Optical Measurement of Blood Oxygen Saturation for Artificial Heart Using Wavelength of 665nm and 805nm

665nm와 805nm의 파장을 이용한 인공심장용 혈중 산소포화도의 광학적 측정

This study describes a non-invasive optical sensor and system in order to obtain oxygen saturation of blood, in-vitro. The sensor contains LED 665nm and 805nm of wavelength for light source and PIN photodiode for light detector in flat pack. The sensor system for measurement of oxygen saturation has breadboarded, including signal amplifier, filter, displayer, A/D converter, microprocessor and memory. Experimental set-up for non-invasive measurement of oxygen saturation in-vitro was done. When the variation of oxygen saturation is compared with that of each wavelength, the variation of 665nm is more than that of 805nm by five times. As oxygen saturation varies from 100% to 60%, and the reflection ratio (R805/R665) is changed linearly. The oxygen saturation in $100%{\sim}60%$ range can be measured with about 5% resolution by the developed sensor, such that if this sensor connects with the main artery and vein, the artificial heart can be controlled rapidly and precisely from measurement of the sensor.

본 논문에서는 혈액의 산소포화도를 비추출식으로 측정하기 위한 광 센서와 센서 시스템을 나타내었다. 광센서의 광원으로는 665nm와 805nm의 파장을 가지는 LED를 사용하여 구성하였고, 감지기로는 PIN 포토다이오드를 이용하여 각 센서부를 구성하였다. 이들 광원과 감지기를 이용하여 Flat Pack에 광 센서를 제작하였다. 혈액의 산소포화도를 측정하기 위한 센서 시스템을 신호 증폭기, 필터, 디스 플레이 장치, A/D 컨버터, 마이크로프로세서와 메모리 등으로 설계, 제작하였다. 그리고, 비추출식으로 산소포화도를 측정하기 위한 모의 실험 장치를 구성하여 모의 실험을 행하였다. 실험 결과, 산소포화도의 변화에 따른 각 파장의 출력치 변화를 비교하여 보면 665nm의 파장에서의 출력 변화가 805nm의 파장에서의 출력 변화보다 5배 정도 크게 변화하였다. 그리고, 산소포화도가 100%에서 60%로 변화할 때, 각 파장의 비(R805/R665)는 선형적으로 변화하였다. 그러므로, 100%에서 60%까지의 산소포화도 범위에서, 개발된 센서는 산소포화도의 변화를 5% 정도의 해상도로서 측정가능하였다. 따라서, 개발된 광센서가 인공 심장의 대동맥과 대정맥에 연결된다면 정확하고 신속하게 인공 심장을 제어할 수 있을 것이다.