KR20220111516A

KR20220111516A - 다중 파장과 적분합 기반의 검체 측정방법 및 측정장치

Info

Publication number: KR20220111516A
Application number: KR1020210014863A
Authority: KR
Inventors: 김근영
Original assignee: (주)오상헬스케어
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2022-08-09

Abstract

개시되는 발명은 검체 측정장치에 관한 것으로서, 서로 구별되는 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대의 빛을 방사하는 발광부;와, 상기 발광부에서 방출된 빛이 생체조직에서 반사된 반사광을 상기 파장대별로 수집하는 수광부; 및 상기 제1 파장대에서의 제1 반사량 및 상기 제2 파장대에서의 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산하고, 상기 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율에 따라 상기 제1 파장대의 빛에 특이적인 반사특성을 가진 생체조직 내의 검체 농도를 계산하는 연산부;를 포함한다.

Description

다중 파장과 적분합 기반의 검체 측정방법 및 측정장치{Sample density measuring device and method based on multiple wavelength and integral summation}

본 발명은 캘리브레이션 작업 없이 검체의 농도를 측정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

환자의 건강 상태가 양호한지, 문제가 있다면 어떤 증상을 가지는지를 진단하기 위한 다양한 의료 장비들이 계속 개발되고 있다. 이러한 건강 진단 과정에는 기본적으로 혈액과 관련된 혈당, 인슐린, 적혈구/백혈구/림프구 등의 검체 농도를 측정할 필요가 있다.

종래에는 혈당이나 각종 검체 농도를 측정하고자, 효소반응 방식의 검체 농도 측정기를 널리 이용하였다. 즉, 검체에서 일어나는 효소반응에서 방출하는 전자의 농도를 측정하여 검체의 농도를 측정하는 전기화학적 방식은 측정 정확도에서 상당한 신뢰성을 확보하였기에 널리 이용되고 있다. 그렇지만, 측정과정에 효소가 관여하기 때문에 효소의 변성을 방지할 수 있는 기술과, 균일한 효소반응을 보장하기 위해 고려할 사항이 많아 기술적으로 불리한 점이 있다. 또한, 최근 들어 개발되고 있는 웨어러블 바이오 센서에는 전기화학적 방식을 적용하는 것이 적합하지 않고, 연속식 검체농도 측정장치(예를 들어, Continuous Glucose Monitor; CGM)에도 적합하지 않다.

이러한 점에서, 최근에는 무효소 방식의 생체 센서에 대한 개발이 이루어지고 있다. 예를 들어, 전기화학 임피던스 분광법을 이용한 생체 센서가 무효소 방식 생체 센서의 일종이며, 또한 광원이 피검체에 광을 조사하면 광 검출기가 피검체로부터 되돌아오는 광 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 광학식 측정방식도 이에 속한다.

광학식 측정법은 구조가 간단하고 효소를 사용하지 않기에 수명이나 부작용 등의 문제가 적으며, 최소침습 또는 완전 비침습 측정장치로 구현될 수 있기에 근래 많은 연구가 진행되고 있다. 혈당 측정기의 예를 보더라도, 채혈식에서 최소 침습, 완전 비침습의 방향으로 발전하고 있으며, 이를 통해 측정의 편의성은 향상되고, 가격은 낮추면서 크기는 소형화되고 있다.

다만, 현재의 광학식 측정법이 일정 수준 이상의 측정 정밀도를 확보하기 위해서는 사용할 때마다, 또는 주기적으로 캘리브레이션이 선행되어야 한다는 단점이 있다. 이러한 캘리브레이션 작업은 광학식 검체 측정기의 사용상 편의성을 크게 훼손하기에, 이런 불편함을 해소할 방안이 필요하다.

