KR101041727B1 - 광학적 측정 장치, 광학적 측정 방법, 및 광학적 측정 프로그램을 기록한 기억 매체 - Google Patents
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Abstract
천층 조직의 영향 등을 보정하여 인체나 과일 등의 심층 조직의 빛의 흡수 정도를 정확하게 측정 가능한 광학적 측정 장치, 광학적 측정 방법, 및 광학적 측정 프로그램을 기록한 기억 매체를 개시한다. 광학적 측정 장치는, 1개의 발광 다이오드와 2개의 포토 다이오드를 갖는 프로브를 포함하고, 이하와 같이 구성된다. 발광 다이오드로부터의 빛 중 조직의 천층 및 심층을 통과한 빛이 한편의 포토 다이오드로 수광되고, 조직의 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 한편의 포토 다이오드에서의 검출빛과는 심층심층 거리가 다른 빛이 다른편의 포토 다이오드로 수광된다. 제어부는, 각 포토 다이오드로 수광한 빛의 광강도에 기초하여 빛이 전달하는 매체 중의 전반정수를 산출한다. 입력된 조직의 지방두께에 대응하는 연산식을 선택하고, 지방두께 및 공간적 기울기에 기초한 연산식에 의해 근조직의 빛의 흡수 계수를 구한다. 구한 빛의 흡수 계수에 기초하여, 헤모글로빈 농도나 산소 포화도를 구한다.
광학 측정, 발광, 수광, 광 흡수, 헤모글로빈, 산호 포화도
Description
본 발명은, 광학적 측정 장치, 광학적 측정 방법, 및 광학적 측정 프로그램을 기록한 기억 매체에 관한 것으로, 특히 인체나 과일 등의 심층 조직의 빛의 흡수 정도에 대해 측정하는 광학적 측정 장치, 광학적 측정 방법, 및 광학적 측정 프로그램을 기록한 기억 매체에 관한 것이다.
근적외광 분광법(NIRS：near－infrared spectroscopy)은 조직 대사를 평가하는 데에 있어, 가장 유용한 방법으로, 임상적으로도 응용되고 있다. 예컨대, 근적외광을 인체 등의 생체에 조사하고, 생체 내를 통과한 반사광을 해석 함으로써, 그 내부의 혈액량의 변화를 계측하는 기술이 알려져 있다. 이 계측 기술은, 헤모글로빈의 산소화, 탈산소화에 의한 흡광(light absorption) 특성의 차이를 이용하여 헤모글로빈의 존재 상태를 검출 함으로써, 혈액의 분포 상태를 검출하는 기술에 근거하고 있다.
NIRS에서는, 연속 광법, 시간 분해법, 공간 분해법, 강도 변조법이 있지만, 어떠한 방법이라도, 근조직이나 뇌일 수 있는 심부 조직을 측정하는 경우에는, 지 방 등의 천층 조직이 정량성에 크게 영향을 준다. 이는, 생체 안은 일반적으로 복수의 조직으로부터 구성되어 있고, 각 조직은 근적외광에 대한 흡수 특성도 다르기 때문에, 반사광의 해석 결과는 복수의 조직 정보가 포함되어 이루어지기 때문이다.
연속 광법 및 공간 분해법은 간단한 장치로 실현할 수 있어, 범용성, 휴대성, 실시간성 등의 점에서 어느 방법 보다 장점을 갖지만, 연속 광법의 NIRS에서는, 지방층의 영향 보정법이 제안되고 있지만(예컨대, 비특허문헌 1, 2 참조), 공간 분해법에서 천층 조직의 영향 보정법은 아직도 충분하지 않다.
몇몇의 연구에서 공간 분해 파형으로부터의 흡수 계수 추정에 대해 언급하고 있지만(예컨대, 비특허문헌 3∼5 참조), 실제의 근조직 산소 농도계측에 간단하게 이용할 수 있는 구체적인 보정법은 개시되고 있지 않다. 또, 헤모글로빈 농도의 절대량의 오차 이외에, 산소 포화도를 산출하였을 때의 오차에 대해서도 명확하게 할 필요가 있다. 더욱이 다른 연구 결과도 여러가지 보고되고 있다(예컨대, 비특허문헌 6∼10 참조).
비특허문헌 1 : Yamamoto K, Niwayama M, Shiga T et al: Accurate NIRS measurement of muscle oxygenation by correcting the influence of a subcutaneous fat layer. Proc SPIE, 1998, 3194: 166-173.
비특허문헌 2 : Niwayama M, Lin L, Shao J et al: Quantitative measurement of muscle hemoglobin oxygenation using near-infrared spectroscopy with correction for the influence of a subcutaneous fat layer. Rev Sci Instrum, 2000, 71: 4571-4575.
비특허문헌 3 : Kienle A, Patterson MS, Dognitz N et al: Noninvasive determination of the optical properties of two-layered turbid media. Appl Opt, 1998, 37: 779-791.
비특허문헌 4 : Fabbri F, Sassaroli A, Henry ME et al: Optical measurements of absorption changes in two-layered diffusive media. Phys Med Biol, 2004, 49:1183-1201.
