KR20090036996A - 복수 개의 단일 파장 광원을 이용한 투과와 반사 병행방식의 무채혈 혈당기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 당뇨병 환자들에게 있어 가장 중요한 혈당(glucose)관리를 위한 것으로, 기존의 고통과 감염의 위험을 수반할 수 있는 채혈방식에서 벗어나 편리하고 환자중심적인 무채혈 혈당 센서 관한 것이다. 무채혈 혈당 측정 장치는 파장별 광신호 투과와 반사를 이용하여, 혈당 농도에 따라 측정된 광신호 투과와 반사의 광량을 비교 분석하여 혈당 농도 수치를 알 수 있는 장치이다. 광신호 투과와 반사용으로 사용되는 복수 개의 파장은 각각 400, 990, 1064, 1310, 1550, 1685, 1798, 2266nm를 이용한다. 광신호 투과와 반사용 파장들을 인체 측정부위(귓불, 손가락 사이, 입술 등)에 조사하여, 나오는 파장별 광신호 투과와 반사 측정값과 초기의 채혈 측정기를 통해 얻는 값과 비교, 분석하여 혈당 농도에 따른 변화량(기울기) 값의 보정을 통해, 광신호 투과와 반사 측정값의 증가 또는 감소하는 결과값을 분석하여 파장별 혈당 농도에 따른 증가율을 정보와 비교분석하여 계산한다. 계산된 값인 광신호 투과와 반사 광량은 디스플레이를 통해 혈당의 농도 수치로 나타나게 된다.

무채혈 혈당센서, 혈당, LD module, 투과, 반사, optic, 유비쿼터스 헬쓰케어

Description

복수 개의 단일 파장 광원을 이용한 투과와 반사 병행 방식의 무채혈 혈당기{Non-prick based glucose sensor combining transmittance and reflectance using single wavelength with diverse light sources.}

본 발명은 복수 개의 단일 파장 광원을 이용한 투과와 반사 병행 방식의 무채혈 혈당 센서에 관한 것으로, 특히 복수 개의 단일 파장 광원을 이용하여 투과와 반사하는 광량을 측정하고, 이를 통해 무채혈 방법으로 혈당을 측정하는 혈당 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 광을 이용한 무채혈 혈당 측정 장치는, 혈액을 채취하지 않고, 광원을 신체 특정 부위로 조사하여 투과 혹은 반사되는 광량을 측정하여 혈당 수치를 측정하는 장치이다.

이와 같은 무채혈 혈당 측정 장치는 , 넓은 파장 대역을 포함하는 광을 신체 부위 중 얇은 부위 예컨대, 손가락에 조사하여 손가락을 투과하거나 반사되는 광의 세기의 검출하고, 검출된 광 세기의 처리 값과 기저장되어 있는 광 세기의 처리값을 비교하여 혈당 수치를 계산한 후 계산된 혈당 수치를 사용자에게 디스플레이한다.

최근 경제 발전과 삶의 질 향상에 대한 관심이 높아지면서, 가정용 의료기기들의 발전이 빠르게 진행되고, 그에 따른 개인 건강에 대한 관심 또한, 높아져 가고 있다. 그 결과 수시로 개인의 건강을 측정하는 의료기기(바이오 센서 : Biosensor)들의 개발에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 의료기기에 대한 많은 연구 중에 대표적인 연구가 당뇨병 측정기기(혈당 센서 : Glucose sensor)이다. 서구화된 식생활과 운동 부족으로 인한, 성인병의 증가와 고령화 사회로 접어들어 감에 따라 당뇨병 환자는 계속 증가하고 있다. 그로 인해, 혈당 측정 방식도 여러 가지 방식으로 발전되었고, 다양한 측정 기기들이 개발되고 있다.

대표적인 당뇨병 측정기기는 채혈방식 측정기기이다. 채혈방식은 정확한 혈당 수치를 알 수 있는 장점을 가지고 있어 현재도 널리 이용되고 있지만 채혈로 인한 고통과 감염의 위험이 높고 채혈을 한 후, 혈당을 측정할 때에 스트립(strip)이란 소모품이 필요하다. 당뇨병 환자는 수시로 혈당을 측정해야 하므로, 많은 스트립이 사용된다. 다량의 스트립 사용은 환자들에게 경제적 부담을 주고, 1회용 스트립 사용과 혈액 유출 등으로 인한 환경오염 문제를 일으킬 수 있다.

보통 정상인의 경우 혈액에는 일정한 범위 내의 혈당, 헤모글로빈, 알부민, 염분, 지방, 등이 있으며, 농도측정의 중요한 대상이 된다.

