[논문]PPG 2차 미분을 이용한 정상인과 당뇨병 환자 간의 왼손과 오른손 말초혈관 탄성도 차이 비교

이탁형; 심영우; 노형욱; 김덕원

PPG 2차 미분을 이용한 정상인과 당뇨병 환자 간의 왼손과 오른손 말초혈관 탄성도 차이 비교
Comparison of left and right hand peripheral vascular compliance between normal and diabetic group using the second derivative of photoplethysmogram 원문보기

이탁형 (연세대학교 생체공학협동과정) , 심영우 (연세대학교 의과대학 의과학과) , 노형욱 (연세대학교 생체공학협동과정) , 김덕원 (연세대학교 의과대학 의학공학교실)

우리나라의 당뇨병 유병률은 경제발전과 식생활의 급속한 서구화로 빠른 속도로 증가하고 있다. 특히 당뇨병은 유병기간이 길수록 여러 합병증을 초래하는데 그 중 하나가 혈관경화증이다. 혈관 경화증은 신체 부위별로 그 진행 속도가 다르다. 광혈류측정법(PPG, photoplethysmogram)은 간편한 혈류량 측정방법으로 PPG 2차 미분 방법을 이용해서 혈관의 경화도를 진단할 수 있다. 이러한 PPG 2차 미분방법을 이용하여 당뇨병환자의 왼손과 오른손의 말초혈관 탄성도 차이를 정상인과 비교해 보았다. 실험결과 당뇨병환자와 정상인의 양 손가자 말초혈관 탄성도의 유의한 차이를 확인 할 수 있었다.

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문제 정의

하지만 지금까지의 혈관 탄성도 측정 방법들로는 대동맥, 경동맥, 대퇴동 맥 같이 인체 내에서 크기가 큰 혈관들의 탄성도만이 측정이 가능하여 인 체 말초부위의 탄성도 차이는 측정된 사레가 거의 없다. 따라서 본 연구에서는 말초 혈관의 탄성도를 즉정할 수 있는 PPG(Photoplethysmography) 2차 미분 방법을 이용하여 손가락 말초혈관의 탄성도를 측정함으로써 당뇨 병 환자들의 양손간의 혈관 탄성도 차이가 정상언들과 다르게 나타나는지 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 당뇨병 환자와 정상인 간의 양 손간 말초혈관 탄성도 차이를 비교해 보았다. 최종 분석에서는 당뇨병 환자군 데이터 중 하나의 이 상치를 제외하고 당뇨병 환자군 49명, 정상인 50명의 데이터를 이용해서 통 계처리 하였다.
본 연구에서는 당뇨병 환자와 정상인 간의 왼손과 오른손 손가락 말초혈 관 탄성도 차이를 비교해 보았다. 혈관의 탄성도는 연령에 따라 감소하기도 하나 당뇨병 환자의 경우 질병으로 인한 탄성도 감소가 더욱 크며 또한 혈 관의 탄성도 감소가 혈관의 부위에 따라 다르게 진행되기 때문에 손가락 말초혈관에서의 탄성도 차이가 정상인 보다 더 크게 나타날 것으로 생각되 었다,

제안 방법

PPG 신호는〈그림1＞과 같이 환자와 정상인군 모두 대칭되는 손가락 한 쌍과 발가락 한 쌍, 총 4곳에 센서를 부착하여 측정하였£며 각 센서의 신 호는 동시에 측정되었다. 데이터는 측정 대상 별로 약 30초간 수집 되었다.
각 실험 대상자 별로 기록된 PPG 파형을 불러와서 전체 구간 중에서 파형이 안정된 10초의 구간을 선택하였다.〈그림 4＞와 같이 선택된 구간내의 각 파형을 2차 미분 하고 파형별로 2차 미분에서 얻어 지는 값들 중에서 〈그림 3＞에서 a와 b에 해당 되는 값을 구한 후 그 값을 평균하여 탄성도를 구하였다.
1(National Instrument, USA)을 이용하였다. 각 실험 대상자 별로 기록된 PPG 파형을 불러와서 전체 구간 중에서 파형이 안정된 10초의 구간을 선택하였다.〈그림 4＞와 같이 선택된 구간내의 각 파형을 2차 미분 하고 파형별로 2차 미분에서 얻어 지는 값들 중에서 〈그림 3＞에서 a와 b에 해당 되는 값을 구한 후 그 값을 평균하여 탄성도를 구하였다.
마지막으로 분석 프로21램을 통해 구해진 왼손과 오른손의 b/a값의 차를 구해서 절대값을 취함으로써 왼손과 오른손의 탄성도 차이를 구하였다. 이렇게 구해진 탄성도의 차이는 SPSS13.
PPG의 측정은 본 연구실에서 개발된 4 채널 PPG 측정 장비를 이용해서 이루어졌으며 실험대상은 신촌 세브란스병원 당뇨병센터에서 당뇨병으로 확진된 당뇨환자 50명과 서울 및 인천에 거주하는 정상인 50명으로, 당뇨병 환자군과 정상인군의 평균 나이는〈표1＞과 같다. 혈관의 탄성도는 연령에 따라 감소하기 때문에 각 그룹 간 연령에 따른 혈관의 탄성도 차이를 최소 화 하기위해 당뇨병 환자군과 정상인군 간의 연령대별 인원을 맞춰 주었다.