비특허문헌 5 : Shimada M, Hoshi Y, Yamada Y: Simple algorithm for the measurement of absorption coefficients of a two-layered medium by spatially resolved and time-resolved reflectance. 2005, Appl Opt, 44:7554-63.
비특허문헌 6 : van der Zee P, Delpy DT: Simulation of the point spread function for light in tissue by a Monte Carlo method. Adv Exp Med Biol, 1987, 215: 179-191.
비특허문헌 7 : Wan S, Anderson RR, Parrish JA: Analytical modeling for the optical properties of skin with in vitro and in vivo applications. Photochem Photobiol, 1981, 34: 493-499.
비특허문헌 8 : Mitic G, Kozer J, Otto J et al: Time-gated transillumination of biological tissues and tissuelike phantoms. 1994, Appl Opt, 33: 6699-6710.
비특허문헌 9 : Zaccanti G, Taddeucci A, Barilli M et al: Optical properties of biological tissues. 1995, Proc. SPIE, 2389: 513-521.
비특허문헌 10 : Matcher SJ, Elwell CE, Cooper CE et al: Performance Comparison of Several Published Tissue Near-Infrared Spectroscopy Algorithms. Anal Biochem, 1995, 227: 54-68.
본 발명은 상기 사실을 고려하여 구성된 것으로, 천층 조직의 영향 등을 보정하여 인체나 과일 등의 심층 조직의 빛의 흡수 정도를 정확하게 측정할 수 있는 광학적 측정 장치, 광학적 측정 방법, 및 광학적 측정 프로그램을 얻는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 적어도 천층(superficial layer) 및 심층(deep layer)을 포함하는 복수의 층으로 형성된 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사하는 발광 수단과, 상기 발광 수단으로부터 발광된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 상기 발광 수단으로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 상기 발광 수단으로부터 발광된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 상기 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 상기 발광 수단으로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광하는 수광 수단과, 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도(intensities of light)에 기초하여 공간적 기울기를 구하는 공간적 기울기 산출 수단과, 상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 상기 천층의 두께마다 기억한 기억 수단과, 상기 천층의 두께를 입력하는 입력 수단, 및 입력된 상기 천층의 두께에 따라 상기 연산 파라미터를 상기 기억 수단으로부터 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터 및 상기 공간적 기울기에 기초하여 상기 빛의 흡수 정도를 구하는 연산 수단을 구비한 광학적 측정 장치를 제공한다.
발광 수단에 의해 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사한다. 수광 수단은, 발광 수단으로부터 발광된 빛 중 층상 형성체의 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 발광 수단으로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 발광 수단으로부터 발광된 빛 중 층상 형성체의 천층 및 심층을 통과한 빛으로 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 발광 수단으로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 수광 수단은, 상기 발광 수단으로부터 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 제1 수광부와, 상기 발광 수단으로부터 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 제2 수광부로 구성될 수 있다.
공간적 기울기 산출 수단은, 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도에 기초하여 공간적 기울기를 구한다.
기억 수단은, 측정 대상의 층상 형성체의 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 층상 형성체의 천층의 두께마다 기억하고 있다. 또한, 연산 파라미터는, 연산식 그 자체라도 무방하고, 연산식을 특정하기 위한 파라미터(계수)라도 무방하다.
연산 수단은, 입력 수단에 의해 입력된 측정 대상의 층상 형성체의 천층의 두께에 따라 연산 파라미터를, 기억 수단으로부터 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터 및 공간적 기울기 산출 수단으로 산출한 공간적 기울기에 기초하여 빛의 흡수 정도를 구한다.
이와 같이, 측정 대상의 층상 형성체의 천층의 두께에 따라 선택한 연산 파라미터를 이용하여 층상 형성체의 심층의 빛의 흡수 정도를 구하기 때문에, 층상 형성체의 천층의 영향 등을 보정하여 빛의 흡수 정도를 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 층상 형성체는 생체의 일부이고, 상기 천층은 지방조직이며, 상기 심층은 근조직(muscular tissue)이도록 구성된다.
이 경우, 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 연산 수단은, 상기 빛의 흡수 정도에 기초하여, 산소화 헤모글로빈 농도, 탈산소화 헤모글로빈 농도, 및 산소 포화도 중 적어도 하나를 더 구할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 광학적 측정 장치를 리하빌리테이션(rehabilitation)이나 트레이닝(training)에서의 운동 부하 모니터에 적용할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서는, 상기 수광 수단은, 상기 발광 수단으로부터 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 제1 수광부과, 상기 발광 수단으로부터 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 제2 수광부로 구성된다.
본 발명의 다른 실시예는, 적어도 천층 및 심층을 포함하는 복수의 층으로 형성된 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사하고, 조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 빛의 조사 위치로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 상기 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 상기 조사 위치로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광하며, 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도와, 상기 제1 소정 거리 및 상기 제2 소정 거리에 기초하여 공간적 기울기를 구하고 상기 천층의 두께를 입력하며, 상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 상기 천층의 두께마다 기억한 기억 수단으로부터, 입력된 상기 천층의 두께에 따라 상기 연산 파라미터를 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터 및 상기 공간적 기울기에 기초하여 상기 빛의 흡수 정도를 구하는 광학적 측정 방법을 제공한다.
