KR101504841B1 - 생체 전기를 이용한 바이오마커 측정 방법 및 장치 - Google Patents

생체 전기를 이용한 바이오마커 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

바이오마커를 측정하는 장치 및 방법을 제공한다. 바이오마커를 측정하는 장치는 접촉 면적 계산부를 통해 전극의 접촉 면적을 계산하고, 단면적 계산부를 통해 상기 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적을 계산하고, 이온 농도 보정부를 통해 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용하여, 생체 전류로 측정되는 생체 내 이온의 농도를 보정하며 측정부를 통해 상기 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정하도록 구성될 수 있다.

Description

생체 전기를 이용한 바이오마커 측정 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING BIOMARKER USING BIO-ELECTRICITY}
바이오마커 측정 방법 및 장치를 제공한다. 보사 상세하게는 생체 전기를 이용하는 바이오마커 측정에 있어서 반복성과 정확성을 확보하기 위한 방법을 제공한다.
최근에 의학은 단순하게 수명을 연장하는 것이 아니라, 건강 수명의 연장을 실현하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 치료의학 중심이 아니라, 예방 의학, 예측 의학 또는 맞춤 의학이 중요해지고 있다. 이를 실현하기 위하여 조기 발견, 조기 치료 등을 위한 수단으로서 바이오마커에 대한 연구가 매우 활발하게 이루어지고 있다.
바이오마커란 질병이나 건강 상태, 상리 상태 등을 나타내 줄 수 있는 생체 물질을 의미한다. 바이오마커는 스크리닝, 진단, 질병의 추적, 약물 효과의 모니터링, 예후 추정 등이 이용될 수 있다.
이러한 바이오 마커를 측정하기 위해 생체 전기를 통한 생체 임피던스를 이용할 수 있다. 전기를 통해 생체의 임피던스를 측정하고, 측정된 생체 임피던스를 분석하여 사람의 건강 상태를 진단하는 방법이 개발되고 있다. 이와 같은 생체 임피던스 분석(BIA: Bio-Impedance Analysis)은 비침습적 진단 방법의 하나이다.
생체 임피던스 분석은 정상 조직과 염증성 조직 및 종양과 같은 비정상 조직의 임피던스 값 차이를 이용한다. 또한, 염증성 조직 중 급성 염증과 만성 염증의 임피던스 값이 다르며, 종양 조직 중 양성과 악성의 임피던스 값이 다르다. 이와 같이 생체 조직의 상태에 따라 임피던스 값이 다르므로 이를 이용하여 사람의 건강 상태를 진단한다.
일측에 따르면, 전극의 접촉 면적을 계산하는 접촉 면적 계산부, 상기 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적을 계산하는 단면적 계산부, 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용하여, 생체 전류로 측정되는 생체 내 이온의 농도를 보정하는 이온 농도 보정부 및 상기 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정하는 측정부를 포함하는 바이오마커 측정 장치를 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 전극은 탄력성 있는 스트랩 형태의 고무 전극일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 접촉 면적 계산부는, 상기 전극의 너비 및 상기 전극이 상기 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 상기 접촉 면적을 계산할 수 있다.
또한, 상기 생체 일부와 접촉되는 길이는, 상기 전극의 전도 특성과 상기 생체 전류 인가 결과 측정된 전류 값 및 측정된 전압 값을 이용하여 계측될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 단면적 계산부는, 상기 전극과 상기 생체 일부가 접촉되는 길이 및 미리 정의된 생체 일부의 두께 비율을 이용하여 계산할 수 있다.
또한, 상기 생체 일부의 두께 비율은, 상기 생체 일부의 단축과 장축의 길이의 비일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 이온 농도 보정부는, 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 변수로 포함하는 보정함수를 이용하여 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도를 보정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 보정 함수는 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적 차이에 기초하여 설정되며, 상기 보정된 생체 내 이온 농도는 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도가 상기 접촉 면적이 증가함에 따라 제1 수치로 수렴하는 이온의 농도일 수 있다.
