KR20190059133A - 분광기, 분광기의 출력이득 조절 방법, 생체정보 측정 장치 및 방법 - Google Patents

분광기, 분광기의 출력이득 조절 방법, 생체정보 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

분광기가 개시된다. 일 실시예에 따른 분광기는 피검체에 복수의 광을 조사하는 광원부, 조사된 광에 따라서 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하는 검출부, 피검체의 광 반응 특성에 따라서 파장별 증폭이득을 설정하는 제어부 및 증폭이득을 이용하여 검출부의 출력 신호를 증폭시키는 증폭부를 포함할 수 있다.

Description

분광기, 분광기의 출력이득 조절 방법, 생체정보 측정 장치 및 방법{SPECTROMETER, METHOD FOR CONTROLLING OUTPUT-GAIN OF SPECTROMETER, APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING BIO-INFORMATION}
분광기 및 그 분광기를 이용한 생체정보 측정 기술과 관한 것으로, 보다 상세하게는 분광기 수광단의 출력이득을 조절하는 기술과 관련된다.
최근 라만 분광이나 근적외선 분광기를 이용하여 비침습적으로 혈당과 같은 생체정보를 측정하는 방법이 연구되고 있다. 이와 같이 생체정보를 측정하는 방법들은 분광기를 통해 대상체로부터 스펙트럼을 측정하고 측정된 스펙트럼을 기초로 혈당, 칼로리 등의 생체정보를 측정할 수 있다. 일반적으로 분광기는 인체와 같은 대상체에 광을 조사하는 광원과 대상체로부터 되돌아오는 광 신호를 검출하는 디텍터를 포함한다. 디텍터에 의해 검출된 전류신호는 증폭기에 의해 전압신호로 변환 및 증폭되고, ADC(Analog Digital Converter)에 의해 증폭기의 출력 신호는 디지털 신호로 변환되어 출력된다.
광의 파장별 반사율을 고려하여 증폭기의 증폭이득을 설정함으로써 양자화 잡음(quantization noise)을 최소화하는 분광기와, 그 분광기를 이용하여 스펙트럼을 획득하는 방법, 생체정보 측정 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 분광기는 피검체에 복수 파장의 광을 조사하는 광원부, 조사된 광에 따라서 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하는 검출부, 피검체의 광 반응 특성에 따라 각 파장별 증폭이득을 설정하는 제어부 및 설정된 증폭이득을 이용하여 검출부의 출력 신호를 증폭시키는 증폭부를 포함할 수 있다.
광원부는 복수의 광원을 포함하고, 복수의 광원 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있다.
광원부는 복수 파장의 광 각각을 시분할로 출력할 수 있다.
제어부는 피검체의 각 파장별 광 반응 특성을 기초로, 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출하고, 광원부에 의해 각 파장의 광이 조사될 때 조사된 파장의 최적 증폭이득으로 증폭부의 증폭이득을 설정할 수 있다.
제어부는 각 파장별로, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 증폭부의 증폭이득을 변화시키면서, 증폭부의 출력이 포화되지 않도록 하는 최적 증폭이득을 산출할 수 있다.
증폭부는 검출부로부터 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 트랜스임피던스 증폭기 및 설정된 각 파장별 증폭이득을 이용하여 변환된 전압 신호를 증폭시키는 가변이득 증폭기를 포함할 수 있다.
증폭부에 의해 증폭 출력된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부를 더 포함할 수 있다.
제어부는 변환부로부터 출력된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건할 수 있다.
제어부는 변환부의 각 파장별 디지털 신호를 기초로 제1 스펙트럼 응답을 획득하고, 획득된 제1 스펙트럼 응답을 각 파장별 광 세기와 최적 증폭이득을 곱한 값으로 나눈 값을 기초로 각 파장별 제2 스펙트럼 응답을 획득하며, 획득된 제2 스펙트럼 응답을 기초로 생체정보 측정을 위한 스펙트럼을 재건할 수 있다.
일 양상에 따르면, 분광기의 스펙트럼 획득 방법은 광원부가 복수 파장의 광을 피검체에 조사하는 단계, 제어부가 피검체의 광 반응 특성에 따라서 각 파장의 증폭이득을 설정하는 단계, 검출부가 조사된 각 광에 따라서 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하는 단계 및 증폭부가 설정된 증폭이득을 이용하여 검출부의 출력 신호를 증폭하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 분광기의 스펙트럼 획득 방법은 변환부가 증폭부에 의해 증폭 출력된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 분광기의 스펙트럼 획득 방법은 제어부가 출력된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 분광기의 스펙트럼 획득 방법은 제어부가 피검체의 각 파장별 광 반응 특성을 기초로 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출하는 단계를 더 포함하고, 증폭이득을 설정하는 단계는 광을 피검체에 조사하는 단계에서 특정 파장의 광이 조사될 때, 특정 파장의 최적 증폭이득으로 증폭부의 증폭이득을 설정할 수 있다.
최적 증폭이득을 산출하는 단계는 소정 파장의 광을 미리 설정된 광의 세기로 피검체에 조사하도록 광원부를 구동하는 단계, 소정 파장의 광이 조사되는 동안 미리 설정된 증폭이득 구간 내에서 증폭부의 증폭이득을 변화시키는 단계 및 변화된 증폭이득 중에서 증폭부의 출력을 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 소정 파장의 최적 증폭이득으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
최적 증폭이득으로 결정하는 단계는 결정된 최적 증폭이득이 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 같으면, 파장에 대한 광의 세기를 조절하고 광을 조사하는 단계 이하를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체정보 측정 장치는 피검체에 복수 파장의 광을 조사하는 광원부, 피검체로부터 돌아오는 광 신호를 검출하는 검출부 및, 각 파장별로 설정된 증폭이득을 이용하여 검출부의 출력신호를 증폭하는 증폭부를 포함하는 광학부 및 생체정보 측정 요청에 따라 광원부를 제어하는 구동 제어부, 광원부가 각 파장의 광을 조사할 때 조사된 파장의 최적 증폭이득을 증폭부의 증폭이득으로 설정하는 이득 제어부 및, 광학부의 출력신호를 기초로 생체정보를 측정하는 신호 처리부를 포함하는 제어부를 포함할 수 있다.
신호 처리부는 생체정보 측정 요청이 수신되면, 피검체에 관한 정보 및 센서 정보 중의 적어도 하나를 기초로, 피검체에 대한 각 파장별 최적 증폭이득의 산출 여부를 판단할 수 있다.
이때, 피검체에 관한 정보는 성별, 나이, 건강 상태 및 상기 광학부와 접촉하는 피검 부위 중의 하나 이상을 포함하고, 센서 정보는 기울기 센서 및 접촉 압력 센서 중의 하나 이상의 센서로부터 수집되는 정보를 포함할 수 있다.
구동 제어부는 신호 처리부에 의해 최적 증폭이득 산출로 판단되면, 미리 설정된 광의 세기로 각 파장의 광을 조사하도록 광원부를 구동하고, 이득 제어부는 광원부가 각 파장의 광을 조사하는 동안, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 증폭부의 증폭이득을 변화시키며, 신호 처리부는 각 파장별로, 변화된 증폭이득 중에서 증폭부의 출력을 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 최적 증폭이득으로 결정할 수 있다.
신호 처리부는 결정된 최적 증폭이득이 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 같으면, 광 세기를 조절하고 조절된 광 세기로 최적 증폭이득을 다시 산출할 수 있다.
광학부는 증폭부에 의해 증폭 출력된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부를 더 포함하고, 신호 처리부는 변환부로부터 출력된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하고, 재건된 스펙트럼을 이용하여 생체정보를 측정할 수 있다.