이와 같이, 측정 대상의 층상 형성체의 천층의 두께에 따라 선택한 연산 파라미터를 이용하여 층상 형성체의 심층의 빛의 흡수 정도를 구하기 때문에, 층상 형성체의 천층의 영향 등을 보정하여 빛의 흡수 정도를 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 적어도 천층 및 심층을 포함하는 복수의 층으로 형성된 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사시키는 단계와, 조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 빛의 조사 위치로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 상기 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 상기 조사 위치로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광시키는 단계와, 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도와 상기 제1 소정 거리 및 상기 제2 소정 거리에 기초하여 공간적 기울기를 구하는 단계와, 상기 천층의 두께를 입력하는 단계와, 상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 상기 천층의 두께마다 기억한 기억 수단으로부터, 입력된 상기 천층의 두께에 따라 상기 연산 파라미터를 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터 및 상기 공간적 기울기에 기초하여 상기 빛의 흡수 정도를 구하는 단계를 포함한 처리를 컴퓨터에 실행시키는 광학적 측정 프로그램을 기록한 기억 매체를 제공한다.
이와 같이, 측정 대상의 층상 형성체의 천층의 두께에 따라 선택한 연산 파라미터를 이용하여 층상 형성체의 심층의 빛의 흡수 정도를 구하기 때문에, 층상 형성체의 천층의 영향 등을 보정하여 빛의 흡수 정도를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 광학적 측정 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 제어부에서 실행되는 처리의 플로우차트이다.
도 3은 송수광기간 거리와 공간적 기울기 S와의 관계를 도시하는 선도이다.
도 4A는 근조직의 흡수 계수와 공간적 기울기 S와의 관계를 피부의 흡수 계수마다 도시하는 선도이다.
도 4B는 근조직의 흡수 계수와 공간적 기울기 S와의 관계를 피부의 산란 계수마다 도시하는 선도이다.
도 5A는 근조직의 흡수 계수와 공간적 기울기 S와의 관계를 지방의 흡수 계 수마다 도시하는 선도이다.
도 5B는 근조직의 흡수 계수와 공간적 기울기 S와의 관계를 지방의 산란 계수마다 도시하는 선도이다.
도 6은 근조직의 흡수 계수와 공간적 기울기 S와의 관계를 근조직의 산란 계수마다 도시하는 선도이다.
도 7은 근조직의 흡수 계수와 공간적 기울기 S와의 관계를 지방두께 마다 도시하는 선도이다.
도 8은 산소 포화도를 근조직의 산란 계수마다 도시하는 선도이다.
도 9는 산소 포화도를 지방두께 마다 도시하는 선도이다.
도 10은 다른 예의 광학적 측정 장치의 개략 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광학적 측정 장치
12 : 프로브
14 : 구동장치
16 : 제어부(공간적 기울기 산출 수단, 연산 수단)
18 : 조작부(입력 수단)
20 : 메모리(기억 수단)
22 : 출력부
24 : LED(발광 수단)
26A : PD( 제1 수광부)
26B : PD( 제2 수광부)
30 : 조직
32 : LED 드라이버
34 : I－V 컨버터
36 : 앰프
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에서는, 일례로서 인간의 팔의 근조직에서의 혈액량, 즉 헤모글로빈 농도나 산소 포화도를 측정하는 경우에 대해 설명한다.
도 1에는, 광학적 측정 장치(10)의 개략 구성을 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 광학적 측정 장치(10)는, 프로브(12), 구동장치(14), 제어부(16), 조작부(18), 메모리(20), 및 출력부(22)를 포함하여 구성되어 있다.
프로브(12)는, LED(발광 다이오드, 24) 및 2개의 PD(포토 다이오드, 26A, 26B)가, 예컨대 가요성(可撓性, flexibility)을 갖는 평판 모양의 부재(예컨대 고무 성질의 부재 등, 28)에 설치되는 구성이다. 프로브(12)는, 예컨대 피측정자의 팔의 조직(30) 내에 빛을 쬐기 위해 피측정자의 팔에 접촉시킨다.
LED(24)는, 본 실시 형태에서 일례로서 피크 파장이 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2)의 2 파장의 발광 다이오드이다. 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2)은, 물의 흡수가 적은 파장, 구체적으로는 900nm 이하의 파장으로, 한편 탈산소화 헤모글로 빈(Hb)와 산소화 헤모글로빈(HbO2)의 흡수 스펙트럼이 교차하는 위치의 파장인 약 805nm로부터 대략 등거리에 있는 파장으로 설정된다. 본 실시 형태에서는 일례로서 제1 파장(λ1)이 770nm, 제2 파장(λ2)이 830nm이다.
LED(24)와 하나의 PD(26A)는, 제1 소정 거리(d1) 만큼 떨어져 배치되고 있고, LED(24)와 다른 하나의 PD(26B)는 제2 소정 거리(d2) 만큼 떨어져 배치되고 있다.
