KR20140069055A - 웨어러블 산소농도계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 산소농도계는 손목돌출뼈의 말단부 위 영역에 고정되고, 이런 고정영역으로부터 정맥혈을 제거하는 돔형 구조체; 및 파장이 각각 다른 적어도 2개의 광원과 이들 각각 다른 파장에 반응하는 적어도 하나의 디텍터;를 포함하고, 디텍터는 손목돌출뼈의 말단부로부터 고정영역을 투과하는 광원의 방출광을 측정하는 것을 산소농도계를 제공한다. 반사광은 방출광과 20°~160°의 각도를 이룬다.

Description

웨어러블 산소농도계{WEARABLE PULSE OXIMETRY DEVICE}

본 발명은 손목에서 산소농도를 측정하는 시스템과 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 손목에 착용할 수 있는 산소농도계에 관한 것이다.

의사는 보통 환자의 생리적 특징들을 감시(모니터)하길 원한다. 이런 목적으로, 환자의 생리적 특징들을 모니터링하는 각종 기기들이 개발되었고, 이런 기기들은 환자와 의사와 기타 헬스케어 관계자들에게 환자를 최적으로 돌보는데 필요한 정보를 제공한다. 그 결과, 이런 모니털이 기기들은 현대 의학에서는 필수불가결하게 되었다.

환자의 싱리적 특징들을 모니터링하는 장치의 하나인 맥박산소포화도 측정기는 헤모글로빈의 동맥혈 산소포화도(SPO2)나 환자의 심박에 해당하는 맥박과 같은 다양한 혈액 특징들을 측정하는데 이용된다. 사실상, 맥박산소포화도 측정의 "맥박"은 매 심장주기 동안 측정부에서의 동맥혈의 시간변화량을 의미한다. 당업자라면 알 수 있듯이, 이런 생리적 인자들을 구하는데 사용되는 맥박산소포화도 측정법을 간단히 PPG(photoplethysmography)라고도 한다. 이하, 설명의 편의상 맥박산소포화도 측정기를 간단히 "산소농도계"라 한다.

산소농도계는 비침투성 광학센서를 이용해 환자의 조직 내부로부터의 광반응을 감지하여 조사된 부분의 조직내에 흡광량을 표시한다. 이런 흡광량을 기초로 전술한 생리적 특징들을 계산한다. 구체적으로는, 조직을 투과한 빛은 혈액내의 헤모글로빈 함량에 반응하는 양으로 혈액에 흡수되는 파장을 갖도록 선택된다. 각각 다른 파장의 빛의 흡광량을 이용해 동맥혈의 헤모글로빈 관련 인자들을 추정하는데, 이때 다양한 알고리즘을 사용한다. 혈압파가 전파되는 동안 빛 조사부에서의 동맥혈량의 맥동변화는 센서의 포토디텍터가 감지한 광반응 강도를 변화시킨다.

산소농도 측정치의 품질은 일부는 빛을 조사한 조직의 혈액류 특징에 따라, 일부는 조사된 조직내 혈액량의 맥동변화 크기에 좌우된다. 산소농도 측정기술은 혈액류가 양호한 조직 부위, 구체적으로는 환자의 손가락이나 발가락이나 귓볼을 이용하고, 이곳에 센서를 설치한다.

도 1은 환자의 손가락(12)에 끼우는 종래의 센서(10)를 보여주는 사시도이다. 이 센서(10)의 클립은 산소농도를 측정하는 동안 센서(10)를 손가락(12)에 조여주는 2개 클립부분(14,16)으로 이루어진다. 비슷한 종류의 센서들이 케이블(18)을 통해 모니터 장치에 연결되어, 센서의 신호를 처리한다. 이렇게 연속적인 감시모드를 채택하는 센서는 환자가 모니터 장치 부근에 머물러야만 하므로, 운신이 제한된다. 또, 클립부분(14,16)이 환자의 손가락(12)을 과도하게 조여, 환자가 센서(10)를 벗고싶어 하거나 모니터링을 중단해야만 할 수도 있다. 이때문에 이런 센서는 장시간 계속해서 산소농도를 측정하기에는 부적절하다.

기존의 생리신호 측정기에서 늘상 일어나듯이, 측정된 데이터에 잡음이나 기타 이상이 있으면 수집된 데이터의 품질이 바뀌거나 악화되어, 현재 발생되는 생리적 과정의 표시에 대한 신뢰성이 부족하여 이용할 수 없기도 하다. 산소농도계도 일반적으로 환자의 무의식적이나 의식적인 동작으로 인해 모션잡음이 생길 우려가 크다. 이런 잡음은 데이터를 왜곡하고, 결국에는 측정값의 품직에 악영향을 준다. 생리적 측정값의 정확도와 신뢰성이 혈류량은 물론 조직내의 비맥동 혈액 분포에 의해서도 큰 영향을 받지만, 모션잡음이 지나치거나 크면 전체적인 산소농도 측정값에도 상당한 영향을 준다. 이때문에, 산소농도 측정법은 혈류가 약하거나 모션잡음이 강한 신체부위에는 적용하기가 곤란하다. 또, 이런 신체부위는 빛을 투과시켜 빈대쪽에서 디텍터로 감지하는 산소농도계도 적용하기 곤란하다. 즉, 산소농도측정이 필요한 신체부위는 빛이 투과하기에는 두꺼운 조직층을 가져, 산소농도측정을 방해한다.

