KR20180116185A - 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20180116185A
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Abstract

본 발명은, LF, LFnorm, HF, HR, RMSSD 등의 각 HRV 지수(index)에 대해, 성별, 연령별 통계치를 기반으로 표준점수(편차치)를 사용하여 각 HRV 지수들이 서로 연동된 다차원 출력보고서를 제공하며, 각 HRV 지수에 따라, 자율신경의 균형 및 조절능력을 한눈에 유기적으로 파악하고 평가할 수 있게 하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 중앙점을 지나는 선인 분할선을 다수개 구비하되, 상기 분할선상에 HRV 지수를 나타내도록 하는 그래프를 생성하는 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치 및 제어방법에 있어서, 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출하고, 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수를 Z점수(Z score)로 변환하고, 변환된 Z점수를 이용하여 편차를 구하여, 분할선상에 표시하는 것을 특징으로 한다.

Description

자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치 및 그 제어 방법{Autonomic Balance and Controllability Diagram}
본 발명은, LF, LFnorm, HF, HR, RMSSD 등의 각 HRV 지수(index)에 대해, 성별, 연령별 통계치를 기반으로 표준점수(편차치)를 사용하여 각 HRV 지수들이 서로 연동된 다차원 출력보고서를 제공하며, 각 HRV 지수에 따라, 자율신경의 균형 및 조절능력을 한눈에 유기적으로 파악하고 평가할 수 있게 하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
자율신경계는 인간의 생명유지 활동을 관장할 뿐만 아니라 당뇨, 고혈압 등 많은 질병과 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 자율신경계의 활동을 측정하는 것은 의학적인 측면에서 매우 중요하다. 자율신경계의 활동을 측정하는 방법은 여러 가지가 있으나 대부분 침습적인(invasive) 방법이거나, 재현성이 부족하여 임상 현장에서 제한적으로 사용되고 있다. 근래에는 심박변이도(heart rate variability, 이하 HRV)를 이용하여 자율신경계의 활동을 분석하는 방법이 제안되었다.
1996년에 유럽 심장의학회(The European Society of Cardiology)와 북미 심장박동조율 및 전기생리학회(The North American Society of Pacing and Electrophysiology)는 특별 전문위원회를 구성하고 HRV의 측정, 생리학적인 해석 및 임상적 이용에 대한 가이드라인을 제시한 바가 있다. 이 권고안에서는 자율신경계의 활동을 평가하기 위하여, 심박동수(HR, heart rate), 전체 RR 간격의 표준편차(이하, SDNN이라함)(standard deviation of all normal-to-normal intervals), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(이하, RMSSD라 한다)(the square root of the mean of the sum of the squares of differences between adjacent normal-to-normal intervals), 전체 강도(이하 TP라 한다)(total power spectrum of HRV signal), 저주파수대역 강도(이하 LF라 한다)(power in low frequency range), 고주파수대역 강도(이하 HF라 한다)(power in high frequency range), 저 주파수대역의 정규화된 강도(이하 LFnorm이라 함)(LF power in normalized units), 고 주파수대역의 정규화된 강도(이하 HFnorm이라 함)(HF power in normalized units), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(이하 LF/HF라 함)(LF/HF ratio) 등이 있다.
심박변이도(HRV)는 심전도 신호를 이용하여 자율신경계의 활동을 정량적이고 재현성 있게 측정할 수 있어 병원뿐만 아니라 일상생활에서도 활용할 수 있다. HRV를 이용하여 자율신경의 활동을 평가하기 위해서는 자율신경계에 부하를 주어 부하 전과 후를 비교하는 부하 시험방법과 특정 상태에서 한번 측정한 신호를 분석하는 방법이 있다. 자율신경계의 활동과 반응을 평가하기 위해서 원칙적으로 부하시험을 실시하는 것이 좋지만 시험을 위하여 상대적으로 긴 시간이 필요하고 부하시 환자의 불편이 따를 수 있기 때문에 임상에서는 1회 측정 시험을 선호하는 편이다. 어떤 종류의 시험이든지 기존의 시험 결과는 수치로 표시되거나 막대그래프 또는 슬라이드 바와 같은 형태로 표시되었다.
심박변이도를 이용한 자율신경 검사장치관련하여, 본 발명자들은 국내 등록특허 제10-0493714호를 보유하고 있다.
국내 등록특허 제10-0493714호를 포함하는 대부분의 기존 방법들은 각각의 HRV 지수(index)에 대하여 통계적인 방법에 의해 얻어진 정상범위를 표시하고 피검자의 현재 상태를 점이나 막대 형태의 그래프로 나타내는 것으로, 이는 하나의 HRV 지수만으로 나타내기 때문에 다른 지수와 유기적인 관계를 파악하기 어렵다. 이는 각각의 HRV 지수가 독립적인 의미를 가지고 있기는 하지만, 교감신경과 부교감신경의 활동은 서로 길항적이기 때문에 유기적인 해석이 중요하기 때문이다.
따라서 본 발명에서는, 각 HRV 지수에 따라, 자율신경의 균형 및 조절능력을 한눈에 유기적으로 파악하고 평가할 수 있게 하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제안한다.
특히, 본 발명은 성별, 연령별 통계치를 기반으로 표준점수(편차치)를 사용하여, LF, LFnorm, HF, HR, RMSSD을 가지는 다차원 출력보고서를 제공함으로써 피검자의 상태를 보다 객관적이고 상대적으로 파악할 수 있다.
일반적으로 HR, SDNN, TP 등은 자율신경계의 전반적인 활동과 조절 능력을 나타내는 지표로 활용될 수 있다. 교감신경계의 활동을 잘 표현할 수 있는 지표는 LF, LFnorm, LF/HF 등이 있고 부교감신경계의 활동을 평가할 수 있는 대표적인 지수로는 HF, HFnorm, RMSSD 등이 있다. HR은 자율신경의 활동정도를 나타내기도 하지만 교감신경계의 활동은 민감하게 반영하고 피검자의 전반적인 심장 기능을 나타내는 중요한 지표가 된다. LFnorm과 HFnorm은 수학적으로 합이 100(LFnorm+HFnorm=100)이므로 교감신경계의 활동과 부교감신경계의 활동을 동시에 나타낼 수 있어 전반적인 균형을 나타내는 지표로 사용될 수 있다. LF/HF는 원칙적으로 교감신경의 활동을 관찰하기 위한 지표이지만 이러한 이유로 자율신경계 활동의 균형정도 역시 평가할 수 있다. 주파수 관련 지표들은 로그를 취하여 통계적으로 정규분포를 유도할 수도 있다.
기존의 HRV를 이용한 자율신경평가 장비들은 이들 지수값을 단순히 숫자로 표기하여 숙련된 의사나 전문가가 아니면 해석과 평가가 어려웠다. 일부 진보된 장비에서는 막대그래프 또는 슬라이드 바와 같은 도형을 이용하여 표준영역을 표시하고 피검자의 측정치가 어느 위치에 있는지를 시각적으로 보여줌으로써 일반인들도 각 지표에 대하여 평가가 가능하게 하였다. 그러나 이러한 시각적인 표현 방식은 하나의 지수에 대한 해석은 가능하지만 자율신경계의 활동 전반을 파악하기가 어려운 점이 있다. 자율신경계의 교감신경과 부교감신경은 길항적으로 작용하고 활동, 자세, 호르몬 분비 등 신체적인 요인뿐만 아니라 다양한 정신적인 요인에 영향을 받기 때문에 HRV 지표들을 종합적으로 분석하여 해석하는 것이 필수적이다. 더욱이 HRV 지표는 개인적인 편차가 매우 크고 자극에 대한 반응도 다양하기 때문에 여러 지표들을 종합적으로 분석하고 해석할 필요가 있다.
