KR20200120398A - 체내 물질 성분 분석 장치 및 방법과, 임피던스 측정 장치 - Google Patents

체내 물질 성분 분석 장치 및 방법과, 임피던스 측정 장치 Download PDF

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Abstract

체내 물질 성분 분석 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면 체내 물질 성분 분석 장치는 분석 대상 유체의 채널에 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 임피던스 센서와, 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하고 양 전극 사이의 전압을 측정하여 유체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부 및, 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하고, 모델링 결과를 기초로 체내 물질 성분을 분석하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

체내 물질 성분 분석 장치 및 방법과, 임피던스 측정 장치{APPARATUS AND METHOD FOR ANALYZING COMPOSITION IN BODY, AND IMPEDANCE MEASURING APPARATUS}
생체 임피던스를 이용하여 체내 물질 성분을 분석하는 체내 물질 성분 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.
환자의 건강 상태를 진단하기 위한 다양한 의료 장비들이 개발 중에 있다. 건강 진단 과정에서 환자의 편의, 건강 진단 결과의 신속성 등으로 인하여 환자의 전기적인 생체 신호를 측정하기 위한 의료 장비들의 중요성이 부각되고 있다. 특히, 생체 임피던스는 생체의 건강이나 감정 상태를 모니터링하기 위하여 이용될 수 있으며, 최근에는 이러한 생체 임피던스를 측정하기 위한 장치를 소형화하고, 빠르고 정확하게 생체 임피던스를 측정하기 위하여 다양한 연구가 진행되고 있다.
생체 임피던스 측정 및 생체 임피던스를 이용하여 체내 물질 성분을 분석하는 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 체내 물질 성분 분석 장치는 분석 대상 유체의 채널에 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 임피던스 센서, 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하고 양 전극 사이의 전압을 측정하여 유체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부 및, 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하고, 모델링 결과를 기초로 체내 물질 성분을 분석하는 프로세서를 포함할 수 있다.
임피던스 측정부는 미리 정의된 대역의 복수의 주파수에서 임피던스를 측정할 수 있다.
이때, 등가회로는 둘 이상의 저항(resistance) 및 둘 이상의 커패시터(capacitor)를 포함할 수 있다.
프로세서는 측정된 임피던스에서 임피던스 센서의 기생성분 및 분극 영향 중의 적어도 하나를 포함하는 노이즈에 의한 영향을 제거할 수 있다.
프로세서는 등가회로의 모델링을 통해 상기 분석 대상 유체의 특성과 관련된 하나 이상의 파라미터를 추출할 수 있다.
이때, 파라미터는 혈장 저항(plasma resistance), 세포질 저항(cytoplasm resistance), 혈장 캐패시턴스(plasma capacitance) 및, 세포막 CPE(constant phase element) 특성 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
프로세서는 추출된 파라미터를 기준 시점의 파라미터로 정규화하여 파리미터의 변화량을 획득할 수 있다.
이때, 기준 시점은 공복 시점을 포함할 수 있다.
프로세서는 파라미터의 변화량에 체내 물질 성분 추정 모델을 적용하여 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함하는 체내 물질 성분의 추정값을 획득할 수 있다.
이때, 분석 대상 유체의 채널은 피검체의 혈관 부위를 포함할 수 있다.
이때, 분석 대상 유체의 채널은 분석 대상 유체가 유입되는 유입부, 유입부를 통해 유입되는 분석 대상 유체가 저장되는 저장부 및, 저장부에 저장된 분석 대상 유체가 유출되는 유출부를 포함할 수 있다.
임피던스 센서는 분석 대상 유체의 온도 및 유량 중의 적어도 하나의 특성을 조정하는 유체 특성 조정부를 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 전극과 제2 전극은 상기 분석 대상 유체 채널의 양측에 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
일 양상에 따르면, 체내 물질 성분 분석 방법은 임피던스 센서의 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하는 단계, 양 전극 사이의 전압을 측정하여 분석 대상 유체의 임피던스를 측정하는 단계, 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하는 단계 및 모델링 결과를 기초로 체내 물질 성분을 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
등가회로로 모델링하는 단계는 측정된 임피던스에서 상기 임피던스 센서의 기생성분 및 분극 영향 중의 적어도 하나를 포함하는 노이즈에 의한 영향을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
등가회로로 모델링하는 단계는 등가회로의 모델링을 통해 분석 대상 유체의 특성과 관련된 하나 이상의 파라미터를 추출할 수 있다.
