KR20050060891A - 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도측정장치 및 방법 - Google Patents

편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 편광 감도 저 간섭성 간섭계(polarization sensitive low coherence interferometer(PS-LCI))를 이용한 포도당 농도 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 광원에서 나온 빛을 받아들여 수평 방향으로 편광된 빔을 출력하는 제1 편광 분배기(PBS), 제1 편광 분배기로부터 출력된 수평 빔을 받아들여 수평에 대해 22.5°의 제1의 1/4파장판(QWP) 및 45°의 제2의 1/4파장판으로 보내는 광 분배기(BS), 제1의 1/4파장판(QWP)를 통과한 빛이 들어가는 기준 반사경(reference mirror), 수평편광 성분의 간섭신호(Eox)를 검출하는 제1 광검출기, 수직편광 성분의 간섭신호(Eoy)를 검출하는 제2 광검출기, 광분배기로부터 제1의 1/4파장판 및 제2의 1/4파장판으로 보내진 빛이 다시 돌아와 제1 편광 분배기 앞에서 모여지며 이 빛을 받아 제1 광검출기 및 제2 광검출기에 보내는 제2 편광분배기, 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환기, A/D 변환기로부터 출력된 데이터를 저장하는 메모리, 메모리에 저장된 데이터로부터 복조(demodulation) 과정을 수행하는 연산처리장치를 구비하고 있으며, 상기 연산처리장치는 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 수신하는 대역통과 필터, 상기 대역통과 필터의 출력을 힐베르트(Hilbert) 변환을 통하여 크기(amplitude)와 위상을 구하는 힐베르트 변환부, 힐베르트 변환부의 출력신호로 부터 스토크스 변수(Stokes parameters)를 추출하여 편극 해소 변수(depolarization)(S1)를 구하는 변수 추출부를 포함하고 있다.

Description

편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정장치 및 방법{Method and device for measurement of glucose concentration using Polarization Senstivity Low Coherence Interferometry}
본 발명은 편광 감도 저 간섭성 간섭계(polarization sensitive low coherence interferometer) (이하, PS-LCI 라 한다)를 이용한 포도당 농도 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
당뇨병에 걸린 환자는 수시로 혈액을 체외로 추출하여 포도당의 양을 측정하게 되는데, 기존의 포도당 농도 측정장치들은 손가락을 찔러서 채혈하여 측정해야하는데, 이는 고통을 수반하게 되며 감염의 위험도 있다.
최근 수년간, 편광측정법(polarimetry), 라만 분광학(Raman spectroscopy), 근적외선 흡광 분광학(near infrared (NIR) absorption spectroscopy), 근적외선 산란(NIR scattering), 광 음향학(optoacoustics) 등의 방법을 통하여 비침습적으로 포도당(Glucose)의 농도를 측정하려는 여러가지 시도있다. 일반적으로 이들 방법은 감도(sensitivity) 와 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 매우 낮고 복잡한 알고리즘이 요구되어지며 정확도가 떨어지는 등 포도당 농도 측정에 한계가 있다.
이러한 종래의 문제점을 개선하기위해, 본 발명은 포도당의 농도 측정에 있어, 정확도를 높인 PS-LCI 기법을 이용한 포도당 농도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
산란(scattering)은 생체 조직을 통하여 전달되는 빛의 편광 상태를 바꾸는 주요한 원인이다. 이러한 산란은 굴절률의 영향을 받으며, 산란 현상은 물질의 농도에 따라 영향을 받게 된다. 포도당의 농도에 따른 산란 변화도 굴절률의 변화에 따라 변화하게 되는데 굴절률의 변화는 수학식 1과 같은 공식에 따르게 된다.
Δn ≡ ns / (nISF ＋ 1.52 × 105/10㎎/㎗)
ns: 산란 중심의 지수의 시차굴절율(refractive index of scattering center)
nISF: 간질액의 시차굴절율(refractive index of interstitial fluid)
일반적으로 포도당의 농도가 증가하면, 포도당이 물을 대체하는 효과를 내며 따라서 굴절률 차이가 감소하여 산란계수가 감소하게 된다.
