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New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 1210-1217
Published online November 29, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.1210
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Gyu-Il Kim1, Jong-Gu Choi2, Byungjo Jung3, Sang-Suk Lee2*
1Department of Oriental-Western Biomedical Engineering, Sangji University, Wonju 26339, Korea
2Department of Digital Healthcare, Sangji University, Wonju 26339, Korea
3School of Biomedical Engineering, Yonsei University, Wonju 26493, Korea
Correspondence to:*sslee@sangji.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
New biometric information is needed to diagnose the cardiovascular and circulatory system symptoms caused by obesity and high blood pressure in children and adolescents. A new spatial peripheral blood flow velocity (SPBFV) was obtained by comparing the peak time difference between two pulse waveforms measured by easily wearing two photoplethysmograms (PPGs) on the wrist and fingers of child and youth simultaneously. The biological signal called SPBFV and studied in pilot clinical experiments for the ages increased from 9 years old to 14 years old. Heart rate decreased linearly from 109/min to 69/min, and SPBFV value decreased linearly with age from 24 cm/s to 23.1 cm/s. Additionally, the relationship between systolic blood pressure and SPBFV tended to be inversely proportional. This is thought to be because the blood vessels of youth are better developed than those of child, which requires an increased surface area of more capillaries to supply blood to the peripheral tissues. Therefore, the SPBFV value showed the possibility of being used as an important indicator for early diagnosis of diseases related to the growth status of blood vessels in child and youth.
Keywords: Blood pressure, Spatial peripheral blood flow velocity, Photoplethysmogram, Pulse wave velocity, Cardiovascular system
소아청소년의 비만과 고혈압으로 인해 발생할 수 있는 심혈관계 및 순환계 증상을 진단하려면 새로운 생체정보가 필요하다. 본 연구에서는 두 개의 광용적맥파계 (photoplethysmogram, PPG)를 소아청소년을 대상으로 동시에 손쉽게 손목과 손가락에 착용하여 측정한 두 맥파형의 피크치 시간차를 비교하여 얻은 새로운 공간말초혈류속도 (spatial peripheral blood flow velocity, SPBFV)라는 생체신호를 분석하여 그 특성을 연구하였다. 선행연구 실험을 통해 나이가 9세에서 14세로 증가할수록 심박수가 분당 109에서 69로 선형적인 감소와 SPBFV 값도 24 cm/s에서 23.1 cm/s으로 나이가 증가할수록 선형적 감소 경향성을 보였다. 또한 수축기혈압과 SPBFV와 관계는 반비례 경향성을 보여주었다. 이것은 청소년의 혈관은 소아보다 더 잘 발달되어 신체의 말초 조직에 더 많은 모세혈관의 표면적이 증가하여 혈액을 공급해야 하기 때문으로 사료된다. 따라서 소아청소년기의 신체 내 혈관의 성장과정과 혈액 흐름에 관련된 질병을 조기에 진단하기 위한 중요한 지표로서 SPBFV 값의 활용 가능성을 보였다.
Keywords: 혈압, 공간말초혈류속도, 광용적맥파계, 맥파전달속도, 심혈관계
최근 5년간 1–18세 연령의 소아청소년을 대상으로 고혈압의 정확한 진단과 관리가 화두가 되고 있다. 성인들에게 주로 나타나는 만성질환인 고혈압 증상이 소아청소년에게도 점점 늘어나는 추세에 있다[1]. 13세 이상의 청소년은 비만, 운동 부족, 학업 스트레스 등으로 인하여 후천적으로 발생하는 일차성 고혈압이 비교적 흔하게 나타나지만, 1–12세 사이의 소아는 선천적인 문제로 질환이 발병했을 때 합병증으로 나타나는 이차성 고혈압이 흔하게 발견된다[2, 3]. 특별한 증상이 없이 청소년에 나타나는 일차성 고혈압은 뇌출혈이나 관상동맥질환 뿐만 아니라 당뇨병과 이상지질혈증 등의 만성질환이 동시에 발병할 위험이 있기 때문에 주의해야 한다. WHO의 권고사항에 따르면, 소아청소년이 고혈압으로 인한 만성질환 예방과 개선을 위하여 매일 60분 이상 땀이 날 정도로 격렬한 신체운동을 하는 것과 성장을 자극하고 근골격 강화에 도움을 주는 근력 운동을 주 3회 이상 하는 것이 권장된다[2]. 2017년 미국소아과학회 (American Academy of Pediatrics, AAP)에서 정상 체중의 어린이 기준이 적용된 새로운 규범적 혈압표 (normative blood pressure table) 개정판을 발표하였다[1]. 이는 초기에 정확한 고혈압 진단을 할 수 있도록 기준을 제시하게 되었다. 고혈압 치료를 받고 있는 소아청소년이 성인으로 될 때까지 신체적 조직의 변화와 병행하여 혈압에 관련한 심혈관 순환계에서 진단할 수 있는 새로운 생체정보가 필요하다.
