KR20180002384U - 인간 맥박 파형의 광학 센서 - Google Patents

Abstract

본 실용신안은 의학, 특히 인간 상태의 기능적 진단과 관련이 있으며, 혈류 역학을 조사하는 것을 포함하는 의학적 검사를 수행하는데 사용될 수 있고, 개인 차량 운전의 피로 정도를 모니터링하기 위한 시스템에도 사용될 수 있다. 인간 맥박 파형의 광학 센서는 운동학적으로 연결된 하우징에 구비된 방출기 모듈 및 광 수신기 모듈 및 상기 방출기 모듈 및 상기 광 수신기 모듈로 동시에 연결되는 탄성 요소를 사용하여 상기 방출기 모듈에 대해 상기 광 수신기 모듈을 위치 설정하기 위한 수단을 포함하고, 사람의 피부 표면에 접함으로써 방출기 및 광 수신기의 위치를 보장하면서 상기 방출기에 대해 상기 광 수신기 모듈을 이동시키게 하며; 방출기 홀더 표면의 외부 형상은 사람의 귓바퀴의 아래 부분의 내측 표면에 접하도록 만들어지고, 상기 방출기 홀더는 불투명한 탄성 물질로 만들어지며, 위치 설정 수단은 선형 가이드를 포함하고, 그 축이 상기 방출기 및 광 수신기를 연결하는 광축과 평행하다.

Description

인간 맥박 파형의 광학 센서

본 실용신안은 의학, 특히 인간의 상태의 기능적 진단에 관한 것이고, 혈류 역학(hemodynamic)을 조사하는 것을 포함하는 의학적 검사를 수행하는데 사용될 수 있고, 개인 차량 운전의 피로 정도를 모니터링하기 위한 시스템에도 사용될 수 있다.

인간의 동맥을 통과하는 혈액으로 인해 발생하는 맥박 파형은 상기 인간의 심장 혈관 시스템의 상태에 관한 정보를 전달한다. 이러한 정보는 인체의 적응 능력에 대한 불리한 환경 요인의 영향을 예측하는데 중요하다. 맥박 파형을 기록(register)하는 가장 널리 사용되는 방법 중 하나는 맥파 기록(sphygmography)이다. 이러한 방법은 동맥 바로 위의 영역에서 사람의 피부에 놓인 센서를 사용한다. 맥박 파형은 피부 아래의 동맥 부피의 증가로 인한 센서 이동에 기반한 기계적 또는 광학적 방법을 사용하여 기록된다.

