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Measurement of Blood Oxygen Saturation System and LavVIEW Program Using Broad-band Light Source
Measurement of Blood Oxygen Saturation System and LavVIEW Program Using Broad-band Light Source
Journal of Korea Multimedia Society. 2015. Feb, 18(2): 128-137
Copyright © 2015, Korea Multimedia Society
  • Received : July 18, 2014
  • Accepted : January 23, 2015
  • Published : February 28, 2015
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금실 최
Dept. of Electronics and Information Eng., Graduate School, Chonbuk National University
동호 신
Dept. of Electronics and Information Eng., Graduate School, Chonbuk National University
철규 송
Dept. of Electronics and Information Eng., Chonbuk National University
song133436@gmail.com

Abstract
Blood oxygen saturation ( SpO 2 ) is so important to be called bio-signal of the fifth. The measurement of blood oxygen saturation based on broad-ban light source has advantages of simple testing facility and easy understanding. This paper proposes a LabVIEW program which measures blood oxygen saturation based on broad-band light source. It combines LabVIEW and MATLAB, utilizing different light absorptions of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin in the visual wavelength range of 450nm-750nm to determine blood oxygen saturation. In order to improve accuracy through reducing the impact of hand shaking, the probe is fixed to the motor stage and then move a constant distance between the probe and the sample to be measured. Experimental results show that the proposed method noticeably increases the accuracy and saves time compared with the conventional methods.
Keywords
1. 서 론
혈중 산소포화도 ( SpO 2 )는 제5의 생체신호라 불릴 정도로 현대 의학에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 산소는 인간의 몸에 있는 각각 세포의 기능이 정상적으로 유지되기 위해서 필수적이다. 산소량이 감소되면 조직의 세포내 에너지 대사가 제한되고 장시간동안 산소가 공급되지 않을 경우 인체의 활동을 정지시킬 수 있다. 이처럼 중요한 산소의 공급을 책임지고 있는 것이 적혈구속에 포함된 헤모글로빈이다. 혈중 산소포화도는 총 헤모글로빈 농도에 대해 산소를 포함하고 있는 헤모글로빈 농도의 비율로서 정의되어지는데, 저산소증, 신생아 모니터링, 응급의학 등 임상분야에서 중요한 파라미터로 사용되고 있다. 특히 연속적인 산소포화도의 측정은 위독한 환자의 임상 관리에 있어 매우 중요하다. 그러므로 더 정확하게 더 편리하게 혈중 산소포화도를 측정하는 시스템 및 장치의 개발이 무엇보다 중요하다. 현재 혈중 산소포화도를 측정하는 방법으로는 주로 동맥혈을 채취하여 직접 분석하는 외과적인 방법과 혈액내의 헤모글로빈이 산소와 결합해 있을 때의 광흡수도와 결합하고 있지 않을 때의 광 흡수도를 측정하여 그 비례를 이용하여, 혈액을 직접 채취하지 않고 혈중 산소포화도를 측정하는 비 외과적인 방법이 있다. 동맥혈을 채취하여 혈중 산소포화도를 측정할 경우에는 피를 채취하는 과정에서 환자에게 고통을 주며 또한 피를 채취하고 산소포화도 값을 측정하는 과정이 일정한 시간이 필요하기 때문에 환자의 현재시각 혈중 산소포화도를 실시간으로 알 수 없다. 반면에 비 외과적 혈중 산소포화도를 측정하는 방법은 기존에 사용되고 있는 외과적인 측정방법의 문제점들을 극복할 수 있다. 비 외과적인 방법은 환자에게는 비침습적(non-invasive)으로 측정하기에 고통이 없는 것은 물론이고 방법에 따라 측정 시간은 부동하지만 평균적으로 보면 비 외과적인 방법은 외과적인 방법보다 산소포화도를 측정하는 시간이 현저히 적은 것을 나타낸다 [1] . 이런 이유들 때문에 최근 비 외과적인 혈중 산소포화도측정 방법 [2] 의 활용이 많아지고 있으며, 이에 필요한 비 외과적인 방법의 개발에 대한 필요성이 증대되고 있다.