한국공개특허공보 제10-2019-0081051호 (2019.07.09 공개)

본 발명은 생체조직 내의 특정 검체 농도를 최소침습 또는 비침습의 방식으로 측정할 때의 선행적인 캘리브레이션 작업이 불필요한 검체 측정장치 및 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 검체 측정장치에 관한 것으로서, 서로 구별되는 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대의 빛을 방사하는 발광부;와, 상기 발광부에서 방출된 빛이 생체조직에서 반사된 반사광을 상기 파장대별로 수집하는 수광부; 및 상기 제1 파장대에서의 제1 반사량 및 상기 제2 파장대에서의 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산하고, 상기 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율에 따라 상기 제1 파장대의 빛에 특이적인 반사특성을 가진 생체조직 내의 검체 농도를 계산하는 연산부;를 포함한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광부는 상기 제1 파장대와 제2 파장대의 빛을 함께 방사하는 광대역 광원이고, 상기 수광부는 상기 광대역 광원의 반사광을 상기 제1 파장대와 제2 파장대로 분리하는 분광기를 구비한다.

그리고, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 발광부는 상기 제1 파장대의 빛을 방사하는 제1 광원과, 상기 제2 파장대의 빛을 방사하는 제2 광원을 포함한다.

여기서, 상기 발광부는 상기 제1 광원과 제2 광원을 적어도 1회 이상 교대로 작동할 수 있다.

그리고, 상기 발광부는 상기 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대 빛의 출력을 변화시켜 방사하고, 상기 연산부는 상기 발광부의 출력 변화에 따른 복수의 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율을 통계적으로 처리하여 상기 검체 농도를 계산할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1 파장대의 빛은 클루코스에 대해 특이적인 반사특성을 가지고, 상기 제2 파장대의 빛은 단백질 또는 지질에 대해 특이적인 반사특성을 가진다.

이때, 상기 제1 파장대는 910∼950㎚ 범위이고, 상기 제2 파장대는 1100∼1400㎚ 범위인 것이 바람직할 수 있다.

한편, 본 발명의 검체 측정방법은, 제1 검체에 대해 광학적인 반사특이성을 가진 제1 파장대의 빛과, 제2 검체에 대해 광학적인 반사특이성을 가진 제2 파장대의 빛을 함께, 또는 교대로 생체조직에 대해 방사하는 단계;와, 상기 제1 검체에서 반사된 제1 파장대의 반사광과, 상기 제2 검체에서 반사된 제2 파장대의 반사광을 수광하는 단계; 및 상기 제1 파장대에서의 제1 반사량 및 상기 제2 파장대에서의 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산하고, 상기 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율에 따라 상기 제1 검체의 농도를 계산하는 단계;를 포함한다.

그리고, 상기 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대 빛의 출력을 변화시켜 방사하고, 상기 빛의 출력 변화에 따른 복수의 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율을 통계적으로 처리하여 상기 제1 검체의 농도를 계산할 수 있다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 검체 측정장치 및 측정방법에 의하면, 검체의 농도를 측정하기에 앞서 캘리브레이션 작업을 할 필요없이 간편하게 특정 검체의 농도를 최소침습 또는 비침습적으로 측정할 수 있다.

특히, 본 발명은 어떤 특정 파장에서의 반사광의 세기를 이용하는 것이 아니라, 특정 파장대에서의 반사광 세기의 총량을 이용하는 것이기에 측정시 외란에 강하고 측정편차가 줄어든다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 검체 측정장치의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 검체 측정장치의 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 검체 측정방법의 일련의 단계를 도시한 흐름도.
도 4는 검체 측정장치의 수광부에 수집되는 인체로부터의 반사광을 파장대별로 도시한 그래프.
도 5는 제1 및 제2 파장대에서의 반사량의 비율에 대한 글루코스 농도의 관계를 선형 분석한 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.

본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 검체 측정장치(10)의 구성을 도시한 도면이다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 검체 측정장치(10)에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 검체 측정장치(10)는 발광부(100), 수광부(200) 및 연산부(300)를 포함하는 광학식 측정장치이다. 발광부(100)는 생체조직(500)에 대해 빛을 방사하고, 수광부(200)는 생체조직(500) 내의 특정 검체로부터 반사되는 반사광을 수집하며, 연산부(300)는 수광부(200)에 수집된 반사광의 세기에 근거하여 검체의 농도를 산출하는 것이 광학식 측정장치의 기본 원리이다. 본 발명은 발광부(100)와 수광부(200), 그리고 연산부(300)를 다음과 같이 구성함으로써, 캘리브레이션 작업 없이도 목표 검체의 농도를 정확히 측정할 수 있다.