압력 센서(RU2430344, G01L 9/08, 공개 일자 2011.09.27, 공보 27)는 본체, 원형 금속 멤브레인, 셀과 멤브레인 사이의 간격을 가지고 멤브레인과 평행한 결정 홀더의 표면 상에 장착된 디스크형 석영 압전 셀을 포함하고, 상기 디스크형 압전 셀 및 멤브레인의 중심점은 결정 홀더의 종축과 정렬되고, 이의 중심점에서 압전 셀의 표면에 구비된 원형 전극, 바닥 부분, 내측 돌출부 및 내측 홈을 포함하는 금속 베이스, 멤브레인의 외경과 동일한 외경을 갖는 금속 지지 링, 평평한 원통형 헤드를 갖는 리벳(rivet), 이를 관통하는 리벳을 갖는 중앙 개구를 갖는 탄성 평평한 부재, 구형 단부를 갖는 조정 나사를 포함하고, 상기 조정 나사는 상기 금속 베이스의 바닥 부분의 중앙에서 나사 구멍에서 이와 동축으로 나사 결합되며, 상기 구형 단부는 상기 리벳 헤드의 평평한 표면과 접촉하여, 상기 베이스의 내측 돌출부 및 상기 지지 링의 내측 표면 사이의 둘레를 따라 단단히 고정되는 탄성 부재와 결정 홀더 사이에서 고정된 연결부를 형성하고, 상기 지지 링의 하부 표면은 상기 금속 멤브레인을 지지하며, 상기 지지 링의 외부 원통 표면은 베이스의 내측 홈의 표면과 내향 끼워 맞춤식으로 결합되고, 상기 표면은 내측 돌출부에 의해 후자의 바닥 부분에서 깊이가 제한되며, 상기 지지 링 및 상기 베이스 돌출부 표면의 위 및 아래 표면은 상기 결정 홀더 표면과 평행하며, 상기 디스크형 석영 압전 셀은 평평하고, 원형 전극은 상기 멤브레인에 대향하는 상기 압전 셀의 표면 상에 구비되는 것을 특징으로 한다. 센서는 공압 필터(pneumatic filter) 및 서로 연통되는 리엑터 초크(reactor choke)에 의해 형성되고 펠트와 같은 필터 물질로 충진된 베이스의 내측 벽에서 수직 원통형 채널에 의해 개별적으로 형성되는 제1 공압 채널을 포함하고, 리엑터 초크는 작은 직경을 갖는 수평 원통형 채널에 의해 형성되며, 상기 베이스의 측벽에서 수직 원통형 채널에 의해 형성되는 제2 공압 채널을 포함하고, 상기 채널 부분은 필터 물질로 충진되며, 스프링-장착된 보상 밸브를 갖는 수평 원통형 채널은 이의 표면 및 압력 캡을 따라 링 홈을 갖는 실린더에 의해 형성되고, 상기 채널은 서로 연통되며, 여기서 상기 공압 필터의 주입구 및 상기 제2 공압 채널의 주입구가 본체의 주입구 개구와 서로 연결되고, 리엑터 초크 배출구 및 제2 공압 채널의 배출구는 벽에 의해 한정된 부피, 베이스의 바닥 부분 및 내측 멤브레인 표면과 서로 연결되며, 상기 부피는 센서가 초기 위치로 복귀될 때 보상 밸브에 의해 제2 공압 채널을 통하여 본체의 주입구 개구와 서로 연결되는 것을 특징으로 한다. 압전 센서는 팔뚝 위에 위치한 폐쇄 커프(occlusive cuff)를 사용하여 맥파 기록 검사에 사용된다.

접촉 센서 이외에, 비접촉식 맥박 파형 센서도 당업계에 공지되어 있다. 공보(DA Usanov, AV Skripal, EO Kaschavtsev, "Determining Pulse Waveform Based on a Semiconductor Laser Autodyne Signal", Letters to Technical Physics Journal, 2013, vol. 39, B.5, pp 82-87)에 개시된 것은 회절-한계 단일 공간 모드 및 654nm의 복사 파장을 갖는 양자-크기 InGaAlP 구조체의 레이저 다이오드, 레이저에 전력을 공급하기 위한 안정화된 전류 공급원, 및 레이저의 출력 생성을 측정하기 위한 광 검출기를 포함하는 반도체 레이저 오토다인(autodyne)에 의해 형성된 센서이다. 상기 센서를 사용하여 혈압 검사를 수행할 때, 레이저 방사는 요골 동맥(radial artery)이 피부 표면에 더 가까이 있는 손목 부위의 피부 표면으로 향해야 한다. 피부 표면으로부터 반사된 방사선의 일부는 레이저 공진기로 되돌아가서 맥박 파형이 동맥을 따라 통과할 때 레이저 파워 생성을 변화시킨다. 레이저 파워 생성에서의 변화는 광 검출기를 사용하여 기록하고, 이의 출력 신호는 데이터 처리 및 저장 시스템으로 보내진다.

상기 종래 기술 장치의 단점은 구조적 복잡성 및 장기 심혈관 시스템 모니터링 세션 동안 착용할 수 있는 사용에 대한 부적합성, 특히 차량 운전자의 근무 중 모니터링에 대한 부적합성을 포함한다.

