KR20230077868A - 무효소 혈당 측정장치 - Google Patents

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Abstract

개시되는 발명은 무효소 혈당 측정장치에 관한 것으로서, 혈액 샘플을 수용하는 스트립; 및 상기 스트립이 삽입되는 개구부와, 상기 개구부에 삽입된 스트립의 혈액 샘플에 대해 빛을 발광 및 수광하는 라만 분광기와, 상기 라만 분광기에서 측정한 파수 데이터에 기반하여 상기 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하는 연산부와, 상기 연산부에서 산출한 혈당 농도를 시각정보로 표시하는 디스플레이를 포함하는 측정 미터;를 포함한다.

Description

무효소 혈당 측정장치{ENZYMELESS BLOOD GLUCOSE METER}
본 발명은 무효소 혈당 측정장치에 관한 것으로서, 공정편차 등에 따른 스트립 코드가 필요 없고, 또한 혈당반응을 위한 효소나 미디에이터(Mediator)도 필요 없는 무효소 혈당 측정장치에 관한 것이다.
혈당 측정기는 주로 당뇨병 환자의 혈액 내 포도당(Glucose) 농도를 측정하기 위한 장치이다. 혈액 내 포도당 농도를 측정하는 방법으로는 현재 보편적으로 전기화학법이 사용되고 있다.
일례를 들면, 전기화학법은 포도당과 포도당 산화효소(Glucose Oxidase)의 산화 반응에 의해 생성되는 과산화수소가 산소로 변화될 때, 전극 사이에서 이동하는 전자의 양을 전류 신호로 변환하고 정량화하여 혈당을 수치화하는 방식으로 수행된다.
전기화학법에 기반한 혈당 측정기는, 혈당 측정 대상인 혈액 샘플이 흡착된 혈당 스트립을 측정기의 케이스 내부에 투입하고, 투입된 혈액 스트립의 혈액 샘플을 케이스 내부의 혈당 측정 모듈을 통해 검사하여 혈당을 측정한 후, 케이스에 형성된 디스플레이부에 혈당 측정 결과를 출력하는 방식으로 구성된다.
여기서, 혈당 스트립은 혈액 샘플 중의 포도당과 반응하는 포도당 산화효소를 포함하고 있는데, 바이오 물질인 효소와 미디에이터의 특성상 혈당 스트립은 태생적으로 공정편차를 가지게 된다. 혈당 스트립의 로트마다 편차가 있기 때문에, 이러한 편차를 고려하지 않는다면 혈당 측정치에 오차가 생길 수밖에 없고, 이러한 오차는 당뇨환자의 건강에 치명적인 영향을 미치게 된다.
이러한 편차를 보정하기 위해, 전기화학법의 혈당 측정기의 혈당 스트립은 로트마다의 특성을 표시하는 고유의 스트립 코드가 부여된다. 보통은 사용자가 혈당 측정기의 버튼을 조작하여 직접 스트립 코드를 입력하는데, 사용자가 코드 입력을 생략하거나 잘못 입력을 하면 부정확한 측정이 이루어질 수밖에 없다는 문제는 여전히 남아 있고, 이러한 실수가 사용자의 책임으로만 전가되는 것도 보건위생의 관점에서도 바람직하지 못하다.
대안적으로, 혈당 스트립마다 또는 스트립 박스마다 스트립 코드가 저장된 메모리칩이 부착되기도 하는데, 이는 혈당 스트립의 비용을 상승시키는 요인이 되어 빈번히 혈당을 측정해야 하는 당뇨환자에게 큰 부담으로 돌아간다.
한국등록특허 제10-1103682호 (2012.01.02 등록)
본 발명은 혈액 샘플을 담은 무효소 스트립을 광학식으로 분석하여 높은 정확도로 혈당 농도를 측정할 수 있는 무효소 혈당 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 무효소 혈당 측정장치에 관한 것으로서, 혈액 샘플을 수용하는 스트립; 및 상기 스트립이 삽입되는 개구부와, 상기 개구부에 삽입된 스트립의 혈액 샘플에 대해 빛을 발광 및 수광하는 라만 분광기와, 상기 라만 분광기에서 측정한 파수 데이터에 기반하여 상기 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하는 연산부와, 상기 연산부에서 산출한 혈당 농도를 시각정보로 표시하는 디스플레이를 포함하는 측정 미터;를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스트립은, 빛을 투과하는 투명 기판과, 상기 투명 기판 위에 적층되고, 일단이 외부로 노출된 입구를 형성하면서 타단은 막혀 있는 혈액 수용부를 형성하는 모세관을 구비한 혈액 가이드 기판과, 그리고 상기 혈액 가이드 기판 위에 적층되고 상기 혈액 수용부에 대응하는 위치에 벤트 홀이 형성된 커버 기판을 포함한다.
