Korean Journal of Life Science Vol. 13. No. 1. 42~46, 2003 정동근 * 김광년 2 연규선 1 최병철 2 서덕준 1 동아대학교의과대학의공학교실 1 동아대학교생리학교실 2 동아대학교의과학연구소 Detection of Radial Pulse Wave by Photoplethysmogram Dong-Keun Jung, Kwang-Nyeon Kim 2, Kyu-Seon Yeon 1, Byung-Cheol Choi 2 and Duk-Joon Suh 1 Department of Medical Engineering, College of Medicine, Dong-A University, Busan 602-714, Korea 1 Department of Medical Engineering, Physiology, Dong-A University, Busan 602-714, Korea 2 Department of Medical Engineering, Institute of Medical Science, Dong-A University, Busan 602-714, Korea Abstract Photoplethysmogram is widely used to measure heart rate and arterial blood oxygen saturation in human. This paper describes radial pulse waves recorded by photoplethysmogram with 940 nm wavelength infra red light. Radial pulse waves were varied according to the recording site. When recorded on the skin over radial artery, the radial pulse wave was inverted, comparing to the photoplethysmogram at fingertip. The mechanism of inverted pulse wave seemed to be caused by the change of the blood volume in the subcutaneous tissue between radial artery and the skin, which was reduced during systolic period and increased during diastolic period of the cardiac cycle. These results suggest that radial arterial wall may reflect infra red ray. Key words - photoplethysmogram, radial pulse, infra red ray 서 인체에서맥파를획득하는방법은침습적인방법과비침습적인방법으로나눌수있으며, 비침습적인방법은피검자에게고통을주지않고간편하게사용할수있으므로널리사용되고있다. 비침습적맥파기록방법으로는광학적검출, 기계적변환, 전기적검출방법으로분류된다. 광학적검출방법은생체투과성빔을사용하는방식으로적 론 *To whom all correspondence should be addressed *Tel:051-240-2868, Fax : 051-246-6481 *E-mail : dkjung@daunet.donga.ac.kr 외선의광도변화를이용하는광전용적맥파가가장널리사용되고있다 [1]. 전기적방법은조직의전기적임피이던스 [4,6] 또는어드미턴스 [3,7] 의변화를측정하는것이다. 가시광선또는적외선을이용한광전용적맥파는손가락또는귓볼등에서기록하고있으며광선을조직에입사시킨후반사또는투과되는광도를측정하여조직의혈액량변화를검출하는방법이다. 이때 Lambert-Beer의법칙이성립되며아래의식을만족한다. I t = I 0 10 -αdc 이때 I t 는투과또는반사되는빛의강도이며 I 0 는입사 42 / 생명과학회지
