KR20190038510A - 주파수 도메인 기반의 다파장 생체신호 분석 장치 - Google Patents

주파수 도메인 기반의 다파장 생체신호 분석 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치에 관한 것으로서, 주파수 도메인(FD) 기반의 다파장 생체신호 분석 장치에 있어서, 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장(discrete wavelength)에 대해 주파수 변조된 광을 조사하는 네 개 이상의 광소스(light source)가 일정 간격으로 이격되어 배치되는 적어도 하나의 발광부; 대상체에서 반사되어 인입되는 출력광을 검출하는 광검출기를 포함하는 적어도 하나의 검출부; 상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부를 포함하며, 상기 대상체에 접촉하는 접촉면을 포함하는 프로브(probe); 및 상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부와 연결되며, 상기 적어도 하나의 검출부에 의해 검출된 출력광을 기초로 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출하고, 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 기초로 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어(chromophore)의 농도를 산출하는 프로세싱 회로; 를 포함하되, 상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부는 상기 프로브의 접촉면에 배치되어 상기 대상체에 직접 접촉할 수 있다.

Description

주파수 도메인 기반의 다파장 생체신호 분석 장치{FREQUENCY DOMIAN BASED MULTI-WAVELENGTH BIO-SIGNAL ANALYSING APPARATUS}
본 발명은 주파수 도메인 기반의 다파장 생체신호 분석 장치에 관한 것이다.
최근에는, 혼탁 매체(turbid medium)의 광학적 특성을 측정하는 방법을 이용하여, 신체의 생체 정보를 분석하는 다양한 기술들이 개발되고 있다. 이러한 기술들은 신체에 비침습하면서도 생체 정보 등을 제공할 수 있다는 점에서 각광받고 있으며, 소비자들의 니즈에 따라 보급형 장치로의 연구 개발에 많은 관심이 집중되고 있다.
상기한 기술들은 일반적으로 근적외선 영역에서의 혼탁 매체의 흡수 계수와 산란 계수를 측정하여 혼탁 매체가 포함하고 있는 크로모포어(chromophore)의 농도를 계산한다. 혼탁 매체의 흡수 및 산란계수를 측정하기 위한 방법으로는 세 가지 방식이 알려져있다. 구체적으로, 혼탁 매체로 일정한 세기의 광을 입사한 후 다거리 측정 방식에 따라 크로모포어의 농도를 산출하는 정상상태(steady-state, SS) 방식, 변조된 광 소스에 대하여 변화된 진폭 및 위상 등을 측정하는 주파수 도메인(frequency-domain, FD) 방식, 펄스(pulse) 형태의 광 소스에 대하여 시간에 따른 변화를 측정하는 시간 도메인(time domain, TD) 방식 등이 있다.
그러나, 상기한 세 가지 방식들은 각각 다른 장점과 한계점들을 가지고 있다.
SS 방식은, 광의 변조 또는 펄스 생성을 필요로하지 않으며, 이에 따라 혼탁 매체로부터 반사된 광을 주파수 도메인 또는 시간 도메인으로 분해하는 검출기를 필요로하지 않는다는 면에서 다른 방식(즉, FD 방식 또는 TD 방식)들에 비하여 상대적으로 저렴하다. 그러나, SS 방식은 흡수계수와 산란계수를 분리하기 위하여 다거리 측정 방식을 이용하므로, 비균일 특성이 심한 생체조직에서는 다른 방법에 비해 분석 과정에서의 왜곡이 발생할 가능성이 있다.
TD방식 및 FD 방식은, 다거리 측정 방식을 사용하지 않기 때문에, 비균일 특성을 갖는 생체 조직에 SS 방식에 비해 비교적 적합하다. 그러나, TD 방식과 FD 방식은 펄스 생성 또는 주파수 변조된 광원 및 이러한 특성을 검출할 수 있는 검출기를 필요로 하므로, 구현 방법과 비용 측면에서 단점이 있다.
미국등록특허 제 US7,428,434 호(Quantitative Broadband Absorption and Scattering Spectroscopy in Turbid Media by Combined Frequency Domain and Steady State Methodologies)는 FD 방식과 SS 방식을 결합한 확산 광 분광 이미징(diffuse optical spectroscopic imaging) 방식을 제안하였다. 미국등록특허 제 US7,428,434호는 일정 개수의 FD 파장과 일정 거리 측정 방식의 SS기법을 접목하여 기존의 FD 방식의 단점과 SS 방식의 단점을 보완하였다. 그러나, FD 방식과 SS 방식을 결합한 확산 광 분광 이미징 장치는 장치의 크기나 비용 측면에서 보급형 장치로서의 한계를 갖는다.
본 발명의 일 실시예는 주파수 도메인(frequency domain, FD) 기반으로 이산형 파장(discrete wavelength)으로 발광하는 일정 개수의 광소스(light source)를 이용하여 신뢰도 높은 크로모포어 농도값을 측정하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예은 일정 개수의 광소스와 광검출기(light detector)를 대상체에 직접 접촉할 수 있도록 구현하여, 소형화된 생체신호 분석 장치를 제공하는데에 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 대상체의 서로 다른 깊이 및 위치의 조직의 생체신호를 단일 측정으로 획득할 수 있는 생체신호 분석 장치를 제공하는데에 그 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치는, 주파수 도메인(FD) 기반의 다파장 생체신호 분석 장치에 있어서, 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장(discrete wavelength)에 대해 주파수 변조된 광을 조사하는 네 개 이상의 광소스(light source)가 일정 간격으로 이격되어 배치되는 적어도 하나의 발광부; 대상체에서 반사되어 인입되는 출력광을 검출하는 광검출기를 포함하는 적어도 하나의 검출부; 상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부를 포함하며, 상기 대상체에 접촉하는 접촉면을 포함하는 프로브(probe); 및 상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부와 연결되며, 상기 적어도 하나의 검출부에 의해 검출된 출력광을 기초로 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출하고, 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 기초로 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어(chromophore)의 농도를 산출하는 프로세싱 회로; 를 포함하되, 상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부는 상기 프로브의 접촉면에 배치되어 상기 대상체에 직접 접촉할 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어의 개수, 함량 및 종류 중 적어도 하나를 기초로, 각 발광부에 포함된 상기 네 개 이상의 광소스 중에서 적어도 두 개 이상의 광소스를 구동시킬 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 상기 두 개 이상의 광소스를 순차적으로 구동시키되, 상기 프로세싱 회로는 상기 두 개 이상의 광소스 중에서, 가장 낮은 파장으로 발광하는 광소스부터 구동시키며, 점차적으로 높은 파장으로 발광하는 광소스를 구동시킬 수 있다.
상기 네 개 이상의 광소스는 다파장 표면방출레이저 소자(vertical cavity surface emitting laser device, VCSEL)일 수 있다.
각 광소스는 표면방출레이저 소자(VCSEL)이며, 상기 네 개 이상의 표면방출레이저 소자는, 상기 접촉면에 이격되어 배치될 수 있다.
상기 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치는, 복수의 발광부 및 복수의 검출부를 포함하되, 상기 복수의 발광부 및 상기 복수의 검출부는 상기 프로브의 접촉면 상에 서로 교차하여 배치될 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 상기 복수의 발광부를 순차적으로 구동시키며, 상기 복수의 발광부 중 하나의 발광부가 구동되면, 상기 구동된 발광부에 인접한 적어도 하나의 검출부를 구동시켜 출력광을 검출할 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 상기 복수의 발광부를 순차적으로 구동시키며, 상기 복수의 발광부 중 하나의 발광부가 구동되면, 상기 구동된 발광부로부터 서로 다른 거리에 배치된 두 개 이상의 검출부를 구동시켜 출력광을 검출할 수 있다.
