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KR-102961078-B1 - Hand-held apparatus for measuring body fat amount of companion animal using ultra-wideband microwave

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Abstract

본 발명은 마이크로파 기술을 기반으로 한 애완동물 체지방량 분석 장치를 제시한다. 이 장치는 마이크로파와 애완동물 체내의 다양한 조직 간의 전기적 특성 차이를 이용하여 체지방량을 측정한다. 전자기파는 애완동물의 신체 조직을 투과하며, 조직 내의 수분 분자, 지방 분자 등과 상호 작용하여 다양한 반사 및 흡수 신호를 발생시킨다. 이러한 신호를 분석함으로써 애완동물 체내의 지방 함량을 정확하게 측정할 수 있다. 이 장치는 애완동물의 체지방량을 효율적으로 측정할 수 있으며, 기존 방법에서 발생하는 고비용, 복잡한 작업, 방사선 위험 등의 여러 결점을 피할 수 있다.

Inventors

  • 조진원
  • 김희연

Assignees

  • 에이아이다이콤 (주)
  • 브랜바인 인코포레이션

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20250527

Claims (7)

  1. 반려동물의 피부에 접촉된 상태에서 마이크로파를 방사하고 반사된 마이크로파를 수신하는 공통 안테나; 상기 공통 안테나를 통해 마이크로파 신호를 출력하는 송신 회로부 및 상기 마이크로파 신호를 생성하는 마이크로파 발생기; 상기 공통 안테나로부터 반사된 마이크로파 신호를 수신하는 수신 회로부; 상기 수신된 마이크로파 신호의 노이즈를 제거하고, 주파수 변환을 통해 신호를 안정시킨 후 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 통해 디지털 신호로 변환하고 상기 변환된 디지털 신호로부터 체지방량과 관련된 특징 정보를 추출하는 신호 처리부; 전체 장치에 전원을 공급하는 전원 모듈; 및 상기 마이크로파 발생기의 마이크로파 발생 타이밍 조절, 상기 신호 처리부의 신호 수집 및 ADC 트리거, 및 상기 전원 모듈의 배터리 상태 감시 동작을 제어하며, 상기 체지방량과 관련된 특징 정보를 미리 학습된 예측 모델을 포함하는 데이터 분석모듈로 전송하는 컨트롤러를 포함하며, 상기 송신 회로부, 마이크로파 발생기, 수신 회로부, 신호 처리부, 컨트롤러 및 전원 모듈은 하나의 통합 패키지 모듈로 구현된 것을 특징으로 하고, 상기 신호처리부는 수 MHz 이상의 샘플링레이트를 가지는 고속 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 포함하고, 상기 체지방량과 관련된 특징 정보는 반사계수 최소인 공진 주파수와 반사 손실값을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 데이터 분석모듈은 상기 반사계수 최소인 공진 주파수와 반사 손실값을 미리 학습된 예측 모델의 입력값으로 사용하여 지방층 두께, 근육층 두께, 및 체지방률을 산출하는 것을 특징으로 하는, 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1 에 있어서, 상기 데이터 분석모듈은 상기 반사계수 최소인 공진 주파수와 반사 손실값과 반려동물의 종(species), 나이 및 측정 부위에 대한 정보 또는 반려동물의 측정 부위 피부 온도 또는 수분 정보를 미리 학습된 예측 모델의 입력값으로 사용하여 반려동물의 체지방량을 산출하는 것을 특징으로 하는, 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치.
  5. 청구항 4 에 있어서, 상기 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치는 디스플레이 모듈을 더 포함하며, 상기 디스플레이 모듈은 상기 데이터 분석모듈에서 최종적으로 처리된 체지방량 데이터를 시각적인 도표 또는 수치 형태로 표시하는 것을 특징으로 하는, 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치.
  6. 청구항 5 에 있어서, 상기 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치는 피부 접촉감지센서와 스피커를 더 포함하며, 상기 컨트롤러는 피부 접촉감지센서를 통해 반려동물의 피부에 안테나가 접촉된 것을 감지하여 자동으로 측정을 개시하고, 시각 또는 청각 신호를 통해 접촉 상태를 사용자에게 피드백하는 것을 특징으로 하는, 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치.
  7. 청구항 5 에 있어서, 상기 예측 모델은 DXA 기반 ground truth 데이터를 학습한 회귀 또는 머신러닝 모델인 것을 특징으로 하는, 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치.

