부(420)에 저장할 수 있다. 또한, 통신부(430)는 프로세서(120)의 처리 결과를 외부 기기에 전송할 수 있다.
통신부(430)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 이용하여 외부 기기와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 일 실시예에 따른 스펙트럼 처리 방법의 흐름도이다.
도 5는 전술한 스펙트럼 처리 장치(100,400)에 의해 수행되는 스펙트럼 처리 방법의 일 실시예이다.
도 5를 참조하면, 스펙트럼 처리 장치는 기준이 되는 제1 대상체로부터 외부 환경 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정할 수 있다(510). 이때, 제1 대상체는 순수한 물 용액, 공복 상태의 인체 피부 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다. 외부 환경 변화는 온도 변화를 포함하며, 온도를 변화시키면서 동일한 광원 구동 조건으로 반복적으로 제1 스펙트럼을 측정할 수 있다. 제1 스펙트럼의 측정은 사용자의 요청에 따라, 미리 정의된 기준을 만족하는 경우 수행될 수 있다.
그 다음, 제1 스펙트럼을 기초로 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다(520). 이때, 파장별 특성 벡터는 외부 환경 변화에 따른 노이즈 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및/또는 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법을 이용하여 제1 스펙트럼으로부터 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다.
그 다음, 제2 대상체로부터 제2 스펙트럼을 측정할 수 있다(530). 제2 스펙트럼의 측정 요청은 사용자 또는 외부 기기로부터 입력되거나 미리 설정된 주기를 만족하는 경우 발생될 수 있다. 제2 대상체는 혈당, 칼로리, 알코올, 중성지방, 단백질, 콜레스테롤, 요산 등의 성분을 분석하기 위한 인체 피부 등일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 제2 대상체로부터 측정된 제2 스펙트럼은 일반적인 환경에서 측정이 되므로 외부 환경에 따른 노이즈를 포함할 수 있다.
그 다음, 파장별 특성 벡터를 이용하여 제2 스펙트럼을 보정할 수 있다(540). 예를 들어, 파장별 특성 벡터를 이용하여 최소 제곱법(Least Square) 등의 방법으로 제2 스펙트럼으로부터 파장별 노이즈를 제거할 수 있다. 이와 같이 제2 스펙트럼을 보정한 결과 획득된 제3 스펙트럼은 저장 모듈에 저장되어 성분 분석에 활용될 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 스펙트럼 처리 방법의 흐름도이다.
도 6은 도 5는 전술한 스펙트럼 처리 장치(100,400))에 의해 수행되는 스펙트럼 처리 방법의 일 실시예이다. 중복 설명을 피하기 위해 간단하게 설명한다.
먼저, 기준이 되는 제1 대상체로부터 온도와 같은 외부 환경 변화에 따른 제1 스펙트럼을 반복적으로 측정할 수 있다(610).
그 다음, 측정된 제1 스펙트럼을 기초로 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다(620). 이때, 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및/또는 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법을 이용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
그 다음, 제2 대상체로부터 제2 스펙트럼 측정 및 제3 대상체로부터 제3 스펙트럼 측정할 수 있다(630). 이때, 제2 대상체는 성분 분석을 위한 인체 피부 조직 등이며, 제3 대상체는 분석할 성분을 포함한 물 용액 등일 수 있다. 제2 스펙트럼 및 제3 스펙트럼은 서로 다른 시점에 측정될 수 있다. 예컨대, 제3 스펙트럼은 미리 측정되어 저장되며, 제2 스펙트럼이 측정될 때마다 저장된 제3 스펙트럼을 활용할 수 있다.
그 다음, 단계(620)에서 추출한 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼 및 제3 스펙트럼을 보정하여 제2 보정 스펙트럼 및 제3 보정 스펙트럼을 획득할 수 있다(640). 이때, 최소 제곱법 등을 이용하여 보정 스펙트럼을 획득할 수 있다. 또한, 제2 보정 스펙트럼과 제3 보정 스펙트럼은 반드시 동일한 시점에 획득할 필요는 없으며, 제2 스펙트럼 및 제3 스펙트럼이 각각 측정된 시점에 수행되는 것도 가능하다.
그 다음, 제2 보정 스펙트럼에서 제3 보정 스펙트럼을 빼서 최종 스펙트럼을 획득할 수 있다(650).
도 7은 일 실시예에 따른 생체성분 분석 장치의 구조를 간략히 도시한 것이다. 도 8은 도 7의 생체성분 분석 장치의 블록도이다.