혈액 산소 농도를 측정하는 것을 포함하여, 인간 심장 혈관 시스템의 생리학적 파라미터를 모니터링하기 위해 사용되는 다수의 센서가 당업계에 공지되어있다; 이러한 센서는 구조적으로 간단하고 착용할 수 있다. 이러한 센서는 예를 들어, 다음의 특허들에서 개시되어 있다: 2007년 8월 28일 공개된 미국 특허 제7263396호, A61B 5/00; 2013년 9월 10일에 공개된 미국 특허 제8532729호, A61B 5/1455; 2013년 11월 19일에 공개된 미국 특허 제858888호, A61B 5/1455. 구조적으로 이러한 센서는 귀 영역, 주로 귓불에서 인체에 기계적으로 부착되도록 구성된 이어 클립(earclip)이다. 이러한 센서는 방사선 공급원 및 광 수신기를 포함하여 혈관이 풍부한 생체 조직의 광학 투과성을 측정하고 혈중 산소 농도를 기록할 수 있다.

본 발명의 실용 신안을 위한 종래 기술의 해결책은 운동학적으로 연결된 하우징에 위치하는 방출기 모듈 및 광 수신기 모듈을 포함하는 착용식 생체 센서(2012년 7월 24일에 공개된 미국 특허 제8229532호, A61B 5/1455)이고, 상기 광 수신기 모듈의 출력은 상기 센서의 출력이며, 상기 센서는 상기 방출기 모듈에 대해 광 수신기 모듈을 위치시키는 수단을 더 포함하고, 상기 수단은 상기 방출기 모듈 및 상기 광 수신기 모듈 모두에 연결되며, 귓바퀴 영역에서 사람의 피부 표면에 접함으로써 이의 위치를 확보하면서 상기 방출기 모듈에 대해 상기 광 수신기 모듈을 바꾸게 하는 탄성 요소(resilient element)를 포함한다.

종래 기술의 해결책의 주된 결점은 맥박 파형을 기록하는데 있어서 정확도가 낮다는 것이다.

구조가 단순하다는 인식에도 불구하고, 착용식 산소 측정 센서는 가장 복잡한 진단 작업을 수행하는 자격을 갖춘(full-fledged) 장치이다. 환자의 건강(경우에 따라 이들의 수명)은 이러한 센서 측정값(reading)의 정확도에 좌우된다. 혈액 중의 산호헤모글로빈의 함량 비율을 평가하기 위한 비-침습적인 진단 방법을 수행하기 위한 다양한 장치를 이용하는 특수성이 D.A. Rogatkin, "Physical basics of optical oxymetry", Medical Physics, 2012, issue 2, pp. 97-114에 상세히 기술되어 있다. 광학 산소 측정기(oxymeters)의 개발 및 생산을 위한 기술적 요구 사항은 국제 표준 간행물 ISO 9919:2011, 의료 전기 장비 -- 의료용 맥박 산소 측정기 장비의 기본 안전 및 필수 성능에 대한 특정 요구 사항에 설명되어 있다.

착용식 광 맥박 파형 센서에 의해 측정된 혈압 측정 및 산소 미터법 측정의 높은 정확성 요구 사항에 따라, 광범위한 기후 조건 및 외부 조명 조건에서 장치를 장시간 착용한 상태에서 모니터링되는 사람의 신체에 부착하는 보안성 불편함을 최소화하면서 다음과 같이 많은 요구 사항을 요약할 수 있다:

· 센서 구조는 가능한 모세혈관의 농도를 최대한 높이면서 의류에 우발적으로 접촉하지 않는 인체 부위에 부착할 수 있어야 한다;

· 신체에 센서를 부착하는 것은 사람의 움직임으로 인해 부주의한 이동 없이 가능한 한 안전해야하며, 부착 영역에서의 주면 혈액 순환을 방해하거나 장애로 인해 약간의 불편함을 피할 수 있어야 한다. 센서 무게는 최소화되어야 한다;

· 센서 구조는 외부 공급원에 의한 광 수신기 노출의 영향을 가능한 한 많이 배제하거나 낮춰야하며, 가능한 한 높은 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)를 제공해야 한다;

· 인체에 센서를 고정시키는 수단은 수신된 데이터에 대한 장치 교정 파라미터 변수 또는 데이터 분석 방법을 변경하지 않고 조사 대상자의 개별적인 생리 특수성에 방출기 및 수신기 위치를 적용시키기 위해 제공되어야 한다.

