Age-related Changes of the Finger Photoplethysmogram in Frequency Domain Analysis

연령증가에 따른 지첨용적맥파의 주파수 영역에서의 변화

Objectives: It is well known that some parameters of the photoplethysmogram (PPG) acquired by time domain contour analysis can be used as markers of vascular aging. But the previous studies that have been performed for frequency domain analysis of the PPG to date have provided only restrictive and fragmentary information. The aim of the present investigation was to determine whether the harmonics extracted from the PPG using a fast Fourier transformation could be used as an index of vascular aging. Methods: The PPG was measured in 600 recruited subjects for 30 second durations, To grasp the gross age-related change of the PPG waveform, we grouped subjects according to gender and age and averaged the PPG signal of one pulse cycle. To calculate the conventional indices of vascular aging, we selected the 5-6 cycles of pulse that the baseline was relatively stable and then acquired the coordinates of the inflection points. For the frequency domain analysis we performed a power spectral analysis on the PPG signals for 30 seconds using a fast Fourier transformation and dissociated the harmonic components from the PPG signals. Results: A final number of 390 subjects (174 males and 216 females) were included in the statistical analysis. The normalized power of the harmonics decreased with age and on a logarithmic scale reduction of the normalized power in the third (r=-0.492, P<0.0001), fourth (r=-0.621, P<0.0001) and fifth harmonic (r=-0.487, P<0.0001) was prominent. From a multiple linear regression analysis, Stiffness index, reflection index and corrected up-stroke time influenced the normalized power of the harmonics on a logarithmic scale. Conclusions: The normalized harmonic power decreased with age in healthy subjects and may be less error prone due to the essential attributes of frequency domain analysis. Therefore, we expect that the normalized harmonic power density can be useful as a vascular aging marker.

연구배경과 목적: 지첨용적맥파는 광학기술을 이용하여 손가락 끝에서 혈액용적의 변화를 측정하여 맥파를 검출하는 기술로서, 지첨용적맥파에 대한 시간영역 파형분석을 통해 혈관의 노화정도를 파악할 수 있음은 이미 잘 알려진 사실이다. 이에 본 연구자는 시간영역 파형분석을 통해 혈관노화지표를 얻을 수 있다면, 주파수영역분석법을 통해서도 혈관노화지표를 얻을 수 있을 것으로 가정하였다. 본 연구에서는 주파수영역에서 혈관노화지표를 찾기 위해 건강한 성인들을 대상으로 지첨용적맥파를 측정하고 주파수영역에서 분석하여 고조파가 혈관노화 지표로서 활용될 수 있는가 여부를 결정하고자 한다. 연구방법: 건강인 390명(남자 174명과 여자 216명)을 대상으로 안정 후 앙와위에서 30초 동안 지첨용적맥파를 검출하였다. 검출한 맥파신호에서 기저선이 비교적 안정된 5-6개의 맥파주기를 선택하여 시간영역 파형분석을 통해 얻어지는 혈관노화지표인 승각시간, 경화지수, 반사지수, 가속도맥파를 구하였다. 주파수영역분석을 위해서는 빠른 퓨리에변환(FFT)를 실시하여 고조파 성분을 추출하였다. 특정점 검출을 위해서는 AcqKnowledge software의 peak detector 기능을 이용하였다. 연구결과: 표준화된 고조파 파워는 연령증가에 따라 유의하게 감소하였다; nPWR2 (r=-0.286, p<0.0001), nPWR3 (r=-0.482, p<0.0001), nPWR4 (r=-0.564, p<0.0001), nPWRS (r=-0.467, p<0.0001) 및 nPWR6 (r=-0.263, p<0.0001). 표준화된 고조파 파워의 logarithmic scale에서 연령증가에 따라 보다 강한 선형적인 감소가 나타났다; Ln(nPWR2) (r=-0.281, p<0.0001), Ln(nPWR3) (r=-0.492, P<0.0001), Ln(nPWR4) (r=-0.621, P<0.0001), Ln(nPWRS) (r=-0.487, P<0.0001) 및 Ln(nPWR6) (r=-0.273, P<0.0001). 승각시간, 반사지수, 경화지수를 독립변수로 한 중회귀분석에서 Ln(nPWR2) (R-squared=0.451), Ln(nPWR3) (R-squared=0.471) 및 Ln(nPWR4) (R-squared=0.432)는 비교적 잘 설명되었으나, Ln(nPWRS) (R-squared=0.232) 및 Ln(nPWR6) (R-squared=0.183)는 비교적 잘 설명되지 않았다. 결론: 건강인의 지첨용적맥파에서 기준 주파수로 표준화한 고조파 파워는 연령증가에 따라 감소였으며, 주파수영역분석이 가지는 특성을 고려해 볼 때 표준화된 고조파 파워는 기존의 시간영역 파형분석을 통해 얻어지는 혈관노화지표에 비해 잡음에 의한 오차가 보다 적을 것으로 기대된다. 따라서 우리는 표준화된 고조파 파워가 간편하고 용이하게 혈관노화를 반영하는 새로운 지표로서 활용될 수 있을 것으로 생각된다.