KR20130129168A

KR20130129168A - 측정 매체의 성분 또는 특성, 특히 물리적 혈액 값의 확인 및 모니터링 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20130129168A
Application number: KR1020137000782A
Authority: KR
Inventors: 악셀 쿨케
Original assignee: 센스펙 게엠베하
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2013-11-27
Also published as: EP2584956B1; RU2562886C2; RU2013102581A; JP5982364B2; AU2011269068A1; WO2011161102A1; CA2800463A1; CN102946794A; US9222832B2; JP2013533769A; US20130066172A1; EP2584956A1; BR112012032627A2; MX2012014873A; AU2011269068B2

Abstract

본 발명은 예컨대 생리적 혈액 값과 같은 측정 매체의 성분 또는 특성을 검출 및 모니터링하는 장치에 관한 것이다. 장치는 광대역 스펙트럼 측정광(2)을 발생시키고 측정 영역(3)에 대해 작용하는 광원(20)과, 측정 영역(3)에 의해 반사된 분석광(4)을 확산시키는 수단(9)을 포함한다. 장치는 확산광을 포착하는 센서 어레이(11)도 포함한다. 센서 어레이(11), 광원(20) 및 분석광(4) 확산 수단은 하우징 내에 조밀한 유닛으로서 배치된다.

Description

측정 매체의 성분 또는 특성, 특히 물리적 혈액 값의 확인 및 모니터링 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING AND MONITORING INGREDIENTS OR PROPERTIES OF A MEASUREMENT MEDIUM, IN PARTICULAR OF PHYSIOLOGICAL BLOOD VALUES}

본 발명은 독립 특허 청구항의 전제부의 특징을 갖는 생리적 혈액 값과 같은 측정 매체의 성분 또는 특성을 확인하거나 모니터링하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

측정 매체의 성분 또는 특성의 모니터링 및 측정은 현재 다양한 의료적 및 비의료적 적용으로 수행되고 있다. 예를 들면, 환자의 혈액 성분(예, 혈당 또는 산소 포화도) 또는 비의료적 적용(예컨대, 공정 모니터링)의 공정 유체(액체 또는 기체)의 성분은 온라인으로 확인된 후 계속적으로 모니터링되어야 한다.

예를 들면, 맥박 산소 측정법(pulse oximetry)은 동맥혈의 맥박수(PR)와 산소 포화 함량(%SpO₂)을 결정하는 방법이다. 이 방법은 근래 확립된 방법으로서 여러 의료 분야, 예컨대 집중 치료에서 수면을 관측하고 수술 중에 사용된다.

기존의 기술에서는 LEDs로 발생되는 2개의 파장(통상 660 nm와 940 nm)을 광학 센서를 사용하여 빠른 클록 속도로 기록하는 것이 보편적이다. 가변 영역과 고정 영역에서 상이한 신호 세기로부터 원하는 특정 값을 추출하는 것이 가능하다. 조직이 관측 스펙트럼 범위에서 투과된 결과, 변화의 결과로서 강력하고 특히 변동성의 외부 광의 경우 추가의 신호가 발생될 수 있다. 이들 신호는 통상 각각의 경우 LED 조명없이 제3 측정점에 의해 포착된다.

전체적인 문제점은 광학 측정법의 경우 조직 내로 도입될 수 있는 광량이 제한된다는 사실이다. 그렇지 않으면 열적 효과의 결과로서 조직에 대한 손상이 예상된다. 이에 따라, 측정 시간은 공지된 측정법 또는 측정 장치에서 비교적 길다. 이것은 신호 대 잡음비의 열화를 가져온다. 그러나, 최적의 가능한 신호 대 잡음비는 특히 극소 농도로 존재하는 물질의 측정시(예, 혈당 측정시 m 몰/l 범위의 농도를 측정하는 경우) 의무적으로 정해진다.

요즘 환자 모니터링 중에 중요한 파라미터의 획득을 위해 헤모글로빈의 산소 포화도 이외에 추가의 혈액 파라미터를 포착하는 것이 바람직하다.

무엇보다도, 혈액의 기체 균형을 관측하는 것이 중요하다. WO 2008/132205 A1은 맥박 산소 측정법 이외에 조직에서의 이산화탄소 부분압을 결정하는데 사용될 수 있는 센서를 기술한다.

모니터링을 위한 추가의 중요한 값은 상이한 헤모글로빈 파생물이다. 이것은 총 헤모글로빈 농도(ctHb)의 결정, 카르복시헤모글로빈의 농도(HbCO) 또는 디타 혈액 값의 결정을 포함한다. 그러나, 이들 추가의 혈액 값은 전술한 방법(2 파장)에 의해 포착될 수 없다. 이들의 포착을 위한 전제 조건은 넓은 스펙트럼 범위에 걸친 동맥형과 조직의 스펙트럼 특성을 정확하게 결정하는 것이다.

측정될 다른 혈액 값은 혈당량이다. 당뇨병은 전세계적으로 가장 보편적인 신진대사 질병 중 하나이고 식습관의 변화에 따라 그 출현율이 크게 증가되고 있다. 따라서, 2010년에 약 2억 8천 5백만 명의 출현율(세계 인구의 6.4 %)이 있었고, 이것은 2030년에는 이미 4억 3천 9백만 명(인구의 7.7 %)이 될 것이다. 이것은 신체 유체 중 포도당 농도가 임상 화학 중 가장 결정적인 파라미터 중 하나인 이유 중 하나이다. 여기서, 사람들은 비외과적인 방법을 이용하여 정확한 혈당 수준을 결정하길 원한다.

환자 모니터링을 위해, WO 2006/094169 A1은 추가의 혈액 파라미터의 검사를 위한 시스템으로서 다른 파장의 다수의 LED(통상 8개)를 구비하여 다른 스펙트럼 노드에서 신호를 수집할 수 있는 LED 기반의 측광 시스템을 제안하였다. 그러나, 이 기술은 여러 단점을 가진다. LED는 광대역 센서에 의해 순차적으로 스위칭되고 시간 오프셋으로 기록되므로 센서에 대해 외부 광 영향 및 움직임이 가변적인 경우 가상의 중복 신호를 가지게 된다. 이 기술에서는 여러 개의 LED, 즉 여러 개의 노드가 순차적으로 스위칭되어야 하고, 그리고 그 평가는 대개 서로에 대한 신호의 상대적 세기로부터 수행되어야 하기 때문에, 이러한 중복은 특히 큰 영향을 미친다. 또한, LED는 시간 의존적 발광 곡선을 가지고, 20 nm와 30 nm 사이의 스펙트럼의 반치 전폭(full-width at half maximum)은 통상 LED 발광을 지원하며; 이것은 좁은 스펙트럼 범위와 그에 따른 관련 화학 성분으로의 정확한 제한을 허용하지 않는다. 또한, 사람마다 다른 피부 표면과 조직의 성질과 소수의 노드가 조합된 결과, 혈액 성분의 정확한 분리와 정량적 평가는 제한된 정도로만 가능하다. 측정으로부터 극소수의 노드의 비율을 생성하고 화학 성분의 분석을 위해 해당 비율을 이용하는 것만이 가능하다. 그러나, 혈액의 분광 분석, 특히 투광되어야 할 조직의 특성(사람마다 다른 산란 특성과 또한 파장 의존성)은 측정 결과에 큰 영향을 미치기 때문에, 이 방법을 이용한 측정은 오류가 나기 쉽다.

요즘, 혈액과 액체 내, 예컨대 혈장과 이로부터 파생되는 혈청은 물론, 오줌과 같은 다른 신체 유체 내의 포도당 농도를 신뢰성 있게 결정할 수 있도록 다양한 개발이 이루어지고 있다. 다양한 효소-기초 방법은 특히 몇 년 내에 확립 가능한 것이었다. 그러나, 이 경우, 이들 방법 중 다수는 소량의 혈액의 추출을 필요로 하므로 이들 방법은 외과적인 방법의 일부이다.

현재의 포도당 측정 방법은 드물게는 의사와 상담시에 그리고 집중 치료 병동의 환자의 경우 시간 당 여러 번 측정된 값 사이의 범위에 있다. 인슐린 의존성 당뇨병의 경우, 혈액 내 포도당 농도를 이상적이진 않지만 개선된 방식으로 조절하기 위해 테스트 스트립 수단의 도움으로 하루에 여섯 번까지 행하는 자체 모니터링이 통상적이다. 이러한 측정은 환자가 불편하게 여기는 혈액 추출을 필요로 한다. 더욱이, 혈액 추출 결과, 혈액은 조직 유체와 언제나 평형 상태에 있는 것은 아니다. 이것은 부정확을 야기한다.

따라서, 비외과적 방법과 관련 장치의 개발이 의료 공학에 있어 매우 바람직하게 된다.

혈당의 결정을 위해 혈액 내의 포도당 농도의 정량적 판정이 필요하다.

복잡한 신체 유체 내의 포도당을 무-시약 판정할 수 있는 분광 분석법이 이미 개발된 바 있다. 예를 들면, 근적외선 범위 내의 분광 분석 측정(NIR 분광 분석)이 이미 개시된 바 있다. 여기서, 저 농도의 포도당(약 2 mmol/l 내지 약 30 mmol/l; 목표 범위 5.0~7.0 mmol/l)이 검출되어야 한다. 또한, 혈액 내에 매우 높은 함량의 물이 존재하므로(통상 80 % 이상), NIR 분광 분석에 보다 강력한 흡수가 야기된다. 또한, 혈액은 가변적이고 알 수 없는 농도의 다른 물질을 포함하며, 교차 감도(cross sensitivity)는 배제되어야 한다. 비외과적 측정이 되려면, 주변 조직 내의 신체 내에서 측정을 행하는 것이 필요하고 다른 매체의 영향이 고려되거나 구별되어야 한다.

또한, 비외과적 방법의 경우 신체 상의 측정점을 선택하는 것이 필요하다. 유리한 측정점은 언제나 별도로 존재하는 혈액을 가지는 것은 아니며, 오히려 조직 내의 혈액을 가진다. 더욱이, 조직은 사람마다 다르고 시간에 따라 크게 변할 수 있는 특성을 갖는 피부의 층으로 덮여져 있다. 따라서, 예를 들면, 피부의 수분 함량은 크게 변동하고 그 중에서도 땀 형성의 동작에 좌우된다. 또한, 피부는 다른 구조를 가지고 다수의 위치에 피하 지방층을 가질 수 있는데, 지방층은 첫 번째로 극히 낮은 수분 함량과 두 번째로 역시 낮은 관류(perfusion)를 특징으로 하며, 그에 따라 특히 혈당과 반드시 평형 상태에 있는 것은 아니다. 또한, 골조직도 광학적 측정 범위 내에 위치된다는 사실도 고려하는 것이 필요하다. 여기서, 골조직이 내용물과 평형을 이루는 것은 자명하지 않다.

화학적 성분의 파장 의존적 검사는 다른 방식으로 수행될 수 있다. 측정은 별개 노드에서 행해질 수 있다. 일반적으로, 이것은 측광법 또는 다중 스펙트럼 측광법으로 지칭되며, 다른 파장을 갖는 다수의 광 투과기로 수행되거나 광대역 "백색광"을 이용하고 복수의 스펙트럼 제한 수신기(필터 기술)를 사용한다. 다른 파장의 이들 광 투과기는 LED 또는 레이저에 의해 그리고 광검출기에 대해 광대역 조명과 협대역 필터에 의해 구현될 수 있다. LED가 사용되는 경우, 우선 이들 LED가 비교적 큰 방사 분포를 가지며, 둘째로 이미터가 가열됨에 따라 방사 분포가 변하는 점에서 추가적인 기술적 어려움이 존재한다. 예를 들면, 이러한 기술의 예가 US 5,086,229에 기술되어 있다.

이들 측정 기법은 통상 3 내지 약 10 파장 또는 파장 범위를 가지는데, 이는 기록되고 평가된다.

이 측정 기법은 혈당의 판정을 위한 적용에 편리하지도 않다. 우선, 이 측정 기법에서는 800 nm와 1200 nm 사이의 유효 파장 범위에 복수의 노드가 구현되어야 한다. 따라서, 이들 노드는 3가지 요건을 만족하여야 한다:

1. 이들 노드는 포도당과 물의 흡수 대역과 그 외측 범위에 있어야 한다.

2. 이들 노드는 혈액이나 조직 내에서 생길 수 있는 다른 물질과의 교차 감도에 무관하여야 한다.

3. 이들 노드는 다른 산란 신호와 광로 및 그에 따른 다른 기본 신호의 계산이 가능하도록 구성되어야 한다.

따라서, 결국, 혈당량의 비외과적 측정을 위해 다음의 조건이 만족되어야 한다: 분광 수단에 의해 수분 농도에 비해 저 농도의 포도당 농도의 확인이 가능하여야 한다. 조직을 통한 깊은 침투(통상 3 mm 이상)가 필요하다. 다른 물질에 대한 교차 감도를 배제하는 것이 가능하여야 한다. 혈액과 조직으로부터의 값 사이의 구분이 가능하여야 한다(맥박 체크). 기구는 비용 효율적이고 소형이어서 휴대 가능하여야 한다. 광원은 손가락 화상을 입지 않도록 너무 강하지 않아야 하고; 광원은 바람직하게는 LED를 기초로 하여야 한다.

지금까지, 당뇨병 환자에 대한 비외과적인 정규의 안전하고 신뢰성 있는 혈당 판정을 가능케 하는 대량 생산된 기구의 개발은 가능하지 않았다. 이전에 제안된 방법 및 장치 중 다수는 이들 문제점을 해소하거나 전술한 조건을 만족시키는데 적합하지 않다.

혈당의 측정을 위한 비외과적 센서가 예컨대 US 5,070,874 및 US 5,360,004에 개시되어 있다.

