KR102348184B1 - 박동이 없는 체외순환회로용 혈중 산소포화도 측정장치 및 이를 이용한 측정방법 - Google Patents

박동이 없는 체외순환회로용 혈중 산소포화도 측정장치 및 이를 이용한 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소포화도 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 특히, 소정의 파장을 가지는 광을 이용하여 비침습적으로 혈중의 산소포화도를 측정하는 산소포화도 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 박동이 없는 체외 순환 회로에서 산소포화도를 비침습적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 피검체에 빛을 조사하도록 구비되는 광원부; 상기 광원부로부터 제1이격거리를 갖도록 위치되고, 상기 광원부에서 조사하는 빛을 수광하도록 구비되는 제1수광부; 상기 광원부로부터 상기 제1이격거리와는 다른 제2이격거리를 갖도록 위치되고, 상기 광원부에서 조사하는 빛을 수광하도록 구비되는 제2수광부; 그리고 상기 제1수광부 및 2수광부에서의 흡광도 차이를 이용하여 피검체의 혈액에 대한 산소포화도를 측정하는 프로세서를 포함하는 산소포화도 측정장치가 제공될 수 있다.

Description

박동이 없는 체외순환회로용 혈중 산소포화도 측정장치 및 이를 이용한 측정방법{Blood oxygen saturation sensing device for non-pulsatile extracorporeal blood circulation circuit and a control method of the same}
본 발명은 산소포화도 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 특히, 소정의 파장을 가지는 광을 이용하여 비침습적으로 혈중의 산소포화도를 측정하는 산소포화도 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 박동이 없는 체외 순환 회로에서 산소포화도를 비침습적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법에 대한 것이다.
산소포화도(Saturation of oxygen, SpO2)는 적혈구의 헤모글로빈(Hb)에 결합된 산소의 양을 의미하며, 이를 통해 적혈구에 의해 운반되는 산소의 양으로 얼마나 효과적으로 호흡하고 있는지, 산소가 전신에 잘 전달되고 있는지 등을 판단할 수 있다. 산소포화도는 총 헤모글로빈 농도에 대한 산소와 결합한 산화 헤모글로빈 농도의 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 이 수치는 저산소증 신생아 모니터링 응급의학 등의 임상분야에서 중요한 파라미터로 사용되고 있다.
산소포화도의 정상 수치는 95% 이상이며, 그 이하의 경우 저산소증 주의 상태이며, 905 이하는 저산소증으로 호흡이 곤란해지는 위급한 상태가 된다. 대개 산소포화도는 다발성 장기 부전 등에 의한 매우 위중한 상태에서 수치가 떨어지며, 만성 폐쇄성 폐질환 등 호흡기 질환이 악화되거나 마취 후 회복과정 등에서도 수치가 떨어질 수 있다. 이러한 경우 인공호흡기 및 체외막산소화(Extracorporeal membrane oxygenation, ECMO)장치 등으로 산소를 인위적으로 투여하거나 교환해주는 시스템을 통해서 산소포화도를 올려주는 처치를 수행해야만 한다.
체외막산소화장치는 심장이나 폐의 기능이 저하되어 기존의 방법으로는 생명 유지가 어려울 경우 일시적으로 심장 및 폐의 기능을 도와주는 장치를 말하며, 심장 이식을 기다리는 이식 전 단계의 환자와 급성호흡부전으로 인해 인공호흡기만으로는 적절한 산소공급이 어려운 환자에게 적용되는 장치이다. 이 장치의 구성은 폐를 대신하여 혈액에 산소를 공급해주는 역할을 하는 산화기(Membrane oxygenator) 와 산소화된 혈액을 심장 대신 순환을 시켜주는 장치인 펌프(Pump), 환자의 혈관과 접속하여 펌프와 산화기를 연결하면서 체외 혈관 역할을 수행하는 혈액회로로 구성된다.
이러한 체외막산소화장치가 적용된 환자의 경우, 적절한 산소와 이산화탄소 교환을 공급해주기 위해서 동맥혈과 정맥혈에서의 산소 및 이산화탄소 분압 뿐만 아니라 산소포화도가 지속적으로 모니터링 되어야 한다.
산소포화도를 측정하기 위한 방법으로는, 외과적인 방법과 비외과적인 방법이 있다.
외과적인 방법은 동맥혈을 채취하여 혈중 산소 포화도를 측정하는 것으로, 가장 정확한 산소포화도를 측정할 수 있다. 그러나, 혈액 채취가 필요한 단점이 있으며, 혈액 채취 후 산소포화도 값을 분석하는 과정에 일정 시간이 소요되어 단시간에 산소포화도 값을 측정하는 것이 용이하지 않다. 따라서, 긴급을 요하는 환경에서는 외과적인 방법 사용이 제한될 수 밖에 없다.
이러한 외과적인 방법에 의한 혈중 산소 포화도 측정의 일례가 동맥혈가스검사(ABGA, Arterial Blood Gas Anlysis)가 있다. 그러나, ABGA 장비는 고가이므로 쉽게 접근하여 사용하기 어려운 단점이 있다.
비외과적인 방법은 흡광도를 통해서 산소포화도를 측정하는 방법으로, 가장 대표적인 것이 맥박산소측정법(pulse oximetry)라 할 수 있다.
