KR102298680B1 - 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 - Google Patents
협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102298680B1 KR102298680B1 KR1020210026703A KR20210026703A KR102298680B1 KR 102298680 B1 KR102298680 B1 KR 102298680B1 KR 1020210026703 A KR1020210026703 A KR 1020210026703A KR 20210026703 A KR20210026703 A KR 20210026703A KR 102298680 B1 KR102298680 B1 KR 102298680B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- water
- lipid content
- measurement
- fat
- diffuse reflection
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 101
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 91
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 title claims abstract description 75
- 238000001055 reflectance spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 74
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 29
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 43
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 23
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 claims description 12
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 11
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 10
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 10
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 claims description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 7
- 238000011002 quantification Methods 0.000 claims description 7
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 6
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 6
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 5
- 238000013508 migration Methods 0.000 claims description 4
- 230000005012 migration Effects 0.000 claims description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 4
- 239000012223 aqueous fraction Substances 0.000 claims description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 23
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 abstract description 13
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 abstract description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 7
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 41
- 239000000839 emulsion Substances 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 6
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 5
- 230000003187 abdominal effect Effects 0.000 description 4
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 235000019198 oils Nutrition 0.000 description 4
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- JLPULHDHAOZNQI-ZTIMHPMXSA-N 1-hexadecanoyl-2-(9Z,12Z-octadecadienoyl)-sn-glycero-3-phosphocholine Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OC[C@H](COP([O-])(=O)OCC[N+](C)(C)C)OC(=O)CCCCCCC\C=C/C\C=C/CCCCC JLPULHDHAOZNQI-ZTIMHPMXSA-N 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N [Ga].[As].[In] Chemical compound [Ga].[As].[In] KXNLCSXBJCPWGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000001015 abdomen Anatomy 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 2
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000000787 lecithin Substances 0.000 description 2
- 229940067606 lecithin Drugs 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229940083466 soybean lecithin Drugs 0.000 description 2
- 235000012424 soybean oil Nutrition 0.000 description 2
- 239000003549 soybean oil Substances 0.000 description 2
- PZNPLUBHRSSFHT-RRHRGVEJSA-N 1-hexadecanoyl-2-octadecanoyl-sn-glycero-3-phosphocholine Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(=O)O[C@@H](COP([O-])(=O)OCC[N+](C)(C)C)COC(=O)CCCCCCCCCCCCCCC PZNPLUBHRSSFHT-RRHRGVEJSA-N 0.000 description 1
- IIZPXYDJLKNOIY-JXPKJXOSSA-N 1-palmitoyl-2-arachidonoyl-sn-glycero-3-phosphocholine Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OC[C@H](COP([O-])(=O)OCC[N+](C)(C)C)OC(=O)CCC\C=C/C\C=C/C\C=C/C\C=C/CCCCC IIZPXYDJLKNOIY-JXPKJXOSSA-N 0.000 description 1
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000026310 Breast neoplasm Diseases 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000035346 Margins of Excision Diseases 0.000 description 1
- 229920002274 Nalgene Polymers 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000000579 abdominal fat Anatomy 0.000 description 1
- 210000000577 adipose tissue Anatomy 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003556 assay Methods 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 239000000090 biomarker Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 239000002537 cosmetic Substances 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- 229940124645 emergency medicine Drugs 0.000 description 1
- 239000003995 emulsifying agent Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 235000010445 lecithin Nutrition 0.000 description 1
- 235000004213 low-fat Nutrition 0.000 description 1
- 238000002595 magnetic resonance imaging Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 210000003205 muscle Anatomy 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000006461 physiological response Effects 0.000 description 1
- 238000013310 pig model Methods 0.000 description 1
- 239000004626 polylactic acid Substances 0.000 description 1
- 235000015277 pork Nutrition 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000008347 soybean phospholipid Substances 0.000 description 1
- 238000007920 subcutaneous administration Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000003809 water extraction Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3577—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing liquids, e.g. polluted water
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/48—Other medical applications
- A61B5/4869—Determining body composition
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0075—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by spectroscopy, i.e. measuring spectra, e.g. Raman spectroscopy, infrared absorption spectroscopy
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/48—Other medical applications
- A61B5/4869—Determining body composition
- A61B5/4872—Body fat
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/48—Other medical applications
- A61B5/4869—Determining body composition
- A61B5/4875—Hydration status, fluid retention of the body
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/359—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using near infrared light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/4833—Physical analysis of biological material of solid biological material, e.g. tissue samples, cell cultures
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0233—Special features of optical sensors or probes classified in A61B5/00
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2201/00—Features of devices classified in G01N21/00
- G01N2201/08—Optical fibres; light guides
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Surgery (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Physiology (AREA)
- Psychiatry (AREA)
- Signal Processing (AREA)
Abstract
본 발명은 혼탁매질(turbid media)에서 수분(water)과 지방(lipid)의 함량을 정량화(quantify)하는 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 생체조직(bodily tissue)과 같이 근적외선(Near Infrared Ray ; NIR)이 침투되었을 때 산란(scattering)이 발생하는 혼탁매질(turbid media)에서 비침습적인(non-invasive) 방법을 통해 수분(water)과 지질(lipid)의 함량을 정량화(quantify) 할 수 있는 방법이 제시된 바 없고, 또한, 조직의 수분과 지방 함량을 측정하기 위해 주파수영역 및 시간영역의 확산 광학 분광법(Diffuse Optical Spectroscopy ; DOS)이나 적외선 분광법(Infrared spectroscopy)을 이용함으로 인해 하드웨어 구성이 복잡해지고 대량생산 및 판매에 제약이 있는 한계가 있었던 종래기술의 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용하여 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 혼탁매질(turbid media)에서 수분(water)과 지방(lipid)의 함량을 정량화(quantify)하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 예를 들면, 생체조직(bodily tissue)과 같이, 근적외선(Near Infrared Ray ; NIR)이 침투되었을 때 산란(scattering)이 발생하는 혼탁매질(turbid media)에서 비침습적인(non-invasive) 방법을 통해 수분(water)과 지질(lipid)의 함량을 정량화(quantify) 할 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 체성분(body composition) 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 근적외선(NIR)에 기반한 확산 반사 분광법(Diffuse Reflectance Spectroscopy ; DRS)을 이용하여 조직(tissue)의 수분 및 지질 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 조직의 수분과 지방 함량을 측정하기 위해 주파수영역 및 시간영역의 확산 광학 분광법(Diffuse Optical Spectroscopy ; DOS)이나 적외선 분광법(Infrared spectroscopy)을 이용함으로 인해 하드웨어 구성이 복잡해지고 대량생산 및 판매에 제약이 있는 한계가 있었던 종래기술의 분광법 및 이를 이용한 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용하여, 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 조직구조와 생리적 반응을 이해하는 데 있어서 수분과 지방의 광학적 검출이 매우 중요하며, 즉, 예를 들면, 유방암 연구에서 수분과 지방은 종양을 모니터링 하고 조직 유형(tissue type)을 구별하며 절제연(Resection margin)을 결정하기 위한 중요한 바이오 마커(bio marker)로서 적용될 수 있다.
또한, 최근에는, 예를 들면, 피트니스 및 체중 감량을 위한 스포츠 의학(sports medicine) 분야, 환자 수분공급(patient hydration) 조절(regulate)을 위한 응급 의학(emergency medicine) 분야, 미용(cosmetic) 및 피부과 치료(dermatological treatments) 분야 등과 같이, 다양한 분야에서 조직의 수분과 지방의 정량화에 대한 관심이 높아지고 있다.
그러나 이와 같이 조직의 수분과 지방의 정량화에 대한 중요성에도 불구하고, 조직의 수분과 지방의 정량화를 위한 종래기술의 장치들은 체성분(body composition)의 정량화를 방해하는 요인(무게, 크기, 비용 등)을 가지고 있다.
