KR20090025958A - 체액 성분 측정용 비침습 프로브, 이를 포함하는 비침습적체액 성분 측정 시스템, 및 비침습적 체액 성분 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 라만 스펙트럼 신호를 얻기 위한 입력광을 전송하는 입력광 전송부; 상기 입력광 전송부를 통한 입력광을 피검 생체 내부로 집광(集光)하여 조사(照射)하는 집광부; 상기 입력광의 조사(照射)를 통하여 얻어진 라만 스펙트럼 신호를 포함하는 출력광을, 상기 출력광을 파장별로 분류하는 분광기(spectroscope)로 전송하는 출력광 전송부; 상기 피검 생체 표면에 접촉하여 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부; 및, 상기 생체 접촉 발광부와 이격된, 상기 생체 표면에 접촉하여 상기 생체 접촉 발광부에서 투사된 광을 수광(受光)하는 생체 접촉 수광부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브와, 이를 구비한 비침습적 체액 성분 측정 시스템과, 비침습적 체액 성분 측정 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 비침습적 체액 성분 측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 이용하여 체액 성분을 비침습적으로 측정하기 위한 시스템 및 측정 방법과, 상기 시스템에 포함된 비침습 프로브(probe)에 관한 것이다.
최근 생활환경이 크게 개선되고 삶의 여건이 좋아짐에 따라 개인의 건강에 대한 관심이 고조되고 있다. 그 결과 수시로 개인의 건강상태를 손쉽게 점검할 수 있는 가정용 의료기기들의 개발에 많은 연구들이 진행되어 오고 있으며 신제품들이 속속 개발되고 있다. 보통 정상인의 경우 생체 내에 존재하는 체액이 유기적으로 순환 및 조절되어 일정한 범위에서 양이 유지되도록 한다. 체액에는 혈액(blood), 뇨(urine), 간질액(interstitial fluid), 땀 등이 포함된다. 체액 내에 포함된 예컨대, 당(glucose), 헤모글로빈, 빌리루빈(bilirubin), 콜레스테롤, 알부민, 크레 아티닌(creatinine), 단백질, 요소(urea) 등 체액 성분의 농도는 건강 상태를 알려주는 매우 중요한 변수로서, 이들은 체액 성분 측정의 측정은 주요 대상이다.
생체가 어떠한 질환에 걸리게 되면 상기 체액 성분의 조성이나 양(quantity)에 변화가 일어나 위험한 상황에 직면할 수 있다. 예를 들어, 정상인의 혈당(blood glucose)농도는 식전에 80 mg/dl정도이고 식후에 120 mg/dl 정도인데, 생체는 이와 같은 혈당 농도를 유지하기 위해 식전 또는 식후에 췌장에서 적정량의 인슐린을 분비하게 하여 간장과 골격근 세포로 흡수되도록 한다.
그런데 질환적 원인이나 기타 다른 원인으로 췌장으로부터 정상 혈당 유지에 필요한 만큼의 인슐린이 생산되지 않는 경우, 혈액 내 과도한 양의 당(glucose)가 존재하게 되고, 이것이 원인이 되어 심장과 간 질환, 동맥경화증, 고혈압, 백내장, 망막출혈, 신경손상, 청력 손실, 시력 감퇴 등이 나타날 수 있고 심하면 사망할 수도 있다. 이러한 극단적인 결과가 나타나기 전에 생체내 체액 성분의 농도를 측정하여 건강 상태를 진단하는 것이 매우 중요하다.
체액 성분, 특히 혈액에 포함된 예컨대 혈당 등의 체액 성분의 농도 측정 방식은 혈액을 직접 채취하여 특정 체액 성분의 농도를 측정하는 침습적 방식과, 혈액을 채취하지 않고 측정하는 비침습적 방식이 있다. 상기 침습적 방식은 측정의 신뢰성이 높다는 장점이 있으나, 주사를 이용한 혈액 채취의 고통, 번거로움 및 질병 감염 위험이 크며, 체액 성분 측정용 스트립(strip), 주사기 등의 소모품이 사용되므로 경제적인 부담이 크다는 문제점이 있다.
비침습적으로 체액 성분을 측정하는 기술 중에서 라만 분광법(Raman Spectroscopy)을 이용하여 예컨대, 혈당과 같은 체액 성분을 측정하는 기술이 공지되어 있다. 라만 분광법을 이용한 체액 성분 측정 기술에 의하면, 특정 파장의 광을 모세 혈관 등 생체의 특정 부분에 포커싱(focusing)하여 조사한 후, 당 분자(glucose molecule)에 의해 파장 변환된 라만 스펙트럼(Raman Spectrum)을 이용하여 혈당 농도를 측정한다.
