맥박산소측정

3. 제한 사항

맥박 산소 측정은 혈색소 포화도만을 측정하며, 환자의 환기 능력을 온전히 반영하지 못한다. 따라서 실험실 혈액 가스 검사를 대체할 수 없으며, 염기 결핍, 이산화 탄소 수치, 혈액 pH, 중탄산염(HCO₃⁻) 농도 등은 알 수 없다. 산소 대사는 만료된 CO₂를 통해 측정 가능하나, 포화도 수치는 혈액 내 산소 함량을 나타내지 않는다.

맥박 산소 측정은 순환 산소 공급의 완전한 척도도 아니다. 혈류가 부족하거나 빈혈 등으로 혈색소가 부족하면, 동맥 산소 포화도가 높아도 조직은 저산소증을 겪을 수 있다.

또한, 혈색소가 산소 외 다른 물질과 결합하면 측정값이 왜곡될 수 있다.

일부 가정용 맥박 산소 측정기는 샘플링 속도가 낮아 혈중 산소 수치의 급격한 변화를 놓칠 수 있다.^[6] 정확도는 80% 미만의 측정값에서 현저히 떨어진다.^[7]

3. 1. 근본적인 한계

• 일산화 탄소는 산소보다 혈색소와 결합하는 능력이 더 강하다. 일산화 탄소 중독 환자의 경우, 혈색소가 산소 대신 일산화 탄소와 결합하여 맥박 산소 측정기는 정상으로 측정되지만 실제로는 저산소혈증 및 저산소증 상태일 수 있다.
• 청산염 중독은 동맥혈에서 산소 추출을 감소시켜 측정값이 높게 나타난다. 청산염 중독 초기에는 동맥혈 산소가 실제로 높기 때문에 측정값은 거짓이 아니지만, 환자는 저산소증을 겪는다.
• 메트헤모글로빈혈증은 맥박 산소 측정값을 80%대 중반으로 나타나게 한다.
• 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD), 특히 만성 기관지염은 잘못된 측정값을 유발할 수 있다.^[13]

3. 2. 정확성에 영향을 미치는 조건

• 저관류: 혈액 순환이 잘 안 되는 경우(저관류), 측정 부위의 혈류량이 적어 정확한 측정이 어려울 수 있다. 이는 사지가 차갑거나 혈관수축, 혈관수축제 사용 등이 원인일 수 있다.^[17]
• 센서 부착 오류: 센서가 올바르게 부착되지 않으면 빛이 제대로 통과하지 못해 정확도가 떨어진다.
• 움직임: 환자가 움직이거나 떨면 센서와 피부 사이의 접촉이 불안정해져 오차가 발생할 수 있다. 특히 저관류 상태에서 움직임은 정확도에 큰 영향을 미친다.^[17][18]
• 피부색: 어두운 피부색은 빛 흡수에 영향을 주어 측정 오류를 유발할 수 있다. 특히, 멜라닌 색소는 빛을 산란시켜 정확도를 감소시키는 것으로 알려져 있다.^[27]
• 기타 요인: 비만, 저혈압, 일부 헤모글로빈 변이체 등도 결과의 정확도를 낮출 수 있다.^[6]

• 1976년 연구에서는 어두운 피부색 환자에서 낮은 혈중 산소 포화도 값을 반영하는 판독 오류가 보고되었다.^[21]
• 추가 연구에 따르면 건강한 높은 포화도 수준에서는 정확도가 괜찮지만, 일부 장치는 낮은 수준에서 포화도를 과대평가하여 저산소증을 감지하지 못할 수 있다.^[22]
• 한 연구에서는 흑인 환자가 백인 환자에 비해 맥박산소측정기로 낮은 산소 포화도를 놓칠 확률이 3배 더 높았다.^[23]
• 코로나19 환자를 대상으로 한 연구에서는 흑인 환자의 28.5%에서 잠재적 저산소혈증이 발생한 반면, 백인 환자에서는 17.2%에서만 발생했다.^[24]
• 흑인 COVID-19 환자가 적시에 보충 산소를 받을 가능성이 29% 더 낮고 저산소혈증을 겪을 가능성이 3배 더 높다는 연구 결과도 있다.^[25]
• MIMIC-IV 중환자 데이터 세트를 사용한 연구에서는 흑인, 히스패닉 및 아시아 환자가 백인 환자보다 더 높은 SpO₂ 판독값을 보였다.^[26]