혈액 속에 일정한 범위 내의 혈당 농도를 측정하기 위해 사용되는 분광학적(spectrometer)인 방법은 대부분 인체조직에 일부 가시광선과 근적외선 파장 영역의 광을 조사하여 이로부터 투과 또는 반사되는 광을 검출하는 방식으로 주로 스펙트럼을 측정하여 혈당 농도를 예측하고 있다. 이 방법은 혈당측정 장치에 분광기 가 필요하며, 분광기의 크기로 인해, 혈당 측정 장치의 소형화와 휴대용 장치 개발에 큰 문제점으로 작용한다.

분광학적인 방법이 아닌, 혈당 측정에 용이한 단일 파장들을 사용하게 되면, 광원을 단일 파장의 LD(Laser diode)로 사용이 가능하여, 광원과 광검출기 부분을 집적할 수 있으므로, 소형화와 휴대용 장치 개발이 가능해 진다. 혈당 농도를 예측하기 위해서, 투과 또는 반사되는 광은 혈당 농도에 따라 변화량이 큰 파장이어야 하며, 혈액에 일정한 양을 포함한 혈액 성분들이 주는 영향에 민감하지 않은 파장을 선택하여, 혈당 농도 측정에 사용하여야 예측할 수 있어야 한다. 또한, 측정하고자 하는 혈당 농도는 혈액 안에 존재하는 농도가 매우 낮으며, 혈액에서 90% 정도를 차지하는 물이 광의 흡수영향이 크므로, 광의 신호가 커지는 부분을 분석하여 혈당 농도를 정확하게 예측할 수 있는 분석법을 고려해야 한다. 기존에 방법들은 대개 투과 또는 반사 한 가지 방법만을 이용하여, 측정하는 것이 대부분이었다. 두 방법을 이용한 측정 장치 모두 아직은 실제 사용 가능한 상용화된 제품으로 개발되지 않았고, 시제품들만이 제작된 상태이다.

본 발명은 휴대하기 간편하고, 사이즈가 작은 모델로 구현하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 복수 개의 광원을 이용하여 투과, 반사하는 광량을 측정하여 혈당 수치를 디스플레이 해주는 무채혈 혈당 센서 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 복수 개의 단일 광원을 구비하는 모듈과, 인체의 특정 부위를 통과하는 광을 감지하는 혈당 광 센서부와, 감지된 광 세기를 기반으로 혈당량을 측정하는 제어기를 포함하여 구성되는 무채혈 혈당 측정 장치에 있어서, 상기 모듈과 혈당 광 센서부 사이에 구비되는 광원 유도부; 및 광 센서부의 전,후로 구비되는 콜리메이터 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 무채혈 방식 혈당 측정 장치에 관한 것으로서 복수 개의 단일 파장들을 사용하여 투과와 반사를 동시 사용하여 혈당의 농도를 측정하고자 한다. 단일 파장들의 혈당 농도에 따른 특성을 측정하여, 흡수도가 큰 대역은 투과 특성을 활용하고, 흡수도가 작은 대역은 반사특성을 이용하여 혈당 측정 방법을 개발하고자 한다. 실제 인체에 대한 혈당 측정 시, 선택 파장들의 광을 인체 부위 중 얇은 부위를 선택하여 측정한다. 측정에 용이한 인체부위에는 귓불, 손가락 사이, 입술 등이 있으며, 이때 측정에 관여되는 대표적 물질들을 지방, 물, 혈당(glucose) 등으로 생각할 수 있다. 보다 정확한 혈당 측정을 위하여, 지방과 물의 흡수가 작은 파장을 선택하는 것이 필요하다. 기존의 자료들을 참고하면, 400-1100nm 대역의 파장은 지방과 물에 대한 흡수도가 작으며, 1600nm 대역 주변의 파장들도 지방과 물에 대한 흡수도가 작은 것으로 알려져 있다. 이 파장 대역의 단일 파장들을 선택하여, 실제 인체 측정에 용이한 혈당 측정 장치를 개발하고자 한다. 이외에도 1700과 2200nm 대역의 파장은 혈당에 대한 흡수도가 큰 영역으로 보고되어 있다. 투과 방법을 이용한 혈당측정 시, 이 파장 대역의 단일 파장들을 이용하면 보다 정확한 측정이 예상된다. 측정 장치는 광원, 신체 부위에 투과되거나 반사된 광대역 파장 광원을 선택적으로 분리할 필터와 분리된 광의 파워를 알 수 있는 광 검출기와 광의 파워를 실시간으로 저장하여 데이터를 분석할 분석 장치로 이루어진다. 위의 장치를 통해 혈액 속의 혈당 변화량에 해당되는 광의 투과율과 반사율 차이를 측정하여, 무채혈 방식으로 혈당을 측정하기 위한 방법 및 측정 장치 개발에 목적이 있다.

