A Study on Relations of Peripheral Arterial Disease Marker and Photoplethysmography Measured from the Lower Limb

학 술 논 문

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하지에서의 광용적맥파와 말초동맥질환 표지자의 상관관계 연구

임지현·허정현·윤영로

연세대학교 의공학과

A Study on Relations of Peripheral Arterial Disease Marker and Photoplethysmography Measured from the Lower Limb

Ji Hyeon Im, Jung Hyun Heo and Young Ro Yoon

Department of Biomedical engineering, Yonsei University, Wonju, Korea (Manuscript received 1 February 2017 ; revised 21 March 2017 ; accepted 14 June 2017)

Abstract: In this study, photoplethysmography(PPG) was suggested as a way to replace the ankle-brachial index(ABI) in diagnosing PAD. The method using the PPG was presented for the simplification of the PAD diagnosis method which was used before. And the index related to the health condition of the artery from the PPG measured in both big toes of the subjects through the experiment was drawn. The indexes showing the significant relativeness in the Pearson correlation analysis with the ABI were the stiffness index(SI), reflection index(RI); it was confirmed each of them had the correlation coefficient of 0.688, and 0.637 at p < 0.05. The explanation ability of the linear regression equation derived using ABI, SI and RI was 52.5%. The explanation ability of the secondary curve regres- sion equation derived using ABI, squared SI was 54.7%. It is expected to provide patients with significant results and draw the index associated with PAD by measuring PPG easily in the real life instead of the ambulatory care field.

Key words: peripheral arterial disease(PAD), photoplethysmography(PPG), second derivative photoplethysmogra- phy(SDPTG), stiffness index(SI), reflection index(RI)

I. 서 론

말초동맥질환(peripheral arterial disease, PAD)은 심 근경색증, 뇌졸중 등 심혈관질환을 야기하는 기저병태로[1], 일반적으로 상지혈관보다는 복부 대동맥 이하의 분지, 대퇴 동맥, 오금동맥 등의 하지혈관에 주로 발생하는 것으로 알 려져 있다[2,3]. 노화(senescence), 당뇨병(diabetes mellitus), 흡연(smoking), 고혈압(hypertension), 비만(obesity), 이 상지질혈증(dyslipidemia), 혈액의 과응고(hypercoagul- ability), 고호모시스테인혈증(hyperhomocys teinemia) 등 이 PAD 유발의 주요한 원인이다[1]. 이러한 PAD는 대부 분 증상이 없다가 말초혈관이 50-70% 이상 폐색된 후에야

허혈증(ischemia), 간헐성 파행증(intermittent claudi- cation) 의 증상이 나타나 조기 진단이 어려운 질환이며, 심 한 경우 상처가 잘 아물지 않고 피부 궤양이나 괴사로까지 이어질 수 있어 더 각별한 주의가 요구되는 질환이다[4].

현재까지 PAD를 가장 정확하게 진단할 수 있는 방법은 혈관조영술(angiography)이나, 이는 침습적인 진단 방법으 로, 시술부위에 멍이 들거나 붓는 등의 부작용으로 인해 조 기진단의 목적으로 사용하는 것에는 제한이 있다[5].

또한, 최근 영상기술의 발전으로 컴퓨터 단층촬영(com- puted tomography, CT), 자기공명영상(magnetic reson- ance imaging, MRI), 도플러 초음파(doppler ultrasono- graphy) 등의 방법을 이용하여 비침습적으로 혈관 벽의 변 성을 확인할 수 있지만, 이러한 진단 방법을 보편적인 일차 진료에 적용하기에는 아직 어려운 점이 있다[5,6].

