KR20220105617A

KR20220105617A - 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20220105617A
Application number: KR1020220008639A
Authority: KR
Inventors: 이기진; 이정하
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2022-07-27

Abstract

본 발명은 체성분을 측정하는 기술에 관한 것으로, 체성분 측정 장치는, 대상체에 전자기파를 조사하는 전자기파 소스(source), 측정 표면을 갖고 측정 표면의 상부에 위치한 대상체 내의 성분에 따라 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서, 센서의 하부에 빛을 조사하여 센서와 반응시키는 광 소스 및 센서로부터 반사되는 빛을 수신하여 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 광 센서를 포함한다.

Description

광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for noninvasively measuring body composition using optical sensor}

본 발명은 체성분을 측정하는 기술에 관한 것으로, 특히 상처를 내지 않는 비침습(non-invasive) 방식으로 혈당이나 염화나트늄 농도와 같은 대상체 내의 성분을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

당뇨병은 인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이루어지지 않는 등의 대사질환의 일종으로, 혈중 포도당의 농도가 높아지는 고혈당을 특징으로 하며, 고혈당으로 인하여 여러 증상 및 징후를 일으키고 소변에서 포도당을 배출하게 된다. 이러한 당뇨병을 비롯하여 많은 질환의 경우 혈당을 통해 건강의 이상을 확인할 수 있기에, 상당수의 의료 진단에 혈당 측정이 수반되는 경우가 많다.

현재 이용되고 있는 통상적인 혈당 측정 장치로서 환자로부터 혈액을 채취하여 혈당을 측정하는 채혈 혈당 측정 장치가 있다. 채혈 혈당 측정 장치는 약국에서 간편하게 시험지를 구입할 수 있고 채혈을 통하여 혈당을 측정할 수 있는 기구로서 일반인도 가정에서 손쉽게 혈당량을 확인함으로써 당뇨를 관리할 수 있는 기구이다. 그러나, 이 기구는 혈당을 측정할 때마다 매번 채혈을 해야 하고, 채혈 부위의 감염을 막기 위한 추가적인 소독이 필요하며, 채혈시 바늘을 사용해야만 한다는 점에서 통증과 위생상의 문제가 수반된다.

한편, 최근 몇 년간 유기 분자를 포함하는 전해질 및 혈액을 포함하는 생물학적 용액을 매우 민감하고 안정적으로 감지하는 기술이 널리 주목받고 있다. 예를 들어, 혈액의 포도당 농도와 의학의 생물학적 액체에 대한 비접촉 및 비침습적 모니터링을 개발하기 위해 광범위한 연구가 수행되고 있다. 또한, 마이크로파 기반의 측정 기술이 개발 및 적용되어 화학, 지질, 산업 공정 및 생명 과학뿐만 아니라 생체 시스템에서 필수적인 역할을 하는 염화나트륨(NaCl)과 같은 수용액의 전해질 농도를 결정할 수 있다. 혈액, 눈물, 땀, 소변 및 타액과 같은 생체 유체는 질병 특이적 바이오마커(biomarker)를 제공하는 주요 소스이다. 이러한 생체 유체는 대사 산물과 미네랄(나트륨, 염화물, 칼륨, 마그네슘, 아연, 철, 칼슘, 구리 또는 인산염 등)으로 구성된다. 이러한 화합물을 감지할 수 있는 민감한 단일 표적 센서는 건강 상태를 반영할 수 있다. 예를 들어, 이러한 화합물 중 수용액에서 염화나트륨의 농도를 감지하면 인간 조직의 물-염 균형, 수화 수준 및 기타 건강 진단에 관한 중요한 정보를 제공할 수 있다. 이와 같이, 고도로 정확하고 실제적인 센서의 설계 및 제작은 현대 과학에서 어려운 과제 중 하나이다.

앞서 살펴본 혈당 측정의 경우에도, 채혈 방식에 의한 혈당측정 장치의 대안으로서, 최근 전파를 환자의 신체 일부에 조사한 후 반응에 의한 신체의 변화를 반사 전파를 이용 환자의 혈당수치를 측정하는 기술이 하기의 선행기술문헌과 같이 제안된 바 있다. 이 기술은 채혈 없이 환자의 혈당수치를 간편하게 정량적으로 계량화하는 장점이 있으나, 여전히 측정의 정확도나 재현성이 떨어지고 측정오차가 많아 혈당측정에 대한 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다. 따라서, 혈당과 같은 체성분을 측정함에 있어서, 보다 편안하고 사용하기 쉬우면서도 신뢰도가 높은 비침습 방식의 측정 기술이 요구된다.

한국등록특허공보 제10-1184420호, "비-침습 센서를 이용한 혈당 측정 장치 및 방법"

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 채혈 방식의 혈당 측정 기술과 같이 침습적인 체성분 검사 과정에서의 통증과 비위생의 불편함을 해소하고, 전파를 이용한 비침습적인 혈당 측정 기술이 낮은 정확도 내지 재현성의 한계를 극복하며, 측정 환경에서의 다양한 변수로 인해 측정값의 오차가 커지는 약점을 해결하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 체성분 측정 장치는, 대상체에 전자기파를 조사하는 전자기파 소스(source); 측정 표면을 갖고 상기 측정 표면의 상부에 위치한 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서; 상기 센서의 하부에 빛을 조사하여 상기 센서와 반응시키는 광 소스; 및 상기 센서로부터 반사되는 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 광 센서;를 포함한다.

일 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 전자기파 소스는, 마이크로파 근접장(microwave near-field) 영역에서 상기 대상체 내의 성분의 손실 특성에 따라 상기 대상체를 가열하고, 상기 대상체 내의 성분의 농도에 따라 강도가 변화하는 마이크로파 근접장 분포를 형성할 수 있다.

일 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 센서는, 상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성되어 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)가 나타난다.

일 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 센서는, 유리, 폴리머 및 단결정 물질 중 어느 하나의 열탄성(thermo-elastic) 매체로 구성되어 상기 대상체로부터 전달된 열 에너지에 의해 열응력을 형성하는 기판; 및 상기 전자기파에 의한 열을 상기 기판에 전달하도록 상기 기판에 형성된 박막;을 포함할 수 있다. 또한, 상기 센서는, 상기 대상체가 위치하는 상기 측정 표면에 인접하여 반사광의 노이즈를 감소시키고 반사 강도를 향상시키는 세라믹 판(ceramic plate); 및 상기 세라믹 판 및 상기 박막 사이에 이격된 거리가 형성되어 직접적인 열 전달을 차단하는 에어 갭(air gap);을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 광 소스는, 제 1 편광된 빛을 생성하여 상기 센서에 입사시키고, 광탄성 효과가 나타나는 상기 센서와 반응하여 상기 제 1 편광된 빛을 제 2 편광된 빛으로 변화시켜 반사하도록 유도할 수 있다. 또한, 상기 제 1 편광된 빛은 원형 편광된(circularly polarized) 빛이고, 상기 제 2 편광된 빛은 타원 편광된(elliptically polarized) 빛일 수 있다.

일 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 광 센서는, 상기 센서로부터 적어도 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화할 수 있다.