상기 프로세싱 회로는, 상기 프로브에 포함되어 구현될 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 광소스의 기기적 특성 및 주변 환경 중 적어도 하나에 따라, 상기 두 개 이상의 광소스의 광출력 세기를 조정할 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 상기 출력광의 진폭 및 위상을 확산광 모델(diffusion model)로 적용하여 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출하며, 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어에 대해 기 알려진 흡광계수(extinction coefficient) 스펙트럼으로 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 피팅(fitting)함으로써, 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어의 농도값을 산출할 수 있다.
상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어는 옥시 헤모글로빈(oxy-hemoglobin, O2Hb), 디옥시 헤모글로빈(deoxy-hemoglobin, HHb), 물(H2O), 지질(lipid) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 프로브는, 상기 프로브의 상기 접촉면에 배치되며 상기 네 개 이상의 광소스와 결합되는 렌즈(lens)를 더 포함할 수 있다.
상기 프로세싱 회로는 기기적 특성에 의해 발생되는 신호의 위상 및 진폭을, 상기 출력광으로부터 보상하기 위한 캘리브레이션(calibration) 작업을 수행할 수 있다.
상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은 근적외선(near infrared ray) 영역 내의 비연속적인 파장일 수 있다.
상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은 신체 내에 존재하는 크로모포어의 기 알려진 광 흡수도를 기초로 결정될 수 있다.
상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은 물(H2O)과 지질(lipid) 각각의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 피크(peak) 영역에 인접하는 제1 이산형 파장 및 제2 이산형 파장을 포함하며, 옥시 헤모글로빈(O2Hb) 및 디옥시 헤모글로빈(HHb)의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 등흡수점(isosbestic point) 이전의 제3 이산형 파장과 상기 등흡수점에 인접하는 영역의 제4 이산형 파장을 포함할 수 있다.
상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은 688, 808, 915 및 975nm 파장을 포함할 수 있다.
상기 네 개 이상의 광소스 각각은 레이저 다이오드(LD) 또는 발광 다이오드(LED)로 구현될 수 있다.
상기 적어도 하나의 광검출기는 적어도 하나의 아발란치 포토 다이오드(avalanche photodiode, APD)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치는 일정 개수의 광소스를 이용함으로써 구현 비용을 감소시키면서 신뢰도 높은 크로모포어 농도값을 측정하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 소형화된 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치를 제공할 수 있으며, 대상체의 서로 다른 깊이 및 위치에 대응하는 생체 분석 결과(즉, 크로모포어의 농도)를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 도메인(frequency domain: FD) 기반의 다파장 생체신호 분석 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 신체 내에 존재하는 크로모포어들의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 대상체로 입력되는 입력광과 광검출기에 의해 검출되는 출력광의 광 특성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 다라 도 1의 프로세싱 회로가 각 크로모포어의 농도를 산출하는 프로세스를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 흡수계수와, FD-SS(steady state) 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에서 획득된 흡수계수로부터 크로모포어의 농도를 피팅(fitting)하여 얻은 후, 얻어진 크로모포어 농도로 재구성한 흡수계수 스펙트럼의 비교 결과를 나타내는 그래프들을 도시한 도면이다.
도 9는 도 5 내지 도 8에서 사용된 흡수계수 스펙트럼의 총 72 개 데이터에 대한 R2 분석을 수행한 결과를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 13은 도 5 내지 도 8에서 사용된 흡수계수 스펙트럼으로부터 산출된 각 크로모포어의 농도값을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 17은 도 16의 프로브의 접촉면을 도시한 도면이다.
도 18은 도 16의 프로브의 접촉면을 도시한 다른 도면이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 FD기반의 다파장 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 21은 8개의 발광부 및 8개의 검출부가 프로브의 접촉면 상에서 서로 교차하여 배치되는 일례이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광부 및 검출부 간의 거리와 대상체 깊이 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 23은 발광부 및 검출부가 프로브의 접촉면 상에서 서로 다른 거리 간격으로 배치되는 일례이다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따라 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한, 도면을 참고하여 설명하면서, 같은 명칭으로 나타낸 구성일지라도 도면에 따라 도면 번호가 달라질 수 있고, 도면 번호는 설명의 편의를 위해 기재된 것에 불과하고 해당 도면 번호에 의해 각 구성의 개념, 특징, 기능 또는 효과가 제한 해석되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서 전체에서 "대상체(object)"는 본 발명의 주파수 도메인(frequency domain: FD) 기반의 다파장 생체신호 분석 장치의 측정 대상이 되는 것으로, 사람이나 동물 또는 그 일부를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 대상체는 심장, 뇌 또는 혈관과 같은 각종 장기나 다양한 종류의 팬텀(phantom)을 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 도메인 기반의 다파장 생체신호 분석 장치(이하, "생체신호 분석 장치"라 칭함)의 구성을 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)는 일정 개수의 광소스(ligth source)를 이용하여 구현된다. 여기서, 광소스(light source)는, 주파수 변조된 광을 조사할 수 있는 레이저 다이오드(laser diode, LD) 또는 발광 다이오드(light emitting diode, LED)로 구현될 수 있다. 이하에서는 광소스가 LD로 구현되는 것을 예로서 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)는 네 개 이상의 LD(11), 적어도 하나의 광검출기(light detector)(12) 및 프로세싱 회로(13)를 포함한다.
네 개 이상의 LD(11)는 서로 다른 이산형 파장(discrete wavelength)으로 주파수 변조된 광을 조사한다. 여기서, 이산형 파장은, 근적외선(near infrared ray) 영역의 비연속적인 파장을 의미할 수 있다. 예를 들어, 네 개 이상의 LD(11)는 650 내지 1,100 nm (nano-meter) 영역 내의 파장으로 발광할 수 있다.
또한, 서로 다른 이산형 파장은, 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어(chromophore)를 기초로 결정되며, 구체적으로, 각 크로모포어의 기 알려진 광 흡수도를 기초로 결정될 수 있다. 여기서, 크로모포어는, 광을 흡수하는 원자 또는 원자단을 의미한다. 일반적으로, 신체 내에 존재하는 크로모포어의 종류는 한정적이며 기 알려져 있다. 예를 들어, 팔, 다리 등의 조직(tissue)에는 물(H2O), 지질(lipid), 옥시 헤모글로빈(oxy-hemoglobin, O2Hb), 디옥시 헤모글로빈(deoxy-hemoglobin, HHb)이 지배적으로 존재하며, 뇌에는 지질을 제외한 물, 옥시 헤모글로빈 및 디옥시 헤모글로빈이 지배적으로 존재한다.
도 2는 신체 내에 존재하는 크로모포어들의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프(200)이다. 일반적으로, 크로모포어들은 근적외선 영역에서 고유한 흡수 스펙트럼을 갖는다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 물(201)은 약 980 nm 파장 영역에서 피크(peak) 특성을 나타내며, 지질(202)은 약 930 nm 파장 영역에서 피크 특성을 나타낸다. 또한, 옥시 헤모글로빈(203)과 디옥시 헤모글로빈(204)은 약 800 nm 파장 영역에서의 등흡수점(isosbestic point)(210)를 기준으로 교차한다.
