Time‑of‑Flight 히스토그램 기반 맥박산소측정기

초록

본 논문은 45 ps 해상도의 TDC와 CMOS SPAD 검출기를 이용해 광원의 강도 변화에 무관하게 조직 내 광자 비행시간 히스토그램을 측정함으로써 산소포화도를 추정하는 새로운 맥박산소측정기 프로토타입을 제시한다. 실험에서는 상용 레이저와 저비용 커스텀 레이저를 모두 사용했으며, 평균 비행시간()이 광 강도 변동에 거의 영향을 받지 않음을 확인하였다. 또한 혈관 폐쇄 테스트(VOT)를 통해 혈류 변화에 따른 변화를 검증하였다.

상세 분석

본 연구는 기존 광강도 기반 맥박산소측정기의 한계—조명 변화, 피부톤, 움직임 등에 의한 측정 오차—를 극복하기 위해 Time‑of‑Flight(ToF) 기술을 도입하였다. 핵심은 광자가 조직을 통과하면서 발생하는 비행시간 분포를 히스토그램 형태로 실시간 수집하고, 그 히스토그램의 평균 비행시간()을 산소포화도의 지표로 활용한다는 점이다.

1. 하드웨어 설계

   • SPAD 센서: 8 µm 직경, 다크 카운트 1 kHz, 회복시간 20 ns, 650 nm와 773 nm 파장에서 각각 25 %와 10 %의 검출 효율을 보인다. 단일 픽셀 구성을 채택해 교차톤(crosstalk)과 전력 노이즈를 최소화하였다.
   • 레이저 소스: 두 종류를 사용하였다. (a) Hamamatsu C10196+M1030‑6 조합은 최소 56 ps 펄스 폭과 4 MHz 반복률을 제공, (b) 저비용 커스텀 레이저는 Texas Instruments LMG1025‑Q1EVM 드라이버와 Roithner QL‑65D6SA 다이오드로 구성돼 전기 펄스는 1.3 ns, 광 펄스는 이보다 짧게 압축된다. 두 레이저 모두 4 MHz 동기 신호로 TDC와 정밀히 동기화된다.
   • TDC: Xilinx Zynq UltraScale+ FPGA 내부에 Tapped Delay Line(TDL) 구조를 구현, 45 ps bin, 448 taps, 1.66 ns 측정 범위. 코드 밀도 테스트를 통해 DNL은 ±0.15 LSB, INL은 ±0.55 LSB 이내이며 누락 코드 없이 선형성을 확보했다. 37개의 히스토그램 bin을 16‑bit 깊이로 저장, 600 MHz 클럭으로 45 ps 평균 bin 폭을 유지한다.

2. 데이터 처리 및 계산

   • 히스토그램 bin 카운트를 Σw_i 로 정의하고, 총 카운트 Σw_i 로 정규화한 뒤, Σ(i·w_i)/Σw_i 로 평균 비행시간 를 산출한다. Mellin‑Laplace 변환 기반 2차식으로 TPSF(Temporal Spread Function)의 형태를 정량화한다. 이 방법은 TPSF의 면적(광 강도) 변동에 영향을 받지 않으며, 순수히 시간 분포의 형태 변화만을 반영한다.

3. 실험 설계

   • 안정성 테스트: Hamamatsu 레이저로 45 k 프레임(50 fps) 수집, 15 분 동안 평균 광 강도 변동 41 %에 비해 변동은 3 %에 불과했다. 이는 가 광 강도에 강인함을 입증한다.
   • 중성밀도 필터 실험: NE10A, NE20A‑B, NENIR40A‑C 필터를 순차 적용해 광 강도 138 % 변동을 유도했지만 변화는 1 % 이하였다. 필터 적용 시 광자 수 감소로 인한 노이즈 상승은 관찰됐으며, 이는 의 신뢰도에 영향을 주지만 평균값 자체는 유지됨을 보여준다.
   • 혈관 폐쇄 테스트(VOT): 상완에 160 mmHg 압력 가압 후 해제하는 100 s 프로토콜을 수행, Hamamatsu 레이저와 저비용 레이저 모두에서 가 혈류 감소(흡수 증가) 시 감소하고, 압력 해제 후 회복되는 패턴을 보였다. 특히, 필터를 사용한 baseline1 구간에서 강도는 크게 감소했지만 추세는 변하지 않아, 가 강도 독립성을 유지함을 재확인했다.

4. 시스템 크기 및 통합 가능성

   • 현재 프로토타입은 10 cm × 8 cm × 5 cm 부피이며, 레이저 모듈은 4 cm × 5 cm × 0.5 cm에 불과하다. FPGA와 SPAD, 레이저를 SoC 형태로 집적한다면 스마트폰·스마트워치 수준의 1 cm³ 이하 크기로 축소 가능성이 있다.

5. 한계점 및 향후 과제

   • 현재는 단일 파장(650 nm)만 사용했으며, 산소포화도 정량화를 위해서는 660 nm(산소혈색소)와 940 nm(탈산소혈색소) 두 파장의 차이를 모델링해야 한다.
   • 저비용 레이저는 완전 OFF 상태가 아니어 광 펄스 베이스라인이 높아 동적 범위가 제한된다. 펄스 폭을 20 ps 이하로 줄이고, 전류 스위칭을 최적화하면 신호‑대‑노이즈 비율을 개선할 수 있다.
   • 실시간 임상 적용을 위해서는 히스토그램 누적 및 계산을 FPGA 내부에서 실시간 처리하고, 무선 전송을 통한 저전력 인터페이스가 필요하다.

핵심 인사이트

• 평균 비행시간 는 광 강도 변동에 거의 영향을 받지 않으며, 조직 내 흡수 변화(산소포화도)와 직접적인 상관관계를 가진다.
• 45 ps 해상도의 TDC와 고감도 SPAD을 결합하면, 기존 광강도 기반 센서보다 환경 변화에 강인한 맥박산소측정이 가능하다.
• 저비용 레이저와 FPGA 기반 구현을 통해 대량 생산이 가능한 소형·저전력 디바이스로의 전환이 현실적이다.