더 상세하게는, 현대 의학에서 사용 가능한 "표준(gold standard)" 장치에는 자기공명 영상(Magnetic Resonance Imaging ; MRI), 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography ; CT) 및 이중에너지 X선 흡수법(dual energy X-ray absorptiometry) 등이 있으며, 여기서, 체지방을 추정하는 가장 간단한 방법 중 하나는 스킨폴드 캘리퍼스(skinfold calipers)를 사용하는 것이나, 이러한 스킨폴드 캘리퍼스를 이용하는 방법은 그 재현성(reproducibility)과 정확성(accuracy)에 있어 논쟁의 여지가 있다.
아울러, 최근에는, 인체에 미세한 전류를 흘렸을 때 발생하는 임피던스를 측정하여 체성분을 추정하는 신체 임피던스 장치(body impedance device)가 제시된 바 있으나, 이는 특정한 조직 부위의 측정이 필요할 때 사용하기 어렵다는 단점이 있다.
이에, 정기적인 임상(routine clinical) 또는 개인적 의료(personal health) 절차(procedure)로서 조직구성 분석(tissue compositional analysis)의 적용을 확대하기 위하여는 진입장벽이 낮고 정확하며 비침습적인(non-invasive) 방법이 요구된다.
여기서, 종래, 근적외선(NIR)에서의 조직 분광법(tissue spectroscopy)은 비침습적 광학 방식(optical modality)으로서 생물학적 산란매체(biological scattering media)에서 수분과 지방을 검출하는데 특히 적합한 것으로 입증된 바 있다.
즉, 가시광선 및 적외선 조사광(interrogating light)은 일반적으로 강한 수분흡수에 의해 진피층(dermal layer)으로 제한되는 반면, 근적외선 파장(600 ~ 1000nm)의 광원은 지방및 근육 조직으로 깊은 광침투(light penetration)가 가능한 스펙트럼 창(spectral window)으로 떨어진다.
그러나 조직의 수분과 지방을 결정하는 NIR 장치는 주파수영역 및 시간영역 확산 광학 분광법(Diffuse Optical Spectroscopy ; DOS)을 이용함으로 인해 고주파 변조 발생기(high-frequency modulation generator)나 피코초 광자검출기(picosecond photon detector)와 같은 복잡한 장비가 포함되므로 대중시장(mass market)에 진입하기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 종래, 900 ~ 1600nm 파장 윈도우(wavelength window) 내에서 복수의 수분 및 지방 흡수 스펙트럼 특징의 장점을 가지는 연속파 방법(continuous-wave method)이 제시된 바 있으나, 적외선 분광법(Infrared spectroscopy)을 이용하기 위하여는 영하의 조건에서 동작하는 인듐 갈륨 비소(Indium Gallium Arsenide ; InGaAs) 분광기와 같은 검출기가 필요한 데 더하여, 1000nm 이상의 물로 인한 흡수는 광학 조사 깊이를 제한하여 피부와 피하층을 통한 더 깊은 접근을 어렵게 한다.
이에, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 기존에 제시된 종래기술의 내용들을 기반으로 조직의 수분과 지방을 추정하기 위한 하드웨어 구성이 간략화된 DRS(Diffuse Reflection spectroscopy) 장치 및 방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제시되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 생체조직(bodily tissue)과 같이 근적외선(Near Infrared Ray ; NIR)이 침투되었을 때 산란(scattering)이 발생하는 혼탁매질(turbid media)에서 비침습적인(non-invasive) 방법을 통해 수분(water)과 지질(lipid)의 함량을 정량화(quantify) 할 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 체성분(body composition) 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 근적외선(NIR)에 기반한 확산 반사 분광법(Diffuse Reflectance Spectroscopy ; DRS)을 이용하여 조직(tissue)의 수분 및 지질 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 제시하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 조직의 수분과 지방 함량을 측정하기 위해 주파수영역 및 시간영역의 확산 광학 분광법(Diffuse Optical Spectroscopy ; DOS)이나 적외선 분광법(Infrared spectroscopy)을 이용함으로 인해 하드웨어 구성이 복잡해지고 대량생산 및 판매에 제약이 있는 한계가 있었던 종래기술의 분광법 및 이를 이용한 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용하여, 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 제시하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 근적외선(Near Infrared Ray ; NIR)이 침투되었을 때 산란(scattering)이 발생하는 혼탁매질(turbid media)에서 근적외선(NIR)에 기반한 확산 반사 분광법(Diffuse Reflectance Spectroscopy ; DRS)을 이용하여 조직(tissue)의 수분(water) 및 지질(lipid) 함량을 정량화(quantify) 할 수 있도록 구성되는 협대역(narrow-band) 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법에 있어서, 확산 반사 분광법(DRS)을 이용하여 측정대상에 대한 확산반사율(diffuse reflectance)의 측정이 수행되는 측정단계; 및 상기 측정단계에서 측정된 데이터를 수집하고 분석을 수행하여 상기 측정대상의 물과 지질 함량을 산출하는 분석단계를 포함하는 처리가 전용의 하드웨어 또는 컴퓨터를 포함하는 데이터 처리수단을 통하여 수행되도록 구성되고, 상기 측정단계는, 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하여 상기 측정대상에 대한 주파수 영역 광자이동(Frequency Domain Photon Migration ; FDPM) 측정이 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법이 제공된다.
여기서, 상기 측정단계는, 광원에 연결된 소스 광섬유(source fiber) 및 분광기(spectrometer)의 검출 광섬유(detection fiber)가 미리 정해진 일정 거리로 이격되어 탑재되는 프로브; 및 상기 측정대상과 각각의 상기 광섬유의 접촉을 방지하기 위해 미리 정해진 두께를 가지는 투명 플라스틱으로 형성되어 상기 프로브와 상기 측정대상의 표면 사이에 배치되는 배리어를 포함하여 구성되는 DRS 장치를 이용하여 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 분석단계는, 상기 측정대상에 대한 이론적 반사율(reflectance)을 R이라 하고, 측정 반사율(measured reflectance)을 Rm이라 하며, 상기 측정대상의 흡수(absorption)를 μa라 하고, 상기 측정대상의 감소된 산란(reduced scattering)을 μ's라 할 때(μ's >> μa), 이하의 수학식을 이용하여, μ's = 1.0mm-1로 가정하고 MATLAB 함수 fzero를 포함하는 수치처리기(numerical solver)를 적용하여 이론적 반사율(R)과 측정 반사율(Rm) 사이의 차이가 최소화되도록 하는 μa를 선택하고 μa 스펙트럼을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 분석단계는, 최소제곱법(Least-Square Minimization ; LSM)을 이용하여, 상기 수학식을 이용하여 산출된 μa와 이하의 수학식을 이용하여 예측된 흡수 스펙트럼 μa,fit을 비교하는 것에 의해 상기 측정대상의 수분농도(CH2O) 및 지질농도(CFAT)를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
(여기서, CH2O는 H2O의 농도이고, εH2O는 H2O의 흡광계수이며, CFAT는 FAT의 농도이고, εFAT는 FAT의 흡광계수이며, SF는 스케일링 계수(scaling factor)를 각각 의미함)
더욱이, 상기 분석단계는, 상기 측정대상의 수분비율(ratio of water fraction)을 RH2O라 하고, 상기 측정대상의 지방비율(ratio of fat fraction)을 RFAT라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 상기 측정대상의 수분비율 및 지방비율을 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다.
아울러, 본 발명에 따르면, 체성분(body composition) 측정장치에 있어서, 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하도록 이루어지는 측정부; 및 상기 측정부의 측정결과를 표시 및 전달하기 위한 디스플레이나 출력수단을 포함하여 이루어지는 출력부를 포함하여 구성되고, 상기 측정부는, 상기에 기재된 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 이용하여 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 체성분 측정장치가 제공된다.
