KR100612861B1

KR100612861B1 - 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법 및 장치

Info

Publication number: KR100612861B1
Application number: KR1020040079200A
Authority: KR
Inventors: 황인덕
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-08-14
Anticipated expiration: 2024-10-05
Also published as: US8200305B2; KR20060030368A; US20060074281A1

Abstract

본 발명은 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법 및 장치에 관한 것으로, 공급되는 전류의 변화에 따라 온도가 가변하는 열전냉각소자; 상기 열전냉각소자 상부에 실장되고, 상기 열전냉각소자의 온도변화에 따라 가변되는 파장을 발생하는 광원부; 상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하는 전류 공급 조절부; 상기 광원부의 동작이 이루어지도록 동기화하는 동작 전원을 공급하는 동작 전원 발생부; 및 상기 전류 공급 조절부를 제어하여 상기 열전냉각소자에 흐르는 전류를 조절하고, 상기 동작 전원 발생부를 제어하여 상기 광원부에 공급되는 동작 전원을 조절하는 제어부;로 구성된다. 따라서, 간단하면서도 소형화가 가능한 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법 및 장치를 제공할 수 있다.

열전냉각소자, 가변파장, 광파장, 온도변화, 체액, 성분농도

Description

체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법 및 장치{Method and apparatus for generating tunable wavelengths for body fluids concentration measurement}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 체액 성분농도 측정장치의 블럭도를 나타낸다.

도 2는 도 1의 가변파장 발생부를 보다 구체적으로 나타낸 블럭도이다.

도 3은 도 1의 가변파장 발생부에서 발생되는 동작 전원을 나타낸다.

도 4는 도 1의 신호처리부를 보다 구체적으로 나타낸 블럭도이다.

도 5a와 도 5b는 도 1의 가변파장 발생부의 구성에 대한 개략평면도를 나타낸다.

도 6a와 도 6b는 도 2의 열전냉각소자에 대한 온도 변화에 따라서 광원부에서 발생하는 파장이 가변되는 것을 나타낸 그래프이다.

도 7a와 도 7b는 도 2의 광원소자에 공급되는 전류 펄스 신호의 타임 동기화에 따라서 광원부에서 발생하는 파장이 가변되는 것을 나타낸 그래프이다.

도 8은 다수개의 광원소자에 공급되는 전류 펄스 신호의 시간차에 대한 다른 일예를 나타낸다.

도 9는 도 2의 열전냉각소자에 주기적으로 변화하는 동작 전원을 공급하는 경우에 열전냉각소자에서의 실제적인 온도변화를 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 체액 성분농도 측정방법에 대한 흐름도를 나타낸다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법에 대한 흐름도를 나타낸다.

본 발명은 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 체액성분 농도를 측정하기 위하여 특정 파장 대역을 쉽고 간편하게 발생시키는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

최근 생활환경이 크게 개선되고 또한 삶의 여건이 좋아짐에 따라 개인의 건강에 대한 관심이 고조되고 있다. 그 결과 수시로 개인의 건강상태를 손쉽게 점검할 수 있는 가정용 의료기기의 개발에 많은 연구들이 진행되어 오고 있으며 신제품들이 속속 개발되어지고 있다.

보통 정상인의 경우 생체 내에 존재하는 체액이 유기적으로 순환 및 조절되어 일정한 범위에서 양이 유지되도록 한다. 체액에는 혈액(blood), 요(urine), 간질액(interstitial fluid), 땀, 타액 등의 성분이 있으며, 특히 혈액, 요(당, 단백질) 등의 체액 내 성분의 농도는 건강 상태를 알려주는 매우 중요한 변수이다. 또한 혈액내 존재하는 글루코즈, 헤모글로빈, 빌리루빈, 콜레스테롤, 알부민, 크레아 티닌, 단백질, 요소(urea) 등의 농도 측정은 중요한 대상이 된다.

그러나 생체가 어떠한 질환에 걸리게 되면 체액 성분의 조성이나 양에 변화가 일어나 위험한 상황에 직면할 수 있다. 예를 들어, 정상인의 혈당(blood glucose)농도는 식전에 80mg/dl정도이고 식후에 120mg/dl정도인데, 생체는 이와 같은 혈당 농도를 유지하기 위해 식전 또는 식후에 췌장에서 적정량의 인슐린을 분비하게 하여 간장과 골격근 세포로 흡수되도록 한다. 그런데 질환적 원인이나 기타 다른 원인으로 췌장으로부터 정상 혈당 유지에 필요한 만큼의 인슐린이 생산되지 않는 경우, 혈액 내 과도한 양의 글루코즈가 존재하게 되고, 이것이 원인이 되어 심장과 간 질환, 동맥경화증, 고혈압, 백내장, 망막출혈, 신경손상, 청력 손실, 시력 감퇴 등이 나타날 수 있고 심하면 사망할 수도 있다.

