KR20210149375A - 임피던스 측정 장치 및 방법과, 체내 물질 성분 분석 장치 - Google Patents

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

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KR20210149375A
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Abstract

임피던스 측정 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면 임피던스 측정 장치는 복수의 전극이 배열된 전극부, 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하여 제어신호를 발생하는 깊이 제어부, 제어신호에 따라 상기 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결하는 전극 스위치부 및, 전극 클러스터를 통해 측정된 신호를 기초로 대상체의 임피던스를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.

Description

임피던스 측정 장치 및 방법과, 체내 물질 성분 분석 장치{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING IMPEDANCE, AND APPARATUS FOR ANALYZING COMPOSITION IN BODY}
임피던스 측정 장치 및 방법과, 생체 임피던스를 이용하여 체내 물질 성분을 분석하는 체내 물질 성분 분석 장치에 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.
전극 클러스터 기반의 생체 임피던스 측정 장치 및 방법과, 생체 임피던스를 이용하여 체내 물질 성분을 분석하는 장치가 제시된다.
일 양상에 따르면, 임피던스 측정 장치는 복수의 전극이 배열된 전극부, 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하여 제어신호를 발생하는 깊이 제어부, 제어신호에 따라 상기 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결하는 전극 스위치부 및, 전극 클러스터를 통해 측정된 신호를 기초로 대상체의 임피던스를 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.
이때, 대상체의 측정 깊이는 분석하고자 하는 체내 물질 성분의 종류, 측정 부위 및 사용자의 특성 정보 중의 적어도 하나를 기초로 하나 이상 미리 설정될 수 있다.
깊이 제어부는 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정하고, 결정 결과에 따라 제어신호를 발생할 수 있다.
깊이 제어부는 미리 정의된 전극 배열 구조를 더 기초로 상기 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정할 수 있다.
이때, 미리 정의된 전극 배열 구조는 웨너(Wenner) 배열 구조 또는 웨너 슐럼버져(Wenner Schlumberger) 배열 구조일 수 있다.
깊이 제어부는 미리 정의된 전극 모드에 따라 상기 전극 클러스터의 개수를 결정할 수 있다.
전극 클러스터는 하나 이상의 전류 전극 클러스터 및 하나 이상의 전압 전극 클러스터를 포함할 수 있다.
측정부는 전류 전극 클러스터에 전류를 인가하고, 전압 전극 클러스터에 걸리는 전압을 이용하여 대상체의 임피던스를 측정할 수 있다.
측정부는 전압 전극 클러스터에 정전압을 인가하고, 전류 전극 클러스터에 흐르는 전류를 측정하여 대상체의 임피던스를 측정할 수 있다.
전극부의 복수의 전극은 1차원 어레이, 다차원 어레이 또는 전극 스트랩 구조로 배열될 수 있다.
일 양상에 따르면, 임피던스 측정 방법은 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하여 제어신호를 발생하는 단계, 제어신호에 따라 복수의 전극 중 상기 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결하는 단계 및, 전극 클러스터를 통해 측정된 신호를 기초로 대상체의 임피던스를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
제어신호를 발생하는 단계는 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정하고, 결정 결과에 따라 제어신호를 발생할 수 있다.
제어신호를 발생하는 단계는 미리 정의된 전극 배열 구조를 더 기초로 상기 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정할 수 있다.
제어신호를 발생하는 단계는 미리 정의된 전극 모드에 따라 상기 전극 클러스터의 개수를 결정할 수 있다.
전극 클러스터는 하나 이상의 전류 전극 클러스터 및 하나 이상의 전압 전극 클러스터를 포함할 수 있다.
임피던스를 측정하는 단계는 전류 전극 클러스터에 전류를 인가하고, 전압 전극 클러스터에 걸리는 전압을 이용하여 대상체의 임피던스를 측정할 수 있다.
임피던스를 측정하는 단계는 전압 전극 클러스터에 정전압을 인가하고, 전류 전극 클러스터에 흐르는 전류를 측정하여 대상체의 임피던스를 측정할 수 있다.
