KR101746352B1

KR101746352B1 - 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101746352B1
Application number: KR1020160136489A
Authority: KR
Inventors: 전익수; 김기홍
Original assignee: 다담마이크로 주식회사
Priority date: 2016-04-29
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2017-06-12
Anticipated expiration: 2036-10-20
Also published as: WO2017188675A1; US10779755B2; US20190142312A1

Abstract

광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용한 비침습식 혈당 측정장치가 제공된다. 본 발명의 실시예로 OTDR과 OFDR을 이용하는 경우에 대해서 측정대상 피부에 조사되는 광을 발생하는 광발생수단; 광의 세기를 측정하는 광측정수단; 상기 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고, 반사되는 광을 상기 광측정수단으로 전달하는 광학계; 광반사 측정법을 이용하여 수집된 반사광을 시간에 대한 반사광의 세기 변화로 분석하는 분석수단; 및 상기 분석 결과를 기초로 측정대상 피부에 대한 혈당량을 산출하는 혈당산출수단;을 포함하는 세부 구성과 방법이 제공된다.

Description

광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정 방법 및 장치{Non-invasive blood glucose measuring device and method using OTDR and OFDR}

본 발명은 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 특히, 인체의 혈액중의 혈당(glucose) 농도를 측정하기 위한 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

현대 성인병인 당뇨병 환자가 현저하게 증가하는 추세에 따라, 그 치료에 필요한 혈당 데이터를 얻기 위해 휴대 가능하고 간편한 혈당측정장치가 요구되고 있다. 일반적으로 혈당은 혈액 중에 함유된 글루코스(glucose)의 농도를 측정함으로써 파악할 수 있다.

현대 식생활의 변화에 따른 비만인구의 증가와 더불어 당뇨병 환자가 현저하게 증가하는 추세에 따라, 사회적인 문제가 되고 있으며, 개개인의 건강한 생활 및 신체를 유지하기 위한 여러 가지 방안들이 제안되고 있다. 특히 혈당의 조절이 필수 불가결한 것으로 인식되고 있다.

이러한 혈당의 조절을 위해서는 무엇보다도 정확하고 간편한 혈당의 측정이 필요하게 되는바, 그 혈당의 측정방법에는, 종래에, 글루코스의 환원성에 기초한 방법, 산성조건 하에서의 당의 직접반응에 의한 방법, 글루코스의 효소반응에 의한 방법 등이 제안되었으며, 임상 의학 검사법으로서는 손가락이나 발가락 등에서 채혈하거나 또는 다른 방법으로 채혈한 혈액을 글루코스 옥시다제와 반응시키고, 혈액중의 글루코스 농도에 의존하는 정색반응을 이용하여 정색의 정도를 측정하여 혈당량으로 환산하는 방법이 사용되고 있다.

한편, 체액 성분, 특히 혈액에 포함된 예컨대 혈당 등의 체액 성분의 농도 측정 방식은 혈액을 직접 채취하여 특정 체액 성분의 농도를 측정하는 침습적 방식과, 혈액을 채취하지 않고 측정하는 비채혈식(무채혈식)인 비침습적 방식이 있다. 상기 침습적 방식은 측정의 신뢰성이 높다는 장점이 있으나, 주사를 이용한 혈액 채취의 고통, 번거로움 및 질병 감염 위험이 크며, 체액 성분 측정용 스트립(strip), 주사기 등의 소모품이 사용되므로 경제적인 부담이 크다는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해소하고자 혈액을 채혈하지 않고 혈당과 같은 체액 성분을 측정하는 비침습적 측정장치(Non-invasive measuring device)가 제안되었다. 비침습적 혈당 측정방법 중에는 광측정방식, 전기고주파, 임피던스 등을 이용하는 방법이 알려져 있다.

