KR101571135B1 - 광 센서를 이용한 망막 혈관 내 건강 지표 측정 장치 및 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법 - Google Patents

Abstract

휴대용 건강 지표 측정 장치는 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 적외선을 조사하는 광원; 상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 받아들이는 광 다이오드; 및 상기 광 다이오드로 입사된 빛의 세기를 측정하여 상기 망막 안쪽에 있는 혈관의 건강 지표와 관련된 값을 연산하는 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 눈이 빛에 대하여 망막까지 투명하다는 점을 이용하여 편리하고 안전하게 망막 안쪽의 혈관에 있는 건강 지표를 정밀하게 측정할 수 있다.

Description

광 센서를 이용한 망막 혈관 내 건강 지표 측정 장치 및 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법 {Apparatus for measuring health indexes in retinal vessels using an optical sensor and method for processing light reflected from vessels for calculation of health indexes}

실시예들은 광학 장치 및 의료 장치 분야에 관한 것이다. 특히, 실시예들은 망막 안쪽에 있는 혈관 내의 혈액에 특정 파장의 빛을 조사함으로써 혈당, 콜레스테롤, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 대표적인 건강 지표들의 농도를 추정하고, 그 결과를 통신 기기에 무선으로 전송하는 기술에 관한 것이다.

완치가 힘들고 각종 합병증의 위험이 큰 생활 습관병(예를 들면, 당뇨병 등의 성인병)의 조기 발견을 위해, 혈당 및 콜레스테롤 등의 혈관 내 성분 비율 및 변화율의 주기적인 관찰은 매우 중요하다. 주요한 건강 지표 중 하나는 혈당의 농도 변화율이며, 이를 측정하기 위해 주로 채혈을 통해 추출한 혈액 성분을 분석하는 방법을 이용한다. 그러나 채혈의 경우 신체에 손상을 주는 침습적 방법으로 환자에게 고통과 심적 부담을 주고, 감염의 우려 또한 있다.

따라서 채혈을 통하지 않고 혈당을 측정하는 방법들이 고안되고 있다. 그 예로는 미약한 마이크로파를 피부 내의 혈관에 조사하여 돌아오는 전파를 감지하는 센서를 신체에 부착하여 체내 혈당을 측정할 수 있는 바이오 센서 장치 및 일정한 시간 동안 피부에 부착시켜놓은 패치에 조직액이 흡수되면 이 체액을 통해 혈당을 측정하는 방법 등이 제안되고 있다. 또한, 최근 국내 연구팀에 의해 체내 삽입형 나노 다공성 센서를 이용한 실시간 혈당 측정 기술이 개발되기도 하였다. 그러나 이러한 혈당 측정 장치는 약 30일 정도의 작동 수명을 갖는다는 점과 인체 내 삽입이라는 외과적인 방법을 거쳐야만 한다는 점에서 한계가 있다. 뿐만 아니라, 혈당 이외의 건강 지표들(예를 들면, 콜레스테롤, 산소 및 이산화탄소)을 개인이 주기적으로 관찰할 수 있는 측정 방법은 현재 없는 실정이다.

이러한 외과적인 방법에서 탈피하고자 고안된 방법은 빛을 이용하여 혈관 내의 건강 지표들의 성분을 분석하는 광 바이오 센서 기술이다. 대표적인 기술로는 인체의 대부분의 장기에 투명한 원적외선을 이용한 분광법과 라만 분광 기술을 들 수 있다. 라만 분광법은 여기된 레이저 빛의 포도당 분자의 회전에 의한 산란 정도를 측정하여 포도당의 농도를 추정하는 방법이며, 적외선 분광을 이용한 혈관 내 혈당 등의 건강 지표들을 측정하는 방법은 주로 적외선 파장 대역의 빛의 흡수 및 산란 정도를 이용한 포도당의 농도 측정 방법이다. 적외선 파장은 인체의 장기에 투명하며, 따라서 이차 반응을 일으키지 않아 낮은 전력을 사용할 경우에는 매우 안전한 것으로 알려져 있다. 이와 관련된 기술들은 모두 인체의 피부 조직에 전파를 조사하여 얇은 피부에서 반사되는 전파와 투과하는 전파를 측정하여 혈관 내의 혈당치를 측정하는 방식이다.

