KR20100096361A - Implantable optical bio sensor and optical body monitoring system including the same - Google Patents

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김동현
마경재
이원주
이명호
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

PURPOSE: An implantable optical bio sensor and an optical body monitoring system therewith are provided to accurately measure blood component concentration by directly analyzing blood. CONSTITUTION: An implantable optical bio sensor comprises a light source unit(110), a measuring unit(120), a light receiving unit(130), a signal converting unit, and a transmission unit. The measuring unit irradiates light supplied from the light source unit to blood, and transfers the blood to the light receiving unit. The light receiving unit detects the light through the blood. The signal converting unit converts a signal transferred from the light receiving unit into an electric signal. The transmission unit transfers a value measured from the light receiving unit to an external measuring module.

Description

체내 이식형 광학 바이오 센서 및 이를 포함하는 광학 생체 모니터링 시스템 {IMPLANTABLE OPTICAL BIO SENSOR AND OPTICAL BODY MONITORING SYSTEM INCLUDING THE SAME}Implantable optical biosensor and optical biomonitoring system including same {IMPLANTABLE OPTICAL BIO SENSOR AND OPTICAL BODY MONITORING SYSTEM INCLUDING THE SAME}

본 발명은 체내 이식형 광학 바이오 센서 및 이를 포함하는 광학 생체 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체내에서 광학적인 측정 방법을 이용하여 혈액을 직접 분석함으로써 측정 대상물의 형태에 영향을 받지 않고 정확하게 혈액 구성 물질의 농도를 측정할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다. The present invention relates to an implantable optical biosensor in the body and an optical biomonitoring system including the same, and more particularly, by directly analyzing the blood using an optical measuring method in the body, the blood is accurately affected without being affected by the shape of the measurement object. It relates to a technology that allows the concentration of constituent materials to be measured.

건강에 대한 관심이 높아짐에 따라, 혈당, 헤모글로빈 또는 콜레스테롤 수치 등과 같이 혈액 구성 물질의 농도를 측정하기 위한 장치들이 널리 사용되고 있다. 종래의 생체 모니터링 시스템은 크게 침습성 방식과 비침습성 방식으로 나뉘어질 수 있다. As health concerns increase, devices for measuring the concentration of blood components, such as blood sugar, hemoglobin or cholesterol levels, are becoming widely used. Conventional biometric monitoring systems can be largely divided into invasive and non-invasive manner.

침습성 방식의 생체 모니터링 시스템은 채혈 방식, 즉, 피부를 직접 관통함으로써 채취된 소량의 혈액에서의 혈중 성분 농도를 측정한다. 그러나, 이러한 채 혈 방식은 혈액 채취 시기마다 상당한 고통이 따르고 감염의 우려가 존재한다.Invasive biometric monitoring systems measure blood component concentrations, ie, blood component concentrations in small amounts of blood collected by penetrating the skin directly. However, this method of blood collection involves considerable pain and blood infections at each blood collection time.

이러한 이유로, 혈중 성분의 무채혈 측정에 대한 요구가 광범위하게 일고 있으며, 이에 따라 채혈 없이 간편하게 혈액 구성 물질의 농도를 측정하기 위한 비침습성 방식의 생체 모니터링 시스템에 대한 연구가 이루어지고 있다.For this reason, there is a widespread demand for bloodless measurement of blood components, and thus research into a non-invasive biomonitoring system for easily measuring the concentration of blood components without blood collection is being conducted.

이와 같은 비침습성 방식의 생체 모니터링 시스템으로 광학을 이용한 생체 모니터링 시스템을 들 수 있다. 종래의 광학 생체 모니터링 시스템은 무채혈 방식이라는 점에서 큰 장점이 있으나, 광학적으로 측정되는 반사, 투과, 간섭 등의 결과값들이 측정 대상물의 형태에 의존한다는 문제가 있다.Such a non-invasive biometric monitoring system includes a biometric monitoring system using optical. The conventional optical biomonitoring system has a great advantage in that it is a bloodless method, but there is a problem in that the results of optical measurement, reflection, transmission, interference, etc. depend on the shape of the measurement object.

다시 말해, 광학을 이용한 혈중 성분 측정의 경우, 피부에 투과된 광원이 수광부에서 수집될 때, 피부 각 부위의 신호들이 동시다발적으로 수집되고, 혈액의 정보뿐만 아니라 각종 조직들의 정보들이 모두 수집된다. 따라서, 측정값이 측정 대상물의 형태의 영향을 받게 되며, 불필요한 정보들 사이에서 원하는 값만을 정확하게 도출해 내는 것에 어려움이 있어 도출해 낸 결과값의 신뢰성이 떨어진다.In other words, in the case of measurement of blood components using optics, when light sources transmitted through the skin are collected at the light receiving unit, signals of various parts of the skin are simultaneously collected, and information of various tissues as well as blood information are collected. . Therefore, the measured value is affected by the shape of the object to be measured, and it is difficult to accurately derive only the desired value among the unnecessary information, so that the reliability of the resulting value is inferior.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 체내에서 광학적인 측정 방법을 이용하여 혈액을 직접 분석함으로써 측정 대상물의 형태에 영향을 받지 않고 정확하게 혈중 성분 농도를 측정할 수 있는 체내 이식형 광학 바이오 센서 및 이를 포함하는 광학 생체 모니터링 시스템을 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by directly analyzing the blood in the body by using an optical measurement method in the body that can accurately measure blood component concentration without being affected by the shape of the object to be measured. An implantable optical biosensor and an optical biomonitoring system including the same are provided.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서는, 광원을 제공하는 광원부; 상기 광원부에 의해 제공된 광이 측정 대상인 혈액에 조사되도록 하고 혈액을 투과한 광을 수광부로 전달하는 측정부; 상기 측정부에서 혈액을 투과한 광을 검출하는 수광부; 상기 수광부로부터 전달된 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 체외 측정 모듈과 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 상기 수광부에 의한 측정값을 상기 체외 측정 모듈로 전송하는 송신부를 포함한다.Intra-body implantable optical biosensor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the light source unit for providing a light source; A measuring unit which causes the light provided by the light source unit to be irradiated to the blood to be measured and transmits the light transmitted through the blood to the light receiving unit; A light receiving unit which detects light transmitted through the blood in the measuring unit; A signal converter converting the signal transmitted from the light receiver into an electrical signal; And a transmission unit which communicates with the in vitro measurement module in an RF wireless communication manner and transmits the measured value by the light receiver to the in vitro measurement module.