더욱이, 반사 측정 기법도 잘 알려져 있다. 이들 기법은 혈당 측정에 적용될 수 없는 것으로 제한된 바 있다. 우선, 방사의 상당 부분이 표면으로부터 직접 오고; 둘째로 피부는 사람마다 다르고 또한 신체상의 포인트마다 다른 구조를 가진다는 점에 기인한다. 또한, 산란 특성을 신뢰성 있게 정의하기가 불가능하다. 그러므로, 반사-분광법을 이용하여 요구되는 낮은 물질 농도에서 안정적인 정량적 측정의 수행은 전술한 문제점에 대해 편리하지 않다.

분광법은 유기 물질의 농도의 판정을 위해 이용되고, 의료 연구에서 기초적 기술로서 자주 이용된다. 여기서, 소량의 혈액을 추출하고 측광 또는 분광 수단에 의해 체외 검사하는 것이 일반적이다. 기구와 이것의 수행에 대한 복잡성은 이러한 외과적 기술의 경우 중요하다. 또한, 시간 지연이 존재한다. 체외 판정은 환자 모니터링에 대해 매우 한정적인 용도만을 가진다.

분광 분석법에서, 광은 분광기를 사용하여 광역의 스펙트럼 범위에 걸쳐 분할되는데, 여기서 분광 분석은 근래 격자 구조를 주로 사용하고 광은 일렬로 배열된 다수의 광검출기(화소)를 갖는 센서상에 스펙트럼 방식으로 기록 및 분석된다. 추가의 옵션이 푸리에 변환법(FTIR 분광법)에 있는데, 이는 근적외선에서 사용되는 것이 바람직하다.

이 방법은 혈당 판정에 이상적이지 않다. 우선, 이 방법은 장파 복사에 보다 적절하다. 둘째, 푸리에 원리의 결과로 협대역 피크에 적합하더라도, 이것은 혈액 내의 수분과 포도당의 정량적 분석을 위해 800 nm와 1200 nm 사이의 범위 내에서 요구되는 광대역 흡수의 경우 비교적 부정확하고 오류-유발되기 쉬운 측정 방법이다.

발명자들은 혈당 측정을 위해 오직 650 nm와 약 1200 nm 사이의 스펙트럼 범위에서 방법을 사용하여야 함을 인식하였는데, 이는 그렇지 않으면 조직 내의 가능한 경로 길이가 너무 짧아지고 피부와 다른 층의 영향이 너무 커지기 때문이다. 이러한 스펙트럼 범위는 의료 공학에서 진단창으로서 알려져 있다. 또한, 이 범위는 피부 표면 아래의 물질의 분석을 가능하게 한다. 또한, 광의 유효 경로 길이는 조직의 산란 특성이 큰 것에 기인하여 직접 경로 길이로부터 크게 벗어남이 알려져 있다. 통상적인 추정 변수는 직접 경로 길이에 대한 유효 경로 길이에 대해 4배 내지 8배이다.

그러나, 복수의 공지된 혈당 측정 방법은 흡수 대역의 강력한 신호가 발생되는데 기인하여 1300 nm 이상의 파장에서 측정되므로, 극소수의 공지된 혈당 측정 방법만이 남겨진다.

혈당 측정을 위한 추가의 접근은 Fischbacher 등(Ch. Fischbacher, K.-U. Jagmann, K. Danzer, U. A. Muller, L. Papenkordt, J. Schuler; Enhancing calibration models for non-invasive near-infrared spectroscopical blood glucese determination; 1997년 Fresenius J Anal Chem 제359면; 1997년 78-82 Springer-Verlag)과 Meurer 등(Non-invasive glucose determination in the human eye; Wolfgang Schrader, Petra Meurer, Jurgen Popp, Wolfgang Kiefer, Johannes-Ulrich Menzebach and Bernhard Schrader; 2005년 2월 14일자 출판Jounal of Molecular Structure, 제735호 내지 제736호, 제299면 내지 제306면 및 2002년 University of Wurzburg 출판 학술 논문 Petra Meurer 저)에 의해 제안된 바 있다.

Fischbacher 등은 근접 연결이 확립될 수 있음을 보여준다. 그러나, 통상의 분광 기구의 신호 대 잡음비가 불충분하였음이 확인되었다. 또한, 측정은 반사 모드에서 수행되는데, 이는 전술한 바와 같이 조직에서 생산적이지 않다.

Meurer 등도 안구 상의 측정 결과가 양호함을 보여준다. 명확하고 비분산적인 매체의 결과로서, 제안된 방법은 반사 모드에서도 사용될 수 있다. 그러나, 이 경우 상업적으로 제공된 분광 기법은 저 농도의 신뢰성 있는 판정을 위해 필요한 신호 대 잡음비를 만족시키지 않음도 분명히 보여주고 있다.

측정 매체의 함량이 시간 분해적 방식으로 확립되어야 하는 추가의 적용 분야는 유사하게 혈액 값이 확립되는(그러나 선택적으로는 체외에서) 인공 심폐기에서의 혈액 또는 투석, 혈액 내의 젖산의 측정 또는 그 밖에, 예컨대 처리 유체가 모니터링되는 비의료적 적용에 관련된다. 예를 들면, 통상적인 비의료적 적용은 생산 공정 중 액체의 색깔 측정을 포함한다. 마찬가지로 연소 공정 중 가스의 측정도 가능하다. 예를 들면, 추가의 적용의 옵션은 연속 공급되는 성분의 추가시 식품 기술에 나타난다.

혈액과 조직 성분을 체내(시험관)에서 검사하는 실험실 분광기를 사용하는 것이 이미 개시되어 있다. 관련 기술에 따르면, 근래 실험실 분광기는 라인 센서를 사용하여 동작된다. 실험실 분광기는 통상 유리 섬유 커넥터에 대해 동작하므로, 광의 조명과 포착을 위한 복잡한 광학적 파장 해결 수단은 측정점(조직상의 센서)으로부터 분광기를 갖는 기구 유닛까지의 경로를 따라야 할 것이다. 그러나, 시간 분석적 측정은 동시적이고 실제로 중요한 광 손실(특히 광 내의 커플링시)에 기인하여 열악한 신호 대 잡음비로만 구현될 수 있다.

그러므로, 이러한 실험실 분광기의 적용은 예컨대 산소 포화도 또는 혈당 판정과 같은 혈액 값의 모니터링 또는 측정의 경우 마찬가지로 편리하지 않다.

단색화(monochromator) 시스템 및 FTIR 분광기는 복합적 스펙트럼 분석 및 맥박 모니터링을 위한 시간 요건을 만족하지 않는다.

유리 섬유는 유효 길이의 작은 부분만을 포착할 수 있다. 그러므로 장치는 통상 측정 중 긴 검출 시간을 필요로 한다. EP 522 674 A2는 태아의 혈중 산소 포화도를 판정하기 위한 옥시미터를 개시하고 있다. 이를 위해, 측정점으로부터 측정 광이 유리 섬유에 의해 분광기로 전송되는 분광기를 사용한다.

US 2006/0167348은 통상의 FTIR 분광기를 사용하여 체내 적외선 스펙트럼을 발생시키는 방식을 개시하고 있다. 이를 위해, 유리 섬유에 의해 측정 광을 전송하는 것도 제안된다.

WO 2009/043554는 생체 조직으로부터 분광 측정 신호를 수집하기 위한 방법 및 측정 방법을 개시하고 있다. 그러나, 센서 구성 내에 측정 광을 결합시키는 방법을 제시하지 않는다.

분광기가 필연적으로 신체의 피부 표면이 노출될 수 있는 광과 제한된 광 세기를 분할한 결과, 이들 측정 방법은 현재까지 시간 분석적인, 즉 맥박 분석적인 방식으로 수행될 수 없었다. 그러나, 이것은 측정 값의 맥박 성분과 조직 성분 간을 구별하는데 필요할 수 있다.

또한, 신체에 부착된 센서 또는 그 적어도 일부는 실제 이들이 장시간의 모니터링의 경우 환자에게 성가시지 않도록 특정 크기를 넘어서면 안된다.

시간 분석적인 방식으로 측정 값을 기록하는 스펙트럼 측광 시스템이 WO 03/071939 A1에 제안되고 있다. 여기서, 상이한 스펙트럼 필터를 사용하여 광대역 광원이 순차적으로 측정된다. 이 시스템은 매우 크고 복잡하다. 더욱이, 시간 분석적인 정보가 항상 하나의 파장에서만 기록되고 여러 개의 파장이 연속적으로 기록된다. 따라서, 다른 스펙트럼 범위에서 그리고 혈당의 모니터링을 위해 사용되어야 하는 이 시스템은 맥박 및 혈액 파라미터의 장기간 모니터링에는 적절하지 않다.

US 5,879,294는 조직 내의 발색단(chromophore)의 분광 측정이 행해지는 시스템을 제안한다. 여기서, 스펙트럼의 2차 도함수가 평가에 사용되며, 해당 평가는 노드(통상 물질 당 2개)에서 행해진다. 이것은 예컨대, 어떻게 조직 내의 산소 포화도가 판정 가능한지에 관한 것이다. 이 방법은 정적인, 즉 맥박 또는 시간 분석적이 아닌, 발색단의 정량적 판정을 수행할 수 있다. 이를 따르는 조직 내 산소 농도(StO₂ 농도)의 모니터링 방법이 WO 2007/048989 A1에 예시된다.

더욱이, 환자의 모니터링을 위해(예컨대, 산소 포화도의 확립을 위해), 혈액 내의 성분(헤모글로빈)과 조직 내의 성분(미오글로빈) 간을 구분하는 것이 필요하다. 헤모글로빈 변형물과 미오글로빈 변형물의 스펙트럼 특성은 매우 유사하지만 스펙트럼적으로 고 분해능의 검사의 경우 상이하다. 구분을 행할 수 있는 방법은 US 5,931,779에 기술된다.

이에 비해, 조직과 혈액 간의 구별은 혈당의 측정시 의무적인 것이 아니다. 따라서, 맥박-분석적인 측정은 혈당의 측정시 의무적이지 않다. 혈액과 조직 내의 혈당량 간에 평형이 존재하면, (예컨대 피하지방과 뼈 없는 잘-관류된 조직이 존재하는 경우) 정확한 값이 얻어진다. 그러나, 맥동 성분은 평형의 존재 여부의 확인을 가능케 한다.

체내 혈액 분석 분야에서의 추가의 다른 제한은 500 nm와 850 nm 간의 스펙트럼 범위에 대한 관련 혈액, 조직 및 피부 성분의 흡수 또는 몰 흡수 계수가 크게 감소되는 점에 있으며, 이는 환자의 모니터링을 위해 의료적으로 중요하다. 따라서, 헤모글로빈과 피부에 포함되는 멜라민은 가시광 스펙트럼 범위에서 매우 큰 흡수 계수를 가지는 반면, 이들은 최근접 적외선(VNIR) 범위에서는 매우 낮다.

통상 800 nm와 1200 nm 사이의 파장 범위에서 결정되는 것이 바람직한 혈당의 측정시, 조직에서는 낮은 흡수가 이루어지므로 이러한 문제는 혈당의 측정시 가지는 중량감이 덜 하다.

그러나, 투석 환자의 경우에 혈액 값의 체외 측정의 경우 또는 예컨대, 파이프 내에서 접근하기 어려운 장치 요소에서의 공정 파라미터의 측정 및 모니터링과 같은 비의료적인 경우, 유사한 문제가 일어날 수 있다. 시간 분석적 측정은 이러한 측정의 경우에도 필요하며, 큰 크기의 실험실 분광기는 측정점으로 용이하게 도입될 수 없다.

그러므로, 모든 공지의 해법이 단점들을 안고 있다. 특히, 맥박 측정과 관련하여, 맥박 성분(동맥혈)과 정적 성분(정맥혈과 조직, 미오글로빈)에 따른 구분과 환자에 대해 계속적으로 사용하기 위해 센서 유닛의 소형화에 의한 체내 혈액 분석과 관련하여, 비외과적 혈당 측정과 관련하여 또는 제한된 수준의 공간을 가지는 측정점에서 측정 매체의 성분을 측정하는 것과 관련하여 모든 요건을 총괄적으로 만족시키는 분광 시스템은 존재하지 않는다.

상기 요약된 제한 사항은 현재까지는 체내 및 시간 분석적 방식으로 및/또는 필요 공간이 적고 견고한 장치로 검사를 수행하는 것이 불가능한 것처럼 보인다.

그러므로, 본 발명은 공지의 것의 단점을 회피하고, 특히 상기 열거한 제한 사항을 갖지 않으면서 체내 및 시간 분석적 방식으로, 즉 동맥혈 파라미터와 조직 의존성 파라미터 간의 생리적 구분으로 원하는 분석을 수행하는 것을 가능케 하는 장치 및 방법의 개발하는 것이다. 더욱이, 체내의 혈당의 시간 분석적 측정과 체외의 혈액 측정 또는 그 밖에 비의료적 적용 분야에서 시간 분석적 측정을 신뢰성 있는 방식으로 그리고 접근이 어려운 측정점에서도 수행하는 것이 가능하게 되어야 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적과 추가의 목적은 독립 청구항의 특징부의 특징을 갖는 장치 및 방법에 의해 달성된다.

분광 또는 측광 검사를 위한 이론적 기초는 비어-람버트 법칙(Beer-Lambert law)에 의해 주어진다. 이것은 광 투과시 용액 내의 흡수 분자의 농도(ci)의 결정에 사용될 수 있다.