발광부(100)는 서로 구별되는 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대의 빛을 방사한다. 제1 파장대의 빛과 제2 파장대의 빛은 생체조직(500) 내의 서로 다른 세포나 물질 등에 대해 서로 구별되는 광학적 반사특이성을 나타내는 파장으로 선택된다.

수광부(200)는 발광부(100)에서 방출된 빛이 생체조직(500)에서 반사된 반사광을 파장대별로 수집한다. 즉, 수광부(200)는 제1 파장대의 빛이 생체조직(500) 내에서 반사된 제1 반사광과, 제2 파장대의 빛이 생체조직(500) 내에서 반사된 제2 반사광을 각기 구별하여 수집한다.

그리고, 연산부(300)는 제1 파장대에서 반사된 제1 반사광을 적분합으로 합친 제1 반사량과, 제2 파장대에서 반사된 제2 반사광을 적분합으로 합친 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산한다. 이와 같이, 제1 반사량과 제2 반사량을 계산하면, 그들 사이의 비율에 따라 제1 파장대의 빛에 특이적인 반사특성을 가진 생체조직(500) 내의 검체 농도를 계산한다.

이와 같은 구성을 가진 본 발명의 검체 측정장치(10)의 원리에 대해, 제1 검체로서는 글루코스를, 그리고 제2 검체로서는 생체조직(500)에 다량으로 포함된 단백질 또는 지질인 경우를 예로 들어, 제1 검체의 농도를 측정하는 방법에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1 파장대는 910∼950㎚ 범위이고, 제2 파장대는 1100∼1400㎚ 범위인 경우에, 제1 파장대의 빛은 글루코스에 대해 광학적인 반사특이성이 현저히 나타나는 한편 제2 파장대의 빛은 단백질 또는 지질에 대해 이와는 뚜렷이 구별되는 또다른 반사특이성을 나타낸다. 도 4는 검체 측정장치(10)의 수광부(200)에 수집되는 인체로부터의 반사광을 파장대별로 도시한 그래프이며, 도 4를 참조하면, 910∼950㎚ 범위에서의 글루코스에 대한 반사특성과, 1350∼1400㎚ 범위에서의 지질에 대한 반사특성은 현저히 다르게 나타난다.

또한, 글루코스는 식사 전후, 섭취한 음식의 종류, 운동 여부 등에 따라 하루에도 그 농도가 빈번하게 바뀌는 물질임에 비해, 신체를 이루는 기본이 되는 단백질과 지질의 농도는 특별한 상황이 아닌 한 그 농도(또는 밀도)는 거의 일정하게 유지된다. 본 발명은 이러한 특성을 이용하여, 제2 검체인 단백질 또는 지질의 농도를 기준으로 삼음으로써 제1 검체인 글루코스의 농도를 캘리브레이션 작업 없이도 정확하게 계산하도록 구성한 것이다.

도 4를 다시 참조하면, 910∼950㎚ 범위의 제1 파장대에서의 제1 반사광(제1 검체에서 반사된 제1 파장대에서의 반사광)을 적분합으로 합친 제1 반사량이 "A"로 표시되어 있으며, 마찬가지로 1350∼1400㎚ 범위의 제2 파장대에서의 제2 반사광을 적분합으로 합친 제2 반사량이 "B"로 표시되어 있다.

도 5는 제1 반사량(A)과 제2 반사량(B) 사이의 비율(종축)에 대한 제1 검체인 글루코스의 농도(횡축)의 상관관계를 도시한 것이다. 선형분석을 하면, 상관도(R²)는 0.92 이상으로 나타난다. 즉, 제1 반사량(A)과 제2 반사량(B) 사이의 비율은 상당한 정확도로서 글로코스 농도를 산출하는 변수로 삼을 수 있는 것이고, 이는 곧 본 발명의 검체 측정장치(10)가 캘리브레이션 작업 없이도 글루코스 농도를 정확하게 측정할 수 있음을 의미하는 것이다.