상기 광원부는 레이저 다이오드 또는 LED로 구현되며, 600 nm 내지 3500nm의 파장 대역의 광원을 제공하는 것이 바람직하다.The light source unit is implemented by a laser diode or an LED, and preferably provides a light source having a wavelength band of 600 nm to 3500 nm.

상기 측정부는, 측정 대상인 혈액이 흐르는 길을 제공하는 혈액 유도관; 및 상기 혈액 유도관의 양 말단에 각각 직렬로 연결되어 상기 측정부에 조사된 광을 가이드하는 두 개의 광섬유를 포함하고, 상기 두 개의 광섬유 각각의 말단에 부착되는 집광용 GRIN 렌즈를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 혈액 유도관의 도입부에 측정 대상인 혈액을 상기 혈액 유도관으로 주입하기 위한 혈액펌프장치가 장착될 수 있다.The measuring unit may include a blood induction tube providing a path through which blood to be measured flows; And two optical fibers connected in series to both ends of the blood induction tube to guide the light irradiated to the measurement unit, and further comprising a condensing GRIN lens attached to each of the two optical fibers. have. In addition, a blood pump device for injecting the blood to be measured into the blood guide tube in the introduction portion of the blood guide tube may be mounted.

상기 송신부는, 상기 신호 변환부로부터 전기적 신호로 변환된 측정값을 전달받아 RF 무선 통신을 위한 주파수를 갖는 펄스를 생성하여 출력하는 전압 제어 발진기; 상기 전압 제어 발진기에서 출력된 펄스를 전달받아 RF 무선 통신을 위한 아날로그 무선 신호를 생성하는 RF 송신단; 및 상기 RF 송신단에서 생성된 아날로그 무선 신호를 송출하는 송신 안테나를 포함한다.The transmitter may include: a voltage controlled oscillator configured to receive a measured value converted into an electrical signal from the signal converter and to generate and output a pulse having a frequency for RF wireless communication; An RF transmitter for receiving an pulse output from the voltage controlled oscillator and generating an analog radio signal for RF radio communication; And a transmission antenna for transmitting an analog radio signal generated by the RF transmitter.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 광학 생체 모니터링 시스템은, 광원을 제공하는 광원부; 상기 광원부에 의해 제공된 광이 측정 대상인 혈액에 조사되도록 하고 혈액을 투과한 광을 수광부로 전달하는 측정부; 상기 측정부에서 혈액을 투과한 광을 검출하는 수광부; 상기 수광부로부터 전달된 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 체외 측정 모듈과 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 상기 수광부에 의한 측정값을 상기 체외 측정 모듈로 전송하는 송신부를 포함하는 체내 이식형 광학 바이오 센서와, 상기 광학 바이오 센서로부터 수신한 상기 측정값을 이용하여 혈중 성분 농도를 산출하는 체외 측정 모듈을 포함한다.On the other hand, the optical biological monitoring system according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the light source unit for providing a light source; A measuring unit which causes the light provided by the light source unit to be irradiated to the blood to be measured and transmits the light transmitted through the blood to the light receiving unit; A light receiving unit which detects light transmitted through the blood in the measuring unit; A signal converter converting the signal transmitted from the light receiver into an electrical signal; And an in vivo implantable optical biosensor comprising a transmitter for communicating with an in vitro measurement module via an RF wireless communication method and transmitting a measurement value by the light receiver to the in vitro measurement module, and the measured value received from the optical biosensor. And an in vitro measurement module for calculating blood component concentrations.

상기 체외 측정 모듈은, 상기 체내 이식형 광학 바이오 센서와 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 상기 체내 이식형 광학 바이오 센서의 측정값을 수신하는 수신부; 상기 수신부로부터 전달받은 아날로그 신호를 전기적 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및 상기 A/D 변환부로부터 전달받은 전기적 신호를 분석하여 혈중 성분 농도를 산출하는 농도 산출부를 포함한다.The extracorporeal measurement module may include a receiver configured to communicate with the implantable optical biosensor in an RF wireless communication manner to receive a measured value of the implantable optical biosensor; An A / D converter converting the analog signal received from the receiver into an electrical signal; And a concentration calculator for analyzing the electrical signal received from the A / D converter to calculate blood component concentrations.

