KR20010102877A - 소형 요분석 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가정용ㆍ휴대용으로 이용되는 소형 요분석 시스템에 관한 것이다.

병ㆍ의원에서 환자의 진료 및 치료 계획을 위하여 실시하는 임상검사 중 요검사는 전체 검사량의 약 30%를 차지할 만큼 필수적인 검사이다. 일반적으로 상용되고 있는 요분석 시스템들은 병원 및 의원급을 대상으로 개발되어 있고, 일반인이 사용하기에는 고가이며, 구입하기가 용이하지 않은 의료검사 장비일 뿐만 아니라 요의 색깔 변화에 의한 신체의 이상 징후 및 건강 상태를 진단할 수 있는 의학적 지식이 부족하기 때문에 그 활용도가 매우 낮다고 할 수 있다.

그리고 최근 여러 과학기술의 급속한 발전과 더불어 임상검사기기의 성능이 급속하게 향상되어 검사의 합리성, 편리성, 신속성, 경제성, 정밀성, 자동화 등을 고려한 임상기기가 많이 등장하는 추세이다. 또한 삶의 질이 향상되고 의료욕구가 증대되면서 재택진료 및 원격진료에 대한 관심도 높아지고 있다. 이러한 추세에 편승하여 인터넷을 이용하여 건강관리를 할 수 있는 의료포털 사이트가 증가하고 가상병원이 설립되어 운영되기도 한다.

이러한 시대적인 변화에도 불구하고, 여전히 일반 가정에서 자신의 건강상태를 손쉽게 확인하고, 관리할 수 있는 시스템이 보편적이지 않은 실정이다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로 이의 발명요지는 소형화되면서도 정밀도가 높은 광모듈을 개발하고, 저전력, 임상검사 장비 또는 PC 확장성을 고려한 요분석 시스템을 구현한 것이다. 그리고 요분석용 스트립 항목별 level판단이 가능하도록 판단 파라미터를 추출하고 외란 환경에 강인한 알고리듬을 적용한 분류기를 구성한 것이다. 또한 요분석 시스템의 운영 프로그램을 개발하여 스트립 항목의 위치를 자동으로 추출하고, 측정용 스트립의 손상유무를 검사하여 사용자의 편의를 제공하며, 광학적 보정기능을 내장하여 검사의 정확도를 보장하도록 구성한 것이다. 그리고 데이터를 측정, 저장, 분석, 전송하여 질환의 유무를 참조할 수 있으므로 일반 가정에서도 모듈형 요분석 시스템을 이용하여 손쉽게 자가건강관리를 보조할 수 있도록 구현한 것이다.

Description

소형 요분석 시스템 { Module-type urine analysis system }

본 발명은 검사결과의 참고자료를 제공하는 소형 요(尿)분석 시스템에 관한 것이다.

환자의 진료 및 치료 계획을 위하여 실시하는 임상병리 검사 중에서 요검사는 대부분의 병원에서 전체 검사량의 약 30% 정도를 점유할 만큼 필수적인 검사이다.

최근들어 과학기술 및 생활 수준이 향상되고 건강에 대한 관심이 증대되면서 일반인들은 가정용ㆍ휴대용 의료기기를 통하여 자신의 건강상태를 점검하거나 확인하기를 바란다. 그러나, 전문적인 지식을 갖추지 못한 일반인들은 각종 건강 검사결과를 이해하기가 힘들다. 특히 요검사 기기의 검사결과에 대한 참고 자료를 제공하는 요분석기기는 아직 개발되지 않은 것으로 확인되고 있다.

기존에 사용되고 있는 요분석 시스템 즉, Bayer사(미국)의 CLINITEC ATLUS, Boehringer Mannheim사(독일)의 Midtron M, 영동제약(한국)의 Urine Chemistry Analyzer S-300 등은 병원 및 의원급을 대상으로 개발되었다.

상기에 언급된 요분석 시스템은 많은 임상기기에서 진단에 활용하고 있는 분광분석법을 적용하여 요분석에 활용하고 있다. 광원으로 백색광원 또는 각 파장 대역의 파장을 조사하는 LED를 사용하고 있으며, 시료에서 반사 또는 분산되는 광을 검출하기 위하여 포토 다이오드 또는 다른 수광 소자를 사용하고 있다. 상기에서 언급한 요분석 시스템의 분광학적 기술을 분석하면 다음과 같다.