맥박산소측정법은 산소포화도를 비침습적이면서도 연속적으로 측정할 수 있는 방법으로, 손가락 끝이나 귓볼 등의 피부가 얇은 부위를 투과하여 얻어진 서로 다른 두 빛 파장(적색광과 근적외선광)의 흡광도를 심장의 수축 이완작용에 의해 나타나는 맥동성분의 최대치와 최소치에 대한 진폭비를 이용하여 산소포화도를 산출해내는 방법이다. 따라서, 긴급을 요하는 환경에서 맥박산소측정법이 많이 사용된다.
맥박산소측정법의 기본적인 원리는 투과되는 물질의 흡광도와 농도 사이의 관계를 나타내는 Beer - Lambert 법칙을 따르며, 두 가지 파장을 사용하여 산소화된 헤모글로빈 (HbO2)과 탈산소화된 헤모글로빈 (Hb) 의 흡광도를 측정하여 산호 포화도를 측정하게 된다. 즉, 광혈류 측정 신호(Photo-plethysmograpy, PPG) 신호를 측정하여 산소포화도를 측정하게 된다.
맥박산소측정기는 일반적으로 두 개의 광원부(LED)와 광량을 감지할 수 있는 수광부(포토다이오드)로 구성되어 있으며, 광원으로 쓰이는 파장은 적색광 영역의 660nm 의 파장과 적외광 영역의 940nm 파장을 사용한다. 두 영역의 파장이 사용되는 이유는 산소화된 헤모글로빈과 탈산소화된 헤모글로빈의 흡수계수차가 큰 적색광 영역과 적외광 영역의 비를 이용하여 산소화된 헤모글로빈의 변화를 파악할 수 있기 때문이다.
다시 말하면, 적색광 영역은 산소화된 헤모글로빈의 흡수계수가 탈산소화된 헤모글로빈의 흡수계수 보다 매우 큰 영역이고, 적외광 영역은 탈산소화된 헤모글로빈의 흡수계수가 산소화된 헤모글로빈의 흡수계수 보다 매우 큰 영역이다. 따라서, 흡수계수차가 큰 적색광 영역과 적외광 영역을 사용할 수 있다.
종래의 맥박산소측정기는, 기본적으로 위에서 언급한 Beer-Lambert 법칙을 따르며, 맥박으로 인해 발생한 흡광도의 비율을 통해 산소포화도를 산출하는 방법이다. 수학식 1은 Beer-Lambert 법칙을 이용하여 광도를 구하는 수식이다.
< 수학식 1 >
I = I0e-βcl
여기서, I는 광도, I0는 초기 광도, β는 측정하고자 하는 물질의 흡광도, c는 측정 물질의 농도 그리고 l은 빛의 이동 거리이다.
초기 광도(I0)는 항상 일정한 값이 아니라 주변 환경 및 환자의 조직에 따라 달라지게 되는 값으로 소거를 통해 제거 되어야 한다. 맥박이 있는 경우는 혈관의 단위 면적이 수축기와 이완기에 따라 변하게 되며, 빛의 이동거리 역시 달라지게 된다. 따라서, 맥박에 의해 발생한 흡광도 차이 값을 통해 포화도 측정 수식(수학식 2)에서 초기 광도 소거가 가능하게 되는 것이다.
< 수학식 2 >
ln(Id)-ln(Is) = βc(ld - ls)
여기서, Is 는 수축기일 때 측정되는 광도, Id는 이완기일 때 측정되는 광도, ld는 이완기일 때 빛의 이동거리, ls는 수축기일 때 빛의 이동거리이다. 즉, 수학식 2는 초기 광도 I0가 소거된 포화도 측정 수식이라 할 수 있다.
즉, 각 수축기와 이완기일때의 광도 차이를 통해, 초기 광도를 쉽게 소거하여 맥박이 있는 동맥혈에 대한 산소포화도를 계산해 낼 수 있게 한다.
그러나, 체외 순환 회로가 장착된 환자들의 경우, 박동이 발생하지 않는 비박동성 연속적 혈류가 공급된다. 따라서, 박동이 존재하지 않아 혈관의 부피 변화가 발생되지 않거나 매우 작게 나타난다. 그러므로, 혈액회로 등의 측정대상이 아닌 변수와 혈액회로 내부에 존재하는 측정대상인 혈액 사이의 광도 신호 분리가 어렵다. 즉, 비박동 혈류가 흐르는 혈액회로에서는 기존의 맥박산소측정법과 같이 간단한 수식을 통해 초기 광도를 소거하여 광도 신호의 분리가 불가능하다고 할 수 있다. 결국, 비박동 혈액회로에서는 종래의 맥박산소측정법의 적용이 불가능한 문제가 있다. 관심 측정 대상의 광도 신호를 쉽게 추출하여 산소포화도를 계산하는 방법이 불가능해지게 된다.
한편, 최근에는 웨어러블(wearable) 의료기기에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 선행기술문헌에 기재된 산소포화도 장착도 웨어러블 의료기기의 일례라 할 수 있다. 즉, 맥박산소측정법을 이용한 산소포화도 측정장치로서 환자의 이동 등에 의한 오차 문제를 해결하고자 하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.
그러나, 비박동성 연속적 혈류에서의 산소포화도를 비침습적으로 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치에 대해서는 그 필요성에도 불구하고 연구가 거의 진행되고 있지 않다.
따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 맥동 성분이 없는 비박동성 연속적 혈류에서도 비침습적으로 산소포화도를 측정할 수 있는 산소 포화도 측정장치 및 측정방법이 제공될 필요가 있다.