이러한 한계점을 극복하기 위한 방법으로 발목-상완지수 (ankle-brachial index, ABI) 를 주로 사용한다. ABI는 비 침습적으로 혈관의 경화정도를 판단할 수 있는 지표로 환자 Corresponding Author : Young-Ro Yoon

Medical Techno Tower #201, 1, Yeonsedae-gil, Maeji-ri, Heungeop-myeon, Wonju-si, Gangwon-do, Republic of Korea TEL: +82-33-760-2809

E-mail: [email protected]

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의 양쪽 발목과 양쪽 상완에 커프(cuff)를 착용하여 환자의 수축기 혈압보다 더 높은 압력을 가해 동맥을 폐색시킨 후 감압하면서 혈압을 측정하는 방법으로 도출할 수 있다. ABI 는 비교적 간편하게 측정이 가능하여 일차 진료 현장에서 사용가능하며 결과가 비교적 정확하다는 장점이 있다[5,6].

하지만 사지에서 혈압을 측정하는 방법은 측정 시 환자가 불편함을 호소하고, 측정 시 긴장감으로 인하여 혈압이 높 게나올 수 있으며, 별도의 측정 장비가 필요하므로 일반인 이 실생활에서 손쉽게 사용할 수 없다는 한계점이 있다[7].

광센서를 사용하여 심장의 활동에 따른 혈관의 부피변화 를 측정하는 광용적맥파(photoplethysmography, PPG)는 연속적으로 장시간 비침습적인 측정이 가능하고, 검사자의 전문성을 필요로 하지 않으며, 측정 시 환자가 느끼는 구속 감이 없다는 장점이 있다[8].

Allen, J., et al.[9] 은 정상인과 PAD를 앓고 있는 자에 대하여 신체의 말초부위인 발가락에서 PPG를 측정하여 질 병의 유무에 따른 PPG의 형태변화에 대하여 연구하였다.

Divina G. Brillante, et al.[10] 는 PPG를 사용하여 혈관 의 경화정도를 판단할 수 있는 경화지수(stiffness index, SI)와 반사지수(reflection index, RI)를 도출하였으며, 이 러한 지표가 측정자의 나이, 혈압, 심박 수, 지질지수와 상 관관계가 있다는 것을 밝혀냈다. 이외에도 PPG와 혈관의 경화에 대한 연구가 선행되었으나[11-13], PPG의 측정위치 가 PAD가 주로 발생하는 하지가 아닌 다른 위치라는 점과 PPG 에서 도출 가능한 여러 가지 지표와 PAD를 대변하는 지표와의 상관관계를 정량적으로 분석하지 않았다는 한계점 이 있다.

따라서, 본 연구는 ABI를 사용한 PAD 진단방법을 대체 할 방법으로 PPG를 제시한다. 하지에서 측정한 PPG의 지 표들이 PAD의 정도를 반영하는 가시적인 임상 지표로 사 용될 수 있는지 확인하기 위해, PAD로 인해 의료적 처지 를 받지 않은 자를 대상으로 측정한 ABI와 PPG에서 도출 한 여러 지표의 상관관계를 조사하였다. 이에 따라 PPG를 사용한 하지말초동맥의 경화정도를 도출하는 방법의 효용성 을 판단하고자하였다.

II. 연구 방법

1. 연구설계

신체가 건강한 남성 10명과 여성 10명을 대상으로 하였 다. 연세대학교 원주캠퍼스 생명윤리심의위원회(IRB)의 승 인(IRB No. 1041849-201610-BM-057-02)을 받았으며, 실험 전 모든 피험자들에게 실험 절차 및 내용을 충분히 설 명하고 실험에 대한 동의를 얻은 후 실험을 진행하였다. 피 험자에게 실험 1시간 전 흡연, 음주, 카페인 섭취, 과격한

운동 등의 실험결과에 영향을 미칠 수 있는 행위를 제한하 였다[7]. 피험자의 평균 연령 및 신체 특성은 표 1과 같다.

2. 실험방법

실험에 앞서 피험자는 반듯이 누운 자세(supine position) 로 10분간 휴식을 취하게 된다. 그 후, VP-1000(Omron Inc, Japan) 동맥경화도 진단기기를 사용하여 피험자의 ABI 를 1회 측정하였다. ABI 측정 후, PPG100C(BIOPAC System Inc, US) 를 사용하여 누운 자세에서 피험자의 양 쪽 엄지발가락에서 3분간 PPG를 측정하였다. 1회 측정 후 동맥 복귀를 위해 반듯이 누운 자세로 10분간 휴식을 취한 뒤 1회 반복하여 ABI와 PPG를 측정하였다.