사용자의 손목에 착용하는 기존의 산소농도계가 다름 특허에 소개되었다: 미국특허서류 2010/056934, 2009/247885, 2010/331709, 2002/188210, 미국특허 6210340; 일본특허서류 2009160274, 20052705443, 2009254522, 2010220939, 2005040261; WIPO 특허서류 2010/111127, 한국특허서류 20110006990, 영국특허서류 2341233. 이들 장치는 빛을 0도의 반사모드나 180도의 투과모드로 감지한다. 본 발명자들의 WIPO 특허서류 2011/013132에서는 적어도 2가지 파장의 빛을 호나자에게 조사하여 PPG 측정에 영향을 주는 PPG 장치를 이용해 흡광 관련 혈액분석농도 인자들을 측정하는 시스템과 방법을 소개하는데, 여기서는 각각의 파장마다 상대적 흡광율을 결정하고, DLS(dynamic light scattering) 측정기를 이용해 DLS 측정을 하며, PPG와 DLS 측정값 결과들을 임시로 연계하여 흡광관련 형액분석 농도인자들을 추정한다.

본 발명은 손목돌출뼈의 말단부 위 영역에 고정되고, 이런 고정영역으로부터 정맥혈을 제거하는 돔형 구조체; 및 파장이 각각 다른 적어도 2개의 광원과 이들 각각 다른 파장에 반응하는 적어도 하나의 디텍터;를 포함하고, 디텍터는 손목돌출뼈의 말단부로부터 고정영역을 투과하는 광원의 방출광을 측정하는 것을 산소농도계를 제공한다. 반사광은 방출광과 20°~160°의 각도를 이룬다.

도 1은 환자의 손가락에 끼우는 종래의 센서의 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 산소농도계의 사시도;
도 3은 사용자가 착용한 산소농도계의 사시도;
도 4~5는 산소농도계를 구성하는 시스템과 구조들을 보여주는 단면도와 사시도;
도 6은 손목돌출뼈에 들어맞는 구조체를 보여주는 측면도;
도 7은 본 발명에 따른 다른 산소농도계의 측단면도;
도 8은 산소농도 데이터를 보여주는 그래프 세트;
도 9는 산소포화도 데이터를 보여주는 그래프 세트
도 10은 본 발명에 따른 산소농도 데이터를 구하는 과정을 보여주는 순서도;
도 11은 산소농도 데이터를 보여주는 그래프;
도 12는 상관관계도 차트;
도 13은 본 발명에 따른 히스토그램;
도 14는 본 발명에 따른 다른 히스토그램;
도 15A~C는 종래의 반사모드(15A)와 투과모드(15B) 및 본 발명의 광투과 모드(15C)의 측정법을 보여주는 개략도들;
도 16A~E는 본 발명에 따른 산소농도계의 여러가지 측정구조를 보여주는 단면도들;
도 17A~B는 미착용 상태의 산소농도계의 사시도.

여기서 사용된 "광투과"란 측정된 빛이 (단순한 반사인) 0도 보다는 크고 (단순한 투과인) 180도 보다는 작은 각도로 표면에서 반사되는 것을 의미한다. 광투과모드에서의 반사각도는 대략 20도와 160도 사이에 있지만, 반드시 그런 것도 아니다. 광투과 모드에서 측정광은 광원에서 방출되고 (곡면일 수도 있는) 반사면에 각도를 이루고 부딪친 다음, 각도를 이루어 디텍터로 반사된다. 실상, 광투과는 다양한 광경로로 움직이는 빛을 포함하는데, 보통 광원을 원점으로 하고 디텍터를 측정점으로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 산소농도계(30)의 사시도이다. 이 산소농도계(30)는 사용자의 손목(31)에 차는 손목형으로서(도 3 참조), 사용자가 손목에 차고있는 동안 사용자의 맥박과 산소포화도(SPO2) 데이터를 측정한다. 따라서, 사용자는 시계나 팔찌나 액세서리처럼 산소농도계(30)를 간단히 손목(31)에 착용한채, 산보, 달리기, 사이클링과 같은 일상생활을 영위할 수 있다. 본 발명의 산소농도계(30)는 모니터링 장치에 연결하거나 제한된 장소에 머무르지 않고도 필요할 때는 언제라도 착용하고 데이터를 측정할 수 잇다. 따라서, 이 산소농도계(30)는 산소포화도를 구하기 위한 각종 광전 신호들을 측정, 분석 및 처리하는 자급자족식 장치이다. 이 산소농도계(30)는 유선/무선 인터페이스도 있어, 외부나 원격 장치와 통신하거나 데이터신호를 중계할 수 있다. 즉, 이 산소농도계(30)는 임의의 원격지 사용자나 기관이나 병의원은 물론 착용자의 산소포화도 데이터를 필요로 하는 누구에게도 산소포화도 데이터를 수집해 제공할 수 있다.

도 2~3에 의하면, 산소농도계(30)의 손목밴드(32)는 케이싱(34)에 연결되고, 유연하거나 늘어나는 재질, 예컨대 고무, 실리콘, 연질 플라스틱, 천이나 연마된 금속 등 사용자가 산소농도계를 차고있는 동안 손목에 맞춰 편안하게 느낄 수 있는 모든 재질로 이루어질 수 있다. 케이싱(34)은 금속이나 경질 플라스틱과 같이 외부로부터 내부 기능성 부품들을 보호할 수 있게 감쌀 수 있는 강하고 내구성 있는 재료로 이루어진다. 도시되지는 않았지만, 케이싱(34) 안에 들어있는 부품들은 배터리, 프로세서, IC 회로기판, LED 등 산소농도계의 모든 기능에 필요한 각종 전기, 기계, 광학 기기들이 들어있다.