되는빛의강도이다. α는조직의광학적흡수계수이며, d 는광학적경로, c는조직의농도이다. 고정된자세에서일정량의빛을조직에입사시키는경우심장의활동에따라 α와 c는대개일정하며 d는변하는특성이있다. d를변화시키는요인은말초부위의혈류량의변화이며, 광전소자를이용하여말초에서맥파를검출하게된다. 심장의수축기에심장의좌심실에서박출되는혈액은말초로이동되며동맥측의혈액부피가증가하게된다. 이완기에는말초조직으로부터심장쪽으로부분적인혈액의흡입이있다. 조직에서심장주기에따른혈액량의미소한변화는전기적, 기계적, 광학적방법및기타방법으로기록할수있다 [2]. 광전용적맥파 (photoplethysmography, PPG) 는조직에서광흡수도의변화를측정하는것이다. 피부에발광부와광검출기를부착하여피부를투과하는빛의강도를측정하면, 광검출기의출력에나타나는신호는심장박동주기에따라요동한다. 광전용적맥파는수축기에조직에서빛의감쇠가증가하여신호가감소하며이완기에증가한다. 이러한광전용적맥파신호를일반적으로는반전시켜표시하고있다. 조직내혈액량의맥동성변화는압력의변화가맥동성으로나타나는동맥에서만일어난다. 본연구에서는광전소자를이용하여요골동맥이주행하는손목부위에서맥파를검출하였으며이때기록되는맥파가손가락끝에서기록되는맥파에비하여반전된모양의맥파를관찰하였다. 그기전을밝히기위하여센서의위치를변화시키면서기록되는맥파의모양을관찰하였으며위치에따른다양한맥파의모양을관찰할수있었다. 재료및방법광전용적맥파센서는반사형포토인터럽터 2개를이용하여직접제작하여사용하였다. 사용한포토인터럽트는 SG-2BC(Korea Kodenshi, Korea) 이며 940 nm의적외선을이용하는방식이다. 발광측은 GaAs 적외발광다이오드이며수광측은실리콘포토트랜지스터로구성되어있다. 제작한센서의외관을 Fig. 1에제시하였다. 센서의크기는가로 14mm, 세로 22mm이며포토인터럽트소자의직경은외경이 4mm이며광학적으로작용하는부부은직경 3 mm에해당한다. 포토인터럽트 2개를고무판에함몰설치하여제작하였다. 두개의포토인터럽트는센서의중심선을기 Fig. 1. Photoplethysmography sensor. Left, whole sensor; Right, photo interrupter component. 준으로좌우로배치되어있으며길이방향으로간격을두어혈관의주행방향으로설치가가능하도록하였다. 맥파신호증폭기는 2개의 PhysioLab Pulse-amp (Sarotech, Seoul) 를이용하였으며, PhysioLab P400(Sarotech, Seoul) 을이용하여 12 bit 1 khz로 A/D 변환하여 PC에서기록하였다. Pulse-Amp의저역차단주파수는 0.1 Hz이며고역차단주파수는 10 Hz로설정하여신호를기록하였다. 본연구에참여한피검자는순환기계질환이없는건강한성인 5명 (32~41세) 을대상으로하였다. 광전용적파센서를요골동맥이지나가는손목의내측면에부착하여고정된자세로신호를기록하였으며, 요골동맥의맥박을촉진하여피부부위에주행경로를표시한후센서의위치를옮겨가며맥파를기록하였다. 피검자마다 4회이상반복측정하여일관성이있는실험결과들을대상으로각측정에서대표성이있는기록의 10초간광전용적맥파신호를그림으로제시하였다. 결과에제시한광전용적맥파의진폭은 Pulse-Amp의동일한증폭도에서기록한것이며, 크기는임의적이므로상대적인크기를제시한것이다. 결과및토의 Fig. 2는손가락과손바닥에서광전용적맥파를시간간격을두고기록한것이다. 각부위에서기록되는한쌍의광전용적맥파신호는동일부위에서는유사한진폭의신호를보이고있다. 동맥에서기록되는압력맥파와동일한특성이며, 심장주기에따라빠르게증가하는신호와정점에도달하였다가서서히감소하는과정에절흔을보인다. 피부에서측정되는이러한광전용적맥파모양은신체의대부분부위에서관찰할수있으나피부의혈류가풍부한부위 Vol. 13. No. 1 (2003. 2) / 43
정동근 김광년 연규선 최병철 서덕준 Fig. 4. Comparison of pulse waves by the position of sensor on wrist. Upper, a wave from the skin over the radial artery. Lower, a wave from the skin over the boundary region of that. Recording duration of photoplethysmogram is 10 Fig. 2. Pulse waves recorded from fingertip and palm. 에서진폭이크게관찰된다. 본연구에서손가락부위가손바닥부위에비하여광전용적맥파의진폭이크게나타났다. Fig. 3은손목의내측면에서요골동맥이주행하는부위에서관찰한광전용적맥파이다. Fig. 3의위쪽파형은요골동맥바로위에서검출한신호이며아래쪽은요골동맥으로부터옆으로 2 mm 벗어난위치에서검출한신호이다. 요골동맥이위치하지않는피부부위에서기록한신호는손가락에서기록한 Fig. 2의파형과동일한파형을보이지만, 요골동맥이주행하는위치의피부에서기록한광전용적맥파는신호의진폭이낮으며반전되어있는특성을보였다. Fig. 3에서제시한결과의기전을밝히기위하여센서의위치를다르게하여요골동맥의경계부에서광전용적맥파를관찰하였다. Fig. 4는요골동맥바로위의피부와요골동맥의경계부피부에서맥파신호를관찰한것이다. Fig. 4 의위쪽파형은요골동맥위에서기록한파형이며아래쪽 파형은요골동맥의경계부에서기록한것이다. 요골동맥바로위에서관찰한신호는손가락에서기록되는맥파에비하여반전되어있는주기성의파형을관찰할수있지만, 요골동맥의가장자리에서검출한맥파신호는진폭이낮은특성을보였다. 