생체정보는 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 생체정보 측정 장치는 제어부의 처리 결과를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체정보 측정 방법은 광학부가 피검체에 복수 파장의 광을 조사하는 단계, 각 파장의 광이 조사될 때, 제어부가 조사된 파장의 최적 증폭이득으로 가변이득 증폭기의 증폭이득을 설정하는 단계, 광학부가 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하여 전기 신호를 출력하는 단계, 광학부가 출력된 전기 신호를 증폭하는 단계 및 제어부가 증폭 출력된 신호를 기초로 생체정보를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 생체정보 측정 방법은 제어부가, 생체정보 측정 요청이 수신되면 피검체에 대한 각 파장별 최적 증폭이득 산출 여부를 판단하는 단계 및 판단 결과 최적 증폭 이득 산출로 판단되면 피검체에 대한 각 파장별 최적 증폭이득을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
최적 증폭이득을 산출하는 단계는 미리 설정된 광의 세기로 소정 파장의 광을 조사하도록 광학부의 광원을 구동하는 단계, 광원이 소정 파장의 광을 조사하는 동안, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 가변이득 증폭기의 증폭이득을 변화시키는 단계 및 변화된 증폭이득 중에서 가변이득 증폭기의 출력신호를 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 최적 증폭이득으로 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 생체정보 측정 방법은 결정된 최적 증폭이득이 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 일치하는지 판단하는 단계 및 판단 결과 일치하면, 광원의 광 세기를 조절하고, 광원을 구동하는 단계로 이동하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 생체정보 측정 방법은 증폭하는 단계에서 증폭된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
생체정보를 측정하는 단계는 변환된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하고, 재건된 스펙트럼을 기초로 생체정보를 측정할 수 있다.
피검체나 광의 파장별 반사율에 따라 분광기의 증폭이득을 설정함으로써 양자화 잡음을 최소화하여 정확한 분광 스펙트럼을 복원할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 분광기의 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 분광기의 광원 어레이 구조를 도시한 것이다.
도 3은 일반적인 분광기를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 분광기의 출력이득 조절을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 분광기의 회로도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 분광기의 스펙트럼 획득 방법의 흐름도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 각 파장별 최적 증폭이득 산출 방법의 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치의 블록도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치의 분광부의 블록도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치의 제어부의 블록도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 방법의 흐름도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 최적 증폭이득 산출 방법의 흐름도이다.
도 13a 및 도 13b는 일 실시예에 따른 웨어러블 기기를 도시한 것이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 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 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 분광기와 그 분광기에서 스펙트럼을 복원하는 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 분광기의 블록도이다. 도 2는 일 실시예에 따른 분광기의 광원 어레이 구조를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 분광기(100)는 제어부(110), 광원부(120), 검출부(130), 증폭부(140) 및 변환부(150)를 포함할 수 있다. 이때, 분광기(100)의 구성들은 하나의 하드웨어 구조로 형성될 수 있다. 다만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 제어부(110), 증폭부(140) 및 변환부(150) 중의 적어도 일부의 구성은 물리적으로 분리된 다른 장치, 예컨대 생체정보 측정 장치에 탑재될 수도 있다.
광원부(120)는 피검체(OBJ)에 복수 파장의 광을 조사한다. 광원부(120)는 도시된 바와 같이 복수 파장의 광을 각각 조사하도록 복수의 광원(121,122)을 포함할 수 있다. 이때, 복수의 광원 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 출력할 수 있다. 광원부(120)에 2개의 광원(121,122)만이 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 광원의 개수가 특별히 제한되지 않는다. 광원부(120)는 제어부(110)의 제어에 따라 복수의 파장을 시분할하여 순차적으로 피검체(OBJ)에 조사할 수 있다. 광원(121,122)은 LED(light emitting diode), 레이저 다이오드(laser diode) 및 형광체 등을 포함할 수 있다. 광원(121,122)은 근적외광을 방출하도록 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 라만 분광을 위한 레이저 단일광을 조사하는 것도 가능하다.
도 2를 참조하면, 광원부(120)는 n개의 LED가 원형의 프레임에 배열된 LED 어레이로 형성될 수 있다. 이때, 각 LED의 피크 파장은 (λ1,λ2,λ3,…,λn)을 갖도록 설정될 수 있다. 각 LED는 제어부(110)의 제어에 따라 시분할 방식으로 각 파장(λ1,λ2,λ3,…,λn)을 순차적으로 피검체(OBJ)에 조사할 수 있다.
각 광원(121,122)에 의해 피검체(OBJ)에 조사된 광은 피검체(OBJ)의 조직 특성에 따라 흡수, 반사 또는 산란된다. 이때, 피검체(OBJ)의 광 반응 특성은 피검체(OBJ)의 종류 및 광의 파장에 따라 달라지며, 이와 같이 피검체(OBJ)의 광 반응 특성에 따라 피검체(OBJ)에서 광의 흡수, 반사, 투과 또는 산란되는 정도는 달라진다.
검출부(130)는 피검체(OBJ)에 의해 흡수, 투과, 반사 또는 산란되는 광 신호를 검출할 수 있다. 검출부(130)는 검출된 광 신호를 전기적인 전류신호로 변환하여 출력할 수 있다. 이때, 검출부(130)는 포토다이오드를 포함할 수 있으며, 복수의 포토 다이오드들을 배열한 어레이로 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 검출부(120)는 포토다이오드(PD)가 LED가 배열된 원형의 프레임 중심에 배치될 수 있다.
증폭부(140)는 검출부(130)로부터 출력된 전기적인 전류신호를 미리 설정된 증폭이득을 이용하여 증폭 출력할 수 있다. 이때, 증폭이득은 광원의 구동과 동기화되는 방식으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 광원부(120)가 특정 파장의 광을 조사하는 시점에 그 파장에 대해 미리 산출되어 있는 최적 증폭이득으로 증폭부(140)의 증폭이득이 설정될 수 있다. 이때, 특정 파장의 광을 조사하는 시점이란 특정 파장의 광이 조사되는 시점의 전/후 또는 동시를 의미할 수 있다.
한편, 증폭부(140)는 검출부(130)로부터 출력된 전류신호를 전압신호로 변환하는 트랜스임피던스 증폭기(Trans-impedance amplifier, TIA)와, TIA로부터 출력된 전압신호를 설정된 증폭이득으로 증폭하여 출력하는 가변이득 증폭기(Variable gain amplifier, VGA)를 포함할 수 있다. 이때, TIA 및 VGA는 하나로 형성될 수 있다
변환부(150)는 증폭부(140)에서 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 변환부(150)는 증폭부(140)의 출력이 포화되지 않도록 하면서 디지털 신호로 출력할 수 있는 최대값을 나타내는 최대 출력값을 시스템 파라미터로서 가질 수 있다.
제어부(110)는 각종 제어신호를 생성하여 분광기(100)의 각 구성들을 제어할 수 있다. 또한, 변환부(150)로부터 출력신호를 수신하고, 수신된 변환부(150)의 출력신호를 기초로 스펙트럼 재건 및 그 밖의 다양한 동작을 수행할 수 있다.
예를 들어, 제어부(110)는 피검체에 광을 조사하도록 광원부(110)의 각 광원(121,122)을 제어할 수 있다. 제어부(110)는 모든 광원(121,122)을 순차적으로 시분할하여 점멸할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 광원의 전부 또는 일부를 동시에 점멸하는 것도 가능하며, 광원의 일부만을 순차적으로 구동하는 것도 가능하다.
도 2를 참조하면, 제어부(110)는 각 파장(λ1,λ2,λ3,…,λn)이 차례대로 피검체(OBJ)에 조사되도록 LED 어레이의 각 LED를 시분할 방식으로 점멸할 수 있다. 예컨대, 제어부(110)는 제1 LED를 제1 광의 세기로 제1 펄스 지속 시간 동안 구동하고, 제1 펄스 지속 시간이 경과하면 제1 LED를 끄고 제2 LED를 제2 광의 세기로 제2 펄스 지속 시간 동안 구동하는 방식으로, 전체의 LED를 제어할 수 있다.