여기서, 상기 투명 기판은, 상기 모세관의 입구 영역에 대응하는 일부 영역에 대해 광을 차단하는 광 차폐부를 구비할 수 있다.
그리고, 상기 투명 기판은, 상기 혈액 수용부에 대응하는 영역에 도포된 금속 나노입자를 포함할 수 있으며, 예를 들어 상기 금속 나노입자는 금 나노입자나 은 나노입자일 수 있다.
상기 투명 기판에 도포된 금속 나노입자는, 포도당의 표면 플라즈몬 공명을 강화한다.
나아가, 상기 투명 기판은, 상기 모세관의 입구와 혈액 수용부의 사이에 멤브레인 필터를 구비할 수도 있으며, 상기 멤브레인 필터는 혈구를 포함하는 고분자 물질은 차단하고 포도당은 통과시킨다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 본 발명의 무효소 혈당 측정장치는 상기 연산부와 유선 또는 무선으로 연결된 딥러닝(Deep Learning) 모듈을 더 포함하고 있으며, 상기 딥러닝 모듈은 복수의 혈당 수치에 대한 파수 데이터와 기준장비의 혈당 측정값을 입력받아 학습을 수행한 것으로서, 상기 연산부가 제공하는 파수 데이터에 학습 결과를 적용하여 상기 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하고 그 결과를 상기 연산부로 되돌려주는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 딥러닝 모듈은 DNN(Deep Neural Network) 모듈이다.
그리고, 상기 연산부가 상기 딥러닝 모듈에 제공하는 파수 데이터는, 포도당 분자구조와의 상관성이 기준값 이상인 스펙트럼 대역의 전체 파수 데이터인 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 상기 포도당 분자구조와의 상관성이 기준값 이상인 스펙트럼 대역은, 1140∼1180 파수 대역일 수 있다.
상기와 같은 구성을 구비한 본 발명의 무효소 혈당 측정장치는, 혈당반응을 위한 효소나 미디에이터 없이 광학식으로 혈당을 측정함으로써 공정편차 등에 따른 스트립 코드가 필요 없고, 또한 광학 측정에 악영향을 미치는 방해종을 제거하는 등의 스트립 구성을 통해 보다 높은 정밀도로 혈당 농도를 측정하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 무효소 혈당 측정장치가 딥러닝 모듈을 구비하고, 딥러닝 모듈에 포도당 분자구조와의 상관성이 높은 스펙트럼 대역의 전체 파수 데이터를 입력함으로써 기준장비로 실제 측정한 값과 다를 바가 없는 정확한 혈당 농도를 추정할 수 있게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 무효소 혈당 측정장치를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 무효소 혈당 측정장치에 구비되는 스트립의 상세 구성을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 스트립에 대한 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 4는 도 2의 스트립에 대한 또 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 5는 포도당 농도에 따른 라만 변이의 파수 스펙트럼을 도시한 그래프.
도 6은 라만 변이의 파수 데이터를 단일 밴드와 듀얼 밴드로 분석했을 때의 실제 혈당과의 선형성을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 무효소 혈당 측정장치의 다른 실시형태를 도시한 도면.
도 8은 도 7의 무효소 혈당 측정장치에 포함된 딥러닝 모듈의 일례를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 이하에서 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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 발명에서, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하에" 있다고 기재된 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, 본 출원에서 "상에" 배치된다고 하는 것은 상부뿐만 아니라 하부에 배치되는 경우도 포함하는 것일 수 있다.
도 1은 본 발명에 무효소 혈당 측정장치(10)를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명은 혈액 샘플을 수용하는 스트립(100)과 측정 미터(200)를 포함한다.
