본 연구에서는 광전 용적맥파(photoelectric plethysmography, PPG)를 기반으로 이를 이용하여 혈관 탄성도를 측정 할 수 있는 시스템에 관하여 연구하였다. 광전 용적맥파는 광을 이용한 비 침습적 맥파 측정 방식으로 손가락 끝 부분에서 측정하고 혈액 내에 헤모글로빈의 빛에 대한 광 흡수도의 차이로 인해 나타나게 된다. 얻어진 신호를 2차 미분 하게 되면 가속도 맥파 (acceleration photoplethymogram, APG)를 얻을 수 있고 이는 혈관 탄성도의 추정에 응용가능하다. 본 연구에서는 혈관 탄성도를 측정하기 위한 방법으로 광전 용적맥파를 적용하여 가속도 맥파 측정기기를 설계하고, 이를 바탕으로 혈관 탄성도 추정에 적용 가능 여부를 연구하였다.
본 논문은 스마트폰 탈착형 혈관 탄성 모니터링 모듈을 제안한다. 제안하는 센서 모듈은 광용적맥파(photoplethysmogram, PPG)를 계측하고 가속도 맥파를 복원한다. 복원된 가속도 맥파로부터 특징점을 추출하며, 해당 특징점을 이용하여 혈관 탄성 수치를 추정한다. 해당 모듈은 스마트폰의 USB 단자를 통해 전원을 공급 받으며, 블루투스 방식으로 가속도 맥파 파형과 혈관 탄성 수치를 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰으로 전송된 파형과 혈관 탄성 수치는 안드로이드 어플리케이션을 통해 화면에 디스플레이 된다. 본 연구는 PPG 계측의 일관성을 평가하는 기법을 제안하며, 해당 기법은 모듈의 프로세서 내에 구현되었다. 본 연구에서 개발한 혈관 탄성 모니터링 모듈은 PPG 신호의 계측 및 분석을 지원하지 않는 스마트폰에 쉽게 탈착이 가능한 형태로 적용이 가능하며, 혈관 탄성의 손쉬운 계측 및 수치 분석을 제공하는 특징을 지닌다. 구현된 혈관 탄성 모니터링 모듈의 성능 검증을 위해, 29명의 피험자를 대상으로 혈관 탄성 수치와 맥압을 측정하였다. 맥압은 상용 혈압계를 이용하여 획득하였으며, 해당 지표는 혈관 탄성을 나타내는 대표적 지표에 해당한다. 분석 결과, 제작된 혈관 탄성 모니터링 모듈로부터 획득한 혈관 탄성 수치와 맥압 간의 피어슨 상관계수는 0.778이며, 두 수치 간의 비교적 높은 상관 관계를 확인하였다.
본 연구는 40~50대 중년 남녀를 대상으로 신체계측을 통해 얻어진 신체계측치 및 혈관탄성도와 최대산소섭취량의 관련성을 규명하기 위하여 일개 군 보건소 운동처방실을 방문한 남자 43명, 여자 53명을 대상으로 신체계측치 및 혈관탄성도, 최대산소섭취량 등을 측정하였다.결과를 보면 1.남자의 신체계측치와 혈관탄성도의 상관관계에서는 비만도가, 여자에서는 허리-엉덩이비율이 유의한 상관관계를 보였다. 2.남자의 신체계측치와 최대산소섭취량의 상관관계에서는 비만도, 체질량지수, 허리-엉덩이비율, 체지방율이 유의한 상관관계를 보였으며, 여자에서는 허리-엉덩이 비율, 체지방율이 유의한 상관관계를 보였다. 3.남자의 혈관탄성도 및 심혈관계지표와 최대산소섭취량의 상관관계에서는 최대심박수가 유의한 상관관계를 보였고, 여자에서는 혈관탄성도, 최대심박수가 유의한 상관관계를 보였다. 최대 산소섭취량을 종속변수로 한 다중회귀분석에서는 남녀 모두 체지방율, 혈관탄성도, 최대심박수가 유의한 변수로 나타났다. 즉 체지방율이 낮을수록, 혈관탄성도가 높을수록, 최대심박수가 높을수록 최대 산소섭취량이 높았다. 따라서 40~50대 중년의 최대산소섭취량에 영향을 주는 요인에는 신체계측에 의한 비만관련지수, 혈관탄성도, 심혈관계지표 등 여러 요인들이 복합적으로 관련되는 것으로 판단되어진다.
