KR101184420B1 - Apparatus and method of sensing glucose using non-invasive sensor - Google Patents

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김종철
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서강대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: An apparatus and method for measuring blood sugar using a non-invasive sensor are provided to simply measure the blood sugar of a patient by detecting the change of reflexibility and a resonant frequency of an electric wave reflected from an object. CONSTITUTION: A source unit(10) generates electromagnetic energy of a preset frequency. A sensor unit(20) senses an electric wave reflected from an object. A processing unit(30) calculates the change of the blood sugar of the object. A database(35) stores the change of reflexibility and a resonant frequency of the electric wave. A display unit(40) displays the blood sugar data of the object. [Reference numerals] (0) Object; (10) Source unit; (20) Sensor unit; (30) Processing unit; (40) Display unit

Description

비?침습 센서를 이용한 혈당 측정 장치 및 방법{Apparatus and method of sensing glucose using non-invasive sensor}Apparatus and method of sensing glucose using non-invasive sensor

본 발명은 혈당 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 인체에 상처를 내지 않는 비-침습(non-invasive) 방식을 이용한 전자기(electromagnetic, EM) 센서를 이용하여 피측정 객체의 신체 일부분에 접촉함으로써 피측정 객체의 혈당을 측정하기 위한 글루코스(glucose) 센서, 혈당 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring blood glucose, and in particular, by contacting a body part of an object under measurement using an electromagnetic (EM) sensor using a non-invasive method that does not harm the human body. The present invention relates to a glucose sensor, a blood glucose measurement apparatus, and a method for measuring blood glucose of a measurement object.

당뇨병은 인슐린의 분비량이 부족하거나 정상적인 기능이 이루어지지 않는 등의 대사질환의 일종으로, 혈중 포도당의 농도가 높아지는 고혈당을 특징으로 하며, 고혈당으로 인하여 여러 증상 및 징후를 일으키고 소변에서 포도당을 배출하게 된다. 이러한 당뇨병을 비롯하여 많은 질환의 경우 혈당을 통해 건강의 이상을 확인할 수 있기에, 상당수의 의료 진단에 혈당 측정이 수반되는 경우가 많다.Diabetes mellitus is a type of metabolic disease, such as insufficient insulin secretion or normal functioning. It is characterized by high blood sugar levels that increase the level of glucose in the blood. . In the case of many diseases, such as diabetes mellitus can check the health of the health through the blood sugar, many medical diagnosis is often accompanied by blood glucose measurement.

현재 이용되고 있는 통상적인 혈당 측정 장치로는 환자로부터 혈액을 채취하여 혈당을 측정하는 채혈 혈당 측정 장치가 있다. 이 중 채혈 혈당 측정 장치는 약국에서 간편하게 시험지를 구입할 수 있고 채혈을 통하여 혈당을 측정할 수 있는 기구로서 일반인도 가정에서 손쉽게 혈당량을 확인함으로써 당뇨를 관리할 수 있는 기구이다.A typical blood glucose measurement apparatus currently used includes a blood glucose measurement apparatus for collecting blood from a patient and measuring blood glucose. Among them, a blood glucose measurement apparatus is a device that can easily purchase test papers at a pharmacy, and can measure blood glucose through blood collection, and is a device that can manage diabetes by easily checking blood glucose levels in the home.

그러나, 혈당측정기는 혈당 측정 시 매번 채혈을 해야 하고, 채혈 부위의 감염을 막기 위한 추가적인 소독이 필요하며, 채혈시 바늘을 사용해야만 한다는 점에서 통증과 위생상의 문제가 수반된다. 최근에는 장소에 상관없이 휴대 전화를 이용하여 혈당을 측정할 수 있는 당뇨폰이 출시되었지만, 이 역시 채혈이 수반되어야 하는 점에서는 종래의 혈당 측정기와 그 구성 및 원리는 크게 다르지 않다.However, blood glucose meters are accompanied by pain and hygiene problems in that blood glucose measurement must be performed every time, additional disinfection is required to prevent infection at the blood collection site, and a needle must be used for blood collection. Recently, a diabetic phone capable of measuring blood glucose using a mobile phone regardless of a place has been released, but this also requires a blood collection, and its structure and principle are not very different from the conventional blood glucose meter.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 혈당을 측정하기 위해 환자로부터 혈액을 채취하는 과정에서의 통증과 비위생의 불편함을 해소하고, 혈당 측정의 감도 및 정확도가 떨어지는 문제점을 해결하며, 통상적인 채혈을 통한 혈당 측정 방법을 이용하여서는 인체의 혈당 변화를 실시간으로 모니터링할 수 없다는 한계를 극복하고자 한다.The technical problem to be solved by the present invention is to solve the problem of pain and unsanitary discomfort in the process of taking blood from the patient to measure blood glucose, solve the problem of poor sensitivity and accuracy of blood glucose measurement, and the conventional blood collection By using the blood glucose measurement method through the human body to overcome the limitation that can not monitor the blood glucose changes in real time.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 혈당 측정 장치는, 소정 주파수의 전자계 에너지를 생성하는 소스(source)부; 상기 소스부로부터 생성된 전자계 에너지를 입력받아 피측정 객체에 조사하고, 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 센서(sensor)부; 및 상기 소스부를 제어하여 상기 센서부의 공진 주파수를 결정하고, 상기 센서부를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화로부터 상기 피측정 객체의 혈당량의 변화를 산출하는 처리부를 포함하고, 상기 센서부는 나선형(spiral)으로 형성되어 상기 피측정 객체와 상호작용하는 유전체 공진기를 구비한다.In order to solve the above technical problem, a blood glucose measurement apparatus according to the present invention, a source for generating an electromagnetic field energy of a predetermined frequency; A sensor unit which receives the electromagnetic energy generated from the source unit and irradiates the object to be measured and detects radio waves reflected from the object to be measured; And a processor configured to control the source unit to determine a resonance frequency of the sensor unit, and to calculate a change in blood glucose of the object under measurement from a change in the resonance frequency and the reflectance of the radio wave detected through the sensor unit. and a dielectric resonator formed of a spiral and interacting with the object under measurement.

상기된 혈당 측정 장치의 처리부는 상기 센서부를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 미리 저장된 데이터베이스와 비교함으로써 상기 피측정 객체의 혈당량의 정량적 변화에 대한 시각적인 데이터를 생성하고, 상기 본 발명에 따른 혈당 측정 장치는 상기 생성된 시각적인 데이터를 표시하는 디스플레이부를 더 포함한다.The processor of the blood glucose measurement apparatus generates visual data on the quantitative change in blood glucose level of the object to be measured by comparing the change in the resonant frequency and reflectance of the radio wave detected through the sensor unit with a previously stored database. The blood sugar measuring apparatus further includes a display configured to display the generated visual data.

또한, 상기된 혈당 측정 장치의 센서부는 상기 피측정 객체 내의 글루코스(glucose) 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수(dielectric permittivity)를 이용하여 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출한다.In addition, the sensor unit of the blood glucose measurement apparatus detects radio waves reflected from the object under measurement by using a reflection coefficient according to glucose concentration in the object under measurement and a dielectric permittivity according to a frequency change.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 비-침습 센서를 구비하여 혈당을 측정하는 장치의 센서는 나선형으로 형성된 유전체 공진기를 구비하고, 상기 유전체 공진기를 통해 피측정 객체에 마이크로파를 조사하고, 상기 피측정 객체와의 상호작용 결과, 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 검출한다.In order to solve the above technical problem, the sensor of the device for measuring blood sugar with a non-invasive sensor according to the present invention includes a dielectric resonator formed in a spiral, irradiating microwaves to the object under measurement through the dielectric resonator, As a result of the interaction with the object under measurement, a change in the resonant frequency and the reflectance of the radio wave reflected from the object under measurement is detected.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 혈당 측정 방법은, 소정 주파수의 전자계 에너지를 생성하여 입력받는 단계; 센서가 상기 입력된 전자계 에너지를 피측정 객체에 조사하는 단계; 상기 센서가 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화로부터 상기 피측정 객체의 혈당량의 변화를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 센서는 나선형으로 형성되어 상기 피측정 객체와 상호작용하는 유전체 공진기를 구비한다.In order to solve the above technical problem, the blood glucose measurement method according to the present invention, generating and receiving an electromagnetic field energy of a predetermined frequency; Irradiating, by a sensor, the input field energy to the object under measurement; Detecting, by the sensor, radio waves reflected from the object under measurement; And calculating a change in blood glucose level of the object under measurement from a change in resonance frequency and reflectance of the detected radio wave, wherein the sensor has a dielectric resonator formed in a spiral shape and interacting with the object under measurement.