혈당측정용 광 측정 방식으로는 분광법(Spectroscopy)과 단층촬영법(Tomography)을 이용한 방법들이 많이 공지되어 있다. 가장 많이 활용되는 분광법 중에서 가장 최근에 시도한 분광법으로는 라만분광법(Raman Spectroscopy)이 있다. 라만 분광법을 이용한 체액 성분 측정 기술에 의하면, 특정 파장의 광을 모세 혈관 등 생체의 특정 부분에 집중(focusing) 조사한 후, 당 분자(glucose molecule)에 의해 파장 변환된 라만 스펙트럼(Raman Spectrum)을 이용하여 혈당 농도를 측정하는 방법이 알려져 있다.

이러한 라만 분광법을 이용한 체액 성분 측정 방법은 광 조사에 의해 얻어지는 라만 스펙트럼의 신호 크기가 작다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 인체에 입사되는 광의 세기를 강하게 할 수 있으나 화상을 일으킬 수 있는 등 인체에 해로운 문제가 있다.

또한, 시간차를 두고 적어도 2회 이상 인체에 무해한 광을 조사하여 얻어진 복수의 라만 스펙트럼 신호를 이용하여 혈당 농도를 측정하는 방법도 있으나 측정 시간이 3분 이상 소요되어 오래 걸린다는 문제가 있다.

아울러, OCT(Optical Coherence Tomography, 광학 단층 촬영기법, 이하 OCT) 을 이용한 혈당 농도 측정장치 및 방법이 최근에 공지되고 있는데, 이러한 OCT라는 3차원 형상을 이용한 혈당측정기술은 실현을 위한 장치의 복잡성과 크기와 비용의 부담은 물론, 혈당 농도 측정의 정확성을 증가시키기 위하여 측정 부위에 혈액을 결집하는 혈액 결집 기구를 이용하기 때문에 장치가 더욱 복잡해지고 그에 따라 비용이 비약적으로 상승하는 문제점이 있었다.

선행기술문헌 1 : 한국공개특허공보 제10-2008-0072158호

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 종래의 OCT가 갖고 있는 복잡성, 대형화, 고가의 단점을 해결하고, 정밀도가 높고 재현성도 뛰어나지만, 저렴하고 소형인 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 측정대상 피부에 조사되는 광을 발생하는 광발생수단; 광의 세기를 측정하는 광측정수단; 상기 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고 반사되거나 산란되는 광을 상기 광측정수단으로 전달하는 광학계; 광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용하여 상기 수집된 광의 시간에 따른 세기 변화율을 분석하는 분석수단; 및 상기 수집된 시간에 따른 광의 세기 변화율을 기초로 상기 측정대상 피부에 대한 혈당량을 산출하는 혈당산출수단;을 포함하는 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치가 제공된다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 측정대상 피부에 조사되는 광을 발생하는 광발생 단계; 광의 세기를 측정하는 광측정 단계; 상기 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고 피부로부터 반사되는 광을 상기 광측정단계로 전달하는 광학처리 단계; 광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용하여 상기 수집된 반사광을 시간에 따른 광의 세기의 변화율로 분석하는 광분석단계; 및 상기 분석 결과를 기초로 측정대상 피부의 혈당량을 산출하는 혈당산출단계;를 포함하는 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정방법이 제공된다.

상기 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당측정 장치와 방법으로 다음의 2가지 실시예가 제공된다.

일 실시예로서 상기 광반사 측정법을 광 시간영역 반사측정법(OTDR; Optical Time Domain Reflectometry)으로 구성할 경우, 상기 광조사수단은 단일 파장의 광 펄스를 발생하는 광 펄스 발생기이고, 상기 광학계는 조사 광을 피측정 피부에 전달하고 피측정 피부로부터의 반사광을 광수집기에 전달하는 광 전달로이며, 상기 분석수단은 상기 수집된 시간에 따른 광의 세기를 통하여 상기 측정대상 피부의 깊이별 광 세기의 변화율을 산출하고, 상기 혈당산출수단에서는 상기 분석결과로부터 하기의 식에 의해 혈당량을 산출할 수 있다.

혈당량(Mg/dl) = k × 진피에서의 시간에 따른 광 세기의 변화율.

즉, 혈당량(Mg/dl) = k × 진피에서의 깊이에 따른 광 세기의 변화율.

여기서, k는 상기 조사된 광의 파장에 대한 계수이다.