다른 일측에 따르면, 전극의 접촉 면적을 계산하는 단계, 상기 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적을 계산하는 단계, 상기 계산된 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용해서, 생체 전류로 측정되는 생체 내 이온의 농도를 보정하는 단계 및 상기 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정하는 단계를 포함하는 바이오마커 측정 방법을 제공한다.
일실시예에 따르면, 상기 접촉 면적을 계산하는 단계는, 상기 전극의 너비 및 상기 전극이 상기 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 상기 접촉 면적을 계산할 수 있다.
또한, 상기 사용자와 접촉되는 길이는, 상기 전극의 전도 특성과 상기 생체 전류 인가 결과 측정된 전류 값 및 측정된 전압 값을 이용하여 계측될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 단면적을 계산하는 단계는, 상기 전극과 상기 생체 일부와 접촉되는 길이 및 미리 정의된 생체 일부의 두께 비율을 이용하여 계산할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 보정하는 단계는, 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 변수로 포함하는 보정함수를 이용하여 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도를 보정할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 보정 함수는 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적 차이에 기초하여 설정되며, 상기 보정된 생체 내 이온 농도는 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도가 상기 접촉 면적이 증가함에 따라 제1 수치로 수렴하는 이온의 농도일 수 있다.
또 다른 일측에 따르면, 바이오마커 측정 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
도 1은 일실시예에 따른 바이오마커 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따른 스트랩 형태의 전극이 손목에 감겨져 있는 경우를 도시한다.
도 3은 일실시예에 따른 생체 일부의 단면적을 도시한다.
도 4는 일실시예에 따른 접촉 면적과 이온 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 접촉 면적이 증가하는 실험 설계를 한 경우를 도시한다.
도 6은 일실시예에 따른 접촉 면적 변화에 따른 각 이온의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 일실시예에 따른 직류 전압 및 시간에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 일실시예에 따른 코트렐 식(Cottrell equation)을 이용하여 전압의 인가에 따른 전류를 나타내는 그래프이다.
도 9는 일실시예에 따른 바이오마커 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하에서, 본 발명의 일부 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 바이오마커 측정 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
바이오마커 측정 장치(100)는 접촉 면적 계산부(110), 단면적 계산부(120), 이온 농도 보정부(130) 및 측정부(140)를 포함할 수 있다. 바이오마커 측정 장치(100)는 비침습적인 미약전기(1 V 내외, 1mA 이내)를 생체에 인가하여, 생체의 건강 상태를 모니터링 하고, 이를 통해 바이오마커를 측정할 수 있다. 생체 임피던스 분석 방법에 있어서 측정의 반복성과 정확성이 담보 되어야 한다.
측정되는 사람 마다 손목과 발목의 굵기가 서로 달라, 손(발) 또는 손목(발목) 부위 피부에 접촉하는 전극의 면적과 손목(발목)의 상대적 크기가 개인마다 편차가 있다. 상기와 같은 이유로 측정의 반복성과 정확성이 보장되지 않는다.
접촉 면적 계산부(110)는 생체에 전압을 인가하는 전극의 접촉 면적을 계산할 수 있다. 전극은 생체의 일부에 부착될 수 있고, 보다 특정하게는 양쪽 손목, 발목 및 이마에 부착하고, 상기 6 부위의 전극들 중 2 개의 쌍전극을 선택하고, 쌍 전극 중 하나의 전극에 양전위를 유지하고 나머지 전극을 기준 준위로 선택 할 수 있다. 또한, 양전극과 기준 전극을 바꿔가며 측정할 수 있다.
상기 전극은 탄력성 있는 스트랩 형태의 고무 전극일 수 있다. 이를 통해 측정되는 생체에 전극이 밀착할 수 있다. 따라서, 상기 전극을 통해 접촉 면적을 계산할 수 있다.
접촉 면적 계산부(110)는 전극의 피부 접촉 부위의 센싱을 통한 전극 접촉 면적(Ae)을 계산할 수 있다. 상기 전극의 너비 및 상기 전극이 상기 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 상기 접촉 면적(Ae)을 계산할 수 있다.