상기된 혈당 측정 방법은 전파의 공진 주파수 및 반사율에 따른 혈당량 정보를 생성하여 미리 데이터베이스에 저장하는 단계; 및 상기 피측정 객체의 혈당량의 변화에 대한 시각적인 데이터를 디스플레이 장치를 통해 표시하는 단계를 더 포함하고, 상기 혈당량의 변화를 산출하는 단계는 상기 센서를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 미리 저장된 데이터베이스와 비교함으로써 상기 피측정 객체의 혈당량의 정량적 변화에 대한 시각적인 데이터를 생성한다.The blood sugar measuring method may include generating blood glucose information according to a resonant frequency and a reflectance of a radio wave and storing the blood glucose information in a database in advance; And displaying visual data on a change in blood glucose level of the object to be measured through a display device, and calculating the change in blood glucose level comprises changing a resonance frequency and a reflectance of a radio wave detected through the sensor. Is compared with a pre-stored database to generate visual data on quantitative changes in blood glucose levels of the subject under test.

또한, 상기된 혈당 측정 방법의 센서는 상기 피측정 객체 내의 글루코스 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수를 이용하여 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출한다.In addition, the sensor of the blood glucose measurement method detects radio waves reflected from the object under measurement by using a reflection coefficient according to glucose concentration and a dielectric constant according to a frequency change in the object under measurement.

나아가, 이하에서는 상기 기재된 혈당 측정 장치를 제어하기 위해 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.Furthermore, the following provides a computer readable recording medium having recorded thereon a program for execution on a computer for controlling the blood glucose measurement apparatus described above.

본 발명은 비-침습적으로 전파를 조사하고 피측정 객체로부터 반사되는 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 검출함으로써 환자로부터 혈액을 채취할 필요없이 혈당을 측정할 수 있고, 그 결과 통증과 비위생의 불편함을 해소할 수 있으며, 나선형으로 형성되어 피측정 객체와 상호작용하는 유전체 공진기를 이용함으로써 혈당 측정의 감도 및 정확도를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 전파를 이용하여 피측정 객체의 혈당을 검출함으로써 시간의 경과에 따라 인체의 혈당 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 혈당 측정 수단을 제공할 수 있다.The present invention enables non-invasive irradiation of radio waves and detection of changes in the resonant frequency and reflectance of radio waves reflected from an object under measurement, thereby measuring blood glucose without having to collect blood from a patient, resulting in pain and unsanitary discomfort. By using a dielectric resonator that is spirally formed and interacts with the object under test, the sensitivity and accuracy of blood glucose measurement can be improved. In addition, the present invention can provide a blood glucose measurement means that can monitor the blood sugar change of the human body over time by detecting blood sugar of the object under measurement using radio waves.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 장치를 도시한 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 비-침습 센서를 구비하여 혈당을 측정하는 장치의 센서를 도시한 상면 사시도 및 저면 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 장치를 예시한 회로도이다.
도 3b는 도 3a의 나선형 유전체 공진기와 피측정 객체를 보다 구체적으로 도시한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 유전체 공진기에서 공진 주파수에 따른 공진 특성 변화를 예시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 유전체 공진기에서 글루코스 농도에 따른 공진 특성 변화를 예시한 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 유전체 공진기의 형태에 따른 전자기장의 형성 형태를 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 유전체 공진기의 형태에 따른 센서의 반응 특성을 비교하여 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혈당 측정 장치를 이용하여 인체의 혈당 변화를 실시간으로 관측한 결과를 예시한 그래프이다.
1 is a block diagram showing a blood glucose measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are a top perspective view and a bottom perspective view, respectively, of a sensor of a device for measuring blood glucose level with a non-invasive sensor according to another embodiment of the present invention.
Figure 3a is a circuit diagram illustrating a blood sugar measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3B is a circuit diagram illustrating in more detail the spiral dielectric resonator and the object under test in FIG. 3A.
4 is a flowchart illustrating a blood glucose measurement method according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph illustrating a change in resonance characteristics according to a resonance frequency in a spiral dielectric resonator according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating a change in resonance characteristics according to glucose concentration in a spiral dielectric resonator according to an embodiment of the present invention.
7A to 7C are diagrams for explaining the formation of electromagnetic fields according to the shape of the dielectric resonator.
8A and 8B are diagrams for explaining and comparing the response characteristics of the sensor according to the shape of the dielectric resonator.
9 is a graph illustrating a result of observing a change in blood glucose of a human body in real time using a blood glucose measurement apparatus according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 실시예들이 공통적으로 채용하고 있는 기본 아이디어를 제시하고자 한다. 앞서 설명한 바와 같이 통상적인 채혈 혈당 측정 장치의 문제점(통증, 비위생)을 해소하고자 본 발명에 따른 실시예들은 비-침습적인 방법을 통해 혈당을 측정하는 방법에 주목하였다.Before describing the embodiments of the present invention, the basic idea that the embodiments are commonly employed will be presented. As described above, in order to solve the problems (pain, non-hygiene) of the conventional blood glucose measurement apparatus, embodiments according to the present invention focused on the method of measuring blood glucose through a non-invasive method.

이러한 비-침습적인 혈당 측정을 위해 이하의 실시예들은 인체 조직 내의 혈액으로부터 글루코스-유도(glucose-induced)를 통해 유전 특성(dielectric property)이 변화하는 성질을 이용한다. 또한, 이하의 실시예들은 비-침습적인 혈당 측정을 위해 피측정 객체 내의 혈액과의 직접적인 접촉없이 전자기(electromagnetic, EM)를 이용하여 피측정 객체의 혈당을 측정하고자 한다. 이러한 전자기 매체로는 전파, 특히 마이크로파가 이용될 수 있으며, 본 발명의 실시예들은 피측정 객체 내의 글루코스 농도를 비-침습적으로 결정하고, 그 변화를 실시간으로 모니터링하는데 적용될 수 있는 마이크로파 센서 및 그 디자인을 제안하고자 한다.For this non-invasive blood glucose measurement, the following embodiments use the property that the dielectric property changes through glucose-induced from blood in human tissue. In addition, the following embodiments are intended to measure blood glucose of an object under measurement using electromagnetic (EM) without direct contact with blood in the object under measurement for non-invasive blood glucose measurement. As such an electromagnetic medium, radio waves, in particular microwave, can be used, and embodiments of the present invention can be applied to non-invasive determination of glucose concentration in an object under measurement and to monitor the change in real time and its design. I would like to propose.

통상적으로 근접장 원리에 따라 마이크로파를 방출하는 단일 탐침을 이용하여 글루코스의 반응을 측정하는 방법에 따르면, 측정 위치에 따른 오차가 많이 발생하고, 측정 위치의 변화에 따라 불규칙한 노이즈가 유입되거나, 측정의 불균질성 등의 결함으로 인해 혈당 측정의 감도 및 안정성에 부정적인 영향이 발생하는 것이 발견되었다.According to the method of measuring the response of glucose using a single probe that emits microwaves according to the near-field principle, a large number of errors occur depending on the measurement position, irregular noise is introduced according to the change of the measurement position, or measurement heterogeneity. It has been found that defects such as these adversely affect the sensitivity and stability of blood glucose measurement.

