KR100389906B1

KR100389906B1 - 목적물의 성분 농도 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100389906B1
Application number: KR10-2001-0025224A
Authority: KR
Inventors: 황인덕; 윤길원
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2003-07-04
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002340796A; JP4028249B2; US20020169368A1; KR20020085625A; US6625480B2

Abstract

목적물의 성분 농도 측정 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치는, 소정값 이상의 피크 전력을 갖는 단일 파장의 입사광을 조사하는 펌핑 광원과, 입사광을 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하여 출력하는 제1 파장 변환부와, 제1 파장 변환부로부터 출력되는 광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 목적물로 조사하는 제1 빔 분할부와, 제1 빔 분할부에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시키고, 분리된 결과를 기준 광으로서 출력하는 기준 광 발생부와, 목적물을 통과한 광을 평형하게 변환시켜 출력하는 제1 시광부와, 제1 시광부로부터 출력되는 광과 기준광의 파장별 세기를 기준 광을 이용하여 측정하는 광 세기 측정부 및 광 세기 측정부에서 측정된 파장별 세기로부터 성분의 농도를 측정하는 농도 측정부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 그러므로, 목적물에 포함된 성분들에 대해 흡수 스펙트럼을 갖는 이산적인 파장들을 갖는 광을 손쉽게 발생시킬 수 있고, 종래보다 신호 대 잡읍비를 개선시킬 수 있고, 대역 통과 필터를 요구하지 않으며, 성분의 농도를 침습적 또는 비 침습적으로 측정할 수 있고, 생체의 조직에 손상을 주지 않고 성분의 농도를 측정할 수 있고, 배열을 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라, 소형화될 수 있고, 경량화될 수 있는 효과를 갖는다.

Description

목적물의 성분 농도 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring concentration of component in target material}

본 발명은 광 섬유를 이용하는 것에 관한 것으로서, 특히, 광 섬유를 이용하여 이산적(discrete)으로 변환된 파장들을 갖는 광을 목적이 되는 물체의 내부에 포함된 각 성분의 농도를 측정하는데 사용하는 목적물의 성분 농도 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 생활 환경이 크게 개선되고 삶의 여건이 좋아짐에 따라 개인의 건강에 대한 관심이 고조되고 있다. 이에, 개인의 건강 상태를 손쉽게 수시로 점검할 수 있는 가정용 의료 기기들이 많이 연구개발되고 있다. 보통 정상인의 경우 생체 내에 존재하는 체액은 유기적으로 순환 및 조절되어 일정한 범위에서 그의 량이 조절되고, 일정한 수준으로 그 량이 유지된다. 체액에는 혈액(blood), 요(urine), 간질액(interstitial fluid), 땀 및 타액 등의 성분들이 있다. 특히, 혈액, 요(당, 단백질) 등과 같은 체액 내부에 존재하는 성분들 각각의 농도는 건강 상태를 알기 위해 매우 유용하게 사용된다. 또한, 건강 상태를 측정하기 위해서, 혈액내 존재하는글루코즈, 헤모글로빈, 빌리루빈, 콜레스테롤, 알부민, 크레아티닌, 단백질 및 urea 등의 농도가 측정되기도 한다.

결국, 생체가 어떠한 질환에 걸리게 되면 체액 성분의 조성 또는/및 량에 변화가 일어나기 때문에, 그 성분의 농도를 측정하여 건강 상태를 진단할 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 분비하여 간장과 골격근 세포로 흡수되도록 한다. 그러나, 질환적 원인 또는 기타 다른 원인으로 췌장으로부터 정상 혈당 유지에 필요한 만큼의 인슐린이 생산되지 않을 경우, 혈액 내 과도한 양의 글루코즈가 존재하게 되고, 이것이 원인이 되어 심장과 간 질환, 동맥 경화증, 고혈압, 백내장, 망막출혈, 신경손상, 청력 손실 및 시력 감퇴 등의 현상이 나타날 수 있고 심할 경우 사망할 수도 있다. 따라서, 이러한 극단적인 결과를 미연에 방지하기 위해, 생체내 체액 성분의 변화를 시간 및 공간적으로 제약을 받지 않고 측정하는 것은 매우 중요하다.

체액 성분의 농도 측정 방식은 대상 물질의 일부를 직접 채취하여 측정하는 침습적 방식과 대상 물질을 채취하지 않고 측정하는 비침습적 방식이 있다. 침습적으로 체액 성분의 농도를 측정하는 일반적인 방식은 혈액을 채취한 다음, 채취한 혈액과 진단 시약(reagent)과의 반응을 임상분석 기기를 이용하여 분석하여 체액 성분의 농도를 측정한다. 그러나, 이러한 침습적인 방식은, 혈액을 채취하기 위해 당뇨 환자에게 큰 고통을 주고, 혈액 채취과정에서 당뇨 환자에서 다른 질병을 감염시킬 수 있고, 환자를 연속적으로 모니터링하기 어려워 긴급 상황 발생시 대처하기 곤란하고, 스트립(strip)이나 시약과 같은 소모품을 다량 사용하여 사용자에게 경제적 부담을 안겨줄 뿐만 아니라 환경 오염을 야기시키는 문제점들을 갖는다. 따라서 당뇨병 환자들의 혈당 조절이나 정상인의 건강 진단을 위해서는 혈액을 채취하지 않고 혈당 농도를 비 침습적으로 진단할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 이를 위한 종래의 비 침습적인 혈당 측정 방법이 많이 출현하고 있으나 아직까지 상업화되지는 않았다.

생체 내 체액 성분의 농도를 측정하기 위해 사용되는 분광학적 방법은 대부분 생체 조직의 일부에 가시광선 및 근적외선(NIR) 파장 영역의 광을 조사하고, 생체로부터 반사되거나 투과되어 나오는 광을 검출하여 체액 성분의 농도를 추정한다. 이 때, 특정 성분의 농도를 추정하기 위해서, 측정하고자 하는 성분에 가장 잘 감응하는 파장을 갖는 광 뿐만 아니라 간섭 물질이 주는 영향을 효과적으로 상쇄시켜 줄 수 있는 대역에 존재하는 파장을 갖는 기준광도 필요하다.

종래의 성분 농도 측정 장치는 연속파(CW:Continuous Wave) 광원을 사용하여 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼으로부터 농도를 산출하거나 여러 개의 발광 다이오드(LED) 또는 레이져 다이오드(LD)를 광원으로 사용하여 농도를 산출하기도 한다. 그러나 측정하고자 하는 성분의 농도가 매우 낮고 생체 조직 및 혈액에서 빛의 흡수 영향보다 산란 효과가 매우 크기 때문에, 검출되는 신호가 미약할 수 있다. 따라서, 미약한 신호의 크기를 증가시키기 위한 방법이 요구되는 반면, 인체에 조사되는 전체 평균 에너지가 인체 조직에 손상을 주는 범위를 넘어서는안된다. 특히 700 - 2500㎚의 근적외 영역에서 글루코즈에 대한 흡수 대역이 넓게 분포되어 있으며 물에 대한 넓은 배경 스펙트럼에 비해 글루코즈 흡수 피크값이 상대적으로 작기 때문에, 신호 대 잡음비가 작아서 정확한 농도 측정에 많은 어려움이 수반된다.

