KR101792584B1 - Apparatus and method of Homodyne-based multi-channel body composition analyzing - Google Patents

Abstract

The present invention relates to a homodyne-based body composition analyzing apparatus and a method thereof. The purpose of the present invention is to provide a method for showing highly accurately and quantitatively whether a weight change is being performed in a normal manner, and to implement a multichannel body composition analyzing apparatus and a method thereof, by using homodyne technology capable of replacing the existing complex and bulky optical spectroscopy and imaging system with a low powered apparatus, and realizing a miniaturization thereof. To achieve the purpose, the homodyne-based body composition analyzing apparatus comprises: a signal generator which is controlled by a signal processor to generate a signal having a frequency; a signal distributor in which the signal generated in the signal generator is distributed to a reference signal and a modulated signal; a multi-wavelength laser diode light source in which a modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driver circuit; a light receiving apparatus in which an optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a sample through an optical fiber, repeatedly absorbed and scattered within a biological tissue, more specifically, adipocyte, then entered and converted to an electric signal; and a signal magnitude and phase measuring apparatus in which the reference signal distributed through the signal distributor is compared with an output signal of a second amplifier, wherein a measuring probe is formed to include an optical fiber, a light receiving apparatus, and an internal amplifier.

Description

호모다인 기반 다채널 체성분 분석 장치 및 방법{Apparatus and method of Homodyne-based multi-channel body composition analyzing}[0001] The present invention relates to a homodyne-based multi-channel body composition analyzing apparatus and method,

본 발명은 체성분 분석 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 분석 대상 신체 부위에 광을 조사하여 검출되는 광신호의 흡수도와 산란도를 분석 하여 신체 부위의 체성분 및 체지방의 신진대사를 정량적으로 분석하여 객관적이고 과학적인 체중감량 방향 지표를 제시할 수 있는 호모다인 기술 기반 다채널 체성분 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for analyzing body composition, and more particularly, to a system and method for analyzing body composition and a method for quantitatively measuring body composition and body fat metabolism by analyzing absorption and scattering of a detected light signal Channel body composition analyzing apparatus and method capable of presenting an objective and scientific weight loss direction indicator.

일반적으로 여러 다양한 유산소 운동을 통해 일정기간 체중감량을 위한 노력을 했음에도 불구하고, 체중의 감소가 아주 적거나 혹은 피하지방의 두께를 측정한다 할지라도 두께의 변화가 거의 없게 된다. 이로 인해, 대부분의 비만 환자는 체중감량을 위한 운동을 포기하거나 혹은 비정상적인 다이어트 방법의 시도로 체내지방을 태우기보다는 일시적인 체내 수분이나, 근육량이 줄어드는 부작용으로 심각한 요요현상을 겪는 등 여러 사회적 문제를 야기하기도 한다. 일반적으로 비만환자(또는 과체중 환자)의 경우 적절한 체중감량 지표를 이용함으로써 체중감량에 보다 효과적인 운동 방식이나 식단을 정하는데 도움을 얻을 수 있다. In general, despite various efforts to reduce body weight through a variety of aerobic exercise for a certain period of time, there is little change in thickness even if weight loss is negligible or if subcutaneous fat thickness is measured. Because of this, most obesity patients cause various social problems, such as abandoning exercise for weight loss or attempting abnormal dieting methods, rather than burning fat in the body, and experiencing a serious yo-yo phenomenon due to temporary body moisture, do. In general, for obese patients (or overweight patients), by using an appropriate weight loss indicator, they can help determine a more effective mode of exercise or diet for weight loss.

종래의 체성분 분석 방식을 살펴보며, 체중 측정하여 키와의 관계를 이용하여 신체질량지수(BMI; Body Mass Index)를 보여주는 방법, 스킨폴드 캘리퍼(skinfold calipers)를 사용하여 피하지방의 두께를 직접 측정하여 체지방율을 보여주는 방법, 체수분량을 측정하고 이를 기반으로 단백질 및 무기질의 양을 추정한 후 인체의 수분 : 단백질 : 무기질 : 체지방의 비례관계를 이용해 간접적으로 체지방량을 추정하는 생체 전기 저항 분석법 등이 병원, 건강진단센터, 각종 비만 클리닉 센터에서 가장 보편적으로 사용되고 있다. 하지만 상기 언급된 체성분 분석 방법들은 체중이 감소한 원인이 인체 내의 수분에 의한 변화인지 아니면 지방세포의 크기 감소에 의한 변화인지 여부를 판단할 수 없기 때문에 적절한 체중감량 지표를 제시하고 있다고 할 수 없다. 즉, 비만환자(또는 과체중 환자)가 체중감량을 시도할 경우 상기 언급된 체중감량 방향지표 중 하나의 방식을 적절히 이용함으로써 운동을 포기하거나 혹은 비정상적인 식이요법의 시도로 인해 체내 지방감소대신 일시적인 체내 수분이나 근육량 감소가 가져오는 부작용에 따른 심각한 요요 현상을 겪지 않도록 도움을 받을 수 있어야 하지만, 스킨폴드 캘리퍼는 측정하는 사람에 따라 오차가 심하며, 생체 전기 저항 분석법은 체수분의 양을 측정하여 체성분을 간접적으로 표시하여 주고 있기 때문에, 체중 측정 방식과 더불어 운동으로 인해 발생한 체중 변화가 인체 내의 수분에 의한 변화인지 아니면 지방을 태워서 발생한 변화인지 여부를 판단할 수 없기 때문에 종래의 기술은 올바른 체중감량 방향지표로서 한계를 가지고 있다고 할 수 있다.A method of showing the body mass index (BMI) using the relationship between the body weight and the key, and skinfold calipers to directly measure the thickness of the subcutaneous fat. The method of measuring the body fat percentage, estimating the amount of protein and minerals based on the body water content, and measuring the body fat mass indirectly by using the proportional relation of the body water: protein: mineral: , A medical examination center, and various obesity clinic centers. However, the above-mentioned body composition analysis methods do not suggest an appropriate weight loss index because it is impossible to determine whether the cause of the decrease in body weight is a change due to moisture in the human body or a change in size of adipocytes. That is, when an obese patient (or an overweight patient) attempts to lose weight, one of the above-mentioned weight loss direction indexes is appropriately used to abandon exercise, or an attempt of an abnormal dietary therapy, Or muscle mass loss. However, the skin fold caliper has a large error rate depending on the person to be measured. The bioelectrical resistance analysis method measures the amount of body water indirectly It is impossible to judge whether the weight change caused by exercise is a change due to moisture in the human body or a change caused by burning fat. Therefore, .

본 발명은 종래 기술의 한계를 극복하고자 가시광선과 근적외선 대역을 이용하여 신체 부위에 광을 조사하여 검출되는 광신호의 흡수도와 산란도를 분석 하여 신체 부위의 체성분 및 체지방의 신진대사를 직접적이며 정량적으로 분석함으로써, 객관적이고 과학적인 체중감량 방향 지표를 제시할 수 있는 다채널 체성분 분석 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히 체성분 분석 시스템의 저전력 및 소형화 구현을 위해 호모다인 기술이 적용하였고, 측정 효율성 및 정확성을 증대시키기 위해 FP (Fabry-Perot), VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) and DFB (Distributed Feedback) 형태의 레이저 다이오드 다이(Die)를 다수의 다파장을 방출할 수 있도록 패키징하거나, OSA (Optical Sub-Assembly) 구조로 TO 형태의 단일 파장 레이저 다이오드를 빔합성기 형태로 패키징하여, 다파장 방출할 수 광원을 적용하였다. In order to overcome the limitations of the prior art, the present invention analyzes the absorption and scattering degree of the optical signal detected by irradiating light to the body region using visible light and near infrared light band to directly and quantitatively measure the body composition and body fat metabolism Channel body composition analyzing apparatus and method capable of presenting an objective and scientific weight loss direction indicator. In particular, homodyne technology was applied to achieve low power and compactness of body composition analysis system. In order to increase measurement efficiency and accuracy, FP (Fabry-Perot), VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) and DFB The diode die can be packaged to emit multiple wavelengths, or a TOA-type single-wavelength laser diode is packaged as a beam synthesizer in an OSA (Optical Sub-Assembly) structure to emit multi-wavelength light. Respectively.