따라서, 이하에서 제시될 본 발명의 실시예들은 통상적인 단일 탐침이 아닌 나선형(spiral)으로 형성된 유전체 공진기를 활용함으로써 글루코스 농도 및 혈당을 보다 정확하게 검출하는 장치 및 방법을 제안하고자 한다. 이하에서, 관련 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명한다. 도면들에서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성 요소를 지칭한다. Accordingly, embodiments of the present invention to be described below propose an apparatus and method for more accurately detecting glucose concentration and blood glucose by utilizing a dielectric resonator formed in a spiral rather than a conventional single probe. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings refer to like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 장치를 도시한 블록도로서, 혈당 측정 장치(1)와 더불어 피측정 객체(0)를 도시하였다. 혈당 측정 장치(1)는 크게 소스(source)부(10), 센서(sensor)부(20), 처리부(30) 및 이에 수반된 데이터베이스(35)를 포함한다. 또한, 추가적으로 처리부(30)를 통해 생성된 정보를 표시하는 디스플레이부(40)가 활용될 수 있다.FIG. 1 is a block diagram illustrating a blood glucose measurement apparatus according to an embodiment of the present invention, and shows a blood glucose measurement apparatus 1 and a measurement object 0. The blood glucose measurement apparatus 1 largely includes a source unit 10, a sensor unit 20, a processing unit 30, and a database 35 associated with it. In addition, the display unit 40 displaying information generated by the processor 30 may be utilized.

소스(source)부(10)는 일정 범위의 주파수에 해당하는 전자계 에너지를 생성한다. 이러한 전자계 에너지는 피측정 객체(0) 내의 글루코스와 반응할 수 있는 다양한 에너지원이 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 전파를 이용하는 방법을 예시하고 있으며, 그 중에서도 특히 피측정 객체와의 상호작용을 고려하여 설정된 마이크로파(microwave)가 활용될 수 있다. 이러한 전자계 에너지는 이후에 설명할 처리부(30)에 의해 제어되어 피측정 객체에 적합한 수준의 주파수를 생성하게 된다.The source unit 10 generates electromagnetic energy corresponding to a frequency in a predetermined range. The energy of the electromagnetic field may be various energy sources capable of reacting with glucose in the object under measurement (0). However, the present embodiment exemplifies a method using radio waves, in particular, considering interaction with the object under measurement. Set microwaves can be utilized. This field energy is controlled by the processor 30 to be described later to generate a frequency of a level suitable for the object under measurement.

센서(sensor)부(20)는 소스부(10)로부터 생성된 전자계 에너지를 입력받아 피측정 객체에 조사하고, 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출한다. 특히, 본 발명의 실시예들을 통해 이러한 센서부(20)는 나선형(spiral)으로 형성되어 피측정 객체(0)와 상호작용하는 유전체 공진기를 구비한다. 즉, 나선형으로 형성된 유전체 공진기는 일종의 탐침(probe)에 해당한다. 이러한 유전체 공진기를 구현하기 위한 유전체의 종류에는 특별한 제한이 없으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 적절한 유전체를 선택될 수 있다.The sensor unit 20 receives the electromagnetic energy generated from the source unit 10, irradiates the object under measurement, and detects radio waves reflected from the object under measurement. In particular, through the embodiments of the present invention, the sensor unit 20 includes a dielectric resonator formed in a spiral shape and interacting with the object under measurement 0. That is, the spirally formed dielectric resonator corresponds to a kind of probe. There is no particular limitation on the type of dielectric for implementing such a dielectric resonator, and an appropriate dielectric may be selected by a person skilled in the art.

이러한 센서부(20)는 피측정 객체(혈당을 측정하고자 하는 인체의 특정 부위, 예를 들어 손가락 등이 될 수 있다.)와 접촉하는 수단으로서, 본 발명의 실시예에 따른 혈당 측정 장치(1)는 소스부(10)로부터 생성된 전자계 에너지를 센서부(20)의 유전체 공진기 형태의 센서 탐침에 전달함으로써 피측정 객체 내의 글루코스 용액(즉, 인체 내부의 혈액을 의미한다.)과 반응하면서 환자의 혈당을 측정하게 된다. 보다 구체적으로 센서부(20)는 피측정 객체(0) 내의 글루코스 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수를 이용하여 피측정 객체(0)로부터 반사되는 전파를 검출한다. 이 때, 이러한 유전상수는 피측정 객체(0) 내의 전기 에너지와 전기 에너지의 손실의 결합에 의해 결정된다.The sensor unit 20 is a means for contacting an object to be measured (which may be a specific part of the human body, for example, a finger, etc., to which blood glucose is measured), and the blood sugar measuring apparatus 1 according to an exemplary embodiment of the present invention. ) Transmits the electromagnetic energy generated from the source unit 10 to the sensor probe in the form of a dielectric resonator of the sensor unit 20 to react with the glucose solution (ie, blood inside the human body) in the object under test. Your blood sugar will be measured. More specifically, the sensor unit 20 detects radio waves reflected from the object under measurement 0 using the reflection coefficient according to the glucose concentration in the object under measurement 0 and the dielectric constant according to the frequency change. This dielectric constant is then determined by the combination of electrical energy and loss of electrical energy in the object under measurement (0).

처리부(30)는 소스부(10)를 제어하여 센서부(20)의 공진 주파수를 결정하고, 센서부(20)를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화로부터 피측정 객체(0)의 혈당량의 변화를 산출한다. 처리부(30)는 글루코스의 마이크로파 신호 분석을 이용하여 유전 상수의 비-직접적인 측정 또는 마이크로파의 반사 계수의 직접적인 측정으로부터 글루코스 농도를 측정할 수 있다. 이러한 처리부(30)에서 활용하는 파라미터(parameter)는 매체의 주요 물질 특성 중 하나인 복합 유전상수(dielectric permittivity)이다.The processing unit 30 controls the source unit 10 to determine the resonance frequency of the sensor unit 20 and detects the resonance frequency of the object of measurement 0 from the change of the resonance frequency and reflectance of the radio wave detected through the sensor unit 20. [ And calculates a change in blood glucose level. The processor 30 may measure the glucose concentration from non-direct measurement of the dielectric constant or direct measurement of the reflection coefficient of the microwave using microwave signal analysis of glucose. The parameter utilized by the processor 30 is a composite permittivity, which is one of the main material properties of the medium.

유전상수와 공진 주파수를 이용한 글루코스 농도 측정의 원리 및 이론은 이후 도 3a 및 도 3b를 통해 보다 구체적으로 설명한다.The principle and theory of glucose concentration measurement using dielectric constant and resonance frequency will be described in more detail later with reference to FIGS. 3A and 3B.

요약하건대, 센서부(20)는 글루코스 농도 변화를 결정하기 위해 일정한 범위의 공진 주파수(실험 및 예시를 위해 약 f = 7.7 GHz의 공진 주파수가 사용될 수 있다.)에서 피측정 객체(0)에 접촉하는 나선형 공진기의 반사 계수의 변화를 측정한다. 마이크로파 센서부(20) 및 피측정 객체(0) 간의 전자기적 상호 작용으로 인해 반사 계수에 변화가 나타나게 되고, 이러한 변화는 직접적으로 글루코스 농도 변화와 관련되어 있음을 확인하였다. 그러면, 처리부(30)는 센서부(20)를 통해 측정된 마이크로파 반사 계수의 변화를 통해 글루코스 농도를 실시간으로 결정할 수 있다.In summary, the sensor unit 20 contacts the object under measurement 0 at a range of resonance frequencies (a resonance frequency of about f = 7.7 GHz may be used for experimentation and illustration) to determine glucose concentration changes. The change in the reflection coefficient of the spiral resonator is measured. The electromagnetic interaction between the microwave sensor unit 20 and the object under test (0) results in a change in the reflection coefficient, and the change is directly related to the glucose concentration change. Then, the processor 30 may determine the glucose concentration in real time through the change of the microwave reflection coefficient measured by the sensor unit 20.

