Pulse oximetry and BluPRO

Pulse Oximeter란 무엇인가요?

맥박 산소측정기는 혈액을 채혈하지 않고 동맥혈의 산소포화도(헤모글로빈이 산소와 결합한 비율)를 지속적으로 측정하는 장치입니다.맥박 산소측정의 원리는 1972년 Nihon Kohden의 엔지니어 아오야기 타쿠오(Takuo Aoyagi) 박사에 의해 발명되었습니다.
아오야기 박사에 대한 더 자세한 이야기는 Nihon Kohden Global Website 에서 확인할 수 있습니다.

▾ 맥박 산소측정기의 활용

▾ 펄스 산소 측정의 원리

▾ NPi Algorithm

맥박 산소측정기의 활용

맥박 산소측정기는 혈액 채혈 없이 동맥혈 산소포화도를 연속적으로 측정하는 장치입니다. 수술 전후 및 중환자실(ICU)에서의 호흡 관리용으로 널리 사용되어 왔으며, 송신기 타입이나 핸드헬드 타입과 같은 소형 장치의 등장으로 외래 및 병동으로 활용 범위가 확대되었습니다.
현재는 프로브와 본체가 소형화되어 병원 외 환경에서도 널리 사용되고 있으며, 재택 간호에서도 활용되고 있습니다. 또한 SpO₂는 COVID‑19 감염 중증도 분류 기준으로도 사용되어, 점점 더 필수적인 바이탈 사인이 되고 있습니다.

Operating Room
Recovery Room

수술 전후 마취 후 산소 공급 평가

ICU

인공호흡기 관리
이유 지수
진정제 또는 진통제를 사용한 환자 호흡기 관리

NICU

저산소혈증 검출
조산아 망막병증 예방을 위한 산소 관리

Wards

SpO₂ 와 맥박수를 이용한 활력징후 모니터링
라운드 중 산소 수치 모니터링

Emergency Room

산소 투여 관리

Laboratory

기관 시각 또는 내시경 검사 중 저산소혈증 감지

Home care

가정용 산소 요법의 결정 및 처방
호흡기 관리
수면 무호흡증 선별

펄스 산소 측정의 원리

SpO₂ 는 맥박 산소 포화도계를 통해 경피적으로 측정하는 동맥혈 산소포화도로, 동맥혈 적혈구 내　산소와 결합된 헤모글로빈의 비율을 측정합니다.
헤모글로빈은 산소와 결합하면 밝은 빨간색으로 변하고, 결합하지 않으면 짙은 빨간색으로 변합니다. 동맥혈의 산소 포화도는 빛을 흡수하는 용이도가 색깔에 따라 다르다는 사실을 이용해 계산됩니다 . 손끝에 부착된 작은 장치와 반대편의 센서가 손가락을 통과하지만 흡수되지 않는 빛을 측정하고 분석합니다 .

두 개의 LED가 있는 프로브 (Nihon Kohden, 적색광용 660nm, 적외선 조명용 940nm) 가 손가락이나 발가락처럼 비교적 얇은 조직이 있는 신체 부위에 부착됩니다.
광검출기는 측정 지점을 통과하는 두 파장을 감지하고, 펄스파로부터 동맥혈의 산소포화도 ,흡수율 , 두 신호에서 얻은 혈액량을 계산합니다.

Image_tech-blupro_01 — Figure 1. Light absorption of hemoglobin

Reference
1) [Improvement of Earpiece, oximeter] (in Japanese). Japanese Society for Medical and Biological Engineering Abstract. 12, 90-91, 1974.
2) [The Birth of the Pulse Oximeter and its Theory] (in Japanese). The Journal of Japan Society for Clinical Anesthesia. 10(1), 1-11, 1990.
3) [Pulse Oximetry and Its Simulation] IEEE Tokyo Section Denshi Tokyo. 29, 184-186, 1990.
4) Takuo, Aoyagi. [Theoretical and Experimental Investigations of Blood Dimming] (in Japanese). Japanese journal of medical electronics and biological engineering : JJME. 30(1), 1-7, 1992.

니혼 코덴의s SpO₂ 측정 기술, NPi 알고리즘

향상된 아티팩트 방지를 가진 SpO₂ 알고리즘 , NPi

NPi 알고리즘은 Nihon Kohden 의 독특한 필터링 함수입니다. 유물을 제거하세요. 그 특징으로는 펄스파의 추출이 있습니다 좌표변환 방법과 주파수를 이용한 기본 주파수 분석 , 그리고 협대역 필터를 이용한 아티팩트 제거 기본 주파수를 추출했습니다.

SpO₂ 측정 의 기본 처리

SpO₂는 LED에서 방출된 적색광과 적외선 두 파장의 맥파 진폭 비율 Φ로부터 계산된다. Nihon Kohden 의 펄스 옥시미터는 그림 1에 나타난 것처럼 적외선과 적색광의 맥파 신호를 XY 좌표축에 플로팅하고, 최소자승법으로 얻은 회귀직선의 기울기에서 Φ를 산출한다. 이 방법은 파형 데이터 전체를 사용하므로, 최대 진폭과 최소 진폭만을 사용하는 방법에 비해 Φ를 보다 정확하게 계산할 수 있다.

image_tech-blupro_02 — Figure 1. Caluculation of Φ using regression method

NPi algorithm

NPi 알고리즘은 기존 알고리즘의 기본적인 처리 방식을 유지하면서 맥파에서 아티팩트를 제거하는 필터링 기능을 향상시킨다. 이 알고리즘의 특징적인 기능은 주파수 분석을 통해 맥파의 기본 주파수를 추출하는 것 (Figure 2)과, 해당 주파수 분석에 기반한 협대역 필터링을 사용하여 아티팩트를 제거하는 것이다. 이 기능은 말초 순환 부전 환자가 안절부절못하는 경우나 신생아에서 호흡 변동이 발생하는 경우와 같이, 맥파 진폭에 비교적 큰 아티팩트가 존재할 때 특히 효과적이다.

image_tech-blupro_03 — Figure 2. Construction of NPi algorithm

맥파에는 맥박수와 동일한 기본 주파수와, 이 주파수의 일정한 정수배에 해당하는 주파수 성분이 존재한다 (Figure 3). 큰 아티팩트가 중첩된 파형에 대해 주파수 분석을 수행할 경우, 맥파 신호가 아티팩트에 묻히기 때문에 맥파의 주파수를 식별하기가 어렵다 (Figure 3b). 이러한 상황에서도 Nihon Kohden 고유의 좌표 변환 방법을 사용하면 맥파와 아티팩트 간의 분별성이 향상된다.
이 좌표 변환 방법으로 아티팩트로부터 분리된 맥파 신호에 대해 주파수 분석을 수행함으로써, 맥파의 주파수를 식별할 수 있다 (Figure 3c).

image_tech-blupro_04 — Figure 3. Frequency component of pulse wave

Figure 4에 나타난 바와 같이 좌표 변환 방법을 사용하여 아티팩트로부터 분리하여 얻은 맥파 신호를 기반으로, 협대역 필터(특허)를 사용하여 아티팩트의 영향을 받은 신호를 제거함으로써 신호를 정확하게 추출하고 맥파 신호의 Φ를 계산한다.
T이 방법은 신호 처리 기술 분야에서 오래전부터 알려져 왔으나, 이를 펄스 옥시미터에 적용함으로써 아티팩트를 신호로부터 정확하게 분리할 수 있게 되었고, 신뢰도가 매우 높은 SpO₂　값을 제공하는 것이 가능해졌다.