http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2018.27.4.259 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
토노메트리 방식 맥파 측정의 가압 각도와 가압력에 따른 AIx 변화
조정희· 전영주· 전민호· 김영민+
AIx Change According to Pressing Angle and Pressing Force of the Radial Artery Pulse by Tonometry
JungHee Cho1, Young Ju Jeon1, Min-Ho Jun1, and Young-Min Kim1,+
Abstract
A radial artery pulse wave is measured while pressing an artery with constant force. However, pulse waveform measurements vary depending on pressing force and direction. Accurate pulse waveform measurements are important for analysis. Thus, it is necessary to define the measurement range of the permissible force and direction from which a correct pulse waveform is derived. In this study, pulse waves were generated by a pulse wave generator for accurate control. The pulse waves generated for different angles and pressing forces were analyzed. The augmentation index (AIx), which is the most commonly used index for evaluating vascular stiffness, was analyzed.
The AIx was measured within ± 6° of the vessel direction and within ± 8° perpendicular to the vessel direction with a force that was 25% or more of the pressing force at which the maximum pressure wave was generated. We identified the applicable pressing force and angle range by analyzing the effect of pressing angle on the pulse wave. The AIx analysis performed using the pulse wave mea- surement device is reliable and reproducible.
Keywords: Tonometry pulse measurement, Pressure sensor, Pulse diagnosis, Augmentation index
1. 서 론
한의학에서 맥파를 측정할 때는 혈관을 가압하는 토노메트리 방식으로 요골동맥파를 측정한다. 요골동맥 부위를 가압하여 측 정하는 맥파는 혈압, 심박수 뿐만 아니라 맥파 분석에서 혈관 경직도 평가에 가장 많이 사용되고 있는 맥파 파형 증가 지수 (Augmentation Index, AIx) 정보를 제공한다[1-3]. 특히, 한의학 에서는 맥진은 손목 부위의 맥파를 측정하여 환자 몸의 상태를 판별하고 변증을 진단한다[4]. 이러한 맥진을 과학화하고 표준 화 하기 위한 연구 대부분은 각종 센서를 이용하여 맥파를 정 확하고 정밀하게 측정하여 수치적으로 보여주는 방법이다.
맥파를 수치적으로 정확하고 반복성 있게 보여주기 위해 정 밀한 압력센서가 장착된 토노메트리 방식 맥파 측정 기기들이 개발 되고 있다[5-7]. 일반적으로 맥파 측정 기기는 예상 위치
에 센서를 위치한 상태에서 피부를 가압한 상태에서 센서의 신 호를 측정하는데, 맥파의 깊이, 빠르기, 길이, 세기, 너비 등의 신호를 진단에 활용할 수 있다. 따라서 맥파를 측정할 정확한 위치를 선정 하는 것과, 센서가 혈관의 중심에 정확히 위치한 상태에서 혈관에 수직으로 일정하게 가압하는 기술이 토노메트 리 방식의 맥파 측정기기의 정확성과 반복성을 결정한다. 측정 의 정확성을 확보하기 위해 센서로 혈관을 수직으로 일정한 압 력으로 가압하고자 하나, 임상에서 혈관 방향을 정확히 예측하 기 쉽지 않기 때문에 대부분 어느 정도 측정 각도와 힘에 오차 가 발생하게 된다.
본 연구에서는 가압 각도와 가압력 변화에 따른 AIx의 변화를 실험적으로 검증하고, 추후 맥진기 개발에 허용될 수 있는 가압 각도와 가압력을 결정하는데 도움이 될 수 있도록 하였다. 이를 위해 센서의 각도와 가압력을 정밀히 제어할 수 있는 측정 장비 와 동일하고 반복적인 맥파를 발생 하는 장치를 이용하여 측정 환경을 구현하였고, 이를 이용하여 맥파의 변화를 측정 하였다.