제1 소정 거리(d1)는, LED(24)로부터 발광된 빛이, 인간의 팔의 심층 부분, 즉 피부 조직(표층) 및 지방조직(천층) 보다 더 아래의 근조직을 통과하여 하나의 PD(26A)에 도달하도록 하는 거리로 설정된다. 본 발명자는, 측정 대상인 심층 내의 빛의 통과 거리(여기에서는 평균 광로 길이)가 10mm 정도 이상이면, 그 층의 정보를 범용의 전자 회로에서도 충분한 S/N비로 검출할 수 있음을 실험적으로도 확인하였고, 천층의 두께가 0∼8mm 정도 일때에 심층의 빛의 통과 거리가 10mm 이상이 가능한 송수광기간 거리를 시뮬레이션으로 구했다. 그 결과, 본 실시 형태에서는, 제1 소정 거리(d1)를 일례로서 20mm로 설정하였다.
또, 제2 소정 거리(d2)는, LED(24)로부터 발광된 빛이, 인간의 팔의 심층 부분을 통과하여 다른 하나의 PD(26B)에 도달하도록 하는 거리로, 제1 소정 거리와는 다른 거리로 설정된다. 송수광기간 거리가 길어지면 지수함수적으로 광강도가 감쇠하고, 범용의 전자 회로에서의 검출이 곤란하게 되기 때문에, 본 발명자는, 범용의 전자 회로에서 검출 가능한 광강도를 얻을 수 있는 송수광기간 거리를 이론과 실험으로부터 구했다. 그 결과, 본 실시 형태에서는, 제2 소정 거리(d2)를 일례로서 30mm로 설정하였다. 아울러, 제1 소정 거리(d1), 제2 소정 거리(d2)는 일례이며, 측정하고자 하는 근조직까지의 깊이 등에 따라 적절한 거리로 정할 수 있다.
구동장치(14)는, LED 드라이버(32), I－V 컨버터(34), 및 앰프(36)를 포함하여 구성될 수 있다.
LED 드라이버(32)는, 제어부(16)로부터의 지시에 의해, LED(24)를 소정의 파장 및 소정의 광강도로 발광시킨다.
I－V 컨버터(34)는, PD(26A, 26B)에서 수광한 빛을 광전 변환 함으로써 얻을 수 있는 전류를 전압으로 변환하여 앰프(36)에 출력한다.
앰프(36)는, I－V 컨버터(34)에 의해 변환된 전압을 소정 레벨의 전압으로 증폭하고, 광강도를 나타내는 신호로서 제어부(16)에 출력한다.
제어부(16)는, LED 드라이버(32)에 LED(24)를 발광시키도록 지시하고, 그 결과 얻을 수 있는 PD(26A, 26B)에서 수광한 빛의 광강도에 기초하여, 후술하는 연산에 의해 헤모글로빈 농도 등을 산출한다. 연산 결과는, 출력부(22)에 출력된다. 출력부(22)는, 예컨대 디스플레이나 프린터 등으로 구성되고, 연산 결과를 표시하거나 인쇄 함으로써 출력한다.
메모리(20)에는, 후술하는 처리 루틴의 프로그램이나, 그 처리에서 이용하는 데이터로 미리 실행한 시뮬레이션 결과에 관한 데이터 등이 미리 기억되고 있다.
다음으로, 본 실시 형태의 작용으로서 제어부(16)에서 실행되는 측정 처리 에 대해, 도 2에 도시하는 플로우차트를 참조하여 설명한다. 또한 상기 처리는, 광학적 측정 장치(10)의 전원이 온 되면 실행된다.
측정할 때에는, 프로브(12)를 피측정자의 팔에 접촉시키고, 조작부(18)를 조작 함으로써 측정 개시를 지시한다.
단계 100에서는, 조작부(18)의 조작에 의해 측정 개시가 지시되었는지를 판단하고, 측정 개시가 지시된 경우에는 단계 102로 이행한다.
단계 102에서는, 피측정자의 지방두께를, 예컨대 조작부(18)의 조작에 의해 입력시킨다. 지방두께는, 예컨대 노기스(slide caliper) 등의 간단한 측정 부재를 이용하여 측정한 것이 입력되도록 하여도 무방하다. 또, 예컨대 도시하지 않는 지방두께 측정장치(예컨대, 초음파 진단 장치 등)를 광학적 측정 장치(10)에 접속하고, 상기 지방두께 측정장치에 의해 측정된 지방두께를 직접 입력되도록 하여도 무방하다. 입력된 지방두께는, 후술하는 근조직의 흡수 계수 μa＿m(빛의 흡수 정도)을 구할 때에 필요하다.
단계 104에서는, LED 드라이버(32)에 대해서 LED(24)의 발광을 지시하고, PD(26A), PD(26B)에서 수광한 빛의 광강도 IA, IB를 앰프(36)로부터 수신한다. 또는, 제1 파장(λ1), 제2 파장(λ2)으로 순차적으로 발광시키고, 각각의 광강도 IA, IB를 수신한다. 이하에서는, 제1 파장(λ1)으로 발광한 경우의 PD(26A), PD(26B)에서 수광한 빛의 광강도를 IA1, IB1이라 하고, 제2 파장(λ2)으로 발광한 경우의 PD(26A), PD(26B)에서 수광한 빛의 광강도를 IA2, IB2라 한다.