일 양상에 따르면, 체내 물질 성분 분석 장치는 대상체의 측정 깊이에 따라 복수의 전극들 중에서 전극 클러스터를 구성하고, 상기 구성된 전극 클러스터의 전극들을 신호선에 연결하며, 상기 전극 클러스터를 이용하여 대상체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 센서 및, 측정된 임피던스를 기초로 대상체의 체내 물질 성분을 분석하는 프로세서를 포함할 수 있다.
프로세서는 체내 물질 성분 분석 요청이 수신되면 대상체의 측정 깊이를 하나 이상 선택하고, 선택된 측정 깊이에 따라 임피던스 측정 센서를 제어할 수 있다.
이때, 체내 물질 성분은 체지방률, 체수분, 혈당, 콜레스테롤, 중성지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전극 클러스터 기반으로 높은 깊이 해상도를 갖는 생체 임피던스를 측정하고, 이를 통해 체내 물질 성분 분석의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 임피던스 측정 장치의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 일반적인 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 실시예들에 따른 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 임피던스 측정 방법의 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
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.
도 1은 일 실시예에 따른 임피던스 측정 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 임피던스 측정 장치(100)는 전극부(110), 깊이 설정부(120), 전극 스위치부(130) 및 측정부(140)를 포함할 수 있다.
전극부(110)는 대상체가 접촉하는 복수의 전극(111)이 배열될 수 있다. 이때, 각 전극(111)은 일반적인 전극 크기에 비해 상대적으로 작은 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 전극부(110)는 복수의 전극(111)이 1차원 어레이 구조 또는 1차원 어레이가 복수 개로 이루어진 다차원 어레이 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 전극부(110)는 모든 전극(111)을 픽셀화 하여 스트립(strip) 전극 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 전극부(110)가 다양한 형태의 전극 구조를 갖도록 형성됨으로써 다양한 방향의 다양한 전극 조합을 사용하여 깊이 정보를 검출하는 것이 가능하다.
깊이 제어부(120)는 대상체의 측정 깊이에 따라 전극부(110)의 전극들 중에서 적어도 일부를 선택하여 소정 개수의 전극 단위로 전극 클러스터를 구성하고, 구성된 전극 클러스터에 따라 제어신호를 발생할 수 있다. 이때, 대상체는 사용자의 생체 부위일 수 있으며, 예컨대 사람의 신체 부위로서 손목, 손가락, 손등, 복부, 흉부, 목, 귀 등의 다양한 부위를 포함하는 것으로 특별히 제한되지 않는다. 대상체의 측정 깊이는 대상체로부터 분석하고자 하는 체내 물질 성분의 종류, 대상체의 측정 부위 또는 사용자별 특성 정보 등에 따라 하나 이상 미리 설정될 수 있다. 이때, 사용자별 특성 정보는 사용자의 성별, 연령, 건강 상태, 측정 부위의 두께(예: 손목 두께) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 깊이 제어부(120)는 대상체의 측정 깊이에 따라 전극부(110)의 복수의 전극(111) 중에서 임피던스 측정에 활용할 전극 클러스터(ec1, ec2,ec3,ec4)를 구성할 수 있다. 깊이 제어부(120)는 미리 정의된 전극 모드에 따라 구성할 전극 클러스터의 개수를 결정할 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이 4 전극 모드로 임피던스 측정을 하는 경우 4개의 전극 클러스터(ec1, ec2,ec3,ec4)를 구성할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니므로 2 전극 모드로 임피던스 측정을 하는 경우 두 개의 전극 클러스터를 구성할 수 있다. 이때, 전극 모드는 어느 하나의 전극 모드로 미리 설정되거나, 임피던스 측정시마다 동적으로 설정되는 것도 가능하다. 이하, 설명의 편의상 4 전극 모드로 임피던스를 측정하는 예를 설명한다.
깊이 제어부(120)는 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터의 폭 및/또는 전극 클러스터 간의 갭(gap)을 결정할 수 있다. 이때, 전극 클러스터의 폭은 각 전극 클러스터 내에 포함될 전극의 개수를 의미할 수 있다. 또한, 전극 클러스터 간의 갭은 인접하는 전극 클러스터 사이에 존재하는 전극 개수를 의미할 수 있다.
