KR20180015171A - 조직의 생물학적 지표 레벨을 판정하기 위한 디바이스 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 조직의 생물학적 표시 레벨을 판정하도록 구성된 디바이스에 관한 것이다. 디바이스는 광을 방출하도록 구성된 적어도 하나의 방출기, 광을 수신하고 수신된 광을 나타내는 데이터를 송신하도록 구성된 검출기, 및 적어도 하나의 방출기 및 검출기를 결합하는 프로세서를 포함한다. 디바이스는 프로세서에 결합되고 디바이스로 하여금 생물학적 표시의 레벨을 판정하게 하는 명령을 저장하도록 구성되는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2015년 5월 26일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/166,571호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용들은 인용에 의해 포함된다.
본 개시는 조직 또는 혈관의 생물학적 지표를 모니터링하는 비침습적 디바이스(non-invasive device)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 생물학적 지표 레벨의 변화를 판정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
심박수 모니터(heart rate monitor)를 통한 모니터링 운동(exertion)은 오랫동안 프로페셔널 및 공연 선수뿐만 아니라 아마추어 및 은퇴한 선수를 위한 트레이닝의 핵심이었다. 추가적인 테스트가 개인에 대해 수행될 수 있으며 전문가가 개인을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 일부 방법은 개인으로부터 혈액을 채취하는 것을 포함한다. 자세하게는, 총 헤모글로빈(tHb)을 측정하기 위해, 개인은 혈액을 채취하고 그리고 혈액의 tHb 레벨을 판정하기 위해서 검사가 수행되었다.
본 개시의 장점 및 특징을 얻을 수 있는 방식을 설명하기 위해, 첨부된 도면을 참조한다. 제시된 도면은 단지 본원에 개시된 것에 대한 비제한적인 예만을 제공한다.
본 개시의 다양한 예가 하기에서 상세히 논의된다. 특정 구현예가 논의되고 있지만, 이는 단지 예시 목적들을 위한 것임이 이해되어야 한다. 통상의 기술자는 본 개시의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서, 다른 구성요소 및 구성이 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
처음에 하나 이상의 예의 예시적인 구현예가 하기에 예시되어 있지만, 개시된 디바이스, 방법 및 시스템이 임의의 수의 기술을 사용하여 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 개시는 본원에 예시된 예시적인 구현예, 도면 및 기술로 결코 제한되어서는 안되며, 첨부된 청구범위의 범주 내에서 등가물의 전체 범주와 함께 수정될 수 있다.
달리 명시하지 않는 한, 용어 "결합하다(couple)" 또는 "부착하다(attach)"의 임의의 형태의 임의의 사용, 또는 요소들 사이의 상호작용을 설명하는 임의의 다른 용어는 요소들 사이의 직접적인 상호작용으로 제한되는 것을 의미하지 않으며, 또한 설명된 요소 사이의 간접적인 상호작용을 포함할 수 있다. 본원에 사용된 용어 "조직(tissue)"은 동물 또는 식물이 특수화된 세포 및 그들의 생성물을 포함하여 이루어진 재료의 구별되는 유형 중 임의의 유형을 지칭한다. 다음의 논의 및 청구범위에서, 용어 "포함하는" 및 "갖는"은 제약을 두지 않는 방식으로 사용되며, 이에 따라, "포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다"라는 의미인 것으로 해석되어야 한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "간격(spacing)"은 방출기와 검출기 사이의 거리를 지칭한다. 이하에서 보다 상세히 설명되는 다양한 특성은, 통상의 기술자가 이하의 상세한 설명을 판독할 때 그리고 첨부 도면을 참조함으로써 본 개시의 도움과 함께 통상의 기술자에게 보다 용이하게 자명해질 것이다.
본 개시는 일반적으로, 상이한 재료들, 특히 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 광학 밀도의 레벨을 판정하도록 구성되는 비침습적 광학-전자 디바이스에 관한 것이다. 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 비침습적 광학-전자 디바이스의 예는 발명의 명칭이 "APPARATUS AND METHOD FOR IMPROVING TRAINING THRESHOLD"인 미국 특허 제8,996,088호에서 설명되며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함되고 있다. 광학-전자 디바이스는 그 자체로 또는 다른 광학-전자 디바이스 또는 바이오센서와 함께 사용될 수 있다. 광학-전자 디바이스는 운동 중 사용자의 생리학적 파라미터를 판정하도록 구성될 수 있다. 그러나, 비침습적 광학-전자 디바이스가 또한, 미세순환 분석, 신생아 관류 결손(newborn perfusion deficit), 출혈 및 쇼크의 평가, 수액 소생의 모니터링, 인지 연구, 흉부 외과 수술 중 대뇌의 산소투여 모니터링, 급성 및 만성 구획 증후군 진단을 위한 근육의 산소투여 모니터링, 및 관상동맥 질환(CAD: coronary artery disease) 그리고 기타 심혈관계 질환의 모니터링을 포함하는, 다른 응용들에서 본 개시의 원리를 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시는 일반적으로, 사용자의 생리학적 파라미터를 측정하도록 구성된 디바이스에 관한 것이다. 적어도 하나의 예에서, 디바이스는 비침습적 광학-전자 디바이스일 수 있다. 일 예에서, 광학-전자 디바이스는 근적외선 분광법(NIRS: Near Infrared Spectroscopy)을 사용하여 재료, 특히 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 광학 밀도의 레벨을 판정하도록 구성된다. 디바이스는 수신된 광을 나타내는 스펙트럼 데이터 세트와 하나 이상의 발색단(chromophore)의 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이의 상대적인 일치(relative match)를 계산하는 프로세서를 포함한다. 광학-전자 디바이스는 출력 디바이스에 경고를 송신(transmit)하도록 구성될 수 있다. 광학-전자 디바이스는 실시간으로 생물학적 지표의 레벨을 사용자에게 통신하도록 추가로 구성될 수 있다.
추가의 예에서, 광학-전자 디바이스는 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 구성되며, 이는 하나 이상의 생물학적 지표의 식별 및/또는 판정을 방해하는 외부 인자의 존재를 사용자에게 경고하도록 추가로 구성된다. 디바이스는 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스 상의 투영의 피트의 잔류의 모듈러스를 판정함으로써 외부 인자의 존재를 판정할 수 있다. 또한, 디바이스는 수신된 광을 나타내는 스펙트럼 데이터 세트와 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스에 대한 영 공간(null space)의 상대적인 일치를 판정함으로써 외부 인자의 존재를 판정할 수 있다.
추가의 예에서, 광학-전자 디바이스는 운동 및 다른 신체 상태 동안 하나 이상의 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 구성된다.
또 다른 예에서, 근적외선 분광학(NIRS)을 사용하여 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 구성된 광학-전자 디바이스를 사용하여 하나 이상의 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 방법이 구성된다. 이 방법은 수신된 광을 나타내는 스펙트럼 데이터 세트와 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이의 상대적인 일치를 계산하는 단계를 포함한다. 이 방법은 경고를 출력 디바이스에 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 방법은 실시간으로 생물학적 지표의 레벨을 사용자에게 통신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 방법이 구성된다. 이 방법은 조직 내로 광을 방출하는 단계, 광을 검출하는 단계, 및 수신된 반사광을 나타내는 데이터를 송신하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 프로세서로 하여금 수신된 반사광을 나타내는 데이터를 수신하게 하는 명령을 저장하도록 구성된 비-일시적 저장 매체를 갖는 프로세서로 수신된 반사광을 나타내는 데이터를 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한, 프로세서를 통해, 수신된 반사광을 나타내는 데이터를 생물학적 지표에 대응하는 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트와 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 프로세서를 통해, 수신된 반사광을 나타내는 데이터와 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이의 상대적인 일치를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 계산된 상대적인 일치에 기초하여 생물학적 지표의 레벨을 프로세서를 통해 추정하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 프로세서를 통해 생물학적 지표의 레벨을 출력 디바이스에 송신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 프로세서를 통해 경고를 출력 디바이스에 송신하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예에서, 교정 방법은 광학 데이터를 생물학적 조직의 감쇠 특성에 대응하는 파라미터로 변환하는 단계를 포함한다. 이 방법은 검출된 광을 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것을 기반으로 할 수 있는 주어진 광 세기, 광학 전력 또는 광학 조사량에 대한 광학 밀도로 변환하기 위한 교정 인자를 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 적어도 2개의 방출기로부터의 광을 조직으로 방출하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 적어도 2개의 방출기는 공지된 거리만큼 분리된다. 추가로, 적어도 2개의 방출기는 검출기로부터 상이한 공지된 간격을 가질 수 있다. 이 방법은 광검출기에서 조직으로부터 검출된 광 데이터를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 심전도(EKG: electrocardiography) 센서에서 조직으로부터 전류 데이터를 수신하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 검출된 광 데이터를 주어진 광 세기, 또는 광학 전력 또는 광학 방사조도(optical irradiance)(이하, 세기로 지칭됨)에 대한 광학 밀도로 교정 인자를 사용하여 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 공지된 거리만큼 분리된 2개의 방출기로부터 수신된 광 데이터로부터 판정된 광학 밀도를 사용하여 광학 밀도를 유효 감쇠 계수로 변환하는 단계를 포함할 수 있으며, 따라서, 검출기와 상이한 공지된 간격을 갖는다. 이 방법은 또한 모니터링되는 조직에 대해 얻어진 감소된 산란 계수를 사용하여 유효 감쇠 계수를 흡수 계수로 변환하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서, 흡수 계수는 조직의 감쇠 특성에 대응한다.
추가의 예에서, 조직의 생물학적 지표의 레벨을 판정하는데 방법이 사용될 수 있다. 이 방법은 교정 광학 데이터에 기초할 수 있다. 이 방법은, 검출된 광을 주어진 세기에 대한 광학 밀도로 변환하기 위한 교정 인자를 생성하는 단계; 적어도 2개의 방출기로부터 조직으로 광을 방출하는 단계를 포함하며, 여기서, 2개의 방출기는 공지된 거리만큼 분리되고, 따라서 검출기와 상이한 공지된 간격을 갖는다. 이 방법은 또한 검출된 광 데이터를 주어진 세기에 대한 광학 밀도로 교정 인자를 사용하여 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 광학 밀도를 유효 감쇠 계수로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 모니터링되는 조직에 대해 얻어진 감소된 산란 계수를 사용하여 유효 감쇠 계수를 흡수 계수로 변환하는 단계 ― 여기서, 흡수 계수는 조직의 감쇠 특성에 대응함 ―; 및 조직의 생물학적 지표의 레벨을 판정하기 위해 미리 정해진 스펙트럼 데이터에 대한 흡수 계수의 상대적인 일치를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 실시간으로 생물학적 지표의 레벨을 사용자에게 통신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 디바이스가 광학 밀도를 판정하는데 사용하기 위해 교정 인자를 생성하도록 구성된다. 이 디바이스는 적어도 하나의 광원을 갖는 적어도 하나의 방출기를 포함한다. 일 예에서, 방출기의 광원은 발광 다이오드(LED: light emitting diode) 또는 레이저, 레이저 다이오드, 수직 캐비티 표면 방출 레이저(VCSEL: vertical cavity surface emitting laser) 및 할로겐 램프를 포함하는 광대역 소스로부터 필터링된 광을 포함하는 임의의 유형의 광원일 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 모든 광원은 LED일 수 있다. LED가 우세한 파장을 갖고 광 세기가 전류에 의해 변경될 수 있기 때문에, LED가 본 개시에 대해 효과적인 광원이다. LED들은 또한 폭넓게 이용가능하고 경제적이다. 레이저(레이저 다이오드, 에지 방출 레이저, 외부 캐비티 레이저, 가스 레이저, 크리스탈 레이저 및 VCSEL을 포함함)는 협대역 파장에서 방출하는 이점을 갖는다. 방출기는 광을 방출하도록 구성된다. 이 디바이스는 광을 수신하고 수신된 광을 나타내는 데이터를 송신하도록 구성된 검출기를 더 포함한다. 이 디바이스는 또한 적어도 하나의 방출기 및 검출기에 결합된 프로세서를 포함한다. 이 디바이스는 프로세서에 결합되는 비-일시적 저장 매체를 더 포함하고, 비-일시적 저장 매체는, 디바이스로 하여금 다음 명령들; 공지된 광학 밀도를 갖는 물체를 향해 미리 정해진 세기로 적어도 하나의 방출기의 적어도 하나의 광원으로부터의 광을 방출하게 하고, 검출기에서, 미리 정해진 세기에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하게 하고, 프로세서에서, 물체를 통해 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하게 하고, 그리고 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하게 하는 것을, 저장하도록 구성된다.
추가의 예에서, 디바이스는, 각각의 광원 그리고 복수의 미리 정해진 세기의 각각에 대해 반복적으로, 이 디바이스로 하여금; 물체를 향해 복수의 미리 정해진 세기 중 하나의 세기로 적어도 하나의 방출기의 적어도 하나의 광원중 하나의 광원으로부터 광을 방출하게 하고, 검출기에서, 미리 정해진 세기에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하게 하고, 프로세서에서, 물체를 통해 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하게 하고, 그리고 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하는 것을 하게 하는, 명령들을 갖는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다.
추가의 예에서, 적어도 하나의 방출기는 복수의 방출기를 포함하고, 각각의 복수의 방출기는 복수의 광원을 갖는다. 추가의 예에서, 이 디바이스는, 디바이스로 하여금; 복수의 미리 정해진 세기 중 하나의 세기에서 방출기 중 하나의 복수의 광원 중 하나의 광원으로부터 물체를 향해 광을 방출하게 하고, 검출기에서, 복수의 미리 정해진 세기중 하나의 세기에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하게 하고, 프로세서에서, 물체를 통해 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하게 하고, 그리고 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하는 것을 하게 하는, 명령들을 갖는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다.
추가의 예에서, 이 디바이스는 각각 적어도 하나의 광원을 포함하는 적어도 2개의 방출기를 더 포함한다. 추가의 예에서, 이 디바이스는, 프로세서로 하여금 각각의 광원에 대해; 미리 정해진 세기에서 방출기 중 하나의 방출기중 하나의 광원으로부터 물체를 향해 광을 방출하게 하고, 검출기에서, 미리 정해진 세기에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하게 하고, 프로세서에서, 물체를 통해 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하게 하고, 그리고 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하게 하는 것을 반복하게 하는, 명령들을 갖는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다.
추가의 예에서, 미리 정해진 세기는 복수의 세기를 포함하고, 각각의 단계는 복수의 세기 각각에 대해 수행된다. 추가의 예에서, 적어도 2개의 방출기는 검출기로부터 상이한 거리로 이격된다. 추가의 예에서, 이 디바이스는 이 디바이스로 하여금 교정 인자가 복수의 세기에서 각각의 광원에 대해 저장되어 있음을 확인하게 하는 명령을 갖는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다. 적어도 하나의 예에서, 세기는 미리 정해진 전류에 기초할 수 있다. 추가의 예에서, 대응하는 교정 인자의 계산이 다음 공식을 사용하여 유도되며: 
, 여기서, i는 광 세기 값을 추적하는 지수이며, 이는 적어도 하나의 예에서, 미리 정해진 전류 값이며, j는 광원을 추적하는 지수이고, m은 광원과 검출기 사이의 간격을 추적하는 지수이며, OD는 광 밀도이며, D는 측정된 광 데이터이다. 상기에 나타내는 다른 예에서, 광 세기 값은 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것 중 어느 하나일 수 있다.
추가의 예에서, 비-일시적 저장 매체는, 측정 명령을 수신하면, 관심 물체를 향해 복수의 미리 정해진 세기 중 하나에서 복수의 광원 중 하나로부터 반복적으로 광을 방출하고, 검출기에서, 각각 하나의 광원 및 미리 정해진 세기에 대응하는 발광된 광의 일부를 검출하고, 교정 인자에 기초하여 관심 물체의 광학 밀도를 판정하도록 명령들을 추가로 포함한다.