케이싱(34) 윗면에 있는 디스플레이(36)에 산소농도나 다른 데이터가 표시된다. 당업자라면 알 수 있듯이, 디스플레이(36)는 LED와 같은 일반 디스플레이이다. 디스플레이(36) 옆에는 사용자가 접근하여 작동시킬 수 있는 버튼(37)이 배치되는데, 이런 버튼은 일반적으로 사용자가 사용중에 필요한 문자나 숫자를 입력할 수 있는 숫자 버튼이나 알파벳 버튼이다. 경우에 따라서는 버튼(37)을 케이싱(34)의 옆에 배치하거나, 사용자가 쉽게 접근할 수 있는 곳에 배치한다.

도 4는 산소농도계의 단면도이고, 도 5는 사시도이다. 도 4~5는 산소농도계를 구성하는 시스템과 구조들을 보여주는데, 이에 대해서는 후술한다.

도 4의 산소농도계(30)는 사용자의 손목(31)에 감긴 것으로, 산소농도계의 안쪽에 배치된 구조체(40)는 손목(31)의 돌출뼈(38)를 덮는 돔형 모양으로, 손목돌출뼈를 편안하게 감싸서 산소농도계가 손목(31)에 단단히 고정되게 한다. 도 5에서 보듯이, 구조체(40)의 내부 부위(42)에 산소농도계(30)를 손목(31)에 감았을 때 손목돌출뼈(38)가 들어간다. 즉, 구조체(40)는 손목에 산소농도계를 감았을 때 밀착되도록 손목돌출뼈(38)와 일치되는 형상을 갖는다. 그 외에도, 손목과 산소농도계가 이렇게 밀착되면 산소농도계(30)의 탐침요소들과 사용자의 피부조직 사이의 연결이 개선되어, 데이터를 더 잘 수집할 수 있다. 한편, 사용자가 착용하고 있는 동안 외부 진동이나 충격으로부터 보호하기 위해 고무와 같은 보호재나 패딩 안에 센서요소들을 내장할 수도 있다. 이런 재료는 모든 외력을 완화시키므로, 산소포화도 측정시 나타날 수 있는 잡음은 줄이면서 데이터는 더 잘 수집할 수 있다.

돔형 구조체(40)는 손목돌출뼈(38)의 형상과 일치되고 쉽게 변형될 수 있는 유연한 재료, 예컨대 실리콘이나 플라스틱이나 연질 금속이나 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 따라서, 이 구조체(40)는 다양한 형상과 크기의 손목돌출뼈에 편안하게 잘 맞게된다. 구조체(40)는 산소농도 측정값을 구하는데 사용되는 전자파를 방출하고 감지하는 각종 전기광학 요소들과 사용자 사이의 중간 구조체 역할은 물론, 디텍터에 주변광이 들어가지 못하게 차단하기도 한다.

구조체(40)나 그 부근에는 LED(50)나 광디텍터(52)와 같은 광소자들이 배치된다. 도 5에서 보듯이, LED(50)의 빛이 손목(31) 안쪽으로 지나가기 위한 구멍(44)과 디텍터(52)가 받는 빛이 통과하는 구멍(46)이 구조체의 내부 부위(42)에 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, LED(50)의 빛이 손목 피부조직을 투과해 디텍터(52)에 모이도록 LED와 디텍터가 배치된다. 즉, 손목돌출뼈(38)가 LED(50)와 디텍터(52) 사이에 위치하고, LED에서 나온 빛이 손목돌출뼈에서 산란하여 디텍터(52)로 들어간다. 본 실시예에서는 손목(31) 부근, 구체적으로는 손목돌출뼈(38) 부근에 광학소자/디텍터가 배치되어 있지만, 이런 구성을 예를 든 것일 뿐이고, 양호한 산소포화도 데이터를 구할 수만 있으면 LED(50)와 디텍터(52)를 손목돌출뼈 부근에 어떻게 배치해도 된다. 이런 광센서 구조에서는, 빛의 직진 투과성분과 반사성분은 감지되지 않고 디텍터로 보내진 빛의 확산된 산란성분만이 측정된다.

LED(50)는 파장 660 nm 정도의 적색광을 내는 것이 좋지만, 파장 940nm 정도의 적외선을 낼 수도 있고, 또한 이에 한정되지도 않으며, LED에서 나온 빛을 디텍터(52)에서 감지할 수만 있으면 된다. 피부조직을 통과한 빛은 혈액내 헤모글로빈 농도에 따라 혈액과 연질 피부조직에 흡수된다. 각 파장에서의 흡수율은 혈액내 헤모글로빈의 산소농도에 좌우된다. 후술하겠지만, LED(50)에서 나온 빛은 손목돌출뼈(38)의 여러 곳에서 산란된채 디텍터(52)에 도달한다.

손목돌출뼈(38)에 의한 빛의 산란은 빛이 전파되는 조직내의 혈액과 다른 혈액운반 구조체들에 의한 빛의 흡수를 증가시킨다. 산소농도계(30)에 의해 광경로 길이가 증가되어, 전파되는 빛과 주변 조직 사이의 작용이 증가하여, 종국적으로는 산소포화도 데이터를 구할 수 있는 신호가 강화된다.

분광광도법에 의한 헤모글로빈의 산소포화되 측정을 위한 본 발명의 산소농도계(30)에 적용된 기술은 용액을 투과한 빛의 강도와 용질의 농도 사이의 관계를 설명하는 Beer-Lambert 법칙을 기반으로 한다. 이 기법을 맥박측정법과 결합한 것을 PPG(photoplethysmography)라 한다. 용액을 투과한 빛의 강도로부터 투명한 용액내의 흡광물질의 농도를 알려면, 입사광의 강도와 파장, 전달 경로 길이, 및 특정 파장에서의 물질의 흡수율, 즉 빛이 전파하는 매질의 흡광계수가 필요하다.