더욱이, 본 발명에 따르면, 체성분(body composition) 측정방법에 있어서, 상기에 기재된 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 이용하여 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하도록 이루어지는 체성분 측정시스템을 구현하는 시스템 구축단계; 및 상기 체성분 측정시스템을 이용하여 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하는 측정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체성분 측정방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 근적외선(NIR)에 기반한 확산 반사 분광법(DRS)을 이용하여 조직의 수분 및 지질 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법이 제공됨으로써, 생체조직과 같이 근적외선(NIR)이 침투되었을 때 산란이 발생하는 혼탁매질에서 비침습적인 방법을 통해 수분과 지질의 함량을 정량화 할 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용하여 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법이 제공됨으로써, 조직의 수분과 지방 함량을 측정하기 위해 주파수영역 및 시간영역의 확산 광학 분광법(DOS)이나 적외선 분광법을 이용함으로 인해 하드웨어 구성이 복잡해지고 대량생산 및 판매에 제약이 있는 한계가 있었던 종래기술의 분광법 및 이를 이용한 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 에멀젼 팬텀 및 돼지 샘플에 대한 측정을 위한 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 600 ~ 1050nm 파장범위에서 물(H2O) 및 지질(FAT)에 대한 흡수계수를 나타낸 도면이다.
도 3은 부피별 에멀젼 팬텀 조성을 예측된 RFAT 및 RH2O에 따라 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 4는 계산된 상대흡수와 피팅 성분을 나타내는 도면이다.
도 5는 RH2O 및 RFAT의 값을 계산된 예상값과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 흡수 스펙트럼에 대한 다양한 감소된 산란 프로파일의 효과와 발색단 피팅을 나타내는 도면이다.
도 7은 서로 다른 μ's 가정을 가지는 세 가지 시나리오의 각각에 대하여 P2에 대해 계산된 RH2O 및 RFAT를 나타낸 도면이다.
도 8은 두 개의 서로 다른 공간위치에서 생체외 돼지샘플을 광학적으로 측정한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법의 전체적인 구성 및 처리 흐름을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 600 ~ 1050nm 파장범위에서 물(H2O) 및 지질(FAT)에 대한 흡수계수를 나타낸 도면이다.
도 3은 부피별 에멀젼 팬텀 조성을 예측된 RFAT 및 RH2O에 따라 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 4는 계산된 상대흡수와 피팅 성분을 나타내는 도면이다.
도 5는 RH2O 및 RFAT의 값을 계산된 예상값과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 6은 흡수 스펙트럼에 대한 다양한 감소된 산란 프로파일의 효과와 발색단 피팅을 나타내는 도면이다.
도 7은 서로 다른 μ's 가정을 가지는 세 가지 시나리오의 각각에 대하여 P2에 대해 계산된 RH2O 및 RFAT를 나타낸 도면이다.
도 8은 두 개의 서로 다른 공간위치에서 생체외 돼지샘플을 광학적으로 측정한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법의 전체적인 구성 및 처리 흐름을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 생체조직과 같이 근적외선(NIR)이 침투되었을 때 산란이 발생하는 혼탁매질에서 비침습적인 방법을 통해 수분과 지질의 함량을 정량화 할 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 근적외선에 기반한 확산 반사 분광법(DRS)을 이용하여 조직의 수분 및 지질 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 조직의 수분과 지방 함량을 측정하기 위해 주파수영역 및 시간영역의 확산 광학 분광법(DOS)이나 적외선 분광법을 이용함으로 인해 하드웨어 구성이 복잡해지고 대량생산 및 판매에 제약이 있는 한계가 있었던 종래기술의 분광법 및 이를 이용한 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결하기 위해, 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용하여 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법에 관한 것이다.
계속해서, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이 하여 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용하여 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 제시하였으며, 그 실제 성능을 검증하기 위해 물과 기름 성분의 다양한 혼합비율을 지닌 혼탁 에멀젼 팬텀(emulsion phantom)을 통하여 매질의 다양한 산란의 가정에 대한 측정을 수행하고 그 결과를 600 ~ 1000nm의 근적외선 광원을 사용하여 혼탁매질에서 수분과 지방을 정량화할 수 있는 종래기술의 대표적인 방법인 기존의 FDPM(frequency-domain photon migration) 시스템과 비교하여 검증하였다.
더욱이, 본 발명자들은, 후술하는 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 정량화 방법의 수분과 지방 측정성능을 생체외(ex-vivo) 돼지샘플에서도 검증하였으며, 이를 위해, 생체외(ex-vivo) 돼지샘플에 대한 본 발명에 따른 측정결과를 분석화학방법(analytical chemical method)에 의해 생체외(ex-vivo) 돼지샘플에서 직접 수분을 추출한 결과와 비교하여 검증하였다.
더 상세하게는, 먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에서 에멀젼 팬텀 및 돼지 샘플에 대한 측정을 위한 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1에 나타낸 구성에 있어서, 텅스텐-할로겐 램프에 연결된 소스 광섬유(source fiber)가 분광기 검출 광섬유(spectrometer detection fiber)와 이격되어 고정되고, 두 광섬유는 3D 프린트된 검은색 프로브에 탑재되며, 약 0.025mm 두께의 투명 플라스틱 배리어가 프로브와 측정면 사이에 배치되어 구성되어 있다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 있어서, DRS 측정은 50㎛ 광섬유와 1mm 직경의 솔리드 코어 수집 광섬유(solid-core collection fiber)로 이루어지는 3mm 직경의 소스 광섬유 다발(source optical fiber bundle)(R Specialty Optical Fibers LLC, Williamsburg, VA)을 이용하여 수행되었고, 텅스텐-할로겐 램프(HL-2000-FHSA, Ocean Optics Inc., Largo, FL)는 분광계(HS2048XL-U2, Avantes, Apeldoorn, Netherlands)가 확산반사율(diffuse reflectance)을 검출하는 동안 정상상태(steady-state)의 광대역 광(broadband light)을 제공하며, 광섬유는 3D 프린트된 폴리락트산(polylactic acid ; PLA) 프로브에 의해 19.5mm 소스-검출기 분리기(source-detector separation)에 고정되었고, 캘리브레이션(calibration)은 반사율 표준(SRS-02-020, Labsphere Inc., North Sutton, NH)을 이용하여 수행되었으며, 샘플과 광섬유 표면 사이의 접촉을 방지하기 위해 도 1에 나타낸 바와 같이 샘플과 프로브 사이에 얇은(약 0.025mm) 투명 플라스틱 배리어가 배치되었다.
또한, 투명 플라스틱 배리어는 캘리브레이션 과정 동안에도 존재하며, 주파수 영역 광자이동(Frequency Domain Photon Migration ; FDPM) 데이터는 가정 산란 (assuming scattering)에 대한 측정된 산란(measured scattering) 사용의 영향(impact)을 나타내기 위해 특정 샘플에서 캡처되었다.
여기서, FDPM은 종래기술의 문헌 등을 통해 널리 알려져 있으며, 즉, FDPM은 레이저광이 MHz ~ GHz 영역(regime)에서 변조되고 검출되는 비침습적 정량 광학 방법(non-invasive quantitative optical method)으로, 검출된 진폭감쇠(amplitude decay) 및 위상지연 광학 매개변수(phase delayed optical parameter)를 분석하여 혼탁매질의 흡수(absorption)(μa) 및 감소된 산란(reduced scattering))(μ's)이 각각의 레이저 파장에서 계산될 수 있고, FDPM용 하드웨어는 복수의 400㎛ 광섬유를 공통출력(common output)에 결합하는 광섬유 다발(optical fiber bundle)을 이용하여 유도되는 659nm, 690nm, 791nm 및 829nm의 중심 레이저 파장을 가지는 레이저 다이오드 제어를 위한 커스텀 회로로 구성되어 있다(R Specialty Optical Fibers LLC , Williamsburg, VA).