추가의 예에서, 대응하는 교정 인자는 네트워크 인터페이스 컴포넌트를 통해 서버에 송신된다. 추가의 예에서, 대응하는 교정 인자는 네트워크 인터페이스 컴포넌트를 통해 외부 전자 디바이스로 송신된다. 추가의 예에서, 물체는, 생물학적 조직을 모방하도록 (즉, 광원에 걸친 파장 범위 내의 생물학적 조직의 그들의 범위에서 감소된 산란 및 유효 감쇠 계수로) 설계되는 재료로 만들어진다. 추가의 예에서, 적어도 하나의 방출기는 서로 그리고 검출기로부터 이격된 적어도 2개의 방출기를 포함한다. 추가의 예에서, 방출기들 중 하나는 다른 것보다 검출기로부터 더 멀리 떨어져있다. 추가의 예에서, 방출기들의 각각은 검출기로부터 연장되는 광선을 따라 배열된다. 추가의 예에서, 방출기들 각각은 검출기의 동일한 측면 상에 위치된다. 추가의 예에서, 2개의 방출기 각각은 복수의 LED 또는 광원을 포함한다. 추가의 예에서, 2개의 방출기 각각은 4개의 LED 또는 광원을 포함한다. 추가의 예에서, 복수의 LED 또는 적어도 2개의 방출기들 중 주어진 방출기 내의 광원 각각은 배출의 상이한 피크 파장을 갖는다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 전자 디바이스에 대한 적어도 하나의 교정 인자를 계산하는 방법은, 생물학적 지표에 관한 출력 데이터를 생성하도록 구성된다. 적어도 하나의 예에서, 일루미네이터, 간격 및 세기 조합의 각각의 조합에 대응하는 교정 인자가 존재하도록 교정 인자의 세트가 생성될 수 있다. 게다가, 후술되는 바와 같이, 교정 인자의 세트는, 또한 물체를 고려할 수 있으며, 이 물체로부터, 상이한 물체에 대응하는 상이한 세트가 존재하도록 교정 인자가 기초로 한다. 이 방법은 복수의 미리 정해진 세기 중 제1 세기에서 적어도 하나의 방출기의 복수의 광원 중 각각 하나의 광원으로부터 광을 방출하는 단계; 검출기에서, 미리 정해진 제1 세기에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하는 단계; 프로세서에서, 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하는 단계; 대응하는 교정 인자를 비-일시적 저장 매체에 저장하는 단계를 포함한다.
추가의 예에서, 이 방법은 복수의 미리 정해진 세기 중 나머지 세기에 대해; 적어도 하나의 방출기의 복수의 광원의 각각 하나의 광원으로부터 광을 방출하는 단계; 검출기에서, 방출된 광의 일부를 검출하는 단계; 프로세서에서, 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하는 단계; 및 대응하는 교정 인자를 비-일시적 저장 매체에 저장하는 단계를 반복적으로 더 포함한다.
추가의 예에서, 미리 정해진 세기는 복수의 세기를 포함하고, 각각의 단계는 복수의 세기 각각에 대해 수행된다. 추가의 예에서, 적어도 2개의 방출기는 검출기로부터 상이한 거리로 이격된다. 추가의 예에서, 이 방법은 교정 인자가 복수의 미리 정해진 세기에서 각각의 광원에 대해 저장되는지를 확인하는 단계를 더 포함한다. 적어도 하나의 예에서, 복수의 미리 정해진 세기는 복수의 미리 정해진 전류에 기초한다. 추가의 예에서, 대응하는 교정 인자의 계산이 다음 공식을 사용하여 유도되며: 
, 여기서, i는 미리 정해진 광 세기 값을 추적하는 지수이며, 이는 전류 값일 수 있으며, j는 광원을 추적하는 지수이고, m은 광원과 검출기 사이의 간격을 추적하는 지수이며, OD는 광 밀도이며, D는 측정된 광 데이터이다. 상기에 나타내는 다른 예에서, 광 세기 값은 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것 중 어느 하나일 수 있다.
추가의 예에서, 이 방법은 관심 물체를 향해 복수의 미리 정해진 세기 중 하나에서 복수의 광원 중 하나로부터 반복적으로 광을 방출하는 단계; 검출기에서, 각각 하나의 광원 및 미리 정해진 세기에 대응하는 발광된 광의 일부를 검출하고; 그리고 교정 인자에 기초하여 관심 물체의 광학 밀도를 판정하는 단계를 더 포함한다. 추가의 예에서, 이 방법은 네트워크 인터페이스 컴포넌트를 통해 서버에 대응하는 교정 인자를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다. 추가의 예에서, 이 방법은 네트워크 인터페이스 컴포넌트를 통해 서버에 대응하는 교정 인자를 송신하는 단계를 포함할 수 있다. 추가의 예에서, 이 물체는 생물학적 조직을 모방하도록 설계된 재료로 제조된다.
추가의 예에서, 적어도 하나의 방출기는 서로 그리고 검출기로부터 이격된 적어도 2개의 방출기를 포함한다. 추가의 예에서, 방출기들 중 하나는 다른 것보다 검출기로부터 더 멀리 떨어져 있다. 추가의 예에서, 방출기들의 각각은 검출기로부터 연장되는 광선을 따라 배열될 수 있다. 추가의 예에서, 방출기들 각각은 검출기의 동일 측 상에 위치될 수 있다. 추가의 예에서, 2개의 방출기 각각은 복수의 LED 또는 광원을 포함할 수 있다. 추가의 예에서, 2개의 방출기 각각은 4개의 LED 또는 광원을 포함한다. 추가의 예에서, 복수의 LED 또는 적어도 2개의 방출기들 중 주어진 방출기 내의 광원 각각은 배출의 상이한 피크 파장을 갖는다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 전자 디바이스 및 하드웨어 서버를 포함하는 시스템은 광학 밀도를 판정하는데 사용하기 위해 교정 인자를 생성하도록 구성된다. 이 시스템은 적어도 하나의 광원을 갖는 적어도 하나의 방출기를 포함하고, 방출기는 광을 방출하도록 구성된다. 시스템은 광을 수신하고 수신된 광을 나타내는 데이터를 송신하도록 구성된 검출기를 더 포함할 수 있다. 이 시스템은 또한 적어도 하나의 방출기 및 검출기에 결합된 프로세서를 포함할 수 있다. 이 시스템은 프로세서에 결합되는 비-일시적 저장 매체를 더 포함할 수 있고, 이 비-일시적 저장 매체는, 디바이스로 하여금 다음 명령들: 공지된 광 밀도를 갖는 물체를 향해 미리 정해진 세기로 적어도 하나의 방출기의 적어도 하나의 광원으로부터 광을 방출하게 하고, 검출기에서, 미리 정해진 세기에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하게 하고, 프로세서에서, 물체를 통해 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하게 하고, 그리고 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하게 하는 것을, 저장하도록 구성된다.
추가의 예에서, 적어도 하나의 방출기, 검출기, 프로세서 및 비-일시적 저장 매체는 전자 디바이스 내에 위치된다. 추가의 예에서, 적어도 하나의 방출기, 검출기, 및 프로세서는 전자 디바이스 내에 위치되고 비-일시적 저장 매체는 서버 내에 위치된다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 전자 디바이스에 대한 교정 인자를 계산하는 방법은, 광학 밀도에 관한 출력 데이터를 생성하도록 구성된다. 이 방법은 각각 공지된 광학 밀도를 갖는 복수의 물체 중 하나의 물체 상에서 전자 디바이스를 반복적으로 배치하는 단계, 복수의 미리 정해진 세기들 중 하나의 세기에서 복수의 광원들 중 하나의 광원으로부터 광을 반복적으로 방출하는 단계, 검출기에서, 복수의 물체, 광원 및 미리 정해진 세기 중 각각의 하나에 대응하는 방출된 광의 일부를 검출하는 단계, 프로세서에서, 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하는 단계, 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하는 단계, 및 비-일시적 매체가 복수의 물체, 광원 및 미리 정해진 세기 중 각각의 조합에 대응하는 교정 인자를 갖는 것을 판정하는 단계를 포함하고, 여기서, 교정 인자는 복수의 매트릭스에 저장되고, 복수 개의 매트릭스 각각은 복수의 물체 중 하나에 대응한다.
추가의 예에서, 이 방법은 복수의 매트릭스의 선형 피트에 기초하여 최적 피트 교정 인자의 매트릭스를 생성하는 단계를 더 포함한다. 추가의 예에서, 이 방법은 관심 물체 상에 전자 디바이스를 배치하는 단계, 복수의 미리 정해진 세기 중 하나에서 복수의 광원 중 하나로부터 반복적으로 광을 방출하는 단계, 검출기에서, 복수의 물체, 광원, 및 미리 정해진 세기 중 각각 하나에 대응하는 발광된 광의 일부를 검출하는 단계, 그리고 최적 피트 교정 인자의 매트릭스에 기초하여 관심 물체의 광학 밀도를 판정하는 단계를 더 포함한다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 디바이스는 광학 밀도를 판정하는데 사용하기 위해 교정 인자를 생성하도록 구성된다. 이 디바이스는 각각이 광을 방출하도록 구성된 복수의 광원을 포함한다. 이 디바이스는 광을 수신하고 수신된 광을 나타내는 데이터를 송신하도록 구성된 검출기를 더 포함할 수 있다. 이 디바이스는 복수의 광원 및 검출기에 결합된 프로세서를 더 포함할 수 있다. 이 디바이스는 또한 프로세서에 결합되는 비-일시적 저장 매체를 포함할 수 있고, 비-일시적 저장 매체는, 디바이스로 하여금 다음 명령들; 복수의 LED 중 하나로부터 복수의 미리 정해진 세기 중 하나에서 복수의 물체(복수의 물체의 각각은 공지된 광학 밀도를 가짐) 중 하나를 향해 광을 반복적으로 방출하게 하고, 검출기에서 방출된 광의 일부를 검출하고, 프로세서에서, 물체를 통해 방출된 광의 검출된 부분에 기초하여 대응하는 교정 인자를 계산하고, 비-일시적 저장 매체에서 대응하는 교정 인자를 저장하고, 그리고 비-일시적 매체가 복수의 물체, 광원 및 미리 정해진 세기의 각각의 조합에 대한 대응하는 교정 인자를 갖는 것을 판정하게 하는 것을, 저장하도록 구성된다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 교정 용기는 일측 상에 테스트 샘플을 수용하도록 구성된 관통 개구를 형성하는 본체 및 타측 상에 전자 디바이스를 포함할 수 있다. 전자 디바이스는 복수의 방출기로부터 광을 방출하고 검출기에서 광을 수신하도록 구성된다. 교정 용기는 본체에 결합되고 일측을 견고하게 봉입하도록 구성된 상부 덮개를 더 포함할 수 있다. 교정 용기는 또한 공지된 광학 특성을 갖는 물체를 포함할 수 있다. 다른 예들에서, 물체가 교정 용기로부터 별개로 획득될 수 있다. 교정 용기는 본체에 결합되고 타측을 견고하게 봉입하도록 구성된 하부 덮개를 더 포함할 수 있다. 교정 용기는 또한 본체와 상부 덮개 사이에 장착되도록 구성된 제1 개스킷, 및 본체와 하부 덮개 사이에 장착되도록 구성된 제2 개스킷을 포함할 수 있다.
추가의 예에서, 교정 용기는 전자 디바이스를 물체에 근접하게 유지하도록 구성된 지지판을 더 포함할 수 있다. 추가의 예에서, 지지판은 복수의 방출기 및 검출기의 위치에 대응하는 적어도 3개의 관통 구멍을 형성한다. 추가의 예에서, 지지 판은 복수의 나사식 연결부에 의해 본체에 결합된다.
추가의 예에서, 교정 용기는 하부 덮개에 결합되고 지지판에 대해서 물체를 가압하도록 구성된 하부 탄성 재료를 더 포함할 수 있다. 추가의 예에서, 본체는 제1 개스킷의 일부를 수용하도록 구성된 제1 개스킷 홈을 형성한다. 추가의 예에서, 본체는 제2 개스킷의 일부를 수용하도록 구성된 제2 개스킷 홈을 형성한다.
추가의 예에서, 하부 덮개는 복수의 나사식 연결부를 통해 본체에 결합되며, 이에 의해 본체 내부에 물체를 유지한다. 추가의 예에서, 본체는 제1 측 및 제2 측 상에서 전자 디바이스를 지지하도록 구성된 제1 지지 레지(ledge) 및 제2 지지 레지를 형성한다. 추가의 예에서, 교정 용기는 상부 덮개에 결합되고 전자 디바이스를 제1 지지 레지 및 제2 지지 레지에 대하여 적소에 유지하도록 구성된 상부 탄성 재료를 더 포함할 수 있다. 추가의 예에서, 교정 용기는 상부 덮개를 본체에 결합하도록 구성된 힌지를 더 포함한다. 추가의 예에서, 교정 용기는 상부 덮개를 본체에 분리 가능하게 고정하도록 구성된 래치를 더 포함한다. 추가의 예에서, 본체는 물체를 수용하도록 구성된 부분을 갖는다.
또 다른 예에서, 미리 정해진 사용자-특정 파라미터의 세트를 사용하여 조직의 생물학적 지표의 사용자-특정 조치를 판정하는 방법이 제시된다. 이 방법은 조직의 광학 데이터를 캡처하도록 구성된 광학-전자 디바이스를 사용하여 평가하는 동안 수집된 사용자의 생물학적 지표 데이터에 기초하여 사용자-특정 파라미터의 세트를 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 또한 서버 상에 사용자-특정 파라미터의 세트를 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 조직의 광학 데이터를 캡처하도록 구성된 광학-전자 디바이스를 사용하여 신체 활동 중에 사용자의 조직의 생물학적 지표를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 서버 상에 저장된 사용자-특정 파라미터의 세트를 사용하여 생물학적 지표의 사용자-특정 조치를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 출력 디바이스에 경고를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서, 경고는 생물학적 지표의 사용자-특정 조치를 사용자에게 통지하도록 구성된다. 이 방법은 실시간으로 생물학적 지표의 레벨을 사용자에게 통신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
추가의 예에서, 미리 정해진 사용자-특정 락테이트 임계치(LT) 평가 데이터를 사용하여 조직의 총 산소화 지수(TOI: Total Oxygenation Index)의 사용자-특정 조치를 판정하기 위한 방법이 설명된다. 이 방법은 조직의 광학 데이터를 캡처하도록 구성된 광학-전자 디바이스를 사용하여 LT 평가를 수행하면서 사용자-특정 TOI 데이터를 생성하는 단계를 포함한다. 이 방법은 사용자-특정 TOI 조정 파라미터를 계산하는 단계를 더 포함한다. 이 방법은 또한 서버 상에 사용자-특정 TOI 조정 파라미터를 기초로 LT 평가를 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 광학-전자 디바이스를 사용하여 신체 활동 중에 사용자의 조직에서 TOI를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 또한 서버 상에 저장된 사용자-특정 TOI 조정 파라미터를 사용하여 TOI의 사용자-특정 조치를 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 출력 디바이스에 경고를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 경고는 TOI의 사용자-특정 조치를 사용자에게 통지하도록 구성된다. 이 방법은 TOI의 사용자-특정 조치를 실시간으로 사용자에게 통신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 생물학적 지표를 판정하도록 디바이스가 구성된다. 디바이스는 적어도 하나의 발광 소자를 갖는 적어도 2개의 방출기를 포함할 수 있으며, 적어도 2개의 방출기는 광을 방출하도록 구성된다. 디바이스는 광을 수신하고 수신된 광을 나타내는 데이터를 송신하도록 구성된 검출기를 더 포함한다. 디바이스는 또한 방출기 및 검출기에 결합된 프로세서 및 프로세서에 결합된 비-일시적 저장 매체를 포함한다. 비-일시적 저장 매체는, 디바이스로 하여금 다음 명령들; 미리 정해진 제1 세기로 적어도 2개의 방출기들 중 하나로부터 제1 광을 방출하고; 검출기에서 방출된 제1 광의 적어도 일부를 검출하며; 미리 정해진 제1 세기에 대응하여, 비-일시적 저장 매체로부터 제1 교정 인자를 획득하고; 제1 교정 인자에 대응하는 제1 광학 밀도를 생성하고; 미리 정해진 제1 세기에서 적어도 2개의 방출기들 중 다른 하나로부터 제2 광을 방출하며; 검출기에서 방출된 제2 광의 적어도 일부를 검출하고; 미리 정해진 제1 세기에 대응하여, 비-일시적 저장 매체로부터 제2 교정 인자를 획득하며; 제2 교정 인자에 대응하는 제2 광학 밀도를 생성하고; 하나의 방출기와 다른 방출기의 분리에 기초하여 제1 및 제2 광학 밀도를 유효 감쇠로 변환하며; 그리고 유효 감쇠로부터 생물학적 지표를 생성하게 하는 것을, 저장하도록 구성될 수 있다.