2. 연구 방법
2.1 연구 설계
본 연구에서 사용된 시스템은 가압에 따른 맥파 파형 및 가 압 방향에 따른 맥파 파형을 분석하기 위해 가압 정도 및 각도
한국한의학연구원 미래의학부(Future Medicine Division, Korea Instituteof Oriental Medicine (KIOM)), 1672 Yuseongdaero, Yuseong-Gu, Deajeon, 305-811, Republic of Korea
+Corresponding author: [email protected]
(Received: Jul. 16, 2018, Revised: Jul. 25, 2018, Accepted: Jul. 27, 2018)
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를 정밀하게 제어할 수 있도록 한국한의학연구원에서 개발된 Fig. 1(a)의 로보틱 토노메트리 장치[6]를 사용하였다. 또한 소스 가 되는 맥파는 사람을 대상으로 측정할 경우에는 측정하는 동 안 맥파가 변할 수 있다. 이에 동일한 맥파를 지속적으로 반복 해서 발생 시키기 위해 Fig. 1(b)의 한국표준과학연구원 에서 제 작된 캠 구동 방식의 맥파 재현 장치[7]를 사용하였다. Fig. 1(c) 와 같이 맥파 발생기를 맥파 측정기에 위치하고, 수직가압을 하 여 기준이 되는 맥파를 측정하고, 같은 위치에서 측정기의 측정 각도를 X축과 Y축을 중심으로 각도를 변경하며 맥파를 측정 하였다.
맥파 분석을 위해 임상적으로 자주 활용되는 변수 중 혈관 경 직도 평가에 사용되는 AIx를 선택했다. AIx는 식 (1)과 같이 Fig. 2 (c)의 최대 맥파(H
1)와 두 번째 봉우리(H
2)의 비율을 백 분율로 표시한 것이다.
(1)
2.2 측정
맥파 측정을 위해 맥파 발생기의 손목 재현부를 맥진기 위에 Fig. 1과 같이 위치 시키고, 맥파 발생기를 심박수 75 bpm, 맥 AIx H
2H
1--- 100 ×
=
Fig. 1. Pulse wave measurement equipment and measurements. (a) Precision pulse machine, (b) Pulse-wave generators, (c) Direction of blood vessel and measurement, (d) Pulse sensor array.
Fig. 2. The pulse wave measurement graph. (a) Measured raw data,
(b) Baseline corrected data for analysis, (c) Representative
average waveform.
압 50 mmHg, 확장기혈압 80 mmHg, 평균혈압 100 mmHg를 설정하였다. 설정한 맥파 파형은 임상데이터로부터 얻은 건강한 젊은 남성의 전형적인 맥파 신호이다[8-10]. 이후 맥진기의 맥 센서 부분을 맥파 발생기 손목 재현부의 요골동맥에 해당하는 위치에 위치하고 맥진기 구동 소프트웨어를 이용하여 측정하였 다. 맥 센서는 Fig. 1(d)와 같이 6개의 압력 센서가 한 줄로 연 속 배치된 구조이다. 이 센서에서 맥압 데이터와 가압 데이터를 획득한다. 맥파 센서 위에 위치한 2축 기울기 센서로부터 각도 측정 중의 맥파 센서 각도를 획득하였다. 소프트웨어는 구동 시 초기화 후 맥파가 발생하는 곳으로 설정된 위치로 맥센서부를 이동한 후 하강하여 표면과 접촉한다. Fig. 1(d)에서 보듯이 접 촉 시 센서의 중간부분에 위치한 3, 4번 센서가 혈관 모형의 맥 파가 발생하는 요골동맥 혈관 중앙에 위치하도록 하였다. 접촉 후 표면의 기울기를 탐색하고 표면과 수직이 되는 각도를 산출 한다. 산출된 각도를 기준으로 수직으로 하강하여 압력을 가하 면서 맥파 데이터를 획득한다. 서서히 가압 하면서 맥파 데이터 를 측정하여 맥파 데이터의 기준이 되는 최대 압맥파가 나오는 기준 압력과 측정 각도를 도출 하였다. 이후 이 기준 압력과 측 정 각도를 중심으로 X축 각도는 대칭을 이루기 때문에 0도를 기준으로 -방향은 2도 +방향은 3도, Y축 각도는 ±3도씩 변화하 며 데이터를 측정 하였다.
맥파 센서의 6채널 맥 측정 신호와 2축 기울기 센서 신호는 아날로그 디지털 변환기(NI USB-6218, National Instruments, USA) 를 통해 1000 Hz의 샘플링으로 저장하여 분석에 활용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 결과
데이터 측정은 맥진기로 맥파 발생기의 맥파를 수직 가압을 하여 Fig. 2(a)와 같이 최대 압맥파가 발생하는 가압 범위를 찾 은 후 최대 압맥파를 연속으로 측정하였다. 측정된 데이터 파형 은 Fig. 2 (b)와 같이 분석을 위해 베이스 라인을 맞춰 그래프 로 나타내었다. Fig. 2(c)는 안정구간의 평균파형 이다. 이 데이 터를 기준으로 수직 가압 구간과 안정된 구간을 분리해서 AIx 모니터링을 위한 가압 범위 분석 하였다.