산란계수의 변화는 투과 깊이(penetration depth)에 영향을 주며 이는 생체조직으로 들어간 빛이 깊이에 따라 다시 나오는 역산란광의 광강도(S0)와 깊이에 대한 편광성분의 유지 정도 또는 편극 해소(depolarization)되는 정도(S1)에 영향을 미치게 된다.
저 간섭성 간섭계(Low Coherence Interferometer(LCI))는 기본적으로 적외선 영역의 빛을 50/50 빔 분배기를 이용하여 둘로 나누고 기준 반사경(scanner)에서 반사되는 빛과 샘플에서 뒷쪽 산란(back-scattering) 된 빛이 다시 빔 분배기에 모였을 때, 두 빛의 경로차에 의한 가간섭 원리를 응용한 것이다.
본 발명에서는 PS-LCI 시스템에서 원편광 빛이 농도가 다른 물질 사이를 통과하였을 때 거리에 대해 비례하는 수직(orthogonal)한 편광 구성 성분 사이의 스토크스 변수(Stokes parameters)(S0, S1)를 검출하여 포도당의 농도측정에 적용한다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 포도당의 농도 측정에 있어, 정확도를 높인 편광 감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 편광 감도 저 간섭성 간섭계을 이용한 포도당 농도 측정에 있어 정확도를 높이는 변수를 추출하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명의 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 장치는, 광원에서 나온 빛을 받아들여 수평 방향으로 편광된 빔을 출력하는 제1 편광 분배기(PBS); 제1 편광 분배기로부터 출력된 수평 빔을 받아들여 수평에 대해 22.5°의 제1의 1/4파장판(QWP) 및 45°의 제2의 1/4파장판으로 보내는 광 분배기(BS); 상기 제1의 1/4파장판(QWP)을 통과한 빛이 들어가는 기준 반사경(reference mirror); 수평편광 성분의 간섭신호(Eox)를 검출하는 제1 광검출기; 수직편광 성분의 간섭신호(Eoy)를 검출하는 제2 광검출기; 광분배기로부터 제1의 1/4파장판 및 제2의 1/4파장판으로 보내진 빛이 다시 돌아와 제1 편광 분배기 앞에서 모여지며 이 빛을 받아 제1 광검출기 및 제2 광검출기에 보내는 제2 편광분배기; 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환부; A/D 변환부로부터 출력된 데이터를 저장하는 메모리; 메모리에 저장된 데이터로부터 복조(demodulation) 과정을 수행하는 연산처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연산처리부는 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 수신하는 대역통과 필터; 상기 대역통과 필터의 출력을 힐베르트(Hilbert) 변환을 통하여 크기(amplitude)와 위상을 구하는 힐베르트 변환부; 힐베르트 변환부의 출력신호로 부터 스토크스 변수를 추출하여 편극 해소 변수(depolarization)(S1)를 구하는 변수 추출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 방법은, 광원에서 나온 빛은 제1 편광 분배기(PBS)를 통과하여 수평 방향으로 편광된 빔을 만들어내는 제1 편광 분배 단계; 광분배기에서 상기 제1 편광 분배기로부터 출력된 수평 빔을 받아들여 수평에 대해 22.5°의 제1의 1/4파장판(QWP) 및 45°의 제2의 1/4파장판으로 보내는 광 분배 단계; 상기 광분배기로부터 제1의 1/4파장판 및 제2의 1/4파장판으로 보내진 빛이 다시 돌아와 제1 편광 분배기 앞에서 모여지며, 제2 편광분배기에서 이 빛을 받아 제1 광검출기 및 제2 광검출기에 보내는 제2 편광 분배 단계; A/D 변환부에서 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환 단계; A/D 변환부로부터 출력된 데이터를 메모리에 저장하는 데이터 저장 단계; 상기 메모리에 저장된 데이터로부터 복조 과정을 수행하는 연산처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 연산처리 단계는 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 대역통과 필터를 통과시키는 필터링 단계; 상기 대역통과 필터의 출력을 힐베르트 변환을 통하여 크기(amplitude)와 위상을 구하는 힐베르트 변환 단계; 힐베르트 변환부의 출력신호로 부터 스토크스 변수를 추출하여 편극 해소 변수(S1)를 구하는 변수 추출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 의한 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도측정 장치의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도측정 장치의 구성을 설명하기위한 개략적인 블록도으로서, 광원(100), 제1 편광 분배기(200), 광 분배기(300), 기준 반사경(scanner)(700), 제1 광검출기(900), 제2 광검출기(950), 제2 편광분배기(800), 프리즘(600), 제1의 1/4파장판(500), 제2의 1/4파장판(400), A/D 변환부(1000), 메모리부(1200), 연산처리장치(1100), 표시부를 구비한다.