일반적으로 혈관이 맥동하면 빛의 전파 길이가 길어져 흡광율도 증가한다. 따라서, 감지된 광반응은 일반적으로 시간에 따른 AC 신호와 비맥동 배경 DC 신호로 이루어진다. 이때문에 특정 신호처리 알고리즘을 이용해 먼저 각 파장에서의 흡광의 AC 성분들을 결정하고 이 파장에서의 대응 DC성분과 분리한다. 전술한 바와 같이 2가지 LED(50)에서 나오는 적색광과 적외선을 사용하면, 2 주파수에서의 각 성분에 흡수된 흡광율을 이용해 흔히 감마로도 표시되는 "맥파" 흡수율 R을 아래 수학식으로 결정한다.

R = (AC₆₆₀/DC₆₆₀)/(AC₉₄₀/DC₉₄₀) (식 1)

혈관이 맥동할 때마다 측정된 흡광율 차이를 축적하여 구한 산소포화도 측정값들은 체적값으로서, 매번 측정할 때마다 환자의 혈관내의 측정 위치들에 있는 혈액의 체적을 나타낸다.

이상의 데이터 수집, 분석 및 처리는 산소농도계(30) 내에 처리 소자에 의해 이루어진다. 따라서, 도 4의 케이싱934) 내부에 배치된 내부 소자들(56)은 산소농도계(30)가 실행하는 각종 동작들을 전기적으로 지원하는 각종 전자소자들, 예컨대 마이크로프로세서, 배터리, IC, 메모리소자, 유무선 통신소자 등을 포함한다. 이런 소자들(56)은 산소농도계에서 구현되는 각종 신호처리 활동들을 지원하는 각종 소프트웨어 플랫폼과 알고리즘에 따라 동작하거나 실행하거나 저장한다. 예컨대, 신호처리에는 FFT(Fast Fourier Transforms) 알고리즘은 물론, 수집된 생리학적 데이터를 분석하는 각종 패턴인식 루틴들도 이용된다. 이런 소자(56)는 산소농도계(30)를 외부기기에 연결하는 IO 장치들에 연결되어, 사용자 입력데이터, 생리학적 인자, 기타 환자의 생리학적 인자들을 감시하는 사용자나 모든 헬스케어 전문 감시에 유용한 데이터와 같은 각종 데이터를 다운로드/업로드할 수 있다.

도 6은 손목돌출뼈(38)에 들어맞는 구조체(40)를 보여주는 측면도이다. 구조체(40)는 돔형이나 원추형으로서, 손목돌출뼈(38)를 덮어 감싼다. 구조체(40)의 내부 부위(42)의 크기와 속성은 손목돌출뼈(38)의 표면에 일치하면서 손목(31)의 조직을 둘러싼다. 도시된 실시예의 구조체(40)는 손목돌출뼈와 그 주변을 원형으로 덮는 덮개처럼 손목돌출뼈를 감싸도록 원형으로 되어있다.

도 7A는 본 발명에 따른 다른 산소농도계(70)의 측단면도이다. 이 산소농도계(70)도 도 1~6의 산소농도계(30)와 마찬가지로 웨어러블 타입이고 비슷한 소자들을 구비하고 비슷한 동작을 한다.

산소농도계(70)는 전체적인 산소농도 측정을 보완하거나 강화하기 위해 맥박을 감지하는 CLS(coherent light scattering) 센서(72)를 구비한다. CLS 센서(72)는 사용자의 움직임 때무에 생기는 잡음도 감지하고, 가간섭광을 내는 다이오드 레이저와 같은 가간섭광원과, 가간섭광 산란반응을 감지하는 포토디텍터를 구비한다. 따라서, 산소농도계(70)는 도플러 신호나 동적 스펙켈신호(speckle signal)를 나타내는 데이터를 만들도록 손목조직 내부로부터의 가간섭광 산란반응을 지속적으로 측정할 수 있다. DLS(dynamic light scattering) 방법을 이용해 모션 잡음이 존재할 때 산소포화도 측정을 감지하고 구하는 방법은 미국특허 공개번호 2011/0082355에 소개되었다.

도 7B는 CLS 센서(72)가 광원(50) 부근에 위치하고 맥작을 측정하는 예의 측단면도이다. CLS 센서(72)에서 산란된 빛의 일부는 산소농도 데이터를 측정하는 광원(50)으로 이용될 수 있다. CLS 센서(72)에서 나온 빛의 가간섭성을 산란광으로 잃어도, 가간섭성은 산소포화도가 아닌 맥박측정에만 중요하다. 따라서, 광원의 주파수만 적절히 선택해도 산란광을 산소포화도 측정에 사용할 수 있다.

이상 설명한 생리학적 세팅에 관한 DLS 이론의 배경으로서, 모션 잡음이 대수롭지 않은 양호한 혈관상태에서 관찰한 다음, 시간에 따라 구한 DLS 신호와 해당 PPG(plethysmography) 신호의 도함수 사이의 관계를 구한다.

