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은미 원
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1 2007 년 7 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 4 호 15 논문 SC-4-3 PPG 2 차미분을이용한정상인과당뇨병환자의말초혈관탄성도비교 (Comparison of peripheral vascular compliance between normal and diabetic groups using the second derivative of photoplethysmogram ) 김성우 *, 이주형 *, 남기창 **, 김수찬 ***, 차은종 ****, 김덕원 ***** * (Sung Woo Kim, Ju Hyung Lee, Ki Chang Nam, Soo Chan Kim, Eun Jong Cha, and Deok Won Kim ) 요 약 현재, 우리나라당뇨병의유병률은빠른속도로증가하고있으며당뇨병의유병기간이길수록각종합병증이발생하여더욱심각한증상을나타는데, 그중비만및고혈당, 당대사장애로인한당뇨병성혈관합병증과말초혈관경화증이많이발병하고있는실정이다. 따라서본연구에서는광혈류량측정법 (Photoplethysmography) 으로손가락및발가락에서얻어진맥파의 2 차미분분석을통해연령이비슷한정상인 50 명과당뇨병으로확진된 50 명의말초혈관탄성도를객관적으로비교하고자하였다. PPG 파형의 2 차미분분석에사용되는평가인자는 a, b, c, d, e 이고, b/a 는혈관의탄성도를의미하며탄성도가떨어질수록 b/a 의절대값은감소하게된다. 정상인 50 명의 PPG 2 차미분 b/a 값은 -1.09±0.14, 당뇨병환자 50 명의 PPG 2 차미분 b/a 값은 -0.81±0.09 로정상인에비해당뇨병환자의말초혈관탄성도가감소하였으며, Independent t-test 검정결과통계적으로유의한차이를보였다 (p<0.05). 본연구에서는 PPG 파형의 2 차미분분석을통하여정상인과혈관합병증발병율이높은당뇨병환자의말초혈관탄성도를비교하였으며, 향후비침습적이고간단한방법으로당뇨병환자의말초혈관탄성도와혈관경화정도를객관적으로평가하고진단함으로써당뇨병환자들의심혈관계질환사전예방과치료효과판정에도움을줄것으로기대한다. Abstract Recently, the prevalence rate of diabetes in Korea has been increasing rapidly due to high growth of economy and changes in dietary lifestyle. Vascular complication is one of diabetic complications which have frequently occurred by obesity, hyperglycemia and impaired glucose metabolism. Photoplethysmogram(PPG) measured from finger and toe is very useful for evaluation of vascular aging and sclerosis level since the PPG signal represents characteristics of peripheral vascular. Several researchers have reported that second derivative of the finger PPG waveform was useful to evaluate vascular compliance and developed various analysis methods for vascular compliance. However, peripheral vascular compliance study for diabetic patient was never evaluated by using second derivative of PPG. Therefore, we aimed to objectively compare and to assess normal(n=50) and diabetic(n=50) groups vascular compliance using the second derivative of PPG waveform in this study. The evaluated factors of the second derivative of PPG are 'a', 'b', 'c', 'd', 'e' and b/a represents vascular compliance. This study found out that when vascular compliance is decreased, the absolute value of b/a is decreased. The average vascular compliance of 50 diabetic patients with neuropathy, -1.09±0.14, is statistically lower than the normal group, -0.81±0.09 (p<0.05). In conclusion, we suggest an objective evaluation of peripheral vascular compliance for diabetic patients and prevention of vascular complication. Keywords : vascular compliance, vascular complication of diabetes, second derivative of photoplethysmogram * 정회원, 연세대학교대학원생체공학협동과정 (Graduate Program in Biomedical Engineering, Yonsei University) ** 평생회원, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tsukuba, Japan *** 평생회원, 한경대학교생물 정보통신전문대학원 (Graduate school of Bio & Information Technology, Hankyung National University) **** 정회원, 충북대학교의과대학의공학교실 (Dept. of Biomedical Engineering, College of Medicine, Chungbuk National University) ***** 평생회원, 연세대학교의과대학의학공학교실, -교신저자 (Dept. of Medical Engineering, College of Medicine, Yonsei University) 이논문은보건복지부보건의료기술진흥사업휴대형진단치료기기개발센터의지원에의하여연구되었음 ( 과제고유번호 : A040032). 접수일자 : 2007년4월27일, 수정완료일 : 2007년6월4일 (250)