이하, 종래의 성분 농도 측정 방법들을 다음과 같이 설명한다.

종래의 성분 농도 측정 방법들중 하나가 미국 특허 번호 US6,061,582에 "Method and apparatus for non-invasive determination of physiological chemicals, particularly glucose"라는 제목으로 개시되어 있다. 여기에 개시된 종래의 방법은 적외선(Infrared)을 사용하여 글루코즈와 같은 생리학적 성분의 농도를 비 침습적으로 측정한다. 이를 위해, 이 방법은, 300W의 텅스텐-할로겐(Tungsten-halogen) 램프(lamp)를 사용하여 글루코즈에 흡수 파장 영역인 2000-2500㎚와 1538-1724㎚의 파장 영역을 발생시켜 생체 조직으로부터 반사되거나 투과된 스펙트럼 또는 이의 인터페로그램(interferogram)을 분석한다. 그러나 이 방법은, 전술한 파장들에서 생체에 조사되는 광 세기가 너무 작은 문제점을 갖는다.

종래의 다른 성분 농도 측정 방법이 미국 특허 번호 US5,086,229에 "Non-invasive measurement of blood glucose"라는 제목으로 개시되어 있다. 여기에 개시된 종래의 방법은 비 침습적으로 혈액의 글루코즈 성분을 예측하기 위해, 600-1100㎚ 영역의 파장을 갖는 광을 다양한 LED을 사용하여 얻고 생체 내 투과 또는 반사된 광의 에너지 차를 비교 분석한다. 그러나 이 방법은 실제 제시한 글루코즈 흡수 파장 영역에서 충분한 신호를 얻기 위해 많은 수의 LED를 조합하여 사용해야 하므로 서로 다른 파장을 갖는 광들을 발생하는 LED들간의 배열(alignment)를 어렵게 하는 문제점을 가지며, LED들을 조합하여 사용함으로 인해 생체 조직에 광을 조사할 때 파장별로 동일한 위치를 광이 지날 수 없도록 하여 글루코즈의 농도를 정확히 측정할 수 없는 문제점도 갖는다. 또한, LED가 가지는 스펙트럼 밴드폭(bandwidth)이 레이저광에 비해 넓으므로 서로 인접한 흡수 파장 대역을 선정하여 농도를 측정하는데 한계를 갖는 문제점도 갖는다.

종래의 또 다른 성분 농도 측정 방법이 미국 특허 번호 US5,222,495에 "Non-invasive blood analysis by near infrared absorption measurements using two closely spaced wavelengths"라는 제목으로 개시되어 있다. 여기에 개시된 종래의 방법은 생체 내에 존재하는 다양한 산란(scattering) 효과를 줄이기 위해 인접 파장을 사용한다. 즉 신호 파장으로 1600㎚을 사용하고, 신호파장 보다 길지만 파장간 차이가 적은 1630-1660㎚ 영역을 기준 파장으로 사용한다. 그러나, 이 방법은 샘플(sample)을 제작하여 스펙트럼을 측정한 예는 있으나 생체에는 아직 적용된 바 없다.

종래의 또 다른 성분 농도 측정 방법이 미국 특허 번호 US6,152,876에 "Method for non-invasive blood analysis measurement with improved optical interface"라는 제목으로 개시되어 있다. 여기에 개시된 종래의 방법은 혈액을 포함하는 피부 표면(skin surface) 또는 조직 표면(tissue surface)의 생체 조직과 센서 프로브(sensor probe)사이에 굴절율 정합 매체(index-matching medium)을 삽입하여 혈중 성분의 농도를 측정하며, 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)를 사용하여 측정된 데이타를 분석한다. 이를 위해, 이 방법은 100W 석영 텅스텐-할로겐(quartz tungsten halogen) 램프를 광원으로 사용하기 때문에, 실제로 제품 개발시 신호 대 잡음비를 증가시켜야 하는 문제점을 갖는다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 목적물에 포함된 성분의 농도를 측정하기 위해 이산적인 여러 파장들을 갖는 광을 쉽게 발생시켜 목적물로 조사시킬 수 있는 목적물의 성분 농도 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 상기 목적물의 성분 농도 측정 장치에서 수행되는 목적물의 성분 농도 측정 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치의 일 실시예의 블럭도이다.

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

도 3은 도 2에 도시된 제70 단계에 대한 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.

도 4는 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치의 다른 실시예의 블럭도이다.

도 5는 도 4에 도시된 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 성분 농도 측정 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.

도 6은 도 1 및 도 4에 도시된 제1 ∼ 제V+1 파장 변환부들 각각의 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예의 블럭도이다.

도 7은 도 6에 도시된 제Y 파장 변환기의 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예의 블럭도이다.

도 8은 광 섬유의 코어를 다른 물질들로 도핑할 때, 라만 주파수 변이 및 라만 이득 계수를 비교하는 그래프이다.

도 9는 글루코즈 수용액에서 물을 뺀 결과의 파장별 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.

도 10은 1200㎚, 1300㎚ 및 1600㎚의 파장들을 갖는 광을 발생하는 본 발명에 의한 성분 농도 측정 장치의 블럭도이다.

상기 과제를 이루기 위해, 목적물에 포함된 성분의 농도를 측정하는 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치는, 소정값 이상의 피크 전력을 갖는 단일 파장의 입사광을 조사하는 펌핑 광원과, 상기 입사광을 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하여 출력하는 제1 파장 변환부와, 상기 제1 파장 변환부로부터 출력되는 광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 상기 목적물로 조사하는 제1 빔 분할부와, 상기 제1 빔 분할부에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시키고, 분리된 결과를 기준 광으로서 출력하는 기준 광 발생부와, 상기 목적물을 통과한 광을 평형하게 변환시켜 출력하는 제1 시광부와, 상기 제1 시광부로부터 출력되는 광과 기준 광의 파장별 세기를상기 기준 광을 이용하여 측정하는 광 세기 측정부 및 상기 광 세기 측정부에서 측정된 상기 파장별 세기로부터 상기 성분의 농도를 측정하는 농도 측정부로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 다른 과제를 이루기 위해, 목적물에 포함된 성분의 농도를 측정하는 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 방법은, 소정값 이상의 피크 전력을 갖는 단일 파장의 입사광을 조사하는 단계와, 상기 입사광을 적어도 하나의 파장을 갖는 광으로 변환시키는 단계와, 상기 변환된 광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 상기 목적물로 조사하고, 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시킨 후 파장별로 분리시켜 기준 광을 생성하는 단계와, 상기 목적물을 통과한 광을 평형하게 변환시키는 (d) 단계와, 상기 (d) 단계에서 변환된 광과 기준광의 파장별 세기를 측정하는 단계 및 측정된 상기 파장별 세기를 이용하여 상기 성분의 농도를 측정하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치들 각각의 구성 및 동작과 각 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 성분 농도 측정 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치의 일 실시예의 블럭도로서, 펌핑 광원(10), 제1 파장 변환부(12), 제1 빔 분할부(14), 기준 광 발생부(16), 목적물(22), 제1 시광부(collimator)(24), 광 세기 측정부(28) 및 농도 측정부(30)로 구성되며, 제1 접속 렌즈(18), 굴절율 정합(index matching) 부재(20) 및 파장 분리부(26)를 더 마련할 수도 있다.