여기서, I_λ는 검사 대상의 물질을 통과한 후의 광의 세기이고, I_o _,λ는 방사된 광의 세기이고, μ_α,λ는 파장 의존적(λ) 전체 흡수 계수이고, l은 물질을 통한 경로 길이이다. 조직의 산란 특성의 결과, 이 경우 유효 경로 길이가 예상될 수 있는데, 이것은 통상적으로 역시 파장 의존적이지만 이러한 스펙트럼 범위와 적용의 경우에 버려질 수 있다.

대수조작으로 다음의 수학식이 산출된다:

이러한 일반 법칙은 예컨대 인간의 혈액과 같은 물질이 다수의 화학적 성분 물질(분자 화합물)로 이루어지고 이들의 흡수 계수는 파장 의존적 방식으로 다르기 때문에 추가로 다변화되어야 한다. n개의 물질의 경우, 다음이 얻어진다:

경로 길이가 모든 파장에 대해 동일하게 유지된다는 가정하에, 이것은 m 파장에 대해 다음과 같이 기술될 수 있다:

이 관계는 이제 다음의 형식으로 다시 기록될 수 있다:

또는

이로부터, 물질의 농도를 직접 판정하는 것이 가능하다.

추가적인 기초는 광과 분자 사이의 양자 화학적 상호 작용에 있다. 따라서, 불연속 및 분자-특정적 회전-진동 천이 또는 전자적 천이가 광양자의 파장 의존적 흡수에 의해 여기된다. 이때, 여기(excitation)는 고저파 및 분자의 결합된 진동의 회전-진동 여기의 결과 또는 발색단에서의 복잡한 전자적 천이의 결과로서 관측 스펙트럼 범위 내에 여기가 발생한다. 이들 천이는 파장-특정적이고 물질-특정적이다. 따라서, 상이한 물질은 상이한 파장에서 분석될 수 있다. 그러나, 예컨대, 신체는 매우 많은 이종의 물질을 포함하고 있고 그것으로부터의 정보는 중복되기 때문에, 양자 기계적 상호 작용과 노드를 기초한 것이 아닌 다중 스펙트럼적 측광법 또는 측광 분석을 고려하기 위해 분광법을 이용하는 것이 필요하다.

800 nm와 1200 nm 사이의 스펙트럼 범위에서 2종의 물질인 물과 포도당의 고조파 분광의 매우 상세한 관찰의 경우, 예컨대, 추가의 세부적인 사항을 고려하는 것이 필요하다. 여기서, 물은 매우 특별한 분자이다. 우선, 이것은 추가로 각을 이루어 배열된 원자에 대한 물의 강력한 극성의 결과이다. 또한, 액체 상태에서, 수소 결합은 스펙트럼에 영향을 미친다. 따라서, 한편으로 액상의 물의 분광은 온도에 매우 크게 의존한다. 그러나, 이것은 이 경우 무시될 수 있는데, 이는 신체 중의 측정점에서의 온도는 35~40℃의 좁은 온도 범위 내에 고정되기 때문이다. 추가적인 영향은 물에서 분자의 용해로부터 기원한다. 따라서, 농도가 변함에 따라 분자와 획득 스펙트럼 간의 힘도 변한다. 이들 변화가 비교적 작을지라도, 이들은 검출 가능하므로 화학적 계량 평가에 고려되어야 한다.

본 발명에 따른 장치는 측정 매체의 성분의 확인 및 모니터링, 특히 생리적 혈액 값의 확인 및 모니터링을 위해 사용된다. 장치는 광대역의 광을 발생시키는 적어도 하나의 광원을 포함한다. 이 문맥에서, 광대역은 광이 혈액 또는 조직이나 다른 측정 매체 내의 대응하는 성분을 분석하기에 적절한 파장을 가지고 확실히 발생됨을 의미한다. 환자의 모니터링(예, 산소 포화도 측정)을 목적으로 적어도 500 nm와 850 nm 사이의 주파수 범위의 광을 발생시키고 혈당의 판정을 위해 적어도 800 nm와 1200 nm 사이의 주파수 범위의 광을 발생시키는 광원을 사용하는 것이 통상적이다. 특히, 광원은 혈당 측정을 위한 NIR 범위의 광을 충분한 양으로 발생시키는 백색 LED이다. 광원은 광대역 광을 적어도 하나의 측정 영역에 조사하는데 사용된다. 측정 영역은 통상 생물의 표면상의 점, 보다 구체적으로 인간의 손가락 끝이나 귓불상의 점이다. 그러나, 측정 영역은 측정된 매체가 유동하는 파이프, 예컨대 투석 중 혈액의 수송을 위한 라인이나 유체를 공정으로 공급하거나 유체를 그로부터 방출하는 라인일 수도 있다.

장치는 파장에 따라 측정점에 의해 복귀되는 분석광의 확산 또는 분산 수단을 더 포함한다. 한편, 분석광은 측정 영역으로부터 직접 반사된 광일 수 있거나, 또는 다른 한편으로 조직을 투과한 후 다른 포인트로부터 재방출된 분석 광일 수 있다. 장치는 확산 광을 기록하기 위한 센서 어레이를 더 포함한다. 센서 어레이는 통상 2차원 CMOS 구성이다. 적용과 적절한 주파수 범위에 따라, 다른 2차원 센서 어레이, 예컨대 InGaAs 센서 어레이를 사용할 수도 있다. CMOS 이미지 센서들은 높은 분해능을 가지고 통상 백만 화소 이상 포함한다(여기 사용된 센서는 1.6 MP 또는 심지어 5 MP를 가진다).

센서 어레이와 통상적으로 CMOS 센서 어레이를 사용하는 첫 번째 장점은 그 단순한 가용성에 있다. 그러나, 특히, 2차원 센서 어레이는 고속의 측정 속도와 양호한 신호 대 잡음비를 가능케 한다. 측정광의 파장 의존적 확산의 결과, 측정광은 센서의 열에 이미지화된다. 그러나, 측정광은 특정 파장을 가지므로 확산 측정광(즉, 스펙트럼)은 서로 인접하게 평행한 복수 열의 센서 어레이에 의해 동시 포착될 수 있다. 복수 열의 센서 어레이가 병행 판독되는 결과, 개별 열의 결과를 추가하는 것이 가능하고, 다시 말해 개별 스펙트럼이 추가될 수 있다. 통상적으로 1000개까지의 어레이 인접 열의 신호를 취합하는 것에 의해 스펙트럼을 발생시키는 것이 가능하다. 이를 위해, 장치는 2차원 어레이의 복수의 인접 열의 신호를 동시 포착하기 위한 수단을 더 포함한다. 더욱이, 장치는 이들 인접 열의 스펙트럼이 추가되도록 구성된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 2차원 센서는 공간 분석적인 측정을 수행하는데 사용되지 않는다. 오히려, 인접하는 열은 단기간 내에 더 많은 스펙트럼을 발생시켜서 더 많은 신호를 발생시키는데 사용된다. 여기서, 병행 측정은 사실상 동시 측정을 의미하는 것으로 이해된다. 물론, 개별 화소와 센서 열은 순차적으로 판독되는 것이 분명하다. 그러나, 주사 주파수는 너무 높아서 이것은 평행한 열의 사실상 동시 측정으로 간주할 수 있다.

이것은 부분적 이미지의 판독과 그에 따라 고속을 달성한다. 이것은 스펙트럼에서 양호한 신호 대 잡음비를 가져올 수 있게 한다.

적용의 종류에 따라 신호 대 잡음비에 관한 요건이 다르다. 모니터링 적용의 경우(예, 혈액 포화도 측정), 많은 경우 관심 대상은 오직 동맥혈이다. 조직 성분은 관심 밖이다. 이러한 모니터링 적용에서 맥박 분석적 측정이 되어야 하는 것은 이러한 이유 때문이다. 더욱이, 동맥 분석적 측정의 경우, 신호 대 잡음비는 가능하다면 심장 수축과 이완 사이의 측정의 차이로부터 충분히 온전한 신호를 얻을 수 있도록 형성되어야 한다. 맥박 분석적 측정은 예컨대 혈당, 지방 또는 알코올 등의 혈액 성분의 측정시에는 덜 중요하다. 예를 들면, 혈당의 경우, 비교적 짧은 시간 후에 동맥혈 내의 성분과 조직 성분 간에 평형이 도달된다. 이 점에서, 맥박 분석적 측정은 의무적이지 않지만, 분명히 측정 결과의 확인에 유리할 수 있다.

근래, CMOS 이미지 센서는 휴대 전화기, 감시 카메라 및 디지털 카메라에 널리 사용되고 있다. 고품질의 소형화된 메가화소 대물 렌즈가 특히 처음 언급한 2개의 적용 분야로부터 유용하다.

이러한 센서는 매우 작아서 통상 3 mm의 이미지-엣지 측면을 가진다. 또한, 판독 영역에 대해 파라미터화될 수 있다. 따라서, 감소된 이미지 영역의 경우 예컨대 100 Hz 이상의 매우 높은 프레임 속도가 가능하며, 높은 프레임 속도는 또한 맥동적 신호의 시간 분석적 평가를 가능케 한다.

CMOS 센서의 경우, 전자 부품은 센서 내에 직접 통합된다. 광학 어레이는 판독 회로, 조정 가능한 증폭기 및 아날로그/디지털 변환기와 같은 회로를 포함한다. 이것은 데이터 전송을 빠르게 그리고 얇은 케이블로 행하는 것을 가능케 한다. 분광기, 조명, 전자 부품 및 이미지 기록을 포함하는 전체 구성은 매우 작은 디자인(바람직하게는 20mm×30mm×100mm, 통상은 대략 10mm×15mm×50mm)을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 장치는 얇은 전기 케이블만을 구비할 수 있어서 환자에 직접 부착될 수 있다. 유리 섬유 등을 생략하는 것이 가능하다. 수 밀리미터의 크기의 CMOS 센서의 구성의 결과, 이들은 소형화된 시스템에서 예컨대 손가락 또는 귓불 또는 유용한 공간이 제한되는 포인트에 충분한 공간을 가진다.

한편으로 매우 양호하게 되었고 낮은 광 조건을 갖는 이미지 품질의 결과, 작고 소형화된 조명 유닛을 사용하는 것도 가능하다.

관련 기술에 부분적으로 사용되는 CCD 어레이는 판독될 전체 검출기를 항상 필요로 하므로, CCD는 수 Hz의 속도를 가지기 때문에 충분히 높은 프레임 속도를 달성하는 것은 불가능한 것으로 판명된다. CMOS 센서를 "관심 영역(ROI)"으로 제한하여 이들 센서를 고속화하는 것이 가능한데, 이는 필요한 데이터의 판독이 단지 필요하기 때문이다. CMOS 센서가 전체 이미지의 경우 마찬가지로 비교적 낮은 프레임 속도를 가지더라도, ROI로의 제한의 경우 통상 200 Hz까지의 프레임 속도가 달성될 수 있다.

또한, 이것은 맥박 분석적인 방식으로 동작 가능하도록 빠르게 스펙트럼의 기록을 가능케 한다. 최대 맥박은 통상 3 Hz이다. 4중 주사의 경우, 약 12 Hz가 필요하게 된다.

혈액 파라미터의 체내 측정은 신호의 맥동적 성분을 기초로 수행될 수 있다. 맥동적 성분과 정적 성분 간의 구분의 결과, 혈액과 조직이 영향 간의 구분이 가능하다. 이어한 영향과 그 가능한 평가는 DE 195 18 511에도 기술되고 있다.

심장 수축이 종료되는 것(dichrotic notch)의 결과로 기본 주파수의 더블링이 존재한다. 혈압 곡선의 주파수 성분의 푸리에 분석은 8차 고조파까지의 성분을 포함할 수 있으므로, 기술적 관점에서 50 Hz의 주사가 유리하다.

더욱이, 빠른 주사는 고주파수 신호 성분을 발생시키는 무브먼트 아티팩트(artifacts)를 감소시킨다. 샘플링 정리(sampling theorem)가 위배되면, 이러한 간섭은 유용한 범위의 신호에 직접 반영된다.

각각의 이미지 기록 중에 인접하는 센서의 열에 약 1000개의 스펙트럼이 50 Hz로 기록되면, 조직 성분은 물론 맥동적 성분(스펙트럼으로서 신호의 약 1%의 동맥혈)의 혈액 성분에 대해 스펙트럼적으로 평가하는 것이 가능하며, 이때 스펙트럼은 추가 또는 통합(integration)의 결과로 충분한 데이터 심도(data depth)와 신호 대 잡음비를 발생시킨다.

센서 어레이는 다른 파장의 광이 어레이상의 다른 포인트에 주사하도록 배열된다. 더욱이, 확산광은 바람직하게는 평행하게 복수의 인접하는 열의 센서로 안내된다.

본 발명에 따른 장치의 기본 원리와 그 장점들은 다양한 적용에서 동일하다. 주파수 범위는 측정될 성분에 따라 변경되어야 한다. 따라서, 광원, 센서, 회절 격자, 및 사용되는 광학 유닛은 측정 상황에 적합화되어야 한다. 본 발명은 환자의 모니터링 중에 혈액 값을 판정하는 것과 혈당 측정을 기초로 예시적인 방식으로 상술될 것이다.

장치는 바람직하게는 하우징을 구비하고, 콤팩트한 조립체로서 구성된다. 콤팩트한 조립체는 적어도 광원, 분석광 확산 수단 및 센서 어레이를 포함한다. 이러한 구성에 따라, 센서 내의 측정점에 조명 및 분광 시스템을 직접 통합하는 것이 가능하다. 조명 및 소형화된 분광기는 측정 영역에 직접 적용될 수 있다. 결국, 비교적 견고한 큰 광섬유를 배제하는 것이 가능하다. 훨씬 더 많은 광이 활용 가능하다.