체내 물질 성분을 분석하는 단계는 추출된 파라미터를 기준 시점의 파라미터로 정규화하여 파리미터의 변화량을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
체내 물질 성분을 분석하는 단계는 파라미터의 변화량에 체내 물질 성분 분석 모델을 적용하여 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함하는 체내 물질 성분의 추정값을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 체내 물질 성분 분석 방법은 분석 대상 유체의 온도 및 유량 중의 적어도 하나의 특성을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 임피던스 측정 장치는 분석 대상 유체의 채널 일측에 접촉하는 제1 전극, 분석 대상 유체의 채널 타측에 제1 전극과 마주보도록 배치되는 제2 전극, 분석 대상 유체의 특성을 조절하는 유체 특성 조정부 및, 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하고, 양 전극의 전압을 측정하여 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함할 수 있다.
생체 임피던스를 등가회로 모델링하여 체내 물질 성분을 분석함으로써 장치의 소형화 및 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 임피던스 센서의 실시예들이다.
도 3은 체내 물질 성분 분석 장치의 프로세서의 일 실시예를 도시한 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 등가회로 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 방법의 흐름도이다.
도 7은 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, 체내 물질 성분 분석 장치 및 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다. 도 2a 및 도 2b는 임피던스 센서의 실시예들이다. 일 실시예들에 따른 생체정보 추정 장치(1)는 전문 의료기관의 장치, 손목에 착용하는 스마트 워치, 스마트 밴드형, 헤드폰형, 헤어밴드 형 등의 웨어러블 기기나, 스마트폰, 태블릿 PC등와 같은 모바일 기기 등에 탑재될 수 있다.
도 1을 참조하면, 체내 물질 성분 분석 장치(1)는 임피던스 센서(110), 임피던스 측정부(120) 및 프로세서(200)를 포함한다. 체내 물질 성분 분석 장치(1)의 각 구성들(110,120,200)은 하나의 하드웨어로 형성될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 적어도 일부 구성 예컨대, 임피던스 센서(110) 및 임피던스 측정부(120)는 별도의 하드웨어로 형성되어 임피던스 측정 장치(100)를 구성할 수 있으며, 프로세서(200)와 전기적으로 직접 연결되거나 유무선 통신을 통해 상호 연결될 수 있다.
임피던스 센서(110)는 제1 전극(111), 제2 전극(112) 및 유체 특성 조정부(113)을 포함할 수 있다. 유체 특성 조정부(113)는 필요에 따라 생략이 가능하다.
제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 분석 대상 유체의 채널(FC)에 접촉되도록 본체 기판에 배치될 수 있다. 제1 전극(111)이 분석 대상 유체의 채널(FC)의 일측에 접촉하고, 제2 전극(112)은 채널(FC)의 타측에 접촉되도록 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 이때, 분석 대상 유체는 인체의 혈액을 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며 실제 혈액의 물리적 특성과 유사하도록 모사한 샘플 용액을 포함할 수 있다.
제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 2 전극법 또는 4 전극법으로 임피던스 측정이 가능하도록 형성될 수 있다. 2 전극법으로 임피던스를 측정하는 경우 제1 전극(111)과 제2 전극은 각각 하나의 전극으로 형성될 수 있다. 또한, 4 전극법으로 임피던스를 측정하는 경우 제1 전극(111)과 제2 전극(112)은 각각 전류를 인가하는데 사용되는 입력전극과 입력전극에 인가된 전류로 인해 유체에 걸리는 전압을 측정하는데 사용되는 출력전극을 포함할 수 있다. 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 막대형, 반원형 및 원형 등의 다양한 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 도 1은 두 개의 전극(111,112)만을 도시하고 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 제3 전극 및 제4 전극을 더 포함할 수 있다. 이때, 임피던스 센서(110)는 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)은 4 전극법, 제3 전극 및 제4 전극은 2 전극법으로 임피던스를 측정할 수 있도록 형성되는 것도 가능하다.