도 7에 도시된 바와 같이 생체성분 분석 장치(700)의 일 실시예는 스마트 워치(smart watch) 형태의 웨어러블 기기일 수 있다. 다만, 특별히 어느 하나의 형태로 제한되는 것은 아니며 스마트폰, 태블릿 PC, 스마트 밴드 등의 형태와 같이 다양하게 변형될 수 있다. 도 7 및 도 8의 생체성분 분석 장치(700)는 전술한 스펙트럼 처리 기술이 탑재될 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 생체성분 분석 장치(700)는 본체(710) 및 스트랩(720)을 포함할 수 있다.
스트랩(720)은 본체(710)에 연결되며 플렉시블하게 형성될 수 있다. 스트랩(720)은 사용자의 손목에 감싸는 형태로 구부려지거나 사용자의 손목으로부터 분리되는 형태로 구부려질 수 있다. 이때, 본체(710) 또는 스트랩(720)의 내부에는 장치(700)에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
또한, 장치(700)는 본체(710)에 장착되는 분광기(810) 및 프로세서(820)를 포함할 수 있다. 분광기(810)는 도 2를 참조하여 일 실시예를 설명한 바와 같이 복수의 LED 어레이로 형성되는 광원과 디텍터를 포함할 수 있으며, 사용자의 손목 상부와 접촉하는 본체(710)의 후면에 장착될 수 있다.
분광기(810)는 프로세서(820)의 제어 신호에 따라 광원을 구동하여 사용자의 피부에 광을 조사하고, 사용자의 피부를 거쳐 되돌아오는 광을 검출하여 스펙트럼을 획득할 수 있다. 이때, 광원은 근적외선 또는 중적외선 대역의 광을 조사하도록 구성될 수 있다. 분광기(810)는 리니어 가변 필터(Linear Variable Filter, LVF)를 포함할 수 있다. 리니어 가변 필터는 전체 길이에 걸쳐 선형으로 변화하는 스펙트럼 특성을 갖는다. 따라서, 리니어 가변 필터는 입사되는 광을 파장 순으로 분산시킬 수 있다. 리니어 가변 필터는 콤팩트한 크기이지만 우수한 분광 능력을 갖는다.
프로세서(820)는 사용자의 요청 또는 미리 정의된 기준을 만족하는 경우 분광기(810)를 제어하여 기준이 되는 대상체로부터 배경 스펙트럼을 획득하도록 할 수 있다. 이때, 프로세서(820)는 미리 정의된 경우 사용자에게 배경 스펙트럼을 측정하도록 가이드할 수 있으며, 사용자에 의해 배경 스펙트럼 측정 준비가 완료되는 경우 분광기(810)를 제어할 수 있다. 한편, 기준이 되는 대상체는 포도당과 같이 분석할 성분이 포함되지 않은 순수한 물 용액일 수 있으나, 사용자가 장치(100)를 손목에 착용한 상태에서 공복상태의 배경 스펙트럼을 측정하는 것도 가능하다.
프로세서(820)는 외부 환경 변화를 반영한 배경 스펙트럼이 측정되면, 주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및/또는 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법 등을 이용하여 파장별 특성 벡터를 추출할 수 있다. 이와 같이 추출된 파장별 특성 벡터는 저장 모듈에 저장할 수 있다.
또한, 프로세서(820)는 사용자의 요청이 있거나 미리 설정된 측정 주기가 되면 대상체(사용자가 손목에 착용하고 있는 경우 손목 피부)로부터 성분 분석용 스펙트럼을 측정하고, 파장별 특성 벡터를 기초로 노이즈를 제거하여 최종 스펙트럼을 획득할 수 있다. 이때, 최소 제곱법 등을 이용하여 노이즈를 제거할 수 있다.
프로세서(820)는 외부 환경 변화에 따른 노이즈가 제거된 최종 스펙트럼을 이용하여 혈당, 칼로리 등의 성분을 분석할 수 있다. 이때, 분석하고자 하는 성분에 따라 적합한 추정 모델이 구축될 수 있으며, 최종 스펙트럼 및 추정 모델을 이하여 원하는 성분을 분석할 수 있다. 예컨대, 혈당 분석의 경우 램버트-비어 법칙을 이용하여 혈당 추정 모델의 구축이 가능하다.
한편, 장치(700)는 본체(710)에 장착되는 조작부(715)와 표시부(714)를 더 포함할 수 있다. 조작부(715)는 사용자의 명령을 수신하여 프로세서(820)로 전달하며, 장치(700)의 전원을 온/오프시키는 명령을 입력하는 전원 버튼을 포함할 수 있다.
표시부(714)는 프로세서(820)의 제어에 따라 성분 분석 결과, 경고, 알람 등의 추가 정보를 다양한 시각적인 방법으로 표시하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 장치(700)는 사용자의 모바일 단말, 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC 등의 외부 기기와 통신하는 통신부(830)를 포함할 수 있다. 통신부(830)는 본체(710) 내부에 실장될 수 있다.
