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Analysis for the Fluctuation of the Photoplethysmographic Waveform derived by Temperature Stress of Measuring Position
Analysis for the Fluctuation of the Photoplethysmographic Waveform derived by Temperature Stress of Measuring Position
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers. 2015. Feb, 64(2): 304-309
Copyright © 2015, The Korean Institute of Electrical Engineers
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited
  • Received : May 07, 2014
  • Accepted : January 27, 2015
  • Published : February 01, 2015
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충 근 이
Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Yonsei Univerity, Korea .
항 식 신
Corresponding Author : Department of Biomedical Engineering, Chonnam National University, Korea E-mail:hangsik.shin@jnu.ac.kr

Abstract
Applicable range of Photoplethysmography (PPG) becomes wider as a non-invasive physiological measurement technique. However, PPG waveform is easy to be distorted by ambient light or vascular variation from temperature changes. Especially, irregular variation of PPG waveform caused by ambient temperature not only severely distorts the PPG, but also leads miss interpretation in clinical applications. Therefore, the investigation of between temperature and PPG waveform is quite important in using PPG. The purpose of this research is to quantify the PPG waveform characteristic and to investigate the waveform variation following the temperature change on measuring site. To quantify the fluctuation of PPG waveform, we use two techniques; detrended fluctuation analysis (DFA) and AC/DC analysis of PPG. We record PPG under temperature stress, which applied by medical use heat pack (40℃) and ice pack (0℃). Ten participants were applied to the experiment, and the result was evaluated to approve the temperature effect with statistical method, Wilcoxon signed rank test. The result shows that the AC component (p<0.05) and perfusion index DFS scale exponent (p<0.01) of PPG have the significance to temperature stress except for a DC component of PPG.
Keywords
1. 서 론
광용적맥파 측정결과에 영향을 주는 주요 요소 중 하나는 측정부 혈관 특성으로 광용적맥파는 측정부의 혈액순환 정도에 따라 형태와 특성이 크게 변화하게 된다. 광용적맥파는 주로 손가락 끝(finger tip), 귓불(earlobe) 등의 신체 말단에서 측정하게 되는데 손가락 말단에서의 불균형적 혈액 순환을 측정하기 위한 다양한 실험이 수행되어 왔음에도 현재까지 만족할 만한 연구 성과는 보고되지 못하고 있다. 단, 손가락 피부 온도(fingers skin temperature, FST)는 온도에 대한 혈관 반응을 관찰하는데 유용한 생리학적 지표로 간주되고 있다 [1] . 손가락 말초혈관의 수축 및 이완은 자율신경계 중 교감신경과 아직 밝혀지지 않은 비신경성 메커니즘의 지배를 받는 것으로 알려져 있다 [2 , 3] . 이 메커니즘에 의하면 손가락 말초혈관은 중심체온과는 독립적으로 국소 체온 자극에 반응하여, 다른 혈관에 비해 신속하게 주변온도에 의해 수축 되거나 이완된다. 따라서 광용적맥파의 신호특성이 측정부 온도특성에 따라, 빠르게 변화된다는 것을 추정할 수 있다.
피부 및 실내 온도와 손가락 혈류간의 상관관계를 분석한 기존 연구에 따르면, 20℃ 부근에서 최대 혈관 수축이 발생하고, 20℃ 이하에서 혈관 확장이 발생하는 것으로 알려졌다. 또한, 20℃ 이상에서는 온도가 증가함에 따라 혈류량이 점진적으로 증가하는 경향을 보였다 [1] . 유사한 주제로 수행된 연구에서, Hsieh et al.은 수조에 손을 넣고 물의 온도를 4.6~40℃로 변화시키며 온도가 말초 혈관의 혈류에 미치는 영향을 분석하였고, 손가락 말단에서의 FST와 혈류속도가 높은 상관관계를 가진다는 것을 보였다 [4] . 이 연구에서는 수조내의 물의 온도가 10℃일 때 혈류량이 최소가 됨을 발견 하였다. 또한, Greenfield의 연구에서는 FST가 혈류랑 뿐 아니라 대기 온도, 방사 온도 및 기류 속도, 습도 등에도 영향을 받는 다는 사실을 밝혀내었다 [5] . 최근의 연구에서는 광용적맥파와 측정원리가 동일한 산소포화도 측정연구에서도 저온 (13~21℃) 조건인 경우 정상체온에 비해 측정 오차가 최대 70% 까지 증가하는 것으로 확인 되었다 [6] . 이상의 기존 연구결과는 광용적맥파의 특성이 온도에 따라 변화하며 임상적 유의성에도 영향을 줄 수 있음을 시사하고 있지만, 온도변이에 따라 변화되는 광용적맥파의 특성을 정량적으로 제시하지는 않는다.