비 외과적인 방법을 이용하여 혈액중 산소포화도를 측정하는 연구 방법은 크게 적색광선(760nm좌우)과 근적외선광선(900nm좌우)의 LED광원을 측정하려는 샘플에 번갈아 조명(illuminate)하면서 측정하는 방법 [3] 과 광대역 광원을 이용하여 얻은 데이터를 알고리즘에 대입하여 측정결과수치를 얻은 방법으로 나눌 수 있다. 두 가지 LED광원으로 측정한 방법의 단점은 산소포화도 측정원리의 모호성과 측정결과가 발열 및 동잡음(motion artifact)등에 크게 영향 받는다. 하여 신뢰성이 떨어져 현실적으로 보조기구로서의 역할에 그치고 있다. 특히 로그연산이 필요한 기존의 방법은 잡음을 제거하는 필터링 기술과 복잡한 처리 알고리즘 그리고 많은 연산 수행 시간이 필요 된다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방법으로 제시되고 있는 광대역 광원을 이용하여 측정하는 방법은 정확도가 높고 알고리즘이 쉽게 이해할 수 있는 장점이 있어 실질적인 산소포화도 측정에 필요 할 수 있다. 이는 광대역 광원이 샘플을 조명(illuminate)할 때 500nm부터 600nm의 파장 대에서 광 스펙트로스코피(optical spectroscopy)가 받은 데이터의 좌표 특성이 “W”이라는 성질을 이용한 것이다. 기존의 비외과적인 혈중 산소포화도를 측정하는 방법은 다음과 같다.
Jan 등 [4] 은 펄스 근적외선 광 음향 분광법(pulsed near-infrared photoacoustic spectroscopy)기반에 의한 혈중 산소포화도 측정 방법을 제안하였다. 광음향 신호는 파장의 함수로서 혈액의 광음향 스펙트럼을 제공하고 신호세기의 진폭과 효과적인 감쇠계수를 구할 수 있다. 이들로부터 확산 이론에 기초하여 흡수 된 에너지 분포 모델(models of the absorbed energy distribution)에 대입하여 옥시헤모글로빈, 디옥시헤모글로빈과 혈중산소포화도의 상대적인 농도를 결정한다. 하지만 이 방법은 아직 생물체가 아닌 튜브로 만든 모델로만 산소포화도를 측정할 수 있는 실험단계에 처해있다. Reddikumar 등 [5] 는 1 μm 푸리에 도메인 빛 간섭 단층촬영(Fourier Domain Optical Coherence Tomography, FDOCT)을 사용하여 인간 망막의 상대 혈중 산소포화도를 측정하였다. FDOCT데이터에서 최소 제곱의 방법으로 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 농도가 구현된다. FDOCT로 혈중 산소포화도를 측정하는 방법은 정확도가 높으나 측정하는데 소요하는 시간이 많고 측정 장치와 원리가 복잡하며 또한 측정하는 깊이가 깊게 침투되지 않아 현 단계 주로 망막의 혈액 산소 포화도측정에만 많이 쓰인다. Karthik 등 [6] 는 광대역 광원을 이용하여 빛의 산란정도와 반사된 인텐시티(reflectance intensity)를 측정하여 산소포화도 값을 얻게 된다. 광대역 광원을 이용한 광 분광법으로 산소포화도를 측정하고 분석방법은 실험장비가 복잡하지 않고 측정원리가 간단할 뿐만 아니라 신호잡음이 적기에 현재 많은 연구팀이 연구하고 있다. 데이터 처리에서 행렬 계산법과 비선형 커브 피딩등이 있기 때문에 실험에서 많이는 매트랩 프로그램을 사용한다. 매트랩 프로그램은 수학적인 계산이 편리하나 실행시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
본 논문에서는, 광대역 광원으로 혈중 산소포화도를 효과적으로 측정할 수 있는 랩뷰와 매트랩 결합 프로그램과 모터 스테이지를 결합한 측정 장치를 제안한다. 측정에 쓰이는 프로브를 모터 스테이지에 고정한 후에 랩뷰 프로그램에 있는 상하좌우 버튼으로 모터 스테이지를 제어하여 측정하려는 최적 위치에 놓이게 한다. 그리고 측정 버튼을 클릭하여 데이터를 수집하고 피 선형 커브 피딩 과정을 거쳐 최종 혈중 산소포화도 값을 검출한다.