수직 가압 구간에서는 압력이 증가함에 따라 맥 파형의 크기 가 달라지는 것을 볼 수 있다. Fig. 3(a)는 서서히 가압을 하면 서 측정된 맥파의 파형을 한 주기씩 분리했을 때 각 주기에 따 라 맥파 센서의 개별 채널의 가압력에 따른 AIx 변화와 가압력 그래프이다. 가압력은 피부와 접촉하는 순간부터 상승하기 시작
하지만, 맥파는 접촉 후 조금 더 가압한 시점부터 측정이 되고, 일정 압력 이상이 되어야 식별 가능한 파형 신호가 획득되었 다. Fig. 3(b)는 (a)의 주기에서 측정된 가압 신호를 나타낸다.
Fig. 3. Pressing force and AIx change according to Pulse sensor channel when measuring vertical pressure. (a) AIx change with pulse period during pressurization, (b) Pressure change according to pulse period during pressurization, (c) AIx according to pressing force.
Table 1. Mean AIx by channel
AIx Ch.1 Ch.2 Ch.3 Ch.4 Ch.5 Ch.6
Mean (%) 70.1 67.1 65.3 64.8 68.9 69.5
그림 (c)는 가압 신호를 힘으로 환산하여 가압력에 따른 AIx를 나타내었다. AIx 분석을 위한 가압력은 30 gf에서 유의미한 파 형이 측정되기 시작하여, 가압력 140 gf에서 최대 압맥파가 나 타나는 시점까지 측정되었다. 이와 같이 가압하는 중에 각 센서 의 채널에서 한 주기씩 분리하여 계산한 AIx는 약 63%에서 69% 까지 분포하는 것을 확인할 수 있었고, 수직 가압 모터가 작 동 중에 측정되어 접촉 초기 일부 맥파는 센서와 혈관의 접촉 상태와 모터 작동에 따른 영향에 따른 영향으로 AIx가 급격히 변하는 것까지 확인할 수 있다.
안정화 상태에서는 측정된 데이터에서 검출된 피크점으로 계 산된 AIx의 변동은 거의 없었다. 안정된 구간의 평균 파형을 이 용하여 AIx 분석을 위한 피크점을 검출한 결과는 표1과 같다.
센서부에 장착된 6개의 센서 중 혈관의 가장 중심에 있는 두 채 널의 AIx의 평균은 65.0%로 계산되었다.
가압 각도 변화에 따른 측정 데이터 비교하기 위해 안정된 데 이터가 나오는 일정 가압 구간의 데이터에서 획득된 파형을 분
석하여 Fig. 4에 나타내었다. 분석에서 기준이 되는 오차범위는 관찰자 내 차이 내로 설정하였고, Wilkinson 등에 의하면 AIx 측정의 관찰자 내 차이는 0.49 ±5.37%(mean ±SD)로 알려져 있 다[11].
반복 측정에 따른 오차는 x축의 경우 최소 0.09에서 4.37까지 까지로 평균 오차 범위 내였다. y축의 경우 0.12에서 6.37까지 로 측정 방향에 따라 접촉이 잘 안 되는 채널에서 평균 오차 범 위를 벗어났다.
혈관 모형의 지름은 4 mm이고 이 범위에는 센서의 6개 채널 중 2, 3, 4, 5번 채널이 위치해 있고, 1, 6번 채널은 혈관 모형 의 범위를 벗어나 있다. 혈관을 벗어난 1, 6번 채널의 데이터는 각도에 상관없이 모두 편차 범위를 벗어난 데이터가 측정 되었 다. Y축의 경우 각도 변화에 따라 측정이 안 되는 구간이 존재 하였다.
센서에서 혈관 위에 위치한 2, 3, 4, 5번 채널의 경우 X축의 데이터는 고르게 측정되었고, X축 각도 변화에 따른 AIx는 2~5 번 채널의 경우 ±8도 범위 내에서 편차 범위 내에 측정되었다.