도 2는 도 1에 도시된 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 방법을 설명하기 위한 플로우차트로서, 단일 파장을 갖는 입사광으로부터 적어도 하나의 이산적인 파장들을 갖는 광을 생성하는 단계(제60 및 제62 단계들), 생성된 광을 목적물(22)에 조사한 후 목적물(22)로부터 통과되는 광의 파장별 세기를 기준광과 함께 측정하는 단계(제64 ∼ 제68 단계들) 및 측정된 세기를 이용하여 목적물(22)에 함유된 성분의 농도를 측정하는 단계(제70 단계)로 이루어진다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 도 1에 도시된 성분 농도 측정 장치의 펌핑 광원(10)은 소정값 이상의 피크 전력(peak power)을 갖는 단일 파장의 입사광을 제1 파장 변환부(12)로 조사한다(제60 단계). 이를 위해, 펌핑 광원(10)은 펄스 레이져(pulse laser)(미도시) 또는 CW 레이져로 구현될 수 있다. 이 때, 펄스 레이져는 Nd:YAG 레이져, Ho:YAG 레이져, Tm:YAG 레이져, 광 파라메트릭 발진(OPO:Optical Parametric Oscillation) 레이져, 솔리드-스테이트(solid-state) 레이져 또는 광 섬유 레이져가 될 수 있다. 여기서, 펄스 레이져는 1064㎚의 펄스 레이져, 1300㎚의 펄스 레이져, 2㎛ 영역의 Ho:YAG 또는 Tm:YAG 레이져로 구현될 수 있고, CW 레이져는 1480㎚의 파장을 갖는 입사광을 발생시키는 레이져 다이오드(laser diode)로 구현될 수 있다.

제60 단계후에, 제1 파장 변환부(12)는 펌핑 광원(10)로부터 조사되는 입사광을 입력하고, 입력한 입사광을 적어도 하나의 이산적인 파장들을 갖는 광으로 변환하며, 변환된 광을 제1 빔 분할부(14)로 출력한다(제62 단계).

제62 단계후에, 제1 빔 분할부(14)는 제1 파장 변환부(12)에서 변환된 적어도 하나의 파장을 갖는 광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 목적물(22)로 조사하고, 분할된 광들중 다른 하나를 기준 광 발생부(16)로 출력한다(제64 단계). 이 때, 기준 광 발생부(16)는 제1 빔 분할부(14)에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시키고, 파장별로 분리된 결과를 기준 광으로서 광 세기 측정부(28)로 출력한다(제64 단계). 이를 위해, 기준 광 발생부(16)는 제1 빔 분할부(14)에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키는 시준 렌즈(미도시) 및 시준 렌즈(미도시)에서 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시켜 기준 광으로서 광 세기 측정부(28)로 출력하는 회절 격자(미도시)를 마련할 수 있다.

본 발명에 의하면, 도 1에 도시된 성분 농도 측정 장치는 제1 집속 렌즈(18) 및/또는 굴절율 정합 부재(20)를 더 마련할 수도 있다. 이 때, 제1 집속 렌즈(18)와 굴절율 정합 부재(20)가 동시에 마련될 경우, 굴절율 정합 부재(20)는 제1 집속 렌즈(18)와 목적물(22) 사이에 마련된다.

제1 집속 렌즈(18)는 목적물(22)로 고 광도(high intensity)의 광을 조사시키기 위해, 제1 빔 분할부(14)에서 분할된 광들중 하나를 집속시키고, 집속된 결과를 굴절율 정합 부재(20) 또는 목적물(22)로 조사한다. 이 때, 굴절율 정합 부재(20)는 제1 빔 분할부(14)에서 분할된 광들중 하나 또는 제1 집속 렌즈(18)에서 집속된 결과를 입력하여 목적물(22)로 조사한다. 즉, 굴절율 정합 부재(20)는 목적물(22) 내부와 목적물(22) 외부의 굴절율의 차이를 정합시켜, 전체적인 신호 대 잡음비(SNR:Signal to Noise Ratio)를 개선시키는 역할을 한다.

본 발명에 의하면, 도 1에 도시된 목적물(22)은 생체가 될 수도 있고, 샘플 큐벳(sample cuvette)이 될 수도 있다. 목적물(22)이 생체인 경우, 제1 빔 분할부(14)로부터 출력되는 광은 제1 집속 렌즈(18) 및/또는 굴절율 정합 부재(20)를 통해 피부 표면과 같은 생체 조직으로 조사된다. 만일, 목적물(22)이 생체인 경우, 본 발명에 의한 장치 및 방법은 비 침습적으로 성분의 농도를 측정하고, 목적물(22)이 샘플 큐벳인 경우 본 발명에 의한 장치 및 방법은 침습적으로 성분의 농도를 측정한다.

제64 단계후에, 제1 시광부(24)는 목적물을 통과하여 분산되는 광을 평형하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 출력한다(제66 단계). 이를 위해, 제1 시광부(24)는 다수개의 시광 렌즈(collimator)들(미도시)을 직렬로 연결함으로서 구현될 수 있다.

제66 단계후에, 광 세기 측정부(28)는 제1 시광부(24)로부터 입력한 평행하게 변환된 광의 파장별 세기를 기준 광 발생부(16)로부터 입력한 기준 광과 함께 측정하고, 측정된 결과를 농도 측정부(30)로 출력한다(제68 단계). 여기서, 광 세기 측정부(28)가 제1 시광부(24)로부터 입력한 평행하게 변환된 광의 세기를 파장별로 측정할 수 있도록, 도 1에 도시된 장치는 제1 시광부(24)로부터 출력되는 광을 파장별로 분리시키고, 파장별로 분리된 광을 광 세기 측정부(28)로 출력하는 파장 분리부(26)를 더 마련할 수도 있다. 또한, 파장 분리부(26)는 광 세기 측정부(28)에 내장될 수도 있다. 이 때, 광 세기 측정부(28)는 파장 분리부(26)로부터 출력되는 파장별 광의 세기를 기준 광 발생부(16)로부터 입력한 기준광과 함께 측정한다.

본 발명에 의하면, 광 세기 측정부(28)는 제1 시광부(24) 또는 파장 분리부(26)로부터 출력되는 광의 파장별 세기를 기준 광과 함께 측정하는 근 적외선 광 세기 측정기(미도시)나 어레이(arrary) 광 세기 측정기(미도시)로 구현될 수 있다. 여기서, 근 적외선 광 세기 측정기 또는 어레이 광 세기 측정기는 Si, Ge, InGaAs, InS 등으로 제조될 수 있다.

제68 단계후에, 농도 측정부(30)는 광 세기 측정부(28)에서 측정된 파장별 세기를 이용하여 목적물(22)에 포함된 어느 성분의 농도를 측정하고, 측정된 농도를 출력단자 OUT₁을 통해 출력한다(제70 단계). 이를 위해, 농도 측정부(30)는 도 1에 도시된 바와 같이 증폭기(40), 아날로그/디지탈 변환기(ADC:Analog to Digital Converter)(42) 및 신호 처리부(44)로 구현될 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 제70 단계에 대한 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예를 설명하기 위한 플로우차트로서, 측정된 세기를 증폭한 후 디지탈 신호로 변환하는 단계(제80 및 제82 단계들) 및 디지탈 신호로부터 성분의 농도를 측정하는 단계(제84 단계)로 이루어진다.

