KR20210126952A - 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 방법 - Google Patents

비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 그 방법에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 서로 다른 제1 내지 제3 파장 값을 가지는 제1 내지 제3 LED를 측정 대상자의 신체 일측에 위치시키고, 대향되는 지점에 광검지부를 위치시킨 상태에서 광을 조사하는 단계, 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 각각 획득하는 단계, 그리고 제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율과 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율, 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 비어램버트 법칙에 적용하여 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 3개의 서로 다른 파장을 가지는 LED광을 이용하여 비침습적으로 당화혈색소(HbA1C)의 농도를 측정할 수 있으며, 비어램버트 법칙(Beer-Lambert Law)을 이용하여 산출된 LED광의 흡광도를 통하여 정확하고 간편하게 당화혈색소(HbA1C)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 측정할 수 있다.

Description

비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 방법{Noninvasive HbA1c Measurement System Using the Beer-Lambert law and Method Thereof}
본 발명은 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혈액 내를 투과하는 서로 다른 복수의 파장 중에서 2개의 파장에 따른 흡광도의 비율 값들을 이용하여 정확하고 용이하게 비침습적으로 당화혈색소(HbA1c)의 농도를 측정할 수 있는 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
당뇨병은 신체 내에서 혈당 조절에 필요한 인슐린의 분비나 기능 장애로 인해 발생된 고혈당을 특징으로 하는 대사성 질환이다. 당뇨병으로 인한 만성적 고혈당은 신체 각 기관의 손상과 기능 부전을 초래하게 되는데 특히, 망막, 신장, 신경에 나타나는 미세혈관 합병증과 동맥경화, 심혈관, 뇌혈관질환과 같은 거대 혈관 합병증을 유발하고 이로 인한 사망률을 증가시킨다
그러나, 당뇨병은 혈당조절, 체중 감량 및 투약으로 인해 당뇨병의 악화 또는 합병증 발생률을 저하시킬 수 있다. 따라서, 당뇨병 환자들은 혈당 관리를 위하여 수시로 자가 혈당을 측정하고, 당뇨병 환자의 혈당만큼 중요한 치료지표인 당화혈색소(HbA1C) 검사를 주기적으로 검사받는다.
당화혈색소(HbA1c) 검사는 혈액 내에서 산소를 운반해 주는 역할을 하는 적혈구 내의 혈색소가 어느 정도로 당화(糖化)되었는지를 보는 검사이며, 적혈구의 평균 수명기간에 따라 최근 2~3개월 정도의 혈당 변화를 반영한다. 정상인에서도 당연히 포도당이 존재하므로 우리의 혈액 내에는 혈색소가 어느 정도 당화되어 있는데, 검사 방법에 따라 정상치의 차이가 있으나 대개 5.6%까지가 정상이다.
당뇨병 환자의 경우 혈액 내 포도당의 농도가 높아지므로 당화된 혈색소, 즉 당화혈색소 수치 역시 올라가게 된다. 따라서 그 동안의 혈당 관리 정도가 고스란히 드러나는 이 결과를 보고 추후 치료 방향을 결정하게 된다.