본 논문의 구성은 2장에서는 혈중 산소포화도 측정 원리를, 3장에서는 제안한 프로그램과 측정 장치를, 4장에서는 제안한 방법과 기존의 측정 방법과 결과를 비교하여 성능을 평가 하였으며, 5장은 결론 및 향후 연구 방향 순으로 구성된다.
2. 혈중 산소포화도 측정원리
호흡은 생명체가 산소( O 2 )를 받아들이고 이산화탄소( CO 2 )를 버리는 과정이다. 우리는 호흡을 통해 외계로부터 산소를 얻어 이를 조직세포에 나누어 주고, 조직세포에서 생산된 이산화탄소를 외계로 제거할 수 있다. 그래서 호흡의 가장 중요한 역할은 생체조직에 산소를 공급하는 것이다. 충분한 산소의 공급이 이루어지지 못하면 근육기능의 약화, 두뇌활동의 저하, 그리고 궁극적으로 세포의 괴사를 초래할 수 있다.
산소포화도는 대부분의 산소를 운반하는 적혈구의 헤모글로빈과 밀접한 관계가 있다. 헤모글로빈은 혈액 세포에 산소를 공급하는 역할을 하므로 피부가 붉은색을 띄는 원인이 된다 [7] . 완전히 산소와 결합한 혈액은 선홍빛을 띠며 산소와 결합하지 않은 혈액은 어두운 빛을 띠고 피부의 광 산란 효과에 의해서 육안으로는 파란빛으로 보이게 된다. 이로 인해 헤모글로빈의 광흡수 스펙트럼은 본질적으로 다르게 나타나며, 빛을 이용하여 2가지 헤모글로빈의 상태를 관찰할 수 있는 근거를 마련해 준다. 산소포화도는 아래의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다
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즉, 산소포화도는 전체 혈액(산소를 포함하고 있는 옥시헤모글로빈과 산소를 포함하지 않은 디옥시헤모글로빈의 합)과 산소를 포함한 옥시헤모글로빈과의 비를 백분율로 나타낼 수 있다. 헤모글로빈 산소포화도의 정량화를 위한 알고리즘은 다음의 이론에 근거한다. 혼탁 매체의 광학 특성을 결정할 수 있는 확산 이론에 의한 정상 상태 확산 반사율(steadytate diffuse reflectance) R은 다음과 같이 주어질 수 있다.
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가시광범위 내에서 측정된 안정 상태 광대역 반사율(steady-state broadband reflectance)을 위한 식 (2)의 단순화 된 모델은 아래와 같다.
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흡수계수와 산란계수 μas 은 파장에 따라 정해지며 아래와 같이 표시된다.
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그중 a,b와c는 각각 옥시헤모글로빈, 디옥시헤모글로빈과 멜라닌의 농도를 표시하고 d는 조직에 의존하는 마라미터(tissue-dependent parameters) [12] 을, є HbO2 , єHb єMel 는 각각 파장 λ 에서 옥시헤모글로빈, 디옥시헤모글로빈과 멜라닌의 소멸계수(extinc-tion coefficients) [13] 를, expdata는 아래의 Fig. 1 에서처럼 측정하여 얻은 151개의 원소로 이루어진 배열을 표시하며 weight는 가중치를 표시한다.
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Measurement of blood oxygen saturation using broadband light source and optical probe.
Fig. 1 은 광대역 광원을 이용한 광 프로브로 손가락 끝부분에서의 측정을 나타내는 이미지로서 광원으로부터 발광된 빛이 조직에 반사되여 반사된 빛이 다시 프로브에 흡수 되여 혈액중의 산소포화도 측정에 쓰이는 것을 보여준다.