본 실용신안의 목적은 신호 대 잡음비 값의 증가에 대한 기술적 결과를 달성함으로써 맥박 파형을 기록하고, 인간의 혈류역학 파라미터를 측정하는데 정확도를 향상시키는 것이다.

개시된 기술적 결과는 인간 맥박 파형의 광학 센서에 의해 달성되며, 상기 광학 센서는 운동학적으로 연결된 하우징에 구비되는 방출기 모듈(emitter module) 및 광 수신기 모듈(photoreceiver module)을 포함하고, 상기 광 수신기 모듈의 출력은 센서의 출력이고, 상기 광학 센서는 상기 방출기 모듈에 대해 광 수신기 모듈을 위치 설정(positioning)하기 위한 수단(means)을 더 포함하며, 상기 수단은 상기 방출기 모듈과 상기 광 수신기 모듈 모두에 연결되고, 사람의 피부 표면에 접함으로써 이의 위치를 확보하면서 상기 방출기 모듈에 대해 상기 광 수신기 모듈을 이동시키는 것을 허용하는 탄성 요소(resilient element)를 포함하며; 방출기 홀더 표면의 외부 형상은 사람의 귓바퀴 아래 부분의 내측 표면 및 이들의 귀구슬사이 패임(intertragic notch)을 접하도록 구성되고, 상기 방출기 홀더는 불투명한 탄성 물질로 제조되며, 상기 위치 설정 수단은 상기 방출기와 상기 광 수신기를 광축(optical axis)에 평행하게 연장되는 축을 갖는 선형 가이드(linear guide)를 포함하며, 상기 방출기와 상기 광 수신기의 동축 위치를 보장한다.

또한, 상기 광학 센서 방출기는 λ1=(640-720) nm 및 λ2=(960-1040) nm의 스펙트럼 범위 내에서 선택되는 λ1 및 λ2 방사선 파장을 갖는 2개의 방사선 공급원을 포함할 수 있다.

인간의 맥박 파형(맥박 곡선(sphygmogram)) 분석은 사람의 일반적인 생리 상태뿐만 아니라 특히 심장 혈관 시스템의 상태, 즉 모세 혈관으로 흐르는 혈액의 흐름, 혈관의 색조와 탄력, 혈관의 부피 팽창, 대형 혈관의 벽 신축성, 심근 수축 기능(myocardial contractile function) 등의 증거를 제공한다. 광학적 광 투과율 센서를 사용하여 맥박 파형을 조사하는 것은 다양한 스펙트럼 범위에서 혈액이 채워진 조직에 의한 방사선의 감쇠(attenuation)를 측정하는 것을 포함한다. 이러한 과정은 맥파(맥박 곡선 파형) 및 혈액 산소헤모글로빈 농도(다양한 파장에서의 차동 전송(differential transmission)) 동안 혈관량의 변화를 동시에 기록하는 것을 포함한다. 혈류역학은 오직 맥박 곡선 파형에 의해 결정되는 반면, 혈액 산소화(blood oxygenation)는 단일 맥파 주기 동안 혈중 산소 함량이 일반적으로 일정하다고 가정하여 파형 진폭에 영향을 준다는 점에 유의해야 한다. 측정된 혈류역학적 특성의 정확도 및 센서 성능은 일반적으로 센서 구조 및 사람 신체로의 부착에 대한 필수적인 요구 사항의 준수 수준에 좌우된다.