도 8은 산소농도 데이터를 보여주는 그래프 세트(100)이다. 그래프 세트(100)는 모션 잡음의 존재하에 구한 PPG와 CLS 측정값들을 보여준다. 그래프(102~106)에서 수직축(108)은 신호진폭이고 수평축(110)은 시간이다. 그래프(102)는 660nm 파장의 빛을 내는 적색 LED(50)를 이용해 구한 PPG 값을, 그래프(104)는 940nm 파장의 빛을 내는 적외선 LED로 구한 PPG 값을, 그래프(106)는 CLS 센서(72)를 이용해 구한 맥박과 파장값을 보여준다. 도시된 바와 같이, 모션 잡음의 존재하에, 그래프(102~106) 각각에 모션잡음의 발생과 시작에 의해 맥박이 왜곡되는 천이점이 존재한다. 예컨대, 그래프(102)에서는 모션잡음이 112 지점에서 일어나고, 그래프(104)에서는 114 지점에서 일어나며, 그래프(104)에서는 116에서 일어난다. 이런 모션잡음들은 산소농도계(30/70)를 착용한 사용자가 손목을 움직일 때 생긴다.

도 9는 산소포화도 데이터를 보여주는 그래프 세트(150)로서 도 8과 마찬가지로 PPG와 CLS 데이터를 보여주되 모션잡음 없이 구한 데이터를 보여준다. 그래프(152)는 660nm 파장의 LED에서 구한 PPG 값을, 그래프(154)는 940nm 파장의 LED에서 구한 PPG 값을, 그리고 그래프(156)는 CLS 센서로 취한 맥박과 파형 데이터를 보여준다.

그래프 세트(150)에서 보듯이, 모션잡음이 없으면 그래프 세트(100)와는 PPG 신호의 특성과 형태가 다르게 나타난다. 모션잡음이 없으면, 산소포화도 측정이 보다 명확해진다. 당업자라면 알 수 있듯이, 표준 PPG 방법과 CLS 기술을 조합하면 여과된 산소포화도 데이터를 구할 수 있다. 따라서, 본 발명의 웨어러블 산소농도계(70)는 이런 여과를 적용한 정도로 신뢰성있는 산소농도 데이터와 심박동과 산소포화도(SPO2) 데이터를 제공할 수 있다.

도 100은 본 발명에 따른 산소농도 데이터를 구하는 과정을 보여주는 순서도(200)이다. 여기서는 산소농도계(30/70)가 PPG-CLS 관계를 이용해 모션잡음이 있는 상태에서 산소농도 데이터를 구하는 과정을 설명한다. 또, 이 방법은 모션잡음을 나타내는 데이터를 최소화하거나 거부하도록 CLS와 PPG 데이터를 연계하여 신뢰성 있는 산소농도 측정값, 즉 사용자의 SPO2 값을 구한다.

202 단계에서 시작하고 산소농도계(70)를 착용한 사용자의 손목에서 산소농도 데이터를 구한다. PPG 데이터는 LD(50)와 디텍터(52)를 이용해 수집되는데, 특히 660nm와 940nm의 2가지 파장으로 신호를 내는 2개의 LED에서 나오는 2가지 전자기신호를 이용해 PPG 데이터를 구한다. 2가지 측정값은 DLS/CLS 센서(72)에 의한 3번째 측정에도 사용된다. 또, 204 단계에서, CLS, PPG 데이터를 포함한 3가지 측정값을 더 처리하는데, 이때 CLS 시간의존 파형데이터에 관한 FFT를 실행하는 각종 알고리즘과 루틴을 이용하여, 주파수 전력 스펙트럼을 구한다. 또, 사용자의 맥박을 식별할 수 있는 펄스파형을 추출하는데 CLS/PPG 데이터를 이용한다. 초기에 구한 데이터의 이런 처리는 산소농도계의 소자(56)를 이용해 이루어진다.

처리된 CLS와 PPG 데이터는 모션잡음에 의해 왜곡된 파형 형태로 도 11의 그래프로 제시되는데, 모션잡음은 이 그래프에서 4, 6, 8, 12초마다 생긴다. PPG IR 데이터의 도함수는 수직축(300)을 기준으로 하고, CLS 데이터는 수직축(302)을 기준으로 한다. CLS와 PPG 파형들 모두 시간축(304)에 대해 그려진다.

206 단계에서는 산소농도계(70)를 사용해 지속적으로 데이터를 수집하는 일종의 이동 시간프레임에 걸쳐 구해진 CLS 파형과 변형된 PPG 파형 사이의 관계를 판단한다. 이 단계에서 결정된 관계에 의해 산소농도 데이터에 존재하는 모션잡음의 정도를 확인하는 특정 임계값이나 기준이 설정된다.

206 단계의 관계가 일정 임계값보다 낮으면(예; <0.8), 208 단계로 진행하여, 사용자의 동작에서 생기는 잡음을 나타내는 데이터신호를 거부하는 이동회귀 알고리즘이 구현된다. 이런 거부는 도 12와 같이 이루어지는데, 여기서는 PPG-CLS 상관관계가 해당 이동시간축내에 수집된 데이터 지점들에 대해 수직축(350)을 따라 그려진다. 도 12의 상관관계는 1, 2, 3, 4, 5..와 같은 데이터 포인트들과 각각의 이동 시간축에 대해 발견된 상관관계이고, 이로부터 최적의 상관관계 범위(예; 03~06를 선택하는데, 이때 모션잡음의 양을 정량화하는 적응 알고리즘을 이용하고, 이런 정량화를 이용하기 위해 모션잡음은 산소농도 데이터로부터 걸러진다. 따라서, SPO2를 잘못 계산할 수 있는 모션관련 특성들이 감소되거나 없어진다. 210 단계에서 이런 데이터가 후속 처리에 제공되는데, 구체적으로는 여과된 데이터를 이용해 이동 히스토그램 방법으로 실제 SPO2 농도를 계산한다.