이러한 라만 분광법을 이용한 체액 성분 측정 방법은 광 조사에 의해 얻어지는 라만 스펙트럼의 신호 크기가 작으며, 체액을 제외한 예컨대, 피부의 두께, 색깔 등 티슈(tissue)의 차이가 노이즈(noise)를 유발하여 측정의 신뢰성을 저하시킨다는 문제점이 있다. 이러한 티슈의 차이로 인한 체액 성분 측정의 신뢰성 저하를 완화하기 위한 방법 가운데 하나로서, "Proceedings of the SPIE-The International Society for Optical Engineering" (2001년 발행) 라는 학술지 Vol. 4254 의 106 - 118 페이지에 "Noninvasive, in-vivo, tissue modulated Raman sepctroscopy of human blood; microcirculation and viscosity effects" 라는 제목으로 개재된 티슈 모듈레이션 기법(Tissue Modulation)이 공지되어 있다.
그런데 상기한 티슈 모듈레이션에 의한 체액 성분 측정 방법도, 같은 크기의 압력을 피부에 가했음에도 불구하고 피부의 상태 또는 프로브(probe)와 피부의 접촉 상태 등에 따라 광이 조사되는 생체 내부의 측정점이 달라져 체액 성분 측정의 재현성이 나쁘고, 측정의 신뢰성도 여전히 미흡하다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동일한 압력을 피부에 가했을 때 광이 조사되는 생체 내부의 측정점의 재현성이 향상될 수 있게 개선된 체액 성분 측정용 비침습 프로브, 이를 포함한 비침습적 체액 성분 측정 시스템, 및 비침습적 체액 성분 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 라만 스펙트럼 신호를 얻기 위한 입력광을 전송하는 입력광 전송부; 상기 입력광 전송부를 통한 입력광을 피검 생체 내부로 집광(集光)하여 조사(照射)하는 집광부; 상기 입력광의 조사(照射)를 통하여 얻어진 라만 스펙트럼 신호를 포함하는 출력광을, 상기 출력광을 파장별로 분류하는 분광기(spectroscope)로 전송하는 출력광 전송부; 상기 피검 생체 표면에 접촉하여 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부; 및, 상기 생체 접촉 발광부와 이격된, 상기 생체 표면에 접촉하여 상기 생체 접촉 발광부에서 투사된 광을 수광(受光)하는 생체 접촉 수광부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브를 제공한다.
또한 본 발명은, 라만 스펙트럼 신호를 얻기 위한 입력광을 발광하는 광원; 티슈 모듈레이션(tissue modulation)을 위해 상기 피검 생체를 서로 다른 제1 압력과 제2 압력으로 가압하기 위한 가압 유닛; 상기 제1 압력일 때 및 상기 제2 압력일 때 각각 입력광을 상기 피검 생체에 조사하여 라만 스펙트럼 신호를 포함하는 제1 출력광 및 제2 출력광을 얻기 위한, 상기한 비침습 프로브(probe); 상기 제1 출력광 및 제2 출력광을 파장별로 분류하는 분광기(spectroscope); 파장별로 분류된 상기 제1 출력광 및 제2 출력광을 감지하여 그에 대응되는 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호를 발생하는 광 센싱 어레이(photo sensing array); 상기 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호를 처리하여 체액 성분의 농도를 계측하는 프로세서;를 구비하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 집광부에 의해 집광되는 입력광의 초점(焦點)은 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부를 포함하는 평면에 수직(垂直)이며, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부 사이의 간격을 반분(半分)하는 가상의 직선 상에 위치할 수 있다.
바람직하게는, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부 사이의 간격을 D 라 하고, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부를 포함하는 평면으로부터 상기 초점까지 거리를 Z 라 하면, 
일 수 있다.
바람직하게는, 상기 비침습적 체액 성분 측정 시스템은 상기 생체 접촉 수광부에서 수광된 광의 세기가 허용 가능한오차 범위 내에서 기설정(旣設定)된 광 세기와 같은 때에만 상기 피검 생체에 입력광을 조사(照射)하도록 상기 광원을 제어하는 콘트롤러(controller)를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 비침습 프로브는 상기 출력광에 포함된, 상기 입력광의 파장 대역과 동일한 파장 대역의 광 성분을 여과하기 위한 광 여과부를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 비침습 프로브는 상기 입력광은 상기 집광부로 향하도록 반사시키고, 상기 출력광은 상기 출력광 전송부로 향하도록 투과시키는 선택 투과 미러(mirror)를 더 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 생체 접촉 발광부는 LED(light emitting diode)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 생체 접촉 수광부는 PD(photo diode)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 광원은 근적외광을 발광하는 LD(Laser Diode)를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 LD는 파장이 785 nm에서 최대 광 세기를 나타내는 광을 발광하도록 구성될 수 있다.