일 실시예로서 상기 광반사 측정법을 광 주파수영역 반사측정법(OFDR: Optical Frequency Domain Reflectometry)으로 구성할 경우, 상기 광조사 수단은 광 세기를 일정하게 하고 특정 파장을 중심으로 광 파장을 가변하여 가간섭성(coherent)광을 출력하는 파장가변형 LD(Laser Diode)를 포함하는 파장가변광원이고, 상기 광학계는 반사광과 참조광을 간섭시키는 간섭계로 구성하고, 상기 광측정 수단에서는 간섭광의 광 세기를 측정하고, 상기 분석수단은 상기 조사된 광의 파장 변화에 따라 주파수별로 수집된 광의 세기를 산출하여, 이산퓨리에 변환(DFT)을 이용한 역 퓨리에 변환을 통하여 상기 측정대상 피부의 깊이별 광세기의 변화율을 산출하고, 상기 혈당산출수단에서는 상기 OTDR 구성의 실시예에서와 같이 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치는 혈당과 같은 채액성분 농도에 대해서 간단하게 분석 추출할 수 있는 편의성과 재현성을 제공하는 동시에 인체 피부의 대부분의 부위에서 측정이 가능한 혈당 농도 측정장치를 제공할 수 있으며, 휴대성이 향상된 소형화를 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치에서 피부의 깊이에 따른 반사광 세기의 변화를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치의 블록도이다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치를 보다 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치(100)는 광발생수단(110), 광학계(120), 광측정수단(130), 제어수단(140), 저장수단(150), 표시수단(160), 및 출력수단(170)을 포함한다.

제어수단(140)은 분석수단(142)과 혈당량산출수단(144)을 포함한다.

이러한 비침습식 혈당 측정장치(100)에는 광반사 측정법을 이용하는데, 광반사 측정법 중에서 기본적인 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry, 광 시간영역 반사측정법, 이하 OTDR)은 펄스 형태의 조사광이 광선로를 전파할 때에 생기는 반사광(프레넬 반사광 및 레일리의 산란광)에 기초하여 반사시간 동안의 반사광의 세기를 연속적으로 측정하여 저장하여 두었다가, 반사광의 세기 변화를 시간함수로 분석하여 제시함으로써 광선로(광섬유 등) 노상의 이상 위치와 이상 성격을 정확히 계측하는 목적으로 광통신 기술의 발전과 더불어 산업용으로 많이 사용되고 있다.

또한 광반사 측정법 중에서, OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometry, 광 주파수 영역 반사 측정법, 이하 OFDR)도 OTDR과 같이 반사광의 세기 변화를 시간함수로 분석하는 결과를 제시하는 방법이나, 광원에 광 펄스 대신에 안정된 진폭에 파장이 특정주파수를 중심으로 가변하는 파장가변 광원을 이용하여, 파장별 반사계수의 변화를 측정하여 저장한 후에, DFT(Discrete Fourier transformation, 이산퓨리에변환, 이하 DFT)을 통하여 시간함수로 변환하여, 그 이후의 과정은 OTDR 방식과 동일하게 적용하는 방식이다. 최근 OFDR은 OTDR보다 분해능이 뛰어나 광 소자의 내부 특성을 보다 정밀하게 파악하는 데 사용되고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치(100)는 상술한 광반사 측정법 중에서 OTDR 이나 OFDR로 구성할 수 있지만, 두 방식 모두 마지막 분석과정에서는 시간에 대한 반사광의 세기변화를 추적하고, 이로부터 피부 깊이에 대한 반사율 분포를 분석하고, 이로부터 혈당을 산출하는 혈당추출 방법을 동일하게 적용한다.

일 실시예로 광반사 측정법의 기본인 OTDR을 이용한 비침습식 혈당 측정장치(100)의 구성과 동작원리 그리고 혈당도출 원리에 대해서 설명한다.

OTDR에 있어서 광발생수단(110)은 단일 파장의 펄스 광을 발생하는 광펄스발생기이다.

광학계(120)는 광발생수단(110)에서 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고, 피부로부터의 반사광을 광측정수단(130)에서 측정하도록 광학적으로 연결될 수 있다.

