SpO₂는 대문자 S와 O, 소문자 p, 아래 첨자 2로 쓴다. S는 saturation(포화도), p는 pulse(맥박)로, 맥박산소측정기로 잰 포화도라는 뜻이다. 앞 글자가 중요하다. SaO₂는 같은 양을 분석기로 동맥혈에서 잰 값이고, ScvO₂는 중심정맥혈에서 잰 값이며, 숫자도 서로 다르다.
산소포화도는 산소와 결합한 헤모글로빈의 비율이지 혈액 속 산소의 양이 아니다. 빈혈이 있으면 SpO₂가 99 %여도 조직에는 산소가 모자랄 수 있다. 또 mmHg로 나타내는 산소분압 PaO₂와도 다르다. 둘은 S자형 곡선으로 이어져 있으며, 포화도 97 %일 때 PaO₂는 약 90 mmHg이다.
왼쪽에서는 손톱이 있는 손가락 끝이 발광다이오드와 광다이오드 사이에 끼워져 있다. 660 nm의 적색광과 940 nm의 적외선이 번갈아 켜지며 손가락을 통과하고, 손가락 속 동맥은 심장 박동에 맞춰 뛴다. 오른쪽 작은 화면에는 맥파가 흘러가고 박동 표시가 깜박이며, 아래 눈금의 슬라이더는 97 %까지 간다. 해수면에서 건강한 사람의 보통 포화도다.
단위 시트
산화헤모글로빈 비율 · 맥박 1/1면 · 개정 2026-09맥박산소측정법 SpO₂ · % · min⁻¹
무차원량 · 박동하는 동맥혈 속 산화헤모글로빈의 비율, %; 맥박은 분당 박동 수
피를 꿰뚫어 보는 두 개의 불빛
1972년, 도쿄의 니혼코덴(Nihon Kohden) 엔지니어 아오야기 다쿠오는 색소가 혈액 속에서 희석되는 모습으로 심박출량을 재려다가 한 가지 잡음 때문에 애를 먹고 있었다. 귀를 통과한 빛의 신호가 맥박에 맞춰 떨렸던 것이다. 그는 이 떨림이 오히려 선물이라는 것을 깨달았다. 박동하는 것은 동맥혈뿐이므로, 두 색의 빛에서 흔들리는 부분만 보면 피부와 뼈와 정맥은 저절로 계산에서 빠진다.
이렇게 맥박산소측정기가 탄생했다. 동맥 속 헤모글로빈의 몇 퍼센트가 산소를 나르는지 몇 초 만에 보여 주는 집게다. 1980년대 말에는 마취 중 필수 감시 장비가 되었고, 2020년 팬데믹 때는 수백만 명의 가정용 기기가 되었다. 그리고 그때, 피부색이 어두운 사람에게서는 산소가 이미 부족한데도 정상으로 표시하는 일이 더 잦다는 사실이 드러났다.
이 시트는 손가락에 빛을 통과시키고, 두 맥파에서 백분율이 어떻게 나오는지 보여 주며, 오차가 어디서 생기고 규제 기관이 그것을 어떻게 다루는지 살펴본다.
01 · 정의
두 빛 · 비 R · 보정SpO₂는 산소를 운반할 수 있는 헤모글로빈 가운데 산화헤모글로빈이 차지하는 비율을, 조직을 통과한 빛으로 잰 것이다. 산화헤모글로빈은 선홍색이어서 660 nm의 적색광은 적게 흡수하지만 940 nm의 적외선은 더 많이 흡수하고, 환원헤모글로빈은 그 반대다. 두 흡수의 비가 헤모글로빈이 얼마나 산소와 결합했는지 알려 준다.
피부, 뼈, 정맥혈을 걸러 내기 위해 기기는 색마다 신호의 박동 성분 AC만 골라 일정 성분 DC로 나누고, 다시 적색의 비를 적외선의 비로 나눈다. 그러면 무차원 수 R, 곧 ‘비의 비’가 나오며, 이 값이 클수록 포화도는 낮다.
손가락 속에서 빛이 산란하는 방식은 너무 복잡해서 물리학으로 R에서 백분율을 이론적으로 끌어낼 수 없다. 그래서 관계는 실험으로 찾는다. 자원자가 산소를 줄인 혼합 기체를 마시는 동안 동맥혈을 채취하고, ‘R — SaO₂’ 점들로 기기에 내장할 보정 곡선을 만든다. 단순화하면 이 곡선은 직선 SpO₂ ≈ 110 − 25·R에 가깝다.