바람직하게는, 상기 체외 측정 모듈은, 혈중 성분 농도에 따른 광의 파장 또는 광학 파워에 대한 데이터가 저장된 저장부를 더 포함하며, 상기 농도 산출부는 상기 A/D 변환부로부터 전달받은 전기적 신호를 분석하여 광의 파장 또는 광학 파워 값을 획득하고, 상기 저장부에 저장된 데이터와 비교하여 획득된 광의 파장 또는 광학 파워 값에 대응하는 혈중 성분 농도를 산출한다.Preferably, the extracorporeal measurement module further includes a storage unit in which data on wavelength or optical power of light according to blood component concentration is stored, and the concentration calculating unit analyzes an electrical signal transmitted from the A / D converter to determine light A wavelength or optical power value is obtained, and the blood component concentration corresponding to the wavelength or optical power value of the obtained light is calculated by comparing the data stored in the storage unit.

또한, 상기 체외 측정 모듈은, 상기 농도 산출부에 의해 산출된 혈중 성분 농도를 사용자에게 알려주기 위한 표시부를 더 포함할 수 있다.In addition, the in vitro measurement module may further include a display unit for informing the user of the blood component concentration calculated by the concentration calculator.

상기 수신부는, 상기 체내 이식형 광학 바이오 센서로부터 송출된 아날로그 무선 신호를 수신하는 수신 안테나; 상기 수신 안테나로부터 전달받은 아날로그 무선 신호의 잡음을 최소화하고 증폭시키는 RF 수신단; 및 상기 RF 수신단으로부터 전달받은 아날로그 신호를 복조하는 복조부를 포함한다.The receiving unit includes a receiving antenna for receiving an analog wireless signal transmitted from the implantable optical biosensor; An RF receiver for minimizing and amplifying noise of an analog radio signal received from the reception antenna; And a demodulator for demodulating the analog signal received from the RF receiver.

본 발명에 의하면, 체내에서 광학적인 측정 방법을 이용하여 혈액을 직접 분석함으로써 측정 대상물의 형태에 영향을 받지 않고 정확하게 혈중 성분 농도를 측정할 수 있다. According to the present invention, by directly analyzing blood using an optical measuring method in the body, blood component concentration can be accurately measured without being influenced by the shape of the object to be measured.

또한, 본 발명에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서는 현재 개발되고 있는 체내 이식 모듈에 추가적인 모듈로 개발 가능하므로, 신체의 건강 상태를 측정 및 관리하기 위한 복합 바이오 센서의 일 구성요소로 널리 활용될 수 있다.In addition, since the implantable optical biosensor according to the present invention can be developed as an additional module to the implanted module currently being developed, it can be widely used as a component of a complex biosensor for measuring and managing the health state of the body. have.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. However, in describing the preferred embodiment of the present invention in detail, if it is determined that the detailed description of the related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. In addition, in the entire specification, when a part is referred to as being 'connected' to another part, it may be referred to as 'indirectly connected' not only with 'directly connected' . Also, to "include" an element means that it may include other elements, rather than excluding other elements, unless specifically stated otherwise.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 생체 모니터링 시스템의 개략도이다. 본 발명에 의한 광학 생체 모니터링 시스템은 인체 내부에 이식되어 체내에서 광학적인 방법으로 혈중 성분 농도를 측정하는 체내 이식형 광학 바이오 센서(100) 및 체내 이식형 광학 바이오 센서(100)와 통신하여 수신한 측정값으로부터 혈중 성분 농도를 산출하여 사용자에게 알려주는 체외 측정 모듈(200)을 포함하여 구성된다.1 is a schematic diagram of an optical biometric monitoring system according to an embodiment of the present invention. The optical biological monitoring system according to the present invention is implanted into the human body and received by communicating with the implantable optical biosensor 100 and the implantable optical biosensor 100 for measuring the concentration of blood components in an optical method in the body. It is configured to include an extracorporeal measurement module 200 to inform the user by calculating the concentration of blood components from the measured value.

광학적인 방법으로 혈중 성분을 측정하는 경우, 광원에서 조사되어 측정하고자 하는 물질을 투과한 광을 측정하는 방식과 측정하고자 하는 물질에서 반사되어 되돌아오는 광을 측정하는 방식이 있다. 본 발명에서는, 산란 효과를 줄이고 측정값의 정확도를 높이기 위해 반사 방식이 아닌 투과 방식을 이용하여 혈중 성분을 측정한다.In the case of measuring blood components by an optical method, there are a method of measuring light transmitted through a material to be measured by a light source and a method of measuring light reflected from a material to be measured and returned. In the present invention, in order to reduce the scattering effect and increase the accuracy of the measurement value, blood components are measured using a transmission method rather than a reflection method.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 의한 광학 생체 모니터링 시스템을 구성하는 체내 이식형 광학 바이오 센서(100) 및 체외 측정 모듈(200)에 대해서 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the implantable optical biosensor 100 and the in vitro measurement module 200 constituting the optical biomonitoring system according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 2 to 6.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서의 구성도로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서(100)는 광원부(110), 측정부(120), 수광부(130), 신호 변환부(140) 및 송신부(150)를 포함하여 이루어진다.2 is a block diagram of the implantable optical biosensor according to an embodiment of the present invention, the implantable optical biosensor 100 according to an embodiment of the present invention is a light source unit 110, the measuring unit 120 And a light receiver 130, a signal converter 140, and a transmitter 150.