일반적으로 빛을 통하여 생체조직을 비절개식으로 영상화 및 진단하는 기술이 지속적으로 발달되고 있고, 빛을 이용한 영상화 및 진단하는 기술에 사용되는 빛의 파장 범위는 가시광선과 근적외선영역으로 600~1100nm대역이 주로 사용된다. 생체조직이라 하면 투명한 매질이 아닌 혼탁(turbid)한 매질이기 때문에 빛이 생체 조직 내를 통과할 때 흡수와 산란이 일어나게 되는데 동일한 생체조직을 통과하더라도 빛의 파장 성분에 따라 흡수와 산란이 다르게 일어나게 된다. 생체 조직을 구성하고 있는 성분에 따라 특정 파장의 빛의 흡수율이 다르기 때문에 특정 파장에 대한 생체 조직의 흡수 정도를 이용하면, 생체 조직을 구성하고 있는 성분에 대한 정보, 예를 들어 산화헤모글로빈, 환원헤모글로빈, 물, 지방, 미오글로빈 등의 농도 변화에 대한 정보 얻을 수 있다. 또한 생체 조직의 구조에 따라 생체를 투과하는 빛의 산란정도가 차이가 나기 때문에 빛의 산란도에 대한 분석 정보는 세포 크기 변화와 같은 생체 조직의 구조를 알아낼 수 있는 중요한 정보가 될 수 있다. Generally, techniques for imaging and diagnosing non-overlapping biological tissues through light are continuously being developed. The wavelength range of light used for light imaging and diagnostic techniques is visible light and near-infrared light in the range of 600 to 1100 nm Is used. Biological tissue is a turbid medium rather than a transparent medium, so absorption and scattering occur when light passes through the biotissue. Even though the same tissue passes through it, absorption and scattering occur differently depending on the wavelength component of light . Since the absorption rate of light of a specific wavelength differs depending on a component constituting the biological tissue, if the degree of absorption of the biological tissue with respect to a specific wavelength is used, information on components constituting the biological tissue such as oxidized hemoglobin, reduced hemoglobin , Water, fat, and myoglobin. In addition, since the degree of scattering of light transmitted through the living body varies depending on the structure of the living tissue, the analysis information on the scattering degree of light can be important information for determining the structure of living tissue such as cell size change.

따라서, 인체에 조사된 근적외선 및 가시광선 영역대의 광신호의 흡수계수와 산란계수를 구분할 수 있다면, 이는 체성분 정보 대한 정량화된 수치와 더불어 피하지방 층에서 체지방량 변화의 가장 중요한 인자인 지방세포의 구조적인 혹은 크기의 변화와 같은 신진 대사의 변화를 보여 줄 수 있게 된다. 이를 이용한다면 적합한 운동량 혹은 식이요법을 결정하는 척도를 제공할 수 있는 올바른 체중감량 방향지표가 될 수 있을 것이다. 도 1은 (a)정상 조직과 (b)비만 조직의 구조적 차이를 나타내는 단면을 예시하는 것으로, 정상 조직과 비만 조직의 Subcutaneous layer에서의 단위조직의 크기차이에 의해서 생체 조직 내에서 광의 흡수도와 산란도와 같은 생체 조직의 광학적 특성의 분석을 통하여 조직상에서 지방의 농도 비율 및 세포 크기의 변화량에 따른 지방층 구조의 변화를 알아낼 수 있다Therefore, if the absorption coefficient and the scattering coefficient of the optical signal of the near infrared ray and the visible ray region irradiated to the human body can be distinguished, it is possible to obtain the quantitative value of the body composition information and the structural value of the fat cell which is the most important factor of the fat mass change in the subcutaneous fat layer Or changes in metabolism such as changes in size. This can be a good indicator of weight loss, which can provide a measure of appropriate exercise or diet. FIG. 1 is a cross-sectional view showing structural differences between (a) normal tissue and (b) obesity tissue, and shows the absorption of light and scattering in a living tissue due to the difference in size of unit tissues in the subcutaneous layer of normal tissue and obesity tissue Through the analysis of the optical properties of biological tissues such as tiles, it is possible to determine the change in fat layer structure according to the concentration ratio of fat and the amount of change in cell size

국내공개특허 2011-0077656 (2011.07.07)Domestic public patent 2011-0077656 (July 7, 2011) 국내공개특허 2015-0106001(2015.09.18)Domestic Patent Publication 2015-0106001 (2015.09.18)

본 발명은 상술한 종래의 체성분 분석 기술들의 문제점 내지 단점을 감안하여 안출된 것으로서, 기존 어떤 기술도 체성분의 정량화 및 체지방량 변화의 가장 중요한 인자인 지방세포 크기의 변화와 같은 신진 대사의 변화를 보여주지 못하고 있기 때문에 이를 해결하여 체중 변화가 정상적인 방식으로 수행되고 있는지 여부를 높은 정확도를 가지고 정량적인 방식으로 보여줄 수 있는 방안을 제공하는 한편, 기존의 복잡하고 시스템의 부피가 확산 광 분광 및 영상화 시스템 을 저전력, 소형화를 위한 호모다인 기술을 적용하여 다채널 체성분 분석 장치 및 방법을 구현하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the problems and disadvantages of the conventional body composition analysis techniques described above, and any existing technique shows a change in metabolism such as a change in fat cell size, which is the most important factor of body composition quantification and body fat mass change In order to solve this problem, it is necessary to provide a method of displaying the weight change in a quantitative manner with high accuracy, while checking whether the weight change is being performed in a normal manner. In addition, Channel body composition analyzing apparatus and method by applying a homodyne technique for miniaturization.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 체성분을 분석하고자 하는 신체 부위의 제1 지점에서 주파수 변조된 가시광선과 근적외선영역으로 600~1100nm대역에 위치한 복수개의 다파장 분석용 광을 조사하는 광 조사부; 상기 신체 부위의 제2 지점에서 상기 복수개의 다파장 분석용 광으로부터 발생된 광신호를 검출하는 광수신장치; 및 상기 신체부위의 체성분 및 지방세포 크기 및 구조의 변화와 같은 체지방의 신진 대사의 변화를 나타내는 지표로서 생체조직의 흡수계수 및 산란계수와 같은 광학적 특성을 산출하는 호모다인 광확산 분광 시스템 구조;를 포함하는 체성분 분석 장치 및 방법을 제공한다. In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for analyzing multi-wavelength light, comprising: irradiating a plurality of multi-wavelength analyzing lights in a 600 to 1100 nm band in a visible light ray and a near infrared ray frequency-modulated at a first point of a body part to be analyzed for body composition; A light receiving device for detecting an optical signal generated from the plurality of lights for multi-wavelength analysis at a second point of the body part; And a homodyne optical diffuse spectroscopy system structure that calculates optical characteristics such as an absorption coefficient and a scattering coefficient of a living tissue as an indicator of changes in body fat metabolism such as changes in body composition and fat cell size and structure of the body part And a body component analyzing apparatus and method including the same.

또한, 상기 호모다인 광확산 분광 시스템 구조는 인체를 통과하기 전의 신호를 기준 신호로 하고, 인체를 통과한 후 광신호와 상기 기준신호와 신호의 크기와 위상을 비교하여 그 변화량을 기준으로 상기 흡수계수 및 산란계수를 산출하는 것일 수 있다. In addition, the homodyne optical diffusion spectroscopy system structure uses a signal before passing through the human body as a reference signal, compares the magnitude and phase of the optical signal with the reference signal after passing through the human body, And the number of scattering coefficients.

