KR20050002892A - 비관혈 혈액 성분치 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 비관혈 혈액 성분 측정 장치는, 복수의 파장을 포함하는 광을 생체(13)에 조사하는 광원(11)과; 상기 광이 상기 생체를 투과하거나 또는 상기 생체에서 산란 반사된 후의 광을 검출하는 수광기(14)와; 이 수광기의 출력 신호가 공급되어, 상기 생체를 다른 시각에 투과하거나, 또는 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석 장치(15)와; 이 스펙트럼 분석 장치(15)에서 측정된 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 차분 처리 장치(18)와; 이 차분 처리 장치(18)의 출력 데이터가 입력되어, 혈당치를 출력하는 혈당치 예측 장치(21)를 구비하고, 비관혈적 방법에 의해 생체 내의 혈당치를 포함하는 혈액 성분치를 측정하는 것이다.
Description
최근 생활 습관병의 대표로서 주목받고 있는 당뇨병은, 고령화 및 생활 스타일의 변화 등으로 인해 계속해서 증가하고 있다. 종래에는, 미량의 채혈을 행하여 혈당치(글루코스 농도) 측정을 행하는 것이 일반적이지만, 이것에 수반되는 고통과 번거로움의 경감이 강하게 요구되고 있다. 또한, 다른 혈액 생화학 성분치는 채혈에 의한 혈액 검사 이외의 방법은 없었다.
한편, 근적외 영역의 광을 사용한 무침습적 측정이, 생체에 대한 위험성이 매우 낮다는 점과, 종래의 측정에서는 측정 불가능한 항목을 측정할 수 있는 가능성이 있다는 점 때문에 주목받고 있으며, 예를 들면 글루코스도 이 파장 영역에서 그 구성 분자에 유래하는 고유의 흡수대를 갖고 있기 때문에, 다양한 방법이 보고되고 있다(참고 문헌: 尾崎幸洋 편저, 실용 분광법 시리즈 No.4 「분광학의 의학 응용」, 아이피시).
예를 들면, 참고 문헌에 따르면, 적외광을 손끝에 조사하고, 그 투과광을 컴퓨터에 의해 연산 처리하여 혈당치를 구하는 방법이 제안되어 있다. 그러나 이 방법에서는, 얻어진 투과광으로부터 혈중 글루코스의 양을 예측하는 것은 매우 곤란하기 때문에, 이 견적을 다변량 해석을 이용하여 행하는 방법도 제안되어 있다.
그러나, 근적외 영역에서의 글루코스 고유의 흡수대가 단백질 등의 다른 성분의 흡광 영역과 중첩되어, 글루코스에만 유래하는 흡광 특성과 다른 물질의 흡광 특성을 분리하기가 곤란하기 때문에, 측정 정밀도나 측정의 재현성 등에 문제가 있어, 아직 실용화되지 못하고 있다.
또한, 상술한 다변량 해석을 이용한 글루코스 측정 방법으로서는 상기 참고 문헌에는 다음과 같이 보고되고 있다. 이 방법은, 혈청 중에 녹아 있은 글루코스 샘플에 대하여, 1325㎚-1800㎚과 2035㎚-2375㎚의 2개의 파장 영역의 광을 조사하여 적외 스펙트럼을 측정하고, 케모매트릭스법의 하나인 PLS(Partial Least Squares)법을 이용하여 혈청 중의 글루코스를 측정하는 것이다.
그러나 이 방법은, 측정에는 0.5㎜의 광로 길이의 석영 셀을 이용하며 투과법으로 NIRSystem사제의 근적외 분광 장치를 사용하였다고 보고되어 있는 바와 같이, 석영 셀을 이용한 측정이며, 생체에 광을 조사하여 측정하는 비관혈 측정법은 아니다.
상술한 종래의 흡광 분석을 이용하는 비관혈 혈당치 측정법에서는, 글루코스의 흡수대가 뼈, 정맥, 근육 등 생체 내에서의 다른 조직 성분의 흡수 영역과 중첩되어 분리가 곤란하여 정확한 측정을 할 수 없기 때문에 실용화할 수 없었다.