스트립(100)은 사용자의 소량의 혈액 샘플을 담아 측정 미터(200)에 제공하는 평판 형태의 매개체에 해당한다. 본 발명의 무효소 혈당 측정장치(10)에 포함되는 스트립(100)에는 종래 전기화학법의 혈당 측정을 위해 담지되었던 효소와 미디에이터 등이 전혀 포함되어 있지 않다.
도 2는 스트립(100)의 상세 구성을 도시한 도면이다. 도 2에 나타난 것처럼, 스트립(100)은 투명 기판(110)과, 투명 기판(110) 위에 적층되는 혈액 가이드 기판(120)과, 그리고 커버 기판(130)을 포함한다.
투명 기판(110)은 빛을 투과하는 플라스틱 또는 유리 재질의 기판이다. 뒤에서 설명하겠지만, 측정 미터(200)에는 스트립(100)의 혈액 샘플에 대해 빛을 발광 및 수광하는 라만 분광기(220)가 내장되어 있다. 즉, 본 발명의 무효소 혈당 측정장치(10)는 광학식 혈당 측정장치에 해당하는 것으로서, 스트립(100)의 투명 기판(110)은 라만 분광기(220)와 대면하고 있으며, 광학적으로 투명하여 혈액 샘플에 대해 빛이 도달하고 그 결과 발생한 산란광이 라만 분광기(220)로 입사될 수 있게 된다.
투명 기판(110) 위에 적층되는 혈액 가이드 기판(120)은 스트립(100) 내부로 혈액 샘플을 도입하기 위한 기판이다. 혈액 가이드 기판(120)은 일단이 외부로 노출된 입구(123)를 형성하면서 타단은 막혀 있는 혈액 수용부(124)를 형성하는 모세관(122)을 구비한다. 이에 따라, 혈액 가이드 기판(120)의 모서리, 구체적으로는 측정 미터(200) 안으로 삽입된 스트립(100)의 노출된 단부 모서리에 배치된 입구(123)에 혈액 샘플을 묻히면, 모세관 현상에 의해 혈액 샘플은 안쪽의 혈액 수용부(124)로 이동하게 된다.
그리고, 혈액 가이드 기판(120) 위로는 커버 기판(130)이 적층된다. 커버 기판(130)은 혈액 가이드 기판(120)을 보호하는 덮개의 역할을 하는 기판이다. 여기서, 커버 기판(130)에는 아래쪽의 혈액 가이드 기판(120) 상의 혈액 수용부(124)에 대응하는 위치에 벤트 홀(132)이 형성되어 있다. 벤트 홀(132)은 모세관(122)을 통해 이동해야 하는 혈액 샘플이 내부의 공기압력에 의해 제대로 혈액 수용부(124)에 도달하지 못할 경우를 방지하기 위한 공기구멍을 형성한다.
그리고, 도 2를 참조하면, 투명 기판(110)은 그 위에 적층된 혈액 가이드 기판(120)의 모세관(122)의 입구(123) 영역에 대응하는 일부 영역에 광을 차단하는 불투명한 광 차폐부(112)를 구비할 수 있다. 광 차폐부(112)는 외부의 빛을 차단하기 위한 것으로서, 측정 미터(200) 내부에서 라만 분광기(220)와 스트립(100)의 혈액 수용부(124) 사이에서 교환되는 측정광과 산란광을 외부광에 의한 교란으로부터 더욱 확실하게 보호하기 위한 것이다.
도 3은 스트립(100)에 대한 다른 실시형태를 도시한 것이다. 도 3의 실시형태는, 투명 기판(110) 상에서 상부의 혈액 수용부(124)에 대응하는 영역에 도포된 금속 나노입자(114)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 금속 나노입자(114)는 후술할 라만 분광기(220)의 성능을 향상시킬 수 있는 SERS(Surface Enhanced Raman Spectroscopy) 방식의 라만 분광법의 적용을 고려한 것이다. SERS는 물질 표면의 흡착종으로서 금속 나노입자(114)를 사용함으로써 표면 라만 산란 강도의 비약적 향상을 가져오는 라만 분광법의 한 종류이다.