일 실시예에 따라, 생체신호 분석 장치(10)는 네 개의 LD로 구현되며, 물, 지질, 옥시 헤모글로빈 및 디옥시 헤모글로빈의 광 흡수도를 기초로 결정된 네 개의 이산형 파장에 대하여 주파수 변조된 광을 조사할 수 있다. 구체적으로, 네 개의 이산형 파장은, 물(201)의 피크 영역에 인접하는 제1 이산형 파장, 지질(202)의 피크 영역에 인접하는 제2 이산형 파장을 포함하며, 옥시 헤모글로빈(203) 및 디옥시 헤모글로빈(204)의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 등흡수점(210) 이전의 제3 이산형 파장과 등흡수점(210)에 인접하는 영역의 제4 이산형 파장을 포함할 수 있다. 이때, 제3 이산형 파장은 디옥시 헤모글로빈(204)의 흡수도를 고려하여, 옥시 헤모글로빈(203)과 디옥시 헤모글로빈(204)의 흡수 차이가 비교적 큰 영역에서 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 이산형 파장은 약 975 nm 일 수 있으며, 제2 이산형 파장은 약 915 nm 일 수 있다. 또한, 제3 이산형 파장과 제4 이산형 파장은 각각 약 688 nm 및 약 808 nm 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다른 실시예에 따라, 생체신호 분석 장치(10)는 상기한 제1 내지 제4 이산형 파장 이외에 다른 파장의 광을 조사하는 다섯 개, 여섯 개, 일곱 개 또는 여덟 개의 LD로 구현될 수도 있다. 이에 따라 추가되는 제5 내지 제 8 이산형 파장은, 상기한 크로모포어(즉, 물, 지질, 옥시/디옥시 헤모글로빈) 이외의 다른 크로모포어의 흡수 스펙트럼에서 나타나는 고유 특성(예를 들어, 피크 특성 등)에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 추가되는 제 5 내지 제 8 이산형 파장은, 상기한 크로모포어들 이외의 콜라겐(collagen), 멜라닌(melanin), 메트헤모글로빈(methemoglobin, MetHb), 일산화탄소결합 헤모글로빈(CO hemoglobin, COHb) 등의 흡수 스펙트럼의 피크 특성에 따라 결정될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 조건들을 고려하여 추가 파장들을 선택할 수 있다. 예를 들어, 크로모포어들의 흡수 스펙트럼의 무게 중심을 기초로 추가 파장들을 선택할 수 있다.
이와 같이, 생체신호 분석 장치(10)는 신체 내에 존재하는 크로모포어의 흡수 스펙트럼에서 나타나는 고유 특성에 따라 결정된 네 개 이상의 LD를 포함함으로써, 프로세싱 회로(13)가 각 크로모포어의 농도를 보다 정확하게 산출할 수 있도록 할 수 있다.
한편, 위 설명에서는 생체신호 분석 장치(10)가 네 개의 LD, 다섯 개의 LD, 여섯 개의 LD, 일곱 개의 LD 또는 여덟 개의 LD로 구현되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다. 구현예에 따라 생체신호 분석 장치(10)는 더 적은 개수 또는 더 많은 개수의 LD로 구현될 수 있다.
광검출기(12)는 프로세싱 회로(13)의 제어에 의해, 대상체(20)에서 반사되어 인입되는 출력광을 검출한다. 광검출기(12)는 검출된 출력광을 전기신호 변환하여 프로세싱 회로(13)로 제공할 수 있다.
광검출기(12)는 적어도 하나의 아발란치 포토 다이오드(avalanche photodiode, APD)로 구현될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 광검출기(12)는 포토다이오드, 포토 트랜지스터(photo transistor), 광전 증폭관(photo multiplier tube, PMT), 포토셀(phto cell) 등과 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 기술 발전에 따른 새로운 형태의 광 센서를 포함하여 구현될 수도 있다.
또한, 광검출기(12)는 대상체에서 방출되어 인입되는 광을 측정하기 위해, 네 개 이상의 LD(11)와 일정 거리 간격으로 배치될 수 있다.
한편, 네 개 이상의 LD(11)와 적어도 하나의 광검출기(12)는 중간 주파수(IF)를 이용하여 주파수 변조된 광을 조사 및 검출하는 헤테로다인(heterodyne) 방식으로 구현될 수 있으며, 변조된 광의 주파수를 베이스밴드(baseband) 대역으로 직접 변환하여 검파하는 호모다인(homodyne) 방식으로 구현될 수도 있다.
프로세싱 회로(13)는 생체신호 분석 장치(10)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어, 프로세싱 회로(13)는 메모리(미도시)에 저장된 생체신호 분석 프로그램을 실행하여, 네 개 이상의 LD(11) 및 적어도 하나의 광검출기(12)를 제어할 수 있다. 이때, 프로세싱 회로(13)는 범용 컴퓨팅 장치에 사용되는 프로세서이거나, 임베디드 프로세서 형태로 구현될 수 있다.
프로세싱 회로(13)는 상기 프로그램을 실행하여, 네 개 이상의 LD(11)의 구동을 제어하며, 적어도 하나의 광검출기(12)에서 검출된 출력광을 기초로 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출하고, 이를 통해 대상체(20) 내의 크로모포어의 농도를 측정함으로써, 대상체(20)의 생체 구성을 분석한다.
먼저, 프로세싱 회로(13)는 대상체(20) 내에 존재하는 적어도 하나의 크로모포어의 개수, 함량 및 종류 중 적어도 하나를 기초로, 네 개 이상의 LD(11) 중에서 두 개 이상의 LD를 구동시킨다. 즉, 프로세싱 회로(13)는 네 개 이상의 LD(11) 중에서, 구동시킬 LD 의 개수 및 종류를 결정할 수 있다.
예를 들어, 대상체(20)에 존재하는 크로모포어의 개수가 네 개인 경우, 프로세싱 회로(13)는 흡수 스펙트럼에서 각 크로모포어의 고유 특성을 기초로 네 개의 LD를 결정할 수 있다. 그러나, 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어의 개수가 네 개인 경우라도, 특정 크로모포어가 거의 존재하지 않는다고 기 알려진 경우라면(또는, 함량이 작은 경우라면), 프로세싱 회로(13)는 나머지 세 개의 크로모포어의 고유 특성을 기초로 세 개의 LD를 결정할 수 있다. 보다 구체적인 예를 들면, 사람의 머리를 측정하는 경우, 프로세싱 회로(13)는 네 개 이상의 LD(11) 중에서, 지질의 피크 특성에 따라 결정된 제2 이산형 파장으로 발광하는 LD를 제외한, 나머지 제1, 제3 및 제4 이산형 파장으로 발광하는 세 개의 LD를 선택할 수 있다.
프로세싱 회로(13)는 각 LD의 기기적 특성, 주변 환경 등에 따라, 광출력 세기를 조정할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로(13)는 각 LD의 사용 기간, 각 LD로의 공급 전류량, 주변 환경광 등을 고려하여, 광출력 세기를 조정할 수 있다.
프로세싱 회로(13)는 선택된 두 개 이상의 LD를 순차적으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로(13)는 선택된 두 개 이상의 LD 중에서, 가장 낮은 파장으로 발광하는 LD부터 구동시키며, 점차적으로 높은 파장으로 발광하는 LD를 구동시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 프로세싱 회로(13)는 선택된 두 개 이상의 LD의 배치 순서에 따라 각 LD를 순차적으로 구동시킬 수 있다.
이후, 프로세싱 회로(13)는 광검출기(12)를 구동시켜, 광검출기(12)에서 검출되는 출력광을 제공받는다. 이후, 프로세싱 회로(13)는 출력광을 기초로 이산형 파장 별 흡수계수와 산란계수를 산출한다. 이에 대해, 도 3 및 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 LD에 의해 대상체(20)로 입사되는 입력광과 광검출기(12)에 의해 검출되는 출력광의 광 특성을 도시한 도면이다.
도 3의 오른쪽 도면에 도시된 바와 같이, LD에 의해 주파수 변조된 입력광이 대상체(20)로 조사되면, 대상체(20) 내의 크로모포어를 포함한 다양한 성분에 의해 입력광은 산란 및 흡수 된다.
도 3의 왼편에 도시된 그래프(300)는, 주파수 도메인(frequency domain, FD)에서의 입력광(L_In) 및 출력광(즉, 반사광(L_Out)) 특성을 나타낸 그래프이다. LD에서 주파수 변조된 입력광(L_In)이 대상체(20)로 조사됨에 따라 광검출기(12)에서 검출되는 반사광(L_Out)은, 입력광(L_In)에 대한 위상 이동(phase shift)(301) 및 진폭 감쇄(302) 특성을 갖는다.