도 1에 도시된 증폭기(40)는 광 세기 측정부(28)에서 측정된 광의 파장별 세기를 증폭하고, 증폭된 결과를 ADC(42)로 출력한다(제80 단계). 제80 단계후에, ADC(42)는 증폭기(40)에서 증폭된 결과를 디지탈 형태로 변환하고, 변환된 결과를 디지탈 신호로서 신호 처리부(44)로 출력한다(제82 단계). 제82 단계후에, 신호 처리부(44)는 ADC(42)로부터 입력한 디지탈 신호를 신호 처리하여 분석하고, 신호 처리된 결과로부터 목적물(22)에 투과 또는 반사된 광 세기 또는 스펙트럼들간의 차이를 비교 및 분석하여 목적물(22)에 포함된 어느 성분의 농도를 예측하고, 예측된 결과를 측정된 농도로서 출력단자 OUT₁을 통해 출력한다(제84 단계). 이를 위해, 신호 처리부(44)는 목적물(22)에 조사된 광의 파장별 흡수 정도의 세기와 목적물(22)의 성분에 대한 농도간의 관계를 규정짓는 예측 모델식을 미리 만들어 저장한다. 이 때, 신호 처리부(44)는 ADC(42)로부터 입력한 디지탈 신호로부터 광의 파장별 흡수 정도의 세기를 계산하고, 계산된 세기를 예측 모델식에 대입하여 성분의 농도를 예측할 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치는 펌핑 광원(10)으로부터 발생되는 입사광의 파장을 도 1에 도시된 장치와 달리 다음과 같이 변환시킬 수도 있다.

도 4는 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치의 다른 실시예의 블럭도로서, 제2 ∼ 제2V(여기서, V는 2이상의 양의 정수이다.) 빔 분할부들(100, 102, ..., 104, 106, 108, ..., 110 및 112), 제2 ∼ 제V+1 파장 변환부들(120, 122, ..., 124 및 126), 전 반사부(130) 및 기준 광 발생부(132)로 구성된다.

도 5는 도 4에 도시된 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 성분 농도 측정 방법을 설명하기 위한 플로우차트로서, 제60 단계후에 입사광을 여러개로 분할하고, 분할된 광들 각각의 파장을 변환하고, 변환된 파장을 갖는 광을 목적물에 조사하는한편 기준광을 생성하고 제66 단계로 진행하는 단계(제150 ∼ 제154 단계들)로 이루어진다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 1에 도시된 제1 파장 변환부(12), 제1 빔 분할부(14) 및 기준 광 발생부(16)는 도 4에 도시된 제2 ∼ 제2V 빔 분할부들(100, 102, ..., 104, 106, 108, ..., 110 및 112), 제2 ∼ 제V+1 파장 변환부들(120, 122, ..., 124 및 126), 전 반사부(130) 및 기준 광 발생부(132)로 대체될 수 있다.

제60 단계후에, 도 4에 도시된 제2 ∼ 제V 빔 분할부들(100, 102, ... 및 104)은 도 1에 도시된 폄핑 광원(10)으로부터 조사되어 입력단자 IN1을 통해 입력되는 입사광을 적어도 둘 이상으로 분할한다(제150 단계). 여기서, 제2 빔 분할부(100)는 펌핑 광원(10)으로부터 입력단자 IN1을 통해 입력한 입사광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 제2 파장 변환부(120)로 출력하고, 분할된 광들중 다른 하나를 제3 빔 분할부(102)로 출력한다. 이 때, 제3 ∼ 제V 빔 분할부들(102, ... 및 104)중 하나인 제v(3≤v≤V) 빔 분할부는 제v-1 빔 분할부에서 분할된 광들중 다른 하나를 입력하여 분할하고, 분할된 광들중 하나를 제v 파장 변환부(122, ... 또는 124)로 출력한다. 이 때, v≠V인 경우, 제v 빔 분할부는 분할된 광들중 다른 하나를 제v+1 빔 분할부로 출력한다.

제150 단계후에, 제2 ∼ 제V+1 파장 변환부들(120, 122, ..., 124 및 126)은 해당하는 빔 분할부(100, 102, ... 또는 104)로부터 입력한 광을 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 제V+1 ∼ 제2V 빔분할부들(106, 108, ..., 110 및 112)로 각각 출력한다(제152 단계). 예컨데, 제2 ∼ 제V+1 파장 변환부들(120, 122, ..., 124 및 126)중 하나인 제w(2≤w≤V+1) 파장 변환부는 입력한 광을 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 제V+w-1 빔 분할부(106, 108, ..., 110 또는 112)로 출력한다. 여기서, 도 4에 도시된 전 반사부(130)는 제V 빔 분할부(104)에서 분할된 광들중 다른 하나를 입력하여 제V+1 파장 변환부(126)로 전 반사시킨다.

제152 단계후에, 제V+1 ∼ 제2V 빔 분할부들(106, 108, ..., 110 및 112)은 제2 ∼ 제V+1 파장 변환부들(120, 122, ..., 124 및 126)에서 변환된 광들을 분할한 후, 분할된 광들중 하나를 출력단자 OUT₂∼ OUT_V+1를 통해 목적물(22)로 조사하고, 분할된 광들중 다른 하나를 기준 광 발생부(132)로 출력한다(제154 단계). 예컨데, 제V+1 ∼ 제2V 빔 분할부들(106, 108, ..., 110 및 112)중 하나인 제V+w-1 빔 분할부는 제w 파장 변환부(120, 122, ..., 124 또는 126)로부터 출력되는 광을 분할하고 분할된 광들중 하나를 출력단자 OUT_w를 통해 목적물(22)로 조사하고, 분할된 광들중 다른 하나를 기준 광 발생부(132)로 출력한다. 이 때, 제V+w-1 빔 분할부와 목적물(22) 사이에는 도 1에 도시된 제1 접속 렌즈(18) 및/또는 굴절율 정합 부재(20)가 마련될 수 있다. 만일, 제1 접속 렌즈(18) 및/또는 굴절율 정합 부재(20)가 제V+w-1 빔 분할부와 목적물(22) 사이에 마련될 경우, 제1 집속 렌즈(18)는 제V+w-1 빔 분할부에서 분할된 광들중 하나를 집속시키고, 집속된 결과를 굴절율 정합 부재(20)로 조사하며, 굴절율 정합 부재(20)는 제1 집속 렌즈(18)에서 집속된 광을 목적물(22)로 조사한다.

또한, 제154 단계에서, 기준 광 발생부(132)는 제V+1 ∼ 제2V 빔 분할부들(106, 108, ..., 110 및 112) 각각에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시키며, 파장별로 분리된 결과들을 기준 광으로서 출력단자 OUT_V+2를 통해 광 세기 측정부(28)로 출력한다. 이를 위해, 기준 광 발생부(132)는 도 1에 도시된 기준 광 발생부(16)와 마찬가지로, 시준 렌즈(미도시) 및 회절 격자(미도시)를 마련할 수 있다.