4. 장비

맥박 산소 측정은 혈액 산소 포화도를 비침습적으로 지속적으로 측정하는 데 편리하다. 맥박 산소 측정기는 산소 공급(oxygenation)이 불안정한 환자, 중환자실, 수술실, 회복실, 응급실 등 다양한 환경에서 사용되며, 압력이 가해지지 않은 항공기의 항공 조종사(pilots)에게도 유용하다. 또한 모든 환자의 산소 공급을 평가하고 추가 산소의 필요성을 판단하는 데 사용된다.^[4]

맥박 산소 측정기는 응급 의학에서 매우 중요하며, 특히 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD)과 같은 호흡기 또는 심장 문제가 있는 환자나 수면 장애 (예: 무호흡증 및 저호흡증) 진단에 유용하다.^[6] 폐쇄성 수면 무호흡증 환자의 경우 맥박 산소 측정 판독값은 잠을 자는 시간의 대부분 동안 70~90% 범위에 있을 것이다.^[7]

휴대용 배터리 작동 맥박 산소 측정기는 미국에서 약 3048.00m (3048m) 또는 약 3810.00m (3810m) 이상에서 비가압 항공기를 운행하는 조종사에게 유용하며, 이 고도에서는 보충 산소가 필요하다.^[8] 또한, 높은 고도 또는 운동 시 산소 수치가 감소할 수 있는 등산가와 운동선수에게도 유용하며, 일부 휴대용 맥박 산소 측정기는 환자의 혈액 산소와 맥박을 차트로 나타내는 소프트웨어를 사용하여 혈액 산소 수치를 확인하도록 상기시킨다.

연결 기술의 발전으로 환자는 병원 모니터에 케이블로 연결하지 않고도 혈액 산소 포화도를 지속적으로 모니터링할 수 있게 되었으며, 환자 데이터가 병상 모니터 및 중앙 집중식 환자 감시 시스템으로 다시 전송되는 데는 지장이 없다.^[9]

코로나19 환자의 경우, 맥박 산소 측정은 환자가 여전히 편안해 보이고 느껴지지만 SpO₂가 위험할 정도로 낮은 무증상 저산소증을 조기에 감지하는 데 도움이 된다.^[10] 이는 병원이나 자택에서 환자에게 발생한다. 낮은 SpO₂는 심각한 코로나19 관련 폐렴을 나타낼 수 있으며, 인공호흡기가 필요하다.^[11]

iData Research의 보고서에 따르면 2011년 미국 맥박 산소 측정 장비 및 센서 시장 규모는 7억달러 이상이었다.^[36]

4. 1. 소비자용 맥박 산소 측정기

4. 2. 모바일 앱

5. 작동 메커니즘

맥박 산소 측정기는 혈액 내 산소 포화도를 간접적으로 측정하는 의료 기기이다. 피부의 혈액량 변화를 감시하여 광혈류 측정법을 생성하고, 이를 통해 맥박수 등 다른 측정값도 얻을 수 있다.^[40]

일반적인 맥박 산소 측정기는 전자 프로세서와 한 쌍의 작은 발광 다이오드(LED)를 사용하며, 환자의 손가락 끝이나 귓불과 같이 투명한 신체 부위에 부착한다. 한 LED는 660 nm 파장의 빨간색 빛을, 다른 LED는 940 nm 파장의 적외선 빛을 방출한다. 산소를 가진 혈액과 산소가 없는 혈액은 이 파장에서 빛을 흡수하는 정도가 크게 다르다. 산소화된 헤모글로빈은 더 많은 적외선을 흡수하고 더 많은 적색광을 통과시키며, 탈산소화된 헤모글로빈은 더 많은 적외선을 통과시키고 더 많은 적색광을 흡수한다.^[38]