유체 특성 조정부(113)는 분석하고자 하는 체내 물질 성분의 종류, 분석 목적, 주위온도와 같은 분석 환경 및 체내 물질 성분 분석 장치(1)의 처리 성능 등의 다양한 조건을 고려하여 분석 대상 유체의 특성을 조정할 수 있다. 분석 대상 유체의 특성은 유체의 온도, 유량 또는 유속 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 유체 특성 조정부(113)는 온도 조절기, 유량 조절기 또는 유속 조절기 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 체외(in-vitro) 환경에서 임피던스를 측정하는 경우 채널(FC) 내의 유체의 온도를 인체 내부 온도와 유사하도록 온도를 조절할 수 있다.
임피던스 측정부(120)는 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)에 전류를 인가하고, 제1 전극(111) 및 제2 전극(112)에 걸리는 전압을 측정하여 생체 임피던스를 측정할 수 있다. 예를 들어, 임피던스 측정부(120)는 교류 전류를 인가하는 전류원(121) 및 전압을 측정하는 전압계(122)를 포함할 수 있다.
임피던스 측정부(120)는 소정 대역(예: 1 kHz ~ 수백 MHz)에서 입력 전류의 주파수를 변경해 가면서 복수의 임피던스를 측정함으로써 임피던스 스펙트럼 데이터를 획득할 수 있다.
한편, 임피던스 측정부(140)는 체내 물질 성분 분석 장치(1)의 본체 내부에 탑재된 배터리를 전류원으로 사용할 수 있다. 또는, 외부 기기로부터 유무선으로 연결되어 전원 공급을 받는 경우 외부 기기의 전원을 이용하는 것도 가능하다.
도 2a를 참조하면, 임피던스 센서(110)의 일 실시예는 생체 외에서 분석 대상 유체를 흘리면서 임피던스를 측정할 수 있도록 본체 기판(20a)에 유체를 저장할 수 있는 채널이 형성될 수 있다. 도시된 바와 같이 채널은 유체가 유입되는 유입부(FCi), 유입된 유체가 저장되는 저장부(FCr) 및 유체가 배출되는 배출부(FCo)를 포함할 수 있다. 제1 전극(21a)은 채널 저장부(FCr)의 일측에 접촉되고, 제2 전극(21b)은 채널 저장부(FCr)의 타측에 접촉되도록 배치될 수 있다. 이때, 분석 대상 유체는 침습적인 방법으로 피검체로부터 획득한 혈액이거나, 혈액의 물리적 특성과 유사하도록 모사한 샘플 용액일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 임피던스 센서(110)의 다른 실시예는 생체 내 혈액의 임피던스를 측정할 수 있도록 형성될 수 있다. 이때, 분석 대상 유체의 채널(FC)은 피검체의 혈관 부위일 수 있다. 도 2b는 인체의 손등의 혈관 부위를 예시하고 있으나 이에 제한되는 것은 아니며 전신에서 생체 임피던스 측정이 가능한 어떠한 피검 부위도 가능하다. 임피던스 센서(110)의 제1 전극(22a)과 제2 전극(22b)은 피검체의 혈관 부위에서 임피던스 측정이 가능하도록 기판(20b) 상에 다양한 형태로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이 제1 전극(22a)과 제2 전극(22b) 사이에 혈관 부위가 위치하도록 서로 이격되어 마주보도록 배치될 수 있다. 제1 전극(22a)과 제2 전극(22b)의 배치 형태는 특별히 한정됨이 없이 피검 부위, 사용자별 특성, 체내 물질 성분의 종류 등을 고려하여 다양한 형태로 변형 제작될 수 있다.
프로세서(200)는 체내 물질 성분 분석 장치(1)의 각종 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(200)는 사용자 요청 또는 미리 설정된 주기에 따라 체내 물질 성분 분석 이벤트가 발생하면 임피던스 측정부(120)를 제어할 수 있다. 프로세서(200)는 임피던스 측정부(120)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 임피던스 측정부(120)에 의해 측정된 임피던스 데이터를 수신하여 체내 물질 성분을 분석할 수 있다. 이때, 체내 물질 성분은 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 등을 포함하나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도 3 내지 도 4b를 참고하여 프로세서(200)의 일 실시예를 설명한다.
도 3은 체내 물질 성분 분석 장치의 프로세서의 일 실시예를 도시한 블록도이다. 도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따른 등가회로 모델링을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 프로세서(200)는 등가회로 분석부(210) 및 성분 분석부(220)를 포함할 수 있다.