전술한 도 1 및 도 4에 도시된 제1 ∼ 제V+1 파장 변환부들(12, 120, 122, ..., 124 및 126) 각각은 입사한 광을 자외선(UV:UltraViolet), 가시광선(visible) 또는 근적외선(near infrared) 영역에 존재하는 이산적인 파장들을 갖는 광으로 원하는 대로 변환시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 ∼ 제V+1 파장 변환부들(12, 120, 122, ..., 124 및 126)은 글루코즈와 같은 혈당 성분에 흡수되는 광의 파장 대역에 존재하는 파장으로 입사광의 파장을 변환시킬 수 있다.

이하, 제1 ∼ 제V+1 파장 변환부들(12, 120, 122, ..., 124 및 126) 각각의 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예의 구성 및 동작을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 6은 도 1 및 도 4에 도시된 제1 ∼ 제V+1 파장 변환부들(12, 120, 122, ..., 124 및 126) 각각의 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예의 블럭도로서, 서로 직렬 연결된 제1 ∼ 제Y(여기서, Y는 1이상의 양의 정수) 파장 변환기들(170, 172,... 및 174)로 구성된다.

제1 ∼ 제Y 파장 변환기들(170, 172, ... 및 174)중 하나인 제y(1≤y≤Y) 파장 변환기(170, 172, ... 또는 174)는 입력한 광을 집속하여 적어도 하나의 파장들을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 평행하게 변환시켜 출력한다. 예를 들면, 제1 파장 변환기(170)는 입력단자 IN2를 통해 입력한 광을 집속하여 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 평행하게 변환시켜 제2 파장 변환기(172)로 출력한다. 또한, 제Y 파장 변환기(172)는 제Y-1 파장 변환기로부터 입력한 광을 집속하여 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 평행하게 변환시켜 출력단자 OUT_V+3을 통해 출력한다.

도 7은 도 6에 도시된 제y 파장 변환기의 본 발명에 의한 바람직한 일 실시예의 블럭도로서, 광 집속부(190), 코어(194)를 갖는 광 섬유(192) 및 제2 시광부(196)로 구성된다.

도 7에 도시된 제y 파장 변환기의 광 집속부(190)는 입력단자 IN3을 통해 입력한 광을 광 섬유(192)의 코어(194)의 입사면으로 출력한다. 이를 위해, 광 집속부(190)는 입력단자 IN3을 통해 입력한 광을 집속시키고, 집속된 광을 광 섬유(192)의 코어(194)의 입사면으로 효율적으로 보내는 제2 집속 렌즈(미도시) 또는 점점 가늘어지는 섬유(tapered fiber)로 구현될 수 있다. 만일, 광 집속부(190)가 tapered 섬유로 구현될 경우, tapered 광 섬유와 광 섬유(192)를 용융 접착(fusion splice)하여 광 결합 효율(coupling efficiency)를 증가시킬 수 있다.

이 때, 광 섬유(192)는 광 집속부(190)에서 집속된 광을 받아서 비 선형 라만(Raman) 효과에 의해 서로 분리된 이산적인 적어도 하나의 파장을 갖는 광을 제2 시광부(196)로 내보낸다. 여기서, 광 섬유(192)가 비 선형 라만 효과를 발생시키기 위해서, 입력단자 IN3을 통해 입력되는 광의 피크 전력값이 소정값 이상이 되어야 한다. 여기서, 소정값은 광 섬유(192)의 길이에 따라 설정된다. 이하, 도 7에 도시된 광 섬유(192)에서 야기되는 비 선형 라만 효과에 대해 살펴보면 다음과 같다.

라만 현상을 이용하여 비 선형 매질인 광 섬유(192)로부터 이산적인 여러 개의 다른 파장들의 스펙트라를 효과적으로 얻을 수 있다. 광 섬유(192)의 코아(194)에 소정값 이상의 피크(peak) 전력을 갖는 입사광이 입사될 때, 입사광은 광 섬유(192)의 광 포논(optical phonon)과 상호 작용하여 산란되기 때문에, 주파수 변환된 스톡스(Stokes) 광으로 변한다. 여기서, 스톡스 광이란, 입사광의 파장보다 긴 파장을 갖는 광을 의미한다. 이 때, 스톡트 광의 주파수 변화량은 포논 주파수에 의해서 결정되며, 실리케이트(silicate), 게르마나이트(germanite) 또는 인산염(phosphate) 유리에 대한 라만 자연 방출 스펙트럼은 산화질 유리의 비정질(amorphous) 특성과 연관되어 넓은 주파수 밴드를 가진다. 또한, 다른 종류의 유리는 각기 다른 스펙트럼 특성과 라만 산란 단면적을 가진다.

유도 라만 산란은 자연 라만 산란과 달리 코히어런트(coherent)하기 때문에 운동량 보존 법칙을 만족시키는 방향으로만 산란광이 진행하게 된다.

도 8은 광 섬유(192)의 코어(194)를 다른 물질들(Si0₂, GeO₂및 P₂O₅)로 도핑할 때, 라만 주파수 변이(frequency shift)(Δμ_R) 및 라만 이득 계수를 비교하는 그래프로서, 횡축은 주파수 변이를 나타내고, 종축은 강도(intensity)를 나타내는 그래프이다. 여기서, A.U.는 Arbitrary Units를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 순수 GeO₂의 최대 라만 산란 단면적은 순수 실리카보다 대략 10배 정도 크므로 낮은 강도를 갖는 입사 광에서 높은 라만 이득을 얻기가 용이하다. 이러한 실리카 및 Ge 첨가 광 섬유에서 라만 이득의 피크 값은 440 cm^-1및 490 cm^-1의 주파수 변이 폭들에서 나타난다. P₂O₅유리에 대한 주파수 편차 1330 cm^-1에서 부가적인 피크 라만 이득은 한 번에 스톡스 성분으로의 큰 주파수 변환을 얻기 위해 매우 유용할 수 있다. 일반적으로 도펀트(dopant) 유리가 실리카 유리에 비해 상대적으로 작은 분자 백분율을 가지는 고 실리카(high-silica) 광 섬유에서의 라만 스펙트럼은 주로 SiO₂의 스펙트럼의 영향을 받는다.

광 섬유 내에서 유도 라만 산란에 의해 새로이 발생되는 스톡스 광의 파장은 다음 수학식 1에 의해 계산되어 진다.

여기서, w_p는 입사광의 주파수(pump frequency)이고, w_s는 스톡스 광의 주파수이고, w_v는 유리 섬유의 내부 진동 주파수이고, n=1, 2, 3, ... 이다.

라만 매질로서 실리카 광 섬유를 사용할 때 발생되는 스톡스 성분은 라만 이득 선폭 전체에서 증폭되지만 특히 이득의 최대값에서 가장 빠르게 증폭된다. 따라서 유도 라만 산란의 이득 최대값에 해당하는 440 cm^-1만큼 주파수 천이된 연속적인 고차의 스톡스파들이 발생될 수 있다. 일 예로, 광 섬유(192)의 코어(194)로 입사되는 입사광의 파장이 1.064 ㎛일 때 광 섬유(192)로부터 출력되는 광이 가질 수 있는 파장은 1.12 ㎛, 1.18 ㎛, 1.23 ㎛, 1.31 ㎛, 1.39 ㎛, 1.48 ㎛, 1.58 ㎛ 및 1.70 ㎛이다.

