KR20210031061A - 렌즈, 렌즈가 적용된 광원 장치 및 분석 물질의 농도 추정 장치 - Google Patents

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Abstract

일 양상에 따른 복수의 광원에서 조사된 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈는, 일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체와, 상기 평면에 형성된 입사구와, 광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면을 포함할 수 있다.

Description

렌즈, 렌즈가 적용된 광원 장치 및 분석 물질의 농도 추정 장치{Lens, light source device with lens and apparatus for estimating analyte concentration}
복수의 광원에서 방출되는 광을 균일한 광 분포로 출력하는 기술과 관련된다.
당뇨병은 다양한 합병증을 일으키며 치료가 잘 안 되는 만성질환이어서 규칙적으로 혈당을 체크해서 합병증 발생을 예방해야 한다. 또한 인슐린을 투여하는 경우에는 저혈당을 대비하고 인슐린 투여량을 조절하기 위해 혈당을 체크해야 한다. 일반적으로 혈당을 측정하기 위해 침습적인 방식이 이용되고 있다. 침습적으로 혈당을 측정하는 방식은 측정의 신뢰성이 높다고 할 수 있으나 주사를 이용하여 혈액 채취의 고통, 번거로움 및 질병 감염 위험이 존재한다. 최근에는 혈액을 직접 채취하지 않고 다수의 광원을 이용하여 비침습적으로 혈당을 정확하게 측정하는 방법이 연구되고 있다.
복수의 광원에서 방출되는 광을 균일한 광 분포로 출력하기 위한 렌즈와 이를 이용한 광원 장치 및 분석 물질의 농도 추정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 복수의 광원에서 조사된 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈는, 일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체와, 상기 평면에 형성된 입사구와, 광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면을 포함할 수 있다.
상기 렌즈 몸체는 유리 재질 또는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
상기 복수의 입사면의 코닉 상수(conic constant)는 동일할 수 있다.
상기 복수의 입사면은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성될 수 있다.
상기 코닉 상수는 -1.0 이상 -0.2 이하일 수 있다.
상기 복수의 광원 각각의 광축은 상기 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면의 정점을 지나갈 수 있다.
다른 양상에 따른 광원 장치는 광을 방출하는 복수의 광원과, 상기 복수의 광원에서 방출된 광이 통과하는 복수의 도파관과, 상기 복수의 도파관을 통과한 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체와, 상기 평면에 형성된 입사구와, 광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면을 포함할 수 있다.
상기 렌즈 몸체는 유리 재질 또는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
상기 복수의 입사면의 코닉 상수(conic constant)는 동일할 수 있다.
상기 복수의 입사면은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성될 수 있다.
상기 코닉 상수는 -1.0 이상 -0.2 이하일 수 있다.
상기 복수의 광원 각각의 광축은 상기 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면의 정점을 지나갈 수 있다.
상기 복수의 도파관은 광섬유일 수 있다.
상기 입사구는 상기 복수의 도파관을 수용할 수 있다.
또 다른 양상에 따른 광원 장치는 광을 방출하는 복수의 광원과, 상기 복수의 광원에서 방출된 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는, 일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체와, 상기 평면에 형성된 입사구와, 광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면을 포함할 수 있다.
상기 렌즈 몸체는 유리 재질 또는 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
상기 복수의 입사면의 코닉 상수(conic constant)는 동일할 수 있다.
상기 복수의 입사면은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성될 수 있다.
상기 코닉 상수는 -1.0 이상 -0.2 이하일 수 있다.
상기 복수의 광원 각각의 광축은 상기 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면의 정점을 지나갈 수 있다.
상기 입사구는 상기 복수의 광원을 수용할 수 있다.
다른 양상에 따른 농도 추정 장치는 광을 방출하는 복수의 광원과, 상기 복수의 광원에서 방출된 광이 통과하는 복수의 도파관과, 상기 복수의 도파관을 통과한 광을 균일한 광 분포로 피검체에 출력하는 렌즈와, 상기 피검체로부터 반사 또는 산란된 광을 검출하는 광 검출기와, 상기 검출된 광을 기반으로 분석 물질의 농도를 추정하는 프로세서를 포함하고, 상기 렌즈는, 일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체와, 상기 평면에 형성된 입사구와, 광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면을 포함할 수 있다.
상기 분석 물질은 포도당(glucose), 중성지방(triglyceride), 요소(urea), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 단백질(protein), 콜레스테롤(cholesterol) 또는 에탄올(ethanol) 중 적어도 하나일 수 있다.