심장의 좌심실을 거쳐 대동맥에서 출발하여 몸 전체로 흘러가는 혈액은 산소와 영양분을 조직이나 세포에 제공한다. 주기적인 박동에 의하여 심장이 수축할 때마다 압력에 따라 밀려나가는 혈액은 동맥으로 그 혈류속도 (blood flow velocity)가 빠르나 심장과 멀어질수록 세동맥으로 나뉘어진 분지로 인하여 점차 느려지게 된다. 심혈관을 순환하는 과정 중 산소와 영양분이 소모된 혈액인 정맥이 다시 심장으로 되돌아올 때의 혈류속도는 동맥에 비하여 상대적으로 느리게 나타난다. 한편 혈액과 조직 사이에 영양분과 최종 대사산물을 교환할 수 있는 충분한 시간이 요구되는 모세혈관의 혈류속도는 동맥과 정맥에 비하여 총 단면적이 가장 넓고 혈류속도가 가장 느리다[4, 5]. 정상적인 몸의 혈관에서 측정되는 혈류속도는 대동맥에서 약 50 cm/s, 대정맥에서 약 15 cm/s – 25 cm/s, 모세혈관에서 약 0.05 cm/s로 나타난다[6].
동맥의 혈관 두께와 탄성에 의존하는 순응도와 혈관 내 흐르는 혈액의 점성도와 혈류가 막힘으로 인하여 증가하는 혈류저항에 따라 동맥에서 말초인 모세혈관으로 혈액순환에 장애가 생기는 질환인 동맥경화증을 진단하는 중요한 지표로 말초혈류속도가 이용된다[7]. 대표적으로 말초혈류속도를 측정하는 방법으로 맥파와 심전도를 이용한 혈류속도 측정장치와 자기용적맥파계 (magneto-plethysmogram, MPG)와 광용적맥파계 (photoplethysmogram, PPG)를 이용하여 동시 맥파형을 비교하여 얻는 측정장치가 있다[8]. 또한 간섭전류 자극 방법에 따른 말초혈류의 변화로 인한 교감신경 자극과 근육군 자극 간의 말초 혈류량 변화의 차이를 연구한 것과 도플러 초음파 검사로 얻은 말초혈류속도의 값을 이용하여 당뇨병성 말초신경병증 (diabetic peripheral neuropathy, DPN)으로 진단을 받은 환자에서 혈류역학적 변화를 선별하는데 유용하게 이용될 수 있음을 보고하였다[9-11].
심장박동수나 혈중 산소포화도와 심혈관에 관련된 생체신호의 정보를 영상처리하는 광용적맥파 측정장치는 사용자의 중지 손가락에 연결시켜 사용한다. 두 개의 PPG 측정장치를 사용자의 서로 다른 신체 부위에 연결시켜 동시에 측정하여 정확한 측정 값을 서로 비교 분석하여 새로운 혈관의 생체정보를 제안할 수 있다. 심장이 신체의 모든 부분으로 피를 보내기 위하여 좌심실의 수축기와 이완기를 반복하며 뛸 때 혈관의 모양과 혈액의 흐름의 변화가 주기적으로 생긴다. 혈관의 경우에는 맥파 (plethysmograph)라 부르며, 맥파가 움직이는 속도인 맥파전달속도 (pulse wave velocity, PWV)는 피가 흐르는 혈액의 속도인 혈류속도 보다 훨씬 더 빠르다[12]. 심혈관계 합병증의 위험도가 높은 심혈관 질환자의 경우, 심실의 수축기 때 혈류속도가 기준값보다 갑자기 느려지거나 빨라지게 되는 연구결과가 있다. 심혈관 질환자들의 심박출량이 정상적인 값을 유지하는지 모니터링하기 위하여 심박수와 관련된 PWV와 말초혈류속도 등과 같은 생체정보의 지속적인 측정과 건강 정보로 관리가 필요하다[13]. 본 연구에서는 PPG-1 및 PPG-2를 동시에 손쉽게 손목과 손가락에 착용하여 불편함 없이 지속적, 객관적으로 PBFV와 관련된 새로운 공간말초혈류속도 (spatial peripheral blood flow velocity, SPBFV)라는 생체신호를 소아청소년을 대상하여 측정한 값을 분석하여 그 특성을 연구하였다. SPBFV는 2개의 광용적맥파계 (PPG)를 손목과 손가락에 각각 착용하고 동시에 측정하여 두 맥파형의 피크치 시간차를 비교하여 얻은 생체신호를 말한다. SPBFV는 지속적인 모니터링을 통해 개개인의 평균 수치를 파악할 수 있고 청소년기의 혈관의 성장과정과 혈액 흐름에 관련된 질병을 조기에 진단하는데 보조지표로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.