본 발명은 무채혈 방식의 혈당 센서로써 당뇨병을 앓고 있는 환자들에게 쉬운 측정방법을 제공하고, 채혈방식에서 유발되는 고통이 없으며, 언제든지 환자가 원하는 장소와 시간에 측정이 가능한 장치이다. 또한, 광을 이용한 측정 방식이기 때문에 채혈 방식에서 사용되는 스트립을 사용하지 않으므로, 환자들의 경제적인 부담도 없애줄 수 있다. 단일 파장 LD를 사용한 소형화를 통해 휴대폰에 적용이 가능하며, 휴대용 장비 개발이 가능해져 유비쿼터스 헬쓰케어 산업에 활용도가 매우 높다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 복수 개의 단일 광원을 집적하여 투과와 반사되는 광량을 측정하여 혈당을 측정하는 무채혈 혈당 센서를 제안한다.

도 1은 본 발명에 따른 무채혈 혈당 센서를 구현하기 위한 실험 구성도이다. 전체적으로 구성된 형태는 광원(1.1), 광원 유도부(1.2), 인체측정부위(1.3), 광 검출기(1.4), 신호처리기(1.5)로 이루어진다. 광원(1.1)은 스펙트럼을 통하여 투과하는 광량과 반사하는 광량의 변화량이 큰 파장 대역을 선택하고, 이를 이용하여 선택한 파장들을 단일 파장의 광원(LD:Laser Diode)으로 집적하고, 가시광선 영역의 단일 파장들과 근적외선 영역의 단일 파장들의 광을 광원 유도부(Fiber bundle)로 입사시킨다. 이 광원 유도부에는 광을 전달하는 입사 광원부와 반사되는 광을 다시 전달하는 반사 수광부로 이루어져 있다.

가시광선 영역의 파장은 400, 650nm 파장을 이용하고, 근적외선 영역의 파장은 각각 990, 1064, 1310, 1550, 1685, 1798, 2266nm 파장을 이용한다. 광원 유도부(1.2)를 통해 나오는 광은 인체 측정 부위(1.3)로 조사 후, 투과되어 나오는 광은 제1 광검출기(1.4)로 입사되고, 인체측정부위(1.3)에서 반사되는 광은 광원 유도부(1.2)를 통해 제 2 광검출기(1.4)로 입사된다. 광 검출기(1.4)는 광을 전기적인 신호로 변환시키고, 변환된 전기적인 신호는 다시 신호처리기(1.5)로 보내지게 되어 혈당 수치를 디스플레이 해준다.

도 2는 광원(2.1)을 이용하여 인체측정부위(2.3)에서 투과되어 나오는 광을 이용하여 혈당 농도를 알아내는 구성도이다. 광원(2.1)은 할로겐램프로 이루어지며, 200nm~2500nm 파장 대역 광을 광 분배기(2.2)로 나누어 한쪽 광을 유도하여, 인체측정부위(2.3)에 조사한 후, 투과되어 나오는 광은 협대역 필터(2.5)에 입사되고, 투과되어 나온 광은 제 1광 검출기(2.7)로부터 광 신호에서 전기 신호로 변환된다. 광 분배기로 나뉜 다른 광은 기준 물질(2.4)에 입사하여, 투과되어 나온 광을 협대역필터(2.6)에 입사시키고, 투과된 광을 제 2광 검출기(2.8)로부터 광 신호에서 전기 신호로 변환된다. 이 두 신호를 신호처리기(2.9)에 보내어 신호의 편차를 측정하여, 혈당치를 예측한다.

도 3은 광원(3.1), (3.2)을 이용하여 반사와 투과용 광원 유도부(3.3)를 거쳐 혈당농도 샘플(3.4)에서 투과나 반사되어 나오는 광을 이용하여 혈당의 농도 변화에 따른 파장별 특성을 알아내는 실험 구성도이다. 광원은 광대역 파장인 할로겐램프(3.1)와 단일 파장인 LD(3.2)를 사용하여 두 가지 형태로 구성된다. 반사와 투과용 광원 유도부를 통해 광은 혈당 농도 샘플(3.4)에 조사되고 투과되어 나오는 광은 협대역 필터(3.5)에 입사되고, 협대역 필터를 투과되어 나온 광은 광 검출기(3.6)에 측정되고, 이 광 신호는 전기적인 신호로 변환된다. 또한, 반사된 광은 광원 유도부를 통해 광 검출기(3.6)로 입사되고, 광 신호에서 전기적인 신호로 변환된다. 이 두 신호를 신호처리기(3.7)에 보내어 농도에 따른 파장별 반사와 투과 특성을 측정하고 혈당치를 예측한다.