깊이 제어부(120)는 이와 같이 결정된 전극 클러스터의 폭 및/또는 전극 클러스터 간 갭을 기초로 복수의 전극(111)들 중에서 일부 전극들을 선택하여 전류 전극 클러스터(예: ec1, ec4) 및 전압 전극 클러스터(예: ec2,ec3)를 구성할 수 있다.
깊이 제어부(120)는 미리 정의된 전극 배열 구조를 더 고려하여 복수의 전극(111) 중에서 전극 클러스터를 구성할 전극을 선택하고, 선택된 전극들을 이용하여 전류 전극 클러스터(예: ec1, ec4) 및 전압 전극 클러스터(예: ec2,ec3)를 구성할 수 있다. 이때, 미리 정의된 전극 배열 구조는 웨너(Wenner) 배열 구조 또는 웨너 슐럼버져(Wenner Schlumberger) 배열 구조를 포함할 수 있다.
깊이 제어부(120)는 전극 스위치부(130)의 신호선에 연결되며, 구성된 전극 클러스터의 전극들이 신호선에 연결되도록 제어신호를 전극 스위치부(130)에 전달할 수 있다.
전극 스위치부(130)는 깊이 제어부(120)로부터 수신된 제어신호를 기초로 각 전극 클러스터 내의 전극들을 전기적으로 신호선에 연결하고, 갭(gap)으로 사용될 전극 즉 복수의 전극(111) 중 선택되지 않은 전극들을 플롯(float) 상태로 유지할 수 있다. 이때, 전극 스위치부(130)는 교차점 스위치(cross-point switch)를 포함할 수 있다.
측정부(140)는 전극 스위치부(130)의 신호선에 연결될 수 있다. 측정부(140)는 구성된 전극 클러스터를 이용하여 대상체의 임피던스를 측정할 수 있다. 예를 들어 측정부(140)는 전류 전극 클러스터에 전류를 인가 또는 추출하고, 각 전압 전극 클러스터에 걸리는 전압을 측정하여 임피던스를 측정할 수 있다. 또는, 측정부(140)는 전압 전극 클러스터에 정전압을 인가하고, 전류 전극 클러스터에 흐르는 전류를 측정하여 임피던스를 측정할 수 있다. 측정부(140)는 교류 전류를 인가하는 전류원 및 전압을 측정하는 전압계를 포함할 수 있다.
측정부(140)는 깊이 제어부(120)가 측정 깊이를 조절하면서 다양한 전극 클러스터를 구성함에 따라 다양한 깊이의 임피던스를 측정할 수 있다. 또한, 측정부(140)는 소정 대역(예: 1 kHz ~ 수백 MHz)에서 입력 전류의 주파수를 변경해 가면서 복수의 임피던스를 측정할 수도 있다.
도 2a 및 도 2b는 일반적인 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 3a 내지 도 3d는 실시예들에 따른 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 내지 도 3d를 참조하여 실시예들에 따른 전극 클러스터 구성을 설명한다.
본 실시예에 따르면 전기비저항법(Resistivity Method)을 인체 피부의 생체 임피던스 측정에 적용하여 피부 레이어별 임피던스를 측정할 수 있다. 일반적으로 전기비저항법은 웨너 측정법과 웨너 슐럼버져 측정법을 포함한다. 전기비저항법을 지표면에 적용하는 경우에는 탐침의 간격을 자유롭게 변화시켜서 측정 깊이를 자유롭게 변화시키는 것이 가능하나, 인체에 적용하는 경우에는 고정된 간격을 갖는 전극을 사용하므로 측정 깊이가 제한되게 된다.
도 2a는 일반적인 웨너 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다. 웨너 전극 구조는 가운데 2개의 전압 전극(21a,21b)과 바깥의 2개의 전류 전극(22a,22b)들 사이의 갭이 모두 동일하게 설정되는 구조를 의미한다. 웨너 전극 구조에서 전극간 갭을 증가시켜 감에 따라 측정 깊이를 증가시킬 수 있다. 예컨대, (1) 제1 깊이 측정을 진행하는 경우, 전극간 간격을 g, 전극 폭을 w라 할 때, 전극 간 갭(Gap1)은 g-w가 된다. (2) 제2 깊이 측정을 진행하는 경우, 전극간 갭(Gap2)은 3g-w가 된다. 따라서, 측정 깊이를 제1 깊이에서 제2 깊이로 증가시키기 위해서 전극간 갭은 2g 단위로 커지게 된다. 전극 폭(w)은 전극 간 간격(g)보다 클 수 없으므로 전극 간 갭이 증가하는 최소 단위 즉, 깊이 해상도(depth resolution)(ΔGap=Gap2-Gap1=2g)는 2w 보다 작아질 수 없다. 따라서, 측정 깊이는 전극 간 갭의 대략 절반 정도로 깊어지므로 깊이 해상도는 약 w가 된다.