한편, 종래의 당화혈색소(HbA1c)을 측정하는 방법은 측정 대상자 팔의 정맥에서 채혈하거나 손가락 끝을 작고 뾰족한 침으로 찔러 모세혈 검체를 획득하고, 획득한 혈액을 이용하여 당화혈색소(HbA1c)의 농도를 측정하였다. 이러한 침습적 당화혈색소 측정 방법은 측정 대상자들로 하여금 채혈 부담을 가중시키고, 적혈구 수명이 짧거나 임신, 신장질환이 있는 경우에는 부정확한 수치를 제공하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 종래의 침습적 당화혈색소(HbA1c) 측정방법에 따른 문제점을 해결하기 위하여 측정 대상자 신체의 일측에 부착된 LED 및 광검지부를 통해 획득한 광의 세기를 이용하여 당화혈색소(HbA1c)의 농도를 측정할 수 있는 비침습적 당화혈색소 측정 방법을 제공한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0037254호(2019.04.05. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 혈액 내를 투과하는 서로 다른 복수의 파장 중에서 2개의 파장에 따른 흡광도의 비율의 값들을 이용하여 정확하고 용이하게 비침습적으로 당화혈색소(HbA1c)의 농도를 측정할 수 있는 비어램버트 법칙을 적용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 방법에 있어서, 서로 다른 제1 내지 제3 파장 값을 가지는 제1 내지 제3 LED를 측정 대상자의 신체 일측에 위치시키고, 대향되는 지점에 광검지부를 위치시킨 상태에서 광을 조사하는 단계, 상기 광검지부에서 측정된 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 각각 획득하는 단계, 그리고 제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율과 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율, 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 비어램버트 법칙에 적용하여 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 단계를 포함한다.
상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 단계는, 상기 제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제1 방정식(R1)을 비어램버트 법칙에 적용하여 획득하는 단계, 상기 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제2 방정식(R2)을 비어램버트 법칙에 적용하여 획득하는 단계, 그리고 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 적용하여, 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)은 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 제1 파장(
Figure pat00003
)을 가지는 제1 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
Figure pat00004
는 제2 파장(
Figure pat00005
)을 가지는 제2 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
Figure pat00006
는 제3 파장(
Figure pat00007
)을 가지는 제3 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이, d1와 d2는 각각 혈액이 들어오고 나갈때의 광의 투과 거리를 나타내고, I(d1)과 I(d2)는 각각 d1와 d2에 대응하는 광의 세기를 나타낸다.
상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산하는 단계는, 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 아래와 같은 식으로 변환하는 단계,
Figure pat00008
Figure pat00009
상기 변환된 2개의 방정식에 제1 내지 제3 파장 인가시의 디옥시헤모글로빈의 몰 흡광계수(
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
), 산화 헤모글로빈의 몰 흡광계수(
Figure pat00013
,
Figure pat00014
,
Figure pat00015
), 당화혈색소의 몰 흡광계수(
Figure pat00016
,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
)를 대입하는 단계, 그리고 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 연립하여, 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 다음과 같이 각각 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대한 식으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
Figure pat00019
Figure pat00020
상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대한 식으로 변환하는 단계에 있어서, 상기 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도에 대한 함수식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00021
여기서, a 내지 l은 실수 값이다.
상기 측정 대상자의 신체 일측은 상기 측정 대상자의 손가락, 손목, 팔목 중 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템에 있어서, 서로 다른 제1 내지 제3 파장 값을 가지며, 측정 대상자의 신체 일측에 위치하는 제1 내지 제3 LED, 상기 제1 내지 제3 LED와 대향되는 지점에 위치하며, 상기 제1 내지 제3 LED로부터 투과된 광의 세기를 측정하는 광검지부, 그리고 제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율과 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율, 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 비어램버트 법칙에 적용하여 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 연산부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 3개의 서로 다른 파장을 가지는 LED광과 광의 세기 변화율을 이용하여 비침습적으로 당화혈색소(HbA1C)의 농도를 측정할 수 있으며, 비어램버트 법칙(Beer-Lambert Law)에 의해 산출된 LED광의 흡광도를 통하여 정확하고 간편하게 당화혈색소(HbA1C)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비침습적 당화혈색소 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비침습적 당화혈색소 측정 시스템을 이용하여 당화혈색소를 측정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 비침습적 당화혈색소 측정 시스템을 손가락에 설치한 상태를 나타내는 예시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 S230단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 5a는 측정 대상자의 신체 일부에 PPG 센서(photoplethysmography sensor)를 부착한 상태에서 광혈류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 혈액이 모세혈관에 들어올 경우의 LED 광의 투과 거리(d1)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5c는 혈액이 모세혈관을 통과하여 나갈 경우의 LED 광의 투과 거리(d2)를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 도 1을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 비침습적 당화혈색소 측정 시스템에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비침습적 당화혈색소 측정 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 당화혈색소 측정 시스템(100)은 복수의 LED(110), 광검지부(120) 및 연산부(130)를 포함한다.
