손가락 PPG만으로 대동맥 경직도를 추정할 수 있을까?

기본 정보

제목: Estimation of Aortic Stiffness by Finger Photoplethysmography Using Enhanced Pulse Wave Analysis and Machine Learning
저자: Henrik Hellqvist, Mikael Karlsson, Johan Hoffman, Thomas Kahan, Jonas Spaak
저널: Frontiers in Cardiovascular Medicine
출판연도: 2024
DOI: 10.3389/fcvm.2024.1350726
PMID: -
근거 수준: 탐색적 분석 (개념 증명 연구)

짧은 시간의 손가락 PPG 기록만으로, 나이나 체구, 혈압 정보 없이도 대동맥 경직도를 신뢰할 수 있게 추정할 수 있는지 검증한 연구이다. PPG 기반 최적 모델의 RMSE가 cfPWV 0.70 m/s, aoPWV 0.52 m/s로 우수한 성능을 보였으며, 기준 장비(SphygmoCor)와 동등한 반복성과 일치도를 달성하였다.

1. 이 연구는 왜 필요했을까

대동맥 경직도는 심혈관 질환의 독립적 위험 인자로, 혈관 노화의 핵심 지표이다. 현재 기준 측정법인 경동맥-대퇴동맥 맥파전달속도(cfPWV)는 전문 장비(SphygmoCor, Arteriograph 등)가 필요하고, 훈련된 검사자가 경동맥과 대퇴동맥 두 부위에서 동시에 맥파를 기록해야 한다.

만약 단일 부위(손가락)의 PPG만으로 대동맥 경직도를 추정할 수 있다면, 의료 현장뿐 아니라 웨어러블 기기에서도 심혈관 위험 평가가 가능해진다. 기존 연구들은 나이와 혈압 같은 추가 임상 정보에 의존하는 경우가 많았는데, 이 연구는 PPG 단독 성능을 명확히 평가하고자 하였다.

2. 어떻게 연구했을까

33명의 참가자(중앙값 44세, 남성 19명)를 대상으로 적외선 손가락 PPG, 단일 리드 ECG, 손가락 혈압을 동시에 고해상도로 기록하였다. 2주 이내에 재측정을 수행하여 반복성도 평가하였다. 경동맥-대퇴 맥파전달속도(cfPWV)와 대동맥 맥파전달속도(aoPWV)를 기준으로 삼았다.

새로운 PPG 특징을 추출하여 머신러닝 모델에 입력하였다. ECG에서 추출한 정규화 맥파 도달 시간(NPAT)을 PPG에 추가하는 조합도 함께 평가하였다. 나이, 체구, 혈압 정보는 의도적으로 모델에 포함하지 않았다.

3. 무엇을 발견했을까

PPG 기반 최적 모델의 RMSE는 cfPWV에서 0.70 m/s, aoPWV에서 0.52 m/s였다. 새롭게 개발한 PPG 특징인 파형 초기 단계의 진폭 비율(amplitude ratio)이 가장 강한 예측력을 보였으며, cfPWV와 r = -0.81, aoPWV와 r = -0.75의 강한 역상관관계를 나타냈다.

추가 임상 정보(나이, 혈압 등) 없이 PPG만으로 대동맥 경직도를 추정할 수 있음을 처음으로 입증하였다. 반복성과 일치도가 비침습적 기준 장비(SphygmoCor 등)와 동등한 수준이었다.

ECG의 NPAT를 추가하면 소폭의 성능 향상이 있었으나, PPG 단독으로도 충분히 의미 있는 추정이 가능하였다.

4. 우리 서비스에 어떻게 쓸까

제품 기능

PPG 센서를 활용한 혈관 건강 평가 기능의 핵심 근거가 된다. 혈관 나이나 동맥 경직도 지수를 사용자에게 제공하는 기능을 설계할 때 참고할 수 있다. 다만 진단 목적이 아닌 건강 인식(awareness) 용도로 제공해야 하며, 의사 상담 권유를 함께 안내해야 한다.

콘텐츠 활용

"손가락 PPG로 대동맥 건강을 알 수 있다면?"
"혈관 나이 측정, 전문 장비 없이도 가능할까?"
"PPG 파형에 숨어있는 혈관 경직도의 비밀"

적용 시 주의사항

33명의 소규모 개념 증명 연구이므로, 대규모 검증 없이 제품에 직접 적용하는 것은 부적절하다. 다양한 연령, 인종, 혈압 범위에서의 외부 검증이 필수적이다.

5. 한계점

가장 큰 한계는 33명이라는 매우 소규모 표본이다. 또한 참가자 대부분이 비교적 건강한 성인이었으므로, 심혈관 질환 환자나 고령자에서의 성능은 알 수 없다. 대동맥 경직도가 매우 높거나 낮은 극단적인 범위에서의 추정 정확도도 별도로 검증해야 한다.

손가락 PPG는 웨어러블에서 가장 흔한 손목 PPG와 파형 특성이 다르므로, 손목 PPG에서 동일한 특징을 추출할 수 있는지도 확인이 필요하다.

마무리

이 연구는 추가 임상 정보 없이 PPG 단독으로 대동맥 경직도를 추정할 수 있음을 처음으로 입증한 핵심 연구이다. 새로운 PPG 특징의 발견과 기준 장비 동등 수준의 반복성은 의미 있지만, 대규모 외부 검증이 후속 과제로 남아 있다.