또한, 상기 광수신장치에 의한 상기 검출된 광 및 상기 호모다인 구조에 의한 상기 생체조직의 흡수계수 및 산란계수와 같은 광학적 특성의 산출은 복수의 제2 지점들에 대해 수행될 수 있다.In addition, the calculation of the optical characteristics such as the absorption coefficient and the scattering coefficient of the living tissue by the light detected by the light receiving device and the homodyne structure can be performed for a plurality of second points.

호모다인 광확산 분광 시스템 구조에 대한 바람직한 실시예로 주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생장치, 신호발생장치에서 발생된 신호를 기준신호와 변조신호로 분배하는 신호분배기, 변조신호가 제1증폭기를 거쳐 가변감쇄기와 레이저 구동회로를 통해 전달되는 상기 언급된 다파장 레이저다이오드 광원, 다파장 파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 생체조직에 조사된 후, 지방세포 내에서 흡수와 산란이 반복되는 과정을 거친 후의 광신호가 입사되어 전기신호로 변환되는 복수개의 광수신장치(80) 내의 아발란치 포토아이오드와 자체증폭기, 고정감쇄기를 통해 기준신호가 입력되는 신호크기 및 위상 측정장치, 광수신장치(80)의 출력 신호를 RF 스위치에 의해 순차적으로 받아 증폭하는 제2증폭기, 기준신호와 제2증폭기의 신호를 비교하여 신호크기변화와 위상변화를 측정하는 신호크기 및 위상 측정장치로 이루어져 호모다인 기반의 체성분 분석 시스템인 것을 특징으로 한다. 여기서, 신호크기 및 위상 측정장치는 복조기(demodulator)를 사용하여 실수(real)와 허수(imaginary)를 측정하여 크기와 위상을 산출하는 장치가 될 수도 있다.A preferred embodiment of a homodyne optical diffusive spectroscopy system structure includes a signal generator controlled by a signal processor to generate a signal having a frequency, a signal distributor for distributing a signal generated by the signal generator to a reference signal and a modulated signal, The multi-wavelength laser diode light source, the optical signal output from the multi-wavelength wavelength laser diode light source, which is transmitted through the variable attenuator and the laser driving circuit via the first amplifier, is irradiated to the living tissue through the optical fiber, And a signal intensity at which a reference signal is input through a self-amplifier and a fixed attenuator in a plurality of optical receiving devices 80 in which an optical signal after being absorbed and scattered repeatedly is converted into an electrical signal, And the phase measuring device, and the output signal of the optical receiving device 80 are successively received by the RF switch Claim characterized in that the second amplifier, the reference signal and the second comparison signal to a signal composed of magnitude and phase measuring device which measures the signal level change and phase change of a homodyne-based body composition analysis system of the amplifier. Here, the signal magnitude and phase measurement apparatus may be a device for calculating a magnitude and a phase by measuring a real and an imaginary using a demodulator.

본 발명에 의하면, 신체 부위에 광을 조사하여 검출된 광신호로부터 흡수계수 및 산란계수를 산출하여 신체 부위의 체성분 및 체지방의 신진대사를 정량적으로 분석하여 객관적이고 과학적인 체중감량 방향 지표로 제공함으로써 체중 감량에 따른 신체의 변화를 간단하고도 정확한 방식으로 분석할 수 있다.According to the present invention, by quantitatively analyzing body composition and body fat metabolism by calculating the absorption coefficient and the scattering coefficient from the detected light signal by irradiating light to the body part, it is provided as an objective and scientific weight loss direction index It is possible to analyze the change of body by weight loss in a simple and accurate way.

이러한 분석 방식에서 이용되는 흡수계수는 체성분의 종류 및 농도에 따라 빛의 서로 다른 파장 따른 광신호의 진폭의 변화를 통해 산출될 수 있고, 산란계수는 지방 세포의 크기 변화를 반영하는 산란 광의 위상 지연에 기초하여 산출되므로, 그로부터 측정 부위의 체성분 양 및 지방 세포들의 크기 내지 구조의 변화를 정량적으로 파악할 수 있으며, 따라서 체중 감량이 올바른 방향으로 진행되고 있는지 여부를 나타내는 정량적 지표가 될 수 있다.The absorption coefficient used in this analysis method can be calculated by varying the amplitude of the optical signal according to different wavelengths of light depending on the type and concentration of the body component and the scattering coefficient can be calculated from the phase delay The amount of body composition of the measurement site and the size and structure of the fat cells can be quantitatively grasped therefrom and thus can be a quantitative indicator indicating whether the weight loss is proceeding in the right direction.

또한, 본 발명의 호모다인 광확산 분광 시스템 구조는 기존의 시스템 구현 복잡도 및 크기가 큰 네트워크 분석 장치 및 헤테로다인 기반의 확산 광 분광시스템에서 호모다인 기반의 체성분 분석 장치(10) 형태로 변경하면서 소형화 및 소모 전력 감소가 가능해지며, 가시광선 및 근적외선 대역을 커버하고자 기존 시스템에서 사용하던 할로겐램프와 스펙트로미터를 FP, VCSEL, DFP의 다수의 다파장 레이저 다이오드를 다이(Die)형태로 패키징하거나, 단일 패키징 형태의 레이저 다이오드의 빔을 합성하여 구현된 다파장 레이저 다이오드로 광원만으로 대체하여 측정 시간을 획기적으로 줄일 뿐만 아니라, 비용과 크기 측면에서도 매우 큰 장점이 있다. Further, the homodyne light diffusing spectroscopic system structure of the present invention can be miniaturized while changing to a homodyne-based body composition analyzing apparatus 10 in a network analyzer and a heterodyne-based diffuse optical spectroscopy system having a large system complexity and size And the consumption power can be reduced. In order to cover the visible light and the near infrared ray band, the halogen lamp and the spectrometer used in the existing system can be packaged as a die in the form of a plurality of multi-wavelength laser diodes of FP, VCSEL and DFP, It is a multi-wavelength laser diode synthesized by packaging a laser diode beam and can be replaced by a light source alone, which not only dramatically reduces measurement time but also has a great advantage in terms of cost and size.

또한, 아발란치 포토다이오드의 이득 안정화를 위해 자동 온도보상 알고리즘을 적용하여 광 검출을 위한 수신장치를 소형화 · 다채널화하여 휴대가 가능한 호모다인 기반 체성분 분석 장치를 구현 할 수 있다.In order to stabilize the gain of the avalanche photodiode, it is possible to implement a homodyne-based body composition analyzer capable of carrying and miniaturizing a multi-channel receiver for photodetection by applying an automatic temperature compensation algorithm.

도 1은 (a)정상 조직과 (b)비만 조직의 단면의 예시이다.
도 2는 호모다인 기술 기반의 4채널 체성분 분석 장치의 블록도이다.
도 3은 호모다인 기술 기반의 4채널 체성분 분석 장치의 측면도이다.
도 4는 진단면을 나타내는 호모다인 기술 기반의 체성분 분석 장치의 하부이다.
도 5는 하부 진단면의 위치 지시계이다.
도 6은 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치 실시예이다.
도 7은 아발란치 포토다이오드(APD)의 자동 온도 보상 이득 제어 구조이다.
도 8는 본 발명의 호모다인 기반 체성분 분석 장치가 구현한 정상체중과 비만환자의 지방 세포에 신진대사를 관찰하기 위한 위상 지연에 대한 그래프이다.
도 9은 본 발명의 영상생성장치가 구현한 정상체중과 비만환자의 체성분에 대한 영상비교이다.Figure 1 is an illustration of a cross section of (a) normal tissue and (b) obesity tissue.
2 is a block diagram of a 4-channel body composition analyzer based on homodyne technology.
3 is a side view of a 4-channel body composition analyzer based on homodyne technology.
Figure 4 is a lower portion of a homodyne technology based body composition analyzer that represents a diagnostic face.
5 is a position indicator of the lower diagnosis surface.
6 is an embodiment of a multi-wavelength laser diode beam synthesizer.
7 is an automatic temperature compensation gain control structure of an Avalanche photodiode (APD).
FIG. 8 is a graph showing phase delay for observing metabolism in normal body weight and obese patients in the adipocyte implemented by the homodyne-based body composition analyzing apparatus of the present invention.
FIG. 9 is a picture comparison of normal body weight and body composition of obese patients implemented by the image generating apparatus of the present invention.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which illustrate exemplary embodiments of the present invention. The present invention is not limited to these embodiments.