측정된 PPG 데이터는 PC로 전송하여 저장하였으며, 이 후 저장된 PPG 데이터에서 특징점 및 지표를 검출하였다.

검출된 지표와 동맥경화도 진단기기를 사용하여 측정한 ABI 와의 상관관계를 알아보기 위해 통계적 분석을 사용하여 확 인하였다.

PPG 측정 시 전압이득은 100, 주파수 필터링 범위는

Table 1. Average age and body characteristic of subjects.

항목 남성(Male) 여성(Female)

피험자 수(명) 10 10

연령(세)

023.75

023.88

067.92

055.06

022.98

020.98

060.75

061.13

ABI

R-leg

001.16

001.14

001.14

001.15

수축기 혈압 (mmHg)

R-arm 112.42± 12.14 103.56 ± 7.62 L-arm 113.13± 10.75 102.38 ± 8.37 R-ankle 133.04± 19.58

0118.0

이완기 혈압 (mmHg)

R-arm

060.29

058.13

062.50

058.19

067.92

064.19

067.21

062.69

평균 혈압 (mmHg)

R-arm

080.67

075.06

082.33

075.56

089.21

083.31

087.54

081.88

97 0.05-10Hz 로 설정하였다[14]. 모든 알고리즘 설계, 특이점

추출 및 매개변수 추출에는 Matlab2012b(MathWorks inc, US) 를 사용하였으며, 통계적 분석 및 유의성 평가를 위 하여 SPSS Statistics23(IBM, US)을 사용하였다.

3. 광용적맥파의 특징점 검출

PPG 는 피험자의 움직임 및 주변광에 의한 잡음으로 신 호가 왜곡되기 쉽다. 일반적으로 PPG는 0.05-8Hz의 주파 수 대역을 가지므로[15-18], 신호의 주파수 대역을 벗어난 잡음을 제거하기 위하여 0.05Hz와 8Hz의 주파수 대역을 갖 는 20차 유한임펄스응답(finite impulse response, FIR) 대역통과필터를 설계하여 PPG신호를 필터링하였다. PPG 를 한주기마다 분절하여 시간의 순서로 100개의 PPG 파 형에 대하여 특징점을 검출하였다.

PPG 와 이를 시간에 대하여 이차미분한 신호인 이차미분 광용적맥파(second derivative photoplethysmogram, SDPTG) 로부터 특징점을 검출하였다. 검출한 특징점은 좌 심실에서 말초부위로 혈액이 전달되며 혈관의 부피 증가로 발생하는 PPG의 수축기 최댓값(systolic peak), 심실이완 기에 말초부위에서 몸의 중심부로 혈액이 반사되며 발생하 는 PPG의 이완기 최댓값(diastolic peak) 및 PPG의 시작 점(valley)(그림 1(a))[19]과 SDPTG의 5가지 특징점인 ‘a’,

‘b’, ‘c’, ‘d’, ‘e’이다(그림 1(b)). A-wave는 파형관측 시 비 교를 용이하게 하는 베이스 값이며, b-wave는 심박출의 세

기(stress power, SP), c-wave는 혈관의 탄성도(blood vessel tension, BVT), d-wave 는 잔혈량(remained blood volume, RBV) 을 의미한다. 이러한 SDPTG의 각 특이점들 의 비율로 혈관의 기계적 특성을 확인할 수 있다[20].