상기 생체 일부와 접촉되는 길이는, 전극의 전도 특성과 생체 전류 인가 결과 측정된 전류 값 및 측정된 전압 값을 이용하여 계측될 수 있다. 상기 접촉 면적(Ae)를 계산하는 구체적인 방법에 대해서는 도 2에서 후술한다.
단면적 계산부(120)는 상기 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적(Aw)을 계산할 수 있다. 단면적 계산부(120)는 전극과 생체 일부가 접촉되는 길이 및 미리 정의된 생체 일부의 두께 비율을 이용하여 생체 일부의 단면적(Aw)을 계산할 수 있다.
상기 전극과 생체 일부가 접촉되는 길이는 접촉 면적 계산부(110)와 마찬가지로 구해질 수 있다. 미리 정의된 생체 비율은 피험자들의 평균 생체 일부의 두께 비율로 설정될 수 있고, 두께 비율은 상기 생체 일부의 단축과 장축의 길이의 비일 수 있다.
상기 단면적 계산부(120)를 통해 생체 일부의 단면적(Aw)을 계산하는 구체적인 방법에 대해서는 도 3에서 후술한다.
이온 농도 보정부(130)는 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용하여 생체 전류로 측정되는 이온의 농도를 보정할 수 있다. 일반적으로 생체 일부의 단면적(Aw)에 비해 전극의 접촉 면적(Ae)이 작은 경우 측정되는 이온의 농도가 측정 시마다 정확성이 담보되지 않을 수 있다.
또한, 생체 일부의 단면적(Aw)에 비해 전극의 접촉 면적(Ae)이 크더라도 차이가 일정 범위 이내로 크지 않을 경우에는 역시 측정되는 이온의 농도가 측정 시 마다 변화할 수 있어 정확성이 담보되지 않을 수 있다.
다만, 생체 일부의 단면적(Aw)에 비해 전극의 접촉 면적(Ae)이 크고, 그 차이가 증가함에 따라 상기 측정된 이온의 농도는 제1 수렴치로 수렴할 수 있다.
예컨데, 생체 일부의 단면적(Aw)에 비해 전극의 접촉 면적(Ae)가 실제로는 차이가 크지 않으나, 전극의 접촉 면적(Ae)을 증가시켜 가며 이온의 농도 변화 경향을 측정해 보면 제1 수렴치로 수렴하게 됨을 알 수 있다.
따라서, 측정되는 이온의 농도의 정확성을 담보하기 위해서는 측정되는 이온의 농도를 상기 제1 수렴치의 이온 농도의 값으로 보정할 필요가 있다. 상술한 바와 같이 측정되는 이온의 농도를 보정하여 제1 수렴치로 수렴하는 이온의 농도로의 보정을 통해 측정이 반복되더라도 일정한 값을 이용할 수 있어 정확성이 담보될 수 있다.
이온 농도의 보정부(130)는 계산된 접촉 면적(Ae)과 생체 일부의 단면적(Aw)을 변수로 포함하는 보정함수를 이용하여 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도를 보정할 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 수렴치로 수렴하는 이온의 농도는 접촉 면적(Ae)과 생체 일부의 단면적(Aw)의 차이에 따라 영향을 받기 때문에 상기 접촉 면적(Ae)과 생체 일부의 단면적(Aw)을 변수로 포함하는 보정 함수를 적용할 수 있다.
상기 측정 이온농도를 보정하는 구체적인 방법에 대해서는 도 4에서 후술한다.
측정부(140)는 상기 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정할 수 있다. 측정된 이온 농도를 보정하지 않고 그대로 이용하는 경우에는 측정이 반복될 때마다 측정되는 이온 농도의 값이 변하게 되기 때문에, 이를 이용한 바이오마커 측정 역시 측정시 마다 값이 변할 수 있다.