기기가 보는 것과 보지 못하는 것
왼쪽은 몽크 피부색 척도에 따라 색을 입힌 손가락에 끼운 진짜 손가락형 맥박산소측정기다. 윗덮개의 화면에는 포화도와 맥박이 빛나고, 몸체의 절개창으로는 적색과 적외선 발광다이오드가 번갈아 손가락 끝을 비추며 박동하는 동맥을 지나 광다이오드에 닿는 모습이 보인다. 오른쪽은 광다이오드가 본 두 맥파를 보여 주는 침상 모니터로, 진폭이 AC이고 기준선의 이동이 DC다. 슬라이더로 동맥혈의 실제 포화도, 피부 색소, 관류, 맥박을 정하면 기기는 제 숫자를 보여 주고, 시트는 그것을 실제 값과 비교한다.
밝은 피부 자원자로 한 보정
멜라닌은 적색광을 적외선보다 훨씬 강하게 흡수한다. 그래서 어두운 피부에서는 박동하는 동맥까지 갔다가 돌아오는 적색광이 줄어들고, 신호는 약해지고 치우친다. 보정 곡선을 주로 밝은 피부의 자원자에게서 얻었다면 기기는 이 치우침을 고려하지 못해 포화도를 높게 표시하며, 그것도 오차가 가장 위험한 낮은 값에서 가장 크게 부풀린다. 2020년 NEJM에 실린 연구에 따르면 잠재성 저산소혈증, 즉 SpO₂가 92—96 %인데 실제 SaO₂는 88 % 미만인 경우가 흑인 환자에게서 백인 환자보다 세 배 많았다.
02 · 환산
곡선 · 정확도 · 고도백분율에서 산소분압으로
포화도, 산소분압, 또는 비 R을 입력하면 시트가 헤모글로빈 산소해리곡선에 따라 서로 환산하고, 기기의 허용 오차 안에서 실제 SaO₂가 어느 범위에 있을지, 그리고 고지대에서는 어떤 포화도를 예상해야 하는지 보여 준다.
기억할 규칙: 포화도 90 %는 산소분압 약 60 mmHg이며, 이 점 아래에서 곡선은 가파르게 떨어진다.
일산화탄소는 헤모글로빈과 결합해 일산화탄소헤모글로빈을 만드는데, 이것은 660 nm에서 산화헤모글로빈과 거의 똑같아 보인다. 그래서 중독 때 맥박산소측정기는 정상인 98 %를 보여 주지만 혈액의 산소는 부족하다. 메트헤모글로빈은 반대로 실제 포화도가 얼마든 표시값을 85 % 쪽으로 끌어당긴다. 두 경우 모두 실제 값을 알려 주는 것은 혈액가스분석기의 CO-옥시미터뿐이다.
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04 · 측정 기기
귀 · 집게 · 손목시계 · CO-옥시미터피의 색을 보는 네 가지 방법
산소마스크 없는 조종사를 위한 기기
전쟁 중 글렌 밀리컨은 높은 고도에서 산소가 모자라면 조종사에게 경고하려고 귀 옥시미터를 만들었다. 귓불을 데워 그 속의 피를 거의 동맥혈처럼 만들고, 기기는 적색광과 녹색광을 비교했다. 작동은 했지만 변덕스러웠고 사람마다 보정이 필요했다. 신호의 박동 성분을 분리하는 방법을 아직 몰랐기 때문이다.
아오야기의 집게
집게 속 발광다이오드 두 개는 번갈아 켜지고, 때로는 그 사이에 쉬는 틈을 두어 광다이오드가 방 안의 배경광을 잰다. 그래서 기기는 세 가지 신호를 초당 수백 번 받는다. 적색과 적외선 파형에서 박동 성분을 골라 R을 계산하고, 몇 초 동안 평균을 낸 뒤 보정표에 따라 백분율로 바꾸며, 파형의 주기에서 맥박을 얻는다.
통과하지 않는 빛
손목시계는 손목을 빛으로 꿰뚫을 수 없으므로 발광다이오드와 광다이오드를 나란히 두고, 피부 아래에서 뒤로 산란된 빛을 잡는다. 이 방식으로 맥박은 믿을 만하게 재며 주로 녹색광을 쓰지만, 포화도는 덜 정확하다. 신호가 약하고 손목이 움직이며, 이런 기기 대부분은 의료기기가 아니다.