한국공개특허공보 제10-2017-0076329호 (공개일자 : 2017. 7. 4.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 비박동성 연속적 혈류에서도 비침습적으로 산소포화도를 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 종래의 맥박형 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 차용하되 매우 효과적으로 비박동성 혈류에서의 산소포화도를 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 제작이 용이하고 사용이 간편한 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 경제적인 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공하고자 한다.
전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 피검체에 빛을 조사하도록 구비되는 광원부; 상기 광원부로부터 제1이격거리를 갖도록 위치되고, 상기 광원부에서 조사하는 빛을 수광하도록 구비되는 제1수광부; 상기 광원부로부터 상기 제1이격거리와는 다른 제2이격거리를 갖도록 위치되고, 상기 광원부에서 조사하는 빛을 수광하도록 구비되는 제2수광부; 그리고 상기 제1수광부 및 2수광부에서의 흡광도 차이를 이용하여 피검체의 혈액에 대한 산소포화도를 측정하는 프로세서를 포함하는 산소포화도 측정장치가 제공될 수 있다.
상기 피검체는 비박동 체외 순환회로를 구성하는 혈액 공급 튜브일 수 있다.
상기 피검체는 빈맥 환자의 신체일 수 있다. 구체적으로 신체는 손가락 끝이나 귓볼일 수 있다.
상기 광원부는 서로 다른 파장 영역으로 빛을 조사하는 서로 다른 광원을 포함함이 바람직하다.
상기 광원부는 적색광 영역으로 빛을 조사하는 제1광원과 적외광 영역으로 빛을 조사하는 제2광원을 포함함이 바람직하다.
상기 광원부는 LED로 이루어지고, 상기 제1수광부 및 제2수광부는 포토다이오드로 이루어짐이 바람직하다.
상기 프로세서는, 상기 제1수광부 및 제2수광부에서 출력하는 신호의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출할 수 있다.
상기 제1광원과 제2광원 사이의 중심점으로부터 상기 제1수광부 중심점까지의 거리와 제2수광부 중심점까지의 거리는 서로 동일한 것이 바람직하다.
상기 제1광원과 제2광원 사이의 중심점, 상기 제1수광부 중심점 그리고 상기 제2수광부 중심점은 이등변 삼각형을 형성할 수 있다. 이러한 위치 관계로 인하여, 산소포화도 연산이 보다 용이할 수 있다.
상기 프로세서는, 비어-램버트 법칙에 기반하여 상기 제1수광부와 제2수광부에서의 흡광도의 비율을 통해 산소포화도를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 프로세서는, 상기 산소포화도 산출 시 맥박에 의해 발생하는 흡광도의 차이를 대신하여 상기 제1이격거리와 제2이격거리에 따른 흡광도의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 피검체를 감싸는 홀더를 포함하고, 상기 광원부, 제1수광부 그리고 상기 제2수광부는 상기 측정 대상과 마주보도록 상기 홀더 내측에 구비됨이 바람직하다. 즉, 상기 홀더는 측정센서를 피검체에 장착하기 위한 구성이라 할 수 있다.
홀더에 측정센서 구성들이 장착되어 있으므로, 홀더를 피검체에 장착함으로써 측정센서 구성들이 피검체에 장착될 수 있다.
상기 홀더는, 상기 홀더의 중심에서 일측으로 연장되어 상기 제1수광부가 장착되는 제1홀더와 중심에서 타측으로 연장되어 상기 제1수광부가 장착되는 제2홀더를 포함할 수 있다.
상기 제1홀더와 제2홀더 사이에는 상기 피검체가 삽입되기 위한 개구부가 형성됨이 바람직하다.
상기 제1홀더와 제2홀더는 상기 홀더의 중심에 대해서 회전 가능하게 구비될 수 있다. 이러한 회전에 의해서 피검체의 크기가 달라지더라도 탄력적으로 대응할 수 있다.
전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 피검체에 광원을 통해 빛을 조사하는 단계; 상기 광원과 서로 다른 이격거리를 갖도록 위치되는 제1수광부와 제2수광부에서 수광하여 신호를 생성하는 단계; 그리고 상기 제1수광부에서 생성된 신호와 상기 제2수광부에서 생성된 신호의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출하는 단계를 포함하는 산소포화도 측정방법이 제공될 수 있다.
상기 빛을 조사하는 단계에서, 제1파장의 빛과 상기 제1파장과는 다른 제2파장의 빛을 각각 조사하는 것이 바람직하다.
상기 제1파장의 빛 조사와 제2파장의 빛 조사는 순차적으로 수행됨이 바람직하다. 따라서, 제1파장에 대한 신호 생성과 제2파장에 대한 신호 생성도 순차적으로 수행됨이 바람직하다.
상기 제1수광부와 제2수광부는, 상기 피검체를 투과한 빛을 수광하도록 위치됨이 바람직하다.
상기 피검체는, 비박동 체외 순환 회로를 구성하는 혈액 공급 튜브 또는 빈맥 환자의 신체일 수 있다.
전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 수학식
Figure 112019129943800-pat00001
을 통해서 산소포화도를 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치 및 측정방법이 제공될 수 있다.
여기서, 산소포화도(S 또는 SpO2)는 포토다이오드에서 출력하는 출력값을 통해 산출되는 R 값과 상수값들을 통해 간단하게 산출될 수 있다.
구체적으로, β1 과 β2 는 적색광에 대한 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡광 상수이며, 프라임으로 표시된 부분들은 각각 적외광에 대한 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡광 상수이다. 따라서, 흡광 상수들은 모두 상수값을 갖는다.