유리 섬유를 통해 광이 측정점에 투과되면, 파워의 상당 부분이 이미 손실된다. 유리 섬유가 조직 내로 커플링된 후 회수 광이 다시 다른 유리 섬유에 의해 포착되면, 광의 대부분은 다시 한 번 손실된다. 더욱이, 슬릿만이 분리된 후 분광기에 대해 스펙트럼적으로 확산되면, 오직 소량의 광이 검출을 위해 남겨진다. 이것은 최대의 기술적으로 유용한 램프가 공지의 구성에 사용되도록 하고, 동시에 오랜 노출 시간으로 작업이 행해지도록 한다.

이에 비해, 하우징 내에 구성된 매우 작은 광원(예, LED)과 분광기가 바람직하게 조직에 직접 도입된다. 이것은 광수율을 증가시켜서 노출 시간이 매우 짧다.

광원, 측정광 확산 수단 및 센서 어레이는 측정 영역의 영역에서 혈액 및 조직의 분광 분석을 가능케 한다.

분광법의 분야에서 다른 방법이 존재한다. 여기서, 새로운 방법은 스펙트럼 이미징 분야이다. 여기서, 광은 효율적인 격자/광학 유닛 구성을 통해 2차원 센서 어레이로 스펙트럼적으로 분할된다. 따라서, 센서상의 일방향으로 공간 정보가 얻어지는 한편, 다른 방향은 스펙트럼 정보를 포함한다. 여기서, 각각의 개별 이미지 포인트는 통상 8, 12, 14 또는 16 비트의 데이터 심도를 갖는 세기 정보를 얻는 화소이다. 특히 여기 설명되는 발명을 위한 유리한 특성을 포함하는 CMOS 이미지 센서는 이러한 기술에서 널리 사용되고 있다. 여기서, 장파 스펙트럼 범위에는 InGaAs 센서가 적합하지만, 이들은 필요 회로 로직을 CMOS 패드에 통합하고 있는 개별 광전 요소도 포함하고 있다.

본 발명에 따르면, 측정광의 확산을 위한 수단으로서 회절 격자와 확산광의 기록을 위한 센서 어레이를 사용하는 것이 바람직하다.

따라서, 파장-분산성 장치는 바람직하게는 분산성 광학 요소를 포함하는데, 해당 광학 요소는 통상적으로 광학 격자, 보다 구체적으로 홀로그램 격자, 즉 유익한 실시예에서, 카메라 또는 이미지 센서에 의해 포착된 회절 차수에서 그리고 SpO₂ 농도의 측정을 위해 예컨대 500 nm와 850 nm 사이 또는 혈당 측정을 위해 800 nm와 1200 nm 사이의 적절한 파장 범위에서 높은 광수율을 얻을 수 있도록 하는 블레이즈형(blazed) 격자이다.

혈당 측정을 위해, 스펙트럼 범위는 약 800 nm 내지 1200 nm로 정해진다. 이러한 스펙트럼 범위에서, 960 nm +/- 50 nm와 1150 nm +/- 50 nm의 영역에서 최강의 신호 변동이 검출되었다. 스펙트럼은 변하는 수분 신호와의 상관성을 나타낸다. InGaAs 센서 기술은 동시에 두 영역의 평가를 가능케 한다. 그러나, 현재 상업적으로 사용 가능한 센서들은 이러한 스펙트럼 범위에서 CMOS 센서보다 크게 성능이 떨어지는데; CMOS 센서의 경우 1100 nm까지 광을 수광할 수 있을 뿐이다. 따라서, InGaAs 센서는 매우 적은 수의 화소(통상 100k-1000k 화소)를 가지며, 그에 따라 신호 대 잡음비가 나쁘다.

최대 회절 효율은 활용되는 센서가 최저의 감도를 가지는 파장 범위에 있도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 블레이즈 격자는 비대칭적 톱니형 격자 프로파일을 갖는 전달 격자일 수 있고, 여기서 톱니형 플랭크(flank)는 원하는 회절 차수의 방향으로 광을 전달하도록 개별 미러로서 각기 구성된다. 또한, 홀로그램 격자의 사용도 가능하다. 따라서, 예컨대, 특정 블레이즈 또는 홀로그램 격자로서 VPH(volume phase holographic; 부피 위상 홀로그램) 격자의 사용이 가능하다. 이들 VPH 격자는 예컨대, 홀로그램 노출과 얻어지는 물질 구조의 변화의 결과로써, 변하는 굴절률의 원하는 패턴이 형성된 두 개의 유리 또는 플라스틱 판 사이로 투명한 감광성 물질이 덮여있는 전달 격자이다. 본 발명에 따르면, 이러한 블레이즈 격자의 사용은 미리 정해진 작은 파장 범위에서 회절 강도의 80 % 이상의 고효율을 달성할 수 있다.

따라서, 회절 격자와 진입 슬릿에 의해 매우 작은 분광 시스템이 형성될 수 있는데, 여기서 분광 시스템은 우선 전체 스펙트럼 범위를 커버하고 두 번째로 맥박 의존적 기록에 중요한 시간 분석을 갖는다. 더욱이, 2차원 이미지 획득의 결과로써, 동시에 많은 스펙트럼의 기록 및 평가가 가능하며, 이는 신호 대 잡음비의 상당한 개선을 가져온다.

이러한 기술적 조합은 맥박 산소 측정법에 통상 사용되도록 신체상의 포인트에 직접 부착될 수 있는 작은 고분해능의 고속 센서 유닛의 구성이 가능하다.

이것은 손가락 끝, 손 볼 또는 귓불 등의 바람직한 측정점에 또는 피부 표면에 부착될 수 있는 센서의 구성을 가능케 한다. 따라서, 하우징은 환자의 신체 상의 국소, 특히 손가락이나 귓불에 부착되도록 구성되는 것이 특히 바람직하다.

신체에서의 측정 품질은 선택된 측정점에 크게 의존한다. 특히 혈당의 측정을 위해, 측정점은 양호하게 관류(perfused)되어야 하고 지방 조직을 적게 포함하여야 하며 측정을 위해 쉽게 접근될 수 있어야 한다. 그러므로, 전술한 순서의 측정점, 손가락, 손 볼 또는 귓불은 특히 혈당의 측정에 적합하다. 손가락의 경우, 뼈 또는 가능하다면 손톱 이외에서 측정이 행해지도록 주의하여야 한다. 그러므로, 광을 손가락 내로 측방으로 커플링하여 손가락 끝의 중심선상에서 포착하는 것은 선택 사항이다.

이러한 기술적 조합의 제안은 다음의 매우 중요한 센서 특성을 가능케 한다: 센서는 전체 스펙트럼이 약 5 nm 미만의 필요 스펙트럼 분해능으로 기록될 수 있게 하는 화소 해상도를 갖는다.

센서의 판독부와 그에 따라 고속의 기록 및 판독 속도(통상 100 Hz 이상)와 그에 따라 맥박 의존적 형태로 스펙트럼 조직 및 혈액 특성을 평가하는 선택 사항이 존재한다.

더욱이, 장치는 슬릿 구멍을 가지는 것이 특히 바람직하다. 슬릿 구멍은 분석광의 입사 영역과 분석광의 확산 수단 사이에 배열된다. 슬릿 구멍은 측정 영역을 정확하게 정하도록 하는 것을 가능케 한다. 특히, 확산 수단과 관련하여, 슬릿 구멍은 긴 이미지가 이미지의 크기와는 다른 방향으로, 바람직하게는 수직하게 벌어져 개방되도록 구성된다. 이것은 2차원 센서 어레이 상에, 일 방향으로 파장에 따라 분해된 표현과 다른 방향으로 측정 영역으로부터 공간적으로 분해된 표현을 얻는 것을 가능케 한다. 더욱이, 장치는 직접 아날로그/디지털 변환기를 구비하는 것이 특히 바람직하다. 현재의 CMOS 이미지 센서는 통상 이러한 아날로그/디지털 변환기를 이미 구비하고 있다. 그러나, 본 발명에 따르면, 공간 분해 표현은 공간 분해 분석에 사용되지 않는다. 오히려, 인접 열에 의한 복수의 스펙트럼의 병렬 측정이 신호의 개선에 기여한다.

본 실시예의 경우, 구멍은 1차 이미징 광학 유닛(대물 렌즈)을 통해 이미지화되는 영역의 긴 스트립형 영역을 잘라낸 임의의 광학적 수단을 의미하는 것으로 이해된다. 여기서, 스트립형 영역은 반드시 인접할 필요는 없지만, 예컨대 일련의 개별 이미지 요소로 이루어질 수 있다.

장치는 외부로부터 파라미터화될 수 있는 신호에 대한 증폭기를 더 포함하는 것이 바람직하다. CMOS 이미지 센서는 다수가 외부로부터 파라미터화될 수 있는 이러한 통합된 증폭기를 이미 포함한다.

회로 내에서 신호의 디지털 변환의 결과, 디지털 신호가 손실없이 전자적으로 비교적 먼 거리를 통해 평가 유닛으로 전송될 수 있다.

광원은 LED인 것이 바람직하다. LED는 매우 빨리 스위칭될 수 있는(통상 10-1000 ㎲) 광원이다. LED는 조직에는 임계적이지 않은 높은 광 출력으로 열적 문제없이 동작한다.

환자의 모니터링에 사용시(예, 혈액 내 산소 포화도), 가시광(VIS)과 근적외선(NIR) 스펙트럼 범위, 특히 예컨대 500-850 nm의 최근접 적외선(VNIR) 범위의 광을 사용하는 것이 바람직하다. 광은 LED 또는 LED들의 조합에 의해 발생되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 통상의 백색광 LED가 이러한 조합에 적합한데, 해당 백색광 LED는 추가적인 형광 염료의 피복의 결과로써 광대역 발광을 행한다. 예컨대 YAG 또는 유사한 호스트 격자 내에 이테르븀이나 다른 희토류를 포함하는 무기 형광 염료가 염료로서 사용될 수 있다.

다른 염료를 결합한 결과, 적용에 따라 필요한 전체 스펙트럼 범위의 광을 발생시키는 것이 가능하여; 예컨대 혈당 측정을 위해 800-1200 nm 범위에도 존재한다. 그러나, 다른 LED로부터 광을 결합시키는 것도 가능하다. 그러나, 이 경우, 이미터는 온도-안정화되어야 하고 방사는 국부적으로 양호하게 균질화되어야 함을 알아야 한다.

장치는 전기 케이블용 커넥터를 더 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 장치는 또한 광을 자체로 그리고 자체로부터 멀리 안내하기 위한 광학적 라인을 위한 커넥터를 갖지 않는 것이 바람직하다. 몇 가닥의 전기선을 갖는 얇은 케이블은 본 발명에 따른 장치의 동작에 충분한데, 이는 특히 본 발명에 따른 광원에 그리고 본 발명에 따른 센서에 그리고 특히 아날로그 신호를 위해 케이블을 차폐할 필요가 없는 경우에 고전류 고압을 필요로 하지 않기 때문이다.

전체 스펙트럼이 기록되는 것에 따라 여러 가지 상이한 생리적 혈액 값의 확립 및 모니터링이 가능하다. 특히, 다음의 파라미터의 평가가 가능하다.

맥박 빈도

맥박 형태 및 구조

산소 포화도 Hb(SHbO₂)

총 Hb(ctHb)

HbCO 농도

MetHb 농도

탈산된 Hb의 농도

PI(perfusion index: 관류 지수)

PVI(pleth variability index: 체적 변동 지수)

조직 산소 포화도(StO₂)

혈당 농도

젖산

본 설명의 범위 내에서 생리적 혈액 값은 진단 목적 또는 모니터링의 목적으로 확립된 모든 값으로, 특히 상기 열거된 값이다.

더욱이, 예컨대 연소 공정의 모니터링(공정 가스의 측정에 의한)과 같은 분야 또는 성분의 첨가시 예컨대 식품 또는 약품의 제조에서와 같이 비의료적 분야에서의 다양한 적용도 가능하다.

장치는 특히 투과와 반사 측정 모두의 경우에 대해 적용될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 결국, 혈액 성분은 500-850 nm의 강한 흡수를 보상하기 위해 반사 모드에서는 가시광 스펙트럼 범위에서 그리고 투과 모드에서는 VNIR 범위에서 측정될 수 있다.

충분한 양의 광이 조사되는 경우(또는 그 밖에 측정된 파장에 따라), 투과 모드에서 측정을 행하는 것만도 가능하다. 특히 850 nm 이상의 포도당 측정의 경우에 드러난 500-850 nm 범위에서의 강한 흡수의 문제점은 이미 문제가 아니다. 그러나, 충분한 양의 광이 조사되면, 예컨대 산소 포화도의 측정시 모니터링 중에 순수 투과형 측정도 가능하다.

반사 모드와 투과 모드에서의 조합된 기록의 구현에는 다양한 옵션이 존재한다.

환자의 모니터링을 위한 제1 실시예에서, 반사 기록 및 투과 기록은 시간적으로 순차적으로 배열된다. 여기서, 광은 피부의 두 개 영역에 번갈아 조사된다. 광은 우선 라인형 기록점의 영역에 조사되어 반사 이미지가 판독된다. 다음 단계에서, 광은 기록 라인 밖의 하나 이상의 포인트에 조사되고 기록 라인으로 보내진 광은 기록 후 판독된다. 두 가지 항목의 정보는 평가 유닛에 서로 링크된다. 특히, 장치는 이를 위해 투과 측정과 반사 측정을 수행하는 것이 교차로 가능하도록 구성된 컴퓨터 구성을 포함한다. 더욱이, 장치는 이러한 목적의 광원을 포함하는데, 해당 광원은 두 곳의 다른 측정점에 광이 조사되도록 할 수 있다. 이것은 복수의 광원을 사용하거나 적절한 편향 수단의 사용을 통해 일어날 수 있다.