따라서 본 발명에서는, HRV를 이용하여 자율신경계의 활동을 평가함에 있어서, 성별, 연령별 통계치를 기반으로 표준점수(편차치)를 사용하여 LF, LFnorm, HF, HR, RMSSD 등의 각 HRV 지수가 서로 연계된 다차원 출력보고서를 제공하여, 각 HRV 지수에 따라, 자율신경의 균형 및 조절능력을 한눈에 유기적으로 파악하고 평가할 수 있게 하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, HRV를 이용하여 자율신경계의 활동을 평가함에 있어서, 성별, 연령별 통계치를 기반으로 표준점수를 사용하여 LF, LFnorm, HF, HR, RMSSD, PSI 등의 각 HRV 지수가 서로 연계된 다차원 출력보고서를 제공하여, 각 HRV 지수에 따라, 자율신경의 균형 및 조절능력을 한눈에 유기적으로 파악하고 평가할 수 있게 하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램의 삼각 보간(TINN)의 검출을 포함하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출하고, 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수를 Z점수(Z score)로 변환하고, 변환된 Z점수를 이용하여 편차를 구하여, 분할선상에 표시하도록 이루어진, 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 Z점수를 이용한 편차(tm)는
Figure pat00001
(단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)
에 의해 구하여지는, 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 중앙점을 지나는 선인 분할선 중에, 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 일측에 저주파수대역 강도(LF)를 포함하는 교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되고, 좌우 중 다른 일측에, 고주파수대역 강도(HF)와, 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD)을 포함하는 부교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되며, 중앙 상부수직축을 기준으로, 서로 대칭되는 분할선에, 서로 길항적인 HRV 지수가 배치되는 그래프를 연산처리부가 생성하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기위해, 본발명은, 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출, 분석하는 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치에 있어서, 연산처리부는, 중앙점을 지나는 선인 분할선을 다수개 구비하되, 상기 분할선들 사이는 동일 각도로 이루어지며, 상기 분할선 중에, 중앙점에서 상부로 향하는 수직선인 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 일측에 저주파수대역 강도(LF)를 포함하는 교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되고, 좌우 중 다른 일측에 고주파수대역 강도(HF)를 포함하는 부교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되는 그래프를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출, 분석하는 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치에 있어서, 연산처리부는, 중앙점을 지나는 선인 분할선을 다수개 구비하며, 분할선상에, 중앙점에서 이격된 위치에 한계점을 구비하되, 중앙점에서 한계점까지의 거리는 모든 분할선에서 동일하며, 인접한 분할선의 한계점은 선으로 서로 연결되어 한계선을 이루며, 분할선 중에, 중앙점에서 상부로 향하는 수직선인 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 일측에 저주파수대역 강도(LF)를 포함하는 교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되고, 좌우 중 다른 일측에 고주파수대역 강도(HF)를 포함하는 부교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되는 ABC 다이어그램을 포함하는 것을 특징으로 한다.
연산처리부에서 검출된 HRV 지수는, 심박수(HR), 평균 심박수(mean HRT), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD), 연속되는 RR간격차(이하 SRD이라 한다), 근사 엔트로피(APEN), 육체적 스트레스 지수(PSI), HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램의 삼각 보간(TINN), 저주파수대역 강도(LF), 고주파수대역 강도(HF), 전체 강도(TP), 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm), 고주파수대역의 정규화된 강도(HFnorm), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio) 중 3개 이상을 검출한다.
중앙 상부수직축에는, 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm), 고주파수대역의 정규화된 강도(HFnorm), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 전체 강도(TP), HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램의 삼각 보간(TINN), 육체적 스트레스 지수(PSI) 중 어느 하나가 배치된다.
분할선에서 한계점과 중앙점의 사이의 중간의 위와 아래로 일정거리 이격되어 형성된 기준범위 상한점과 기준범위 하한점을 구비하며, 인접한 분할선의 기준범위 상한점은 선으로 서로 연결되어 기준범위 상한선을 이루며, 인접한 분할선의 기준범위 하한점은 선으로 서로 연결되어 기준범위 하한선을 이루며, 기준범위 상한선과 기준범위 하한선의 사이를 기준범위로 한다.
상기 교감신경계 관련 HRV 지수로, 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio), 심박수(HR) 중1개 이상을 더 포함하며, 상기 부교감신경계 관련 HRV 지수로, 고주파수대역의 정규화된 강도(HFnorm), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD) 중 1개이상을 더 포함한다.
한계선은 오각형, 원형, 육각형 중의 하나의 형태로 이루어지며, 기준범위는 오각형 링, 원형 링, 육각형 링 중의 하나의 형태로 이루어지며, 인접한 분할선사이의 각도는 72도이거나, 60도일 수 있다.
중앙 수직축에는 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm)를 위치시키고, 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 일측에 교감신경계 관련 HRV 지수로서 저주파수대역 강도(LF)와 심박수(HR)을 배치하고, 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 다른 일측에 부교감신경계 관련 HRV 지수로서 고주파수대역 강도(HF)와 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD)를 배치할 수 있다.
*중앙 상부수직축을 기준으로, 서로 대칭되는 분할선에, 서로 길항적인 HRV 지수가 배치된다.
연산처리부에서 구하여진 HRV 지수를 Z점수(Z score)로 변환하고, 변환된 Z점수를 이용하여 편차를 구하여, 분할선상에 표시한다.
Z점수(Z)는
Figure pat00002
(단, x는 원수치로 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수의 값이고, σ는 모집단에서의 표준편차이고, μ는 모집단에서의 평균임)
에 의해 구하여진다.
Z점수를 이용한 편차(tm)는
Figure pat00003
(단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)
에 의해 구하여진다.
또한, 본 발명은 중앙점을 지나는 선인 분할선을 다수개 구비하되, 상기 분할선상에 HRV 지수를 나타내도록 하는 그래프를 생성하는 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치의 제어방법에 있어서, 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출하고, 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수를 Z점수(Z score)로 변환하고, 변환된 Z점수를 이용하여 편차를 구하여, 분할선상에 표시하는 것을 특징으로 한다.
연산처리부는, HRV 지수 각각에 대하여 모집단을 성별, 나이별로 구분하여 평균과 표준편차를 구하는 제1단계; 제1단계의 HRV 지수를 이용하여 Z점수(Z)를
Figure pat00004
(단, x는 원수치로 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수의 값이고, σ는 모집단에서의 표준편차이고, μ는 모집단에서의 평균임) 에 의해 구하는 제2단계; 제2단계의 Z점수를 이용하여 편차(tm)를
Figure pat00005
(단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)에 의해 구하는 제3단계; 제3단계의 편차가 0보다 작은 경우는 0으로 하고, 100보다 큰 경우는 100으로 하는 제4단계;를 포함할 수 있다.