아울러, 50 ~ 500MHz 범위를 스위핑(sweeping)하는 레이저 변조(laser modulation)는 네트워크 분석기(network analyzer)(TR1300/1, Copper Mountain Technologies, Indianapolis, Indiana)에 의해 제공되고, 변조된 광의 검출은 애벌란시 포토다이오드(avalanche photodiode)(S12023-10 with C5658, Hamamatsu Photonics K. K., Hamamatsu City, Japan)를 사용하여 수집되었으며, FDPM 캘리브레이션은 특정한(characterized) 광학특성(optical property)을 가지는 실리콘 기반 팬텀(silicone-based phantom)이 이용되었다.
더욱이, 900 ~ 1000nm 영역의 산란 프로파일(scattering profile)을 계산하기 위해 전력법칙(power law)이 사용되었고, 장치를 동작시키기 위해 노트북(HP Elitebook 735 G6, Hewlett-Packard, Palo Alto, CA)이 사용되었으며, 데이터 분석은 커스텀 MATLAB 2016a 코드와 엑셀(Microsoft Excel)에 의해 동일한 노트북을 사용하여 수행되었다.
계속해서, 데이터 처리에 대하여 설명하면, 본 발명자들은, 측정된 샘플의 수분 및 지방 함량을 단일 소스-검출쌍(source-detection pair)에서 본 발명의 실시예에 따른 DRS 방법을 사용하여 추정하였으며, 이때, 900 ~ 1000nm 파장영역에서 물(H2O) 및 지질(FAT)의 발색단 흡광계수(chromophore extinction coefficients)를 고려하였고, 이러한 파장범위에는 도 2에 나타낸 바와 같이 H2O 및 FAT 스펙트럼 피크가 포함된다.
즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 600 ~ 1050nm 파장범위에서 물(H2O) 및 지질(FAT)에 대한 흡수계수(absorption coefficient)를 나타낸 도면이다.
도 2에 있어서, 물(H2O)에 대한 흡수계수는 검은색 선으로 표시되어 있고, 지질(FAT)에 대한 흡수계수는 회색선으로 각각 표시되어 있으며, 이 작업에서 데이터 분석은 하이라이트 표시된 바와 같이 H2O 및 FAT 스펙트럼 피크(spectral peak)를 포함하는 900 ~ 1000nm 대역으로 제한되었다.
여기서, 혼탁 샘플(turbid sample)에 대한 이론적인 반사율(reflectance)(R)은, 이하의 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이, 외삽 경계조건(extrapolated boundary conditions)을 가지는 μa 및 μ's와 관련된 확산모델을 이용하여 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
여기서, c1 및 c2는 공기-샘플 인터페이스(air-sample interface)와 관련된 상수이고, 플루언스(fluence) 
와 플럭스(flux) 
는 각각 다음과 같다.
또한, 확산상수(diffusion constant) D는 D = [3(μa + μ's)]-1 이고, 유효감쇠(effective attenuation) μeff는 μeff = (μa / D)1/2 이며, 등방성 소스 깊이(isotropic source depth) Z0는 Z0 = 1 / (μa + μ's) 이고, 제로 플루언스 외삽 거리(zero fluence extrapolated distance) zb는 zb = (2D(1 + Reff)) / ( 1- Reff) 이다.
여기서, Reff는 공기와 샘플의 굴절률(refractive index)에 근거한 상수이고, 이 모델의 적용은 μ's가 μa보다 훨씬 크다고 가정한다.
아울러, 보정된 측정 반사율(calibrated measured reflectance)(Rm)은 일반적으로 단위가 없는 강도(unitless intensity)로 표현되나, μa 스펙트럼은, 이하의 [수학식 2]에 나타낸 바와 같이, μ's = 1.0mm-1로 가정하고 MATLAB 함수 fzero와 같은 수치처리기(numerical solver)를 적용하여 계산될 수 있다.
[수학식 2]
여기서, R은 상기한 [수학식 1]로부터의 이론적 반사율이고, 각각의 파장에 대하여, Rm과 R 사이의 차이가 최소화 되도록 μa가 선택되어 μa 스펙트럼이 생성되며, 이러한 μa 스펙트럼은 산란 가정(scattering assumption)으로 인해 실제 절대단위(true absolute units)로 바로 표현될 수 없으나, μa의 모양(shape)은 여전히 샘플의 상대 발색단 농도(relative chromophore concentration)에 관련된 정보를 제공할 수 있으며, 900 ~ 1000nm 영역에 지질 및 수분 소멸계수 피크가 포함되어 있음으로 인해 이하의 [수학식 3]과 같이 하여 스펙트럼 특징(spectral feature)에 맞추는 것에 의해 발색단 농도를 구할 수 있다.
[수학식 3]
즉, 상기한 [수학식 3]은 H2O 농도(CH2O) 및 흡광계수(εH2O)의 곱(product)과, FAT 농도(CFAT) 및 흡광계수(εFAT)의 곱 및 스케일링 계수(scaling factor)(SF)의 선형결합(linear combination)의 결과로 예상되는 흡수 스펙트럼(μa,fit)을 나타내는 것으로, CH2O, CFAT 및 SF에 대한 값은 상기한 [수학식 3]을 이용하여 예측된 μa와 상기한 [수학식 2]를 이용하여 계산된 μa를 비교하는 최소제곱법(Least-Square Minimization ; LSM)에 의해 구해질 수 있다.
이때, SF는 최소화 과정 동안 파장 의존성(wavelength dependance)이 사용되지 않는 오프셋 상수이고, 이러한 SF를 이용하여, 절대값 대신에 μa의 모양에 맞추어 발색단 농도가 구해질 수 있다.
마지막 단계에서, 수분비율(ratio of water fraction) RH2O는 RH2O = CH2O / (CH2O + CFAT)에 의해 계산되고, 지방비율(ratio of fat fraction) RFAT은 RFAT = CFAT / (CH2O + CFAT)에 의해 계산된다.
또한, 후술하는 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 절대적인 광학 특성(absolute optical property)에 상대적으로 무관하므로(relatively agnostic), μ's 가정의 선택은 특별히 중요하지 않으며, RH2O 및 RFAT의 계산은 공통된 μa 스펙트럼 기반의 비율이므로 단일거리(single-distance) DRS 측정만이 요구된다.
다음으로, 에멀젼 팬텀(emulsion phantom)의 제작에 대하여 설명하면, 본 발명의 실시예에서, 본 발명자들은 대두 레시틴(soy lecithin)을 유화제(emulsifier)로 사용하여 다양한 대두유(soybean oil)와 증류수(distilled water) 비율을 가지는 650mL 에멀젼 팬텀 세트를 제작하였고(Wako Pure Chemical Industries, Ltd, Osaka, Japan), 각각의 팬텀은 유중수 에멀젼(water-in-oil emulsions)으로 제작되었으나, 종래기술 문헌들에 의해 제시된 바와 같이 에멀젼 팬텀의 물 대 지질 비율을 높이면 산란특성을 크게 증가시킬 수 있고, 이는 주로 수중유 혼합물(oil-in-water mixture)의 형성으로 인한 것이므로, 따라서 도 3의 표에 나타낸 바와 같이, 모든 팬텀을 유중수로 유지하기 위해 최대 0.6의 RH2O가 달성되었다.
즉, 도 3을 참조하면, 도 3은 부피별 에멀젼 팬텀 조성을 예측된 RFAT 및 RH2O에 따라 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 3에 있어서, 대두유와 증류수 부피는 별도로 측정되었고, 각각의 팬텀에 대하여 대두 레시틴이 오일 부피 중량의 2%로 첨가되었으며, 대두 레시틴의 높은 점성(viscous consistency)으로 인해 오일을 먼저 60℃로 가열한 다음 계량비커의 측면에 부착되어 남아있을 수 있는 레시틴을 옮기기 위해 사용되었고, 오일-레시틴 혼합물을 60℃에서 1시간 동안 초음파처리(sonicated)(Bransonic CPX3800H-E, Emerson Electric, Danbury, CT) 하고, 균질화(homogenization)를 위해, 종래기술에서는 블렌딩 후 진공챔버를 사용하여 기포를 제거하였으나, 본 실시예에서는, 진공기능이 내장된 블렌더(i8800, Jiaxiang Electric Co., LTD, Guangdong, China)가 사용되었다.