단계 106에서는, 단계 104에서 측정한 광강도에 기초하여, 공간 분해법에서의 공간적 기울기 S를 구한다. 도 3에 도시한 바와 같이, LED와 PD와의 거리(송수광기간 거리)와, 수광한 빛의 광강도(log I)와는 도 3에 도시한 것과 같은 관계이고, 본 실시 형태에서의 공간적 기울기 S는, 도 3에 도시한 바와 같이 송수광기간 거리가 20mm인 경우의 광강도를 나타내는 A점과, 송수광기간 거리가 30mm의 광강도를 나타내는 B점을 연결한 선의 기울기로 표시된다. 본 실시 형태에서는, 공간적 기울기 S를 편의적으로 다음식과 같이 정의한다.
수식 1
여기서, ρ는 2개의 PD(26A), PD(26B) 사이의 거리이고, 본 실시 형태에서는 d1=20mm, d2=30mm로 하고 있기 때문에, ρ는 10mm가 된다.
공간적 기울기 S는, 파장 마다 구한다. 이하에서는, 제1 파장(λ1)으로 발광한 경우의 광강도 IA1, IB1에 기초하여 구한 공간적 기울기를 S1, 제2 파장(λ2)으로 발광한 경우의 광강도 IA2, IB2에 기초하여 구한 공간적 기울기를 S2로 한다.
다음으로, 단계 108에서는, 단계 106에서 구한 공간적 기울기 S1, S2에 기초하여, 측정 대상인 팔의 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 구한다. 상기 근조직의 흡수 계수 μa＿m은, 후술하는 몬테카를로 시뮬레이션 결과로부터 얻을 수 있는 S －μa＿m 곡선을 이용하여 구한다.
여기서, 본 발명자가 수행한 몬테카를로 시뮬레이션의 결과에 대해 설명한다. 본 발명자는, 근조직의 산소 농도의 정량화를 위해서, 생체 조직의 모델로서, 피부, 지방, 근조직의 3층 모델에서의 몬테카를로 시뮬레이션을 실시하였다. 광전파의 알고리즘으로는, 모델 중에서 광자군을 무작위 동작시키고, 통과한 매질의 종류에 따라 광자군의 양을 감쇠시킨다는 일반적인 것을 이용하였다(하기 비특허문헌 6 참조).
각 층의 두께와 광학 정수(산란 계수, 흡수 계수)는, 이하의 표 1과 같이 설정하였다(하기 비특허문헌 7∼9 참조).
표 1
시뮬레이션에서는, 지방두께를 변화시켜 두께의 영향을 검증하는 것과 함께, 피부의 흡수 계수 및 산란 계수를 20% 증감시키고, 표층 및 천층 조직의 광학 정수의 영향을 해석하였다. 또, 공간 분해법에서는, 근조직의 산란 계수 μs＿m을 적당하다고 판단되는 값으로 가정할 필요가 있지만, 상기 가정이 실제와 다른 경우의 오차를 검토하기 위해서,μs＿m을 0.2mm-1 증감시켰을 경우의 시뮬레이션도 수행하였다.
도 4A는 근조직의 흡수 계수 μa＿m과 공간적 기울기 S(slope)와의 관계를 피부의 흡수 계수 μa＿skin이 0.01mm-1, 0.0125mm-1, 0.015mm-1의 경우에 대해 구한 결과를 나타내고, 도 4B는 근조직의 흡수 계수 μa＿m과 공간적 기울기 S(slope)와의 관계를 피부의 산란 계수 μs＿skin이 1.0mm-1, 1.2mm-1, 1.4mm-1의 경우에 대해 구한 결과를 나타낸다. 도 4A 및 4B에 도시한 바와 같이, 피부의 흡수 계수 μa＿skin, 산란 계수 μs＿skin에 의해서는 근조직의 흡수 계수 μa＿m은 거의 영향을 받지 않는 것으로 판명되었다.
또, 도 5A는 근조직의 흡수 계수 μa＿m과 공간적 기울기 S(slope)와의 관계를 지방의 흡수 계수 μa＿fat이 0.002mm-1, 0.003mm-1, 0.004mm-1의 경우에 대해 구한 결과를 나타내고, 도 5B는 근조직의 흡수 계수 μa＿m과 공간적 기울기 S(slope)와의 관계를 지방의 산란 계수 μs＿fat이 1.0mm-1, 1.2mm-1, 1.4mm-1의 경우에 대해 구한 결과를 나타낸다. 도 5A 및 5B에 도시한 바와 같이, 지방의 흡수 계수 μa＿fat, 산란 계수 μs＿fat에 의해서는 근조직의 흡수 계수 μa＿m은 거의 영향을 받지 않는 것으로 판명되었다.