일 실시예에 따른 체성분 측정 장치는, 상기 대상체의 체온을 측정하는 온도 센서; 및 상기 광 센서를 통해 측정된 변화로부터 시각화된 상기 성분의 농도를 상기 온도 센서를 통해 측정된 체온을 참조하여 보정하는 처리부;를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 체성분 측정 장치는, 대상체에 전자기파를 조사하는 전자기파 소스(source); 측정 표면을 갖고 상기 측정 표면의 상부에 위치한 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서; 빛을 방출하는 광 소스; 상기 광 소스로부터 방출된 빛을 선형 편광시키는 선편광기; 선형 편광된 빛을 원형 편광시키는 원편광기; 원형 편광된 빛을 상기 센서의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도하는 광학 렌즈; 상기 센서로부터 반사되는 빛을 분광시키는 분광기; 및 분광된 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 광 센서;를 포함한다.

다른 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 전자기파 소스는, 마이크로파 근접장(microwave near-field) 영역에서 상기 대상체 내의 성분의 손실 특성에 따라 상기 대상체를 가열하고, 상기 대상체 내의 성분의 농도에 따라 강도가 변화하는 마이크로파 근접장 분포를 형성할 수 있다.

다른 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 광학 렌즈는, 원형 편광된 빛을 상기 대상체의 방향으로 굴절시켜 상기 센서에 구비된 측정 표면의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고, 상기 센서로부터 반사되는 빛을 상기 분광기의 방향으로 굴절시키는 다각형 렌즈로 형성될 수 있다.

다른 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 센서는, 상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성되어 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)가 나타나며, 상기 광탄성 효과에 의해 원형 편광된 빛을 타원 편광된 빛으로 변화시켜 반사할 수 있다.

다른 실시예에 따른 체성분 측정 장치에서, 상기 광 센서는, 상기 분광기로부터 상기 센서의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 체성분 측정 방법은, (a) 전자기파 소스(source)로부터 센서의 상부에 위치한 대상체에 전자기파를 조사하는 단계; (b) 상기 센서가 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 단계; (c) 광 소스로부터 방출된 빛을 상기 센서의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도하는 단계; 및 (d) 상기 센서로부터 반사되는 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 단계;를 포함한다.

또 다른 실시예에 따른 체성분 측정 방법에서, 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 상기 (b) 단계는, 상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 상기 센서의 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성된 상기 센서에서 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)나타나며, 광 소스로부터 방출된 빛을 상기 센서의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도하는 상기 (c) 단계는, 상기 센서의 하부에 조사된 제 1 편광된 빛을 상기 광탄성 효과에 의해 제 2 편광된 빛으로 변화시켜 반사할 수 있다.

또 다른 실시예에 따른 체성분 측정 방법에서, 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 상기 (d) 단계는, 상기 센서의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 인체에 통증을 주지 않는 비침습 방식으로 대상체 내의 성분을 측정함으로써 사용자 편의와 위생을 도모하였고, 대상체 내의 성분의 마이크로파에 대한 광학적 변화를 CCD 카메라를 이용하여 실시간으로 획득함으로써 재현성 높은 체성분 분석이 가능하며, 대상체의 온도 등 측정 환경에서 측정값에 영향을 끼치는 변수를 고려한 보정을 통해 정확도를 더욱 향상시키고 오차를 감소시킬 수 있다.

도 1은 용매로서의 물 분자의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 글루코스(glucose) 및 염화나트륨(NaCl)의 용매화(solvation) 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들이 제안하는 전자기파에 대한 광학적 변화를 측정하는 기술적 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예들이 제안하는 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 마이크로파 근접장 분포를 시각화하는 실험 장치를 예시한 도면이다.
도 9는 도 8의 실험 장치를 통한 시각화 과정을 도시한 흐름도이다.
도 10은 도 9의 시각화 과정에 따른 온도 측정 결과를 예시한 그래프이다.
도 11은 대상체의 성분 별로 주파수에 따른 마이크로파 근접장 분포의 강도 측정 결과를 예시한 그래프이다.
도 12는 염화나트륨 및 글루코스 수용액의 농도에 따른 마이크로파 근접장 분포의 시각화 이미지를 예시한 도면이다.
도 13은 염화나트륨 및 글루코스 수용액의 농도에 따른 마이크로파 근접장 분포의 강도를 예시한 그래프이다.
도 14는 염화나트륨 및 글루코스 수용액의 농도에 따른 최소 검출 가능한 농도를 예시한 그래프이다.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 본 발명의 실시예들에서 나타나는 기술 현상에 대한 이론적 근거를 제시하고, 이로부터 안출된 본 발명의 기술적 원리를 순차적으로 설명하도록 한다.

도 1은 용매로서의 물 분자의 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (a)는 분자 시스템의 분극(polarization) 과정을 나타낸 것으로 물 분자 모델을 보여준다. 도 1의 (b)는 물 쌍극자와 NaCl 이온의 결합 구조를 나타낸 것으로 점선은 이온 주위의 첫 번째 및 두 번째 용매화(solvation) 또는 수화(hydration) 껍질을 보여준다.

물은 생물학과 우리 삶에 필수적인 화학 물질이다. 산소 원자 1개와 수소 원자 2개(H₂O)로 이루어지며 도 1의 (a)와 같이 극성 공유 결합으로 결합되어 있다. 물 분자는 사면체 모양을 가지고 있으며, 높은 전기 음성도 때문에 산소 원자의 측면은 부분적으로 음전하를 띠고 있다. 두 개의 수소 원자는 산소 원자와 전자를 공유하기 때문에 산소와 공유 결합한다. 물 분자는 수소 원자 주위에 부분적으로 양전하를 띠고 있다. 물 분자의 이러한 독특한 특성으로 인해 많은 물질에 이상적인 용매로 간주된다.

고체 NaCl은 양전하를 띤 나트륨(Na⁺) 이온과 음전하를 띤 염화물(Cl^-) 이온으로 구성된 이온성 화합물이다. 나트륨 이온과 염화물 이온 사이의 인력은 이온 결합을 형성한다. 극성 용매인 물은 쉽게 NaCl 이온을 용매화할 수 있다. Na⁺와 Cl^- 이온 사이의 이온 결합은 용질과 용매의 상호 작용으로 인해 해리된다. 도 1의 (b)와 같이, 식염수 내에서 Na⁺ 및 Cl^- 이온은 이온-쌍극자 상호작용에 의해 물 쌍극자와 상호작용하기 시작한다. 점선 궤도는 이온 주위의 첫 번째 및 두 번째 용매화 껍질을 보여준다. 두 개의 서로 다른 물 쌍극자 사이의 결합을 수소 결합이라고 하며 이러한 유형의 상호 작용을 쌍극자-쌍극자 상호 작용이라고 한다. 이온-이온 상호 작용의 힘은 형식적으로 하전된 입자 간의 상호 작용을 포함하기 때문에 가장 강력하지만 물 분자의 극성으로 인해 이러한 결합이 해리된다. 이온 쌍극자 상호 작용력은 공식 및 부분적으로 하전된 입자를 포함하기 때문에 상대적으로 덜 강하다. 마지막으로 쌍극자-쌍극자 상호작용은 부분적으로 대전된 물 쌍극자 사이에 작용하므로 가장 약하다. 그러나 물 분자는 극성을 가지고 있어 마이크로파와 활발하게 상호작용한다. 인가된 외부 전자기장은 분자의 쌍극자 모멘트의 방향을 변경한다. 마이크로파 복사에서 물 분자는 쌍극자 모멘트를 교류 외부 전기장(도 1의 (a)의 빨간색 화살표)과 정렬하는 경향이 있다.