등가회로 분석부(210)는 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하여 분석 대상 유체의 물리적 특성과 관련된 파라미터를 추출할 수 있다. 이때, 등가회로는 둘 이상의 저항(resistance)과 둘 이상의 캐패시터(capacitor)를 포함할 수 있다. 이때, 둘 이상의 캐패시터 중의 적어도 일부는 CPE(constant phase element)를 포함할 수 있다. 이때, CPE는 저항과 캐패시터의 중간 정도의 특성을 갖는 소자로서, 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, CPE의 크기(amplitude)를 나타내며, f는 주파수, α는 저항 특성과 캐패시터 특성 사이의 특성을 나타내는 것으로, 일반적으로 인체 피부의 경우 예컨대, 0.5~1 사이의 값일 수 있다.
등가회로 분석부(210)는 분석 대상 유체 이외의 물질 예컨대, 공기, 물, 참조 용액 등을 이용하여 임피던스 센서(110)의 기생 성분이나 분극 영향 등의 노이즈 영향을 도출할 수 있다. 등가회로 분석부(210)는 도출된 노이즈 영향을 반영하여 임피던스 센서(110)를 통해 측정된 임피던스의 등가회로를 모델링할 수 있다.
예를 들어, 등가회로 분석부(210)는 채널(FC)에 분석 대상 유체 대신 주입된 공기, 물 또는 참조 용액 등을 기초로 반복 실험을 통해 측정된 임피던스를 이용하여 임피던스 센서(110)의 기생 성분 등을 추정할 수 있다. 이때, 참조 용액은 전도성 액체(conductive solution)를 포함할 수 있다.
도 4a는 측정된 로(raw) 임피던스 데이터(41)와, 로(raw) 임피던스 데이터에서 센서 기생 성분이나 분극 영향 등의 노이즈를 제외한 순수 혈액의 임피던스 데이터(42)를 예시한 것이다. 도 4b는 임피던스 센서(110)를 통해 측정된 로(raw) 임피던스 데이터(41)의 등가회로(43)와, 센서 기생 성분이나 분극 영향 등의 노이즈를 제거한 임피던스 데이터(42)의 등가회로(44)를 예시한 것이다.
도 4a에 도시된 바와 같이 주파수를 변경하면서 측정한 로(raw) 임피던스 데이터(41)에는 임피던스 센서(110)의 기생 성분이나 분극 영향 등의 노이즈를 포함할 수 있다. 도 4b를 참조하면, 등가회로 분석부(210)는 분석 대상 유체 이외의 물질 예컨대, 공기, 물, 참조 용액 등을 이용하여 미리 측정된 임피던스 센서(110)의 기생 성분을 나타내는 캐패시터와 분극 영향을 나타내는 CPE(constant phase element)를 포함함으로써 임피던스 센서(110)를 통해 측정된 로(raw) 임피던스 데이터와 등가회로(43)를 모델링할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 등가회로 분석부(210)는 이와 같이 모델링된 등가회로(43)를 이용하여 분석 대상 유체의 물리적 특성과 관련된 파라미터를 추출할 수 있다. 예를 들어, 모델링된 등가회로(43)에서 이미 알고 있는 기생성분 정전용량(Cs) 및 분극 영향(CPEe)을 제거한 나머지 혈액의 회로(44)를 구성하는 소자들로부터 유체의 물리적 특성과 관련된 파라미터를 획득할 수 있다. 예컨대, 혈장 정전용량(Cp), 혈장 저항(Rp), 세포질 저항(Ri)과, 세포막 CPE(CPEm)의 크기(위 수학식 1의 C)와 특성값(위 수학식 1의 α) 등을 파라미터로 추출할 수 있다.
성분 분석부(220)는 등가회로 분석부(210)에서 추출된 파라미터를 기초로 체내 물질 성분을 분석할 수 있다. 성분 분석부(220)는 추출한 파라미터 중의 어느 하나 예컨대, 혈장 저항(Rp)을 주성분으로 하여 혈당을 추정할 수 있다. 다만 이에 제한되는 것은 아니며 복수의 파라미터를 조합하고, 조합 결과를 이용하여 체내 물질 성분을 분석할 수 있다.