Fig 2 (a)는 광대역 범위에서의 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 몰 흡광계수를 보여준다. Fig. 2 (a)에서 보다시피 450nm부터 750nm에서 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 광 흡수계수 차이도가 큰 것을 볼 수 있다. Fig. 2 (b)는 검은 점선 지역에서 옥시헤모글로빈의 광흡수가 특수한 윤곽을 띠고 있다는 것을 볼 수 있다 [13] . 본 논문에서는 이 특성을 이용하여 측정범위를 450nm부터 750nm까지 설정하고 광대역 광원이 샘플을 비출 때 500nm부터 600nm 파장 대에서 광 스펙트로스코피 얻은 스펙트럼 데이터의 좌표가 “W”인( Fig. 3 ) 것으로 출발하여 비선형 커브 피딩(non-linear curve fitting)을 통하여 최종 결과를 얻는다.
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Molar extinction coefficients of oxyhemoglobin and deoxyhemoglobin over a large spectral range (300nm-1000nm) (a), and across the visible region of the spectrum (b).
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The spectrum of sample illuminated by broadband light source.
3. 제안방법
이 장에서는 산소포화도의 측정 속도와 정확도를 높이기 위하여, 랩뷰와 매트랩을 결합하고 모터스테이지를 이용하여 측정하는 방법을 제안한다. 본 논문에서의 시스템은 광대역 광원, 스텍트로미터, 광섬유 프로브와 컴퓨터로 구성되고 Fig. 4 와 같다.
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Experimental set up.
광원의 파장 범위가 395nm~750nm 이고 Blue LED, Cyan LED, White 4500 K LED 와 White 6500 K LED로 이루어진 광대역 라이트 소스를 사용하였으며 실험에 사용되고 산소포화도 수치 계산에 쓰이는 파장범위는 2장에서 설명한 450nm에서부터 750 nm 이다. Fig. 4 에서 보시다시피 프로브는 직경이 600마이크로미터인 광섬유를 사용하였는데 이는 동시에 광원을 샘플조직에 발사하고 샘플조직으로부터 반사 되여 오는 빛을 받아들이기도 한다. 프로브로 샘플의 혈중 산소포화도를 측정할 때 프로브와 샘플 사이의 거리를 멀리 떨어지게 하지 말아야 (1mm이내) 한다. 프로브는 반사 되여 얻은 빛을 스펙트로미터에 전송하고 이는 빛을 CCD array(2040-element linear silicon CCD array)에 펼쳐 빛의 파장에 대응하는 라이트 인텐시티 데이터(light intensity data)를 USB로 PC에 전송한다. PC는 받아들인 데이터를 2장에서 설명한 측정원리에 따라 데이터 처리하고 계산하여 랩뷰 프런트 패널(front panel)에 산소포화도의 막대표형식인 결과 값과 실시간 산소포화도 커브 그래프( Fig. 11 )를 디스플레이 한다.
본 논문에서는 미국 National Instruments(NI)에서 개발한 랩뷰(LabVIEW)소프트웨어를 위주로 프로그래밍 했는데 이는 프런트 패널과 블록 다이어그램(block diagram) 두 개의 창으로 구성되어 있다. 프런트 패널은 다른 말로 사용자 인터페이스(User Interface)라고 부른다. 사용자는 숫자형 입력이나, 버튼 입력, 웨이브폼 그래프 등을 이용하여 사용자 인터페이스를 구성할 수 있다. 프런트패널은 주로 결과 값을 디스플레이 하고 버튼을 클릭하면 그 버튼에 대응하는 부분프로그램이 러닝(running)한다. 때문에 랩뷰가 실행 모드일 때 사용자가 접하고 이용하는 부분이 프런트 패널이다. 랩뷰에서 블록다이어그램은 프로그램을 작성하는 창이다. 프런트패널에 아이콘을 위치시키면 이에 대응되는 터미널이 블록 다이어그램에 생성 된다. 그리고 사용자는 이 터미널들과 함수 팔레트에서 제공되는 함수를 와이어로 연결하여 프로그램을 완성할 수 있다. 랩뷰의 우수성은 데이터처리 속도가 빠르고 수행결과를 실시간으로 관찰할 수 있는 것이다. 매트랩(MATLAB)은 과학과 공학 분야의 문제들이 갖고 있는 다양한 계산들을 처리하는데 있어 강력하고도 유용하게 활용할 수 있는 엔지니어링 소프트웨어이다. 이는 매트랩이 특히 행렬(matrix) 연산을 아주 간편하게 수행하도록 설계되었기 때문이다. 매트랩을 애용하게 되는 많은 이유 중 하나는 매트랩이 사용자와 쌍방향 흐름의 대화식 프로그램이란 점이다. 이는 사용자가 매트랩 프롬프트에 어떤 특정한 명령어들을 쳐서 입력하면 즉시 결과 값을 얻을 수 있다는 것을 의미한다.
