KR20030009013A - 혈중 케톤 농도 측정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체의 혈액에 존재하는 케톤체의 농도를 측정하는 혈중 케톤 농도 측정기에 관한 것이다.

본 발명의 혈중 케톤 농도 측정기는 크게 호기가스 채취부(10)와 센서부(20)와 신호처리 및 제어부(30)와 출력부(40)로 구성된다.

상기 장치 중 호기가스 채취부(11)는 피측정자가 입 또는 코를 사용하여 호기가스를 주입할 때 이를 센서부에 적절히 주입하도록 역할을 하며, 센서부 (20)는 주입된 호기가스를 케톤 가스 센서로 분석하는 역할을 하며, 신호처리 및 제어부(30)는 센서신호 분석, 신호전송, 장치 제어 등의 역할을 하며 출력부(40)는 측정결과 등을 외부에 표시하는 역할을 한다.

Description

혈중 케톤 농도 측정기{Device for the measurement of Ketone concentration in blood}

본 발명은 인체 내부에서 체지방이 어느 정도 연소하고 있는지를 측정하는 혈중 케톤 농도 측정기에 관한 것이다.

인체가 사용하는 에너지는 주로 글루코스로 불리어지는 혈당과 단백질 그리고 체지방으로, 일차적으로는 혈당을 사용하고 그 다음에 단백질 그리고 최종적으로 지방을 사용하는 것으로 알려져 있다. 따라서 평상시에는 혈당을 주 에너지원으로 사용하지만 특수한 상황, 예를 들어 당뇨병 환자나 단식에 의한 기아상태, 격심한 운동 등에 의한 에너지 소모 그리고 인위적인 음식물 섭취의 제한에 따른 식이 요법 등일 때에는 체지방을 사용하게 된다.

인체가 체지방을 에너지원으로 사용하게 되면 지방 분해산물로써 케톤체가 생성된다. 이 케톤체는 아세톤(acetone) 및 아세틱아세테이트(acetic acetate) 등의 케톤 화합물로 구성되는데 인체의 간에서 생성되어 혈액을 통하여 순환하다가 뇌에서 케톤체를 에너지원으로 사용하고 나머지는 폐를 통한 호기 가스와 소변으로 배설되는 것으로 알려져 있다.

케톤체는 어느 정도의 양까지는 인체 내에 존재하여도 무해하나, 과량일 경우에는 인체에 치명적일 수 있으며, 특히 당뇨병 환자에게는 제일 무서운 합병증으로 알려져 특별한 관리가 요구되고 있다. 다른 한편으로, 혈중 케톤 농도를 극미량도 검출할 수 있다면 이는 체지방이 어느 정도 연소되고 있는지를 알 수 있는 중요한 단서가 되므로 체지방 감량을 목표로 하는 다이어트 프로그램에 매우 유용하게사용할 수 있게 된다.

현재 인체내의 케톤 농도를 알아낼 수 있는 방법은 소변 검사와 혈액 검사에 의한 방법이 가장 일반적이다. 소변검사는 케톤이 검출되면 검사지의 색깔이 변하는 정도로 알아내는 것인데 비교적 간단한 측정 방식인 반면 소변 검사란 약 4시간 전의 상황을 알려주는 수단이기 때문에 현재의 상황을 알기에는 부적합하고, 또한 수분 섭취량 등에 따라서 그 양이 크게 차이 나기 때문에 정량적인 분석법으로는 적당치 않다. 혈액 검사에 의한 방법은 현재 혈액에 존재하는 케톤양을 비교적 정량적으로 정확하게 측정할 수는 있으나, 혈액을 채취해야 하는 번거로움이 있다.

상기한 케톤 측정법 이외에 호기 가스를 분석하여 케톤양을 측정하는 기술이 최근에 연구된 바 있다. 이는 호기 가스를 채취하여 가스크로마토그래피 (gas chromatogrphy) 등의 극미량 가스 분석기를 이용하여 호기 가스 중의 케톤양을 측정하는 것인데, 호기 가스만을 채취하므로 피측정자에게는 번거로움이 없으나 호기가스 중의 케톤양이 수 ppm 정도로 워낙 미량이기 때문에 이를 분석할 수 있는 장비가 매우 고가라는 단점이 있다.