2 16 PPG 2 차미분을이용한정상인과당뇨병환자의말초혈관탄성도비교김성우외 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 실험 현재우리나라당뇨병의유병률은경제가급격히발전하고식생활이서구화됨에따라빠른속도로증가하고있다. 당뇨병의유병기간이길수록각종합병증이발생하여더욱심각한증상을나타는데그중비만및고혈당, 당대사장애로인한당뇨병성혈관합병증과말초혈관경화증이많이발병하고있는실정이다 [1]. 혈관내혈류량및혈류속도의측정방법에는초음파도플러 (ultrasound doppler), 혈관조형술 (angiogram), 광혈류측정법 (photo-plethysmography: PPG), 전자기혈류계 (electromagnetic flowmeter), 레이저혈류측정기 (laser flowmeter), 기계적혈류측정기등이사용되어왔으나대부분의혈류측정기는사용법이복잡하고가격이고가인단점이있다. 이에비해광혈류측정법 (photo-plethysmography: PPG) 은광센서를이용함으로써연속적으로장시간비관혈적인측정이가능하고, 검사자의전문성을필요로하지않으므로사용법이매우간단하다. 또한광혈류량측정기는병원에도널리보급되어있는환자감시장치, 산소포화도 (SpO2) 측정기로서상용화되어있으며측정기를저가로구성할수있으므로매우경제적이다. 말초의혈류량은체온, 신체상태, 측정환경의영향을받을수있기때문에측정시주의가필요하고절대적인혈류량의측정이쉽지않으므로손가락및발가락을동시에측정할수있는 4채널광혈류량 (PPG) 측정기를개발하여말초혈관의상대적인혈류량을측정하였다. 측정된 PPG 신호는동맥의맥동성분, 혈류변화등말초혈관의특성을나타내기때문에혈관의노화나동맥경화정도를판단하는데매우유용하다 [2]. PPG 신호의 2차미분은혈관의탄성도에대한객관적인평가를위한분석방법으로지금까지많은연구가이루어져왔으며 [3-7], 관련된다양한분석방법들이개발되고있으나아직국내에서는 PPG 신호의 2차미분방법을이용한당뇨병환자의말초혈관탄성도연구가전무하다. 본연구에서는광혈류량측정법을이용하여동시에손가락및발가락에서얻어진 PPG 파형의 2차미분분석을통해정상인 50명과신촌세브란스병원당뇨병센터로부터당뇨병으로확진된 50명의말초혈관탄성도를비교하고객관적으로평가하고자하였다. 1. 실험방법및대상 실험을위해적외선과적색광을이용한 4 채널광혈류량측정기를개발하였으며, 정상인과당뇨병환자의말초혈관혈류량변화를측정하였다. 말초에서의혈류측정은시간, 장소, 주위온도, 환자의체온, 환자의감정및신체상태등많은요인에의하여영향을받을수있으므로동일한측정환경아래, 대칭되는양측손가락한쌍과발가락한쌍을동시에측정하여상대적인혈류량을측정하였다. 피검자는신촌세브란스병원당뇨병센터에서당뇨병으로확진된신경병증당뇨환자 50 명과서울및인천에거주하는정상인 50 명으로당뇨환자의평균연령은 65.1 ± 8.9세, 정상인의평균연령은 54.3 ± 10.2세이다. 연령에따라혈관의노화및혈관의탄성도가달라지기때문에정상인집단과당뇨환자집단의연령대를맞추어실험하였으며모든피검자들의사전동의를얻어신촌세브란스병원당뇨병센터에서실험을시행하였다. 측정시실내온도의영향을고려하여평균실내온도를유지하였고, 피검자는측정전편안하게누운자세에서 5분동안안정을취한후, 개발된 4채널광혈류량측정기로한피검자마다손가락한쌍과발가락한쌍씩동시에측정하였다. 2. 말초혈관혈류량측정시스템 PPG는 Beer-Lambert law에기초하여말초나피부등에입사시킨광이매질을통과한뒤혈액내헤모글로빈에의해흡수및감쇄되는광의강도변화로혈액의흐름을측정한다 [8,9]. 말초혈관혈류량측정시스템은그림 1과같이광다이오드 (light emitting diode: LED) 와광센서 (photodiode) 로구성된 PPG 센서, 센서구동및제어회로, 증폭기로구성되어있다. 손가락혈류량측정센서 (2 채널 ) 발가락혈류량측정센서 (2 채널 ) 센서구동및제어부 신호증폭및필터링 A/D PC 그림 1. 말초혈관혈류량측정시스템구성도 Fig. 1. Block diagram of peripheral vascular blood flow measurement system. (251)

2007 년 7 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 4 호 17 BF = blood flow T 그림 3. PPG 파형에서의혈류량 Fig. 3. Blood flow in PPG waveform. 그림 2. PPG 센서와혈류량측정장면 Fig. 2. Photo of PPG measurement with its sensors.