랩뷰는 현재 가장 널리 사용되고 가장 빠르게 성장하는 강력한 그래픽 소프트웨어 개발 통합된 환경중 하나이다. 그럼에도 불구하고, 랩뷰는 데이터 처리 연산이 많은 복잡한 응용 프로그램에서는 만족스럽지 못한 효율과 결과를 준다. 매트랩은 과학 및 엔지니어링 연산에 대해 전문적으로 설계된 고급 대화식(interactive) 소프트웨어 패키지이다. 그러나 루프처리, 그래픽 인터페이스 개발, 신호측정, 네트웨크 통신과 하드웨어 제어 등 방면에서는 매트랩이 랩뷰보다 현저히 뒤떨어진다. 때문에 랩뷰와 매트랩의 혼합 프로그래밍은 각자의 단점을 서로 보완해주고 선진적인 제어 시스템 어플리케이션의 개발에 긍정적인 역할을 하고 있다. 때문에 본 논문에서는 랩뷰와 매트랩 각자의 장점을 결합하여 새로운 프로그램을 제안하였다. 혼합 프로그래밍으로 제어 시스템의 개발 과정에서 랩뷰는 그래픽 유저 인터페이스(GUI)를 설계하고 데이터 수집, 하드웨어 제어, 실행 제어와 네트웨크 통신을 책임지며 매트랩은 각종 연산과 제어 알고리즘을 제공한다. 랩뷰와 매트랩 혼합 프로그래밍을 실현할 수 있는 제일 간편한 방법은 랩뷰가 매트랩과 통신하기 위해 전문 제공한 매트랩 스크립트 노드(Matlab Script Node)를 호출하는 것이다. 매트랩 스크립트 노드에서 직접 매트랩 코드를 편집하여 필요에 따리 입력과 출력을 추가할 수 있다. 프로크래밍할 때 특별히 주의해야 할 점은 입출력의 데이터 유형이 일치해야 매트랩과 랩뷰의 데이터 전송을 수행 할 수 있다.
실험장치 및 프로그램 성능의 우수성을 제고하기 위하여 이 기초 위에 모터스테이지를 추가하였다. 실험한 결과 주변 환경의 강렬한 조명, 프로브와 샘플사이 거리의 민감도와 손 떨림 등 실험환경의 영향을 다소 받는다는 것을 발견하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다음과 같은 실험환경이 주어져야 한다. 본 논문의 실험 장치는 온도의 영향을 크게 받지 않기 때문에 일반 상온(常温) 연구 환경에서 하면 되고 강렬한 조명을 피면하기 위해 커튼을 당겨 직사광 햇빛 조명을 막고 일반 실내조명 하에서 실험을 한다. 실험대상은 주변의 건강한 사람을 대상으로 하고 혈중 산소포화도를 측정할 때 이들의 식지 끝으로 측정한다. 프로브와 샘플사이 거리, 그리고 손 떨림 문제를 해결하기 위하여 아래의 Fig. 5 과 같은 모터 스테이지에 프로브를 설치하였다. 본 실험에서 사용되는 모터 스테이지는 3차원 공간에서 x축, y축과 z축 3개 방향 이동이 가능하다.