따라서, 정확한 바이오마커의 측정을 위해 측정된 이온농도를 보정 함수를 통해 보정한 보정된 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정할 수 있다. 보정된 이온 농도를 이용하여 바이오마커를 측정하는 구체적인 방법에 대해서는 도 7및 도 8에서 후술한다.
바이오마커 측정 장치(100)는 상술한 바와 같이 바이오마커를 측정하고 측정된 바이오마커들의 농도를 종합하여 환자의 건강 정보를 획득할 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 스트랩 형태의 전극이 손목에 감겨져 있는 경우를 도시한다.
측정되는 사람 마다 손목과 발목의 굵기가 서로 달라, 손(발) 또는 손목(발목) 부위 피부에 접촉하는 전극의 면적과 손목(발목)의 상대적 크기가 개인마다 편차가 있다. 상기와 같은 이유로 측정의 반복성과 정확성이 보장되지 않는다.
따라서 도 2에서 도시된 바와 같이 스트랩 형태의 고무 전극을 이용할 수 있다. 이 경우 측정되는 생체에 전극이 밀착할 수 있다. 이를 통해, 상기 전극을 통해 접촉 면적을 계산할 수 있다.
상기 접촉 면적은 밴드 너비(W) 및 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 접촉 면적 계산부(110)에 의해 계산될 수 있다. 밴드 너비(W)는 전극의 너비로 쉽게 측정할 수 있다.
생체 일부와 접촉되는 길이(Le)는 전극의 전도 특성과 상기 생체 전류 인가 결과 측정된 전류 값 및 측정된 전압 값의 관계는 수학식 1과 같다.
Figure 112013113484054-pat00001
여기에서 Vif는 전극의 시작점과 끝점 사이의 전압 일 수 있다. Iif는 전극에 흐르는 전류일 수 있다. 또한 σ는 전극의 단위 길이당 저항으로서 전극의 전도 특성에 해당한다. 전극을 통해 생체 전류가 인가되므로 이를 통해 Vif 및 Iif를 측정할 수 있다. 수학식 1을 통해 생체 일부와 접촉되는 길이(Le)를 구해보면 수학식 2와 같다.
Figure 112013113484054-pat00002
수학식 2를 통해 구한 생체 일부와 접촉되는 길이(Le)와 전극의 너비(W)를 통해 전극의 접촉 면적(Ae)는 수학식 3과 같이 구할 수 있다.
Figure 112013113484054-pat00003
접촉 면적 계산부(110)는 상술한 방식으로 전극의 접촉 면적(Ae)을 계산할 수 있다. 다만 이는 일 예일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3은 일실시예에 따른 생체 일부의 단면적을 도시한다.
도 3을 참조하면, 생체 일부의 단면적(Aw)에 대해 단축(La) 및 장축(Lb)을 표시할 수 있다. 일반적으로 생체 전류를 이용하여 임피던스를 측정하는 부분인 손목 또는 발목의 경우 타원형일 수 있다. 따라서, 이러한 점을 고려하여 생체 일부의 단면적을 단축(La) 및 장축(Lb)를 고려하여 계산할 수 있다.
따라서, 생체 일부의 단면적(Aw)은 단축(La) 및 장축(Lb)의 함수로 표시할 수 있고, 생체 일부의 단면적(Aw)는 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013113484054-pat00004
또한, 생체 일부의 단축(La) 및 장축(Lb)을 이용하지 않더라도, 생체 일부의 단축(La) 및 장축(Lb)의 길이의 비(η) 및 도 2에서 계측한 생체 일부와 접촉되는 길이(Le)를 이용하여 생체 일부의 단면적(Aw)을 구할 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이 전극이 측정되는 생체 일부에 밀착되어 감겨지 있기 때문에 생체 일부와 접촉되는 길이(Le)를 생체 일부의 둘레의 길이로 가정할 수 있다. 따라서, 생체 일부의 단축(La) 및 장축(Lb)의 길이의 비(η=La/Lb) 및 도 2에서 계측한 생체 일부와 접촉되는 길이(Le)를 이용하여 수학식 5와 같이 생체 일부의 단면적(Aw)를 구할 수 있다.