이러한 결과가 나타나기 전에 생체내 체액 성분의 변화를 측정하는 것은 중요하다 할 것이다. 체액 성분의 농도 측정 방식은 대상 물질의 일부를 직접 채취하여 측정하는 침습적 방식과 대상 물질을 채취하지 않고 측정하는 비침습적 방식이 있으나 침습적 방식이 가지는 여러 문제점 때문에 비침습적으로 체액의 성분을 쉽게 진단할 수 있는 기술개발이 계속 진행되고 있다. 기존의 혈당 측정은 혈액을 채취하여 진단 시약(reagent)과 반응을 일으키고, 이를 임상분석 기기를 이용하거나 시약과 반응된 테스트 스트립(strip)의 변색 등을 정량화하여 진단하고 있다. 이러한 혈액의 채취는 당뇨 환자에게 매일 검사해야 할 경우 큰 고통을 느끼게 되고, 질병에 감염될 소지도 높아지며, 또한 연속적인 모니터가 어려워 긴급시 대처가 곤란하게 된다. 또한, 스트립이나 시약의 경우 소모품을 다량 사용해야 하기 때문에 사용자에게는 경제적 부담이 되고, 환경오염 물질이기 때문에 처리해야 하는 문제가 남게 된다. 따라서 당뇨병 환자들의 혈당 조절이나 정상인의 건강 진단을 위해서는 스트립이나 소모품이 필요 없이 혈액을 채취하지 않고 혈당 농도를 진단할 수 있는 기술 개발이 요구되어 지고 있다.

생체 내 체액 성분의 농도를 측정하기 위해 사용되는 분광학적 방법은 대부분 생체조직의 일부에 가시광선 및 근적외선(NIR) 파장 영역의 광을 조사하고 이로부터 반사되거나 투과되어 나오는 광을 검출하는 방식으로 주로 스펙트럼을 측정하여 농도를 추정하고 있다. 특정 타켓 성분 농도를 추정하기 위해서는 측정하고자 하는 성분에 가장 잘 감응하는 파장은 물론, 간섭물질이 주는 영향을 효과적으로 상쇄시켜 줄 대역의 레퍼런스(reference) 광원도 필요하다.

종래에는 CW(continuous wavelength) 램프(lamp) 광원을 사용하여 고가인 어레이된 광 검출기로 광세기를 측정하거나, 분광계로 스펙트럼을 측정하여 농도를 산출하거나 여러 개의 LED 또는 LD(특정 파장만을 발생시키는 것)를 사용한다.

그리고, 측정하고자 하는 성분의 체액 중 특히 혈액 내 존재하는 농도가 매우 낮고 생체조직 및 혈액에서는 빛의 흡수영향보다는 산란효과가 매우 크기 때문에 검출되는 신호가 미약하여 이의 신호를 증가시키기 위한 방법이 필요하다. 이러한 검출되는 신호를 증가시키기 위해서는 LD의 CW(continuous wavelength)구동보다는 펄스(pulse) 구동을 통해 가능하다. 하나의 생체 내에 존재하는 유기물은 끊임없이 흐르고 있으므로 측정시간을 빠르게 유지하여야 정확하게 유기물의 성분 농도를 측정할 수 있다.

또한, 이와 동시에 인체에 조사되는 전체 평균 에너지는 인체 조직에 손상을 주는 범위를 넘어서는 안됨을 고려해야 한다. 특히 700nm에서 2500nm까지의 근적외선 영역에서는 글루코즈에 대한 흡수밴드가 넓게 분포되어 있으며 큰 aqueous 배경 스펙트럼에 비해 글루크즈 흡수 피크가 상대적으로 작기 때문에 작은 S/N(신호대 잡음비) 값을 가지므로 정확한 농도 측정에 많은 어려움을 가진다.

미국특허 5,086,229(발명의 명칭: Non-invasive measurement of blood glucose)에서는 비침습적으로 혈액내 글루코즈 농도를 측정하기 위한 방법으로 600nm에서 1100nm까지의 파장을 사용하며 이러한 파장은 다양한 LED를 사용하여 얻게 되고, 생체내 투과 또는 반사된 광의 에너지 차를 비교 분석하여 글루코즈 농도를 예측하게 된다. 그러나, 이 방법은 실제 제시한 글루코즈 흡수 파장 영역에서 충분한 신호를 얻기 위해서는 많은 수의 LED를 조합하여 사용해야 하므로 서로 다른 파장을 가지는 LED간의 배열(alignment)이 용이하지 못하다는 문제점이 있다. 또한. 다른 파장의 LED를 조합하여 사용하므로 생체조직에 조사시 파장별로 동일한 위치를 지나지 못하므로 정확한 농도측정이 어렵다. 더욱이 600nm에서 1100nm까지의 영역에서는 유용한 글루코즈(glucoze) 정보를 포함하고 있지 않다는 문제점이 있다.