먼저, 복수의 LED(110)와 광검지부(120)는 피검자의 신체 일부의 일측에 위치한다. 그리고, 광검지부(120)는 복수의 LED(110)에서 조사된 광을 검출할 수 있도록 복수의 LED(110)와 대향하는 지점에 설치된다.
복수의 LED(110)는 적어도 3개의 LED로 구성되며, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 파장값을 가지는 제1 LED, 제2 파장값을 가지는 제2 LED및 제3 파장값을 가지는 제3 LED를 포함한다. 제1 LED 내지 제3 LED는 대향되는 지점에 위치한 광검지부(120)를 향하여 빛을 조사한다.
광검지부(Photo Detector)(120)는 제1 LED 내지 제3 LED로부터 광이 인체 내의 혈액을 투과한 후의 광의 세기를 측정한다.
그 다음, 연산부(130)는 비어램버트 법칙(Beer-Lambert law)을 이용하여 제1 LED 내지 제3 LED에서 조사된 광을 혈액에 투과시켰을 때의 흡광도를 산출한다. 그리고, 연산부(130)는 제2 LED에 대응하는 흡광도와 제3 LED에 대응하는 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제1방정식을 획득하고, 제1 LED에 대응하는 흡광도와 제3 LED에 대응하는 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제2 방정식을 획득한다.
그 다음, 연산부(130)는 제1 LED 내지 제3 LED에서 조사된 광의 세기와 광검지부(120)에서 측정된 광의 세기를 제1 방정식 및 제2 방정식에 각각 적용하여 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산한다.
이하에서는 도 2및 도 3을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 비어램버트 법칙이 적용된 비침습적 당화혈색소 측정 방법에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비침습적 당화혈색소 측정 시스템을 이용하여 당화혈색소를 측정하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3은 당화혈색소 측정 시스템을 손가락에 설치한 상태를 나타내는 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 혈당을 비침습적으로 측정하기 위하여 측정 대상자의 신체 일측에는 LED(110)와 광검지부(120)가 서로 대향하도록 설치된다. 여기서, 측정 대상자의 신체 일측은 측정 대상자의 손가락, 손목, 팔목 중 하나를 포함한다.
한편, LED(110)는 적외선(IR)을 발광하는 제1 LED(111), 녹색 색상의 빛을 발광하는 제2 LED(112) 및 붉은 색상의 빛을 발광하는 LED(113)를 포함하며, 제1 LED(111) 내지 제3 LED(113)의 파장값은 서로 상이하다. 즉, 제1 LED(111)는 제1 파장 값(
Figure pat00022
)을 가지고, 제2 LED (112)는 제2 파장 값(
Figure pat00023
)을 가지며, 제3 LED(113)는 제3 파장 값(
Figure pat00024
)을 가진다. 제1 LED(111), 제2 LED(112) 및 제3 LED(113)와 광검지부(120)가 측정 대상자의 신체 일부분에 대향하여 위치한 상태에서, 인가된 전원에 의해 제1 LED(111), 제2 LED(112) 및 제3 LED(113)는 발광된 빛을 광검지부(120) 방향으로 조사한다(S210).
그러면 광검지부(120)는 제1 LED(111), 제2 LED(112) 및 제3 LED(113)로부터 조사되어 투과된 광의 세기를 측정한다. 이때, 제1 LED(111), 제2 LED(112) 및 제3 LED(113)에서 조사되는 파장값이 각각 상이하므로, 광검지부(120)에서 측정된 광의 세기는 LED에 대응하여 각각 상이하게 측정된다.
그 다음, 연산부(130)는 광검지부(120)로부터 측정된 광의 세기 값을 획득한다(S220).