환자를 모니터링하기 위한 제2 실시예에서, 반사 및 투과 영역을 공간적으로 분리하는 것이 행해진다. 이를 위해, 장치와 특히 그 하우징은 분석광을 반사 영역과 투과 영역으로부터 분리하기 위한 수단을 구비한다. 입사광은 센서의 관측 영역에 위치된 피부의 일부에 조사된다. 센서의 관측 영역의 제2 부분은 기계적 제동부에 의해 조사광으로부터 분리된다. 따라서, 인체 조직을 통과한 광만이 이러한 영역 내로 침투될 수 있다.

투과 후 피부로부터 반사되어 나온 광은 대물 렌즈에 의해 이미지화될 수 있고, 긴 구멍(슬릿)은 후속하여 확산될 수 있는, 보다 구체적으로 회절될 수 있는 실질적으로 긴 또는 1차원의 이미지를 그것에 수직한 것이 바람직한 다른 방향으로 파장-분산적 방식으로 초기에 추출할 수 있다. 결국, 라인형으로 포착된 피부 및 조직 영역에 관련된 파장-분해적 정보를 제공하는 2차원 이미지를 비교적 간단한 방식으로 생성하기 위해 비교적 단순한 수단을 사용하는 것이 가능하다. 광 조사가 이미지 센서 또는 이미지 트랜스듀서에 의해 포착되는 것에 따라 피부와 조직 내에 포함된 물질이 정량적으로 그리고 맥박-의존적 방식으로 확립됨으로써 짧은 시간 경과 후 체내 측정에 의해 조성, 특히 혈액의 화학적 조성에 대해 기술하는 것이 가능하도록 후속의 분석이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명에 따르면, 시간-분해적 및 맥박-의존적 센서 기록의 기능과 분광 검사 및 분석을 결합하는 것이 가능하다. 이러한 구성의 결과, 광은 우선 반사 영역에서 포착된 후 2차적으로 투과 영역에서 포착될 수 있다.

혈당량은 의무적이 아닌 반사적 측정으로 유사한 방식으로 판정된다.

본 발명에 따르면, 슬릿은 피부상의 기록점의 라인 방향에 거의 대응할 수 있다. 회절 방향 또는 파장-분산적 방향은 이러한 슬릿 방향에 수직으로 연장될 수 있으므로, 이미지 센서의 화소 어레이의 행렬은 이들 방향에 대응할 수 있다. 따라서, 이미지는 예컨대 피부상의 기록 라인에 대응하는 1차원 공간 성분과 회절 이미지와 관련 스펙트럼의 형성을 위해 이에 직교하는 회절 방향으로 나타난다.

렌즈 시스템은 소형화된 대물 렌즈로 구성되는 것이 유리하다. 이를 위해, 감시 카메라 기술 분야로부터의 메가 화소 단위의 대물 렌즈 또는 휴대 전화기의 카메라에 이미 널리 적용되고 있는 소형화된 대물 렌즈(예, 폴리머계 대물 렌즈)를 사용할 수 있다. 그러나, 이와 달리 이미지화를 위한 다른 렌즈 시스템 또는 그 밖의 무색 렌즈(achromat)를 사용할 수도 있다.

이들 대물 렌즈는 사용되는 초소형의 센서와 잘 결합될 수 있다. 그 본연의 특성에 기인하여 이들 초소형 대물 렌즈에서 발견되기도 하는 왜곡은 소프트웨어를 사용하여 보상될 수 있다.

예를 들면, 본 발명에 따른 장치는 3개의 이미지화 광학 유닛 또는 대물 렌즈를 포함할 수 있다. 물론, 제1 이미지화 광학 유닛은 해당 제1 이미지화 광학 유닛의 이미지 평면에 배열되는 것이 바람직한 긴 또는 슬릿형의 구멍 위에 조명된 영역의 2차원 이미지를 생성한다. 이후 제2 이미지화 광학 유닛이 슬릿형 구멍을 예컨대 무한대로 이미지화함으로써 갭을 통과한 광 스트립을 평행화하는 역할을 한다. 이러한 제2 이미지화 광학 유닛의 뒤쪽으로 바람직하게는 광학 격자를 갖는 파장-분산형 장치가 배열되며, 이때 광학 격자는 제2 방향으로 광을 분산 분할시킬 수 있다.

다시 제3 대물 렌즈는 이미 파장-분산적 방식으로 쪼개진 구멍 이미지의 역변형(back transformation)을 생성한다. 따라서, 피부상에 기록된 라인의 파장-확산 이미지가 센서상에 얻어진다.

본 발명에 따르면, 이미지 센서는 개별 적용마다 최적화된 파장 범위 내에 위치될 수 있고, 여기서 예컨대 비교적 작은 확실한 각도 범위만을 커버할 수 있다.

제1 이미지화 광학 유닛은 분석 대상의 영역을 구멍의 슬릿 위에 이미지화함으로써 구멍은 기록 라인의 외부 영역을 효과적으로 차폐한다. 따라서, 원칙적으로 구멍의 사용은 해당 구성에 의해 구멍에 의해 제한되는 분광 수단에 의해 후속으로 검사되는 영역보다 다소 큰 영역을 조명하는 것을 가능케 한다.

LED 조명원은 펄스화된 형태로 제어되는 것이 바람직하다. 결국, 외부 광의 영향을 감소시키는 것이 가능하다.

더욱이, 내부적 블랙 값 균형(internal black-value balance)이 존재할 수 있다. 새로운 세대의 CMOS 센서는 내부 블랙 평형을 가진다. 엣지상의 화소는 블랙으로 커버된다. 이들은 내부적으로 판독되어 블랙 값 표준화(normalization)를 위해 내부적으로 사용된다. 이것은 외부 광의 문제점을 시정하지 않지만, 온도 변화 또는 공급 전자 장치의 변동의 경우에 생기는 센서의 통상적인 문제를 시정한다. 결국, 매우 짧은 노출 시간과 강한 광 세기로 이미지를 기록하는 것이 가능하다. 외부 광의 영향이 대체로 작은 것은 이러한 이유 때문이다. 외부 광의 영향이 생길 수 있으면, 매 경우 추가로 LED 조명 없이 그리고 크게 감소된 ROI(관심 영역; 검사되는 주파수 범위)로 백그라운드 이미지를 기록하는 것이 가능하고, 이와 함께 해당 이미지는 수정될 수 있다. 조명의 고정된 백색광 이미지는 센서가 사용되기 이전에 평가 유닛에 저장된다. 수학식 1에서 이것은 I₀(λ)에 대응한다.

각각의 기록 후, 약 500-1000 개의 인접하는 공간 분해적 스펙트럼 모두는 큰 데이터 심도로 스펙트럼에 추가되고, I(λ) 값은 상기 수학식 5에 따라 형성된다. 또한, 추가된 스펙트럼의 2차 도함수가 생성된다. 이것은 필요 농도를 직접 결정하는데 사용될 수 있다. 시간-의존적 값의 평가시, (맥박 산소 측정법에서는 통상적이지만) 맥동성 성분으로부터 동맥혈의 성분에 대한 값을 결정하는 것도 이제 가능하다. 맥박 분해적 방식으로 분광 데이터의 구축을 위한 옵션이 존재하면, 혈당의 판정을 위해 심장 수축과 이완의 스펙트럼을 별도로 적분하고 단순히 차이를 형성하는 것에 의해 동맥혈의 순수 스펙트럼을 구함으로써 조직 내의 혈당 성분을 판정하지 않고 오히려 신체 내의 동맥혈의 혈당 성분을 판정하는 것도 가능하다.

기록된 스펙트럼은 손가락(또는 다른 측정점)을 센서로 압박하는 압력의 함수로서 변동된다. 이러한 압력 의존은 스펙트럼의 2차 도함수가 분석되면 회피된다. 더욱이, 2차 도함수는 동맥혈에 관련된 흡수만을 측정하는 것을 가능케 한다. 주변 조직에서 산란되는 광의 효과는 회피된다. 소정의 경우, 스펙트럼에 대한 접촉 압력의 영향은 동맥혈에 의한 흡수보다 크다. 그러므로, 접촉 압력에 의해 영향을 받지 않는 상태에 있는 측정의 수행이 가능한 것은 중요하다. 이것은 2차 도함수의 분석시 가능하다.

상이한 영역들을 합치거나 다른 평가를 위해 소정 부분들을 별도로 조명하고 분석하는 것도 가능하다.

맥박 정보가 특히 520-570 nm의 파장 분할 정보의 비교적 큰 영역들을 결합하고 평가하는 것이 유리하다. 맥박은 전체 스펙트럼 범위 내에 존재하므로, 평가를 위해 모든 화소를 합치는 것이 가능하다. 따라서, 예를 들면, 50 Hz의 주사 주파수에서, 통상 이미지 당 12 비트 데이터 심도로 500,000 화소를 통합하는 것이 가능하고, 이는 매우 큰 데이터 심도를 가져옴으로써, 맥동의 결과로써 매우 약한 세기 변동의 검출을 가능하게 한다.

다음의 수학식에 따라 조직과 정맥혈에 의한 고정된 시간-불변 흡수에 대한 맥박 진폭의 비율로서 맥박 정보로부터 관류 지수(PI)를 기록하는 것이 가능하다.

여기서, AC는 맥박-의존적 신호의 진폭이고, DC는 최대 흡수 신호이다. 이러한 PI 값은 파장에 의존하지만, "맥박 산소 측정법의 파동 의존"(Damianou, D.; Crowe, J.A.; Pulse Oximetry: A Critical Appraisal, IEEE Colloquium, volume 1996, isse 124, 29 May 1996, pages 7/1-7/3) 간행물에 따라 조정될 수 있다.

변화의 경우, 이 변수는 환자 상태에 있어 상이하고 임상적으로 유의미한 변화의 조기 표시를 제공한다.

추가의 중요한 측정 변수는 호흡과 맥박 간의 상관성을 구축하는 "PVI(Pleth Variability Index)"이다. PVI는 다음의 수학식에 의해 다수의 호흡 사이클에서 결정된다.

%SpO₂ 농도와 총 헤모글로빈 값의 계산은 "맥박 산소 측정법의 광-조직 상호 작용"(Mannheimer Ph. D.; Anedth. Analg. 2008 Dec; 105(6 Suppl): S10-7. Reviewe) 또는 "사람 혈액의 헤모글로빈 농도의 비와과적 측정을 위한 LED-기초 센서 시스템"(U. Timm, E. Lewis, D. McGrath, J. Kraitl and H. Ewald; 13th International Conference on Biomedical Engineering; volume 23, Springer Berlin Heidelberg, 2009)에 기술된 바와 같이 수행될 수 있다.

평가 중에는 종래의 산소 측정법에 비해 두 개의 스펙트럼 범위의 비교가 가능하다. 예를 들면, 640-680 nm의 스펙트럼 채널이 통합되어 660 nm의 통상의 신호를 생성할 수 있다. 이렇게 함에 있어서, 통상적으로 예컨대 스펙트럼 측정점의 생성을 위해 50,000 화소를 효과적으로 통합하는 것이 가능하다.

그러나, 바람직한 평가는 맥동성 스펙트럼의 화학적 계량 평가이다.

다른 헤모글로빈 파생물의 농도는 정량적 분광 분석으로부터 직접 결정된다.

HbO₂	542 nm	576 nm
Hb	555 nm	754 nm
HbCO	538 nm	569 nm
MetHb	640 nm
MbO₂	545 nm	580 nm
Mb	558 nm	758 nm
MetMb	628 nm

H₂O	730 nm	830 nm

2차 도함수의 흡수 최대치 또는 최소치

평가 장치에서는 매우 빠르게 연속 생성된 스펙트럼 정보를 설정하는 것이 가능한데, 여기서 포착된 스펙트럼으로부터 스펙트럼 특유의 반사 또는 흡수 성분을 판정하기 위해 분광법에서는 통상적인 다변향 통계 분석을 수행하는 것이 가능하다. 여기서, 예컨대, 상관관계, 회귀(regression), 변수 해석, 판별 해석 및 주요 성분 해석(PCA) 등의 다른 다변량 통계 분석 방법의 사용이 가능하다.

계산적 평가는 장치와 별개인 평가 장치에서 수행될 수 있다. 측정 값이 본 발명에 따른 장치 내에서 디지털화되어 전기적 연결을 통해 중앙 평가 유닛으로 전송되면, 전송 케이블을 얇은 상태로 유지하는 것이 가능하다. 동시에, 측정 위치에 부착하는 것이 더 이상 가능하지 않은 필요한 컴퓨터, 입력 장치 또는 출력 장치의 결과로써 본 발명에 따른 센서 또는 장치를 그다지 크게 구성할 필요가 없다. 외부 평가 장치도 역시 보다 복잡한 수학적 방법에 의해 일시적 데이터 저장 또는 데이터 평가의 가능성을 제공한다.

시간-의존적 평가의 결과, 조직과 동맥류로부터의 정보 사이를 구분하는 것이 가능하다. 한편, 이러한 혈액 정보는 공지의 몰 흡수 계수(molar extinction coefficient)에 의해 이론적 관점으로부터 정확하게 포착될 수 있다. 다른 한편, 분석된 스펙트럼 범위에서 약 730 nm의 매우 약한 수분 대역을 평가하는 것도 가능하다. 혈액 내 수분의 농도는 항상 매우 정확하게 80-85 부피% 범위에 있으므로, 상기 평가를 기초로 각각의 측정 신호에서 2차의 독립적 교정을 수행하는 것이 가능하다. 장치 또는 보다 구체적으로 평가 장치는 따라서 수분 신호에 의해 농도의 절대값을 결정하도록 구성될 수도 있다.

