[논문]두 개의 광전용적맥파 기반의 수축기 혈압과 이완기 혈압 추정 융합 알고리즘 모델 분석

김선칠; 조성현

doi:10.15207/jkcs.2019.10.8.053

두 개의 광전용적맥파 기반의 수축기 혈압과 이완기 혈압 추정 융합 알고리즘 모델 분석
Analysis of the Convergence Algorithm Model for Estimating Systolic and Diastolic Blood Pressure Based on Two Photoplethysmography 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.10 no.8, 2019년, pp.53 - 58

초록
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최근 만성질환자 건강관리의 목적으로 혈압측정에 대한 접근성을 높이는 제품 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 기존 연구에서는 심전도(ECG)와 광전용전맥파(PPG)를 분석하여 수축기혈압과 이완기 혈압을 산출하는 방식을 사용하고 있다. 주 과제는 정확도와 재현성을 위한 분석 알고리즘 개발이다. 본 연구에서는 초소형 혈압측정장치를 개발하는 단계에서 장치의 크기를 줄이고 측정방법도 간단히 하는 동시에 알고리즘도 두 개의 PPG만을 이용하여 최고혈압(SBP)을 추출하고 이에 따른 최저혈압(DBP)을 구하고자 하였다. 이를 위해 두 개의 PPG에서 얻은 측정값과 SBP, DBP 관계를 통계적으로 추적하여 상호관계를 분석하였다. PPG의 차이 값인 DF_P는 SBP와 반비례 관계가 있으며, DBP와는 비례적 관계가 성립되어 알고리즘에 의해 혈압값을 유추할 수 있으며, SBP를 통해 DBP를 추적할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, product research has been continuously conducted to enhance accessibility to blood pressure measurement for the purpose of healthcare for the chronic patient. In previous studies, electrocardiogram (ECG) and photoelectric pulse wave (PPG) are analyzed to calculate systolic and diastolic blood pressure. The problem is the development of analysis algorithms for accuracy and reproducibility. In this study, in the development stage of a micro blood pressure measuring device, the size of the device was reduced and the measurement method was simplified, while the algorithm was to extract systolic blood pressure (SBP) using only two PPGs and obtain diastolic blood pressure (DBP). The difference value of PPG, DF_P, is inversely related to SBP, and has a proportional relationship with DBP, which can be leaked by algorithm, and DBP can be tracked through SBP.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. PPG waveform characteristics over time
그림 Fig. 2. PPG Measurement circuit
그림 Fig. 3. PPG Measurement Display
그림 Fig. 4. Correlation of SBP and DBP
표 Table 1. Interval measurements with ECG and PPG result models
표 Table 2. SBP, DBP measured value by PPG measurement value
표 Table 3. Descriptive statistics and correlation of key variables
그림 Fig. 5. Correlation of SBP and DF_P
그림 Fig. 6. Correlation of DBP and DF_P

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 초소형 패치형태의 광전용적맥파 센서 2개를 이용하여 혈압을 측정하고자 한다. 이를 위해 먼저 반사형 광전용적맥파 측정회로를 구현하고 두 개의 PPG를 측정하여 측정시간차를 이용하여 수축기 혈압(SBP: Systolic Blood Pressure) 및 이완기 혈압(DBP: Diastolic Blood Pressure)을 추정하고자 한다.
이를 통해 연속적인 혈압관리를 위해 간단히 부착할 수 있고 실시간 측정이 가능한 접근성과 휴대성을 지니고 스마트 폰의 앱과 연동할 수 있는 초소형 광전용적맥파 센서를 이용한 패치형 혈압장치로 가능한지 연구하고자 한다.