3 2007 년 7 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 4 호 17 BF = blood flow T 그림 3. PPG 파형에서의혈류량 Fig. 3. Blood flow in PPG waveform. 그림 2. PPG 센서와혈류량측정장면 Fig. 2. Photo of PPG measurement with its sensors. 측정에사용된센서프로우브는산소포화도측정용센서와호환되는 Pulse Oximetry 프로우브 (DS-100A, Nellcor, USA) 이며, 센서의적색광과적외선광의파장은각각 660nm과 940nm이다. 센서프로우브를구동시키기위해적색광과적외선광 LED를 1ms 주기로 500us 동안교대로점등하면서, 각 LED에의한광이손가락을투과하여반대편에전달된광을광센서로받 아들인다. 따라서최종적으로각각적색광과적외선광에의한 PPG 신호가얻어지는데, 말초혈관탄성도분석에는적외선광의신호를이용하였다. 그이유는환자의손가락색소변화나주변광에의한간섭을최소화할수있기때문이다 [9]. 그림 2는말초혈관의혈류량을측정하는전체장면으로서 4채널광혈류량측정기로부터데이터수집장치 (DAQ CARD-6062E, National Instrument, USA) 를통해아날로그신호를 12bit 디지털데이터로변환후 PC(SV20, Samsung Electoronics, Korea) 에저장하였다. 그이후, 저장된데이터는 LabVIEW 6.1 (National Instrument, USA) 프로그램을이용하여분석되었다. 그림 4. 손가락의혈류량분석화면 Fig. 4. Analysis of finger blood flow. Ⅲ. 손가락의 PPG 2차미분분석발가락보다손가락 PPG 신호의크기가크고, 심장과가깝기때문에심박출에서말초혈관까지의체순환에있어서비교적영향을적게받으므로손가락의 PPG 2차미분분석을시행하였다. 데이터는한피검자의손가락한쌍마다 30초동안저장되었고, 저장된데이터에서안정된 10초구간을선택하여안정된구간의 PPG 파형을분석하였다. 그림 3 과같이 PPG 파형은맥박주기와일치하는펄스를보이는데, 이때 PPG 신호의맥동성분인교류신호에서 그림 5. 손가락의 PPG 2차미분분석 Fig. 5. PPG second derivative analysis of finger. 각맥박주기마다혈류의최대값과최소값의차이를혈류량의변화로인한결과로보았다. 그림 4는측정된손가락혈류량변화의분석화면으로, 각채널의선택된구간은동일하게적용되고 10초의선택구간이확대되어나타나며우측에선택구간의파형에대한스펙트럼분석에서맥박의기본주파수를확인할수있다. 얻어진데이터의 PPG 2차미분분석은선택된 10초구간으로선택된혈류파형을 2차미분하여계산되었 (252)