Description

초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치{Hand-held apparatus for measuring body fat amount of companion animal using ultra-wideband microwave} 본 발명은 초광대역 마이크로파 기반 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동물병원에 설치된 고가의 측정 장치 또는 수의사 감정(평가) 방식을 통한 체지방량 측정데이터와 상관관계(Coherence)가 있는 측정데이터를 제공하는 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치에 관한 것이다. 반려동물은 단순한 애완동물의 개념을 넘어 가족 구성원으로 인식되고 있으며, 이에 따라 반려동물의 건강 관리에 대한 반려인의 관심도 급격히 높아지고 있다. 반려동물의 비만은 다양한 질병의 주요 원인이 될 수 있어, 체지방량의 정확한 측정은 예방적 건강 관리에 있어 매우 중요하다. 동물병원에서 동물의 체지방량(body fat amount)을 감정(평가)하는 방법은 크게 5가지가 있다. 기본적이고 일상적인 방법은 수의사에 의한 시진 및 촉진(Visual & Palpation Scoring)이다. 수의사가 반려동물의 뼈, 피하 지방, 근육, 허리 및 복부 윤곽 등을 평가하고 이를 통해 얻은 정보를 바탕으로 BCS 점수표(Body Condition Score)를 참조하여 체지방 상태를 점수로 표현하는 것이다. 이 방법은 수의사의 경험에 의존하며, 주관적인 판단에 따라 결과가 달라질 수 있어 정확도에서 한계가 존재한다. 나머지 4가지 방법은 장비가 필요한 방법으로, 초음파 측정(ultrasonic probe) 분석, 생체 임피던스 분석(BIA, Bioelectrical Impedance Analysis), 이중 에너지 X선 흡수계측(DEXA, Dual-energy X-ray Absorptiometry), 컴퓨터 단층 촬영(CT, Computed Tomography) 분석이 있다. 초음파를 이용한 방법은 특정 위치 예를 들어 복부, 대퇴부 등의 피하지방층 두께를 측정하여 체지방을 추정하는 방법이다. 7.5MHz 프로브를 사용하여 고양이 복부 피하지방을 측정하거나 10MHz∼18MHz 범위의 리니어 프로브를 사용하여 강아지의 지방 두께를 측정한다. 생체 임피던스 분석(BIA) 방법은 전류를 동물의 몸에 통과시켜 수분량과 지방량 차이를 분석한다. 한국공개특허공보 제10-2012-0012257호(발명의 명칭: 동물용 체성분 분석 장치)에는 동물의 발이 접촉되는 전극체를 지면에 대해 특정 높이로 이격 설치하여 동물의 체성분을 측정하는 기술이 개시되어 있다. 한국공개특허공보 제10-2024-0047199호(발명의 명칭: 반려동물 체지방률 측정 장치)에는 반려동물의 발이 접촉되는 발판부의 상부에, 복수 개의 초음파부를 형성하고 초음파신호를 통해 반려동물의 체지방률을 측정하는 기술이 개시되어 있다. 반려동물이 측정 장치에 올라서면 기기가 체내 수분, 단백질, 근육량, 골밀도, 지방 등을 측정한다. 이중 에너지 X선 흡수계측(DEXA)은 두 가지 서로 다른 에너지를 가진 X-ray를 동물의 신체에 투과시켜 뼈, 지방, 근육 조직이 각각 X선을 흡수하는 특성이 다름을 이용하는 것으로, X선 흡수율 차이를 바탕으로 조직 구성 성분(예: 지방량, 근육량, 골밀도 등)을 정량화하는 방법이다. 그러나 이 방법은 반려동물을 마취시킨 상태에서 약 15분간 전신 X-ray 촬영을 진행해야 하기 때문에 비침습적인 방법이 아니며, 검사 시간과 비용이 상당히 소요된다. 이러한 이유로 일반적인 수의학 검진 환경에서는 실용성이 떨어지는 단점이 있다. 컴퓨터 단층 촬영(CT, Computed Tomography) 분석 방법은 X선을 여러 방향에서 조사하고, 그 결과를 컴퓨터로 단층 이미지를 영상으로 재구성하여 분석한다. CT 영상의 픽셀은 조직의 밀도(Hounsfield Unit)로 표현되며, 지방 조직은 낮은 밀도(-100 ~ -30 HU)로 식별 가능하다. 이 방법은 지방 조직의 위치, 두께, 면적까지 분석 가능하고, 지방과 근육을 시각적으로 쉽게 구분 가능한 장점이 있는 반면, 역시 장비가 고가이고, 방사선 노출 위험과 분석에 시간과 비용이 많이 들고, 정량화 소프트웨어가 별도로 필요한 단점이 있다. 도 1은 본 발명에 따른 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치를 설명하기 위한 예시도이다. 도 2는 본 발명에 따른 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치에서 예측정보를 산출하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다. 