제어부(110)는 증폭부(140)의 증폭이득을 설정할 수 있다. 제어부(110)는 광원의 구동과 동기화하여 광원이 조사하는 파장에 적합한 증폭이득을 설정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(110)는 먼저 파장 λ1의 광을 조사하는 제1 LED를 구동하는 시점에 파장 λ1에 대해 미리 산출된 최적 증폭이득으로 증폭부(140)의 증폭이득을 설정할 수 있다. 그 다음, 제어부(110)는 파장 λ2의 광을 조사하는 제2 LED를 구동하는 시점에 파장 λ2에 대해 미리 산출된 최적 증폭이득으로 증폭부(140)의 증폭이득을 변경할 수 있다.
한편, 제어부(110)는 피검체에 조사될 광의 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출할 수 있다. 일 예로, 제어부(110)는 미리 설정된 증폭이득 구간의 증폭이득 중에서, 특정 파장에 대하여 변환부(150)의 출력이 포화되지 않도록 하는 최대의 증폭이득을 그 파장의 최적 증폭이득으로 산출할 수 있다. 변환부(150)의 출력이 포화되지 않는다는 것은 증폭부(140)의 출력이 포화되지 않으면서, 변환부(150)의 최대 출력값 보다 크지 않다는 것을 의미한다. 제어부(110)는 증폭이득 구간 내의 최소 증폭이득에서 최대 증폭이득으로 순차적으로 증폭이득을 변경해가면서 최적 증폭이득을 산출할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 이진 탐색(binary search) 방법 등을 활용하여 증폭이득 구간에서 변경할 증폭이득을 선택할 수도 있다.
다른 예로, 제어부(110)는 특정 파장에 대하여, 증폭부(140)에 설정된 임의의 증폭이득과, 그 임의의 증폭이득으로 증폭부(140)가 증폭 출력한 신호를 변환부(150)가 출력한 디지털 신호 및 변환부(150)의 최대 출력값을 기초로 최적 증폭이득을 직접 산출할 수도 있다.
제어부(110)는 변환부(150)로부터 각 파장의 디지털 신호가 출력되면, 각 파장의 디지털 신호를 기초로 각 파장별 스펙트럼 응답을 획득할 수 있다. 예컨대, 제어부(110)는 수신된 각 파장의 디지털 신호를 기초로 피검체의 각 파장별로 제1 스펙트럼 응답을 구할 수 있다. 한편, 이와 같이 구해진 피검체의 각 파장별 제1 스펙트럼 응답은 각 파장별로 설정된 광의 세기 및 최적 증폭이득으로 스케일(scale)된 값이므로, 제어부(110)는 이와 같이 구해진 각 파장별 제1 응답을 원래 의도한 광의 세기 및 증폭이득에 해당하는 각 파장별 제2 스펙트럼 응답으로 복원할 수 있다.
또한, 제어부(110)는 이와 같이 획득된 각 파장별 제2 스펙트럼 응답을 기초로 생체정보 측정을 위한 스펙트럼을 재건할 수 있다. 예를 들어, 제어부(110)는 각 파장별 제2 스펙트럼 응답을 기초로 선형-독립 방정식을 수립하고 이를 기초로 스펙트럼을 재건할 수 있다. 예컨대, 제어부(110)는 아래의 수학식 1에 표현된 바와 같은 행렬 형태의 선형 방정식을 수립할 수 있으며, 이 선형 방정식을 푸는 방식으로 재건된 스펙트럼을 획득할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, A는 각 광원별 구동 조건에 따라 측정된 기준 스펙트럼 특성의 매트릭스이며, U는 각 광원별로 동일하게 설정된 구동 조건으로 검출기에 의해 실제로 측정된 값의 매트릭스를 의미한다. 또한, z는 복원될 스펙트럼을 의미한다. 이때, 행렬 A의 상태가 좋지 않은 경우가 있을 수 있다. 이 경우 선형 방정식인 수학식 1의 시스템의 해가 정확하지 않을 수 있으므로, 역문제(invers problem)를 해법을 사용함으로써 스펙트럼 해상도의 크기에 제한을 두지 않으며 사용된 스펙트럼 곡선의 최소 개수로 높은 정확도를 가지는 피검체의 스펙트럼을 재건할 수 있다. 이때, 역문제를 푸는 티코노프 규칙화(Tikhonov regularization) 방법을 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, u는 검출기로 실제로 측정된 매트릭스 U의 각 컴포넌트를 의미하고, E는 단위행렬, A는 커널 매트릭스로서 각 광원별로 구동 조건에 따라 측정된 기준 스펙트럼의 매트릭스를 의미한다. 또한, α는 노이즈 제거 단위를 나타낸다. 수학식 2는 임의의 공지된 방법 예컨대, 최소 제곱법에 의해 풀이될 수 있으며, 일 예로 QR 분해를 사용하여 최소 제곱법을 풀 수 있다.
도 3은 일반적인 분광기를 설명하기 위한 회로도이다. 도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 분광기의 출력이득 조절을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 일 실시예에 따른 분광기의 회로도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여, 일 실시예에 따른 분광기의 동작 원리를 보다 상세하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 일반적으로 분광기 시스템에서 광원(310)이 (1) 연속적인 파장(λ1,λ2,…,λn)을 순차적으로 피검체(OBJ)에 조사하면, (2) 피검체의 파장별 흡광 특성에 따라 흡수, 투과, 반사 및 산란된 광이 디텍터(320)에서 검출되어 전기적인 전류신호로 출력된다. (3) 수신된 광량에 비례하는 디텍터(320)의 전류신호는 증폭기(330)에서 전압신호로 변환되고, 증폭이득(G)로 증폭되어 ADC(340)로 입력된다. ADC(340)는 입력된 전압신호를 디지털로 변환하여 출력한다. ADC(340)의 출력 신호는 피검체의 스펙트럼을 복원하는데 이용된다.
이때, 증폭이득(G)은 ADC(340)의 양자화 잡음을 최소화할 수 있도록, 증폭기(330)의 증폭신호가 ADC(340)의 입력 범위인 최대 출력값(VADC_IN_MAX)에 근접하되, 증폭신호가 포화(saturation)되지 않도록 최대 출력값(VADC_IN_MAX)보다는 크지 않게 설정되어야 한다.
따라서, 일반적인 분광기 시스템에서 반사율이 다른 여러 피검체를 측정하기 위해서는 모든 피검체에 대한 증폭이득의 크기가 반사율이 가장 큰 피검체에 대하여 전술한 조건을 만족하도록 하는 증폭이득으로 제한된다. 또한, 동일한 피검체라 하더라도 파장별로 피검체의 광 반응 특성이 다르기 때문에, 복수의 파장의 광을 순차적으로 동일 피검체에 조사하여 스펙트럼을 측정하는 경우에도 모든 파장에 대한 증폭이득의 크기가 가장 큰 반사율을 갖는 파장에 대한 증폭이득의 크기로 제한된다.
도 4a는 상대적으로 반사율이 큰 피검체나 파장에 대하여 디턱터에서 출력된 전류 신호(1)를 증폭기가 증폭이득(G1)으로 증폭하여 출력한 신호(2)를 예시한 것이다. 도시된 바와 같이, 증폭이득(G1)은 ADC의 출력이 포화되지 않도록 증폭기의 출력신호(2)가 ADC 입력 범위 내의 값을 갖되, ADC의 양자화 잡음을 최소화하기 위하여 ADC의 최대 출력값(VADC_IN_MAX)에 근접하도록 설정될 수 있다.
도 4b는 상대적으로 반사율이 작은 피검체나 파장에 대하여 디텍터에서 출력한 전류신호(1)를 증폭한 경우를 예시한 것이다. 도 4b에서 증폭신호(2)는 도 4a에서 반사율이 큰 경우에 맞추어 설정된 증폭이득(G1)으로 증폭한 신호를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 증폭기의 증폭이득(G1)이 반사율이 큰 경우에 맞추어 설정된 상태이므로, 반사율이 낮은 피검체나 파장을 측정하는 경우에는 증폭기의 증폭신호(2)가 ADC의 최대 출력값(VADC_IN_MAX)에 근접하지 않는다. 이 경우, 양자화 잡음은 반사율이 높은 파장에 비하여 상대적으로 높아지게 되어 정확한 스펙트럼의 복원에 한계로 작용할 수 있다.