본 발명에서는 투명 기판(110) 상에 도포된 금속 나노입자(114)가 혈액 수용부(124)로 유입된 혈액 샘플 중의 포도당 표면에 흡착함으로써 포도당의 표면 플라즈몬 공명을 강화하고, 이를 통해 라만 분광기(220)의 측정 감도를 향상시키는 실시형태로서 도 3의 스트립(100)을 제공하고 있다. 포도당의 검출에 유용한 금속 나노입자(114)의 예로서는 금 나노입자나 은 나노입자가 적용될 수 있다.
그리고, 도 4는 스트립(100)에 대한 또 다른 실시형태를 도시한 도면이다. 도 4의 실시형태는, 투명 기판(110) 상에서 모세관(122)의 입구(123)와 혈액 수용부(124) 사이의 지점에 멤브레인 필터(116)를 구비하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 멤브레인 필터(116)는 혈구를 포함하는 각종 고분자 물질은 차단하면서 포도당은 통과시키는 선택적 투과성을 지닌다.
적혈구나 백혈구 등의 혈구, 기타 혈액 중의 단백질은 고분자 물질로서, 포도당에 비해 그 크기가 매우 크다. 따라서, 혈액 수용부(124)에 도입된 순수한 혈액 샘플에는 혈구를 포함하는 각종 고분자 물질과 포도당 등이 혼재되어 있고, 이러한 거대 분자들은 포도당의 라만 산란에 악영향을 끼치는 방해종으로 작용한다. 즉, 거대 분자들은 크기가 작은 포도당을 라만 분광기(220)의 빛에서 가리고, 포도당 표면에서 발생한 라만 산란광을 흡수하거나 약화시키는 방해 요인이 된다.
멤브레인 필터(116)는 혈액 샘플이 혈액 수용부(124)에 도입되기 전에 그 중에서 혈구를 포함하는 각종 고분자 물질을 걸러내는 전처리를 수행하는 역할을 하고, 이를 통해 혈액 수용부(124)에서의 포도당의 비율을 높이면서 라만 산란광이 온전히 라만 분광기(220)에 수광되도록 한다. 따라서, 도 4에 도시된 스트립(100)의 실시형태 역시 무효소 혈당 측정장치(10)의 정확도를 향상시킬 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4에 각각 도시된 스트립(100)의 다양한 실시형태는 하나씩 분리하여 설명을 했지만, 하나의 스트립(100)에 모든 구성이 종합적으로 적용될 수 있음은 물론이다.
다시 도 1로 돌아가 측정 미터(200)의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
측정 미터(200)는 혈액 샘플을 수용한 스트립(100)이 끼워지는 무효소 혈당 측정장치(10)의 본체에 해당하는 구성이다. 측정 미터(200)는 스트립(100)이 삽입되는 개구부(210)를 구비하고, 내부에는 스트립(100)의 혈액 수용부(124)에 대해 광학 측정을 수행하는 라만 분광기(220)와, 라만 분광기(220)에서 측정한 파수 데이터에 기반하여 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하는 연산부(230)를 탑재하고 있다. 그리고, 측정 미터(200)는 연산부(230)에서 산출한 혈당 농도를 시각정보로 표시하는 디스플레이(240)를 포함한다.
참고로, 도면에는 표시되지 않았지만, 측정 미터(200)는 개구부(210) 안으로 스트립(100)이 삽입된 것을 감지하는 접촉센서를 구비하고, 이를 통해 라만 분광기(220)와 연산부(230), 디스플레이(240)가 자동으로 작동하도록 함으로써 전원소비를 절약하고 편리하게 사용할 수 있도록 구성될 수도 있다.
라만 분광기(220)는 라만 효과를 이용한 물질 검출장치로서, 본 발명에서 라만 분광기(220)는 혈액 샘플에 포함된 포도당 표면에서 발생한 라만 산란광을 측정하고, 이를 통해 혈당 농도를 산출하는 기초 데이터를 제공한다. 라만 분광기(220)는 빛을 발생하는 발광부(222)와, 혈액 샘플 표면에서 반사된 산란광을 받아들이는 수광부(224)를 포함한다.
빛이 어떤 매질을 통과할 때 빛의 일부가 진행 방향과 다른 방향으로 진행하는 현상을 산란이라고 하며, 산란된 빛은 원래의 에너지를 그대로 가지고 있기도 하지만 원래 빛의 에너지보다 작거나 많은 에너지를 가질 수도 있다. 원래의 에너지를 그대로 유지하면서 산란되는 과정을 레일리 산란, 에너지를 잃거나 얻으면서 산란되는 과정을 라만 산란이라고 한다.