① Bayer사(미국)의 CLINITEC ATLUS는 백색광원으로 할로겐 램프(20W)를 사용하였다. 광모듈은 직경 3 mm의 광섬유 다발 12개를 만든 후, 1 개의 광섬유 다발은 백색광을 포도다이오드로 직접 조사하도록 하여 할로겐 램프의 출력을 측정하여 보정하도록 하고, 11 개의 광섬유 다발은 백색광을 요검사용 스트립 패드에 45°의 각도로 조사시켜 스트립 패드의 정색반응을 측정하도록 하였다. 그리고 1.8°/step인 스테핑 모터(ALRPA4SHG-0.242JAPAN)를 사용하여 칼라 필터를 회전시키면서 스트립 패드에 나타나는 정색반응에 의한 분산광 중 Red, Green, Blue 파장 대역의 신호를 순차적으로 11개의 포토다이오드에 입사시키도록 설계하였다. 이는 광원의 열로 인한 장비내의 광학부분의 손상을 발생하며, 또한 광학구조가 복잡함으로 인하여 제품의 부피가 커지며, 제품의 무게또한 무거우며, 임상검사결과만 제공하고 있다.

② Boehringer Mannheim사(독일)의 Midtron M은 Dual-Type으로서 광모듈이 횡방향즉, 요검사용 스트립과 같은 방향으로 이동하면서 요검사용 스트립의 정색반응을 검출하는 메카니즘으로 되어 있다. 그리고 각각의 광모듈은 3 개의 LED 즉, Red, Green, Blue의 LED와 1 개의 포토다이오드로 구성되어 있으며, 2 개의 광모듈이 검사항목을 측정하기 위하여 각각 30초와 40초가 소요된다. 광학 모듈의 운송 메카니즘이 복잡하여 제품이 커고 무게가 무겁다. 임상검사결과만 제공하고 있다.

③ 영동제약(한국)의 Urine Chemistry Analyzer S-300은 광원으로 직경 5mm, 길이 140mm의 수은 방전관을 사용하고 있으며, 스트립 패드에 60°의 각도로 광을 조사하고 있다. 분산광은 직경 1 mm의 플라스틱 광섬유를 사용하여 선형 칼라센서(linear CCD sensor)에 입력시키도록 하였다. 이 제품 또한 임상검사결과만 제공하고 있으며, 메카니즘의 구조가 복잡하여 제품의 부피가 크다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로 이의 발명요지는 ① 소형화이면서도 정밀도가 높은 광모듈을 개발하고, ② 주변장치(printer) 혹은 다른 임상검사 장비 및 PC와 원활한 인터페이스를 제공하며, 확장성이 용이하도록 하였다. 또한 ③ 프로그램의 실시간 처리, 저전력, 주변 H/W의 간이화 등을 고려하고, ④ 요분석용 스트립의 항목별 level 판단이 가능하도록 하기 위하여 외란 환경에 강인한 알고리듬을 적용한 분류기를 설계하였다. 그리고 ⑤ 요분석 시스템의 운영 프로그램을 개발하여 스트립 항목의 위치를 자동으로 추출하고, 요분석용 스트립의 손상유무를 검사하여 사용자의 편의를 제공하며, 광학적 보정기능을 적용하여 검사의정확도 및 정밀도를 보장하도록 하였다. 그리고 ⑥ PC 프로그램을 개발하여 데이터를 측정, 저장, 분석, 전송하여 검사결과에 대하여 참고자료를 제공하도록 하였다.

도1은 본 발명의 소형 요분석 시스템의 외형 도면

도2는 본 발명의 소형 요분석 시스템의 전체 구성도

도3은 본 발명의 광학모듈의 구동 및 제어부 구성도

도4는 본 발명의 광학모듈의 구성 메카니즘

도5는 본 발명의 소형 요분석 시스템의 스트립 운송부 메카니즘

모듈형 요분석 시스템은 하드웨어(1), 소프트웨어(2), 메카니즘(3)으로 구성되어 있다. 이들을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

모듈형 요분석 시스템의 하드웨어(1)의 구성도는 도 2와 같으며, 시스템과 주변장치 즉, 모뎀, 프린터, 혹은 다른 검사 기능을 가진 임상장비 등과 원활한 인터페이스를 제공하고, 요분석용 운용 프로그램 등의 실행과 확장성을 고려하여 시스템을 구성하였으며, 소형화이면서 정밀성을 고려한 것이다.

이 시스템의 하드웨어는 크게 나누면 광측정부(가), 주처리부(나), 스트립 운송제어부(다), 시스템 입출력 및 주변장치부(라)로 구성된다.

먼저 광측정부(optic measuremene Part)(가)는 광원부, 광검출부, 전치증폭부와 AD 변환부로 구성되며, 전체적인 구성도는 도 3과 같다.

광원부는 광원소자인 3 in 1 chip LED를 사용하여 RED, GREEN, BLUE 파장대역의 광을 스트립패드에 순차적으로 조사한다.

그리고 광검출부는 스트립의 패드에서 분산되는 광량 즉, 스트립 패드의 분광학적인 정색 반응을 real color(R,G,B)로 검출하기 위하여 광검출소자인 Si Photodiode를 이용한다.