한편, 이러한 처리부(30)는 센서부(20)를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 미리 저장된 데이터베이스(35)와 비교함으로써 피측정 객체(0)의 혈당량의 정량적 변화에 대한 시각적인 데이터를 생성할 수 있다. 또한, 혈당 측정 장치(1)는 디스플레이부(40)를 통해 이렇게 생성된 시각적인 데이터를 표시할 수 있다. 이러한 디스플레이부(40)는 본 발명의 실시예가 구현되는 구현예에 따라 선택적으로 포함될 수 있을 것이다.On the other hand, the processor 30 compares the change in the resonant frequency and reflectance of the radio wave detected by the sensor unit 20 with the previously stored database 35 to visualize the quantitative change in the blood glucose level of the object under measurement 0. You can generate data. In addition, the blood glucose measurement apparatus 1 may display the visual data generated through the display 40. The display unit 40 may be selectively included according to the embodiment in which the embodiment of the present invention is implemented.

도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 비-침습 센서를 구비하여 혈당을 측정하는 장치의 센서를 도시한 상면 사시도 및 저면 사시도이다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 센서의 구조는 본 실시예에 따른 혈당 측정 장치에서 활용될 수 있는 센서를 예시한 것으로서, 유전체 공진기의 형태를 나선형으로 형성하여 사용한다는 기술 원리를 사용하는 한도 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다.2A and 2B are a top perspective view and a bottom perspective view, respectively, of a sensor of a device for measuring blood glucose level with a non-invasive sensor according to another embodiment of the present invention. 2A and 2B illustrate the sensor that can be utilized in the blood glucose measurement apparatus according to the present embodiment, and within the limits of using the technical principle of spirally forming a dielectric resonator. The present invention may be modified and implemented in various forms by those skilled in the art.

본 실시예에 따른 비-침습 센서는 나선형으로 형성된 유전체 공진기를 구비하고, 유전체 공진기를 통해 피측정 객체에 마이크로파를 조사하고, 피측정 객체와의 상호작용 결과, 피측정 객체로부터 반사되는 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 검출한다. 이를 위해 비-침습 센서는 피측정 객체 내의 글루코스 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수를 이용한다.The non-invasive sensor according to the present embodiment includes a dielectric resonator formed spirally, irradiates microwaves to the object under measurement through the dielectric resonator, and as a result of interaction with the object under measurement, resonance of radio waves reflected from the object under measurement. Detect changes in frequency and reflectance. For this purpose, the non-invasive sensor uses the reflection coefficient according to the glucose concentration in the object under test and the dielectric constant according to the frequency change.

도 2a 및 도 2b에서는 Agilent E5071B 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer, VNA)에 의해 모니터링 되는 공진기 센서로부터 데이터를 분석하기 위해 나선형 마이크로스트립(microstrip) 공진기에 마이크로파 반사 계수 S11가 사용되었다.2A and 2B, microwave reflection coefficient S 11 was used in a helical microstrip resonator to analyze data from the resonator sensor monitored by an Agilent E5071B vector network analyzer (VNA).

한편, 이러한 유전체 공진기는 테프론(Teflon) 코팅과 함께 양면 도금된(gold-clad) 기판에 식각(etch)되어 구현될 수 있다. 또한, 유전체 공진기의 중앙 전도체(conductor)는 나선형으로 형성된 스트립라인(stripline)에 전기적으로 연결되고, 유전체 공진기의 외부 전도체는 상기 기판 면(ground plane)에 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다. 이 때, 테프론은 약 2.2의 비유전률(relative dielectric constant)과 5 - 10 GHz 의 동작 주파수 범위에서 0.0009의 탄젠트 손실(tangent loss)을 갖는다.Meanwhile, the dielectric resonator may be implemented by etching a gold-clad substrate together with a Teflon coating. Further, it is preferable that the central conductor of the dielectric resonator is electrically connected to a stripline formed in a spiral shape, and the outer conductor of the dielectric resonator is electrically connected to the ground plane. At this time, Teflon has a relative dielectric constant of about 2.2 and a tangent loss of 0.0009 in the operating frequency range of 5-10 GHz.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 장치를 예시한 회로도이다. 나선형 센서는 전달 및 반사에 대한 완전한 분석을 위해 VNA의 2개 포트를 통해 연결되며, 도 3a와 같은 간략화된 등가 회로(equivalent circuit)로서 표현될 수 있다. 마이크로스트립 나선형 센서(20)는 피측정 객체(material under test, MUT)(0)와 접촉함으로써 유도 결합된 개방 공진 회로를 구성한다.Figure 3a is a circuit diagram illustrating a blood sugar measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The helical sensor is connected through two ports of the VNA for complete analysis of transmission and reflection and can be represented as a simplified equivalent circuit as shown in FIG. 3A. The microstrip helical sensor 20 constitutes an inductively coupled open resonant circuit by contacting a material under test (MUT) 0.

도 3b는 도 3a의 나선형 유전체 공진기(20)와 피측정 객체(0)를 보다 구체적으로 도시한 회로도이다. 도 3b에서 Ls 및 Lm은 각각 나선형 센서(20) 및 피측정 객체(0)의 결합 인덕턴스(coupling inductance)이고, Cs는 이중 구조 마이크로스트립 센서의 커패시턴스(capacitance)이고, Z0는 전달 선(transmission line)의 매치된 임피던스(matched impedance)이며, Rm 및 Cm는 피측정 객체(0)의 저항 및 커패시턴스이다. 피측정 객체(0) 내에 적용된 전자기(EM) 필드의 상호 작용(interaction) 모드는 센서의 디자인, 피측정 객체(0)의 적용된 전자장의 주파수 및 유전 및 기하(geometrical) 속성 내의 변화와 같은 다양한 요소들에 달려있다.FIG. 3B is a circuit diagram illustrating the spiral dielectric resonator 20 and the object under test 0 of FIG. 3A in more detail. In FIG. 3B, L s and L m are the coupling inductances of the helical sensor 20 and the object under measurement 0, respectively, C s is the capacitance of the dual structure microstrip sensor, and Z 0 is the transmission. The matched impedance of the transmission line, R m and C m are the resistance and capacitance of the object under test (0). The interaction mode of the electromagnetic (EM) field applied within the object under measurement (0) depends on various factors such as the design of the sensor, the frequency of the applied electromagnetic field of the object under measurement (0) and the change in the dielectric and geometrical properties. Depends on the field

도 3a 및 도 3b에서는 글루코스 농도 측정을 위해 마이크로파 신호의 반사를 정확하게 예측할 수 있는 CST Microwave Studio 2008를 이용하여 마이크로파 나선형 센서(20)를 설계하였다. 공진 주파수 f0 및 마이크로파 나선형 센서(20)의 반사 계수 S11는 유전 물질에 따라 변화하며, 이러한 변화를 탐지함으로써 본 실시예의 혈당 측정 장치는 이러한 변화를 글루코스 농도로서 변환할 수 있다. 이러한 변화는 나선형 유전체 공진기의 입력 및 출력 간에 형성되는 정상파(standing wave)의 결과에 해당한다.3A and 3B, a microwave spiral sensor 20 was designed using CST Microwave Studio 2008, which can accurately predict the reflection of a microwave signal for measuring glucose concentration. The resonance frequency f 0 and the reflection coefficient S 11 of the microwave helical sensor 20 change depending on the dielectric material, and by detecting such a change, the blood glucose measurement apparatus of the present embodiment can convert this change as a glucose concentration. This change corresponds to the result of standing waves formed between the input and the output of the spiral dielectric resonator.

이제, 본 실시예의 구현 원리 및 이론을 보다 구체적으로 살펴보자.Now, let's look at the implementation principle and theory of the present embodiment in more detail.

본 발명의 실시예들이 공통적으로 채택하고 있는 나선형 유전체 공진기를 통한 측정은 글루코스 농도에 따른 반사계수 및 주파수 변화에 따른다. 이러한 센서의 가동상인 원리는 주파수에 따라 변화하는 유전상수(dielectric permittivity) 및 자화율(magnetic permeability)과 같은 피측정 객체의 특성의 변화로부터 반사계수 S11 및 공진 주파수 f0 파라미터 내의 변화(shift)에 기초한다.Measurements using a helical dielectric resonator commonly adopted by the embodiments of the present invention are dependent on the reflection coefficient and the frequency change according to the glucose concentration. The principle of this sensor's motion lies in the shift in the reflection coefficient S 11 and the resonant frequency f 0 parameter from changes in the characteristics of the object under measurement, such as dielectric permittivity and magnetic permeability, which change with frequency. Based.