Figure 112013113484054-pat00005
단면적 계산부(120)는 상술한 방식으로 생체 일부의 단면적(Aw)을 계산할 수 있다. 다만 이는 일 예일 뿐이며 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 일실시예에 따른 접촉 면적과 이온 농도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면 생체 일부의 단면적(Aw)에 비해 전극의 접촉 면적(Ae)이 크고 그 차이가 증가할수록 이온의 농도는 제1 수치(Cf)로 수렴함을 알 수 있다. 생체 전류를 이용하여 이온 농도를 측정하는 경우, 전극의 접촉 면적(Ae), 시간 및 시간에 따른 전류에 의해 코트렐 식인 수학식 6을 통해 이온의 농도가 측정될 수 있다.
Figure 112013113484054-pat00006
여기에서 n은 전자의 수이고, F는 패러데이 상수이고, A는 전극의 접촉 면적(Ae)이며, D는 확산 계수이다. 또한 i는 t에 따라 변화하는 값으로서 t가 정해져 있을 경우 일정한 값일 수 있다. 이를 고려하여 측정 이온 농도를 A값의 변화를 통해 측정해보면 도 4와 같은 경향이 나옴을 알 수 있다.
이를 통해 전극의 접촉 면적(Ae)가 생체 일부의 단면적(Aw)보다 크고 그 차이가 커질수록 제1 수렴 수치(Cf)로 수렴됨을 알 수 있다. 따라서, 실제 측정에 있어서 전극의 접촉 면적(Ae) 및 생체 일부의 단면적(Aw)은 개인마다 정해져 있고, 일반적으로 전극의 접촉 면적(Ae) 및 생체 일부의 단면적(Aw)의 관계를 통해서는 측정되는 이온의 농도가 제1 수렴 수치(Cf)로 수렴하지 않을 수 있다.
따라서, 반복되는 측정에 있어 정확성을 담보하기 위해서는 측정되는 이온의 농도를 제1 수렴 수치(Cf)가 되도록 보정할 필요가 있다. 이온 농도 보정부(130)는 측정되는 이온 농도를 보정 함수를 통해 보정하여 제1 수렴 수치(Cf)가 되도록 보정할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 전극의 접촉 면적(Ae)가 생체 일부의 단면적(Aw)보다 크고 그 차이가 커질수록 이온의 농도가 제1 수렴 수치(Cf)로 수렴하는 점을 고려하여 전극의 접촉 면적(Ae) 및 생체 일부의 단면적(Aw)을 변수로 포함하도록 보정 함수를 설정할 수 있다.
여기에서 보정 함수 F(Ae, Aw)난 수학식 7과 같은 1차 근사 식으로 설정할 수 있다.
Figure 112013113484054-pat00007
여기에서 a, b는 비례 상수이고, α, β는 지수함수를 나타내는 지수, θ는 계단 함수(step function)이다.
상기와 같은 보정 함수를 이용하여 이온 농도 보정부(130)는 측정되는 이온의 농도를 보정할 수 있고, 이를 통해 보정된 이온 농도는 제1 수렴 수치(Cf)일 수 있다. 따라서, 일정한 보정된 이온 농도를 통해 측정부(140)가 바이오마커를 측정하기 때문에 반복되는 측정 시마다 정확성을 담보할 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 접촉 면적이 증가하는 실험 설계를 한 경우를 도시한다.
도 5를 참조하면, 단계(510)에서부터 단계(550)으로 증가함에 따라 전극의 접촉 면적(Ae)이 증가하게 됨을 알 수 있다. 도 5에서는 생체 일부의 단면적(Aw)를 고정한 상태에서 전극의 접촉 면적(Ae)을 증가시키고, 이에 따라 각각의 이온에 따른 이온 농도를 측정하도록 실험 설계를 한 경우 이다.