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The probe is fixed to motor stage.
아래의 Fig. 6 는 본 연구에서 개발한 산소포화도 측정 랩뷰 프로그램 플로 차트(flow chart)를 보여준다.
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Flow chart of LabVIEW program.
랩뷰 프로그램의 실행 버튼을 클릭하면 이는 프로 그램에서 사용하는 변수들을 자동으로 초기화한다. 측정을 진행하기 전에 스테이지에 고정된 프로브를 상하 좌우로 이동시켜 측정하려는 최적위치에 고정한다. 이때 프런트패널에 있는 네 버튼( Fig. 7 )으로 상하 좌우 이동할 수 있다.
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The buttons of motor stage.
다음 Fig. 8 에서처럼 다크 인텐시티, 레퍼런스 인텐시티와 샘플의 인터시티를 측정하여 스펙트럼 프로세싱을 진행한다. 스펙트럼 프로세싱은 아래 식(6) 과정을 말한다.
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The measurement of (a)dark intensity, and (b) reference intensity.
식(6)에 근거 하여 빛의 전송률을 구할 수 있는데 빛의 전송률은 에너지가 샘플을 통과한 부분이 상대적으로 레퍼런스를 통과한 퍼센트 수를 말한다. 전송률 모드는 빛이 샘플에 반사된 포션(portion)으로 표시할 수 있기 때문에 전송률과 반사 측정은 동일한 수학적 계산을 진행한다. 수식(7)에서 Sλ , Dλ , Rλ 는 각각 파장 λ 에 대응하는 샘플의 인텐시티(intensity), 다크(Dark) 인텐시티와 레퍼런스(White) 인텐시티를 표시한다.
이렇게 하여 측정한 데이터는 2장에서 말한 expdata를 표시한다. 랩뷰 프로그램의 블록다이어그램창( Fig. 9 )에서 연산을 진행하고 결과 값(산소포화도 등)을 프런트패널 창에 나타낸다.
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Block diagram of LabVIEW program.
Fig. 10 는 제안한 방법을 이용하여 측정한 리얼타임(real-time) 산소포화도 결과 커브(curve)이다. 광대역 광원을 이용한 산소포화도 측정 랩뷰 프로그램에서 인체 혈중 산소포화도를 실시간(real-time) 측정하여, Fig. 10 와 같이 커브 형식으로 사용자에게 보여줄 수 있다. Fig. 10 에서 황색횡축(黄色横轴)은 임상에서 정상 상태일 때의 산소포화도 기준이다. 황색종축(黄色纵轴)은 Fig. 11 (a)(b)과 같이 손가락을 묶을 때와 묶지 않았을 때의 경계선이다.
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Real-time blood oxygen saturation curve.
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For relative comparison, (a) shows the finger is bundled (b) shows the normal condition.
Fig. 11 (a)은 Fig. 5 의 종축 황색경계선의 왼쪽의 경우이고 Fig. 11 (b)은 오른쪽 경우이다. Fig. 11 (a) 처럼 묶어 있을 때 혈액순환(circulation)이 순창(顺畅) 하지 않기에 산소포화도가 점점 낮아지는 것을 볼 수 있다. 하지만 묶었던 끈을 풀면 산소포화도가 상승하여 곧바로 정상범위에 처해있는 것을 볼 수 있다.
Fig. 12는 산소포화도 헤모글로빈과 멜라닌 농도를 실시간 표시한 탱크이다. 산소포화도 커브는 혈중 산소포화도 변화 추세를 선명하게 보여주지만 산소포화도 탱크의 디지털 디스플레이는 숫자와 막대표 형식으로 실시간 볼 수 있다.
4. 실험결과 및 성능비교
- 4.1 실험결과
본 논문에서 제안한 방법의 성능을 평가하기 위해서 두 가지 실험 방안으로 정확도와 측정시간에 대해 각각 비교하였다.