복수의 광원에서 방출되는 광을 균일한 광 분포로 출력하기 위한 렌즈를 구현하고 분석 물질의 농도 추정에 이용함으로써 농도 추정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 광 검출기와의 거리가 상이한 부위에서 광을 조사하는 경우, 광 경로 길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른, 복수의 광원의 배치를 도시한 예시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른, 도 2에 도시된 복수의 광원에 적용되는 렌즈의 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른, 도 3의 렌즈의 a-b 방향의 단면도이다.
도 5 내지 도 8은 렌즈가 적용된 광원 장치의 실시예들을 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 도 5의 광원 장치(500)의 각 광원별 출력 광 분포의 예시도이다.
도 11은 스펙트럼 측정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 12 내지 도 14는 스펙트럼 재건 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 NAS 알고리즘의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 분석 물질의 농도 추정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 18은 분석 물질의 농도 추정 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 19는 분석 물질의 농도 추정 방법의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 20은 분석 물질의 농도 추정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 21는 손목형 웨어러블 디바이스를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
한편, 각 단계들에 있어, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 수행될 수 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 각 구성부는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 광 검출기와의 거리가 상이한 부위에서 광을 조사하는 경우, 광 경로 길이를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광 검출기(PD)에서 가장 멀리 있는 제1 부위에 입사되는 제1 파장(λ1)의 광은 제1 광 경로 길이(l1)로 진행하여 광 검출기(PD)에 수신되며, 광 검출기(PD)에서 두 번째로 멀리 있는 제2 부위에 입사되는 제2 파장(λ2)의 광은 제2 광 경로 길이(l2)로 진행하여 광 검출기(PD)에 수신되며, 광 검출기(PD)에서 세 번째로 멀리 있는 제3 부위에 입사되는 제3 파장(λ3)의 광은 제3 광 경로 길이(l3)로 진행하여 광 검출기(PD)에 수신되며, 광 검출기(PD)에서 가장 가까이에 있는 제4 부위에 입사되는 제4 파장(λ4)의 광은 제4 광 경로 길이(l4)로 진행하여 광 검출기(PD)에 수신될 수 있다. 광이 입사되는 부위와 광 검출기(PD) 사이의 거리에 따라 광 경로 또는 광 경로 길이는 상이하므로, 광 검출기(PD)와의 거리가 상이한 각 부위에 입사되어 광 검출기(PD)에 수신되는 광 신호는 상이한 정보를 포함한다. 따라서, 이러한 광 신호들을 이용하여 분석 물질의 농도(예컨대, 혈당 등)를 추정하는 경우 그 추정 정확도는 떨어질 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른, 복수의 광원의 배치를 도시한 예시도이고, 도 3은 일 실시예에 따른, 도 2에 도시된 복수의 광원에 적용되는 렌즈의 사시도이고, 도 4는 일 실시예에 따른, 도 3의 렌즈의 a-b 방향의 단면도이다. 도 2 내지 도 4은 설명의 편의를 위해 4개의 광원을 이용하는 것을 도시하나 이는 일 실시예에 불과할 뿐, 광원의 개수와 그 배치에 특별한 제한은 없다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따르면, 복수의 광원(211, 212, 213, 214)은 각 광원이 사각형의 꼭지점에 배치되는 사각 배열로 형성될 수 있다.
각 광원(211, 212, 213, 214)은 서로 다른 파장의 광을 방출할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각 광원(211, 212, 213, 214)은 소정 파장의 광, 예컨대, 근적외선(Near Infrared Ray, NIR) 또는 중적외선(Mid Infrared Ray, MIR)을 방출할 수 있다. 그러나, 측정 목적이나 분석 물질의 종류에 따라 각 광원(211, 212, 213, 214)에서 조사되는 광의 파장은 달라질 수 있다. 그리고, 각 광원(211, 212, 213, 214)은 반드시 단일의 발광체로 구성될 필요는 없으며, 다수의 발광체의 집합으로 구성될 수도 있다. 각 광원이 다수의 발광체의 집합으로 구성되는 경우, 다수의 발광체는 모두 동일한 파장의 광을 방출할 수도 있고, 모두 상이한 파장의 광을 방출할 수도 있다. 또한, 다수의 발광체 중 일부는 동일한 파장의 광을 방출하고, 나머지 발광체는 상이한 파장의 광을 방출할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 각 광원(211, 212, 213, 214)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode), 또는 형광체 등으로 형성될 수 있다.
렌즈(300)는 복수의 광원(211, 212, 213, 214)에서 방출되는 광을 균일한 광 분포로 출력할 수 있다. 이때, 균일한 광 분포로 출력한다는 것은 균일도가 일정 수준 이상인 광 분포로 출력하는 것을 의미할 수 있다.