구체적으로 단계(510)은 단면적을 1πcm2으로, 단계(520)은 단면적을 3π cm2으로, 단계(530)은 단면적을 4π cm2으로 단계(540)은 단면적을 7π cm2으로, 단계(550)은 단면적을 11π cm2으로 설정한 경우이다.
상기와 같은 전극에 계단 함수형 전압을 인가하고 이를 통해 각각의 이온 종류 별로 변화하는 이온의 농도를 측정하였다. 각각의 이온 농도에 대한 결과는 도 6에서 후술한다.
이를 통해, 전극의 접촉 면적(Ae) 증가에 따라 이온 농도가 일정 수치로 수렴해 가는 결과를 확인할 수 있다.
도 6은 일실시예에 따른 접촉 면적 변화에 따른 각 이온의 농도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6의 그래프들의 x 축은 전극의 접촉 면적(Ae)이고, y 축은 각 이온의 농도를 나타낸다. 도 6의 그래프들 전체에서 나타나는 공통적인 특징은 접촉 면적이 증가할수록 일정한 수치로 수렴해 간다는 것이다. 일정한 값으로 수렴해 가기 이전에는 그 경향성이 각 이온 종류마다 다르다. 또한, 일정한 수치로 수렴해 가는 시점 또한 각 이온 종류 마다 다르다.
하지만, 상술한 바와 같이 접촉 면적이 증가할수록 이온의 농도가 일정해지는 결과가 나옴을 알 수 있다. 특히 단계(530)의 단면적을 4π cm2 이상의 전극의 접촉 면적(Ae)에서는 각 종류별 이온 농도의 수치가 접촉 면적의 변화에도 불구하고 일정한 수치가 반복성 있게 나타난다.
이를 고려하여 판단해보면 이온 농도 측정에 있어서 반복성 있는 결과를 얻기 위해서는 전극의 접촉 면적(Ae)이 생체 일부의 단면적(Aw)보다 커야함을 알 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 직류 전압 및 시간에 따른 전류의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 바이오마커 측정을 위하여 직류 전압을 인가한 경우의 전류 변화를 나타낸 그래프이다. 그래프(710)은 계단 함수 형태의 직류 전압을 인가한 것을 나타낸다. 그래프(720)은 직류 전압 인가에 따라 시간에 따라 변화하는 전류를 나타낸다.
그래프(720)에서 IFar는 코트렐 식을 따르는 패러데이 전류(Faradaic Current)를 나타내고, Icap은 일정하게 적용되는 전압에 대해 급격히(exponentially) 감소하는 용량형 전류(Capacitive Current)를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 인셋 시간(Inset Time) 직후 전류는 용량형 전류와 패러데이 전류의 합일 수 있다. 다만, 그래프(720)을 참고하면 일정 시간(t_F) 이후의 전류는 용량형 전류가 급격히 감소하기 때문에 패러데이 전류만 남게 되어 패러데이 전류로 볼 수 있다.
이를 이용하여 코트렐 식, 콜-콜 식(Cole-Cole equation) 또는 하나이 식(Hanai equation)등의 크로노암페로메트리(chronoamperometry) 방식을 적용하여 바이오마커를 측정할 수 있다.
예컨데, 각 전류 채널 별로 산출된 이온 농도를 이용하여 인체 구간별 대표 이온들의 농도를 계산할 수 있다. 상기 계산된 이온 농도들 중 건강 정보를 나타내는 대표 바이오마커들을 정밀 계산하는 알고리즘을 통해 바이오마커를 측정할 수 있다.
상기와 같이 측정된 바이오마커들 농도를 종합하여 환자의 건강 정보를 획득할 수 있다.
도 8은 일실시예에 따른 코트렐 식(Cottrell equation)을 이용하여 전압의 인가에 따른 전류를 나타내는 그래프이다.
도 8은 측정된 전류 감쇠 특성으로부터 바이오마커를 측정하기 위해 전압이 인가된 그래프(810) 및 상기 인가된 전압에 의해 시간에 따라 변화하는 전류의 그래프(820)를 나타낸다.