또한, 연산처리부는, 부하를 준 후에 측정한 HRV 지수 값에서 부하 전의 안정상태에서 측정한 HRV 지수 값을 뺀 차이 값을, HRV 지수 값으로 검출하는 제1단계; 연산처리부는, 제1단계에서 검출된 HRV 지수 각각에 대하여 모집단을 성별, 나이별로 구분하여 평균과 표준편차를 구하는 제2단계; 제2단계의 HRV 지수를 이용하여 Z점수(Z)를
Figure pat00006
(단, x는 원수치로 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수의 값이고, σ는 모집단에서의 표준편차이고, μ는 모집단에서의 평균임) 에 의해 구하는 제3단계; HRV 지수가, 심박수(HR), 육체적 스트레스 지수(PSI), 저주파수대역 강도(LF), 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio) 중 하나일 경우, 제3단계의 Z점수를 이용하여 편차(tm)를
tm = a×z + 50
(단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)에 의해 구하는 제4단계; HRV 지수가, 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD), 근사 엔트로피(APEN), 전체 강도(TP), 고주파수대역 강도(HF), 고주파수대역의 정규화된 강도(HFnorm) 중 하나일 경우, 제3단계의 Z점수를 이용하여 편차(tm)를
tm = -a×z + 50
(단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)에 의해 구하는 제5단계; 제4단계 및 제5단계에서 구한 편차가 0보다 작은 경우는 0으로 하고, 100보다 큰 경우는 100으로 하는 제6단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법에 따르면, HRV를 이용하여 자율신경계의 활동을 평가함에 있어서, 성별, 연령별 통계치를 기반으로 표준점수를 사용하여 LF, LFnorm, HF, HR, RMSSD 등의 각 HRV 지수가 서로 연계된 다차원 출력보고서를 제공하여, 각 HRV 지수에 따라, 자율신경의 균형 및 조절능력을 한눈에 유기적으로 파악하고 평가할 수 있다. 즉, HRV를 이용하여 자율신경계의 활동을 평가함에 있어 여러 지표를 동시에 관찰하여 더욱 객관적이고 정확한 평가를 내릴 수 있다.
또한, 본 발명은, HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램의 삼각 보간(TINN)의 검출을 포함하는 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
HRV 분석에 있어서, HRV 지수들을 이용하여 자율신경계의 활동을 평가하기 위해서는 각각의 지수에 대한 분석보다 여러 지표를 통합적으로 관찰하는 것이 필요하다. 또한 자율신경계는 균형정도와 각 신경계의 활동 정도를 동시에 파악할 수 있어야 하는데, 본 발명에서는 방사선 그래프 기법, 즉 ABC 다이어그램 방법은 이 두가지 요구를 동시에 만족할 수 있다.
방사선 그래프를 좌우로 구분하여 교감신경의 활동과 부교감신경의 활동을 한 화면에 서로 연계하여 표시함으로써, 피검자의 자율신경의 조절능력을 한눈에 정확하고 쉽게 파악하도록 하였고, 가운데(즉, 중앙 상부수직축(5))에는 균형지표를 표시함으로써 자율신경계의 균형을 파악할 수 있도록 하였다. 방사선상에 찍히는 점의 위치를 성별, 연령별 표준치 계산 원리를 이용하여 환산하여 결정함으로써, 연령과 성별에 맞는 정확한 평가가 가능하다.
또한, 본 발명은, 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출하고, 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수를 Z점수(Z score)로 변환하고, 변환된 Z점수를 이용하여 편차를 구하여, 분할선상에 표시하도록 이루어진, 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 Z점수를 이용한 편차(tm)를,
Figure pat00007
(단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)
에 의해 구하여지는, 자율신경 균형 및 조절능력을 평가 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 중앙점을 지나는 선인 분할선 중에, 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 일측에 저주파수대역 강도(LF)를 포함하는 교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되고, 좌우 중 다른 일측에, 고주파수대역 강도(HF)와, 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD)을 포함하는 부교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되며, 중앙 상부수직축을 기준으로, 서로 대칭되는 분할선에, 서로 길항적인 HRV 지수가 배치되는 그래프를 연산처리부가 생성하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1의 피크검출부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3a는 한계선이 오각형이고, 기준범위가 원형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 3b는 도 3a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 4a는 한계선이 오각형이고, 기준범위가 오각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 4b는 도 4a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 5a는 한계선이 육각형이고, 기준범위가 육각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 5b는 도 5a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 6a은 한계선이 육각형이고, 기준범위가 원형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 6b는 도 6a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 7a는 한계선이 원형이고, 기준범위가 원형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 7b는 도 7a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 8a는 한계선이 원형이고, 기준범위가 오각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 8b는 도 8a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 9a는 한계선이 원형이고, 기준범위가 육각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이다.
도 9b는 도 9a의 ABC 다이어그램의 일예이다.
도 10은 NN간격 히스토그램의 일예이다.
이하 본 발명의 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치 및 그 제어 방법의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 블록도로서, 신호검출부(100), A/D변환기(150), 연산처리부(200), 메모리부(400), 데이터입력부(440), 표시부(450)를 포함혀여 이루어진다.
신호검출부(1000)는 피검자의 신체로부터 심박 신호를 검출하기 위한 수단으로, 센서부(미도시), 전치증폭부(미도시), 필터부(미도시)를 포함하여 이루어진다. 센서부(미도시)는 심박 검출센서(즉, 심전도 센서 또는 맥파센서)를 구비하여 심박신호를 검출한다. 전치증폭부(미도시)는 센서부에서 검출한 심박 신호를 증폭하며, 필터부(미도시)는 전치증폭부에서 출력된 심박신호에서 잡음을 제거한다.
본 발명에서 1회 측정시험은 1분 내지 20분 동안에 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 3분 내지 5분이다.
A/D변환기(150)는 신호검출부(1000)로부터 수신된 심박신호를 디지탈 신호
로 변환한다.
연산처리부(200)는 피크검출부(210), 시간분석부(220), 기하학적 분석부(230), 주파수분석부(240), 파라미터분석부(260)을 포함하여 이루어진다.
피크검출부(1600)는 A/D변환기(1300)의 출력신호로부터 심박 신호에서 피크(peak)인 R 포인트를 검출하고, RR 간격을 구하고, 심박수를 계산한다. 일반적으로 한주기의 심전도 신호는 P, Q, R, S, T 포인트를 구비하며, 그중에 피크점에 해당하는 포인트가 R포인트이므로, 여기서는 R 포인트를 검출한다. 그리고 R 포인트에서 다음 R 포인트까지의 간격을 구하는데, RR 간격은 심박주기에 해당한다. RR 간격의 값으로부터 해당 시간의 심박수를 계산하여, 측정 시간 동안 저장한다. 측정이 완료 되면 그 값들을 시간분석부(2000)로 전달한다.
시간분석부(220)는 통계적인 기법을 이용하여 시간 도메인 파라미터, 즉, 평균 심박수(mean HRT), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD), 연속되는 RR간격차(successive RR interval difference)(이하 SRD이라 한다), 근사 엔트로피(approximate entrophy)(이하 APEN이라 한다), 압박지수(pressure index)(이하 PI라 한다)를 구한다. 특히 압박 지수(PI)는 육체적 스트레스 지수(Physical Stress index, PSI)이라고도 할 수 있다.
기하학적 분석부(230)는 HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램의 삼각 보간(이하 TINN 이라함)(triangular interpolation of NN interval histogram)을 검출한다.
여기서, NN간격은 정상 (normal) R포인트에서 인접된 정상(normal) R포인트까지의 간격, 즉, RR간격을 말하며, HRV 삼각형 지수는 밀도분포를 적분한 값(즉, 모든 nn간격의 수)을 밀도 분포의 최대값으로 나눈 값, 즉, NN간격 총수를 히스토그램 정점의 높이로 나눈 값이다.
HRV triangular index 및 TINN은, HR, SDNN, TP과 함께, 자율신경계의 전반적인 활동과 조절 능력을 나타내는 지표로 활용될 수 있다.
주파수 분석부(240)는 주파수 도메인 파라미터, 즉, FFT 변환을 통해 얻어진 결과를 아주 낮은 주파수대역(VLF), 저주파수대역(LF), 고주파수대역(HF)의 영역대별로 강도를 계산하고 이를 이용하여 5분간 전체 강도(TP), 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)를 연산한다. 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio)로부터 감성적 상태(emotional state)(이하 ES 라 한다)를 결정한다. 특히 감성적 상태(ES)는 정신적 스트레스 지수(mental stress index, MSI)라고도 할 수 있다.