성분 분석부(220)는 파라미터가 추출되면 기준 시점의 파라미터를 기초로 정규화하고, 기준 시점 대비 파라미터의 변화량을 획득할 수 있다. 이때, 기준 시점은 공복 시점을 포함할 수 있으며 캘리브레이션 시점일 수 있다. 예를 들어, 성분 분석부(220)는 측정된 파라미터 값에서 기준 시점의 파라미터 값을 뺀 결과를 기준 시점의 파라미터로 나누어 정규화할 수 있다.
성분 분석부(220)는 파라미터의 변화량이 구해지면, 파라미터의 변화량에 미리 정의된 체내 물질 성분 분석 모델을 적용하여 체내 물질 성분의 추정값을 획득할 수 있다.
예를 들어, 체내 물질 성분 분석 모델은 정규화한 혈장 저항 파라미터(Rp)와 혈당 간의 관계를 정의한 분석 모델일 수 있다. 체내 물질 성분 분석 모델은 도시된 바와 같이 선형 함수식일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 밖의 선형/비선형 회귀분석(linear/nonlinear regression analysis), 신경망(neural network), 딥러닝(deep learning) 등의 다양한 방법을 통해 정의될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 체내 물질 성분 분석 장치(5)는 임피던스 센서(110), 임피던스 측정부(120), 프로세서(200) 및 출력부(510), 저장부(520) 및 통신부(530)를 포함할 수 있다. 임피던스 센서(110), 임피던스 측정부(120) 및 프로세서(200)에 대해서는 도 1 내지 도 4b를 참조하여 자세히 설명한 바 있으므로 생략하기로 한다.
출력부(510)는 프로세서(200)의 처리 결과를 사용자에게 제공할 수 있다. 일 예로, 출력부(510)는 디스플레이 등의 시각적 출력 모듈을 통해 시각적으로 출력할 수 있다. 예컨대, 출력부(510)는 디스플레이를 둘 이상의 영역으로 분리하고, 제1 영역에 체내 물질 성분 분석에 이용된 임피던스 정보와 같은 기본 정보를 출력할 수 있다. 이와 함께 제2 영역에는 체내 물질 성분 분석 결과 즉, 체내 물질 성분의 추정값을 출력할 수 있다. 제2 영역에는 소정 기간 동안의 체내 물질 성분 분석 이력 데이터를 그래프 형태로 출력하는 것도 가능하며, 사용자가 그래프에서 어느 한 시점의 체내 물질 성분 분석 결과를 선택하는 경우 제1 영역에 그 시점의 체내 물질 성분 분석을 위해 사용된 기본 정보 및/또는 그 밖의 상세한 추가 정보를 출력할 수 있다. 이때, 체내 물질 성분의 추정값이 정상 범위를 벗어나는 경우, 빨간 색 등을 사용하여 강조하거나 정상 범위를 함께 표시함으로써 체내 물질 성분의 추정값이 정상이 아님을 사용자에게 안내할 수 있다.
다른 예로, 출력부(510)는 시각적 표시와 함께 또는 단독으로, 스피커 등의 음성 출력 모듈이나 햅틱 모듈을 이용하여 음성, 진동, 촉감 등의 비시각적인 방식으로 사용자에게 체내 물질 성분 분석 결과를 제공할 수 있다.
저장부(520)는 체내 물질 성분 분석을 위한 각종 기준 정보, 임피던스 측정 결과 및 체내 물질 성분 분석 결과 등을 저장할 수 있다. 이때, 기준 정보는 사용자의 나이, 성별, 건강 상태 등과 같은 사용자 특성 정보를 포함할 수 있다. 또한, 기준 정보는 기준 시점의 파라미터 값, 체내 물질 성분 분석 모델 등을 포함할 수 있다.
저장부(520)는 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(Random Access Memory: RAM) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory: ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등의 저장매체를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
통신부(530)는 외부 기기와 통신하여 체내 물질 성분 분석과 관련된 각종 데이터를 송수신할 수 있다. 외부 기기는 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC 등의 정보 처리 장치를 포함할 수 있다.
통신부(530)는 블루투스(Bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 포함하는 다양한 유무선 통신 기술을 이용하여 외부 기기와 통신할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 일 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 방법의 흐름도이다.