Y축 각도 변화에 따른 AIx는 2, 5번 채널에서 편차가 크기는 했지만 2~5번 채널 모두 ±6도 범위 내에서 오차 범위 내에 측 정되었다.
3.2 고찰
맥 센서 표면과 피부 접촉 각도, 팔목 내부 구조에 따라 측정 에 영향을 받는다고 가정하여 측정 각도에 및 가압력에 따라 센 서 신호를 비교하였다. 수직 가압 값을 기준으로 설정하기 위해 측정 위치에서 가장 신호가 잘 측정되는 각도를 수직 가압 기 준으로 삼고, 천천히 가압하면서 신호의 변화를 측정하였다. 최 대 파형이 나온 후 신호가 작아지면 최대 파형이 나온 위치로 돌아가 고정하여 안정된 신호를 측정하고, 이를 이용하여 평균 파형을 분석하였다.
수직가압을 하며 측정한 구간의 AIx 변화를 살펴보면 접촉 직후에는 다양한 요인으로 데이터가 불안정하지만, 최대 압맥파 가 나오는 가압력의 20% 이상만 되면 AIx 측정이 가능하였고, 25% 이상이 될 경우 오차 범위 내로 측정되기 시작하였다. 혈 관의 중심을 지나가는 채널인 3, 4번 채널의 경우 전체 구간에 서 AIx편차가 크지 않은 것을 볼 수 있다. 맥파 발생기를 이용 한 측정 데이터 분석으로 측정 반복성은 우수 하였다. 다만 시 뮬레이터에서 측정된 것이고 인체를 대상으로 할 경우의 오차 는 추가 분석이 필요할 것으로 보인다.
측정 각도에 따른 영향은 혈관 방향에 수직인 X축 각도 변화 보다 혈관 방향인 Y축의 각도 변화에 영향이 더 큰 것으로 나 타났다. 혈관 중심에 위치한 3, 4번 채널은 각도에 영향을 받긴 했으나 비교적 양호하게 측정 되었다. 결론적으로 AIx 측정 시 혈관에 수직으로 가압할 경우 ±6도 범위 내에서는 관찰자의 오 차보다 작은 오차가 발생되어 분석이 가능하지만, 혈관 위치에 서 벗어날 경우에는 수직으로 측정하여도 결과를 신뢰할 수 없 Fig. 4. Change of AIx with X, Y axis angle change. (a) X axis angle
change. (b) Y axis angle change.
음을 보여, 정확한 혈관 위치에서의 측정이 중요함을 다시 한번 상기 할 수 있다.
종합하여 보면 요골동맥의 위치를 정확히 파악하여 위치하는 것이 가장 중요하며, 가압력의 영향은 비교적 적고, 가압 각도 에 따른 변화가 크기 때문에 수직으로 가압하는 것이 중요하다.
4. 결 론
맥센서는 피부에 접촉하여 맥파를 측정하는 센서이므로 측정 부위와 접촉 환경에 따른 측정값의 변동이 발생하여 정확한 맥 파 측정을 어렵게 한다. 따라서 반복성이 뛰어난 맥파 발생기에 맥파 센서의 각도와 가압력을 정밀히 제어할 수 있는 맥진기를 이용하여 측정 각도와 가압력에 따른 변화를 실험을 통해 평가 하였다. 그 결과, 가압력 140 gf에서 최대 파형 신호를 획득할 수 있었다. 혈관 방향에 수직인 X축 각도 변화보다 혈관 방향 인 Y축의 각도 변화에 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 하지만
±6 도 범위 내에서는 측정자간 오차보다 작았으며, 그 이상의 범 위에서는 급격한 변화를 보였다. 또한 AIx는 최대 압맥파가 측 정되는 가압력의 25%에서 100% 사이에서 활용 가능한 신호를 측정할 수 있음을 보였다. 따라서 측정하고자 하는 맥파 변수에 따라 측정 방법 및 기준을 유연하게 가져가 맥파 측정 기기 개 발 다양성을 확보 할 수 있다.
본 연구에서 제시된 결과가 추후 개발되는 한의학 맥진법에 기반한 요골동맥 맥파 측정기기에 유용한 자료로 활용 될 수 있 을 것으로 기대 한다.
감사의 글
This work was supported by a grant (K18022) from the Korea Institute of Oriental Medicine (KIOM), funded by the Korean government.
REFERENCES