이 중 라만 산란광은 물질의 작용기마다 에너지를 흡수하는 정도가 고유하므로 라만 산란광을 분석하면 물질의 분자 구조를 추론할 수 있다. 따라서 라만 산란을 이용해 생화학 센서를 제작할 수 있고 이는 항원-항체 반응을 이용한 대부분의 바이오 센서와는 달리 빛만 쪼여주면 분자를 검출할 수 있는 무표지(Label-free) 검출법이다.
다만, 라만 산란으로 분자의 구조를 알아낼 수는 있지만 입사된 빛은 라만 산란된 후에 만분의 일 정도의 세기로 약해지기 때문에 이것만으로는 검출이 힘들다. 이를 극복하기 위해 금속 나노입자(114)에 빛을 쪼였을 때 금속 나노입자(114) 주변의 전기장이 증강되어 강한 빛이 발생하는 현상을 이용할 수 있다.
금속 나노입자(114)의 표면에 검출하고자 하는 분자가 올려져 있을 때 빛을 쪼아주면 금속 나노입자(114)에 의해 발생한 강한 빛이 검출하고자 하는 물질에 입사되어 라만 산란된 빛도 강해진다. 이것이 바로 전술한 표면 증강 라만 분광법(SERS, Surface Enhanced Raman Spectroscopy)이다.
이 외에도 라만 산관광을 강화하기 위한 라만 분광법으로는 SRS(Stimulated Raman Spectroscopy), CARS(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy) 등도 있으며, 이러한 라만 분광법도 본 발명의 라만 분광기(220)에 적용할 수 있다.
SRS는 펌프 광과 스톡스 광의 두 개의 광을 이용한다. 펌프 광과 스톡스 광은 단일 주파수의 레이저 광원으로부터 발생한다. 펌프 광의 주파수는 스톡스 광의 주파수보다 더 높고, 이들 사이의 주파수 차이는 라만 변이(Raman Shift)라 하며, 라만 변이가 특정 분자의 진동 주파수에 일치했을 때 라만 공명이 발생하여 라만 산란광에는 자극된 여기(Stimulated Excitation)에 기인한 증폭이 일어난다.
그리고, CARS는 두 개의 공진 레이저를 사용하여 샘플에 조사하는 비선형 라만 분광 기술로서, 첫 번째 레이저의 주파수는 일정하게 유지되며 두 번째 레이저는 두 레이저 사이의 주파수 차이가 관심있는 라만 활성 모드의 주파수와 같도록 조정하여 최적화된다.
전술한 각종 라만 분광 기술은 라만 효과를 이용하여 특정 분자를 검출한다는 것은 공통적이며, 다만 신호세기가 약한 라만 산란광의 측정 감도를 높이기 위한 특유의 구성에 있어서 차이가 있을 뿐이다. 본 발명의 무효소 혈당 측정장치(10)에 구비되는 라만 분광기(220)는 공지된 라만 분광 기술을 적용할 수 있으며, 어떤 특정 분광 기술로 제한되지는 않는다.
도 5는 포도당 농도에 따른 라만 변이의 파수 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 5는 파수 스펙트럼에 대한 포도당 농도(㎎/㎗)별 라만 변이를 도시하고 있다. 도 5를 참조하면, 1150∼1160 파수 대역이 중심 파수로 나타나 있으며, 일관된 경향성은 아니지만 포도당 농도에 따라 라만 변이에 차이가 발생하고 있다.
도 6은 라만 변이의 파수 데이터를 단일 밴드와 듀얼 밴드로 분석했을 때의 실제 혈당과의 선형성을 도시한 그래프이다. 단일 밴드 분석은 한 대역(예를 들어, 중심 파수)의 파수 데이터 기준으로 하여 포도당 농도와의 상관성 내지 선형성을 분석한 것인데, 선형성(R2)은 0.71 정도로 나타났다. 0.71 수준의 선형성은 무효소 혈당 측정장치(10)을 실용화하기에는 다소 부족한 수준으로 평가되어, 듀얼 밴드 분석을 수행하였다.