본 연구는 광용적맥파 기술을 다양한 환경에 적용한다는 가정하에 측정부 온도 변화에 따른 광용적맥파 파형 변화를 정량화하고 상관성을 분석하는 것을 목표로 한다. 파형 특성의 변화를 정량화하기 위한 방법으로는 시간영역 및 주파수 영역 분석방법과, 프랙털(fractal)분석 기법에 기반을 둔 요동(fluctuation) 정량화 방법인 탈경향변동분석(detrended fluctuation analysis, DFA)기법, 교류(AC)/직류성분(DC) 분석 방법을 사용하였고, 도출된 결과의 통계분석을 통하여 측정부 온도변이와 파형 특성간 유의미한 상관성이 있음을 확인하였다.
2. 본 론
- 2.1 탈경향변동분석(DFA)
DFA기법은 비정상(non-stationary)신호의 장기간(long-term) 자기상관(auto-correlation) 스케일링을 분석하기 위한 방법으로, 프랙털(fractal) 특성에 기반을 두어 신호의 복잡성 및 요동을 정량화하는데 사용되고 있다 [7 , 8] . DFA는 1995년 Peng, et al. 에 의해 처음으로 제안되었으며 랜덤워크(random walk)를 따르는 무작위적 신호의 수정된-RMS(root mean square)의 일종이다. DFA에서 국부경향곡선(local trend line)에서 신호까지의 실효거리(mean square distance)는 스케일지수로 분석되며 대개 멱법칙(power-law)에 의존하거나 지수에 대한 파라미터로 나타난다. 다양한 경우의 DFA 스케일 지수는 건강한 경우와 병리적 문제가 있는 경우를 구별하는데 사용될 수 있다 [9] .
1차원 신호 x [ i ], i = 1, …, N 에 대하여 DFA 알고리즘을 적용할 때에는 다음과 같은 과정을 거친다. 먼저 다음 수식 (1)과 같이 전체 신호에서 신호의 평균값( xavg )을 제거한다.
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이후 데이터를 길이 n인 다수의 세그먼트로 나누고 각 세그먼트마다 최소제곱법(least square fit)을 통해 신호의 선형근사 (linear approximation) yn 을 구한다. DFA 분석에 있어서 경향선 주변의 평균 신호요동 F [ n ]은 식 (2)와 같다.
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이상의 과정은 모든 n에 대하여 반복적으로 수행한다. 일반적으로, 평균 신호 요동 F [ n ]는 세그먼트의 길이 n의 크기에 따라 증가하는 것으로 알려져 있다.
다음으로 두 축을 로그로 하는(log F ( n ), log n ) 그래프를 생성한다. 여기서 선형성은 자기요동(self-fluctuation)을 나타내고, F [ n ]의 기울기는 식 (3)과 같이 스케일 지수 α를 결정한다. [7 , 10 , 11] :
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스케일 지수(scale exponent) α는 자기상관지수(auto-correlation exponent), 자기유사도값(self-similarity parameter) 으로도 해석되며 값의 범위에 따라 신호의 자기상관 특성을 다음과 같이 나타낸다.
  • α<1/2     anti-correlated
  • α≃1/2     uncorrelated, white noise
  • α>1/2     correlated
  • α≃1         1/f-noise, pink noise
  • α>1          non-stationary, unbounded
  • α≃3/2     Brownian noise
본 연구에서는 DFA분석을 위한 세그먼트의 크기를 1초(1000 sample)로 설정하고, DFA 스케일 지수의 특성을 활용하여 광용적맥파 신호의 변동성을 정량화하고 실험조건에 따른 변동 및 유의성을 검증하고자 한다.