도 2b는 일반적인 웨너 슐럼버져 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다. 웨너 슐럼버져 전극 구조는 가운데 2개의 전압 전극(21a,21b) 간의 갭은 동일하게 유지하고, 바깥의 2개의 전류 전극(22a,22b)들은 인접하는 전압 전극과의 갭을 증가시키는 구조를 의미한다. 예컨대, (1) 제1 깊이 측정을 진행하는 경우, 전극간 간격을 g, 전극 폭을 w라 할 때, 전극 간 갭(Gap1)은 g-w가 된다. (2) 제2 깊이 측정을 진행하는 경우, 전극간 갭(Gap2)은 2g-w가 된다. 따라서, 측정 깊이를 제1 깊이에서 제2 깊이로 증가시키기 위해서 전극 간 갭이 증가하는 최소 단위(즉, 깊이 해상도=ΔGap=Gap2-Gap1=g)는 w 보다 작아질 수 없다.
이와 같이, 일반적으로 웨너 전극 배열 구조와 웨너 슐럼버져 전극 구조에서 전극 폭 w에 의해 깊이 해상도가 제한을 받게 된다. 하지만, 본 실시예에 따르면 전압 전극과 전류 전극을 복수의 전극들의 합인 클러스터 전극으로 바꾸어 전체 전극 면적을 크게 하면서도 전극 간 갭을 미세하게 변화시킬 수 있다. 따라서, 접촉 저항을 감소시켜 높은 신호대 잡음비(Signal to Noise, SNR)를 얻을 수 있으며, 깊이별 해상도를 높이는 것이 가능하다.
도 3a는 일 실시예에 따른 웨너 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다. 클러스터 전극 기반의 웨너 전극 구조에서 유효 전극 폭(geff)은 각 클러스터 전극(31a,31b,32a,32b)의 작은 전극들의 폭의 합(g×nc)으로 이루어진다. 여기서, nc는 각 클러스터 전극(31a,31b,32a,32b) 내에 포함된 작은 전극들의 개수를 의미할 수 있다. 또한, 전극 간 갭은 작은 전극들 단위로 변화하므로 전극 폭을 넓게 유지하면서도 깊이 해상도를 증가시킬 수 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 (1) 제1 깊이 측정에서의 전극 간 갭(Gap1)은 g-w이고, (2) 제2 깊이 측정에서의 전극 간 갭(Gap2)은 3g-w로서, 전극 간 갭을 2g로 변화시키면서 유효 전극 폭은 g×nc로 유지할 수 있다.
도 3b는 일 실시예에 따른 웨너 슐럼버져 전극 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도시된 바와 같이 (1) 제1 깊이 측정에서의 전극 간 갭(Gap1)은 g-w이고, (2) 제2 깊이 측정에서의 전극 간 갭(Gap2)은 2g-w로서, 전극 간 간격을 g로 변화시키면서 유효 전극 폭은 g×nc로 유지할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면 전극 면적과 무관하게 전극간 간격을 자유롭게 변화시키는 것이 가능하다.
도 3c를 참조하면, 전극 스위치부(130)는 다대다(multi-to-multi) 입출력이 가능한 교차점 스위치로 형성될 수 있다. 설명의 편의를 위해 두 개의 전극 클러스터(31a,31b)가 예시되어 있으나 전극 모드에 따라 다양한 개수의 전극 클러스터로 구성될 수 있음은 앞에서 설명한 바 있다. X축 신호선(X1~X12)들은 전극부(110)의 각 전극들과 깊이 제어부(120)와 연결될 수 있다. 또한, Y축 신호선(Y1,Y2)들은 측정부(140)에 연결될 수 있다.