집게를 판정하는 기준
혈액가스분석기에서는 동맥혈을 용혈시켜 큐벳에 넣고 수십 개의 파장으로 비춘다. 그래서 기기는 산화헤모글로빈, 환원헤모글로빈, 일산화탄소헤모글로빈, 메트헤모글로빈을 각각 구별한다. 이 기기의 SaO₂가 바로 실제 값으로, 맥박산소측정기를 보정하고 검증하는 기준이 된다. 애매한 경우 의사는 집게를 믿지 않고 동맥에서 피를 뽑는다.
05 · 표기 규칙
Sp 와 Sa · 퍼센트 · 산소O₂ 앞의 글자가 기기를 말해 준다
포화도는 측정원을 나타내는 기호, 정수 퍼센트, 그리고 조건, 곧 공기를 마시는지 산소를 받는지를 함께 적는다.
오른쪽 첫째 줄은 대소문자, 아래 첨자, 퍼센트 기호를 잃었고, 둘째 줄은 포화도를 산소분압과 혼동하며, 셋째 줄은 집게와 혈액가스분석기 사이에 등호를 놓았지만 기기의 허용 오차는 몇 퍼센트에 이른다. 넷째 줄은 결합한 헤모글로빈의 비율을 산소의 양이라 부르고, 다섯째 줄은 기기에 없는 소수 첫째 자리 정확도를 부여하며, 여섯째 줄은 맥박을 헤르츠로 썼는데, 분당 72회는 1.2 Hz다.
06 · 이웃 단위
압력 · 파장 · 진동수SpO₂ 곁에는 혈액 속 산소분압을 재는 수은주 밀리미터, 헤모글로빈들이 색으로 구별되는 파장을 나타내는 나노미터, 그리고 같은 기기가 맥파로 세는 분당 박동 수가 있다.
헤모글로빈의 S자형 해리곡선으로 포화도와 이어져 있다.
660과 940 nm는 헤모글로빈들의 차이가 가장 큰 곳에서 골랐다.
맥파의 주기로 구한 맥박으로, 심장과 같은 진동수다.
07 · 역사 부문
아카이브 · 귓불에서 FDA까지잡음이 주 신호가 되기까지
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기기는 얼마나 자주 산소 부족을 놓쳤나
막대 높이는 SpO₂가 92—96 %인데 실제 SaO₂가 88 % 미만이었던 측정 쌍의 비율로, Sjoding 등의 연구(NEJM 2020)에서 백인과 흑인 환자에 대해 나타낸다. 눈금은 영부터 12 %까지. 테두리가 막대를 두른다.
화면의 숫자는 같은데 세 배 차이. 바로 이 연구 이후 규제 기관이 시험 요건을 다시 검토했다.
사람으로 보정하는 기기
맥박산소측정기에는 집게에 끼울 수 있는 표준기가 없다. 보정 곡선은 기종마다 살아 있는 사람에게서 얻는데, 실험실에서 조금씩 산소를 줄이면서 동시에 동맥혈을 채취한다. ISO 80601-2-61 표준은 건강한 자원자 열 명 이상과 70에서 100 %까지 범위의 수백 쌍의 데이터를 요구하며, 정확도는 평균제곱근 차이 Arms로 나타낸다. 규제 기관이 허용하는 것은 삼사 퍼센트까지다.
약점은 이 열 명의 구성에 있었다. 옛 규정은 피부색이 어두운 자원자를 몇 명만 요구했고, 시험을 통과한 기기들은 그런 사람들에게서 거의 검증되지 않았다. 집단 전체의 평균 오차는 작아 보였고, 일부 사람에게 생기는 계통적 치우침은 그 속에 녹아 버렸다.
2020—2022년의 연구 뒤 FDA는 자문위원회를 소집해, 색소 침착의 전 범위에 걸친 사람들로 기기를 시험하고, 색소는 설문이 아니라 피부색으로 객관적으로 평가하며, 집단별 정확도를 따로 보고하자고 제안했다. 이렇게 공정성의 문제가 처음으로 계량의 문제가 되었다. 보정은 누구를 위해 이루어졌는가.
산 한 방울이 즙의 색을 바꾸고, 소금은 불꽃에 색을 입히고, 물은 한 번 두드리면 언다. 그 아래에 Simetrium의 모든 페이지가 분야별, 가나다순으로 있다.
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