PPG 신호의 진단적 특징 및 의료에서의 잠재적 응용: 체계적 검토

Diagnostic Features and Potential Applications of PPG Signal in Healthcare: A Systematic Review

PPG 신호의 진단적 특징 및 의료에서의 잠재적 응용: 체계적 검토

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8950880/pdf/healthcare-10-00547.pdf

1981년부터 현재까지의 논문들을 검토한 논문이라고 서술

2022년 3월 16일 출판된걸로 보아 2021년까지의 논문으로 추측댐

1. Introduction

  1. PPG의 정의와 기본 원리
  • Photoplethysmogram → Photo(빛), Plethysmos(변화), Graphos(기록)의 합성어
  • 인체 조직에 의해 흡수되거나 반사되는 빛의 양을 측정하는 방식
  1. PPG의 중요성
  • 저렴한 센서로 쉽게 측정 가능
  • 추가적인 알고리즘 처리를 통해 다양한 생체정보 획득 가능:
    • 호흡률
    • 혈압
    • 심혈관 질환
    • 노화
    • 신경학적 장애
  1. 연구 동향:
  • 1968년부터 현재까지의 발표 논문 수와 인용 추이를 보여줌
  • 2015년 이후 급격한 증가세를 보임

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저자들은 이러한 증가세가 2015년 4월 Apple Watch 첫 출시와 연관이 있다고 분석

  1. 기존 PPG 관련 리뷰 논문들의 초점:
  • 특정 의료용도 중심: 맥박수, 혈압, 심장질환, 순환 모니터링, 통각
  • 신호 분석 방법
  • 센서 부착 위치, 센서 종류
  1. 본 논문의 차별점과 목적:
  • PPG의 진단적 측면과 헬스케어 응용에 초점
  • 헬스케어 분야에서 PPG 활용 시 당면한 과제 분석

  1. Method of Systematic Review

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다음 플로우차트를 통해 초기 3811개의 논문을 최종 205개로 좁힘

  1. 데이터 소스 검색 및 식별:
  • 주요 검색 데이터베이스: Web of Science, Scopus, ProQuest, Elsevier, IEEEXplore, ScienceDirect, ACM Digital Library

다음과 같이 필터링

  • 2015년 이후 출판 논문
  • 2015년 이전이라도 중요한 인용 논문은 포함
  • 다음 키워드가 없으면 제외: “photoplethysmography”, “photoplethysmogram”, “PPG”, “pulse oximeter”, “photoplethysmographic”, “oximetry”
  • 헬스케어 분야만 한정 등
  • 최종 4,000 → 205개의 논문 선정

3. Diagnostic Features and Their Clinical Usages

(진단 기능 및 임상 용도)

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투과방식 vs 반사방식

  1. PPG 장치의 기본 구성요소: LED(광원), 포토다이오드(빛 감지기)
  2. PPG 측정 방식 (Figure 3):

a) 투과 방식(Transmission mode):

  • LED 빛이 신체 조직을 투과하여 측정
  • 주로 손가락 끝이나 귓불에 적용
  • 빨간색 LED와 적외선 LED 사용(인체 조직 깊숙이 투과 가능)

b) 반사 방식(Reflection mode):

  • LED와 포토다이오드가 나란히 위치
  • 조직에서 산란된 빛을 지속적으로 기록
  • 녹색 LED 사용( 헤모글로빈이 녹색 빛을 잘 흡수하여 관찰이 편함)
  1. 영상 광혈량측정(iPPG/rPPG):