본 발명에서는 상기한 현재까지의 케톤체 분석방법의 단점을 해결하고자 초고감도의 반도체식 케톤 가스 감지 센서 (주식회사 센텍코리아의 STK6000 모델)를 사용한 혈중 케톤 농도 측정기를 고안하고자 하였다. 이 장치는 소변 및 혈액검사와는 달리 단지 호기 가스만을 주입하기만 하면 수초 내로 결과를 정확히 알 수 있는 것으로 당뇨병 환자의 케톤 합병증 조기 진단 및 다이어트 실행자의 체지방 연소 정도 측정 등의 용도로 활용 할 수 있다.

도 1 - 본 발명에 따른 혈중 케톤 농도 측정기의 구성도

도 2 - 본 발명에 따른 혈중 케톤 농도 측정기의 호기가스 채취부 및 센서부 구조의 첫번째 예.

도 3 - 본 발명에 따른 혈중 케톤 농도 측정기의 호기가스 채취부 및 센서부 구조의 두번째 예.

도 4 - 본 발명에 따른 혈중 케톤 농도 측정기의 단순화 된 호기가스 채취부 및 센서부 구조 예.

도 5 - 본 발명에 따른 혈중 케톤 농도 측정기의 마이크로 컴퓨터 칩에 내장된 소프트웨어의 플로우 차트

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 호기가스 채취부 11: 통로 12: 불대 13: 구멍 14: 압력감지장치

20: 센서부 21: 주입밸브 22: 측정방 23: 배출밸브 24: 공기정화장치

25: 펌프 26: 반도체식 케톤 가스 센서 27: 센서 보호 마개

30 : 신호처리및제어부 40 : 출력부

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에서 고안된 혈중 케톤 농도 측정기의 구성도이다.

피측정자의 호기 가스가 호기 채취부(10)로부터 들어오면 호기 채취부는 호기 가스가 충분히 들어왔다는 사실을 감지하여 이를 제어 및 신호처리부(30)에 알리고 또한 센서부(20)의 신호 역시 제어 및 신호처리분(30)에 전송된다. 제어 및 신호처리부(30) 는 호기 채취부(10)로부터 호기 가스가 충분히 일정시간 주입되었다고 판단하면 센서 신호를 분석하기 시작하고 분석이 끝나면 출력부 (40)에 그 결과를 출력한다.

상기한 혈중 케톤 농도 측정기의 네 가지 구성에 대하여 상세히 설명한다.

〈 호기 채취부(10) 〉

호기 채취부 (10)는 피측정자의 입 또는 코로부터의 호기 가스를 적절한 양만큼 센서부에 주입시켜 주는 역할을 하며, 불대(12)와 센서부까지의 통로(11)로 구성된다. 이때 통로 안에 과중한 압력이 걸리지 않도록 적절한 크기의 구멍(13)이 한개 또는 복수개 설치된다. 구멍이 너무 많거나 크기가 크면 센서부로 들어가는 양이 적어지므로 그 크기와 숫자를 적절히 조절한다. 또한 상기한 구멍(13)은 피측정자의 타액 등을 외부로 배출하는 역할도 한다.

한편 호기 채취부 (10)는 피측정자가 호기 가스를 주입하면 이 사실을 제어 및 신호처리부에 알려 주는 역할도 하는데, 이를 위하여 도 1과 도 2에서는 압력센서 또는 압력스위치 (14)를 사용한다. 즉, 피측정자가 호기 가스 주입시 통로(11)안의 압력이 상승할 것이고 이것을 압력센서 또는 압력스위치 (14)로 감지하여 호기 가스가 주입되었음을 제어 및 신호처리부로 보낸다.

〈 센서부(20) 〉

센서부 (20)는 본 발명의 혈중 케톤 농도 측정장치의 가장 핵심적인 부분으로써, 외부 환경에 관계없이 피측정자의 호기 가스를 매우 정확히 분석해 내야하며 아울러서 케톤 감지센서가 오염되지 않고 항상 자기 성능을 낼 수 있도록 하는 구조이어야 한다.