도 13~14는 모션잡음이 여과되거나 않은 상태의 산소농도 측정값들, 특히 감마(γ) 값들의 그래프이다. 도 13에서는 수평축인 감마를 기준으로 수직축(400)을 따라 많은 카운트들이 표시되었다. 도 13은 도 14와 비교된다. 도 14는 모션잡음에서 생긴 신호들을 거부하는 전술한 CLS-PPG 상관관계를 이용해 구한 여과된 감마 값들을 보여준다. 도 13과 비교해 14에서 알 수 있듯이, 실제 감마를 나타내는 첫번째 피크(404)를 분명하게 구분할 수 있다.

206 단계에서 임계값보다 크다고 판단되면 210 단계로 진행하고, 종래의 방법으로 SPO2를 계산한다.

이상의 방법은 이상 설명한 산소농도계에 저장되어 실행되는 소프트웨어와 알고리즘을 포함한 다양한 방식으로 실행될 수 있다.

본 발명의 산소농도계는 팔찌나 손목시계처럼 사용자의 손목에 착용할 수 있는 형태로서, 2개 이상의 광원과 적어도 하나의 디텍터가 손목돌출뼈를 끼우는 구조체의 일부분이다. 산소농도계를 착용했을 때 광원과 디텍터 사이에 손목돌출뼈가 위치한다. 광원에서 나온 빛은 전파모드로 조직을 투과하고 손목돌출뼈에서 반복적으로 산란되면서 디텍터에 도달하고, 디텍터는 이를 감지하여 산소농도를 측정한다. 따라서, 원하는 흡광과 반사 특징만 있으면, thsahrehfcnfQU가 광원에서 디텍터를 향하는 빛을 확산 및 반사하기에 적당한 매질을 제공하는데, 손목돌출뼈의 크기와 형상은 광원과 디텍터 사이에 긴 광경로를 제공하도록 되어야 한다. 광원과 디텍터 사이에 위치한 손목돌출뼈는 확산기와 반사기 역할을 하므로, 손목돌출뼈와 주변 조직의 구조적, 화학적, 물리적 구성은 조직 내에서의 광산란을 증가시켜, 결국 흡광율을 높인다. 이런 구조로 광원과 디텍터 사이의 손목조직을 통한 빛의 전달이 증가어, 광신호 측정 형상이 이루어진다. 이런 형상에서, 빛의 반사성분은 감지되지 않고, 광신호의 확산 다중산란 전달성분만이 측정된다. 광원과 디텍터 사이의 광경로 길이가 길어진다는 것이 본 발명의 장점이다. 이때문에 빛의 산란이 많아지고, 강력한 광신호가 감지되어, 산소농도 데이터의 신뢰성이 높아진다.

본 발명의 손목시계형 산소농도계는 사용자의 동작, 예컨대 손동작으로 인한 신호잡음을 감지/완화하는 시스템을 이용하므로, 측정값을 신뢰할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 산소농도계는 맥박을 측정하는 CLS 센서를 갖고, CLS는 가간섭광에 의해 유도되는 모든 광산란을 포함한다. 이때문에 다수의 움직이는 물체의 다중산란에 의한 동적 광산란이 일어나, 동적 스페클이나 도플러 산란이 일어난다. CLS는 라만 산란과 같은 탄성이나 비탄성 산란에도 관여한다. CLS는 이상의 광산란 현상을 포함하는 개념이지만, 본 발명은 맥박측정을 위해 모든 형태의 DLS나 기타 산란과정을 모두 이용할 수 있다. VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)나 쪄와 부근 조직을 비추는데 사용되는 다른 다이오드 레이저와 같은 가간섭광원이 달린 센서를 포함하는 CLS 기기를 이용할 수 있다. 이 기기는 가간섭 광산란 반응 측정에 사용되는 디텍터도 갖는다. 맥동하여 흐르는 혈액에서 가간섭광의 다중산란에 대한 광반응은 처리중인 디텍터 표면에 순간적인 광강도 패턴을 생성하고, 이를 이용해 맥박을 계산한다. 이런 정보는 사용자의 모션에 의한 잡음의 식별, 제거, 여과를 위해 산소농도계와 결합하여, 사용자의 실제적이고 신뢰성 높은 맥박과 SPO2 데이터를 생성한다.

도 15A~C는 종래의 반사모드(15A)와 투과모드(15B) 및 본 발명의 광투과 모드(15C)의 측정법을 보여주는 개략도들이다. 광원(50)의 빛과 디텍터(52)에서 탐지한 빛사이의 각도 α=0도 정도로서 디텍터가 광원에 인접해있는 반사모드나 α=180도 정도인 투과모드에서 한 종래의 측정과는 대조적으로, 본 발명의 광투과 모드 측정법에서는 광원과 디텍터 사이에 다양한 다중 광경로가 형성되고, 대부분의 광경로는 역반사와는 다른 각도에서 반사하는바, 구체적으로는 손목시계형 산소농도계의 경우 손목돌출뼈의 말단부의 꼭지점에서 20°<α<160°의 각도로 반사한다. 손목돌출뼈 말단부의 장점은 여러 사용자들이 쉽게 볼 수 있다는 것이다. 예컨대, 반구형 뼈의 말단부의 여러 부분들도 광학적 뷰포인트로 사용되어왔지만, 사용자가 빛을 감지하고 산소농도계(30)를 제대로 설치하기가 어렵다.

각도 α는 사용자에 따라서 다르고, 용법에 따라서도 다르며, 손목 구조나 착용법에 따라서도 다를 수 있다. 손목돌출뼈의 헤드를 통한 광투과는 각도 α에 대한 광범위한 허용오차를 부여할 수 있어 이런 문제를 극복할 수 있다. 산소농도계(30)는 손목돌출뼈의 헤드에 씌워진 돔(40)에서의 디텍터(52)의 위치를 결정하고 광원(50)과 돔(40)의 간격(d)은 디텍터(52)로 결정되고, 손목밴드(32)의 탄성에 따라 변할 수 있다. 간격 d는 각각의사용자의 가능한 각도 α의 범위를 결정하고, 이때문에 광투과원리를 이용한 측정이 가능하다. d는 디자인, 측정효율 및 사용자에 따라 0.5~3 cm 또는 1~2.5cm 이다.