따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하여, 간편하며 고정밀도의 혈당치를 포함하는 비관혈 혈당치 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
<발명의 개시>
본 발명의 비관혈 혈액 성분치 측정 장치는, 복수의 파장을 포함하는 광을 생체에 조사하기 위한 광원과, 상기 생체를 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하는 수광기와, 이 수광기의 출력 신호가 공급되어, 상기 생체를 다른 시각에 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석 장치와, 상기 스펙트럼 분석 장치에서 측정된 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 차분 스펙트럼 발생 장치와, 상기 차분 스펙트럼 발생 장치의 출력 데이터가 입력되어, 혈액 성분치를 출력하는 혈액 성분치 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치이다.
또한, 본 발명의 비관혈 혈액 성분치 측정 장치에서는, 상기 혈액 성분치 예측 장치는, 혈액 성분치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터를 설명 변수로 하고, 혈액 성분치를 목적 변수로 하는 다변량 회귀 분석 모델을 구비하며, 상기 다변량 회귀 분석 모델에, 혈액 성분치가 기지인 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 상기 설명 변수로서 입력하며, 상기 목적 변수를 상기 다변량 회귀 분석 모델에 의해 산출하여, 이것을 혈액 성분치로서 출력하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 비관혈 혈당치 측정 장치는, 복수의 파장을 포함하는 광을생체에 조사하기 위한 광원과, 상기 생체를 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하는 수광기와, 이 수광기의 출력 신호가 공급되어, 상기 생체를 다른 시각에 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석 장치와, 상기 스펙트럼 분석 장치에서 측정된 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 차분 스펙트럼 발생 장치와, 상기 차분 스펙트럼 발생 장치의 출력 데이터가 입력되어, 혈당치를 출력하는 혈당치 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 비관혈 혈당치 측정 장치에서는, 상기 혈당치 예측 장치는, 그 혈당치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터가 설명 변수로서 입력되며, 목적 변수로서 혈당치를 출력하는 다변량 회귀 분석 모델에 의해 구성되고, 상기 다변량 회귀 분석 모델에, 혈당치가 기지인 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 상기 설명 변수로서 입력하고, 상기 목적 변수를 상기 다변량 회귀 분석 모델에 의해 산출하여, 이것을 혈당치로서 출력하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 비관혈 혈액 성분치 측정 방법은, 복수의 파장을 포함하는 광을 생체에 조사하는 단계와, 상기 생체를 투과, 또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계와, 상기 변환된 전기 신호를 이용하여 상기 생체를 다른 시각에 투과 또는 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 단계와, 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 단계와, 상기 차분 스펙트럼으로부터 대응하는 혈액 성분치를 예측하는 단계를 구비한 것을 특징으로하는 것이다.
또한, 본 발명의 비관혈 혈당치 측정 방법에서는, 상기 혈당치를 예측하는 단계는, 그 혈당치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터가 설명 변수로서 입력되며, 목적 변수로서 혈당치를 출력하는, 다변량 회귀 분석 모델을 이용하고, 이 모델에 혈당치가 미지의 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 설명 변수로서 입력하고, 목적 변수로서 혈당치를 출력으로서 공급하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은, 혈당치를 포함하는 혈액 생화학 성분치를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 생체로부터 채혈하지 않고 비침습적(noninvasive)으로 혈중 혈당치 등을 측정하는 비관혈 혈액 성분 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 비관혈 혈당치 측정 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 2는 도 1에서의 혈당치 예측 장치에 이용되는 분석 예측 모델의 구축 방법을 도시하는 흐름도.
도 3은 생체 내의 동맥 용적맥 파형도.
도 4는 도 1에서의 스펙트럼 분석 장치의 출력인 스펙트럼의 예를 도시하는 파형도.