그러나 이러한 방법들은, 측정하고자 하는 혈관이 피부 조직 아래에 있기 때문에, 조사된 광들의 대부분이 혈관까지 도달하지 못하며 피부의 다른 조직에서 반사되는 광을 측정하는 오류가 있어 정밀도가 떨어진다는 단점이 있다.

Omar S. Khalil, DIABETES TECHNOLOGY & THERAPEUTICS Vol. 6, No. 5 (2004)

본 발명의 일 측면은, 환자들이 주기적으로 혈당을 측정할 때 채혈로 인한 고통 및 심적 부담, 또는 채혈 부위를 통한 감염 우려 등의 불편함을 없애고 무 채혈 방식으로 간단하게 혈당을 포함한 여러 가지 건강 지표들을 동시에 측정하고, 그 결과를 효과적으로 관리하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 건강 지표 측정 장치는 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 적외선을 조사하는 광원; 상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 받아들이는 광 다이오드; 및 상기 광 다이오드로 입사된 빛의 세기를 측정하여 상기 망막 안쪽에 있는 혈관의 건강 지표와 관련된 값을 연산하는 프로세서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 혈관 반사광 처리 방법은 광원에 의해 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사하는 단계; 상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 광 다이오드에 입사시키는 단계; 상기 광 다이오드에 입사된 빛의 세기를 측정하는 단계; 및 측정된 빛의 세기를 통해 상기 망막 안쪽에 있는 혈관의 건강 지표와 관련된 값을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 망막 안쪽에 있는 혈관 내의 건강 지표를 측정함으로써, 단시간에 보다 정밀하게 건강 지표를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 측정한 건강 지표 데이터를 통신 기기로 전송하여 효과적으로 관리할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 건강 지표 측정 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 건강 지표 측정 장치의 내부 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 반사광 처리 방법의 순서도이다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 건강 지표 측정 장치의 개략적인 사시도이다.

일 실시예에서, 휴대용 건강 지표 측정 장치(100)는 장치의 다른 구성요소들 중 하나 이상을 탑재한 본체(110)를 포함할 수 있다. 본체(110)는 사용자가 한 손으로 사용할 수 있도록 작고 가볍게 하우징된다. 또한, 휴대용 건강 지표 측정 장치(100)는 대상체의 안구에 직접 빛을 조사할 수 있도록 망막 안쪽에 있는 혈관 내의 건강 지표들을 측정하기 위하여 본체(110)에 부착되어 대상체의 안구를 감싸도록 구성된 안구 접촉부(120)를 포함할 수 있다. 이 때, 대상체는 인간 또는 동물일 수 있다. 일 실시예에서, 휴대용 건강 지표 측정 장치(100)의 본체(110)는 측정된 건강 지표 데이터를 표시하는 표시부(130)를 포함할 수 있다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 건강 지표 측정 장치의 내부 구조를 보여주는 단면도이다.

휴대용 건강 지표 측정 장치는 광원(210) 및 광 다이오드(270)를 포함할 수 있다. 광원(210)에서 조사된 적외선은 대상체의 안구(240)에 입사하여 망막 안쪽에 있는 혈관에 도달한다. 이 때, 안구 내에는 빛을 흡수할 수 있는 액이 존재하기 때문에, 혈당, 콜레스테롤, 산소 및 이산화탄소를 포함하는 건강 지표들 중 측정하고자 하는 건강 지표에 대한 흡수는 높고 물에 대한 흡수는 낮은 파장의 광원을 이용할 수 있다. 예를 들어, 혈당을 측정하고자 할 경우, 혈당에 대한 흡수는 높고 물에 대한 흡수는 낮은 파장의 광원을 이용한다. 또는, 일반적으로 건강 지표들에 대한 흡수는 높고 물에 대한 흡수는 낮은 파장 대역의 광을 이용할 수도 있다.