광측정수단(130)은 조사된 광으로부터 측정대상 피부에 의해 반사되거나 산란되는 광을 광학계(120)를 통하여 전달받아 광의 세기를 측정한다. 일례로, 이러한 광측정수단(130)은 PD(Photo Detector, 광검출기, 이하 PD)일 수 있다.

제어수단(140)은 광측정수단(130)에 의해 수집된 광의 세기를 기초로 혈당량 산출 및 그에 따른 결과의 저장과 출력을 제어할 수 있고, 분석수단(142) 및 혈당량산출수단(144)의 제어도 포함한다.

분석수단(142)은 광반사 측정법을 이용하여 시간에 따라 수집된 광의 세기 변화율을 분석할 수 있다.

저장수단(150)은 분석수단(142)의 중간 분석결과 및 혈당량산출수단(144)의 연산 결과 또는 참고, 통계수치 등을 저장할 수 있다.

표시수단(160)은 분석수단(142)의 중간 분석 결과 및 혈당량산출수단(144)의 연산결과와 산출된 혈당량을 표시할 수 있다.

출력수단(170)은 혈당량산출수단(144)에 의해 산출된 혈당량을 출력할 수 있다.

즉, 분석수단(142)은 비침습식 혈당 측정장치(100)가 산란광의 피부의 깊이(위치)별 반사계수 비교 기법을 이용하여 혈당량을 측정하기 위해, 수집된 광의 시간에 따른 광의 세기를 통하여 측정대상 피부의 깊이별 광세기의 변화율을 산출할 수 있다.

혈당량산출수단(144)은 수집된 광의 세기의 시간 별 차이 또는 시간에 대한 광의 세기 변화율을 기초로 측정대상 피부의 특정 깊이에 대한 혈당량을 산출할 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법중 OTDR을 이용한 비침습식 혈당 측정장치(100)의 동작 원리를 설명한다.

OTDR은 짧은 광 펄스를 피 측정체인 검사대상물체(광섬유 혹은 본 발명의 경우 피부)에 조사하고 그 펄스의 반사시간을 측정하고, 시간에 따른 반사파의 세기를 측정함으로 거리(깊이)별 반사계수를 측정하는 기법이다.

여기서, OTDR의 기본 원리는 시간적으로 짧은 광 펄스를 측정대상 피부에 조사하면 광이 하기의 수학식 1과 같은 속도 v로 피부의 깊이 방향으로 진행한다.

[수학식 1]

v= c/n_eff

여기서 c는 진공 중의 광의 속도이고, n_eff은 피부내의 유효 굴절율이다.

이때, 광의 진행에 따라 반사 계면(예를 들어 도 2의 (가-a))에서 부분적으로, 그리고 진피를 지나가면서 계속 반사파를 형성하게 되는데, 이는 적혈구와 혈액과의 굴절율 계수차이로 인한 랜덤 산란에 의하게 된다.

여기서, 혈당량에 따라 적혈구와 혈액의 굴절율 계수 차이가 다르게 나타나므로, 그때 진피 내의 반사계수의 변화량(기울기)도 다르게 나타나게 된다.

특정 계면에서의 반사율과 이 계면 전후 매질의 굴절율 사이에는 다음의 관계를 갖는다.

r=[(n₁-n₂)/(n₁+n₂)]²

여기서 r은 계면에서의 반사율이고, n₁은 경계면 입사 전 매질의 굴절율이며, n₂는 광의 경계면 입사 후 매질의 굴절율이다.

깊이에 따라 진행하는 광의 각 계면 전후 매질의 굴절율 n₁, n₂, n₃ _...변화는 각 계면에서의 반사율 r1, r2...나타난다.

즉, 반사 계면에서의 광의 반사율은 계면 양측 매질의 굴절율의 차이와 일정관계를 가지기 때문에, 굴절율의 변화는 각 계면의 반사율의 변화로 나타나게 된다

결과적으로 도 2의 (가-b)에서와 같이 특정한 기울기 값(특이값)을 나타낸다. 이때 그 기울기의 차이를 계산함으로 혈중 글루코스양을 산출할 수 있다.