센서부 (20)는 반도체식 케톤 감지센서, 압력센서, 측정방 그리고 측정방안의 환경을 적절히 유지할 수 있도록 하는 펌프 및 복수개의 밸브로 구성된다.

이하 각각의 기능을 상세히 설명한다.

피측정자가 측정하고자 하는 신호, 예를 들어 시작 버튼 누름, 를 보내면 본 발명의 장치는 먼저 센서부가 제 기능을 발휘할 수 있도록 안정화를 시킨다.

안정화 과정은 먼저 반도체식 케톤 감지센서(21)에 전원을 인가하고 동시에 펌프(25)를 작동시켜 대기중의 공기를 빨아들여 공기여과장치(24)를 통과시켜 깨끗한 공기로 만든 후 측정방(22) 안에 주입하여 측정방 안을 깨끗한 공기로 청소한다. 이때 도 2의 예에서처럼 배출 밸브 (23)가 설치된 경우 펌프 작동시 이 밸브가 열려서 외부로 공기를 배출한다. 공기여과장치로는 활성탄 또는 활성탄소섬유와 같은 필터 또는 산화촉매를 사용할 수 있고 밸브는 전원으로 여닫이를 조절하는 솔레노이드 밸브나 또는 한쪽 방향으로만 유체가 흐를 수 있는 체크밸브를 사용할 수있다. 한편, 도3에서 공기여과장치(24) 대신 청정공기발생원을 사용할 수도 있다. 상기한 청정공기발생원이란 청정공기가 담겨 있는 통이나 아니면 실외 공기등이다. 후자의 실외 공기를 사용할 때에는 공기여과장치(24) 대신 튜브나 호수등을 연결하여 이를 실외로 빼내면 된다.

상기한 센서부의 측정방 청소 기능은 본 장치가 매우 미량의 케톤 가스도 감지할 수 있도록 하는 것이기 때문에 필요하다. 예를 들어, 대기 중에도 케톤 가스 수 ppm 정도의 양은 얼마든지 존재할 가능성이 많기 때문에 청소 기능이 없을 경우 측정 오차를 발생할 수 있으며, 또한 본 장치에서 사용하는 반도체식 가스센서는 알코올과 같은 유기 용매에도 반응하기 때문에 이들이 측정방 안으로 유입되지 않도록 특별한 유의가 필요하다. 상기한 센서부의 측정방 청소 기능은 측정 직전뿐 아니라 사용하지 않을 때에도 주기적으로 작동시켜 줄 수도 있다. 이렇게 하면 측정시 초기 안정화 시간을 더욱 단축시킬 수 있기 때문이다.

상기한 센서부를 살펴보면, 케톤 감지센서는 측정하는 동안에는 피측정자의 호기 가스에만 노출되며 사용하지 않는 동안에는 완전히 차단되고 오로지 공기정화장치 (24)를 통해서만 외부 공기가 유입 될 수 있도록 되어 있다. 이는 반도체식 가스센서의 내구성을 향상시키기 위함이다. 즉 일반적으로 반도체식 가스센서는 황화수소나 실리콘 화합물 가스 등 몇 몇 종류의 가스에는 장기간 노출시 성능이 변질되고 수명이 크게 단축되는 현상을 보인다. 이는 가스센서의 표면이 상기한 가스에 오염이 되기 때문인데, 상기한 오염 가스는 실생활에서 언제든지 존재할 가능성이 큰 화합물이기 때문에 특별한 주의가 필요하며, 본 발명에서와 같이 극미량의가스 분석을 위한 장치에서는 그 중요성이 더욱 크다. 이러한 가스 센서의 오염방지를 위하여 본 발명에서는 오로지 공기정화장치를 통해서만 외부 공기와 유통되도록 하여 오염가스의 유입을 원천적으로 봉쇄하였다.

이하 도2의 예에서의 작동 순서 및 구조를 다음에 설명한다.