듀얼 밴드 분석은 두 개 대역의 파수 데이터 기준으로 하여 포도당 농도와의 선형성을 분석한 것인데, 선형성(R2)은 0.83 정도로 나타났다. 듀얼 밴드 분석에 의해 선형성은 향상되었지만, 역시 0.83 수준의 선형성도 확실한 측정 정확도를 보장하기에는 부족하다고 볼 수 있다.
이러한 무효소 혈당 측정장치(10)의 제한적인 측정 정확도를 향상시키기 위한 본 발명의 다른 실시형태가 도 7에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 실시형태는, 연산부(230)와 유선 또는 무선으로 연결된 딥러닝 모듈(232)을 더 포함하고 있다.
구체적으로는, 딥러닝 모듈(232)은 무효소 혈당 측정장치(10) 내에 탑재될 수도 있고, 또는 연산부(230)가 원격지에 구비된 딥러닝 모듈(232)과 유무선 네트워크로 연결될 수 도 있으며, 또는 학습은 외부 서버에서 진행하고 추정 모델만 무효소 혈당 측정장치(10)에서 구동되는 등의 다양한 형태로 구성될 수 있다.
여기서, 딥러닝 모듈(232)은 복수의 혈당 수치에 대한 파수 데이터와 기준장비의 혈당 측정값을 입력받아 학습을 수행한 것이다. 이러한 학습을 통해, 딥러닝 모듈(232)은 임의의 파수 데이터를 입력받으면, 학습 결과를 적용하여 혈당 수치에 대한 추정치를 출력한다.
따라서, 연산부(230)가 딥러닝 모듈(232)에 대해 라만 분광기(220)가 측정한 파수 데이터를 제공하면, 딥러닝 모듈(232)은 제공받은 파수 데이터에 학습 결과를 적용하여 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하고, 그 결과를 연산부(230)로 되돌려주게 된다. 물론, 연산부(230)가 취득한 혈당 농도는 디스플레이(240)에 현시된다.
본 발명과 같이 혈액 샘플의 파수 데이터를 입력받아 혈당 농도를 출력하기 위한 목적의 딥러닝 모듈(232)로는 DNN 모듈을 적용하는 것이 적합할 수 있다. DNN 모듈은 심층 신경망 모듈로서, 심층 신경망은 입력층(Input Layer)과 출력층(Output Layer) 사이에 다중의 은닉층(Hidden Layer)을 포함하는 인공 신경망이며, 하위계층의 특징을 규합시키는 데 유용하다는 장점이 있어 주로 분류나 수치예측에 이용되는 대표적인 기계 학습이다.
여기서, DNN 모듈은 하나의 예로서 적용한 것이며, 이 외의 딥러닝, 머신러닝(Machine Learning), 모수적 모델(Parametric Model), 비모수적 모델(Non-Parametric Model) 등의 다양한 인공지능 학습모델로 대체 적용하여 구현하는 것도 가능하다.
그리고, 도 6의 결과를 고려하며, 본 발명에서는 특정 밴드의 파수 데이터로 입력값을 제한하는 대신에, 연산부(230)가 포도당 분자구조와의 상관성이 기준값 이상인 스펙트럼 대역의 전체 파수 데이터를 딥러닝 모듈(232)에 제공하도록 구성하였다.
모든 분자는 고유의 라만 주파수를 가지고 있으며, 라만 산란광의 파수 대역은 대체로 100∼3500(㎝-1) 범위인 것으로 알려져 있다. 도 5를 참조하면, 포도당 분자구조와의 상관성이 기준값 이상(예를 들어, 라만 변이가 1000 이상)인 스펙트럼 대역은 대략 1140∼1180 파수 대역으로 분석된다. 따라서, 연산부(230)는 1140∼1180 파수 대역의 모든 파수 데이터를 딥러닝 모듈(232)에 제공할 수 있다.
도 8은 무효소 혈당 측정장치(10)에 포함된 딥러닝 모듈(232), 특히 DNN 모듈의 일례를 도시한 도면이다. 입력층에 100개의 파수 데이터를 입력하면, 다수의 은닉층을 지나면서 최종적으로는 1개의 혈당 수치가 출력되는 예를 보여주고 있다.