도 1의 (a)를 참조하면, 동시에 같은 방향으로 쌍극자의 방향이 바뀌는 것은 교번하는 내부 전기장의 발생 결과(검은색 화살표)이다. 도 1의 (a)는 전자기 복사 하에서 물 쌍극자의 정렬 메커니즘을 보여준다. 자유수 쌍극자는 마이크로파 복사에서 쌍극자 모멘트의 방향을 쉽게 변경할 수 있지만 나트륨 및 염화물 이온에 의해 끌리는 쌍극자는 더 안정적인 쌍극자 방향을 갖는다. 지속적인 분자 회전은 액체의 온도와 마이크로파 가열로 변환된 마이크로파 전력 밀도 분포를 증가시킨다. 분자 수준에서 이러한 모든 특정 동작은 재료의 유전 특성과 관련이 있다.

포도당은 물에 잘 녹는 화합물이지만 이온이 없기 때문에 포도당 수용액을 전해질이 아닌 것으로 만든다. NaCl과 비교하여 포도당(C₆H₁₂O₆)은 용매화 후 화학 사슬 구조를 변경하지 않는다. 이러한 유형의 용매화는 수소 결합 용매화이다. 포도당 분자에는 5개의 OH기가 있다. 용액에서 물 분자는 모든 OH 그룹에 수소 결합된다. 물의 수화 껍질은 포도당 분자를 둘러싸고 있다.

도 2는 글루코스(glucose) 및 염화나트륨(NaCl)의 용매화(solvation) 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a)는 수화 메커니즘을 갖는 D-포도당 분자의 순환 형태를 보여주고, 도 2의 (b)는 NaCl의 결정 시스템과 첫 번째 용매화 껍질에서 식염수 결합 구조를 보여준다.

용매화의 주요 원인은 용매와 용질 분자 간의 상호 작용으로, 용매화의 힘은 이온 쌍극자와 수소 결합 인력이다. 도 2의 (a)를 참조하면, 포도당 수용액과 같은 유기용액에서는 포도당 분자의 OH기와 극성 분자 사이에 상호작용이 일어난다. 도 2의 (b)에서, NaCl 수용액의 경우 이온과 물 분자 사이에 강한 이온 쌍극자 인력이 존재한다. Na⁺ 이온은 물의 음의 산소 원자를 끌어당기고 Cl^- 이온은 물의 양의 수소 원자를 끌어당긴다. 이온은 물 분자의 용매화 껍질로 둘러싸여 있다. 첫 번째 용매화 껍질에서, 반대 전하가 서로 가까워지고 시스템은 더 안정적이다. 이 용매화는 이온을 안정화시킨다.

한편, 이온성 및 유기성 액체의 특성에 대한 전자기장의 영향을 조사하기 위해 많은 연구가 시도되고 있다. 연구에 사용된 마이크로파 기술의 주요 응용 프로그램은 감지를 위해 소량의 액체로 채워진 벌크 공진기를 기반으로 한다. 액체의 전자기 특성을 특성화하는 또 다른 접근 방법으로서 마이크로웨이브 마이크로프로브 근접장 감지를 고려할 수 있다. 마이크로파 프로브와 용액 사이의 전자기 결합은 액체 특성과 용질 농도에 크게 의존한다. 반사/투과 계수 및/또는 공진 주파수 이동은 용액 농도의 변화와 상관관계가 있는 것으로 관찰되었다. 최근에는 컴퓨터 시뮬레이션 도구가 액체와 마이크로파 상호 작용에 대한 분자 수준의 이해에 크게 기여했다. 분자 역학(molecular dynamics, MD) 시뮬레이션 인터페이스를 사용하여 극초단파 가열, 해리 과정, 이온과 용매 분자 사이의 역학 커플링, 이온 농도에 대한 용매 역학 특성의 의존성에 따른 극성 수용액의 거동을 조사할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예들이 제안하는 전자기파에 대한 광학적 변화를 측정하는 기술적 원리를 설명하기 위한 도면이다. 인간의 생체 등과 같은 대상체에 소스(source)(310)로부터 전자계 에너지, 예를 들어, 전자기파를 인가하면, 이로부터 생체 내의 성분에 따른 변화가 나타나게 되고, 이를 센서(320)를 통해 감지하고자 한다. 이때의 감지는 센서(320)의 매질의 특성을 이용한 열응력, 광탄성 효과에 기반한 것으로, 전자기파에 의한 변화를 시각화할 수 있는 단서가 된다. 특히, 마이크로파를 활용한 근접장 가열을 통해 대상체 내 체성분의 손실 특성에 따라 진동하는 전기장 또는 자기장에 의해 가열되고, 겨열에 의해 생성된 열의 분포를 광학적으로 측정할 수 있는 센서(320)를 제안하고자 한다. 도 3을 참조하면, 광탄성 효과에 의해 입사광과 반사광의 편광 상태가 달라지는 것을 볼 수 있다. 일련의 측정 과정에 관한 두 가지 주요 기술적 원리를 보다 구체적으로 소개하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명의 실시예들은 열응력 및 광탄성 효과를 통한 열 영상화를 활용한다.

광탄성 효과(stress-optical effect)는 광학적으로 투명한 물질의 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 바뀌는 현상으로서, 유리 및 폴리머 소재의 내부 응역의 분포를 측정하는데 적용될 수 있다. 일반 유리와 같은 탄성 물질의 내부 온도가 변화할 때, 온도 분포에 따라 내부 응력의 분포가 변화한다. 따라서, 광탄성 효과의 공간적 변화를 광학적으로 측정하여 열의 공간적 변화를 예측할 수 있다면 열의 분포를 광학적 분해능으로 영상화 할 수 있다. 탄성 물질에 의한 광탄성 효과의 공간적 변화를 분석하여 열의 분포를 영상화할 수 있다.

열탄성 효과를 갖는 물질이 열원과 접촉되어 있을 때 열원으로부터 열 에너지가 접촉되어 있는 물질로 전달된다. 이 전달된 열 에너지에 의해 물질의 내부에 열응력이 형성되며, 이때 열응력의 분포는 열원의 온도 분포에 의해 정의된다. 열응력이 존재하는 광학적으로 투명한 물질에 빛이 투과할 때 열응력 세기 빛 방향, 그리고 빛의 편광상태에 따라 빛의 굴절률이 변화하게 된다. 이것은 광탄성 효과로 알려져 있으며 CCD 기반의 편광 현미경을 통하여 측정할 수 있다.