도 16A~E는 본 발명에 따른 산소농도계(30)의 여러가지 측정구조를 보여주는 단면도들이다. 도 16A는 손목의 단면도로서, 손목돌출뼈의 말단부와 요골을 보여준다. 레이저 광원(71)과 디텍터(73)가 달린 CLS 센서(72)는 돔(40)에서 떨어져 있다. 광원(71)이 가간섭광(74A)은 반사광(74B)으로 변해 CLS 디텍터(73)에 의해 감지된다. PPG는 돔형 구조체(40)로 덮인 손목돌출뼈의 말단부 위의 영역(441)에서 측정된다. 이 영역(41)에 적어도 하나의 디텍터(52)가 설치되고, 파장이 각각인 적어도 2개의 광원(50A~B)이 영역(41) 둘레에 배치된다. 디텍터(52)는 2개의 광원(50A~B)에서 나온 빛(51A)이 손목돌출뼈에서 반사된 반사광(51B)을 측정한다. 반사광(51B)과 빛(51A)의 각도는 20도 내지 160도이다. 디텍터(52)와 2개의 광원(50A~B)은 광원(50A)에서 나온 반사광(51B)을 70도 내지 110도 사이의 각도로 감지하도록 위치한다. 도 16A~B는 CLS 센서가 PPG 광원(50A~B) 부근에 위치한 2가지 예를 보여준다. 도 16B에서, CLS 센서(72)의 레이저광원(71)은 2가지 목적으로 사용되는데, 첫째는 CLS 센서(72)의 가간섭 광원으로서 빛(74A)을 내고 그 반사광(74B)을 디텍터(73)에 보내 맥박을 계산하고, 둘째는 2개의 PPG 광원중의 하나로 기능하는 비가간섭 광원으로 기능하는데, 여러 광경로의 조합과 조직을 통한 움직임 때문에 가간섭성을 상실한다(도 16B에서는 광원(50B)을 대체한다. 도 16C는 CLS 센서(72)가 PPG 광원(50A~B) 근처에 위치하지만 주파수 제한 때문에 광원으로는 사용되지 않는 예를 보여준다. 한편, 2개 광원(50A~B) 모두 레이저 다이오드이고, 디텍터(52)는 광원의 빛을 감지하여 PPG 데이터를 결정하도록 배치될 수도 있다. 광투과 모드 측정법을 이용해, 빛은 조직을 투과하고 손목돌출뼈의 헤드에서 반사되면서 가간섭성을 상실하며, 혈액의 산소포화도를 표시하는 파장의 강도 의존성에 대해서만 사용된다. 광원(50A~B)을 반사모드로 사용해 가간섭성을 이용한 맥박측정에 이용할 수 있는데, 이 경우 광원(50B)은 CLS 센서(72)의 레이저광원으로 기능한다(도 16B 참조). 또, 2개 이상의 광원이 파장이 다른 2개의 LED, 파장이 다른 2개의 레이저 다이오드, 또는 하나의 LED와 파장범위가 LED를 벗어난 하나의 레이저 다이오드일 수도 있다. 도 16D는 광원(50)이 돔(40) 안에 있는 구조를 보여주는데, 예를 들면 손목돌출뼈에서 디텍터(52)로 반사되는 빛이 LED(50A~B)나 디텍터(73)가 달린 가간섭광원(71)에서 나온다. 한편, 한쪽 광원(50A)은 돔(40) 안에 있고, 다른 광원(50B)(또는 디텍터가 달린 가간섭광원)은 돔(40) 밖에 있을 수도 있다. 도 16E는 광원(50)은 돔(40) 안에 있고 디텍터(52)는 돔 밖에 있는 구조를 보여준다. 광원(50)과 디텍터(52)의 위치는 산소농도계(30)를 구현할 수만 있으면 어떤 조합도 가능하다.

도 17A~B는 미착용 상태의 산소농도계(30)의 사시도이다. 디텍터(52)가 달린 돔(40), CLS 센서(72) 및 적어도 2개의 광원(50)이 손목밴드(32)에 설치되고, 돔(40)은 기준점으로서 손목돌출뼈의 말단부를 덮어쓴다. 돔(40)은 손목돌출뼈와 밀착되는 연질 재료로 내부에 패드를 붙일 수 있고, 손목돌출뼈 위를 지긋이 압박하여 신호대 잡음비를 개선하도록 한다. 도 17A에서는 디텍터(52)는 돔(40) 내부에, 광원(50)과 가간섭광원(71)은 돔 외부에 있으며 광원이 돔에서 d 만큼 떨어져 있다. 가간섭광원(71)이 광원(50)을 대체하고, 디텍터가 가간섭광원(71)에서 나와 손목돌출뼈에서 반사된 (간섬성을 상실한) 빛을 측정할 수 있다. 도 17A는 도 16D와 마찬가지로 광원(50)을 돔(40) 안에 배치한 대체 구성도 보여준다. 도 17B에서는 디텍터(52)가 돔(40) 밖에 있고, 광원(50)은 돔 밖에 있어서 도 16E와 비슷한 구성을 보여준다.

도 18은 본 발명의 다른 측정 방법(500)의 순서도이다.