도 4b에서 증폭신호(3)은 증폭신호(2)에 비하여 반사율이 작은 전류신호(1)를 증폭이득(G1)에 비해 상대적으로 큰 증폭이득(G2)으로 증폭한 경우를 나타낸 것이다. 이 경우, 증폭이득(G2)는 전류신호(1)의 반사율을 고려하여 증폭신호(3)의 출력이 ADC의 최대 출력값(VADC_IN_MAX)에 근접하도록 산출된 값이므로, 도시된 바와 같이 증폭기의 증폭신호(3)가 포화되지 않으면서 ADC의 양자화 잡음을 최소화할 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 분광기(500)는 제어기(510), 광원부(520), 검출부(530), 증폭부(540), 변환부(550) 및 신호 처리부(560)를 포함할 수 있다. 이때, 제어기(510) 및 신호 처리부(560)는 두 개의 구성으로 도시되어 있으나 이는 기능상 구분일 뿐 도 1에서 설명한 바와 같이 하나의 제어부 구성에 포함될 수도 있다.
제어기(510)는 신호 처리부(560)로부터 피검체의 스펙트럼 획득을 위한 제어신호를 수신하면, 광원부(520)를 구동할 수 있다. 광원부(520)는 예컨대, n개의 파장 (λ1,λ2,…,λn )의 광을 각각 조사하는 n개의 LED(LED1,LED2,…,LEDN)의 어레이로 형성될 수 있다. 도 5는 LED1(521), LED2(522)의 두 개의 LED만을 도시하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 LED 어레이를 형성하는 LED의 개수에는 특별히 제한되지 않는다.
또한, 제어기(510)는 각 LED(521,522)를 구동하는 시점에 각 LED(521,522)의 파장에 대해 미리 산출된 최적 증폭이득으로 증폭부(540)의 VGA(542)의 증폭이득을 설정할 수 있다. 이때, 제어기(510)는 각 LED(521,522)의 구동 시점의 전후에 VGA(542)의 증폭이득을 설정할 수 있다.
예를 들어, 각 파장(λ1,λ2,…,λn)에 대하여 미리 산출된 최적 증폭이득이 (Gopt,1,Gopt,2,…,Gopt,n)라고 하면, 제어기(510)는 첫 번째 LED1(521)를 광의 세기 I0,1로 구동하고, 이에 동기화하여 파장 λ1에 대하여 미리 산출된 최적 증폭이득 Gopt,1을 VGA(542)의 증폭이득으로 설정할 수 있다.
첫 번째 LED1(521)에 의해 조사된 파장 λ1의 광이 피검체(OBJ)의 조직 특성에 따라 흡수, 투과, 반사 또는 산란되면 검출부(530)는 광 신호를 검출하고, 검출된 광 신호를 전기적인 전류신호로 변환하여 출력한다. 이때, 검출부(530)는 포토다이오드일 수 있다.
검출부(530)에 의해 출력된 전류신호는 증폭부(540)의 TIA(541)에 입력되어 전압신호로 변환되고, VGA(542)에서 파장 λ1의 최적 증폭이득 Gopt,1으로 증폭되어 출력된다. 출력된 증폭신호는 파장 λ1의 최적 증폭이득으로 증폭되므로 포화되지 않으면서도 변환부(550)의 최대 출력값에 근접한 값으로 출력될 수 있다.
변환부(550)는 입력된 아날로그 증폭신호를 디지털 신호로 변환하여 신호 처리부(560)로 전달한다. 이때, 변환부(550)는 ADC(AD converter)를 포함할 수 있다.
제어부(510)는 두 번째 LED2(522)를 광의 세기 I0,2로 구동하고, 이에 동기화하여 파장 λ2에 대하여 미리 산출된 최적 증폭이득 Gopt,2을 증폭부(540)의 VGA(542)의 증폭이득으로 설정할 수 있다. 검출부(530), 증폭부(540) 및 변환부(550)는 이와 같이 각 파장(λ1,λ2,…,λn )이 조사될 때마다, 광 신호의 검출, 증폭 및 변환하는 과정을 반복할 수 있다. 이때, 각 LED의 광 세기는 최적 증폭이득을 산출할 때 함께 산출될 수 있다.
신호 처리부(560)는 변환부(550)로부터 전달된 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 복원할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(560)는 파장 λi (1≤≤i≤≤n, i는 정수)에 대하여 변환부(550)로부터 디지털 신호가 출력되면, 출력된 디지털 신호를 기초로 피검체(OBJ)의 파장별 제1 스펙트럼 응답 Xi 을 구할 수 있다. 이때, 파장별 제1 스펙트럼 응답 Xi는 파장별로 다른 광의 세기 I0,i와 다른 증폭이득 Gopt,i로 스케일(scale)된 값이므로, 신호 처리부(560)는 아래의 수학식 3을 통해 원래 구하고자 하는 제2 스펙트럼 응답 Yi로 복원할 수 있다. 이때, k는 전처리 과정을 통해 미리 정의되는 임의의 상수이다.
Figure pat00004
신호 처리부(560)는 이와 같이 획득된 각 파장별 제2 스펙트럼 응답을 기초로 전술한 바와 같이 스펙트럼을 재건하고, 재건된 스펙트럼을 생체정보 측정 장치 또는 외부 디스플레이 기기와 같은 외부 장치로 출력할 수 있다.
한편, 신호 처리부(560)는 사용자 또는 다른 기기로부터 파장별 최적 증폭이득 산출 요청이 수신되면, 피검체(OBJ)에 대하여 파장별 최적 증폭이득을 산출할 수 있다. 또한, 신호 처리부(560)는 사용자 또는 다른 기기로부터 피검체의 스펙트럼 획득 요청이 수신되면, 피검체가 변경되었는지 여부나 피검체에 조사할 파장의 변경 여부 등을 기초로 파장별 최적 증폭이득의 재산출 여부를 판단할 수 있다. 또한, 신호 처리부(560)는 피검체에 대한 스펙트럼 측정시 변환부(550)로부터 디지털 신호가 출력되면 특정 파장에 대한 출력 신호가 포화되는지 여부를 기초로 특정 파장에 대한 최적 증폭이득의 재산출 여부를 판단할 수 있다.
신호 처리부(560)는 최적 증폭이득을 재산출하는 것으로 판단하면, 제어기(510)에 제어신호를 전송한다. 제어기(510)는 제어신호가 수신되면 파장 λi 의 광을 광 세기 I0,i로 조사하도록 LEDi를 구동할 수 있다.
제어기(510)는 LEDi가 피검체(OBJ)에 광을 조사하는 동안, 증폭부(540)의 VGA의 증폭이득을 미리 설정된 증폭이득 구간 {G1,G2,…, GM}내에서 변경 설정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(510)는 VGA의 증폭이득을 증폭이득 구간내의 최소 증폭이득 G1에서 GM까지 순차적으로 증가시킬 수 있다. 또는 증폭이득 구간에서 이진 탐색(binary search)과 같은 방식으로 증폭이득을 선택하여 VGA의 증폭이득으로 설정할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
신호 처리부(560)는 변경된 각 증폭이득에 따라 증폭부(540) 또는 변환부(550)로부터 출력되는 신호를 기초로 파장 λi 에 대한 최적 증폭이득을 산출할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(560)는 변경된 증폭이득 중에서 증폭부(540)의 출력이 포화되지 않도록 하는 최대의 증폭이득을 파장 λi에 대한 최적 증폭이득 Gopt,i로 결정할 수 있다. 이때, 신호 처리부(560)는 결정된 최적 증폭이득 Gopt,i가 증폭이득 구간의 최대의 증폭이득 GM과 같으면 파장 λi에 대한 LEDi의 광 세기 I0,i를 소정 크기 증가시키고, 증가된 광의 세기로 파장 λi에 대한 최적 증폭이득을 다시 산출하기 위해 제어기(510)를 다시 제어할 수 있다.