또한 본 발명은, 피검 생체를 제1 압력으로 가압하고, 상기 피검 생체에 입력광을 조사하여 제1 라만 스펙트럼을 얻는 단계; 상기 피검 생체를 상기 제1 압력과 다른 제2 압력으로 가압하고, 상기 피검 생체에 입력광을 조사하여 상기 제1 라만 스펙트럼과 다른 제2 라만 스펙트럼을 얻는 단계; 및, 상기 제1 라만 스펙트럼과 제2 라만 스펙트럼 사이의 차분 스펙트럼(differential spectrum)을 구하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 라만 스펙트럼을 얻는 단계 및 제2 라만 스펙트럼을 얻는 단계는 각각, 상기 피검 생체 표면에 접촉하여 광을 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부를 이용하여 상기 피검 생체 내부로 광을 투사하는 단계; 상기 생체 접촉 발광부와 이격된, 상기 생체 표면에 접촉하여 광을 수광(受光)하는 생체 접촉 수광부 를 이용하여 상기 생체 접촉 발광부에서 투사된 광을 수광하는 단계; 및, 상기 수광된 광의 세기가 허용 가능한오차 범위 내에서 기설정(旣設定)된 광 세기와 같은 때에만 상기 피검 생체에 입력광을 조사(照射)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 피부를 투과한 광 세기의 분석을 통하여 피검 생체의 피부에 실질적으로 가해진 압력을 가늠할 수 있다. 따라서, 동일한 압력을 피부에 가한 상태에서 입력광이 조사되는 생체 내부의 측정점의 재현성이 향상될 수 있으므로, 신뢰성 있는 체액 성분 측정 결과를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 체액 성분 측정용 비침습 프로브, 이를 포함하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템, 및 비침습적 체액 성분 측정 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비침습적 체액 성분 측정 시스템을 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 체액 성분 측정용 비침습 프로브를 나타내는 블록도이며, 도 3a 및 도 3b는 도 1의 비침습 프로브의 내부를 도시한 구성도로서, 도 3a는 피검 생체를 가압하지 않은 상태를 나타낸 도면이고, 도 3b는 피검 생체를 가압한 상태를 나타낸 도면이다. 또한, 도 6a는 피검 생체에 압력을 가하지 않고 레이저를 조사하여 얻어진 라만 스펙트럼(Raman spectrum)의 일 예를 도시한 그래프이고, 도 6b는 피검 생체에 압력을 가한 상태에 서 레이저를 조사하여 얻어진 라만 스펙트럼의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비침습적 체내 성분 측정 시스템(100)은 라만 스펙트럼을 얻기 위한 입력광(IL, 도 3 참조)을 발광(發光)하는 하나의 광원(101)과, 티슈 모듈레이션(tissue modulation)을 위해 상기 피검 생체(10)를 서로 다른 제1 압력과 제2 압력으로 가압하기 위한 가압 유닛(122)과, 상기 가압 유닛(122)의 가압력을 측정하는 압력 센서(124)와, 피검 생체(10)를 지지하는 지지대(120)와, 가압 상기 제1 압력일 때 및 제2 압력일 때 각각 입력광(IL)을 피검 생체(10)에 조사하여 라만 스펙트럼 신호를 포함하는 제1 출력광(OL1, 도 3a 참조) 및 제2 출력광(OL2, 도 3b 참조)을 얻기 위한 비침습 프로브(probe, 130)와, 상기 제1 출력광(OL1)과 제2 출력광(OL2)을 파장별로 분류하는 분광기(spectroscope, 105)와, 이렇게 파장별로 분류된 제1 출력광(OL1)과 제2 출력광(OL2)을 감지하여 그레 대응되는 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호를 발생하는 광 센싱 어레이(photo sensing array, 110)와, 상기 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호를 처리하여 체액 성분의 농도를 계측하는 프로세서(116)와, 상기 광원(101)의 점멸(點滅)을 제어하는 콘트롤러(118)를 구비한다.