도 2는 본 발명의 실시예로서 생체조직의 광학적 특성을 산출하여 생체 조직을 진단하는 호모다인 기술 기반의 체성분 분석 장치 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram of a body composition analyzer based on a homodyne technology for diagnosing a living body tissue by calculating the optical characteristics of the living body tissue according to an embodiment of the present invention.

상기 호모다인 기술의 체성분 분석 장치에 있어서, 다채널 측정부(50)는 하나의 다파장 광원을 방출할 수 있는 광조사부(60)에 4개의 APD(70)를 포함하고 있는 광수신장치(80)로 이루어지며, 다채널 구성으로 인체의 대면적을 한번에 측정할 수 있게 되어 측정 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.In the body composition analyzer of the homodyne technique, the multi-channel measuring unit 50 includes a light receiving unit 80 including four APDs 70 in a light irradiating unit 60 capable of emitting a multi-wavelength light source, ), And it is possible to measure a large area of the human body at a time in a multi-channel configuration, thereby shortening the measurement time.

호모다인 광확산 분광 시스템의 동작은 다음과 같다. 먼저, 신호처리부는 신호 발생장치에서 주파수를 가진 전기 신호를 발생하도록 제어한다. 상기 주파수는 50MHz에서 500MHz이내에서 가변이 가능하며, 단일 주파수 성분의 전기 신호이다. The operation of the homodyne optical diffusing spectroscopy system is as follows. First, the signal processor controls the signal generator to generate an electric signal having a frequency. The frequency is variable within 50 MHz to 500 MHz and is an electrical signal of a single frequency component.

상기 신호 발생 장치는 하나의 단일 주파수 신호를 출력하기 위해서 제1신호발생기와 제2신호발생기를 사용할 수 있다. 각 신호발생기에서 출력되는 신호는 각각 저역통과 필터를 지나고 믹서를 통과한 후 단일 주파수 성분의 전기 신호가 출력된다. 이후 작은 입력 손실과 높은 차단 특성을가지는 대역통과필터 또는 저역통과필터를 사용함으로써 고차 하모닉 성분을 상쇄시킬 수 있다. 상기 믹서(Mixer)는 높은 주파수의 하모닉 성분을 없애고 낮은 주파수로 변경시킬 때 일반적으로 사용되는 RF(Radio Frequency) 소자이다. The signal generator may use a first signal generator and a second signal generator to output a single frequency signal. The signal output from each signal generator passes through a low pass filter, passes through a mixer, and then an electric signal of a single frequency component is output. Higher-order harmonic components can then be canceled by using a band-pass filter or a low-pass filter with small input loss and high blocking characteristics. The mixer is a RF (Radio Frequency) device generally used to remove a high frequency harmonic component and change it to a low frequency.

호모다인 시스템의 신호발생장치는 직접 디지털 신디사이저 (DDS: Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 구현할 수도 있는데, 이를 이용하여 50MHz에서 500MHz까지 가변 되는 사인파 형태의 신호를 직접 생성할 수 있기 때문에 상기에 언급된 신호발생장치에 적용될 수 있다. 직접 디지털 신디사이저 (DDS: Direct Digital Synthesizer)를 신호발생장치에 사용할 경우 하나의 칩으로 구현할 수 있는 장점이 있지만, 직접 디지털 신디사이저 (DDS: Direct Digital Synthesizer)자체가 지닌 하모닉 성분을 제거하기 위해 정밀한 회로 구성이 필요하다는 단점이 있다.The signal generating device of the homodyne system can be implemented using a direct digital synthesizer (DDS). Since a sinusoidal signal varying from 50 MHz to 500 MHz can be directly generated using the direct digital synthesizer (DDS) Generating device. When using a direct digital synthesizer (DDS) as a signal generating device, it is advantageous to implement it as a single chip. However, in order to remove the harmonic component of a direct digital synthesizer (DDS) Is required.

상기 신호발생장치에서 발생된 신호가 신호분배기를 통해 두 개의 출력으로 나누어지게 되며, 그 중 하나의 신호는 제1증폭기와 가변감쇄기, 레이저 구동회로를 통해 레이저 다이오드 광원에 전달되어 광신호로 출력된다. 상기 가변감쇄기는 상기 레이저 다이오드 광원의 광출력 특성에 따라 신호의 크기를 가변 시킬 수 있다. 신호분배기에서 출력되는 다른 하나의 신호는 고정감쇄기를 지난 후 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되어 기준신호로 사용된다.A signal generated by the signal generating device is divided into two outputs through a signal distributor. One of the signals is transmitted to a laser diode light source through a first amplifier, a variable attenuator, and a laser driving circuit, and is output as an optical signal . The variable attenuator may vary the magnitude of the signal according to the optical output characteristics of the laser diode light source. The other signal output from the signal distributor is input to the signal magnitude and phase measuring device after passing through the fixed attenuator, and is used as a reference signal.

상기 레이저 다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유(30)를 통해 생체조직(또는 시료)에 조사되고 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란을 거친 후 광신호는 광수신장치(80) 내의 아발란치 포토다이오드(70)로 입사되어 전기신호로 변환된다.An optical signal output from the laser diode light source is irradiated to a biological tissue (or a sample) through the optical fiber 30 and absorbed and scattered in the living tissue. Then, the optical signal is transmitted to the Avalanche photodiode (70) and converted into an electric signal.

상기 아발란치 포토다이오드의 동작을 위해 온도보상 특성을 위한 고전압 직류 전원 공급장치가 필요하다. 상기 고전압 직류 전원 공급장치에는 상기 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하고, 상기 온도에 따라 자동으로 증폭률을 일정하게 제어하는 온도보상회로가 포함된다.A high voltage DC power supply for temperature compensating characteristics is required for operation of the Avalanche photodiode. The high-voltage DC power supply includes a temperature compensation circuit for measuring the temperature of the Avalanche photodiode and automatically controlling the amplification factor according to the temperature.

상기 아발란치 포토다이오드(70)에서 출력되는 전기신호는 자체증폭기를 통해 증폭된 후 증폭된 신호는 RF 스위치를 통하여 순차적으로 제2 증폭기를 거쳐 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되며, 상기 고정감쇄기를 지난 후 신호크기 및 위상측정 장치에 입력되는 기준신호와 비교함으로써 광수신장치(80)에 입력되는 광신호의 크기변화 및 위상변화를 측정한다.The electrical signal output from the Avalanche photodiode 70 is amplified through its own amplifier, and the amplified signal is sequentially input to the signal magnitude and phase measurement device through the second amplifier through the RF switch, And then measures the change in size and phase of the optical signal input to the optical receiver 80 by comparing the signal amplitude with the reference signal input to the phase measuring device.

신호크기 및 위상 측정장치는 광 수신단에서 입력된 신호된 아날로그 신호를 고성능의 아날로그-디지털변환기(ADC: Analogue to Digital Converter)를 사용하여 디지털 신호로 변환하게 되며, 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA: Field Programmable gate array)를 사용하여 구성할 수도 있다.The signal size and phase measurement device converts the inputted analog signal inputted from the optical receiving end into a digital signal by using a high performance analogue to digital converter (ADC). A field programmable gate array (FPGA: Field Programmable gate array).