상기한 센서부의 초기 안정화가 끝나면 장치는 펌프작동을 중지하고 측정준비가 끝났음을 출력부를 통하여 알리고 동시에 피측정자가 호기 가스를 주입할 것을 알린다. 상기한 바와 같이 호기 가스가 주입되면 제어 및 신호처리부(30)는 이 사실을 감지하고 주입 밸브 (21)을 열고 일정시간 동안 호기 가스를 주입시킨다. 이후 호기 가스가 충분히 주입되었음을 출력부(40)를 통하여 알려서 주입을 중단시키고 동시에 측정방안의 호기 가스가 외부 유입 공기로 희석되지 않도록 모든 밸브(21,23)를 닫는다. 이토록 측정방 안이 호기 가스로 밀폐되면 센서 신호를 분석하고 완료 후 출력부에 그 결과를 알린다. 만약 호기 가스가 충분히 주입되지 않고 도중이 끊기면 다시 주입할 것을 출력한다. 측정이 끝나면 상기한 측정방 청소 기능을 작동시켜 유입되었던 호기 가스를 깨끗한 공기로 완전히 청소한 후 밸브(21)를 다시 차단하여 측정방 내부를 깨끗한 공기로 밀폐시킨다. 이때 센서전원도 차단할 수 있는데 이렇게 하면 전력소모 절약과 센서 수명 연장의 효과를 볼 수 있다.

이하 도3의 예에서의 작동 순서 및 구조를 설명한다.

도3의 예가 상기한 도2의 예와 작동상 다른 점은 호기 가스 주입시에도 펌프가 계속 작동하고 호기 가스 주입 동안에 가스 분석을 모두 끝낸다는 것이다.

즉 도 3의 예에서는 상기한 센서부의 초기 안정화가 끝나면 장치는 펌프작동을 계속하면서 측정 준비가 끝났음을 출력부를 통하여 알리고 동시에 피측정자가 호기가스를 주입할 것을 알린다. 상기한 바와 같이 호기 가스가 주입되면 제어 및 신호처리부(30)는 이 사실을 감지하고 주입 밸브 (21)을 열어 일정시간 동안 호기 가스를 통과시킨다. 이때 통과되는 호기 가스의 일부는 펌프의 흡입으로 센서부에 유입되고, 측정방안의 케톤 가스센서는 유입되는 호기 가스를 분석한다. 일정시간동안의 호기 가스 주입 시간이 끝나면 밸브 (21)을 닫고 동시에 센서 신호의 분석도 완료되고 출력부에 그 결과를 알린다. 만약 호기 가스가 충분히 주입되지 않고 도중에 끊기면 다시 주입할 것을 출력한다. 측정이 끝나도 일정 시간 동안 펌프(25)를 계속 작동시켜 유입되었던 호기 가스를 깨끗한 공기로 완전히 청소한 후 펌프를 멈춘다. 또한 도2에서와 같이 측정 및 측정방 청소 완료 후 센서 전원도 차단할 수 있다.

〈 단순화된 호기채취부 및 센서부의 예 〉

상기한 측정방 청소 장치는 무게 와 부피의 문제로 본 발명의 장치가 휴대용으로 사용되었을 경우에는 사용하기가 어렵다. 따라서 휴대용일 경우에는 상기한 구성 중 밸브, 공기정화장치, 펌프 등의 측정방 청소 장치가 설치되지 않을 수 있고, 이렇게 구성된 장치로 측정할 때에는 깨끗한 공기의 실외에서 측정하도록 유도한다.

휴대용을 위한 단순화된 호기채취부 및 센서부의 예를 도 4에 나타내었다. 그림에서 보듯 호기채취부와 센서부가 결합된 형태로 케톤 가스센서 (26), 압력센서 또는 압력스위치(14), 통로(22) 그리고 구멍 (13) 등으로 구성된다. 그리고 무엇보다도 센서 오염 방지를 위한 센서 보호 마개 (27)를 사용하는 것이 특징이다. 센서 보호 마개(2)는 상기한 센서 오염을 방지하기 위한 장치로 기기를 사용하지 않을 때 도4의 (b)에서와 같이 통로(22)에 끼워서 센서를 보호한다. 센서 보호 마개(27)의 내부에는 활성탄 또는 활성탄소섬유와 같은 필터 물질을 넣어 통로 (22)내부에 잔류할 수 있는 오염 가스를 흡착하도록 한다.