이렇게 랜덤산란광의 시간별 반사 광 세기를 측정함으로 피부의 깊이별 반사율을 비교하는 기법을 이용하는 경우, 인체의 피부, 구체적으로는 표피인 각질층, 진피층과 피하지방층에서의 반사율과 산란의 차이를 비교 분석함으로써 인체혈액 중의 글루코스 농도 즉 혈당을 측정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치에서 피부의 깊이에 따른 반사 광 세기의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이 광반사 측정법에 의해 얻어진 반사계수의 시간축에 대한 관계를 살펴보면, 표피층에서의 급반사(가-a)와 진피층에서의 점진적 분포반사(가-b)를 알 수 있다. 피하지방 근처에서도 특이 반사 현상이 있겠으나, 본 발명에서는 분포반사(가-b)의 기울기를 계산함으로 혈액의 글루코스량을 계산할 수 있다.

이와 같이 표피층과 진피 부분에서 조사 깊이에 대한 광의 강도를 그래프로 그리고, 그 기울기를 분석함으로써 혈당량을 산출할 수 있다. 즉, 상기 기울기가 커지면 글루코스가 적어지고 반대로 기울기가 작아지면 글루코스가 증가하는 것으로 나타나거나, 이와 반대로 나타날 수도 있다.

여기서, 혈당량산출수단(144)은 시간에 대한 반사광의 세기의 변화를 분석함으로써, 선형적 관계가 임상치 오차 범위 이하일 때, 피부의 깊이별 반사계수의 비교 기법을 이용하여 하기의 수학식 2에 의해 혈당량을 산출할 수 있다.

[수학식 2]

혈당량(Mg/dl) = k × 진피에서의 피부 깊이별 광세기의 변화율

여기서, k는 상기 조사된 광의 파장에 대한 계수.

한편, 파장에 따라 이 관계식이 달라지는데 그 이유는 글루코스, 혈액, 피부의 파장에 따른 굴절율이 다르기 때문이지만, 동일한 파장을 사용하면 기울기와 글루코스의 함수관계식을 얻게 되어 일관된 관계식을 도출할 수 있다.

수학식 2에서, k는 파장에 따른 계수인데, 이는 혈액, 적혈구의 파장에 따른 반응이 다르므로 절대적인 k값을 얻어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 두 개 이상의 파장을 이용하여 그 절대값의 교정을 시도한다. 이는 k값의 임상치 결과에 따라서 안정적인 통계치가 나올 경우 파장의 숫자를 하나(1)로 제한(즉 한 파장의 광원을 사용)할 수 있다.

일 실시예로 비침습식 혈당 측정장치(100)가 OFDR을 이용하여 혈당량을 측정하는 경우, 광발생수단(110)은 파장을 가변하여 광을 출력하는 파장 가변광원이다. 여기서, 파장 가변광원은 파장 가변형 LD(Laser Diode; 레이저 다이오드)나, 프리즘, 필터와 같은 파장 다중화기를 이용할 수 있다. 여기서, 파장 가변광원은 가간섭성(coherent)이 뛰어난 파장 가변형 LD가 적절하며, 예를 들면, 200~300㎔의 주파수와, 1.30㎛~1.55㎛ 파장대의 레이저광 파장을 ±100ppm(즉, ±200㎓ or 300㎓)만큼 스위핑(sweeping) 한다.

상기 광학계(120)를 반사광을 참조광에 간섭시키는 간섭계로 구성할 수 있는데, 광섬유 마하젠더(Mach-zender) 간섭계와 같은 간섭계로 구성하여 거리 분해능을 획기적으로 높일 수 있다. 이러한 OFDR은 수 mm의 짧은 거리(깊이)에서 고도로 정밀한 거리 분해능이 요구되는 피부(진피)에서의 혈당과 같은 미세 고분자의 반사특성을 측정하는데 있어서 상기 OTDR 방식에 비하여 매우 적절한 방식이라 할 수 있다.

광측정수단(130)은 PD를 사용하여 구성할 수 있다.