전압이 인가되면 음극에서 환원 반응을 통해 이온 농도 감소감사가 발생하고, 이는 곧 전류의 감소로 이어질 수 있다.
예를 들어, 특정 이온이 포함된 용액에 평면 전극을 접촉하여 싱글 포텐셜 스텝(single potential step)이나 그래프(810)과 같이 더블 포텐셜 스텝(double potential step)으로 전압을 인가할 수 있다. 상기 인가된 전압에 따라 그래프(820)과 같이 t-1/2의 관계를 가지는 전류가 코트렐 식으로부터 수학식 8과 같이 유도될 수 있다.
Figure 112013113484054-pat00008
다만, 코트렐 식을 적용하기 위해서는 전극의 접촉 면적(Ae)이 생체의 단면적(Aw)보다 커야 한다. 수학식 8로부터 유도된 전류를 통해 바이오마커를 측정하고 이를 이용하여 사용자의 건강 정보를 획득할 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 바이오마커 측정 방법을 나타내는 흐름도이다.
단계(910)에서 전극의 접촉 면적을 계산할 수 있다. 접촉 면적 계산부(110)는 전극의 피부 접촉 부위의 센싱을 통한 전극 접촉 면적을 계산할 수 있다. 상기 전극의 너비 및 상기 전극이 상기 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 상기 접촉 면적을 계산할 수 있다.
접촉 면적 계산부(110)를 통해 전극의 접촉 면적을 계산하는 구체적인 방법에 대해서는 도 2에서 설명한 바와 같다.
단계(920)에서 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적을 계산할 수 있다. 단면적 계산부(120)는 전극과 생체 일부가 접촉되는 길이 및 미리 정의된 생체 일부의 두께 비율을 이용하여 생체 일부의 단면적을 계산할 수 있다.
단면적 계산부(120)를 통해 생체 일부의 단면적을 계산하는 구체적인 방법에 대해서는 도 3에서 상술한 바와 같다.
단계(930)에서 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용해서, 측정되는 생체 내 이온의 농도를 보정할 수 있다. 일반적으로 전극의 접촉 면적과 생체 일부의 단면적의 차이가 이온의 농도가 제1 수렴 수치로 수렴될 정도로 크지 않다. 따라서, 측정되는 생체 이온의 농도는 측정 시마다 수치가 달라 져 반복적인 측정에 있어서의 정확성이 담보되지 않는다.
따라서, 보정함수를 통해 측정되는 이온 농도를 제1 수렴 수치로 보정할 수 있다. 상기와 같이 보정할 경우 일정한 보정된 이온 농도를 통해 바이오마커를 측정할 수 있으므로, 반복적인 측정에 있어서도 정확성이 담보될 수 있다. 또한, 이온의 농도가 수렴되는 제1 수렴 수치는 개인마다 각각 차이가 있기 때문에, 개인의 건강 상태를 측정하는데 이용될 수 있다.
단계(940)에서 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정할 수 있다. 측정된 바이오마커를 통해 사용자의 건강 정보를 획득할 수 있다. 바이오마커를 계산하는 구체적인 방법에 대해서는 도 7 및 도 8에서 상술한 바와 같다.
또한, 생체 전기 분석 재현성을 위한 일반적 선결 조건은 다음과 같다. 생체 전기 전도 특성을 이용한 인체 이온 농도에 영향을 주는 인자를 고려해 볼 수 있다. 예를 들어, 설사, 구토, 열이 심한 경우, 과음, 약물치료 및 촉진제를 12시간 이내에 복용 후 검사한 경우, 모든 종류의 출혈 증상, 아주 신음식과 다이어트를 위한 고단백 식품을 섭취한 경우, 단식 및 고비만, 격한 운동 후 8시간이 경과하지 않은 경우, 최근 심한 정신적 충격을 받은 경우, 항생제, 항응고제, 혈압강하제, 이뇨제, 우울증 치료제 등의 의약 처방을 받은 경우에는 상기와 같은 방법을 통해 이온의 농도를 측정하여도 정확한 측정 결과가 나오지 않을 수 있다.