다음으로, 생체외(Ex-vivo) 돼지 모형에 대하여 설명하면, 본 발명자들은, 지역 도축장에서 복부 부위(abdominal area)의 두 개의 돼지 조각(porcine slab)을 공급받았고(각각 약 12 × 10 × 5cm), 실험현장으로 운송하는 동안 샘플은 저온으로 유지되었으나, 물 손실을 방지하기 위해 얼리지 않았으며, 측정하기 전에 조각이 실온에 도달할 때까지 방치하였고, 광학 포스트(optical post)를 이용하여 DRS 프로브를 장착하고 측정 동안 샘플과 접촉하도록 위치시켰으며, 각각의 돼지 샘플에서 두 개의 다른 측정부위가 선택되었고, 각각의 측정부위는 측정중 빛 누출을 최소화하기 위해 샘플 가장자리에서 3cm 이상 떨어져 있으며, 두 측정위치는 3cm 이격되었고, 두 위치에서 DRS 데이터를 캡처한 후 각 광학 측정지점의 중앙에 3cm 크기의 큐브를 절제하여, 절제된 조직은 즉시 수분(MOI) 분석을 위해 처리되었다.
계속해서, 조직 수분 추출(tissue moisture extraction)에 대하여 설명하면, 생체외 돼지 조직의 MOI(Multiplicity Of Infection) 분획(fraction)은 Association of Official Analytical Chemists(950.46 AOAC)의 방법에 근거하여 정량 화학(quantitative chemistry)을 이용하여 결정되었으며, 즉, 고정밀 저울(AS 220.R2, Radwag, Radom, Poland)을 사용하여 각 3cm3 부분(section)의 무게를 측정한 후, 균질화될 때까지 별도로 샘플을 블렌딩하였고, 각 샘플에서 중복을 추출하고 알루미늄 접시의 무게를 측정한 다음, 샘플을 125℃에서 4시간 동안 기계식 오븐(Heratherm OMS60, Thermo Scientific, Waltham, MA)에 위치시켜 가열한 후, 샘플을 데시케이터(desiccator)(Nalgene 5312-0230, Thermo Scientific, Waltham, MA)에 넣어 냉각시켰으며, 각 샘플의 최종 중량은 고정밀 저울을 사용하여 기록되었고, MOI는 이하의 [수학식 4]와 같이 하여 계산되었다.
[수학식 4]
여기서, ω(s)i는 가열 전 샘플의 초기 무게이고 ω(s)f는 가열 후 최종 샘플 무게를 각각 나타낸다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 상기한 바와 같이 하여 수행된 측정결과에 대하여 설명한다.
즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 계산된 상대흡수(relative absorption)와 피팅 성분(fitting component)을 나타내는 도면이다.
도 4에 있어서, 좌측단(column)은 상대흡수계수(relative absorption coefficient)를 원으로 나타내고 있고 발색단 피팅(chromophore fit)은 실선으로 나타나 있으며, 각 발색단의 흡수 기여도(absorption contribution)는 H2O가 흰색 사각형으로, FAT가 흰색 삼각형으로 우측단에 표시되어 있고, SF는 스펙트럼적으로 평탄한 점선으로 표시되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 흡수 스펙트럼(absorption spectra)과 발색단(chromophore)은 각각의 에멀젼 팬텀에 대하여 900 ~ 1000nm 파장에 피트(fit)되고, 모든 데이터에 대하여, μ's는 1.0mm-1로 설정되었으며, 976nm에서의 물 스펙트럼 피크는 팬텀 시리즈(phantom series)가 진행됨에 따라 930nm에서의 지질 피크에 비해 상승하는 것을 확인할 수 있고, 전체 흡수에 대한 각 피팅 성분(fitting component)의 흡수 기여도도 함께 표시된다.
또한, 도 5를 참조하면, 도 5는 복원된(recovered) RH2O 및 RFAT의 값을 도 3의 표에 나타낸 바와 같은 계산된 예상값과 비교하여 나타낸 도면이다.
도 5에 있어서, 다양한 RH2O 및 RFAT를 가지는 5개의 에멀젼 팬텀에 대한 측정을 수행하여 측정된 FATR(삼각형으로 표시)과 H2OR(원으로 표시)을 실선으로 표시된 예상값과 비교한 결과를 나타나고 있으며, 실제 비율(true ratio)과 비교한 평균오차는 두 파라미터 모두 3.7±3.0%였고, FATR 및 H2OR에 대하여는, 추세선(trend line)이 계산되어 두 메트릭에 대한 결정계수(coefficient of determination) R2 = 0.99가 된다.
즉, 도 5에 나타낸 바와 같이, 지방이 풍부한 생물학적 샘플(adipose-rich biological samples)에서 RH2O 및 RFAT는 각각 CH2O 및 CFAT에 접근하며, 결정계수가 R2 = 0.99인 예상값과 비교하여 RH2O 및 RFAT 모두에 대하여 매우 선형적인 경향(highly linear trend)이 관찰되었으며, 각 파라미터에 대한 RH2O 및 RFAT 오차는 1.1%에서 8.4% 범위였고, 5개의 에멀젼 팬텀에 걸쳐 평균오차는 3.7±3.0%였다.
아울러, 본 발명자들은, 상기한 [수학식 2]를 사용하여 보정된 반사율을 흡수로 변환하였다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 흡수 스펙트럼에 대한 다양한 감소된 산란 프로파일의 효과와 발색단 피팅을 나타내는 도면이다.
도 6에 있어서, 흡수 스펙트럼은 원으로 표시되어 있고, 발색단 피팅은 실선으로 표시되어 있으며, 물과 지질 피크에서의 흡수값은 사각형 마커를 이용하여 표시되어 있다.
또한, 도 6a는 FDPM 장치를 사용하여 측정된 산란을 나타내고, 도 6b는 μ's = 1.0mm-1로 가정하여 감소된 산란을 나타내며, 도 6c는 μ's = 2.0mm-1로 가정하여 감소된 산란을 각각 나타내고 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 팬텀 P2에 대하여, a) FDPM 데이터로부터 유도되는(derived) 측정된 μ's, b) 파장 의존성이 없는 μ's = 1.0mm-1의 가정 c) 파장 의존성이 없는 μ's = 2.0mm-1의 가정의, 세 가지의 서로 다른 μ's 값이 사용되었고, 여기서, μa 스펙트럼의 값 뿐만 아니라, 각각 FAT 및 H2O 흡수 피크인 μa(976nm)에 대한 μa(930nm) 값도 μ's의 선택에 영향받는다.
아울러, 도 7을 참조하면, 도 7은 서로 다른 μ's 가정을 가지는 세 가지 시나리오의 각각에 대하여 P2에 대해 계산된 RH2O 및 RFAT를 나타낸 도면이다.
즉, 도 7에 있어서, 1) FDPM으로 측정된 감소된 산란을 이용한 경우, 2) μ's를 1.0mm-1로 가정한 경우, 3) μ's를 2.0mm-1로 가정한 경우에 데이터 집합으로부터 복원된 H2OR과 FATR을 각각 나타내고 있으며, 상기한 도 6에 나타낸 바와 같이 서로 다른 μ's 파라미터가 서로 다른 μa 스펙트럼을 생성함에도 불구하고 FAT와 H2O의 비율은 1% 이내에서 일관되게 유지되었다.