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  • 2000년 Verkruysse 등에 의해 소개
  • 비접촉식 PPG 측정 방식
  • 일반 비디오카메라로 얼굴에서 PPG 신호 측정 가능
  • 적용 가능 기기:
    • 일반 카메라
    • 감시 카메라
    • 모바일 카메라
  • 측정 가능 부위: 얼굴, 이마, 가슴, 손가락, 노출된 피부
  • 원격 환자 모니터링에 중요한 역할
  1. PPG 신호의 특성:
  • 영향을 주는 요소들:
    • 혈액량
    • 혈관벽 움직임
    • 적혈구 방향
  1. PPG 파형의 주요 측정 요소:
  • 진폭(피크)
  • 높이
  • 면적
  • 너비
  • 최대/최소 기울기
  1. 중요한 PPG 특성들:
  • PTT (Pulse Transit Time):
    • 동맥파가 두 지점 사이를 이동하는 시간
    • ECG와 PPG 파형 사이의 시간 지연으로 측정
    • 혈압 추정에 주로 사용
  • PWV (Pulse Wave Velocity):
    • PWV = L/PTT (L: 심장에서 말초 부위까지의 거리)
    • 동맥 경직도 측정에 사용
  • PWA (Pulse Wave Amplitude):
    • 수면 연구에서 사용
  1. 웨어러블 기기의 PPG 센서:
  • 측정 가능 항목:
    • 심박수
    • 혈압
    • 운동 중 스트레스 레벨
  • 다양한 착용 위치:
    • 손목
    • 코
    • 발목
    • 가슴
  • 혁신적인 PPG 센서 배치:
    • 매트리스
    • 체중계
    • 반지 형태

PPG 기술이 단순한 생체 신호 측정을 넘어 다양한 형태의 웨어러블 기기로 발전중

4. Potential Applications of PPG Signal and Impacts on Healthcare

(PPG 신호의 잠재적 응용 및 의료에 미치는 영향)

  1. PPG의 현대적 발전:
  • 2015년 Apple Watch 출시: 개인화된 웨어러블 디바이스의 선두주자
  • 2018년 FDA 승인: PPG-AFib 분석 소프트웨어를 의료기기로 인정
  1. 진단(Diagnosis) 분야의 응용:
  • 웨어러블 PPG 센서의 주요 기여:
    • 조기 진단
    • 건강 합병증 예방
    • 지속적이고 편리한 관찰
  • 주요 응용 분야:
    • 심혈관 질환 위험 평가
    • 수면무호흡증 예후
    • 고혈압 진단
    • 당뇨병
    • 정신과적 상태
  1. 심혈관 질환(CVDs) 분야의 세부 응용:
  • WHO: CVDs는 전 세계 사망 원인 1위
  • 주요 진단 대상:
    • 심장마비
    • 뇌졸중
    • 심부전
  • PPG/SDPTG의 활용:
    • 심혈관 질환 위험 평가
    • 심부전 식별
    • 수면무호흡증 모니터링
    • 경정맥 원격 모니터링
    • 정맥 폐색
    • 폐쇄성 비대심근병증
    • 심박출량 예측
    • 동맥 탄성도 측정

특히 주목할 점:

  1. 스마트워치가 CVD 환자의 생명을 구한 사례들이 보고되면서 비침습적이고 연속적인 CVD 위험 평가에 대한 관심이 증가
  2. PPG 기반 경직도 지수가 CVD 위험 평가에 간단하면서도 유용한 도구가 될 수 있음

분야별 PPG의 사용

  1. 수면 장애 진단
  • 기존 수면다원검사(PSG)의 한계:
    • 병원 입원 필요
    • 많은 리소스 요구
    • 환자와 의료 제공자에게 부담
  • PPG를 활용한 수면 장애 진단의 장점:
    • 지속적이고 편리한 모니터링
    • 맥박수와 산소포화도 연속 측정
    • 비침습적 수면/호흡 모니터링 가능
  1. 당뇨병 진단
  • 현재 상태:
    • 비침습적 혈당 모니터링 연구는 초기 단계
    • 혈당과 PPG 신호의 관계는 아직 모호
    • 산소치료 중인 당뇨병 환자에서 잘못된 측정 사례 보고(2012년)
  • 연구 방향:
    • 머신러닝 활용:
      • SVM(Support Vector Machine)
      • 로지스틱 회귀
      • DNN(Deep Neural Network)
    • 스마트폰 앱을 통한 PPG 신호 수집
    • 당뇨병성 신경병증 환자와 대조군의 PPG 신호 차이 연구
  1. 정신의학 분야 응용
  • PPG의 새로운 활용:
    • 감정 탐지
    • 불안감 감지
    • 정신적 스트레스 측정
  • 주요 연구 분야:
    • 운전자의 감정 및 불안감 연구
    • 수술 전 환자의 불안감 평가
    • 인간-기계 상호작용에서의 감정 인식
  • 한계와 과제:
    • 움직임 아티팩트로 인한 신호 분류의 어려움
    • 연구 분야가 초기 단계임
    • 변수 간 관계에 대한 가설 설정의 어려움