한편, 상기 R은 적외광 흡광도의 차이에 대한 적색광 흡광도의 차이에 대한 비율이라 할 수 있다. 상기 R 값은 포토다이오드들의 출력을 통해서 산출되는 값이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 수학식
Figure 112019129943800-pat00002
을 통해서, 좌변의 산출된 R 값은 우변의 수식과 동일하게 된다.
여기서, d1은 광원과 제1수광부 사이의 이격거리, d2는 광원과 제2수광부 사이의 이격거리이다. 그리고 C1과 C2는 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 혈중 농도이다.
좌변의 R 과 우변의 수식을 정리하면, 산소포화도 S(SpO2)는 C1/(C1+C2)이므로 S(SpO2)는 산출되는 값이 R과 상수값들의 연산을 통해서 용이하게 구해질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 광원이 두 개인 경우, 제1광원으로부터의 제1이격거리와 제2이격거리는 제2광원으로부터의 제1이격거리와 제2이격거리와 동일하도록 할 수 있다. 그러므로, 제1이격거리와 제2이격거리는 쉽게 소거될 수 있다.
전술한 실시예들에서의 특징들은 서로 모순되거나 배타적이지 않는 한 다른 실시예에서 복합적으로 구현될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 비박동성 연속적 혈류에서도 비침습적으로 산소포화도를 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 종래의 맥박형 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 차용하되 매우 효과적으로 비박동성 혈류에서의 산소포화도를 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 제작이 용이하고 사용이 간편한 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 비박동성 체외순환시스템을 사용하는 환자들뿐만 아니라 빈맥과 같은 주기적이지 않은 심장박동이 발생하는 환자들의 경우에도, 산소포화도를 정확하게 측정할 수 있는 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예를 통해서, 경제적인 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 효과들은 이상에서 언급된 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위와 상세한 설명의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치를 통해 산소포화도를 측정할 수 있는 체외순환회로에서의 흡광도와 시간 관계를 도시하고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치의 측정센서 구조를 개략적으로 도시하고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치의 제어 블럭을 도시하고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치의 제어 플로우를 도시하고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치의 정확도를 검증하는 그래프이며,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치의 홀더 구조를 개략적으로 도시하고 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예를 구체적으로 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성요소는 동일한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 중복설명은 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있으나, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 한정되지 않고, 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 각 실시예는 독립적으로 실시되거나 함께 실시될 수 있으며, 발명의 목적에 부합하게 일부 구성요소는 제외될 수 있다.
전술한 바와 같이, 가장 일반적인 산소포화도를 측정하는 비침습적 방법으로는 맥박산소측정법 (pulse oximetry)이 있으며, 맥박이 존재하는 상황에서 두 개의 파장의 비율로서 산소포화도를 측정하기 때문에 맥박이 발생하지 않는 체외 순환 회로에서는 이 방식을 통해 산소포화도 측정이 불가능 하다는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명은 맥박이 존재하지 않는 비박동성 혈류에서 두 개의 파장을 통해 산소포도를 측정할 수 있는 새로운 산소포화도 측정장치 및 측정방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 산소포화도 측정 수식에서 초기 광도를 소거하기 위한 방법으로 2개의 수광부를 사용하여 빛의 이동거리를 다르게 할 수 있다. 구체적으로는 광원부, 상기 광원부와의 이격거리가 서로 다른 2개의 수광부, 그리고 각각의 수광부에서 측정된 광도 신호의 차이로부터 산소포화도를 산출하는 제어부(프로세서)를 포함하는 산소포화도 측정장치가 제공될 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 제어부는 맥박형 산소포화도 측정 수식과 유사한 측정 수식과 상기 각각의 수광부에서 측정된 광도 신호의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출하도록 구비될 수 있다.
이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치에 대해서 상세히 설명한다.
도 1은 혈액이 흐르는 비박동 체외 순환회로에서의 시간과 흡광도 사이의 상관 관계를 도시하고 있다.
조사된 빛을 흡수하는 매질은 체외 순환회로 튜브와 튜브 내의 혈액이라 할 수 있다. 순환회로 튜브의 직경은 일정하므로, 튜브에 의한 흡광도 성분은 일정하다고 할 수 있다. 또한, 비박동 체외 순환회로이므로 튜브 내의 혈액에 의한 흡광도 성분도 일정하다고 할 수 있다. 따라서, 전체 흡광도는 항상 일정하다고 할 수 있다.
반면에, 박동이 존재하는 혈관의 경우에는, 정맥혈과 조직에 의한 흡광도 성분은 일정하다고 할 수 있으나, 박동에 의해 혈관의 부피 변화가 발행되어 수축기와 이완기에서의 흡광도 성분은 상이하다. 즉, 박동에 의한 성분만큼 전체 흡광도는 가변된다고 할 수 있다. 다만, 일정한 박동에 의해서 흡광도의 변화는 일정한 패턴(주기, 진폭)을 갖게 된다. 종래의 산소포화도 측정장치는 박동에 의한 흡광도의 차이를 이용해서 산소포화도를 산출한다고 할 수 있다.
그러나, 비박동 체외 순환회로와 같은 피검체에서는 전체 흡광도가 항상 일정하기 때문에, 흡광도의 차이를 인위적으로 발생시키는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치에서의 측정센서(5)를 개념적으로 도시하고 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 흡광도의 차이를 빛이 투과하는 거리의 차이를 통해서 인위적으로 발생시킬 수 있다.