추가의 예에서, 디바이스는 또한 프로세서로 하여금 다음 명령들; 검출된 광과 생물학적 지표에 대응하는 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이의 상대적인 일치를 계산하고; 그리고 계산된 상대적인 일치에 기초하여 생물학적 지표의 레벨을 추정하는 것을, 포함하는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다. 추가의 예에서, 상대적인 일치는 내적(inner product), 벡터 투영, 방향 코사인 및 의사-역 투영(pseudo-inverse projection) 방법 중 하나 이상을 사용하여 검출된 광과 하나 이상의 발색단을 나타내는 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이에서 계산된다. 추가의 예에서, 유효 감쇠 계수(
)는 다음 식 
로부터 계산되며, 여기서 
이고, 여기서, ODfar는 검출기로부터 더 멀리 떨어진 방출기에 대응하는 광학 밀도이고, ODnear는 검출기에 더 가깝게 이격된 방출기에 대응하는 광학 밀도이다. 광학 밀도는 
에 따라 각 방출기에 대해 계산될 수 있으며, 여기서 Cijm은 교정 인자이고 Dijm은 광 세기(i), 파장(j) 및 거리(m)에서 검출된 광이다. 소정의 스펙트럼 데이터 세트가 흡수 계수인 추가의 예에서, 검출된 광은 공지된 감소된 산란 계수와 조합함으로써 흡수 계수로 유효 감쇠 계수로부터 변환된다. 상기에 나타내는 다른 예에서, 광 세기 값은 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것 중 어느 하나일 수 있다.
추가의 예에서, 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스 상의 투영의 피트의 잔류의 모듈러스가 판정된다. 추가의 예에서, 수신된 광을 나타내는 스펙트럼 데이터 세트와 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스에 대한 영 공간(null space)의 상대적인 일치가 판정된다. 추가의 예에서, 하나 이상의 발색단은 헤모글로빈, 미오글로빈, 사이토크롬c, 물, 지질, 멜라닌, 포도당 또는 대사산물 중 하나 이상을 포함한다. 추가의 예에서, 헤모글로빈은 옥시헤모글로빈, 디옥시헤모글로빈 및 총 헤모글로빈 중 적어도 하나를 포함한다. 추가의 예에서, 총 헤모글로빈 및 물은 헤모글로빈 농도, 맥박 리듬(pulsatile rhythm), 혈액량, 혈관 긴장도, 근육 긴장도 및 혈관 형성 중 하나 이상의 관류 특성을 판정하기 위해 추가로 활용된다. 추가의 예에서, 미오글로빈은 옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈 및 총 미오글로빈 중 적어도 하나를 포함한다. 추가의 예에서, 대사산물은 락테이트 및 락트산 중 적어도 하나를 포함한다. 추가의 예에서, 하나 이상의 발색단은 물을 포함하고, 물은 수화 레벨을 측정하기 위해 추가로 활용된다.
추가의 예에서, 디바이스는 프로세서로 하여금 하나 이상의 발색단의 상대비를 계산하게 하는 명령을 저장하도록 추가로 구성되는 비-일시적 저장 매체를 더 포함한다. 추가의 예에서, 비-일시적 저장 매체는 프로세서로 하여금 하나 이상의 발색단의 상대적 추가를 계산하게 하는 명령을 저장하도록 추가로 구성된다. 추가의 예에서, 비-일시적 저장 매체는 프로세서로 하여금 검출된 광을 나타내는 데이터로부터 하나 이상의 발색단과 연관된 데이터를 추출하게 하는 명령을 저장하도록 더 구성된다. 추가의 예에서, 적어도 2개의 방출기는 적어도 3개의 파장의 광 또는 적어도 3개의 파장 범위를 방출하도록 구성된다. 추가의 예에서, 생물학적 지표는 상대 백분율, 포화도 레벨, 절대 농도, 변화율, 트레이닝 임계치에 대한 지수 및 임계치 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 적어도 하나의 예에 따르면, 방법은 생물학적 지표를 판정하도록 구성된다. 이 방법은, 미리 정해진 제1 세기로 적어도 2개의 방출기들 중 하나로부터 제1 광을 방출하는 단계; 검출기에서 방출된 제1 광의 적어도 일부를 검출하는 단계; 미리 정해진 제1 세기에 대응하여, 비-일시적 저장 매체로부터 제1 교정 인자를 획득하는 단계; 제1 교정 인자에 대응하는 제1 광학 밀도를 생성하는 단계; 미리 정해진 제1 세기에서 적어도 2개의 방출기들 중 다른 하나로부터 제2 광을 방출하는 단계; 검출기에서 방출된 제2 광의 적어도 일부를 검출하는 단계; 미리 정해진 제1 세기에 대응하여, 비-일시적 저장 매체로부터 제2 교정 인자를 획득하는 단계; 제2 교정 인자에 대응하는 제2 광학 밀도를 생성하는 단계; 하나의 방출기와 다른 방출기의 분리에 기초하여 제1 및 제2 광학 밀도를 유효 감쇠로 변환하는 단계; 및 유효 감쇠로부터 생물학적 지표를 생성하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스의 개략도이다.
도 2a는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스의 정면의 개략도이다.
도 2b는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스의 배면의 개략도이다.
도 2c는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스에 포함되는 공간 분해된 NIRS 센서의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 일례에 따른, 광학-전자 디바이스의 구성요소를 예시한다.
도 4는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스가 구현될 수 있는 환경을 예시한다.
도 5a는 본 개시의 일례에 따른, 검출된 광 데이터를 광학 밀도들로 변환하는데 사용되는 교정 인자를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5b는 본 개시의 일례에 따른, 검출된 광 데이터를 광학 밀도로 변환하기 위한, 공지된 광학 밀도를 갖는 하나 이상의 물체를 사용하여, 교정 인자를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 일례에 따른, 스펙트럼 데이터로부터 지수를 계산하는데 사용되는 스펙트럼 투영 알고리즘을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 일례에 따른, 계산된 지수의 사용자-특정 조정을 위한 알고리즘을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 일례에 따른, 사용자 활동 동안, Sm02 계산의 사용자-특정 조정을 위한 적응형 알고리즘을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 개시의 일례에 따라 계산된, 사용자에 대한 시간(s) 대 포화도(Sm02)의 백분율(%)을 예시하는 플롯이다.
도 10은 도 9에 도시된 데이터를 수집하는데 사용되는 동일한 테스트 프로토콜을 사용하는 사용자에 대한 포화도(Sm02) 대 시간(s)의 백분율(%)을 예시하지만, 본 개시의 일례에 따라, 증가된 개수의 단계를 갖는 플롯이다.
도 11은 본 개시의 일례에 따른, 도 10의 포화도(SmO2)의 백분율의 플롯에 대응하는 심박수 데이터의 플롯이다.
도 12는 본 개시의 일례에 따른, 총 헤모글로빈 농도를 계산하기 위한 투영 방법의 일례를 예시하는 플롯이다.
도 13a는 본 개시의 일례에 따른, 락테이트 임계치(LT: lactate threshold) 평가 활동을 사용하여 판정된 A 및 B 파라미터를 사용하지 않고 계산된 SmO2 값에 대응하는 플롯이다.
도 13b는 본 개시의 일례에 따른, 도 8에서 설명된 알고리즘에 따라 A 및 B 파라미터를 사용하여 계산되었던 Sm02 데이터를 도시하는 플롯이다.
도 14는 본 개시의 일례에 따른, 벡터 투영 방법(하부)과 방향 코사인 방법(상부)에 따라 계산된 사용자 Sm02 값을 비교하는 플롯이다.
도 15는 본 개시의 일례에 따른, 의사-역 투영 방법(하부) 및 벡터 투영 방법(상부)에 따라 계산된 포화도(Sm02) 값의 사용자 백분율(%)을 비교한 플롯이다.
도 16a는 본 개시의 일례에 따른, 생물학적 지표를 계산하는 직접 농도 방법이 팔 폐색에 의해 야기된 혈액량 변화(점선 화살표)에 의해 영향을 받는다는 것을 증명하는 플롯이다.
도 16b는 벡터 투영 방법(하부) 및 의사-역 방법(상부) 양자 모두에 대해, 스펙트럼 투영 방법을 사용하여 계산된 데이터에 대한 더 작은 혈액량 변화 의존성을 증명하는 플롯이다.
도 17a는 본 개시의 일례에 따른, 시간에 따른 간섭을 검출하도록 구성된 잔류 신호 판정의 일례를 예시하는 플롯이다.
도 17b는 시간에 따른 포화도의 백분율을 예시하는 플롯이며, 여기서, 시간 스케일은 도 17a와 동일하다.
도 18a는 본 개시의 일례에 따른, 도 17a에 도시된 555초에서의 이벤트의 확대도를 예시하는 플롯이다.
도 18b는 시간에 따른 포화도의 백분율을 예시하는 플롯이며, 여기서, 시간 스케일은 도 18a와 동일하다.
도 19a는 본 개시의 일례에 따른, 평가 동안 사용자의 시간 경과에 따른 심박수의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 19b는 도 19a의 평가 동안 사용자의 시간에 따른 전력 출력의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 19c는 도 19a의 평가 동안 사용자의 수화 지수(hydration index)의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 20a는 도 19a에 도시된 동일한 평가 동안 헤모글로빈 지수의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 20b는 도 19a에 도시된 동일한 평가 동안 헤모글로빈 농도의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 21a는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 분해도이다.
도 21b는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 내부 부분의 상부 사시도이다.
도 21c는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 외부 부분의 사시도이다.
도 21d는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 단면도이다.
도 2a는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스의 정면의 개략도이다.
도 2b는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스의 배면의 개략도이다.
도 2c는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스에 포함되는 공간 분해된 NIRS 센서의 개략도이다.
도 3은 본 개시의 일례에 따른, 광학-전자 디바이스의 구성요소를 예시한다.
도 4는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스가 구현될 수 있는 환경을 예시한다.
도 5a는 본 개시의 일례에 따른, 검출된 광 데이터를 광학 밀도들로 변환하는데 사용되는 교정 인자를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5b는 본 개시의 일례에 따른, 검출된 광 데이터를 광학 밀도로 변환하기 위한, 공지된 광학 밀도를 갖는 하나 이상의 물체를 사용하여, 교정 인자를 생성하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 일례에 따른, 스펙트럼 데이터로부터 지수를 계산하는데 사용되는 스펙트럼 투영 알고리즘을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 일례에 따른, 계산된 지수의 사용자-특정 조정을 위한 알고리즘을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 개시의 일례에 따른, 사용자 활동 동안, Sm02 계산의 사용자-특정 조정을 위한 적응형 알고리즘을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 개시의 일례에 따라 계산된, 사용자에 대한 시간(s) 대 포화도(Sm02)의 백분율(%)을 예시하는 플롯이다.
도 10은 도 9에 도시된 데이터를 수집하는데 사용되는 동일한 테스트 프로토콜을 사용하는 사용자에 대한 포화도(Sm02) 대 시간(s)의 백분율(%)을 예시하지만, 본 개시의 일례에 따라, 증가된 개수의 단계를 갖는 플롯이다.
도 11은 본 개시의 일례에 따른, 도 10의 포화도(SmO2)의 백분율의 플롯에 대응하는 심박수 데이터의 플롯이다.
도 12는 본 개시의 일례에 따른, 총 헤모글로빈 농도를 계산하기 위한 투영 방법의 일례를 예시하는 플롯이다.
도 13a는 본 개시의 일례에 따른, 락테이트 임계치(LT: lactate threshold) 평가 활동을 사용하여 판정된 A 및 B 파라미터를 사용하지 않고 계산된 SmO2 값에 대응하는 플롯이다.
도 13b는 본 개시의 일례에 따른, 도 8에서 설명된 알고리즘에 따라 A 및 B 파라미터를 사용하여 계산되었던 Sm02 데이터를 도시하는 플롯이다.
도 14는 본 개시의 일례에 따른, 벡터 투영 방법(하부)과 방향 코사인 방법(상부)에 따라 계산된 사용자 Sm02 값을 비교하는 플롯이다.
도 15는 본 개시의 일례에 따른, 의사-역 투영 방법(하부) 및 벡터 투영 방법(상부)에 따라 계산된 포화도(Sm02) 값의 사용자 백분율(%)을 비교한 플롯이다.
도 16a는 본 개시의 일례에 따른, 생물학적 지표를 계산하는 직접 농도 방법이 팔 폐색에 의해 야기된 혈액량 변화(점선 화살표)에 의해 영향을 받는다는 것을 증명하는 플롯이다.
도 16b는 벡터 투영 방법(하부) 및 의사-역 방법(상부) 양자 모두에 대해, 스펙트럼 투영 방법을 사용하여 계산된 데이터에 대한 더 작은 혈액량 변화 의존성을 증명하는 플롯이다.
도 17a는 본 개시의 일례에 따른, 시간에 따른 간섭을 검출하도록 구성된 잔류 신호 판정의 일례를 예시하는 플롯이다.
도 17b는 시간에 따른 포화도의 백분율을 예시하는 플롯이며, 여기서, 시간 스케일은 도 17a와 동일하다.
도 18a는 본 개시의 일례에 따른, 도 17a에 도시된 555초에서의 이벤트의 확대도를 예시하는 플롯이다.
도 18b는 시간에 따른 포화도의 백분율을 예시하는 플롯이며, 여기서, 시간 스케일은 도 18a와 동일하다.
도 19a는 본 개시의 일례에 따른, 평가 동안 사용자의 시간 경과에 따른 심박수의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 19b는 도 19a의 평가 동안 사용자의 시간에 따른 전력 출력의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 19c는 도 19a의 평가 동안 사용자의 수화 지수(hydration index)의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 20a는 도 19a에 도시된 동일한 평가 동안 헤모글로빈 지수의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 20b는 도 19a에 도시된 동일한 평가 동안 헤모글로빈 농도의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다.
도 21a는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 분해도이다.
도 21b는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 내부 부분의 상부 사시도이다.
도 21c는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 외부 부분의 사시도이다.
도 21d는 본 개시의 일례에 따른, 교정 용기의 단면도이다.
