광혈량도
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1. 개요
광혈류도(PPG)는 피부를 통과하는 빛의 양을 측정하여 혈류량 변화를 감지하는 기술이다. 손가락 끝, 귓불 등에서 측정하며, 맥박 산소 측정기, 질광혈량측정, 음핵광혈량측정 등에 활용된다. PPG는 심박수, 호흡, 마취 심도, 혈액량, 혈압 등을 모니터링하는 데 사용되며, 원격으로도 측정이 가능하다. 원격 PPG는 피부색의 미묘한 변화를 분석하거나, 디지털 홀로그래피를 이용하여 혈류의 맥동 운동을 감지하는 방식으로 이루어진다.
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| 광혈량도 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 명칭 | 광혈류측정법 (光血流測定法) |
| 영문 명칭 | Photoplethysmography |
| 약자 | PPG |
| 설명 | 조직의 혈액량 변화를 측정하는 기술 |
| 상세 정보 | |
| 작동 원리 | 빛을 피부에 투과시켜 혈액의 빛 흡수율 변화를 측정 심박출량, 혈압, 혈액 산소 포화도 등의 생리적 정보를 추정 가능 |
| 적용 분야 | 맥박 산소 측정기 심혈관 질환 모니터링 자율 신경계 기능 평가 혈액 역학 연구 |
| 장점 | 비침습적 측정 실시간 모니터링 가능 휴대성 용이 |
| 단점 | 움직임에 민감 주변광의 영향 피부색, 온도 등의 생리적 요인에 영향 |
| 파형 분석 | |
| 주요 파형 요소 | 수축기 피크 (Systolic peak) 이완기 피크 (Diastolic peak) 디크로틱 노치 (Dicrotic notch) |
| 파형 분석 지표 | 맥박수 (Heart Rate) 맥박 변동 (Pulse Rate Variability, PRV) 증강 지수 (Augmentation Index, AI) |
| 추가 정보 | |
| 관련 기술 | 레이저 도플러 혈류 측정법 (Laser Doppler Flowmetry, LDF) 임피던스 혈류 측정법 (Impedance Plethysmography) |
| 참고 문헌 | [1] Allen, J. (2007). Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiological Measurement, 28(3), R1–39. [2] Kyriacou, P. A., & Allen, J. (Eds.). (2021). Photoplethysmography: Technology, Signal Analysis and Applications. Elsevier. [3] Shelley, K., Shelley, S., & Lake, C. (2001). Pulse Oximeter Waveform: Photoelectric Plethysmography. In C. Lake, R. Hines, & C. Blitt (Eds.), Clinical Monitoring (pp. 420–428). W.B. Saunders Company. [4] Pelaez, E. A., & Villegas, E. R. (2007). LED power reduction trade-offs for ambulatory pulse oximetry. 2007 29th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2296–2299. [5] Reisner, A., Shaltis, P. A., McCombie, D., & Asada, H. H. (2008). Utility of the photoplethysmogram in circulatory monitoring. Anesthesiology, 108(5), 950–958. [6] Charlton, P. H., Kyriaco, P. A., Mant, J., Marozas, V., Chowienczyk, P., & Alastruey, J. (2022). Wearable Photoplethysmography for Cardiovascular Monitoring. Proceedings of the IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 110(3), 355–381. |
2. 측정 부위
맥박 산소 측정기는 주로 손가락 끝(투과 흡수 방식)이나 이마(반사 방식)에서 광혈류측정(PPG) 신호를 얻는다.[2] 외래 환자의 경우, 주로 손가락에 맥박 산소 측정기를 착용한다. 그러나 쇼크나 저체온증 등으로 말초 혈류가 감소한 경우에는 귀, 비중격, 이마 등에서 측정한다.[7]
광혈량도(PPG)는 다양한 분야에서 활용되고 있다.
다중 부위 광혈류측정법(MPPG)은 양쪽 귓불, 검지, 엄지발가락 등 여러 부위에서 동시에 측정을 수행하여 말초 동맥 질환, 자율 신경 기능 장애, 내피 기능 장애, 동맥 경직 등을 평가하는 데 활용될 수 있다.[8][9][10][11]
운동이나 자유 생활 조건에서는 움직임으로 인한 잡음(artifact)이 정확한 측정을 방해할 수 있다.[6]
3. 활용
3. 1. 심박수 및 심장 주기 모니터링
피부는 혈류 공급이 풍부하여 심장 주기의 맥동 성분을 비교적 쉽게 감지할 수 있다. 신호의 직류(DC) 성분은 피부 조직의 전체 흡수에 기인하며, 교류(AC) 성분은 심장 주기의 압력 맥동에 의해 발생하는 피부 내 혈액량의 변화에 직접적으로 기인한다.