전치증폭단 및 AD 변환부는 sample and hold 기능을 내장한 ADC를 사용하여 검출한 광량을 전압으로 변환한다. 전치 증폭부에 단일 IC를 사용함으로써 회로의 부피를 줄일 수 있고, 12 bit의 높은 분해능과 최대 100 ksps의 높은 sampling rate를 가진다.

LED 광원은 정전류 구동방식을 사용하며, 구동 순서는 4 구간을 1 주기로 순차적으로 구동하도록 하였다. LED 광원의 구동 순서에서 먼저 모든 LED가 OFF 된 상태에서 검출되는 광량은 Black reference로서 명암 보정에 활용한다. 각 LED가 ON되고 안정화되는 시점에 A/D 변환기를 사용하여 RED, GREEN, BLUE의 각 파장 대역의 분산광을 순차적으로 검출한다.

그리고 주처리부(main process part)(나)는 저가격, 소형화를 위하여 마이크로프로세서를 사용한다. 시스템 프로그램 업데이트 기능을 위하여 IAP(In Application Reprogramming)를 사용하고, 32Kbyte의 플래쉬 메모리를 사용하여 시스템 운용 프로그램을 저장하며, 32KByte의 EEPROM을 사용하여 측정 데이터 및 파라미터들을 저장한다. 또한 RAM, RTC(Real TimeClock), I/O device 및 보조 장치들을 제어한다.

메모리 공간의 확보와 주변 장치의 효율적인 동작 및 인터페이스 그리고 응용 프로그램의 고속 처리를 보장할 수 있도록 하기 위하여 멀티프로세스 시스템으로 주처리부를 구성한다. 이를 위하여 주처리부는 주변장치와 다양한 인터페이스를 위하여 마이크로 프로세스를 사용하고, 주변 장치부는 출력 장치의 폰트 처리를 위하여 프로세스를 사용하고 있다.

스트립 운송부(다)에서는 하나의 DC motor(geared motor)를 사용한 1 drive 방식을 적용하고 있다. 모터 구동부는 정전류 구동방식의 DC 모터 드라이버 L298을 사용하고, 1개의 DC motor와 기어모듈을 사용하여 토크를 높였으며, 정밀한 속도와 위치제어를 할 수 있도록 한다. Encoder와 Limit 센서를 사용하여 스트립 운송 트레이의 시작점과 끝점을 확인하고, 트레이 구동 모터인 DC motor의 PWM 방식의 제어로써 트레이를 연속적으로 이동시킨다.

시스템의 입출력 및 주변 장치(라)로는 상태등(Indicator), 직렬통신부(RS232), 열프린터(Thermal Printer), 푸쉬 버튼(Push Button)이 사용된다. 상태등은 시스템의 상태에 따라 대기, 진행중, 전원, 완료, 전송을 나타낸다. 직렬통신부는 요분석시스템과 PC 혹은 프린터 간의 직렬통신으로 데이터를 교환할 수 있도록 인터페이스 회로로써 구성된다. 열프린터는 외부에 장착하여 요분석 결과 및 검사결과를 위한 참고자료를 출력하도록 하여 결과의 내용을 이해하도록 활용할 수 있다.

소형 요분석기 소프트웨어(2)는 데이터의 측정, 저장, 분석, 전송을 위한 요분석 시스템의 운영 프로그램(가), 인터페이스 및 결과 확인, 건강관리를 제공해주는 PC 프로그램(나)으로 구성된다.

시스템 운용 프로그램(가)은 측정된 데이터에서 각 측정 항목의 위치를 자동으로 검출하는 자동 위치 검출 프로그램, 외란의 영향을 많이 받아 발생한 오차를 보정 스트립을 기준으로 측정값을 보정하는 측정치 보정 프로그램, 요분석을 시행할 때 수행되는 모든 과정을 순차적으로 제어하고, 측정할 스트립을 반응시간에 맞추어 옵틱 모듈에서 측정되도록 제어하는 측정 프로그램 등이 있다. 또한 광검출 영역의 신호를 전처리 과정에 의해 정형화된 측정치로 연산 처리하는 광검출 신호처리, 분석 알고리듬으로 허용값을 이용한 방법, 상대비율법, 퍼지, 신경회로망 등을 이용한 분류 알고리듬이 프로그램으로 모듈별화 되어 있다. 보조장치 운용 프로그램으로는 RS232를 사용하여 PC 혹은 다른 검사 장비와 직렬통신으로 데이터를 교환 가능하게 하는 통신 프로그램, PC로부터의 직렬통신으로 분류기의 파라미터, 분류기, 요분석 시스템의 업그레이드 관련사항을 입력받는 입력 프로그램, Indicator를 통해 요분석기의 상태를 나타내는 출력프로그램이 있다.