도 5는 도 1에서의 혈당치 예측 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 원리를 설명하기 위한, 생체를 투과한 광의 성상 모식도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 구성도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 본 발명의 실시예를 도면에 의해 상세히 설명한다. 이하의 실시예에서는 혈액 성분으로서 혈당치를 측정하는 경우에 대해 설명하지만, 본 발명은 동맥혈 중에 존재하는 혈당치 이외의 혈액 성분으로서 흡광 특성 및 산란 반사 특성을 갖는 다른 물질의 농도의 측정에 대해서도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 비관혈 혈당치 측정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
본 발명의 비관혈 혈당치 측정 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 근적외 파장 영역, 예를 들면 800㎚ 내지 2400㎚의 파장을 갖는 광을 발광하는 광원(11)이 설치된다. 이 광원(11)으로부터의 광은 액티브 분광기(12)를 통해 예를 들면 손끝이나 귓불 등의 생체(13)에 조사된다. 액티브 분광기(12)는 광원(11)으로부터의 광을 그 전 파장 영역에 걸쳐 예를 들면 3㎚의 파장 간격으로 순차적으로 분광하고, 약 530개의 다른 파장의 광을 주사 출력하는 것이다. 상기의 파장 영역 내에서의 파장 주사는, 생체(13) 내의 동맥 파형의 1주기 내에서 예를 들면 20회 정도 반복하여 행해진다. 즉 이 액티브 분광기(12)는, 약 50㎳의 간격으로 근적외 영역의 광을 순차적으로 주사하여 생체(13)에 조사한다. 생체(13)를 투과한 광은 광원(11)과 반대측에 배치된 수광기(14)에 의해 수광되어 전기 신호로 변환된다.
수광기(14)의 출력 신호는 스펙트럼 분석 장치(15)에 공급되며, 여기서 광원(11)의 파장마다의 수광기(14)의 출력으로 이루어지는 흡광 스펙트럼이 작성된다. 즉, 스펙트럼 분석 수단(15)에는, 수광기(14)의 출력 신호와 함께, 광원(11)으로부터 생체(13)에 입사하는 광의 강도, 즉 입사광 강도 I0을 검출하여 전기 신호로 변환하는 센서부(16)의 출력이 공급된다. 여기서는 후술하는 바와 같이, 생체(13)를 투과한 각 파장 λ에서의 광의 강도, 즉 투과광 강도 I와의 비(I/I0)인 흡광도가 산출되며, 이것에 의해 흡광 스펙트럼이 작성된다. 이 흡광 스펙트럼은, 상술한 바와 같이, 액티브 분광기(12)의 매초 20회의 주사에 의해, 매초 20개의 흡광 스펙트럼이 작성된다.
스펙트럼 분석 장치(15)에 의해 얻어진 흡광 스펙트럼의 데이터는 스펙트럼 데이터 기억 장치(17)에 기억된다. 이 스펙트럼 데이터 기억 장치(17)는 스펙트럼 분석 장치(15)의 수초간분의 출력 데이터를, 퍼스트 인·퍼스트 아웃으로 순차적으로 기억 유지한다.
이 스펙트럼 데이터 기억 장치(17)로부터 판독된 스펙트럼 데이터는 차분 처리 장치(18)에 공급되며, 여기서 후술하는 바와 같이, 다른 시각에서의 흡광 스펙트럼간의 대응하는 파장에서의 흡광도의 차에 의해 구성되는 차분 스펙트럼이 작성된다.
스펙트럼 분석 장치(15), 스펙트럼 데이터 기억 장치(17) 및 차분 처리 장치(18)는, 액티브 분광부(12)의 매초 20회의 주사에 동기하여 행해지지만, 이들 각 장치간의 동기는 이들 장치에 동기 신호를 공급하는 타이밍 장치(19)에 의해 행해진다.
차분 처리 장치(18)에 의해 작성된 차분 스펙트럼 데이터는 차분 스펙트럼 기억 장치(20)에 기억된다. 이 차분 스펙트럼 기억 장치(20)도 수초간분의 차분 처리 장치(18)의 출력 데이터를, 퍼스트 인·퍼스트 아웃으로 순차적으로 기억 유지한다.
이 차분 스펙트럼 기억 장치(20)로부터 판독된 차분 스펙트럼 데이터는, 혈당치 예측 장치(21)에 입력된다. 혈당치 예측 장치(21)는, 후술하는 바와 같이, 입력된 차분 스펙트럼 데이터로부터, 다변량 해석법의 하나인 편 최소 제곱 해석 분석법(Partial Least Squares Regression, 이하에서는 PLS법이라고 함)을 이용한 다변량 해석에 의해, 혈당치를 예측하는 장치이다. 즉, 이 혈당치 예측 장치(21)는, 다수의 기지의 혈당치를 갖는 전혈 샘플을 이용하여, PLS법에 의해 혈당치를 산정하는 소프트웨어 모델로서 구축된다.