광원부(110)는 체내에서 광학적인 방법을 이용하여 혈중 성분을 측정하기 위한 광원을 제공한다. 광원부(110)로는 레이저 다이오드 또는 LED가 이용될 수 있다. 광원부(110)는 측정부(120)로 광원을 조사함으로써 수광부(130)에서 혈액을 투과한 광을 검출할 수 있도록 한다.The light source unit 110 provides a light source for measuring blood components in the body using an optical method. As the light source unit 110, a laser diode or an LED may be used. The light source unit 110 may detect the light transmitted through the blood in the light receiving unit 130 by irradiating the light source to the measuring unit 120.

광원부(110)는 혈액 구성 물질 중 측정하고자 하는 물질에 따라, 측정 대상 물질과 상관성이 높은 광원의 파장 대역을 선택함으로써, 각종 혈액 구성 물질의 농도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 혈당량을 측정하기 위해서는, 광원부(110)에서 조사되는 광원의 파장 대역은 600 nm 내지 3500nm인 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서를 이용하여 측정 가능한 혈액 구성 물질로는, 백혈구수, 적혈구수, 혈소판수, 헤마토크리드치, 콜레스테롤, 헤모글로빈, 당화헤모글로빈, 젖산, 혈중 수소, 나트륨, 칼슘, 이산화탄소, 산소의 농도와 pH 등이 있다. 이와 같은 혈액 구성 물질 중에, 특히, 지속적인 관리와 모니터링이 요구되는 혈당, 헤모글로빈, 콜레스테롤 수치 등이 주요한 측정 대상이 될 수 있다.The light source unit 110 may measure concentrations of various blood component materials by selecting a wavelength band of a light source having a high correlation with a substance to be measured, according to a substance to be measured among blood components. For example, in order to measure the blood glucose level, the wavelength band of the light source irradiated from the light source unit 110 is preferably 600 nm to 3500 nm. In addition, blood components that can be measured using the implantable optical biosensor according to the present invention include leukocyte count, erythrocyte count, platelet count, hematocrit, cholesterol, hemoglobin, glycated hemoglobin, lactic acid, blood hydrogen, sodium , Calcium, carbon dioxide and oxygen concentrations and pH. Among such blood components, blood glucose, hemoglobin, cholesterol, etc., which require continuous management and monitoring, may be the main measurement targets.

측정부(120)는 측정대상이 되는 혈액에 광원부(110)로부터 제공된 광을 조사하고 혈액을 투과한 광이 수광부(130)로 전달될 수 있도록 한다.The measuring unit 120 irradiates the light provided from the light source unit 110 to the blood to be measured and transmits the light transmitted through the blood to the light receiving unit 130.

도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 측정부(120)는 혈액 유도관 (124)과 혈액 유도관(124)의 양 말단에 각각 직렬로 연결된 2 개의 광섬유(121, 125)를 포함하여 구성된다. 추가적으로, 각각의 광섬유(121, 125)의 말단에는 GRIN 렌즈(122, 126)가 부착되고, 혈액 유도관(124)의 도입부에는 혈액펌프 장치(123)가 장착되는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 3, the measurement unit 120 includes two optical fibers 121 and 125 connected in series to both ends of the blood induction tube 124 and the blood induction tube 124, respectively. do. In addition, it is preferable that GRIN lenses 122 and 126 are attached to ends of the optical fibers 121 and 125, and a blood pump device 123 is mounted to an introduction portion of the blood guide tube 124.

혈액 유도관(124)은 측정부(120) 내에서 혈액이 흐르는 길을 제공하는 관으로, 혈액 유도관(124)의 내부는 빛을 반사시키는 광 반사막으로 이루어지는 것이 바람직하다. Blood guide tube 124 is a tube that provides a way for the blood flow in the measurement unit 120, the inside of the blood guide tube 124 is preferably made of a light reflecting film that reflects light.

광 반사막은 혈액 유도관(124) 내부의 광을 반사시킬 수 있어야 하므로 높은 반사계수를 얻을 수 있도록 금속박막 공정 및 산화막 성장 과정을 통해 제조되는 것이 바람직하다. 광 반사막은 각종 금속 박막재료와 SiO2, TiO2 등이 혼합된 재질로 구성될 수 있으며, 인체 내부에서 이용되기에 적합한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.Since the light reflecting film should be able to reflect the light inside the blood induction tube 124, the light reflecting film is preferably manufactured through a metal thin film process and an oxide film growing process to obtain a high reflection coefficient. The light reflection film may be made of a material in which various metal thin film materials, SiO 2 , TiO 2, and the like are mixed, and preferably made of a material suitable for use in the human body.

혈액 유도관(124)의 양 말단에는 광섬유(121, 125)가 하나씩 연결되는데, 광원부(110)에 연결된 것은 광원전달 광섬유(121)에 해당하고, 수광부(130)에 연결된 것은 반사광원수집 광섬유(125)에 해당한다. 이때, 광섬유(121, 125)는 고 굴절률의 코어(core)와 저 굴절률의 클래딩(cladding)으로 구성되며, 광섬유 (121, 125)에서는 전반사가 일어나면서 빛이 전달된다.Both ends of the blood induction tube 124 are connected to the optical fibers 121 and 125 one by one. The light source unit 110 is connected to the light source transmission optical fiber 121, and the light receiver 130 is connected to the light source collecting optical fiber ( 125). In this case, the optical fibers 121 and 125 are composed of a core having a high refractive index and a cladding having a low refractive index. In the optical fibers 121 and 125, light is transmitted while total reflection occurs.