- 2.2 광용적맥파 AC/DC 성분 분리 및 정규화
광용적맥파는 맥동성분인 AC와 비맥동성분인 DC 성분으로 구성되어 있다. 일반적으로 DC 성분은 체온유지 및 Meyer wave, AC성분은 맥동 등과 같이 각각 다른 생리학적 기전을 가지고 있는 것으로 알려져 있으므로, 보다 정밀한 분석을 위해서는 AC와 DC를 분리해서 분석할 필요가 있다. [12] . AC와 DC 성분을 분리하기 위해 본 연구에서는 심박과 동기화된 광용적맥파의 중심주파수 추적 및 영위상 필터(zero-phase filter)를 사용하였다. 그림 1 은 광용적맥파의 주파수 분석 예와 DC/AC분리 기준을 보여준다. 그림 1 은 기본주파수(f0)가 1.28 Hz (76.8 bpm)인 경우 광용적맥파의 주파수 성분을 나타내고 있으며, 광용적맥파의 주파수 성분이 기본 주파수와 그 고조파의 조합으로 구성되어 있는 것을 보여준다. 이 때 기본주파수는 평균 심박수에 의해 변동될 수 있다. 본 연구에서는 DC와 AC성분을 분리하기 위해 선험적으로 기본주파수의 0.3 Hz 아래 주파수를 차단주파수(cutoff frequency, fc )로 설정하였고 고주파통과 및 저주파통과 영위상필터를 적용하여 AC와 DC 신호를 분리하였다.
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광용적적맥파 주파수 특성 및 AC/DC분리를 위한 차단주파수 설정 예 Fig. 1 Frequency characteristic of PPG and an example of cut-off frequency configuration to discriminate AD/DC
광용적맥파의 진폭은 임의단위(arbitrary unit)이기 때문에, 분리된 AC와 DC 신호의 크기를 그대로 평가하는 것은 합리적이지 않다. 따라서 AC/DC신호의 정량적 분석 및 평가를 위해 Wang 등이 제안한 정규화기법(식 (4)) 을 적용한 후 1차 선형회귀식을 이용하여 신호의 크기가 −0.5~0.5 V의 값을 가지도록 교정하였다. 여기서, Sig 는 광용적맥파의 AC 또는 DC 성분을 의미한다.
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- 2.3 관류지수(Perfusion index)
말초관류지수는 말초혈관의 맥파강도(pulsatile strength)를 평가하는 정량적인 지표로, 혈역학적 안정성을 나타낸다 [13 , 14] . 이는 식 (5)와 같이 표현할 수 있다.
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정규화된 신호에서 관류지수는 그 의미가 변질될 수 있으므로, 관류지수를 산출할 때에는 정규화 이전의 AC, DC 값을 사용 하였다.
- 2.4 실험 설계 및 데이터 수집
실험에 참여한 피험자는 총 10명으로 평균 연령은 29.1 ± 3.4세였다. 모든 피험자는 심혈관 질환이나 호흡기 질환을 가지고 있지 않았으며 하루 전부터 주류의 섭취를 제한하였다. 또한, 실험 3시간 전 흡연, 커피섭취 등 심혈관계에 영향을 줄 수 있는 행동들은 제한되었다. 실험은 일반적인 실험실 환경(24℃)에서 수행되었고, 실험을 수행하기에 앞서 피험자는 의자에 앉아 팔을 테이블에 얹은 자세로 5분간의 휴식을 취해 안정 상태를 유도했다.
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온도자극에 따른 광용적맥파 측정 개요도 Fig. 2 PPG Measurement site
측정 센서는 피험자의 왼손 검지에 부착하였고 온도제어를 위한 온열팩(40℃), 아이스팩(0℃)은 피험자의 손목부터 손을 감싸도록 착용되었다. 실험 중 온도가 일정하게 유지되는지 확인하기 위해 손가락 피부온도를 동시에 측정 하였다. 외부 공기온도에 영향을 받지 않도록 손가락 골무를 착용한 상태에서 중지 피부온도를 측정하였다. 아이스팩을 사용하여 저온에서 광용적맥파를 획득하고 분석하는 과정에서는 온열팩을 사용하였을 때와 동일하게 손목-손에 아이스팩을 부착시키고 손가락 끝에서 광용적맥파를 기록하였다. 두 실험 모두에서 외부에서 가해주는 온도가 충분히 측정부 온도변화를 일으킬 수 있도록 팩 부착 1분 경과 후 측정을 시작하였다. 광용적맥파 맥박의 정확한 확인을 위해 ECG를 측정하였고, 온도자극이 아닌 깊은 들숨으로 인한 광용적맥파의 급격한 변화를 감지하기 위해, 호흡신호를 추가적으로 측정하였다 [15 , 16] . 실험은 각 피험자당 1 분간 수행하였으며, 데이터는 1 kHz로 샘플링 되었다. 광용적맥파 측정에는 반사형 센서인 TSD100 (Biopac Systems, US)을 사용하였으며 증폭, 기록을 위해 BIOPAC MP150(Biopac Systems, US) 및 PPG100C, ECG100C, RSP100C, SKT100C 측정 모듈을 사용하였다. 광용적맥파 측정시 전압이득은 20, 주파수 필터링 범위는 0.05~10Hz로 설정하였고, ECG는 전압이득 2000, 주파수범위 0.5~35Hz, 호흡신호는 주파수 범위 DC~10Hz, 손가락온도는 주파수 범위 DC~10Hz로 설정하였다. 모든 알고리즘 설계 및 매개변수 추출에는 Matlab(2013b, MathWorks inc, US)을, 통계적 분석 및 유의성 평가를 위해서는 SPSS Statistics(21, IBM, US)를 사용하였다.