즉, S210 단계에서 측정된 손가락의 특정 지점을 통과한 제1 LED(111), 제2 LED(112) 및 제3 LED(113)의 광의 세기를 광검지부(120)로부터 검출한다.
그 다음, 연산부(130)는 비어램버트 법칙(Beer-Lambert law)을 이용하여 2개의 비율방정식을 획득한다(S230).
부연하자면, 연산부(130)는 제2 LED(112)와 제3 LED(113)를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율과 제1 LED(111)와 제3 LED(113)를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율에 대한 방정식을 비어램버트 법칙을 이용하여 획득한다.
이하에서는 도 4를 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 S230단계를 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 도 2에 도시된 S230단계를 설명하기 위한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 연산부(130)는 비어램버트 법칙을 이용하여 제1 LED(111), 제2 LED(112) 및 제3 LED(113)를 투과시켰을 때의 각각의 흡광도를 수학식으로 표현한다(S231).
여기서 비어램버트 법칙은 다음의 수학식1으로 표현된다.
Figure pat00025
여기서, A는 흡광도, N은 헤모글로빈의 종류 개수,
Figure pat00026
는 몰 흡광계수, c는 광이 투과되는 대상의 몰 농도, d는 광의 투과거리, Io 는 입사되는 광의 세기, I는 투과 후 검지된 광의 세기를 나타낸다.
한편, 혈액은 균일 혼합물로서, 서로 상이한 타입의 헤모글로빈인 옥시 헤모글로빈(Oxy-hemoglobin, HbO), 디옥시 헤모글로빈(Deoxy-hemoglobin, HHb) 및 당화혈색소(Glycated hemoglobin, HbA1c)를 포함하므로, 수학식 1에서 N은 3의 값을 가진다.
따라서, LED 광을 혈액에 투과하였을 때의 흡광도(A)를 하기의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는 디옥시 헤모글로빈의 몰 흡광계수이고,
Figure pat00029
는 디옥시 헤모글로빈의 몰 농도이고,
Figure pat00030
는 옥시 헤모글로빈의 몰 흡광계수이고,
Figure pat00031
는 옥시 헤모글로빈의 몰 농도이고,
Figure pat00032
는 당화혈색소의 몰 흡광계수이고,
Figure pat00033
는 당화혈색소의 몰 농도이고, d는 투광거리를 나타낸다.
한편, 모세혈관의 폭은 혈액의 유입에 따라 확장 및 축소를 반복하므로, LED 광의 투과거리(d)는 혈액 유입에 따라 거리 차가 발생한다. 따라서, 연산부(130)는 변화되는 투과 거리값을 대입하여 하기의 수학식 3으로 표현한다.
Figure pat00034
여기서,
Figure pat00035
는
Figure pat00036
과
Figure pat00037
사이의 차이값을 나타내며,
Figure pat00038
은 혈액이 모세혈관 내에 들어왔을 때의 광의 투과거리를 나타내고,
Figure pat00039
은 혈액이 모세혈관에서 주변으로 나갔을 때의 광의 투과거리를 나타낸다.
즉, 혈액이 모세혈관 내에 유입되고 유출될 경우에 혈관이 팽창과 수축을 반복하게 되므로, 손가락 등의 두께는 미세하게 변하게 된다는 점을 고려하여
Figure pat00040
를
Figure pat00041
과
Figure pat00042
사이의 차이값으로 나타낼 수 있다.
또한,
Figure pat00043
는 손가락의 두께에 대해서도 동일한 방식으로 적용이 가능하다.
이하에서는 도 5a 내지 도 5c를 통하여 혈액 유입에 따라 광의 투과거리가 변화하는 것을 설명한다.