요골동맥에서관찰한결과가다른표피동맥에서도관찰되는지확인하기위하여척골동맥 (ulnar artery) 과두부의측두동맥 (temporat artery) 에서광전용적맥파를기록하였다. Fig. 5의 A는척골동맥이주행하는피부부위에서검출한광전용적맥파이며 B는측두동맥부위의피부에서검출한광전용적맥파신호이다. 이들맥파신호는요골동맥과마찬가지로손가락에서관찰되는맥파에비하여반전되어있는맥파특성을보였다. 일반적인광전용적맥파는조직내투과성이있는빛을조직으로입사시키고적절한감쇠가일어나는조건에서반사또는투과되는빛의강도를측정하는방법이다. 손가락끝부분과같은말초부위맥파는심장의수축기에동맥측혈관이확장되며조직의혈액량이증가하여조직의부피가 Fig. 3. Typical pulse waves on the skin over the radial artery in wrist. Upper, the position of sensor is just over the radial artery. Lower, the position of sensor is 2 mm aside to the radial artery. Fig. 5. Typical pulse waves recorded from the skin over the ulnar artery (A) and temporal artery (B). 44 / 생명과학회지
증가한다. 이때심장주기에따라소동맥및모세혈관에서혈액의부피변화에반비례하는빛의강도를이용하여전기신호로검출한다. 수축기에혈액의부피가증가하면반사되는빛의강도는약해지며이완기에서혈액의부피가감소하면반사되는빛의강도는증가하는특성을갖는다. 이러한원리는조직의혈액관류량이비교적풍부한조직에서손쉽게측정되며피부로부터일정거리에빛을반사할수있는반사체가존재하는경우반사광의신호가더크게기록되는특성이있다. 손가락과발가락의경우말초혈류가풍부하므로광전용적맥파의검출에최적부위이다. 일반적으로광전용적맥파는조직에서 Lambert-Beer 법칙에따라광학적경로의광흡수도에의하여반사광의신호가결정된다. 적외선은가시광선에비하여조직투과도가높아조직심부로투과하는특성이있으며뼈의표면에서반사되는것으로알려져있다 [5]. 발광소자로부터나오는빛이조직으로입사하여투과하면서감쇠가진행되며조직의광흡수율이균일하다면경로의길이에반비례하여반사광의세기가결정된다. 일반적으로손가락끝의경우심장수축기에모세혈관을통한혈류가증가되면반사광의세기는약해지며, 심장이완기에혈류가감소하면반사광의세기가증가한다. Fig. 2에서관찰한바와같이심장수축기에는피부내의혈액량이증가하므로반사광의강도가작아지며이완기에는혈액량의감소로반사광의강도가커진다. 일반적으로말초맥파의파형은빛의강도에따른변화를반전시켜증폭한것이다. Fig. 3에서요골동맥부위의피부에서기록한맥파가피부부위에따라반전되어있는특성을보이는것은심장주기에따라빛의경로내에혈액량의변화가다르게나타남을의미한다. 요골동맥이주행하는부위로부터벗어난위치에있는피부는손가락끝과동일한패턴의맥파를보이지만요골동맥바로위에서는신호가반전되는특성을보였다. 요골동맥은심장수축기에확장되며이완기에는수축되는특성을지니고있다. 요골동맥과피부사이의조직은심장수축기에혈액량이작아지며심장이완기에혈액량이증가하는특성을가지고있다. 따라서조직의광흡수도가일정하다고가정하여도빛의경로변화가심장주기에따라발생할수있다. 그러나피부와요골동맥사이의변화는오히려반대로진행될수있다. 요골동맥위에서일반적인맥파신호와반전된맥파신호가검출 되는것은요골동맥과피부사이의빛의경로의변화와일치하며이러한결과는입사되는 940 nm의적외선이혈관의외벽에서반사및산란되며, 광원으로부터의거리가짧아져서검출되는빛의양이많아지는것으로해석할수있다. 요골동맥이확장되면서빛의경로가짧아진다는것은입사되는적외선이요골동맥의표면에서반사가일어날경우에가능하다. 즉피부와요골동맥사이의경로는심장의수축기에경로가짧아지며이완기에는증가하고있다. 본연구에서요골동맥의바로위에서는맥파의모양이주변조직과반대방향의변화특성을보이는이유는동맥의벽이피부에가하는힘에의하여조직의혈액량변화가다른부위와는다르게진행됨을의미한다. 요골동맥과주변조직모두는요골바깥에위치하고있으므로입사되는적외선들은요골동맥에서반사된다. 그러나요골동맥의표면에서적외선을반사하는특성이있다면실제적인적외선의경로는다르며피부부위에따라맥파의모양이다르게나타날수있다. 이러한특성은광전용적맥파의기전이피부부위에따라다르며표재성동맥이주행하는피부부위에서는맥파의모양이모두반전되어있다고할수있다. 이러한 기전을 Fig. 6에모형으로제시하였다. 광경로 A와 B는심장박동에따른동맥의수축과확장에서광경로의변화가다르게나타나며광도변화의모양이반전될것이라고추측할수있다. Fig. 4에서요골동맥의가장자리에서검출한광전용적맥파는진폭이낮으며특징적인맥파를기록할수없었다. 이러한결과는정상적인맥파와반전된맥파신호가상쇄 Fig. 6. Model of transcutaneous light pathways around radial artery. Vol. 13. No. 1 (2003. 2) / 45