미국특허 6,040,578(발명의 명칭: Method and apparatus for multi-spectral analysis of organic blood analytes in noninvasive infrared spectroscopy)에서는 1100nm에서 5000nm까지의 파장을 사용하여 생체 내에 존재하는 다양한 혈액 성분의 농도를 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 여기에서 제시하는 방법은 생 체로부터 반사되는 광만을 검출하여 분석하는 것이므로, 다양한 필터를 사용하거나, 선형 어레이 검출기(linear array detector)를 사용한다. 그러나, 이와같은 분광계와 그레이팅, 미러와 같은 광학소자를 사용하여야 하며, 그럼으로써 크기를 소형화하기에는 근본적인 한계가 있다는 문제점이 있다.

미국특허 5,780,867(발명의 명칭: Broadband Light-Emitting Diode)는 1.3um에서 2um까지의 광대역 파장을 발생시키기 위해 다양한 에너지 밴드-갭(energy band-gap)을 가지는 층(III-V족 compound semiconductor layers)을 제작하여 결과를 얻는 것이다. 그러나 파장가변 광원 개발을 위해서는 별도로 분광방식의 분광계가 추가로 필요하므로 기존 상용화된 분광계를 사용할 수밖에 없다는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 소형 패키지화된 광원부를 사용하여 체액 성분에 대해 흡수 스펙트럼을 가지는 일정 대역의 준-연속 파장을 쉽게 발생 제어하고, 이를 생체 조직에 조사하여 체액성분의 농도를 침습적 또는 비침습적으로 측정하는 장치를 제공하는 것이다. 이를 위하여, 그레이팅 회전방식의 분광 기술과는 구별되는 열전냉각소자의 온도제어를 통하여 효과적으로 가변되는 파장 조절 기술을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 체액 성분농도 측정장치는, 온도변화에 의해 준연속적으로 가변되는 광파장 신호를 발생하는 가변파장 발생부; 상기 가변파장 발생부로부터 발생되는 광파장 신호를 체액 성분농도를 측정하고자 하는 대상물체에 조사하는 광송신부; 상기 대상물체로부터 투과 또는 반사되어 나오는 광파장 신호를 검출하는 광수신부; 상기 광수신부를 통하여 검출된 광파장 신호를 소정의 방식으로 처리하는 신호처리부; 상기 신호처리부를 통하여 얻어진 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 통하여 상기 대상물체의 성분농도를 분석하고 예측하는 성분농도 분석예측부; 및 상기 소정의 방식으로 신호처리된 광파장 신호를 상기 성분농도 분석예측부에 제공하고, 상기 가변파장 발생부의 온도변화를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치는, 공급되는 전류의 변화에 따라 온도가 가변하는 열전냉각소자; 상기 열전냉각소자 상부에 실장되고, 상기 열전냉각소자의 온도변화에 따라 가변되는 파장을 발생하는 광원부; 상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하는 전류 공급 조절부; 상기 광원부의 동작이 이루어지도록 동기화하는 동작 전원을 공급하는 동작 전원 발생부; 및 상기 전류 공급 조절부를 제어하여 상기 열전냉각소자에 흐르는 전류를 조절하고, 상기 동작 전원 발생부를 제어하여 상기 광원부에 공급되는 동작 전원을 조절하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 가진다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 체액 성분농도 측정방법은, (a) 온도변화에 의해 준연속적으로 가변되는 파장을 발생하는 가변파장 발생단계; (b) 상기 가변파장 발생단계로부터 발생되는 광파장 신호를 체액 성분농도를 측정하고자 하는 대상물체에 조사하는 광송신단계; (c) 상기 대상물체로부터 투과 또는 반사되어 나오는 광파장 신호를 검출하는 광수신단계; (d) 상기 광수신단계로부터 검출된 광파장 신호를 처리하는 신호처리단계; 및 (e) 상기 신호처리단계로부터 얻어진 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 통하여 상기 대상물체의 체액 성분농도를 분석하고 예측하는 성분농도 분석예측단계를 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법은, 열전냉각소자의 상부에 광원부가 실장되어 있는 체액 성분농도 측정 시스템에 있어서, (a) 상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하여 상기 열전냉각소자의 온도를 조절하는 온도조절단계; (b) 상기 광원부를 동기화시키는 동작 전원을 공급하는 전류 펄스 신호 공급단계; 및 (c) 상기 광원부는 상기 (a)단계에서 조절된 상기 열전냉각소자의 온도에 따라 가변되는 광파장을 발생하는 광파장 발생단계를 포함하는 것을 특징으로 가진다.