도 2는 도 1에 도시한 소프트웨어 모델로서의 혈당치 예측 장치(21)의 구성 방법을 도시하는 개념도이다. 기지 혈당치 샘플(31)은, 복수개의 석영 셀(도시 생략)에 충전된 글루코스 농도가 사전에 알려져 있고, 또한 상호 조금씩 서로 다른 농도의 혈액이다. 이 샘플(31)은 예를 들면 건강한 보통 성인 남성 7명으로부터 직접 채혈을 행하고, 이것을 베이스로 하여 각각 글루코스 농도 범위 30-450㎎/dl 사이에서 36, 54, …, 486㎎/dl과 같이, 18㎎/dl씩 차이가 나며, 혈액 중의 알부민 농도 혹은 헤마토크릿 농도가 서로 다른 다수의 전혈 샘플로 하였다. 이들 샘플(31)은 각각, 도 1에 도시한 광원(11), 분광기(12), 수광기(14) 및 스펙트럼 분석 장치(15)로 이루어지는 분광 분석기에 의해 흡광 스펙트럼(32)이 작성된다. 이들 흡광 스펙트럼(32)의 데이터 X는, 대응하는 n개의 기지의 혈당치 yn33과 함께 PLS 회귀 분석 예측 모델(34)이 결정된다. 즉, 흡광 스펙트럼(32)의 데이터 X는, 다른 m개(약 530개)의 분광 파장에 대한 흡광도로서, 이들을 x1, x2, …, xm로 나타내며, 이들 변수를 이용하여 n개의 기지의 혈당치 y1, y2, …, yn을 다음의 행렬식에 의해 근사한다.
이 행렬식에, 상기 샘플 용액을 이용한 흡광 스펙트럼 데이터를 대입하고, PLS법을 이용하여 행렬식의 계수값을 결정한다. 이에 의해 혈당치 추측 모델식이 얻어진다. 여기서, PLS법은 다음 수학식으로 나타낸 바와 같이, 설명 변수로서 잠재 변수 TPLS의 상관을 고려하고, 또한 X에 포함되는 정보를 가능한 한 다량으로 이용하는 방법이다.
구체적으로는, 시판의 PLS법에 의한 회귀 분석 컴퓨터 어플리케이션 소프트웨어(예를 들면, 상품명: MATLAB)에, n개의 기지 혈당치 샘플의 각 혈당치 y1, y2,…, yn 및 각 분광 파장의 흡광도치 x1, x2, …, xm을 입력하여, 수학식 2의 P 및 잠재 변수 T의 회귀 계수 q를 결정한다. 이에 의해, PLS법에 의한 회귀 분석 예측 모델(혈당치 산정 모델)(34)이 얻어진다. 다음으로, 혈당치가 미지의 혈액으로부터 얻어진 새로운 각 분광 파장의 흡광도치 x1, x2, …, xm을 데이터로서 입력하면, 모델 작성 시에 결정된 P에 기초하여, 새로운 T가 계산된다. 이들의 새로운 각 분광 파장의 흡광도치 x1, x2, …, xm은, 상술한 차분 스펙트럼 기억 장치(20)로부터 판독된 차분 스펙트럼 데이터로서 입력된다. 이 새로운 T와 모델 작성 시에 결정된 q를 이용하여 혈당치의 예측값 yi가 구해진다.
다음으로 이상과 같이 구성된 본 발명의 비관혈 혈당치 측정 장치의 값의 측정 수순을, 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 광원(11)으로부터의 광을 액티브 분광기(12)에 의해, 매초 20회의 속도로 반복하여 주사하고, 이것을 생체(13)에 조사한다. 생체(13)를 투과한 광을 수광기(14)에서 수광하여, 스펙트럼 분석 장치(15)에 의해, 40∼50㎳ 간격으로 각 1개의 흡광 스펙트럼이 측정된다. 측정된 스펙트럼 데이터는, 다음의 스펙트럼 측정 타이밍까지 스펙트럼 데이터 기억 장치(20)에 기억된다. 도 3은 생체(13) 내의 동맥 용적맥 파형을 도시한 것으로, 횡축은 시간, 종축은 동맥혈 유량(용적맥파)을 나타내고 있다. 도 3의 시각 t1, t2, …, tn은, 액티브 분광기(12)에 의한 파장의 주사 개시 시각을 나타내고, n은 여기서는 20이다. 이와 같이 하여 얻어진 각 시각 t1, t2, …, tn에서의 흡광 스펙트럼은 도 5에 도시한다. 도 5의 횡축은 파장, 종축은 흡광도를 나타내고 있다.