깊이 제어부(120)가 전극 클러스터(31a,31b)들을 구성하고 제어신호를 발생하면, 전극 스위치부(130)는 제1 전극 클러스터(31a)의 전극들에 연결된 X축 신호선(X3~X6)들의 스위치를 온(On)하여 Y축 신호선(Y1)과 연결하고, 제2 전극 클러스터(32a)의 전극들에 연결된 X축 신호선(X9~X12)들의 스위치를 온(On)하여 Y축 신호선(Y2)과 연결할 수 있다. 또한, 나머지 X축 신호선(X1,X2,X7,X8)들은 스위치를 오프(Off)하여 Y축 신호선(Y1,Y2)들과의 연결을 차단할 수 있다. 측정부(140)는 Y축 신호선(Y1,Y2)을 통해 전류 인가 및 전압 신호를 수신할 수 있다.
도 3d는 실시예들에 따른 전극부(110)의 전극 배열 구조를 예시한 것이다. 전술한 바와 같이 전극부(110)의 복수의 전극은 1차원 어레이(예컨대 도 3d의 (1)에서 제1 전극열만 형성된 경우)로 형성될 수 있다. 또는, 도 3d의 (1)과 같이 1차원 전극열(제1 전극열, 제2 전극열, 제3전극열)이 복수 개 배열된 다차원 어레이로 형성될 수 있다. 또는, (2)와 같이 복수의 전극을 픽셀화 하여 스트립(strip) 전극 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같이 전극부(110)가 다양한 형태의 전극 배열 구조를 갖도록 형성됨으로써 다양한 방향의 다양한 전극 조합을 사용하여 복수의 깊이 정보를 검출할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 임피던스 측정 방법의 흐름도이다. 도 4는 도 1의 임피던스 측정 장치(100)에 의해 수행되는 생체정보 추정 방법의 일 실시예이다. 앞에서 자세히 설명하였으므로 이하 간단하게 기술한다.
먼저, 임피던스 측정 장치(100)는 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하여 제어신호를 발생할 수 있다(410). 대상체의 측정 깊이는 분석하고자 하는 체내 물질 성분의 종류, 대상체의 측정 부위 또는 사용자별 특성 정보 등을 기초로 하나 이상 설정될 수 있다. 대상체의 측정 깊이, 전극 모드, 전극 배열 구조 등에 따라 전극 클러스터의 개수, 전극 클러스터 폭 및/또는 전극 클러스터 간의 갭을 결정하고, 결정 결과에 따라 복수의 전극 중에서 일부의 전극들을 선택하여 전극 클러스터를 구성할 수 있다.
그 다음, 제어신호에 따라 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결할 수 있다(420). 임피던스 측정 장치(100)는 전극 클러스터 내의 전극들은 예컨대 교차점 스위치를 사용하여 신호선에 연결하고, 전극 클러스터 이외의 전극 즉, 갭으로 사용되는 전극들은 스위치를 차단하여 플롯 상태로 유지할 수 있다.
그 다음, 전극 클러스터를 이용하여 대상체의 임피던스를 측정할 수 있다(430). 예를 들어, 임피던스 측정 장치(100)는 전류 전극 클러스터에 전류를 인가하고, 전압 전극 클러스터에 걸리는 전압을 측정하여 임피던스를 측정할 수 있다. 또는, 그 반대로 전압 전극 클러스터에 정전압을 인가하고 전류 전압 클러스터에서 전류를 측정하여 임피던스를 측정할 수도 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
체내 물질 성분 분석 장치(500)의 실시예들은 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 5를 참조하면, 체내 물질 성분 분석 장치(500)는 임피던스 측정 센서(510) 및 프로세서(520)를 포함한다. 임피던스 측정 센서(510)와 프로세서(520)는 하나의 하드웨어에 일체로 형성될 수 있다. 또는, 임피던스 측정 센서(510)와 프로세서(520)는 별도의 하드웨어로 분리 형성될 수 있으며 전기적으로 또는 유무선 통신으로 연결될 수 있다.
임피던스 측정 센서(510)는 도 1의 임피던스 측정 장치(100)의 일 실시예로 앞에서 자세히 설명한 바 있으므로 이하 간단하게 설명한다.