복합된 반사 및 투과의 스펙트럼 분해 방법의 추가적인 장점은 맥박 신호가 보다 안정적으로 포착될 수 있다는 것이다. 가시광 스펙트럼 범위에서 맥박 최대치와 최소치 간의 신호의 평균적 차이는 기본 신호에 비해 VNIR 스펙트럼 범위에서보다 570 nm의 영역에서 현저하게 크다. 이러한 차이는 5배까지 만큼 커질 수 있다. 또한, 맥박 평가 중 관심 대상의 스펙트럼 범위를 통합하는 것이 가능하므로 개별 기록의 경우 매우 높은 신호 심도를 달성하는 것도 가능한데, 이러한 신호 심도는 개별 센서의 경우 큰 기술적 어려움을 가지고서만 실현될 수 있는 것이다.

혈당 측정을 위한 본 발명의 적용에서, 2D 분광법에 의해 개선된 신호 대 잡음비의 결과로써 매우 낮은 포도당 농도를 얻는 것이 가능하다. 100만개까지의 스펙트럼이 통상 통합된다. 피부에는 전혀 문제가 없는데, 이는 선택된 스펙트럼 범위가 충분한 조직 내 침투 깊이를 달성하기 때문이다. 측정은 시간-분해적 방식으로 수행된다. 고 분해능의 분광 포착은 더욱이 흡수 신호와 해당 흡수 신호의 2차 도함수에 의해 평가 및 역계산에 기여한다. 2차 도함수는 평가 중 조직 산란의 영향을 최소화한다.

800-1200 nm의 통상의 전체 스펙트럼 범위가 수분과 포도당의 농도의 평가를 위해 기록된다. 평가는 2차 도함수를 이용하여 원시 스펙트럼 또는 그외의 것을 사용하여 수행될 수 있다.

2차 도함수의 사용을 통해, 측정광이 조직 내에 산란되는 것으로 얻어지는 측정값과 혈액으로부터의 측정값 사이를 구분하는 것이 가능하다.

보다 정확한 정량적 평가를 위해 PCA와 PLS2와 같은 화학적 계량법을 이용하는 것이 가능하다. 여기서, 세팅 ROI, 아날로그/디지털 변환을 위해 CMOS 이미지 센서를 통합하는 것도 가능하다.

이미지 센서는 조밀하고 비용 효율적인 구성이 가능하고 복잡한 추가 배선이 배제되거나 낮은 수준으로 유지될 수 있도록 반도체 성분 내에 평가 장치와 함께 그리고 선택적으로 제어 장치 및 또한 선택적으로 저장 장치와 함께 일체로 바람직하게 통합될 수 있다.

조명 장치에 의해 조사된 광 또는 방사는 측정될 파장 범위에 대해 스펙트럼적으로 균일하게 분포되는 것이 바람직하다.

여기서, 조명 장치는 평행 광을 방출하는 것이 바람직하다. 조명 장치로서 다른 광대역 LED를 사용하는 것이 가능하다. 상이한 광대역 LED를 조명 장치로 사용하는 것도 가능하다. 다른 파장의 LED와 추가적으로 도포된 형광 염료를 갖는 광원을 사용하는 것도 가능한데, 여기서 형광 염료는 환자의 모니터링을 위해 500-850 nm의 스펙트럼 범위의 광대역 발광을 제공하거나 혈당 측정을 위해 800-1200 nm 범위의 발광을 제공한다.

조명 장치 또는 광원은 계속적으로 동작할 수 있지만 유리하게는 일시적으로 펄스화된 방식으로 동작되어야 한다. 여기서, 펄스화된 동작은 우선 기록 장치가 외부광의 영향의 변화에 무관하고 두 번째로 매우 짧은 순간의 시간만이 기록된다는 점에서 유리하다.

본 발명에 따르면, 스펙트럼은, 조명 변화 또는 그 밖에 피부나 조직 구조 내의 멜라민 농도가 다른데 기인하여 중복될 수 있는 광대역 기생 흡수와 같은 기구-의존적 영향에 무관하게 방법이 수행될 수 있으므로, 분석 중에, 보다 구체적으로 백색-표준화된 원시 스펙트럼의 형태로, 그리고 추가적으로 스펙트럼의 2차 도함수의 형태로 평가될 수 있다.

본 발명의 추가의 측면은 예컨대 환자의 모니터링을 위해 측정 매체의 성분 또는 특성의 확인 및 모니터링을 위해, 또는 보다 일반적인 형태로는, 바람직하게는 비외과적 체내 측정 및 체외 측정 중, 또는 비의료적 적용에서 생체의 생리적 혈액 값을 확인 및 모니터링하기 위해 전술한 장치를 사용하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 다른 추가적인 측면은 측정 매체의 성분 또는 특성, 보다 구체적으로 생체의 생리적 혈액 값의 확인 및 모니터링 방법과 해당 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램 제품에 관한 것이다. 여기서, 제1 단계로 하우징을 갖는 센서가 측정 영역에 부착된다. 의료적 적용에서, 측정 영역은 통상 손가락 또는 귓불이다.

이것은 신체 내에서 신체 중심의 포인트를 측정하는데 사용될 수도 있는데, 이는 소정의 상황하에서 (신체가 기능을 코어 영역으로 제한하는 경우) 말단부에서의 맥박 확인은 이들 포인트에서만 가능하기 때문이다.

하우징 내에 배치되는 광대역 광원으로부터의 광은 이후 측정 영역에 조사된다.

측정점에 의해 복귀되는 분석광은 이후 반사 모드 및/또는 투과 모드로 포착된다. 이후 포착된 분석광은 파장-의존적 방식으로 확산되고, 포착광의 개별적 파장-의존적 성분이 하우징 내에 배치된 2차원 센서 어레이 상에 이미지화된다. 특히, 이것은 이 경우 2차원 CMOS 어레이이다. 또한, 해당 광은 어레이 중의 복수의 평행한 열 위에 이미지화되는 것이 바람직하다. 이후, 평행한 열에 의해 생성되는 스펙트럼이 추가된다.

따라서, 생성된 스펙트럼은 측정 매체의 성분 또는 특성의 판정을 위해(통상 생리적 혈액 값의 판정을 위해) 후속으로 평가된다.

복귀된 분석광은 회절 격자에서 확산되는 것이 특히 바람직하다. 이것은 특히 조밀 구조의 장치를 제공할 수 있게 한다.

복귀된 분석광은 반사 모드와 투과 모드 양자 모두에서 포착되는 것이 특히 바람직하다. 이것은 다른 측정점들을 번갈아 조명하거나 또는 병행하여 다른 측정 영역로부터의 복귀 광을 포착하는 것에 의해 시간적으로 연속적으로 일어날 수 있다.

포착된 광은 시간 분해적 방식으로 평가되는 것이 특히 바람직하다. 결국, 다수의 추가 값이 수립되어 고려될 수 있다. 포착된 스펙트럼(들)의 2차 도함수가 평가를 위해 결정되는 것이 특히 바람직하다. 평가 중에 동시에 혈액 내 수분량이 수립되는 것이 더욱 바람직하고, 해당 수립된 수분 성분을 기초로 농도의 절대값이 결정된다.

본 발명은 첨부된 도면을 기초로 여러 실시예를 이용하여 다음의 설명에서 설명된다.

본 발명에 따르면, 체내 및 시간 분석적 방식으로, 즉 동맥혈 파라미터와 조직 의존성 파라미터 간의 생리적 구분으로 원하는 분석을 수행하는 것을 가능케 하는 장치 및 방법이 제공된다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 장치를 개략적으로 나타낸 측면도(도 1a)와 평면도(도 1b)이고;
도 2는 센서 유닛의 개략도이고;
도 3a 및 도 3b는 시간적 판별(도 3a)과 공간적 판결(도 3b)의 경우의 반사 및 투과 특성의 조합된 기록에 대한 본 발명에 따른 구성을 보여주며;
도 4는 본 발명에 따른 장치의 블록도이고;
도 5는 원래 상태에 따른 흡수 신호의 분할을 보여주며;
도 6a 및 도 6b는 백색광 LED 조명의 스펙트럼 분포(도 6a)와 600-850 nm 범위의 수분의 흡수 스펙트럼과 그 2차 도함수(도 6b)를 보여주며;
도 7은 흡수 예로서 그리고 그 1차 및 2차 도함수에 대한 다른 혈액 성분의 스펙트럼을 보여주며;
도 8a 및 도 8b는 다양하게 통합되고 두 가지 종류의 센서(좌 38dB/우 64 dB)에 대한 다양한 스펙트럼의 예를 보여주며;
도 9는 바람직한 센서의 예를 보여주며;
도 10은 전형적인 스펙트럼의 예를 보여주며;
도 11은 전형적인 스펙트럼의 2차 도함수의 예를 보여준다.

도 1a는 본 발명에 따른 장치(1)의 측면도를 나타낸다. 장치(1)는 측정광(2)을 발생시키는 하나 이상의 조명 장치(20)(도 4)를 포함한다. 여기서, 조명 장치(20)는 실질적으로 2차원 영역이거나 Y-방향으로 비교적 소폭인 영역으로서 통상 피부와 조직 영역인 검사 대상의 측정 영역을 조명하는 역할을 한다. 다양한 실시예에서, 선형 측정 영역(3)이 조명 장치에 의해 반사 또는 투과 방식으로 각각 조명되고, 투과 또는 반사 거동에 따라 분석광(4)을 방출한다. 분석광(4)은 편향 미러(5)를 통해 분광 유닛(22) 내로 커플링된다. 혈중 산소 포화도와 추가의 혈액 값을 판정하기 위해, 이 경우 분석광(4)은 예컨대 500-850 nm의 파장 범위의 가시광(VIS) 및 근적외선(NIR) 범위에 있으며, 도 5를 참조로 아래에 추가로 설명되는 바와 같이 물질 조성에 따른 스펙트럼 분포를 갖는다. 따라서, 분석광(4)은 측정 영역(3)에서의 정량적 물질 조성, 즉 통상 동맥혈과 조직의 물질 조성을 확인하기 위해 관련 파장 범위의 스펙트럼을 포함한다. 동일 장치는 파장 범위가 통상 800-1200 nm로 변경되면 혈당 농도의 판정에도 사용될 수 있다.

분석광(4)은 편향 미러(5)와 이미지화 광학 유닛(6)을 통해 구멍(7)에 도달한다. 이미지화 광학 유닛(6)은 분광기 유닛(22)을 위한 진입 대물 렌즈로서 사용된다. 구멍(7)은 바람직하게는 예컨대 통상 10-30 ㎛의 폭을 갖는 슬릿 또는 슬롯으로서의 긴 구성을 가지며, 수평 방향 또는 z-방향(도 1a의 도면의 평면에서 수직한 방향)으로 연장된다. 예컨대 필터나 추가의 미러와 같은 추가의 광학적 요소가 빔 경로 내로 삽입되면, 이 경우는 당연히 고려되어야 하는데; 본 발명에 따르면, 관련된 모든 것은 측정 영역(3)이 z-방향의 해당 크기가 슬릿 방향에 대응하도록 구멍(7)의 슬릿 상에 이미지화되는 것이다.

구멍(7)을 통과하도록 허용되는 측정 영역(3)의 이미지의 스트립은 제2 이미지화 광학 유닛(8)을 통해 회절 격자(9)로 광으로서 보내진다. 모니터링의 범위 내의 혈액 값의 측정의 경우, 격자는 통상 700 nm의 범위와 약 300-600 1/mm의 블레이즈 파장을 갖는 투과성 "부피 위상 홀로그램(volume phase holographic)" 격자이다. 혈당 측정의 경우, 격자는 예컨대, 900 nm의 범위의 600 1/mm의 "부피 위상 홀로그램 전달 격자"이다(제조사: Wasatch Photonics). 격자(9)는 구멍(7)에서 슬릿 방향에 수직하게, 즉 횡방향 또는 y-방향으로 분석광(4)의 파장-의존적 확산이 있도록 설계 및 배열되는데; 여기서는 변형된 실시예도 가능하다. 회절된 광은 제3 이미지화 광학 유닛(10)을 통해 이미지 센서(12)의 센서 표면(11) 상에 회절 이미지로서 이미지화된다. 따라서, 구멍(7) 또는 그 슬릿의 회절 이미지는 센서 표면(11)에 이미지화되고, 이때 슬릿의 종방향 영역(z-방향)은 일 방향을 향하고 회절 이미지의 파장-분산적 확산은 타 방향을 향한다. 모니터링의 범위 내의 혈액 값 측정의 경우, 이미지 센서는 통상 Aptina MT9m032 (1.6 MP) 또는 MT9P031(5 MP) 형의 CMOS 카메라 센서이다.

예를 들면, Photonfocus(A13121 타입, 60dB) 또는 Cypress(IBIS5 타입, 1.3 메가화소, 64 dB)에 의해 제조된 센서를 사용한다.

도 1b는 이러한 구성의 평면도를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 개략도이다. 다양한 성분, 특히 2개의 광원(20a/20b), 전술한 미러(5), 광학 유닛(6, 8, 10), 구멍(7) 및 회절 격자(9)가 하우징(16) 내에 배치된다.

더욱이, 하우징(16) 내에는 빠른 직렬 데이터 변환을 갖는 마이크로컨트롤러(예, Cypress 상의 FX2 성분)를 갖는 전자 유닛(13)(예, USB2/USB 3)도 존재한다. LED 정전류 제어기도 여기에 내장될 수 있다. USB 케이블 커넥터(14)는 직렬 데이터 전송 및 센서 헤드의 전력 공급을 가능케 한다.