4. 광용적맥파의 지표 검출

PPG 및 SDPTG로부터 검출한 특이점으로부터 혈관의 상 태를 대변하는 지표를 도출하였다. 도출한 지표는 SDPTG 의 특이점 ‘a’, ‘b’, ‘c’, ‘d’, ‘e’로부터 계산할 수 있는 b/a, c/a, d/a 및 혈관노화지수(aging index, AI)이며[21,22], PPG 의 특이점인 수축기 최댓값, 이완기 최댓값 및 각각의 시간정보로부터 계산할 수 있는 경직지수(stiffness index, SI)[21], 반사지수(reflection index, RI)[23], 반사시간지수 (reflection time index, RTI)[24]이다. 분절된 100개의 PPG 파형에 대하여 각각의 지표를 검출하였으며, 평균은 이상점의 영향을 받기 때문에 적절한 대푯값이 될 수 없으 므로 피험자에게서 도출한 각각의 지표들의 중앙값 (median) 을 사용하여 통계분석을 수행하였다.

5. 통계적 분석

연구에서 사용한 분석방법은 상관관계분석(correlation analysis) 이다. ABI와 PPG로부터 도출한 수치화된 지표와 의 정량적인 선형적 관계를 Pearson 상관관계를 통해 분석 하였다. 또한, 선형회귀분석을 사용하여 두 변수 간의 관계 를 수학적 공식으로 함수화하여 ABI와 PPG의 지표 간의 회귀식을 도출하였다. 통계학적 분석과정 전 데이터의 정규 성 검증을 통하여 분석에 사용한 데이터가 정규분포를 따르 는 모집단에서 취해졌는지를 검증하였다. 분석에 사용한 데 이터는 20명의 피험자에게서 도출한 양쪽 하지에 대한 지 표로써 각각의 지표마다 40개의 데이터가 통계분석에 사용 되었다. 또한, 선형회귀분석 과정에서 Bland-Altman plot 을 사용하여 도출한 회귀식을 사용한 ABI의 추정이 유의미 한지를 확인하였다. Bland-Altman 분석은 두 가지 검사법 의 신뢰도를 평가할 때 사용하는 방법으로, 두 방법의 평균 과 측정값의 차이에 대하여 나타낸 그림이다. 본 연구에서 는 동맥경화도 진단기기를 사용하여 측정한 ABI값과 연구 를 통해 추정한 ABI값을 평균과 오차를 비교하여 Bland- Altman 분석을 시행하였다. 상관관계분석에 사용한 데이터 외의 새로운 데이터를 사용하였으며, 20명의 피험자에게서 도출한 40개의 데이터를 사용하였다. 통계분석 시 유의한 상관관계를 갖는 유의수준은 α = 0.05로 설정하였다.

III. 결 과

PPG 에서 검출한 지표와 동맥경화도 진단기기를 사용하

Fig. 1. characteristic point of PPG and SDPTG.

98

여 측정한 ABI와의 상관관계를 분석하였다. 모수분석방법 인 Pearson 상관관계 분석법을 사용하였으며 결과는 표 2와 같다.

ABI 와의 Pearson 상관관계 분석에서 유의미한 상관성을 보이는 지표는 SI와 RI로, 각각 유의확률 p < 0.05에서 상

관계수 R = 0.688, R = 0.637을 갖는 것을 확인하였다. SI 와 RI를 제외한 b/a, c/a, d/a, AI, RTI 지표에서는 상관계 수의 값이 각각 −0.227, 0.159, 0.317, −0.281, −0.356을 가져, ABI와 유의한 상관관계를 가지지 않는 것으로 나타 났다. 이러한 결과에 따라 상관계수가 높은 SI와 RI를 이

Table 2. Pearson correlation analysis result.

항목 1 2 3 4 5 6 7 8 9

1. ABI 1

00.379

00.159 00.317

00.688

00.637

00.379

00.102 00.598

00.629

00.131

SDPTG

3. b/a −0.227 −0.287 1 −0.674^** −0.305

00.922

00.100

00.159 00.102

00.057

00.170

00.186

00.317

00.598

00.057

00.340 00.018

6. AI −0.291 −0.231

00.922

00.048

7. SI

00.688

00.629

00.170 00.340

00.685

8. RI

00.637

00.131 00.100

00.018 00.048 00.685

9. RTI −0.356^* −0.260 −0.159

00.186

**. 상관관계가 유의확률 p < 0.01에서 유의함 *. 상관관계가 유의확률 p < 0.05에서 유의함

Table 3. The regression analysis for SI and RI.