다음으로 도 1의 차분 처리 장치(18)는, 각 시각 t1, t2, …, tn에서의 흡광 스펙트럼으로부터 임의의 2개의 시각, 예를 들면 동맥혈 파형의 상승 시각 t1과 피크 시각 ti에서의 흡광 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 작성한다.
도 5는 도 1의 혈당치 예측 장치(21)의 동작을 도시하는 모식도이다. 도 5의 (a)에는, 상기의 차분 스펙트럼의 일례가 도시되어 있다. 도 5의 횡축은 파장, 종축은 흡광도의 차를 나타내고 있다. 이 차분 스펙트럼을 나타내는 그래프 곡선은, t3과 t6에서의 각 흡광 스펙트럼의 각 파장에서의 흡광도의 차를 플롯한 것이다.
도 5의 (b)의 (S1), (S2), …, (Sm)는, m개의 기지 혈당치 전혈 샘플의 흡광 스펙트럼이다.
혈당치 예측 장치(21)에는, 도 6의 (a)에 도시한 차분 스펙트럼 데이터가 입력된다. 혈당치 예측 장치(21)에는, 또한 m개의 기지 혈당치 전혈 샘플의 흡광 스펙트럼 도 5의 (b)의 (S1), (S2), …, (Sm)과 이들에 대응하는 혈당치의 관계를 나타내는 수식인, PLS 회귀 분석 모델이 내장되어 있다. 혈당치 예측 장치(21)는, 차분 스펙트럼 기억 장치(20)로부터 입력 데이터로서 공급된 차분 스펙트럼과 샘플 용액의 흡광 스펙트럼을 비교하여, 가장 유사한 흡광 스펙트럼을 가진 샘플 용액의혈당치를 추정 혈당치로서 출력한다.
이와 같이, 혈당치 예측 장치(21)의 입력 데이터로서 차분 스펙트럼을 이용함으로써, 높은 정밀도로 혈당치의 예측을 할 수 있는 것이 판명되었다. 그 이유를 도 6에 의해 설명한다. 도 6은 생체(13)에의 입사광 강도 I0과, 투과광 강도 I1, I2및 생체 내에서의 흡광량과의 관계를 도시하는 모식도이다. 도 6에는 또한 도 4에 도시한 동맥혈 파형 P도 표시되어 있다. 도 6에서, 예를 들면 동맥혈 파형 P가 최정치(最定値)로 되는 t=t1에서의 투과광도 강도 I1은, (입사광 강도 I0)-(최소 유량의 동맥혈층에서의 흡수 광량 I3)-(정맥혈층에서의 흡수 광량 I4)-(혈액 이외의 생체 조직층에서의 흡수 광량 I5)이다. 또한, 동맥의 최대 유량으로 되는 t=t2에서의 투과광도 강도 I2는, (입사광 강도 I0)-(최소 유량의 동맥혈층에서의 흡수 광량 I6)-(정맥혈층에서의 흡수 광량 I4)-(혈액 이외의 생체 조직층에서의 흡수 광량 I5)로 되어, 이 2개의 스펙트럼의 차분은, 각각에 공통으로 포함되는 정맥혈층에서의 흡수 광량 I4및 혈액 이외의 생체 조직층에서의 흡수 광량 I5를 제거한, 동맥의 맥동의 흡수 광량인 박동 성분 ΔI의 스펙트럼을 추출한다. 따라서, 도 1의 스펙트럼 분석 장치(15) 혹은 스펙트럼 데이터 기억 장치(17)에서의 흡광 스펙트럼에는, 정맥혈이나 혈액 이외의 생체조직에 의한 흡광 성분이 포함되지만, 차분 처리 장치(18)에 의해 작성한 차분 스펙트럼은, 동맥혈의 흡광 성분에만 의존하는 흡광 스펙트럼으로 된다. 따라서, 이 차분 스펙트럼은, 정맥혈이나 혈액 이외의 생체 조직에 의한 흡광 성분이 포함되지 않기 때문에, 이들의 방해 인자의 영향을 제거할 수 있고, 이에 의해 고정밀도의 비관혈 혈당치 측정 장치의 실용화가 가능해졌다.