광혈류도의 교류(AC) 성분의 높이는 동맥의 수축기 및 이완기 혈압의 차이인 맥압에 비례한다. 조기 심실 수축(PVC)을 보여주는 그림에서 볼 수 있듯이, PVC가 있는 심장 주기의 PPG 펄스는 낮은 진폭의 혈압과 PPG를 생성한다. 심실 빈맥 및 심실 세동도 감지할 수 있다.[12]
3. 2. 호흡 모니터링
호흡은 흉벽과 폐 사이의 압력인 흉강 내 압력을 변화시켜 심장 주기에 영향을 미친다. 심장은 폐 사이의 흉강 내에 위치하므로, 흡입 및 호기의 부분 압력은 상대 정맥의 압력과 우심방의 충전에 큰 영향을 미친다.
흡입 동안 흉강 내 압력은 최대 4mmHg까지 감소하여 우심방을 확장시키고 상대 정맥에서 더 빠른 충전을 허용하여 심실 부하량을 증가시키지만 일회 박출량은 감소시킨다. 반대로 호기 동안 심장이 압축되어 심장 효율이 감소하고 일회 박출량이 증가한다. 호흡의 빈도와 깊이가 증가하면 정맥 환류가 증가하여 심박출량이 증가한다.[13]
많은 연구에서 광혈류 측정법을 사용하여 호흡수를 추정하는 데 중점을 두었으며,[14] 흡입 시간과 같은 보다 자세한 호흡 측정을 연구했다.[15]
3. 3. 마취 심도 모니터링
마취과 의사는 환자가 수술에 충분히 마취되었는지 주관적으로 판단해야 하는 경우가 많다. 환자가 충분히 마취되지 않은 경우, 절개에 대한 교감 신경계 반응은 광혈류측정(PPG)의 진폭에 즉각적인 변화를 일으킬 수 있다.[16] 
3. 4. 저혈량 및 과혈량 모니터링
샤미르(Shamir), 에이델만(Eidelman) 등은 수술 전 혈액 은행을 위해 환자의 혈액량 10%를 제거하는 것과 흡입 사이의 상호작용을 연구했다.[17] 이들은 맥박 산소 측정기의 광혈류 측정법과 동맥 카테터 모두에서 혈액 손실을 감지할 수 있음을 발견했다. 환자들은 심장이 압박될 때 숨을 내쉴 때 심장 전 부하 감소로 인해 심장 맥박 진폭이 감소하는 것을 보였다.
3. 5. 혈압 모니터링
미국 식품의약국(FDA)은 2019년 8월 광혈류측정법 기반의 커프리스 혈압 측정기에 대한 승인을 제공한 것으로 알려졌다.[18]
3. 6. 산소포화도 측정
혈액의 산소포화도를 측정할 때 맥박산소측정법을 이용한다. 일산화 탄소 중독 환자는 더 복잡한 CO-산소측정기(CO-oximeter)를 이용해야 하는 경우가 있다.
3. 7. 성과학
성과학에서는 질광혈량측정, 음핵광혈량측정을 이용해서 혈량을 측정한다. 이는 직접 부피를 측정하기 어려운 여성 성기의 성적 각성 지표로 활용된다.
4. 원격 광혈류측정법
원격 광혈류량 측정법(rPPG)은 피부에 직접 접촉하지 않고 혈류와 같은 생리적 과정을 측정하는 기술이다. 이는 사람의 눈으로는 감지하기 어려운 피부색의 미세한 변화를 얼굴 영상 분석을 통해 감지하는 방식으로 이루어진다.[19][20] 이러한 카메라 기반 측정 방식은 기존의 광혈류량 측정법을 대체할 수 있는 비접촉식 대안을 제공한다. 예를 들어, 신생아의 심박수 모니터링[21]이나 딥러닝 분석을 통한 스트레스 수준 정량화[11] 등에 활용될 수 있다.