또한, 본 발명에 의한 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생 방법에 기재된 발명을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 포함하는 것을 특징으로 가진다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 체액 성분농도 측정장치의 블럭도를 나타내고, 도 2는 도 1의 가변파장 발생부를 보다 구체적으로 나타낸 블럭도이며, 도 3은 도 1의 가변파장 발생부에서 발생되는 동작 전원을 나타내고, 도 4는 도 1의 신호처리부를 보다 구체적으로 나타낸 블럭도이다.

도 1을 참조하면, 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생 장치는 가변하는 소정의 파장을 발생하는 가변파장 발생부(120), 가변파장 발생부(120)로부터 발생되는 광파장 신호를 체액 성분농도를 측정하기 위한 대상물체에 조사하기 위한 광송신부(130), 대상물체로부터 반사 또는 투과되어 나오는 광파장 신호를 검출하기 위한 광수신부(140), 광수신부(140)를 통하여 검출된 광파장 신호를 제어부(110)로 보내기 위하여 소정의 방식으로 신호처리하는 신호처리부(150), 체액 성분농도에 대한 각각의 레퍼런스 스펙트럼 데이터가 기 저장되어 있는 저장부(160), 저장부(160)에 저장되어 있는 체액 성분농도의 레퍼런스 스펙트럼 데이터와 신호처리부(150)를 통하여 얻어진 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 비교하여 대상물체의 체액 성분농도를 분석하고 예측하는 성분농도 분석예측부(170) 및 성분농도 분석예측부(170)에서 예측된 분석예측 데이터를 사용자가 인식할 수 있도록 하기 위하여 표시하는 디스플레이부(180)를 포함한다.

여기에서, 가변파장 발생부(100)는 수 mm x 수 mm의 구조로 상기 열전냉각소자(TEC: Thermo-Electric Cooler)(220) 상부에 패키징(packaging)되어 형성되어 있는 광원부(예를 들면, LD(Laser Diode)(200), 광원부(200)에 동작 전원을 공급하여 광원부(200)를 구동하는 동작 전원 조절기(260), 온도에 따라서 가변되는 파장을 만들기 위해 열전냉각소자(220)에 공급되는 전류를 조절하여 온도를 순차적으로 제어하는 전류 공급 조절기(240)로 구성되어 있다. 가변파장 발생부(100)와 관련하여 보다 구체적인 설명에 대하여는 도 2에서 살펴보기로 한다.

광송신부(130)를 통하여 대상물체(예를 들어, 타겟(생체)조직)에 광이 조사 되면, 대상물체에서는 조사된 광이 투과 또는 반사되어 나오게 된다. 반사되어 나오는 광원은 광학계(렌즈, 거울, 또는 이들의 조합)에 의해 유도되어 광수신부(140)로 광파장 신호가 수신되어 지는데, 여기에서 수신되는 광파장 신호는 아날로그 신호가 된다.

광수신부(140)를 통하여 수신되는 광파장 신호는 신호처리부(150)에서 소정의 방식으로 신호 처리가 이루어지는데, 여기에서 신호 처리는 아날로그 신호로 입력되는 광신호를 제어부(110)로 입력하여 성분농도를 분석하고 예측하도록 하는 것이다. 신호처리부(150)에서 이루어지는 신호처리는 도 4에서 보는 바와 같이 광수신부(140)를 통하여 수신되는 광파장 신호를 광증폭기(pre-Amp)(400)에서 증폭시키고, 증폭된 광파장 신호는 아날로그/디지털 변환기(A/D converter)(420)에서 제어부(110)(예를 들어, 마이크로컴퓨터)에서 신호처리가 가능하도록 디지털 광파장 신호로 변환된다.

제어부(110)는 아날로그/디지털 변환부(A/D converter)(320)로부터 출력되는 디지털 광파장 신호를 입력받아 성분농도 분석예측부(170)로 보내게 된다.

성분농도 분석예측부(170)에서는 저장부(160)에 기 저장되어 있던 체액내 각각의 대상성분에 대한 레퍼런스 스펙트럼 데이터를 로딩하고, 제어부(110)를 통하여 입력되는 디지털 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 바탕으로 체액내 측정을 원하는 대상성분의 농도를 분석하고 예측하게 된다. 보다 구체적으로는, 성분농도 분석예측부(170)에서는 체액 성분에 대한 정확한 농도를 예측하는 예측 모델식을 통하여 측정에 사용한 광파장별 흡수정도의 세기를 레퍼런스 스펙트럼 데이터와 비교 분석하여 체액 성분에 대한 정확한 농도를 계산하게 된다. 여기에서, 농도예측을 위해 사용되는 통계 분석에는 종래에 알려진 다양한 분석방법이 사용되어 질 수 있다. 종래에 알려진 분석방법에는 PLS, PCR, MLR, Nonlinear PLS를 포함하는 다양한 multivariate 방법등이 있다.