상기 체액 성분 측정 시스템(100)은 라만 분광법(Raman Spectroscopy), 더욱 구체적으로는 티슈 모듈레이션 기법(tissue modulation)을 이용하여 혈당의 농도를 계측할 수 있는 것이다. 티슈 모듈레이션 기법에 의한 비침습적 체액 성분 측정 방법은, 피검 생체(10)를 제1 압력으로 가압하고, 상기 피검 생체(10)에 입력광(IL)을 조사하여 제1 라만 스펙트럼(도 6a 참조)을 얻는 단계와, 상기 피검 생체(10)를 상기 제1 압력과 다른 제2 압력으로 가압하고, 상기 피검 생체(10)에 입력광(IL)을 조사하여 상기 제1 라만 스펙트럼과 다른 제2 라만 스펙트럼(도 6b 참조)을 얻는 단계와, 상기 제1 라만 스펙트럼과 제2 라만 스펙트럼 사이의 차분 스펙트럼(differential spectrum)을 구하는 단계와, 상기 차분 스펙트럼을 통계적 방법을 통하여 미리 얻어진 혈당 농도에 따른 차분 스펙트럼 데이터와 비교 분석하여 혈당 농도를 계측하는 단계를 구비한다. 티슈 모듈레이션에 의한 체액 성분 측정은 차분 스펙트럼을 이용하므로 단일 압력 상태에서 입력광 조사에 의한 라만 스펙트럼을 이용하는 경우에 비하여, 생체 티슈 특성으로 인한 노이즈(noise)가 감소되어 체액 성분 농도 측정의 신뢰성이 향상되는 장점이 있다.
상기 광원(101)은 근적외광을 발광하는 LD(laser diode)를 포함한다. 더욱 바람직하게는, 상기 LD는 파장이 785 nm에서 최대 광 세기를 나타내는 광을 발광하는 LD일 수 있다. LD는 예컨대 LED 등의 다른 발광 소자에 비하여 광의 파장 대역(bandwidth)이 좁아서 라만 분광법에 적용하기에 적합하다. 상기 광원(101)은 상기 콘트롤러(118)와 전기적으로 연결된다. 상기 콘트롤러(118)와 상기 프로세서(116)는 호스트 컴퓨터(115)에 포함될 수 있다.
상기 분광기(105)는 제1 출력광(OL1) 및 제2 출력광(OL2)의 광로를 전환하기 위한 거울들(106, 107, 108)과, 상기 출력광들(OL1, OL2)의 광로 상에 배치된 파장 분광 소자(109)를 구비한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 파장 분광 소자(109)는 회절 격자(grating)일 수 있다. 상기 제1 출력광(OL1) 및 제2 출력광(OL2)은 분광되어 광 센싱 어레이(110)에 입사된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 광 센싱 어레이(110)는 CCD 어레이(Charge Coupled Device Array)일 수 있다. 상기 광 센싱 어레이(110)의 광 입사면은 광을 감지하는 다수의 픽셀(pixel, 미도시)을 구비한다. 상기 픽셀들을 통하여 파장별로 분류된 제1 출력광(OL1)과 제2 출력광(OL2)이 감지되며, 제1 출력광(OL1) 및 제2 출력광(Ol2)에 각각 대응되는 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호가 발생된다.
상기 광 센싱 어레이(110)는 호스트 컴퓨터(115)와 전기적으로 연결된다. 상기 호스트 컴퓨터(115) 내부의 프로세서(116)는 상기 광 센싱 어레이(110)가 감지한 제1 전기적 신호와 제2 전기적 신호를 처리하여, 예컨대 혈당과 같은 체액 성분의 농도를 게측한다. 구체적으로, 상기 제1 전기적 신호로부터 도 6a에 도시된 바와 같은 제1 라만 스펙트럼을 획득하고, 상기 제2 전기적 신호로부터 도 6b에 도시된 바와 같은 제2 라만 스펙트럼을 획득한다. 그리고, 상기 제1 라만 스펙트럼과 제2 라만 스펙트럼 사이의 차분 스펙트럼(differential spectrum)을 구하고, 상기 차분 스펙트럼을 통계적 방법을 통하여 미리 얻어진 혈당 농도에 따른 차분 스펙트럼 데이터와 비교 분석하여 혈당 농도를 계측한다.
도 2, 도 3a 및, 도 3b를 참조하면, 상기 비침습 프로브(130)는 그 하우징(131) 내부에 광원(101, 도 1 참조)에서 발광한 입력광(IL)을 전송하는 입력광 전송부(160)와, 상기 입력광 전송부(160)를 통한 입력광(IL)을 피검 생체(10) 내부로 집광(集光)하여 조사(照射)하는 집광부(145)와, 상기 입력광(IL)의 조사를 통하여 얻어진 제1 출력광(OL1) 및 제2 출력광(OL2)을 분광기(105, 도 1 참조)로 전송 하는 출력광 전송부(165)와, 상기 제1 출력광(OL1) 및 제2 출력광(OL2)에 포함된, 상기 입력광(IL)의 파장 대역과 동일한 파장 대역의 광 성분을 여과하기 위한 광 여과부(150)를 구비한다.