신체의 심혈관계에서 혈관 중 동맥은 세동맥으로 세동맥은 다시 분지가 되어 모세혈관 (capillary)이 된다. Figure 1(a)와 같이 혈액은 심장에서부터 동맥으로 흘러 나와서 말초혈관 (peripheral intervention) 까지 도달하게 된다. 손가락에서의 말초혈관 내 모세혈관은 물질 교환에 특화되어 매우 작은 직경이 작지만 풍부하게 몸에 퍼져 있으므로 모세혈관 정맥 동맥 총표면적은 매우 넓고 혈류속도와 관계가 있다[4]. Figure 1(a)에서 신체의 심장에서 혈액이 흘러가는 주요 동맥의 위치와 대동맥부터 중지 손가락 모세혈관까지 길이 (
심장의 박동에 의해서 발생되는 동맥에서 혈액 변화량이 맥동 성분의 최대치와 최소치로 나타낸 이 신호를 측정하는 두 개의 PPG를 손목과 손가락에 착용하여 그 사이 거리에 통과하는 혈류의 생체정보를 제안할 수 있다. Figure 2(a)와 같이 손목과 손바닥을 통과하는 혈관 내 손목에서의 소동맥 혈관이 손가락에서의 모세혈관으로 분지되어 두 개의 PPG로 각지점에서 혈액의 변화량을 파형으로 관찰할 수 있다. 2개의 PPG 측정장치를 착용 위치와 그 자리로 지나가는 동맥류의 상태에 대한 개략도에서 착용된 PPG는 혈류량의 흐름에 따른 파형을 나타냄을 알 수 있다. Figure 2(b)는 입사광 LED, 검출기 PD로 구성된 요골동맥에서의 PPG 센서와 측정 원리를 알 수 있는 단면도를 나타낸 것이다. Figure 2(c)는 손목과 손가락에 착용한 스마트 SPBFV 측정기 시제품을 구현한 것이다. 이 SPBFV를 통해 측정된 데이터는 MQTT (message queue telemetry transport) 프로토콜에 의해 무선 공유기로 전송하고 데이터를 PC 서버에 전송된다. 저장된 데이터는 무선으로 모바일이나 테블릿에 접속하여 언제 어디서나 SPBFV의 측정값이 스마트폰이나 태블릿에서 영상처리가 가능하게 된다. 실제로 손목과 중지손가락에 착용한 PPG-1과 PPG-2의 각 위치에 따른 거리를 표시한 손길이
PPG 파형 획득 및 SPBFV의 새로운 생체정보 측정을 위한 임상시험은 10대 건강한 어린이와 청소년의 6명을 대상으로 피실험자 동의를 얻고 선행 임상연구 실험을 진행하였다. 본 연구의 대상자는 2024년 7월25일부터 2024년 8월5일까지 10일간 상지대학교 나노바이오실험실에서 여름방학 학교체험학습 공모를 통하여 모집한 9세 이상 15세 이하 초등학생과 중학생을 대상으로 하였다. 전체 대상자 총 6명을 모두 체질량지수인 BMI가 18 kg/m2 – 22 kg/m2으로 건강한 학생들이었다. 본 연구는 미성년자의 어린이와 청소년으로 보호자 학부모와 본인이 동의하여 상지대학교 디지털헬스케어학과의 생명윤리규정에 따라 승인을 받아 시행하였다 (IRB No: 2024-2). 본 연구는 소규모로 조사 대상에 대하여 선행연구 (pilot study)를 바탕으로 진행한 실험으로 모든 피실험자들의 10일 동안 1명당 오전 10시와 11시 사이에 30분 간격으로 3번 측정한 값들을 평균값으로 산출하였다. 체질량지수 BMI가 18 kg/m2 – 22 kg/m2 으로 저체중에서 정상체중을 사이에 유지하여 모든 피실험자들의 수축기혈압 (systolic blood pressure, SBP)은 78 mmHg – 107 mmHg, 이완기혈압 (diastolic blood pressure, DBP)은 52 mmHg – 66 mmHg으로 범위에서 심박수 (heart rate, HR)는 69/min – 109/min의 범위를 유지하였다. 대동맥에서 체순환계로 밀어내는 평균동맥압 (mean arterial pressure)은 혈액을 평균압력 (mean blood pressure, MBP)으로 MBP = DBP + (SBP - DBP)/3의 수식에 DBP와 SBP를 대입하여 계산하였다[19].