다시 도 1로 돌아오면, 도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 검체 측정장치(10)의 구성을 도시한 도면이다. 도 1의 실시형태는, 발광부(100)가 제1 파장대와 제2 파장대의 빛을 함께 방사하는 광대역 광원(110)으로 구성되고, 수광부(200)는 광대역 광원(110)의 반사광을 제1 파장대와 제2 파장대로 분리하는 분광기(210)를 구비한 것이다. 분광기(210)를 통해 반사광 중에서 제1 반사광과 제2 반사광을 분리하여 수광부(200)에 제공함으로써, 연산부(300)는 제1 반사량과 제2 반사량을 각기 계산할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 검체 측정장치(10)의 구성을 도시한 도면인데, 도 2의 실시형태는 발광부(100)가 제1 파장대의 빛을 방사하는 제1 광원(111)과, 제2 파장대의 빛을 방사하는 제2 광원(112)을 포함하는 다중광원으로 구성된 것이다. 발광부(100)의 광원이 2개로 늘어나지만, 오히려 수광부(200)의 구성이 단순해지는만큼 장치 구성이 간단해지는 이점이 있다. 도 2의 실시형태에서는, 제1 반사광과 제2 반사광을 구별하여 수광하기 위해, 발광부(100)는 제1 광원(111)과 제2 광원(112)을 적어도 1회 이상 교대로 작동하게 된다.

참고로, 검체 농도 측정장치를 구성함에 있어, 발광부(100)의 반대편에 또 하나의 수광부(200)를 배치하여 투과광까지 측정하고, 이 투과광과 반사광의 양자를 함께 고려하여 검체의 농도를 측정할 수도 있다. 다만, 생체조직(500)을 투과할 정도로 발광부(100) 광원의 세기가 강해야 하고, 별도의 수광부(200)를 추가해야 하는 등의 단점이 있으며, 도 5에 나타난 것과 같이 투과광을 측정하지 않더라도 충분한 측정 정밀도를 얻을 수 있으므로, 검체 농도 측정장치를 소형으로 저렴하게 제조할 수 있다는 점에서 도 1 및 도 2의 실시형태는 많은 이점이 있다.

그리고, 본 발명의 검체 측정장치(10)는 제1 반사광과 제2 반사광을 여러 번 반복하여 측정하고 이를 통계적으로 처리하여 측정 신뢰도를 높일 수 있다. 이때, 단순히 발광부(100)가 동일 출력의 빛을 방사하는 대신, 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대 빛의 출력을 변화시켜 방사하여 연산부(300)에서 처리해야 하는 의미있는 변수의 개수를 증가시킴으로써 측정 신뢰도를 높일 수도 있다. 도 1 및 도 2에는 제어부(400)의 구성이 포함되어 있는데, 제어부(400)는 발광부(100)의 작동과 빛의 출력을 제어하는 역할을 한다. 이에 따라, 연산부(300)는 발광부(100)의 출력 변화에 따른 복수의 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율을 통계적으로 처리하여 검체 농도를 계산한다.

도 3은 본 발명에 따른 검체 측정방법의 일련의 단계를 도시한 흐름도이다. 본 발명에 따른 검체 측정방법은 다음과 같은 일련의 단계를 포함한다.

먼저, 제1 검체에 대해 광학적인 반사특이성을 가진 제1 파장대의 빛과, 제2 검체에 대해 광학적인 반사특이성을 가진 제2 파장대의 빛을 함께, 또는 교대로 생체조직(500)에 대해 방사한다.

그리고, 제1 검체에서 반사된 제1 파장대의 반사광과, 제2 검체에서 반사된 제2 파장대의 반사광을 수광한다.

그리고, 제1 파장대에서의 제1 반사량 및 제2 파장대에서의 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산하고, 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율에 따라 제1 검체의 농도를 계산한다.