도 4는 투과, 반사용 단일 광원(4.1)을 이용하여 혈당을 측정하는 측정기의 구조를 나타낸다. 투과, 반사용 단일 광원(4.1)에서 나오는 광은 반사수광부(4.3)와 입사광원부(4.4)가 동시 수행이 가능한 광원 유도부(4.2)에 입사되고, 렌즈(4.7)를 통해서 광을 집광시키고, 이를 인체측정부위(4.5)에 조사한다. 인체측정부위(4.5)에 조사된 광은 투과된 광과 반사된 광으로 분리된다. 투과한 광신호는 제 1 광섬유(4.9)로 입사되고, 반사된 광신호는 제 2광섬유(4.9)로 입사된다. 두 개의 광신호는 순차적으로 광검출기에 입사되면서 광신호가 전기적인 신호로 변환된다. 이 전기적인 신호는 다시 신호처리기로 보내 농도에 따른 파장별 투과와 반사 특성과 비교하여 혈당치를 예측한다.

도 5는 광 대역 광원(5.1)을 이용하여 광신호 투과, 반사를 동시 사용하여 혈당을 측정하는 측정기의 구조를 나타낸다. 광 대역 광원(5.1)에서 나오는 광은 반사수광부(5.3)와 입사광원부(5.4)가 동시 수행이 가능한 광원유도부(5.2)에 입사되고, 렌즈(5.7)를 통해서 광을 집광시키고, 이를 신체측정부위(5.5)에 조사한다. 인체측정부위(5.5)에 조사된 광은 두 개의 투과한 광과 반사한 광으로 분리되며, 이는 두 개의 광섬유로 입사된다. 투과한 광신호는 제 1광섬유(5.9)에 입사되고, 반사된 광신호는 제 2광섬유(5.8)에 입사되어 협대역 필터(5.10)에 다시 조사된다. 여기서 협대역 필터는 원하는 파장 대역만 투과시키는 장치를 말한다. 협대역 필터(5.10)에 조사된 광은 각 다른 단일 파장을 여과되어 광검출기(5.9)에 조사된다. 이후, 동작원리는 도 3에서와 같은 원리로 진행된다.

도 6은 무채혈 혈당 측정 방법을 도시한 순서도이다. 무채혈 혈당 측정 장치 는 파장별 광신호 투과, 반사용 파장을 동시 사용하여 혈당 수치를 측정한다. 투과와 반사를 이용한 혈당 예측 방법은 각 파장별 투과와 반사 특성을 측정하여, 혈당 농도에 따른 투과와 반사 변화를 측정한다. 이 측정을 통해, 파장별 혈당 농도에 따른 파장별 투과와 반사 변화량(기울기) 값을 알아낸다. 이후에 기존의 혈당 측정기를 이용하여, 측정된 혈당 농도에서의 파장별 투과와 반사 기준측정치를 설정한다. 파장별 광신호 투과와 반사용 파장을 인체측정부위에 조사하여 광신호 투과와 반사 측정값을 위의 파장별 변화량(기울기) 값과 파장별 기준측정치와 비교하여 증가 또는 감소 결과값을 분석하여 혈당 농도를 예측한다. 계산된 광신호 투과, 반사의 광량을 가지고 혈당 농도 수치로 나타나게 된다.

도 7은 도 3에서 도시된 방법으로 수행한 광 투과 특성 결과 그래프이다. 사용된 파장은 총 9개의 파장을 이용하여 수행하였다. 혈당 농도 샘플(3.4)의 광 투과 특성이 가장 큰 기울기를 갖는 파장은 2266nm 파장이다. 총 9개의 파장에서 측정하였을 때, 농도에 따른 투과의 차이가 다르게 나타나므로, 그래프를 통해 볼 때, 쉽게 구분되는 2266, 1685, 1550, 400nm의 기울기를 계산하여, 각 농도마다 차이를 기준으로 설정한다. 그 외의 파장들은 위의 선택된 파장들의 기울기를 기준으로 비슷한 값에 따라 분류하고, 위의 4가지 선택 파장의 오차 수정에 사용한다. 위의 두 가지 방법을 사용하여, 측정된 결과를 분석하고, 그 결과에 따라 농도를 예측한다.