신호처리부는 신호발생장치의 주파수 제어, 가변감쇄기 제어, 측정된 신호의 크기변화와 위상변화를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환, 그리고 PC 와 데이터를 주고 받을 수 있는 입출력 제어를 한다.The signal processing section performs frequency control of the signal generating device, variable attenuator control, analog-to-digital conversion for converting the size change of the measured signal and the phase change into a digital signal, and input / output control for exchanging data with the PC.

도 3은 핸드헬드가 가능한 호모다인 기반 체성분 분석 장치를 보여주는 실시예이다.FIG. 3 is an embodiment showing a hand-held capable homodyne-based body composition analyzing apparatus.

도 4는 호모다인 기술 기반의 체성분 분석 장치의 하부 진단면으로 한 개의 다파장 광원의 방출부를 지닌 광조사부(60) 및 4개의 아발란치 포토다이오드(70)를 지닌 광수신장치(80)로 구성된 총 4개의 진단 채널이다. 다채널 측정부 하단을 보면 4채널로 구성되어 인체의 특정 영역을 면적단위로 측정할 수 있으며, 그 중앙에는 광조사부(60)가 위치하고, 4개의 변 가까이에 아발란치 포토다이오드(70)의 광수신장치(80)가 배치되어 있다. 또한 측정 위치를 파악하기 위한 위치 지시계(40)가 일측에 형성되어 있다.FIG. 4 is a bottom diagnosis plane of a body composition analyzer based on homodyne technology. FIG. 4 is a diagram illustrating a light receiving unit 80 having four light emitting units 60 having four multi-wavelength light source emitting units and four Avalanche photodiodes 70 It is a total of four diagnostic channels configured. The lower end of the multi-channel measuring unit is composed of four channels, and a specific area of the human body can be measured in area units. A light irradiating unit 60 is positioned at the center of the multi-channel measuring unit and an Avalanche photodiode 70 And an optical receiver 80 are disposed. And a position indicator 40 for grasping the measurement position is formed on one side.

도 5는 위치 지시계(40)의 구비 목적을 서술하기 위해 4채널 호모다인 기반 체성분 분석 장치 측정 실시예이다. 호모다인 기반 확산 광 분광 방법을 이용한 체성분 분석 장치는 대면적의 생체조직을 측정하기 위해서 도 5에서와 같이 미리 측정하고자하는 생체조직에 x,y의 좌표를 점으로 표시해 둔다. 표시된 점을 기준으로 x와 y의 방향으로 측정 기준점을 이동하면서 측정을 진행하게 된다. 상기와 같은 방법으로 측정하기 위해서는 측정자는 측정 위치를 옮기기 위해서 인체내에 미리 표시된 기준 좌표점을 확인할 수 있어야 하기에 도 4처럼 측정부 하단면 일측에 위치지시계가 필요하게 된다. FIG. 5 is a 4-channel homodyne-based body composition analyzer measurement example to describe the purpose of the position indicator 40. FIG. In the body composition analyzing apparatus using the homodyne-based diffusion optical spectroscopy method, in order to measure large-sized living tissue, coordinates of x and y are plotted on the living tissue to be measured in advance as shown in FIG. The measurement is proceeded while moving the measurement reference point in the direction of x and y based on the displayed point. In order to measure by the above-described method, the measurer needs to be able to identify a reference coordinate point previously displayed in the human body in order to move the measurement position, and therefore, a position indicator is required at one side of the lower end of the measurement unit as shown in FIG.

도 6는 다파장 광원 중 레이저 다이오드(90)과 케이스(100)으로 이루어진 레이저 다이오드 빔 합성장치의 실시예이다. 서로 다른 파장의 다수개의 레이저 다이오드로부터 출력되는 빛을 하나의 광섬유에 합성할 수 있는 상기 소형 광원을 사용할 경우 호모다인 기반의 체성분 분석장치의 크기를 휴대용 혹은 웨어러블이 가능한 수준까지 크기를 작게 할 수 있으며, 6~12개 정도의 서로 다른 파장의 다수개의 레이저 다이오드를 사용함으로써 근적외선에서 가시광선 대역을 넓은 파장대역을 커버하기 위해 기존에 사용하였던 할로겐 램프와 분광기가 필요 없는 호모다인 기반 체성분 분석 장치가 가능하다.6 is an embodiment of a laser diode beam synthesizing apparatus comprising a laser diode 90 and a case 100 among the multi-wavelength light sources. When the compact light source capable of synthesizing light output from a plurality of laser diodes having different wavelengths into one optical fiber can be used, the size of the homodyne-based body composition analyzing apparatus can be reduced to a portable or wearable level , A homodyne-based body composition analyzer that does not require a halogen lamp and a spectrometer, which is used to cover a wide wavelength band from visible light band to near infrared light, can be used by using a plurality of laser diodes having about 6 to 12 different wavelengths Do.

도 7는 아발란치 포토다이오드(70)의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 측정된 온도에 따라 자동으로 아발란치 포토다이오드의 출력을 일정하게 해주는 자동온도보상회로로 구성이다. 종래에는 열전소자와 방열판을 이용하여 광 검출 장치의 온도를 일정하게 유지시켜 아발란치 포토다이오드(70)의 증폭률을 일정하게 유지시키는 방식이었으며, 본 발명에 적용된 기술은 온도 보상 기능을 가진 디지털 가변 저항을 이용해, 아발란치 포토다이오드의 온도가 변하더라도 아발란치 포토다이오드의 증폭률이 동일하게 유지시키도록 아발란치 포토다이오드의 직류 전원 장치의 출력 전압을 변경시키면, 열전 소자 및 방열판 없이 간단한 제어회로로 아발란치 포토다이오드의 증폭률을 유지할 수 있으므로 회로 구조가 간단하고 전력소모가 거의 없으며 소형화에 제작에 상당한 장점을 보유하게 된다. 소형화가 가능하기 때문에 4개의 아발란치 포토다이오드가 각각의 광수신장치에 위치하더라도 작은 측정부분의 구현이 가능하기 때문에 휴대성이 뛰어난 호모다인 기반의 체성분 분석 장치 제작이 가능하다.FIG. 7 shows a temperature sensor for measuring the temperature of the Avalanche photodiode 70 and an automatic temperature compensation circuit for automatically adjusting the output of the Avalanche photodiode according to the measured temperature. In the prior art, the temperature of the photodetector was kept constant by using a thermoelectric element and a heat sink to maintain the gain of the Avalanche photodiode 70 constant. The technology applied to the present invention is a digital variable Using a resistor to change the output voltage of the Avalanche photodiode DC power supply to keep the Avalanche photodiode amplification constant even when the temperature of the Avalanche photodiode changes, a simple control without thermoelectric elements and heat sinks The circuit can maintain the amplification factor of the Avalanche photodiode, so the circuit structure is simple, there is little power consumption, and it has a considerable advantage in making it smaller. It is possible to manufacture a homodyne-based body composition analyzer having excellent portability because a small measurement part can be realized even if four avalanche photodiodes are located in respective light receiving devices.

도 8은 호모다인 기반 체성분 분석 장치가 구현한 정상체중과 비만환자의 지방 세포에 신진대사를 관찰하기 위한 위상 지연(phase/degree)에 대한 그래프로서, 광산란에 의한 변조주파수에 따라 세포조직이 정상인 경우가 비만인 경우에 비해 보다 위상지연이 크다는 것을 알 수 있다. 지방세포의 크기가 작으면 조사된 빛이 지방세포를 지날 때 세포가 조밀하게 있어서 많은 산란이 발생하여 위상차가 많이 발생하게 되고 지방세포가 크면 밀도가 낮아 산란이 적게 발생하여 위상차가 적게 발생한다. 이러한 특성을 파악하여 광산란계수가 적으면 지방세포가 크고 광산란계수가 크면 지방세포가 작다는 것을 의미하므로 체지방 정보를 알 수 있다.FIG. 8 is a graph showing the phase delay (phase / degree) for observing the metabolism in the adipocytes of the normal body weight and obesity patients implemented by the homodyne-based body composition analyzer, wherein the cell structure is normal according to the modulation frequency by light scattering It can be seen that the phase delay is larger than that in the case of obesity. When the size of the fat cells is small, when the irradiated light passes through the adipocytes, the cells are dense, resulting in a lot of scattering and a large retardation. When the fat cells are large, the density is low and the scattering is small. Under these characteristics, if the light scattering coefficient is small, the fat cells are large, and if the light scattering coefficient is large, the fat cells are small, so that the body fat information can be obtained.