또, 도 6은 근조직의 흡수 계수 μa＿m과 공간적 기울기 S와의 관계를 근조직의 산란 계수 μs＿m이 1.0mm-1, 0.8mm-1, 0.6mm-1의 경우에 대해 구한 결과를 나타낸다. 도 6에 도시한 바와 같이, 근조직의 산란 계수 μs＿m이 0.2mm-1 달라지면, 근조직의 흡수 계수 μa＿m의 절대치는 20% 이상 달라지게 되는 것으로 판명되었다.
또, 도 7은 근조직의 흡수 계수 μa＿m과 공간적 기울기 S와의 관계(S－μa＿m 곡선)를 지방두께가 3, 5, 7, 9, 15mm의 경우에 대해 구한 결과를 나타낸다. 도 7에 도시한 바와 같이, 지방두께에 따라 S－μa＿m 곡선의 형상이 크게 달라진다는 것으로 판명되었다. 이에 따라, 미리 피측정자의 지방두께를 측정해 두고, 지방두께에 따라 S－μa＿m 곡선을 이용 함으로써, 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 정량화할 수 있다. S－μa＿m 곡선은 공간적 기울기 S와 관련하여 하기에 나타낸 것과 같은 2차식으로 근사할 수 있다.
수식 2
여기서, a, b, c는 정수이고, 이들 정수를 도 7에 도시한 몬테카를로 시뮬레이션의 결과로부터 지방두께 및 파장마다 구하고, 미리 메모리(20)에 기억해 둔다. 이에 따라, 지방두께, 공간적 기울기 S가 판명되면, 흡수 계수 μa＿m을 구할 수 있다. 또한, a, b, c의 값은 지방두께나 근조직의 산란 계수 μs＿m, 송수광기간 거리에 의해 달라지지만, 본 발명자가 수행한 시뮬레이션에서는, 일례로서 지방두께가 3mm, 근조직의 산란 계수 μs＿m이 0.8mm-1의 경우에서는, a=4.95, b=－0.56, c=0.017이다. 또, 피부의 흡수 계수 μa＿skin 및 산란 계수 μs＿skin을 20% 증감시킨 결과, S－μa＿m 곡선은 거의 동일하게 되어, 피부의 광학 정수는 공 간 분해법에서는 거의 영향을 주지 않는 것이 판명되었다.
도 8은, 근조직의 산란 계수 μs＿m이 0.6mm-1, 0.8mm-1, 1.0mm-1의 경우에서의 산소 포화도 StO2에 대해 실측한 결과를 도시한다. 산소 포화도는, 후술하는 것과 같이 산소화 헤모글로빈 농도를 토탈 헤모글로빈 농도(산소화 헤모글로빈 농도와 탈산소화 헤모글로빈 농도의 합)로 나눔으로써 얻을 수 있다. 도 8에서, 「Occlusion」의 기간은, 동정맥 폐색 기간으로, 위팔(上腕)을 단단히 조여 혈류를 멈추는 처리를 실시한 기간, 「rest」는 아무것도 하지 않는 기간이다.
상술한 바와 같이, 근조직의 산란 계수 μs＿m이 0.2mm-1 달라지면, 근조직의 흡수 계수 μa＿m의 절대치는 20% 이상 달라지는 것이 판명되었지만, 도 8에 도시한 바와 같이, 산소 포화도 StO2에 관하여서는, 근조직의 산란 계수 μs＿m의 차이로 인한 오차는 수% 이내가 되는 것이 판명되었다. 이는, 산소 포화도 StO2가 산소화 헤모글로빈 농도와 토탈 헤모글로빈 농도와의 비로 표시되기 때문에, 2개의 흡수 계수의 비를 보는 것과 관련하고 있다. 근조직의 산란 계수 μs＿m에 의해 S－μa＿m곡선이 달라져도 닮음꼴이면, 곡선으로부터 구해진 2개의 흡수 계수의 비는 같게 된다. 근조직의 산란 계수 μs＿m의 차이는, 주로 S－μa＿m 곡선의 세로축 방향의 크기에 영향을 주고, 형상에는 크게 영향을 주지 않는 것이, 산소 포화도 StO2에 관한 오차가 매우 적어진 요인이라고 생각된다.
도 9는, 지방층 3mm 부위에서의 산소 포화도를 실측한 결과를 나타낸다. 도 9에 도시한 바와 같이, 실제와는 다른 지방두께(5∼9mm)에서의 S－μa＿m 곡선을 사용하면, 산소 포화도 StO2의 값으로 최대 30% 정도의 오차가 발생되는 것이 판명되었다. 이는 지방두께가 달라지면 S－μa＿m 곡선의 형상이 크게 변화하는 것에 기인한다.
공간 분해법에서 헤모글로빈 농도의 절대량을 정확하게 인지하는 데에는, 심부 조직의 산란 계수를 미리 알지 못하면 곤란하다 할 수 있다. 이에 반해, 산소 포화도 StO2로 하면, 산란 계수를 가정하는 영향을 큰 폭으로 줄일 수 있다. 그러나, 산소 포화도 StO2이라도, 지방두께의 영향은 크고, 미리 두께를 파악해 두는 것이 정량화에서 중요하다.