제안 방법

PPG 측정 장치는 신호 0.5-30Hz의 주파수 스펙트럼을 커버하도록 하였으며, 0.5Hz와 15Hz의 차단 주파수를 가진 3차 고주파 및 2차 저역 통과 필터로 구성하여 신호를 측정하였다. 측정된 신호는 Fig.
20대 남녀를 대상으로 편안한 상태에서 DF_P와 PTT를 10회 측정하여 평균값을 Table 2와 같이 측정되었다. P값인 SBP와 DBP는 변수 A값을 도출하기 공기가압방식인 커프로 동일한 대상자를 측정하였다.
독립변수 인 DF_P 만으로 BP 를 유추할 수는 없지만, SBP, DBP, PTT 등 관련 인자와 융합알고리즘 통해 충분한 접근이 가능하다. 기존 개인별 고유 변동값인 상수는 개인 최고혈압과 최저혈압의 상관관계를 통해 충분히 처리 할 수 있도록 구현할 수 있으며, 이를 통해 측정 데이터 값을 반복적인 필터링을 통해 오차를 줄일 수 있는 방안을 제안하였다.
신호자체는 혈류량과 비례함에 따라 자연스러운 곡선으로 해석이 가능하다. 따라서 ECG신호와 PPG신호를 동기화시키면 PPG 위상차를 이용하여 두 개 PPG 인 PPG-A, PPG-B의 측정 시간차를 이용하여 혈압을 추정하고 하고자 한다.
이를 위해 먼저 반사형 광전용적맥파 측정회로를 구현하고 두 개의 PPG를 측정하여 측정시간차를 이용하여 수축기 혈압(SBP: Systolic Blood Pressure) 및 이완기 혈압(DBP: Diastolic Blood Pressure)을 추정하고자 한다. 이를 위해 먼저 ECG 와 두 개의 PPG와 상관관계를 분석하여 정량적 기준을 정하였고 측정 오차를 줄이기 위해 사용한 신체 정보 입력의 번거로움을 줄이기 위해 기존 공기가압방식에서 측정한 혈압과의 상관관계도 분석하여 이를 직접 이용할 수 있는 혈압 추정 알고리즘을 최종적으로 제시하고자 한다.
본 연구에서는 초소형 패치형태의 광전용적맥파 센서 2개를 이용하여 혈압을 측정하고자 한다. 이를 위해 먼저 반사형 광전용적맥파 측정회로를 구현하고 두 개의 PPG를 측정하여 측정시간차를 이용하여 수축기 혈압(SBP: Systolic Blood Pressure) 및 이완기 혈압(DBP: Diastolic Blood Pressure)을 추정하고자 한다. 이를 위해 먼저 ECG 와 두 개의 PPG와 상관관계를 분석하여 정량적 기준을 정하였고 측정 오차를 줄이기 위해 사용한 신체 정보 입력의 번거로움을 줄이기 위해 기존 공기가압방식에서 측정한 혈압과의 상관관계도 분석하여 이를 직접 이용할 수 있는 혈압 추정 알고리즘을 최종적으로 제시하고자 한다.
1 과 같이 PTT를 구하였다. 측정 PPG 센서 간의 거리는 25 ~ 30mm 이내로 설정하였으며, 센서의 위치는 중지 손가락 두 점에서 측정하였으며, 각 구간별 측정값을 도출하였다.

데이터처리

PPG 측정 장비로부터 Table 1은 각 독립변수의 관계를 알아보기 위해 남학생 10명을 대상으로 10회 반복 측정을 통해 평균값으로 구간별 측정값을 도출하였다. 이 측정에는 초기 ECG 도 동시에 측정하여 Fig.
0을 사용하였고 연구 대상자들의 특성을 알아보기 위해 빈도와 백분율, 평균, 표준편차 등 기술통계분석을 사용하였다. SBP와 DBP, SBP와 DF_P, DBP와 DF_P 간의 상관관계를 검증하기 위해서 상관분석을 실시하였다. 표본의 수가 30개 미만이어서 비모수방법인 Spearman rho가 사용되었다.
이러한 가정을 검증하기 위하여 20대 남녀 20명을 대상으로 PPG의 파라미터 독립변수를 Fig. 1과 같이 계산하였으며, 본 연구의 자료 분석은 SPSS Window 22.0을 사용하였고 연구 대상자들의 특성을 알아보기 위해 빈도와 백분율, 평균, 표준편차 등 기술통계분석을 사용하였다. SBP와 DBP, SBP와 DF_P, DBP와 DF_P 간의 상관관계를 검증하기 위해서 상관분석을 실시하였다.

이론/모형

SBP와 DBP, SBP와 DF_P, DBP와 DF_P 간의 상관관계를 검증하기 위해서 상관분석을 실시하였다. 표본의 수가 30개 미만이어서 비모수방법인 Spearman rho가 사용되었다.