렌즈(300)는 렌즈 몸체(310), 입사구(320) 및 복수의 입사면(330)을 포함할 수 있다.
렌즈 몸체(310)는 렌즈 몸체(310)의 상부 외형을 이루는 상부면(311)과 렌즈 몸체(310)의 하부 외형을 이루는 하부면(312)으로 형성될 수 있다. 상부면(311)은 최상단 중심 부분에서 가장자리로 갈수록 곡률이 점진적으로 증가하는 곡면, 즉 볼록면으로 형성될 수 있다. 하부면(312)은 평면으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 렌즈 몸체(310)는 유리(glass) 및 붕규산 크라운 유리(borosilicate crown glass) 등과 같은 유리 재질, 또는 폴리카보네이트(Polycarbonate) 및 폴리메타크릴산 메틸(Polymethyl methacrylate, PMMA) 등과 같은 플라스틱 재질로 형성될 수 있다.
입사구(320)는 하부면(312)에 형성되어, 복수의 광원(211, 212, 213, 214)에서 방출되는 광이 입사될 수 있다.
입사구(320)는 도 3에 도시된 바와 같이, 광원의 개수와 동일한 4개의 원 또는 타원이 중첩된 모양으로 형성될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 입사구(320)의 모양은 렌즈(300)에 적용되는 광원의 개수 또는 배치 모양에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 입사구(320)의 중심점과 하부면(312)의 중심점이 일치하도록 입사구(320)는 하부면(312)의 중심에 형성될 수 있다.
입사면(330)은 입사구(320)에서 렌즈(300)의 내부 즉, 상부면(311) 쪽으로 함몰되어 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 입사면(330)은 렌즈(300)에 적용되는 광원 별로 형성될 수 있다. 도시된 예에서, 입사면(330)은 광원(211, 212, 213, 214)의 개수와 같이 4개로 형성될 수 있다.
각 입사면(330)의 표면 프로파일(sag)은 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Z(s)는 광축에 평행한 면의 sag를 나타내며, k는 코닉 상수(conic constant)를 나타내며, s는 곡률 반경을 나타내며, C는 1/s의 곡률을 나타낼 수 있다.
코닉 상수 k의 값에 따른 표면 프로파일은 다음과 같다.
Conic Constant k Surface Type
k = 0 구 (Sphere)
k = -1 포물선 (Parabola)
k < -1 쌍곡선 (Hyperbola)
-1 < k < 0 편장형 타원 (Prolate Ellipse)
k > 0 편원형 타원 (Oblate Ellipse
일 실시예에 따르면, 각 입사면(330)은 동일한 코닉 상수 k의 값을 가지며, -1.0 이상 -0.2 이하의 값을 가질 수 있다. 즉 각 입사면(330)은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성될 수 있다.
한편, 복수의 입사면(330)은 도시된 바와 같이, 상호 중첩될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상호 중첩되지 않고 별개로 형성될 수도 있다.
일 실시예에 다르면, 복수의 광원 각각의 광축은 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면(330)의 정점을 지나갈 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여, 렌즈(300)가 적용된 광원 장치의 실시예들을 설명한다.
도 5 내지 도 8은 렌즈가 적용된 광원 장치의 실시예들을 도시한 도면이다. 도 5 내지 도 8은 4개의 광원이 적용된 실시예이나, 설명의 편의를 위해 2개의 광원은 생략하기로 한다.
도 5를 참조하면, 광원 장치(500)는 복수의 광원(211, 212), 복수의 도파관(511, 512) 및 렌즈(300)를 포함할 수 있다.
광원(211)은 도파관(511)에 연결되고, 광원(212)은 도파관(512)에 연결될 수 있다. 즉, 각 광원(211, 212)에서 방출된 광은 각 광원(211, 212)에 연결된 도파관(511, 512)을 통과하여 렌즈(300)의 입사구(320)로 입사될 수 있다. 입사구(320)로 입사된 광은 입사면(331, 332)으로 입사될 수 있다. 각 도파관(511, 512)은 광섬유를 포함하며, 입사구(320)의 외부에 배치될 수 있다. 이때, 입사구(320)의 지름은 도파관(511, 512) 묶음의 지름보다 클 수 있다.
도 6을 참조하면, 광원 장치(600)는 복수의 광원(211, 212), 복수의 도파관(511, 512) 및 렌즈(300)를 포함할 수 있다.