하우징(16)은 통상 폴리머 재료로 구성된 사출 성형품이다. 약 12 mm의 하우징 직경을 갖는 공지의 소형화된 대물 렌즈로 된 렌즈를 사용하면, 약 10×15×50 mm의 센서의 하우징 치수를 얻는 것이 가능하다. 이와 달리, 8 mm의 하우징 직경의 대물 렌즈를 직접 사용할 수도 있다. 하우징(16)은 예컨대, 귓불 또는 손가락 상, 또는 투석이나 비의료적 적용의 경우, 예컨대 측정 매체의 이동을 위해 라인 상과 같은 측정점에 부착될 수 있도록 하는 형상을 가진다. 더욱이, 하우징은 자체가 당업자에게 공지된 부착 수단을 추가로 포함할 수 있다. 광이 존재하거나 들어가는 영역에서, 하우징(16)은 반사 방지 유리창으로 밀봉된다.

여기서, 분리벽(17)은 반사 측정(조사 영역(3'))과 투과 측정(조사 영역(3"))을 구분하기 위해 두 개의 다른 조사 영역(3', 3")을 분리한다(이 문맥에서 도 3b도 참조).

스펙트럼 범위에서 몰 흡수 계수가 크게 변하면, 반사 모드와 투과 모드 양자 모두에서 기록을 수행하는 것이 중요하다. 도 3a 및 도 3b는 센서 시스템을 사용하여 어떻게 이것을 달성하는지에 대한 두 가지 옵션을 강조한다.

도 3a는 공간적-시간적 분리를 제공한다. 여기서, 우선, 반사 측정의 경우 영역(3')(도 2 참조)에 대해 짧고 펄스화된 조명이 존재한다. 이 경우, 진입 대물 렌즈를 갖는 분광기 유닛(22)은 이미징 라인(15)에 유도된다. 이미지가 판독된 후, 피부상의 영역(3")을 조명하는 제2의 펄스화된 광의 광원이 활성화된다. 여기서, 광은 분리벽(17)을 통해 직접 기록 라인(15)에 도달할 수 없다. 광은 반투과 방식으로 조직을 통해 진행하며, 진행 중 일부가 기록 라인(15)에서 재출현하며, 이는 이후 신호의 투과 평가의 경우에 활용된다.

도 3b에 예시된 옵션에서, 광은 영역(3') 내로만 방사된다. 그러나, 2D 분광기 유닛은 라인(15) 상에서 전제 영역(3', 3") 위로 향한다. 어레이 상의 공간 분해의 결과로써, 두 개의 영역(3', 3")으로부터의 광을 구분하는 것이 가능하다. 분리벽(17)의 존재 결과로써, 3"에 기록되는 것은 오직 투과 신호뿐이다. 센서상에서 예측될 수 있는 영역(3', 3")으로부터의 세기 차이는 유입 구멍(7)의 하류 또는 센서 표면(11)의 상류의 빔 경로에서 고정 삽입된 중립 밀도 필도에 의해 보상될 수 있다.

도 4는 센서 시스템의 유리한 실시예의 블록도를 보여준다. 조명 유닛(20)은 측정 영역(3)으로 광을 방출한다. 전술한 바와 같이, 이 광은 이제 반사 모드 또는 투과 모드 상태에서 분석광으로서의 변형된 형태로 분광기 유닛(22) 내로 커플링된다. 분광기 유닛(22)에서 스펙트럼 분할 후, 확산광(23)이 이미지 센서(11)로 방출된다. 이미지 센서(11)는 매트릭스 배열된 광전 요소(24)로 이루어진다. 이미지 센서(11)는 2차원 CMOS 디지털 카메라 센서이고; 도 4의 블록도에서 지시되는 바와 같이, VIS 및 VNIR 스펙트럼 범위에 반응하고 매트릭스 구성으로 배열된 개별 화소들의 화소 어레이를 가진다. 일 방향(예, X-방향)에서, 다른 파장의 광 성분이 광의 확산의 결과로써 개별 화소 상에 이미지화된다. 따라서, 분석광의 스펙트럼이 X-방향의 하나의 센서 열 위에 포착된다. 센서에서 복수의 측정 열은 Y-방향으로 서로 인접하게 평행하다. 분석광의 스펙트럼은 이들 열 각각 위에서 측정된다. 통상 1000개의 열(또는 4 MP 또는 5 MP 센서의 경우에는 통상 2000개의 열)의 복수의 평행한 인접 열이 판독되고 추가되는 결과, 본 발명에 따르면, 개선된 신호 대 잡음비를 갖는 신호의 생성이 가능하다.

광전 신호는 센서 내에서 이미 증폭되고 디지털화된다. 이들 신호는 이후 연결 라인(25)을 통해 병렬 또는 직렬로 마이크로프로세서(26)로 전송된다. 마이크로프로세서(26)는 먼저 신호의 변환을 일으키고; 두 번째로 제어라인을 통해 LED 조명 유닛(20)을 제어하고 파라미터화 라인(27)을 통해 이미지 센서(11)의 파라미터화를 수행한다.

이러한 CMOS 이미지 센서(11)는 한 번의 이미지 기록을 통해 천 개까지의 스펙트럼, 즉 열 당 하나의 스펙트럼을 동시에, 예컨대 12 비트의 데이터 심도로 기록하는 것을 가능케 한다. 그러므로, 이들 스펙트럼 각각은 구멍의 하나의 이미지 요소의 스펙트럼에 대응하며, 따라서 Y-방향으로 서로에 대해 다음에 배치된 센서의 화소의 수에 따른 슬롯형 구멍(7)의 재분할에 대응한다(도 1a 참조).

이미지 센서(11)는 예컨대 초당 50회 기록의 이미지 반복률로 이미지의 기록을 반복할 수 있다. 본 발명에 따르면, 제한된 공간 영역만이 판독되는 것이 필요하므로, 예컨대 모니터링 적용의 경우 500-850 nm 범위의 작은 스펙트럼 범위만이 관련되거나 또는 혈당 측정의 경우 800-1200 nm 범위의 작은 스펙트럼 범위가 관련되기 때문에, 부분 이미지가 "관심 영역(ROI)"으로서 설정되도록 이미지 센서(11)에서 가능한 부분 이미지 기록의 사용이 가능함으로써 기본 데이터율(화소율)을 유지하면서 동시에 센서가 해당 센서의 설정 관심 영역(원하는 주파수 범위에 대응)만을 판독하는 것을 가능케 하며: 이는 시간 당 전송된 프레임의 수, 즉 이미지 또는 부분 이미지의 수를 증가시킨다.

통신 라인(29)을 통해 마이크로프로세서(26)는 시스템의 메인 프로세서(30)와 통신을 취한다. 여기서, 이미지 데이터는 메인 프로세서(30)로 전송되고, 메인 프로세서는 센서 시스템(33)에 파라미터화 데이터를 제공한다. 센서 시스템(33)의 전력도 통신 라인(29)을 통해 공급된다. 접속의 유리한 실시예는 USB 접속인데, 이는 동시에 높은 데이터 전송률과 5V의 전압 공급을 가능케 한다. 메인 프로세서(30)는 디스플레이 및 입력 유닛(31)을 포함하며, 이 유닛을 통해 시스템 관련 파라미터가 사용자에 의해 설정될 수 있고, 현재 설정된 데이터가 보여질 수 있다. 프로세서, 메모리 및 사용자 단말기는 환자와 일정 거리에 설치될 수 있는 유닛(32)에 내장될 수 있다. 메인 프로세서는 통상 듀얼-코어 컴퓨터인데, 이미지 처리는 제1 코어에서 행해지며 조직 및 혈액 값의 판정을 위한 데이터의 평가는 제2 코어에서 행해진다.

도 5는 체내 혈액 측정 중의 전형적인 신호의 시간 프로파일을 개략적으로 나타낸다. 여기서, 광학 신호는 정적 성분과 맥동적 성분을 가진다. 정적 성분 또는 보다 구체적으로 오직 장시간 변화를 겪는 성분은 우선 정맥혈로부터 오고, 두 번째로 조직으로부터 온다. 여기서, 조직으로부터의 신호는 두 개 영역으로 더 분할되어야 한다. 하나의 성분은 조직의 성분에 의존하고, 다른 성분은 실제 광 경로에 영향을 미치는 조직의 산란 특성에 의존한다. 맥동적 성분은 심장이 동맥혈을 펌핑하는 것에 의해 발생된다. 동맥혈에서의 흡수는 수축시 및 이완시에 같지 않다. 이것은 구별을 허용한다. 여기서, 높은 산소 포화도의 혈액이 측정되는 신체 부분 내로 펌핑된다. 여기서, 건강한 사람의 헤모글로빈의 산소 포화도는 95-99 %의 범위에 있다. 맥동성 신호 성분은 파장-의존적이고 측정점과 측정 방식(반사/투과)에 의존한다. 더욱이, 측정점의 승온 여부에 차이를 보인다. 건강한 사람의 손가락 측정의 경우, 맥동적 성분은 (투과 측정의 경우) 3-20 %에 있을 수 있다. 예컨대 귓불 상에서의 반사 측정의 경우, 해당 값은 0.5-1.5 %일 수 있다. 맥동적 성분은 관류가 약하거나 급성의 문제를 갖는 환자의 경우 심지어 더 낮다.

맥박 및 산소량 또는 혈당량은 이러한 적은 성분으로부터 판정되어야 한다. 본 발명에 따르면, 스펙트럼은 매우 빨리 기록될 수 있고(대략 50-100 Hz), 약 1000 개의 개별 스펙트럼이 추가되어 매 기록마다 스펙트럼을 형성할 수 있다. 이를 이용하면, 분광법에서 스펙트럼 내의 정적 성분과 맥동적 성분의 구분이 가능하다.

도 6a는 모니터링 적용의 경우 통상의 LED 조명 유닛의 스펙트럼을 나타낸다. 시스템은 500-850 nm의 스펙트럼 범위의 광을 제공하는 조명 유닛을 필요로 한다.

백색광 LED와 같이 염료를 여기시키기 위해 청색광 이미터(450 nm)를 갖는 적절한 광대역 LED의 스펙트럼이 예시된다. 이러한 LED는 특히 500-650 nm의 스펙트럼 범위의 양호한 강도 분포를 가진다. 적용 분야에 따라, 상당히 낮은 색채 온도의 백색광 LED도 사용 가능하거나, 다른 염료 화합물을 사용 가능하거나, 또는 추가의 단색 LED가 조명에 더 추가될 수 있었다.

도 6b는 수분의 흡수 곡선과 그 2차 도함수를 보여준다. 수분은 730 nm와 830 nm에서 약한 흡수 대역을 가진다(복합 진동 av₁+bv₃; 여기서 a+b=4). 그러나, 이것은 여기 제시된 기법을 이용하여 잘 평가될 수 있다. 관련 문헌에서는 사람의 혈액 내의 수분 성분이 매우 일정하고 80-85 부피%에 있는 것으로 개시하고 있으므로, 맥동적 성분에서 수분 신호를 통해 농도를 절대적으로 판정하는 것도 가능하다. 이것은 모니터링 중에 그리고 예컨대 혈당 측정 중에 마찬가지로 적용될 수 있다.

이에 대해, 혈당 측정은 800-1200 nm의 스펙트럼 범위(도시 생략)의 광을 제공하는 조명 유닛을 필요로 한다.

도 7은 산소화 헤모글로빈(HbO₂)의 관련 스펙트럼과 흡수 스펙트럼으로서 그리고 1차 및 2차 도함수로서 추가의 헤모글로빈 도함수 값을 나타내며, 여기서 횡좌표상에 500-800 nm의 파장(λ) 범위를 정하고 있다. 이러한 매우 정확한 알려진 데이터는 앞서 설명된 다변량 회귀를 이용하여 물질의 성분을 계산할 수 있게 한다.

이 경우 중요한 것은 제시된 기법이 흡수 신호의 평가는 물론, 2차 도함수를 이용하는 것에 의해 나머지 물질로부터 매우 정확한 묘사를 행하는데 사용될 수 있다는 것이다. 평가를 위해 다변량 통계 분석법이 선택적으로 이용된다. 관련성이 있어서 확인될 모든 물질의 개별 스펙트럼은 미리 유익하게 측정되고 저장된다.

도 8a-11은 센서의 특정 설계와 그에 따른 측정을 보여준다.

도 8a 및 도 8b는 다른 스펙트럼의 시뮬레이션을 보여준다. 좌측 칼럼의 스펙트럼은 제1 종류의 센서(38.10 dB)를 기초로 생성되었다. 우측 칼럼의 스펙트럼은 제2 종류의 센서(64 dB)를 기초로 생성되었다. 예를 들면, 이러한 센서는 6.7㎛×6.7㎛의 화소 크기의 1280×1024개의 화소를 갖는 Cypress사에서 제작된 1.3 메가화소 CMOS 이미지 센서(IBIS5-B-1300)이다. 시뮬레이션의 목적으로, 5개의 매우 양호하게 측정된 스펙트럼을 시작 포인트로서 취하였다. 이들로부터, 각각 30개의 개별 스펙트럼이 생성되고, 해당 스펙트럼으로 인공적인 센서 노이즈가 부가된다. 그 결과는 도식화된다. 개별 측정의 경우 산란이 예측될 것임을 보여준다.

상부에서 하부까지, 다양한 예시물은 스펙트럼 통합의 갯수의 영향을 보여준다. 예시물은 사람의 손가락에서 생성되는 890-920 nm 파장 범위의 스펙트럼의 2차 도함수를 보여준다. 상부로부터 하부까지, 개별적 예시물은 수많은 개별 스펙트럼를 추가하는 것에 의해 발생된 동일한 수의 (시뮬레이션) 스펙트럼을 보여주며, 이때 해당 스펙트럼 수는 아래로 갈수록 증가한다. 여기서, 이미 1000개의 열이 하나의 "프레임"에 통합되어 있다. 최상부 예시물은 1 프레임을 나타낸다. 최하부 예시물은 3000 프레임을 나타낸다.