다만, 파장 λi에 대한 최적 증폭이득의 산출 방법은 전술한 예에 한정되지 않는다. 예를 들어, 신호 처리부(560)는 증폭부(540)에 설정된 증폭이득, 그 증폭이득으로 증폭되어 변환부(550)에 의해 출력된 출력값 및 변환부(550)의 최대 출력값을 기초로 아래의 수학식 4를 통해 직접 구할 수도 있다.
Figure pat00005
여기서, Ga는 증폭부(540)에 설정된 증폭이득, YADC0는 변환부(550)의 출력값을 의미한다. 또한, YMAX는 증폭 신호가 포화되지 않고 변환부(550)의 출력으로 얻을 수 있는 최대값을 의미한다.
신호 처리부(560)는 이와 같이 각 파장에 대한 광의 세기 및 최적 증폭이득이 산출되면, 제어기(510)에 광원 구동 조건으로 피드백할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 분광기의 스펙트럼 획득 방법의 흐름도이다. 도 7은 일 실시예에 따른 각 파장별 최적 증폭이득 산출 방법의 흐름도이다. 도 6 및 도 7은 도 1의 분광기(100)에 의해 수행되는 스펙트럼 획득 방법의 일 실시예일 수 있다.
먼저, 제어부(110)는 피검체의 스펙트럼 측정 요청이 수신되면, 각 파장별 최적 증폭이득을 산출할 수 있다(610). 이때, 스펙트럼 측정 요청은 사용자 또는 다른 기기로부터 수신될 수 있다. 제어부(110)는 스펙트럼 측정 요청이 수신되면, 최적 증폭이득 산출 여부를 판단할 수 있으며, 판단 결과 최적 증폭이득의 산출이 필요하지 않다고 판단되면 파장별 최적 증폭이득 산출 단계(610)를 생략할 수 있다.
도 7은 제어부(110)가 최적 증폭이득을 산출하는 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 제어부(110)는 먼저 첫 번째 파장 λ1에 대하여 최적 증폭이득을 산출하기 위해 파장 인덱스 i를 1로 설정한다(711).
그 다음, 제어부(110)는 미리 설정된 증폭이득 구간 {G1,G2,…,Gn}에서 증폭부(140)의 증폭이득을 순차적으로 변경시키기 위해 증폭이득의 인덱스 j를 첫번째 증폭이득의 인덱스 j를 1로 설정하고, 파장 λ1의 광을 조사하는 광원의 광 세기 I를 I0로 설정한다(712).
그 다음, 제어부(110)는 파장 λi의 광원을 광 세기 I로 구동하고(713), 피검체에 광이 조사되는 동안 증폭부(140)의 증폭이득을 Gj로 설정한다(714).
그 다음, 제어부(110)는 증폭부(140)에 의해 증폭된 신호가 ADC 출력을 포화시키는지 판단할 수 있다(715).
단계(715)에서 판단한 결과, 증폭부(140)의 증폭신호가 포화되지 않으면, 현재의 증폭이득 Gj가 증폭이득 구간 내의 최대 증폭이득 GM과 같은지 판단할 수 있다(716).
단계(716)에서 판단한 결과, 현재의 증폭이득 Gj가 증폭이득 구간 내의 최대 증폭이득 GM과 같으면 파장 λi의 광 세기 I를 소정 크기(Δ)만큼 증가시키고(718), 단계(713)으로 이동한다. 단계(716)에서 판단한 결과, 현재의 증폭이득 Gj가 증폭이득 구간 내의 최대 증폭이득 GM과 같지 않으면, 다음 증폭이득의 인덱스 j를 1 증가시키고(717), 단계(714)으로 이동한다.
만약, 단계(715)에서 판단한 결과, 현재의 증폭이득 Gj에 대하여 증폭부(140)의 증폭신호가 포화되면 파장 λi에 대한 최적 증폭이득 Gopt를 이전의 증폭이득 Gj-1로 결정할 수 있다(719).
그 다음, 현재의 파장 인덱스 i가 마지막 파장 인덱스 N과 같은지 비교하고(720), 현재 파장 인덱스가 마지막 파장 인덱스와 같지 않으면 다음 파장에 대하여 최적 증폭이득을 산출하기 위해 파장 인덱스 i를 1 증가시키고 단계(712)로 이동한다. 비교 결과 현재 파장이 마지막 파장이면 종료한다.
다시 도 6을 참조하면, 제어부(110)는 그 다음 단계(610)에서 각 파장에 대하여 구해진 광의 세기로 광원부(120)를 구동한다(620).
그 다음, 광원부(120)는 제어부(110)의 제어에 따라 광원을 구동하여 광을 피검체에 조사한다(630).
그 다음, 제어부(110)는 광원부(120)에 의해 각 파장의 광이 피검체에 조사될 때, 각 파장에 대하여 단계(610)에서 산출된 최적 증폭이득으로 증폭부(140)의 증폭이득을 설정할 수 있다(640).
그 다음, 검출부(110)는 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하고, 전기적인 신호를 출력할 수 있다(650).
그 다음, 증폭부(140)는 출력된 각 파장의 전기적인 신호를 단계(640)에서 설정된 각 파장의 증폭이득으로 증폭하여 출력할 수 있다(660). 이때, 증폭부(140)는 단계(650)에서 출력된 전기적인 전류신호를 전압신호로 변환하고, 변환된 전압신호를 증폭하여 출력할 수 있다.
그 다음, 변환부(150)는 단계(660)에서 증폭된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다(670). 이때, 각 파장별로 피검체의 반사율을 고려한 최적 증폭이득으로 증폭된 신호가 변환부(150)의 입력이 되므로 포화되지 않고 양자화 잡음이 최소화 되는 신호가 출력될 수 있다.
그 다음, 제어부(150)는 출력된 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 복원할 수 있다.
이하, 생체 정보 측정 장치 및 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
도 8은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치의 블록도이다. 도 9는 일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치의 분광부의 블록도이다. 도 10은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치의 제어부의 블록도이다.
일 실시예에 따른 생체정보 측정 장치(800)는 혈당, 중성지방, 콜레스테롤, 칼로리, 단백질 및 요산 등을 포함하는 다양한 생체정보를 측정하는 장치일 수 있다. 생체정보 측정 장치(800)는 도 13a와 같은 손목 시계 형태의 웨어러블 기기로 제작될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며, 팔찌형, 손목 밴드형, 반지형, 안경형, 헤어 밴드형 등의 형태뿐만 아니라 생체정보의 측정 목적이나 생체정보 측정 장치의 활용 장소 등에 따라 다양한 크기나 형태로 제작될 수 있다.
도 8을 참조하면, 생체정보 측정 장치(800)는 광학부(810), 제어부(820) 및 출력부(830)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 광학부(810) 및 제어부(820)는 도 1 및 도 5의 실시예에 따른 분광기(100,500)의 기능을 수행할 수 있다.
광학부(810)는 제어부(820)의 제어에 따라 피검체에 광을 조사하여 피검체의 광반응 특성에 따라 피검체로부터 나오는 광 신호를 검출하고, 검출된 광 신호를 처리하여 제어부(820)로 전달한다.
제어부(820)는 사용자로부터 생체정보 측정과 관련된 각종 명령을 수신하여 광학부(810) 및 출력부(830)를 제어하고, 광학부(810)에 의해 처리되어 출력된 신호를 기초로 생체정보를 측정할 수 있다.
출력부(830)는 광학부(810) 및 제어부(820)의 처리 결과를 다양한 출력 모듈을 활용하여 시각적/비시각적인 다양한 방법으로 사용자에게 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력 모듈은 시각적으로 표시하는 디스플레이 모듈, 음성으로 출력하는 스피커 모듈 및, 진동이나 촉감 등으로 출력하는 햅틱 모듈 등을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 9를 참조하면, 광학부(810)는 광원부(811), 검출부(812), 증폭부(813) 및 변환부(814)를 포함할 수 있다.