도 9는 본 발명에 따른 영상생성장치가 구현한 정상체중과 비만환자의 체성분 비교 영상의 예이다. 앞서 광흡수계수와 광산란계수와 같은 신체의 광학적 특성을 활용하여 정상체중과 비만체중인의 오른쪽 배의 체성분을 영상화한 것이다. 체성분은 각각의 정상체중과 비만체중의 4개의 이미지 중에서 좌측상단에서 시계 방향 순으로 산소혈색소, 탈산소혈색소, 체지방, 체수분으로 나타낸다. 상기 영상은 산소혈색소, 탈산소현색소, 체수분의 경우에는 광흡수계수 값에 따라 컬러맵을 사용하여 표시된다. 체지방의 경우에는 광산란계수 값에 따라 컬러맵 영상이 표시되며, 정상체중과 비만체중의 체지방을 비교하면 정상체중의 경우 지방세포의 크기가 작기 때문에 광산란계수가 높게 측정되어 체지방 영상이 붉은 색이 넓게 나타나며 비만체중의 경우 지방세포의 크기가 크기 때문에 산란계수가 낮게 측정되어 체지방 영상이 노란 색이 넓게 나타나는 것을 볼 수 있다. 9 is an example of a body composition comparison image of normal weight and obesity patients implemented by the image generating apparatus according to the present invention. Previously, the optical properties of the body, such as light absorption coefficient and light scattering coefficient, were used to image the body composition of the right breast of normal weight and obese body weight. Body composition is represented by oxygen hemoglobin, deoxygenated hemoglobin, body fat and body water in the clockwise direction in the upper left corner among the four images of normal body weight and obesity body weight. In the case of oxygen hemoglobin, deoxygenated pigment, and body water, the image is displayed using a color map according to the light absorption coefficient value. In the case of body fat, the color map image is displayed according to the light scattering coefficient value. When the body fat of the normal body weight is compared with the body fat of the obesity body weight, the light scattering coefficient is high because the fat cell size is small in the normal body weight. In the case of obesity weight, the size of fat cells is large, so that the number of laying hens is low and the fat color image shows wide yellow color.

확산 광 분광 기법을 기반으로 하는 체성분 분석 장치에 있어서 호모다인 방식은 신호발생장치에서 발생된 주파수와 전광변환되어 생체조직을 통과 후 다시 광전변환하여 되돌아 온 신호의 위상 변화를 측정하기 위한 위상검출기와 신호의 크기를 측정하기 위한 주파수가 동일한 시스템을 말한다. 즉, 변조된 신호를 측정하기 위해 별도의 신호발생기를 사용하여 주파수를 변경하는 과정이 없이 변조된 신호의 주파수 성분 그대로의 위상변화와 진폭을 정보를 추출하는 방식이다. 예를 들어 광원의 변조신호가 50MHz이면 위상변화와 진폭의 크기를 측정할 때 주파수는 50MHz이고 광원의 변조신호가 500MHz이면 위상변화와 진폭의 크기를 측정할 때 주파수는 500MHz가 된다. 이에 반하여 헤테로다인 방식의 경우 신호발생장치에서 발생된 신호를 다른 주파수로 변환 후 광원의 변조신호로 사용한다. 또한 전광변환된 빛이 생체조직을 통과한 후 광 검출을 위한 프로브에 입사된 빛은 광전변환되어 전기신호로 변환된 신호를 다시 별도의 주파수와 합성하여 하나의 주파수로 변환한다. 신호발생장치에서 발생된 신호를 별도의 주파수와 합성하여 앞서 광검출단에서의 변환된 주파수와 동일한 주파수로 변환한다. 이렇게 변화된 신호발생장치의 신호와 광 검출을 위한 광수신장치(80)에서 신호를 변환한 동일한 주파수의 위상변화와 진폭을 측정하는 방식이다. In the body composition analyzer based on the diffuse optical spectroscopy technique, the homodyne method includes a phase detector for measuring the phase change of the returned signal by photoelectrically converting the frequency generated by the signal generating device, passing through the living tissue, It means a system with the same frequency for measuring the size of a signal. That is, in order to measure a modulated signal, a phase change and an amplitude of a modulated signal are extracted without a process of changing a frequency by using a separate signal generator. For example, if the modulating signal of the light source is 50 MHz, the frequency is 50 MHz when measuring the phase change and the magnitude of amplitude, and 500 MHz when measuring the amplitude of the phase change and amplitude when the modulating signal of the light source is 500 MHz. On the other hand, in the case of the heterodyne method, the signal generated in the signal generating device is converted into another frequency and used as a modulated signal of the light source. In addition, after the electro-optically converted light passes through the biotissue, the light incident on the probe for photo detection is photoelectrically converted, and the signal converted into the electric signal is recombined with another frequency and converted into a single frequency. The signal generated by the signal generator is synthesized with another frequency and converted into the same frequency as the frequency converted at the optical detection end. The signal of the signal generator and the optical receiver 80 for optical detection are used to measure the phase change and the amplitude of the same frequency at which the signal is converted.

신호의 진폭 및 위상변화 정보를 통해 광흡수계수와 광산란계수를 얻고 광흡수계수를 통해 체성분을 정보를 얻으며, 광산란계수를 통하여 지방 세포의 크기를 산출하여 비만도 지표 데이터를 취득한다. 이는 인체의 생체조직은 파장에 따라 각각 다른 광흡수계수를 갖기 때문에 생체조직의 체성분의 농도에 따라 인체조직의 파장에 따른 흡수율이 달라진다. 이 원리를 이용하여 다파장 광원의 진폭의 변화는 광흡수계수로 전환될 수 있고, 이는 다시 체성분의 농도를 보여줄 수 있게 된다. Obtain light absorption coefficient and light scattering coefficient through signal amplitude and phase change information, obtain body composition information through light absorption coefficient, obtain obesity index data by calculating the size of fat cell through light scattering coefficient. Since the living tissue of the human body has different light absorption coefficients depending on the wavelengths, the absorption rate depending on the wavelength of the human tissue varies depending on the concentration of the body composition of the living tissue. Using this principle, the change in the amplitude of the multi-wavelength light source can be converted to a light absorption coefficient, which again can show the concentration of the body composition.

특히, 지방세포일 경우 도 1에서 보는 바와 같이 정상체중일 때는 지방세포의 크기가 작고 비만일 때는 지방세포의 수가 증가하는 것이 아니라 지방세포의 크기가 증가하게 되는 것을 볼 수 있다. 따라서 지방세포의 크기는 인체의 구조 정보를 나타내는 광산란 계수를 통하여 얻을 수가 있다. 위상변화가 적게 나면 낮은 산란계수를 가지고 위상변화 많이 나타나면 산란계수가 높게 나타나는 특성이 있어 광산란계수는 위상변화를 통해 얻을 수가 있다. In particular, as shown in Fig. 1, in the case of adipose tissue, the size of adipocytes is small in normal body weight, and the adipocyte size is increased not in the number of adipocytes but in obesity. Therefore, the size of adipocytes can be obtained through the light scattering coefficient which represents the structure information of the human body. When the phase shift is small, the scattering coefficient is high when the scattering coefficient is low and the phase shift is large. Therefore, the light scattering coefficient can be obtained through the phase change.