우선, 자화율은 물질 내의 자기 에너지의 변화에 따른다. 일반적으로 대부분의 반자성(diamagnetic) 물질이나 상자성(paramagnetic) 물질은 강한 자기장의 속성을 갖지 않기 때문에 외부 자기장에 영향을 받지 않는다. 반면, 비선형 매체인 강자성(ferromagnetic) 물질은 외부 자기장 변화에 강한 영향을 받는다. 그런데, 대부분의 생물학적 시료는 외부 자기장에 의해 거의 영향을 받지 않는다. 따라서, 인체를 대상으로 글루코스 레벨에 관한 본 발명의 실시예들의 관점에서 이러한 피측정 객체의 특성 중 한 요소인 자화율은 무시될 수 있다.First, the susceptibility depends on the change of magnetic energy in the material. In general, most diamagnetic or paramagnetic materials are not affected by external magnetic fields because they do not have strong magnetic properties. On the other hand, ferromagnetic material, which is a nonlinear medium, is strongly influenced by external magnetic field change. However, most biological samples are hardly affected by external magnetic fields. Thus, in view of embodiments of the present invention regarding glucose levels in the human body, the susceptibility, which is one element of the characteristics of such an object under measurement, can be ignored.

다음으로 피측정 객체의 다른 중요한 특징적 파라미터 중 하나인 유전상수를 살펴보자. 유전상수는 물질에 따라 다음의 수학식 1과 같은 복소수 형태의 특성을 갖는다.Next, let's look at the dielectric constant, one of the other important characteristic parameters of the object under test. The dielectric constant has a complex form of characteristic as shown in Equation 1 according to the material.

Figure 112011022947639-pat00001
Figure 112011022947639-pat00001

수학식 1에서

Figure 112011022947639-pat00002
는 실수부로서 물질 내의 전기 에너지에 의해 결정된다. 전자기(EM) 신호가 물질을 통과할 때, 허수부
Figure 112011022947639-pat00003
는 에너지 손실
Figure 112011022947639-pat00004
에 의해 결정된다. 글루코스 솔루션에서 덱스트로오스(dextrose)의 유전상수는 몰농도 증가분 δ에 의해 이상의 수학식 1로부터 다음의 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.In Equation 1
Figure 112011022947639-pat00002
Is determined by the electrical energy in the material as a real part. When an electromagnetic (EM) signal passes through a material, the imaginary part
Figure 112011022947639-pat00003
Energy loss
Figure 112011022947639-pat00004
. The dielectric constant of dextrose in the glucose solution may be expressed by Equation 1 from Equation 1 above by the molar concentration increase δ.

Figure 112011022947639-pat00005
Figure 112011022947639-pat00005

수학식 2에서 상수 c는 글루코스의 농도이고,

Figure 112011022947639-pat00006
는 37℃에서
Figure 112011022947639-pat00007
(mg/dl)-1
Figure 112011022947639-pat00008
(mg/dl)-1에 의한 글루코스 농도의 유니트(unit) 증가분이고,
Figure 112011022947639-pat00009
는 증류수(de-ionized water, DI water)의 유전상수다. 이 때, 증류수의 실수부와 허수부의 복소수 유전상수는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. In Equation 2, the constant c is the concentration of glucose,
Figure 112011022947639-pat00006
At 37 ℃
Figure 112011022947639-pat00007
(mg / dl) -1 and
Figure 112011022947639-pat00008
is the unit increase in glucose concentration by (mg / dl) −1 ,
Figure 112011022947639-pat00009
Is the dielectric constant of de-ionized water (DI water). In this case, the complex dielectric constant of the real part and the imaginary part of the distilled water may be expressed by Equation 3 below.

Figure 112011022947639-pat00010
Figure 112011022947639-pat00010

수학식 3에서 ε는 고주파수 영역에서의 유전상수이고, εs는 저주파수 영역에서의 유전상수이며, τ는 물질의 특성이완시간을 나타낸다.In Equation 3, ε is the dielectric constant in the high frequency region, ε s is the dielectric constant in the low frequency region, and τ represents the relaxation time of the material.

이상과 같이 피측정 객체의 중요한 특징 파라미터인 유전상수가 결정될 수 있고, 이러한 유전상수의 변화는 곧 피측정 객체의 특성의 변화로 나타나며, 그로부터 반사계수 S11 및 공진 주파수 f0 파라미터 내의 변화(shift)가 도출될 수 있다. 피측정 객체와의 상호작용으로 인해 유전체 공진기를 진행하는 마이크로파의 파형 패턴이 변하는 것은 피측정 객체의 혈액에 포함된 당량에 따라 유전율이 변하며, 이에 의해 반사계수 S11가 달라지기 때문이다.As described above, the dielectric constant, which is an important characteristic parameter of the object under measurement, may be determined, and the change in the dielectric constant may be represented as a change in the characteristic of the object under measurement, and from there, the change in the reflection coefficient S 11 and the resonance frequency f 0 parameter may be shifted. ) Can be derived. The change in the waveform pattern of the microwave traveling through the dielectric resonator due to the interaction with the object under test is because the dielectric constant is changed according to the equivalent amount contained in the blood of the object under test, thereby changing the reflection coefficient S 11 .

혈당량에 따른 반사계수 S11의 변화를 살펴보면, 혈당량에 따라 반사계수의 중심주파수와 피크값이 모두 변화하는 것으로 나타난다. 본 발명의 실시예에 따른 혈당 측정 장치에서는 일정 대역폭을 갖는 마이크로파가 센서팁에 의해 피측정 객체에 조사되므로, 상호작용 후 검출되는 마이크로파는 주파수 대역이 쉬프트(shift)된 형태로 나타난다. 즉, 이러한 마이크로파의 파형 변화 패턴은 센서를 통해 측정되고, 처리부는 이러한 측정된 값으로부터 혈당량에 대한 데이터를 산출한다. 이 때, 혈당량은 측정된 파형 변화 패턴과 미리 준비된 파형 변화 패턴과 혈당량의 관계에 대한 데이터베이스로부터 산출될 수 있다. 파형 변화 패턴의 측정은, 예를 들면 주파수 대 마이크로파의 진폭으로 나타낸 그래프에서 그래프가 쉬프트 된 면적을 측정하고 이로부터 마이크로파의 파워 변화를 측정하는 방법에 의할 수 있으며, 파워 변화는 전압으로 환산될 수 있다.Looking at the change in the reflection coefficient S 11 according to the blood glucose level, it appears that both the center frequency and the peak value of the reflection coefficient change depending on the blood glucose level. In the blood glucose measurement apparatus according to the exemplary embodiment of the present invention, since microwaves having a predetermined bandwidth are irradiated to the object to be measured by the sensor tip, the microwaves detected after the interaction appear in a shifted frequency band form. That is, the waveform change pattern of the microwave is measured by the sensor, and the processor calculates data on the blood glucose level from the measured values. At this time, the blood glucose level may be calculated from a database on the relationship between the measured waveform change pattern, the waveform change pattern prepared in advance, and the blood sugar level. The measurement of the waveform change pattern may be, for example, by measuring the area where the graph is shifted in the graph represented by the amplitude of the frequency versus the microwave, and from there the power change of the microwave, the power change being converted into voltage. Can be.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 방법을 도시한 흐름도로서, 도 1의 혈당 측정 장치에 대응하는 단계들을 포함한다. 설명의 편의를 위해 여기서는 도 1의 구성과의 대응관계를 중심으로 각 단계를 약술하며, 중복되는 구체적인 설명은 생략하도록 한다.4 is a flowchart illustrating a blood sugar measuring method according to an exemplary embodiment of the present invention, which includes steps corresponding to the blood sugar measuring apparatus of FIG. 1. For convenience of description, each step will be outlined here based on the correspondence with the configuration of FIG. 1, and detailed descriptions thereof will be omitted.