디지털 홀로그래피는 빛의 위상 변화에 민감하게 반응하여 마이크론 이하 수준의 미세한 움직임을 감지할 수 있는데, 이를 원격 광혈류량 측정에 활용할 수 있다. 특히, 혈류에 의해 발생하는 맥동 운동을 디지털 홀로그래피를 통해 엄지손가락에서 측정할 수 있으며, 이는 혈관 폐쇄 및 재개통 실험에서 광혈류량계로 측정한 혈액 펄스와 유사한 결과를 보인다.[22] 이 방식은 측정 대상과 직접 접촉할 필요가 없다는 장점이 있다. 다만, 오프 축 간섭 구성으로 인해 센서 어레이의 공간 대역폭이 감소하고, 단시간 푸리에 변환 분석을 통해 생리적 신호를 필터링해야 한다는 한계가 있다.[22]
초당 1000 프레임 이상의 속도로 획득한 디지털 간섭도에서 재구성된 디지털 홀로그램의 주성분 분석은 손의 표면파를 보여준다.[23] 온 축 간섭계를 이용한 디지털 홀로그래피는 오프 축 구성의 공간 대역폭 감소 문제와 생리적 신호 필터링 문제를 모두 해결할 수 있는 효율적인 방법이다. 더 넓은 공간 대역폭은 더 넓은 시야를 확보하는 데 매우 중요하다.
홀로그래피 레이저 도플러 이미징은 홀로그래피 광혈류량 측정 기술을 개선한 것으로, 망막, 맥락막, 결막, 홍채 혈관의 혈류 맥파를 비침습적으로 모니터링할 수 있게 해준다.[24] 특히 안저(눈의 안쪽 뒤편)의 레이저 도플러 홀로그래피에서 맥락막은 고주파 레이저 도플러 신호에 가장 큰 영향을 미치지만, 공간적으로 평균화된 기준 신호를 제거하여 이러한 영향을 줄이고, 맥동성 혈류를 높은 시간 분해능과 넓은 영역에서 이미징할 수 있다.
4. 1. 기존 이미징
광혈류량 측정법은 일반적으로 사람의 피부(예: 귀, 손가락)와 접촉하는 형태를 필요로 하지만, 원격 광혈류량 측정법은 피부 접촉 없이 혈류와 같은 생리적 과정을 결정할 수 있게 해준다. 이는 사람의 눈으로는 감지할 수 없는 피험자의 피부색의 미묘한 순간적인 변화를 분석하기 위해 얼굴 영상을 사용하여 달성된다.[19][20] 이러한 카메라 기반의 혈액 산소 포화도 측정은 기존의 광혈류량 측정법에 대한 비접촉식 대안을 제공한다. 예를 들어, 신생아의 심박수를 모니터링하거나,[21] 딥 뉴럴 네트워크로 분석하여 스트레스 수준을 정량화하는 데 사용할 수 있다.[11]4. 2. 디지털 홀로그래피
원격 광혈류량도법은 빛의 위상에 민감하여 서브마이크론 크기의 면외 운동을 감지할 수 있는 디지털 홀로그래피로도 수행할 수 있다. 특히, 혈류에 의해 유도된 맥동 운동의 광역 이미징은 디지털 홀로그래피를 통해 엄지손가락에서 측정할 수 있다. 이 결과는 폐쇄-재관류 실험 동안 광혈류량도로 모니터링한 혈액 펄스와 유사하다.[22] 이 시스템의 주요 장점은 연구 대상 조직 표면과의 물리적 접촉이 필요하지 않다는 것이다. 이 접근 방식의 두 가지 주요 제한 사항은 (i) 센서 어레이의 사용 가능한 공간 대역폭을 감소시키는 오프 축 간섭 구성과 (ii) 생리적 신호를 필터링하는 단시간 푸리에 변환 (이산 푸리에 변환을 통해) 분석의 사용이다.초당 ~1000 프레임 이상의 속도로 획득한 디지털 간섭도에서 재구성된 디지털 홀로그램의 주성분 분석은 손의 표면파를 보여준다.[23] 이 방법은 온 축 간섭도로부터 디지털 홀로그래피를 수행하는 효율적인 방법으로, 오프 축 구성의 공간 대역폭 감소와 생리적 신호의 필터링 문제를 모두 완화한다. 더 높은 공간 대역폭은 더 큰 이미지 시야에 매우 중요하다.
홀로그래피 광혈류량도법의 개선된 기술인 홀로그래피 레이저 도플러 이미징은 망막, 맥락막, 결막, 홍채의 혈관에서 비침습적인 혈류 맥파 모니터링을 가능하게 한다.[24] 특히 안저의 레이저 도플러 홀로그래피에서 맥락막은 고주파 레이저 도플러 신호에 가장 큰 영향을 미친다. 그러나 공간적으로 평균화된 기준 신호를 빼서 그 영향을 피하고, 맥동성 혈류의 높은 시간 분해능과 전장 이미징 기능을 얻을 수 있다.
참조
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null
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