도 1은 본 개시의 일례에 따른 비침습적 광학-전자 디바이스(100)를 예시한다. 디바이스(100)는 스트랩(115)을 통해 사용자의 근육 덩어리(muscle mass)와 같은 부분에 부착될 수 있다. 디바이스(100)는 셀룰러 네트워크 또는 무선 인터넷 연결을 통해, (도시된 바와 같은) 스마트폰, 스마트 와치, 컴퓨터, 모바일 폰, 태블릿, 전자 처리 및 표시 유닛, 클라우드 스토리지, 또는 원격 데이터 저장소와 같은 선택적 출력 디바이스(150)와 함께 사용될 수 있다.
디바이스(100)는 NIRS를 사용하여 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 구성된 센서(125)를 포함한다. 센서(125)는 광학 방출기(105) 및 광학 검출기(110)를 포함한다. 일반적으로, 센서(125)는 발색단들, 이를테면, 물, 옥시헤모글로빈(HbO2), 디옥시헤모글로빈(HHb)을 포함하는 다수의 형태들의 헤모글로빈, 옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈, 시토크롬c, 지질, 멜라닌, 락테이트, 글루코오스, 미오글로빈(옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈 및 총 미오글로빈 중 적어도 하나를 포함) 또는 대사산물의 광학 흡수를 판정하기 위해 2개 이상의 저전력 레이저, LED 또는 유사 단색 광원 및 저잡음 광검출 전자장치를 사용한다. 대사산물은 락테이트 및 락트산 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 시토크롬c는 예컨대, 훈련에 대한 근육 적응을 추적하는데 사용될 수 있다. 다른 예에서, 센서(125)는 분광계, 또는 전하결합소자(CCD: Charge Coupled Device) 또는 근적외선 광학 필터와 결합된 다른 선형 광검출기와 같은 광의 스펙트럼 성분에 민감한 광역 스펙트럼 광원 및 검출기를 사용할 수 있다.
광학-전자 디바이스(100)는 사용자의 광혈류측정(PPT: photoplexysography)을 측정하도록 구성된 제2 센서(135)를 포함하도록 구성될 수 있다. 제2 센서(135)는 광학 방출기(145) 및 광학 검출기(146)를 포함한다. 디바이스(100)는 또한 사용자의 심전도(EKG: electrocardiography) 및 유도된 수축기 시간 간격(STI: systolic time interval)을 측정하도록 구성되는 제3 센서(175)를 포함한다. 제3 센서(175)는 제1 전극(180) 및 제2 전극(181)을 포함한다. 디바이스(100)의 센서(125, 135, 175)는 사용자의 NIRS 파라미터, 심전도, 광혈류측정 및 유도된 수축기 시간 간격(STI)을 측정할 수 있다. 광학-전자 디바이스(100)는 또한 센서(125, 135, 175)에 의해 생성된 데이터를 분석하여 운동 및 서플라이에 대한 심장 반응, 동정맥 차이, 근육 조직에 의한 산소의 활용 및 근육 조직의 수화를 판정하도록 구성되는 프로세서를 포함한다.
적어도 하나의 예에서, 프로세서는 상대 백분율, 포화도 레벨, 절대 농도, 변화율, 트레이닝 임계치에 대한 지수, 및 임계치를 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 생물학적 지표들을 판정하도록 구성된다. 다른 경우에, 프로세서는 총 헤모글로빈 및 수분 측정으로부터 맥박 리듬, 혈액량, 혈관 긴장도, 근육 긴장도 및 혈관 형성과 같은 관류 특성을 판정하도록 구성된다.
디바이스(100)는 센서(125, 135, 175) 및 디바이스(100)의 다른 구성요소에 전력을 공급하기 위해 배터리와 같은 전원 공급 장치를 포함할 수 있다. 일 예에서, 센서(125)는 3.5" × 2"의 피부 접촉 영역을 갖는다. 다른 예에서, 센서(125)는 사용자의 팔뚝에 들어맞도록 크기가 정해질 수 있다. 또 다른 예에서, 센서(125)는 사용자의 손목에 들어맞도록 크기가 정해질 수 있다.
도 2는 본 개시의 대안의 예에 따른 비침습적 광학-전자 디바이스(200)를 예시한다. 디바이스(200)는 사용자의 다리의 종아리 근육 또는 사용자 팔의 이두근과 같은 사용자의 팔다리(limb)에 착용되도록 구성된다. 적어도 하나의 예에서, 디바이스(200)는 주어진 팔다리에 대해 최적화될 수 있고, 이에 의해 디바이스의 정확성을 증가시킬 수 있다. 다른 예에서, 디바이스(200)는 사용자의 사이즈, 성별 또는 나이에 기초하여 최적화될 수 있다. 또 다른 예에서, 주어진 디바이스에 대해 상기의 다양한 최적화가 구현될 수 있다. 도 2a는 광학-전자 디바이스의 정면을 예시한다. 도 2b는 방출기(220, 230, 250) 및 광검출기(210)를 포함하는 광학-전자 디바이스의 이면을 예시한다. 디바이스(200)는 또한 데이터 및 충전 접점(270)을 포함한다. 적어도 하나의 예에서, 데이터 및 충전 접점(270)은 센서가 사용자의 피부와 접촉하고 있는지를 전기적으로 검출하는데 사용될 수 있다. 광학-전자 디바이스 상의 다수의 방출기(220, 230, 250)의 존재는 공간적으로 분해된 데이터 수집을 실시간으로 허용한다. 광학-전자 디바이스(200)는 이를테면, 물, 옥시헤모글로빈(HbO2), 디옥시헤모글로빈(HHb)을 포함하는 다수의 형태들의 헤모글로빈, 옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈, 시토크롬c, 지질, 멜라닌, 락테이트, 글루코오스, 또는 대사산물의 발색단의 광학 흡수를 판정하도록 구성될 수 있다.
도 2c는 본 개시의 일례에 따른, 비침습적 광학-전자 디바이스(200) 상에 포함될 수 있는 공간적으로 분해된 NIRS 센서를 예시한다. 도 2c에 도시된 바와 같이, 공간적으로 분해된 NIRS 센서는 조직에 의해 산란되고 부분적으로 흡수되는 광을 방출하는 광 방출기(280 및 281)를 포함한다. 각각의 방출기(280, 281)는 단일 파장의 광 또는 단일 범위의 파장을 방출하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 각각의 방출기(280, 281)는 적어도 3개의 파장의 광 또는 적어도 3개의 범위의 파장을 방출하도록 구성될 수 있다. 각각의 방출기(280, 281)는 하나 이상의 LED 또는 광원을 포함할 수 있다. 각각의 방출기(280, 281)는 광원으로서, 저전력 레이저, LED, 또는 준-단색(quasi-monochromatic) 광원 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 각각의 방출기(280, 281)는 또한 광 필터를 포함할 수 있다.
방출기(280 및 281)에 의해 방출된 광의 일부분은, 포물선 또는 "바나나 형상"의 광 아크(291 및 292)에 의해 예시된 바와 같이 광검출기(285)에 의해 검출된다. 방출기(280, 281)는 공지된 거리(290)만큼 분리되고, 따라서 검출기(285)로부터 상이한 공지된 간격(295, 296)을 가지며, 나중에 광검출기(285)에서 검출되는 신호를 생성한다. 검출된 신호는 도 6에서, 예컨대, 블록(640 및 650)에서 후술되는 바와 같이 기저 조직의 유효 감쇠 및 흡수 계수를 추정하는 데 사용된다. 적어도 하나의 예에서, 방출기들(280, 281) 사이의 공지된 거리(290)는 12 밀리미터이다. 적어도 하나의 예에서, 방출기들(280 및 281) 사이의 12 밀리미터의 공지된 거리는, 27 밀리미터의 검출기(285)로부터의 방출기(281)의 공지된 간격(295) 및 15 밀리미터의 검출기(285)로부터의 방출기(280)의 공지된 간격(296)에 대응한다. 다른 예에서, 공지된 거리는 광의 파장, 수반된 조직, 또는 사용자의 나이를 포함할 수 있는 다양한 인자에 기초하여 선택될 수 있다. 도 2c는 공지된 거리(290)가 방출기들(280, 281)과 광검출기(285) 사이의 간격의 차이에 대응하도록 일렬로 배열되고 그리고 길이방향으로 이격되는 방출기(280, 281)를 도시하는 한편, 방출기는, 적어도 2개의 방출기가 광검출기(285)로부터 상이한 거리로 이격되어 있는 한 임의의 구성으로 이격될 수 있다.
본원에 개시된 광학-전자 디바이스(200)는 본 개시의 원리를 벗어나지 않으면서 상이한 수의 방출기 및 광검출기를 가질 수 있다. 또한, 방출기 및 광검출기는 본 개시의 원리를 벗어나지 않으면서 상호교환될 수 있다. 게다가, 광원에 의해 발생된 파장은 각각의 방출기에 대해 동일하거나 상이할 수 있다.
적어도 하나의 예에서, 디바이스(200)는 신체 활동 중에 사용자의 생리학적 파라미터를 모니터링하기 위해 사용된다. 디바이스(200)의 사용은 런닝, 사이클링, 멀티스포츠 경기, 조정과 같은 지구력 유형 스포츠(endurance type sports)와 관련될 수 있지만, 또한 다른 신체 활동에도 사용될 수 있다. 디바이스(200)는 신체 운동 중에 실시간 근육 파라미터를 무선으로 측정하도록 구성될 수 있다. 디바이스(200)는 런닝 및 사이클링의 주요 근육 그룹인 외측 광근(vastus lateralis) 또는 비복근(gastrocnemius)의 다리 근육과 같은 사용자의 선택된 근육 그룹에 고정될 수 있다.
도 3은 본 개시의 일례에 따른 광학-전자 디바이스(300)의 구성요소를 예시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광학-전자 디바이스는 프로세서(330)에 결합된 방출기(310) 및 검출기(320)를 포함한다. 프로세서(330)는 비-일시적 저장 매체(340)에 결합된다. 디바이스(300)는 출력 디바이스(390)에 결합된다.
방출기(310)는 조직에 광을 전달하고 검출기(320)는 조직으로부터 역-산란되는 광학적으로 감쇠된 신호를 수집한다. 적어도 하나의 예에서, 방출기(310)는 적어도 3개의 개별 파장의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또 다른 예에서, 방출기(310)는 적어도 3개의 개별 대역 또는 파장 범위를 방출하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 방출기(310)는 하나 이상의 발광 다이오드(LED) 또는 광원을 포함할 수 있다. 방출기(310)는 또한 광 필터를 포함할 수 있다. 방출기(310)는 광원으로서, 저전력 레이저, LED, 또는 준- 단색 광원, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 방출기는 적외선에서부터 자외선에 이르기까지 광을 방출할 수 있다. 상기에 나타낸 바와 같이, 본 개시는 NIRS를 주요한 예로서 사용하고, 다른 유형의 광이 다른 예에서 구현될 수 있으며, NIRS에 관한 설명은 임의의 방식으로 다른 파장의 광의 사용을 방지하기 위해 본 개시를 제한하지 않는다.
검출기(320)에 의해 생성된 데이터는, 프로세서에 결합된 비-일시적 저장 매체(340)에 저장된 명령에 따라 컴퓨터 프로세서와 같은 프로세서(330)에 의해 처리될 수 있다. 처리된 데이터는 사용자에게 저장 또는 디스플레이를 위해 출력 디바이스(390)로 통신될 수 있다. 디스플레이된 처리 데이터는, 출력 디바이스(390) 상의 제어 버튼 또는 터치 스크린 제어기를 사용하여 사용자에 의해 조작될 수 있다.
광학-전자 디바이스(300)는, 경고를 발생시키도록 구성된 경고 모듈(350)을 포함할 수 있다. 프로세서(330)는 경고를 출력 디바이스(390)에 전송(send)할 수 있거나, 경고 모듈(350)은 경고를 출력 디바이스(390)에 직접 전송할 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 광학-전자 디바이스(300)는, 프로세서(330)가 경고 모듈(350)을 포함하는 디바이스 없이 출력 디바이스(390)에 경고를 전송하도록 구성되게 구성될 수 있다.
경고는 사용자에게 생물학적 지표 상태의 변화 또는 디바이스(300)에 의해 모니터링되는 다른 파라미터의 통지를, 출력 디바이스(390)의 스피커 또는 디스플레이를 통해, 제공할 수 있거나, 사용자에게 업데이트된 생물학적 지표 레벨을 제공하는데 경고가 사용될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 경고는 청각 신호, 시각 신호, 진동 신호, 또는 이들의 조합으로서 나타낼 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 신체 활동 중에 미리 정해진 생물학적 지표 이벤트가 발생할 때 프로세서(330)에 의해 경고가 전송될 수 있다.
적어도 하나의 예에서, 광학-전자 디바이스(300)는 지리적 위치를 판정하고 위치 특정 정보로 생물학적 지표 데이터를 태깅하도록 구성된 위성위치확인 시스템(GPS: Global Positioning System) 모듈(360)을 포함할 수 있다. 광학-전자 디바이스(300)는 또한 서미스터(370) 및 관성 측정 유닛(IMU: inertial measurement unit)(380)을 포함할 수 있다. 관성 측정 유닛(IMU)(380)은, 예컨대, 신체 활동 중에 사용자의 생리학적 파라미터뿐만 아니라 사이클리스트의 페달 기구학(pedal kinematics) 또는 러너의 보행 성능을 측정하는 데 사용될 수 있다. 서미스터(370) 및 관성 측정 유닛(IMU)(380)은 또한 생리학적 임계치의 파라미터를 독립적으로 측정하도록 구성된 독립 센서로서 기능할 수 있다. 서미스터(370) 및 관성 측정 유닛(IMU)(380)은 또한 광학 신호를 처리하거나 필터링하기 위한 추가의 알고리즘에 사용될 수 있다.
도 4는 본 개시의 일례에 따라 비침습적 광학-전자 디바이스(400)가 구현될 수 있는 환경을 예시한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광학-전자 디바이스(400)는 신체 활동 중에 생물학적 지표 레벨을 판정하기 위해 사용자에 의해 착용된다. 광학-전자 디바이스(400)는 사용자(405)의 종아리에 착용되는 것으로 도시되어 있지만, 광학-전자 디바이스(400)는 생물학적 지표 레벨을 모니터링하기에 적합한 사용자의 임의의 부분에 착용될 수 있다. 디바이스(400)는 셀룰러 네트워크 또는 무선 인터넷 연결을 통한, (도시된 바와 같은) 스마트폰, 스마트 와치, 컴퓨터, 모바일 폰, 태블릿, 전자 처리 및 디스플레이 유닛, 클라우드 저장 장치 또는 원격 데이터 저장소와 같은 출력 디바이스(410)와 함께 사용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광학-전자 디바이스(400)는, 광학-전자 디바이스(400)에 의해 수집된 데이터가 사용자(405)에 대한 실시간 생물학적 지표 데이터의 통신을 위해서 출력 디바이스(410)에 디스플레이되거나 전달되도록 출력 디바이스(410)와 통신한다. 적어도 하나의 예에서, 사용자(405)가 생물학적 지표 이벤트를 통지받을 수 있도록 디바이스(400)로부터 출력 디바이스(410)로 경고가 통신될 수 있다. 디바이스(400)와 출력 디바이스(410) 사이의 통신은, BLUETOOTH®, 적외선 기술, 또는 무선 기술과 같은 무선 기술을 통해 이루어질 수 있거나 또는 유선을 통해 이루어질 수 있다. 광학-전자 디바이스(400)와 출력 디바이스(410) 사이의 데이터 전달은 또한 보안 디지털(SD; secure digital) 카드와 같은 착탈식 저장 매체를 통해 이루어질 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 디스플레이 유닛이 출력 디바이스(410)에 대해 대체될 수 있다.