도 5a는 측정 대상자의 신체 일부에 PPG 센서(photoplethysmography sensor)를 부착한 상태에서 광혈류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 혈액이 모세혈관에 들어올 경우의 LED 광의 투과 거리(d1)를 설명하기 위한 도면이고, 도 5c는 혈액이 모세혈관을 통과하여 나갈 경우의 LED 광의 투과 거리(d2)를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a에 나타낸 것처럼, 혈관내 혈액의 흐름에 따라 펄스 값의 크기는 변화하는데, 혈액이 모세혈관 내에 최대로 들어오는 피크(A) 시점에는 펄스 크기는 최대가 된다. 이때 도 5b에 나타낸 것처럼 모세혈관은 팽창하게 되어 LED 광의 투과 거리는 d1과 같이 증가하게 된다.
반면, 도 5a에 나타낸 것처럼, 혈액이 모세혈관에서 최대로 나가게 되는 시점(B)에는 펄스 크기는 최소가 되며, 이때 도 5c에 나타낸 것처럼 모세혈관은 수축하게 되어 LED 광의 투과 거리는 d2와 같이 감소하게 된다.
이와 같이, S231단계가 완료되면, 연산부(130)는 제2 LED(112)와 제3 LED(113)를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제1 방정식(R1)을 획득한다(S232).
즉, 연산부(130)는 S221단계에서 획득한 흡광도에 대한 수학식에 제2 파장(
Figure pat00044
)과 제3파장(
Figure pat00045
)을 대입하여 다음의 수학식 4와 같은 제1 방정식(R1)을 획득한다.
Figure pat00046
여기서,
Figure pat00047
는 제2 파장(
Figure pat00048
)을 가지는 제2 LED를 조사하였을 때
Figure pat00049
상응하는 흡광도, 즉 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
Figure pat00050
는 제3 파장(
Figure pat00051
)을 가지는 제3 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이를 나타낸다.
그 다음, 연산부(130)는 제1 LED(112)와 제3 LED(113)를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제2 방정식(R2)을 획득한다(S233).
즉, 연산부(130)는 S231단계에서 획득한 흡광도에 대한 수학식에 제1 파장(
Figure pat00052
)과 제3파장(
Figure pat00053
)을 대입하여 다음의 수학식 5와 같은 제2 방정식(R2)을 획득한다.
Figure pat00054
여기서,
Figure pat00055
는 제1 파장(
Figure pat00056
)을 가지는 제1 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
Figure pat00057
는 제3 파장(
Figure pat00058
)을 가지는 제3 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이를 나타낸다.
S222단계와 S223단계가 완료되면, 연산부(130)는 획득한 제1 방정식(R1) 및 제2 방정식(R2)에 기 정의된 당화혈색소(HbA1c)의 백분율과 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 백분율을 적용한다(S234).
여기서, 당화혈색소(HbA1c)의 백분율과 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 백분율은 하기의 수학식6으로 표현된다.
Figure pat00059
여기서,
Figure pat00060
는 디옥시 헤모글로빈의 몰 농도이고,
Figure pat00061
는 옥시 헤모글로빈의 몰 농도이고,
Figure pat00062
는 당화혈색소의 몰 농도를 나타낸다.
그리고, 연산부(130)는 기 정의된 당화혈색소(HbA1c)의 백분율과 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 백분율을 하기의 수학식 7와 같이 산화 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00063
), 디옥시 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00064
) 및 당화혈색소의 몰농도(
Figure pat00065
)로 각각 변환시킨다.
Figure pat00066
그 다음, 연산부(130)는 산화 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00067
) 및 디옥시 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00068
)를 수학식 8과 같이 전개한다.
Figure pat00069
그리고, 연산부(130)는 생성된 수학식 8을 이용하여 산화 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00070
)와 디옥시 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00071
)를 수학식 9와 같이 변환한다.
Figure pat00072
그 다음, 연산부(130)는 제1 방정식(R1) 및 제2 방정식(R2)에 변환된 산화 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00073
), 디옥시 헤모글로빈의 몰농도(
Figure pat00074
) 및 당화혈색소의 몰농도(
Figure pat00075
)를 각각 적용하여 수학식 10와 같이 변환한다.