프로세싱 회로(13)는 이산형 파장 각각에 대해 발생되는 위상 이동(301) 및 진폭 감쇄(302) 특성을 이용하여, 이산형 파장 별 흡수계수와 산란계수를 산출하며, 산출된 흡수계수와 산란계수로부터 각 크로모포어의 농도값을 산출한다. 이를 위해, 프로세싱 회로(13)는 복사전달 방정식(radiative transfer equation)에 대한 확산 근사(diffuse approximation)를 사용할 수 있다.
도 4는 도 1의 프로세싱 회로(13)가 각 크로모포어의 농도를 산출하는 프로세스를 도시한 도면이다.
STEP 1: 프로세싱 회로(13)는 확산 근사(diffusion approximation)에서의 그린 함수(Green's function)를 이용하여 계산된 주파수 도메인의 확산광 모델(diffusion model)을 획득한다. 이때, 확산광 모델은 샘플(대상체)-공기 경계 상태로서 외삽 경계 상태(extrapolated boundary condition)를 사용하며, 따라서 샘플의 표면에서 일정 거리(
Figure pat00001
)만큼 떨어진 곳에서의 에너지 유량(flunce)은 0인 것으로 가정한다.
Figure pat00002
는, 하기의 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure pat00003
상기 수학식 1에서,
Figure pat00004
는 효과적 반사도(effective reflectance)를 나타내며, 이는 굴절률 지수(refractive index)에 영향을 받는다. 만약, 샘플이 1.4이며, 공기가 1.0인 경우,
Figure pat00005
는 0.493일 수 있다. 또한,
Figure pat00006
는 확산 계수(diffusion coefficient)를 나타내며,
Figure pat00007
으로 정의된다. 이때,
Figure pat00008
는 수학식 2와 같이 정의된다.
Figure pat00009
한편, 상기 확산광 모델은 생체신호 분석 장치(10)의 메모리(미도시)에 미리 저장되어 있을 수 있다.
STEP 2: 이후, 프로세싱 회로(13)는 주파수 도메인 기반으로 광신호를 측정한다. 프로세싱 회로(13)는 주파수 도메인에 기반하여, 수학식 3에 대응하는 출력광을 측정한다.
Figure pat00010
상기 수학식 3에서,
Figure pat00011
은 측정된 출력광을 나타내며,
Figure pat00012
와
Figure pat00013
는 측정된 출력광 중, 대상체에서 반사되어 인입되는 신호의 진폭 및 위상 성분을 나타낸다. 또한,
Figure pat00014
와
Figure pat00015
는 대상체와 관계없이 기기적 특성에 의해 출력광에 포함되는 진폭과 위상을 나타낸다. 이러한
Figure pat00016
와
Figure pat00017
는 이하의 (STEP 2-1)의 캘리브레이션(calibration) 작업을 통해 산출된다.
STEP 2-1: 프로세싱 회로(13)는 대상체를 측정하기 이전에,
Figure pat00018
와
Figure pat00019
의 값을 미리 산출할 수 있다. 구체적으로, 프로세싱 회로(13)는 흡수계수(
Figure pat00020
) 와 산란계수(
Figure pat00021
)가 미리 알려져 있는 대상체를 측정하여 해당 대상체에서 반사되는 출력광의 진폭과 위상을 미리 예측한다. 이후, 프로세싱 회로(13)는 측정된 출력광과 예측된 출력광의 진폭과 위상을 수학식 3에 대입하여,
Figure pat00022
와
Figure pat00023
를 획득한다. 그러나, 실시예에 따라 프로세싱 회로(13)는 (STEP 2-1) 작업을 생략할 수 있다. 이 경우, 프로세싱 회로(13)는 기 결정된
Figure pat00024
와
Figure pat00025
를 입력받을 수 있다.
다시 (STEP 2)를 참조하면, 프로세싱 회로(13)는 미리 획득된
Figure pat00026
및
Figure pat00027
를 이용하여, 측정된 출력광(
Figure pat00028
)으로부터 기기적 특성에 따른 오류값(즉, 기기적 특성에 따른 위상과 진폭)을 보상한다. 이어서, 프로세싱 회로(13)는 수학식 3으로부터 획득된 출력광(
Figure pat00029
)의 진폭(
Figure pat00030
)과 위상(
Figure pat00031
)을 기초로, 흡수계수(
Figure pat00032
) 와 산란계수(
Figure pat00033
)를 산출할 수 있다. 구체적으로, 프로세싱 회로(13)는 출력광의 진폭과 위상을 (STEP 1)의 확산광 모델에 피팅(fitting)함으로써, 출력광의 각 파장에 대응하는 측정 대상체의 흡수계수(
Figure pat00034
)와 산란계수(
Figure pat00035
)를 획득할 수 있다. 이때, 프로세싱 회로(13)는 출력광의 진폭과 위상에 대한 최소자승 피팅(least square fitting)을 수행할 수 있다.
프로세싱 회로(13)는 순차적으로 구동되는 LD들에 대응하여 검출되는 출력광에 대해 상기한 과정을 반복 수행함으로써, 서로 다른 이산형 파장들 각각에 대한 흡수계수(
Figure pat00036
) 와 산란계수(
Figure pat00037
)를 산출할 수 있다.
STEP 3: 프로세싱 회로(13)는 이산형 파장 별로 산출된 흡수계수 및 산란계수를 이용하여, 크로모포어들의 기 알려진 흡광 계수(extinction coefficient) 스펙트럼을 바탕으로, 각 크로모포어의 농도값을 산출할 수 있다.
프로세싱 회로(13)는 각 크로모포어의 농도를 이용하여 대상체(20) 내의 구성 성분을 분석할 수 있다.
이와 같이, 개시된 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)는 일정 개수의 LD를 이용하여 크로모포어의 농도를 측정하는 방법을 제공한다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 획득된 흡수계수와, FD-SS(steady state) 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치(미국등록특허 제 7,428,434 호 참조)에서 획득된 흡수계수로부터 크로모포어의 농도를 피팅(fitting)을 통하여 얻은 후, 얻어진 크로모포어 농도로 재구성한 흡수계수 스펙트럼의 비교 결과를 나타내는 그래프들을 도시한 도면이다. 한편, 도 5 내지 도 8에서는 여성의 유방 조직을 측정한 결과를 이용하였다.
구체적으로, 도 5는 약 688, 약 808, 약 915 및 약 975nm 의 이산형 파장으로 주파수 변조된 광을 조사하는 네 개의 LD로부터 검출된 출력광에 대해 도 4의 과정으로 추출한 흡수계수 스펙트럼과, FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치로부터 산출된 흡수계수 스펙트럼을 비교하는 그래프(500)이다.
도 6은 약 688, 약 808, 약 860, 약 915 및 약 975nm 의 이산형 파장으로 주파수 변조된 광을 조사하는 다섯 개의 LD로부터 검출된 출력광에 대해 도 4의 과정으로 추출한 흡수계수 스펙트럼과, FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치로부터 산출된 흡수계수 스펙트럼을 비교하는 그래프(600)이다.
또한, 도 7은 약 688, 약 705, 약 808, 약 860, 약 915 및 약 975nm 의 이산형 파장으로 주파수 변조된 광을 조사하는 여섯 개의 LD로부터 검출된 출력광에 대해 도 4의 과정으로 추출한 흡수계수 스펙트럼과, FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치로부터 산출된 흡수계수 스펙트럼을 비교하는 그래프(700)이다.
또한, 도 8은 약 688, 약 705, 약 785, 약 808, 약 860, 약 915 및 약 975nm 의 이산형 파장으로 주파수 변조된 광을 조사하는 일곱 개의 LD로부터 검출된 출력광에 대해 도 4의 과정으로 추출한 흡수계수 스펙트럼과, FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치로부터 산출된 흡수계수 스펙트럼을 비교하는 그래프(800)이다.