개시된 실용신안의 구조는 복수의 신규한 기술적 해결책(청구된 특징)을 포함하고, 이들의 조합은 주장된 기술적 결과를 달성하며, 상기 특징은 하기를 포함한다:

1) 방출기 홀더 표면의 외부 형상은 귀구슬(tragus) 및 맞구슬(antitragus)에 의해 한정되는 영역에서 사람의 귓바퀴 아래 부분의 내측 표면에 접하도록 구성된다. 이는 의류에 간접적으로 접촉하지 않는 영역에서 사람의 신체에 센서를 안전하게 부착할 수 있게 해주지만, 충분히 조밀한 모세관 네트(capillary net)를 포함한다. 귓볼에 고정되도록 적용되는 종래 기술의 센서와는 대조적으로, 본 실용신안의 구조는 귀바퀴의 연골 부분에 부착을 제공하여, 센서의 연장된 착용으로 인한 가능한 불쾌감(마비)을 제거하고, 센서 구비 영역에서 귓바퀴 조직에서의 높은 혈관 밀도 및 직경으로 인해 보다 높은 수준 및 품질의 출력 센서 신호를 제공한다. 또한, 센서의 무게 중심은 센서의 광축과 위치 설정 수단 가이드 사이에 구비된다. 이러한 배열은 여성에게 특히 중요한 착용되는 센서의 미적 시선을 끌면서 착용하는 동안(자연스러운 머리 움직임으로 인해 발생하는 잡음 수준 최소화) 비틀림 토크(twisting torque) 및 출력 센서 신호에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

2) 외부 공급원으로부터의 방사선에 의해 야기된 센서 광 수신기의 주변 노출을 방지하기 위해, 방출기는 사람 귓바퀴의 아래 부분의 내측 표면과 접하고 맞구슬의 외부 표면의 윤곽을 형성하는 방출기의 외부 표면을 가지는 불투명 홀더가 구비된다. 상기 홀더는 변화 가능한 조명 조건에서 광 수신기 노출 수준을 감소시키며, 더 편안하게 장시간 착용할 수 있도록 귓바퀴 표면의 압력을 감소시킨다.

3) 상기 센서 구조는 선형 가이드를 사용하여 방출기와 광 수신기 모듈의 방향(orientation)을 유지하면서 방출기와 광 수신기 모듈의 상대적인 위치 설정에서 개별적인-구체적인 조정을 위해 제공한다.

실용신안은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 상기 개시된 센서의 전체도이다.
도 2는 상기 센서 구조의 단면도이다.
도 3은 상기 센서의 부착 위치를 나타내는 인간의 귀에 대한 개략도이다.
도 4는 상기 개시된 센서와 종래 기술 센서의 비교 테스트의 결과를 나타내고, 그 결과는 주장된 기술 결과의 유효성을 입증한다.
도 2는 이하의 참조 번호를 포함한다: 방출기(1); 방출기 홀더(2); 방출기 모듈 화우징(3); 광 수신기(4); 광 수신기 모듈 하우징(5); 선형 가이드(6); 및 스프링(7).
도 3은 이하의 참조 번호를 포함한다: 귀구슬(8); 맞구슬(9); 귀구슬사이 패임(10)(개시된 센서의 방출기 홀더(2)에 대한 귀로의 인접 영역에 대응하는 음영 영역); 및 귓볼(11).