망막 혈관으로부터 반사된 빛(250)은 건강 지표 측정 장치로 입사되어 광 다이오드(270)로 보내어진다. 광 다이오드(270)는 입사된 빛의 세기를 측정하고, 프로세서(280)를 통해 측정한 빛의 세기가 나타내는 바를 분석한다. 상기 프로세서는 혈관 내 혈당, 콜레스테롤, 산소 및 이산화탄소 등에 의한 빛의 흡수를 추정함으로써 혈관 내의 건강 지표 값을 계산한다. 혈당, 콜레스테롤 등 건강 지표가 될 수 있는 각각의 요소들은 고유의 흡수 파장을 가지므로, 특정 파장을 갖는 적외선의 세기를 통해 각 건강 지표의 양을 판단할 수 있다. 예를 들어, 공복 시 혈당 농도가 100 mg/dl인 일반인의 망막 혈관에서의 특정 파장의 적외선의 반사율을 1 이라고 하면, 혈당 농도가 200 mg/dl 인 당뇨병 환자의 경우 반사율을 1.1, 혈당 농도가 250 mg/dl 인 사람의 경우 반사율을 1.15로 설정해 놓는 것과 같이, 기준값과 비교하여 혈당 농도의 변화에 따른 상대적인 반사율 또는 흡수율을 미리 데이터베이스화 시켜놓는다. 이 때, 적외선의 반사율 또는 흡수율은 혈액 내 혈당의 농도 변화량에 선형 비례하는 양상을 보이므로, 반사율을 측정함으로써 대상체의 혈당 농도를 계산할 수 있게 된다. 혈당뿐만 아니라 다른 건강 지표에 대한 측정도 이와 유사한 방법으로 이루어진다. 따라서, 일 실시예에 따른 휴대용 건강 지표 측정 장치를 통해 대상체의 건강 지표를 측정하고자 하는 사용자는 계산된 건강 지표 값을 통해 대상체의 건강 상태를 확인할 수 있고, 건강 상태의 변화를 추적할 수 있다.

눈은 빛에 대하여 망막까지 투명하기 때문에 빛을 이용하여 망막 안쪽의 혈관을 관측하기가 용이하다. 따라서 망막 내의 혈관을 이용한 건강 지표의 측정은 피부 등 다른 부위를 통한 측정에 비하여 주변 환경에 의한 오차를 줄일 수 있어 각 지표들의 정확한 농도를 측정하는 것을 가능하게 한다. 즉, 종래 피부를 통해 혈관 내의 혈당을 측정하는 기술보다 매우 용이하고 정밀하게 혈당을 측정할 수 있으므로, 종래 기술에 비하여 유리한 효과를 갖는다.

또한, 안구에 조사하는 광의 파장을 변화시켜가며 혈당뿐만 아니라 혈액을 통해 측정 가능한 건강 지표들(예를 들면, 콜레스테롤, 산소, 이산화탄소 등)을 측정할 수 있다.

광원(210)은 LED, 레이저 등 적외선을 조사하는 광원이라면 어느 것이든 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원(210)이 조사하는 적외선은 건강 지표들에 대한 흡수는 높고 물에 대한 흡수는 낮은 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 광원(210)이 조사하는 적외선의 파장은 1 μm 이상 3 μm 이하의 파장일 수 있다. 또한, 적외선의 파장은 900 nm 이상 1700 nm 이하일 수도 있다.

또, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원(210)은 광대역 적외선 광원일 수 있으며, 이 경우 복수의 건강 지표들을 동시에 측정할 수 있다. 혈당, 콜레스테롤 등의 각 건강 지표들은 고유의 흡수 파장을 가지며 이들 파장은 서로 겹치지 않으므로, 파장의 범위가 넓은 적외선 광원을 이용할 경우, 망막 혈관으로부터 반사된 빛을 받아들여 각 건강 지표의 고유 흡수 파장에서의 세기들을 측정함으로써 복수의 건강 지표들을 동시에 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 건강 지표 측정 장치는 광원에서 조사되는 빛이 종래 기술에서와 같이 두꺼운 피부층을 거치지 않아도 되기 때문에, 피부층 아래에 위치한 혈관 내의 혈당 농도를 측정하는 기존의 장치들보다 낮은 출력의 광원(210)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 건강 지표 측정 장치는 무선 통신 모듈(290)을 더 포함할 수 있다. 무선 통신 모듈(290)은 광 다이오드(270)내의 프로세서에 의해 연산된 건강 지표 데이터를 스마트폰, 컴퓨터 등의 외부 통신 기기로 전송한다. 이로 인해, 휴대용 건강 지표 측정 장치를 사용하는 사용자가 안구 접촉부가 대상체의 눈 근처에 닿도록 하여 안구에 광을 입사시키면 실시간으로 혈관 내의 혈액 내 건강 지표의 농도를 측정한 후 외부 통신 기기로 전송하여 원하는 통신 기기(예를 들면, 주치의의 컴퓨터)에서 그 결과를 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 건강 지표 측정 장치는 하나 이상의 거울(260)을 더 포함할 수 있다. 거울(260)은 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사되어 건강 지표 측정 장치로 들어오는 빛의 방향을 바꾸어 광 다이오드(270)로 입사할 수 있도록 한다. 건강 지표 측정 장치는 거울(260)을 포함함으로써 건강 지표 측정 장치 내에서의 빛의 진행 방향을 본체(110; 도 1)의 길이 방향으로 전환한 후, 빛을 광 다이오드(270)에 입사시킬 수 있다. 즉, 본체(110; 도 1)는 길이 방향으로 연장될 수 있으므로, 건강 지표 측정 장치를 통해 본인의 건강 상태를 확인하고자 하는 사용자는 본체(110; 도 1)를 한 손으로 쥘 때, 보다 편한 자세로 건강 지표 측정 장치를 사용할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 휴대용 건강 지표 측정 장치는 집광 렌즈(220)를 더 포함할 수 있다. 집광 렌즈(220)는 광원(210)으로부터 조사된 빛을 집광시켜 대상체의 망막에 정확히 입사(230)될 수 있도록 하며, 망막 안쪽에 있는 혈관으로부터 반사된 빛(250)이 건강 지표 측정 장치의 내부로 들어올 수 있도록 한다.

상기한 바와 같이, 휴대용 건강 지표 측정 장치는 인체에 안전한 적외선을 안구에 조사한 후, 반사되는 빛의 세기를 측정하여, 망막 안쪽에 있는 혈관 내의 건강 지표들의 농도를 측정한다. 또한, 무선 통신 모듈을 통해 외부 통신 기기로 그 결과를 전송하여 실시간으로 대상체의 건강 상태를 주치의 등의 의료진이 확인할 수 있도록 하여, 빠르고 편리한 의료 장치가 될 수 있다.

도 3 은 일 실시예에 따른 혈관 반사광 처리 방법의 순서도이다. 혈관 반사광 처리 방법은, 전술한 휴대용 건강 지표 측정 장치를 이용하여 건강 지표 산출을 위해 수행될 수 있다.

구체적으로, 먼저 광원에 의해 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사할 수 있다. 다음으로, 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 광 다이오드에 입사시킬 수 있다. 그 후, 광 다이오드에 입사된 빛의 세기를 측정할 수 있다. 이후, 측정된 빛의 세기를 통해 망막 안쪽에 있는 혈관의 건강 지표와 관련된 값을 연산할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 연산된 건강 지표와 관련된 값은 통신 기기로 무선 전송될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 광 다이오드에 입사시킬 때, 반사된 빛의 방향을 거울을 통해 전환하거나, 집광 렌즈를 통해 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 집광시킬 수 있다.

또한, 일 실시예에 따르면, 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사할 때, 광원으로부터 조사되는 적외선 이외의 빛을 차단할 수 있다.

