심장 박동과 혈액 산소 포화도를 측정하기 위한 광 센서는 혈액의 빛 흡수, 더욱 정밀하게 말하면 혈액 속에 함유된 헤모글로빈을 활용한다.

심장 박동 모니터링

빛은 신체 조직에 부딪치면서 전송되고, 흡수되고, 반사된다(그림 1). 방사된 혈액량이 많을수록 반사된 빛의 양은 더 적어진다. 동맥의 혈액량이 심장 주기에 따라 변하기 때문에 심장 박동은 탐지기 시그널의 주기성에 따른다(그림 2). 이와 같이 혈관의 혈액량 변화를 광학적으로 측정하는 것을 광전용적맥파(PPG)라고 일컫는다. 실지로 광원과 탐지기로 구성된 센서를 직접 피부에, 보통은 손목이나 손가락에 놓는다. 위치에 따라 다양한 파장으로 측정된다. 녹색 광은 손목에 그리고 적색 광은 손가락에서 측정하는 것이 최선의 선택이다.

맥박 산소 측정

혈액의 산소 포화도는 적외선과 적색 광을 동시에 사용할 때 측정할 수 있다(그림 3). 이러한 맥박 산소 측정은 헤모글로빈(Hb)이 산소를 결합할 때 자체의 흡수 행동을 바꾼다는 사실에 기반을 둔다(산화 헤모글로빈 HbO2). 이와 같이 2가지 변종의 헤모글로빈의 농도는 2가지 다른 파장에서 흡수를 측정함으로써 결정할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해서 혈액의 산소 포화도를 알 수 있다. 적색(660nm) 및 적외선(940nm) 광이 이상적 선택이다. 여기에서 2개의 헤모글로빈 분자의 흡수 행동은 각각으로부터 가장 많이 벗어나기 때문이다. 빛 흡수에서 상대적인 변화만을 고려하는 맥박 측정과는 대조적으로, 동맥 혈액의 빛 흡수는 여기에서 절대적 조건으로 측정해야 한다. 실지로 혈액의 산소 포화도는 각각의 파장에서 최소와 최대 탐지기 시그널 비율(Imin/Imax)의 하나의 기능으로 표현할 수 있다.

생물 측정 데이터의 광학적 측정

그림 1

센서 SFH 7050은 피부나 조직을 방사하면서 흡수되거나 반사되는 녹색, 적색 또는 적외선 광을 발산한다. 탐지기가 기록한 반사광의 양은 동맥 혈액량에 따라 변한다(광전용적맥파). 이 측정은 손목에서는 녹색광으로, 손가락에서는 적색이나 적외선 파장으로 실행된다.

심방 박동의 측정

그림 2

탐지기 시그널 I의 주기성은 동맥 혈액량의 박동에 해당한다. 최소 및 최대 시그널 값의 비율(Imin/Imax)은 혈액의 산소 포화도 결정에 적용된다(맥박 산소 측정).

혈액의 산소 포화도 결정

그림 3

혈액의 흡수 행동, 더욱 엄밀하게 말하면 혈액 색소 헤모글로빈(Hb)의 흡수 행동은 산소 흡입량에 따라 다르다(산화 헤모글로빈이나 HbO2). 적색 및 적외선 광의 흡수를 측정하여 혈액의 산소 포화도를 결정할 수 있다.