4 18 PPG 2 차미분을이용한정상인과당뇨병환자의말초혈관탄성도비교김성우외 1 b/a : 혈관벽의탄성도 (compliance), 팽창성 (distensibility). 2 (b-c-d-e)/a : Aging Index, 혈관노화나동맥경화등의평가인자로사용. Ⅳ. 실험결과 표 1과그림 7은신경병증당뇨병환자 50명의손가락 (N=50) 과정상인 50명의손가락 (N=50) 의 PPG 2차미분분석결과이다. PPG 2차미분파형의피크값으로 그림 6. PPG 신호와 1차및 2차미분 Fig. 6. PPG signal and second derivative of the signal. 고, 그림 5와같이 2차미분한파형에서각변곡점인피크값 (a, b, c, d, e) 을찾아그값을배열로산출하였다. 분석한 5개의피크값과마찬가지로 PPG 2차미분을이용하여혈관의노화나탄성도를분석한다른연구들에서는손가락에서측정한 PPG 2차미분파형의피크값을그림 6과같이정의하고있다 [2,3-7]. 1 a wave : initial positive wave 2 b wave : early negative wave 3 c wave : re-upsloping wave 4 d wave : re-downsloping wave 5 e wave : diastolic positive wave a, b wave는좌심실의심박출에의해나타나는 PPG 원신호의첫번째맥동성분인초기수축기와관련이깊다. a wave는 upsloping wave, b는 downsloping wave 로서 PPG 원신호에서첫째변곡점까지급격히올라가는초기수축기의가속도성분을나타내고, c, d, e는초기수축기이후의가속도성분이다. a는양 (+) 의값, b는음 (-) 의값으로나타나고, 이에따라 b/a는음 (-) 의값으로나타난다. PPG 원신호의초기수축기에서는혈관벽의탄력변화가크게나타나고초기수축기이후보다말초혈관의 reflex wave의영향이매우작게나타난다. a wave와 b wave의비율, b/a 값은손가락말초혈관의탄성도변화를반영하며말초혈관의경화가심해질수록 reflex wave가크게나타나얻어진초기수축기맥동성분에영향을많이주어 b/a의절대값은감소하게된다 [2-7]. 각각의피크값으로계산되는비율로부터다음과같이혈관의탄성도나노화정도를나타내었다. 계산된비율을분석한결과, 신경병증당뇨환자들의 b/a와 (b-c-d-e)/a 두비율모두증가하였고절대값은감소하였다. b/a와 (b-c-d-e)/a는나이가많아지거나혈관의탄성도가떨어질수록그값이증가하므로정상인에비해신경병증당뇨환자손가락의혈관탄성도가감소하였고 Independent T-Test로분석한결과 (SPSS 10, SPSS Inc., USA), 통계적으로유의한차이를보였다 (p<0.05). 표 1. 당뇨병환자와정상인의 PPG 2차미분분석결과 Table 1. Results of PPG second derivative analysis between diabetic and normal groups. 신경병증당뇨환자 (N = 50) 정상인 (N = 50) b/a b-c-d-e/a ± ± ± ± 0.15 p-value <0.05 < b/a (b-c-d-e)/a 정상인 (N=50) 신경병증당뇨환자 (N=50) 그림 7. 정상인과당뇨병환자의말초혈관탄성도비교 Fig. 7. Comparison of peripheral vascular compliance between normal and diabetic groups. (253)

5 2007 년 7 월전자공학회논문지제 44 권 SC 편제 4 호 19 V. 고찰및결론본연구에서는 PPG 파형의 2차미분분석을통하여정상인과당뇨병성혈관합병증발병율이높은당뇨병환자의말초혈관탄성도를비교하였다. PPG 파형의 2차미분값 b/a와 (b-c-d-e)/a는혈관의탄성도및나이의증가에따른혈관의노화를의미하고신경병증당뇨환자의말초혈관탄성도는정상인의말초혈관탄성도보다유의하게감소함을알수있었다. 반면에 c/a, d/a, e/a 값은정상인과신경병증당뇨환자사이에유의한차이를보이지않았다. PPG 2차미분분석 c/a, d/a, e/a 세개의파라미터는 b/a와 (b-c-d-e)/a 에비해그크기가너무작기때문에 PPG 원신호로부터말초혈관의탄성도를분석하기위해서는 b/a와 (b-c-d-e)/a 두개의파라미터를중점적으로연구하는것이보다효과적이라고사료된다. 본연구의결과는비침습적이고간단한방법으로당뇨병환자의말초혈관탄성도와혈관경화정도를객관적으로평가하고, 진단하여당뇨병환자들의심혈관계질환사전예방과치료효과판정에도움을줄것으로기대한다. Hypertensive Patients: Their Relationship and Associating Factors. Journal of Hypertension, Vol. 20, no. 12, pp , [6] J. Hashimoto, D. Watabe, A. Kimura, H. Takahashi, T. Ohkubo, K. Totsune, Y. Imai, Determinants of the Second Derivative of the Finger Photoplethysmogram and Brachial Ankle Pulse-Wave Velocity: The Ohasama Study. Am J Hypertension, Vol. 18, pp , [7] J. Simek, D. Wichterle, V. Melenovsk, J. Malik, S. Svacina, J. Widimsk, Second Derivative of the Finger Arterial Pressure Waveform: An Insight into Dynamics of the Peripheral Arterial Pressure Pulse. Physiological Research, Vol. 54, pp , [8] M. W. Wukitsch, M. T. Petterson, D. R. Tobler, J. A. Pologe, Pulse oximetry: analysis of theory, technology, and practice, J Clin Monit, Vol. 4, no. 4, pp , Oct [9] J. G. Webster, Design of Pulse Oximeters, IOP Publshing Inc, 참고문헌 [1] 대한당뇨병학회, 제 2 판당뇨병학, 고려출판, pp , [2] K. Takazawa, N. Tanaka, M. Fujita, O. Matsuoka, T. Saiki, M. Aikawa, S. Tamura, C. Ibukiyama, Assessment of Vasoactive Agents and Vascular Aging by the Second Derivative of Photoplethysmogram Waveform, Hypertension, Vol. 32, pp , [3] Y. Iketani, T. Iketane, K. Tanakawa, M. Murata, Second Derivate of Photoplethysmogram in Children and Young People, Jpn Circ J, Vol. 64, pp , [4] L. A. Bortolotto, J. Blacher, T. Kondo, K. Takazawa, M.E. Safar, Assessment of Vascular Aging and Atherosclerosis in Hypertensive Subjects: Second Derivative of Photoplethysmogram Versus Pulse Wave Velocity. Am J Hypertension, Vol. 13, pp , [5] J. Hashimoto, K. Chonan, Y. Aoki, T. Nishimura, T. Ohkubo, A. Hozawa, M. Suzuki, M. Matsubara, M. Michimata, T. Araki, Y. Imai, Pulse Wave Velocity and the Second Derivative of the Finger Photoplethysmogram in Treated (254)