도 6의 체내 물질 성분 분석 방법은 도 1 및 도 5의 체내 물질 성분 분석 장치(1,5)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 먼저 체내 물질 성분 분석 장치(1,5)는 임피던스 센서의 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가할 수 있다(610). 제1 전극 및 제2 전극은 2전극법 또는 4전극법 중의 어느 하나로 형성될 수 있다. 제1 전극 및 제2 전극은 분석 대상 유체의 채널에 접촉되도록 이격되어 마주보도록 배치될 수 있다.
분석 대상 유체는 혈액을 포함할 수 있다. 채널은 피검체의 혈관이거나, 유체를 저장할 수 있도록 임피던스 센서에 형성된 별도의 수단일 수 있다. 이때, 유체를 저장할 수 있는 수단은 유체를 인위적으로 흘리면서 임피던스 측정이 가능하도록 유체가 유입되는 유입부와, 유입된 유체가 저장되는 저장부 및 유체가 배출되는 배출부를 포함할 수 있다.
한편, 분석 대상 유체의 임피던스를 측정하기 전에 분석할 체내 물질 성분의 종류, 장치의 성능, 사용자의 특성 및 주위 측정 환경 등을 고려하여 유체의 온도, 유량 및 유속 등의 특성을 조정할 수 있다. 예를 들어, 체외에서 혈액의 임피던스를 측정하는 경우 온도 조절기를 통해 인체의 온도와 유사하도록 채널 내의 유체의 온도를 조정할 수 있다. 또한, 유속/유량 조절기를 통해 일반적인 인체 내의 혈액 유속, 유량 등과 유사하도록 조정하는 것도 가능하다.
그 다음, 분석 대상 유체의 임피던스를 측정할 수 있다(620). 예를 들어, 제1 전극 및 제2 전극 양단에 걸리는 전압을 측정하여 유체의 임피던스를 측정할 수 있다.
그 다음, 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링할 수 있다(630). 등가회로는 둘 이상의 저항과 둘 이상의 캐패시터를 포함하도록 구성될 수 있다. 이때, 캐패시터의 적어도 일부는 저항과 캐패시터의 중간적인 특성을 갖는 CPE(constant phase element)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 체내 물질 성분 분석 장치(1,5)는 임피던스 센서 내 혈액의 등가회로를 모델링할 수 있다. 이때, 혈액 이외의 물질 예컨대, 공기, 물, 기준 용액 등을 이용하여 임피던스 센서(110)의 기생 성분이나 분극 영향 등의 노이즈 영향을 도출할 수 있으며, 도출된 기생 성분이나 분극 영향 등을 순수 혈액의 등가회로에 포함함으로써 전체 센서 환경에 따른 등가회로를 모델링할 수 있다.
또한, 등가회로가 모델링되면, 등가회로로부터 하나 이상의 파라미터를 추출할 수 있다. 예를 들어, 전체 센서의 등가회로에서 기생성분이나 분극 영향의 파라미터를 알고 있으므로, 나머지 등가회로 소자들로부터 순수 혈액의 물리적 특성과 관련된 파라미터를 추출할 수 있다. 예컨대, 혈장 정전용량(plasma capacitance), 혈장 저항(plasma resistance), 세포질 저항(cytoplasm resistance) 및 세포막 CPE의 크기나 기울어진 정도를 나타내는 값 등을 포함할 수 있다.
그 다음. 모델링 결과를 기초로 체내 물질 성분을 분석할 수 있다(640). 단계(630)에서 추출된 파라미터를 기초로 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 등의 체내 물질 성분의 추정값을 획득할 수 있다.
예를 들어, 등가회로에서 추출한 파라미터를 기준 시점 대비 변화량을 구하고, 구해진 변화량과 체내 물질 성분 간의 관계를 정의한 체내 물질 성분 분석 모델을 이용하여 체내 물질 성분의 추정값을 획득할 수 있다. 예컨대, 혈장 저항을 주성분으로 추출한 경우 기준 시점 대비 혈장 저항의 변화량을 구할 수 있으며, 획득된 혈장 저항의 변화량을 혈당 분석 모델에 입력하여 혈당 추정값을 획득할 수 있다.