광원부(110)로부터 조사되는 광은 광원전달 광섬유(121)를 통해 혈액 유도관(124)으로 전달되고, 혈액 유도관(124)을 통과한 광은 반사광원수집 광섬유(125)를 통해 수광부(130)로 전달된다.The light irradiated from the light source unit 110 is transmitted to the blood induction tube 124 through the light source transmission optical fiber 121, and the light passing through the blood induction tube 124 is received through the reflected light source collection optical fiber 125. Is delivered.

광원전달 광섬유(121)와 반사광원수집 광섬유(124)의 말단에는 집광용의 GRIN 렌즈(122, 126)가 부착되는 것이 바람직하다. 이로써, 광원전달 광섬유(121)를 통해 전달된 광이 혈액 유도관(124)에 입사될 때 GRIN 렌즈(122)에 의해 입사광이 한 포인트로 모아져서 입사광의 집중성이 높아지게 된다. 마찬가지로, 반사광원수집 광섬유(125)를 통해 전달된 광이 GRIN 렌즈 (126)에 의해 한 포인트로 모아져서 수광부(130)로 전달되는 광의 집중성이 높아지게 된다.It is preferable that the GRIN lenses 122 and 126 for condensing are attached to the ends of the light source transmission optical fiber 121 and the reflected light source collecting optical fiber 124. As a result, when the light transmitted through the light source optical fiber 121 is incident on the blood guide tube 124, the incident light is collected by the GRIN lens 122 at one point, thereby increasing the concentration of the incident light. Similarly, the light transmitted through the reflected light source collecting optical fiber 125 is collected by the GRIN lens 126 to one point, thereby increasing the concentration of light transmitted to the light receiving unit 130.

한편, 혈액 유도관(124)의 도입부에는 측정대상이 될 혈액을 혈액 유도 관(124)으로 주입하기 위한 혈액펌프장치(123)가 추가로 장착되는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the blood pump device 123 for injecting the blood to be measured to the blood guide tube 124 to the introduction portion of the blood guide tube 124 is additionally mounted.

측정부(120)에 조사된 광의 파장 및 광학 파워는 광이 조사된 혈액의 혈중 성분 농도에 따라서 변화한다. 수광부(130)는 이와 같은 광의 파장 및 광학 파워에 대한 정보를 수집하여 체외 측정 모듈(도 5의 200)로 전달함으로써 혈중 성분 농도를 측정할 수 있도록 한다.The wavelength and the optical power of the light irradiated to the measuring unit 120 change depending on the concentration of blood components of the blood to which the light is irradiated. The light receiver 130 collects information on the wavelength and optical power of the light and transmits the information to the in vitro measurement module (200 of FIG. 5) to measure blood component concentration.

다시 도 2를 참조하면, 수광부(130)는 측정부(120)에서 혈액을 투과한 광을 검출하는 것으로, 포토 디텍터로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 2 again, the light receiving unit 130 detects light transmitted through the blood in the measuring unit 120 and may be implemented as a photo detector.

신호 변환부(140)는 수광부(130)로부터 전달받은 신호를 전기적 신호로 변환하여 송신부(150)로 전달한다.The signal converter 140 converts the signal received from the light receiver 130 into an electrical signal and transmits the signal to the transmitter 150.

송신부(150)는 체외 측정 모듈(도 5의 200)의 수신부(도 5의 210)와 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 체내 이식형 광학 바이오 센서(100)의 측정값을 체외 측정 모듈(200)로 전송한다.The transmitter 150 communicates with the receiver (210 of FIG. 5) of the in vitro measurement module (200 of FIG. 5) in an RF wireless communication manner to transfer the measured value of the implantable optical biosensor 100 to the in vitro measurement module 200. send.

도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 송신부(150)는 전압 제어 발진기(151), RF 송신단(152) 및 송신 안테나(153)를 포함하여 이루어진다.More specifically, referring to FIG. 4, the transmitter 150 includes a voltage controlled oscillator 151, an RF transmitter 152, and a transmitter antenna 153.

전압 제어 발진기(151)는 신호 변환부(140)로부터 전기적 신호로 변환된 측정값을 전달받아 RF 무선 통신을 위한 주파수를 갖는 펄스를 생성하여 출력한다. 체내에서 인체 외부의 장치와 무선 통신을 수행하기 위한 대역폭은 400MHz로서 이는 전세계적으로 통일되어 있다.The voltage controlled oscillator 151 receives the measured value converted into an electrical signal from the signal converter 140 and generates and outputs a pulse having a frequency for RF wireless communication. The bandwidth for performing wireless communication with a device outside the human body in the body is 400 MHz, which is uniform throughout the world.

RF 송신단(152)은 전압 제어 발진기(151)에서 출력된 펄스를 전달받아 RF 무 선 통신을 위한 아날로그 무선 신호를 생성한다.The RF transmitter 152 receives the pulse output from the voltage controlled oscillator 151 and generates an analog radio signal for RF wireless communication.