따라서 상기 광흡수계수와 광산란계수를 활용하여 신체 부위의 체성분 및 체지방의 신진대사를 정량적으로 분석, 이를 기반으로 과학적인 체중감량 방향 지표를 제시할 데이터를 취득한다. Therefore, the light absorption coefficient and the light scattering coefficient are utilized to quantitatively analyze the body composition and body fat metabolism, and data on the scientific weight loss direction index are acquired based on the quantitative analysis.

이러한 호모다인 기반 다채널 체성분 분석방법은 주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생단계; 상기 신호발생단계에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배단계; 상기 변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원에 의한 출력단계; 상기 다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 지방세포로 조사된 후, 상기 지방세포 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 광수신장치로 입사되어 전기신호로 변환되는 광 수신단계; 신호분배기를 통해 상기 기준신호가 상기 전기신호와 비교되는 신호크기 및 위상 측정단계로 이루어진다. 상기 신호크기 및 위상 측정단계에서는 상기 광 수신단계에서 수신된 광신호를 증폭한 후, 기준 신호 대비 신호크기변화와 위상변화를 직접 측정하거나, 혹은 복조기(demodulator)를 이용하여 실수(real)와 허수(imaginary)를 산출 후 진폭 및 크기를 측정할 수 있다.The homodyne-based multi-channel body composition analyzing method includes: a signal generating step of controlling a signal processing unit to generate a signal having a frequency; A signal distribution step in which the signal generated in the signal generation step is distributed to a reference signal and a modulation signal; An output step of the multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit; Wherein the optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to the adipocyte through the optical fiber, and then the absorption and scattering processes are repeated in the adipocyte, ; And a signal magnitude and phase measurement step in which the reference signal is compared with the electrical signal through a signal distributor. In the signal magnitude and phase measuring step, the optical signal received in the light receiving step is amplified and then the signal size change and the phase change relative to the reference signal are directly measured, or the real and imaginary values are measured using a demodulator. the amplitude and the magnitude can be measured after calculating the imaginary value.

10 체성분 분석 장치 몸체
20 RF신호 및 전원 연결부
30 광섬유 또는 광스터브
40 위치 지시계
50 다채널 측정부
60 광조사부
70 아발란치 포토다이오드
80 광수신장치
90 레이저 다이오드
100 케이스10 body composition analyzer body
20 RF Signal and Power Connections
30 Optical fiber or optical stub
40 position indicator
50 multi-channel measuring unit
60 light irradiation part
70 Avalanche Photodiode
80 optical receiving device
90 laser diode
100 cases

Claims (38)