도 2를 참조하면, 열전냉각소자(TEC)(220)위에 제작된 광원부(200)가 모듈 형태로 형성되어 있다. 전류 공급 조절기(전류 공급 조절부)(240)는 열전냉각소자(220)에 인가되는 전류를 제어하여 열전냉각소자(220)의 온도를 가변 되도록 한다. 열전냉각소자(220)의 온도가 가변됨으로써 열전냉각소자(220)의 상부에 실장되어 있는 광원부(200)에서 발생하는 파장(

)은 가변되게 된다.

여기에서, 광원부(200)는 도 3에서 보이는 바와 같이 동작 전원 조절기(부)(260)에서 공급되는 전류 펄스 신호에 동기하여 동작하게 된다. 이와 같이 동작 전원을 동기하여 공급함으로써 방사되는 광파장 신호가 상당히 작다 하여도 S/N 값을 향상시킬 수 있게 된다. 전류 공급 조절기(240)와 동작 전원 조절기(동작 전원 조절부)(260)는 제어부(110)의 제어에 의해 각각 조절되어 진다.

여기에서 광원부(200)를 열전냉각소자(220)에 실장하는 것과 관련되어서는 다양한 실시예가 가능하다. 광원부(200)는 하나의 광원소자로 구성할 수도 있으나, 바람직하게는 다수개의 광원소자로 구성한다. 또한, 상기의 광원소자는 LED, LD(Laser Diode)등으로 구현할 수 있다.

다수개의 광원소자는 광원소자의 특징이 상호 상이하도록 구성될 수 있다. 즉, 동일한 온도에서 발생하는 광파장이 서로 상이한 광원소자를 이용하는 것이다. 이와 같이 다수개의 광원소자를 구성하는 방법과 관련하여서 첫번째, 다수개의 광원소자는 상기 다수개의 광원소자 각각에 하나씩 대응되도록 형성된 열전냉각소자(220)에 상기 광원소자 각각이 실장되도록 구성할 수도 있고, 두번째, 상기 다수개의 광원소자를 하나의 열전냉각소자(220)에 함께 실장되도록 구성할 수도 있다.

상기에서 첫번째의 경우, 전류 공급 조절기(240)는 상기 열전냉각소자(220)에 각각에 연결되어 각각의 열전냉각소자(220)에 흐르는 전류를 조절하여 열전냉각소자(220)의 온도를 서로 상이하도록 제어할 수 있다. 또한, 열전냉각소자(220)의 온도를 서로 동일하도록 제어할 수도 있다.

상기에서 두번째의 경우, 전류 공급 조절기(240)는 상기 열전냉각소자(220)에 연결되어 열전냉각소자(220)에 흐르는 전류를 조절하여 온도를 제어하게 된다.

또한, 이와 같이 다수개의 광원소자를 구성하는 경우에, 상기 동작 전원 조절기(260)는 상기 광원부(200)의 각각의 광원소자에 연결되어 상기 각각의 광원소자가 일정한 시간차이를 가지고 또한 일정한 주기를 가지며 동작 하도록 하는 동작 전원 신호를 발생하게 된다. 여기에서, 바람직하게 동작 전원 조절기(260)는 전류 클럭 신호를 발생하여서 동작 전원을 조절할 수 있다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 가변파장 발생부(120)는 종래에 널리 사용되는 광원, 광학부품, 스캔 방식의 그레이팅(grating) 등으로 이루어지는 분광계(분광방식)를 사용하지 않고 직접 패키지화된 광원부(200)를 열전냉각소자(220)에 형성하고 상기 열전냉각소자(220)의 온도를 제어함으로써 광원부(200)에서 다른 파장이 출력되도록 한다. 그리고, 광원부(200)는 다수개의 광원소자로 구성되고 동작 전원 조절기(260)에서 광원부(200)의 각각의 광원소자에 공급되는 동작 전원을 일정한 시간차를 두고 공급함으로써 각각의 광원부(200)에서 발생하는 다양한 파장이 순차적으로 발생되어 넓은 특정 대역의 파장이 발생되도록 할 수 있다. 이는 대상물체의 각각의 성분은 시간이 흐름에 따라 대상물체내를 순환하고 있으므로 파장 발생과 이를 측정할 수 있는 시간을 짧게 하여 시간이 흐름에 따라 대상물체내를 순환하여 정확한 측정이 어려운 것을 최소화하도록 할 수 있다.

바람직하게는 광원부(200)는 다수개의 광원소자를 열전냉각소자(220)의 상부에 실장하고, 전류 공급 조절기(240)는 열전냉각소자(220)에 공급되는 전류를 조절하여 다수개의 광원소자를 통하여 특정한 파장대역이 발생되도록 한다. 그럼으로써, 체액 내 존재하는 성분의 농도를 침습적 또는 비침습적으로 측정하는데 응용되어 질 수 있다.