모 형 구분 비표준화 계수 표준화 계수 t p F R²

(adj.R²)

B 표준 오차 β

1

(상수) .731 .068 10.699 .000

34.086 .473

(.459)

SI .079 .014 .688 5.838 .000

종속변수 : ABI

2

(상수) .927 .040 23.123 .000

26.033 .406

(.391)

RI .004 .001 .637 5.099 .000

종속변수 : ABI

3

(상수) .756 .067 11.302 .000

20.445 .525

(.499)

SI .054 .018 .473 3.041 .004

RI .002 .001 .313 2.015 .050

종속변수 : ABI

4

(상수) 1.982 .513 3.866 .000

22.328 .547

(.522)

SI -.423 .205 -3.679 -2.068 .046

SI² .050 .020 4.375 2.459 .019

종속변수 : ABI

5

(상수) 1.020 .128 7.961 .000

14.146 .415

(.384)

RI .000 .006 -.048 -.053 .958

RI² .00005 .000 .692 .760 .452

종속변수 : ABI

99

용하여 회귀분석을 수행하였다. 결과는 표 3에 나타낸 것과 같다. ABI와 SI의 선형회귀식은 ABI = 0.079 × SI + 0.731 로 p < 0.05에서 R

= 0.473으로, 47.3%의 설명력을 갖는 것으로 나타났다. 또한 추정된 회귀식의 계수는 유의확률 p < 0.05로 통계적으로 유의하며, 이러한 결과를 그림 2에 나타냈다. ABI와 RI의 선형회귀식은 ABI = 0.004 × RI + 0.927 로 유의확률 p < 0.05에서 R

= 0.406 으로, 40.6%의 설명력을 갖는 것으로 나타났다. 추정된 회귀식의 계수는 유 의확률 p < 0.05로 통계적으로 유의한 것으로 나타났으며, 이러한 결과를 그림 3에 나타냈다. R

> 0.4 일 경우, 통계 적으로 유의미하다고 판단하므로 본 연구에서 도출한 회귀 식은 유의미 하다고 판단하였다. 또한, SI와 RI를 사용하 여 도출한 선형회귀식은 ABI = 0.054 × SI + 0.002 × RI + 0.756 로 R

= 0.525 로, 52.5%의 설명력을 갖는 것으로 나

타났다. 추정된 회귀식의 계수는 유의확률 p < 0.05로 통계 적으로 유의하다. SI를 사용한 이차곡선 회귀식은 ABI = 0.050 × SI

− 0.423 × SI + 1.982로 R

= 0.547 로, 54.7%

의 설명력을 갖는 것으로 나타났다. 추정된 회귀식의 계수 는 유의확률 p < 0.05로 통계적으로 유의하며, 이를 그림 4 와 같이 표현하였다. RI를 사용하여 도출한 이차곡선 회귀 식은 유의확률 p > 0.05으로 통계적으로 유의하지 않은 것 으로 나타났다.

동맥경화도 진단기기를 사용하여 측정한 실제 ABI와 본 연구에서 PPG를 사용하여 추정한 ABI와의 오차를 확인하 기 위하여 Bland-Altman 분석을 사용하였다. Bland- Altman 분석 그래프의 x축은 두 방법으로 획득한 ABI의 평균값을 의미하며, y축은 실제 ABI와 회귀식을 통하여 도

Fig. 3. The linear regression analysis of ABI and RI.

그림 2. ABI와 SI의 선형회귀분석 결과.

Fig. 2. The linear regression analysis of ABI and SI.

그림 5. SI를 사용하여 추정한 ABI와 실제 ABI Bland-Altman plot.

Fig. 5. Bland-Altman plot of estimated ABI using SI and actual ABI value.