그 다음, 체내 물질 성분 분석 결과를 출력할 수 있다(650). 디스플레이, 스피커, 햅틱 장치 등과 같은 다양한 출력 수단을 이용하여 시각적/비시각적인 방법으로 사용자에게 체내 물질 성분 분석 결과를 제공할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 웨어러블 기기를 도시한 도면이다. 도 7은 사용자의 손목에 착용하는 스마트 워치(smart watch) 또는 스마트 밴드와 같은 웨어러블 기기를 나타낸 것으로, 도 1 및 도 5의 체내 물질 성분 분석 장치(1,5)가 탑재될 수 있다.
도 7을 참조하면, 웨어러블 기기(700)는 본체(710) 및 스트랩(720)을 포함한다. 체내 물질 성분 분석 장치(1,5)의 각종 구성들은 본체(710)에 장착될 수 있다.
본체(710)는 스트랩(720)에 의해 사용자의 손목에 착용되며, 스트랩(720)은 본체(710)의 양측에 연결되어 서로 체결될 수 있도록 형성될 수 있다. 스트랩(720)은 본체(710)가 사용자의 손목에 착용되어 손목을 감쌀 수 있도록 플렉서블(flexible)하게 형성될 수 있다.
본체(710) 또는 스트랩(720)의 내부에는 웨어러블 기기에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
본체(710)에는 사용자의 손목 부위에서 임피던스 스펙트럼을 획득하는 임피던스 센서가 장착될 수 있다. 임피던스 센서는 복수의 전극을 포함하며, 각 전극은 혈관 부위의 양측에 접촉하여 혈액의 임피던스를 측정할 수 있도록 서로 이격되도록 배치될 수 있다. 다만, 반드시 혈관 부위로 한정되는 것은 아니며 손등, 손목, 손가락, 신체 상부, 얼굴 부위 등 생체 임피던스 측정이 가능한 모든 부위를 포함할 수 있다.
본체(710)는 카메라 모듈이 장착될 수 있다. 카메라 모듈은 피검체와 본체(710)가 접촉할 때 피검체의 이미지를 획득할 수 있다.
프로세서는 본체(710) 내부에 실장되며, 각종 구성들과 전기적으로 연결될 수 있으며, 각종 구성의 제어 및 각종 구성들로부터 수집된 정보를 처리할 수 있다. 예를 들어, 카메라 모듈로부터 피검체의 이미지를 수신하면 사용자에게 접촉 위치, 접촉 상태 등을 가이드할 수 있다.
프로세서는 임피던스 측정 결과를 이용하여 체내 물질 성분을 분석할 수 있다. 프로세서는 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하여, 혈액의 물리적 특성과 관련된 파라미터를 추출하고, 추출된 파라미터의 변화량을 이용하여 혈당을 추정할 수 있다. 등가회로는 둘 이상의 저항과 캐패시터를 포함할 수 있으며, 이때, 캐패시터의 일부는 CPE를 포함할 수 있다. 또한, 모델링된 등가회로에서 미리 도출된 노이즈 관련 소자들의 파라미터를 제외하고 나머지 소자들로부터 파라미터를 추출할 수 있다.
프로세서는 체내 물질 성분 분석 결과를 표시부(714)를 통해 사용자에게 출력할 수 있다.
표시부(714)는 본체(710)의 상단에 장착될 수 있으며, 프로세서의 제어에 따라 각종 정보를 출력할 수 있다. 또한, 표시부(714)는 터치 입력이 가능한 터치 스크린을 포함할 수 있으며, 사용자의 터치 입력을 프로세서에 전달할 수 있다.
통신부는 본체(710)에 장착되며, 외부 기기와 통신할 수 있다. 통신부는 외부 기기에 사용자의 건강상태 모니터링과 관련된 다양한 기능을 수행하도록 할 수 있도록 체내 물질 성분 분석 결과를 전송할 수 있다. 외부 기기는 상대적으로 컴퓨팅 성능이 뛰어난 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC 등의 정보 처리 장치일 수 있다.
웨어러블 기기(700)는 본체(710)에 장착되는 조작부(715)를 더 포함할 수 있다. 조작부(715)는 본체(710)의 일측면에 외부로 노출된 형태로 제작될 수 있으며, 사용자가 입력하는 명령을 수신하여 처리부로 전달할 수 있다. 조작부(715)는 웨어러블 기기의 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.