예를 들면, 글루코즈 농도를 측정하기 위해 글루코즈에 흡수가 큰 파장대역과 흡수가 적은 파장대역을 포함하는 광대역 스펙트럼을 발생시켜, 발생된 파장들을 생체에 조사하여 반사 또는 투과되는 광파장 신호를 광수신기(140)로부터 수신된 광파장별 광량의 흡수차이를 분석예측하여 혈중 성분의 글루코즈 농도를 정확히 예측한다.

도 5a와 도 5b는 도 1의 가변파장 발생부(120)의 구성에 대한 개략평면도를 나타낸다.

도 5a를 참조하면, 4개의 광원소자(200a)(200b)(200c)(200d)가 4개의 열전냉 각소자(220a)(220b)(220c)(220d)에 각각 실장되어 있는 것을 볼 수 있다. 여기에서 각각의 광원부(200)의 광원소자에서 가변 파장이 발생되도록 하기 위하여 전류 공급 조절기(260)를 통하여 각각의 열전냉각소자(200)에 공급되는 전류가 가변 되도록 하여 온도를 조절하게 된다. 특히, 제어부(110)는 전류 공급 조절기(260)에서 각각의 열전냉각소자(220)에 공급되는 전류를 각각 제어하도록 할 수 있다. 구체적으로 예를 들어보면, 열전냉각소자(220a)에는 전류 1A, 열전냉각소자(220b)에는 전류 2A, 열전냉각소자(220c)에는 전류 3A, 그리고 열전냉각소자(220d)에는 전류 4A를 공급하도록 할 수 있다.

도 5b를 참조하면, 4개의 광원소자(200a)(200b)(200c)(200d)가 열전냉각소자(220)에 실장되어 있는 것을 볼 수 있다. 여기에서 각각의 광원부(200)의 광원소자에서 발생하는 파장이 가변되도록 하기 위하여 전류 공급 조절기(260)를 통하여 열전냉각소자(200)에 공급되는 전류가 가변 되도록 하여 온도를 조절하게 된다. 제어부(110)는 전류 공급 조절기(260)에서 열전냉각소자(220)에 공급되는 전류를 제어하게 된다.

이와 같이, 도 5a와 도 5b에서는 4개의 광원소자(200a)(200b)(200c)(200d)가 열전냉각소자(220)에 실장 되어있는 것을 도시하였지만, 광원부(200)에 형성되어 있는 광원소자의 개수는 다양한 변화가 가능하다. 즉, 광원부(200)는 하나의 광원소자로 구성할 수 도 있고, 다수개의 광원소자로 구성할 수도 있다.

도 6a와 도 6b를 참조하면, 패키지화된 광원부(200)의 구성요소인 광원소자에 대한 파장 가변의 정도를 보여준다. 즉, 중심 파장은 각각 다르나 일정 파장대역폭(예를 들어, 100nm)을 가지는 제 1 광원소자(예를 들어, 제 1 LD)(600)와 제 2 광원소자(예를 들어, 제 2 LD)(620)가 실장되어 있는 열전냉각소자(220)에 공급되는 전류에 변화를 주어 온도를 변화시킴으로써 제 1 광원소자(600)와 제 2 광원소자(620)에서 발생하는 파장이 준연속적으로 발생되도록 한다. 도 6a와 도 6b에서 가로축은 열전냉각소자(220)에서의 온도변화를 나타내고, 세로축은 열전냉각소자(220)에서의 온도변화에 따라 제 1 광원소자(600)와 제 2 광원소자(620)에서 각각 발생되는 파장을 나타낸다.

도 7a를 참조하면, 동작 전원 조절기(260)에서 발생되어 제 1 광원소자(700)와 제 2 광원소자(720)에 공급되는 전류 펄스 신호는 일정한 주기(0.2ms)를 가지고, 또한 시간차를 가지고 있는 것을 볼 수 있다. 이와 같이 일정한 주기를 가지고 또한 시간차를 가지며 제 1 광원소자(700)와 제 2 광원소자(720)에 전류 펄스 신호가 공급되는 경우에, 도 7b를 참조하면 제 1 광원소자(700)와 제 2 광원소자(720)는 일정한 온도에서 서로 다른 파장의 광파장 신호를 시간차를 두며 발생하는 것을 볼 수 있다.

도 8을 참조하면, 동작 전원 조절기(260)에서 발생되어 5개의 광원소자(800)(820)(840)(860)(880) 각각에 흐르는 전류 펄스 신호는 일정한 주기(0.2ms)를 가지고, 또한 시간차를 가지고 있는 것을 볼 수 있다.