그런데, 상술한 생체(13)의 측정에 의한 차분 스펙트럼 작성에서, 동맥 파형의 1심박 중의 최대 유량과 최소 유량으로 되는 각각의 스펙트럼의 차분을 채용하는 경우에는, 1심박에서 1회의 혈당치 산정 연산을 행하여, 혈당치의 출력도 1심박에 1회이다. 그러나, 스펙트럼 데이터는 1심박 사이에 20회 가까이 반복하여 측정되기 때문에, 인접하는 2개의 시각에서의 차분 스펙트럼을 순차적으로 시각을 어긋나게 하면서 연속 차분 스펙트럼으로서 추출하고, 이들을 이용하여 혈당치 산정 연산을 행할 수도 있다. 이 경우, 인접 시각의 스펙트럼의 변화가 미소하여 차분 스펙트럼의 신호 잡음비가 저하되고, 혈당치 산정 연산의 결과의 변동(잔차)도 커지는 것이 예상된다. 따라서, 이들 차분 스펙트럼에 대하여 시계열 평균화를 행하여 혈당치 예측 장치(21)에 입력하거나, 혹은 혈당치 예측 장치(21)에 의해 연속적으로 산출되는 혈당치를 시간 평균 또는 이동 평균 등의 통계적 처리로 평활화를 하여 측정 결과를 보기 쉽게 하여 측정 결과를 표시하는 것도 가능하다.
또한, 이상 설명한 실시예에서는 생체(13)로부터의 투과광의 스펙트럼을 측정하였지만, 투과광에 한하지 않고 생체(13)로부터의 반사광의 스펙트럼을 측정해도 된다. 도 7은 이 예를 나타내는 부분 설명도로서, 도 1과 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다. 도시한 바와 같이, 이 실시예에서는, 수광기(13)는 생체(13)에 대하여, 광원(11)과 동일한 측에 배치되어, 반사광을 수광한다. 그리고 이 수광기(13)의 출력 신호를 도 1에 도시한 스펙트럼 분석 장치(15)에 공급함으로써, 상기의 실시예와 마찬가지로 혈당치를 측정할 수 있다.
또한, 도 1 및 도 7에 도시한 실시예에서는 광원(11)으로부터의 광을 액티브 분광기(12)에서 분광한 후 생체(13)에 조사하였지만, 광원(11)으로부터의 광을 생체(13)에 조사한 후의 투과광 또는 산란 반사광을 분광하여 스펙트럼 분석해도 된다. 예를 들면, 특정한 파장에만 감도를 갖는 수광기를 다수 배열하고, 이들에 의해 수광함으로써 분광할 수 있다.
또한, 상술한 실시예에서는 혈당치 예측 장치(21)에서 PLS법을 적용한 모델을 이용하였지만, 동일하게 다변량 회귀 분석법의 하나인, 수학식 3에 나타내는 주성분 회귀 분석법(Principal Components Regression, 이하에서는 PCR법이라고 함)에 의한 모델을 이용할 수도 있다. PCR법에 의해 구축되는 회귀 분석 혈당치 산정 모델은 아래의 수학식 3으로 표시된다.
즉, 목적 변수의 y에 전혈 샘플(31)의 기지의 혈당치를 대응시키고, 설명 변수의 x에 그 전혈 샘플(31)의 스펙트럼 데이터를 적용하여, 수학식 3의 주성분 스코어 T 및 주성분 스코어 회귀 계수 b를 결정하고, 다변량 회귀 분석 혈당치 산정 모델을 구축한다. 미지의 혈당치의 차분 스펙트럼 데이터를 이 주성분 스코어 회귀 계수 b가 설정된 혈당치 예측 장치(21)에 입력함으로서, 혈당치의 예측치 ya가 연산되어 출력된다.