비박동 체외순환회로를 구성하는 튜브(1)를 피검체로 하고, 상기 피검체 내에 흐르는 혈액(1a)의 산소포화도를 광원부(10)와 수광부(20)를 이용하여 측정할 수 있다.
구체적으로, 광원부(10)는 피검체인 튜브(1)로 빛을 조사하도록 구비된다. 상기 광원부(10)는 상기 튜브(1)의 내부를 관통하여 빛을 조사하도록 위치될 수 있다. 그리고, 상기 수광부(20)는 튜브(1)의 내부를 관통한 빛을 감지하도록 위치될 수 있다.
구체적으로, 상기 광원부(10)에서 조사된 빛을 서로 다른 두 개의 수광부(21, 21)에서 수광하도록 구비될 수 있다. 여기서, 상기 광원부(10)에 대한 제1수광부(21)와 제2수광부(21)의 이격 거리는 서로 상이함이 바람직하다. 즉, 광원부(10)와 제1수광부(21) 사이의 제1이격거리(d1)는 광원부(10)와 제2수광부(22) 사이의 제2이격거리(d2)와 다른 것이 바람직하다. 도 2에는 제1이격거리(d1)가 제2이격거리(d2)보다 큰 것이 일례로 도시되어 있다.
따라서, 이격거리의 차이로 인해서 동일한 광원부(10)에서 조사된 빛을 흡수하는 흡광도는 제1수광부(21)와 제2수광부(22)에서 다르게 나타나게 된다. 즉, 제1수광부 및 제2수광부에서의 흡광도의 차이가 발생된다. 이러한 흡광도의 차이를 이용하여 피검체의 혈액에 대한 산소포화도를 산출할 수 있게 된다.
피검체는 비박동 체외순환 회로에서의 혈액 공급 튜브뿐만 아니라 신체일 수도 있다. 빈맥과 같은 주기적이지 않은 심장박동이 발생하는 환자의 경우, 일정한 심장 박동이 발생하지 않는다. 이 경우, 일정하지 않은 심장 박동에 의해서 빛이 투과되는 거리의 변화는 일정하지 않다. 즉, 흡광도의 변화가 일정하지 않은 패턴으로 지속적으로 달라질 수 있다. 따라서, 빈맥 환자의 경우는 종래의 맥박산소측정법으로는 산소포화도의 측정이 불가하다. 그러므로, 빈맥 환자 혈액에 대한 산소포화도 측정은 본 발명의 일실시예를 통해서 구현할 수 있다.
결국, 본 발명의 일실시예에 따르면, 종래에는 적용할 수 없었던 피검체의 산소포화도 측정을 가능하게 하여, 의료 현장의 획기적이고 혁신적인 변화를 야기할 수 있을 것이다.
더욱 구체적으로, 상기 광원부(10)는 서로 다른 파장 영역으로 빛을 조사하는 서로 다른 광원을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 광원부(10)는 적색광 영역으로 빛을 조사하는 제1광원(11)과 적외광 영역으로 빛을 조사하는 제2광원(12)을 포함할 수 있다. 적색광 영역은 660nm의 파장을 사용하고 적외광 영역은 860nm 파장을 사용할 수 있다. 이 대역대의 파장을 사용하는 이유는, 산소화된 헤모글로빈과 탈산소화된 헤모글로빈의 흡수계수차가 큰 적색광 영역과 적외광 영역의 비를 이용하여, 산소화된 헤모글로빈의 변화를 파악할 수 있기 때문이다.
상기 광원부(10)는 LED(light emitting diode)로 이루어지고, 상기 제1수광부(21)와 제2수광부(22)는 포토다이오드(photo-diode)로 이루어짐이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치는 빛을 조사하고 빛을 감지하는 측정센서(5)뿐만 아니라 여러 가지 구성들을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치(100)의 제어 블럭도이다.
수광부(20) 일례로 포토다이오드에서 빛을 흡수하는데, 흡수하는 빛의 세기 즉 흡광도에 비례하는 전류 신호가 수광부에서 유도된다. 즉, 포토다이오드에서 전류 신호를 발생시킨다. 유도된 전류는 전류-전압 변환기(current-to-voltage converter, 30) 또는 트랜스 임피던스(transimpedance)를 통해서 전압으로 변환되고 증폭될 수 있다. 따라서, 전류-전압 변환기 또는 트랜스 임피던스는 증폭기를 포함할 수 있다.
증폭된 아날로그 전압 신호는 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter, ADC, 40)를 통해서 디지털 전기 신호로 변환되며, 디지털 전기 신호를 이용하여 연산 프로그램을 통해 산소포화도가 산출될 수 있다.
따라서, 산소포화도 측정장치(100)는, 상기 광원부(10), 수광부(20)뿐만 아니라 전류-전압 변환기(30), ADC(40) 그리고 통신 모듈 일례로 UART(범용 비동기화 송수신기, universal asynchronous receiver/transmitter, 60)를 포함할 수 있다. 아울러, 산소포화도 측정장치는, UART 통신을 통해 수신된 디지털 전기 신호를 연산하는 프로그램이 설치된 PC(50)를 포함할 수 있다. 상기 PC 자체 또는 상기 PC 내의 프로세서(51)를 산소포화도를 산출하는 프로세서라 할 수 있다. 상기 PC의 디스플레이에서 측정된 산소포화도를 표시할 수 있다.