성능/효과

PPG 와 ECG 를 통해 특정점에서 PTT 를 구할 수 있었으며, 하나의 PPG 에서 PPI 의 값도 측정할 수 있었다. PPI 가 증가할수록 PTT 는 대체로 짧아지는 경향이 나타났으며, ECG_R 값도 유사한 경향을 나타내었다. 이러한 경향은 SBP나 DBP에서도 영향을 미칠 것으로 예측된다.
본 연구의 변수 인자인 SBP와 DBP, DF_P 간의 상관관계를 분석한 결과는 다음 Table 3과 같다. SBP는 평균이 118.05mmHg, 표준편차는 8.27, DBP은 평균이 79.65mmHg, 표준편차는 5.82, DF_P는 평균이 34.21ms, 표준편차는 4.62로 나타났다
최근에 착용이 용이하고 간편한 손목형 혈압계가 많이 제품화되어 출시되고 있으나, 정확성에 대해서는 실 측정값의 변동값과 재현성의 부족으로 다소 떨어지고 있는 것이 사실이다. 따라서 본 연구에서 제시된 알고리즘은 ECG 와 PPG 를 이용한 방식은 측정 장치의 소형화 과제를 충족시키는 동시에 매우 근접한 결과값을 제시하고 있다고 할 수 있다[14-17].
본 연구에서는 두 개의 PPG 를 통해 그래프 모양을 보고 분석하였으나, PPG 의 완성도 즉 파형의 모양에 따른 변위차도 분석한다면 더 좋은 결과를 얻을 수 있다. 이는 증폭과정에서 일부 파형의 왜곡을 잡을 수 있는 필터를 사용하였으나, 원 데이터의 분석을 통해 파형의 50% 대의 변형을 통해 구별이 가능하다고 할 수 있다.
비모수방법인 Spearman rho가 사용되어 주요 변수들 간의 상관관계를 분석한 결과, 모든 변수 간에는 유의한 상관관계가 있는 것으로 밝혀져 가설이 지지되었다(p<0.01).

후속연구

PPG를 통해 얻은 데이터 값의 오차를 줄이기 위해 개인적인 변수를 예측하여 상수화시키는 알고리즘이 가장 좋은 방법이긴 하지만, 본 연구에서와 같이 상시 측정값은 변동값을 지니고 있어 안정적인 데이터 획득을 위해 측정지점의 일치 및 측정의 안정된 자세, 준비시간, 반복 측정을 통한 데이터 확보 등 물리적인 변화값을 분석할 필요가 있다.
두 개의 PPG 위상차에 발생되는 변수들을 이용하여 BP 를 유추할 수 있으며, PPG 에서 측정된 DF_P 와 기존 SBP, DBP 를 통해 개인별 상수를 구할 수 있으며, 이를 통해 실시간 SBP, DBP 를 구할 수 있다. 센서 측정 면적과 거리가 멀지 않고 중지 손가락이나 손목 어느 위치에도 가능하며 크기도 줄일 수 있어, 향후 실시간 혈압 측정과 관리에 사용될 수 있을 것이라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광전용적맥파(PPG)란 무엇인가?	광전용적맥파(PPG)는 말초혈관 부위에 나타나는 심실 수축에 따른 혈액용적의 변화를 광전신호로 나타내는 파형이다. 따라서 거리, 시간, 속도 등의 정량적 지표로 활용할 수 있다.
	맥파전달속도는 어떤 요소에 영향을 받는가?	기존 연구를 분석하면 주로 맥파전달속도(PWV: Pulse Wave Velocity)를 이용하여 알고리즘을 구현했으며, 정확도와 연속측정을 위해 ECG와 맥파전달시간(PTT: Pulse Transit Time)을 이용하여 혈압을 간접 추정할 수 있는 시스템을 구현하였다[7]. 그러나 맥파전달속도는 여러 가지 요소들과 상관관계를 지니고 있어 단순히 산술적 매칭관계로 정의하기가 어렵고, 혈관의 크기, 혈중 농도 및 혈관벽의 탄성 등과 질환적 요소에 영향을 받는 것으로 알려져 있다[8]. 따라서 이러한 부가적 요소들을 삽입한 상관관계를 지닌 생체신호를 활용해야 오차를 줄일 수 있다.
	환자 스스로 혈압을 조절하기 위해 필요한 조건은 무엇인가?	일반적으로 고혈압이 심혈관 질환으로 진행하기 전 예방법으로 다양한 접근이 있지만, 가장 중요한 것은 환자 스스로 혈압을 조절하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 실시간 연속 측정 관리가 중요하며, 혈압 측정 장치도 접근성과 사용성이 우수해야 한다. 최근에 착용이 용이하고 간편한 손목형 혈압계가 많이 제품화되어 출시되고 있으나, 정확성에 대해서는 실 측정값의 변동값과 재현성의 부족으로 다소 떨어지고 있는 것이 사실이다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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