개시된 실시예들에 따르면, 일반적으로 MSC(multiplicative scatter correction)를 적용하여 획득한 스펙트럼을 이용하여 혈당을 계산한 경우에 비하여 정확도가 향상될 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.
100,400: 스펙트럼 처리 장치 110: 분광기
120: 프로세서 410: 출력부
420: 저장부 430: 통신부
700: 생체성분 분석 장치 710: 본체
714: 표시부 715: 조작부
720: 스트랩 810: 분광기
820: 프로세서 830: 통신부

Claims (20)

  1. 제1 대상체로부터 외부 환경의 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하고, 제2 대상체로부터 성분 분석용 제2 스펙트럼을 측정하며, 분석할 성분을 포함한 제3 대상체로부터 제3 스펙트럼을 측정하는 분광기; 및
    상기 제1 스펙트럼을 기초로 외부 환경 변화에 따른 파장별 특성 벡터를 추출하고, 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼을 보정하고, 상기 파장별 특성 벡터를 기초로 제3 스펙트럼을 보정하며, 상기 제2 스펙트럼을 보정하여 획득된 제2 보정 스펙트럼에서 상기 제3 스펙트럼을 보정하여 획득된 제3 보정 스펙트럼을 빼서 최종 스펙트럼을 획득하는 프로세서를 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 환경은 온도를 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대상체는 분석할 성분을 포함하지 않은 순수한 물을 포함하고,
    상기 제2 대상체는 분석할 성분을 포함한 인체 피부를 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법 중의 적어도 하나를 기초로 상기 파장별 특성 벡터를 추출하는 스펙트럼 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    최소 제곱법(least square)을 포함하는 노이즈 제거 방법을 적용하여, 상기 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼으로부터 상기 외부 환경에 의한 노이즈를 제거하는 스펙트럼 처리 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분광기는
    상기 제1 대상체 및 제2 대상체에 광을 조사하는 하나 이상의 광원; 및
    상기 제1 대상체 및 제2 대상체에서 돌아오는 광을 검출하는 하나 이상의 디텍터를 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광원은 서로 다른 파장의 광을 조사하는 스펙트럼 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    소정 기준에 따라 외부 환경 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하도록 사용자에게 가이드하는 스펙트럼 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서의 처리 결과를 출력하는 출력부를 더 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서의 처리 결과를 외부 기기에 전송하는 통신부를 더 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 성분은 혈당, 중성지방, 콜레스테롤, 칼로리, 단백질 및 요산 중의 하나 이상을 포함하는 스펙트럼 처리 장치.
  13. 제1 대상체로부터 외부 환경의 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하는 단계;
    상기 제1 스펙트럼을 기초로 외부 환경 변화에 따른 파장별 특성 벡터를 추출하는 단계;
    제2 대상체로부터 제2 스펙트럼을 측정하고, 분석할 성분을 포함한 제3 대상체로부터 제3 스펙트럼을 측정하는 단계; 및
    상기 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 상기 제2 스펙트럼을 보정하고, 상기 파장별 특성 벡터를 기초로 제3 스펙트럼을 보정하는 단계; 및
    상기 제2 스펙트럼을 보정하여 획득된 제2 보정 스펙트럼에서 상기 제3 스펙트럼을 보정하여 획득된 제3 보정 스펙트럼을 빼서 최종 스펙트럼을 획득하는 단계를 포함하는 스펙트럼 처리 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외부 환경은 온도를 포함하는 스펙트럼 처리 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 대상체는 순수한 물 및 공복 상태의 인체 피부 중의 적어도 하나를 포함하고, 제2 대상체는 인체 피부를 포함하는 스펙트럼 처리 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 파장별 특성 벡터를 추출하는 단계는
    주성분 분석(Principal Component Analysis, PCA) 기법 및 특이값 분해(Singular Value Decomposition, SVD) 기법 중의 적어도 하나를 기초로 파장별 특성 벡터를 추출하는 스펙트럼 처리 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 최종 스펙트럼을 획득하는 단계는
    최소 제곱법(least square)을 포함하는 노이즈 제거 방법을 적용하여, 상기 추출된 파장별 특성 벡터를 기초로 제2 스펙트럼으로부터 상기 외부 환경에 의한 노이즈를 제거하는 스펙트럼 처리 방법.
  18. 삭제
  19. 제13항에 있어서,
    사용자 입력 또는 소정 기준에 따라 외부 환경 변화에 따른 제1 스펙트럼을 측정하도록 사용자에게 가이드하는 단계를 더 포함하는 스펙트럼 처리 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 최종 스펙트럼을 출력하는 단계를 더 포함하는 스펙트럼 처리 방법.
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