광학-전자 디바이스(400)는 또한 개인 컴퓨팅 디바이스(440) 또는 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 저장 및/또는 디스플레이하도록 구성된 다른 디바이스와 통신한다. 개인 컴퓨팅 디바이스(440)는 데스크탑 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿, 스마트폰, 스마트 와치, 또는 다른 유사한 디바이스를 포함할 수 있다. 디바이스(400)와 개인용 컴퓨팅 디바이스(440) 사이의 통신은 BLUETOOTH®, 적외선 기술 또는 무선 기술과 같은 무선 기술을 통해 이루어질 수 있다. 다른 예에서, 디바이스(400)와 개인 컴퓨팅 디바이스(440) 사이의 통신은 유선 또는 다른 물리적 연결을 통해 이루어질 수 있다. 광학-전자 디바이스(400)와 개인용 컴퓨팅 디바이스(440) 사이의 데이터 전달은 또한 SD 카드와 같은 착탈식 저장 매체를 통해 이루어질 수 있다.
출력 디바이스(410)는 네트워크(420)를 통해 서버(430)와 통신하여 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 서버(430)로 전달하는 것을 허용할 수 있게 한다. 출력 디바이스(410)는 또한 네트워크(420)를 통해 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 클라우드 기반 컴퓨터 서비스 또는 클라우드 기반 데이터 클러스터에 통신할 수 있다. 출력 디바이스(410)는 또한 개인용 컴퓨팅 디바이스(440) 또는 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 저장 또는 디스플레이하도록 구성된 다른 디바이스와 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 동기화시킬 수 있다. 출력 디바이스(410)는 또한 개인용 컴퓨팅 디바이스(440) 또는 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 저장 및 디스플레이하는 것 양자 모두를 수행하도록 구성된 다른 디바이스와 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 동기화시킬 수 있다. 대안적으로, 개인용 컴퓨팅 디바이스(440)는, 네트워크(420)를 통해 서버(430) 또는 클라우드 기반 컴퓨팅 서비스로부터 데이터를 수신할 수 있다.
개인용 컴퓨팅 디바이스(440)는 네트워크(420)를 통해 서버(430)와 통신하여, 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 서버(430)로 전달하는 것을 허용할 수 있게 한다. 개인용 컴퓨팅 디바이스(440)는 또한 네트워크(420)를 통해 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 클라우드 기반 컴퓨터 서비스 또는 클라우드 기반 데이터 클러스터에 통신할 수 있다. 개인용 컴퓨팅 디바이스(440)는 또한 출력 디바이스(410) 또는 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 저장 및/또는 디스플레이하도록 구성된 다른 디바이스와 사용자 특정 생물학적 지표 데이터를 동기화시킬 수 있다.
광학-전자 디바이스(400)는 또한 네트워크(420)를 통해 서버(430) 또는 클라우드 기반 컴퓨팅 및 데이터 저장 서비스로 데이터를 직접 통신할 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 디바이스(400)는 지리적 위치 정보를 얻기 위해 GPS 위성(도시되지 않음)과 통신하도록 구성되는 GPS 모듈을 포함할 수 있다.
광학-전자 디바이스(400)는 그 자체로 또는 다른 광학-전자 디바이스 또는 바이오 센서와 결합하여 사용될 수 있다. 예컨대, 광학-전자 디바이스(400)는 심박수(HR: heart rate) 바이오센서 디바이스, 풋 포드(foot pod) 바이오 센서 디바이스 및/또는 파워 미터(power meter) 바이오 센서 디바이스와 결합하여 사용될 수 있다. 광학-전자 디바이스(400)는 또한 ANT+™ 무선 기술 및 ANT+™ 무선 기술을 사용하는 디바이스와 결합하여 사용될 수 있다. 광학-전자 디바이스(400)는 ANT+™ 기술을 사용하는 디바이스에 의해 수집된 데이터를 포함하여 다른 바이오 센서에 의해 수집된 데이터를 집계하는데 사용될 수 있다. 바이오 센서 데이터의 집계는 BLUETOOTH®, 적외선 기술, 또는 라디오 기술과 같은 무선 기술을 통해 이루어질 수 있거나 유선을 통해 이루어질 수 있다.
광학-전자 디바이스(400)에 의해 집계된 바이오 센서 데이터는 네트워크(420)를 통해 서버(430) 또는 클라우드 기반 컴퓨터 서비스 또는 클라우드 기반 데이터 클러스터로 통신될 수 있다. 집계된 바이오 센서 데이터는 또한 광학-전자 디바이스(400)로부터 출력 디바이스(410) 또는 개인용 컴퓨팅 디바이스(440)로 통신될 수 있다.
적어도 하나의 예에서, 광학-전자 디바이스(400)는 실시간으로 수집된 데이터를 서버(430), 출력 디바이스(410) 또는 클라우드 기반 스토리지 서비스에서 이전에 저장된 동일한 사용자에 대한 데이터와 비교함으로써 기계 학습 알고리즘을 채용할 수 있다. 기계 학습 알고리즘은 또한 출력 디바이스(410), 클라우드 기반 컴퓨터 서비스, 서버(430), 또는 개인용 컴퓨팅 디바이스(440) 중 어느 하나 상에서 또는 이들 중 어느 하나에 의해 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다.
본 개시에 따르면, 조직 또는 혈관의 생물학적 지표의 레벨의 판정은 생물학적 지표에 해당하는 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트와 검출기에서 수신된 스펙트럼 데이터 세트 사이의 상대적인 일치(match) 또는 지수를 계산함으로써 성취된다. 적어도 하나의 예에서, 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트는 문헌으로부터 용이하게 얻을 수 있는 특정 분석물의 신호 스펙트럼에 대응한다. 예컨대, Analyt. Biochem.Vol 227, pp. 54-68(1995)을 참조한다. 상대적인 일치 계산은, 일치의 근접성을 반영하는 지수를 계산하기 위해 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트의 방향으로 사용자로부터 캡처된 스펙트럼 데이터 세트의 투영(projection)을 계산함으로써 수행된다. 스펙트럼 투영 방법은, 생물학적 지표의 상대적인 백분율 레벨을 계산하는 데 사용될 수 있거나, 적절한 보정(calibration)을 통해, 생물학적 지표의 절대 농도를 계산하는데 사용될 수 있다.
생물학적 지표의 레벨을 판정하는 스펙트럼 투영 방법은, 예로써, 관심 생물학적 지표로서 총 산소 지수(TOI: Total Oxygenation Index)를 사용하여 설명될 내적 방법(inner product method)을 사용하여 수학적으로 구현될 수 있다. TOI는 총 헤모글로빈(tHb)에 대한 산소화된 헤모글로빈(HbO2)의 비율이며, 여기서 총 헤모글로빈(tHb)은 산소화된 헤모글로빈 (HbO2)과 발색단 탈산소화된 헤모글로빈 (HHb)의 조합된 농도와 동일하다.
TOI = [Hb02]/[tHb] 또는 TOI % = 100*([HbO2]/[tHb]), 여기서, [tHb] = [Hb02] +[HHb] 임.
본원에서 사용되는 같이 TOI는 근육 산소 포화도인 보다 특정한 파라미터(Sm02)를 포함한다. Sm02는 또한 근육 조직의 광학 측정으로부터 판정된 조직 산소 포화도일 수 있다. 산소화 헤모글로빈(HbO2)과 탈산소화 헤모글로빈(HHb) 양자 모두는, 스펙트럼 데이터 세트가 미리 판정될 수 있는 발색단이다. 표식0(D)은 사용자에 대한 스펙트럼 데이터 세트가 검출기에서 측정되었던 동일한 파장에서 옥시헤모글로빈(디옥시헤모글로빈)에 대한 미리 판정된 스펙트럼 데이터를 나타내기 위해 사용될 수 있으며, U는 유효 감쇠(
) 또는 유효 흡수 계수(
)를 포함하는 측정된 데이터 세트를 나타내는 데 사용될 수 있다. 스펙트럼 투영을 계산하는 내적 방법은, 방향 코사인 방법, 벡터 투영 방법 및 의사-역 투영 방법을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 상이한 수학적 방법에 따라 계산될 수 있다:
방향 코사인 방법:
벡터 투영 방법:
의사-역 투영 방법:
이들 방법 모두는 다음과 같이 재기입될 수 있다:
여기서, a 및 b는 각각, 코사인 방법, 벡터 투영 방법, 및 의사-역 투영 방법에 대해, i) 
,ii)
, 및 iii) 
및 
과 같이 정의된 스칼라량이다.
지수를 계산하기 전에, 조직의 흡수 특성에 대해 지수 계산을 보정하는 것을 허용하는 교정 계수가 생성될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 예컨대, 투영 지수 알고리즘에 의해 사용될 수 있는 교정 계수를 생성하는데 사용되는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5a를 참조하면, 흐름도는 예시적인 예에 따라 제시된다. 도 5a에 도시된 예시적인 방법은, 방법을 실행하는 다양한 방식이 존재하기 때문에, 일례로서 제공된다. 도 5a에 도시된 각각의 블록은, 도 5a에 도시된 예시적인 방법에서 실행되는 하나 이상의 프로세스, 방법 또는 서브루틴을 나타낸다. 또한, 블록의 예시된 순서는 단지 예시적인 것이며, 블록의 순서는 본 개시에 따라 변경될 수 있다. 본 개시를 벗어나지 않으면서, 추가 블록을 추가하거나 더 적은 블록을 활용할 수 있다.
예시적인 교정 방법은 블록(500)에서 시작될 수 있다. 블록(510)에서, 광학-전자 디바이스는, 공지된 흡광도(ODjm)를 갖는 물체에 부착되거나 인접하게 로케이팅될 수 있으며, 또는 이와 달리, 공지된 흡광도(ODjm)를 갖는 물체에 인접하게 위치될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 상기 물체는 팬텀(phantom)일 수 있으며, 이는 특별한 광학 특성으로 구성되어 있다. 일례에서, 특별한 광학 특성은 조직과 유사한 특성일 수 있다. 팬텀이 본원에서 사용되는 동안, 다른 물체가 본 개시의 범위 내에서 고려된다. 이 절차는 블록(520)에서 각각의 간격(m)에 대해 반복되고 그리고 블록(530)에서 각각의 광원 또는 광원 파장(j)에 대해 반복된다. 블록(540)에서, 모든 광 세기(i)가 스윕된다(swept). 블록(550)에서, 광 데이터(Dijm)가 캡처된다. 교정 인자는 블록(560)에서 다음의 공식을 사용하여 계산된다: 
. 상기에 나타낸 다른 예에서, 광 세기는 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것 중 어느 하나일 수 있다.
블록(570)은 교정 알고리즘이 각각의 광원에 대해 반복되었는지의 여부를 판정한다. 하나 이상의 광원에 대해 교정이 수행되지 않았다면, 모든 광원이 교정될 때까지 추가의 광원에 대해 블록(540)과 함께 시작하는 블록들이 반복된다. 블록(575)은 방출기와 검출기 사이의 모든 분리 거리에 대해 교정이 수행되었는지를 판정한다. 방출기와 검출기 사이의 모든 거리에 대해 교정이 수행되지 않은 것으로 판정되면, 최종 광원 및 최종 간격이 교정될 때까지 블록(530)과 함께 시작하는 블록들이 반복되고, 교정 인자가 블록(580)에 저장된다. 교정 인자(Cijm)는 블록(585)에서 서버 및/또는 펌웨어에 저장된다. 블록(590)에서, 교정 알고리즘이 완료된다. 도 5a에 설명된 방법에 따라 저장되는 교정 인자는, 예컨대, 도 6에 도시된 투영 지수 알고리즘에 의해 사용될 수 있다.
도 5a에서 설명된 방법에서 사용된 팬텀은, VIS-NIR에서 다양한 조직을 시뮬레이트하는 광학-등급 품질의 중합체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 솔리드 팬텀(solid phantom)일 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 팬텀은 중합체, 산란제(scattering agent), 및 광 흡수 염료(light absorbing dye)를 포함할 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 중합체는 폴리우레탄, 또는 폴리우레탄계 중합체일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 산란제는 이산화티타늄(TiO2)일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 광 흡수 염료는 카본 블랙일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 경우에, 팬텀은 산란제 및 흡수 염료를 추가로 포함하는 폴리우레탄계 중합체를 포함할 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 팬텀은 캐나다 퀘벡의 INO(www.ino.ca)로부터 입수할 수 있는 Biomimic ™ Optical Phantom일 수 있다.
팬텀은 미리 정해진 광 산란 및 광 흡수 특성을 갖도록 제조될 수 있다. 예컨대, 팬텀은 기준 파장에서 미리 정해진 흡수 계수(
) 및/또는 기준 파장에서 미리 정해진 산란 계수(
)를 갖도록 제조될 수 있다. 예컨대, 팬텀의 미리 정해진 광 산란 및 광 흡수 특성은 중합체 팬텀 내의 산란제 및 흡수 염료의 양을 변화시킴으로써 조작될 수 있다. 적어도 일부 경우에, 도 5a에 설명된 방법은 광학-전자 디바이스가 생물학적 지표를 판정할 조직을 모방하는 광 흡수 및 광 산란 특성을 갖는 팬텀을 선택하는 것을 더 포함할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 흐름도는 예시적인 예에 따라 제시된다. 도 5b에 도시된 예시적인 방법은, 방법을 실행하기 위한 다양한 방식이 존재하기 때문에, 일례로서 제공된다. 도 5b에 도시된 각각의 블록은, 도 5b에 도시된 예시적인 방법에서 실행되는 하나 이상의 프로세스, 방법 또는 서브루틴을 나타낸다. 또한, 블록의 예시된 순서는 단지 예시적인 것이며, 블록의 순서는 본 개시에 따라 변경될 수 있다. 본 개시를 벗어나지 않으면서 추가 블록을 추가하거나 더 적은 블록을 활용할 수 있다.
도 5b는 각각이 상이한 간격만큼 검출기로부터 이격되는 하나 이상의 LED를 각각 갖는 하나 이상의 방출기를 갖는 광학-전자 디바이스를 교정하기 위해 사용될 수 있는 예시적인 교정 방법을 제공한다. 도 5b에 제공된 예시적인 교정 방법은, 공지된 광학 밀도를 갖는 하나 이상의 물체에 광학-전자 디바이스를 근접하게 또는 이와 달리 인접하게 배치시키는 것을 포함한다. 일례에서, 광학-전자 디바이스는 공지된 광학 밀도를 갖는 하나 이상의 물체에 부착될 수 있다. 공지된 광학 밀도를 갖는 단일 물체가 교정을 수행하기에 충분하지만, 공지된 광학 밀도를 갖는 다수의 물체를 사용하는 것은, 적어도 일부 경우에, 개선된 교정 인자의 세트를 제공할 수 있다. 도 5b에 제공된 방법에 따라, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체를 사용하는 각각의 교정은 별도의 교정 인자의 세트를 제공하며, 이에 따라, 교정 인자의 최적 피트(best-fit) 세트의 판정을 허용하며, 이는 예컨대, 선형 회귀(linear regression)를 계산함으로써 판정될 수 있다. 따라서, 도 5b의 방법은, 적어도 일부 경우에, 교정 인자의 세트와 참(true) 교정 인자 사이의 오차의 최소화를 제공한다.
예시적인 교정 방법은 블록(505)에서 시작될 수 있다. 블록(505)에서, 광학-전자 디바이스는, 공지된 광학 밀도(ODjm)를 갖는 물체에 부착되거나 인접하게 로케이팅될 수 있으며, 또는 이와 달리, 공지된 광학 밀도(ODjm)를 갖는 물체에 인접하게 위치될 수 있다. 블록(515)에서, 광학-전자 디바이스 상의 검출기로부터 방출기의 간격(m)에 대응하는 값이 얻어진다. 블록(525)에서, 파장(j)을 갖는 광은 방출기의 광원으로부터 공지된 광학 밀도를 갖는 물체를 향해 하나 이상의 미리 정해진 광 세기(i)로 방출된다. 블록(535)에서, 하나 이상의 미리 정해진 광 세기(Dijm)에 대응하는 방출된 광의 일부가 검출기에서 검출된다. 상기에 나타내는 다른 예에서, 광 세기 값은 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것 중 어느 하나일 수 있다.