등등 소아과 분야, 신경학 분야에 사용 가능

  1. 피트니스 분야
  • 주요 기능:
    • 걸음 수와 칼로리 계산
    • 맥박수 측정
    • 운동 중 심장 스트레스 측정
    • 심박출량 측정
    • PPG가 전통적 의료기기를 넘어 일상적 건강관리 도구로 발전

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PPG, iPPG, SDPTG 시그널 타입별 특징

  • PPG(접촉식): 가장 폭넓은 응용 분야 보유
  • iPPG(비접촉식): 주로 모니터링 분야에서 활용
  • SDPTG(PPG 2차 미분): 특정 진단 분야에 특화

응용 분야 분류

  • Diagnosis(진단 - 확정 ): 심혈관 질환, 수면장애, 당뇨병, 정신의학
  • Monitoring(모니터링 - 관찰): 외래진료, 소아과, 수술, COVID-19, 신경, 투석
  • Screening(선별검사 - 선별): 심방세동(부정맥), 피트니스
  • Others(기타)

주요 영역별 활용

  1. PPG는 모든 응용 분야에서 활용되고 있음
  2. iPPG는 비접촉 측정이 유리한 분야(수술, 소아과 등)에서 주로 활용
  3. SDPTG는 특정 진단(심혈관 질환, 신경계 등)에서 제한적으로 활용
  4. COVID-19 모니터링은 PPG만 사용되고 있음을 확인할 수 있음

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의료 분야별 PPG 신호의 구체적인 응용(진단, 모니터링, 스크리닝)

진단/모니터링/스크리닝의 차이:

  1. 진단(Diagnosis): 확정
  • 질병이나 상태를 확정하는 과정
  • 구체적인 증상이나 징후를 분석
  • 정확한 의학적 판단이 필요
  • 예: 당뇨병 진단, 심장질환 진단
  1. 모니터링(Monitoring): 관찰
  • 지속적인 관찰과 추적
  • 상태 변화를 시간에 따라 관찰
  • 치료 효과나 질병 진행 상태 확인
  • 예: 수술 중 환자 상태 관찰, COVID-19 환자 상태 추적
  1. 스크리닝(Screening): 선별
  • 질병이나 이상 징후의 초기 발견
  • 대규모 집단을 대상으로 실시
  • 예방적 차원의 검사
  • 예: 심방세동 조기 발견, 피트니스 체크

PPG가 단순한 생체신호 측정을 넘어 다양한 의학적 상태를 진단하고 모니터링하는 데 사용될 수 있음을 보여줌

5. Challenges

승인 및 규제 문제

  • 웨어러블 기기의 대중화에도 불구하고 의료기기 승인 필요
  • 신뢰성 확보와 법적 문제 예방 위한 보건당국 승인 필수

PPG 단독 사용의 한계

  • 다른 생체신호와 결합 필요
  • ECG, PSG, EEG 등과 함께 사용
  • 높은 정확도 필요시 단독 사용 부적합

PPG 파형 품질 문제

  • 움직임 등 여러 요인으로 인한 신호 품질 저하
  • 신호처리 알고리즘으로 해결 시도

머신러닝 관련 과제

  • 컴퓨팅 파워 요구
  • 데이터 주석 처리 필요
  • 저장공간과 배터리 한계

기술적 문제와 임상적 한계가 동시에 존재

데이터 관련 이슈(품질, 양, 보안)가 주요 과제

6. Conclusions

주요 결론

  • PPG 신호가 웨어러블 센서와 옥시미터의 보급으로 큰 주목을 받음
  • PPG 신호의 진단적 특징과 임상적 활용 가능성 검토
  • 입원 및 외래 환자의 진단, 모니터링, 스크리닝, 피트니스에 대한 잠재적 영향 검토

향후 발전 방향

  • 의료진, 엔지니어, 웨어러블 센서 제조업체 간의 협력 강화 필요
  • PPG 기반 방법의 진단 및 모니터링 분야 발전 가능성

이후 방향: PPG쪽 신호분석쪽 페이퍼 읽어오기, AI쪽으로 해도되고 안해도되고