도 9는 본 발명에 따른 장치(1)의 바람직한 실시예를 보여준다. 이 도면에서, 동일한 참조 부호는 이전의 도면에서와 동일한 성분을 지시한다. 장치(1)는 다양한 광학 및 전자 성분이 배열된 하우징을 포함한다. 측정은 손가락에 대해 수행된다. 손가락은 측정 영역(3) 내로 안내된다. 센서는 실제 혈당의 측정에 적합하다. 광대역 LED(20)는 측정 영역(3)의 방향으로 통상 800-1200 nm 스펙트럼 범위의 광을 방출한다. 하우징(16)은 광이 나오는 개구를 구비한다. 개구는 출사되는 광에 투명한 커버(19)에 의해 커버될 수 있다. 손가락을 통해 재출현되는 광은 마찬가지로 광에 투명한 커버(19)를 포함하는 하우징(16)에 있는 제2 구멍을 통해 하우징(16) 내로 전달된다. 광은 미러 구성(5), 슬릿 구멍(7) 및 제1 이미지화 광학 유닛(8)을 통해 회절 격자(9)로 편향된다. 회절 격자(9)는 광을 파장-의존적 방식으로 확산시켜 제2 이미지화 광학 유닛(10)을 통해 이미지 센서(12)의 센서 표면(11)으로 전달한다. 이미지 센서(12)와 LED(20)는 하우징(16) 내에 공통 인쇄 회로 기판(18) 상에 배치된다. 인쇄 회로 기판(18)은 더욱이 LED(20)와 이미지 센서(12)를 제어하기 위한 전자 성분을 포함한다. 특히, 인쇄 회로 기판(18)은 USB 제어기(36)와 USB 커넥터(상세 도시 생략)를 또한 구비한다. 이러한 USB 인터페이스는 우선 장치(1)로의 에너지 공급을 가능케 한다. 두 번째로, 외부 컴퓨터 또는 디스플레이 기기와의 데이터 교환을 가능케 한다. 통상, 센서 상에 4×4 화소가 결합된다(비닝(binning)). 결합된 데이터는 USB 인터페이스를 통해 컴퓨터로 전송된다. 거기서, 센서의 정적인 광학적 왜곡의 제거 후에 스펙트럼이 추가된다.

고출력 LED가 LED로서 사용된다. 적절한 무색 렌즈(achromats)가 렌즈로서 사용된다. 격자는 통상 300 1/mm 또는 600 l/mm인 스펙트럼 범위에 따라 최적화된 격자이다.

도 10은 도 9에 따른 센서에 의해 포착된 스펙트럼의 시간 프로파일을 보여준다. 스펙트럼은 반투과 모드에서 500-850 nm 스펙트럼 범위에서 손가락에 대해 측정된다(일 포인트에서 조직에 결합되고 동일측에서 다른 포인트에서 분리된다). 도 10은 두 개의 다른 접촉 압력(0과 대략 10s와 20s 이상으로부터 사이의 낮은 접촉 압력/약 10-20s 사이의 높은 접촉 압력)으로 스펙트럼의 시간 프로파일을 보여준다. 맥박은 산화된 Hb의 강한 흡수의 결과로써 520-580 nm의 스펙트럼 범위에서 쉽게 확인될 수 있다. 맥박은 마찬가지로 650-850 nm의 범위에서 확실히 확인될 수 있는데, 이는 광이 손가락 깊이 침투되고 거기서 더 많은 동맥혈이 신호에 기여하기 때문이다. 거기의 두 곳의 영역은 도 10에서 번호 1로 지시된다. 이에 비해, 10-20s의 강한 접촉 압력의 경우, 맥박은 증상이 현저히 줄어든다. 따라서, 특히 맥박 분해적 측정이 중요한 경우인 모니터링시 접촉 압력이 너무 높지 않음을 주의하여야 한다.

번호 2에서 산화 헤모글로빈(HbO₂-동맥혈)의 특징적 대역 형태를 확인하는 것이 가능하다. 540/578 nm에서 더블 피크가 존재한다. 660-680 nm 범위의 매우 낮은 흡수가 존재한다.

도 10에서 번호 3은 760 nm에서 산소제거된 헤모글로빈의 흡수 대역을 보여준다.

최단 파장에서, 흡수는 비교적 높은 접촉 압력(도 10의 번호 4)에서 크게 떨어진다. 흡수는 비교적 적은 혈액이 유용하기 때문에 감소된다(혈액은 손가락으로부터 압력을 받는다).

흡수 더블 대역(번호 5로 지시됨)의 변위는 혈액 내의 HbCO의 성분에 대한 정보를 제공한다.

6으로 지시된 650 nm에서의 영역은 메트헤모글로빈 성분(MetHb)의 확인에 사용된다.

도 11은 도 10에 도시된 스펙트럼의 2차 도함수를 보여준다. 사실상 스펙트럼의 2차 도함수(유도 분광)에 의해 작용함이 알려져 있다. 이를 이용하여 스펙트럼으로부터 모든 정적인 성분을 제거하는 것이 가능하다. 결국, 조명의 변화로부터 오고 또한 조직 산란에 따른 다른 광 수준으로부터 오는 아티팩트의 제거가 가능하다. 더욱이, 중요한 정보는 증폭된다. 도함수의 사용은 복수의 물질의 혼합체에서 성분의 흡수 최대치가 단지 미미한 차이를 보이거나 중복되는 경우 특히 유용하다. 2차 도함수는 상당한 추가의 정보를 제공한다. 맥박은 여전히 2차 도함수에서도 확인될 수 있다. 그러나, 동맥혈(HbO₂)과 조직/정맥혈 사이에서 흡수 차이가 큰 경우에만 두드러진다. 이것은 특히 600-630 nm의 스펙트럼 범위(번호 1로 지시됨)의 경우이다. 흡수는 장파 스펙트럼 범위에서 차이가 덜하다. 따라서, 2차 도함수의 맥박 진폭은 크게 낮다(도 11에서 중심 영역의 번호 2 참조).

맥박은 강한 접촉 압력의 경우에 2차 도함수에서 덜 확인 가능하다. 번호 3에서, 맥박 진폭에서는 물론, 압력 증가시 흡수 대역의 형태 및 위치에서도 변화가 존재한다. 이것은 압력 증가시 특히 동맥혈이 손가락으로부터 압박됨을 보여준다.

산화 헤모글로빈의 더블 피크(번호 4로 지시됨)가 2차 도함수에서 분명히 확인 가능하다.

산소제거된 Hb(HHb)의 성분은 조직과 정맥혈에서 크다. 이 경우 현저한 흡수 대역은 760 nm에 있다. 그것은 동맥혈이 거의 완전히 산화되므로 접촉 압력의 함수로서 거의 변하지 않는다. 이 대역의 세기와 산화 헤모글로빈(영역 4에서 더블 피크로 확인 가능) 사이의 비율로부터 조직 산화 포화도(StiO₂)의 판정이 가능하다.

2차 도함수, 특히 그 곡선 프로파일과 개별 흡수 피크의 위치로부터 HbCO의 농도의 판정이 가능하다. 농도는 HbO₂, HHb, HbCO 및 HbMet의 공지의 파장-의존적 흡수 계수의 결과로써 판정될 수 있다.

혈액 성분 및 그 변화의 분석을 위해, 시간-분해적 (따라서 맥박-분해적인) 방식으로 데이터를 포착하는 것이 편리하다. 이것은 목적하는 방식으로 심장 수축기로부터 그리로 이완기로부터 각각 데이터를 포착하고 이를 각각 분석하는 것을 가능케 한다(높은 흡수가 심장 수축기를 나타내고 동맥혈에서 비교적 낮은 흡수가 이완기를 나타내는 도 4의 예시물 참조). 특히, 동맥혈 성분의 순수 스펙트럼은 수축기와 이완기의 스펙트럼의 차이로부터 나온다. 그러나, 도 5에 예시된 바와 같이, 수축기와 이완기 사이의 흡수의 차이는 전체 흡수에 비해 비교적 작다. 전체 흡수가 크면, 센서 상에 여전히 존재하는 광신호는 매우 낮은 수준이다. 본 발명에 따르면, 2차원 센서의 복수의 인접 열의 스펙트럼은 동시에 기록된 후 함께 추가되기 때문에, 충분히 높은 품질의 신호가 얻어진다. 그러므로, 수축기와 이완기 사이의 매우 작은 스펙트럼 차이의 평가도 가능하다.

Claims

측정 매체의 성분 또는 특성, 특히 생리적 혈액 값의 확인 및 모니터링을 위한 장치로서,
측정 영역(3; 3'; 3")에 대해 작용하도록, 바람직하게는 적어도 500-850 nm 및/또는 800-1200 nm로 이루어진 광대역 광(2; 2a; 2b)을 발생시키는 적어도 하나의 광원(20; 20a; 20b), 보다 구체적으로는 LED와,
적어도 하나의 측정점(3; 3'; 3")에 의해 복귀되었거나 상기 측정점을 통과한 분석광(4)을 그 파장에 따라 확산시키는 확산 수단과,
확산된 분석광(13)을 기록하기 위한, 다른 파장의 광이 2차원 센서 어레이(11)의 다른 포인트에 충돌하도록 구성된 2차원 센서 어레이(11), 보다 구체적으로는 2차원 CMOS 어레이를 포함하고,
상기 장치(1)는 바람직하게는 하우징(16)을 구비하고, 적어도 상기 광원(20; 20a; 20b)과 상기 확산 수단(9)과 상기 센서 어레이(11)를 포함하는 조밀한 조립체로서 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 하우징(16)은 사람인 환자의 신체상의 포인트에, 보다 구체적으로 손가락이나 귓불에, 또는 측정 매체를 위한 라인에 부착되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 확산 수단은 회절 격자(9), 보다 구체적으로 홀로그램 격자를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치(1)는 분석광(4)의 유입 영역과 확산 수단(9) 사이에 배치되는 슬릿 구멍(7)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 광을 확산시키는 상기 확산 수단(9)에 대하여, 상기 슬릿 구멍(7)은 긴 이미지가 해당 긴 이미지와 다른 방향, 바람직하게는 수직인 방향으로 형성되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 아날로그/디지털 변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 바람직하게는 파라미터화될 수 있는 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 전기적 통신 연결을 위한 커넥터(29)를 구비하고, 상기 장치는 보다 구체적으로 광을 장치로 또는 장치로부터 멀어지게 안내하기 위한 커넥터를 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 투과 및 반사를 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 장치는 투과 측정 및 반사 측정을 교대로 수행하는 것이 가능하도록 구성된 컴퓨터 구성(26)을 가지고, 상기 장치는 제1 측정 영역(3')을 조명하는 것에 의해 반사 측정을 수행하는 제1 광원과, 투과 측정을 수행하기 위해 제2 측정 영역(3")을 조명하는 제2 광원(20b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제9항에 있어서, 상기 장치에는 반사 영역(3')과 투과 영역(3")으로부터 분석광(4)을 분리시키는 분리 수단(17)이 마련되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 측정되는 생리적 혈액 값의 조직 성분과 맥동적 성분이 수립되는 것이 가능하도록, 50 Hz 초과의 주파수로 주사를 행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치에는 바람직하게는 외부 컴퓨터 구성(26, 30)이 할당되며, 상기 컴퓨터 구성은 시간 분해적 방식으로 측정이 행해질 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치에는 바람직하게는 외부 컴퓨터 구성(26, 30)이 할당되며, 상기 컴퓨터 구성은 포착된 스펙트럼의 2차 도함수를 구하는 것이 가능하고 해당 2차 도함수를 기초로 특히 생리적 혈액 값을 구할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2차원 센서 어레이(11)는 확산된 분석광이 해당 2차원 센서 어레이(11)의 복수의 인접하는 열 위에 충돌하도록 배치되고, 상기 장치(1)는 상기 인접하는 열에 의해 발생되는 스펙트럼을 추가하도록 구성된 컴퓨터 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
외부 컴퓨터 구성(32)과 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 장치의 조합체로서, 상기 장치(1)와 상기 컴퓨터 구성(32)은 통신 케이블(29)에 의해 상호 연결되거나 상호 연결 가능한 것인 조합체.
측정 매체의 성분 또는 특성, 특히 생체의 생리적 혈액 값의 확인 및 모니터링을 위한 방법으로서, 특히 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 장치와 협력하여,
-광대역 광원(20; 20a; 20b)으로부터 적어도 측정 영역(3; 3'; 3")으로 광(2; 2a; 2b)을 조사하는 단계와,
-반사 및/또는 투과 모드에 돌아온 분석광(4)을 포착하는 단계와,
-포착된 분석광(4)의 파장-의존적 확산을 행하고, 포착된 분석광(4)의 개별적인 파장-의존적 성분을 2차원 센서 어레이(11), 보다 구체적으로 스펙트럼을 생성하는 2차원 CCD 카메라 상에 이미지화하는 단계, 그리고
-측정 매체의 성분 또는 특성, 특히 혈액 값을 구하기 위해 생성된 스펙트럼을 평가하는 단계를 포함하며,
특히 생체의 측정 영역(3; 3'; 3")에 미리 하우징이 제공되고, 해당 하우징은 상기 광원과 상기 센서 어레이를 내장하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서, 상기 분석광(4)은 다른 격자(9)에서 확산되는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 분석광(4)은 반사 모드와 투과 모드에서 포착되는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분석광(4)은 시간-분해적 방식으로 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생리적 혈액 값을 구하도록 포착된 스펙트럼의 2차 도함수를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 50 Hz보다 큰 주파수에서 주사를 행하고, 측정된 생리적 혈액 값의 조직 성분과 맥동적 성분을 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산된 분석광은 상기 센서 어레이(11)의 복수의 인접하는 열 위에 이미지화되고, 개별 열들에 의해 생성된 스펙트럼이 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
컴퓨터 상에서 실행될 때 제17항 내지 제22항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.