Figure 3은 PPG로 측정한 SPBFV의 특성 조사를 위한 어린이들 대상 선행 임상연구 결과 분석한 것이다. Figure 3(a)는 9세 초등학생의 손목과 중지 손가락에 PPG-1과 PPG-2를 각각 착용한 상태로 2개의 PPG 사이의 거리인 손길이
본 연구에서는 스마트 SPBFV도 측정기 시제품을 제작하여 임상시험에 사용하였다. 요골동맥과 중지 손가락의 각각의 PPG 데이터를 받아서 저역통과필터 (low pass filter, LPF)와 고역통과필터 (high pass filter, HPF)를 통하여 정제된 데이터의 피크 지점을 선택하였다. PPG-1 파형의 최고 피크치일 때 시간과 연속해서 나타나는 PPG-2 파형의 최고 피크치일 때 시간을 측정한 것을 계산 알고리즘에 대입하여 SPBFV를 측정한다. 1분 동안 측정하여 저장된 데이터베이스에서 출력 데이터를 추출하여 각각 손목과 손가락으로 구분하여 데이터를 표기하였다. 계산 알고리즘은 파이썬 (python)을 이용하여 피크 지점을 찾고 각 피크 지점을 찾아 인덱스 (index)로 저장하였다. 저장된 인덱스에 시각화하여 그래프 이미지 데이터를 저장하여 확인 가능하도록 소프트웨어 프로그램을 제작하였다.
Figure 4는 10대 어린이와 청소년의 6명을 대상으로 SPBFV를 측정하는 실험을 보여주고 있다. Figure 4(a)는 9세 여자 초등학생, Fig. 4(b)는 10세 여자 초등학생, Fig. 4(c)는 11세 남자 초등학생, Fig. 4(d)는 12세 남자 초등학생, Fig. 4(e)는 13세 남자 초등학생, Fig. 4(f)는 14세 남자 중학생으로 SPBFV를 측정하여 조사하였다. Figure 4(g)는 피실험자인 어린이와 청소년의 6명에 대하여 9세에서 14세까지의 연령별 나이에 따른 SPBFV와 심박수 관계를 보여준 그래프이다. 나이가 9세에서 14세로 증가할수록 심박수가 분당 109에서 69으로 선형적으로 감소하였다. 또한 SPBFV 값은 24 cm/s에서 23.1 cm/s으로 선형적으로 감소하는 경향성을 보여주었다. Figure 4(h)는 연령별 나이에 따른 수축기혈압 (SBP), 이완기혈압 (DBP)와 평균혈압 (MBP)의 관계를 보여준 그래프이다. SBP는 나이가 증가할수록 증가하나 DBP와 평균혈압은 유의성이 없어 보이지만 SBP와 SPBFV의 관계성은 반비례하는 경향성을 보여주고 있다.
