[논문 리뷰] Force Plate Monitoring of Human Hemodynamics

Kriz, J., P. Šeba|ArXiv.org|2005. 07. 18.

Cardiovascular Health and Disease Prevention참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 심장 활동과 동맥파 전파로 인한 신체 미세운동을 감지함으로써 힘판 측정을 이용한 비침습적 혈역학 모니터링 방법을 제안한다. 여섯 차원의 힘 및 모멘트 신호 곡선의 첫 번째 카르탕 곡률을 분석함으로써 이 방법은 밀리초 단위 정밀도로 심장판막 닫힘, 혈액 분사 등의 주요 심장 사건을 정확하게 식별하며, 침습적 캐뉼라 측정 데이터와 일치하여 방사선 또는 이온화 방사선 없이 실시간, 온라인으로 혈역학 역학을 모니터링할 수 있다.

ABSTRACT

We show that the recoils of the body caused by cardiac motion and blood circulation provide a noninvasive method capable to display the motions of the heart muscle and the propagation of the pulse wave along aorta and its branches. The results are compared with the data obtained invasively during a heart catheterization. We show that the described noninvasive method is able to determine the moment of a particular heart movement or the time when the pulse wave reaches certain morphological structure.

연구 동기 및 목표

• 심장 활동으로 유도된 신체 미세운동을 이용해 내부 혈역학 과정을 비침습적으로 모니터링할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 힘판 측정을 통해 주요 심장 사건—예를 들어 판막 닫힘과 동맥파 전파—을 식별하고 국소화하기 위해.
• 침습적 캐뉼라 측정 데이터와의 비교를 통해 방법의 임상적 관련성과 정확도를 검증하기 위해.
• 신체 자세나 환자 방향성과 관계없이 기하학적 불변량이 혈역학 사건을 탐지하는 데 얼마나 견고한지 입증하기 위해.
• 단지 힘판과 심전도(ECG)만을 사용하여 심장 기능의 실시간, 온라인 모니터링 가능성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 연구는 힘판(Bertec, 모델 4060A)을 사용하여 수축 상태의 배면 및 배면 자세에서 1kHz의 샘플링 속도로 힘과 모멘트의 여섯 성분(Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)을 측정한다.
• 여섯 성분의 힘/모멘트 성분과 심전도 신호를 조합하여 일곱 차원의 시계열을 형성하며, 이는 공간 내 6차원의 신호 곡선을 형성한다.
• 신호 곡선의 기하학적 불변량은 카르탕 곡률을 사용하여 분석되며, 특히 회전, 이동, 재매개변수화에 대해 불변인 첫 번째 곡률 κ₁(t)이 사용된다.
• 프레네티-세르레트 형식은 신호 곡선의 특징 기저와 곡률을 정의하기 위해 적용되며, 이는 혈역학 사건과 관련된 급격한 변화 탐지에 기여한다.
• 이 방법은 기계적 사건(예: 동맥 분지에서 동맥파 산산이 흩트이는 현상)이 신호 곡선의 기하학적 특성을 변화시켜 곡률 변화를 통해 탐지 가능하다는 원리를 기반으로 한다.
• 분석은 첫 번째 카르탕 곡률에 집중하며, 이는 노이즈에 대해 강건하고 심장판막 사건 및 심실 충만 단계와 같은 혈역학 시기 마커를 효과적으로 포착한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 힘판 측정이 대동맥판막 닫힘과 mitral valve opening 등의 주요 심장 사건의 시기를 높은 시간 해상도로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 기하학적 불변량이 다양한 신체 자세에서 얼마나 안정적인가? 이는 외부 간섭에 대한 강건성을 시사한다.
• RQ3 첫 번째 카르탕 곡률은 대동맥궁이나 간부맥동 등 해부학적 랜드마크에서 동맥파 도착 시점을 침습적 캐뉼라 측정 데이터와 비교하여 얼마나 정확하게 식별하는가?
• RQ4 동일 개인의 여러 심장박동과 시간 경과에 따라 힘 신호 곡률 패턴이 반복 가능한가?
• RQ5 침습적 절차 없이도 심방 수축이나 빠른 심실 충만과 같은 미세한 혈역학 변화를 이 방법이 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 첫 번째 카르탕 곡률 κ₁(t)은 첫 번째 및 두 번째 심장음과 같은 주요 심장 사건의 시기를 성공적으로 식별하며, 심전도 R파 대비 일관된 시간 지연를 보인다.
• R파와 대동맥 뿌리로 혈액 분사가 일어나는 곡률 피크 사이의 평균 시간 지연은 25명의 자원자에서 80ms이며, 표준편차는 8ms였다.
• 곡률 패턴은 시간에 따라 안정적이다: 3개월 후에 동일한 참가자로부터 반복 측정한 결과 피크 시기의 유의미한 이동이 없었으며, 높은 재현성임을 시사한다.
• 이 방법은 신체 자세에 민감하지 않다: 참가자가 배를 대고 있거나 배를 대고 있을 때 곡률 피크 위치는 변화하지 않았으며, 기하학적 특성의 불변성을 확인한다.
• 빠른 심실 충만과 심방收缩에 관련된 곡률 피크는 명확하게 관찰되었고, 심실 내압의 도함수와 상관관계를 보이며 그 생리학적 기원을 확인한다.
• 이 방법은 침습적 캐뉼라 측정과 비교해도 정확도가 유사한 비침습적 실시간 혈역학 과정 모니터링을 가능하게 하며, 동맥파 전파 및 심장 내 기계적 사건을 포함한다.