상술한 과정을 거쳐 생성된 아날로그 무선 신호는 송신 안테나(153)를 통해 체외 측정 모듈(도 5의 200)로 전달된다.The analog radio signal generated through the above-described process is transmitted to the in vitro measurement module (200 of FIG. 5) through the transmission antenna 153.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 체외 측정 모듈의 구성도로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 체외 측정 모듈(200)은 수신부(210), A/D 변환부(220), 농도 산출부(230), 저장부(240) 및 표시부(250)를 포함하여 이루어진다.5 is a configuration diagram of an in vitro measurement module according to an embodiment of the present invention, the in vitro measurement module 200 according to an embodiment of the present invention is a receiver 210, A / D converter 220, concentration calculation The unit 230 includes a storage unit 240, a display unit 250, and a display unit 250.

수신부(210)는 체내 이식형 광학 바이오 센서(도 2의 100)의 송신부 (도 2의 150)와 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 체내 이식형 광학 바이오 센서(도 2의 100)의 측정값을 수신한다.The receiver 210 communicates with a transmitter (150 in FIG. 2) of the implantable optical biosensor 100 (FIG. 2) in an RF wireless communication manner to receive a measurement value of the implantable optical biosensor (100 in FIG. 2). do.

도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 수신부(210)는 수신 안테나 (211), RF 수신단(212) 및 복조부(213)를 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 6, the receiver 210 includes a receiving antenna 211, an RF receiver 212, and a demodulator 213.

수신 안테나(211)는 체내 이식형 광학 바이오 센서(도 2의 100)로부터 송출된 아날로그 무선 신호를 수신하여 RF 수신단(212)으로 전달하고, RF 수신단(212)은 전달받은 아날로그 무선 신호를 잡음을 최소화하고 증폭시켜 복조부(213)로 전달하며, 복조부(213)는 전달받은 아날로그 신호를 복조한다. The receiving antenna 211 receives an analog radio signal transmitted from the implantable optical biosensor 100 (see FIG. 2) and transmits the received analog radio signal to the RF receiver 212, and the RF receiver 212 receives noise from the received analog radio signal. Minimize and amplify and transmit the demodulator 213 to the demodulator 213. The demodulator 213 demodulates the received analog signal.

다시 도 5를 참조하면, A/D 변환부(220)는 수신부(210)로부터 전달받은 아날로그 신호를 전기적 신호로 변환한 후 농도 산출부(230)로 전달한다.Referring to FIG. 5 again, the A / D converter 220 converts the analog signal received from the receiver 210 into an electrical signal and transfers the signal to the concentration calculator 230.

농도 산출부(230)는 전달받은 전기적 신호를 분석하여 혈중 성분 농도를 산출한다. 구체적으로, 농도 산출부(230)는 전기적 신호를 분석하여 획득한 측정값을 저장부(240)에 저장된 데이터와 비교함으로써 상기 측정값에 대응하는 혈중 성분 농도를 산출한다. The concentration calculator 230 calculates the blood component concentration by analyzing the received electrical signal. In detail, the concentration calculator 230 calculates a blood component concentration corresponding to the measured value by comparing the measured value obtained by analyzing the electrical signal with the data stored in the storage 240.

다시 말해, 저장부(240)에는 실험을 통해 얻은 혈중 성분 농도에 따른 광의 파장 또는 광학 파워에 대한 정보에 대한 데이터가 저장되어 있는데, 농도 산출부(230)는 전기적 신호를 분석하여 체내 이식형 광학 바이오 센서(도 2의 100)에서 측정된 광의 파장 또는 광학 파워 값을 획득하고 이를 저장부(240)에 저장된 데이터와 비교하여 측정된 광의 파장 또는 광학 파워 값에 대응하는 혈중 성분 농도를 산출할 수 있다.In other words, the storage unit 240 stores data on information on the wavelength or optical power of light according to the concentration of blood components obtained through experiments. The concentration calculator 230 analyzes an electrical signal to implant the implanted optical body in the body. The wavelength or optical power value of the light measured by the biosensor (100 in FIG. 2) may be obtained and compared with the data stored in the storage unit 240 to calculate the concentration of blood components corresponding to the measured wavelength or optical power value of the light. have.

표시부(250)는 농도 산출부(230)에 의해 산출된 혈중 성분 농도를 사용자에게 알려주기 위한 것으로, 모니터 등의 형태로 구현될 수 있다.The display unit 250 is for informing the user of the blood component concentration calculated by the concentration calculator 230 and may be implemented in the form of a monitor.

도 7은 하트만 용액 내의 혈액 샘플에 광원을 투과시켜 얻은 정보를 분석한 결과를 나타내는 그래프로, 가로축은 혈당량을 세로축은 혈당량에 대한 광학 파워(uW)를 나타낸다.7 is a graph showing the results of analyzing the information obtained by transmitting a light source through a blood sample in the Hartmann solution, the horizontal axis represents the blood glucose level, the vertical axis represents the optical power (uW) to the blood glucose level.