광원(211)은 도파관(511)에 연결되고, 광원(212)은 도파관(512)에 연결될 수 있다. 즉, 각 광원(211, 212)에서 방출된 광은 각 광원(211, 212)에 연결된 도파관(511, 512)을 통과하여 렌즈(300)의 입사면(331, 332)으로 입사될 수 있다. 각 도파관(511, 512)은 광 섬유를 포함하며, 각 도파관(511, 512)의 일부 또는 전부가 입사구(320) 내부에 수용될 수 있다.
도 7을 참조하면, 광원 장치(700)는 복수의 광원(211, 212) 및 렌즈(300)를 포함할 수 있다.
각 광원(211, 212)에서 방출된 광은 바로 렌즈의 입사구(320)로 입사될 수 있다. 입사구(320)로 입사된 광은 입사면(331, 332)으로 입사될 수 있다. 각 광원(211, 212)은 입사구(320)의 외부에 배치될 수 있다. 이때, 입사구(320)의 지름은 광원(211, 212) 묶음의 지름보다 클 수 있다.
도 8을 참조하면, 광원 장치(800)는 복수의 광원(211, 212) 및 렌즈(300)를 포함할 수 있다. 각 광원(211, 212)에서 방출된 광은 렌즈(300)의 입사면(331, 332)으로 바로 입사될 수 있다. 각 광원(211, 212)은 입사구(320) 내부에 수용될 수 있다.
도 9 및 도 10은 도 5의 광원 장치(500)의 각 광원별 출력 광 분포의 예시도이다. 보다 구체적으로 도 9는 광원(211)에서 방출된 광이 도파관(511)을 통과한 후 렌즈(300)에 입사될 때, 렌즈(300)의 출력 광 분포를 도시한 도면이고, 도 10은 광원(212)에서 방출된 광이 도파관(512)을 통과한 후 렌즈(300)에 입사될 때, 렌즈(300)의 출력 광 분포를 도시한 도면이다.
도 9 및 도 10을 비교하면, 각 도면의 하부에 도시된 바와 같이, 각 케이스의 출력 광 분포는 균일하며 매우 유사하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 복수의 광원을 이용하는 경우에도, 일 실시예에 따른 렌즈(300)를 이용함으로써 피검체에 광을 균일하게 조사할 수 있으므로, 광원의 위치 또는 광이 입사되는 부위에 따른 광 경로 또는 광 경로 길이의 차이를 줄이는 것이 가능하다.
도 11은 스펙트럼 측정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 11의 스펙트럼 측정 장치(1100)는 피검체의 체내 스펙트럼(in vivo spectrum)을 측정할 수 있는 장치로, 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 형성될 수 있다. 전자 장치는 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 손목시계형, 손목 밴드형, 반지형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
도 11을 참조하면, 스펙트럼 측정 장치(1100)는 광원부(1110), 광 검출기(1120) 및 프로세서(1130)를 포함할 수 있다. 여기서 광원부(1110)는 도 5 내지 도 10을 참조하여 전술한 광원 장치(500, 600, 700, 800)와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
광 검출기(1120)는 피검체로부터 반사, 산란 또는 투과된 광 신호를 수신할 수 있다. 광 검출기(1120)는 수신된 광 신호를 전기적 신호로 변환하여 프로세서(1130)로 전달할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광 검출기(1120)는 포토 다이오드(photo diode), 포토 트랜지스터(photo transistor) 또는 이미지 센서(전자 결합 소자(charge-coupled device, CCD) 또는 상보성 금속 산화물 반도체(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS))등으로 형성될 수 있다. 광 검출기는 반드시 하나의 소자로 구성될 필요는 없으며, 다수의 소자들이 모여 어레이 형태로 구성될 수도 있다.
한편, 광원부(1110)의 광원 및 광 검출기의 개수 및 배열 형태 등은 다양하며 분석 물질의 종류, 활용 목적, 및 스펙트럼 측정 장치(1100)가 탑재되는 전자 장치의 크기와 형태 등에 따라 변경될 수 있다. 또한, 스펙트럼 측정 장치(1100)는 다양한 광학 소자(예컨대, 필터, 미러, 렌즈 등)를 더 포함할 수 있다.
프로세서(1130)는 체내 스펙트럼의 측정과 관련된 각종 신호 및 동작을 처리할 수 있다.
프로세서(1130)는 광원부(1110)의 각 광원을 소정의 제어 신호에 따라 순차적으로 또는 동시에 구동할 수 있다. 이때, 프로세서(1130)는 설정된 광원 구동 조건을 참조하여 각 광원을 구동시킬 수 있다. 이때 광원 구동 조건은 각 광원의 방출 시간, 구동 순서, 전류의 세기(current intensity) 및 펄스 지속 시간(pulse duration) 등을 포함할 수 있다.