한편, 제2 시광부(196)는 광 섬유(192)로부터 나오는 광을 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광(198)을 출력한다.

본 발명에 의하면, 도 7에 도시된 광 섬유(192)의 코어(194)에 도핑되는 성분이 무엇이냐에 따라 즉, 코어(194)가 순수 실리카에 의해 제조되었는가, Ge0₂또는 P₂0₅에 의해 도핑되었는가에 따라 제2 시광부(196)에 입력되는 광의 파장이 바뀔 수 있다. 즉, 도 8을 참조하면, 광 섬유(192)에 입사되는 광의 파장이 동일하다 하더라도, 코어(194)에 도핑되는 성분이 달라지면 다른 이산적인 파장들을 갖는 광이 광 섬유(192)로부터 출력되는 것을 알 수 있다. 그러므로, 도 1 또는 도 4에 도시된 파장 변환부들 각각의 제1 ∼ 제Y 파장 변환기들(170, 172, ... 및 174) 각각에 포함되는 광 섬유(192)의 코어(194)를 다른 성분으로 도핑하면, 목적물(22)에는 다양한 이산적인 파장들을 갖는 광이 조사될 수 있음을 알 수 있다.

여기서, 도 7에 도시된 광 섬유(192)는 단일 모드(single mode) 또는 다중모드(multimode)의 계단 굴절율(step-index) 광 섬유 또는 경사 굴절율(graded-index) 광 섬유가 될 수 있다.

전술한 본 발명에 의한 성분의 농도 측정 장치 및 방법은 목적물(22)이 체액일 경우, 체액 성분에 대해 흡수 스펙트럼을 갖는 이산적인 파장들을 쉽게 발생시켜 생체 조직(22)에 조사시킴으로서, 체액 성분의 농도를 침습적이나 비 침습적으로 측정할 수 있다. 이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해, 목적물(22)은 생체이고, 농도를 측정하고 하는 체액의 성분은 글로코즈이며, 글로코즈의 농도를 측정하기 위해서 요구되는 기준 파장들로서 글루코즈의 농도 변화에 대해 스펙트럼의 변화가 거의 없는 1200㎚ 및 1300㎚의 파장들을 선택하고, V=2라고 가정하여, 전술한 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치의 구성 및 동작을 다음과 같이 설명한다.

도 9는 글루코즈(Gw) 수용액에서 물을 뺀 결과의 파장별 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프로서, 횡축은 파장을 나타내고, 종축은 흡수도를 나타낸다.

도 9에 도시된 바와 같이, 글루코즈에서 흡수도가 큰 감응 파장 영역은 1500-1700㎚와 2050-2200㎚이다. 이러한 영역에 존재하는 파장들을 갖는 광을 생체(22)로 조사하기 위해, 도 4에 도시된 본 발명에 의한 성분 농도 측정 장치는 다음과 같이 입사광의 파장을 변환시킨다.

도 10은 1200㎚, 1300㎚ 및 1600㎚의 파장들을 갖는 광을 발생하는 본 발명에 의한 성분 농도 측정 장치의 블럭도로서, 빔 분할부들(200, 210 및 212), 전 반사부(202), 파장 변환부들(204 및 250) 및 기준 광 발생부(214)로 구성된다.

도 10에 도시된 빔 분할부들(200, 210 및 212), 파장 변환부들(204 및 250) 및 기준 광 발생부(214)는 도 4에 도시된 제2, 제3 및 제4 빔 분할부들(100, 106 및 112), 제2 및 제3 파장 변환부들(120 및 126) 및 기준 광 발생부(132)에 각각 해당하며 동일한 기능을 수행한다. 또한, 파장 변환기들(204, 206 및 208)에 마련되는 집속 렌즈들(224, 230 및 236) 각각은 도 7에 도시된 광 집속부(190)에 해당하고, 시준 렌즈들(228, 234 및 240) 각각은 제2 시광부(196)에 해당한다. 빔 분할부들(200, 210 및 212)은 광속 분할기(beam splitter)들(220, 242 및 244)로 구현된다.

도 10에 도시된 빔 분할부(200)는 입력단자 IN4를 통해 펌핑 광원(10)으로부터 입력한 1064㎚의 파장을 갖는 입사광을 분할하고, 즉, 입사광의 에너지를 분리하고, 분할된 광들중 하나인 1064㎚의 파장을 갖는 광을 파장 변환기(204)로 출력하고, 분할된 광들중 다른 하나인 1064㎚의 파장을 갖는 광을 전 반사부(202)로 출력한다. 이 때, 전 반사부(202)는 빔 분할부(200)에서 분할된 광들중 다른 하나의 광을 입력하여 파장 변환기(206)로 전 반사시킨다. 이를 위해, 전 반사부(202)는 전 반사 거울(222)로 구현될 수 있다. 여기서, 파장 변환기(204)의 광 섬유(226)의 코어(300)를 실리카로 제조하거나 게르마늄으로 도핑하고, 파장 변환부(250)에 마련되는 파장 변환기(206)의 광 섬유(232)의 코어(302)를 인(P)으로 도핑하고, 파장 변환기(208)의 광 섬유(238)의 코어(304)를 게르마늄(Ge)으로 도핑할 때, 파장 변환기들(204, 206 및 208)은 다음과 같이 동작한다.

파장 변환기(206)의 집속 렌즈(230)는 전 반사부(202)로부터 전 반사된 1064㎚의 파장을 갖는 광을 집속시켜 광 섬유(232)의 코어(302)로 조사한다. 광 섬유(232)는 집속 렌즈(230)에서 집속된 1064㎚의 파장을 갖는 광을 라만 효과에 의해 1480㎚의 파장을 갖는 광으로 변환하여 시준 렌즈(234)로 출력한다. 시준 렌즈(234)는 광 섬유(232)로부터 출력되는 1480㎚의 파장을 갖는 광을 평행하게 변환하여 파장 변환기(208)로 출력한다. 이와 비슷하게 파장 변환기(208)는 1480㎚의 파장을 갖는 광을 파장 변환기(206)로부터 입력하여 1600㎚의 파장을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 빔 분할부(212)로 출력한다. 따라서, 빔 분할부(212)를 구현하는 광속 분할기(244)는 1600㎚의 파장을 갖는 광을 출력단자 OUT_V+5를 통해 생체(22)로 조사하는 한편, 기준 광 발생부(214)로 출력한다.

이 때, 파장 변환기(204)의 집속 렌즈(224)는 빔 분할부(200)에서 분할된 광들중 하나인 1064㎚의 파장을 갖는 광을 집속시켜 광 섬유(226)의 코어(300)로 조사한다. 광 섬유(226)는 집속 렌즈(224)에서 집속된 1064㎚의 파장을 갖는 광을 라만 효과에 의해 1200㎚ 및 1300㎚의 파장들을 갖는 광으로 변환하여 시준 렌즈(228)로 출력한다. 시준 렌즈(228)는 광 섬유(226)로부터 출력되는 1200㎚ 및 1300㎚의 파장들을 갖는 광을 평행하게 변환하여 빔 분할부(210)로 출력한다. 따라서, 빔 분할부(210)를 구현하는 광속 분할기(242)는 1200㎚ 및 1300㎚의 파장들을 갖는 광을 출력단자 OUT_V+4를 통해 생체(22)로 조사하는 한편, 기준 광 발생부(214)로 출력한다.