본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1,5: 체내 물질 성분 분석 장치 100: 임피던스 측정 장치
110: 임피던스 센서 111,112: 전극
113: 유체 특성 조정부 120: 임피던스 측정부
200: 프로세서 510: 출력부
520: 저장부 530: 통신부
700: 웨어러블 기기 710: 본체
714: 표시부 715: 조작부
720: 스트랩

Claims (20)

  1. 분석 대상 유체의 채널에 접촉하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 임피던스 센서;
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하고 양 전극 사이의 전압을 측정하여 유체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부; 및
    상기 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하고, 모델링 결과를 기초로 체내 물질 성분을 분석하는 프로세서를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 측정부는
    미리 정의된 대역의 복수의 주파수에서 임피던스를 측정하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 등가회로는 둘 이상의 저항(resistance) 및 둘 이상의 커패시터(capacitor)를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 측정된 임피던스에서 상기 임피던스 센서의 기생성분 및 분극 영향 중의 적어도 하나를 포함하는 노이즈에 의한 영향을 제거하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 등가회로 모델링을 통해 상기 분석 대상 유체의 특성과 관련된 하나 이상의 파라미터를 추출하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파라미터는
    혈장 저항(plasma resistance), 세포질 저항(cytoplasm resistance), 혈장 캐패시턴스(plasma capacitance) 및, 세포막 CPE(constant phase element) 특성 중의 적어도 하나를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 추출된 파라미터를 기준 시점의 파라미터로 정규화하여 파리미터의 변화량을 획득하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 기준 시점은 공복 시점을 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 파라미터의 변화량에 체내 물질 성분 추정 모델을 적용하여 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함하는 체내 물질 성분의 추정값을 획득하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분석 대상 유체의 채널은 피검체의 혈관 부위를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분석 대상 유체의 채널은 상기 분석 대상 유체가 유입되는 유입부, 상기 유입부를 통해 유입되는 분석 대상 유체가 저장되는 저장부 및 상기 저장부에 저장된 분석 대상 유체가 유출되는 유출부를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 임피던스 센서는
    상기 분석 대상 유체의 온도 및 유량 중의 적어도 하나의 특성을 조정하는 유체 특성 조정부를 더 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극은 상기 분석 대상 유체 채널의 양측에 서로 마주보도록 배치되는 체내 물질 성분 분석 장치.
  14. 임피던스 센서의 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하는 단계;
    양 전극 사이의 전압을 측정하여 분석 대상 유체의 임피던스를 측정하는 단계;
    상기 측정된 임피던스를 등가회로로 모델링하는 단계; 및
    상기 모델링 결과를 기초로 체내 물질 성분을 분석하는 단계를 포함하는 체내 물질 성분 분석 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 등가회로로 모델링하는 단계는
    상기 측정된 임피던스에서 상기 임피던스 센서의 기생성분 및 분극 영향 중의 적어도 하나를 포함하는 노이즈에 의한 영향을 제거하는 단계를 포함하는 체내 물질 성분 분석 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 등가회로로 모델링하는 단계는
    상기 등가회로의 모델링을 통해 상기 분석 대상 유체의 특성과 관련된 하나 이상의 파라미터를 추출하는 체내 물질 성분 분석 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 체내 물질 성분을 분석하는 단계는
    상기 추출된 파라미터를 기준 시점의 파라미터로 정규화하여 파리미터의 변화량을 획득하는 단계를 포함하는 체내 물질 성분 분석 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 체내 물질 성분을 분석하는 단계는
    상기 파라미터의 변화량에 체내 물질 성분 분석 모델을 적용하여 혈당, 콜레스테롤, 중성 지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함하는 체내 물질 성분의 추정값을 획득하는 단계를 포함하는 체내 물질 성분 분석 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 분석 대상 유체의 온도 및 유량 중의 적어도 하나의 특성을 조정하는 단계를 더 포함하는 체내 물질 성분 분석 방법.
  20. 분석 대상 유체의 채널 일측에 접촉하는 제1 전극;
    분석 대상 유체의 채널 타측에 상기 제1 전극과 마주보도록 배치되는 제2 전극;
    분석 대상 유체의 특성을 조절하는 유체 특성 조정부; 및
    상기 제1 전극 및 제2 전극에 전류를 인가하고, 양 전극의 전압을 측정하여 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부를 포함하는 임피던스 측정 장치.
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