도 9의 지방두께가 3mm와 5mm의 결과로부터, 지방두께를 ±1% 정도의 정밀도로 측정해 두면, 산소 포화도 StO2는 2∼3% 이하의 오차로 할 수 있다고 추정되고, 노기스 등의 간단한 두께 측정법으로 지방두께를 측정하더라도 대응할 수 있다고 생각된다.
상기와 같은 시뮬레이션 및 실측 결과로부터, 본 실시 형태에서는, 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 지방두께에 따라 구하고, 이로부터 헤모글로빈 농도나 산소 포화도를 구한다.
우선, 단계 108에서는, 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 상기 (2)식에 의해 구한다. 즉, 단계 102에서 입력된 지방두께에 대응하는 정수 a, b, c의 값을 메모리(20)로부터 읽어내고, 이것과 단계 106에서 구한 공간적 기울기 S로부터, 상기 (2)식에 의한 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 구한다. 또한, 근조직의 흡수 계수 μ＿am은 파장마다 구한다. 이하에서는, 제1 파장(λ1)의 경우 근조직의 흡수 계수를 μλ1＿am, 제2 파장(λ2)의 경우 근조직의 흡수 계수를 μλ2＿am으로 한다. 또한, 상술한 바와 같이, 근조직의 산란 계수 μs＿m에 의해 S－μa＿m 곡선의 형상은 달라지기 때문에, 예컨대 근조직의 산란 계수 μs＿m이 0.8의 경우 S－μa＿m 곡선을 이용하여 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 구한다.
단계 110에서는, 단계 108에서 구한 근조직의 흡수 계수 μλ1＿am, μλ2＿am에 기초하여, 산소화 헤모글로빈 농도［HbO2］를 구한다. 상기 산소화 헤모글로빈 농도［HbO2］는 다음식으로 구할 수 있다.
수식 3
여기서,ελ1Hb는 제1 파장(λ1)에서의 탈산소화 헤모글로빈의 분자 흡광 계수, ελ2Hb는 제2 파장(λ2)에서의 탈산소화 헤모글로빈의 분자 흡광 계수, ελ1HbO2는 제1 파장(λ1)에서의 산소화 헤모글로빈의 분자 흡광 계수, ελ2HbO2는 제2 파장(λ2)에서의 산소화 헤모글로빈의 분자 흡광 계수이며, 어느 쪽이라도 알려진 기존의 값(예컨대 하기 비특허문헌 10에 기재된 값)을 이용한다.
단계 112에서는, 단계 108에서 구한 근조직의 흡수 계수 μλ1＿am, μλ2＿am에 기초하여, 탈산소화 헤모글로빈 농도［Hb］를 구한다. 상기 탈산소화 헤모글로빈 농도［Hb］는 다음식으로 구할 수 있다.
수식 4
그리고, 단계 114에서는, 토탈 헤모글로빈［total Hb］를 다음식에 의해 구한다.
［total Hb］=［HbO2］＋［Hb］ … (5)
다음으로, 단계 116에서는, 산소 포화도 StO2를 다음식에 의해 구한다.
［Hb］=［HbO2］/［total Hb］ … (6)
단계 118에서는, 구한 산소화 헤모글로빈 농도［HbO2］, 탈산소화 헤모글로빈 농도［Hb］, 산소 포화도 StO2를 출력부(22)에 출력시킨다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는, 지방두께에 따라 S－μa＿m 곡선을 이용하여 근조직의 흡수 계수 μa＿m을 구하고, 이에 기초하여 근조직의 산소화 헤모글로빈 농도나 탈산소화 헤모글로빈 농도, 산소 포화도를 구한다. 이 때문에, 지방두께의 영향이 보정된 정확한 산소화 헤모글로빈 농도나 탈산소화 헤모글로빈 농도, 산소 포화도를 얻을 수 있고, 이들의 정량성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 실시 형태에서는, 사람 팔의 근조직의 헤모글로빈 농도 등을 측정하는 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정하지 않고, 예컨대 과일의 과육 부분의 당분을 측정하는 장치에도 적용 가능하다. 이 경우, LED의 파장을 포도당(glucose)의 빛의 흡수 계수를 측정하는 데에 적합한 파장으로 설정하거나, LED와 PD 사이의 거리를 과일의 외피나 내피 두께에 적절한 거리로 설정하는 등, 적절히 필요한 설정을 할 필요가 있지만, 기본적으로는 상기와 같은 방법에 의해 과일의 과육 부분의 당분을 측정하는 것이 가능하다. 즉, 본 발명은, 내부 조직까지 빛이 도달하는 것이라면, 생체에 한정하지 않고 다른 물건에 대해서도 적용 가능하다.