또, 일 실시예에 따르면, 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사할 때, 적외선의 파장은 1 μm 이상 3 μm 이하 또는 900 nm 이상 1700 nm 이하일 수 있고, 일 실시예에 따르면, 광원은 광대역 적외선 광원일 수 있으며, 건강 지표와 관련된 값을 연산하는 단계는 복수의 건강 지표와 관련된 값들을 동시에 연산하는 단계를 포함할 수 있다.

210 : 광원 220 : 집광 렌즈
240 : 안구 260 : 거울
270 : 광 다이오드 280 : 프로세서
290 : 통신 모듈

Claims (16)

1. 휴대용 건강 지표 측정 장치로서,
   대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 적외선을 조사하는 광원;
   상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 받아들이는 광 다이오드; 및
   상기 광 다이오드로 입사된 빛의 세기를 측정하여 상기 망막 안쪽에 있는 혈관 내 건강 지표의 농도를 연산하는 프로세서;
   를 포함하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로세서에 의해 연산된 값을 외부 통신기기로 전송하는 무선 통신 모듈을 더 포함하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛의 방향을 전환하여 상기 광 다이오드로 입사시키는 거울을 더 포함하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로세서는 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 조사된 적외선의 반사율을 측정하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 휴대용 건강 지표 측정 장치는,
   상기 광원, 상기 광 다이오드 및 상기 프로세서를 탑재한 본체; 및
   상기 본체에 부착되어 대상체의 안구를 감싸도록 대상체와 접촉하는 안구 접촉부를 더 포함하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 광원은 파장이 1 μm 이상 3 μm 이하인 적외선을 조사하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 건강 지표는 혈당, 콜레스테롤, 산소 및 이산화탄소 중 적어도 하나인 휴대용 건강 지표 측정 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 광원은 광대역 적외선 광원이며, 상기 프로세서는 복수의 상기 건강 지표 각각의 고유 흡수 파장에서의 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 조사된 적외선의 반사율을 측정함으로써 복수의 건강 지표의 농도를 동시에 연산하는 휴대용 건강 지표 측정 장치.
9. 광원에 의해 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사하는 단계;
   상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛을 광 다이오드에 입사시키는 단계;
   상기 광 다이오드에 입사된 빛의 세기를 측정하는 단계; 및
   측정된 빛의 세기를 통해 상기 망막 안쪽에 있는 혈관 내 건강 지표의 농도를 연산하는 단계;
   를 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    연산된 상기 건강 지표의 농도를 통신 기기로 무선 전송하는 단계를 더 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 다이오드에 입사시키는 단계는, 거울을 통해 상기 망막 안쪽에 있는 혈관에서 반사된 빛의 방향을 전환하는 단계를 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 망막 안쪽에 있는 혈관 내 건강 지표의 농도를 연산하는 단계는, 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 조사된 적외선의 반사율을 측정하는 단계를 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사하는 단계는 상기 광원으로부터 조사되는 적외선 이외의 빛을 차단하는 단계를 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
14. 제 9 항에 있어서,
    상기 망막 안쪽에 있는 혈관에 적외선을 조사하는 단계는 파장이 1 μm 이상 3 μm 이하인 적외선을 조사하는 단계를 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
15. 제 9 항에 있어서,
    상기 건강 지표는 혈당, 콜레스테롤, 산소 및 이산화탄소 중 적어도 하나인 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.
16. 제 9 항에 있어서,
    상기 광원은 광대역 적외선 광원이며, 상기 측정된 빛의 세기를 통해 상기 망막 안쪽에 있는 혈관 내 건강 지표의 농도를 연산하는 단계는, 복수의 상기 건강 지표 각각의 고유 흡수 파장에서의 대상체의 망막 안쪽에 있는 혈관으로 조사된 적외선의 반사율을 측정함으로써 복수의 건강 지표의 농도를 동시에 연산하는 단계를 포함하는 건강 지표 산출을 위한 혈관 반사광 처리 방법.

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