3. 실험 결과 및 분석
- 3.1 DFA 분석
스케일 지수 α 의 평균 및 표준편차는 저온 실험의 경우 1.41 ± 0.10, 고온 실험의 경우 1.32 ± 0.12로 나타났다. 또한, 두 실험환경에서 도출한 스케일 지수는 Wilcoxon signed ranks test 수행 결과 유의한 차이( p <0.01)를 가지는 것으로 판명되었다. 그림 3 은 측정부 온도를 고온, 저온으로 설정하고 측정한 광용적맥파 신호 요동간 유의성 비교 결과이다.
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고온 및 저온 조건에서 광용적맥파 DFA 스케일 지수 비교 Fig. 3 Comparison of DFA scale exponent between hot and cold stress
- 3.2 AD/DC 성분 분석
그림 4 는 측정된 광용적맥파 신호의 예를 보여준다. 광용적맥파의 진폭은 측정 기기의 종류, 부착위치, 피부색 등에 영향을 받아 정규화 된 값이 존재하지 않으므로 임의값 (arbitrary unit, a.u.)으로 표시한다
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측정된 광용적맥파 예. (a) 고온에서 측정된 광용적맥파 파형, (b) 저온에서 측정된 광용적맥파 파형 Fig. 4 An example of PPG waveform. (a) Hot temperature, (b) Cold temperature
표 1 은 피험자별 온도환경에 따른 광용적맥파의 AC 및 DC 실효치를 나타낸 것으로, Wilcoxon signed ranks test를 수행해 본 결과 저온과 고온 상태에서 AC 크기는 −34.9 ± 38.6 mV로 유의한 차이(p<0.05)를 보였으며, DC 크기는 유의한 차이가 발생되지 않았다. 말초관류지수에서는 저온상태가 고온상태보다 −72.1 ± 121.2 % 낮은, 유의한 차이가 발생되었다.
피험자별 온도환경에 따른 광용적맥파 AC/DC성분 특성Table 1Characteristic of PPG AD/DC Component of subjects in temperature stress (*p<0.05)
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피험자별 온도환경에 따른 광용적맥파 AC/DC성분 특성 Table 1 Characteristic of PPG AD/DC Component of subjects in temperature stress (*p<0.05)
- 3.3 결과 고찰
본 연구는 온도차이가 광용적맥파 측정 부위 주변에서 발생되었을 때, 그 변화를 신호크기(실효치), 말초관류지수 및 DFA를 사용하여 정량화하고, 온도에 따른 변동특성을 관찰하는 것을 목적으로 한다. 실험 결과, 신호요동특성 정량화 기법인 DFA 스케일 지수 분석에서, 저온/고온 부하에 따른 광용적맥파의 요동 특성이 유의미한 변화를 가지는 것으로 나타났다 (0.09, p<0.01). 이 때, 저온/고온에서 획득한 광용적맥파의 스케일 지수는 정의에 따라 비정상 신호(non-stationary)군 에 속하는 것으로 확인되었으나 저온 조건의 경우 (1.41 ± 0.10) 고온 조건의 경우 (1.32 ± 0.12) 에 비해 신호의 변동성이 더 큰 것으로 나타났다. 또한, 온도자극에 따른 정성적 평가에서는 고온상태에서 보다 안정된 AC와 DC 특성이 관찰 되었다. 그러나 정량적 통계분석 결과, 온도변화에 따라 AC 성분에서는 유의한 차이가 나타났으나 (−34.9±38.6, p<0.05), DC 성분에서는 유의한 진폭 차이가 발견되지 않았다. 이러한 현상의 원인으로는 혈용량(blood volume)의 변화를 주로 반영하는 AC 신호가 저온 자극에 따른 혈관수축(vaso-constriction) 및 혈관 탄성 감소 [17 - 19] 에 의해 그 크기가 유의미하게 감소 된 것으로 추정되고, DC 신호는 온도조절기능(thermoregulation)뿐 아니라 호흡, 혈관운동활동(vasomotor activity), 정맥 혈액량 등 다양한 생리학적 요소에 영향을 받으므로 [12] 상대적으로 국소 지역의 온도 변이에 의한 변동 폭이 크지 않았던 것으로 판단된다. 말초관류지수 분석에서는 저온상태일 때 낮은 값을 가지는 것으로 나타났으며, 이는 측정부의 저온 자극에 따라 말초혈관의 혈액출력능력이 감소되는 것을 의미하고 있다. 신호크기분석을 종합하면, 광용적맥파 측정부온도 변화는 혈관 탄성 및 관출능력에 영향을 받아, 광용적맥파 AC 성분의 진폭에 영향을 주고 있는 것으로 추정된다.