광원부(811)는 하나 이상의 광원을 포함할 수 있으며, 제어부(820)의 제어에 따라 각 파장의 광을 시분할하여 순차적으로 피검체에 조사할 수 있다.
검출부(812)는 포토 다이오드를 포함할 수 있으며, 광원부(811)에 의해 피검체에 조사된 광이 피검체에 의해 흡수 또는 산란된 후 돌아오는 광을 검출하며, 검출된 광 신호를 전기적인 전류신호로 변환하여 출력할 수 있다.
증폭부(813)는 검출부(812)에서 출력된 전류신호를 전압신호로 변환하고, 미리 설정된 증폭이득으로 전압신호를 증폭하여 출력할 수 있다. 이때, 제어부(820)는 각 파장의 광원이 구동되는 시점에 각 파장별 최적 증폭이득으로 증폭부(813)의 증폭이득을 설정 또는 변경할 수 있다.
변환부(814)는 증폭부(813)에서 증폭 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 제어부(820)에 전달할 수 있다.
도 10을 참조하면, 제어부(820)는 구동 제어부(821), 이득 제어부(822) 및 신호 처리부(823)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(823)는 생체정보 측정 요청을 수신할 수 있다. 이때, 생체정보 측정 요청은 사용자 또는 외부 기기로부터 수신될 수 있다.
신호 처리부(823)는 생체정보 측정 요청이 수신되면, 피검체에 조사할 광의 파장별로 최적 증폭이득의 산출 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(823)는 생체정보 측정 요청이 수신되면 측정 대상인 피검체에 관한 정보 및 센서 정보 중의 하나 이상을 수집하고, 수집된 정보를 이용하여 최적 증폭이득의 산출 여부를 판단할 수 있다. 피검체에 관한 정보는 사용자의 성별, 나이, 건강 상태 및 분광부(810)가 접촉하는 피검 부위에 관한 정보를 포함할 수 있다. 또한, 센서 정보는 생체정보 측정 장치(800)에 탑재된 기울기 센서나 접촉 압력 센서 등으로부터 수집되는 정보를 포함할 수 있다. 예컨대, 사용자의 건강 상태, 접촉 압력 또는 피검 부위 등이 이전과 달라지면, 각 파장에 대한 피검체의 반사율이 이전과 달라질 수 있으므로 각 파장별 최적 증폭이득을 산출하는 것으로 결정할 수 있다.
신호 처리부(823)는 각 파장별 최적 증폭이득을 산출하는 것으로 결정하면, 각 파장별로 초기 광의 세기 및 증폭이득 구간을 설정하고 구동 제어부(821) 및 이득 제어부(822)에 제어신호를 발생시킬 수 있다.
구동 제어부(821)는 각 파장별로 설정된 초기 광의 세기로 광원부(810)를 구동하면, 광원부(810)는 각 광원을 시분할 방식으로 순차적으로 구동하여 광을 조사할 수 있다.
이득 제어부(822)는 광원이 특정 파장의 광을 조사하는 동안 미리 설정된 증폭이득 구간 내에서 증폭부(813)의 증폭이득을 변경시킬 수 있다.
신호 처리부(823)는 이득 제어부(822)에 의해 증폭이득 구간에서 변경되는 증폭이득 각각에 대하여 증폭부(813)의 증폭신호가 포화되는지 여부를 판단하고, 증폭신호를 포화시키지 않는 증폭이득 중에서 최대의 증폭이득을 그 특정 파장에 대한 최적 증폭이득으로 결정할 수 있다. 이때, 결정된 최적 증폭이득이 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 일치하면 그 특정 파장에 대한 광의 세기를 증가시키고 최적 증폭이득 산출 과정을 다시 반복할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며 전술한 바와 같이 그 밖의 다양한 방식으로 각 파장별 최적 증폭이득을 산출할 수 있다.
신호 처리부(823)는 이와 같은 과정으로 각 파장에 대한 광의 세기 및 최적 증폭이득이 결정되면, 광원 구동 조건으로 저장 장치에 관리할 수 있다. 이때, 광원 구동 조건은 각 파장에 대한 광의 세기 및 최적 증폭이득 이외에도, 구동 순서 및 펄스 지속 시간 등의 정보를 더 포함할 수 있다.
여기서, 저장 장치는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있으나, 예시된 바에 한정되는 것은 아니다.
신호 처리부(823)는 각 파장별 최적 증폭이득을 산출하지 않는 것으로 판단하거나, 최적 증폭이득 산출 과정이 완료되면, 생체정보 측정을 위하여 구동 제어부(821) 및 이득 제어부(822)를 제어할 수 있다. 구동 제어부(821) 광원 구동 조건을 참고하여 광원부(810)를 제어하며, 이득 제어부(822)는 각 파장의 광이 조사될 때, 광원 구동 조건을 참고로 조사된 파장의 최적 증폭이득을 증폭부(813)의 증폭이득으로 설정할 수 있다.
신호 처리부(823)는 변환부(813)로부터 각 파장의 디지털 신호가 출력되면, 출력된 디지털 신호를 기초로 피검체에 대한 스펙트럼을 재건할 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 변환부(813)으로부터 출력된 디지털 신호를 기초로 각 파장별 응답을 획득하고, 획득된 각 파장별 응답을 기초로 스펙트럼을 재건할 수 있다. 스펙트럼 재건은 전술한 수학식 1 및 수학식 2를 통해 획득될 수 있다. 이때, 변환부(813)로부터 출력된 디지털 신호를 기초로 획득한 스펙트럼 응답은 각 파장별로 서로 다른 광의 세기 및 증폭이득으로 스케일된 경우이므로, 신호 처리부(823)는 전술한 수학식 3과 같은 방식으로 원래 의도한 각 파장별 스펙트럼 응답으로 복원하고 이를 기초로 스펙트럼을 재건할 수 있다.
신호 처리부(823)는 피검체의 스펙트럼이 재건되면, 재건된 스펙트럼 및 미리 정의된 생체정보 측정 모델을 활용하여 생체정보를 측정할 수 있다. 이때, 생체정보 측정 모델은 선형 함수식 형태로 미리 정의될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
신호 처리부(823)는 생체정보가 측정되면 측정된 생체정보를 분석하여 사용자의 건강 상태 정보, 알람이나 경고 정보 등을 생성할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 방법의 흐름도이다. 도 12는 일 실시예에 따른 최적 증폭이득 산출 방법의 흐름도이다.
도 11 및 도 12는 도 8의 생체정보 측정 장치(800)에 의해 수행되는 생체정보 측정 방법의 일 실시예이다.
도 11을 참조하면, 제어부는 생체정보 측정 요청을 수신하고(1110), 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출할 지 여부를 판단할 수 있다(1120). 예를 들어, 생체정보 측정 요청을 수신하면 피검체에 관한 정보 및 센서 정보 중의 하나 이상을 수집하고, 수집된 정보를 기초로 사용자의 건강 상태, 접촉 압력 또는 피검 부위 등이 이전과 달라졌는지 여부를 판단하고, 이전과 달라진 것으로 판단되면 각 파장에 대한 피검체의 반사율이 이전과 달라질 수 있으므로 각 파장별 최적 증폭이득을 산출하는 것으로 결정할 수 있다.
제어부는 단계(1120)에서 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출하는 것으로 판단하면, 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출할 수 있다(1130).
도 12를 참조하여 최적 증폭이득을 산출하는 단계(1130)의 일 실시예를 설명하면, 먼저, 제어부는 특정 파장의 광을 소정의 광 세기로 피검체에 조사하도록 분광부를 구동할 수 있다(1210).
그 다음, 특정 파장의 광이 피검체에 조사되는 동안, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 가변 이득 증폭기의 증폭이득을 변화시킬 수 있다(1220).