LED는 초당 약 30번씩 순차적으로 켜지고 꺼지면서 빛을 낸다. 이를 통해 광다이오드는 적색광과 적외선에 개별적으로 반응하고, 주변광의 영향을 줄일 수 있다.^[38] 흡수되지 않고 통과하는 빛의 양을 측정하여 각 파장에 대한 정규화된 신호를 생성한다. 이 신호는 맥박에 따라 동맥혈의 양이 변하므로 시간에 따라 변동한다. 각 파장에서 전송된 빛에서 최소 전송된 빛을 빼서 다른 조직의 영향을 보정하고, 맥동성 동맥혈에 대한 연속 신호를 생성한다.^[39]

프로세서는 적색광 측정값과 적외선 측정값의 비율, 즉 산소화 헤모글로빈과 탈산소화 헤모글로빈의 비율을 계산한다. 이 비율은 룩업 테이블을 통해 SpO₂로 변환되며, 이 과정은 비어-람베르트 법칙에 기반한다.^[38]

5. 1. 작동 방식

5. 2. 파생 측정

• '''(말초) 관류 지수(Pi)''': 피부의 혈액량 변화로 인해 산소포화도 측정기의 센서가 수신하는 빛 신호(투과율)의 변화를 나타내는 주기 함수를 분석하여 얻는다. 이 함수를 DC 성분(최대값)과 AC 성분(최대값 빼기 최저값)으로 나누고, AC 성분을 DC 성분으로 나눈 비율을 백분율로 표시한다. 관류 지수는 일반적으로 0.02%에서 20%의 범위를 갖는다.^[42][43]

• '''맥박 산소 측정 체적맥파도(POP)''': 모니터 픽셀에서 수동으로 파생되며, "AC" 성분만을 측정한다.^[41][44]

• '''체적 변동 지수(PVI)''': 호흡 주기 동안 발생하는 관류 지수의 변동성을 측정한다. 로 계산되며, 여기서 최대 및 최소 Pi 값은 하나 이상의 호흡 주기에서 얻어진다.^[42] 체적 변동 지수는 수액 관리를 받는 환자의 지속적인 수액 반응성을 나타내는 유용하고 비침습적인 지표로 알려져 있다.^[41]

• '''맥박 산소 측정 체적맥파도 파형 진폭(ΔPOP)''': 수동으로 파생된 POP에 사용하기 위한 이전 기술로, 로 계산된다.^[44]

6. 역사

1935년, 독일의 의사 칼 마테스(1905–1962)는 적색 및 녹색 필터(후에 적색 및 적외선 필터)를 사용하여 귀의 산소 포화도(O₂)를 측정하는 2파장 측정기를 최초로 개발했다. 이 장치는 O₂ 포화도를 측정하는 최초의 기기였다.^[45]

1940년대에는 글렌 앨런 밀리칸이 최초의 맥박 산소 측정기를 제작했다.^[46] 1943년^[47]과 1949년에 출판된 논문에서^[48] 얼 우드는 귀에서 혈액을 짜내는 압력 캡슐을 추가하여 혈액이 재유입될 때 절대적인 O₂ 포화도 값을 얻는 방법을 제시했다. 이 개념은 오늘날의 일반적인 맥박 산소 측정법과 유사하지만, 불안정한 광전관과 광원 때문에 구현하기 어려웠으며, 현재 임상적으로 사용되지 않는다. 1964년, Shaw는 8개의 빛 파장을 사용하는 최초의 절대 판독 귀 산소 측정기를 조립했다.