파라미터 분석부(260)는 시간분석부(220), 기하학적 분석부(230) 및 주파수분석부(240)로 부터 구해진 파라미터 즉, 평균 심박수, SDNN, RMSSD, APEN, SRD, APEN, PI, TP, VLF의 강도, LF의 강도, HF의 강도, 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio), ES, HRV 삼각형 지수, TINN을 기준치 데이터베이스(410)에 기 구축되어 있는 값들과 비교 분석한다. 그리고 시간분석부(220), 기하학적 분석부(230) 및 주파수분석부(240)로 부터 검출된 각 파라미터마다 가지는 생체신호와 임상 결과와의 관계를 유추하여 자율신경 활성도, 자율신경 균형도, 스트레스 저항도, 스트레스 지수, 피로도, 심장안정도 이상 심박동수 등을 분석한다.
피크검출부(210), 시간분석부(220), 기하학적 분석부(230), 주파수분석부(240), 파라미터분석부(260)는 마이크로프로세서에 의해 이루어질 수 있다.
메모리부(400)는 연산처리부(200)의 결과를 저장하며, 기준치 데이터베이스(410)를 포함한다.
기준치 데이터베이스(410)는 정상인 임상데이터를 토대로 얻어진 성별, 나이에 따른 정상범위(즉, 기준범위)에 대한 데이터베이스이다. 이를 바탕으로 정상유무를 판단한다.
데이터 입력부(5500)는 피검자의 성별, 나이를 입력받아 임시저장한다.
표시부(450)는 연산처리부(200)에서 출력된 분석 결과를 표시한다.
도 2는 도 1의 피크검출부의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.
A/D변환기(190)로부터 수신된 심전도 신호를 미분하여 그 미분 파형에서 변곡점을 찾는다(S130).
이렇게 찾아진 변곡점으로부터 제1피크가 있는 시간위치 즉 제1피크 시간위치를 구하며, 그 시간 위치에 있는 제1피크값을 얻는다(S140). 이렇게 얻어진 제1피크가 소정의 R설정기준에 맞으면 제1피크가 구해진 것이며(S150), 이외의 경우는 종료한다(S160). 제1피크는 제1의 R포인트가 되며, 소정의 R설정기준에 맞는 R포인트로, 정상(normal) R포인트에 해당한다.
상기 미분파형에서 제1피크 시간위치 이후에서 변곡점을 찾아 제2피크가 있는 시간위치 즉, 제2피크 시간위치를 구하며, 그 시간 위치에 있는 제2피크값을 얻는다(S170). 이렇게 얻어진 제2피크가 소정의 R설정기준에 맞으면 제2피크가 구해진 것이며(S180), 이외의 경우는 종료한다(S190). 제2피크는 제1피크 바로 다음ㅇ의(즉, 연이은) 피크이며, 제2피크는 제2의 R포인트이다. 제2의 R포인트는 소정의 R설정기준에 맞는 R포인트로, 정상(normal) R포인트에 해당한다. 또한 제2의 R포인트는 제1의 R포인트의 바로 다음의 R포인트가 된다.
그러므로 RR간격인 제2의 R포인트에서 제1의 R포인트까지의 시간 간격, 즉 제2피크 시간위치에서 제1피크 시간위치까지의 시간 간격은 제2피크 시간위치에서 제1피크 시간위치를 감하여 RR간격을 구하여진다(S200). 상기 RR간격을 정상 (normal) R포인트에서 정상(normal) R포인트까지의 간격으로서 NN간격이라고도 부르며, 상기 RR간격은 심전도의 한주기, 다시말해 한번의 심박동에 대한 시간간격이라 할 수 있다.
따라서 분당박동수는 A/D 변환기(1300)의 샘플링주파수에 60을 곱하면 1분동안의 데이터수이며, 이를 상기 RR간격으로 나누면 분당 심박동수가 된다(210).
다음은 시간분석부(220)에서 검출되는 파라미터에 대해 설명한다.
시간분석부(220)는 본 발명중 시간 도메인(time domain) 상에서 분석되는 파라미터를 검출하는 것으로, 이는 한국특허등록공보 제10-0493714호에 공지된 것으로, 여기서는 간략히 설명한다.
시간분석부(2000)는 시간분석부(2000)에서 구한 RR간격, 분당 심박동수을 통계적인 기법을 이용하여 평균 심박수(mean HRT), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD), 근사 엔트로피(APEN), 연속되는 RR간격차(SRD), 압박지수(PI)를 구한다.
측정시간 동안 취득된 N개의 RR간격(RRI)은 RRI={I(1), I(2), I(3),..., I(N)} 와 같이 나타낼 수 있으며, 여기서, RRI는 측정시간 동안 취득된 N개의 RR간격으로, I(1), I(2), I(3)....I(N) 각각은 RR간격이다.
측정시간동안 취득된 N개의 심박수(이하 HRT라 한다) 데이터는 HRT={hr(1), hr(2), hr(3),..., hr(N)} 과 같이 나타낼 수 있으며, 여기서, HRT는 측정시간동안 취득된 N개의 심박수이며, hr(1), hr(2), hr(3),..., hr(N) 각각은 심박수로, hr(1), hr(2), hr(3),...,hr(N) 각각은 수학식 1의 RR간격들, 즉 I(1), I(2), I(3),...., I(N)의 각각에 의해 구해지는 심박수들이다.
i번째 심박수는 hr(i)=(1분간 총 샘플수)/I(i) 과 같이 나타낼 수 있다.
그러므로 기록 시간 동안의 평균 심 박동수를 평균 심박수(mean HRT)라 하고 이는 수학식 1과 같이 나타내어진다.
Figure pat00008
수학식 1에서, N은 총 심박수이고, hr(i)는 i번째 심박수이며, 평균 심박수(mean HRT)는 분당의 심박동의 수이다.
전체 RR 간격의 표준편차(SDNN)는 수학식 2와 같이 구해진다.
Figure pat00009
수학식 2에서 meanRRI는 평균 RR간격을 말하며, I(i)는 i번째 RR간격을 말한다.
인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD)은 수학식 3과 같이 구해진다.
Figure pat00010
연속되는 RR간격차(successive RRI difference)(SRD)는 수학식 4과 같이 구해진다.
Figure pat00011
압박 지수(PI)는 수학식 5과 같이 구해진다.
Figure pat00012
수학식 5에서 VS는 변위범위(Variation Scope)로서, 즉, RR간격 변이의 범위를 말한다. MO는 RR간격데이타 중에서 RR간격의 가장 잦은 평균(most probable meaning)이며, MOA는 RR간격 데이타에서 RR간격의 가장 잦은 평균(most probable meaning)의 개수, 즉 MO의 개수이다.
압박 지수(PI)는 육체적 스트레스 지수(PSI)와도 같으므로, 수학식 6과 같다고 할 수 있다.
Figure pat00013
그외에, 시간분석부(2000)는 근사 엔트로피(approximate entrophy)(APEN)를 구하는데, APEN은 타임 시리즈(time series)에서 그 신호가 얼마나 복잡한 가 (complexity)를 통계적으로 정량화한 수치로, 여기서는 전체 심박동 시간의 일련의 복잡성을 정량화한 수치이다.
근사 엔트로피(APEN)은 수학식 7과 같이 구해질 수 있다.
Figure pat00014
단, 이때 Pm(i)는 집합 RRI의 연속된 m개의 원소로 이루어진 부분집합을 말하며, Pm={Pm(1),Pm(2),Pm(3),ㆍㆍㆍ,Pm(N-m+1)}으로 나타내 질 수 있다. 그리고 Pm(i)와 Pm(j)가, 0≤k＜m일때, ｜I(i+k)-I(j+k)｜＜r 을 만족하면, 두 패턴 Pm(i)와 Pm(j)는 '유사하다'고 정의하며, 집합 Pm에서 Pm(i)와 '유사한' 패턴의 개수를 nim(r)라고 한다.