블록(545)에서, 물체를 통해 방출되는 광의 검출된 부분에 기초한 대응하는 교정 인자는 다음의 공식을 사용하여 계산된다: 
. 블록(555)에서, 대응하는 교정 인자가 디바이스 또는 서버 상에 저장된다. 블록(565)은, 교정 블록(525 내지 555)이 방출기의 각각의 광원에 대해 수행되었는지의 여부를 판정한다. 교정 블록(525 내지 555)이 방출기의 하나 이상의 광원에 대해 수행되지 않았다면, 추가의 광원에 대해 블록(525)과 함께 시작하는 블록들은, 방출기의 모든 광원에 대해 교정이 수행될 때까지 반복된다.
블록(566)은, 교정 블록(515 내지 555)이 각각의 방출기에 대해 수행되었는지의 여부를 판정한다. 교정 블록(515 내지 555)이 모든 방출기에 대해 수행되지 않은 것으로 판정되면, 블록(515)과 함께 시작하는 블록들은, 모든 방출기에 대해 교정이 수행될 때까지 반복된다. 이에 따라, 이 방법은 각각의 방출기의 교정을 제공하며, 각각의 방출기는 잠재적으로, 방출기와 검출기 사이에 고유의 이격 거리(unique spacing distance)를 갖는다.
블록(567)은, 교정 블록(505 내지 555)이 공지된 광학 밀도를 갖는 각각의 물체에 대해 수행되었는지의 여부를 판정한다. 교정 블록(505 내지 555)이 공지된 광학 밀도를 갖는 각각의 물체에 대해 수행되지 않았다고 판정되면, 블록(505)과 함께 시작하는 블록은, 공지된 광학 밀도를 갖는 모든 물체에 대해 교정이 수행될 때까지 반복된다. 이미 설명된 바와 같이, 도 5b에 설명된 방법은, 공지된 광학 밀도를 갖는 단일 물체만을 사용하여 수행될 수 있다. 그러나, 각각이 상이한 공지된 광학 밀도를 갖는 다수의 물체의 사용은, 적어도 일부의 경우에, 광학-전자 디바이스가 보다 넓은 범위의 재료 내에서 정확하게 사용되는 것을 허용할 수 있다.
상이한 공지된 광학 밀도를 갖는 다수의 물체가 사용되는 경우에, 교정 블록(505 내지 567)은 S 세트의 교정 인자(Cijm)를 발생시키며, 여기서, S는 채용된 교정 물체의 개수이다. 그 다음에, 공지된 광학 밀도를 갖는 최종 물체가 일단 교정되면, 블록(568)에서, 교정 인자(Cijm)와 광학 밀도(ODjm) 사이의 선형 피트(linear fit)가 수행되어, 최적 피트 교정 인자(Cijm)를 유발한다. 블록(569)에서, 최적 피트 교정 인자는 디바이스 상에 또는 서버 상에 저장되거나 교정 매트릭스로서 출력될 수 있다. 공지된 광학 밀도를 갖는 단일 물체만이 사용되는 경우에, 교정 인자(Cijm)는 블록(568)을 수행하지 않고, 계산된 교정 인자를 포함하는 교정 매트릭스로 출력될 수 있다(블록 569). 도 5b에서 설명된 방법에 따라 저장된 교정 인자(Cijm)는 예컨대, 도 6에 도시된 투영 지수 알고리즘에 의해 사용될 수 있다.
도 5b에 설명된 방법에서 사용되는 공지된 광학 밀도를 갖는 물체는, VIS-NIR에서 다양한 조직을 시뮬레이트하는 광학-등급 품질의 중합체를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 공지된 광학 특징을 갖는 임의의 적합한 솔리드 물체일 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체는 중합체, 산란제 및 광 흡수 염료를 포함할 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체는 폴리우레탄 또는 폴리우레탄계 중합체일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 산란제는 이산화티타늄(TiO2)일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 광 흡수 염료는 카본 블랙일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 일부 경우에, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체는 산란제 및 흡수 염료를 추가로 포함하는 폴리우레탄계 중합체를 포함할 수 있다. 적어도 일부의 경우에, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체는 캐나다 퀘벡의 INO(www.ino.ca)로부터 입수할 수 있는 Biomimic ™ Optical Phantom일 수 있다.
적어도 일부 경우에, 도 5b에 설명된 방법은 광학-전자 디바이스가 생물학적 지표를 판정할 조직을 모방하는 광학 특성을 갖는 공지된 광학 밀도를 갖는 물체를 선택하는 것을 더 포함할 수 있다. 다른 경우에, 도 5b에 설명된 방법은 공지된 광학 밀도를 갖는 다수의 물체를 사용하여 수행될 수 있다. 그러한 경우에, 이 방법은 광학-전자 디바이스가 생물학적 지표를 판정할 VIS-NIR 스펙트럼에서 인간 조직의 범위의 광학 특성을 모방하는 광학 특성을 갖도록 공지된 광학 밀도를 갖는 물체를 선택하는 것을 더 포함할 수 있다. 예컨대, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체 또는 물체들은 미리 정해진 광 산란 및 광 흡수 특성을 갖도록 제조될 수 있다. 보다 구체적으로는, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체 또는 물체들은 기준 파장에서 미리 정해진 흡수 계수(
) 및/또는 기준 파장에서 미리 정해진 산란 계수(
)를 갖도록 제조될 수 있다. 예컨대, 공지된 광학 밀도를 갖는 물체의 미리 정해진 광 산란 및 광 흡수 특성은 공지된 광학 밀도를 갖는 물체를 포함하는 중합체 내의 산란제 및 흡수 염료의 양을 변화시킴으로써 조작될 수 있다.
도 6을 참조하면, 일례에 따라 흐름도가 제시된다. 도 6에 도시된 예시적인 방법은, 방법을 실행하는 다양한 방식이 존재하기 때문에, 일례로서 제공된다. 도 6에 도시된 각각의 블록은, 도 6에 도시된 예시적인 방법에서 실행되는 하나 이상의 프로세스, 방법 또는 서브루틴을 나타낸다. 또한, 블록의 예시된 순서는 단지 예시적인 것이며, 블록의 순서는 본 개시에 따라 변경될 수 있다. 본 개시를 벗어나지 않으면서, 추가 블록을 추가하거나 더 적은 블록을 활용할 수 있다.
도 6은 스펙트럼 데이터로부터 지수를 계산하는데 사용되는 스펙트럼 투영 알고리즘을 설명한다. 예시적인 알고리즘은 블록(600)에서 시작될 수 있다. 블록(610)에서, 광학-전자 디바이스가 식별되고 교정 인자(Cjm)가 디바이스 상에 로딩된다. 블록(620)에서, 검출된 광 데이터(Djm)는 주어진 광 세기(i)에 대해 디바이스에 의해 수신된다. 검출된 광 데이터는 하기 식을 사용하여 블록(630)에서 교정 인자(Cjm)를 사용하여 주어진 광 세기(i)에 대해 광학 밀도로 변환된다: 
. 상기에 나타내는 다른 예에서, 광 세기 값은 전류, 전압, 또는 중성 밀도 필터를 사용하는 것 중 어느 하나일 수 있다.
블록(640)에서, 광학 밀도는 공지된 거리만큼 검출기로부터 분리된 적어도 2개의 방출기로부터 판정된 광학 밀도를 사용하여 유효 감쇠로 변환된다. 광학 밀도의 기울기는 다음 표현: 
에 따라 유효 감쇠에 대해 변한다. 여기서,ρ는 광원과 검출기 사이의 거리를 나타낸다. 이에 따라, 유효 감쇠가 선행하는 표현의 기울기로부터 판정될 수 있다. 대안으로, 감지기로부터 15 밀리미터이고 감지기로부터 27 밀리미터인 하나의 방출기와 같은 2개의 상이한 간격이 존재하여 간격 사이에 12 밀리미터의 거리가 유발되는 일례에서, 
를 갖는다. 블록(650)에서, 유효 감쇠는 식: 
에 따라 흡수 계수로 변환된다: 여기서, 
)는 모니터링되는 조직에 대해 감소된 산란 계수 ― 이는, 하기 문헌(예컨대, Applied Optics, Vol. 36, No. 1, pp. 386-396(1997)])으로부터 블록(645)에서 취해짐 ―이다. 블록(660)에서, 내적은 다음 식: 
에 따라 계산되며, 여기서, Finvjk는 블록(655)에서, 이 문헌으로부터 취한 파장(j)에서의 공지된 흡수 스펙트럼의 의사-역이고, 
는 지수(j)에 대한 합계를 나타낸다. 블록(670)에서, 이전 블록으로부터 획득된 내적(Pk)은 로우 패스 필터(low-pass filter)를 사용하여 처리되고, 블록(676)에서 모바일 디바이스 또는 디스플레이 상에 디스플레이되고 그리고/또는 블록(675)에서 네트워크를 통해 저장 및 송신(transmission)을 위해 서버로 전송된다. 게다가, 포화도 및 임계치가 블록(670)에서 계산되고, 모바일 디바이스 또는 디스플레이 상에 디스플레이되고 그리고/또는 네트워크를 통한 저장 및 송신을 위해 서버로 전송된다. 블록(670)은 계산된 지수, 포화도 및/또는 임계치에 기초하여 알람, 경고 또는 통지를 추가로 생성하고 그리고 알람, 경고 또는 통지를 모바일 디바이스 또는 디스플레이 상에 디스플레이한다. 블록(680)에서, 디바이스가 간헐적인 모니터링으로 설정된다면, 또는 스펙트럼 분석에 의한 일정한 모니터링의 경우에, 스펙트럼 투영 알고리즘은 중단되고, 블록(620)과 함께 시작하는 블록들이 반복될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 도 6에서 설명된 스펙트럼 투영 알고리즘은 실시간으로 사용자에게 생물학적 지표 데이터를 디스플레이하는데 사용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 흐름도가 일례에 따라 제시된다. 도 7에 도시된 예시적인 방법은, 방법을 실행하는 다양한 방식이 존재하기 때문에, 일례로서 제공된다. 도 7에 도시된 각각의 블록은, 도 7에 도시된 예시적인 방법에서 실행되는 하나 이상의 프로세스, 방법 또는 서브루틴을 나타낸다. 또한, 블록의 예시된 순서는 단지 예시적인 것이며, 블록의 순서는 본 개시에 따라 변경될 수 있다. 본 개시를 벗어나지 않으면서 추가 블록을 추가하거나 더 적은 블록을 활용할 수 있다.
도 7은 사용자 특정 조정 파라미터의 생성을 위한 알고리즘 및 사용자의 활동 동안 생물학적 지표의 개인화된 측정을 제공하기 위한 파라미터의 사용을 설명한다. 도 7에서, 스펙트럼 투영 알고리즘으로부터 얻어진 시간의 함수로서 내적(Pk(t))은 평가 활동 중에 계산되어, 커스터마이징된 사용자 특정 조정 파라미터 (Ak(t))를 발생시킨다. Ak(t)는 평가 활동과 같은 제어된 운동 프로토콜 동안 어떻게 변화해야 하는지에 대한 사전 지식에 기초하여 계산되며, 이에 의해 알고리즘에 커스터마이징된 파라미터(Pk(t)')의 사용자 특정 세트를 제공한다.
평가 활동은 블록(700)에서 시작될 수 있다. 본 개시에 따라 수행될 수 있는 평가 활동의 일례는 락테이트 임계치(LT) 평가이다. 그러나, 통상의 기술자는 본 개시가 다른 평가 활동, 제어된 운동 프로토콜과 함께, 그리고 광학-전자 디바이스를 사용하여 측정되도록 구성된 임의의 생물학적 지표와 함께, 사용하는데 똑같이 아주 적합하다는 것을 이해해야 한다. 블록(710)에서, 관심 생물학적 지표의 내적은 시간의 함수로서 계산된다. 블록(720)에서, Pk(t) 및 Ak(t)와 같은 사용자-특정 조정 파라미터가 계산되며, 이에 의해 서버 데이터베이스에 저장되며 그리고/또는 블록(740)에서 서버 상의 사용자-특정 조정 파라미터를 업데이트하는데 사용되는 사용자-특정 파라미터 세트(Ak(t))를 생성한다. 그 다음에, Ak(t) 값은 사용자가 신체 활동 중에, Pk(t)'를, Pk(t)의 더 많은 사용자 특정 버전을 측정하고자 할 때 나중에 사용된다.
신체 활동은 블록(750)에서 사용자에 의해 시작될 수 있다. 블록(755)에서, 활동 데이터가 수집된다. 블록(760)에서, Pk(t)가 계산된다. 블록(765)에서, 블록(760)에서 계산된 Pk(t) 값이 블록(740)
에 저장된 파라미터의 사용자 특정 세트를 사용하여 조정된다. 블록(770)에서, Pk(t)' 데이터가 블록(775)에서 사용자에게 디스플레이되고 서버에 저장된다. 신체 활동 중에 사용자에게 커스터마이징된 조정 파라미터 모니터링을 제공하는 이 알고리즘은, 사용자 신체 활동이 종료할 때까지 블록(785)에서 계속된다. 도 7에서 설명된 알고리즘은, 가장 최근의 또는 가장 최신의 사용자-특정 조정 파라미터를 사용하여 사용자-특정 생물학적 지표 레벨을 디스플레이하기 위해 서버 상의 사용자-특정 조정 파라미터를 일상적으로 또는 지속적으로 업데이트하도록 되풀이하여 반복될 수 있다. 게다가, 서버 상에 저장된 동일한 사용자에 대해 이전에 수집된 데이터와 실시간으로 수집된 데이터를 비교하는 학습 알고리즘을 사용할 수 있다.
도 8을 참조하면, 흐름도가 일례에 따라 제시된다. 도 8에 도시된 예시적인 방법은, 방법을 실행하는 다양한 방식이 존재하기 때문에, 일례로서 제공된다. 도 8에 도시된 각각의 블록은, 도 8에 도시된 예시적인 방법에서 실행되는 하나 이상의 프로세스, 방법 또는 서브루틴을 나타낸다. 또한, 블록의 예시된 순서는 단지 예시적인 것이며, 블록의 순서는 본 개시에 따라 변경될 수 있다. 본 개시를 벗어나지 않으면서, 추가 블록을 추가하거나 더 적은 블록을 활용할 수 있다.
도 8은 조깅, 바이킹, 러닝, 수영 또는 운동과 같은 임의의 신체 활동을 포함할 수 있는 사용자 활동 동안의 적응형 SmO2 계산을 위한 알고리즘을 설명한다. 이 Sm02 알고리즘은 도 7에서 설명된 커스터마이징된 파라미터 모니터링을 위한 알고리즘의 특별한 경우이다. Sm02는 근육 조직의 광학 측정으로부터 판정된 근육 산소 포화도 또는 조직 산소 포화도이다. SmO2는 옥시헤모글로빈 레벨을 총 헤모글로빈 레벨로 나눈 비율과 동일하며, 여기서, 총 헤모글로빈 레벨은 옥시헤모글로빈 레벨에 디옥시헤모글로빈 레벨을 더한 것과 동일하다. 도 8에서 설명된 알고리즘은, SmO2 결과의 정확성을 증가시키기 위해 락테이트 임계치(LT) 평가 활동 동안 수집된 데이터를 사용하며, 이에 의해 신체 활동 동안 Sm02 값의 커스터마이징된 모니터링을 사용자에게 제공한다. 도 8에서 설명된 알고리즘은, 옥시헤모글로빈 농도(Oxy(t))의 고정된 오프셋, 및 예컨대, 도 6에 개시된 스펙트럼 투영 알고리즘으로부터의 지수를 사용하여 계산된 디옥시헤모글로빈 농도(Deoxy(t))의 고정된 오프셋에 의존하며, 통상의 기술자는 본 개시가 다변량 비어-램버트 방법(multi-variate Beer-Lambert method)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는, 통상의 기술자에게 공지된 임의의 다른 알고리즘과 함께 사용하기에 똑같이 아주 적합하다는 것을 이해해야 한다.