410 단계에서 센서는 소스로부터 생성된 일정 범위의 주파수의 전자계 에너지를 입력받는다.In step 410, the sensor receives the electromagnetic energy of a range of frequencies generated from the source.

420 단계에서 센서는 410 단계를 통해 입력된 전자계 에너지를 피측정 객체에 조사하고, 이어서 430 단계를 통해 센서는 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출한다. 이미 설명한 바와 같이 이러한 센서는 나선형으로 형성되어 피측정 객체와 상호작용하는 유전체 공진기를 구비한다.In step 420, the sensor irradiates the object to be measured with the electromagnetic energy input in step 410, and then in step 430, the sensor detects a radio wave reflected from the object under measurement. As already described, such a sensor has a dielectric resonator that is formed spirally and interacts with the object under measurement.

440 단계에서는 430 단계를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화로부터 피측정 객체의 혈당량의 변화를 산출한다.In operation 440, the change in the blood glucose level of the object under measurement is calculated from the change in the resonance frequency and the reflectance of the radio wave detected in operation 430.

상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 환자로부터 혈액을 채취할 필요없이 혈당을 측정할 수 있고, 그 결과 통증과 비위생의 불편함을 해소할 수 있다. 또한, 나선형으로 형성된 유전체 공진기를 이용함으로써 혈당 측정의 감도 및 정확도를 향상시킬 수 있다.According to the embodiments of the present invention described above, blood glucose can be measured without having to collect blood from a patient, and as a result, discomfort of pain and unsanitary hygiene can be eliminated. In addition, the use of a spirally formed dielectric resonator can improve the sensitivity and accuracy of blood glucose measurement.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 혈당 측정 방법은 다음과 같은 추가적인 단계를 선택적으로 더 포함할 수 있다.On the other hand, the blood glucose measurement method according to another embodiment of the present invention may optionally further include the following additional steps.

450 단계에서는 피측정 객체의 혈당량의 변화에 대한 시각적인 데이터를 디스플레이 장치를 통해 표시한다. 이를 위해 440 단계의 혈당량의 변화를 산출함에 있어서, 센서를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 미리 저장된 데이터베이스와 비교함으로써 피측정 객체의 혈당량의 정량적 변화에 대한 시각적인 데이터를 생성할 수 있다. 또한, 이들 과정이 수행되기 이전에 전파의 공진 주파수 및 반사율에 따른 혈당량 정보를 생성하여 미리 데이터베이스에 저장할 필요가 있음은 당연하다.In operation 450, visual data about a change in blood glucose level of the object to be measured is displayed on the display device. For this purpose, in calculating the change in blood glucose in step 440, visual data on the quantitative change in blood glucose of the object under measurement can be generated by comparing the change in resonant frequency and reflectance of the radio wave detected by the sensor with a pre-stored database. have. In addition, before these processes are performed, it is natural that blood glucose information according to the resonant frequency and reflectance of the radio wave needs to be generated and stored in a database in advance.

상기된 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 시간의 경과에 따라 인체의 혈당 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있는 혈당 측정 수단을 제공할 수 있다.According to another embodiment of the present invention described above, it is possible to provide a blood glucose measurement means that can monitor the blood sugar change of the human body over time in real time.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 유전체 공진기에서 공진 주파수에 따른 공진 특성 변화를 예시한 그래프로서, 공진 주파수 7.65 GHz에서의 공진 특성 변화를 각각의 글루코스 농도에 따라 도시하였다. 도 5에서 (a)는 증류수(DI water)의 글루코스 농도이고, (b)는 50 mg/dl, (c)는 100 mg/dl, (d)는 150 mg/dl, (e)는 200 mg/dl, (f)는 250 mg/dl, (g)는 300 mg/dl, (h)는 400 mg/dl, (i)는 500 mg/dl, 그리고 (j)는 600 mg/dl의 글루코스 농도에서의 반사계수를 나타낸 것이다. 또한, 도 5의 내부 도면의 왼쪽 축은 나선형 유전체 공진기의 글루코스 농도 변화에 따른 공진 주파수 변화를 나타내고, 오른쪽 축은 반사계수의 변화를 나타낸 것이다.FIG. 5 is a graph illustrating a change in resonance characteristics according to a resonance frequency in a spiral dielectric resonator according to an embodiment of the present invention, and the change in resonance characteristics at a resonance frequency of 7.65 GHz is shown according to each glucose concentration. In Figure 5 (a) is the glucose concentration of distilled water (DI water), (b) 50 mg / dl, (c) 100 mg / dl, (d) 150 mg / dl, (e) 200 mg / dl, (f) 250 mg / dl, (g) 300 mg / dl, (h) 400 mg / dl, (i) 500 mg / dl, and (j) 600 mg / dl glucose The reflection coefficient at concentration is shown. In addition, the left axis of FIG. 5 shows the change of the resonance frequency according to the glucose concentration change of the spiral dielectric resonator, and the right axis shows the change of the reflection coefficient.

도 5를 통해 피측정 객체의 혈당, 즉 글루코스 농도에 따라 나선형 유전체 공진기의 공진 주파수에 따른 마이크로파 반사계수가 크게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 이상에서 제안된 본 발명의 실시예들은 이러한 실험값에 기초하여 피측정 객체로부터 반사된 마이크로파의 반사계수로부터 혈당 측정의 기초 데이터를 확보할 수 있다.5, it can be seen that the microwave reflection coefficient greatly changes according to the resonance frequency of the spiral dielectric resonator according to the blood glucose, that is, the glucose concentration of the object under measurement. Therefore, the embodiments of the present invention proposed above can secure the basic data of blood glucose measurement from the reflection coefficient of the microwave reflected from the object under measurement based on these experimental values.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 유전체 공진기에서 글루코스 농도에 따른 공진 특성 변화를 예시한 그래프이다. 도 6는 증류수로부터 각각 200 mg/dl, 400 mg/dl, 600 mg/dl로 증가시켜가며 글루코스 농도에 따른 반사계수를 예시한 것이다. 또한, 도 6의 내부 도면은 온도 30 - 40℃ 영역에서의 공진 특성 변화를 도시한 것으로서, (a)는 200 mg/dl, (b)는 400 mg/dl, (c)는 600 mg/dl에서의 주파수 및 반사계수 간의 관계를 나타낸 것이다.6 is a graph illustrating a change in resonance characteristics according to glucose concentration in a spiral dielectric resonator according to an embodiment of the present invention. 6 illustrates a reflection coefficient according to glucose concentration while increasing from distilled water to 200 mg / dl, 400 mg / dl, and 600 mg / dl, respectively. 6 shows changes in resonance characteristics in a temperature range of 30 to 40 ° C., (a) is 200 mg / dl, (b) is 400 mg / dl, and (c) is 600 mg / dl Shows the relationship between the frequency and the reflection coefficient at.

도 7a 내지 도 7c는 유전체 공진기의 형태에 따른 전자기장의 형성 형태를 비교하여 설명하기 위한 도면으로서, 도 7a는 원형으로 형성된 유전체 공진기를 사용하여 전자기장이 형성되는 영역을 도시하였고, 도 7b는 타원형으로 형성된 유전체 공진기를 사용하여 전자기장이 형성되는 영역을 도시하였으며, 도 7c는 나선형으로 형성된 유전체 공진기를 사용하여 전자기장이 형성되는 영역을 도시한 것이다. 이 중, 도 7c가 이상에서 제안한 본 발명의 실시예가 채택하고 있는 구조이다.7A to 7C are diagrams for explaining the formation of electromagnetic fields according to the shape of dielectric resonators. FIG. 7A illustrates an area in which electromagnetic fields are formed using a dielectric resonator formed in a circular shape, and FIG. 7B is an elliptical shape. The region in which the electromagnetic field is formed using the formed dielectric resonator is illustrated, and FIG. 7C illustrates the region in which the electromagnetic field is formed using the dielectric resonator formed in a spiral shape. Among these, FIG. 7C is the structure which the Example of this invention proposed above is employ | adopted.