그 다음, 단계(1220)에서 변경되는 증폭이득들 중에서 가변 이득 증폭기의 증폭 신호를 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 특정 파장에 대한 최적 증폭이득으로 결정할 수 있다(1230).
그 다음, 결정된 최적 증폭이득이 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 일치하는지 판단하고(1240), 일치하면 특정 파장에 대한 광의 세기를 증가시키고(1250) 단계(1210) 이하를 반복할 수 있다. 만약 일치하지 않으면, 특정 파장에 대한 최적 증폭이득 산출을 완료하고, 다음 파장에 대한 최적 증폭이득을 산출하는 과정을 수행할 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 제어부는 단계(1120)에서 최적 증폭이득을 산출하지 않는 것으로 판단하거나, 단계(1130)에서 최적 증폭이득을 산출하면, 생체정보 측정을 위해 광원부를 구동하고(1140), 각 파장에 대해 산출된 최적 증폭이득으로 가변 이득 증폭기의 증폭이득을 설정할 수 있다(1150).
그 다음, 분광부가 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하여, 전기적인 전류신호로 변환하여 출력하고(1160출력된 각 파장의 전류신호를 전압신호로 변환하여 증폭 출력하며(1170), 증폭 출력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력할 수 있다(1180),
그 다음, 제어부가 분광부에서 출력된 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 복원하여 생체정보를 측정할 수 있다(1190).
도 13a는 일 실시예에 따른 웨어러블 기기를 도시한 것이다. 도 13b는 일 실시예에 따른 웨어러블 기기의 블록도이다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 웨어러블 기기(1300)는 본체(1310) 및 스트랩(1320)을 포함할 수 있다.
본체(1310)는 스트랩(613)에 의해 사용자의 손목에 착용되며, 각종 구성들이 내부에 실장되거나 외부로 노출되는 형태로 장착될 수 있다.
스트랩(1320)은 본체(1310)의 양측에 연결되어 서로 체결될 수 있도록 형성될 수 있다. 스트랩(1320)은 본체(1310)가 사용자의 손목에 착용되도록 손목을 감쌀 수 있도록 플렉서블(flexible)한 부재로 형성될 수 있다.
본체(1310) 또는 스트랩(1320)의 내부에는 웨어러블 기기에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
웨어러블 기기(1300)는 본체(1310)에 장착되어 사용자의 손목 부위에서 스펙트럼을 측정하는 분광부(1311)를 더 포함할 수 있다. 분광부(1311)는 도 9를 통해 설명한 구성이나 기능을 포함할 수 있다, 분광부(1311)의 광원은 사용자의 손목 부위에 광을 조사할 수 있도록 본체(1310) 하부에 손목을 향해 노출되는 형태로 장착될 수 있다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 중심에 디텍터가 위치하고 원형의 프레임에 광원 어레이가 배치되는 형태로 본체의 하부에 장착될 수 있다.
웨어러블 기기(1300)는 본체(1310)의 내부에 실장되는 제어부(1312)를 더 포함할 수 있다. 제어부(1312)는 사용자의 명령을 수신하고, 수신된 명령에 따른 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1312)는 사용자로부터 수신된 명령이 생체정보 측정 명령이면, 분광부(1311)를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(1312)는 분광부(1311)가 광 신호를 획득하고, 획득된 광 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하여 출력하면, 재건된 스펙트럼을 기초로 생체정보를 측정할 수 있다. 이때, 제어부(1312)는 분광부(1311)의 각 광원을 시분할로 제어하며, 각 광원을 구동하는 시점에 분광부(1311)의 증폭이득을 각 파장별로 산출된 최적 증폭이득으로 설정할 수 있다.
한편, 제어부(1312)는 사용자로부터 생체정보 측정 명령이 수신되면, 생체정보를 측정하기 전에 본체(1310)에 탑재된 기울기 센서나 접촉 압력 센서 등과 같은 각종 센서로부터 센서 정보를 수집하고, 수집된 센서 정보를 이용하여 최적 증폭이득의 산출 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 센서 정보 중의 기울기 정보가 이전 기울기 정보와 임계치 이상 변화가 있거나, 사용자가 웨어러블 기기를 착용하지 않은 기간이 소정 기간 이상이면 사용자의 피검 부위가 변경된 것으로 판단하고, 최적 증폭이득을 다시 산출하는 것으로 결정할 수 있다. 또는 센서 정보 중의 본체(1310)와 피검 부위 사이의 접촉 압력 정보가 이전 측정시의 접촉 압력에 비하여 임계치 이상 변화한 것으로 판단되면, 최적 증폭이득을 다시 산출하는 것으로 결정할 수 있다.
제어부(1312)는 이와 같이 판단한 결과 최적 증폭이득을 산출해야 하는 것으로 결정되거나, 사용자로부터 최적 증폭이득의 산출 요청이 수신되면 전술한 최적 증폭이득 산출 방식을 이용하여 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출할 수 있다.
제어부(1312)는 생체정보가 측정되면, 측정된 생체정보와 사용자의 특성 정보 예컨대, 나이, 성별, 건강상태 정보 등을 기초로 알람이나 경고 정보를 생성할 수 있다.
웨어러블 기기(1300)는 본체(1310)에 장착되는 통신부(1313)를 더 포함할 수 있다. 통신부(1313)는 통신 기술을 이용하여 외부 기기와 연결할 수 있다. 통신부(1310)는 외부 기기가 생체정보를 이용하여 사용자의 건강상태 모니터링과 관련된 다양한 기능을 수행하도록 할 수 있도록 생체정보를 외부 기기로 전송할 수 있다. 외부 기기는 상대적으로 컴퓨팅 성능이 뛰어난 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC 등의 정보 처리 장치일 수 있다.
이때, 통신 기술은 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신 WIFI 통신 및 이동통신 방식을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
웨어러블 기기(1300)는 본체(1310)의 상부에 장착되어 제어부(1312)의 처리 결과를 사용자에게 제공하는 표시부(1314)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 표시부(1314)는 제어부(1312)가 측정한 생체정보나, 경고나 알람 정보를 표시할 수 있다. 또는 사용자로부터 각종 명령을 수신하거나, 안내하는 인터페이스를 표시할 수 있다. 표시부(1314)는 터치 입력이 가능한 모듈로 형성될 수 있으며, 사용자가 터치 입력을 통해 입력하는 명령을 수신하고 수신된 명령을 제어부(1312)에 전달할 수 있다.
웨어러블 기기(1300)는 본체(1310)에 장착되는 조작부(1315)를 더 포함할 수 있다. 조작부(1315)는 본체(1310)의 일측면에 외부로 노출된 형태로 제작될 수 있으며, 사용자가 입력하는 제어 명령을 수신하여 제어부(1312)로 전달할 수 있다. 조작부(1315)는 웨어러블 기기(1300)의 전원을 온/오프하는 기능을 포함할 수 있다.