다음은 주파수분석부(240)에서 검출되는 파라미터에 대해 설명한다.
주파수분석부(240)는 본 발명중 주파수 도메인(freauency domain) 상에서 분석되는 파라미터를 검출하는 것으로, 이는 한국특허등록공보 제10-0493714호에 공지된 것으로, 여기서는 간략히 설명한다.
주파수 분석부(240)는 심박변이(HRV) 신호를 구성하는 각 주파수 대역(VLF, LF, HF)의 강도(POWER)를 분리 평가하기 위한 것으로, RR간격의 변화를 파형 분석하여 각 주파수 영역의 신호가 상대적으로 어떤 강도 즉 파워 스팩트럼 밀도(PSD: Power spectral density)를 가지고 있는지를 평가하기 위한 것이다.
주파수 분석부(3000)는 피크검출부(1600)의 출력신호로부터 주파수 분석을 진행하기 위해 FFT 변환을 수행한다. 변환을 통해 얻어진 결과를 아주 낮은 주파수대역(VLF) 저주파수대역(LF), 고주파수대역(HF)의 영역대별로 강도를 계산하고 이를 이용하여 5분간 전체 강도(TP), 저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF), 고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF), 저주파수대 고주파수 대역 강도비(LF/HF ratio) 등을 계산한다.
VLF, LF, HF의 주요 주파수 대역과 그 파워스팩트럼의 분포는 고정적이지 않고 호흡과 심장에 대한 자율신경계의 조절에 따라 다양하게 나타난다. 고주파수 영역(HF)의 HRV의 크기는 호흡에 따른 미주신경의 부교감 신경의 활성과 관계가 있고, 저주파수 영역의 HRV의 크기는 미주신경 활성과 교감신경 활성 모두의 영향을 받는다. 그리고 저주파수 영역의 크기/고주파수 영역의 크기의 비는 교감신경의 활성과 부교감신경의 활성의 균형을 반영하는 지수가 된다.
심박변이(HRV) 신호의 파워 스팩트럼 밀도(PSD(x)), 즉 PSD(x)는 주파수가 x인 파워 스팩트럼 밀도로 x는 0.0≤x≤0.4이다.
VLF (Very low frequency)의 PSD는 0.0033~0.04Hz의 주파수 대역의 PSD로, 수학식 8과 같이 나타내진다.
Figure pat00015
수학식 8에서 VLF는 VLF에서의 PSD를 나타낸다.
LF (low frequency)의 PSD는 0.04~0.15Hz의 주파수 대역의 PSD로, 0.1Hz부근의 상대적인 저주파 성분으로, LF의 PSD는 수학식 9와 같이 나타내진다.
Figure pat00016
수학식 9에서 LF는 LF에서의 PSD를 나타낸다.
HF (High frequency)의 PSD는 0.15~0.4Hz의 주파수 대역의 PSD로, 수학식 10과 같이 나타내진다.
Figure pat00017
수학식 10에서 HF는 HF에서의 PSD를 나타낸다.
전체 강도(TP)는 특정시간동안의 전체강도로, 예를들어 5분간 전체강도를 검출할 수 있으며, 이 경우, VLF, LF, HF의 PSD들을 포함하는 5분 동안의 모든 파워(power)를 의미한다. TP는 수학식 11로 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
수학식 11에서 VLF, LF, HF는 VLF, LF, HF의 PSD를 나타낸다.
저주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF)(LFnorm)는 LF의 PSD를 LF의 PSD와 HF의 PSD를 합친값으로 정규화시킨 것이다. 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm)는 수학식 12와 같다.
Figure pat00019
수학식 12에서 LF, HF는 LF, HF의 PSD를 나타낸다.
고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized HF)(HFnorm)는 HF의 PSD를 LF의 PSD와 HF의 PSD를 합친값으로 정규화시킨것이다. 고주파수대역의 정규화된 강도(HFnorm)는 수학식 13과 같다.
Figure pat00020
수학식 13에서 LF, HF는 LF, HF의 PSD를 나타낸다.
저주파수대 고주파수 대역 강도비(LF/HF)(Ratio)는 LF와 HF간의 비율로, 수학식 14와 같다.
Figure pat00021
수학식 14에서 LFnorm은 저주파수대역의 정규화된 강도이고, HFnorm는 고 주파수대역의 정규화된 강도를 나타내며, Ratio는 저주파수대 고주파수 대역 강도비(LF/HF)를 나타내며, 이는 감성적 상태(Emotional State)(ES)이라고도 할 수 있고, 정신적 스트레스(Mental stress index)(MSI)이라고도 할 수 있다.
다음은 기하학적 분석부(230)에 대해 보다 상세히 설명한다.
기하학적 분석부(230)는 HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램(NN간격 빈도분포도)의 삼각 보간(TINN)을 검출한다.
NN간격(Normal RR interval) 히스토그램의 일예는 도 10과 같이 나타낼 수 있으며, 도 10에서 수평축은 NN간격의 크기를 나타내고, 수직축은 각 NN간격의 크기를 갖는 NN간격의 수를 나타낸다.
HRV 삼각형 지수(HRV triangular index)는 정상 심박간격의 분포곡선을 적분(즉, 모든 NN 간격의 수)한 것을 최빈값(최고빈도)으로 나눈 것을 의미한다. 여기서, 최빈값이란 히스트그램의 정점(modal bin: the peak of the curve)의 높이이다.
즉, HRV 삼각형 지수(HRV triangular index)는 전체 측정시간의 NN간격의 총수(total number of NN intervals)를 최빈값(number of NN intervals in the modal bin)으로 나눈값이다. 여기서 측정시간은 예를 들어 1~20분 일 수 있다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
HRV triangular index = (NN간격의 총수)/(최빈값)
TINN(the triangular interpolation of NN interval histogram)은 전체 측정시간의 NN간격의 히스토그램을 삼각형에 근사시킬때의 저변의 길이를 말한다. 즉, 도 10에서와 같이, TINN은, NN간격의 히스토그램에서, 최빈값을 가지는 지점(X)을 꼭지점으로 하는 삼각형에서 저변의 길이를 말한다.
TINN = M - N
여기서 M은 상기 삼각형이 끝나는 점으로, 이는, NN간격 빈도가 높은 범주내에서, 제일 큰 NN간격의 크기이다. 그리고, N은 상기 삼각형이 시작하는 점으로, NN간격 빈도가 높은 범주내에서, 제일 작은 NN간격의 크기이다.
다음은 파라미터 분석부(260)에 대해 보다 상세히 설명한다.
파라미터 분석부(260)는 HRV를 이용하여 자율신경계의 활동을 평가함에 있어 여러 지표를 동시에 관찰하여 더욱 객관적이고 정확한 평가를 내릴 수 있게 하는 ABC 다이어그램(Autonomic Balance Controllability Diagram)을 생성한다.
ABC 다이어그램은 도면을 좌우로 양분하는 중심선에는 자율신경계의 균형은 나타내는 지표를 배치하고 한쪽에는 교감신경계의 활동을 나타내는 지수를, 그리고 다른 한 쪽에는 부교감신경계의 활동을 나타내는 지수를 배치함으로써, 자율신경계의 균형과 조절능력을 한 눈에 볼 수 있는 다이어그램이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 ABC 다이어그램의 예들이다.