광원(100)으로는 1300 nm 의 파장을 갖는 수퍼 루미네센스 다이오드(Super luminescence diode(SLD))를 사용한다.
제1 편광 분배기(200)는 광원(100)에서 나온 빛을 받아들여 수평 방향으로 편광된 빔을 생성한다.
광 분배기(300)는 제1 편광 분배기(200)로부터 출력된 수평 빔을 받아들여 수평에 대해 22.5°의 제1의 1/4파장판(500) 및 45°의 제2의 1/4파장판(400)으로 보낸다.
기준 반사경(700)은 제1의 1/4파장판(500)를 통과한 빛을 반사시킨다. 기준반사경으로는 갈바노메터(Galvanometer)에 프리즘을 올려놓아 10°의 회전각도를 주어 약 3.4mm에 해당하는 빛의 경로차를 만들어 준 것을 사용할 수 있다.
제2 편광분배기(800)는 광분배기(300)로부터 제1의 1/4파장판(500) 및 제2의 1/4파장판(600)으로 보내진 빛이 다시 돌아와 제1 편광 분배기 앞에서 모여지며 이 빛을 받아 제1 광검출기(900) 및 제2 광검출기(950)으로 보낸다.
제1 광검출기(900)은 수평편광 성분의 간섭신호(Eox)를 검출하여 A/D 변환부(1000)로 보낸다. 제2 광검출기(950)은 수직편광 성분의 간섭신호(Eoy)를 검출하여 A/D 변환부(1000)로 보낸다. 제1 및 제2 광 검출기로는 InGaAs 포토다이오드를 사용하였다.
A/D 변환부(1000)는 제1 광검출기(900) 및 제2 광검출기(950)에서 검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하여 메모리부로 보낸다.
메모리부(1200)는 A/D 변환기로부터 수신된 데이터를 저장한다.
연산처리장치(1100)는 메모리부(1200)에 저장된 데이터로부터 데이타를 수신하여 복조과정을 수행한다. 연산처리장치(1100)는 대역통과 필터, 힐베르트 변환, 변수 추출부를 구비한다. 대역통과 필터는 제1검출기(900) 및 제2검출기(950)에서 검출된 신호를 수신하여 필터링하고 힐베르트 변환부로 출력한다. 대역통과 필터의 통과대역은 51.5~56.5kHz를 사용할 수 있다. 상기 힐베르트 변환부는 상기 대역통과 필터의 출력을 힐베르트 변환을 통하여 크기와 위상을 구한다. 변수 추출부는 힐베르트 변환부의 출력신호로 부터 수학식 2에의해 스토크스 변수중 역산란 광의 광강도 변수(S0) 및 편극 해소 변수(S1)를 구한다.
S0=〈Eox2〉+〈Eoy2〉
S1=〈Eox2〉-〈Eoy2〉
(단, Eox는 수평편광 성분의 간섭신호이며, Eoy는 수직편광 성분의 간섭신호임)
표시부는 연산처리장치로부터 출력 신호를 표시한다.