한편, 도 5에서 사용된 이산형 파장은 물, 지질, 옥시/디옥시 헤모글로빈의 피크 특성을 기초로 결정된 것이며, 도 6 내지 도 8에서 추가되는 이산형 파장들은 파장의 추가가 결과값에 미치는 영향을 분석하기 위해 임의로 선택된 것이다.
도 5 내지 도 8의 그래프들(500, 600, 700, 800)을 참조하면, 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 흡수계수 스펙트럼과, FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에서 산출된 흡수계수 스펙트럼이 거의 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다. FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치가 브로드밴드 파장(약 650 - 1000 nm)의 데이터를 검출 및 분석하는데 비하여, 본 발명의 생체신호 분석 장치(10)는 일정 개수의 파장에서의 데이터만을 검출 및 분석한다는 점에서 이득이 있다. 또한, 도 5 내지 도 8 의 그래프들(500, 600, 700, 800)을 참조하면, 네 개의 이산형 파장으로부터 산출된 흡수계수 스펙트럼과, 임의의 파장이 더 추가된 경우의 흡수계수 스펙트럼이 유사한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.
이하는, 생체신호 분석 장치(10)의 성능을 보다 정확하게 나타내기 위해, 도 5 내지 도 8에서 보여지는 흡수계수 스펙트럼에 대한 잔차(residual)를 분석한 결과이다. 이를 위해, 각 스펙트럼을 구성하는 데이터에 대해 수학식 4를 적용함으로써,
Figure pat00038
분석 결과를 비교하였다.
Figure pat00039
Figure pat00040
Figure pat00041
Figure pat00042
상기 수학식 4에서,
Figure pat00043
는 흡수계수 스펙트럼의 각 파장에 대응하는 데이터를 나타내고,
Figure pat00044
는 데이터의 평균값을 나타내며,
Figure pat00045
는 크로모포어의 농도값을 기초로 재구성된 흡수계수 피팅값을 나타낸다. 또한,
Figure pat00046
는 데이터에서 데이터의 평균값을 뺀 값들의 제곱의 합을 나타내며,
Figure pat00047
는 데이터에서 피팅값을 뺀 값들의 제곱의 합을 나타낸다.
도 9는 도 5 내지 도 8에서 사용된 흡수계수 스펙트럼의 총 72 개 데이터에 대한
Figure pat00048
분석을 수행한 결과를 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.
도 9에서 검은색으로 도시된 점들은 FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에 따른 결과값들을 나타낸다. FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치는 브로드밴드 파장을 이용하여 흡수계수 스펙트럼을 산출하므로 가장 큰
Figure pat00049
값을 갖는다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)에 따른 결과 또한 1 내지 0.990 영역 내에 모두 포함되는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 점들은 FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에 따른 결과와 생체신호 분석 장치(10)에 따른 결과가 유사함을 확인할 수 있다.
또한, 네 개의 이산형 파장을 구동시킨 경우의
Figure pat00050
값(901)과 네 개 이상의 이산형 파장을 구동시킨 경우의
Figure pat00051
값(902, 903, 904)의 차이가 크지 않음을 확인할 수 있다. 도 5 내지 도 9의 측정 결과를 통해, 이산형 파장의 개수가 많고 적음이 각 크로모포어의 농도를 산출하는데 있어서, 큰 차이를 가져오지 않음을 확인할 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 13은 도 5 내지 도 8에서 사용된 흡수계수 스펙트럼으로부터 산출된 각 크로모포어의 농도값을 나타내는 그래프이다.
도 10은 물(H2O)의 농도값(%)을 나타내는 그래프이다. 도 10에서 녹색 점은 FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에서 산출된 물의 농도값을 나타내며, 녹색 점을 포함하며 빨간 선으로 표시된 구간은 95% 신뢰도 구간을 나타낸다. 또한, 청색 점은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 물 농도값을 나타낸다.
도 10에 도시된 그래프를 참조하면, 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 물 농도값이 대부분 95% 신뢰도 구간에 포함된다.
도 11은 지질(lipid)의 농도값(%)을 나타내는 그래프이다. 도 11에서 녹색 점은 FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에서 산출된 지질 농도값을 나타내며, 녹색 점을 포함하며 빨간 선으로 표시된 구간은 95% 신뢰도 구간을 나타낸다. 또한, 청색 점은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 지질 농도값을 나타낸다.
도 11에 도시된 그래프를 참조하면, 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 지질 농도값이 대부분 95% 신뢰도 구간에 포함되지 않은 것으로 도시되었으나, 실제 측정된 농도값의 차이는 약 -4% ~+4% 이내로서, 실질적으로 큰 차이를 나타내지 않았다.
도 12는 옥시 헤모글로빈(O2Hb)의 농도값(uM)을 나타내는 그래프이다. 도 12에서 녹색 점은 FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에서 산출된 옥시 헤모글로빈 농도값을 나타내며, 녹색 점을 포함하며 빨간 선으로 표시된 구간은 95% 신뢰도 구간을 나타낸다. 또한, 청색 점은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 옥시 헤모글로빈 농도값을 나타낸다.
도 13은 디옥시 헤모글로빈(HHb)의 농도값(uM)을 나타내는 그래프이다. 도 12에서 녹색 점은 FD-SS 결합 방식의 확산 광 분광 이미징 장치에서 산출된 디옥시 헤모글로빈 농도값을 나타내며, 녹색 점을 포함하며 빨간 선으로 표시된 구간은 95% 신뢰도 구간을 나타낸다. 또한, 청색 점은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 디옥시 헤모글로빈 농도값을 나타낸다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 생체신호 분석 장치(10)에서 산출된 옥시/디옥시 헤모글로빈은 대부분 95% 신뢰 구간 내에 포함된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)는 브로드밴드 파장의 데이터를 모두 획득 및 분석하지 않으면서, 일정 개수의 이산형 파장만을 이용하여 대상체(20) 내의 크로모포어들에 대한 신뢰도 높은 농도값을 산출할 수 있다. 또한, 산출된 크로모포어들의 농도값을 이용하여 대상체(20)의 구성 성분을 분석할 수 있다.
한편, 위 설명에서는 물, 지질, 옥시/디옥시 헤모글로빈에 대응하여 네 개 이상의 광소스를 포함하여 구현되는 생체신호 분석 장치(10)를 예로서 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다. 생체신호 분석 장치(10)는 콜라겐, 멜라닌 등의 크로모포어를 더 고려하여 구현될 수 있다. 또한, 생체신호 분석 장치(10)는 사용자 입력 또는 위치 센싱을 통해, 대상체(20)가 신체의 어느 위치인지를 자동으로 판단할 수 있으며, 해당 위치에 지배적으로 존재하는 크로모포어에 대응하여 구동될 두 개 이상의 광소스를 결정할 수 있다. 예를 들어, 생체신호 분석 장치(10)는 측정 위치에 따라 물, 지질, 콜라겐, 멜라닌 등의 흡수 스펙트럼의 고유 특성을 나타내는 네 개 이상의 광소스를 구동시킬 수 있다.
또는, 다른 실시예에 따라 생체신호 분석 장치(10)는 타겟하는 신체 위치에 따라 고정된 개수의 광소스를 포함하여 구현될 수도 있다. 예를 들어, 생체신호 분석 장치(10)는 머리 측정에 적합하도록, 물, 옥시/디옥시 헤모글로빈에 대응하는 세 개의 광소스를 포함하여 구현될 수도 있으며, 이에 제한되지 않는다.