다음으로, 도 8을 참조하면, 도 8은 두 개의 서로 다른 공간위치(spatial locations)에서 생체외(ex-vivo) 돼지샘플을 광학적으로 측정한 결과를 각각 나타내는 도면이다.
여기서, 도 8에 있어서, 각 광학측정의 중심에서 약 3cm3의 조직을 절제하여 MOI를 계산하였고, 본 발명의 실시예에 따른 DRS 기법(샘플당 n = 18)을 사용하여 계산된 RH2O와 분석화학 방법으로 추출된 MOI(샘플당 n = 4)를 비교하여 나타내고 있다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은, MOI를 계산할 수 있도록 하기 위해 4개의 돼지 복부조직 샘플을 탈수시켰고, 이때, 두 개의 샘플은 복부 A에서 절제된 반면, 다른 두 개의 샘플은 복부 B에서 채취되었으며, 복부 A는 두꺼운 지방 표면층(adipose surface layer)을 가지는 것으로 관찰되었고, 복부 B는 현저하게 가늘어진 것으로 관찰되었으며, 분석화학 방법으로 유도된 DRS 및 MOI를 이용하여 추정된 RH2O는 도 8에 나타낸 바와 같다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는, 산란 매질에서 RH2O 및 RFAT를 복원하는 본 발명의 실시예에 따른 DRS 방법을 평가하기 위해 다양한 물과 기름 비율을 사용하여 일련의 팬텀을 제작하였고, 지질 및 수분 흡수 피크로 각각 알려진 930nm 및 976nm를 포함하도록 900 ~ 1000nm 파장 영역이 선택되었다.
또한, 종래기술의 문헌 등에 제시된 기술내용들은 정량적 접근방식을 사용하여 혼탁매질의 수분과 지방을 측정하는 반면, 본 발명의 실시예에 따른 DRS 기술은 기본적인 확산 반사율(basic diffuse reflectance)을 기반으로 하는 것으로, 파장에 대한 상대적인 빛의 강도를 측정하는 것이며, 절대적인 광학적 특성이 없음에도 불구하고 강도 스펙트럼(intensity spectrum)의 모양(shape)은 물과 지방을 추정하기 위해 측정된 샘플 내의 발색단(chromophore)에 대한 정보를 계속 제공할 수 있다.
아울러, 도 4에 나타낸 바와 같이, 도시된 μa 스펙트럼은 추정된 산란으로 인해 절대적인 것으로 간주될 수 없으나, 예상대로 팬텀 시리즈가 진행됨에 따라 지질 피크에 비해 물 피크가 상승하는 것을 확인할 수 있으며, [수학식 3]에 의해 CH2O, CFAT 및 SF의 선형 조합을 피팅하여 상대 발색단 농도를 복원할 수 있다.
여기서, SF를 포함하면 상대 흡수 스펙트럼의 모양에 맞추기 위한 절대값의 디엠퍼시스(de-emphasis)가 가능하나, 그럼에도 불구하고, 상대 스펙트럼에서 발색단 농도를 직접 결정하고자 하는 시도는 물과 지질 값의 부정확함을 야기한다.
따라서 본 발명에서는, 공통 상대 흡수 스펙트럼을 기반으로 하는 비율인 RH2O 및 RFAT 파라미터를 도입하였으며, 본 발명의 실시예에 따른 DRS 접근방식을 사용하여, 알려진 오일 및 물의 비율로부터 계산된 실제 값과 비교하여 매우 선형적인 추세(R2 = 0.99)와 예상 결과(3.7±3.0%의 오차)의 우수한 일치를 발견하였다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 접근방식은, 광대역 DOS 및 시간영역 DOS를 활용한 종래기술의 내용들과 비교하여 선형성과 정확도 결과는 유사하나, 현저하게 낮은 복잡도를 가지는 광학 하드웨어를 사용하므로, 기본적으로 100nm 광원(900nm ~ 1000nm)과 분광계만으로 구성될 수 있으며, 이러한 하드웨어 요구사항은 본 발명의 기술을 기반으로 휴대용 및 웨어러블 유형의 센서 개발시 추가적인 파장 최적화 연구를 통해 더욱 감소될 수 있을 것으로 기대된다.
또한, 보정된 반사율 측정은 [수학식 1]에 나타낸 바와 같이 흡수와 관련될 수 있으나, 샘플의 광학적 특성에 대한 사전 정보 없이, 본 발명에서는 상대 흡수를 계산하기 위해 산란 프로파일을 가정하고 본 발명의 실시예에 따른 방법이 산란 가정에 둔감하다는 것을 관측하였다.
즉, 산란 프로파일의 선택은 결과 흡수 스펙트럼에 영향을 미치나 최종 RH2O 및 RFAT 결과는 1%의 차이로만 변경되었으며, 이는 다음과 같이 설명될 수 있다.
첫째로, RH2O와 RFAT는 동일한 상대 흡수 스펙트럼을 기준으로 하는 비율이고, 이는 RH2O 및 RFAT가 평탄하고(smooth) 연속적인(continuous) 변화로서 흡수 스펙트럼에 영향을 미치는 산란 가정의 선택에 강건하게(robust) 한다.
둘째로, Mie 이론으로부터 알 수 있는 바와 같이, μ's(λ)의 파장 의존성은 파장이 증가함에 따라 약해지고, 900 ~ 1000nm 영역에서 산란 프로파일이 거의 평탄해지며(nearly flat), 따라서 [수학식 2]를 구현시 음의(negative) μa(λ)를 계산하지 않는 한 μ's(λ) 가정의 효과는 최소화된다.
아울러, 본 발명의 실시예에서는, 생체외 돼지 샘플에서 광학적으로 측정된 RH2O를 검증하기 위해 분석화학 방법으로 조직에서 수분 함량을 직접 추출하였으며, 이를 위해 "샘플 A"와 "샘플 B"의 두 부위의 돼지 조직이 사용되었고, "샘플 A"는 "샘플 B"(~ 0.3mm)보다 훨씬 더 두꺼운 상부 지방층(~ 2cm)을 가지는 것으로 관찰되었다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 있어서, 소스-검출기 구성에서 평균 광학침투 깊이와 광학신호의 95% 이상이 샘플에 입사된 후 1cm 이내에 포함되었을 가능성이 높으나, MOI 분석을 위해, 탈수 계산을 위하여 충분한 샘플 질량을 확보하기 위해 각 샘플에서 훨씬 더 큰 3cm3 부피를 제거하였다.
따라서 RH2O와 MOI 사이의 일부 불일치는 분석 볼륨의 차이에 의한 것으로 설명될 수 있으며, 샘플 A에 대하여, DRS 민감도는 지방함량이 높고 수분함량이 낮은 최고 지방층(top adipose layer)으로 제한되었을 수 있으나, 반면, MOI 분석의 경우 현저하게 지방이 적은 조직(lean tissue)이 포함되었다.
실제로, 샘플 A에 대한 RH2O는 복부 지방 조직에서 0.15 ~ 0.3 수분 비율을 나타낸 종래기술의 내용과 일치하고, 0.43의 MOI 값은 혼합된 지방-근육 조성을 나타낼 가능성이 높으며, 샘플 B의 경우, 더 얇은 지방의 존재로 인해 광학 및 MOI 추출방법의 조직 부피는 모두 지방이 적은 조직이 지배적인 샘플이 포함되어 있으므로 밀접하게 일치하였다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에서, 본 발명자들은, 900 ~ 1000nm 파장 영역의 근적외선(NIR)을 이용하여 국소 조직(local tissue)의 수분 및 지질 함량과 같은 체성분(body composition)을 정확하게 측정 가능하여 간단한 하드웨어 구성으로 대량 생산 및 판매가 가능하도록 구성되는 협대역 DRS 방법을 제시하였고, 다양한 지질과 물 혼합물(lipid and water mixture)을 가지는 에멀젼 팬텀(emulsion phantom)을 사용하여 제시된 방법의 성능을 확인하였다.