LT 평가 활동은 블록(800)에서 시작될 수 있다. 블록(810)에서, Sm02는 시간의 함수로서 계산된다. Sm02는 다음 식: 
에 따라 계산된다. 블록(820)에서, 옥시 오프셋(A) 및 디옥시 오프셋(B)이 계산된다. 블록(840)에서, A 및 B 값은 서버 데이터베이스에 저장되거나, 서버 상에 저장된 사용자-특정 A 및 B 값을 업데이트하는 데 사용된다. 그 다음에, A 및 B 값은 신체 활동 동안 이루어진 SmO2 판정의 사용자 특수성을 증가시키기 위해 사용된다.
신체 활동은 블록(850)에서 사용자에 의해 시작될 수 있다. 블록(855)에서, 활동 데이터가 수집된다. Oxy(t) 및 Deoxy(t)는 블록(860)에서 계산된다. 블록(865)에서, Sm02 값은 블록(840)에서 저장된 A 및 B 데이터를 이용하여 조정된다
. 블록(870)에서, Sm02 데이터가 블록(875)에서 사용자에게 디스플레이되고 서버에 저장된다. 신체 활동 중에 사용자에 대한 보다 구체적인 Sm02 모니터링을 제공하는 이 알고리즘은, 사용자의 신체 활동이 종료할 때까지 블록(885)에서 계속된다.
도 8에서 설명된 알고리즘은, 가장 최근의 또는 가장 최신의 사용자-특정 조정 파라미터를 사용하여 사용자-특정 생물학적 지표 레벨을 디스플레이하기 위해 서버 상의 사용자-특정 조정 파라미터를 일상적으로 또는 지속적으로 업데이트하도록 되풀이하여 반복될 수 있다. 게다가, 서버 상에 저장된 동일한 사용자에 대해 이전에 수집된 데이터와 실시간으로 수집된 데이터를 비교하는 학습 알고리즘을 사용할 수 있다.
도 9는 180초마다 증가하는 페이스로 트레드밀(treadmill) 상에서 뛰고 있는 사용자에 대해, 사이에 30초의 휴식 기간을 두고 있는, 본 개시에 따라 계산된, 포화도(Sm02) 대 시간(s)의 백분율(%)을 예시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 산소화(oxygenation)의 날카로운 피크가 휴식 기간 동안 발생하며, 알고리즘이 휴식 기간 동안 일어나는 산소화의 예상되는 증가를 정확하게 추적한다는 것을 입증한다.
도 10은 도 9에 도시된 데이터를 수집하는데 사용되는 동일한 테스트 프로토콜을 사용하는 사용자에 대한 포화도(Sm02) 대 시간(s)의 백분율(%)을 예시하지만, 증가된 수의 단계(6 단계 대신에 11 단계)를 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스 라인 신호는 1200초 이후에 떨어지며, 그 지점에서 사용자의 운동 중 최대 포화도의 백분율(%)이 달성되었음을 나타낸다.
도 11은 본 개시의 일례에 따른 도 10의 SmO2의 포화도의 백분율의 플롯에 대응하는 심박수 데이터의 플롯이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 높은 산소화 피크는 휴식 기간 동안 발생할 것으로 예상되는 바와 같이, 심박수의 저하가 밀접하게 후속된다.
도 12는 총 헤모글로빈을 측정하는데 사용되는, 본원에 개시된 바와 같은 지수를 계산하기 위한 투영 방법의 일례를 예시한다. 광학-전자 디바이스는 사용자의 팔에 적용되었다. 176초에서 정맥 폐색(venous occlusion)이 사용자의 팔에 적용되어 폐색이 제거되고 혈액량이 급격히 감소되는 354초까지는 혈액량의 급격한 증가를 유발한다.
도 13은 도 8에 제시된 흐름도에 설명된 알고리즘을 사용하여 활동 중에 적응된 사용자 Sm02 값을 판정하는 효과를 도시한다. 도 13a는 LT 평가를 사용하여 판정된 A 및 B 파라미터를 사용하지 않고 계산된 Sm02 값에 대응하는 플롯을 도시한다. 도 13b는 도 8에서 설명된 알고리즘에 따라 A 및 B 파라미터를 사용하여 계산되었던 Sm02 데이터를 도시하며, 이는 100%의 베이스라인 및 90 내지 100%의 범위로부터 88%의 보다 사용자-특정 베이스라인 및 65 내지 88%의 범위까지 TOI를 시프트 다운시킨다.
도 14는 방향 코사인 방법(상부) 및 벡터 투영 방법(하부)에 따라 계산된 사용자 Sm02 값을 비교한다.
도 15는 의사-역 투영 방법(하부) 및 벡터 투영 방법(상부)에 따라 계산된 사용자 백분율(%) 포화도(Sm02) 값을 비교한다. 데이터는, 사이에 30초의 휴식 기간을 가져 포화도의 백분율(%)의 증가를 발생시키는 상태에서, 180초마다 증가하는 페이스로 뛰는 것으로 이루어진 인터벌 트레이닝 세션을 실시하는 동안 사용자의 왼쪽 종아리에 광학-전자 디바이스를 착용한 사용자에 대해 수집되었다.
도 16은 스펙트럼 투영 방법(도 16b)에 따라 계산된, 팔 폐색 테스트 동안 수집된 포화도 데이터의 백분율(%)과, 당 분야에서 공지된 직접 농도 측정(도 16a)을 비교한다. 도 16a에 도시된 바와 같이, 직접 농도 방법은 팔 폐색에 의해 유발되는 혈액량 변화(점선 화살표)에 의해 영향을 받는다. 대조적으로, 도 16b는, 벡터 투영 방법(하부) 및 의사-역 방법(상부) 양자 모두에 대해, 스펙트럼 투영 방법을 사용하여 계산된 데이터에 대한 더 작은 혈액량 변화 의존성을 나타낸다.
혈액량 변화에 대한 감도를 덜 나타내는 것 이외에, 생물학적 지표 레벨을 판정하는 스펙트럼 투영 방법은, 지방, 멜라닌, 반흔 조직, 문신, 모발 및 의복을 포함하여 발색단 조직 레벨과 직접 관련이 없는 다른 혼란 인자에 의한 영향도 적다. 스펙트럼 투영 방법은 또한 온도 또는 주변 광의 변화와 같이 광 경로 양자 모두에 똑같이 영향을 미치는 인자에 덜 민감한다. 2개 이상의 방출기 및 단일 검출기를 포함하는 광학-전자 디바이스의 경우에, 스펙트럼 투영 방법은 광검출기 반응도 또는 트랜스-임피던스 증폭기 이득의 변화에 의해 덜 영향을 받는 데이터를 생성한다. 단일 방출기 및 2개 이상의 광검출기를 포함하도록 구성된 광학-전자 디바이스의 경우에, 스펙트럼 투영 방법은 LED 전력의 변화 및 스펙트럼의 변화에 의해 덜 영향을 받는 데이터를 생성한다.
본원에 개시된 바와 같은 광학-전자 디바이스는 또한 사용자 디스플레이 또는 모바일 디바이스와 같은 출력 디바이스에 신호 또는 경고를 송신할 수 있다. 경고의 일 형태는 하나 이상의 생물학적 지표의 식별 및/또는 판정을 방해하는 외부 인자의 존재를 표시하거나 신호를 보낼 수 있다. 외부 인자의 존재는 수신된 광을 나타내는 스펙트럼 데이터 세트와 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스에 대한 영 공간(null space)(이는 F 매트릭스에 의해 0으로 맵핑될 벡터의 세트임)의 상대적인 일치를 판정함으로써 나타낼 수 있다. 도 6의 블록(660)에서 설명된 바와 같이, 내적은 
으로서 계산되며, 여기서, Pk는 분석물 k로 인한 투영이며, Finv는 파장(j)에서의 분석물의 스펙트럼을 포함하는 행렬 F의 의사-역이다. 잔류 신호(R)는 
로 주어지며, 여기서 T는 전치행렬(transpose)을 나타내고, 
는 규모를 나타내며, 
는 행렬 곱셈(matrix multiplication)을 나타낸다. 따라서, R은 관심 분석물 중 임의의 분석물을 향해 투영하는데 실패했던 검출된 신호의 부분을 나타낸다. 정상 상태 하에서, R은 낮게 유지된다. 그러나, 의류가 광학-전자 디바이스를 방해할 때와 같은 특별한 상태 하에서, R의 모듈러스의 급격한 증가가 예상된다. R의 모듈러스가 갑자기 증가하거나 미리 정해진 임계치를 초과할 때, 알람이 사용자에게 전달될 수 있다. 따라서, 광학-전자 디바이스는 의류, 머리카락, 문신, 반흔 조직, 멜라닌, 지방, 불량 센서 배치 및 동작 관련 인자를 포함하지만, 이에 제한되지 않는 외부 인자의 존재를 표시하기 위해 영 공간 또는 잔류 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 17a는 본 개시의 일례에 따라, 시간에 따른 간섭을 검출하도록 구성된 잔류 신호 판정의 일례를 예시하는 플롯이다. 도 17b는 시간에 따른 포화도의 백분율을 예시하는 플롯이며, 여기서, 시간 스케일은 도 17a와 동일하다. 도 17a 및 도 17b는 간섭을 검출하도록 구성된 잔류 신호 판정의 일례를 예시한다. 도 17a 및 도 17b에 도시된 바와 같이, 잔류 신호는 555초에 급격하게 증가하였으며, 이는 광학-전자 디바이스가 예상치 못한 신호를 모니터링했음을 나타낸다. 이 경우에, 잔류 신호의 급격한 변화는, 결국 광 방출기 및 모니터링되는 조직 중 하나 사이에 직물이 들어가는 것을 유발했던 센서 운동에 의해 유발되었다.
도 18a는 도 17a로부터 잔류 신호의 분명하고 급격한 증가를 도시하는 555초에서의 이벤트의 확대도를 예시한다. 도 18b는 시간에 따른 포화도의 백분율을 예시하는 플롯이며, 여기서, 시간 스케일은 도 18a와 동일하다.
이 경우에, 약 4 × 10-6의 임계치는 사용자에게 센서 배치를 체크하도록 알리는 알람을 사용자에게 제공할 것이며 이에 의해, 센서에 의해 모니터링되는 파라미터의 신뢰성을 증가시키고 유효하지 않은 데이터를 수집하는 불능(frustration)으로부터 사용자를 보호한다.
생물학적 지표의 식별 및 판정을 방해하는 외부 인자에 반응하여 경고를 제공하는 것은 착용 가능한 운동 모니터링에 특히 중요하며, 여기서, 사용자는 직물에 직조될 수 있는 광학-전자 디바이스를 사용하여 빈번하게 이동하고, 따라서 사용자에게 문제의 발생에 대한 명확한 표시를 제공함으로써 광학-전자 디바이스의 강인성을 증가시킨다.
도 19a는 본 개시의 일례에 따른, 평가 동안 사용자의 경과 시간의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다. 도 19b는 도 19a의 평가 동안 사용자의 시간에 따른 전력 출력의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다. 도 19c는 도 19a의 평가 동안 사용자의 수화 지수(hydration index)의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다. 도 19a 내지 도 19c에 도시된 바와 같이, 평가 프로토콜 동안 시간 및 운동(exertion) 레벨이 증가함에 따라, 증가된 발한 및 호흡으로 인해 예상되는 바와 같이 수화 지수가 감소한다. 이는 특히 운동 레벨이 가장 높을 때, 평가의 종료에 가까운 것이 특히 사실이다.
도 20a는 도 19a 내지 도 19c에 도시된 동일한 평가 동안 헤모글로빈 지수의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다. 도 20b는 도 19a 내지 도 19c에 도시된 동일한 평가 동안 헤모글로빈 농도의 상대적인 변화를 예시하는 플롯이다. 도 20b에 도시된 총 헤모글로빈의 변화는 의사-역 투영 방법에 따라 계산되었다. 도 20a 및 도 20b는 또한 모니터링되는 근육(이 경우, 비복근 근육)의 모세혈관에 더 많은 헤모글로빈이 존재함에 따라, 광학-전자 디바이스에 의해 검출된 총 헤모글로빈이 더 높다는 것을 도시한다.
도 20a 및 도 20b에 도시된 바와 같이, 사용자가 탈진(exhaustion)에 접근함에 따라, 총 헤모글로빈 레벨은 수화 레벨의 감소와 함께 떨어지기 시작한다. 다른 한편으로, 헤모글로빈 농도는 약 800초의 피크 레벨에 도달한 이후에 매우 일정하게 유지된다. 헤모글로빈 농도 플롯은 총 헤모글로빈 지수와 상대적인 수화 사이의 비율을 취하고 사용자-특정 비례 상수를 곱함으로써 생성될 수 있다.
도 20a 및 도 20b에 도시된 바와 같이, 혈액량, 맥박 리듬, 혈관 긴장도, 근육 긴장도 및 혈관 형성을 포함하는 근육의 관류 특성(perfusion characteristics)은, 광학-전자 디바이스를 사용하여 총 헤모글로빈 및 수화를 판정함으로써 평가 동안 모니터링될 수 있다.
비생물학적 간섭에 대한 알람 또는 경고의 생성에 부가하여, 잔류의 규모는 생물학적 간섭의 지표일 수 있다. 잔류는 공지된 발색단의 목록 상에 투영함으로써 정량화되지 않은 하나 이상의 발색단의 변화로 인해 실제 생리학적 신호를 나타낼 수 있다. F의 영 공간에 대응하는 벡터의 세트는, 모니터링되는 조직에서 발색단의 다른 세트의 존재를 상정하는데 사용될 수 있다. 또한, 벡터의 영 공간 세트는 모니터링될 수 있는 추가 발색단의 동일성을 판정하기 위한 출발점으로서 사용할 수 있다.
본 개시의 적어도 하나의 예에 따르면, 본 개시의 광학-전자 디바이스는 도 21a 내지 도 21d에 도시된 것과 같은 교정 용기를 사용하여 교정될 수 있다. 도 21a는 예를 들어, 본 개시에 기재된 임의의 광학-전자 디바이스와 같은 전자 디바이스(2110)를 교정하는데 사용하기에 적합한 예시적인 교정 용기(2100)의 분해도를 제공한다. 예컨대, 도 5a 및 도 5b와 관련하여 설명된 교정 방법은, 적어도 일부 경우에, 도 21에 도시된 교정 용기와 같은 하나 이상의 교정 용기를 사용하여 수행될 수 있다.
도 21a에 도시된 바와 같이, 교정 용기(2100)는 일 측 상에 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130) 그리고 타측 상에 전자 디바이스(2110)를 수용하도록 구성된 관통 개구(2115)를 형성하는 본체(2105)를 포함할 수 있다. 본체(2105)뿐만 아니라, 교정 용기(2100)의 다른 부분은, Black DELRIN®(폴리옥시메틸렌 유형) 또는 블랙-아노다이징 처리된 알루미늄을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 광에 대해 불투명인 임의의 적절한 재료를 포함할 수 있다. 게다가, 본체는 광을 차단하고 흡수하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 막(film)이 광의 차단 및 흡수를 보조하기 위해서 본체를 덮을 수 있다. 적어도 일부 경우에, 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)는 도 5a 및 도 5b에 관하여 설명된 바와 같은 공지된 광학 밀도를 갖는 팬텀 또는 물체일 수 있다. 교정 용기(2100)는, 전자 디바이스(2110) 및 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 안정적이고 광-밀착(light-tight) 환경에서 함께 견고하게 포함시키는 역할을 한다. 일례에서, 물체는 교정 용기(2100)에 포함될 수 있다. 다른 예에서, 물체는 별도로 구매하거나 다른 공급원으로부터 얻을 수 있다.