또한, 상기 비침습 프로브(130)는 상기 피검 생체(10)의 표면에 접촉하여 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부(170)와, 상기 생체 접촉 발광부(170)와 이격된, 상기 생체(10)의 표면에 접촉하여 상기 생체 접촉 발광부(170)에서 투사된 광을 수광하는 생체 접촉 수광부(175)를 더 구비한다. 도면에 도시된 피검 생체(10)는 구체적으로 손가락이지만, 이는 일 예에 불과하며, 팔뚝 등 인체의 다른 부분에 대해서도 본 발명의 비침습 프로브(130)를 이용한 측정이 가능하다.
상기 입력광 전송부(160)는 하나의 광섬유 코어(optical fiber core, 미도시)를 구비하는 입력광 케이블(161)을 포함한다. 상기 입력광 케이블(161)은 프로브 하우징(131)과 상기 광원(101)을 연결한다. 상기 출력광 전송부(165)도 또한, 하나의 광섬유 코어(미도시)를 구비하는 출력광 케이블(166)을 포함한다. 상기 출력광 케이블(166)은 상기 프로브 하우징(131)과 분광기(105, 도 1 참조)를 연결한다.
상기 비침습 프로브(130)는 상기 입력광 케이블(161)의 말단(161a)의 광섬유 코어에서 출사되는 입력광(IL)을 평행하게 하는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 133)와, 상기 평행한 입력광(IL)의 광로를 변경시키기 위하여 상기 입력광(IL)을 반사하는 미러(mirror, 137)를 더 구비한다. 상기 비침습 프로브(130)는 또한, 상기 입력광(IL)은 상기 집광부(145)를 향하도록 반사시키고, 출력광(OL1, OL2)은 상기 출력광 전송부(165)로 향하도록 투과시키는 선택 투과 미러(141)를 더 구비한다. 상기 선택 투과 미러(141)는 상기 입력광(IL)은 반사시키고, 제1 출력광(OL1) 및 제2 출력광(OL2)은 투과시킨다. 이러한 특성은 상기 선택 투과 미러(141)의 광 입사면(141a)에 입력광(IL)의 파장 대역과 같은 파장 대역의 광은 반사시키고, 라만 스펙트럼의 파장 대역과 같은 파장 대역의 광은 투과시킬 수 있는 물질을 코팅(coating)하여 얻을 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 입력광(IL)의 파장은 785 nm 정도이며, 스톡스(Stocks) 산란에 의한 라만 스펙트럼의 파장 대역은 상기 입력광(IL)의 파장 대역보다 길기 때문에, 용이하게 선택 투과 특성을 구현할 수 있다.
상기 집광부(145)는 상기 평행한 입력광(IL)을 단일의 초점(焦點, F)으로 집광(集光)하는 대물렌즈(146)를 구비한다. 상기 대물렌즈(146)로부터 초점(F)까지의 거리는 일정하다. 그러나, 가압 유닛(122)에 의해 제1 압력이 가해진 경우(도 3a 참조)와 제2 압력이 가해진 경우(도 3b 참조)는 대물렌즈(146)에 대한 피검 생체(10)의 상대적 위치가 달라지므로, 상기 제1 압력이 가해진 경우에는 피검 생체(10) 내부의 제1 측정점(M1, 도 3a 참조)에 입력광(IL)이 집광(集光)되며, 상기 제2 압력이 가해진 경우에는 피검 생체(10) 내부의 제2 측정점(M2, 도 3b 참조)에 입력광(IL)이 집광된다. 바람직한 실시예에서 상기 측정점들(M1, M2)은 모세혈관이 많이 분포된 진피(dermis)에 설정된다.
상기 광 여과부(150)는 노치 필터(notch filter, 151)를 구비한다. 상기 노치 필터(151)는 출력광(OL1, OL2)의 광로 상에 위치하여 입력광(IL)의 파장 대역과 동일한 대략 785 nm 파장 대역의 광을 투과되지 않게 흡수한다. 상기 비침습 프로브(130)는 상기 노치 필터(151)를 투과한 출력광(OL1, OL2)을 출력광 케이블(166) 말단(166a)의 광섬유 코어(미도시)로 집광(集光)시키는 출력광 집광렌즈(155)를 더 구비한다. 상기 노치 필터(151)에 의해 입력광(IL)의 광 성분이 제거된 제1 및 제2 출력광(OL1, OL2)은 출력광 케이블(166)을 통해 분광기(105)로 전송된다.