또, 본 실시 형태에서는, PD를 두 개 설치한 구성의 경우에 대해서 설명하였지만, 이에 한정하지 않고, PD를 하나로 하거나, LED를 두 개로 하여도 무방하다. 또, LED 또는 PD를 이동 가능한 구성으로, 즉 LED와 PD의 거리를 조정 가능한 구성으로 하여도 무방하다. 이 경우, LED와 PD의 거리를 제1 소정 거리(d1)로 설정하여 LED로부터 발광된 빛을 수광하고, 그 후 LED와 PD의 거리를 제2 소정 거리(d2)로 설정하여 LED로부터 발광된 빛을 수광하도록 하면 된다.
또, LED 등의 발광을, 펄스 형상 내지 간헐적으로 실시하고, 수광 수단의 PD 등의 소자의 출력을, 도 10에 도시한 바와 같이 시간 분해법을 갖는 록 인 앰프(Rock-in amplifier, 37)(또는 박스카 적분기(boxcar integrator), 위상 검파기 등)를 앰프(36)의 전단에 부가 함으로써, 감도 및 정밀도가 향상되도록 구성하여도 무방하다. 또한, LED를 두 개로 한 구성의 경우는, 교대로 발광 내지 발광 패턴을 반복하여 발광하게 된다. 또, 형광등 등에 의한 측정시의 외란광의 영향을 제거하기 위해서, LED 등의 발광을, 상용 주파수와는 다른 주파수에서의 정현파 교류 등으로 변조하도록 하여도 무방하다.
본 발명에 의하면, 천층 조직의 영향 등을 보정하여 인체나 과일 등의 심층 조직의 빛의 흡수 정도를 정확하게 측정할 수 있다라는 효과가 있다.
Claims (9)
- 적어도 천층(superficial layer) 및 심층(deep layer)을 포함하는 복수의 층으로 형성된 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사하는 발광 수단;상기 발광 수단으로부터 발광된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 상기 발광 수단으로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 상기 발광 수단으로부터 발광된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 상기 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 상기 발광 수단으로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광하는 수광 수단;상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도(intensities of light)에 기초하여 공간적 기울기를 구하는 공간적 기울기 산출 수단;상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 상기 천층의 두께마다 기억한 기억 수단;상기 천층의 두께를 입력하는 입력 수단; 및입력된 상기 천층의 두께에 따라 상기 연산 파라미터를 상기 기억 수단으로부터 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터를 포함하는 상기 공간적 기울기의 이차함수에 기초하여 상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 구하는 연산 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
- 제1항에 있어서,상기 층상 형성체는 생체의 일부이고, 상기 천층은 지방조직이며, 상기 심층은 근조직(muscular tissue)인 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
- 제2항에 있어서,상기 연산 수단은,상기 빛의 흡수 정도에 기초하여, 산소화 헤모글로빈 농도, 탈산소화 헤모글로빈 농도, 및 산소 포화도 중 적어도 하나를 더 구하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
- 제1항에 있어서,상기 수광 수단은,상기 발광 수단으로부터 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 제1 수광부; 및상기 발광 수단으로부터 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 제2 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
- 제2항에 있어서,상기 수광 수단은,상기 발광 수단으로부터 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 제1 수광부; 및상기 발광 수단으로부터 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 제2 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
- 제3항에 있어서,상기 수광 수단은,상기 발광 수단으로부터 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 제1 수광부; 및상기 발광 수단으로부터 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 제2 수광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 장치.
- 적어도 천층 및 심층을 포함하는 복수의 층으로 형성된 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사하고,조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 빛의 조사 위치로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 상기 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 상기 조사 위치로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광하며,상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도와, 상기 제1 소정 거리 및 상기 제2 소정 거리에 기초하여 공간적 기울기를 구하고,상기 천층의 두께를 입력하며,상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 상기 천층의 두께마다 기억한 기억 수단으로부터, 입력된 상기 천층의 두께에 따라 상기 연산 파라미터를 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터를 포함하는 상기 공간적 기울기의 이차함수에 기초하여 상기 빛의 흡수 정도를 구하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학적 측정 방법.
- 적어도 천층 및 심층을 포함하는 복수의 층으로 형성된 측정 대상의 층상 형성체에 빛을 조사시키는 단계;조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛을 수광하도록 빛의 조사 위치로부터 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광 함과 동시에, 조사된 빛 중 상기 천층 및 심층을 통과한 빛으로 상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛과는 상기 심층의 통과 거리가 다른 빛을 수광하도록 상기 조사 위치로부터 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광시키는 단계;상기 제1 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 및 상기 제2 소정 거리 만큼 떨어진 위치에서 수광한 빛, 각각의 광강도와, 상기 제1 소정 거리 및 상기 제2 소정 거리에 기초하여 공간적 기울기를 구하는 단계;상기 천층의 두께를 입력하는 단계; 및상기 심층에서의 빛의 흡수 정도를 연산하기 위한 연산 파라미터를 상기 천층의 두께마다 기억한 기억 수단으로부터, 입력된 상기 천층의 두께에 따라 상기 연산 파라미터를 읽어내고, 상기 읽어낸 연산 파라미터를 포함하는 상기 공간적 기울기의 이차함수에 기초하여 상기 빛의 흡수 정도를 구하는 단계를 포함한 처리를 컴퓨터에 실행시키기 위한 광학적 측정 프로그램을 기록한 기억 매체.
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