도 2a 내지 도 2e는 도1의 연산처리부에서의 연산처리과정의 일예이다. 도 2a는 제1 광검출기 또는 제2 광검출기에서 검출된 간섭신호로서 대역통과필터에 입력되는 신호를 나타낸다. 도 2b는 도 2a를 대역통과필터를 통과하여 필터링된 신호이다. 도 2b는 51.5~56.5kHz의 대역 통과 필터를 사용하였다. 도 2c는 도 2b를 힐베르트 변환한 후 신호를 나타내며, 이로부터 크기와 위상을 구하게 된다. 이와 같이 힐베르트 변환된 신호와 수학식 2를 이용하여 역산란 광의 광강도 변수(S0) 및 편극 해소 변수(S1)를 구한 결과의 일예가 도 2d와 도 2e이다. 도 2d는 역산란 광의 광강도 변수(S0)를 구한 결과의 일예이고 도 2e는 편극 해소 변수(S1)를 구한 결과의 일예이다. 본 발명은 역산란 광의 광강도 변수(S0)와 편극 해소 변수(S1)를 반듯이 모두 사용하는 것이 아니라 편극 해소 변수(S1)만을 사용할 수도 있다.
도 3a , 도 3b, 도 4a, 도 4b는 각각 인트라리피드(Intralipid) 용액과 혈액에서 포도당 농도에 따른 역산란 광의 광강도 변수(S0) 및 편극 해소 변수(S1)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b는 한 농도에 대해 100번의 스캐닝을 통해 평균을 취하여, 각 농도에 대한 평균값들을 익스포넨셜 커브 피팅(exponential curve fitting)을 통하여 계수를 구하고 포도당의 농도에 따라 계수들의 변화를 그래프로 표시한 것이다.
도 3a는 인트라리피드 용액에서의 포도당 농도에 따른 역산란 광의 광강도 변수(S0)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 3b는 인트라리피드 용액에서의 포도당 농도에 따른 편극 해소 변수(S1)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3a 및 도 3b에서는 인트라리피드 용액에서 포도당의 농도가 높아짐에 따라 변화율이 역산란 광의 광강도 변수(S0)에서는 2.01 %, 편극 해소 변수(S1)에서는 9.6 %임을 알 수 있다.
도 4a는 혈액에서의 포도당 농도에 따른 역산란 광의 광강도 변수(S0)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이고 도 4b는 혈액에서의 포도당 농도에 따른 편극 해소 변수(S1)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4a 및 도 4b에서는 혈액에서 포도당 농도에 따른 변화율이 역산란 광의 광강도 변수(S0)에서는 6.3 %, 편극 해소 변수(S1)에서는 34.0 %임을 알 수 있다.
도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b를 통해서, 포도당의 농도를 측정하는데 있어서 편극 해소 변수(S1)가 역산란 광의 광강도 변수(S0)보다 4배 이상의 변화율을 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서 단순히 역산란 광의 광강도 변수(S0)를 통하여 산란계수만을 가지고 포도당의 농도를 측정하는 것보다, 편극 해소 변수(S1)을 통하여 편극 해소되는 정도를 가지고 포도당의 농도를 측정하는 것이 더 정확하게 측정할 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 포도당 농도 측정장치에 있어서는 편극 해소 변수(S1)를 검출하는 변수검출부를 구비함으로써 정확도를 높였다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 포도당의 농도 측정에 있어, 정확도를 높인 편광 감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 장치 및 방법을 제공하며, 또한 본 발명은, 편광 감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정에 있어 정확도를 높이는 변수를 추출하는 장치 및 방법을 제공한다.
특히, 본 발명의 포도당 농도 측정장치에 있어서는 편극 해소 변수(S1)를 검출하는 변수검출부를 구비함으로써 정확도를 높였다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도측정 장치의 구성을 설명하기위한 개략적인 블록도이다.
도 2a는 도1의 연산처리부에서 제1 광검출기 또는 제2 광검출기에서 검출된 간섭신호의 일예이다.
도 2b는 도1의 연산처리부에서 대역통과필터를 통과하여 필터링된 신호의 일예이다.
도 2c는 도1의 연산처리부에서 힐베르트 변환한 후 신호의 일예이다.