510 단계에서 손목돌출뼈의 말단부 위에 돔을 씌워 고정하고, 520 단계에서 고정부 위에 디텍터를 배치하며, 525 단계에서 파장이 각각 다른 2개 이상의 광원을 고정부 둘레에 배치하고, 540 단계에서 광원의 빛을 손목 안으로 비추며, 550 단계에서 말단부에서의 반사광을 감지한다. 방출된 빛과 감지된 반사광 사이의 각도는 20도 내지 160도이다. 520 및 525 단계 대신에, 530 단계에서 광원은 돔 안에, 디텍터는 돔 안이나 밖에 배치할 수도 있다.

560 단계에서 손목돌출뼈에서 가간섭광을 반사하여 맥박을 측정하는데, 디텍터가 달린 손목밴드에 결합된 적어도 하나의 가간섭광원과 적어도 2개의 광원에 의해 가간섭광이 방출되고, 방출된 가간섭광을 적어도 하나의 디텍터가 감지하며, 방출된 가간섭광에서 감지된 빛을 근거로 CLS 데이터를 구하고, CLS 데이터를 근거로 SPO2 계산에 사용되는 맥박과 맥박 파형을 구하는데, 가간섭광원과 디텍터는 손목밴드에 결합된다.

한편, 적어도 2개의 광원들 중의 하나로 가간섭광원을 이용할 수도 있다(535 단계).

Claims (16)

1. 손목돌출뼈의 말단부 위 영역에 고정되고, 이런 고정영역으로부터 정맥혈을 제거하는 돔형 구조체; 및
   파장이 각각 다른 적어도 2개의 광원과 이들 각각 다른 파장에 반응하는 적어도 하나의 디텍터;를 포함하고,
   상기 디텍터는 손목돌출뼈의 말단부로부터 고정영역을 투과하는 광원의 방출광을 측정하는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
2. 제1항에 있어서, 상기 디텍터가 고정영역 위에 위치하고, 광원은 고정영역 주변에 위치하며, 상기 디텍터는 광원의 방출광이 손목돌출뼈의 말단부에서 반사된 반사광을 측정하며, 반사광은 방출광과 20°~160°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
3. 제1항에 있어서, 측정된 반사광으로부터 산소농도 데이터를 계산하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
4. 제1항에 있어서, 맥박계산을 위해 CLS(coherent light scattering) 데이터를 측정하기 위한 가간섭광원과 적어도 하나의 디텍터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
5. 제4항에 있어서, 상기 가간섭광원이 상기 광원들 중의 하나로 사용되는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
6. 제1항에 있어서, 상기 광원이 파장대가 각각 다른 2개의 LED, 파장이 각각 다른 2개의 레이저 다이오드, 및 하나의 LED와 이 LED의 파장대 밖의 하나의 레이저 다이오드 중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
7. 제1항에 있어서, 손목밴드에 설치되는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
8. 제1항에 있어서, 상기 디텍터와 광원이 방출광과 70°~110°의 각도를 이루는 반사광을 감지하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
9. 제1항에 있어서, 사용자의 손목에 착용하는 손목밴드, 및 손목밴드에 결합되는 돔형 구조체를 포함한 부재를 더 포함하고; 상기 광원은 상기 부재에 인접되게 손목밴드에 결합되며; 상기 디텍터는 손목밴드와 부재의 일부분에 결합되고; 상기 광원과 디텍터는 광원의 방출광이 디텍터에 닿기 전에 손목돌출뼈에서 산란되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
10. 제9항에 있어서, 상기 손목밴드가 케이싱을 포함하고, 이 케이싱은 SPO2 계산에 사용되는 맥박과 맥박 파형을 구하기위한 CLS 데이터를 구하기 위하 적어도 하나의 가간섭광원과 적어도 하나의 광디텍터를 갖는 것을 특징으로 하는 산소농도계.
11. 제1항에 있어서, 상기 광원이 0.5~3 cm 간격으로 돔형 구조체에서 떨어진 것을 특징으로 하는 산소농도계.
12. 손목돌출뼈의 말단부 위 영역을 고정하는 단계;
    고정영역에 디텍터를 배치하는 단계;
    파장이 각각 다른 적어도 2개의 광원을 고정영역의 주변에 배치하는 단계;
    광원의 방출광을 손목 안으로 방출하는 단계; 및
    광원의 방출광이 손목돌출뼈의 말단부에서 반사한 반사광을 감지하는 단계;를 포함하고,
    반사광과 방출광이 이루는 각도가 20°~160°인 것을 특징으로 하는 혈액내 산소농도 측정방법.
13. 제12항에 있어서, 손목돌출뼈에서 가간섭광을 반사시켜 맥박을 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈액내 산소농도 측정방법.
14. 제13항에 있어서, 맥박을 측정할 때,디텍터와 광원이 달려있는 손목밴드에 결합된 적어도 하나의 가간섭광원에서 가간섭광을 방출하고, 디텍터와 광원을 고정하며, 방출된 가간섭광을 적어도 하나의 광디텍터가 감지하고, 방출된 가간섭광에서 감지된 빛을 기초로 CLS 데이터를 구하며, CLS 데이터를 근거로 SPO2 계산에 사용할 맥박과 맥박 파형을 구하고; 상기 가간섭광원과 광디텍터가 손목밴드에 결합된 것을 특징으로 하는 혈액내 산소농도 측정방법.
15. 제13항에 있어서, 가간섭광원을 광원 중의 하나로 사용하는 것을 특징으로 하는 혈액내 산소농도 측정방법.
16. 제12항에 있어서, 손목돌출뼈 말단부 위의 영역을 고정하는 것이 말단부를 덮는 돔형 구조체에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 혈액내 산소농도 측정방법.
    

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