상기 PC는 휴대용 단말기일 수 있으며, 디스플레이를 포함하는 UI(user interface)를 통해서 사용자가 산소포화도 측정장치를 조작할 수 있고, 측정된 산소포화도를 파악할 수 있게 된다.
상기 프로세서는, 비어-램버트(Beer-Lambert) 법칙에 기반하여 제1수광부(21)와 제2수광부(21)에서의 흡광도 비율을 통해 산소포화도를 산출하게 된다. 물론, 흡광도에 대응되는 신호는 디지털 신호로 변환되어 입력된다고 할 수 있다.
상기 PC는 프로세서(51)뿐만 아니라 사용자 인터페이스(UI, 52)를 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스를 통해서 사용자가 산소포화도 측정장치를 조작할 수 있으며, 측정된 산소포화도가 표시될 수 있다.
또한, 상기 프로세서(51)는 설정된 로직에 따라서 광원부(10)의 작동을 제어하도록 구비될 수 있다.
이하에서는 도 4를 참조하여, 산소포화도 측정장치를 이용한 측정방법에 대해서 상세히 설명한다.
산소포화도를 측정하기 위하여, 피검체에 광원을 통해 빛을 조사하는 단계(S10)가 수행될 수 있다. 그리고, 조사된 빛을 수광하여 신호를 생성하는 단계(S20)가 수행될 수 있다.
여기서, 상기 신호를 생성하는 단계는 각각 상기 광원과 서로 다른 이격거리를 갖도록 위치되는 제1수광부와 제2수광부에서 수광하여 신호를 생성하는 단계(S3, S4)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1수광부에서 생성된 신호와 상기 제2수광부에서 생성된 신호의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출하는 단계(S8)를 포함할 수 있다.
산출된 산소포화도는 PC의 사용자인터페이스 즉 디스플레이에 표시(S9)됨으로써 산소포화도 측정이 종료될 수 있다.
상기 빛을 조사하는 단계(S10)에서, 제1파장의 빛과 상기 제1파장과는 다른 제2파장의 빛을 각각 조사(S1, S2)하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 제1파장의 빛 조사와 제2파장의 빛 조사는 순차적으로 수행됨이 바람직하다.
한편, 수광부에서는 아날로그 전류 신호를 발생시킬 수 있다. 이를 전류-전압 변환(S5)하고 아날로그 전압 신호를 증폭(S6)할 수 있다. 증폭된 아날로그 전압 신호는 디지털 신호로 변환(S7)될 수 있다. 따라서, 프로세서는 디지털 신호로 변환된 값을 통해서 간단한 연산을 통해서 산소포화도를 산출(S8)할 수 있다.
종래의 맥박산소측정법에서는 맥박에 의해 발생하는 흡광도의 차이를 이용하지만, 본 실시예에서는 이러한 차이를 이용하는 대신에 각각의 수광부(21, 22)에서 광원(10)에 대하여 서로 다른 이격 거리에 갖기 때문에 발생하는 흡광도의 차이를 이용하게 된다.
이하에서는, 이격 거리에 따라 발생하는 흡광도의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출하기 위한 수식 유도에 대해서 상세히 설명한다.
산소포화도를 산출하기 위한 수식에서 초기 광도를 소거해야 한다. 본 실시예에서는 2개의 수광부(21, 22)를 이용하여 빛의 이동 거리를 달리함으로써, 초기 광도를 소거할 수 있다.
수학식 2를 본 실시예에 적용하면, 제1수광부(21)에 대하여 수학식 3과 제2수광부(22)에 대하여 수학식 4를 유도할 수 있다.
< 수학식 3 >
ln(I0) - ln(I(d2)) = d2(β1C1 + β2C2)
< 수학식 4 >
ln(I0) - ln(I(d1)) = d1(β1C1 + β2C2)
여기서, d1은 광원과 제1수광부 사이의 이격거리, d2는 광원과 제2수광부 사이의 이격거리, β1 과 β2 는 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡광 상수, 그리고 C1과 C2는 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 혈중 농도이다.
수학식 3과 수학식 4를 살펴보면, 초기 광도(I0) 인자가 있음을 알 수 있다. 여기서, 각각의 수광부에서의 흡광도의 차이를 구하면 수학식 5를 유도할 수 있다.
< 수학식 5 >
ln(I(d2)) - ln(I(d1)) = (d2 - d1)(β1C1 + β2C2)
따라서, 흡광도 차이를 나타내는 수학식 5에서 초기 광도(I0) 인자가 소거될 수 있음을 알 수 있다. 그러므로, 비박동 혈류에서도 흡광도 차이를 이용하여 산소포화도를 산출할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 상기 수학식 5는 하나의 파장, 예를 들어 적색광 영역 파장을 갖는 제1광원(11)에서 조사된 빛에 대해서 각각의 수광부(20, 30)에서 측정된 흡광도의 차이라고 할 수 있다.
동일한 구조로 다른 파장, 예를 들어 적외광 영역 파장을 갖는 제2광원(11)에서 조사된 빛에 대해서 각각의 수광부(21, 22)에서 측정된 흡광도의 차이를 수학식 5와 유사하게 유도할 수 있다. 결국, 적외광 흡광도의 차이에 대한 적색광 흡광도 차이의 비율은 수학식 6에 의해 나타낼 수 있다.