도 3a는 한계선(40)이 오각형이고, 기준범위(20)가 원형의 링(ring)형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 3b는 도 3a의 일예이고, 도 4a는 한계선(40)이 오각형이고, 기준범위(20)가 오각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 4b는 도 4a의 일예이고, 도 5a는 한계선(40)이 육각형이고, 기준범위(20)가 육각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 5b는 도 5a의 일예이고, 도 6a는 한계선(40)이 육각형이고, 기준범위(20)가 원형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 6b는 도 6a의 일예이고, 도 7a는 한계선(40)이 원형이고, 기준범위(20)가 원형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 7b는 도 7a의 일예이고, 도 8a는 한계선(40)이 원형이고, 기준범위(20)가 오각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 8b는 도 8a의 일예이고, 도 9a는 한계선(40)이 원형이고, 기준범위(20)가 육각형의 링형태를 이루는 ABC 다이어그램이고, 도 9b는 도 9a의 일예이다.
ABC 다이어그램은 본 발명에서 제안된 방사형 그래프로서, 자율신경 활동을 평가하기 위하여 HRV 지수의 배치를 다음과 같이 시행한다.
우선, ABC 다이어그램은, 중앙점에서 상부로 향하는 수직선인 중앙 상부수직축(5)을 기준으로, 소정 각도만큼 이격되며 원점을 지나는 선인 분할선(7) 들이 위치되며, 상기 분할선에는 각 HRV 지수가 위치된다. 특히, ABC 다이어그램은, 중앙 상부수직축(5)을 기준으로, 좌우 중 일측에 교감신경계 관련 HRV 지수를 배치하고, 좌우 중 다른 일측에 부교감신경계 관련 HRV 지수를 배치하며, 또한 중앙 상부수직축(5)에는 자율신경계 활동의 균형정도(Autonomic Balance)를 나타내는 HRV 지수를 위치시킨다.
분할선(7)을 만드는 소정각도는 360도를 5등분(즉, 72도)하거나, 6등분(즉, 60도)하여 이루어질 수 있다. 그러나 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 발명에서 분할선(7)들은 3개 이상의 다수개로써 몇개라도 구비할 수 있으며, 각도 또한 이에 따라 다양하게 달라질 수 있음을 밝혀둔다.
분할선(7)상에, 중앙점에서 이격된 위치에 한계점(9)을 구비하되, 중앙점에서 한계점(9)까지의 거리는 모든 분할선(7)에서 동일하며, 각 분할선(7)의 한계점(9)은 선으로 연결되어 한계선(9)을 이룬다.
중앙 상부수직축(5)에는 교감신경계와 부교감신경계의 균형을 나타낼 수 있는 지표인 LFnorm(또는 HFnorm) 또는 LF/HF Ratio를 배치하거나 자율신경계의 활동 정도를 나타내는 지표인 SDNN, TP, HRV triangular index, TINN, PSI 등을 배치할 수 있다. 바람직하게는 LFnorm을 위치시킬 수 있다.
오른쪽과 왼쪽에는 교감신경계의 활동과 부교감신경계의 활동을 나타낼 수 있는 지표를 배치하되, 오른쪽과 왼쪽은 중요하지 않다. 즉, 교감신경계 관련 HRV 지수가 우측에도 위치될 수 있고, 좌측에도 위치될 수 있다. 또한, 교감신경계의 활동을 잘 표현할 수 있는 지표는 LF, LFnorm, LF/HF등이 있고 부교감신경계의 활동을 평가할 수 있는 대표적인 지수로는 HF, HFnorm, RMSSD 등이 있다. 또한, 중앙 상부수직축(5)과 대칭된 분할선에는 PSI가 위치될 수 있고, 중앙 상부수직축(5)과 대칭된 분할선은 경우에 따라서 생략될 수 있다.
도 3 내지 도 9는 한계선(40)이 오각형, 원형, 육각형 중의 하나로 이루어지며, 한계선(40)의 내측에, 기준범위(20)가 오각형, 원형, 육각형 중의 하나의 링형태로 이루어지며, 기준범위(20)는 기준범위 상한선(25)과 기준범위 하한선(15)을 가진다. 또한, 한계선(40)의 내측에, 기준범위(20)를 벗어난 범위에 해당되는, 기준범위 하부 이탈부(10)(다시말해, HRV 저활동대 라고도 할수 있음)와 기준범위 상부 이탈부(30)(다시말해, HRV 고활동대 라고도 할수 있음)가 있다.
다시말해, 분할선(7)에서 한계점(9)과 중앙점의 사이의 중간에서 위, 아래로 일정거리 이격되어 형성된 기준범위 상한점(12)과 기준범위 하한점(13)을 구비하며, 인접한 분할선(7)의 기준범위 상한점(12)은 선으로 서로 연결되어 기준범위 상한선(25)을 이루며, 인접한 분할선(7)의 기준범위 하한점(13)은 선으로 서로 연결되어 기준범위 하한선(15)을 이룬다.
여기서, 기준범위 하부 이탈부(Low Activity Zone)(10), 기준범위(Green Zone)(20), 기준범위 상부 이탈부(High Activity Zone)(30)을 합친 전체를 100 점이라고 하였을 때, 기준범위 하부 이탈부(Low Activity Zone)(10)는 각 지수의 점수(지표)가 33점 미만일 경우이고, 기준범위(Green Zone)(20)을 각 지수의 점수(지표)가 33점 내지 66점일 경우이며, 기준범위 상부 이탈부(High Activity Zone)(30)를 각 지수의 점수(지표)가 66점을 초과하는 경우이다.
경우에 따라서는, 기준범위 하부 이탈부(Low Activity Zone)(10)는 각 지수의 점수(지표)가 45점 미만일 경우이고, 기준범위(Green Zone)(20)을 각 지수의 점수(지표)가 45점 내지 55점일 경우이며, 기준범위 상부 이탈부(High Activity Zone)(30)를 각 지수의 점수(지표)가 55점을 초과하는 경우일 수 있다.
도 3 내지 도 9에서 중앙 상부수직축(5)에, 균형지표로서, LFnorm을 위치시키고, 중앙 상부수직축(5)의 좌쪽에는 교감신경계(SNS)의 활동을 나타내는 LF 또는 ln(LF)와 HR을 배치되고 오른쪽에는 부교감신경계(PNS)의 활동을 나타내는 HF 또는 ln(HF)와 RMSSD를 배치되며, 또한, 중앙 상부수직축(7)과 대칭된 분할선에는 PSI가 위치된다. 여기서 ln(LF)는 LF의 자연로그 값이고, ln(HF)는 HF의 자연로그 값이다.
이렇게 함으로써, 중앙 상부수직축(5)은 자율신경계 활동의 균형정도(Autonomic Balance)를 나타내고 양쪽에는 교감신경과 부교감신경계 관련 지수를 배치하여 한눈에 각 신경계의 조절능력(Controllability)을 정량적으로 평가할 수 있게 한다.
특히, 분할선(7)에 위치되는 HRV 지수(지표)는, 중앙 상부수직축(5)를 기준으로, 서로 대칭되는 분할선(7)에, 대칭되는(길항적인) 기능을 가진 HRV 지수(지표)를 위치시킨다. 이렇게 함으로써, 길항적인 기능을 가진 HRV 지수를 평가자가 보다 짧은 시간에 보다 정확한 정보를 얻을 수 있는데 도움이 된다.
도 3 내지 도 9에서, ABC 다이어그램에는 기준범위(20), 기준범위 하부 이탈부(10), 기준범위 상부 이탈부(30)의 3개의 영역이 존재한다.
기준범위 하부 이탈부(10)는 중심점에 가까운 영역으로 자율신경계의 활동이 모집단 평균보다 현저히 낮은 경우에 해당한다(Low Activity Zone, 저활동대).