체성분 분석 장치에 있어서,
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생장치,
상기 신호발생장치에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배기,
상기 변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원,
상기 다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유 및 측정용 프로브를 통해 생체조직으로 조사된 후, 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 입사된 것을 전기신호로 변환하는 광수신장치, 및
상기 광수신장치에서 수신된 광신호를 증폭한 후, 기준 신호 대비 신호크기 및 위상변화를 측정하는 신호크기 및 위상 측정장치를 포함하되,
상기 신호분배기와 상기 가변감쇄기 사이에 제1 증폭기를 포함하고, 상기 측정용 프로브와 상기 신호크기 및 위상 측정장치 사이에 제2 증폭기를 포함하여 이루어진 호모다인 기반 체성분 분석 장치.A body composition analyzer comprising:
A signal generator controlled by a signal processor to generate a signal having a frequency,
A signal distributor for distributing a signal generated by the signal generator to a reference signal and a modulation signal,
A multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit,
An optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a biological tissue through an optical fiber and a measurement probe, and after absorption and scattering processes are repeated in the biological tissue, the optical signal is converted into an electrical signal Device, and
And a signal magnitude and phase measurement device for amplifying the optical signal received by the optical receiver and measuring a signal amplitude and a phase change with respect to a reference signal,
And a second amplifier between the measurement probe and the signal magnitude and phase measuring device, the first amplifier including a first amplifier between the signal distributor and the variable attenuator. 제1항에 있어서,
상기 생체조직은 정상체중과 비만환자 각각의 지방세포를 대상으로 광산란 차이를 비교하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
Wherein the biomedical tissue compares differences in light scattering among fat cells of normal body weight and obesity patients. 제2항에 있어서,
상기 광산란 차이는 상기 생체조직의 지방세포 크기 차이로부터 비롯된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the light scattering difference is caused by a difference in fat cell size of the living body tissue. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 측정용 프로브에는 상기 광수신장치를 구성하는 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 상기 온도에 따라 자동으로 상기 아발란치 포토다이오드의 출력을 일정하게 해주는 온도보상회로가 형성된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
The measurement probe includes a temperature sensor for measuring the temperature of the avalanche photodiode constituting the optical receiver and a temperature compensation circuit for automatically setting the output of the avalanche photodiode according to the temperature Characterized by homodyne-based body composition analyzing apparatus. 제1항에 있어서,
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 상기 기준신호와 상기 제2 증폭기의 출력 신호를 비교하여 크기변화와 위상변화를 측정 시, 상기 광원에 인가된 변조 주파수 및 상기 광수신장치에 입력된 변조 주파수를 별도의 주파수 변환 없이 비교 측정하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
The apparatus for measuring a signal size and phase may be configured to compare a modulation frequency applied to the light source and a modulation frequency inputted to the optical receiver when the size change and the phase change are measured by comparing the reference signal and the output signal of the second amplifier Wherein the comparative measurement is performed without frequency conversion of the homodyne-based body composition analyzer. 제7항에 있어서,
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 위상검출기를 포함하는 것인 호모다인 기반 체성분 분석 장치.8. The method of claim 7,
Wherein the signal magnitude and phase measurement device comprises a phase detector. 제8항에 있어서,
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 복조기(demodulator)를 이용해 측정하거나, 아날로그/디지털 변환기 (ADC: Analogue to Digital Converter)와 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA: Field Programmable Gate Array)를 이용해 측정하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.9. The method of claim 8,
The signal magnitude and phase measuring apparatus may be measured using a demodulator or an analog to digital converter (ADC) and a field programmable gate array (FPGA). Homodyne based body composition analyzer. 제1항에 있어서,
상기 가변감쇄기는 상기 변조신호의 크기를 가변시키는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
Wherein the variable attenuator varies the magnitude of the modulated signal. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 신호발생장치는 상기 주파수를 가변시키기 위해 2개의 신호발생기가 적용된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
Wherein the signal generator is applied with two signal generators for varying the frequency. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 주파수는 하모닉 성분 없는 단일 주파수 성분의 신호인 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
Wherein the frequency is a signal of a single frequency component without a harmonic component. 제1항에 있어서,
상기 신호발생장치는 기본 주파수를 가변할 수 있는 제1신호발생기와 고정 주파수가 발생하는 제2신호발생기로 이루어진 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
Wherein the signal generator comprises a first signal generator capable of varying a fundamental frequency and a second signal generator generating a fixed frequency. 제1항에 있어서,
상기 신호발생장치는 직접 디지털 신디사이저(DDS: Direct Digital Synthesizer)를 사용하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.The method according to claim 1,
Wherein the signal generator uses a direct digital synthesizer (DDS). 체성분 분석 장치에 있어서,
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생장치,
상기 신호발생장치에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배기,
상기 변조신호가 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원,
상기 다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유 및 측정용 프로브를 통해 생체조직으로 조사된 후, 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 입사된 것을 전기신호로 변환하는 광수신장치, 및
상기 광수신장치에서 수신된 광신호를 증폭한 후, 복조기(demodulator)에 의해 실수(real)와 허수(imaginary)를 산출 후 진폭 및 크기를 측정하는 신호크기 및 위상 측정장치를 포함하되,
상기 신호분배기와 상기 가변감쇄기 사이에 제1증폭기를 포함하고, 상기 측정용 프로브와 상기 신호크기 및 위상 측정장치 사이에 제2증폭기를 포함하여 이루어진 호모다인 기반 체성분 분석 장치.A body composition analyzer comprising:
A signal generator controlled by a signal processor to generate a signal having a frequency,
A signal distributor for distributing a signal generated by the signal generator to a reference signal and a modulation signal,
A multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a variable attenuator and a laser driving circuit,
An optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a biological tissue through an optical fiber and a measurement probe, and after absorption and scattering processes are repeated in the biological tissue, the optical signal is converted into an electrical signal Device, and
And a signal magnitude and phase measuring device for amplifying the optical signal received by the optical receiver and calculating real and imaginary values by a demodulator and then measuring amplitude and magnitude thereof,
And a second amplifier between the measurement probe and the signal magnitude and phase measuring device, the first amplifier including a first amplifier between the signal distributor and the variable attenuator. 제17항에 있어서,
상기 생체조직은 정상체중과 비만환자 각각의 지방세포를 대상으로 광산란 차이를 비교하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the biomedical tissue compares differences in light scattering among fat cells of normal body weight and obesity patients. 제18항에 있어서,
상기 광산란 차이는 상기 지방세포의 크기 차이로부터 비롯된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.19. The method of claim 18,
Wherein the difference in light scattering results from a difference in size of the adipocytes. 삭제delete 삭제delete 제17항에 있어서,
상기 측정용 프로브에는 상기 광수신장치를 구성하는 아발란치 포토다이오드의 온도를 측정하기 위한 온도센서 및 상기 온도에 따라 자동으로 상기 아발란치 포토다이오드의 출력을 일정하게 해주는 온도보상회로가 형성된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
The measurement probe includes a temperature sensor for measuring the temperature of the avalanche photodiode constituting the optical receiver and a temperature compensation circuit for automatically setting the output of the avalanche photodiode according to the temperature Characterized by homodyne-based body composition analyzing apparatus. 제17항에 있어서,
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 상기 기준신호와 상기 제2증폭기의 출력 신호를 비교하여 크기변화와 위상변화를 측정 시, 상기 광원에 인가된 변조 주파수 및 상기 광수신장치에 입력된 변조 주파수를 별도의 주파수 변환 없이 비교 측정하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
The apparatus for measuring a signal size and phase may be configured to compare a modulation frequency applied to the light source and a modulation frequency inputted to the optical receiver when the size change and the phase change are measured by comparing the reference signal and the output signal of the second amplifier Wherein the comparative measurement is performed without frequency conversion of the homodyne-based body composition analyzer. 제23항에 있어서,
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 위상검출기를 포함하는 것인 호모다인 기반 체성분 분석 장치.24. The method of claim 23,
Wherein the signal magnitude and phase measurement device comprises a phase detector. 제24항에 있어서,
상기 신호크기 및 위상 측정장치는 복조기(demodulator)를 이용해 측정하거나, 아날로그/디지털 변환기 (ADC: Analogue to Digital Converter)와 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA: Field Programmable Gate Array)를 이용해 측정하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.25. The method of claim 24,
The signal magnitude and phase measuring apparatus may be measured using a demodulator or an analog to digital converter (ADC) and a field programmable gate array (FPGA). Homodyne based body composition analyzer. 제17항에 있어서,
상기 가변감쇄기는 상기 변조신호의 크기를 가변시키는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the variable attenuator varies the magnitude of the modulated signal. 삭제delete 제17항에 있어서,
상기 신호발생장치는 주파수를 가변시키기 위해 2개의 신호발생기가 적용된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the signal generator comprises two signal generators for varying the frequency. 삭제delete 제17항에 있어서,
상기 주파수는 하모닉 성분 없는 단일 주파수 성분의 신호를 만드는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the frequency is a signal of a single frequency component without a harmonic component. 제17항에 있어서,
상기 신호발생장치는 기본 주파수를 가변할 수 있는 제1신호발생기와 고정 주파수가 발생하는 제2신호발생기로 이루어진 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the signal generator comprises a first signal generator capable of varying a fundamental frequency and a second signal generator generating a fixed frequency. 제17항에 있어서,
상기 신호발생장치는 직접 디지털 신디사이저(DDS: Direct Digital Synthesizer)를 사용하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 장치.18. The method of claim 17,
Wherein the signal generator uses a direct digital synthesizer (DDS). 체성분 분석방법에 있어서,
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생단계; 상기 신호발생단계에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배단계;
상기 변조신호가 제1 증폭기, 가변감쇄기 및 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원에 의한 출력단계;
상기 다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 생체조직으로 조사된 후, 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 광수신장치로 입사되어 전기신호로 변환되는 광수신단계;
신호분배기를 통해 상기 기준신호 대비 상기 광수신단계의 출력 신호를 제2 증폭기로 증폭한 신호의 신호크기 및 위상 측정단계로 이루어진 호모다인 기반 체성분 분석 방법.In the body composition analysis method,
A signal generating step of generating a signal having a frequency controlled by a signal processing unit; A signal distribution step in which the signal generated in the signal generation step is distributed to a reference signal and a modulation signal;
Outputting the modulated signal by a multi-wavelength laser diode light source through which a first amplifier, a variable attenuator, and a laser driving circuit are connected;
Wherein the optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a living tissue through an optical fiber, and then absorbed and scattered in the living tissue are repeated, ;
And measuring a signal magnitude and a phase of a signal obtained by amplifying the output signal of the light receiving step with respect to the reference signal with a second amplifier through a signal distributor. 제33항에 있어서,
상기 생체조직은 정상체중과 비만환자 각각의 지방세포를 대상으로 광산란 차이를 비교하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 방법.34. The method of claim 33,
Wherein the biomedical tissue compares light scattering differences between normal and obese adipocytes. 제34항에 있어서,
상기 광산란 차이는 상기 지방세포의 크기 차이로부터 비롯된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 방법.35. The method of claim 34,
Wherein the difference in light scattering results from a difference in size of the adipocyte. 체성분 분석방법에 있어서,
주파수를 가진 신호를 발생하도록 신호처리부에 의해 제어되는 신호발생단계; 상기 신호발생단계에서 발생된 신호가 기준신호와 변조신호로 분배되는 신호분배단계;
상기 변조신호가 제1 증폭기, 가변감쇄기와 레이저구동회로를 통해 전달되는 다파장 레이저다이오드 광원에 의한 출력단계;
상기 다파장 레이저다이오드 광원으로부터 출력된 광신호가 광섬유를 통해 생체조직으로 조사된 후, 상기 생체조직 내에서 흡수와 산란이 반복된 과정을 거친 후 광수신장치로 입사되어 전기신호로 변환되는 광수신단계;
상기 광수신단계의 출력 신호를 제2 증폭기로 증폭한 후, 복조(demodulator)에 의해 실수(real)와 허수(imaginary)를 산출해 진폭 및 크기를 측정하는 신호크기 및 위상 측정단계로 이루어진 호모다인 기반 체성분 분석 방법.In the body composition analysis method,
A signal generating step of generating a signal having a frequency controlled by a signal processing unit; A signal distribution step in which the signal generated in the signal generation step is distributed to a reference signal and a modulation signal;
An output step of the multi-wavelength laser diode light source in which the modulated signal is transmitted through a first amplifier, a variable attenuator and a laser driving circuit;
Wherein the optical signal output from the multi-wavelength laser diode light source is irradiated to a living tissue through an optical fiber, and then absorbed and scattered in the living tissue are repeated, ;
A step of amplifying an output signal of the light receiving step with a second amplifier and then calculating a real and an imaginary by a demodulator to measure an amplitude and a magnitude, Based body composition analysis method. 제36항에 있어서,
상기 생체조직은 정상체중과 비만환자 각각의 지방세포를 대상으로 광산란 차이를 비교하는 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 방법.37. The method of claim 36,
Wherein the biomedical tissue compares light scattering differences between normal and obese adipocytes. 제37항에 있어서,
상기 광산란 차이는 상기 지방세포의 크기 차이로부터 비롯된 것을 특징으로 하는 호모다인 기반 체성분 분석 방법.39. The method of claim 37,
Wherein the difference in light scattering results from a difference in size of the adipocyte.

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