임피던스 측정 센서(510)는 복수의 전극이 1차원 어레이 또는 다차원 어레이, 스트립 전극 구조 등의 다양한 형태로 배열되는 전극부와, 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하는 깊이 제어부를 포함할 수 있다. 또한, 깊이 제어부의 제어신호에 따라 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결하고, 전극 클러스터 이외의 전극들을 신호선에서 분리하는 전극 스위치부를 포함할 수 있다. 또한, 임피던스 측정 센서(510)는 구성된 전극 클러스터를 이용하여 대상체로부터 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스를 프로세서(520)에 전달하는 측정부를 포함할 수 있다.
프로세서(520)는 임피던스 측정 센서(510)와 연결되며 체내 물질 성분 분석 요청에 따라 임피던스 측정 센서(510)를 제어할 수 있다. 체내 물질 성분 분석 요청은 사용자의 입력이나 장치(500)에 미리 설정된 주기 등에 따라 발생할 수 있다. 이때, 체내 물질 성분은 체지방률, 체수분, 혈당, 콜레스테롤, 중성지방, 단백질 및 요산 등을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 프로세서(520)는 체내 물질 성분 분석 요청이 수신되면, 미리 정의된 복수의 측정 깊이 중에서 체내 물질 성분의 종류, 사용자의 측정 부위나 사용자의 특성 정보 등을 기초로 하나 이상 선택할 수 있다. 이때, 복수의 측정 깊이는 체내 물질 성분의 종류별로 복수의 사용자들을 대상으로 전처리 과정을 통해 획득될 수 있다. 또한, 손목, 손등, 복부, 귀, 목, 발등 등과 같이 측정 부위별로 혈관의 깊이는 상이할 수 있으므로 각 측정 부위별로 설정될 수 있다. 또한, 사용자의 연령, 성별, 건강 상태, 대상체 측정 부위의 두께 등의 특성을 반영하기 위해 전처리를 통해 사용자별로 개인화된 측정 깊이를 획득할 수 있다. 사용자의 개인화된 측정 깊이는 캘리브레이션 주기 또는 사용자의 요청에 따라 다시 획득될 수 있다.
프로세서(520)는 임피던스 측정 센서(510)의 깊이 제어부에 측정 깊이 정보를 전달할 수 있다. 프로세서(520)는 체내 물질 성분 분석을 위해 복수의 측정 깊이에서 임피던스를 획득하고자 하는 경우, 임피던스 측정 센서(510)의 깊이 제어부에 제1 측정 깊이 정보를 전달하고, 임피던스 측정 센서(510)의 측정부로부터 제1 측정 깊이에 대한 임피던스 정보를 수신하면, 제2 측정 깊이 정보를 깊이 제어부에 전달할 수 있다. 이와 같이 측정 깊이를 변경해 가면서 복수의 임피던스를 획득할 수 있다.
프로세서(520)는 임피던스 측정 센서(510)의 측정부로부터 임피던스 값을 수신하고, 수신된 임피던스 값을 기초로 체내 물질 성분을 분석할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(520)는 임피던스 값과 체내 물질 성분 간의 상관 관계를 선형 또는 비선형 관계식으로 정의한 분석 모델을 이용하여 체내 물질 성분값을 획득할 수 있다. 이때, 분석 모델은 선형 함수식, 선형/비선형 회귀분석(linear/nonlinear regression analysis), 신경망(neural network), 딥러닝(deep learning) 등의 다양한 방법을 통해 정의될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 프로세서(520)는 측정된 임피던스를 미리 정의된 등가회로로 모델링하여 체내 물질 성분의 물리적 특성과 관련된 파라미터를 추출하고, 추출된 파라미터와 체내 물질 성분 간의 상관 관계를 정의한 분석 모델을 이용하여 체내 물질 성분을 추정할 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 체내 물질 성분 분석 장치의 블록도이다.
도 6을 참조하면, 체내 물질 성분 분석 장치(600)는 임피던스 측정 센서(510), 프로세서(520), 출력부(610), 저장부(620) 및 통신부(630)를 포함할 수 있다. 임피던스 측정 센서(510) 및 프로세서(520)에 대해서는 앞에서 자세히 설명한 바 있으므로 이하 생략한다.