도 8은 도 3에서 도시된 방법으로 수행한 광 반사 특성 결과 그래프이다. 사용된 파장은 총 7개의 파장을 이용하여 수행하였다. 혈당 농도 샘플(3.4)의 광 반 사 특성이 가장 큰 기울기를 갖는 파장은 400nm 파장이다. 총 7개의 파장에서 농도에 따른 반사의 차이가 다르게 나타나므로, 그래프를 통해 볼 때, 쉽게 구분되는 1685, 650, 400nm의 기울기를 계산하여, 각 농도마다 차이를 기준으로 설정한다. 그 외의 파장들은 위의 선택된 파장들의 기울기를 기준으로 비슷한 값에 따라 분류하고, 선택 파장의 오차 수정에 사용한다. 위의 두 가지 방법을 사용하여, 측정된 결과를 분석하고, 그 결과에 따라 농도를 예측한다.

도 9는 도 3에서 도시된 방법으로 수행한 광 투과 특성 결과값을 이용하여 혈당 농도에 따른 굴절률의 허수부를 유추하여 정리한 그래프이다.

도 10은 도 3에서 도시된 방법으로 수행한 광 반사 특성 결과값을 이용하여 혈당 농도에 따른 굴절률의 실수부를 유추하여 정리한 그래프이다.

도 1은 단일파장 LD 모듈을 이용한 투과와 반사 병행 방식의 무채혈 혈당농도 측정 장치의 전체 구성도

도 2는 광대역 광원을 이용한 투과와 반사 병행 방식의 무채혈 혈당 측정 장치의 전체 구성도

도 3은 혈당농도 변화에 따른 투과와 반사 특성 측정 실험 구성도

도 4는 소형 단일 광원을 이용한 무채혈 혈당 측정 패키징 구성도

도 5는 광 대역 광원을 이용한 무채혈 혈당 측정 패키징 구성도

도 6은 단일 파장 광원들을 이용한 혈당측정 예측 방법

도 7은 혈당농도에 따른 파장별 투과 특성

도 8은 혈당농도에 따른 파장별 반사 특성

도 9는 혈당농도에 따른 파장별 투과측정치를 통한 굴절률의 허수부 특성

도 10은 혈당농도에 따른 파장별 반사측정치를 통한 굴절률의 실수부 특성

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1.1 : 광원 1.2 : 광원 유도부

1.3 : 측정부위 1.4 : 광 검출부

1.5 : 신호 처리부 2.1 : 광대역 광원

Claims (8)

1. 투과 또는 반사되는 광을 인체측정부위(1.3)에 조사하기 위한 광원(1.1)과 인체측정부위(1.3)를 투과 또는 반사된 광을 검출하는 광 검출기(1.4)와 투과 또는 반사되는 광의 신호를 분석하는 신호 처리기(1.5)장치.
2. 제 1항에 있어서,

   인체 측정부위(1.3)에 조사하기 위한 투과 또는 반사되는 광원(1.1)을 LD를 이용하여 모듈화하여 투과 또는 반사되는 광의 신호 분석을 특징으로 하는 무채혈 혈당 측정 장치.
3. 광 대역 광원을 이용한 투과 또는 반사되는 광의 특성이 가장 좋은 파장을 선택하기 위한 협대역필터(2.6), (2.7)를 이용하는 것을 특징으로 하는 무채혈 혈당 측정 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   투과 또는 반사되는 광을 동시 사용하기 위해서 광원 유도부(1.2)를 이용하는 무채혈 혈당 측정 장치.
5. 제 1항에 있어서,

   인체측정부위(1.3)에 투과 또는 반사되는 광의 특성이 가장 좋은 파장으로 혈당 농도를 측정하기 위해, 인체측정부위(1.3)를 얇은 부위로 선택한 특징을 가진 무채혈 혈당 측정 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   얇은 인체측정부위에 투과 또는 반사되는 광을 사용하여 혈당 농도를 예측하기 위해서는 기준이 되는 분할된 광 파워와 투과 또는 반사된 광량을 이용하여 혈당 농도치의 정확성을 높이는 무채혈 혈당 측정 장치.
7. 도 3의 결과를 이용한 혈당 농도 예측 계산 방법이 가능,

   투과와 반사를 이용할 때, 선택된 각각의 파장에서 농도 변화에 따른 투과와 반사 특성 변화의 차이가 존재하므로 이를 이용한 농도 예측이 가능
8. 제 7항에 있어서,

   선택된 파장의 농도에 따른 투과와 반사 기울기 값을 계산하여, 큰 차이를 나타내는 몇 가지 파장을 선택하여, 각 농도마다의 차이를 정리하고, 실제 측정 시, 얻어지는 결과와의 비교를 통해 농도를 예측.

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