또한, 상술한 실시예에서는 회귀 분석 예측 모델(혈당치 산정 모델)(34)을 작성할 때에 혈당치가 기지인 샘플(31)을 각각 복수개의 석영 셀에 충전하고 이들을 도 1에 도시한 광원(11), 분광기(12), 수광기(14) 및 스펙트럼 분석 장치(15)로 이루어지는 분광 분석기에 의해 흡광 스펙트럼 데이터 x1, x, …, xm을 작성하였다. 그러나, 이들 흡광 스펙트럼 데이터 x1, x2, …, xm은, 혈당치가 기지인 복수의 생체를 이용하여, 도 1에 도시한 광원(11)으로부터 차분 스펙트럼 기억 장치에 이르는 장치에 의해 얻어진 차분 스펙트럼 데이터를 이용할 수도 있다.
또한, 상술한 실시예의 설명은, 혈당치의 측정에 대하여 설명하였지만, 동맥혈 중에 존재하는 흡광 특성 및 산란 반사 특성을 갖는 다른 물질의 농도의 측정에 대해서도, 그 물질의 흡광 특성, 산란 반사 특성에 대응한 파장대의 스펙트럼 측정과, 그 물질의 표준으로 되는 농도의 샘플로 PLS법 또는 PCR법에 의한 다변량 회귀 분석 농도 산정 수단의 산정 회귀 계수의 결정을 행하여, 본 실시예와 마찬가지의 구성과 수순을 행하면, 동맥혈 중에 존재하는 그 물질의 농도가 마찬가지로 예측 산정할 수 있다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명의 비관혈 혈액 성분치 측정 장치 및 방법에따르면, 손끝 등에 근적외광을 조사함으로써, 채혈에 수반되는 고통이나 번거로움을 저감할 수 있고, 생체 내 혈액의 혈액 성분치를 높은 정밀도로 신속하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상술한 바와 같이, 동맥혈 박동 성분을 이용한 차분 스펙트럼을 이용해도 되지만, 조직 내 혈액 용적 변화, 예를 들면 정맥 압박법을 이용하여 혈액(정맥혈) 용적 변화를 발생시켜, 차분 스펙트럼 분석을 해도 된다. 이에 의해, 다른 생체 조직 성분의 영향을 제거하여, 고정밀도이며 고감도로 혈액 성분치를 측정할 수 있다.
Claims (25)
- 복수의 파장을 포함하는 광을 생체에 조사하기 위한 광원과; 상기 생체를 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하는 수광기와; 상기 수광기의 출력 신호가 공급되어, 상기 생체를 다른 시각에 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석 장치와; 상기 스펙트럼 분석 장치에서 측정된 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 차분 스펙트럼 발생 장치와; 상기 차분 스펙트럼 발생 장치의 출력 데이터가 입력되어, 혈액 성분치를 출력하는 혈액 성분치 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제1항에 있어서,상기 혈액 성분치 예측 장치는, 혈액 성분치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터를 설명 변수로 하고, 혈액 성분치를 목적 변수로 하는 다변량 회귀 분석 모델을 구비하며, 상기 다변량 회귀 분석 모델에, 혈액 성분치가 기지인 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 상기 설명 변수로서 입력하고, 상기 목적 변수를 상기 다변량 회귀 분석 모델에 의해 산출하여, 이것을 혈액 성분치로서 출력하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제2항에 있어서,상기 다변량 회귀 분석 모델은, PLS법 또는 PCR법에 의한 회귀 분석 모델인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제3항에 있어서,상기 복수의 전혈 샘플의 각 혈액 성분치는, 생리적인 농도 영역을 포함하는 농도 범위 내에서, 소정의 간격으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제4항에 있어서,상기 복수의 파장을 포함하는 광은, 근적외 영역의 광인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제5항에 있어서,상기 복수의 파장을 포함하는 광은, 800㎚ 내지 2400㎚의 파장대에 속하는, 3㎚ 간격의 파장인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제6항에 있어서,상기 복수의 파장을 포함하는 광은, 상기 근적외 영역의 광을 발생시키는 광원으로부터의 광을 액티브 분광기에 의해 분광하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 제7항에 있어서,상기 액티브 분광기는, 약 50㎳의 주기로 상기 근적외 영역의 광을 분광하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 장치.