도 2d는 도1의 연산처리부에서 역산란 광의 광강도 변수(S0)를 구한 결과의 일예이다.
도 2e는 도1의 연산처리부에서 편극 해소 변수(S1)를 구한 결과의 일예이다.
도 3a는 인트라리피드(Intralipid) 용액에서의 포도당 농도에 따른 역산란 광의 광강도 변수(S0)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 인트라리피드 용액에서의 포도당 농도에 따른 편극 해소 변수(S1)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 혈액에서의 포도당 농도에 따른 역산란 광의 광강도 변수(S0)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4b는 혈액에서의 포도당 농도에 따른 편극 해소 변수(S1)의 계수값의 변화를 나타내는 그래프이다.

Claims (4)

  1. 광원에서 나온 빛을 받아들여 수평 방향으로 편광된 빔을 출력하는 제1 편광 분배기(PBS);
    제1 편광 분배기로부터 출력된 수평 빔을 받아들여 수평에 대해 22.5°의 제1의 1/4파장판(QWP) 및 45°의 제2의 1/4파장판으로 보내는 광 분배기(BS);
    상기 제1의 1/4파장판(QWP)를 통과한 빛이 들어가는 기준 반사경(reference mirror);
    수평편광 성분의 간섭신호(Eox)를 검출하는 제1 광검출기;
    수직편광 성분의 간섭신호(Eoy)를 검출하는 제2 광검출기;
    광분배기로부터 제1의 1/4파장판 및 제2의 1/4파장판으로 보내진 빛이 다시 돌아와 제1 편광 분배기 앞에서 모여지며 이 빛을 받아 제1 광검출기(Detector) 및 제2 광검출기에 보내는 제2 편광분배기;
    제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환기;
    A/D 변환기로부터 출력된 데이터를 저장하는 메모리;
    메모리에 저장된 데이터로부터 복조(demodulation) 과정을 수행하는 연산처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연산처리부는
    제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 수신하는 대역통과 필터(band pass filter);
    상기 대역통과 필터의 출력을 힐베르트(Hilbert) 변환을 통하여 크기(amplitude)와 위상을 구하는 힐베르트 변환부;
    힐베르트 변환부의 출력신호로 부터 스토크스 변수(Stokes parameters)를 추출하여 편극 해소 변수(depolarization)(S1)를 구하는 변수 추출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 장치.
  3. 광원에서 나온 빛은 제1 편광 분배기(PBS)를 통과하여 수평 방향으로 편광된 빔을 만들어내는 제1 편광 분배 단계;
    광분배기에서 상기 제1 편광 분배기로부터 출력된 수평 빔을 받아들여 수평에 대해 22.5°의 제1의 1/4파장판(QWP) 및 45°의 제2의 1/4파장판으로 보내는 광 분배 단계;
    상기 광분배기로부터 제1의 1/4파장판 및 제2의 1/4파장판으로 보내진 빛이 다시 돌아와 제1 편광 분배기 앞에서 모여지며, 제2 편광분배기에서 이 빛을 받아 제1 광검출기(Detector) 및 제2 광검출기에 보내는 제2 편광 분배 단계;
    A/D 변환기에서 제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환 단계;
    A/D 변환기로부터 출력된 데이터를 메모리에 저장하는 데이터 저장 단계;
    상기 메모리에 저장된 데이터로부터 복조(demodulation) 과정을 수행하는 연산처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 방법
  4. 제1항에 있어서, 상기 연산처리 단계는
    제1 광검출기 및 제2 광검출기에서 검출된 신호를 대역통과 필터(band pass filter)를 통과시키는 필터링 단계;
    상기 대역통과 필터의 출력을 힐베르트(Hilbert) 변환을 통하여 크기(amplitude)와 위상(phase)을 구하는 힐베르트 변환 단계;
    힐베르트 변환부의 출력신호로 부터 스토크스 변수를 추출하여 편극 해소 변수(depolarization)(S1)를 구하는 변수 추출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편광감도 저 간섭성 간섭계를 이용한 포도당 농도 측정 방법.
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