PPG 신호를 이용한 심혈관 기능 및 혈압의 추정에 관한 연구

Abstract

[한글]

본 연구에서는 광센서를 이용하여 수집된 PPG 신호를 사용하여 혈압을 추정할 수 있는 방법을 제안한다. 혈압의 변동은 혈액량의 변동과 저항 성분의 변동으로 구성된다. 그리고 PPG 신호는 혈압의 파형과 유사함을 보이며 혈관의 수축과 이완의 기점에 대해서도 유사한 변화를 보인다[32]. 즉 광원이 피부에 투과되어질 때 파형의 맥동성분은 동맥혈관에서 심장의 수축과 이완에 영향을 받으며, 직류성분은 심장의 이완동안 혈관 내에 잔류하는 혈액을 의미한다. 따라서 실험에서 시간의 함수 형태로 획득된 PPG 신호를 분석하여 심장의 출력성분(DC)과 저항성분(AC)을 구분함으로써 심혈관의 기능과 혈압을 추정할 수 있는 근거를 제공한다.

실험은 우선적으로 동물 실험을 통해 혈압과 PPG 신호와의 상관관계를 조사하였으며 발견되어진 관계를 바탕으로 1차적 임상실험을 통하여 재확인하였다. 이후 2차적 임상실험을 통해 PPG 신호와 온도·압력과의 상관성을 알아보았고 마지막으로 모든 실험을 바탕으로 PPG 신호로부터 심혈관계의 기능과 혈압 추정을 하였다. 상관관계 분석은 중회귀분석법을 사용하였다.

본 연구에서 동물실험과 임상실험 1은 개의 꼬리와 피검자의 손가락에서 측정되었다. 그리고 두개의 요소가 온도와 압력에 표준화 되어진 각각의 PPG 신호로부터 유도되었다: 혈액량 신호, 맥파 신호. 혈압은 이 두 신호의 변화율에 의해 추정되어진다. 두 신호와 혈압과의 중회귀분석에서 상관성은 동물실험에서 수축기 혈압에 대해 0.924±0.060, 이완기 혈압에 대해 0.931±0.460, 임상실험 1에서 수축기 혈압에 대해 0.722±0.090, 이완기 혈압에 대해 0.831±0.113임을 확인하였다(p<0.001).

임상실험 2도 피검자의 손가락에서 측정되었는데 이 때 혈액량 신호와 맥파 신호는 각 시기에 대해 온도와 압력으로부터 유도되었다. 두 신호와 혈액량 신호와 맥파 신호의 중회기분석에서 상관성은 수축기 혈액량 신호에 대해 0.835±0.155, 이완기 혈액량 신호에 대해 0.844±0.145, 맥파 신호에 대해 각각 0.767±0.120, 0.770±0.121임을 보여준다. 이 결과는 이동형 감시 장치에 쓰이는 센서의 형태에 의해 측정되어지는 비표준화된 PPG 신호를 통한 혈압의 추정의 가능성을 제시한다.

PPG 신호는 소동맥계로부터 혈압을 제시하는 근거를 제공한다. 표준화된 PPG 신호가 장기적으로 획득되어질 때 혈액량과 맥파의 변화추이는 획득되어질 수 있고 혈압이 증가되어지는 현상을 예측할 수 있다. 비표준화된 PPG 신호는 온도와 압력에 의해 표준화 시켜야한다는 이상의 결론으로부터 기존의 커프에 의한 혈압측정법의 단점을 보완하고 환자의 편의성과 접근성을 유도하는 시스템을 개발할 수 있을 것이다.

[영문]This study proposes a method to estimate blood pressure(BP) from the photoplethysmographic(PPG) signal. Blood pressure consists of the change of blood volume and the resistance. Preciding studies present the PPG signal resembles the BP wave and varies, as does the BP wave, with vasodilator and vasoconstrictor drugs on the circulation[32]. When the light source transmits the skin, just the pulsation factor is affected by cardiac contraction and relaxation and the non-pulsation factor means the remained blood in the vessel during cardiac relaxation. Therefore, we distinguished the cardiac output and the blood vessel resistance by analyzing the PPG signal. This process furnished the bases of the cardiovascular function(CVF) and BP.

In the animal experiments, we first found the correlations between BP and PPG signal, In the first clinical experiments, we reconfirmed the relationships. Next we found correlations between PPG signal and temperature and between PPG signal and pressure with the second clinical experiments. Finally, by the experiments, we could estimate CVF and BP from the PPG signal by the multi-regression analysis.

In the current study, the animal and the first clinical experiments were performed on the index tales and on the index fingers, and two parameters were derived from each PPG signal which is normalized with temperature and pressure. BP was estimated by the level of the variability of the two signals. In multi-regression analysis, we confirmed that the correlation coefficients between BP and the two signals are 0.92±0.060 for systolic BP(SBP) and 0.931±0.460 for diastolic BP(DBP) from the animal experiments. In case of the first clinical experiments, the correlation coefficients are 0.722±0.090 for SBP and 0.831±0.113 for DBP(p<0.01).

The second clinical experiments was also performed on the index fingers, then BV signal and PW signal were changed by temperature and pressure. In multi-regression analysis, the correlation coefficients between the signals show 0.835±0.155 for systolic BV signal, 0.844±0.145 for diastolic BV, and 0.767±0.120 for PW signal(p<0.01). This result presents a possibility of estimation of BP with the PPG signals(without normalization) that are acquired from sensors of mobile monitoring equipment.

The PPG signal furnishes an information for present BP of the arterial system. We are able to get transitions of BV and PW when the normalized PPG signal is acquired during a long term. This process can predict the increase of BP. From the result mentioned above, the PPG signal has to be normalized to temperature and pressure. Then we can develop the system which complements the weak points of existent cuff BP measurement and give a convenience and a good access.