이러한 열응력-광탄성 현미경의 측정 효율은 인디케이터의 광탄성 계수와 열응력 계수에 의해 정의된다. 따라서, 큰 광탄성 계수와 열응력 계수를 갖는 물질을 인디케이터로 적용하여 측정 효율을 극대화시킬 수 있다. 유리는 위의 조건을 만족시키는 물질로서, 광 흡수율이 낮고 높은 온도 안정성, 그리고 높은 전기적 절연성을 지니기 때문에 전자 소자 및 박막 물질의 기판으로서 활용될 수 있다. 특히 다양한 도핑을 통하여 유리 물질의 물리적 성질들을 변화시킬 수 있으므로 측정 효율을 극대화하기 위해서는 다양한 도핑을 통하여 큰 값의 열탄성, 광탄성 효과를 갖는 물질을 적용할 수 있다. 또한, 유리 물질 외의 다른 단결정 물질과 폴리머와 같은 유기물 소재도 적용 가능하다.

둘째, 본 발명의 실시예들은 마이크로파 근접장 가열을 통한 마이크로파 영상화를 활용한다.

기존의 광학적 마이크로파 근접장 현미경은 스캐닝 방식에 기반하고 있으며, 마이크로파의 전자기장에 의한 전기광학효과와 자기광학효과를 측정하여 근접장 영역의 전자기장 분포를 영상화 한다. 이러한 기술들은 마이크로파의 높은 주파수로 인해 CCD 카메라와 같은 일반적인 이미징 센서를 활용할 수 없으며, 높은 응답속도를 갖는 포토 디텍터(photo detector), 마이크로파와 광 신호를 동기화시키는 방법과 스캐닝 기법에 기반하고 있다. 특히 전기장 및 자기장에 대한 측정 감도는 인디케이터 물질의 전기 및 자기 광학 계수에 의존하기 때문에, 높은 감도의 측정을 위해서는 고가의 단결정 물질을 필요로 하며, 특별하게 고안된 주사 탐침을 필요로 한다.

마이크로파 근접장 가열은 물질이 마이크로파의 근접장 영역에 있을 때 진동하는 전기장 혹은 자기장에 의하여 물질의 손실 특성에 따라 가열되는 현상이다. 따라서, 유전가열 혹은 자기가열에 의해 생성된 열의 분포를 광학적으로 측정할 수 있다면, 그 측정된 열의 분포를 통해 마이크로파 근접장 영역의 전기장과 자기장을 선택적으로 영상화 할 수 있다. 본 발명의 실시예들은 마이크로파 근접장 영역의 전기장과 자기장의 분포를 CCD 기반의 열응력-광탄성 광학 인디케이터 현미경으로 영상화 할 수 있음을 입증함으로써 안출되었다.

근접장 가열은 물질의 손실 특성에 의존하며, 유전체가 마이크로파의 전기장에 의해 가열되는 유전가열 현상과, 저항을 갖는 전도체가 마이크로파의 자기장에 의해 가열되는 자기유도가열 현상 등이 있다. 본 발명의 실시예들에서는 금속 나노입자와 금속 박막이 넓은 범위의 마이크로파 대역에서 각각 큰 유전 손실과 자기 손실 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

전기장 및 자기장에 대한 측정 효율은 인디케이터 물질의 손실 특성에 의해 정의된다. 따라서 높은 손실 특정을 지는 물질일수록 측정 효율이 향상될 것이다. 본 발명의 실시예들은 높은 전기적 그리고 자기적 손실 특성을 갖는 물질을 적용하여 마이크로파 측정 효율을 극대화시키는 기술적 수단을 제안한다. 특히, 물질의 손실 특성은 마이크로파의 주파수에 의존하기 때문에, 다양한 물질을 적용하여 마이크로파의 주파수 영역에 대한 인디케이터를 도출하고자 하였다.

이상과 같이, 본 발명의 실시예들은 복잡한 수용액의 특성화를 위한 시각화 기술을 제안하고자 한다. 열탄성 광학 인디케이터 현미경(thermo-elastic optical indicator microscope, TEOIM) 기술을 사용하여 자기 마이크로파 근접장(magnetic microwave near-field, H-MWNF) 분포가 NaCl 및 포도당 수용액 주변에서 시각화될 수 있다. 실험 결과는 근접장의 강도가 NaCl 및 포도당 농도와 반비례한다는 것을 보여주는데, 실험 설정의 쉬운 구성과 스캐닝 없이 마이크로파 근접장을 광학적으로 가시화할 수 있다는 점이 제안하는 본 발명의 실시예들의 장점 중 하나이다. 마이크로웨이브 범위의 농도 감지는 생체 내 측정을 위한 포도당 수준을 감지할 수 있는 가능성을 제공한다.

이하에서 제시되는 실시예들의 실험을 위해, 정맥과 비슷한 크기의 작은 실험용 플라스틱 튜브를 액체 용기로 사용했다. 포도당 수준 측정의 실제적이고 가능한 실용적인 방법 중 하나는 물질의 주요 질량이 혈액인 정맥 측정이다. 본 발명의 실시예들이 제안하는 열탄성 광학 인디케이터 현미경 시각화 시스템은 비침습 및 생체 내 혈액 분석을 위한 실용적인 도구가 될 수 있다. 또한 복잡한 액체의 동적 특성을 특성화하고 수용액 농도 변화를 결정하며 전자기장 및 마이크로파 가열과 액체 상호 작용의 거동을 이해하는 실용적이고 유용한 도구가 될 수 있다.

본 발명의 실시예들이 제안하는 근접장 가열과 열응력-광탄성 인디케이터 현미경에 기반을 둔 마이크로파 근접장 영상화 기술은 고가의 특별한 물질을 필요로 하지 않는다. 또한, CCD 기반의 편광 현미경에 기반하고 있기 때문에, CCD 기반의 이미징 시스템의 장점인 빠른 응답속도, 광학적 분해능, 그리고 높은 측정 효율을 제공한다. 나아가, 다양한 환경에서 소자의 마이크로파 근접장 분포를 영상화 할 수 있기 때문에, 기존의 근접장 영상화 시스템의 대체가 가능하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 장치를 도시한 도면이다.

전자기파 소스(source)(10)는 전자기파(전자계 에너지를 지칭한다.)를 생성하여 대상체(90)에 전자기파를 조사하는 구성이다. 전자기파 소스(10)는, 마이크로파 근접장(microwave near-field) 영역에서 상기 대상체(90) 내의 성분의 손실 특성에 따라 상기 대상체(90)를 가열하고, 상기 대상체(90) 내의 성분의 농도에 따라 강도가 변화하는 마이크로파 근접장 분포를 형성한다. 이때, 상기 대상체(90) 내의 성분은, 글루코스(glucose) 또는 염화나트륨(NaCl) 중 어느 하나가 될 수 있으며, 예를 들어, 본 실시예가 제안하는 비침습 체성분 측정 장치는 혈당 측정기로 구현될 수 있다.

센서(20)는 측정 표면을 갖고 상기 측정 표면의 상부에 위치한 상기 대상체(90) 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 구성이다. 센서(20)는, 상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성되어 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)가 나타난다.