도 7a 내지 도 7c를 통해 각각의 형태에 따른 전자기장의 형성 영역을 비교하면, 도 7a 및 도 7b의 경우에는 전달 선을 통해서만 전자기장이 형성되는데 반해, 도 7c의 경우에는 전 영역에 걸쳐 전자기장이 고루 형성되는 것을 볼 수 있다.7A to 7C, the electromagnetic fields are formed only through transmission lines in FIGS. 7A and 7B, whereas the electromagnetic fields are uniformly distributed over the entire region in FIGS. 7A and 7B. It can be seen that it is formed.

도 8a 및 도 8b는 유전체 공진기의 형태에 따른 센서의 반응 특성을 비교하여 설명하기 위한 도면으로서, 도 8a는 전기 에너지(electric energy)의 밀도를 측정하여 예시한 도면이고, 도 8b은 자기 에너지(magnetic energy)의 밀도를 측정하여 예시한 도면이다. 또한, 도면에 포함된 (a) 내지 (b)의 세 가지 형태의 패턴은 각각 도 7a 내지 도 7c의 유전체 공진기의 형태에 대응된다.8A and 8B are diagrams for explaining and comparing the response characteristics of a sensor according to the shape of a dielectric resonator, and FIG. 8A is a diagram illustrating the measurement of the density of electric energy, and FIG. 8B is a diagram of magnetic energy ( A diagram illustrating the measurement of the density of magnetic energy). In addition, the three types of patterns (a) to (b) included in the drawings correspond to the types of the dielectric resonators of FIGS. 7A to 7C, respectively.

도 8a 및 도 8b을 참조하면, 원형 구조 및 타원형 구조의 센서에 비해 나선형 구조의 유전체 공진기 센서의 반응 특성이 다른 형태에 비해 향상되었음을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 8A and 8B, it can be seen that the response characteristics of the dielectric resonator sensor of the spiral structure are improved compared to the other types, compared to the circular and elliptical sensors.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혈당 측정 장치를 이용하여 인체의 혈당 변화를 실시간으로 관측한 결과를 예시한 그래프로서, 그래프의 가로축은 시간의 경과를 나타내고, 그래프의 세로축은 반사계수 및 글루코스 농도를 나타낸다.9 is a graph illustrating a result of observing a change in blood glucose in a human body in real time using a blood glucose measurement apparatus according to another embodiment of the present invention, in which the horizontal axis represents the passage of time, and the vertical axis of the graph represents the reflection coefficient. And glucose concentration.

이를 위해 피실험자가 공복에 글루코스 용액을 복용한 후, 자신의 엄지 손가락을 나선형 유전체 공진기가 구비된 센서에 접촉한 채, 시간의 경과에 따른 혈당의 변화를 측정하였다. 도 9에 의하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 혈당 측정 장치를 통해 시간의 경과에 따라 실시간으로 피실험자의 혈당이 변화하는 것을 관측할 수 있으며, 이는 센서를 통해 측정된 반사계수의 변화에 대응하는 것을 확인할 수 있다.To this end, the subject took the glucose solution on an empty stomach, and measured the change in blood glucose over time while keeping his thumb in contact with a sensor equipped with a spiral dielectric resonator. Referring to FIG. 9, a blood glucose measurement apparatus according to various embodiments of the present disclosure may observe a change in blood glucose of a test subject in real time as time passes, which corresponds to a change in a reflection coefficient measured by a sensor. You can see that.

이상에서 제안한 본 발명의 실시예들에 따르면, 나선형으로 형성된 유전체 공진기 센서를 이용하여 정확한 당뇨 측정과 혈당 변화를 실시간으로 모니터링할 수 있고, 기본의 채혈 혈당 측정기의 단점을 극복할 수 있으며, 전파를 이용한 글루코스 측정시 나타나던 잡음 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 이들 실시예에 따르면, 제작이 간단하고 정확하고 연속적으로 혈당의 실시간 측정이 가능함으로써 측정 결과를 토대로 당뇨병 환자들에게 보다 효과적인 의료 서비스를 제공할 수 있다. 특히, 혈당이 혈액과 직접 반응하여 정확하고 신속하게 측정될 수 있고, 실시간으로 혈당 변화에 따른 변화를 측정하여 원격에 위치한 의사로부터 의학적 진단을 받을 수 있다.According to the embodiments of the present invention proposed above, accurate diabetic measurement and blood glucose change can be monitored in real time by using a spirally formed dielectric resonator sensor, and can overcome the disadvantages of the basic blood glucose measurement, and It is possible to improve the noise characteristics that appeared during the glucose measurement. In addition, according to these embodiments, it is possible to provide a more effective medical service for diabetics based on the measurement result by making the measurement of blood sugar simple, accurate and continuous in real time. In particular, blood sugar can be measured directly and accurately by measuring the change in response to changes in blood glucose in real time, and can receive a medical diagnosis from a remotely located doctor.

한편, 이들 실시예에 따른 혈당 측정 장치의 나선형 공진기 센서는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용도에 맞는 공진기 패턴으로 대체될 수 있으며, 외부 측정 환경에 따라 공진기의 형태의 크기 및 구조를 변경하여 설계함으로써 혈당 측정에 대한 특성 감도를 높일 수 있다. 이러한 전자기파를 이용한 나선형 유전체 공진기 센서는 탐침형 센서에 비해 위치에 대해 안정적인 특성을 유지하고, MHz 영역부터 GHz 영역의 주파수를 선택하여 설계가 가능하다. 또한, 향상된 잡음 대 신호 특성과 최소 글루코스 검출 능력을 향상시킬 수 있으며, 측정 시 시료 및 측정 위치 변화에 따른 잡음, 불규칙 노이즈, 측정 불균질성 등의 결함으로 인해 발생할 수 있는 실험적 혹은 진단상 오류를 근원적으로 해소할 수 있다.On the other hand, the spiral resonator sensor of the blood glucose measurement apparatus according to these embodiments can be replaced by a resonator pattern suitable for use by those skilled in the art, and according to the external measurement environment of the form of the resonator By varying the size and structure of the design, it is possible to increase the characteristic sensitivity to blood glucose measurement. The spiral dielectric resonator sensor using electromagnetic waves maintains a stable characteristic with respect to the position of the probe type sensor, and can be designed by selecting a frequency in the MHz region to the GHz region. In addition, improved noise-to-signal characteristics and minimum glucose detection capability can be improved, and fundamentally cause experimental or diagnostic errors that may occur due to defects such as noise, irregular noise, and measurement heterogeneity due to changes in sample and measurement position during measurement. I can eliminate it.

나아가, 상기 기재된 혈당 측정 장치를 제어하기 위해 본 발명의 또 다른 실시예는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.Furthermore, another embodiment of the present invention for controlling the above-described blood glucose measurement apparatus may be embodied in computer readable codes on a computer readable recording medium. A computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device and the like, and also a carrier wave (for example, transmission via the Internet) . In addition, the computer-readable recording medium may be distributed over network-connected computer systems so that computer readable codes can be stored and executed in a distributed manner. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing the present invention can be easily deduced by programmers skilled in the art to which the present invention belongs.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to various embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

0 : 피측정 객체 1 : 혈당 측정 장치
10 : 소스(source)부 20 : 센서(sensor)부
30 : 처리부 35 : 데이터베이스
40 : 디스플레이부
0: object to be measured 1: blood glucose measurement apparatus
10: source unit 20: sensor unit
30: processing unit 35: database
40: display unit

Claims (15)