그림 4. ABI와 SI의 이차곡선 회귀분석 결과.

Fig. 4. The secondary curve regression analysis of ABI and SI.

100

출한 ABI의 차이를 나타낸다. SI를 사용하여 추정한 ABI 와 실제 측정된 ABI와의 관계를 보기위하여 Bland- Altman 분석을 진행하였으며, 그 결과는 그림 5와 같다. 그 림 6는 RI를 사용하여 추정한 ABI와 실제 측정된 ABI의 Bland-Altman 분석 결과를 나타낸 것이다. SI와 RI 변수 를 모두 사용하여 추정한 ABI와 실제 측정된 ABI의 관계 를 보기위하여 Bland-Altman 분석을 진행하였으며, 그 결 과는 그림 7과 같다. 그림 8은 SI를 사용하여 도출한 이차 곡선 회귀식을 사용하여 추정한 ABI와 실제 측정된 ABI의 Bland-Altman 분석 결과를 나타낸 것이다.

SI 혹은 RI 만을 사용하여 도출한 단변수 선형회귀식보 다 SI와 RI를 모두 사용하여 도출한 다변수 선형회귀식의 평균 상대오차가 더 작고 일치도 한계 구간이 더 좁다는 것

을 확인할 수 있다. 또한 SI를 사용하여 추정한 이차곡선 회 귀식의 경우 앞의 세 가지 결과에 비하여 평균 상대오차가 더 작고, 일치도 한계 구간이 더 좁다는 것을 확인 할 수 있 다. 이러한 결과는 표 3에 나타난 회귀식의 설명력에 대한 결과와 상응한다. 이를 통해, SI를 사용하여 추정한 이차곡 선 회귀식이 가장 높은 설명력을 갖는다는 것을 알 수 있으 며, 하지에서 측정한 PPG를 사용하여 도출한 인자와 말초 동맥질환의 표지자인 ABI가 상관관계가 존재한다는 가설을 검증하였다.

IV. 고찰 및 결론

본 연구에서는 PAD를 진단하는 데 있어 ABI를 대체할 방법으로 PPG를 제안하였다. 기존에 사용하는 PAD 진단 방법의 단순화 및 간편화를 위하여 PPG를 이용한 방법을 제시하였다. 실험을 통해 피험자의 양쪽 엄지발가락에서 측 정한 PPG로부터 동맥의 건강상태와 관련이 있는 지표를 도 출하고, 기존의 PAD 진단방법인 ABI와의 통계학적 상관 성 분석을 통해 하지에서 측정한 PPG로부터 하지의 PAD 를 대변할 수 있는 정량적인 결과값을 도출하였다. SI를 사 용하여 도출한 이차곡선 회귀식 ABI = 0.050 × SI

− 0.423

× SI + 1.982이 54.7%의 설명력을 가져, 가장 유의한 회귀 식인 것으로 나타났다.

본 연구의 결과로 하지혈관의 상태와 상관성이 있는 지표 를 도출하였으며, 이에 따른 하지에서의 PPG를 이용한 PAD 의 진단 가능성에 대하여 검증하였다. 본 연구에서 접 근한 방법을 토대로 PAD의 위험 요소에 대하여 환자에게 적절한 피드백을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 외 래진료 현장이 아닌 실생활에서 별도의 측정 장비나 전문가

plot.

Fig. 7. Bland-Altman plot of estimated ABI using SI and RI and actual ABI value.

그림 6. RI를 사용하여 추정한 ABI와 실제 ABI Bland-Altman plot.

Fig. 6. Bland-Altman plot of estimated ABI using RI and actual ABI value.

그림 8. SI에 대한 이차곡선 회귀식으로 추정한 ABI와 실제 ABI Bland-Altman plot.

Fig. 8. Bland-Altman plot of ABI estimated by a cuadratic regression equation for SI and actual ABI value.

101 의 도움 없이 하지에서의 PPG를 측정하여, 혈관 건강관리

를 용이하게 할 수 있을 것이라 사료된다.

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