환자 Ypred 기준장비 차이(절대값)
#A 171.1 170.9 0.2
#B 148.5 149.2 0.7
#C 217.6 218.4 0.8
#D 280.3 279.3 1.0
#E 201.4 202.0 0.6
위의 표 1은 학습을 마친 딥러닝 모듈(232), 구체적으로는 DNN 모듈을 이용하여 추정한 혈당 농도(Ypred)와 기준장비에 의해 실제 측정된 값을 비교한 도표다. DNN 모듈로 추정한 혈당 농도와 실제 측정값 사이에는 절대값으로 최대 1.0 이하의 높은 상관성(평균 0.66의 차이)을 보여주고 있다.
이러한 결과에 따르면, 본 발명의 무효소 혈당 측정장치(10)가 딥러닝 모듈(232)을 구비하고, 딥러닝 모듈(232)에 포도당 분자구조와의 상관성이 높은 스펙트럼 대역의 전체 파수 데이터를 입력함으로써 기준장비로 실제 측정한 값과 다를 바가 없는 정확한 혈당 농도를 추정할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상, 도면과 실시예 등을 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하였다. 그러나, 본 명세서에 기재된 도면 또는 실시예 등에 기재된 구성은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10: 무효소 혈당 측정장치 100: 스트립
110: 투명 기판 112: 광 차폐부
114: 금속 나노입자 116: 멤브레인 필터
120: 혈액 가이드 기판 122: 모세관
123: 입구 124: 혈액 수용부
130: 커버 기판 132: 벤트 홀
200: 측정 미터 210: 개구부
220: 라만 분광기 222: 발광부
224: 수광부 230: 연산부
232: 딥러닝 모듈 240: 디스플레이

Claims (12)

  1. 혈액 샘플을 수용하는 스트립; 및
    상기 스트립이 삽입되는 개구부와, 상기 개구부에 삽입된 스트립의 혈액 샘플에 대해 빛을 발광 및 수광하는 라만 분광기와, 상기 라만 분광기에서 측정한 파수 데이터에 기반하여 상기 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하는 연산부와, 상기 연산부에서 산출한 혈당 농도를 시각정보로 표시하는 디스플레이를 포함하는 측정 미터;
    를 포함하는 무효소 혈당 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스트립은,
    빛을 투과하는 투명 기판과,
    상기 투명 기판 위에 적층되고, 일단이 외부로 노출된 입구를 형성하면서 타단은 막혀 있는 혈액 수용부를 형성하는 모세관을 구비한 혈액 가이드 기판과,
    상기 혈액 가이드 기판 위에 적층되고, 상기 혈액 수용부에 대응하는 위치에 벤트 홀이 형성된 커버 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    상기 모세관의 입구 영역에 대응하는 일부 영역에 대해 광을 차단하는 광 차폐부를 구비하는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    상기 혈액 수용부에 대응하는 영역에 금속 나노입자가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는 금 나노입자, 또는 은 나노입자인 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 금속 나노입자는, 포도당의 표면 플라즈몬 공명을 강화하는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 투명 기판은,
    상기 모세관의 입구와 혈액 수용부의 사이에 멤브레인 필터가 구비되는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 멤브레인 필터는, 혈구를 포함하는 고분자 물질은 차단하고 포도당은 통과시키는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연산부와 유선 또는 무선으로 연결된 딥러닝 모듈을 더 포함하고,
    상기 딥러닝 모듈은 복수의 혈당 수치에 대한 파수 데이터와 기준장비의 혈당 측정값을 입력받아 학습을 수행한 것으로서, 상기 연산부가 제공하는 파수 데이터에 학습 결과를 적용하여 상기 혈액 샘플 내의 혈당 농도를 산출하고 그 결과를 상기 연산부로 되돌려주는 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 딥러닝 모듈은 DNN 모듈인 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 연산부가 상기 딥러닝 모듈에 제공하는 파수 데이터는, 포도당 분자구조와의 상관성이 기준값 이상인 스펙트럼 대역의 전체 파수 데이터인 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 포도당 분자구조와의 상관성이 기준값 이상인 스펙트럼 대역은, 1140∼1180 파수 대역인 것을 특징으로 하는 무효소 혈당 측정장치.
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