광 소스(30)는 상기 센서(20)의 하부에 빛을 조사하여 상기 센서(20)와 반응시키는 구성이다. 광 소스(30)는, 제 1 편광된 빛을 생성하여 상기 센서(20)에 입사시키고, 광탄성 효과가 나타나는 상기 센서(20)와 반응하여 상기 제 1 편광된 빛을 제 2 편광된 빛으로 변화시켜 반사하도록 유도한다. 이때, 상기 제 1 편광된 빛은 원형 편광된(circularly polarized) 빛이고, 상기 제 2 편광된 빛은 타원 편광된(elliptically polarized) 빛일 수 있다.

광 센서(40)는 상기 센서(20)로부터 반사되는 빛을 수신하여 상기 대상체(90) 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 구성으로서, 예를 들어, CCD(charge-coupled device) 카메라 등으로 구현될 수 있다. 광 센서(40)는, 상기 센서(20)로부터 적어도 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체(90) 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화할 수 있다. 이때, 상기 적어도 2개의 각도로 분광된 빛은 상기 센서(20)의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 선형 복굴절(linear birefringent) 분포 이미지를 형성할 수 있다.

한편, 도 4의 실시예가 제안하는 비침습 체성분 측정 장치는, 상기 대상체(90)의 체온을 측정하는 온도 센서(미도시) 및 상기 광 센서(40)를 통해 측정된 변화로부터 시각화된 상기 성분의 농도를 상기 온도 센서를 통해 측정된 체온을 참조하여 보정하는 처리부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 혈당에 관한 지표로서 관찰되는 글루코스의 경우 체온과 양의 상관관계를 갖는데, 동일하게 측정된 체성분(글루코스)일지라도 대상체의 체온에 따라 실제의 혈당값은 다소의 오차를 포함할 수 있다. 따라서, 구현의 관점에서, 미리 측정된 글루코스 값, 체온 및 실제 혈당값이 매칭된 룩-업 테이블(look-up table)을 저장하고, 이러한 룩-업 테이블을 참조하여 실시간 측정된 글루코스 값으로부터 혈당값을 보정함으로써 혈당 측정의 재현성과 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 장치를 도시한 도면으로, 도 4의 실시예에서 광학계 기구들에 대한 구성을 다르게 구현하였다.

전자기파 소스(source)(10)는 대상체에 전자기파를 조사하는 구성이다. 전자기파 소스(10)는, 마이크로파 근접장(microwave near-field) 영역에서 상기 대상체(90) 내의 성분의 손실 특성에 따라 상기 대상체(90)를 가열하고, 상기 대상체(90) 내의 성분의 농도에 따라 강도가 변화하는 마이크로파 근접장 분포를 형성한다.

센서(20)는 측정 표면을 갖고 상기 측정 표면의 상부에 위치한 상기 대상체(90) 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 구성이다. 센서(20)는, 상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성되어 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)가 나타나며, 상기 광탄성 효과에 의해 원형 편광된 빛을 타원 편광된 빛으로 변화시켜 반사할 수 있다. 방사된 마이크로파 신호에 의해 여기된 대상체(90) 성분의 마이크로파 근접장은 센서(20)와 상호 작용하여 센서(20)가 가열되는데, 이때의 열 분포는 대상체(90)의 초기 마이크로파 근거리 분포에 해당한다.

광 소스(30)는 빛을 방출하는 구성으로, 선편광기(31)를 통해 상기 광 소스(30)로부터 방출된 빛을 선형 편광시키고, 원편광기(32)를 통해 선형 편광된 빛을 원형 편광시킨다. 예를 들어, 광 소스(30)로부터 방출되는 프로빙 녹색 빛(LED, λ=530 nm)은 선편광기(31)(0°)과 λ/4 파장판(45°)으로 구현되는 원편광기(32)를 통과하여 원형 편광으로 변조된다.

광학 렌즈(50)는 원형 편광된 빛을 상기 센서(20)의 하부에 조사하여 상기 센서(20)와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도하는 구성이다. 광학 렌즈(50)는, 원형 편광된 빛을 상기 대상체(90)의 방향으로 굴절시켜 상기 센서(20)에 구비된 측정 표면의 하부에 조사하여 상기 센서(20)와 반응시키고, 상기 센서(20)로부터 반사되는 빛을 상기 분광기(41)의 방향으로 굴절시키는 다각형 렌즈로 형성될 수 있다. 도 5를 참조하면, 예를 들어, 광학 렌즈(50)는 하나의 프리즘으로 구현될 수 있으나, 센서(20)를 향한 빛의 입사 및 센서(20)로부터의 빛의 반사 등 정의된 기능을 수행할 수 있다면 렌즈의 개수 및 형태가 한정되지 않는다.

분광기(41)는 상기 센서(20)로부터 반사되는 빛을 분광시키는 구성이며, 줌 렌즈(42)를 더 구비하여 빛을 광 센서(40)에 집광할 수 있다. 예를 들어, 응력을 받는 매질로 구성된 센서(20)를 통과한 반사광은 유리 기판의 광탄성 효과로 인해 편광을 타원형으로 변경하게 되는데, 2 개의 서로 다른 각도(0° 및 45°)로 배향된 분석기(analyzer)(선형 편광판)로 구현된 분광기(41)를 통과할 수 있다.

광 센서(40)는 분광된 빛을 수신하여 상기 대상체(90) 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 구성이다. 광 센서(40)는, 상기 분광기(41)로부터 상기 센서(20)의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체(90) 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화할 수 있다. 예를 들어, 앞서 2 개의 서로 다른 각도(0° 및 45°)로 배향된 분석기를 통해 CCD 카메라는 선형 복굴절의 2개의 이미지를 기록할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예들이 제안하는 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서(20)의 구조를 도시한 도면이다.

센서(20)는 크게 기판(21) 및 박막(22)를 포함하여 형성될 수 있다. 기판(21)은 유리, 폴리머 및 단결정 물질 중 어느 하나의 열탄성(thermo-elastic) 매체로 구성되어 대상체(90)로부터 전달된 열 에너지에 의해 열응력을 형성하는 구성이다. 박막(22)은 전자기파에 의한 열을 상기 기판(21)에 전달하도록 상기 기판(21)에 형성된 구성이다. 구현의 관점에서, 박막(22)은 저항을 갖는 전도체가 마이크로파의 자기장에 의해 가열되는 자기 가열을 유도하기 위해 상기 기판(21)에 코팅되는 금속 박막으로 형성될 수 있다. 또한, 박막(22)은 유전체가 마이크로파의 전기장에 의해 가열되는 유전 가열을 유도하기 위해 상기 기판에 코팅되는 금속 나노 입자로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예들을 구현한 실험에서는, 예를 들어, 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 박막을 적용할 수 있다. 인듐 주석 산화물은 높은 전기 전도성을 가지며 마이크로파 조사 시 인듐 주석 산화물 박막에서 표면 전류를 생성하는 자기장으로 인해 박막이 가열될 수 있다. 구현의 관점에서, 마이크로파 측정을 위한 센서(20)는 유리 기판에 금속 나노 입자 및 박막을 열 증착 방법(thermal evaporation)으로 증착하여 제작할 수 있다.

