<어린이과학동아> 편집부가 건강검진을 받으러 갔어요. 
잠든 상태에서 내시경 검사를 받으려면 혈액 속 산소 포화도를 살펴봐야 한다는데 대체 어떻게 재는 걸까요?

 

 

 

 

손가락에 살짝 끼우기만 하면 피 한 방울 뽑지 않고 몸속 산소 상태를 알 수 있어요. 그 비밀 장비는 바로 산소포화도 측정기! 원리를 알려면 먼저 우리 몸속에서 산소가 어떻게 움직이는지부터 살펴봐야 해요.

숨을 들이마시면 공기 속 산소가 폐를 거쳐 혈액으로 들어가요. 심장은 산소를 실은 혈액을 온몸으로 내보내요. 혈액은 온몸을 돌며 장기와 세포에 산소를 전달해요. 폐 기능이 떨어지거나 심장에 문제가 생기면 온몸에 산소가 충분히 전달되지 않아요. 병원에서는 폐나 심장에 문제가 있는 환자나 수술 중인 환자를 돌볼 때 산소포화도를 확인해요. 몸에 산소가 충분히 공급되는지 알아보기 위해서예요.

산소포화도는 혈액 속 ‘헤모글로빈’ 중 산소와 결합한 헤모글로빈의 비율을 계산한 것이에요. 혈액 속 산소는 대부분 혈액 세포인 적혈구 속 헤모글로빈이라는 단백질과 결합해요. 산소포화도가 98%라면 산소와 결합할 수 있는 헤모글로빈 가운데 약 98%가 산소와 결합했다는 뜻이에요.

혈액 속 산소포화도는 어떻게 알 수 있을까요? 산소포화도 측정기는 파장이 다른 붉은 가시광선과 적외선을 이용해요. 파장은 빛이나 소리 같은 파동이 한 번 반복되는 길이예요. 산소포화도 측정기에선 파장이 약 660nm●인 붉은 가시광선과 이보다 파장이 긴 약 940nm의 적외선이 나와요. 두 빛이 혈액에 흡수되는 정도를 비교해서 산소포화도를 재는 거예요. 

측정기는 주로 혈관이 많이 분포하고 조직이 얇은 손가락 끝이나 발가락, 귓불 등에 끼워요. 두 빛을 손가락 위에서 쏘면 빛이 피부와 혈액 등을 지나면서 일부가 흡수돼요. 혈액에 산소와 결합하지 않은 헤모글로빈이 많으면 붉은빛이 더 많이 흡수되고, 산소와 결합한 헤모글로빈이 많으면 적외선이 더 많이 흡수돼요. 측정기는 흡수되지 않고 손가락 아래 센서에 도달하는 빛의 양을 비교해서 혈액의 산소포화도를 계산해요. 

심장이 뛸 때마다 손가락의 동맥에 흐르는 혈액의 양이 변하면서 붉은빛과 적외선이 흡수되는 양도 주기적으로 달라져요. 이 변화가 반복되는 횟수를 세면 맥박수도 알 수 있죠. 

건강한 사람의 산소포화도는 일반적으로 95~100% 범위예요. 병원에서는 산소포화도를 측정하기 전에 손톱을 가려서 측정값에 오차를 줄 수 있는 매니큐어나 인조 손톱을 제거하도록 권해요.

 

 

 

무섭거나 화가 나면 심장이 콩닥콩닥 뛰죠? 이 작은 변화를 손가락으로 읽어내 사람의 감정까지 알아내는 연구가 나왔어요.

심장이 이렇게 반응하는 건 ‘자율신경계’ 때문이에요. 자율신경계는 심장박동이나 혈관 등을 자동으로 조절하는 몸속 신경이에요. 두려움이나 분노 같은 감정을 느끼면 자율신경계 중 교감신경계가 반응해 심장이 빨리 뛰고 혈관의 상태도 달라져요. 두려움을 느낄 땐 피부의 혈관 일부가 수축하고 분노할 땐 얼굴의 혈관이 넓어져 얼굴이 붉어지기도 해요. 심장박동과 혈관의 상태가 달라지면 혈관에 흐르는 혈액의 양에도 변화가 생겨요. 

2025년 중국 저장대 연구팀은 손가락에 빛을 비춰서 혈액량의 변화를 측정하고 감정 상태를 구별하는 방법을 개발했다고 발표했어요. 
연구팀은 산소포화도 측정기에도 활용되는 ‘광혈류측정(PPG)’ 방법을 사용했어요. PPG는 피부에 빛을 비추고 심장박동에 따라 혈관 속 혈액량이 변하면서 빛을 흡수하는 정도가 달라지는 것을 감지해요. 심장이 뛸 때마다 혈액량이 늘고 주는 정도를 물결 모양의 파형으로 그릴 수 있어요.

연구팀은 실험 참가자 157명의 검지에 적외선과 붉은 가시광선이 나오는 장치를 끼웠어요. 이 장치를 병원에서 환자의 산소포화도, 심장 활동 등을 실시간으로 측정하는 기기와 연결했어요. 실험 참가자들은 장치를 낀 채로 즐겁거나 슬픈 감정, 공포감 등을 불러일으키는 영상을 시청했어요. 영상을 본 뒤 자신의 감정이 긍정적이었는지 부정적이었는지, 얼마나 흥분했는지 등을 스스로 평가했어요.

연구팀은 참가자들이 영상을 보는 동안 PPG 센서로 혈액량의 변화를 감지해 파형으로 기록했어요. 이 파형은 봉우리와 굴곡이 복잡하게 반복되는 모양이에요. 연구팀은 복잡한 PPG 파형에 어떤 주파수의 물결들이 섞여 있는지 분석했어요. 주파수는 물결이나 소리 같은 파동이 1초에 반복되는 횟수예요. 

연구팀은 각 물결이 얼마나 강하게 나타나는지 등을 계산해 PPG 파형을 나타내는 9가지 특징을 뽑아냈어요. 각 특징이 어떤 감정 상태와 연결되는지 규칙을 찾았어요. 그 결과 참가자가 흥분하거나 차분한 상태인지는 87.5%의 정확도로, 긍정적이거나 부정적인 감정 상태인지는 81.4%의 정확도로 구별했어요.

연구팀은 “흥분할 때는 혈관 수축과 심장 활동 변화가 뚜렷해 PPG 파형에 더 잘 나타났을 가능성이 있다”고 설명했어요. 또 “PPG처럼 생리 신호를 관찰하면 자신의 느낌을 직접 평가하거나 표정과 몸짓을 관찰하는 방법보다 감정 상태를 객관적으로 평가할 수 있다”고 강조했어요.