도 21a에 도시된 바와 같이, 본체(2105)는 제1 측면 및 제2 측면 상에서 전자 디바이스(2110)를 지지하도록 구성된 제1 지지 레지(ledge)(2106) 및 제2 지지 레지(2108)를 형성한다. 전자 디바이스(2110)는 복수의 방출기로부터 광을 방출하고 검출기에서 광을 수신하도록 구성된다. 적어도 일부의 경우에, 전자 디바이스(2110)는 공간적으로 분해되는(spatially-resolved) 발광 디바이스이다.
교정 용기(2100)는 본체(2105)와 결합되고 본체(2105)의 일 측을 견고하게 봉입하는 상부 덮개(2145)를 포함할 수 있다. 상부 덮개(2145)는 광이 교정 측정 및 방법을 방해하는 것을 방지하기 위해 교정 중에 교정 용기(2100)를 폐쇄하는데 사용된다. 교정 용기(2100)는, 적어도 일부 경우에, 상부 덮개(2145)를 본체(2105)에 결합하도록 구성된 힌지(2146)를 더 포함할 수 있다. 교정 용기(2100)는 또한 상부 덮개(2145)를 본체(2105)에 분리 가능하게 고정하도록 구성된 래치(2107)를 포함할 수 있다. 래치(2107)는 또한 교정 용기(2100)로부터 전자 디바이스(2110)의 삽입 및 제거를 용이하게 하고 그리고 일부 경우에, 전자 디바이스(2110)와 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130) 사이에 보다 일관된 위치 설정을 제공할 수 있다.
교정 용기(2100)는 본체(2105)와 상부 덮개(2145) 사이에 장착되도록 구성된 제1 개스킷(2120)을 더 포함할 수 있다. 도 21a에 도시된 바와 같이, 본체(2105)는 제1 개스킷(2120)의 일부를 수용하도록 구성된 제1 개스킷 홈(2102)을 형성한다. 제1 개스킷(2120)은 전자 디바이스(2110)의 교정 중에 광-밀착 밀봉을 유지하면서 본체(2105)에 대한 상부 덮개(2145)의 견고한 폐쇄를 제공하는 것을 도울 수 있다. 적어도 일부 경우에, 교정 용기(2100)는 상부 덮개(2145)와 결합된 상부 탄성 재료(2148)를 포함할 수 있다. 상부 탄성 재료(2148)는 제1 지지 레지(2106) 및 제2 지지 레지(2108)에 대해서 전자 디바이스(2110)를 제 위치에 유지하도록 구성될 수 있다. 상부 탄성 재료(2148)는, 적어도 일부 경우에, 교정 동안 전자 디바이스(2110)의 정확한 위치 설정 및 정렬을 용이하게 하기 위해 상부 덮개(2145)의 폐쇄 동안 디바이스를 부드럽게 누르도록 구성될 수 있다.
도 21a에 도시된 바와 같이, 교정 용기(2100)는 본체(2105)에 결합되고 본체(2105)의 다른 측면을 견고하게 봉입하도록 구성된 하부 덮개(2140)를 더 포함할 수 있다. 하부 덮개(2140)는, 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)와 결합되고, 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 수용하도록 구성된 본체(2105)의 일 부분으로 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 봉입한다. 적어도 일부 경우에, 하부 덮개(2140)는 복수의 나사식 연결부(2142)에 의해 본체(2105)에 결합되며, 이에 의해 본체(2105) 내에 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 고정시킨다.
도 21a에 도시된 바와 같이, 교정 용기(2100)는 또한 본체(2105)와 하부 덮개(2140) 사이에 장착되도록 구성된 제2 개스킷(2135)을 포함할 수 있다. 적어도 일부 경우에, 본체(2105)는 제2 개스킷의 일부를 수용하도록 구성된 제2 개스킷 홈을 형성할 수 있다. 제2 개스킷(2135)은 하부 덮개(2140)가 본체(2105)에 고정된 후에 하부 덮개(2140)와 본체(2105) 사이에 광-밀착 밀봉을 형성한다. 교정 용기(2100)는 전자 디바이스(2110)를 공지된 광학 특성을 가진 물체(2130)에 인접하게 유지하도록 구성된 지지판(2125)을 더 포함할 수 있다. 지지판(2125)은 Black Black DELRIN® 또는 아노다이징 처리된 알루미늄을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 임의의 적절한 재료를 포함할 수 있다. 적어도 일부 경우에, 지지판(2125)은 전자 디바이스(2110) 상의 복수의 방출기 및 검출기의 위치에 대응하는 적어도 3개의 관통 구멍(2128)을 형성한다. 관통 구멍(2128)은 광이 전자 디바이스(2110) 상의 방출기로부터 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 향해 그리고 이를 통해 전파할 수 있는 애퍼처(aperture)를 형성한다. 관통 구멍(2128)은, 또한 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)로부터 전자 디바이스(2110) 상의 검출기를 향해 광을 전파할 수 있는 애퍼처를 형성한다. 일부 예에서, 지지판(2125)은 복수의 나사식 연결부(2127)에 의해 본체(2105)에 결합될 수 있다.
적어도 일부 경우에, 교정 용기(2100)는 하부 덮개(2140)에 결합된 하부 탄성 재료(2143)를 포함할 수 있다. 하부 탄성 재료(2143)는 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 지지판에 대해서 가압하도록 구성될 수 있다. 적어도 일부 예에서, 하부 탄성 재료(2143)는 전자 디바이스(2110)의 교정 동안 본체(2105)에서 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)의 정확한 위치 설정 및 정렬을 용이하게 한다.
도 21b는 도 21a에 도시된 교정 용기(2100)의 내부 부분의 상부 사시도이다. 도 21b는 상부 덮개(2145)가 개방되어 이에 의해 전자 디바이스(2110)를 수용하도록 구성된 관통 개구(2115)를 형성하는 본체(2105)를 도시하는 상태의 교정 용기(2100)를 도시한다. 본체(2105)는 제1 측면 및 제2 측면 상에서 전자 디바이스(2110)를 지지하도록 구성된 제1 지지 레지(2106) 및 제2 지지 레지(2108)를 추가로 형성한다. 교정 용기(2100)는 또한 전자 디바이스(2110)의 교정 중에 광-밀착 밀봉을 유지하면서 본체(2105)에 대한 상부 덮개(2145)의 견고한 폐쇄를 제공하도록 구성된 본체(2105) 상에 장착된 제1 개스킷(2120)을 포함한다. 또한, 도 21b는 전자 디바이스(2110) 상의 복수의 방출기 및 검출기의 위치에 대응하는 3개의 관통 구멍(2128)을 갖는 지지판(2125)을 도시한다. 3개의 관통 구멍(2128)이 예시되어 있지만, 관통 구멍(2128)의 개수는 다양할 수 있다. 예시된 바와 같이, 각각의 관통 구멍(2128)은 방출기들 또는 검출기 중 하나에 대응한다. 다른 예에서, 관통 구멍(2128)은 하나 이상의 방출기 또는 검출기를 제공할 수 있다. 관통 구멍(2128)은 광이 전자 디바이스(2110) 상의 방출기로부터의 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 향해 그리고 이를 통해 전파되는 것을 허용한다.
도 21c는 전자 디바이스(2110) 및 공지된 광학 특성을 갖는 물체(2130)를 본체(2105) 내부에 견고하게 봉입하기 위해서 상부 덮개(2145)가 폐쇄된 상태의 교정 용기(2100)의 사시도이다. 상부 덮개(2145)는 광이 교정 측정 및 방법을 방해하는 것을 방지하기 위해 교정 중에 교정 용기(2100)를 폐쇄하는데 사용된다.
도 21d는 상부 덮개(2145)와 교정 블록(2130) 사이에서 본체(2105)에 고정된 전자 디바이스(2110)를 도시하는 교정 용기(2100)의 단면도이다. 지지판(2125)은 전자 디바이스(2110) 상의 방출기 및 검출기에 대응하는 관통 구멍을 제공한다.
상기에 도시되고 설명된 예는 단지 예시이다. 비록 본 기술의 많은 특성들 및 장점들이 본 개시의 구조 및 기능의 상세와 함께 전술한 설명에서 설명되었지만, 본 개시는 단지 예시적인 것이며, 상세하게는, 본 개시의 원리 내에서 부품의 형상, 크기 및 배열의 문제를 포함하고, 그리고, 청구항에서 사용된 용어의 일반적인 넓은 의미에 의해 확립된 전체 범위까지 포함하여 변경될 수 있다.
Claims (19)
- 생물학적 지표(biological indicator)를 판정하도록 구성된 디바이스로서,
상기 디바이스는,
적어도 하나의 발광 소자를 갖고, 광을 방출하도록 구성된 적어도 2개의 방출기(emitter);
광을 수신하고 상기 수신된 광을 나타내는 데이터를 송신하도록 구성된 검출기(detector);
상기 방출기 및 상기 검출기에 연결된 프로세서(processor); 및
상기 프로세서에 연결되는 비-일시적 저장 매체(non-transitory storage medium)를 포함하고,
상기 비-일시적 저장 매체는 디바이스로 하여금 다음 명령들:
미리 정해진 제1 전류로 상기 적어도 2개의 방출기들 중 하나로부터 제1 광을 방출하고;
상기 검출기에서 상기 방출된 제1 광의 적어도 일부를 검출하며;
상기 미리 정해진 제1 전류에 대응하여, 상기 비-일시적 저장 매체로부터 제1 교정 인자를 획득하고;
상기 제1 교정 인자에 대응하는 제1 광학 밀도를 생성하며;
상기 미리 정해진 제1 전류에서 상기 적어도 2개의 방출기들 중 다른 하나로부터 제2 광을 방출하고;
상기 검출기에서 상기 방출된 제2 광의 적어도 일부를 검출하며;
상기 미리 정해진 제1 전류에 대응하여, 상기 비-일시적 저장 매체로부터 제2 교정 인자를 획득하고;
상기 제2 교정 인자에 대응하는 제2 광학 밀도를 생성하며;
상기 하나의 방출기와 상기 다른 방출기의 분리에 기초하여 상기 제1 및 제2 광학 밀도를 유효 감쇠 계수로 변환하고; 및
상기 유효 감쇠 계수로부터 생물학적 지표의 레벨을 판정하도록 하는 것
을 저장하도록 구성되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 1에 있어서,
상기 비-일시적 저장 매체는, 상기 프로세서로 하여금:
상기 검출된 광과 상기 생물학적 지표에 대응하는 하나 이상의 발색단(chromophore)의 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이의 상대적인 일치를 계산하고; 그리고
계산된 상대적인 일치에 기초하여 생물학적 지표의 레벨을 추정하도록 하는
명령들을 더 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 상대적인 일치는, 내적(inner product), 벡터 투영, 방향 코사인 및 의사-역 투영(pseudo-inverse projection) 방법 중 하나 이상을 사용하여, 상기 검출된 광과 상기 하나 이상의 발색단을 나타내는 상기 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트 사이에서 계산되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 유효 감쇠 계수는, 다음 식: 0.192ΔOD-0.098로부터 계산되고, 여기서, ΔOD=ODfar-ODnear이며, 여기서, ODfar는 상기 검출기로부터 더 멀리 떨어진 방출기에 대응하는 광학 밀도이고, ODnear는 상기 검출기에 더 가깝게 이격된 방출기에 대응하는 광학 밀도인, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 미리 정해진 스펙트럼 데이터 세트는 흡수 계수이고, 상기 검출된 광은 공지된 감소된 산란 계수와 조합함으로써 유효 감쇠 계수로부터 흡수 계수로 변환되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 5에 있어서,
하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스 상의 투영의 피트의 잔류의 모듈러스가 판정되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 5에 있어서,
수신된 광을 나타내는 스펙트럼 데이터 세트와 하나 이상의 발색단의 미리 정해진 데이터 세트를 나타내는 스펙트럼을 포함하는 매트릭스에 대한 영 공간(null space)의 상대적인 일치가 판정되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 하나 이상의 발색단은, 헤모글로빈, 미오글로빈, 사이토크롬c, 물, 지질, 멜라닌, 포도당 또는 대사산물 중 하나 이상을 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 8에 있어서,
헤모글로빈은 옥시헤모글로빈, 디옥시헤모글로빈 및 총 헤모글로빈 중 적어도 하나를 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 9에 있어서,
상기 총 헤모글로빈 및 물은 헤모글로빈 농도, 맥박 리듬(pulsatile rhythm), 혈액량(blood volume), 혈관 긴장도(vascular tone), 근육 긴장도(muscular tone) 및 혈관 형성(angiogenesis) 중 하나 이상의 관류 특성(perfusion characteristic)을 판정하기 위해 추가로 활용되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 8에 있어서,
미오글로빈은 옥시미오글로빈, 디옥시미오글로빈 및 총 미오글로빈 중 적어도 하나를 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 8에 있어서,
대사산물은 락테이트(lactate) 및 락트산(lactic acid) 중 적어도 하나를 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 하나 이상의 발색단은 물을 포함하고, 상기 물은 수화 레벨을 측정하기 위해 추가로 활용되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 비-일시적 저장 매체는 상기 프로세서로 하여금 상기 하나 이상의 발색단의 상대비를 계산하게 하는 명령을 저장하도록 추가로 구성되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 비-일시적 저장 매체는 상기 프로세서로 하여금 상기 하나 이상의 발색단의 상대적 추가를 계산하게 하는 명령을 저장하도록 추가로 구성되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 2에 있어서,
상기 비-일시적 저장 매체는 상기 프로세서로 하여금 상기 검출된 광을 나타내는 데이터로부터 상기 하나 이상의 발색단과 연관된 데이터를 추출하게 하는 명령을 저장하도록 더 구성되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 2개의 방출기는 적어도 3개의 파장의 광 또는 적어도 3개의 파장 범위를 방출하도록 구성되는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 청구항 1에 있어서,
상기 생물학적 지표는 상대 백분율, 포화도 레벨, 절대 농도, 변화율, 트레이닝 임계치에 대한 지수, 및 임계치 중 적어도 하나를 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 디바이스. - 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 방법으로서,
상기 방법은,
미리 정해진 제1 전류로 적어도 2개의 방출기들 중 하나로부터 제1 광을 방출하는 단계;
검출기에서 상기 방출된 제1 광의 적어도 일부를 검출하는 단계;
상기 미리 정해진 제1 전류에 대응하여, 비-일시적 저장 매체로부터 제1 교정 인자를 획득하는 단계;
상기 제1 교정 인자에 대응하는 제1 광학 밀도를 생성하는 단계;
상기 미리 정해진 제1 전류에서 상기 적어도 2개의 방출기들 중 다른 하나로부터 제2 광을 방출하는 단계;
상기 검출기에서 상기 방출된 제2 광의 적어도 일부를 검출하는 단계;
상기 미리 정해진 제1 전류에 대응하여, 상기 비-일시적 저장 매체로부터 제2 교정 인자를 획득하는 단계;
상기 제2 교정 인자에 대응하는 제2 광학 밀도를 생성하는 단계;
상기 하나의 방출기와 상기 다른 방출기의 분리에 기초하여 상기 제1 및 제2 광학 밀도를 유효 감쇠로 변환하는 단계; 및
상기 유효 감쇠로부터 생물학적 지표를 생성하는 단계를 포함하는, 생물학적 지표를 판정하도록 구성된 방법.
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