첫 번째 실험은 측정시간을 비교하기 위하여 매트랩 프로그램으로 측정한 시간과 제기한 랩뷰 매트랩 결합 프로그램으로 측정한 시간을 비교하였다. 실험에서 피 측정대상은 나이가 23세부터 29세사이의 남성 3명 여성 3명이다. 실험환경은 3장에서 서술한 환경이다. 실험대상을 각각 매트랩 프로그램으로 측정한 다음 제기한 프로그램으로 측정하게 한다. 한번 측정한 시간은 매우 짧고 오차가 크기 때문에 아래의 식처럼 총 측정대상의 연속 10번 측정한 시간을 더하고 측정 인수를 나누면 평균 측정시간으로 정하였다.
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측정결과 매트랩 프로그램의 평균측정시간은 약 6.3초이고 본 논문에서 제안된 랩뷰 매트랩 결합의 평균측정시간은 약 1초도 되지 않았다( Table 1 ).
Results of system test
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Results of system test
두 번째 실험은 정확도 개선의 검측으로 CO-산소농도계(CO-oximeter)로 측정된 값을 표준수치(standard value)로 하고 모터스테이지에 고정할 때와 고정하지 않을 때 각각 측정하여 비교하였다. 실험대상을 여전히 앞에서 측정시간을 검측할 때의 인원이고 실험환경도 같은 실험환경이다. 본 실험장치로 측적한 값에서 표준수치를 빼면 그 값을 오차크기로 한다. 6명의 오차크기를 더하고 측정대상인수를 나누면 평균오차크기를 얻어 이 값으로 정확도의 성능을 비교하였다.
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측정결과 모터 스테이지를 사용하지 않았을 때의 평균오차크기는 4.5%이고 모터 스테이지를 사용할 때의 평균오차크기는 2.8%였다. 결과에서 알 수 있듯이 정확도와 검측시간효율이 제안한 방법이 현저히 개선된 결과를 나타낸다( Table 1 ).
- 4.2 성능비교
이 장에서는 광원을 이용한 혈중 산소포화도 측정에 관한 기존 연구와 제안하는 시스템의 성능을 비교하기 위하여 현재 흔히 사용하고 연구하는 방법들을 종합서술하고 비교하였다.
비 외과적인 방법으로 혈중 산소포화도를 측정하는 방법 중 연구 된지 가장 오래되고 널리 쓰이는 것은 적색과 근적외선 LED광원을 이용하여 직류신호와 교류신호사이의 비례관계로 산소포화도 값을 계산한 것이다. 현재까지 연구하고 이용한 시간이 제일 길어 손가락 끝이나 귀에 장치할 수 있게끔 여러가지 형태로 발전되었고 측정오차가 최고로 3%이내인 0.2%부터 3%사이 [3] 에 놓인다. 이러한 혈중 산소포화도 측정은 방법은 이미 성숙한 단계에 있지만 단지 한 개 위치에서의 혈중 산소포화도 측정에만 제한되어 있어 아래와 같은 기타 방법으로도 측정할 수 있는 연구가 진행되었다.
Jan 등 [4] 연구한 펄스 근적외선 광 음향 분광법(pulsed near-infrared photoacoustic spectroscopy) 기반에 의한 혈중 산소포화도 측정 방법은 실용되지 않아 아직 연구실에서 연구하는 단계이다. 광음향(photoacoustic) 신호는 공기에서보다 액체 중에서 더 잘 전파되기에 샘플을 수조에 넣고 측정한다. 측정오차는 최고 4% 최저 1%에 좌우에 있어 산소포화도 측정오차범위에 있지만 측정 장치와 계산방법이 복잡할 뿐만 아니라 직접 생체로 측정한 것이 아닌 튜브로 만든 팬텀로만이 측정할 수 있는 실험적 단계이다.