기준 광 발생부(214)는 1200㎚, 1300㎚ 및 1600㎚의 파장들을 갖는 광을 빔분할부(210 및 212)로부터 입력하여 평행하게 변환하고, 파장별로 분리하여 기준 광으로서 출력단자 OUT_V+6을 통해 광 세기 측정부(28)로 출력한다. 따라서, 생체(22)의 조직 표면에 1200㎚, 1300㎚ 및 1600㎚의 이산적인 파장들을 갖는 광이 조사될 수 있다.

결국, 본 발명에 의한 성분 농도 측정 장치 및 방법은 전술한 바와 같이 발생되는 1200㎚, 1300㎚, 1600㎚등의 이산적인 파장들을 갖는 광을 생체에 조사하고, 생체(22)에서 반사 또는 투과된 광의 세기를 광 세기 측정부(28)를 사용하여 측정하고, 측정된 광의 세기로부터 파장별 광량의 차이를 농도 측정부(30)를 사용하여 분석하여 혈중 성분의 농도를 측정한다.

전술한 도 10에 도시된 장치의 동작 설명에서 언급된 파장들 1064㎚, 1200㎚, 1300㎚, 1480㎚ 및 1600㎚은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 도입되었으며, 도 10에 도시된 장치의 구성 및 작용은 이러한 예시적인 파장들에 국한되지 않는다. 즉, 도 10에 도시된 장치는 입력단자들 IN4를 통해 전술한 파장들과는 다른 파장을 갖는 광을 입력할 수 있고, 출력단자들 OUT_V+4∼ OUT_V+6을 통해 전술한 파장들과 다른 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광을 발생할 수도 있다.

한편, 본 발명에 의하면, 2100㎚의 파장을 갖는 광을 발생하기 위해, 도 1에 도시된 제1 파장 변환부(12)를 도 7에 도시된 파장 변환기로 대체할 수 있다. 이 때, 펌핑 광원(10)으로서 2 ㎛에서 발진되는 Ho:YAG 또는 Tm:YAG 레이져를 사용하고, 광 섬유(192)를 실리카로 제조하거나 게르마늄으로 도핑시키면, 생체(22)로2.1-2.2㎛의 파장을 갖는 광이 조사될 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 장치에서 제1 파장 변환부(12)가 도 7에 도시된 파장 변환기로 대체될 때, 펌핑 광원(10)으로서 OPO 레이져를 사용하여 1470㎚의 파장을 갖는 입사광을 발생시키고, 광 섬유(192)의 코어(194)를 실리카로 제조하거나 게르마늄으로 도핑하면, 1470㎚, 1572㎚ 및 1689㎚의 파장들을 갖는 광이 목적물(22)에 조사될 수 있다. 이 경우, 펌핑 광원(10)으로부터 1520㎚의 파장을 갖는 입사광을 발생시키면, 1628㎚의 파장을 갖는 광이 생체(22)로 조사될 수도 있다.

전술한 본 발명에 의한 성분 농도 측정 장치 및 방법은 종래의 성분 농도 측정 방법에 대비하여, 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시킬 수 있다. 예를 들면, 특정 성분에서 흡수되는 파장으로서, 스펙트럼 선폭이 10㎚인 1689㎚의 파장을 사용한다고 가정할 때, 종래의 방법에 의해 100W의 CW 램프 광원을 사용하면 1689㎚에서 피크 전력값은 5∼10 mW을 넘지 못한다. 그러나, 본 발명에 의한 펌핑 광원(10)으로서, 펄스 폭(FWHM:Full Width at Half Maximum)이 10㎱이고 10㎐로 동작되는 레이저를 사용하면, 1689㎚의 파장에서 수십 μJ의 에너지를 발생시키고, 피크 전력값은 수 kW가 된다. 따라서 본 발명은 종래의 방법에 대비하여, 생체에 조사되는 광량을 크게 증가시켜 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 목적물의 성분 농도 측정 장치 및 방법은 목적물에 포함된 성분들에 대해 흡수 스펙트럼을 갖는 이산적인 파장들을 갖는 광을 광 섬유의 코어를 달리 도핑시키거나 파장 변환기들을 조합하여 손쉽게 발생시킬 수 있고, 피크 전력값이 큰 입사광을 이용하여 목적물(22)에 광을 조사하여 큰 레벨의 광 세기를 측정할 수 있으므로 종래보다 신호 대 잡읍비를 개선시킬 수 있고, 목적물(22)에 조사되는 광 자체가 연속 스펙트럼이 아니라 이산적인 파장들만을 가지므로 종래에서 요구했던 특정한 파장을 선정하기 위한 대역 통과 필터를 요구하지 않으며, 성분의 농도를 침습적 또는 비 침습적으로 측정할 수 있고, 농도를 측정하는 경우에도 목적물(22) 예를 들면 생체의 조직 경계면에서 소비되는 평균 에너지를 종래의 CW 광원이 갖는 mW ∼ W에 비해 수백 μW로 훨씬 낮출 수 있으므로 생체 조직에 열적인 특성 변화를 야기시키지 않아 생체의 조직에 손상을 줄 염려가 없고, 특정 파장에서 전력을 증가시키기 위해 여러 개의 LD 또는 LED을 조합하여 사용하는 종래의 방법에 대비하여, 배열(alignment)을 쉽게 할 수 있을 뿐만 아니라, 펌핑 광원(10)으로 사용될 수 있는 레이져와 광 섬유의 기술 개발로 인해 소형화될 수 있고, 경량화될 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

목적물에 포함된 성분의 농도를 측정하는 목적물의 성분 농도 측정 장치에 있어서,

소정값 이상의 피크 전력을 갖는 단일 파장의 입사광을 조사하는 펌핑 광원;

상기 입사광을 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하여 출력하는 제1 파장 변환부;

상기 제1 파장 변환부로부터 출력되는 광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를상기 목적물로 조사하는 제1 빔 분할부;

상기 제1 빔 분할부에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시키고, 분리된 결과를 기준 광으로서 출력하는 기준 광 발생부;

상기 목적물을 통과한 광을 평형하게 변환시켜 출력하는 제1 시광부;

상기 제1 시광부로부터 출력되는 광과 상기 기준 광의 파장별 세기를 상기 기준 광을 이용하여 측정하는 광 세기 측정부; 및

상기 광 세기 측정부에서 측정된 상기 파장별 세기로부터 상기 성분의 농도를 측정하는 농도 측정부를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
목적물에 포함된 성분의 농도를 측정하는 목적물의 성분 농도 측정 장치에 있어서,

소정값 이상의 피크 전력을 갖는 단일 파장의 입사광을 조사하는 펌핑 광원;

제2 ∼ 제2V(여기서, V는 2이상의 양의 정수이다.) 빔 분할부들;

제2 ∼ 제V+1 파장 변환부들;

전 반사부;