하트만 용액은 혈액과 가장 유사한 성분을 지닌 용액으로, 하트만 용액을 사용하여 실험한 결과를 살펴보면, 약간의 이상치는 존재하나 혈당량에 대한 광학 파워는 선형성을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서에 의한 측정값으로부터 혈당량을 포함하는 혈중 성분 농도를 산출하는 것이 가능하다.Hartman's solution is the solution with the most similar components to blood, and the results of experiments using the Hartman's solution show that there are some outliers but the optical power to blood glucose is linear. Therefore, it is possible to calculate the blood component concentration including the blood glucose amount from the measured value by the implantable optical biosensor according to the present invention.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in accordance with the present invention without departing from the spirit of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광학 생체 모니터링 시스템의 개략도, 1 is a schematic diagram of an optical biometric monitoring system according to an embodiment of the present invention;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 이식형 광학 바이오 센서의 구성도,2 is a block diagram of an implantable optical biosensor according to an embodiment of the present invention;

도 3은 도 2에 도시된 체내 이식형 광학 바이오 센서에 포함되는 측정부의 상세 구성도,3 is a detailed configuration diagram of the measurement unit included in the implantable optical biosensor shown in FIG. 2;

도 4는 도 2에 도시된 체내 이식형 광학 바이오 센서에 포함되는 송신부의 상세 구성도,4 is a detailed configuration diagram of a transmitter included in the implantable optical biosensor shown in FIG. 2;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 체외 측정 모듈의 구성도,5 is a configuration diagram of an in vitro measurement module according to an embodiment of the present invention;

도 6은 도 5에 도시된 체외 측정 모듈에 포함되는 수신부의 상세 구성도, 그리고6 is a detailed configuration diagram of a receiver included in the in vitro measurement module shown in FIG. 5, and

도 7은 하트만 용액 내의 혈액 샘플에 광원을 투과시켜 얻은 정보를 분석한 결과를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the results of analyzing information obtained by transmitting a light source through a blood sample in the Hartmann solution.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* * Description of the symbols for the main parts of the drawings *

100: 체내 이식형 광학 바이오 센서100: implantable optical biosensor

110: 광원부 120: 측정부110: light source unit 120: measuring unit

130: 수광부 140: 신호 변환부130: light receiver 140: signal converter

150: 송신부 200: 체외 측정 모듈150: transmitter 200: in vitro measurement module

210: 수신부 220: A/D 변환부210: receiver 220: A / D converter

230: 농도 산출부 240: 저장부230: concentration calculation unit 240: storage unit

250: 표시부250: display unit

Claims (15)