프로세서(1130)는 광 검출기(1120)에서 수신된 광의 강도를 기반으로 피검체의 체내 스펙트럼을 획득할 수 있다. 여기서, 체내 스펙트럼은 흡수 스펙트럼일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 체내 스펙트럼은 반사 스펙트럼 또는 투과 스펙트럼일 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 프로세서(1130)는 광 검출기(1120)에서 수신된 광의 강도를 기반으로 피검체의 체내 스펙트럼을 재건할 수 있다.
도 12 내지 도 14는 프로세서(1130)의 스펙트럼 재건 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 14를 참조하면, 광원부는 n개의 광원으로 이루어진 광원 어레이를 포함할 수 있다. 각 광원의 피크 파장은 광원 구동 조건을 기반으로 λ1, λ2, λ3, …, λn을 갖도록 설정될 수 있다.
프로세서는 설정된 광원 구동 조건을 기반으로 광원부의 각 광원을 순차적으로 구동하면서 광을 방출하고, 광 검출기는 피검체로부터 되돌아오는 광을 검출할 수 있다. 이때 일부의 광원만을 구동하는 것도 가능하며 광원을 그룹으로 분류하여 각 그룹별로 시분할로 구동하는 것도 가능하다.
프로세서는 광 검출기로부터 광 신호를 수신하여 도 14에 도시된 바와 같은 스펙트럼을 재건할 수 있다. 이때 프로세서는 수학식 2를 통해 스펙트럼을 재건할 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 스펙트럼 재건 파라미터를 나타내고,
Figure pat00004
는 단위 행렬을 나타내고,
Figure pat00005
는 각 광원의 광원 스펙트럼을 나타내고,
Figure pat00006
는 광 검출기에서 검출된 광 신호의 강도를 나타내고,
Figure pat00007
는 재건된 스펙트럼을 나타낸다. 이때, 광원 스펙트럼은 각 광원에서 조사되는 광의 스펙트럼으로, 광원 스펙트럼에 대한 정보는 내부 또는 외부 데이터베이스에 미리 저장될 수 있다.
도 15 및 도 16은 NAS 알고리즘의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16을 참조하면, NAS(net analyte signal) 알고리즘은 학습 구간에서 측정된 체내 스펙트럼(S1, S2, …, Sn)을 학습 데이터로 하여 분석 물질(analyte)의 농도 변화와 무관한 스펙트럼의 변화 요인을 학습하여 분석 물질의 농도 추정 모델을 생성할 수 있다. 또한, NAS 알고리즘은 학습 구간 이후의 추정 구간에서 측정된 체내 스펙트럼(Sn+1, Sn+2, …, Sm)과 학습 구간에서 생성된 농도 추정 모델을 이용하여 분석 물질의 농도(Cn+1, Cn+2, Cm)를 추정할 수 있다. 이때, 학습 구간은 체내 분석 물질의 농도가 실질적으로 변하지 않는 구간(예컨대, 분석 물질이 포도당인 경우 공복 구간)일 수 있다.
즉, NAS 알고리즘은 학습 구간에서 측정된 체내 스펙트럼을 기반으로 농도 추정 모델을 생성한 후 이를 추정 구간에 적용하여 분석 물질의 농도를 추정할 수 있다.
도 17은 분석 물질의 농도 추정 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 17의 농도 추정 장치(1700)는 피검체의 체내 스펙트럼을 분석함으로써 분석 물질의 농도를 추정할 수 있는 장치로, 전술한 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 형성될 수 있다.
도 17을 참조하면, 농도 추정 장치(1700)는 광원부(1710), 광 검출기(1720) 및 프로세서(1730)를 포함할 수 있다. 여기서 광원부(1710) 및 광 검출기(1720)는 도 11의 광원부(1110) 및 광 검출기(1120)와 동일하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
프로세서(1730)는 농도 추정 장치(1700)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(1730)는 광원부(1110) 및 광 검출기(1720)를 이용하여 피검체 내에서 분석 물질의 농도가 실질적으로 변하지 않는 구간에서 복수의 체내 스펙트럼(이하, 훈련용 체내 스펙트럼)을 측정하고, 피검체 내 분석 물질의 농도를 추정하기 위한 체내 스펙트럼(이하, 추정용 체내 스펙트럼)을 측정할 수 있다.