BMI가 정상범위와 저체중의 범위인 학생들 대상으로 SPBFV 값들의 분석한 결과로 나이가 증가할수록 맥박수와 동일한 심박수는 감소하고 이에 비례하여 공간말초혈류속도가 감소하는 경향성을 보여주었다. 피실험자의 나이가 증가함에 따라 말단의 치밀한 조직의 생성으로 하여금 몸 전체를 통하여 흘러 보내는 혈액이 혈관의 경화도의 증가나 혈액 흐름의 장애를 나타내는 혈관의 굵기와 혈액의 점성 상태가 반영된 것으로 볼 수 있다. 이것은 말초혈관의 혈류속도들을 강제적으로 감소시켜 제어하는 생체조직적 체질 메커니즘이 성인이 되는 초기 단계에서 생길 수 있기 때문으로 사료된다.
SPBFV와 DBP와 MBP 사이에는 유의미한 상관관계가 없었고, 반면에 SPBFV의 임상적 특징으로 SBP 및 HR와 중요한 관계를 나타내었다. 또한 SPBFV는 손 길이와 유의미한 관계가 있었다. 이런 결과가 나오는 이유는 말초혈관 주변에서 동맥혈관 내부의 혈압이 0 mmHg에 가까워지기 때문인 것으로 보인다. PWV는 주로 큰 동맥벽에 위치한 엘라스틴 섬유의 콜라겐화와 교감신경 활동에 따라 조절되는 혈관 평활근의 긴장에 의하여 결정되므로[20] 교감신경 활동이 증가하면 맥박수, 혈압 및 PWV가 증가하지만 손목과 손가락 끝 사이에 위치한 혈관벽의 경우, 특히 모세혈관과 같은 혈관 말단에는 체내의 탄력 섬유로 무형 엘라스틴 (elastine)과 섬유 피브릴린의 혼합물인 엘라스틴 섬유와 혈관 평활근이 거의 없게 된다[16]. 일반적으로 청소년의 혈관은 소아보다 더 잘 발달되어 있어서 청소년의 더 크고 신체의 말단 조직에 더 많은 모세혈관의 표면적이 증가하여 혈액을 공급해야 하기 때문으로 사료된다. 따라서 본 연구를 통하여 성인이 되기 전 소아청소년기의 신체 내 혈관의 성장과정과 혈액 흐름에 관련된 질병을 조기에 진단하고 SPBFV로 혈관 질환을 진단하기 위해서 매우 중요한 지표로 활용될 가능성이 있다고 추정할 수 있다.
본 연구에서는 2개의 PPG로 소아청소년을 대상으로 동시에 손쉽게 손목과 손가락에 각각 착용하여 측정한 두 맥파형의 연속 피크치 시간차를 비교하였다. 손목과 손가락의 길이 차이인 손길이 시간차를 나눈 값을 공간말초혈류속도인 SPBFV로 정의하여 얻은 새로운 생체정보 신호를 분석하여 그 특성을 연구하였다. 10대 소아청소년을 대상으로 선행연구 실험으로 나이가 9세에서 14세로 증가할수록 심박수가 분당 109에서 69으로 선형적으로 감소하였고 SPBFV 값도 마찬가지로 24 cm/s에서 23.1 cm/s으로 나이가 증가할수록 선형적으로 감소하는 경향성을 보여주었다. 또한 SPBFV는 나이에 따른 이완기혈압과 평균동맥압의 변화에 대한 유의성이 없었으나 수축기혈압과 공간말초혈류속도와의 관계성은 반비례하는 유의성을 보여주었다. 이것은 성년이 되는 단계로 변화하는 성장과정에서 청소년의 혈관은 소아보다 신체의 말단 조직이 성장으로 더 많은 모세혈관이 생성하여 표면적이 증가한 혈관에 혈액을 공급해야 하기 때문으로 사료된다. 따라서 소아청소년의 비만과 고혈압 증상으로 인한 심혈관 순환계에서 진단할 수 있는 새로운 생체정보로 제시한 SPBFV는 신체 내 혈관의 성장과정과 혈액 흐름에 관련된 질병을 조기에 진단하기 위한 중요한 지표로 활용될 가능성을 보여주었다.
본 과제 (결과물)는 2024년도 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체 -대학 협력기반 지역혁신 사업의 결과입니다 (2022RIS-005).
어린이들의 해당실험은 상지대학교 디지털헬스케어학과 생명윤리심의위원회 규정에 따라 승인을 받았습니다 (승인번호: 제2024-3호).