- 복수의 파장을 포함하는 광을 생체에 조사하기 위한 광원과; 상기 생체를 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하는 수광기와; 이 수광기의 출력 신호가 공급되어, 상기 생체를 다른 시각에 투과하거나 또는 상기 생체에서 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석 장치와; 상기 스펙트럼 분석 장치에서 측정된 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 차분 스펙트럼 발생 장치와; 상기 차분 스펙트럼 발생 장치의 출력 데이터가 입력되어, 혈당치를 출력하는 혈당치 예측 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제9항에 있어서,상기 혈당치 예측 장치는, 그 혈당치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터가 설명 변수로서 입력되며, 목적 변수로서 혈당치를 출력하는 다변량 회귀 분석 모델에 의해 구성되고, 상기 다변량 회귀 분석 모델에, 혈당치가 기지인 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 상기 설명 변수로서 입력하고, 상기 목적 변수를 상기 다변량 회귀 분석 모델에 의해 산출하여, 이것을 혈당치로서 출력하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제10항에 있어서,상기 다변량 회귀 분석 모델은, PLS법 또는 PCR법에 의한 회귀 분석 모델인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제11항에 있어서,상기 복수의 전혈 샘플의 각 혈당치는, 생리적인 농도 영역을 포함하는 농도 범위 내에서, 소정의 간격으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제12항에 있어서,상기 복수의 파장을 포함하는 광은, 근적외 영역의 광인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제12항에 있어서,상기 복수의 파장을 포함하는 광은, 800㎚ 내지 2400㎚의 파장대에 속하는, 3㎚ 간격의 파장인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제14항에 있어서,상기 복수의 파장을 포함하는 광은, 상기 근적외 영역의 광을 발생시키는 광원으로부터의 광을 액티브 분광기에 의해 분광하여 발생시키는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제15항에 있어서,상기 액티브 분광기는, 약 50㎳의 주기로 상기 근적외 영역의 광을 분광하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제12항에 있어서,상기 복수의 전혈 샘플은, 알부민을 포함하는 단백질을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제17항에 있어서,상기 알부민의 농도는 3.0∼6.0g/dl인 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 제18항에 있어서,상기 복수의 전혈 샘플은, 서로 다른 헤마토크릿치를 갖는 혈액을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 장치.
- 복수의 파장을 포함하는 광을 생체에 조사하는 단계와; 상기 생체를 투과, 또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계와; 상기 변환된 전기 신호를 이용하여 상기 생체를 다른 시각에 투과 또는 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 단계와; 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 단계와; 상기 차분 스펙트럼으로부터 대응하는 혈액 성분치를 예측하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 방법.
- 제20항에 있어서,상기 혈액 성분치를 예측하는 단계는, 그 혈액 성분치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터가 설명 변수로서 입력되며, 목적 변수로서 혈액 성분치를 출력하는, 다변량 회귀 분석 모델을 이용하고, 이 모델에 혈액 성분치가 미지의 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 설명 변수로서 입력하고, 목적 변수로서 혈액 성분치를 출력으로서 공급하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 방법.
- 제21항에 있어서,상기 다변량 회귀 분석 모델은, PLS법 또는 PCR법에 의해 구성하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈액 성분치 측정 방법.
- 복수의 파장을 포함하는 광을 생체에 조사하는 단계와; 상기 생체를 투과,또는 상기 생체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계와; 상기 변환된 전기 신호를 이용하여 상기 생체를 다른 시각에 투과 또는 반사된 광의 스펙트럼을 분석하는 단계와; 상기 다른 시각에서의 광의 스펙트럼으로부터 차분 스펙트럼을 발생시키는 단계와; 상기 차분 스펙트럼으로부터 대응하는 혈당치를 예측하는 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 방법.
- 제23항에 있어서,상기 혈당치를 예측하는 단계는, 그 혈당치가 기지인 복수의 전혈 샘플의 스펙트럼 데이터가 설명 변수로서 입력되며, 목적 변수로서 혈당치를 출력하는, 다변량 회귀 분석 모델을 이용하고, 이 모델에 혈당치가 미지의 혈액으로부터 얻어진 상기 차분 스펙트럼 데이터를 설명 변수로서 입력하며, 목적 변수로서 혈당치를 출력으로서 공급하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 방법.
- 제24항에 있어서,상기 다변량 회귀 분석 모델은, PLS법 또는 PCR법에 의해 구성하는 것을 특징으로 하는 비관혈 혈당치 측정 방법.
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