프로세서(1730)는 측정된 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 기반으로 농도 추정 모델을 생성할 수 있다. 이때, 분석 물질은 포도당(glucose), 중성지방(triglyceride), 요소(urea), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 단백질(protein), 콜레스테롤(cholesterol) 또는 에탄올(ethanol) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 한편, 체내의 분석 물질이 포도당인 경우, 분석 물질의 농도는 혈당을 나타낼 수 있고 분석 물질의 농도가 실질적으로 변하지 않는 구간은 포도당이 피검체 내부로 유입되지 않는 공복 구간을 나타낼 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 분석 물질이 포도당인 실시예를 기준으로 설명하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 프로세서(1730)는 공복 구간에 측정된 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 이용하여 NAS(net analyte signal) 알고리즘을 통해 농도 추정 모델을 생성할 수 있다. 더욱 상세하게는 프로세서(1730)는 공복 구간에 측정된 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 학습 데이터로 하여 분석 물질의 농도 변화와 무관한 스펙트럼의 변화 요인을 학습할 수 있다. 예컨대, 프로세서(1730)는 PCA(Principle Component Analysis), ICA(Independent Component Analysis), NMF(Non-negative matrix factorization), 및 SVD(Singular Value Decomposition) 등 다양한 차원 축소 알고리즘을 이용하여 공복 구간에 측정된 복수의 훈련용 체내 스펙트럼으로부터 주성분 스펙트럼 벡터를 추출할 수 있다. 또한 프로세서(1730)는 학습 결과 즉, 추출된 주성분 스펙트럼 벡터를 기반으로 농도 추정 모델을 생성할 수 있다. 이때, 생성된 농도 추정 모델은 수학식 3 및 수학식 4으로 표현될 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
여기서,
Figure pat00010
은 분석 물질의 농도를,
Figure pat00011
는 분석 물질의 기준 농도(예컨대, 공복 상태의 분석 물질의 농도)를,
Figure pat00012
는
Figure pat00013
대비 농도 변화량을,
Figure pat00014
은 추정용 체내 스펙트럼을,
Figure pat00015
는 주성분 스펙트럼을,
Figure pat00016
는 각 주성분 스펙트럼이 추정용 체내 스펙트럼에 기여한 정도를,
Figure pat00017
는 단위 농도(예컨대, 1mM)의 분석 물질에 대한 스펙트럼(이하, 순수 성분 스펙트럼)을,
Figure pat00018
은 광의 경로 길이를 각각 나타낼 수 있다.
Figure pat00019
는 실험적으로 획득될 수 있다.
프로세서(1730)는 농도 추정 모델 생성 후 분석 물질의 농도 추정을 위한 추정용 체내 스펙트럼이 획득되면, 추정용 체내 스펙트럼과 농도 추정 모델을 이용하여 분석 물질의 농도를 추정할 수 있다. 예컨대, 프로세서(1730)는 수학식 3에 대해 회귀분석 알고리즘(예컨대, 최소 자승법)을 적용하여
Figure pat00020
를 산출하고 수학식 4를 이용하여 분석 물질의 농도를 추정할 수 있다. 회귀분석 알고리즘을 적용하여
Figure pat00021
를 산출하는 과정에서
Figure pat00022
또한 산출될 수 있다.
도 18은 분석 물질의 농도 추정 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 18의 농도 추정 방법은 도 17의 농도 추정 장치(1700)에 의해 수행될 수 있다.
도 18을 참조하면, 농도 추정 장치는 추정용 체내 스펙트럼을 측정할 수 있다(1810).
농도 추정 장치는 추정용 체내 스펙트럼과 미리 구축된 농도 추정 모델을 이용하여 분석 물질의 농도를 추정할 수 있다(1820). 예컨대, 농도 추정 장치는 수학식 3 에 대해 회귀분석 알고리즘을 적용하여
Figure pat00023
를 산출하고 수학식 4를 이용하여 분석 물질의 농도를 추정할 수 있다. 회귀분석 알고리즘을 적용하여
Figure pat00024
를 산출하는 과정에서
Figure pat00025
또한 산출될 수 있다.
도 19는 분석 물질의 농도 추정 방법의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 19의 농도 추정 방법은 도 17의 농도 추정 장치(1700)에 의해 수행될 수 있다.
도 19를 참조하면, 농도 추정 장치는 피검체 내에서 분석 물질의 농도가 실질적으로 변하지 않는 구간에서 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 측정할 수 있다(1910).