출력부(610)는 프로세서(520)의 처리 결과를 사용자에게 제공할 수 있다. 일 예로, 출력부(610)는 디스플레이를 이용하여 시각적으로 사용자에게 처리 결과를 제공할 수 있다. 출력부(610)는 디스플레이를 둘 이상의 영역으로 분리하여 제1 영역에 분석에 이용된 임피던스 정보 등을 출력하고, 제2 영역에는 분석 결과를 출력할 수 있다. 또한, 제2 영역에는 소정 기간 동안의 분석 이력 데이터를 그래프 형태로 출력할 수도 있으며, 사용자가 그래프에서 어느 한 시점의 분석 결과를 선택하면 제1 영역에 선택된 시점의 체내 물질 성분 분석을 위해 사용된 정보들을 출력할 수 있다. 이때, 체내 물질 성분의 추정값이 정상 범위를 벗어나면 사용자가 쉽게 인식할 수 있도록 그 추정값을 나타내는 색깔이나 선의 굵기 등을 조절하거나 정상 범위를 함께 표시함으로써 사용자에게 경고 정보를 제공할 수 있다. 다른 예로, 출력부(610)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(620)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 캘리브레이션 주기, 캘리브레이션 판단 기준, 다양하게 분류된 측정 깊이, 분석 모델 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
저장부(620)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(630)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(630)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 7은 일 실시예에 따른 웨어러블 기기를 도시한 도면이다. 도 7은 사용자의 손목에 착용하는 스마트 워치(smart watch) 또는 스마트 밴드와 같은 웨어러블 기기를 나타낸 것이다. 웨어러블 기기(700)는 도 5 및 도 6의 체내 물질 성분 분석 장치(500,600)의 다양한 실시예들을 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 웨어러블 기기(700)는 본체(710) 및 스트랩(720)을 포함한다. 체내 물질 성분 분석 장치(500,600)의 각종 구성들은 본체(710)에 장착될 수 있다.
본체(710)는 스트랩(720)에 의해 사용자의 손목에 착용될 수 있다. 본체(710)는 웨어러블 기기(700)의 다양한 기능들을 수행하는 각종 모듈을 포함할 수 있다. 본체(710) 또는 스트랩(720)의 내부에는 각종 모듈에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다. 스트랩(720)은 본체(710)에 연결될 수 있다. 스트랩(720)은 사용자의 손목을 감싸는 형태로 구부려질 수 있도록 플렉시블(flexible)하게 형성될 수 있다. 스트랩(720)은 서로 분리된 제1 스트랩과 제2 스트랩으로 구성될 수 있다. 제1 스트랩과 제2 스트랩의 일단부는 각각 본체(710)의 양측에 연결되고, 제1 스트랩과 제2 스트랩의 타단부에 형성된 결합수단을 이용하여 서로 체결될 수 있다. 이때, 결합수단은 자석 결합, 벨크로(velcro) 결합, 핀 결합 등의 방식으로 형성될 수 있으며 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 스트랩(720)은 밴드와 같이 서로 분리되지 않는 일체로 형성될 수도 있다.
본체(710)에는 사용자의 손목 부위에서 임피던스를 획득하는 임피던스 측정 센서가 장착될 수 있다. 임피던스 측정 센서는 복수의 전극이 배열된 전극부를 포함하고, 대상체의 측정 깊이에 따라 복수의 전극들 중에서 일부를 클러스터 단위로 선태하여 전극 클러스터를 구성할 수 있다. 또한, 구성된 전극 클러스터를 이용하여 임피던스를 측정할 수 있다. 이때, 임피던스 측정 센서는 대상체의 측정 깊이, 전극 모드, 전극 배열 구조 등에 따라 전극 클러스터 내의 전극 개수, 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭 등을 조절할 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. 또한, 프로세서는 카메라 모듈로부터 수신된 이미지를 분석하여 대상체의 측정 부위를 결정할 수 있으며, 결정된 측정 부위에 따른 최적의 측정 깊이를 결정할 수 있다.
프로세서는 임피던스 측정 결과를 이용하여 체내 물질 성분을 분석할 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.