기준범위(20)는 중심점(0점)과 한계선(40)(100점) 사이의 중간 영역으로, 오각형 링, 원형 링, 육각형 링 중의 하나의 형태로 이루어지며, 자율신경계의 활동이 모집단 평균적인 수준에 있음을 의미한다(Green Zone).
기준범위(20)는 분할선의 중간부분에 위치하여 50점 부근의 값을 형성할 수 있다.
기준범위 상부 이탈부(30)는 한계선(40)에 가까운 영역으로 자율신경계의 활동이 모집단 평균보다 현저히 높은 경우에 해당한다(High Activity Zone).
의료진이나 피검자가 각 영역을 빠른 시간에 보다 잘 구분하데 하기 위해서, 각 영역별로 서로 디른 색상으로 표시할 수 있다. 예를 들어 기준범위 하부 이탈부(10)는 청색 계열의 색상을, 기준범위(20)는녹색 계열의 색상을, 그리고 기준범위 상부 이탈부(30)는 적색 계열의 색상을 사용할 수도 있다.
중앙 상부수직축(5)을 포함하는 분할선(7)으로 이루어진 각 축은, 중심점에서 각 지수의 점수(지표)가 0점이고, 한계선(40)과 만나는 점에서 각 지수의 점수(지표)가 100점이다.
각 지수의 점수(지표)의 값은 기본적으로 표준점수(standard score) 산정 과정을 통하여 구한다.
원래 표준 점수는 통계학적으로 정규분포를 만들고 개개의 경우가 표준편차상에 어떤 위치를 차지하는지를 보여주는 차원 없는 수치이다. 표준값, Z값(Z-value), Z점수(Z score)라고도 한다. 표준값 z는 원수치인 x가 평균에서 얼마나 떨어져 있는지를 나타낸다.
Figure pat00022
여기서, x는 원 수치(즉, 각 HRV 지수의 값)이고, σ는 모집단에서의 표준편차단(즉, HRV 지수를 검출하여 테스트한 사람들 중 각 HRV 지수의 표준편차)이고, μ는 모집단에서의 평균(즉, HRV 지수를 검출하여 테스트한 사람들 중 각 HRV 지수의 평균)이다. z값은 음수이면 평균이하, 양수이면 평균이상이고 정규분포하는 집단에서는 99.9%의 표본 값이 μ±3σ 영역에 분포하므로 -3에서 3사이의 실수값을 나타내게 된다. 상기 표준점수를 다음 수식을 이용하여 0에서 100사이의 값을 가지는 편차치(偏差値, t-score, T점수)로 환산할 수 있다.
Figure pat00023
본 발명에서 수학식 16의 일부를 수정하여 ABC 다이어그램에 표시할 각 지표의 값을 산출할 수 있다.
ABC 다이어그램의 중심점 값은 0이고 가장자리 끝의 값은 100이로 표시한다. 실제로 HRV 신호를 측정하여 각각의 지수를 산출한 후 위의 수식으로 T점수를 계산하면 25이하의 값과 75이상의 값은 특별한 경우를 제외하고 나타나지 않는다. 이것은 그래프에 불필요한 영역이 존재하여 정밀한 평가를 위한 분별 및 가독능력을 저하시킬 수 있기 때문에 실제 값이 0에서 100사이에 분포할 수 있도록 만들어 주는 것이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 수정편차치 t m 을 구하기 위하여 수학식 17과 같이 표준점수 z에 가중치(a)를 곱하여 조정하였다.
Figure pat00024
가중치(a)는 지수의 분포를 고려하여 10에서 30사이의 값을 가질 수 있다.
다음은 시험별로 수정편차치 t m 의 산출 방법을 설명한다.
우선, 1회 측정시험의 수정편차치 t m 의 산출 방법을 설명한다. 1회 측정시험의 경우에는, 즉, 앉거나 누운 상태와 같이 특정 자세에서 1회 측정한 결과를 ABC 다이어그램에 표시하기 위해서는, 다음과 같은 절차를 따른다. 이 경우 모든 지표의 측정값은 양(+)의 값을 가지므로 다음과 같은 순서로 수정편차치 t m 을 산출할 수 있다.
제1단계로, ABC 다이어그램에 표시할 HRV 지수 각각에 대하여 모집단을 성별, 나이별로 구분하여 평균과 표준편차를 구한다. 다른 생체신호와 마찬가지로 HRV 지수들은 개인별 편차가 비교적 크기 때문에 충분한 모집단 군을 대상으로 통계를 작성하여야 한다. 표준편차는 성별, 나이별로 구분된 표준편차를 사용할 수도 있고 성별, 또는 전체 모집단에 대한 표준편차를 사용할 수도 있다.
제2단계로, 수학식 15를 이용하여 표준값 z를 구한다.
제3단계로, 수학식 17를 이용하여 수정편차치 t m 을 구한다.
제4단계로, 수정편차치 t m 이 0보다 작은 경우 0으로 고정하고, 100보다 큰 경우에는 100으로 고정한다.
다음은, 부하시험의 수정편차치 t m 의 산출 방법을 설명한다.
자율신경의 활동을 측정하기 위해서는 자극에 대한 반응을 분석하는 것이 일반적이다. 예를 들어, 당뇨환자의 자율신경병증을 진단하기 위해서 발살바 수기(Valsalva maneuver)나 기립경사시험(head-up tilt test)을 하게 된다. 이 경우 진단을 위해서는 자극 전, 후의 측정값에 대한 비교를 하게 되는데 대부분 증가와 감소로 표현되는 반응의 방향과 증가/감소폭인 수치로 진단을 내린다. 기립경사시험의 경우를 예로 들면 다음과 같다.
정상인이 누워 있다가 일어서면 혈액이 하지로 모여 뇌와 상체에 일시적인 허혈상태가 발생한다. 자율신경계는 이러한 신체의 불균형 상태를 극복하기 위하여 교감신경계를 흥분시켜 심장박동수를 증가시키고 혈관을 수축시키게 된다. 이러한 일련의 자율신경 반응은 HRV 지수에도 영향을 주어 교감신경을 주로 대변하는 지표인 HR, LF, LFnorm, LF/HF ratio는 증가하고, 부교감신경 활동의 지표인 RMSSD, HF, HFnorm은 감소하게 된다.
1회 측정시험의 결과치는 양(+)의 값을 가지는데 반해(스칼라 값), 부하시험의 결과치는 부하 전과 후의 값에 대한 증감(+/-)이 나타나게 되어(일종의 벡터 값) 이를 고려하여야 한다. ABC 다이어그램의 목적이 자율신경계가 정상적으로 그리고 균형적으로 작동하고 있는지를 관찰하기 위함에 있기 때문에 정상적인 반응은 양의 방향(바깥쪽)으로 수정하여야 한다. 예를 들어 기립경사 부하는 부교감신경의 활동을 억제하므로 HF가 감소하는데 이는 정상적인 자율신경의 반응이다. 이 경우 수학식 17를 이용하여 수정편차치 t m 을 구하면 50보다 작은 값이 나오게 되므로 수정이 필요하다.
제1단계로, 부하를 준 후에 측정한 HRV 지수 값에서 부하 전의 안정상태에서 측정한 HRV 지수 값을 뺀 차이 값을 구한다.
제2단계로, ABC 다이어그램에 표시할 HRV 지수의 차이 값에 대하여 모집단을 성별, 나이별로 구분하여 평균과 표준편차를 구한다. 다른 생체신호와 마찬가지로 HRV 지수들은 개인별 편차가 비교적 크기 때문에 충분한 모집단 군을 대상으로 통계를 작성하여야 한다. 표준편차는 성별, 나이별로 구분된 표준편차를 사용할 수도 있고 성별, 또는 전체 모집단에 대한 표준편차를 사용할 수도 있다.