이와 함께, 측정항목이 산란 가정에 민감하지 않아 절대산란 정량화의 필요성이 제거되었음을 나타내어 본 발명이 절대산란 가정(absolute scattering assumption)에 대한 견고성(robustness)의 장점을 가지는 것임을 입증하였으며, 생체외(ex-vivo) 돼지샘플(porcine sample)을 이용하여 분석화학방법(analytical chemical method)으로 직접 물 추출을 수행하고 본 발명의 DRS 결과와 비교하는 것에 의해 본 발명에 제시된 DRS 방법이 의료분야뿐만 아니라 피트니스나 개인 및 가정용으로 폭넓게 활용 가능한 것임을 입증하였다.
따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터 본 발명의 실시예에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 용이하게 구현할 수 있으며, 즉, 도 9를 참조하면, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법의 전체적인 구성 및 처리 흐름을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법은, 크게 나누어, 레이저 광을 이용하여 측정대상의 확산반사율(diffuse reflectance)을 측정하도록 이루어지는 DRS 측정장치를 이용하여, DRS 측정장치에 측정대상을 위치시키고 측정대상에 대한 DRS 측정을 수행하는 측정단계(S10) 및 상기한 단계(S10)에서 측정된 데이터를 수집하고 분석을 수행하여 측정대상의 물과 지질 함량을 산출하는 분석단계(S20)를 포함하여 구성되될 수 있다.
여기서, 상기한 측정단계(S10)는, 도 1을 참조하여 상기한 바와 같이 구성되는 DRS 측정장치를 이용하여 측정이 이루어지고, 이때, 상기한 DRS 측정장치는, 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하여 측정대상에 대한 FDPM 측정이 수행되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기한 분석단계(S20)는, 도 2 및 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 참조하여 상기한 바와 같이 하여, 측정단계(S10)에서 측정된 데이터에 근거하여 측정대상의 물과 지방 함량을 산출하는 처리가 전용의 하드웨어나, 또는, 바람직하게는, 컴퓨터를 포함하는 데이터 처리수단을 이용하여 수행되도록 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 구현할 수 있으며, 그것에 의해, 본 발명에 따르면, 근적외선(NIR)에 기반한 확산 반사 분광법(DRS)을 이용하여 조직의 수분 및 지질 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법이 제공됨으로써, 생체조직과 같이 근적외선(NIR)이 침투되었을 때 산란이 발생하는 혼탁매질에서 비침습적인 방법을 통해 수분과 지질의 함량을 정량화 할 수 있는 방법이 제시되지 못하였던 종래기술의 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하는 협대역 확산 반사 분광법(narrow-band DRS)을 이용하여 기존에 비해 보다 간단한 구성으로 조직의 수분과 지방의 함량을 정확하게 정량화할 수 있도록 구성되는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법이 제공됨으로써, 조직의 수분과 지방 함량을 측정하기 위해 주파수영역 및 시간영역의 확산 광학 분광법(DOS)이나 적외선 분광법을 이용함으로 인해 하드웨어 구성이 복잡해지고 대량생산 및 판매에 제약이 있는 한계가 있었던 종래기술의 분광법 및 이를 이용한 체성분 측정장치 및 방법들의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
Claims (8)
- 근적외선(Near Infrared Ray ; NIR)이 침투되었을 때 산란(scattering)이 발생하는 혼탁매질(turbid media)에서 근적외선(NIR)에 기반한 확산 반사 분광법(Diffuse Reflectance Spectroscopy ; DRS)을 이용하여 조직(tissue)의 수분(water) 및 지질(lipid) 함량을 정량화(quantify) 할 수 있도록 구성되는 협대역(narrow-band) 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법에 있어서,
900 ~ 1000nm의 근적외선 대역만을 사용하여 측정대상에 대한 주파수 영역 광자이동(Frequency Domain Photon Migration ; FDPM) 측정이 수행되는 것에 의해 상기 측정대상에 대하여 확산 반사 분광법(DRS)을 이용한 확산반사율(diffuse reflectance)의 측정이 수행되는 측정단계; 및
상기 측정단계에서 측정된 데이터를 수집하고 분석을 수행하여 상기 측정대상의 물과 지질 함량을 산출하는 분석단계를 포함하는 처리가 전용의 하드웨어 또는 컴퓨터를 포함하는 데이터 처리수단을 통하여 수행되도록 구성되고,
상기 분석단계는,
상기 측정대상에 대한 이론적 반사율(reflectance)을 R이라 하고, 측정 반사율(measured reflectance)을 Rm이라 하며, 상기 측정대상의 흡수(absorption)를 μa라 하고, 상기 측정대상의 감소된 산란(reduced scattering)을 μ's라 할 때(μ's >> μa), 이하의 수학식을 이용하여, μ's = 1.0mm-1로 가정하고 MATLAB 함수 fzero를 포함하는 수치처리기(numerical solver)를 적용하여 이론적 반사율(R)과 측정 반사율(Rm) 사이의 차이가 최소화되도록 하는 μa를 선택하고 μa 스펙트럼을 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 측정단계는,
광원에 연결된 소스 광섬유(source fiber) 및 분광기(spectrometer)의 검출 광섬유(detection fiber)가 미리 정해진 일정 거리로 이격되어 탑재되는 프로브; 및
상기 측정대상과 각각의 상기 광섬유의 접촉을 방지하기 위해 미리 정해진 두께를 가지는 투명 플라스틱으로 형성되어 상기 프로브와 상기 측정대상의 표면 사이에 배치되는 배리어를 포함하여 구성되는 DRS 장치를 이용하여 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 분석단계는,
최소제곱법(Least-Square Minimization ; LSM)을 이용하여, 상기 수학식을 이용하여 산출된 μa와 이하의 수학식을 이용하여 예측된 흡수 스펙트럼 μa,fit을 비교하는 것에 의해 상기 측정대상의 수분농도(CH2O) 및 지질농도(CFAT)를 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법.
(여기서, CH2O는 H2O의 농도이고, εH2O는 H2O의 흡광계수이며, CFAT는 FAT의 농도이고, εFAT는 FAT의 흡광계수이며, SF는 스케일링 계수(scaling factor)를 각각 의미함)
- 제 4항에 있어서,
상기 분석단계는,
상기 측정대상의 수분비율(ratio of water fraction)을 RH2O라 하고, 상기 측정대상의 지방비율(ratio of fat fraction)을 RFAT라 할 때, 이하의 수학식을 이용하여 상기 측정대상의 수분비율 및 지방비율을 각각 산출하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법.
- 청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 4항 및 청구항 5항 중 어느 한 항에 기재된 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 컴퓨터에 실행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
- 체성분(body composition) 측정장치에 있어서,
측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하도록 이루어지는 측정부; 및
상기 측정부의 측정결과를 표시 및 전달하기 위한 디스플레이나 출력수단을 포함하여 이루어지는 출력부를 포함하여 구성되고,
상기 측정부는,
청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 4항 및 청구항 5항 중 어느 한 항에 기재된 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 이용하여 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 체성분 측정장치.