광원을 제공하는 광원부;A light source unit providing a light source; 상기 광원부에 의해 제공된 광이 측정 대상인 혈액에 조사되도록 하고 혈액을 투과한 광을 수광부로 전달하는 측정부;A measuring unit which causes the light provided by the light source unit to be irradiated to the blood to be measured and transmits the light transmitted through the blood to the light receiving unit; 상기 측정부에서 혈액을 투과한 광을 검출하는 수광부;A light receiving unit which detects light transmitted through the blood in the measuring unit; 상기 수광부로부터 전달된 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및A signal converter converting the signal transmitted from the light receiver into an electrical signal; And 체외 측정 모듈과 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 상기 수광부에 의한 측정값을 상기 체외 측정 모듈로 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.An implantable optical biosensor, comprising: a transmitter configured to communicate with an in vitro measurement module via an RF wireless communication method to transmit the measured value by the light receiver to the in vitro measurement module. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원부는 레이저 다이오드 또는 LED로 구현되는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.The implantable optical biosensor according to claim 1, wherein the light source unit is implemented by a laser diode or an LED. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원부는 혈액 구성 물질 중 측정 대상 물질에 따라 상기 측정 대상 물질과 상관성이 높은 파장 대역의 광원을 제공하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.The light source unit implantable optical biosensor according to claim 1, wherein the light source unit provides a light source having a wavelength band having a high correlation with the measurement target material according to the measurement target material. 제 1 항에 있어서, 상기 측정부는,The method of claim 1, wherein the measuring unit, 측정 대상인 혈액이 흐르는 길을 제공하는 혈액 유도관; 및A blood guide tube providing a path through which blood to be measured flows; And 상기 혈액 유도관의 양 말단에 각각 직렬로 연결되어 상기 측정부에 조사된 광을 가이드하는 두 개의 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.Intra-body implantable optical biosensor, characterized in that it comprises two optical fibers which are connected in series to both ends of the blood induction tube to guide the light irradiated to the measuring unit. 제 4 항에 있어서, 상기 측정부는,The method of claim 4, wherein the measuring unit, 상기 두 개의 광섬유 각각의 말단에 부착되는 집광용 GRIN 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.Intra-body implantable optical biosensor, characterized in that it further comprises a focusing GRIN lens attached to each end of the two optical fibers. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 혈액 유도관의 도입부에 측정 대상인 혈액을 상기 혈액 유도관으로 주입하기 위한 혈액펌프장치가 장착되는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.Intra-body implantable optical biosensor, characterized in that the blood pump device for injecting the blood to be measured to the blood guide tube in the introduction portion of the blood guide tube is mounted. 제 1 항에 있어서, 상기 송신부는,The method of claim 1, wherein the transmitting unit, 상기 신호 변환부로부터 전기적 신호로 변환된 측정값을 전달받아 RF 무선 통신을 위한 주파수를 갖는 펄스를 생성하여 출력하는 전압 제어 발진기;A voltage controlled oscillator receiving the measured value converted into an electrical signal from the signal converter and generating and outputting a pulse having a frequency for RF wireless communication; 상기 전압 제어 발진기에서 출력된 펄스를 전달받아 RF 무선 통신을 위한 아날로그 무선 신호를 생성하는 RF 송신단; 및An RF transmitter for receiving an pulse output from the voltage controlled oscillator and generating an analog radio signal for RF radio communication; And 상기 RF 송신단에서 생성된 아날로그 무선 신호를 송출하는 송신 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 체내 이식형 광학 바이오 센서.Intra-body implantable optical biosensor, characterized in that it comprises a transmission antenna for transmitting an analog radio signal generated by the RF transmitter. 광원을 제공하는 광원부;A light source unit providing a light source; 상기 광원부에 의해 제공된 광이 측정 대상인 혈액에 조사되도록 하고 혈액을 투과한 광을 수광부로 전달하는 측정부;A measuring unit which causes the light provided by the light source unit to be irradiated to the blood to be measured and transmits the light transmitted through the blood to the light receiving unit; 상기 측정부에서 혈액을 투과한 광을 검출하는 수광부;A light receiving unit which detects light transmitted through the blood in the measuring unit; 상기 수광부로부터 전달된 신호를 전기적 신호로 변환하는 신호 변환부; 및A signal converter converting the signal transmitted from the light receiver into an electrical signal; And 체외 측정 모듈과 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 상기 수광부에 의한 측정값을 상기 체외 측정 모듈로 전송하는 송신부를 포함하는 체내 이식형 광학 바이오 센서; 및An implantable optical biosensor comprising a transmitter configured to communicate with an in vitro measurement module in an RF wireless communication manner to transmit a measurement value by the light receiver to the in vitro measurement module; And 상기 광학 바이오 센서로부터 수신한 상기 측정값을 이용하여 혈중 성분 농도를 산출하는 체외 측정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And an in vitro measurement module for calculating blood component concentrations using the measured values received from the optical biosensor. 제 8 항에 있어서, 상기 체외 측정 모듈은,The method of claim 8, wherein the in vitro measurement module, 상기 체내 이식형 광학 바이오 센서와 RF 무선 통신 방식으로 통신하여 상기 체내 이식형 광학 바이오 센서의 측정값을 수신하는 수신부;A receiver configured to communicate with the implantable optical biosensor in an RF wireless communication manner to receive a measured value of the implantable optical biosensor; 상기 수신부로부터 전달받은 아날로그 신호를 전기적 신호로 변환하는 A/D 변환부; 및An A / D converter converting the analog signal received from the receiver into an electrical signal; And 상기 A/D 변환부로부터 전달받은 전기적 신호를 분석하여 혈중 성분 농도를 산출하는 농도 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And a concentration calculator configured to analyze the electrical signal received from the A / D converter and calculate a concentration of blood components. 제 9 항에 있어서, 상기 체외 측정 모듈은,The method of claim 9, wherein the in vitro measurement module, 혈중 성분 농도에 따른 광의 파장 또는 광학 파워에 대한 데이터가 저장된 저장부를 더 포함하며,Further comprising a storage unit for storing data on the wavelength or optical power of the light according to the concentration of blood components, 상기 농도 산출부는 상기 A/D 변환부로부터 전달받은 전기적 신호를 분석하여 광의 파장 또는 광학 파워 값을 획득하고, 상기 저장부에 저장된 데이터와 비교하여 획득된 광의 파장 또는 광학 파워 값에 대응하는 혈중 성분 농도를 산출하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.The concentration calculator acquires a wavelength or optical power value of light by analyzing the electrical signal received from the A / D converter, and compares the component of blood corresponding to the wavelength or optical power value of light obtained by comparing the data stored in the storage unit. Optical bio-monitoring system, characterized in that for calculating the concentration. 제 10 항에 있어서, 상기 체외 측정 모듈은,The method of claim 10, wherein the in vitro measurement module, 상기 농도 산출부에 의해 산출된 혈중 성분 농도를 사용자에게 알려주기 위한 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And a display unit for informing a user of the concentration of blood components calculated by the concentration calculator. 제 9 항에 있어서, 상기 수신부는,The method of claim 9, wherein the receiving unit, 상기 체내 이식형 광학 바이오 센서로부터 송출된 아날로그 무선 신호를 수신하는 수신 안테나;A reception antenna for receiving an analog radio signal transmitted from the implantable optical biosensor; 상기 수신 안테나로부터 전달받은 아날로그 무선 신호의 잡음을 최소화하고 증폭시키는 RF 수신단; 및An RF receiver for minimizing and amplifying noise of an analog radio signal received from the reception antenna; And 상기 RF 수신단으로부터 전달받은 아날로그 신호를 복조하는 복조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And a demodulator for demodulating the analog signal received from the RF receiver. 제 8 항에 있어서, 상기 측정부는,The method of claim 8, wherein the measuring unit, 측정 대상인 혈액이 흐르는 길을 제공하는 혈액 유도관; 및A blood guide tube providing a path through which blood to be measured flows; And 상기 혈액 유도관의 양 말단에 각각 직렬로 연결되어 상기 측정부에 조사된 광을 가이드하는 두 개의 광섬유를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And two optical fibers connected in series to both ends of the blood induction tube to guide the light irradiated to the measurement unit. 제 13 항에 있어서, 상기 측정부는,The method of claim 13, wherein the measuring unit, 상기 두 개의 광섬유 각각의 말단에 부착되는 집광용 GRIN 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And a light collecting GRIN lens attached to each end of each of the two optical fibers. 제 13 항에 있어서,The method of claim 13, 상기 혈액 유도관의 도입부에 측정 대상인 혈액을 상기 혈액 유도관으로 주입하기 위한 혈액펌프장치가 장착되는 것을 특징으로 하는 광학 생체 모니터링 시스템.And a blood pump device for injecting blood to be measured into the blood guide tube at an introduction portion of the blood guide tube.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016148336A1 (en) * 2015-03-16 2016-09-22 울산과학기술원 Apparatus for measuring biomaterial in vivo
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