대상 데이터

PPG의 측정은 본 연구실에서 개발된 4 채널 PPG 측정 장비를 이용해서 이루어졌으며 실험대상은 신촌 세브란스병원 당뇨병센터에서 당뇨병으로 확진된 당뇨환자 50명과 서울 및 인천에 거주하는 정상인 50명으로, 당뇨병 환자군과 정상인군의 평균 나이는〈표1＞과 같다. 혈관의 탄성도는 연령에 따라 감소하기 때문에 각 그룹 간 연령에 따른 혈관의 탄성도 차이를 최소 화 하기위해 당뇨병 환자군과 정상인군 간의 연령대별 인원을 맞춰 주었다.
본 연구에서 사용한 센서 프로우브는 산소포화도 측정용 센서와 호환되는 Pulse Oximeter 프로우브(DST00A, Nellcor, USAX 사용하였다. 센서는 발광다이오드(light emitting diode)勇 광센서 (photodiode)로 구성되고, 발광 다이오드에서는 적색광(660nm)과 적외선광(940nm)이 발광되며 이 빛이 손 가락 또는 발가락을 통과하면 혈류량에 따라 달라진 투과량을 광센서를 이 용해 감지한다
본 연구에서는 당뇨병 환자와 정상인 간의 양 손간 말초혈관 탄성도 차이를 비교해 보았다. 최종 분석에서는 당뇨병 환자군 데이터 중 하나의 이 상치를 제외하고 당뇨병 환자군 49명, 정상인 50명의 데이터를 이용해서 통 계처리 하였다. 실험을 통해 구해진 당뇨병 환자와 정상인의 왼손과 오른손 검지 손가락 탄성도의 차이는〈그림4＞와 같이 나타나며 통계분석 결과는 〈표2＞와 같다.

데이터처리

마지막으로 분석 프로21램을 통해 구해진 왼손과 오른손의 b/a값의 차를 구해서 절대값을 취함으로써 왼손과 오른손의 탄성도 차이를 구하였다. 이렇게 구해진 탄성도의 차이는 SPSS13.0(SPSS Inc, USA)으로 Independent t-Test를 수행하여 당뇨병환자와 정상인 간에 유의한 차이가 있는지 알아 보았다.

성능/효과

당뇨병환자 50명과 정상인 50명의 왼손과 오른손 손가락의 말초혈관 탄성 도를 측정하여 비교한 결과 당뇨병 환자이 차이가 큰 것으로 나타났지만 통계적으로는 유의한 차이를 보이지 않았다.
당뇨병환자와 정상인의 양 손가락 탄성도 차이 평균 비교결과 당뇨병 환자의 탄성도 차이가 정상인 보다 큰 것으로 나왔지만 통계분석 결과 두 그 룹의 평균 간에 유의한 차이가 없음(p-value = 0.411)을 확인할 수 있었다.

후속연구

이런 걸과는 연령별로 구분을 하지 않아서 연령증가에 의한 탄성도 감소 가 측정결과에 반영되어 나타난 결과로 사료된다. 따라서 추후에 연령대 별 로 구분된 당뇨병 환자군과 정산인군간의 비교 연구가 필요하다.

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