또한, 위 설명에서는 생체신호 분석 장치(10)가 네 개 이상의 LD 중에서 두 개 이상의 LD를 선택하는 것으로 설명하였으나, 구현예에 따라 LD 선택 과정은 생략될 수 있다. 이 경우, 생체신호 분석 장치(10)는 네 개 이상의 LD(11)를 모두 구동시킨 후, 의미있는 데이터가 획득되지 않은 이산형 파장에 대한 산란계수 및 흡수계수 값을 제외하여 흡수계수 스펙트럼을 산출할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 생체신호 분석 장치(10a)는 네 개 이상의 광소스(예를 들어, LD(11)), 적어도 하나의 광검출기(12) 및 프로세싱 회로(13)를 포함하는 하우징(housing)(1404), 하우징(1404)의 외부로 노출되어 대상체와 접촉함으로써 LD(11)에서 조사된 주파수 변조된 광을 대상체로 전달하고, 대상체에서 반사되는 광을 광검출기(12)로 전달하는 프로브(1403)를 포함한다.
프로브(1403)는 각 LD와 커플링(coupling)되어 네 개 이상의 LD로부터 조사된 광을 집광하여 전달하는 제1 광섬유(1401)와, 광검출기(12)와 커플링되어 출력광을 집광하여 적어도 하나의 광검출기로 전달하는 제2 광섬유(1402)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 및 제2 광섬유(1401, 1402)를 네 개 이상의 LD(11) 또는 광검출기(12)와 커플링하는 방법에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 실시할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 제1 광섬유(1401)와 제2 광섬유(1402)는 프로브(1403)가 대상체와 접촉하는 접촉면 상에서 일정 거리 간격(d1)으로 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 제1 광섬유(1401)는 각 LD로부터 발광되는 광을 일정 각도로 대상체(20)에 조사하기 위한 렌즈(lens, 미도시됨)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10b)는 도 14의 제1 광섬유(1401) 및 광검출기(12)를 포함하는 프로브(1502)와, 프로브(1502)와 연결되며, 네 개 이상의 광소스(예를 들어, LD(11)) 및 프로세싱 회로(13)를 포함하는 하우징(1501)을 포함하여 구현될 수도 있다. 네 개 이상의 LD(11)는 제 1 광섬유(1401)를 통해 대상체로 광을 조사하며, 광검출기(12)가 대상체에 직접 접촉하는 형태로 구현될 수 있다.
또는, 도 16에 도시된 바와, 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10c)는 도 14의 제2 광섬유(1402) 및 네 개 이상의 광소스(예를 들어, LD(11))를 포함하는 프로브(1602)와, 프로브(1602)와 연결되며, 광검출기(12) 및 프로세싱 회로(13)를 포함하는 하우징(1601)을 포함하여 구현될 수도 있다. 네 개 이상의 LD(11)가 대상체에 직접 접촉하는 형태로 구현되고, 광검출기(12)는 제 2 광섬유(1402)를 통해 대상체에서 반사된 반사광을 전달받는 형태로 구현될 수도 있다.
한편, 네 개 이상의 LD는 다파장 표면방출레이저 소자(vertical cavity surface emitting laser device, VCSEL)로 구현될 수 있다.
또는, 네 개 이상의 LD 각각은 표면방출레이저 소자(VCSEL)로 구현되며, 네 개 이상의 VCSEL 은 프로브(1602)의 접촉면에 이격되어 배치될 수 있다. 이때, 네 개 이상의 LD(11)가 배치되는 간격을 최소화함으로써, 프로세싱 회로(13)가 네 개 이상의 LD(11)가 대상체(20)의 동일 면에서 발광되는 것으로 간주하여 크로모포어의 농도를 산출하도록 하는 것이 바람직하다.
도 17은 도 16의 프로브의 접촉면을 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 프로브(1602)의 접촉면(1603)에는 대상체(20)에 직접 접촉하는 네 개 이상의 광소스(예를 들어, LD(11))와 제2 광섬유(1402)가 배치될 수 있다. 각 광소스(즉, LD)의 발광소자(1701, 1702, 1703, 1704)가 접촉면(1603) 상에서 일정 거리 간격(d2)으로 집적배치될 수 있다.
도 18은 도 16의 프로브의 접촉면을 도시한 다른 도면이다.
도 18을 참조하면, 프로브(1602)의 접촉면(1603)에 직접 배치되는 8 개의 광소스(예를 들어, LD(11))를 포함할 수 있다. 이 경우, 각 LD 의 발광소자(1801, 1802, 1803, 1804, 1805, 1806, 1807, 1808)는 2X4 행렬 형태로 접적배치되어, 접촉면(1603) 상에서 각 LD의 발광소자 간의 거리가 최소화되도록 할 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생체신호 분석 장치를 도시한 도면이다. 도 19를 참조하면, 생체신호 분석 장치(10d)는 네 개 이상의 광소스(예를 들어, LD(11)) 및 광검출기(12)가 하나의 프로브(1901) 내에 포함되어 구현될 수 있다. 또는, 구현예에 따라 생체신호 분석 장치(10d)는 프로세싱 회로(13)를 프로브(1901)에 더 포함하여 구현될 수 있다.
한편, 네 개 이상의 LD(11)와 광검출기(12)는 프로브(1901)의 접촉면(1902)에서 일정 거리 간격(d4)으로 배치되며, 대상체(20)에 직접 접촉될 수 이다. 또한, 각 LD는 접촉면(1903)에서 일정 거리 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 이는 도 17 및 도 18에서 전술한 실시예가 적용될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
또한, 프로브(1901)는 접촉면(1902)에 배치되어 광소스 및/또는 광검출기와 결합되는 렌즈(미도시)를 더 포함할 수 있다. 렌즈는 광소스에서 조사되는 광이 대상체(20)의 동일 위치를 향하도록 할 수 있다. 또한, 렌즈는 광이 방사 또는 인입되는 각도를 좁히는 용도로 이용될 수 있다.
이와 같이, 생체신호 분석 장치(10d)는 광섬유가 생략된 소형 프로브(1901)형태로 구현됨으로써, 사용자의 이용 편리성을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 19에서 전술한 생체신호 분석 장치는 단일 채널 분석의 경우를 예로서 설명하였다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치는 멀티 채널 분석을 수행할 수 있다. 멀티 채널 분석을 통해, 생체신호 분석 장치는 측정 위치를 이동하여 스캔할 필요 없이, 한 번에 여러 위치에 대한 생체 성분을 분석할 수 있다. 이하에서는, 멀티 채널 분석을 수행하는 생체신호 분석 장치에 대해 설명한다.
도 20을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10e)는 네 개 이상의 광소스(예를 들어, LD)를 포함하는 복수의 발광부(2010), 적어도 하나의 광검출기(12)를 포함하는 복수의 검출부(2020) 및 프로세싱 회로(2030)를 포함한다.
이때, 복수의 발광부(2010), 복수의 검출부(2020) 및 프로세싱 회로(2030)는 하나의 프로브(2001) 형태로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 발광부(2010) 및 복수의 검출부(2020)는, 프로브(2001)의 접촉면(2002) 상에서 서로 교차하여 배치될 수 있다.
도 21은 8개의 발광부 및 8개의 검출부가 프로브(2001)의 접촉면(2002) 상에서 서로 교차하여 배치되는 일례이다. 도 21에 도시된 바와 같이, 각 발광부(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8)는 도 17 및 도 18 에서 전술한 바와 같이 네 개 이상의 LD가 일정 거리 간격(d2 또는 d3)으로 이격되어 배치된 형태일 수 있다.
한편, 도 21에서는 8개의 발광부 및 8개의 검출부가 4X4 행렬 형태로 배치되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 8개의 발광부 및 8개의 검출부는8X2 행렬 형태 또는 16X1 행렬 형태로도 배치될 수 있다.