100: 임피던스 측정 장치
110: 전극부 120: 깊이 제어부
130: 전극 스위치부 140: 측정부
500: 체내 물질 성분 분석 장치
510: 임피던스 측정 센서 520: 프로세서
610: 출력부 620: 저장부
630: 통신부
700: 웨어러블 기기 710: 본체
714: 표시부 715: 조작부
720: 스트랩

Claims (20)

  1. 복수의 전극이 배열된 전극부;
    대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하여 제어신호를 발생하는 깊이 제어부;
    상기 제어신호에 따라 상기 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결하는 전극 스위치부; 및
    상기 전극 클러스터를 통해 측정된 신호를 기초로 대상체의 임피던스를 측정하는 측정부를 포함하는 임피던스 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 대상체의 측정 깊이는
    분석하고자 하는 체내 물질 성분의 종류, 측정 부위 및 사용자의 특성 정보 중의 적어도 하나를 기초로 하나 이상 미리 설정되는 임피던스 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 제어부는
    대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정하고, 결정 결과에 따라 상기 제어신호를 발생하는 임피던스 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 깊이 제어부는
    미리 정의된 전극 배열 구조를 더 기초로 상기 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정하는 임피던스 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미리 정의된 전극 배열 구조는 웨너(Wenner) 배열 구조 또는 웨너 슐럼버져(Wenner Schlumberger) 배열 구조인 임피던스 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 제어부는
    미리 정의된 전극 모드에 따라 상기 전극 클러스터의 개수를 결정하는 임피던스 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극 클러스터는
    하나 이상의 전류 전극 클러스터 및 하나 이상의 전압 전극 클러스터를 포함하는 임피던스 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 측정부는
    상기 전류 전극 클러스터에 전류를 인가하고, 상기 전압 전극 클러스터에 걸리는 전압을 이용하여 대상체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 측정부는
    상기 전압 전극 클러스터에 정전압을 인가하고, 상기 전류 전극 클러스터에 흐르는 전류를 측정하여 대상체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전극부의 복수의 전극은 1차원 어레이, 다차원 어레이 또는 전극 스트랩 구조로 배열되는 임피던스 측정 장치.
  11. 대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터를 구성하여 제어신호를 발생하는 단계;
    상기 제어신호에 따라 복수의 전극 중 상기 전극 클러스터 내의 전극들을 신호선에 연결하는 단계; 및
    상기 전극 클러스터를 이용하여 대상체의 임피던스를 측정하는 단계를 포함하는 임피던스 측정 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어신호를 발생하는 단계는
    대상체의 측정 깊이에 따라 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정하고, 결정 결과에 따라 상기 제어신호를 발생하는 임피던스 측정 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어신호를 발생하는 단계는
    미리 정의된 전극 배열 구조를 더 기초로 상기 전극 클러스터의 폭 및 전극 클러스터 간의 갭을 결정하는 임피던스 측정 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제어신호를 발생하는 단계는
    미리 정의된 전극 모드에 따라 상기 전극 클러스터의 개수를 결정하는 임피던스 측정 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 전극 클러스터는
    하나 이상의 전류 전극 클러스터 및 하나 이상의 전압 전극 클러스터를 포함하는 임피던스 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 임피던스를 측정하는 단계는
    상기 전류 전극 클러스터에 전류를 인가하고, 상기 전압 전극 클러스터에 걸리는 전압을 이용하여 대상체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 임피던스를 측정하는 단계는
    상기 전압 전극 클러스터에 정전압을 인가하고, 상기 전류 전극 클러스터에 흐르는 전류를 측정하여 대상체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 방법.
  18. 대상체의 측정 깊이에 따라 복수의 전극들 중에서 전극 클러스터를 구성하고, 상기 구성된 전극 클러스터의 전극들을 신호선에 연결하며, 상기 전극 클러스터를 이용하여 대상체의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정 센서; 및
    상기 측정된 임피던스를 기초로 대상체의 체내 물질 성분을 분석하는 프로세서를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 프로세서는
    체내 물질 성분 분석 요청이 수신되면 대상체의 측정 깊이를 하나 이상 선택하고, 선택된 하나 이상의 측정 깊이에 따라 상기 임피던스 측정 센서를 제어하는 체내 물질 성분 분석 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 체내 물질 성분은
    체지방률, 체수분, 혈당, 콜레스테롤, 중성지방, 단백질 및 요산 중의 적어도 하나를 포함하는 체내 물질 성분 분석 장치.
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