농도 추정 장치는 측정된 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 기반으로 농도 추정 모델을 생성할 수 있다(1920). 이때, 분석 물질은 포도당(glucose), 중성지방(triglyceride), 요소(urea), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 단백질(protein), 콜레스테롤(cholesterol) 또는 에탄올(ethanol) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 한편, 체내의 분석 물질이 포도당인 경우, 분석 물질의 농도는 혈당을 나타낼 수 있고 분석 물질의 농도가 실질적으로 변하지 않는 구간은 포도당이 피검체 내부로 유입되지 않는 공복 구간을 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 농도 추정 장치는 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 이용하여 NAS(net analyte signal) 알고리즘을 통해 농도 추정 모델을 생성할 수 있다. 보다 구체적으로 농도 추정 장치는 복수의 훈련용 체내 스펙트럼을 학습 데이터로 하여 분석 물질의 농도 변화와 무관한 스펙트럼의 변화 요인을 학습할 수 있다. 예컨대, 농도 추정 장치는 전술한 다양한 차원 축소 알고리즘을 이용하여 복수의 훈련용 체내 스펙트럼으로부터 주성분 스펙트럼 벡터를 추출할 수 있다. 또한 농도 추정 장치는 학습 결과 즉, 추출된 주성분 스펙트럼 벡터를 기반으로 농도 추정 모델을 생성할 수 있다. 이때, 생성된 농도 추정 모델은 수학식 3 및 수학식 4으로 표현될 수 있다.
농도 추정 장치는 추정용 체내 스펙트럼을 측정하고(1930), 추정용 체내 스펙트럼과 농도 추정 모델을 이용하여 분석 물질의 농도를 추정할 수 있다(1940).
도 20은 분석 물질의 농도 추정 장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다. 도 20의 농도 추정 장치(2000)는 피검체의 체내 스펙트럼을 분석함으로써 분석 물질의 농도를 추정할 수 있는 장치로, 전술한 전자 장치에 탑재되거나, 하우징으로 감싸져 별개의 장치로 형성될 수 있다.
도 20을 참조하면, 농도 추정 장치(2000)는 광원부(1710), 광 검출기(1720), 프로세서(1730), 입력부(2010), 저장부(2020), 통신부(2030) 및 출력부(2040)를 포함할 수 있다. 여기서 광원부(1710), 광 검출기(1720) 및 프로세서(1730)는 도 17을 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력부(2010)는 사용자로부터 다양한 조작신호를 입력 받을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력부(2010)는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(touch pad)(정압/정전), 조그 휠(Jog wheel), 조그 스위치(Jog switch), H/W 버튼 등을 포함할 수 있다. 특히, 터치 패드가 디스플레이와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치 스크린이라 부를 수 있다.
저장부(2020)는 농도 추정 장치(2000)의 동작을 위한 프로그램 또는 명령들을 저장할 수 있고, 농도 추정 장치(2000)에 입력되는 데이터 및 농도 추정 장치(2000)에서 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(2020)는 체내 스펙트럼, 농도 추정 모델, 분석 물질의 농도 추정값 등을 저장할 수 있다. 저장부(2020)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, 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 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 농도 추정 장치(2000)는 인터넷 상에서 저장부(2020)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 등 외부 저장 매체를 운영할 수도 있다.
통신부(2030)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(2030)는 농도 추정 장치(2000)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 외부 장치로 전송하거나, 외부 장치로부터 분석 물질의 농도 추정에 도움이 되는 다양한 데이터를 수신할 수 있다.
이때, 외부 장치는 농도 추정 장치(2000)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 사용하는 의료 장비, 결과물을 출력하기 위한 프린트 또는 디스플레이 장치일 수 있다. 이외에도 외부 장치는 디지털 TV, 데스크탑 컴퓨터, 휴대폰, 스마트 폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등 일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
통신부(2030)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 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(2040)는 농도 추정 장치(2000)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력부(2040)는 농도 추정 장치(2000)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 청각적 방법, 시각적 방법 및 촉각적 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력할 수 있다. 이를 위해 출력부(2040)는 디스플레이, 스피커, 진동기 등을 포함할 수 있다.
도 21는 손목형 웨어러블 디바이스를 도시한 도면이다.
도 21을 참조하면, 손목형 웨어러블 디바이스(2100)는 스트랩(2110) 및 본체(2120)를 포함할 수 있다.
스트랩(2110)은 본체(2120)의 양측에 연결되어 서로 체결될 수 있도록 분리 형성되거나, 스마트 밴드 형태로 일체로 형성될 수 있다. 스트랩(2110)은 본체(2120)가 사용자의 손목에 착용되도록 손목을 감쌀 수 있도록 플렉서블(flexible)한 부재로 형성될 수 있다.