상기 생체 접촉 발광부(170)는 LED(light emitting diode, 171)를 포함하고, 상기 생체 접촉 수광부(175)는 PD(photo diode, 176)를 포함한다. 상기 LED(171) 및 PD(176)는 피검 생체(10)와 접촉 가능하게 프로브 하우징(131)의 하단부에 장착된다. 도 4는 매질을 투과하는 광의 특성을 나타내는 설명도이다.
도 4를 참조하면, 매질의 표면에 광원(source)과 광 검출기(detector)를 이격되게 배치하고 상기 광원을 발광(發光)시키면, 광 검출기에서 광이 검출되는데, 상기 광원과 광 검출기를 양 단으로 하는 바나나 형상의 영역(banana-shaped region)을 통과한 광이 광 검출기에서 검출된다. 그리고, 광원과 광 검출기 사이의 간격을 D 라 할 때, 상기 광원과 광 검출기 사이의 간격을 반분하는 매질의 표면 상 지점으로부터 { SQRT { 2}D } over {4 } 깊이인 지점을 통과한 광이 확률적으로 가장 많이 검출되고, 그 주변 지점을 통과한 광이 검출될 확률은 상대적으로 낮다. 즉, 깊이가 
인 지점에 대하여 광 감지의 민감도가 가장 크다.
한편 도 5에는 피검 생체의 표면에 광원과 광 검출기를, 예컨대 손가락과 같은 피검 생체의 표면에 접촉되게 배치하고 피검 생체 표면에 압력을 가하면서 광원 을 발광할 때 실제 가해진 압력과 감지된 광 세기와의 관계가 도시되어 있다. 도 5의 그래프는 일정 수의 표본집단에 대한 동일한 조사를 수행하고 이를 통계적 방법으로 처리하여 얻을 수 있다. 이를 참조하면, 피검 생체에 가해진 압력이 커질수록 감지되는 광 세기가 증대된다.
본 발명은 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한 광 감지 결과를 이용하여 티슈 모듈레이션 작업시 측정점 재현의 신뢰성 향상을 도모한다. 즉, 도 3a를 참조하면, 가압 유닛(122, 도 1 참조)을 이용하여 피검 생체(10)를 제1 압력(P1, 도 5 참조)으로 가압할 때, LED(171)로 발광(發光)하고 이를 PD(176)로 수광(受光)하여 감지된 광 세기가 허용 가능한 오차 범위 내에서 제1 세기(I1, 도 5 참조)와 같은 때에만 상기 피검 생체(10)에 입력광(IL)을 조사하여 제1 라만 스펙트럼을 획득한다. 상기 입력광(IL)의 조사는 상기한 콘트롤러(118, 도 1 참조)에 의해 제어된다. 상기 PD(176)에서 감지된 광 세기가 허용 가능한 오차 범위 내에서 제1 세기(I1)인 때에만 실질적으로 피검 생체(10)에 제1 압력(P1)이 가해지고 있다고 인정할 수 있어 입력광(IL)이 제1 측정점(M1)에 집광(集光)되고 있다고 인정할 수 있기 때문이다. 한편, 바람직한 실시예에서 상기 제1 압력(P1)은 별도의 압력을 가하지 않는 상태, 즉 대기압과 같은 상태일 수 있다.
또한, 도 3b를 참조하면, 가압 유닛(122, 도 1 참조)을 이용하여 피검 생체(10)를 제2 압력(P2, 도 5 참조)으로 가압할 때, LED(171)로 발광(發光)하고 이를 PD(176)로 수광(受光)하여 감지된 광 세기가 허용 가능한 오차 범위 내에서 제2 세기(I2, 도 5 참조)와 같은 때에만 상기 피검 생체(10)에 입력광(IL)을 조사하여 제2 라만 스펙트럼을 획득한다. 상기 PD(176)에서 감지된 광 세기가 허용 가능한 오차 범위 내에서 제2 세기(I2)인 때에만 실질적으로 피검 생체(10)에 제2 압력(P2)이 가해지고 있다고 인정할 수 있어 입력광(IL)이 제2 측정점(M2)에 집광(集光)되고 있다고 인정할 수 있기 때문이다. 한편, 바람직한 실시예에서 상기 제2 압력(P2)은 상기 제1 압력(P1)보다 높은 압력일 수 있다.