분석수단(142)은 OFDR을 이용하여 조사된 광의 파장에 따른 주파수별로 수집된 광의 세기를 산출하고, 역퓨리에 변환(DFT)을 통하여 OTDR에서와 같은 측정대상 피부의 깊이별 광세기의 변화율을 산출할 수 있다.

혈당량산출수단(144)은 산란광의 반사시간을 측정함으로, 선형적 관계가 임상치 오차 범위 이하일 때, 피부의 깊이별 반사계수의 비교 기법을 이용하여 OTDR과 같이 수학식 2에 의해 혈당량을 산출할 수 있다:

보다 구체적으로 상기 OFDR을 이용한 혈당측정 장치의 실시예의 원리를 설명하자면,

광발생수단(110)의 광 세기를 a₀(t)의 일정한 진폭으로 안정시키고, 대신에 파장가변요소를 이용하여 주파수를 υ₀+(γ/2)t로 가변시켜 하기의 수학식 3과 같은 광을 발생할 수 있다.

[수학식 3]

0≤ t ≤ T

여기서, a₀은 광의 진폭, γ는 주파수 스위핑 속도.

이때, 광측정수단(130)에서 나타나는 주파수(파장)별 반사계수에 따른 특성은 하기의 수학식 4로 나타난다.

[수학식 4]

여기서,

는 광주파수가 υ 인 시점에 광간섭계를 통해 나오는 간섭광으로서 ^~의 의미는 U_PD의 DC부분을 제외한 비팅 부분만을 나타낸다.

U₀는 반사광의 세기와 수광소자의 광감도특성(

)에 따른 상수 (즉,

), r_meff 는 m번째 반사체의 유효 반사계수,

은 m번째 반사체로부터 반사된 광의 시간지연과 참조광의 기준파와의 지연차이, ε_m은 개별반사체에 의한 위상상수이다.

이

를 하기의 수학식 5를 이용하여 DFT로 역퓨리에 변환한다.

[수학식 5]

여기서, F(τ)는 시간(τ) 영역에서의 반사함수로서 광파특성 매개변수인 시간변동 주파수(υ)와 위상(ε)과 무관하게 관측되는 광세기의 시간함수이다.

수학식 5의 결과로 주파수 영역에서의 광파의 주파수(υ)나 위상(ε) 관련 특성은 시간 영역에서의 광 세기 특성으로 변환되고, 이 변환을 이용하여 상술한 OTDR 방식과 동일하게 적용하여 혈당량인 글루코스 양을 산출할 수 있다.

시간 영역에 나타나는 반사 광세기 특성의 시간 또는 거리(깊이) 분해능은 하기의 수학식 6으로 나타난다.

[수학식 6]

Z = c/2nΔτ= c/2nΔv

여기서 c: 진공 중의 광의 속도, Δv=v_max-_vmin,n: 굴절율

이렇게 광반사 측정법을 이용한 혈당측정 장치에 OFDR을 사용하면 OTDR을 사용하는 것에 비해서 광의 가간섭성(coherence)이 유지되는 짧은 거리에서의 거리(깊이) 분해능을 획기적으로 개선할 수 있어서, 수mm 이내 깊이의 진피층에서의 혈당을 측정하는 본 고안의 목적에 적합하다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 통해 설명하였으나, 이는 본 발명의 기술적 내용에 대한 이해를 돕고자 하는 것일 뿐 발명의 기술적 범위를 이에 한정하고자 함이 아니다.

즉, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않고도 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형이나 개조가 가능함은 물론이고, 그와 같은 변경이나 개조는 청구범위의 해석상 본 발명의 기술적 범위 내에 있음은 말할 나위가 없다.