또한, 센서(20)는 대상체(90)가 위치하는 측정 표면에 인접하여 반사광의 노이즈를 감소시키고 반사 강도를 향상시키는 세라믹 판(ceramic plate)(24)을 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 카메라의 가시 영역에서 균일한 영상을 얻을 수 있다. 나아가, 센서(20)는 상기 세라믹 판(24) 및 상기 박막(22) 사이에 이격된 거리가 형성되어 직접적인 열 전달을 차단하는 에어 갭(air gap)(23)을 더 포함할 수 있다.

센서(20)를 통한 동작 원리를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

우선, 센서(20)은 열탄성 매체인 유리로 구현될 수 있는데, 온도 변화 시 유리 내부에 기계적 응력이 발생한다. 인듐 주석 산화물 박막(22)은 인가된 마이크로파 신호에 의해 가열되고 전도성 층의 열 에너지는 유리로 확산된다. 원형 편광된 입사광은 매질의 물질적 특성과 기계적 응력축의 방향에 따라 반사시 유리 기판의 광탄성 효과로 상태가 타원형 편광으로 변한다. 이미지 처리를 위해 두 개의 이미지가 측정되어 최종 결과를 산출하는데 사용될 수 있다. 이제, 두 개의 서로 다른 분석기 방향(0°와 45°)을 통해 선형 복굴절(linear birefringent, LB) 분포 이미지 β₁ 및 β₂를 감지할 수 있다. 두 이미지 β₁ 및 β₂는 각각 센서(20)의 수직 및 전단 응력 분포와 관련이 있으며, 해당 각도에서 측정된 밝기 변화를 나타낸다. 이러한 열 변형을 일으키는 초기 열 분포는 다음의 수학식 1을 통해 산출될 수 있다.

여기서 q는 열원의 밀도, C는 프로빙 광의 파장 및 센서(20)의 물리적 특성과 관련된 상수 매개변수이다. 즉, q는 마이크로파의 근접장 가열에 의해 생성된 열을 나타낸다.

센서(20)의 흡수 특성에 따라 가시화된 필드 분포는 전기장 또는 자기장에 해당한다. 인듐 주석 산화물 박막(22)의 경우 박막이 균일한 전도층으로 되어 있으며 교류 자기장에 의해 열이 발생한다. 생성된 표면 전류에 의한 열 분포는 입사 마이크로파의 자기장 분포와 동일하다.

한편, 유전체 표면에 방사된 전자파 평면파는 재료를 관통하여 재료의 유전 특성에 따라 재료 구조 내부에 부분적으로 흡수되어 저장된다. 유전 매질의 체적 전력 밀도 P_l은 다음의 수학식 2를 통해 설명할 수 있다.

여기서, l은 재료 표면으로부터의 거리, P₀은 재료 표면에서의 부피 단위당 전력, D_p는 침투 깊이를 나타낸다. 침투 깊이는 흡수된 전력 밀도 P_l이 재료 표면에 비해 e배 감소하는 거리로 정의되며 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기서 ω는 작동 주파수, c는 빛의 속도, ε' 및 ε"는 각각 복소 유전율의 실수부와 허수부이다. 상기된 수학식들은 마이크로파 가열 과정을 명확하게 설명한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 비침습 체성분 측정 방법을 도시한 흐름도로서, 도 4 및 도 5의 체성분 측정 장치를 시계열적인 처리 과정의 관점에서 재구성한 것이다.

S710 단계에서, 전자기파 소스(source)로부터 센서의 상부에 위치한 대상체에 전자기파를 조사한다.

S720 단계에서, 상기 센서는 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지한다. 이 과정에서는, 상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 상기 센서의 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성된 상기 센서에서 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)나타난다.

S730 단계에서, 광 소스로부터 방출된 빛을 상기 센서의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도한다. 이 과정에서는, 상기 센서의 하부에 조사된 제 1 편광된 빛을 상기 광탄성 효과에 의해 제 2 편광된 빛으로 변화시켜 반사할 수 있다.

S740 단계에서, 상기 센서로부터 반사되는 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정한다. 이 과정에서는, 상기 센서의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화할 수 있다.

도 8은 마이크로파 근접장 분포를 시각화하는 실험 장치를 예시한 도면으로서, 앞서 기술한 도 4 또는 도 5의 체성분 측정 장치를 구현한 예이다. 도 8의 (a)는 시각화 시스템의 구현예를 보여주며, 도 8의 (b)는 샘플 홀더에 대한 실험 조정을 예시하였다.

도 9는 도 8의 실험 장치를 통한 시각화 과정을 도시한 흐름도로서, 마이크로파 여기 동안 온도의 변화를 측정하기 위한 구성을 보여준다.

S910 단계에서 대상체에 전자기파를 인가한 후, S920 단계를 통해 온도 포화(열 평형)를 대기한다. 액체의 유전 특성에도 온도 의존성이 있기 때문에 마이크로파 신호를 켠 후 온도 포화를 위해 대기하였다. 그런 다음, S930 단계에서 온도의 변화가 나타나는 다수의 데이터 이미지를 일정 시간 동안 촬영한다. 이 과정이 끝나면, S940 단계에서 마이크로파 신호를 끄고 S950 단계를 통해 대상체가 냉각되는 것을 대기한다. 이제, S960 단계에서 다시 일정 시간 동안 카메라는 최종 감산을 위해 배경 이미지를 촬영한다. 실험에서는 이상과 같은 일련의 처리 과정을 복수 회(예를 들어, 약 30회) 반복하여 선명한 이미지를 얻을 수 있었다.

도 10은 도 9의 시각화 과정에 따른 온도 측정 결과를 예시한 그래프로서, 8분이 소요되는 전체 측정 과정에서 시간에 따른 수온 의존성을 도시하였고, 전체 측정 기간 중 16초가 소요되는 한 실험 주기의 시간에 따른 온도 의존성을 보여준다.

도 10을 참조하면, 검은색 선은 튜브(예를 들어, 대상체의 혈관에 대응하는 대체품이다.) 내부의 성분이 감지할 수 있을 정도로 가열되지 않았음을 보여준다. 이 특별한 경우에, 도파관은 90도 회전되었고, E-필드(field)의 방향은 튜브의 방향에 수직이었으며, 마이크로파 효과는 무시할 수 있었다. 반면, E-필드의 극성이 튜브와 평행할 때 수용액의 온도가 약 3℃ 증가하였다. 빨간색, 파란색 및 분홍색 선은 각각 DI water(탈이온수), 포도당(50mg/ml) 및 NaCl(50mg/ml) 용액의 온도 변화를 보여준다. 실험에 따르면 DI water, 포도당 및 NaCl 용액은 마이크로파 복사에 의해 여기될 때 매우 유사한 가열 거동을 생성했다. 영상화 중 온도 변화가 3℃ 미만이었기 때문에 영상화 결과에 대한 열적 영향은 영상화 동안 무시되었다. 유사하게 수용액의 유전 특성에 대한 후자의 영향은 무시할 수 있다. 앞서 도 6에서 추가적인 구성으로서 제안되었듯이, 대상체(90)로부터 센서(20)로의 직접적인 열 전달을 방지하기 위해 에어 갭(23)이 적용된 바 있다.