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.
현재, 우리나라 당뇨병의 유병률은 빠른 속도로 증가하고 있으며 당뇨병의 유병기간이 길수록 각종 합병증이 발생하여 더욱 심각한 증상을 나타내는데, 그 중 비만 및 고혈당, 당대사장애로 인한 당뇨병성 혈관합병증과 말초 혈관 경화증이 많이 발병하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 광혈류량 측정법(Photoplethysmography)으로 손가락 및 발가락에서 얻어진 맥파의 2차 미분분석을 통해 연령이 비슷한 정상인 50명과 당뇨병으로 확진된 50명의 말초 혈관 탄성도를 객관적으로 비교하고자 하였다. PPG 파형의 2차 미분 분석에 사용되는 평가 인자는 a, b, c, d, e 이고, b/a는 혈관의 탄성도를 의미하며 탄성도가 떨어질수록 b/a의 절대 값은 감소하게 된다. 정상인 50명의 PPG 2차 미분 b/a값은 $-1.09{\pm}0.14$, 당뇨병 환자 50명의 PPG 2차 미분 b/a값은 $-0.81{\pm}0.09$로 정상인에 비해 당뇨병 환장의 말초혈관 탄성도가 감소하였으며, Independent t-test 검정 결과 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p<0.05). 본 연구에서는 PPG 파형의 2차 미분 분석을 통하여 정상인과 혈관합병증 발병율이 높은 당뇨병 환자의 말초혈관 탄성도를 비교하였으며, 향후 비침습적이고 간단한 방법으로 당뇨병 환자의 말초혈관 탄성도와 혈관 경화정도를 객관적으로 평가하고 진단함으로써 당뇨병 환자들의 심혈관계질환 사전예방과 치료효과 판정에 도움을 줄 것으로 기대한다.
본 연구는 40~50대 중년 남녀를 대상으로 신체계측을 통해 얻어진 신체계측치 및 혈관탄성도와 최대산소섭 취량의 관련성을 규명하기 위하여 일개 군 보건소 운동처방실을 방문한 남자 43명, 여자 53명을 대상으로 신체계측치 및 혈관탄성도, 최대산소섭취량 등을 측정하였다. 결과를 보면 1.남자의 신체계측치와 혈관탄성도의 상관관계에서는 비만도가, 여자에서는 허리-엉덩이비율이 유의한 상관관계를 보였다. 2.남자의 신체계측치와 최대산소섭취량의 상관관계에서는 비만도, 체질량지수, 허리-엉덩이비율, 체지방율이 유의한 상관관계를 보였으며, 여자에서는 허리-엉덩이 비율, 체지방율이 유의한 상관 관계를 보였다. 3.남자의 혈관탄성도 및 심혈관계지표와 최대산소섭취량의 상관관계에서는 최대심박수가 유의한 상관관계를 보였고, 여자에서는 혈관탄성도, 최대심박수가 유의한 상관관계를 보였다. 4.최대 산소섭취량을 종속변수로 한 다중회귀분석에서는 남녀 모두 체지방율, 혈관탄성도, 최대심박수가 유의한 변수로 나타났다. 즉 체지방율이 낮을수록, 혈관탄성도가 높을수록, 최대심박수가 높을수록 최대산소섭취량이 높았다. 따라서 40~50대 중년의 최대산소섭취량에 영향을 주는 요인에는 신체계측에 의한 비만관련지수, 혈관탄성도, 심혈관계지표등 여러 요인들이 복합적으로 관련되는 것으로 판단되어진다.