한편, 도 3a 및 도 3b를 다시 참조하면, 바람직한 실시예에서 상기 대물렌즈(146)에 의해 집광되는 입력광(IL)의 초점(F)은 LED(171) 및 PD(176)를 포함하는 평면(A)에 수직(垂直)이며, 상기 LED(171) 및 PD(176) 사이의 간격(D)을 반분(半分)하는 가상의 직선(C) 상에 위치한다. 또한, 상기 LED(171) 및 PD(176)를 포함하는 평면(A)으로부터 상기 초점(F)까지의 거리(Z)는 
이다. 도 4를 참조하여 상술한 바와 같이 Z 가 
인 지점에 대한 광 감지 민감도가 크므로, 초점(F)을 광 감지 민감도가 큰 지점과 일치시켜 측정된 라만 스펙트럼 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있기 때문이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비침습적 체액 성분 측정 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 체액 성분 측정용 비침습 프로브를 나타내는 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 비침습 프로브의 내부를 도시한 구성도로서, 도 3a는 피검 생체를 가압하지 않은 상태를 나타낸 도면이고, 도 3b는 피검 생체를 가압한 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 매질을 투과하는 광의 특성을 나타내는 설명도이다.
도 5는 피검 생체에 가해진 압력과 피검 생체를 투과하여 감지된 광 세기 사이의 관계의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 피검 생체에 압력을 가하지 않고 레이저를 조사하여 얻어진 라만 스펙트럼(Raman spectrum)의 일 예를 도시한 그래프이고, 도 6b는 피검 생체에 압력을 가한 상태에서 레이저를 조사하여 얻어진 라만 스펙트럼의 일 예를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10; 피검 생체 100; 체액 성분 측정 시스템
101; 광원 105; 분광기
110; 광 센싱 어레이 115; 호스트 컴퓨터
116; 프로세서 118; 콘트롤러
122; 가압 유닛 130; 피침습 프로브
133; 콜리메이팅 렌즈 137; 미러
141; 선택 투과 미러 146; 대물렌즈
151; 노치 필터 155; 집광 렌즈
171; LED 176; PD
Claims (18)
- 라만 스펙트럼 신호를 얻기 위한 입력광을 전송하는 입력광 전송부; 상기 입력광 전송부를 통한 입력광을 피검 생체 내부로 집광(集光)하여 조사(照射)하는 집광부; 상기 입력광의 조사(照射)를 통하여 얻어진 라만 스펙트럼 신호를 포함하는 출력광을, 상기 출력광을 파장별로 분류하는 분광기(spectroscope)로 전송하는 출력광 전송부; 상기 피검 생체 표면에 접촉하여 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부; 및, 상기 생체 접촉 발광부와 이격된, 상기 생체 표면에 접촉하여 상기 생체 접촉 발광부에서 투사된 광을 수광(受光)하는 생체 접촉 수광부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 제1 항에 있어서,상기 집광부에 의해 집광되는 입력광의 초점(焦點)은 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부를 포함하는 평면에 수직(垂直)이며, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부 사이의 간격을 반분(半分)하는 가상의 직선 상에 위치한 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 제2 항에 있어서,상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부 사이의 간격을 D 라 하고, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부를 포함하는 평면으로부터 상기 초점까지 거 리를 Z 라 하면,인 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 제1 항에 있어서,상기 출력광에 포함된, 상기 입력광의 파장 대역과 동일한 파장 대역의 광 성분을 여과하기 위한 광 여과부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 제1 항에 있어서,상기 입력광은 상기 집광부로 향하도록 반사시키고, 상기 출력광은 상기 출력광 전송부로 향하도록 투과시키는 선택 투과 미러(mirror)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 제1 항에 있어서,상기 생체 접촉 발광부는 LED(light emitting diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 제1 항에 있어서,상기 생체 접촉 수광부는 PD(photo diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정용 비침습 프로브.