본 발명에 따른 검체 측정방법은, 제1 파장대의 빛으로서 클루코스에 대해 광학적인 반사특이성을 가지도록 하고, 제2 파장대의 빛으로서 단백질 또는 지질에 대해 광학적인 반사특이성을 가지도록 함으로써 혈당을 측정하는데 유용하게 이용될 수 있다.

기타 본 발명의 검체 측정방법에 대한 추가적인 구성은 전술한 검체 측정장치(10)에 대한 설명과 중복되기에 이에 대한 반복되는 설명은 생력하기로 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 검체 측정장치
100: 발광부
110: 광대역 광원
111: 제1 광원
112: 제2 광원
200: 수광부
210: 분광기
300: 연산부
400: 제어부
500: 생체조직

Claims

서로 구별되는 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대의 빛을 방사하는 발광부;
상기 발광부에서 방출된 빛이 생체조직에서 반사된 반사광을 상기 파장대별로 수집하는 수광부; 및
상기 제1 파장대에서의 제1 반사량 및 상기 제2 파장대에서의 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산하고, 상기 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율에 따라 상기 제1 파장대의 빛에 특이적인 반사특성을 가진 생체조직 내의 검체 농도를 계산하는 연산부;
를 포함하는 검체 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 발광부는 상기 제1 파장대와 제2 파장대의 빛을 함께 방사하는 광대역 광원이고,
상기 수광부는 상기 광대역 광원의 반사광을 상기 제1 파장대와 제2 파장대로 분리하는 분광기를 구비하는 것을 특징으로 하는 검체 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 발광부는 상기 제1 파장대의 빛을 방사하는 제1 광원과, 상기 제2 파장대의 빛을 방사하는 제2 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 검체 측정장치.
제3항에 있어서,
상기 발광부는 상기 제1 광원과 제2 광원을 적어도 1회 이상 교대로 작동하는 것을 특징으로 하는 검체 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 발광부는 상기 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대 빛의 출력을 변화시켜 방사하고,
상기 연산부는 상기 발광부의 출력 변화에 따른 복수의 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율을 통계적으로 처리하여 상기 검체 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 검체 측정장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 파장대의 빛은 클루코스에 대해 특이적인 반사특성을 가지고,
상기 제2 파장대의 빛은 단백질 또는 지질에 대해 특이적인 반사특성을 가지는 것을 특징으로 하는 검체 측정장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 파장대는 910∼950㎚ 범위이고, 상기 제2 파장대는 1100∼1400㎚ 범위인 것을 특징으로 하는 검체 측정장치.
제1 검체에 대해 광학적인 반사특이성을 가진 제1 파장대의 빛과, 제2 검체에 대해 광학적인 반사특이성을 가진 제2 파장대의 빛을 함께, 또는 교대로 생체조직에 대해 방사하는 단계;
상기 제1 검체에서 반사된 제1 파장대의 반사광과, 상기 제2 검체에서 반사된 제2 파장대의 반사광을 수광하는 단계; 및
상기 제1 파장대에서의 제1 반사량 및 상기 제2 파장대에서의 제2 반사량을 각각 적분합으로 계산하고, 상기 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율에 따라 상기 제1 검체의 농도를 계산하는 단계;
를 포함하는 검체 측정방법.
제8항에 있어서,
상기 제1 파장대와 제2 파장대의 두 개 파장대 빛의 출력을 변화시켜 방사하고,
상기 빛의 출력 변화에 따른 복수의 제1 반사량과 제2 반사량 사이의 비율을 통계적으로 처리하여 상기 제1 검체의 농도를 계산하는 것을 특징으로 하는 검체 측정방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1 파장대의 빛은 클루코스에 대해 광학적인 반사특이성을 가지고,
상기 제2 파장대의 빛은 단백질 또는 지질에 대해 광학적인 반사특이성을 가지는 것을 특징으로 하는 검체 측정방법.
제10항에 있어서,
상기 제1 파장대는 910∼950㎚ 범위이고, 상기 제2 파장대는 1100∼1400㎚ 범위인 것을 특징으로 하는 검체 측정방법.