< 수학식 6 >
Figure 112019129943800-pat00003
여기서, 프라임(prime)에 해당되는 변수들은 적외광 영역의 파장에 의한 변수들이다. 그리고, 제1이격거리(d1)과 제2이격거리(d2)는 파장에 따라 변하지 않는다. 즉, 상쇄가 가능하다. 그리고, 수학식 6에서는 초기 광도(I0)가 소거됨을 알 수 있다.
특히, 광원이 두 개인 경우, 제1광원으로부터의 제1이격거리와 제2이격거리는 제2광원으로부터의 제1이격거리와 제2이격거리와 동일하도록 할 수 있다. 다시 말하면, 광원과 광원 사이의 중심점(도 4, 28 참조)은 각각 제1수광부(21) 및 제2수광부(22)와 동일 거리에 위치하도록 할 수 있다. 즉, 광원과 광원 사이의 중심점, 제1수광부의 중심점 그리고 제2수광부의 중심점은 이등변 삼각형을 형성할 수 있다. 따라서, 산소포화도를 산출하는 연산이 더욱 용이해질 수 있다.
결국, 각각의 수광부들에서 각각의 파장별로 측정되는 광도의 세기에 비례하는 전압값을 이용하여, 산소포화도를 간단하게 산출할 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 각 파장별로 측정된 광도의 비율은 수학식 6의 좌변이며, 이를 R이라 할 수 있다. 따라서, R은 수학식 6의 우변이라 할 수 있다.
따라서, 산소포화도 S(SpO2)는 C1/(C1+C2)이므로 수학식 6을 이용하여, 수학식 7과 같이 유도될 수 있다.
< 수학식 7 >
Figure 112019129943800-pat00004
수학식 7에서 R은 수광부들을 통해서 측정되는 값이며, β1 과 β2 는 적색광 영역에서 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡광 상수이며, β'1 과 β'2 는 적외광 영역에서 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글리빈의 흡광 상수이다. 따라서, 수학식 7을 이용하여 간단하게 산소포화도 S를 산출할 수 있다.
본 출원인은 비박동형 연속적 혈류에서의 산소포화도 측정 방법의 검증을 수행하였다.
돼지모델의 혈액으로 산소포화도 측정을 위한 혈액회로를 구성하였다. 혈액회로는 측정센서(5)를 장착할 수 있는 혈액 튜브, 혈액 공급을 위한 혈액팩(blood pack) 그리고 샘플링 포트가 있는 직선 채널로 구성하였다.
즉, 혈액팩으로부터 직선으로 연결된 튜브를 통해서 혈액이 흐르도록 구성하였으며, 혈액이 배출되는 샘플링 포트의 전단에서 측정센서(5)를 통해서 산소포화도를 측정하였다.
정확도 검증을 위해 상용장비인 동맥혈가스분석장치에서 측정한 값과 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치를 사용하여 측정한 값을 비교 분석하였다. 비교 분석한 그래프가 도 5에 도시되어 있다.
가로축은 기준 산소포화도로 동맥혈가스분석장치에서 측정하는 산소포화도를 나타내며, 세로축은 측정 산소포화도로 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치를 사용하여 측정한 산소포화도를 나타낸다. 점선은 기준 산소포화도와 측정 산소포화도가 오차의 크기를 측정할 수 있는 보정 곡선(calibratin curve)이다. 측정 산소포화도가 상기 직선과 최대한 가깝게 위치하는 경우 산소포화도 측정의 오차가 낮음을 의미한다. 그러므로 보정 곡선의 기울기가 1에 가까울수록 오차가 적음을 확인할 수 있다. 도시된 바와 같이, 보정 곡선의 기울기는 대략 0.9439이며 1에 매우 근접하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면 매우 정확하게 산소포화도를 산출할 수 있음을 알 수 있다.
도시된 바와 같이, 총 11개의 각기 다른 산소포화도를 비교한 결과 모든 수치들이 상기 점선과 매우 가깝게 위치함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치를 통한 산소포화도 측정이 매우 정확함을 알 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 산소포화도 측정장치의 홀더(25)에 대해서 상세히 설명한다.
홀더(25)는 피검체, 일례로 튜브(1)에 측정센서(5)를 장착하기 위한 구성이라 할 수 있다. 즉, 측정센서(5)는 홀더(25) 내지는 홀더 바디에 구비되고, 홀더가 피검체에 장착됨으로써, 측정센서(50)의 각 구성들이 정위치에 위치하게 된다.
구체적으로, 홀더(25)는 제1홀더(26)와 제2홀더(27)를 포함하고, 제1홀더(26)와 제2홀더(27) 사이에는 피검체가 삽입 장착되기 위한 개구부(29)가 형성될 수 있다.
피검체의 크기가 항상 일정하지 않기 때문에, 상기 개구부(29)의 크기 도한 피검체의 크기에 따라서 가변되도록 함이 바람직하다. 이를 위해서, 제1홀더(26)와 제2홀더(27)는 동일 중심축을 기준으로 회전하도록 구비될 수 있다.
도 6에는 홀더(25)의 중심선(28)이 도시되어 있다. 따라서, 제1홀더(26)와 제2홀더(27)의 회전 중심은 상기 중심선(28) 상에 위치함이 바람직하다. 상기 홀더(25)는 마치 집게처럼 개구부가 확장 내지는 축소되어 피검체를 감싸도록 구비될 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1홀더(26)와 제2홀더(26)의 회전 중심은 상기 제1광원부와 제2광원부 사이의 중심점보다는 반경 방향 외측에 형성됨이 바람직할 것이다. 이를 통해서, 제1홀더(26)와 제2홀더(26)는 회전 중심에 대해서 대칭되도록 회전하도록 할 수 있다. 다시 말하면, 상기 제1홀도(26)와 제2홀더(26)가 상기 회전 중심을 기준으로 회전함에 따라 홀더 개구부는 확장될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 대칭되도록 확장될 수 있다. 그러므로, 피검체의 크기가 가변되더라도 전술한 바와 같이 3 개의 중심점이 이루는 이등변삼각형이 유지될 수 있을 것이다.