- 체성분(body composition) 측정방법에 있어서,
청구항 1항, 청구항 2항, 청구항 4항 및 청구항 5항 중 어느 한 항에 기재된 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법을 이용하여 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하도록 이루어지는 체성분 측정시스템을 구현하는 시스템 구축단계; 및
상기 체성분 측정시스템을 이용하여 측정대상의 수분 및 지질 함량을 측정하는 측정단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체성분 측정방법.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210026703A KR102298680B1 (ko) | 2021-02-26 | 2021-02-26 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
| PCT/KR2022/000921 WO2022181994A1 (ko) | 2021-02-26 | 2022-01-18 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
| US18/263,990 US20240110865A1 (en) | 2021-02-26 | 2022-01-18 | Method for quantifying content of water and lipid in turbid media, using narrowband diffuse reflectance spectroscopy |
| JP2023547675A JP7546984B2 (ja) | 2021-02-26 | 2022-01-18 | 狭帯域拡散反射分光法を用いた混濁媒質における水分及び脂質含有量定量化方法 |
| EP22759913.1A EP4298992A4 (en) | 2021-02-26 | 2022-01-18 | METHOD FOR QUANTIFYING WATER AND LIPID CONTENT IN TURBINE MEDIA USING NARROW-BAND DIFFUSE REFLECTANCE SPECTROSCOPY |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210026703A KR102298680B1 (ko) | 2021-02-26 | 2021-02-26 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102298680B1 true KR102298680B1 (ko) | 2021-09-07 |
| KR102298680B9 KR102298680B9 (ko) | 2022-04-14 |
Family
ID=77796990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210026703A KR102298680B1 (ko) | 2021-02-26 | 2021-02-26 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20240110865A1 (ko) |
| EP (1) | EP4298992A4 (ko) |
| JP (1) | JP7546984B2 (ko) |
| KR (1) | KR102298680B1 (ko) |
| WO (1) | WO2022181994A1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022181994A1 (ko) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 주식회사 메디띵스 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160019777A (ko) * | 2014-08-12 | 2016-02-22 | 삼성전자주식회사 | 비침습 생체 측정 장치 및 비침습 생체 측정 방법 |
| US20170209089A1 (en) * | 2016-01-22 | 2017-07-27 | The Regents Of The University Of California | Predicting Weight Loss and Fat Metabolism Using Optical Signal Changes in Fat |
| KR101951758B1 (ko) | 2017-11-17 | 2019-02-25 | 광주과학기술원 | 라만 분광을 이용한 지방 혼합물 내의 돼지 지방 정량 분석 방법 및 장치 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7428434B2 (en) | 2001-07-27 | 2008-09-23 | The Regents Of The Univeristy Of California | Quantitative broadband absorption and scattering spectroscopy in turbid media by combined frequency-domain and steady state methodologies |
| WO2014113333A1 (en) | 2013-01-15 | 2014-07-24 | The Regents Of The University Of California | Portable broadband diffuse optical spectroscopic imaging (dosi) |
| WO2014118674A2 (en) * | 2013-01-30 | 2014-08-07 | Koninklijke Philips N.V. | Imaging system with hyperspectral camera guided probe |
| CN106793917B (zh) * | 2014-07-02 | 2019-04-30 | 新加坡国立大学 | 用于分析、表征和/或诊断如异常生长的样本或组织的类型或性质的拉曼光谱系统、装置和方法 |
| US10690590B2 (en) | 2016-04-05 | 2020-06-23 | Viavi Solutions Inc. | Light pipe for spectroscopy |
| KR102002589B1 (ko) | 2016-07-21 | 2019-07-22 | 주식회사 올리브헬스케어 | 주파수 도메인 기반의 다파장 생체신호 분석 장치 및 그 방법 |
| KR102298680B1 (ko) * | 2021-02-26 | 2021-09-07 | (주)메디띵스 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
-
2021
- 2021-02-26 KR KR1020210026703A patent/KR102298680B1/ko active IP Right Grant
-
2022
- 2022-01-18 JP JP2023547675A patent/JP7546984B2/ja active Active
- 2022-01-18 US US18/263,990 patent/US20240110865A1/en active Pending
- 2022-01-18 WO PCT/KR2022/000921 patent/WO2022181994A1/ko active Application Filing
- 2022-01-18 EP EP22759913.1A patent/EP4298992A4/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20160019777A (ko) * | 2014-08-12 | 2016-02-22 | 삼성전자주식회사 | 비침습 생체 측정 장치 및 비침습 생체 측정 방법 |
| US20170209089A1 (en) * | 2016-01-22 | 2017-07-27 | The Regents Of The University Of California | Predicting Weight Loss and Fat Metabolism Using Optical Signal Changes in Fat |
| KR101951758B1 (ko) | 2017-11-17 | 2019-02-25 | 광주과학기술원 | 라만 분광을 이용한 지방 혼합물 내의 돼지 지방 정량 분석 방법 및 장치 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022181994A1 (ko) * | 2021-02-26 | 2022-09-01 | 주식회사 메디띵스 | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4298992A4 (en) | 2024-09-18 |
| US20240110865A1 (en) | 2024-04-04 |
| EP4298992A1 (en) | 2024-01-03 |
| JP7546984B2 (ja) | 2024-09-09 |
| WO2022181994A1 (ko) | 2022-09-01 |
| KR102298680B9 (ko) | 2022-04-14 |
| JP2024505716A (ja) | 2024-02-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wilson et al. | Review of short-wave infrared spectroscopy and imaging methods for biological tissue characterization | |
| Cerussi et al. | In vivo absorption, scattering, and physiologic properties of 58 malignant breast tumors determined by broadband diffuse optical spectroscopy | |
| Zhang et al. | Visible and near-infrared spectroscopy for distinguishing malignant tumor tissue from benign tumor and normal breast tissues in vitro | |
| Evers et al. | Diffuse reflectance spectroscopy: a new guidance tool for improvement of biopsy procedures in lung malignancies | |
| Tseng et al. | Noninvasive evaluation of collagen and hemoglobin contents and scattering property of in vivo keloid scars and normal skin using diffuse reflectance spectroscopy: pilot study | |
| US20100160754A1 (en) | Method and Apparatus for Quantification of Optical Properties of Superficial Volumes Using Small Source-to-Detector Separations | |
| Kurakina et al. | Probing depth in diffuse reflectance spectroscopy of biotissues: a Monte Carlo study | |
| WO2017005628A1 (en) | A light-based sebum and water level measurement system for skin | |
| Lam et al. | Narrowband diffuse reflectance spectroscopy in the 900–1000 nm wavelength region to quantify water and lipid content of turbid media | |
| KR102298680B1 (ko) | 협대역 확산 반사 분광법을 이용한 혼탁매질에서의 수분 및 지질 함량 정량화 방법 | |
| Dahlstrand et al. | Identification of tumor margins using diffuse reflectance spectroscopy with an extended‐wavelength spectrum in a porcine model | |
| Hult et al. | Comparison of photoacoustic imaging and histopathological examination in determining the dimensions of 52 human melanomas and nevi ex vivo | |
| Setchfield et al. | Relevance and utility of the in-vivo and ex-vivo optical properties of the skin reported in the literature: a review | |
| US20060089553A1 (en) | Method and apparatus for investigating histology of epithelial tissue | |
| KR100866258B1 (ko) | 리니어 이미지센서를 이용한 피부두께 측정 장치 및 그측정 방법 | |
| KR100716801B1 (ko) | 피하지방 두께 측정장치 | |
| RU2437617C1 (ru) | Способ неинвазивного определения кислородного статуса тканей | |
| Al-Ibadi et al. | THz spectroscopy and imaging for breast cancer detection in the 300–500 GHz range | |
| Nishimura et al. | Characterization of optical parameters with a human forearm at the region from 1.15 to 1.52 µm using diffuse reflectance measurements | |
| Yuan et al. | Light-emitting diode-based multiwavelength diffuse optical tomography system guided by ultrasound | |
| Koul et al. | Sub-terahertz and terahertz waves for skin diagnosis and therapy | |
| CN112004464B (zh) | 肿瘤边缘评估 | |
| Yoshimoto et al. | Development of time-resolved reflectance diffuse optical tomography for breast cancer monitoring | |
| Dev et al. | Application of terahertz imaging in biological sciences, a review | |
| Ho et al. | Optical skin-fat thickness measurement using miniaturized chip LEDs: a preliminary human study |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| G170 | Re-publication after modification of scope of protection [patent] |