본체(2120)는 본체 내부에 전술한 스펙트럼 측정 장치(1100) 및/또는 농도 추정 장치(1700, 2000)를 탑재할 수 있다. 또한, 본체(2120) 내부에는 스펙트럼 측정 장치(1100) 및 농도 추정 장치(1700, 2000)에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
광원 장치(500, 600, 700, 800)는 본체(2120) 하부에 사용자의 손목을 향해 노출되도록 장착될 수 있다. 이를 통해 사용자가 손목형 웨어러블 디바이스(2100)를 착용하면 자연스럽게 광원 장치(500, 600, 700, 800)가 사용자의 피부에 접촉할 수 있다. 이때 광원 장치(500, 600, 700, 800)는 피검체에 광을 조사할 수 있다.
손목형 웨어러블 디바이스(2100)는 본체(2120)에 장착되는 디스플레이(2121)와 입력부(2122)를 더 포함할 수 있다. 디스플레이(2121)는 스펙트럼 측정 장치(1100), 농도 추정 장치(1700, 2000) 및/또는 손목형 웨어러블 디바이스(2100)에서 처리된 데이터 및 처리 결과 데이터 등을 표시할 수 있다. 입력부(2122)는 사용자로부터 다양한 조작신호를 입력 받을 수 있다.
이상의 기술적 내용은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
300: 렌즈
310: 렌즈 몸체
311: 상부면
312: 하부면
320: 입사구
330: 입사면

Claims (23)

  1. 복수의 광원에서 조사된 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈에 있어서,
    일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체;
    상기 평면에 형성된 입사구; 및
    광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면; 을 포함하는,
    렌즈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 렌즈 몸체는 유리 재질 또는 플라스틱 재질로 형성되는,
    렌즈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 입사면의 코닉 상수(conic constant)는 동일한,
    렌즈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 입사면은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성되는,
    렌즈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 코닉 상수는 -1.0 이상 -0.2 이하인,
    렌즈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광원 각각의 광축은 상기 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면의 정점을 지나가는,
    렌즈.
  7. 광을 방출하는 복수의 광원;
    상기 복수의 광원에서 방출된 광이 통과하는 복수의 도파관; 및
    상기 복수의 도파관을 통과한 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈; 를 포함하고,
    상기 렌즈는,
    일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체;
    상기 평면에 형성된 입사구; 및
    광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면; 을 포함하는,
    광원 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 렌즈 몸체는 유리 재질 또는 플라스틱 재질로 형성되는,
    광원 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 입사면의 코닉 상수(conic constant)는 동일한,
    광원 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 입사면은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성되는
    광원 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코닉 상수는 -1.0 이상 -0.2 이하인,
    광원 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 광원 각각의 광축은 상기 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면의 정점을 지나가는,
    광원 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 도파관은 광섬유인,
    광원 장치.
  14. 제7항에 잇어서,
    상기 입사구는 상기 복수의 도파관을 수용하는,
    광원 장치.
  15. 광을 방출하는 복수의 광원;
    상기 복수의 광원에서 방출된 광을 균일한 광 분포로 출력하는 렌즈; 를 포함하고,
    상기 렌즈는,
    일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체;
    상기 평면에 형성된 입사구; 및
    광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면; 을 포함하는,
    광원 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 렌즈 몸체는 유리 재질 또는 플라스틱 재질로 형성되는,
    광원 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 입사면의 코닉 상수(conic constant)는 동일한,
    광원 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 입사면은 편장형 타원(Prolate Ellipse) 모양으로 형성되는
    광원 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 코닉 상수는 -1.0 이상 -0.2 이하인,
    광원 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 광원 각각의 광축은 상기 복수의 광원 각각에 대응하는 입사면의 정점을 지나가는,
    광원 장치.
  21. 제15항에 잇어서,
    상기 입사구는 상기 복수의 광원을 수용하는,
    광원 장치.
  22. 광을 방출하는 복수의 광원;
    상기 복수의 광원에서 방출된 광이 통과하는 복수의 도파관;
    상기 복수의 도파관을 통과한 광을 균일한 광 분포로 피검체에 출력하는 렌즈;
    상기 피검체로부터 반사 또는 산란된 광을 검출하는 광 검출기; 및
    상기 검출된 광을 기반으로 분석 물질의 농도를 추정하는 프로세서; 를 포함하고,
    상기 렌즈는,
    일면은 평면으로 형성되고 타면은 볼록면으로 형성된 렌즈 몸체;
    상기 평면에 형성된 입사구; 및
    광원별로 상기 입사구로부터 상기 볼록면 쪽으로 함몰되어 형성되는 복수의 입사면; 을 포함하는,
    농도 추정 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 분석 물질은 포도당(glucose), 중성지방(triglyceride), 요소(urea), 요산(uric acid), 젖산(lactate), 단백질(protein), 콜레스테롤(cholesterol) 또는 에탄올(ethanol) 중 적어도 하나인,
    농도 추정 장치.
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