한편, 본 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 해당 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
100: 분광기 110: 제어부
120: 광원부 121,122: 광원
130: 검출부 140: 증폭부
150: 변환부 800: 생체정보 측정 장치
810: 광학부 811: 광원부
812: 검출부 813: 증폭부
814: 변환부 820: 제어부
821: 구동 제어부 822: 이득 제어부
823: 신호 처리부 830: 출력부
1300: 웨어러블 기기 1310: 본체
1311: 분광부 1312: 제어부
1313: 통신부 1314: 표시부
1315: 조작부

Claims (29)

  1. 피검체에 복수 파장의 광을 조사하는 광원부;
    상기 조사된 광에 따라서 상기 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하는 검출부;
    상기 피검체의 광 반응 특성에 따라 상기 각 파장별 증폭이득을 설정하는 제어부; 및
    상기 설정된 증폭이득을 이용하여 상기 검출부의 출력 신호를 증폭시키는 증폭부를 포함하는 분광기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 복수의 광원을 포함하고, 상기 복수의 광원 중 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 조사하는 분광기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 상기 복수 파장의 광 각각을 시분할로 출력하는 분광기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 피검체의 각 파장별 광 반응 특성을 기초로, 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출하고, 상기 광원부에 의해 각 파장의 광이 조사될 때 조사된 파장의 최적 증폭이득으로 상기 증폭부의 증폭이득을 설정하는 분광기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는
    각 파장별로, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 상기 증폭부의 증폭이득을 변화시키면서, 증폭부의 출력이 포화되지 않도록 하는 최적 증폭이득을 산출하는 분광기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는
    상기 검출부로부터 출력된 전류 신호를 전압 신호로 변환하는 트랜스임피던스 증폭기; 및
    상기 설정된 각 파장별 증폭이득을 이용하여 상기 변환된 전압 신호를 증폭시키는 가변이득 증폭기를 포함하는 분광기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부에 의해 증폭 출력된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부를 더 포함하는 분광기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 변환부로부터 출력된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하는 분광기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 변환부의 각 파장별 디지털 신호를 기초로 제1 스펙트럼 응답을 획득하고, 상기 획득된 제1 스펙트럼 응답을 각 파장별 광 세기와 최적 증폭이득을 곱한 값으로 나눈 값을 기초로 각 파장별 제2 스펙트럼 응답을 획득하며, 상기 획득된 제2 스펙트럼 응답을 기초로 생체정보 측정을 위한 스펙트럼을 재건하는 분광기.
  10. 광원부가 복수 파장의 광을 피검체에 조사하는 단계;
    제어부가 상기 피검체의 광 반응 특성에 따라서 상기 각 파장의 증폭이득을 설정하는 단계;
    검출부가 상기 조사된 각 광에 따라서 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하는 단계; 및
    증폭부가 상기 설정된 증폭이득을 이용하여 상기 검출부의 출력 신호를 증폭하는 단계를 포함하는 분광기의 스펙트럼 획득 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    변환부가 상기 증폭부에 의해 증폭 출력된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 분광기의 스펙트럼 획득 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    제어부가 상기 출력된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하는 단계를 더 포함하는 분광기의 스펙트럼 획득 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    제어부가 상기 피검체의 각 파장별 광 반응 특성을 기초로 각 파장별로 최적 증폭이득을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 증폭이득을 설정하는 단계는
    상기 광을 피검체에 조사하는 단계에서 특정 파장의 광이 조사될 때, 상기 특정 파장의 최적 증폭이득으로 상기 증폭부의 증폭이득을 설정하는 분광기의 스펙트럼 획득 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 최적 증폭이득을 산출하는 단계는
    소정 파장의 광을 미리 설정된 광의 세기로 피검체에 조사하도록 광원부를 구동하는 단계;
    상기 소정 파장의 광이 조사되는 동안 미리 설정된 증폭이득 구간 내에서 증폭부의 증폭이득을 변화시키는 단계; 및
    상기 변화된 증폭이득 중에서 증폭부의 출력을 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 상기 소정 파장의 최적 증폭이득으로 결정하는 단계를 포함하는 분광기의 스펙트럼 획득 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 최적 증폭이득으로 결정하는 단계는
    상기 결정된 최적 증폭이득이 상기 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 같으면, 상기 파장에 대한 광의 세기를 조절하고 상기 광을 조사하는 단계 이하를 반복하는 단계를 더 포함하는 분광기의 스펙트럼 획득 방법.
  16. 피검체에 복수 파장의 광을 조사하는 광원부, 상기 피검체로부터 돌아오는 광 신호를 검출하는 검출부 및, 각 파장별로 설정된 증폭이득을 이용하여 상기 검출부의 출력신호를 증폭하는 증폭부를 포함하는 광학부; 및
    생체정보 측정 요청에 따라 상기 광원부를 제어하는 구동 제어부, 상기 광원부가 각 파장의 광을 조사할 때 조사된 파장의 최적 증폭이득을 상기 증폭부의 증폭이득으로 설정하는 이득 제어부 및, 상기 광학부의 출력신호를 기초로 생체정보를 측정하는 신호 처리부를 포함하는 제어부를 포함하는 생체정보 측정 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    생체정보 측정 요청이 수신되면, 상기 피검체에 관한 정보 및 센서 정보 중의 적어도 하나를 기초로, 상기 피검체에 대한 각 파장별 최적 증폭이득의 산출 여부를 판단하는 생체정보 측정 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 피검체에 관한 정보는 성별, 나이, 건강 상태 및 상기 광학부와 접촉하는 피검 부위 중의 하나 이상을 포함하고,
    상기 센서 정보는 기울기 센서 및 접촉 압력 센서 중의 하나 이상의 센서로부터 수집되는 정보를 포함하는 생체정보 측정 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 구동 제어부는
    상기 신호 처리부에 의해 최적 증폭이득 산출로 판단되면, 미리 설정된 광의 세기로 각 파장의 광을 조사하도록 광원부를 구동하고,
    상기 이득 제어부는
    상기 광원부가 각 파장의 광을 조사하는 동안, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 상기 증폭부의 증폭이득을 변화시키며,
    상기 신호 처리부는
    상기 각 파장별로, 상기 변화된 증폭이득 중에서 상기 증폭부의 출력을 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 최적 증폭이득으로 결정하는 생체정보 측정 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 신호 처리부는
    상기 결정된 최적 증폭이득이 상기 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 같으면, 광 세기를 조절하고 조절된 광 세기로 최적 증폭이득을 다시 산출하는 생체정보 측정 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 광학부는
    상기 증폭부에 의해 증폭 출력된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 변환부를 더 포함하고,
    상기 신호 처리부는
    상기 변환부로부터 출력된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하고, 재건된 스펙트럼을 이용하여 생체정보를 측정하는 생체정보 측정 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 생체정보는
    혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함하는 생체정보 측정 장치.
  23. 제16항에 있어서,
    상기 제어부의 처리 결과를 출력하는 출력부를 더 포함하는 생체정보 측정 장치.
  24. 광학부가 피검체에 복수 파장의 광을 조사하는 단계;
    각 파장의 광이 조사될 때, 제어부가 조사된 파장의 최적 증폭이득으로 가변이득 증폭기의 증폭이득을 설정하는 단계;
    광학부가 상기 피검체로부터 돌아오는 각 파장의 광 신호를 검출하여 전기 신호를 출력하는 단계;
    광학부가 상기 출력된 전기 신호를 증폭하는 단계; 및
    제어부가 증폭 출력된 신호를 기초로 생체정보를 측정하는 단계를 포함하는 생체정보 측정 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제어부가, 생체정보 측정 요청이 수신되면 상기 피검체에 대한 각 파장별 최적 증폭이득 산출 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과 최적 증폭 이득 산출로 판단되면 상기 피검체에 대한 각 파장별 최적 증폭이득을 산출하는 단계를 더 포함하는 생체정보 측정 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 최적 증폭이득을 산출하는 단계는
    미리 설정된 광의 세기로 소정 파장의 광을 조사하도록 상기 광학부의 광원을 구동하는 단계;
    상기 광원이 상기 소정 파장의 광을 조사하는 동안, 미리 설정된 증폭이득 구간에서 가변이득 증폭기의 증폭이득을 변화시키는 단계; 및
    상기 변화된 증폭이득 중에서 상기 가변이득 증폭기의 출력신호를 포화시키지 않는 최대의 증폭이득을 최적 증폭이득으로 결정하는 단계를 포함하는 생체정보 측정 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 결정된 최적 증폭이득이 상기 증폭이득 구간의 최대 증폭이득과 일치하는지 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과 일치하면, 상기 광원의 광 세기를 조절하고, 상기 광원을 구동하는 단계로 이동하는 단계를 더 포함하는 생체정보 측정 방법.
  28. 제24항에 있어서,
    상기 증폭하는 단계에서 증폭된 각 파장별 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 생체정보 측정 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 생체정보를 측정하는 단계는
    상기 변환된 각 파장별 디지털 신호를 기초로 스펙트럼을 재건하고, 재건된 스펙트럼을 기초로 상기 생체정보를 측정하는 생체정보 측정 방법.
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