다시 도 20을 참조하면, 프로세싱 회로(2030)는 복수의 발광부(2010) 및 복수의 검출부(2020)를 제어한다. 구체적으로, 프로세싱 회로(2030)는 복수의 발광부(2010) 및 복수의 검출부(2020)의 구동 순서를 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 회로(2030)는 복수의 발광부(2010) 각각을 순차적으로 구동시키며, 구동된 각 발광부에 인접하는 적어도 하나의 검출부를 구동시킴으로써, 대상체(20)의 서로 다른 위치에 대응하는 생체 구성 성분을 분석할 수 있다. 도21을 참조하여 예를 들면, 프로세싱 회로(2030)는 S1을 구동시킨 후에, S1에 인접한 D1, D2 및 D3 중 적어도 하나를 구동시킴으로써, S1 에 대응하는 생체 구성 성분을 분석할 수 있다. 다음으로, 프로세싱 회로(2030)는 S2를 구동시킨 후에 S2에 인접하는 D2 및 D4 중 적어도 하나를 구동시킴으로써, S2에 대응하는 생체 구성 성분을 분석할 수 있다.
또는, 프로세싱 회로(2030)는 복수의 발광부(2010) 각각을 순차적으로 구동시키며, 구동된 각 발광부로부터 서로 다른 거리에 배치된 두 개 이상의 검출부를 구동시킴으로써, 대상체(20)의 서로 다른 깊이의 생체 구성 성분을 분석할 수도 있다.
도 22는 발광부 및 검출부 간의 거리와 측정 깊이 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 22에 도시된 바와 같이, 발광부(S1)와 검출부(D1, D5, D8) 간의 거리(d5, d6, d7)에 따라, 각 검출부(D1, D5, D8)에서 검출되는 출력광은 대상체(20)의 서로 다른 깊이(h1, h2, h3)에서 흡수 및/또는 산란된 광에 대응한다. 따라서, 프로세싱 회로(2030)는 구동된 발광부(S1)로부터 서로 다른 거리에 위치하는 검출부(D1, D5, D8)에서 검출된 출력광을 이용하여, 대상체(20)의 서로 다른 깊이에 대응하는 생체 성분 분석을 수행할 수 있다.
한편, 프로세싱 회로(2030)가 각 발광부 및 각 검출부의 구동을 제어하는 방법 및 검출된 출력광을 기초로 생체 분석(즉, 크로모포어의 농도값 측정 등)을 수행하는 방법에 대해서는 도 1 내지 도 4에서의 실시예가 적용될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
또는, 프로세싱 회로(2030)는 대상체(20)의 특정 깊이에 대한 생체 성분 분석을 수행할 수도 있다. 이 경우, 생체신호 분석 장치(10e)는 사용자 인터페이스(미도시) 등을 통해 특정 깊이를 선택하는 사용자 입력을 수신할 수 있다. 예를 들어, 피부 0.5 센티미터(cm) 이내의 생체 분석을 수행하라는 사용자 입력이 수신되는 경우, 프로세싱 회로(2030)는 발광부(S1)에 인접한 검출부(예를 들어, D1)를 구동시킬 수 있다. 또는, 피부 2센티미터(cm) 이내의 생체 분석을 수행하라는 사용자 입력이 수신되는 경우, 프로세싱 회로(2030)는 발광부(S1)로부터 일정 거리에 위치한 검출부(예를 들어, D5)를 구동시킬 수 있다.
한편, 도 20내지 도 22에서는 각 발광부와 각 검출부가 프로브(2001)의 접촉면(2002) 상에서 일정 거리 간격으로 배치되는 예를 설명하였으나, 이에 제한되지 않는다.
도 23은 각 발광부와 각 검출부가 프로브(2001)의 접촉면(2002) 상에서 서로 다른 거리 간격으로 배치되는 일례이다.
도 23을 참조하면, 각 발광부와 각 검출부는 쌍(D1-S1, D2-S2, D3-S3, D4-S4)을 이루며, 각 쌍(D1-S1, D2-S2, D3-S3, D4-S4)은 서로 다른 거리 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 각 쌍(D1-S1, D2-S2, D3-S3, D4-S4)은 동일 거리 간격으로 배치될 수 있다.
프로세싱 회로(2030)는 각 쌍(D1-S1, D2-S2, D3-S3, D4-S4)의 발광부와 검출부를 순차적으로 구동시킴으로써, 대상체(20)의 동일 깊이에 대응하여 복수의 측정 위치에서 생체 성분 분석을 수행할 수 있다.
또한, 프로세싱 회로(2030)는 각 쌍의 발광부를 구동시킨 후에 해당 쌍의 검출부 및 다른 쌍의 검출부를 구동시킴으로써, 대상체(20)의 서로 다른 깊이에 대응하여 복수의 측정 위치에서 생체 성분 분석을 수행할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)는 전술한 구성 요소들 이외에 더 많은 구성 요소들을 더 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 생체신호 분석 장치(10)는 생체 성분 분석 결과값(예를 들어, 크로모포어의 농도 등)을 표시하기 위한 디스플레이(display)(미도시), 사용자 입력을 수신하는 사용자 입력부(미도시), 생체 성분 분석 결과값을 다른 기기로 전송하기 위한 통신 회로(미도시) 등을 더 포함하여 구현될 수 있다.
이하, 도 24 및 도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 분석 장치(10)의 동작 방법을 설명하는 순서도이다. 도 24 및 도 25에 도시된 생체신호 분석 장치(10)의 동작 방법은, 앞서 설명된 도 1 내지 도 23 등에서 설명된 실시예들과 관련된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하여도, 도 1 내지 도 23 등에서 앞서 설명된 내용들은, 도 24 및 도 25 의 생체신호 분석 장치(10)의 동작 방법에 적용될 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따라 생체신호 분석 장치의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 24를 참조하면, 생체신호 분석 장치(10)는 대상체 내에 존재하는 크로모포어를 기초로, 네 개 이상의 이산형 파장(discrete wavelength)에 대해 주파수 변조된 광을 조사하는 네 개 이상의 광소스(light source) 중에서, 적어도 두 개 이상의 광소스를 구동시킨다(S2401). 여기서, 광소스(light source)는 주파수 변조된 광을 조사할 수 있는 LD 또는 LED일 수 있다. 이하에서는, LD를 예로서 설명한다.
예를 들어, 생체신호 분석 장치(10)는 신체 내에 존재하는 크로모포어의 기 알려진 광 흡수도를 기초로 결정된 네 개 이상의 LD를 포함한다. 또한, 네 개 이상의 이산형 파장은 물(H2O)과 지질(lipid) 각각의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 피크(peak) 영역에 인접하는 제1 이산형 파장, 제2 이산형 파장을 포함하며, 옥시 헤모글로빈(O2Hb) 및 디옥시 헤모글로빈(HHb)의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 등흡수점(isosbestic point) 이전의 제3 이산형 파장과 등흡수점에 인접하는 영역의 제4 이산형 파장을 포함할 수 있다.
생체신호 분석 장치(10)는 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어의 개수, 함량 및 종류 중 적어도 하나를 기초로, 네 개 이상의 LD 중에서 구동될 LD 의 개수 및 종류를 결정할 수 있다. 예를 들어, 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어의 개수가 네 개인 경우, 생체신호 분석 장치(10)는 각 크로모포어의 흡수 스펙트럼의 고유 특성을 대표하는 적어도 네 개의 LD 를 결정할 수 있다. 그러나, 대상체(20)에 존재하는 크로모포어의 개수가 네 개인 경우라도, 어느 하나의 크로모포어가 거의 존재하지 않는다고 기 알려진 경우라면(즉, 함량이 작은 경우라면), 생체신호 분석 장치(10)는 나머지 세 개의 크로모포어의 고유 특성을 갖는 적어도 세 개의 LD를 결정할 수 있다.