소정 주파수의 전자계 에너지를 생성하는 소스(source)부;
상기 소스부로부터 생성된 전자계 에너지를 입력받아 피측정 객체에 조사하고, 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 센서(sensor)부; 및
상기 소스부를 제어하여 상기 센서부의 공진 주파수를 결정하고, 상기 센서부를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화로부터 상기 피측정 객체의 혈당량의 변화를 산출하는 처리부를 포함하고,
상기 센서부는 나선형(spiral)으로 형성됨으로써 상기 피측정 객체의 전 영역에 걸쳐 전자기장을 고루 형성하여 상기 피측정 객체와 상호작용하는 유전체 공진기를 구비하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 장치.
A source unit generating electromagnetic energy of a predetermined frequency;
A sensor unit which receives the electromagnetic energy generated from the source unit and irradiates the object to be measured and detects radio waves reflected from the object to be measured; And
And a processor configured to control the source unit to determine a resonant frequency of the sensor unit, and to calculate a change in blood glucose level of the object under measurement from a change in resonant frequency and reflectance of the radio wave detected through the sensor unit.
The sensor unit is formed in a spiral (spiral) blood glucose measurement apparatus characterized in that it comprises a dielectric resonator to interact with the object to be formed by forming an electromagnetic field over the entire area of the object to be measured.
제 1 항에 있어서,
상기 처리부는 상기 센서부를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 미리 저장된 데이터베이스와 비교함으로써 상기 피측정 객체의 혈당량의 정량적 변화에 대한 시각적인 데이터를 생성하고,
상기 생성된 시각적인 데이터를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 혈당 측정 장치.
The method of claim 1,
The processor generates visual data on the quantitative change in blood glucose of the object to be measured by comparing changes in the resonant frequency and reflectance of the radio wave detected through the sensor unit with a previously stored database.
And a display unit for displaying the generated visual data.
제 1 항에 있어서,
상기 센서부는 상기 피측정 객체 내의 글루코스(glucose) 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수(dielectric permittivity)를 이용하여 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 장치.
The method of claim 1,
And the sensor unit detects radio waves reflected from the object under measurement by using a reflection coefficient according to glucose concentration in the object under measurement and a dielectric permittivity according to a change in frequency.
제 3 항에 있어서,
상기 유전상수는 상기 피측정 객체 내의 전기 에너지와 상기 전기 에너지의 손실의 결합에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 장치.
The method of claim 3, wherein
Wherein said dielectric constant is determined by a combination of electrical energy in said object under test and a loss of said electrical energy.
제 1 항에 있어서,
상기 센서부는 비-침습적으로(non-invasive) 상기 피측정 객체를 검사하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 장치.
The method of claim 1,
Wherein the sensor unit is non-invasive to examine the object to be measured.
제 1 항에 있어서,
상기 전자계 에너지 및 전파는 상기 피측정 객체와의 상호작용을 고려하여 설정된 마이크로파(microwave)인 것을 특징으로 하는 혈당 측정 장치.
The method of claim 1,
The electromagnetic energy and the radio wave are a glucose measurement device, characterized in that the microwave (microwave) is set in consideration of the interaction with the object to be measured.
비-침습 센서를 구비하여 혈당을 측정하는 장치에 있어서,
상기 센서는,
나선형으로 형성됨으로써 피측정 객체의 전 영역에 걸쳐 전자기장을 고루 형성하는 유전체 공진기를 구비하고,
상기 유전체 공진기를 통해 상기 피측정 객체에 마이크로파를 조사하고,
상기 피측정 객체와의 상호작용 결과, 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
A device for measuring blood glucose with a non-invasive sensor, the device comprising:
The sensor,
And having a dielectric resonator formed in a spiral shape to evenly form an electromagnetic field over the entire area of the object under measurement,
Irradiating microwaves to the object under measurement through the dielectric resonator,
And detecting a change in resonant frequency and reflectance of radio waves reflected from the measured object as a result of the interaction with the measured object.
제 7 항에 있어서,
상기 유전체 공진기는 테프론(Teflon) 코팅과 함께 양면 도금된 기판에 식각(etch)되었고,
상기 유전체 공진기의 중앙 전도체는 나선형으로 형성된 스트립라인(stripline)에 전기적으로 연결되고,
상기 유전체 공진기의 외부 전도체는 상기 기판 면에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
The method of claim 7, wherein
The dielectric resonator was etched in a double-plated substrate with a Teflon coating,
The central conductor of the dielectric resonator is electrically connected to a spiral formed stripline,
And an outer conductor of the dielectric resonator is electrically connected to the substrate surface.
제 7 항에 있어서,
상기 센서는 상기 피측정 객체 내의 글루코스 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수를 이용하여 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 것을 특징으로 하는 장치.
The method of claim 7, wherein
And the sensor detects radio waves reflected from the object under measurement using a reflection coefficient according to glucose concentration in the object under measurement and a dielectric constant according to a change in frequency.
소정 주파수의 전자계 에너지를 생성하여 입력받는 단계;
센서가 상기 입력된 전자계 에너지를 피측정 객체에 조사하는 단계;
상기 센서가 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화로부터 상기 피측정 객체의 혈당량의 변화를 산출하는 단계를 포함하고,
상기 센서는 나선형으로 형성됨으로써 상기 피측정 객체의 전 영역에 걸쳐 전자기장을 고루 형성하여 상기 피측정 객체와 상호작용하는 유전체 공진기를 구비하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 방법.
Generating and receiving electromagnetic energy of a predetermined frequency;
Irradiating, by a sensor, the input field energy to the object under measurement;
Detecting, by the sensor, radio waves reflected from the object under measurement; And
Calculating a change in blood glucose level of the object under measurement from a change in resonance frequency and reflectance of the detected radio wave,
And the sensor is formed in a spiral shape and has a dielectric resonator which interacts with the object under measurement by forming an electromagnetic field evenly over the entire area of the object under measurement.
제 10 항에 있어서,
전파의 공진 주파수 및 반사율에 따른 혈당량 정보를 생성하여 미리 데이터베이스에 저장하는 단계; 및
상기 피측정 객체의 혈당량의 변화에 대한 시각적인 데이터를 디스플레이 장치를 통해 표시하는 단계를 더 포함하고,
상기 혈당량의 변화를 산출하는 단계는 상기 센서를 통해 검출된 전파의 공진 주파수 및 반사율의 변화를 미리 저장된 데이터베이스와 비교함으로써 상기 피측정 객체의 혈당량의 정량적 변화에 대한 시각적인 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 방법.
11. The method of claim 10,
Generating blood glucose amount information according to a resonance frequency and a reflectance of a radio wave and storing the information in a database in advance; And
Displaying visual data on a change in blood glucose level of the object under measurement through a display device;
The calculating of the blood glucose change may include generating visual data on a quantitative change in blood glucose of the object under test by comparing a change in resonant frequency and reflectance of radio waves detected by the sensor with a previously stored database. Blood sugar measurement method.
제 10 항에 있어서,
상기 센서는 상기 피측정 객체 내의 글루코스 농도에 따른 반사 계수 및 주파수 변화에 따른 유전상수를 이용하여 상기 피측정 객체로부터 반사되는 전파를 검출하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 방법.
11. The method of claim 10,
And the sensor detects radio waves reflected from the object under measurement by using a reflection coefficient according to glucose concentration and a dielectric constant according to a frequency change in the object under measurement.
제 12 항에 있어서,
상기 유전상수는 상기 피측정 객체 내의 전기 에너지와 상기 전기 에너지의 손실의 결합에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 방법.
The method of claim 12,
And said dielectric constant is determined by a combination of electrical energy in said object under test and a loss of said electrical energy.
제 10 항에 있어서,
상기 센서는 비-침습적으로 상기 피측정 객체를 검사하는 것을 특징으로 하는 혈당 측정 방법.
11. The method of claim 10,
Wherein said sensor inspects said object under measurement non-invasively.
제 10 항에 있어서,
상기 전자계 에너지 및 전파는 상기 피측정 객체와의 상호작용을 고려하여 설정된 마이크로파인 것을 특징으로 하는 혈당 측정 방법.
11. The method of claim 10,
The electromagnetic field energy and propagation of the blood glucose measurement method, characterized in that the microwave set in consideration of the interaction with the object to be measured.
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