Figure pat00076
여기서,
Figure pat00077
이고,
Figure pat00078
으로 정의된다.
또한,
Figure pat00079
,
Figure pat00080
,
Figure pat00081
)는 각각 제1, 제2 파장, 제3 파장 인가시의 디옥시헤모글로빈의 몰 흡광계수를 나타내고,
Figure pat00082
,
Figure pat00083
,
Figure pat00084
는 각각 제1, 제2 파장, 제3 파장 인가시의 산화 헤모글로빈의 몰 흡광계수를 나타내며,
Figure pat00085
,
Figure pat00086
,
Figure pat00087
는 각각 제1, 제2 파장, 제3 파장 인가시의 당화혈색소의 몰 흡광계수를 나타낸다.
S230단계가 완료되면, 연산부(130)는 광검지부(130)에서 측정된 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 적용하여, 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산한다(S240).
부연하자면, 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)은 비어램버트 법칙에 따라 하기의 수학식 11과 같이 표현된다.
Figure pat00088
여기서,
Figure pat00089
는 제1 파장(
Figure pat00090
)을 가지는 제1 LED를 조사하였을 때의 흡광도,
Figure pat00091
는 제2 파장(
Figure pat00092
)을 가지는 제2 LED를 조사하였을 때의 흡광도,
Figure pat00093
는 제3 파장(
Figure pat00094
)을 가지는 제3 LED를 조사하였을 때의 흡광도, d1과 d2는 각각 혈액이 들어오고 나갈때의 광의 투과 거리를 나타내고, I(d1)와 I(d2)는 각각 d1와 d2에 대응하는 광의 세기를 나타낸다.
수학식 11에서의 제1 방정식(R1)을 전개하면 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure pat00095
즉, I(d1)은 투과거리가 d1 일때 LED의 광 세기를 나타내고, I(d2)는 투과거리가 d2 일때 LED의 광 세기를 나타낸다. 따라서, 제1 방정식(R1)은 제2 파장(
Figure pat00096
)과 제3 파장(
Figure pat00097
)에 대한 식으로 표현될 수 있다.
마찬가지로, 수학식 11에 나타낸 제2 방정식(R2)은 전개되어 수학식 13과 같이 표현된다.
Figure pat00098
따라서, 제2 방정식(R2)은 제1 파장(
Figure pat00099
)과 제3 파장(
Figure pat00100
)에 대한 식으로 표현될 수 있다.
예를 들어 설명하면, 제1 파장(
Figure pat00101
) 값은 525nm이고, 제2 파장(
Figure pat00102
) 값은 660nm이며, 제3 파장(
Figure pat00103
) 값은 950nm이라고 가정한다.
그러면, 각각의 파장에서의 몰 흡광계수를 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대입하면 하기의 수학식 14와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00104
그 다음, 연산부(130)는 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 연립하여, 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 수학식 15과 같이 각각 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대한 식으로 변환한다.
Figure pat00105
수학식 15의 함수(f)에 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)를 적용하면, 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도는 수학식 16로 변환된다.
Figure pat00106
여기서, a내지 l은 양의 실수 값이다.
앞서 예를 들어 설명한 525nm의 크기를 가지는 제1 파장(
Figure pat00107
), 660nm 의 크기를 가지는 제2 파장(
Figure pat00108
) 및 950nm의 크기를 가지는 제3 파장(
Figure pat00109
)에서의 몰 흡광계수가 적용된 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 이용하여 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 산출하면 하기의 수학식 17로 변환된다.