4. 결 론
광용적맥파는 쉬운 구현을 통해 심박 등의 생체정보를 손쉽게 측정할 수 있다는 점에서 최근 모바일헬스케어 등에 광범위하게 적용되고 있으나 온도 등의 다양한 환경변화에 따라 유발되는 생리학적 변화에 따라 광용적맥파의 형태는 쉽게 왜곡될 수 있다. 이는 임상적으로 광용적맥파를 적용하고자 할 경우 광용적맥파 파형을 통해 분석할 수 있는 반사지수(reflection index) [20] , 혈관저항성(systemic vascular resistance) [21] , 좌심실수축 [22] , 혈관노화 [23] 등 생리학적 특성분석 오류로 이어질 수도 있으므로 외부 요인에 의한 파형의 변화를 반드시 관찰할 필요가 있다.
이를 위해 본 연구에서는 외부 온도 변화에 따른 광용적맥파 파형의 변화를 관찰하고 이를 정량화하기 위한 기법을 제시 및 적용하였다. 본 연구에서 도출된 결과에 의하면 고온상태와 비교하여 저온상태에서 DFA 복잡성이 증가하였으며, AC 신호 강도 및 관류지수가 감소하는 것으로 나타났다. 이는 고온 상태보다 저온 상태에서의 신호 변동 폭이 큰 것을 의미하며 측정부의 온도가 광용적맥파 신호의 요동에 유의한 영향을 끼치는 것을 반영한다. 이상의 결과는 정상인이라 할지라도 저온 상황에 노출되어 있거나, 말초혈액순환이 원활치 않아 수족냉증을 보유한 정상 피험자 경우에는 획득된 신호의 품질이 낮을 수 있음을 시사하고 있다.
연구의 결과를 통해, 광용적맥파의 안정적인 측정을 위해서는 측정부의 온도를 보상할 필요가 있음을 확인할 수 있었으며, 이를 기반으로 온도와 광용적맥파 신호간의 상관성이 명확히 규명된다면, 광용적맥파 측정을 위한 온도제어나 보상에 대한 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 단 본 연구는 온도 변화에 따른 신호 변동을 관찰하기 위한 초기 실험으로 피험자 수가 적고 및 신호 획득 시간이 비교적 짧다는 한계를 가지고 있다. 온도 설정에 있어 고온, 저온환경에 대한 실험을 수행하여 연속적인 온도 변화에 따른 신호 요동 분석 역시 향후 추가 연구가 필요하다.
Acknowledgements
본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신산업진흥원의 ICT 융합고급인력과정 지원사업의 연구결과로 수행되었음 (NIPA-2014-H0401-14-1022)
BIO
이 충 근(Chungkeun Lee)
1978년 8월 13일 생. 2002년 연세대학교 의공학과 졸업. 2011년 연세대학교 전기전자공학과 박사. 2011년~2014년 10월 세브란스병원 심장내과 연구원 2014년 10월~현재 식품의약품안전처 공업연구사
Tel : 042-230-0546
Fax : 042-230-0530
E-mail : pencilsound@korea.kr
신 항 식(Hangsik Shin)
1979년 10월 10일 생. 2003년 연세대학교 전기전자공학부 졸업. 2005년, 20010년 연세대학교 대학원 전기전자공학과 석사, 박사 졸업(공박). 2010년~2013년 8월 삼성전자주식회사 DMC연구소 책임연구원
2013년 9월~현재 전남대학교 공학대학 의공학과 조교수.
Tel : 061-659-7362
Fax : 061-659-7369
E-mail : angsik.shin@jnu.ac.kr
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