도 3은 본 발명에 따른 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 예시도이다. 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 "부", "모듈" 또는 "장치" 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어의 조합을 지칭하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 하드웨어는 CPU 또는 다른 프로세서(processor)를 포함하는 데이터 처리 기기일 수 있다. 또한, 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어는 실행중인 프로세스, 객체(object), 실행파일(executable), 실행 스레드(thread of execution), 프로그램(program) 등을 지칭할 수 있다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초광대역 마이크로파 기반 측정 기술의 구성과 동작을 설명하기로 한다. 마이크로파 측정(UWM) 분석 방법은 마이크로파 신호의 반사/투과/흡수 특성을 분석해 체지방량을 정량화하는 것으로, 비침습적이며 방사선 없고, 매우 낮은 출력(mW 수준)으로 생체 안전하고, 빠르고 반복 측정이 가능하다. 도 1은 본 발명에 따른 초광대역 마이크로파 기반 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치를 설명하기 위한 예시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치(100)는 초광대역 마이크로파를 이용하여 반사 특성을 분석한다. 마이크로파는 지방(1), 근육(3), 뼈(5)와 같은 조직 간의 전기적 특성 차이에 따라 조직 경계(2, 4)에서 서로 다른 반사 신호를 생성한다. 현재 알려진 바에 의하면, 조직(1, 3, 5)마다 마이크로파에 대한 유전율(permittivity)이 다르다. 예를 들어 지방 조직은 주파수 1GHz 부근에서 상대유전율이 약 5 정도로 낮고 전도도도 매우 낮은 반면, 근육이나 내장은 수분 함량이 높아 유전율이 50 이상으로 크고 전도성이 높다. 이러한 고유전율 조직과 저유전율 조직의 경계면(2, 4)에 마이크로파가 투사되면, 임피던스 부정합으로 인해 일부 신호가 반사되고 일부는 투과한다. 반사파의 진폭과 위상은 지방층 두께와 유전율에 영향을 받으며, 적절한 주파수 대역에서 측정하면 지방층의 두께 변화에 따른 반사계수 변화를 검출할 수 있다. 본 발명에 따른 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치(100)는 마이크로파를 이용하여 조직 경계(2, 4)에서의 반사 특성을 분석함으로써 체성분 예컨대 지방 두께, 근육 두께, 체지방률(BFP, Body Fat Percentage), 및 체지방량(Body Fat Mass)을 예측할 수 있다. 체지방량(Body Fat Mass)은 체성분 분석에서 핵심적인 지표이며, 건강 관리, 비만 평가, 영양 관리에 직접적으로 연관된다. 본 발명에 따른 핸드헬드 반려동물 체지방량 측정 장치(100)는 반려동물의 피부에 접촉된 상태에서 마이크로파를 방사하는 송신 안테나(11)와 반사 신호를 수신하는 수신 안테나(21)를 포함한다. 송신 안테나(11)와 수신 안테나(21)는 하나의 공통 안테나 또는 각각 독립된 안테나로 구성될 수 있다. 공통 안테나를 통해 송신(TX)과 수신(RX)을 모두 수행하는 경우 동일한 안테나 소자를 사용하되, 회로적으로는 송신 신호와 수신 신호가 충돌하거나 손실되지 않도록 분리 회로를 함께 사용한다. 분리 회로는 서큘레이터(Circulator), 듀플렉서/디플렉서, 또는 지향성 커플러로 구현될 수 있다. 적용한 가능한 안테나는 Vivaldi 안테나 또는 헬리컬/모노폴 안테나가 될 수 있다. 공통 안테나 구조는 기기 장치 전체를 소형화 및 휴대화 가능하게 하며, 무게 및 부품 절감의 장점이 있다. 송신/수신 경로를 분리하는 서큘레이터(Circulator) 또는 지향성 커플러에는 송신회로부(12)와 수신회로부(22)가 연결된다. 송신회로부(12)는 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(13)와 동일한 PCB 보드상에 장착된다. 마이크로파 발생기(13)로부터 출력된 송신 신호(TX signal)는 송신회로부(12)를 통해 전력 증폭(PA) 및 임피던스 정합(matching)이 이루어진 후 송신 안테나(11)로 전달된다. 마이크로파 발생기(13)는 컨트롤러(31)의 구동 신호에 따라 소정 주파수 대역의 초광대역(UWB) 마이크로파 신호를 생성한다. 마이크로파 발생기(13)는 전압 제어 발진기(VCO), 주파수 합성기(PLL), 펄스 발생기 및 전력 증폭기(PA) 등을 포함하며, 주파수 스윕형 연속파(FMCW) 또는 펄스