통합 PC 프로그램(나)은 측정 결과를 획득ㆍ저장ㆍ분석ㆍ전송하고 질환의 유무를 판단한다. 그리고 알고리듬 및 환경에 따른 측정용 파라미터의 설정과 주변장치의 확장을 용이하게 하고, 검사 결과를 정량 혹은 양성/음성 표시하거나 알기 쉬운 임상적 의미 제시의 기능을 가진다. 또한 획득된 데이터는 날짜별, ID별로 분류하여 자신의 건강상태를 손쉽게 모니터링할 수 있도록 하였다.

요분석 시스템에 사용되는 광 모듈부와 스트립 운송부의 메카니즘(3)은 정밀하고 정확한 동작을 요구하며 소형화되어야 한다. 광 모듈부(가)와 스트립 운송부(나) 메카니즘의 상세한 설명은 다음과 같다.

광 모듈부 메카니즘(가)은 도 4와 같으며, 발광부와 수광부로 구분된다. 발광부는 chip LED(Red,Ggreen,Blue)가 트레이가 지나가는 경로의 중앙에 위치하여 순차적으로 Red, Green, Blue의 파장 대역을 지닌 광을 요분석용 스트립을 조사하게 된다. 수광부는 포토다이오드가 45˚인 지점에 위치하여 스트립의 분광을 측정한다.

스트립 운송부 메카니즘(나)은 도 5와 같고, 구동방식, 구동 장치의 재원, 구동 장치의 가이드(guide) 부, 구동 장치 위치 검출 메카니즘 등을 고려하여 설계되어 있다. 구동방식은 가장 기본적이면서 안정된 구동 방식인 수평형 구동방식을 채택하며, 구동 장치의 재원은 전력 소모가 적고 소형인 DC 모터를 채택, 두 개의 위치제어 센서를 이용하여 DC 모터의 운동 방향을 제어하고, PWM 제어방식을 이용하여 모터의 가ㆍ감속을 제어한다. 구동 장치의 동력 전달부는 기어로 구성되며, 스트립의 운송트레이를 이동시키도록 한다. 스트립 구동부 메카니즘은 스트립의 안정적인 운송을 위하여 필요하고, 스트립과 광검출부의 일정한 거리 유지를 위한 고려가 필요하다. 구동 장치의 위치 검출 메카니즘은 구동 트레이에 설치된 돌출부가 운송 메카니즘의 양쪽 끝에 설치된 리미터 스위치를 온ㆍ오프 시킴으로써 트레이의 위치를 검출할 수 있도록 제어하도록 설계되어 있다.

이상과 같이 본 발명은 저가격대의 소형화된 가정용ㆍ휴대용 의료기기로써 휴대가 편리하고, 주변장치 및 확장성이 용이하여 다른 검사 기능을 가진 검사 장비와 연결하여 사용할 수 있을 뿐만 아니라 프린터 혹은 PC와 연결하여 검사 결과를 확인할 수 있고, 스트립의 손상유무 검사 기능, 자동 위치 검출, 광학적 보정 기능, 고속 및 일반 검사 기능을 내장하여 사용의 편리성과 동작의 간소화를 제공하였다. 또한, 일반 가정에서도 손쉽게 자신의 건강상태 및 뇨검사결과를 쉽게 이해하고 확인 할 수 있도록 참고자료를 제공하도록 하였다.

본 발명의 소형 요분석 시스템은 병ㆍ의원의 전문적인 뇨검사를 일반인이 쉽게 수행하고, 검사결과를 이해할 수 있도록 보조하는 요검사용 임상장비로서 국민보건 증진에 크게 기여할 수 있는 매우 유용한 발명이라고 사료된다.

Claims (2)

1. 요분석 시스템을 구성함에 있어, 하드웨어(1)와 소프트웨어(2) 및 메카니즘(3)을 결합함을 특징으로 한 소형 요분석 시스템.
2. 제 1항에 있어 메카니즘(3)은 광 모듈부(가)와 스트립 운송부(나)로 구성하되, 광 모듈부 메카니즘은 광원을 스트립의 트레이가 지나가는 경로의 중앙에 위치하여 RED, GREEN, BLUE 파장 대역을 가진 광을 조사한 후, 광검출소자를 45˚인 지점에 위치하여 스트립의 분광을 측정하도록 구성하고, 스트립 운송부 메카니즘은 수평형 구동방식으로써, 구동 트레이에 설치된 돌출부가 운송 메카니즘의 양쪽 끝에 설치된 위치 센서를 ONㆍOFF시켜 트레이 운동의 시작점과 끝점을 검출하고, geared motor의 encoder를 통해서 트레이의 위치를 검출하면서 스트립을 안정적으로 운송함을 특징으로 한 소형 요분석 시스템.