또한, 생체신호 분석 장치(10)는 선택된 두 개 이상의 LD를 순차적으로 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 생체신호 분석 장치(10)는 가장 낮은 파장으로 발광하는 LD 부터 구동시키며, 점차적으로 높은 파장으로 발광하는 LD를 구동시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 생체신호 분석 장치(10)는 광소스 및/또는 광검출기의 기기적 특성 및 주변 환경 중 적어도 하나에 따라, 광출력 세기를 조정할 수 있다.
이후, 생체신호 분석 장치(10)는 두 개 이상의 광소스가 구동됨에 따라, 대상체(20)로부터 반사되어 인입되는 두 개 이상의 출력광을 검출한다(S2402).
다음으로, 생체신호 분석 장치(10)는 두 개 이상의 출력광을 기초로, 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출한다(S2403). 먼저, 생체신호 분석 장치(10)는 확산광 모델(diffusion model)을 획득한다. 이후, 생체신호 분석 장치(10)는 각 출력광의 진폭과 위상을 산출하고, 산출된 진폭과 위상을 확산광 모델에 피팅함으로써, 각 출력광의 흡수계수와 산란계수를 산출할 수 있다. 이에 대해서는, 도 4의 STEP 1 및 STEP 2를 통해 전술하였는 바, 자세한 설명은 생략한다.
이어서, 생체신호 분석 장치(10)는 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어의 농도를 산출한다(S2404). 구체적으로, 생체신호 분석 장치(10)는 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수와 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어에 대해 기 알려진 흡광계수(extinction coefficient) 스펙트럼을 이용하여 피팅(또는, 계산)함으로써, 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어의 농도값을 산출할 수 있다. 이에 대해서는, 도 4의 STEP 3을 통해 전술하였는 바, 자세한 설명은 생략한다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따라 생체신호 분석 장치의 동작 방법을 설명하는 순서도이다.
도 25를 참조하면, 생체신호 분석 장치(10)는 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어를 기초로 결정된 네 개 이상의 이산형 파장에 대해 주파수 변조된 광을 조사하는 네 개 이상의 광소스를 순차적으로 구동한다(S2501).
이후, 생체신호 분석 장치(10)는 네 개 이상의 광소스가 순차적으로 구동됨에 따라, 대상체(20)에서 반사되어 인입되는 네 개 이상의 출력광을 순차적으로 획득한다(S2502).
이어서, 생체신호 분석 장치(10)는 네 개 이상의 출력광을 기초로, 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출한다(S2503).
또한, 생체신호 분석 장치(10)는 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 기초로 대상체(20) 내에 존재하는 크로모포어의 농도를 산출한다(S2504). 이때, 생체신호 분석 장치(10)는 특정 이산형 파장의 산란계수 및 흡수계수가 의미있는 데이터가 아닐 경우, 해당 이산형 파장의 산란계수 및 흡수계수를 제외할 수 있다.
한편, 도 24 및 도 25 의 상술한 각 단계들은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10, 10a, 10b, 10c, 10d, 10e: FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치
11 : 네 개 이상의 LD
12 : 광검출기
13 : 프로세싱 회로
20 : 대상체
2010 : 복수의 발광부
2020 : 복수의 검출부
2030 : 프로세싱 회로

Claims (21)

  1. 주파수 도메인(FD) 기반의 다파장 생체신호 분석 장치에 있어서,
    네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장(discrete wavelength)에 대해 주파수 변조된 광을 조사하는 네 개 이상의 광소스(light source)가 일정 간격으로 이격되어 배치되는 적어도 하나의 발광부;
    대상체에서 반사되어 인입되는 출력광을 검출하는 광검출기를 포함하는 적어도 하나의 검출부;
    상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부를 포함하며, 상기 대상체에 접촉하는 접촉면을 포함하는 프로브(probe); 및
    상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부와 연결되며, 상기 적어도 하나의 검출부에 의해 검출된 출력광을 기초로 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출하고, 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 기초로 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어(chromophore)의 농도를 산출하는 프로세싱 회로; 를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 발광부 및 상기 적어도 하나의 검출부는 상기 프로브의 접촉면에 배치되어 상기 대상체에 직접 접촉하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어의 개수, 함량 및 종류 중 적어도 하나를 기초로, 각 발광부에 포함된 상기 네 개 이상의 광소스 중에서 적어도 두 개 이상의 광소스를 구동시키는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  3. 제 1 항에 있어서
    상기 프로세싱 회로는
    상기 두 개 이상의 광소스를 순차적으로 구동시키는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    상기 두 개 이상의 광소스 중에서, 가장 낮은 파장으로 발광하는 광소스부터 구동시키며, 점차적으로 높은 파장으로 발광하는 광소스를 구동시키는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 광소스는 다파장 표면방출레이저 소자(vertical cavity surface emitting laser device, VCSEL)인 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    각 광소스는 표면방출레이저 소자(VCSEL)이며,
    상기 네 개 이상의 표면방출레이저 소자는, 상기 접촉면에 이격되어 배치되는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치는, 복수의 발광부 및 복수의 검출부를 포함하되,
    상기 복수의 발광부 및 상기 복수의 검출부는 상기 프로브의 접촉면 상에 서로 교차하여 배치되는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    상기 복수의 발광부를 순차적으로 구동시키며,
    상기 복수의 발광부 중 하나의 발광부가 구동되면, 상기 구동된 발광부에 인접한 적어도 하나의 검출부를 구동시켜 출력광을 검출하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    상기 복수의 발광부를 순차적으로 구동시키며,
    상기 복수의 발광부 중 하나의 발광부가 구동되면, 상기 구동된 발광부로부터 서로 다른 거리에 배치된 두 개 이상의 검출부를 구동시켜 출력광을 검출하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는,
    상기 프로브에 포함되어 구현되는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    광소스의 기기적 특성 및 주변 환경 중 적어도 하나에 따라, 상기 두 개 이상의 광소스의 광출력 세기를 조정하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    상기 출력광의 진폭 및 위상을 확산광 모델(diffusion model)로 적용하여 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 산출하며,
    상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어에 대해 기 알려진 흡광계수(extinction coefficient) 스펙트럼으로 상기 이산형 파장 별 산란계수 및 흡수계수를 피팅(fitting)함으로써, 상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어의 농도값을 산출하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상체 내에 존재하는 크로모포어는
    옥시 헤모글로빈(oxy-hemoglobin, O2Hb), 디옥시 헤모글로빈(deoxy-hemoglobin, HHb), 물(H2O), 지질(lipid) 중 적어도 하나를 포함하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로브는, 상기 프로브의 상기 접촉면에 배치되며 상기 네 개 이상의 광소스와 결합되는 렌즈(lens)를 더 포함하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세싱 회로는
    기기적 특성에 의해 발생되는 신호의 위상 및 진폭을, 상기 출력광으로부터 보상하기 위한 캘리브레이션(calibration) 작업을 수행하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은
    근적외선(near infrared ray) 영역 내의 비연속적인 파장인 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  17. 제 1 항에 잇어서,
    상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은
    신체 내에 존재하는 크로모포어의 기 알려진 광 흡수도를 기초로 결정되는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은
    물(H2O)과 지질(lipid) 각각의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 피크(peak) 영역에 인접하는 제1 이산형 파장 및 제2 이산형 파장을 포함하며,
    옥시 헤모글로빈(O2Hb) 및 디옥시 헤모글로빈(HHb)의 기 알려진 흡수 스펙트럼의 등흡수점(isosbestic point) 이전의 제3 이산형 파장과 상기 등흡수점에 인접하는 영역의 제4 이산형 파장을 포함하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 서로 다른 이산형 파장은
    688, 808, 915 및 975nm 파장을 포함하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 네 개 이상의 광소스 각각은
    레이저 다이오드(LD) 또는 발광 다이오드(LED)로 구현되는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광검출기는
    적어도 하나의 아발란치 포토 다이오드(avalanche photodiode, APD)를 포함하는 것인, FD 기반의 다파장 생체신호 분석 장치.
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