도 11은 대상체의 성분 별로 주파수에 따른 마이크로파 근접장 분포의 강도 측정 결과를 예시한 그래프이다. 도 11을 참조하면, 주파수에 따른 배경 신호(검정), DI water(빨강), 포도당(파랑), NaCl(분홍)의 자기 마이크로파 근접장 분포의 평균 강도 변화를 보여준다. 평균값은 도 11에 표시된 튜브 주변에서만 관심 영역(동일한 표면적)을 선택하여 계산되었다. 동일한 주파수 범위에서 자기 마이크로파 근접장 강도 변화를 통해 DI water, 포도당(50mg/ml) 및 NaCl(50mg/ml) 수용액을 특성화하고 비교하기 위해 관련 실험을 수행하였다. 도 11의 데이터는 3개의 강도 피크가 12GHz에서 유사하게 용질 화합물에 대한 유의한 이동 없이 감지되었음을 보여준다.

도 12는 염화나트륨 및 글루코스 수용액의 농도에 따른 마이크로파 근접장 분포의 시각화 이미지를 예시한 도면으로, 각 수용액은 12GHz에서 0-100mg/ml 농도별 차이를 시각화된 이미지로 도시하였으며, 각 이미지의 크기는 20mm×5mm이다. 이 결과는 다른 농도의 NaCl 및 포도당 수용액이 포함된 튜브 주변의 전자기장 분포에 대한 시각적 정보를 전달한다. 용액 농도가 증가함에 따라 용액 내 자기 마이크로파 근접장의 강도가 모두 감소하였음을 볼 수 있다.

도 13은 염화나트륨 및 글루코스 수용액의 농도에 따른 마이크로파 근접장 분포의 강도를 예시한 그래프이다. 자기 마이크로파 근접장 분포에 대한 평균 강도의 그래픽 동작은 12GHz에서 0-100mg/ml 범위의 수용액에서 NaCl 및 포도당 농도에 따라 다르다. 실험은 각 NaCl 및 포도당 농도에 대해 5회 반복되었고, 각 최종 이미지는 CCD 카메라로 촬영한 3000장의 평균 이미지이다. 빨간색 점은 5회 측정의 산술 평균을 나타내며 오차 막대는 각 농도에 대한 5개의 독립적인 독립 실험의 평균 ± 표준 편차에 해당하며, 실선은 실험 데이터의 지수 피팅을 보여준다.

이 실험 데이터를 기반으로 NaCl 용액에 대해 C_min(최소 검출 가능한 농도)을 다음의 수학식 4를 통해 산출할 수 있다.

여기서 ΔE_max는 오차 한계에 해당하는 모든 농도 측정에서 최대 변동으로 선택되었다. I(c)는 c 농도에 따른 용액 이미지의 강도 함수이다.

도 14는 염화나트륨 및 글루코스 수용액의 농도에 따른 최소 검출 가능한 농도를 예시한 그래프이다. 도 14를 참조하면, 예시된 그래프와 같이, C_min이 증가하고 시스템의 감도가 감소했음을 확인할 수 있다. 정상 혈당 수치는 0.72-1.44 mg/ml인 반면 병태생리학적 범위는 0.36-5.4 mg/ml이다. 혈중 NaCl 수치는 9mg/ml(0.9%)이다.

이상에서, 실험적으로 시각화된 자기 마이크로파 근접장 분포는 자유 쌍극자의 양이 최대인 DI water의 경우 가장 높은 강도를 나타내었다. 용액 내 염화나트륨 이온(Na⁺ 및 Cl^-) 또는 포도당 농도가 증가함에 따라 자유수 쌍극자의 수가 감소하여 더 낮은 강도의 자기 마이크로파 근접장 분포가 생성된다. 비유전율 변화는 이온 농도가 NaCl 용액의 흡수 특성에 미치는 영향에 따라 달라진다. 흡수 거동은 이론적으로 앞서 기술된 수학식 2 및 3 등으로 설명할 수 있다. 이 모델에서 액체 흡수는 기하급수적으로 변화하여 고농축 용액에 대해 포화된다. 시각화된 자기 마이크로파 근접장 강도 분포는 용액의 흡수 특성과 관련이 있다. 강도 대 NaCl 농도의 관계는 선형이 아니며 용액 농도가 높을수록 곡선이 포화된다.

대안으로, 강도 감소 거동에 대한 가능한 미시적 이유는 이온의 두 번째 용매화 쉘이 낮은 농도에서 더 높은 안정성을 갖기 때문이다. 두 번째 쉘의 용액 농도를 증가시키면 이온 쌍극자 인력의 확률이 감소하고 프로세스가 포화된다. 도 13으로부터 NaCl의 경우 강도 감소가 더 큰 것을 알 수 있다. 현상의 원인은 NaCl과 포도당이 다른 용매화 메커니즘을 가지고 있기 때문이다. NaCl 용액에서는 이온-쌍극자 상호작용이 더 강하고 더 안정적으로 결합되는 반면, 포도당 용액에서는 포도당과 물 분자 사이의 수소 결합이 상대적으로 약하다. 마이크로파 여기 시 식염수에서 자유수 분자의 이동도가 더 높다. 또한 이 시스템에는 이온 전류가 흐르지만 이온 쌍극자 쌍은 특히 첫 번째 용매화 쉘에서 더 잘 결합된다. Na⁺ 및 Cl^- 이온에 비해 포도당 분자가 더 크고 복잡한 사슬 구조를 가지고 있다. 이 용액은 포도당 분자가 움직이지 않는 유전체이다. 그러나 약한 인력으로 인해 수소 결합이 더 역동적으로 변한다.

모든 경우에 용액에 대한 마이크로파 효과는 액체 샘플이 어떠한 물질도 혼합되지 않은 탈이온수일 때 가장 높은 강도를 나타낸다. 이 경우 모든 물 쌍극자는 자유로우며 극초단파 복사에 집중적으로 반응한다. 본 발명의 실시예들 및 실험예들은 또한 수용액에서 NaCl의 자기 마이크로파 근접장 분포와 포도당 농도의 정량적 측정을 별도로 제시한다. 특히, 본 발명의 실시예들은 다른 혈액 용질이 비교적 안정적인 당뇨병 환자의 혈당 농도 변화를 측정하는 데 적용할 수 있다.

이상에서, 농도가 다른 NaCl 및 포도당 용액에 대한 마이크로파 방사선의 영향을 열탄성 광학 표시 현미경 기술을 사용하여 조사하고 시각화하였다. 마이크로파 상호 작용은 전자기장 편광 및 액체 방향에 따라 다르다. 액체 튜브와 도파관의 고정된 방향을 사용하여 12GHz에서 NaCl 및 포도당 농도 변화에 대한 자기 마이크로파 근접장 분포의 강도 의존성을 조사하였다. 실험적으로 시각화한 자기 마이크로파 근접장은 시뮬레이션 결과와 매우 유사한 분포를 보였다. NaCl 또는 포도당 농도가 0에서 100 mg/ml로 증가함에 따라 자기 마이크로파 근접장 분포의 강도가 감소한 다음 고농도 용액에서 포화되었다.