또한, 생체 전기 전도 특성을 이용한 인체 이온 농도 측정 시 다음과 같은 점을 주의해야 한다. 전도 특성은 인체의 수분량이 비교적 민감하게 반응하며, 측정 전 운동(8 시간), 샤워, 음식물과 대량 물 섭취(6 시간), 음주(24 시간)를 금지해야 하며, 가급적 공복(식후 2시간 후 측정), 오전(오후에는 수분이 하체에 더 몰림), 상온에서 측정 및 대소변 후 측정해야 하며, 여성이 생리 중일 때는 측정이 부정확할 수 있다. 또한, 측정 시 팔이 몸통에 닿지 않게 유지해야 하며 다리가 서로 붙지 않게 유지해야 하고, 남/녀를 정확히 입력해야 정확한 측정을 기대할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 전극의 접촉 면적을 계산하는 접촉 면적 계산부;
    상기 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적을 계산하는 단면적 계산부;
    계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용하여, 생체 전류로 측정되는 생체 내 이온의 농도를 보정하는 이온 농도 보정부; 및
    상기 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정하는 측정부
    를 포함하는 바이오마커 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 탄력성 있는 스트랩 형태의 고무 전극인, 바이오마커 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접촉 면적 계산부는, 상기 전극의 너비 및 상기 전극이 상기 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 상기 접촉 면적을 계산하는, 바이오마커 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 생체 일부와 접촉되는 길이는, 상기 전극의 전도 특성과 상기 생체 전류 인가 결과 측정된 전류 값 및 측정된 전압 값을 이용하여 계측되는, 바이오마커 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단면적 계산부는, 상기 전극과 상기 생체 일부가 접촉되는 길이 및 미리 정의된 생체 일부의 두께 비율을 이용하여 계산하는, 바이오마커 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 생체 일부의 두께 비율은, 상기 생체 일부의 단축과 장축의 길이의 비인, 바이오마커 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이온 농도 보정부는, 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 변수로 포함하는 보정함수를 이용하여 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도를 보정하는, 바이오마커 측정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보정 함수는 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적 차이에 기초하여 설정되며,
    상기 보정된 생체 내 이온 농도는 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도가 상기 접촉 면적이 증가함에 따라 제1 수치로 수렴하는 이온의 농도인, 바이오마커 측정 장치.
  9. 전극의 접촉 면적을 계산하는 단계;
    상기 전극에 의해 감겨진 생체 일부의 단면적을 계산하는 단계;
    상기 계산된 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 이용해서, 생체 전류로 측정되는 생체 내 이온의 농도를 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 생체 내 이온 농도에 기초하여 바이오마커를 측정하는 단계
    를 포함하는 바이오마커 측정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접촉 면적을 계산하는 단계는, 상기 전극의 너비 및 상기 전극이 상기 생체 일부와 접촉되는 길이를 이용하여 상기 접촉 면적을 계산하는, 바이오마커 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 생체 일부와 접촉되는 길이는, 상기 전극의 전도 특성과 상기 생체 전류 인가 결과 측정된 전류 값 및 측정된 전압 값을 이용하여 계측되는, 바이오마커 측정 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 단면적을 계산하는 단계는, 상기 전극과 상기 생체 일부와 접촉되는 길이 및 미리 정의된 생체 일부의 두께 비율을 이용하여 계산하는, 바이오마커 측정 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는, 계산된 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적을 변수로 포함하는 보정함수를 이용하여 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도를 보정하는, 바이오마커 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보정 함수는 상기 접촉 면적과 상기 생체 일부의 단면적 차이에 기초하여 설정되며,
    상기 보정된 생체 내 이온 농도는 상기 생체 전류로 측정되는 상기 생체 내 이온의 농도가 상기 접촉 면적이 증가함에 따라 제1 수치로 수렴하는 이온의 농도인, 바이오마커 측정 방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
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