Figure pat00110
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 측정 대상자의 신체에 설치된 광검지부(120)에서 측정된 3개의 LED의 광의 세기를 획득하고, 획득한 각각의 광의 세기값의 비율(R1, R2)을 생성된 수학식 16에 적용하면 당화혈색소(HbA1c)의 농도와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 산출할 수 있다. 그리고, 산출된 당화혈색소(HbA1c)의 농도는 혈당 수준을 추정하는데 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 파장을 가지는 2개의 LED를 투과하였을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 수학식으로 생성하고, 생성된 흡광도에 대한 비율 방정식을 이용하여 미지수, 즉 당화혈색소(HbA1c) 및 동맥혈 산화포화도(SpO2)에 대한 백분율을 도출하기 위하여 3개의 LED를 적용하였으나 이에 한정하지 않고, 신체의 부위 또는 당화혈색소(HbA1c) 및 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도 검출의 정확도를 높이기 위하여 LED의 개수를 추가하여 설치하여도 무방하다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 당화혈색소 측정 시스템은 3개의 서로 다른 파장을 가지는 LED광을 이용하여 비침습적으로 당화혈색소(HbA1C)의 농도를 측정할 수 있으며, 비어램버트 법칙(Beer-Lambert Law)을 이용하여 산출된 LED광의 흡광도를 통하여 정확하고 간편하게 당화혈색소(HbA1C)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 측정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 비침습적 당화혈색소 측정 시스템
110 : 복수의 LED
111 : 제1 LED
112 : 제2 LED
113 : 제3 LED
120 : 광검지부
130 : 연산부

Claims (12)

  1. 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 방법에 있어서,
    서로 다른 제1 내지 제3 파장 값을 가지는 제1 내지 제3 LED를 측정 대상자의 신체 일측에 위치시키고, 대향되는 지점에 광검지부를 위치시킨 상태에서 광을 조사하는 단계,
    상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 각각 획득하는 단계, 그리고
    제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율과 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율, 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 비어램버트 법칙에 적용하여 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 단계를 포함하는 비침습적 당화혈색소 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 단계는,
    상기 제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제1 방정식(R1)을 비어램버트 법칙에 적용하여 획득하는 단계,
    상기 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제2 방정식(R2)을 비어램버트 법칙에 적용하여 획득하는 단계, 그리고
    상기 광검지부에서 측정된 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 적용하여, 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산하는 단계를 포함하는 비침습적 당화혈색소 측정 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)은 각각 다음과 같이 표현되는 비침습적 당화혈색소 측정 방법:
    Figure pat00111

    여기서,
    Figure pat00112
    는 제1 파장(
    Figure pat00113
    )을 가지는 제1 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
    Figure pat00114
    는 제2 파장(
    Figure pat00115
    )을 가지는 제2 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
    Figure pat00116
    는 제3 파장(
    Figure pat00117
    )을 가지는 제3 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이, d1와 d2는 각각 혈액이 들어오고 나갈때의 광의 투과 거리를 나타내고, I(d1)과 I(d2)는 각각 d1와 d2에 대응하는 광의 세기를 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산하는 단계는,
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 아래와 같은 식으로 변환하는 단계,
    Figure pat00118

    상기 변환된 2개의 방정식에 제1 내지 제3 파장 인가시의 디옥시헤모글로빈의 몰 흡광계수(
    Figure pat00119
    ,
    Figure pat00120
    ,
    Figure pat00121
    ), 산화 헤모글로빈의 몰 흡광계수(
    Figure pat00122
    ,
    Figure pat00123
    ,
    Figure pat00124
    ), 당화혈색소의 몰 흡광계수(
    Figure pat00125
    ,
    Figure pat00126
    ,
    Figure pat00127
    )를 대입하는 단계, 그리고
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 연립하여, 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 다음과 같이 각각 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대한 함수식으로 변환하는 단계를 포함하는 비침습적 당화혈색소 측정 방법.
    Figure pat00128

    Figure pat00129
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대한 식으로 변환하는 단계에 있어서,
    상기 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도에 대한 함수식은 다음과 같이 표현되는 비침습적 당화혈색소 측정 방법:
    Figure pat00130

    여기서, a 내지 l은 양의 실수 값이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 측정 대상자의 신체 일측은 상기 측정 대상자의 손가락, 손목, 팔목 중 하나를 포함하는 비침습적 당화혈색소 측정 방법.