Francisco, Reddikumar등은 분광 광 간섭 단층촬영(spectroscopic optical coherence tomography) [5] 을 이용하여 상대적 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모 글로빈 측정한 농도로 산소포화도 값을 계산하는 방법을 제안하였다. 광 간섭 단층촬영(OCT)은 안구 망막 질병 진단 촬영에 많이 쓰이며 이미 세계적으로 보편적 보급된 선진적인 기술 중 하나이다. 분광 광갑섭 단층촬영은 분해능이 높은 장점이 있으나 실험장치에 대한 정밀도 요구가 높고 간섭 광원의 특징으로 하여 측정 깊이가 얇기 때문에 현재 실험용 튜브 혹은 안구의 얇은 층면에서 산소포화도의 측정이 가능하다. 그리고 측정오차는 5%부터 10%이상이여서 실용될 수 있는 측정오차범위에 있지 않다.
이와 비해 본 논문에서 연구한 시스템은 연구 장치가 복잡하지 않고 측정시간이 길지 않으며 튜브로 만든 샘플이 아닌 실제 생물체(生物体)로 직접 측정할 수 있다. 또한 측정 수치의 오차는 오차범위에 있을 뿐만 아니라 선 혹은 면으로의 측정이 가능하여 향후 연구방향이 가관(可观)이다. Fig. 13 은 광원을 이용한 혈중 산소포화도 측정에 관한 기존 연구와 제안하는 시스템의 최대측정오차를 보여준다.
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Measurement error comparison about different detection method.
5. 결론 및 향후 연구 방향
산소포화도는 제5의 생체신호라 불릴 정도로 매우 중요한 신체건강 반영수치이다. 현재 많은 측정방법들이 제기하였으나 각기 장단점이 있어 보다 더 정확하고 빠르게 측정할 수 있는 기술 개발이 절실히 요구된다.
본 논문에서는 중요한 생체지수 중의 하나인 혈중 산소포화도( SpO 2 ) 및 헤모글로빈과 멜라닌 농도를 편리하게 측정할 수 있고 또한 실시간 디스플레이할 수 있는 랩뷰 프로그램을 개발하여 산소포화도 및 기타 신호를 편리하게 관찰하고 저장할 수 있게 되였다. 기존의 매트랩 프로그램보다 본 논문에서 제기한 랩뷰와 매트랩을 결합한 프로그램은 측정 속도를 현저히 제고 하였고 또한 제기한 모터스테이지를 이용한 방법은 측정 정확률을 보다 높게 하였다. 실험을 통하여 제안한 방법이 실험결과에 향상되는 것을 확인 하였다.
제안한 방법은 샘플의 한 점에 포커싱(focusing) 할뿐만 아니라 3차원에서의 x축, y축과 z축 3개 방향 자동적으로 이동하면에서 측정한 것도 가능하다. 최근에는 의학기술의 발전과 함께 생활수준이 향상됨에 따라 건강관리에 대한 수요가 급격히 증가하고있는 추세이다. 따라서 몸이 편치 않다는 것을 느껴 몸의 이상(异常)을 진단 받은 후에 치료하기 보다는 몸의 이상이 형성되기 전에 그 변하는 추세를 발견하는 것이 건강관리에 큰 기여라고 볼 수 있다. 종양이나 정상적인 피부가 아닌 다른 병변이 형성되면 생체적 특징에 의하여 병변이 생긴 부위의 옥시헤모글로 빈과 디옥시헤모글로빈 및 기타 물질의 생체적 수치가 변하게 된다. 하여 향후 연구에서는 이 기술을 이용하여 단순히 산소포화도 측정뿐만 아니라 기타 비정상적인 상태(피부질환 등) 진단에 관한 연구가 진행될 방향이다. 앞으로 본 연구실에서는 쥐 실험을 하여 정상상태로부터 이상이 생겼을 때까지의 과정을 단계별로 측정하고 수치를 기록하여 분석할 계획이다.
BIO
최 금 실
2013년~현재 전북대학교 전자정보공학과 석사과정
신 동 호
2011년 전북대학교 전자정보공학과 학사
2013년 전북대학교 전자정보공학과 석사
2013년~현재 전북대학교 전자정보공학과 박사과정
송 철 규
1989년 연세대학교 의용전자공학과 학사
1991년 연세대학교 전기공학과 석사
1998년 연세대학교 전기공학과 박사
현재 전북대학교 전자정보공학부 교수
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