- 라만 스펙트럼 신호를 얻기 위한 입력광을 발광하는 광원; 티슈 모듈레이션(tissue modulation)을 위해 상기 피검 생체를 서로 다른 제1 압력과 제2 압력으로 가압하기 위한 가압 유닛; 상기 제1 압력일 때 및 상기 제2 압력일 때 각각 입력광을 상기 피검 생체에 조사하여 라만 스펙트럼 신호를 포함하는 제1 출력광 및 제2 출력광을 얻기 위한 비침습 프로브(probe); 상기 제1 출력광 및 제2 출력광을 파장별로 분류하는 분광기(spectroscope); 파장별로 분류된 상기 제1 출력광 및 제2 출력광을 감지하여 그에 대응되는 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호를 발생하는 광 센싱 어레이(photo sensing array); 상기 제1 전기적 신호 및 제2 전기적 신호를 처리하여 체액 성분의 농도를 계측하는 프로세서;를 구비하고, 상기 비침습 프로브는,상기 입력광을 전송하는 입력광 전송부; 상기 입력광 전송부를 통한 입력광을 피검 생체 내부로 집광(集光)하여 조사(照射)하는 집광부; 상기 입력광의 조사(照射)를 통하여 얻어진 제1 출력광 및 제2 출력광을 상기 분광기(spectroscope)로 전송하는 출력광 전송부; 상기 피검 생체 표면에 접촉하여 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부; 및, 상기 생체 접촉 발광부와 이격된, 상기 생체 표면에 접촉하여 상기 생체 접촉 발광부에서 투사된 광을 수광(受光)하는 생체 접촉 수광부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 집광부에 의해 집광되는 입력광의 초점(焦點)은 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부를 포함하는 평면에 수직(垂直)이며, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부 사이의 간격을 반분(半分)하는 가상의 직선 상에 위치한 것을 특징으로 하는 체액 성분 측정 시스템.
- 제9 항에 있어서,상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부 사이의 간격을 D 라 하고, 상기 생체 접촉 발광부 및 생체 접촉 수광부를 포함하는 평면으로부터 상기 초점까지 거리를 Z 라 하면,인 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 생체 접촉 수광부에서 수광된 광의 세기가 허용 가능한오차 범위 내에서 기설정(旣設定)된 광 세기와 같은 때에만 상기 피검 생체에 입력광을 조사(照射)하도록 상기 광원을 제어하는 콘트롤러(controller)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 비침습 프로브는 상기 출력광에 포함된, 상기 입력광의 파장 대역과 동일한 파장 대역의 광 성분을 여과하기 위한 광 여과부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 비침습 프로브는 상기 입력광은 상기 집광부로 향하도록 반사시키고, 상기 출력광은 상기 출력광 전송부로 향하도록 투과시키는 선택 투과 미러(mirror)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 생체 접촉 발광부는 LED(light emitting diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 생체 접촉 수광부는 PD(photo diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제8 항에 있어서,상기 광원은 근적외광을 발광하는 LD(Laser Diode)를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 제16 항에 있어서,상기 LD는 파장이 785 nm에서 최대 광 세기를 나타내는 광을 발광하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 시스템.
- 피검 생체를 제1 압력으로 가압하고, 상기 피검 생체에 입력광을 조사하여 제1 라만 스펙트럼을 얻는 단계; 상기 피검 생체를 상기 제1 압력과 다른 제2 압력으로 가압하고, 상기 피검 생체에 입력광을 조사하여 상기 제1 라만 스펙트럼과 다른 제2 라만 스펙트럼을 얻는 단계; 및, 상기 제1 라만 스펙트럼과 제2 라만 스펙트럼 사이의 차분 스펙트럼(differential spectrum)을 구하는 단계;를 포함하고,상기 제1 라만 스펙트럼을 얻는 단계 및 제2 라만 스펙트럼을 얻는 단계는 각각, 상기 피검 생체 표면에 접촉하여 광을 발광(發光)하는 생체 접촉 발광부를 이용하여 상기 피검 생체 내부로 광을 투사하는 단계; 상기 생체 접촉 발광부와 이격된, 상기 생체 표면에 접촉하여 광을 수광(受光)하는 생체 접촉 수광부를 이용하여 상기 생체 접촉 발광부에서 투사된 광을 수광하는 단계; 및, 상기 수광된 광의 세기가 허용 가능한오차 범위 내에서 기설정(旣設定)된 광 세기와 같은 때에만 상기 피검 생체에 입력광을 조사(照射)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습적 체액 성분 측정 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103149177A (zh) * | 2013-01-14 | 2013-06-12 | 天津先阳科技发展有限公司 | 压力调制近红外光谱实现生物组织检测的装置和方法 |
| CN104568904A (zh) * | 2014-12-31 | 2015-04-29 | 苏州优谱德精密仪器科技有限公司 | 接酒检测器检测电路 |
| KR20190106659A (ko) * | 2018-03-09 | 2019-09-18 | 삼성전자주식회사 | 라만 프로브, 라만 스펙트럼 획득 장치, 라만 프로브를 이용한 라만 스펙트럼 획득 방법 및 표적 물질 분포 탐지 방법 |
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-
2007
- 2007-09-07 KR KR1020070091191A patent/KR20090025958A/ko not_active Application Discontinuation
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