정동근 김광년 연규선 최병철 서덕준 되어나타나는특성으로추측된다. 요골동맥부위에서관찰된맥파의특성은다른동맥에서도관찰되었다. Fig. 5는척골동맥과측두동맥부위의피부에서관찰한맥파이다. 모두요골동맥부위피부와마찬가지로반전되어있는맥파모양을취하고있다. 본연구에서관찰한결과를토대로일반적인광전용적맥파측정법을이용하여요골동맥의심장주기에따른피부에서의광전용적맥파를검출할수있으며, 요골동맥의위치를피부에서정확하게찾을수있음을제시하였다. 광전용적맥파의부위에따른파형의반전특성은혈관벽에서적외선이반사되는특성을고려함으로써설명이가능하다. 향후시험관내에서골막과혈관벽의적외선반사특성을직접적으로측정하여비교함으로써피부에서위치에따른맥파의발생기전을명확히구분할수있다. 요골동맥의맥파기록은맥파를이용한혈관질환의진단에이용되며, 요골동맥과경동맥에서맥파도달시간차이를이용하는맥파전달속도측정에널리이용되고있다. 본연구결과의응용분야로는표재성동맥부위의피부에서적외선반사를분석하여동맥의위치를파악할수있으며심장주기에따른표재성동맥벽의운동성을측정하는것이가능하다. 아울러광전용적맥파측정법이손가락, 발가락, 귓볼뿐만아니라일반적인피부에서도측정가능함을시사한다. 요약광전용적맥파는인체의말초부위에서맥파를검출하는데널리이용되고있으며심박동수측정및혈액산소포화도측정에이용되고있다. 본연구는 940 nm의적외선을이용한광전용적맥파를이용하여손목에서요골동맥의맥파를기록하였으며센서의측정위치에따라맥파의모양이다르게나타나는것을관찰하였다. 요골동맥바로위의피부부위에서기록되는광전용적파는손가락끝에서기록되는맥파에비하여반전되어있는특성을보였다. 반전된맥파의발생기전은센서의발광부에서나오는 940 nm의적외선이조직에입사하여반사되어나오는경로의용적 변화가심장주기에따라일어나지만손가락끝부분에비하여반대작용이있음을나타낸다. 요골동맥의바로위피하조직은심장주기에따라동맥의확장또는수축이발생하면동맥외벽과피부사이조직에혈류량의변화가일어나며동맥의확장시에는혈류량이감소하고이완시에는증가되는특성으로인하여반전맥파를형성하는것으로추측된다. 이러한결과는요골동맥의벽에서적외선반사가있음을시사한다. 감사의글 이논문은 1998학년도동아대학교학술연구조성비 ( 공모과제 ) 에의하여연구되었음. 참고문헌 1. Drzewiecki, G. 2000. Noninvasive arterial blood pressure and mechanics, pp. 1-16, In Bronzino, J.D. (eds.), The Biomedical Engineering Handbook, Vol. 1. CRC Press, Boca Raton, Florida. 2. Fronek, A. 1989. Noninvasive diagnosis in vascular disease. McGraw Hill, New York. 3. Ito, H., K. Yamakoshi, and T. Togawa. 1976. Transthorasic admittance plethysmography for measuring cardiac output. J. Appl. Physiol. 40, 451-454. 4. Kubicek, W.G., R.P. Patterson and D.A. Witsoe. 1970. Impedance cardiography as a noninvasive method of monitoring cardiac function and other parameters of the cardiovascular system. Ann. NY Acad. Sci. 170, 724-732. 5. Marjanovic, M.A. 1997. Optical assessment of recovery of tissue blood supply after removal of externally applied pressure. Medical & Biological Engineering & Computing 35, 425-427. 6. Nyboer, J. 1970. Electrical impedance plethysmography. Thomas C.C. (eds). Springfield, Illinois. 7. Yamakoshi, K., H. Shimazu, T. Togawa and H. Ito. 1978. Admittance plethysmography for accurate measurement of human limb blood flow. Am. J. Physiol. 235, 821-829. (Received November 26, 2002; Accepted February 4, 2003) 46 / 생명과학회지