상기한 도4의 예에서는 압력센서 또는 압력스위치(14)를 사용하지 않고도 케톤 감지 센서(26)의 신호로부터 호기가스 주입 사실을 알 수 있다. 일반적으로 반도체식 가스센서는 약간의 주의 환경 변화에도 그 신호가 변화하므로 호기 가스 주입 시 비록 케톤 가스가 없다 하더라도 신호가 변화한다. 또한 반도체식 가스센서에는 자체 히팅을 위한 히터가 내장되어 있는데, 이 히터에 백금과 같이 온도에 저항 변화를 일으키는 재료를 사용한다면 호기 가스 주입 시의 센서 온도 하강을 감지하여 호기 가스 주입 사실을 알 수도 있다. 본 장치에 사용한 반도체식 케톤 가스센서는 주식회사 센텍코리아가 생산하는 STK6000 모델인데 이것은 백금 히터를 내장하고 있으므로 상기한 바와 같이 센서 온도 하강에 의한 히터저항 변화에 의하여 호기 가스 주입 사실을 감지하는 것이 효율적일 수 있다. 즉 제어 및 신호처리부(30)는 항상 케톤 감지센서의 히터 저항을 측정하는데 히터 저항이 일정 변위만큼 변하면 호기가스가 주입되었다는 사실로 인정하고 측정을 시작한다. 그리고 일정한 기간동안의 측정시간이 끝나기도 전에 히터 저항이 변하기 전의 값으로 되돌아가면 호기가스가 충분히 주입되지 않았음을 알리고 다시 주입하도록 알린다. 측정이 완료되면 측정치를 출력하고 센서 전원을 차단하며 센서 보호 마개(27)를 끼울 것을 출력한다. 이때 스위치 등의 센서 보호 마개가 끼워져 있는지의 여부를 알아내는 장치를 사용하여 센서 보호 마개를 반드시 끼울 수 있도록 계속적으로 메시지를 출력한다.

〈 제어 및 신호처리부 (30) 〉

제어 및 신호처리부는 마이크로 컴퓨터 (CPU) 칩과 데이터 저장칩(eeprom) 그리고 센서, 밸브 및 펌프의 전원 제어를 위한 제어회로 그리고 그 외의 주변 회로로 구성된다. 상기한 본 장치의 작동 기능 및 순서는 마이크로 컴퓨터 칩의 소프트웨어에 의해서 구동되는데 이 소프트웨어의 플로우 차트를 도 5에 나타내었다. 도5의 플로우 차트는 도2 의 구조일 때를 기준으로 한 경우이다.

〈 출력부 (40) 〉

출력부는 LCD와 같은 시각 장치와 부저음과 같은 청각 장치로 구성되며 제어 및 신호처리부로부터 전송 받은 메시지, 즉 호기가스 주입신호, 주입 중지 신호, 결과치 출력 등의 신호를 내보낸다. 또한 센서부의 상태, 즉 현재 청소중인지 측정중인지 또는 센서부의 기능에 이상이 있는지 등의 여부도 출력할 수 있다.

〈 보정 (calibration) 방법 〉

본 장치는 극미량의 케톤 가스도 측정할 수 있도록 매우 민감한 장치이기 때문에 수시로 정확도 보정이 필요하다. 가스 분석기에서 일반적으로 많이 사용하는 보정 방법은 표준 가스를 사용하는 방법인데, 이것은 표준 가스를 주입하고 표준가스의 농도가 출력되도록 가변저항 등을 조정하여 보정 하는 방법이다. 그러나 이방법은 반드시 표준 가스가 있어야 하기 때문에 일반인들이 관리하기에는 어려운 점이 많은 단점이 있다. 특히 본 발명의 장치는 인체의 호기 가스를 분석하는 장치이므로 보정에 사용되는 표준가스도 인체의 호기 가스와 같도록 온도, 습도, 이산화탄소 농도 등도 모두 맞추어 주어야 하는 어려움이 있다.