상기 제V+1 ∼ 제2V 빔 분할부들 각각에서 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시키고, 평행하게 변환된 광을 파장별로 분리시키고, 분리된 결과들을 기준 광으로서 출력하는 기준 광 발생부;

상기 목적물을 통과한 광을 평형하게 변환시켜 출력하는 제1 시광부;

상기 제1 시광부로부터 출력되는 광과 상기 기준 광의 파장별 세기를 상기 기준 광을 이용하여 측정하는 광 세기 측정부; 및

상기 광 세기 측정부에서 측정된 상기 파장별 세기로부터 상기 성분의 농도를 측정하는 농도 측정부를 구비하고,

상기 제2 빔 분할부는 상기 입사광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 제2 파장 변환부로 출력하고,

제v(3≤v≤V) 빔 분할부는 제v-1 빔 분할부에서 분할된 광들중 다른 하나를 입력하여 분할하고, 분할된 광들중 하나를 제v 파장 변환부로 출력하고,

상기 전 반사부는 상기 제V 빔 분할부에서 분할된 광들중 다른 하나를 전 반사하여 상기 제V+1 파장 변환부로 출력하고,

제w(2≤w≤V+1) 파장 변환부는 입력한 광을 적어도 하나의 이산적인 파장을 갖는 광으로 변환하여 출력하고,

제V+w-1 빔 분할부는 제w 파장 변환부로부터 출력되는 광을 분할하고 분할된 광들중 하나를 상기 목적물로 조사하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 농도 측정부는

상기 광 세기 측정부에서 측정된 상기 파장별 세기를 증폭하고, 증폭된 결과를 출력하는 증폭기;

상기 증폭기에서 증폭된 결과를 디지탈 형태로 변환하고, 변환된 디지탈 신호를 출력하는 아날로그/디지탈 변환부; 및

상기 디지탈 신호를 분석하여 상기 목적물에 포함된 상기 성분의 농도를 측정하는 신호 처리부를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 목적물의 성분 농도 측정 장치는

제x(여기서, x는 1, V+1, ... 또는 2V이다.) 빔 분할부에서 분할된 광들중 상기 하나를 집속시키고, 집속된 결과를 상기 목적물로 조사하는 제1 집속 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 목적물의 성분 농도 측정 장치는

상기 제x(여기서, x는 1, V+1, ... 또는 2V이다.) 빔 분할부에서 분할된 광들중 상기 하나를 상기 목적물로 조사하는 굴절율 정합 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 목적물의 성분 농도 측정 장치는

상기 제1 시광부로부터 출력되는 광을 상기 파장별로 분리시켜 상기 광 세기 측정부로 출력하는 파장 분리부를 더 구비하고,

상기 광 세기 측정부는 상기 파장 분리부로부터 출력되는 상기 파장별 광의세기를 상기 기준광과 함께 측정하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 제1 ∼ 제V+1 파장 변환부들 각각은

서로 직렬 연결된 제1 ∼ 제Y(여기서, Y는 1이상의 양의 정수) 파장 변환기를 구비하고,

상기 제y(1≤y≤Y) 파장 변환기는 입력한 광을 집속하여 적어도 하나의 파장을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광을 평행하게 변환시켜 출력하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제7 항에 있어서, 상기 제y 파장 변환기는

입력한 광을 집속시키고, 집속된 광을 출력하는 광 집속부;

상기 광 집속부에서 집속된 광을 받아서 상기 적어도 하나의 파장을 갖는 광을 내보내는 광 섬유; 및

상기 광 섬유로부터 나오는 상기 광을 평행하게 변환시켜 출력하는 제2 시광부를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 집속부는

입력한 광을 집속시키고, 집속된 광을 상기 광 섬유의 코어의 입사면으로 보내는 제2 집속 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 집속부는

입력한 광을 집속시키고, 집속된 광을 상기 광 섬유의 코어의 입사면으로 보내는 점점 가늘어지는 섬유(tapered fiber)를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제10 항에 있어서, 상기 점점 가늘어지는 섬유와 상기 광 섬유는 용융 접착되는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유의 코어는 순수 실리카에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유의 코어는 Ge0₂로 도핑되는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유의 코어는 P₂0₅로 도핑되는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유는 단일 모드인 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유는 다중 모드인 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유는 계단 굴절율 광 섬유인 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제8 항에 있어서, 상기 광 섬유는 경사 굴절율 광 섬유인 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 목적물은 생체에 해당하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 펌핑 광원은 펄스 레이져 또는 연속파(CW) 레이져인 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제20 항에 있어서, 상기 펄스 레이져는 Nd:YAG 레이져, Ho:YAG 레이져, Tm:YAG 레이져, 광 파라메트릭 발진(OPO) 레이져, 솔리드-스테이트 레이져 또는 광섬유 레이져에 해당하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 광 세기 측정부는

상기 제1 시광부로부터 출력되는 광의 파장별 세기를 상기 기준 광과 함께 측정하는 근 적외선 광 세기 측정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 광 세기 측정부는

상기 제1 시광부로부터 출력되는 광의 파장별 세기를 상기 기준 광과 함께 측정하는 어레이 광 세기 측정기를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 장치.
목적물에 포함된 성분의 농도를 측정하는 목적물의 성분 농도 측정 방법에 있어서,

(a) 소정값 이상의 피크 전력을 갖는 단일 파장의 입사광을 조사하는 단계;

(b) 상기 입사광을 적어도 하나의 파장을 갖는 광으로 변환시키는 단계;

(c) 상기 변환된 광을 분할하고, 분할된 광들중 하나를 상기 목적물로 조사하고, 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시킨 후 파장별로 분리시켜 기준 광을 생성하는 단계;

(d) 상기 목적물을 통과한 광을 평형하게 변환시키는 단계;

(e) 상기 (d) 단계에서 변환된 광의 파장별 세기를 상기 기준 광과 함께 측정하는 단계; 및

(f) 측정된 상기 파장별 세기를 이용하여 상기 성분의 농도를 측정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 방법.
제24 항에 있어서, 상기 목적물의 성분 농도 측정 방법은

(g) 상기 (a) 단계에서 조사된 상기 입사광을 적어도 둘 이상으로 분할하는 단계를 더 구비하고,

상기 (b) 단계는 상기 (g) 단계에서 분할된 광들 각각을 적어도 하나의 파장을 갖는 광으로 변환하고,

상기 (c) 단계는 상기 (b) 단계에서 변환된 광들 각각을 분할한 후, 분할된 광들중 하나를 상기 목적물로 조사하며 분할된 광들중 다른 하나를 평행하게 변환시킨 후 파장별로 분리시켜 상기 기준 광을 생성하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 방법.
제24 항 또는 제25 항에 있어서, 상기 (f) 단계는

상기 (e) 단계에서 측정된 상기 파장별 세기를 증폭하는 단계;

상기 증폭된 결과를 디지탈 형태로 변환하여 디지탈 신호를 구하는 단계; 및

상기 디지탈 신호를 분석하여 상기 목적물에 포함된 상기 성분의 농도를 측정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 방법.
제24 항 또는 제25 항에 있어서, 상기 목적물의 성분 농도 측정 방법은

상기 (c) 단계에서 분할된 광들중 상기 하나를 집속시키고, 집속된 결과를 상기 목적물로 조사하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 목적물의 성분 농도 측정 방법.