20 PPG 2 차미분을이용한정상인과당뇨병환자의말초혈관탄성도비교김성우외 저자소개 김성우 ( 정회원 ) 2004 년연세대학교의용전자공학과 ( 공학사 ) 2004 년 9 월 ~ 현재연세대학교대학원생체공학협동과정석박사통합과정 < 주관심분야 : 생체신호계측, 전자기장과생체영향 > 남기창 ( 평생회원 ) 1997 년연세대학교의용전자공학과 ( 공학사 ) 1999

6 20 PPG 2 차미분을이용한정상인과당뇨병환자의말초혈관탄성도비교김성우외 저자소개 김성우 ( 정회원 ) 2004 년연세대학교의용전자공학과 ( 공학사 ) 2004 년 9 월 ~ 현재연세대학교대학원생체공학협동과정석박사통합과정 < 주관심분야 : 생체신호계측, 전자기장과생체영향 > 남기창 ( 평생회원 ) 1997 년연세대학교의용전자공학과 ( 공학사 ) 1999 년연세대학교대학원생체공학협동과정 ( 공학석사 ) 2004 년연세대학교대학원생체공학협동과정 ( 공학박사 ) 2004 년 ~2005 년연세대학교의과대학의학공학교실연구강사 2005 년 ~2006 년 Siemens 메디칼초음파사업부선임연구원 2006 년 ~ 현재 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Post Doc.) < 주관심분야 : 생체신호계측, 음성신호처리등 > 차은종 ( 정회원 ) 1980 년서울대학교공과대학전자공학과 ( 공학사 ) 1987 년미국남가주대학의공학 (Ph.D.), Research Associate 1988 년 현재충북대학교의과대학의공학교실교수 2001 년 현재씨케이인터내셔널대표겸직 < 주관심분야 : 생체계측, 물리센서, 심폐의료기, 정밀계측 > 이주형 ( 정회원 ) 2007 년연세대학교의용전자공학과 ( 공학사 ) 2007 년 3 월 ~ 현재연세대학교대학원생체공학협동과정석사과정 < 주관심분야 : 생체신호계측 > 김수찬 ( 평생회원 ) 1994 년인제대학교의용공학과 ( 공학사 ) 1998 년연세대학교대학원생체공학협동과정 ( 공학석사 ) 2003 년연세대학교대학원생체공학협동과정 ( 공학박사 ) 2003 년 ~2004 년 Rensselaer Polytechnic Institute (Post Doc.) 2004 년 ~2006 년한경대학교생물 정보통신전문대학원전임강사 2006 년 ~ 현재한경대학교생물 정보통신전문대학원조교수 < 주관심분야 : 생체계측및분석, 안구운동측정, HCI 등 > 김덕원 ( 평생회원 )- 교신저자 1976 년서울대학교공과대학 ( 공학사 ) 1980 년미국 Northwestern University 전자공학과 (M.S.) 1986 년미국 Univ. of Texas at Austin 의공학 (Ph.D.) 1999 년 ~2005 년연세의대의학공학교실주임교수 1987 년 ~ 현재연세대학교의과대학의학공학교실조교수, 부교수, 교수 2005 년 ~ 현재대한전자공학회제어및시스템소사이어티부회장 < 주관심분야 : 비관혈적생체계측, 의료기기, 전자파유해성등 > (255)

DIABETES FACT SHEET IN KOREA 2012 SUMMARY About 3.2 million Korean people (10.1%) aged over 30 years or older had diabetes in 2010. Based on fasting g

DIABETES FACT SHEET IN KOREA 2012 Korean Diabetes Association (KDA) / Korea Centers for Disease Control and Prevention (CDC) DIABETES FACT SHEET IN KOREA 2012 SUMMARY About 3.2 million Korean people (10.1%)