본 발명에서는 표준 가스를 사용하지 않고도 보정할 수 있도록 다음과 같은 방법을 고안하였다. 본 발명의 장치에서 사용하는 센서인 STK6000은 특별히 케톤 생성 요인을 지니지 않은 일반인, 즉 당뇨병을 앓고 있지 않거나 다이어트를 수행하고 있지 않은 사람들, 의 호기 가스에도 비교적 일정하면서도 적지 않은 반응을 보인다. 이것은 일반인들에게도 극미량이지만 케톤과 같은 다종의 유기 가스가 호기 가스 중에 배출된다는 기존의 연구결과에 기인하는 것으로 보이는데, 이러한 사실을 이용하여 본 발명에서는 일반인의 호기 가스를 사용한 보정 방법을 고안하였다.

본 발명의 장치를 정확히 보정하고 일반인 다수의 호기 가스를 측정한 결과 약 1 mg / L 부근의 혈중 케톤 농도 수치로 반응함을 알 수 있었다. 이러한 데이터를 이용하여 일반인의 호기 가스를 주입하여 결과가 1mg/L 가 출력되도록 보정한다. 실험 결과, 상기한 바와 같이 일반인의 호기 가스를 이용하여 보정한 장치는 표준 가스를 사용하여 보정하였을 경우와 큰 차이를 보이지 않도록 비교적 정확한 보정이 이루어짐을 확인하였다.

본 발명의 혈중 케톤 농도 측정 장치는 반도체식 가스센서를 사용하여 극미량의 농도도 정확히 측정할 뿐 아니라 측정 방법도 단순히 호기 가스만을 주입하면 되므로 매우 간단하고 측정시간도 수초로 매우 짧다. 따라서 당뇨병 환자의 합병증 조기 진단에도 사용될 수 있으며, 체지방 연소를 목적으로 하는 다이어트 등의 실행자에게도 현재 체지방 연소 유무 및 그 정도를 알려줄 수 있는 장치로 매우 유용하게 사용될 수 있다.

Claims (10)

1. 혈중케톤농도 측정장치에 있어서,

   (a) 피측정자의 타액 배출구 및 과압력 방지용 구멍이 한개 또는 복수개 설치된 호기가스 채취부와,

   (b) 반도체식 케톤 가스 센서와 호기 가스를 채우기 위한 측정방으로 구성된 센서부와,

   (c) 마이크로 컴퓨터 (CPU), 데이터 저장칩 (EEPROM) 등으로 구성된 제어 및 신호처리부와,

   (d) 외부에 각종 신호 및 결과치를 알려주기 위한 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈중케톤농도 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 압력센서 및 압력스위치 등의 호기 가스의 주입 감지 장치가 설치된 호기가스 채취부
3. 제 1 항에 있어서, 한개 또는 복수개의 밸브와 공기여과장치와 펌프로 구성된 측정방 청소 장치로 측정방을 항상 깨끗한 공기로 유지하여 센서의 오염을 방지하고 측정의 정확도를 유지시키는 것을 특징으로 하는 혈중케톤농도 측정장치의 센서부.
4. 제 3 항에 있어서, 활성탄 또는 활성탄소섬유 또는 산화촉매 등을 재료로 하는 공기여과장치를 특징으로 하는 혈중케톤농도 측정장치의 센서부.
5. 제 3 항에 있어서, 공기여과장치 대신 청정공기 또는 실외공기 등의 청정공기발생원을 사용하는 혈중케톤농도 측정장치의 센서부.
6. 제 1 항에 있어서, 주기적인 측정방 청소 기능 및 측정시의 밸브와 펌프 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 소프트웨어가 장착된 혈중케톤농도 측정장치의 제어 및 신호처리부
7. 제 1항에 있어서 케톤 가스센서와, 통로와, 구멍과, 그리고 센서 보호 마개로 구성된 혈중케톤농도 측정장치의 호기채취부 및 센서부.
8. 제 6 항에 있어서, 센서 신호의 변화 또는 센서에 장착된 히터의 저항 변화를 측정하여 호기 가스 주입 사실을 감지하는 방식을 특징으로 하는 혈중케톤농도 측정장치의 센서부
9. 제 6 항에 있어서, 활성탄 또는 활성탄소섬유가 장착된 센서 보호 마개.
10. 제 1 항과 제 6항에 있어서 일반인의 호기 가스를 사용하여 정확도를 보정하는 것을 특징으로 하는 혈중케톤농도 측정장치.