  7. 비어램버트 법칙을 이용한 비침습적 당화혈색소 측정 시스템에 있어서,
    서로 다른 제1 내지 제3 파장 값을 가지며, 측정 대상자의 신체 일측에 위치하는 제1 내지 제3 LED,
    상기 제1 내지 제3 LED와 대향되는 지점에 위치하며, 상기 제1 내지 제3 LED로부터 투과된 광의 세기를 측정하는 광검지부, 그리고
    제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율과 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율, 상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 비어램버트 법칙에 적용하여 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 추출하는 연산부를 포함하는 비침습적 당화혈색소 측정 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제2 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제1 방정식(R1)을 비어램버트 법칙에 적용하여 획득하고,
    상기 제1 LED와 제3 LED를 투과시켰을 때 각각의 흡광도에 대한 비율을 나타내는 제2 방정식(R2)을 비어램버트 법칙에 적용하여 획득하며,
    상기 광검지부에서 측정된 상기 제1 내지 제3 LED의 광의 세기를 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 적용하여, 상기 측정 대상자의 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 연산하는 비침습적 당화혈색소 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 각각 다음과 같이 표현되는 비침습적 당화혈색소 측정 시스템:
    Figure pat00131

    여기서,
    Figure pat00132
    는 제1 파장(
    Figure pat00133
    )을 가지는 제1 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
    Figure pat00134
    는 제2 파장(
    Figure pat00135
    )을 가지는 제2 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이,
    Figure pat00136
    는 제3 파장(
    Figure pat00137
    )을 가지는 제3 LED를 조사하였을 때 d1에서의 흡광도와 d2에서의 흡광도 차이, d1와 d2는 각각 혈액이 들어오고 나갈때의 광의 투과 거리를 나타내고, I(d1)과 I(d2)는 각각 d1와 d2에 대응하는 광의 세기를 나타낸다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 아래와 같은 식으로 변환하고,
    Figure pat00138

    상기 변환된 2개의 방정식에 제1 내지 제3 파장 인가시의 디옥시헤모글로빈의 몰 흡광계수(
    Figure pat00139
    ,
    Figure pat00140
    ,
    Figure pat00141
    ), 산화 헤모글로빈의 몰 흡광계수(
    Figure pat00142
    ,
    Figure pat00143
    ,
    Figure pat00144
    ), 당화혈색소의 몰 흡광계수(
    Figure pat00145
    ,
    Figure pat00146
    ,
    Figure pat00147
    )를 대입하고,
    상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)을 연립하여, 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도를 다음과 같이 각각 상기 제1 방정식(R1)과 제2 방정식(R2)에 대한 함수식으로 변환하는 비침습적 당화혈색소 측정 시스템.
    Figure pat00148

    Figure pat00149
  11. 제10항에 있어서,
    상기 당화혈색소(HbA1c)와 동맥혈 산화포화도(SpO2)의 농도에 대한 함수식은 다음과 같이 표현되는 비침습적 당화혈색소 측정 시스템.
    Figure pat00150

    여기서, a 내지 l은 실수 값이다.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 측정 대상자의 신체 일측은 상기 측정 대상자의 손가락, 손목, 팔목 중 하나를 포함하는 비침습적 당화혈색소 측정 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130096701A (ko) * 2010-07-08 2013-08-30 글루코스타츠 시스템 피티이 엘티디 피검자의 혈류에서의 매개 변수를 예측하기 위한 장치 및 방법
US20170215793A1 (en) * 2015-07-19 2017-08-03 Sanmina Corporation System and method for health monitoring using a non-invasive, multi-band biosensor
WO2019184812A1 (en) * 2018-03-27 2019-10-03 Wong Ming Yip Wallace A method of selecting the intensity of a light source for monitoring an analyte in blood, and a device thereof

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