제3단계로, 수학식 15을 이용하여 표준값 z를 구한다.
제4단계로, 주어진 부하에 의해 HRV 지수 값이 증가가 예상되는 지수와 감소가 예상되는 지수를 구분하여 수정편차치 t m 을 구한다.
Figure pat00025
단, 표1에서 가중치 a는 지수의 분포를 고려하여 10에서 30사이의 값을 가질 수 있다.
또한, 표1에서, 감소가 예상되는 지수는 기울기에 가중치 a의 앞에 (-)를 붙임으로서, RMSSD, HF 등의 지표도, 증가가 예상되는 지수와 같은 그래프로, 즉, 도 3 내지 도 9와 같이 나타낼 수 있다.
즉, 가장 보편적인 기립부하시험의 예를 들어 설명하면, 정상인이 누워 있다가 일어서면 혈액이 하지로 모여 뇌와 상체에 일시적인 허혈상태가 발생한다. 자율신경계는 이러한 신체의 불균형 상태를 극복하기 위하여 교감신경계를 흥분시켜 심장박동수를 증가시키고 혈관을 수축시키게 되며, 이러한 일련의 자율신경 반응은 HRV 지수에도 영향을 주어 교감신경을 주로 대변하는 지표인 HR, LF, LFnorm, LF/HF ratio는 증가하고, 부교감신경 활동의 지표인 RMSSD, HF, HFnorm은 감소하게 된다. 본 발명의 ABC 다이어그램의 목적은 자율신경계가 자극에 대하여 적절한 방향과 강도로 작동하는지를 보여주는 그래프로 증가하는 지표는 기존수식을 그대로 사용하고, 감소하는 지표(감소하는 것이 자율신경이 잘 작동하는 것이므로)는 (-)를 곱해 주어 반대 방향(긍정적인 방향)으로 바꾸어 주는 것이다.
제5단계로, 수정편차치 t m 이 0보다 작은 경우 0으로 고정하고, 100보다 큰 경우에는 100으로 고정한다.
기존의 HRV 분석 결과는 단순히 숫자로 표시하거나, 슬라이드바 또는 막대그래프 형태의 2차원 그래프에 정상범위를 표시하여 의료진이나 환자가 쉽게 자신의 상태를 알아볼 수 있도록 하였다. 이러한 형태의 그래프는 하나의 HRV 지수에 대하여 피검자가 정상 또는 비정상 범위에 있는지를 한눈에 알 수 있게 해 주었다. 그러나 HRV 지수들을 이용하여 자율신경계의 활동을 평가하기 위해서는 각각의 지수에 대한 분석 보다 여러 지표를 통합적으로 관찰하는 것이 필요하다. 또한 자율신경계는 균형정도와 각 신경계의 활동 정도를 동시에 파악할 수 있어야 하는데, 본 발명에서는 방사선 그래프 기법은 이 두가지 요구를 동시에 만족할 수 있다.
방사선 그래프를 좌우로 구분하여 교감신경의 활동과 부교감신경의 활동을 표시함으로써 피검자의 자율신경의 조절능력을 한눈에 정확하게 파악하도록 하였고 가운데에는 균형지표를 표시함으로써 자율신경계의 균형을 파악할 수 있도록 하였다. 방사선상에 찍히는 점의 위치를 성별, 연령별 표준치 계산 원리를 이용하여 환산하여 결정함으로써 연령과 성별에 맞는 정확한 진단과 평가가 가능하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
5: 중앙 상부수직축 7: 분할선
10: 기준범위 하부 이탈부 15: 기준범위 하한선
20: 기준범위 25: 기준범위 상한선
30: 기준범위 상부 이탈부 40: 한계선
100: 신호검출부 150: A/D변환기
200: 연산처리부 210: 피크검출부
220: 시간분석부 230: 기하학적 분석부
240: 주파수분석부 260: 파라미터분석부
400: 메모리부 410: 기준치 데이터베이스
440: 데이터입력부 450: 표시부

Claims (8)

  1. 심박 검출센서에서 검출된 심박신호를 연산처리부가 수신하여, 심박변이도(HRV)를 이용하여 HRV 지수를 검출, 분석하는 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치에 있어서, 연산처리부는,
    중앙점을 지나는 선인 분할선을 다수개 구비하되, 상기 분할선들 사이는 동일 각도로 이루어지며,
    상기 분할선 중에, 중앙점에서 상부로 향하는 수직선인 중앙 상부수직축을 기준으로, 좌우 중 일측에 저주파수대역 강도(LF)를 포함하는 교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되고, 좌우 중 다른 일측에, 고주파수대역 강도(HF)와, 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD)을 포함하는 부교감신경계 관련 HRV 지수가 배치되며, 중앙 상부수직축에는, 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm) 또는 육체적 스트레스 지수(PSI) 중 어느 하나가 배치되는 그래프를 생성하며,
    연산처리부에서 구하여진 HRV 지수를 Z점수(Z score)로 변환하고,
    변환된 Z점수를 이용하여 편차(tm)를 구하여, 분할선상에 표시하며,
    Z점수를 이용한 편차(tm)는
    Figure pat00026

    (단, Z은 Z점수이고, a는 가중치로 10에서 30사이의 실수값임.)
    에 의해 구하여지며,
    분할선상에, 중앙점에서 이격된 위치에 한계점을 구비하되, 중앙점에서 한계점까지의 거리는 모든 분할선에서 동일하며, 인접한 분할선의 한계점은 선으로 서로 연결되어 한계선을 이루며,
    분할선에서 한계점과 중앙점의 사이의 중간의 위와 아래로 일정거리 이격되어 형성된 기준범위 상한점과 기준범위 하한점을 구비하며,
    인접한 분할선의 기준범위 상한점은 선으로 서로 연결되어 기준범위 상한선을 이루며, 인접한 분할선의 기준범위 하한점은 선으로 서로 연결되어 기준범위 하한선을 이루며,
    기준범위 상한선과 기준범위 하한선의 사이를 기준범위로 하며, 상기 기준범위는 성별과 나이에 따라 정해진 값인 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    연산처리부에서 검출된 HRV 지수는,
    심박수(HR), 평균 심박수(mean HRT), 전체 RR 간격의 표준편차(SDNN), 인접한 RR간격의 차이를 제곱한 값의 평균의 제곱근(RMSSD), 연속되는 RR간격차(이하 SRD이라 한다), 근사 엔트로피(APEN), 육체적 스트레스 지수(PSI), HRV 삼각형 지수(HRV triangular index), NN간격 히스토그램의 삼각 보간(TINN), 저주파수대역 강도(LF), 고주파수대역 강도(HF), 전체 강도(TP), 저주파수대역의 정규화된 강도(LFnorm), 고주파수대역의 정규화된 강도(HFnorm), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio) 중 4개 이상을 검출하는 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 교감신경계 관련 HRV 지수로, 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio), 심박수(HR) 중 1개 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    한계선은 오각형, 원형, 육각형 중의 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    기준범위는 오각형 링, 원형 링, 육각형 링 중의 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    인접한 분할선사이의 각도는 72도이거나, 60도인 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    중앙 상부수직축을 기준으로, 서로 대칭되는 분할선에, 서로 길항적인 HRV 지수가 배치되는 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    Z점수(Z)는
    Figure pat00027

    (단, x는 원수치로 연산처리부에서 구하여진 HRV 지수의 값이고, σ는 모집단에서의 표준편차이고, μ는 모집단에서의 평균임)
    에 의해 구하여지는 것을 특징으로 하는, 자율신경 균형 및 조절능력의 평가 장치.
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