노화로 인한 신체조성과 혈관탄성의 변화는 심혈관질환에 위험을 증가시킨다. 하지만 리듬운동은 노인들이 쉽고 재미있게 할 수 있는 유산소 운동으로 신체조성과 혈관탄성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것이다. 그리하여 본 연구는 고령여성 (>65 years) 대상으로 12주간 리듬운동을 실시한 후 신체조성 및 혈관탄성에 어떠한 효과를 미치는지에 관한 연구이다. 실험 참가자들 (n=20)은 무선할당 방식으로 운동집단 (n=10)과 통제집단 (n=10)으로 나누었다. 12주간에 리듬운동은 주3회 한 회당 60분으로 구성되었고 운동강도는 Borg의 운동자각도(6 - 20)에서 11-14로 설정되었다. 신체조성(근육량과 체지방량), 혈관탄성(맥파속도 (Pulse wave velocity (PWV))은 훈련 전과 후에 측정이 되었다. 연구 결과는 신체조성에서 운동집단의 골격근량 (p=0.04)이 유의하게 증가하였고 혈관탄성인 PWV에 오른쪽 (p=0.002)과 왼쪽 (p=0.02)모두 유의하게 감소하였지만 통제집단에서 골격근량과 맥파속도 (오른쪽과 왼쪽)에 유의한 변화가 없었다. 이러한 변화를 분석한 결과를 통하여 볼 때 여성노인들이 흥미를 가지고 쉽게 따라할 수 있는 리듬운동은 근육량을 증가시키고 혈관탄성에 긍정적인 효과를 주어서 근감소증의 예방과 지연 그리고 심혈관 질환의 위험성을 낮출 수 있는 매우 효과적인 운동이라 할 수 있다.
본 연구에서는 심장의 세포 변화에서부터 혈류 순환의 시스템 변화까지 일련의 과정을 시뮬레이션 할 수 있는 통합모델을 개발하였다. 본 통합 모델을 이용하여 대동맥의 탄성도 변화 따른 Pulse Wave Velocity를 추정하였으며 심근의 수축 Mechanics의 변화를 시뮬레이션 하였다. 심장은 단순한 구 형상으로 모델링 되었다. 특히 동맥순환의 특성인 Wave propagation 과 Wave deflection의 현상을 모델링하기 위해 기존 모델에서 사용된 동맥계 순환 모델을 수정하였다. 즉 기존의 동맥 모델을 1차원의 운동방정식과 연속방정식을 기반으로 하는 Distributed arterial model로 대체하였다. Distributed arterial model은 혈액의 점성에 의한 에너지 손실, 혈관의 점탄성 효과 그리고 분지 되는 혈관에서의 에너지 손실을 포함하는 정교한 동맥 순환 모델이다. 정교한 동맥계 순환 모델의 동맥 탄성도 값을 조절함으로써 탄성도 변화에 대한 PWV를 계산 할 수 있었다. 이러한 수치적 방법을 사용하여 노화에 따른 동맥벽 탄성도의 저하가 심근세포의 Cross-bridge 동역학에 미치는 영향을 시뮬레이션 하였다.
신체조성과 혈관탄성의 변화로 인한 심혈관질환과 근감소로 인한 낙상의 발생은 노화로 인하여 가장 빈번하게 발생하게 된다. 그래서 탄력밴드 저항운동은 노인들이 쉽고 안전하게 수행할 수 있으며 신체조성과 혈관탄성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있을 것이다. 따라서 본 연구는 고령여성(>65 years)을 대상으로 12주간 저항운동을 실시한 후 신체조성, 혈관탄성, 낙상위험도지수에 어떠한 효과를 미치는지에 대하여 살펴보았다. 저항운동은 주3회 한 회당 60분으로 구성되었고 운동 강도는 Borg의 운동자각도(6 - 20)에서 11-14로 설정되었다. 신체조성에 해당하는 체중, 근육량, 체지방률, BMI(Body Mass Index)와, 혈관탄성(맥파속도 (Pulse wave velocity (PWV)), 낙상위험도지수(Risk of falling)는 훈련 전과 후에 측정이 되었다. 연구 결과 신체조성에서 운동집단의 체중(p=.003), BMI(p=.002), PWV(p=.017), 낙상위험도지수(p=.037)는 유의하게 감소하였으나 통제집단에서 체중(p=.009), BMI(p=.009)는 유의하게 증가하였다. 따라서 여성노인들은 탄력밴드 저항운동을 통해 체중과 BMI를 감소시키고 혈관탄성에 긍정적인 효과를 얻게 되었다. 그리하여 탄력밴드 저항운동은 노인들의 대사증후군, 심혈관질환, 낙상사고의 발생률을 낮출 수 있는 매우 효과적인 운동이라 할 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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