1972년, 일본 의료 전자 장비 제조업체인 니혼 코덴의 일본 생체 공학자 아오야기 타쿠오와 키시 미치오가 측정 부위에서 맥동하는 구성 요소의 적색광과 적외선 흡수율의 비율을 이용한 최초의 맥박 산소 측정법을 개발했다. 니혼 코덴은 최초의 맥박 산소 측정기인 Ear Oximeter OLV-5100을 제조했다. 외과 의사 나카지마 스스무와 그의 동료들은 이 장치를 환자에게 처음 테스트했고, 1975년에 이를 보고했다.^[49] 그러나 니혼 코덴은 맥박 산소 측정법 개발을 중단하고 일본을 제외하고 맥박 산소 측정법의 기본 특허를 신청하지 않아, 이후 미국에서 맥박 산소 측정법의 추가 개발 및 활용이 촉진되었다. 1977년, 미놀타는 최초의 손가락 맥박 산소 측정기 OXIMET MET-1471을 상용화했다. 미국에서는 1980년 Biox가 최초의 맥박 산소 측정기를 상용화했다.^[49][50][51]

1987년까지, 미국의 일반 마취 투여에 대한 표준 치료법은 맥박 산소 측정법을 포함했다. 맥박 산소 측정법은 수술실에서 시작하여 병원 전체로 빠르게 확산되었으며, 처음에는 회복실로, 그 다음에는 집중 치료실로 확산되었다. 맥박 산소 측정법은 신생아 병동에서 특히 중요했는데, 산소 공급이 부적절하면 환자가 회복되지 않지만, 과도한 산소와 산소 농도의 변동은 미숙아 망막증(ROP)으로 인해 시력 손상 또는 실명을 유발할 수 있기 때문이다. 또한 신생아 환자로부터 동맥혈 가스를 얻는 것은 환자에게 고통을 주며 신생아 빈혈의 주요 원인이 된다.^[52]

움직임 아티팩트는 맥박 산소 측정 모니터링에 상당한 제약이 될 수 있으며, 빈번한 가짜 경보 및 데이터 손실을 초래한다. 이는 움직임 및 낮은 말초 관류 중에 많은 맥박 산소 측정기가 맥동하는 동맥혈과 움직이는 정맥혈을 구별할 수 없어 산소 포화도를 과소 평가하기 때문이다. 피험자의 움직임 동안 맥박 산소 측정 성능에 대한 초기 연구는 기존 맥박 산소 측정 기술의 움직임 아티팩트에 대한 취약성을 명확히 했다.^[53][54]

1995년, 마시모는 동맥 신호를 정맥 및 기타 신호와 분리하여 환자의 움직임 및 낮은 관류 동안 정확하게 측정할 수 있는 신호 추출 기술(SET)을 도입했다. 그 이후, 맥박 산소 측정기 제조업체는 움직임 동안 일부 가짜 경보를 줄이기 위해 새로운 알고리즘을 개발했다.^[55] 그러나 이러한 알고리즘은 움직임 및 낮은 관류 동안 변화하는 조건을 측정한다고 주장하지는 않는다. 따라서 어려운 조건에서 맥박 산소 측정기의 성능에는 여전히 중요한 차이가 있다.^[56] 같은 해, 마시모는 말초 체적맥파(plethysmograph) 파형의 진폭을 정량화하는 관류 지수를 도입했다. 관류 지수는 임상의가 신생아의 질병 심각도 및 조기 호흡 결과^[57][58][59]를 예측하고, 극저체중아에서 상부 상대정맥 흐름 저하를 예측하며,^[60] 경막외 마취 후 교감 신경 절제술의 조기 지표를 제공하며,^[61] 신생아의 치명적인 선천성 심장 질환의 탐지를 개선하는 데 도움이 되는 것으로 나타났다.^[62]