상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 인체에 통증을 주지 않는 비침습 방식으로 대상체 내의 성분을 측정함으로써 사용자 편의와 위생을 도모하였고, 대상체 내의 성분의 마이크로파에 대한 광학적 변화를 CCD 카메라를 이용하여 실시간으로 획득함으로써 재현성 높은 체성분 분석이 가능하며, 대상체의 온도 등 측정 환경에서 측정값에 영향을 끼치는 변수를 고려한 보정을 통해 정확도를 더욱 향상시키고 오차를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들이 제안하는 체성분 측정에 관한 광학적 접근 기법은 수용액의 전자기 특성에 대한 비접촉 및 비파괴 검사 접근 방식과 이온 및 비이온 복합 물질에 대한 수용액의 용질 농도 변화를 결정하는 데 널리 적용할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들 중 CCD 카메라와 같은 광 센서를 통해 획득된 영상으로부터 혈당 등 체성분을 분석하는 일련의 처리 과정은 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 등을 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 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 전자기파 소스
20: 센서
21: 기판 22: 박막
23: 에어 갭 24: 세라믹 판
30: 광 소스
31: 선편광기 32: 원편광기
40: 광 센서
41: 분광기 42: 줌 렌즈
50: 광학 렌즈
90: 대상체

Claims

대상체에 전자기파를 조사하는 전자기파 소스(source);
측정 표면을 갖고 상기 측정 표면의 상부에 위치한 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서;
상기 센서의 하부에 빛을 조사하여 상기 센서와 반응시키는 광 소스; 및
상기 센서로부터 반사되는 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 광 센서;를 포함하는, 체성분 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전자기파 소스는,
마이크로파 근접장(microwave near-field) 영역에서 상기 대상체 내의 성분의 손실 특성에 따라 상기 대상체를 가열하고,
상기 대상체 내의 성분의 농도에 따라 강도가 변화하는 마이크로파 근접장 분포를 형성하는, 체성분 측정 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 대상체 내의 성분은,
글루코스(glucose) 또는 염화나트륨(NaCl) 중 어느 하나인, 체성분 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는,
상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성되어 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)가 나타나는, 체성분 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 센서는,
유리, 폴리머 및 단결정 물질 중 어느 하나의 열탄성(thermo-elastic) 매체로 구성되어 상기 대상체로부터 전달된 열 에너지에 의해 열응력을 형성하는 기판; 및
상기 전자기파에 의한 열을 상기 기판에 전달하도록 상기 기판에 형성된 박막;을 포함하는, 체성분 측정 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 박막은,
저항을 갖는 전도체가 마이크로파의 자기장에 의해 가열되는 자기 가열을 유도하기 위해 상기 기판에 코팅되는 금속 박막; 및
유전체가 마이크로파의 전기장에 의해 가열되는 유전 가열을 유도하기 위해 상기 기판에 코팅되는 금속 나노 입자; 중 어느 하나로 형성되는, 체성분 측정 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 센서는,
상기 대상체가 위치하는 상기 측정 표면에 인접하여 반사광의 노이즈를 감소시키고 반사 강도를 향상시키는 세라믹 판(ceramic plate); 및
상기 세라믹 판 및 상기 박막 사이에 이격된 거리가 형성되어 직접적인 열 전달을 차단하는 에어 갭(air gap);을 더 포함하는, 체성분 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광 소스는,
제 1 편광된 빛을 생성하여 상기 센서에 입사시키고,
광탄성 효과가 나타나는 상기 센서와 반응하여 상기 제 1 편광된 빛을 제 2 편광된 빛으로 변화시켜 반사하도록 유도하는, 체성분 측정 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 편광된 빛은 원형 편광된(circularly polarized) 빛이고,
상기 제 2 편광된 빛은 타원 편광된(elliptically polarized) 빛인, 체성분 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광 센서는,
상기 센서로부터 적어도 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화하는, 체성분 측정 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 적어도 2개의 각도로 분광된 빛은 상기 센서의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 선형 복굴절(linear birefringent) 분포 이미지를 형성하는, 체성분 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 대상체의 체온을 측정하는 온도 센서; 및
상기 광 센서를 통해 측정된 변화로부터 시각화된 상기 성분의 농도를 상기 온도 센서를 통해 측정된 체온을 참조하여 보정하는 처리부;를 더 포함하는, 체성분 측정 장치.
대상체에 전자기파를 조사하는 전자기파 소스(source);
측정 표면을 갖고 상기 측정 표면의 상부에 위치한 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 센서;
빛을 방출하는 광 소스;
상기 광 소스로부터 방출된 빛을 선형 편광시키는 선편광기;
선형 편광된 빛을 원형 편광시키는 원편광기;
원형 편광된 빛을 상기 센서의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도하는 광학 렌즈;
상기 센서로부터 반사되는 빛을 분광시키는 분광기; 및
분광된 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 광 센서;를 포함하는, 체성분 측정 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 전자기파 소스는,
마이크로파 근접장(microwave near-field) 영역에서 상기 대상체 내의 성분의 손실 특성에 따라 상기 대상체를 가열하고,
상기 대상체 내의 성분의 농도에 따라 강도가 변화하는 마이크로파 근접장 분포를 형성하는, 체성분 측정 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 광학 렌즈는,
원형 편광된 빛을 상기 대상체의 방향으로 굴절시켜 상기 센서에 구비된 측정 표면의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고, 상기 센서로부터 반사되는 빛을 상기 분광기의 방향으로 굴절시키는 다각형 렌즈로 형성되는, 체성분 측정 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 센서는,
상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성되어 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)가 나타나며, 상기 광탄성 효과에 의해 원형 편광된 빛을 타원 편광된 빛으로 변화시켜 반사하는, 체성분 측정 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 광 센서는,
상기 분광기로부터 상기 센서의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화하는, 체성분 측정 장치.
(a) 전자기파 소스(source)로부터 센서의 상부에 위치한 대상체에 전자기파를 조사하는 단계;
(b) 상기 센서가 상기 대상체 내의 성분에 따라 상기 전자기파에 의한 변화를 감지하는 단계;
(c) 광 소스로부터 방출된 빛을 상기 센서의 하부에 조사하여 상기 센서와 반응시키고 반응된 빛을 반사하도록 유도하는 단계; 및
(d) 상기 센서로부터 반사되는 빛을 수신하여 상기 대상체 내의 성분에 따라 감지된 변화를 광학적으로 측정하는 단계;를 포함하는, 체성분 측정 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 전자기파에 의한 온도 변화에 따라 상기 센서의 내부 응력의 분포가 변화하고, 광학적으로 투명한 물질로 구성된 상기 센서에서 상기 내부 응력에 의해 빛의 굴절률이 변화하는 광탄성 효과(photo-elastic effect)나타나며,
상기 (c) 단계는,
상기 센서의 하부에 조사된 제 1 편광된 빛을 상기 광탄성 효과에 의해 제 2 편광된 빛으로 변화시켜 반사하는, 체성분 측정 방법.
제 18 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
상기 센서의 수직 및 전단 응력 분포를 나타내는 2개의 각도로 분광된 빛을 수신하되, 각각의 각도에서 측정된 밝기 변화로부터 응력 분석을 통해 상기 대상체 내의 성분에 따른 이미지 변화를 측정하여 상기 성분의 농도를 시각화하는, 체성분 측정 방법.