결국, 어느 하나의 광원에 대한 두 개의 포토다이오드에 대한 상대적인 이격 거리는, 다른 하나의 광원에 대한 두 개의 포토다이오드에 대한 상대적인 이격거리와 동일하도록 유지될 수 있다. 이를 통해서, 이격 거리를 수학식에서 쉽게 소거할 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 광원에 대해서 서로 다른 위치에 구비되는 수광부들을 통해서, 비박동 혈류에서도 비침습적으로 산소포화도를 매우 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.
아울러, 경제적인 제작 및 사용이 가능하고, 산호포화도 측정장치와 관련되어 획기적인 변화를 가져올 수 있음을 알 수 있다.
상술한 실시 형태는 다양한 형태로 변경 가능하다 할 것이다. 따라서 본 발명은 본 명세서에서 개시된 실시 예에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 변경 가능한 모든 형태도 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
1 : 체외순환 혈액 튜브 1a : 혈액
5 : 측정센서
10 : 광원부 11 : 제1광원
12 : 제2광원 20 : 수광부
21 : 제1수광부 22 : 제2수광부
25 : 홀더 바디 26 : 제1홀더
27 : 제2홀더 29 : 홀더 개구부
30 : 전류-전압 변환기 40 : ADC
50 : PC 51 : 제어부(프로세서)
52 : UI
A : 제1광원과 제2광원 사이의 중심점

Claims (20)

  1. 피검체의 혈액에 대한 산소포화도를 측정하는 산소포화도 측정장치에 있어서,
    피검체에 빛을 조사하도록 구비되며, 적색광 영역으로 빛을 조사하는 제1광원과 적외광 영역으로 빛을 조사하는 제2광원을 포함하는 광원부;
    상기 제1광원으로부터 제1이격거리(d1)를 갖도록 위치되고, 상기 제2광원으로부터 상기 제1이격거리(d1)와는 다른 제2이격거리(d2)를 갖도록 위치되며, 상기 제1광원과 제2광원에서 각각 조사하는 빛을 수광하도록 구비되는 제1수광부;
    상기 제2광원으로부터 상기 제2이격거리(d2)를 갖도록 위치되고, 상기 제1광원으로부터 상기 제1이격거리(d1)를 갖도록 위치되며, 상기 제1광원과 제2광원에서 각각 조사하는 빛을 수광하도록 구비되는 제2수광부; 그리고
    상기 제2광원에서 조사된 빛에 대한 상기 제1수광부 및 제2수광부에서의 흡광도 차이(적외광 흡광도 차이)와 상기 제1광원에서 조사된 빛에 대한 상기 제1수광부 및 제2수광부에서의 흡광도 차이(적색광 흡광도 차이)를 이용하여 산출되는 상기 적외광 흡광도 차이에 대한 상기 적색광 흡광도 차이의 비율(R)을 이용하여 피검체의 혈액에 대한 산소포화도를 출력하는 프로세서를 포함하며,
    초기 광도 인자 소거를 위해 상기 제1이격거리(d1)와 제2이격거리(d2)를 상수로 하여, 상기 초기 광도 인자가 소거되어 상기 적외광 흡광도 차이와 상기 적색광 흡광도 차이가 산출되고 상기 R 값이 산출되며,
    상기 산소포화도는 상기 R 값과 적색광 영역에서 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈의 흡광 상수와 적외광 영역에서 산소헤모글로빈과 탈산소헤모글로빈 흡광 상수를 이용한 연산에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피검체는 비박동 체외 순환회로를 구성하는 혈액 공급 튜브인 것을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 피검체는 빈맥 환자의 신체인 것을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는 LED로 이루어지고, 상기 제1수광부 및 제2수광부는 포토다이오드로 이루어짐을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 제1수광부 및 제2수광부에서 출력하는 신호의 차이를 이용하여 산소포화도를 산출하는 것을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1광원과 제2광원 사이의 중심점으로부터 상기 제1수광부 중심점까지의 거리와 제2수광부 중심점까지의 거리는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1광원과 제2광원 사이의 중심점, 상기 제1수광부 중심점 그리고 상기 제2수광부 중심점은 이등변 삼각형을 형성하는 것을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
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  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 피검체를 감싸는 홀더를 포함하고,
    상기 광원부, 제1수광부 그리고 상기 제2수광부는 상기 측정 대상과 마주보도록 상기 홀더 내측에 구비됨을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 홀더는, 상기 홀더의 중심에서 일측으로 연장되어 상기 제1수광부가 장착되는 제1홀더와 중심에서 타측으로 연장되어 상기 제1수광부가 장착되는 제2홀더를 포함함을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1홀더와 제2홀더 사이에는 상기 피검체가 삽입되기 위한 개구부가 형성됨을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1홀더와 제2홀더는 상기 홀더의 중심에 대해서 회전 가능하게 구비됨을 특징으로 하는 비박동성 연속적 혈류 산소포화도 측정장치.
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