여러 연구에서 신호 추출 기술과 다른 맥박 산소 측정 기술을 비교했을 때, 신호 추출 기술에 대해 일관되게 유리한 결과가 나왔다.^[2][18][63] 신호 추출 기술 맥박 산소 측정 성능은 환자 결과 개선에도 도움이 되었다. 한 연구에서, 신호 추출 기술을 사용하는 한 센터에서는 극저체중 신생아의 미숙아 망막증(눈 손상)이 58% 감소했지만, 동일한 프로토콜을 사용하지만 신호 추출 기술이 아닌 다른 기술을 사용하는 동일한 임상의가 있는 다른 센터에서는 미숙아 망막증의 감소가 없었다.^[64] 다른 연구에서는 신호 추출 기술 맥박 산소 측정 결과가 동맥혈 가스 측정 감소, 산소 투여 중단 시간 단축, 센서 사용 감소, 입원 기간 단축으로 이어진다는 것을 보여주었다.^[65] 또한 움직임 및 낮은 관류 상태에서도 측정이 가능하기 때문에 기존 맥박 산소 측정법에서 가짜 경보가 빈번하게 발생했던 일반 병동과 같이 이전에 모니터링되지 않던 영역에서도 사용할 수 있다. 2010년 연구에서 신호 추출 기술 맥박 산소 측정법을 일반 병동에서 사용하는 다트머스-히치콕 의료 센터의 임상의가 응급 대응팀 활성화, ICU 이송 및 ICU 입원 일수를 줄일 수 있었다는 것을 보여주었다.^[66] 2020년, 동일 기관에서 실시된 후속 연구에서는 신호 추출 기술을 사용한 맥박 산소 측정법과 환자 감시 시스템을 10년 이상 사용한 결과, 지속적인 모니터링을 사용하는 동안 환자 사망이 없고, 오피오이드 유발 호흡 억제로 인해 환자가 피해를 입은 사례가 없었다는 것을 보여주었다.^[67]

2007년, 마시모는 체적맥파 변동 지수(PVI)의 최초 측정을 도입했으며, 여러 임상 연구에서 이는 환자의 수액 투여에 대한 반응 능력을 자동적이고 비침습적으로 평가하는 새로운 방법을 제공한다는 것을 보여주었다.^[41][68][69] 적절한 수액 수준은 수술 후 위험을 줄이고 환자 결과를 개선하는 데 필수적이다. 수액량이 너무 낮거나(과소 수분 공급) 너무 높은 경우(과다 수분 공급) 상처 치유를 저하시키고 감염 또는 심장 합병증의 위험을 증가시키는 것으로 나타났다.^[70] 최근, 영국 국립 보건 서비스와 프랑스 마취 및 중환자 관리 학회는 PVI 모니터링을 수술 중 수액 관리에 대한 제안 전략의 일부로 나열했다.^[71][72]

2011년, 전문가 실무 그룹은 선천성 심장 질환(CCHD)의 조기 발견을 늘리기 위해 맥박 산소 측정법을 이용한 신생아 선별 검사를 권장했다.^[73] CCHD 실무 그룹은 59,876명의 피험자를 대상으로 한 두 건의 전향적 연구 결과를 인용했으며, 이는 최소한의 위양성으로 CCHD의 식별을 증가시키기 위해 전적으로 신호 추출 기술을 사용했다.^[74][75] CCHD 실무 그룹은 낮은 관류 조건에서도 유효성이 입증된 움직임 허용 맥박 산소 측정법으로 신생아 선별 검사를 수행할 것을 권장했다. 2011년, 미국 보건복지부 장관은 맥박 산소 측정법을 권장되는 균일 선별 검사 패널에 추가했다.^[76] 신호 추출 기술을 사용한 선별 검사에 대한 증거가 나오기 전에는 미국의 신생아의 1% 미만이 선별 검사를 받았다. 오늘날, The Newborn Foundation은 미국에서 거의 보편적인 선별 검사를 문서화했으며, 국제 선별 검사가 빠르게 확대되고 있다.^[77] 2014년, 122,738명의 신생아를 대상으로 한 세 번째 대규모 연구에서도 처음 두 개의 대규모 연구와 유사한 긍정적인 결과를 보였으며, 이 연구 역시 신호 추출 기술을 전적으로 사용했다.^[78]

고해상도 맥박 산소 측정법(HRPO)은 수면 다원 검사를 수행하는 것이 비실용적인 환자를 대상으로 하는 가정 내 수면 무호흡증 선별 검사 및 검사를 위해 개발되었다.^[79][80] 이는 맥박수와 SpO₂를 1초 간격으로 저장하고 기록하며, 한 연구에서 수술 환자의 수면 장애 호흡을 감지하는 데 도움이 되는 것으로 나타났다.^[81]

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