100 : 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치
110 : 광발생수단 120 : 광학계
130 : 광측정수단 140 : 제어수단
142 : 분석수단 144 : 혈당산출수단
150 : 저장수단 160 : 표시수단
170 : 출력수단

Claims

측정대상 피부에 조사되는 광을 발생하는 광발생수단;
광의 세기를 측정하는 광측정수단;
상기 광발생수단에서 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고 반사되거나 산란되는 광을 상기 광측정수단으로 전달하는 광학계;
광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용하여 수집된 반사 광을 시간에 대한 광의 세기 변화율로 분석하는 분석수단; 및
상기 분석수단의 결과를 기초로 측정대상 피부의 혈당량을 산출하는 혈당산출수단을 포함하며,
광반사 측정방법으로는 광 주파수영역 반사측정법(OFDR : Optical Frequency Domain Reflectometry) 이고,
상기 광발생수단은 파장가변형 광원이며,
상기 광학계는 참조광과 반사광을 간섭시키는 간섭계이고,
상기 광측정수단은 간섭광의 세기를 측정하는 광검출기(PD)이며,
상기 분석수단은 상기 조사된 광의 파장에 따른 광 주파수 별로 수집된 광의 세기로부터, 역퓨리에 변환을 통하여 시간 영역으로 변환하여 피부 깊이별 광 세기의 변화율을 분석하고,
상기 혈당산출수단은 상기 분석수단의 결과를 바탕으로 혈당량을 산출하는 광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용한 비침습식 혈당 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광발생수단인 파장가변형 광원은 특정 주파수를 중심으로 주파수를 가변하는 파장 가변형 LD(Laser Diode)를 적용하는 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 광학계인 간섭계는 광섬유 마하젠더(Mach-zender) 간섭계를 포함하는 마이켈슨 또는 마하젠더 간섭계 중 선택된 어느 하나를 적용하는 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당측정 장치.
측정대상 피부에 조사되는 광을 발생하는 광발생수단;
광의 세기를 측정하는 광측정수단;
상기 광발생수단에서 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고 반사되거나 산란되는 광을 상기 광측정수단으로 전달하는 광학계;
광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용하여 수집된 반사 광을 시간에 대한 광의 세기 변화율로 분석하는 분석수단; 및
상기 분석수단에 의해 분석된 결과를 기초로 측정대상 피부의 혈당량을 산출하는 혈당산출수단을 포함하며,
상기 광반사 측정법으로는 광 시간영역 반사측정법(OTDR; Optical Time Domain Reflectometry)이고,
상기 광발생수단이 단일 파장의 광을 발생하는 광펄스 발생기이며,
상기 광학계가 광섬유 또는 광소자들의 결합으로 구성되고,
상기 광측정수단이 광학계가 전달한 반사광의 세기를 측정하는 광검출기(PD)이며,
상기 분석수단은 상기 수집된 반사광의 세기로부터 측정대상 피부의 깊이에 대한 광 세기의 변화율을 분석하고,
상기 혈당산출수단은 상기 분석수단의 결과를 바탕으로 혈당량을 산출하는 광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용한 비침습식 혈당 측정장치.
청구항 1 또는 청구항 4에 있어서,
상기 혈당량 산출은 하기의 식에 의해 이루어지는 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치.
혈당량(mg/dl) = k × 피부 깊이에 따른 광 세기의 변화율.
여기서, k는 상기 조사된 광의 파장에 대한 계수.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 광반사 측정법을 이용한 비침습식 혈당 측정장치를 이용한 방법으로써,
측정대상 피부에 조사되는 광을 발생하는 광발생 단계;
상기 광발생 단계에서 발생된 광을 측정대상 피부에 조사하고 피부로부터 반사되거나 간섭되는 광을 광측정 단계로 전달하는 광학처리 단계;
광의 세기를 측정하는 광측정 단계;
수집된 반사광을 시간에 대한 광의 세기 변화율로 분석하는 광분석 단계; 및
상기 광분석 단계의 결과를 기초로 측정대상 피부의 혈당량을 산출하는 단계;를 포함하는 광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용한 비침습식 혈당 측정 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 혈당량을 산출하는 단계는 하기의 식에 의해 이루어지는 광반사 측정법(Optical Reflectometry)을 이용한 비침습식 혈당 측정 방법.
혈당량(mg/dl) = k × 피부 깊이에 따른 광 세기의 변화율.
여기서, k는 상기 조사된 광의 파장에 대한 계수.