도 9를 참조하면, 열전냉각소자(220)에 공급하는 전원(도 9에서는, 전류)가 일정한 주기를 가지고 공급되는 경우에, 열전냉각소자(220)에서의 이상적인 온도 변화와 실제적인 온도 변화에 대한 것을 나타내는 그래프이다. 열전냉각소자(220)에 공급되는 전류가 일정한 주기를 가지고 공급되는 경우라도 실제적으로는 공급 전류의 큰 변화부분(최대에서 최소로, 한 주기)에서는 열전냉각소자의 온도가 빠르게 real time으로 처음상태로 변환되지 않고 서서히 변화하는 경우의 한 예를 보여준다. 빠른 체액성분 측정에서는 열전냉각소자(220)의 전류변화 주기에 따라 일정 회복시간 필요 없이 온도도 같이 변화하는 것이 필요하다.

우선, 온도변화에 의해 준연속적으로 가변되는 광파장 신호를 발생하게 된다(S1000).

다음으로, 상기 가변되는 광파장 신호를 체액 성분농도를 측정하고자 하는 대상물체에 조사하게 된다(S1010).

다음으로, 상기 대상물체로부터 투과 또는 반사되어 나오는 광파장 신호를 검출하게 된다(S1020).

다음으로, 상기 검출된 광파장 신호에 대하여 소정의 신호처리를 수행하게 된다(S1030). 여기에서, 신호처리는 검출된 광파장 신호를 광증폭하고, 광증폭된 신호를 디지털 광파장 신호로 변환하게 된다(S1030).

다음으로, 상기 S1030단계로부터 얻어진 광파장 신호를 통하여 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 획득하고 이를 통하여 대상물체의 체액 성분농도를 분석하고 예측하게 된다(S1040). 도 10에 대하여 미설명된 부분은 상기에서 살펴본 체액 성분농도 측정장치와 관련된 부분을 참조하기로 한다.

우선, 열전냉각소자에 광원부가 실장되어 있는 체액 성분농도 측정 시스템에 있어서, 상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하여 상기 열전냉각소자의 온도를 조절하게 된다(S1100).

다음으로, 상기 광원부를 동작하도록 하는 동작 전원을 공급하게 된다(S1120).

다음으로, 상기 광원부는 상기 S1100단계에서 조절된 상기 열전냉각소자의 온도에 따라 가변되는 광파장을 발생하게 된다(S1140). 도 11에 대하여 미설명된 부분은 상기에서 살펴본 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치와 관련된 부분을 참조하기로 한다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD_ROM, 자기테이프, 플로피디스크 및 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명은 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법 및 장치에 관한 것으로 다음과 같은 효과가 있다.

체액 성분의 농도를 침습적 또는 비침습적으로 측정할 수 있는 파장가변 발생 장치로 간단하면서도 소형화가 가능한 체액 성분농도 측정장치를 제공할 수 있다.

그리고, 특정 가변 파장대역이 필요한 체액성분 측정에 활용이 가능하고, 소형으로 패키지화된 어셈블리를 통하여 가변되는 파장을 발생할 수 있다.

또한, 광소자의 마이크로-MEMS 제조기술의 급속한 향상으로 소형화/경량화가 가능하여 전체적인 체액성분 측정 장치의 컴팩트화가 가능하며, 펄스 구동이 CW(continuous wavelength) 구동보다는 큰 파워를 얻을 수 있으므로 S/N(신호대 잡음비) 값을 개선시킬 수 있다.

나아가, 본 발명 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생 장치는 체액 성분만이 아닌 다양한 유사 응용 시스템에도 이용되어 질 수 있다.

Claims

온도변화에 의해 가변되는 광파장 신호를 발생하는 가변파장 발생부;

상기 가변파장 발생부로부터 발생되는 광파장 신호를 체액 성분농도를 측정하고자 하는 대상물체에 조사하는 광송신부;

상기 대상물체로부터 투과 또는 반사되어 나오는 광파장 신호를 검출하는 광수신부; 및

상기 광수신부를 통하여 검출된 광파장 신호를 통하여 상기 대상물체의 성분농도를 분석하고 예측하는 성분농도 분석예측부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 가변파장 발생부는

공급되는 전류변화에 따라 온도가 변화하는 열전냉각소자;

상기 열전냉각소자의 온도변화에 따라 가변되는 파장을 발생하는 광원부; 및

상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하는 전류 공급 조절기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정장치.
제 2 항에 있어서,

상기 광원부에 동작 전원 신호를 공급하는 동작 전원 조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 체액 성분농도에 대한 레퍼런스 스펙트럼 데이터가 저장되어 있는 저장부를 더 포함하되,

상기 성분농도 분석예측부는 상기 광수신부를 통하여 검출된 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 추출하여 상기 저장부에 저장되어 있는 상기 체액 성분농도에 대한 레퍼런스 스펙트럼 데이터와 비교하여 상기 대상물체의 체액 성분농도를 예측하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정장치.
제 1 항에 있어서,