개시된 상기 센서는 홀더(2) 내에 장착되고 방출기(1) 모듈 하우징(3) 내에 배치된 방출기(1) 및 홀더 내에 장착되고 광 수신기(4) 모듈 하우징(5) 내에 배치된 광 수신기(4)를 포함한다. 상기 방출기(1)는 (640-720) nm 및 (960-1040) nm의 스펙트럼 범위 내의 방사선을 각각 방출하는 적색 LED 및 자외선 LED를 포함하고, 산소헤모글로빈 및 탈산소헤모글로빈(desoxyhemoglobin)의 흡광 계수(extinction coefficients)는 상기 범위에서 가장 현저하게 다른 것으로 알려져 있다. 방출기(1) 모듈 및 광 수신기(4) 모듈의 하우징(3 및 5)은 각각 가볍고 내구성 있는 플라스틱 물질, 예를 들어 폴리카보네이트로 제조된다. 개시된 상기 센서의 구조는 방출기(1)와 광 수신기(4)의 감지 요소(sensing element)를 연결하는 장치의 광축과 평행한 축을 갖는 선형 가이드(6)를 따라 상기 광 수신기(4) 모듈 하우징(5)에 대해 상기 방출기(1) 모듈 하우징(3)의 선형 이동을 가능하게 한다. 선형 가이드(6)의 양측에 대칭적으로 장착된 선형 스프링(7)은 "인력(attraction)" 힘을 제공하고, 상기 방출기(1)는 상기 선형 가이드(6)의 작용에 의해 임의의 위치에서 상기 광 수신기(4) 방향으로 향한다. 상기 방출기(1)의 홀더(2)는 예를 들어 탄화규소의 탄성 불투명 물질로 제조된다. 상기 홀더의 이러한 실시예는 상기 광 수신기(4)의 주변 노출을 방지한다.

도 4는 검사되는 한 환자의 파형을 나타낸 두개의 그래프를 나타내고, 동일 광학/전자 구조를 갖지만 상이한 구조를 갖는 2개의 센서로부터 수신된 데이터이다. 하부 그래프는 종래의 센서 출력으로부터 수신된 맥박 파형을 나타내고, 상부 그래프는 주장된 센서를 사용하여 수신된 파형을 나타낸다. 또한, 확대도는 국부적인 최대값에서의 두 그래프 영역을 도시한다. 펄스 파형의 분석은 본 실용신안에 대한 신호 대 잡음비가 종래 기술의 센서의 신호대 잡음비를 약 30 dB 초과하는 것을 보여준다. 이러한 증가된 품질은 인간의 혈류역학적 파라미터 기록 정확도의 증가를 제공한다. 확대된 영역(view A)은 국소 최대 영역에서의 맥박 파형 특성을 명확하게 나타내지만, 종래 기술의 파형(view B)에서는 이러한 특성이 잡음에 의해 완전히 가려진다.

따라서, 개시된 인간 맥박 파형의 광학 센서는 신호대 잡음비 값의 증가로 인해 측정 정확도 증가의 기술적 결과를 달성하는 특징들의 조합을 포함한다.

Claims (2)

1. 인간 맥박 파형의 광학 센서로서, 상기 광학 센서는 운동학적으로 연결된 하우징에 구비되는 방출기 모듈 및 광 수신기 모듈을 포함하며, 상기 광 수신기 모듈의 출력은 상기 센서의 출력이고,
   상기 광학 센서는 상기 방출기 모듈에 대해 상기 광 수신기 모듈을 위치 설정하기 위한 수단을 더 포함하며,
   상기 수단은 방출기 모듈과 상기 광 수신기 모듈 모두에 연결되고, 사람의 피부 표면에 접함으로써 상기 방출기 모듈 및 상기 광 수신기 모듈의 위치를 확보하면서 상기 방출기 모듈에 대해 상기 광 수신기 모듈을 이동시키는 탄성 요소를 포함하고;
   방출기 홀더 표면의 외부 형상은 사람의 귓바퀴 아래 부분의 내측 표면에 접하도록 구성되며,
   상기 방출기 홀더는 불투명한 탄성 물질로 제조되고,
   상기 위치 설정 수단은 상기 방출기 및 상기 광 수신기의 동축 위치를 보장하면서 상기 방출기 및 상기 광 수신기를 연결하는 광축과 평행하게 연장되는 축을 갖는 선형 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 인간 맥박 파형의 광학 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 방출기는 두개의 방사선 공급원을 포함하고, 방사선 파장 λ1 및 λ2는 λ1=(640-720) nm 및 λ2=(960-1040) nm의 스펙트럼 범위 내에있도록 선택되는 인간 맥박 파형의 광학 센서.

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