상기 성분농도 분석예측부에서 분석되고 예측된 상기 대상물체의 체액 성분농도 분석예측 데이터를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 체액 성분농도 측정장치는

상기 광수신부를 통하여 검출된 광파장 신호를 증폭하는 광증폭기와 상기 광증폭기에서 증폭된 광파장 신호를 디지털 광파장 신호로 변환하는 아날로그/디지털 변환기로 이루어진 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정장치.
공급되는 전류변화에 따라 온도가 가변하는 열전냉각소자;

상기 열전냉각소자의 온도변화에 따라 가변되는 파장을 발생하는 광원부;

상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하는 전류 공급 조절부; 및

상기 광원부의 동작이 이루어지도록 동작 전원 신호를 공급하는 동작 전원 발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 7 항에 있어서,

상기 광원부는 다수개의 광원소자가 모듈 형태로 상기 열전냉각소자에 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 8 항에 있어서, 상기 동작 전원 발생부는

상기 광원소자 각각이 일정한 시간차를 가지며 동작하도록 하는 동작 전원 신호를 상기 광원소자 각각에 공급하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 9 항에 있어서,

상기 동작 전원 발생부에는 타임 딜레이기(time delay)를 포함하여,

상기 동작 전원 발생부에서 상기 동작 전원 신호를 시간차를 가지고 상기 광원소자 각각에 공급하는 것은 상기 타임 딜레이기를 통하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 7 항에 있어서, 상기 동작 전원 신호는

일정 주기를 가지는 전류 펄스 신호인 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 7 항에 있어서,

상기 다수개의 광원소자 각각은 하나로 형성된 상기 열전냉각소자에 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 7 항에 있어서,

상기 열전냉각소자는 상기 다수개의 광원소자 각각에 하나씩 대응되도록 다수개로 이루어진 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
제 7 항에 있어서, 상기 광원부는

LED 및 LD(Laser Diode) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생장치.
(a) 온도변화에 의해 가변되는 파장을 발생하는 가변파장 발생단계;

(b) 상기 가변파장 발생단계로부터 발생되는 광파장 신호를 체액 성분농도를 측정하고자 하는 대상물체에 조사하는 광송신단계;

(c) 상기 대상물체로부터 투과 또는 반사되어 나오는 광파장 신호를 검출하는 광수신단계; 및

(d) 상기 광수신단계로부터 검출된 광파장 신호를 통하여 상기 대상물체의 체액 성분농도를 분석하고 예측하는 성분농도 분석예측단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정방법.
제 15 항에 있어서, 상기 (c)단계와 상기 (d)단계 사이에

상기 측정하고자 하는 체액 성분농도에 대한 레퍼런스 스펙트럼 데이터가 기 저장되어 있는 저장부로부터 체액 성분농도에 대한 레퍼런스 스펙트럼 데이터를 로딩하는 단계를 더 포함하되,

상기 성분농도 분석예측단계는 상기 광수신단계를 통하여 검출된 광파장 신호의 스펙트럼 데이터를 추출하여 상기 저장부에 저장되어 있는 상기 레퍼런스 스 펙트럼 데이터와 비교하여 상기 대상물체의 체액 성분농도를 예측하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정방법.
제 15 항에 있어서, 상기 (c)단계와 상기 (d)단계 사이에

상기 광수신단계를 통하여 검출된 광파장 신호를 증폭하고, 상기 증폭된 광파장 신호를 디지털 광파장 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정방법.
제 15 항에 있어서,

(e) 상기 성분농도 분석예측단계에서 분석하고 예측된 상기 대상물체의 체액 성분농도 분석예측 데이터를 표시하는 디스플레이단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정방법.
열전냉각소자 상부에 광원부가 실장되어 있는 시스템에서 체액 성분농도를 측정하도록 가변파장을 발생하는 방법에 있어서,

(a) 상기 열전냉각소자에 공급되는 전류를 조절하여 상기 열전냉각소자의 온도를 조절하는 온도조절단계;

(b) 상기 광원부를 동작하도록 하는 동작 전원을 공급하는 동작 전원 공급단계; 및

(c) 상기 (a)단계에서 조절된 상기 열전냉각소자의 온도에 따라 상기 광원부 는 가변되는 광파장을 발생하는 광파장 발생단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법.
제 19 항에 있어서,

상기 광원부는 다수개의 광원소자가 모듈 형태로 상기 열전냉각소자에 실장되어 있는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법.
제 19 항에 있어서, 상기 (b)단계는

상기 광원소자 각각에 대하여 일정한 시간차를 가지며 동작하도록 하는 동작 전원을 상기 광원소자 각각에 공급하는 것을 특징으로 하는 체액 성분농도 측정용 가변파장 발생방법.
제 15 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 기재된 발명을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.