1. 서 론

심박변이도(HRV, Heart Rate Variability)는 연속적인 QRS 간격(RRI, R-R interval)의 미세한 변화를 분석하는 기법으로, 심전도(ECG, Electrocardiogram)로부터 유도된다. 심박변이도는 자율신경계 활동 평가와 스트레스 분석에 응용되고 있으며 몇 분 만의 단기적 기록으로도 임상적으로 교감, 부교감 신경의 상호작용을 평가하는 지표로 유의미하다고 알려져 있다⁽¹⁾. 1996년 유럽 심장학회와 미국의 심장전기진단학회 공동으로 운영된 태스크포스(taskforce)는 심박변이도를 자율신경조절 기능을 검출하는 유용한 비침습적인 지표, 심혈관계 질환의 예측지표, 자율신경조절 기능 이상에 따른 다양한 질환 진단 지표로 소개하였다⁽²⁾. 이와 함께 심박변이도의 정의, 정량화 지표, 측정방법, 임상적 의미, 응용 등에 대한 권고 사항을 제시하였고, 장기간 분석(long-term analysis)의 경우 24 시간, 단기간 분석(short-term analysis)의 경우 안정된 상태로 최소 5 분간 측정할 것이 권고되었다⁽²⁾. 태스크포스에서 권고한 단기간 분석방법으로는 시간 영역(time domain) 분석방법과 주파수 영역(frequency domain) 분석방법이 있다⁽²⁾. 시간 영역 분석은 정상 박동(N, Normal beat)을 기준으로 하여 AVNN(average of NN interval), SDNN(standard deviation of all NN interval), SDSD(standard deviation of successive difference of NN interval), RMSSD(root mean square of successive difference of NN interval), pNN50(percentage of successive NN intervals that differ by more than 50 ms) 등의 지표를 분석하며, 주파수 영역에서는 TP(total power), VLF(very low frequency power), LF(low frequency power), HF(high frequency power), LF/HF(ratio of LF and HF), nLF(normalized LF), nHF(normalized HF) 지표를 분석하여 사용한다⁽²⁾.

하지만, 최근 심박변이도 활용범위가 모바일 및 웨어러블 디바이스로 확장됨으로 인해 분석에 필요한 측정시간이 주요한 문제로 부각되고 있다. 의료용 목적으로 심박변이도가 사용될 때에는 진단 검사 항목으로 사용되거나, 병원에서의 일회성 측정이 요구되므로 측정시간에 대한 제약이 비교적 적은 편이지만, 일상적 건강관리 용도로 사용되는 경우에 5 분간의 측정 동안 사용자가 안정된 상태를 유지해야 하는 것은 측정의 번거로움과 피로를 야기할 수 있고, 이로 인한 사용성의 저하가 이루어질 수 있기 때문이다.

이러한 관점에서, 5 분 이하의 심전도 및 맥박 신호를 사용한 초단기 심박변이도 분석(ultra-short-term HRV analysis)에 대한 연구가 수행되어왔다[3-6]. Nussinovitch 등은 70 명의 피험자로부터 휴식 시의 5 분, 1 분, 10 초 구간의 심전도로 계산된 심박변이도 결과를 비교하여, 10 초 및 1 분의 심전도로 계산된 RMSSD가 5 분의 심전도로 계산된 RMSSD와 상관관계가 있음을 보였다⁽³⁾. Salahuddin 등의 연구에서는 스트룹 색상-단어 검사(Stroop color word test) 중인 24 명의 건강한 성인의 심전도로부터 계산된 초단기 심박변이도 결과를 5분의 심전도로 분석된 결과와 비교하여, RMSSD는 30 초 이내; HF는 40 초 이내; LF/HF, nLF, nHF는 50 초 이내의 신호 획득이 필요함을 보였다⁽⁴⁾. 또한, McNames와 Aboy는 PhysioNet의 R-R interval 데이터베이스를 사용하여 5 분의 심전도로 분석된 심박변이도 결과와 10 초에서 10 분 사이의 다양한 구간의 심전도로 분석된 결과를 비교하여, 초단기 심박변이도 분석에서 HF, SDSD, RMSSD가 5 분으로 분석된 결과와 강한 상관관계가 나타냄을 보였다⁽⁵⁾. 마지막으로 백현재 등의 연구에서는 467 명의 다양한 연령대의 건강한 피험자로부터 휴식 시 획득된 광용적맥파(PPG, Photoplethysmogram)로 초단기 심박변이도 분석을 하고, 5 분의 광용적맥파로 분석된 결과와 비교하였다⁽⁶⁾. 이 연구에서는 5 분으로 분석된 심박변이도 결과를 추정하기 위해서는 HR(heart rate) 10 초; HF 20 초; RMSSD 30 초; pNN50 60 초; LF, nLF, HF, nHF, LF/HF 90 초; SDNN 240 초; VLF 270 초의 최소 신호 획득 구간이 필요함을 보였다. 이러한 연구들에서 HR과 RMSSD, pNN50, LF, HF, nLF, nHF, LF/HF는 90 초 이내의 비교적 짧은 분석 구간을, SDNN, VLF는 상대적으로 긴 분석 구간을 필요로 하였다.

하지만, 이상의 결과는 모두 안정 상태의 심박변이도 분석에만 한정되어 동적 상태를 포함하는 모바일 환경에 바로 적용하기에는 적합하지 않다. 실제로 심박변이도 분석이 사용되는 대부분의 모바일 기기는 측정 전 충분한 안정 없이 단기간의 신호를 획득하여 분석하기 때문에 자율신경 활성도의 과도기적 변화가 포함될 수 있다. 따라서, 동적 상태 후 과도기 상태에서 신뢰성 있는 심박변이도 분석의 최소 측정시간의 검증이 필요하다. 이에 본 연구에서는 과도기적 상태에서 얻어진 신호로 초단기 심박변이도 분석을 하여 모바일 기기에서 신뢰할 수 있는 심박변이도 분석의 최소 측정시간을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 운동 후 회복 시 얻어진 5 분의 심전도로부터 10, 30, 60, 120, 180, 240 초 구간의 신호를 추출하여 시간 영역 및 주파수 영역에서 초단기 심박변이도 분석을 하였고, 각 변수 별로 5 분으로 분석된 결과와 유의한 차이를 보이지 않는 최소 구간을 도출하였다.

2. 연구 방법

2.2 심박변이도 분석 지표

본 연구에서는 시간영역 분석에서 대표적으로 활용되는 지표인 AVNN, SDNN, SDSD, RMSSD, pNN50이 사용되었고, 주파수 영역 지표로는 TP, VLF, LF, HF, LF/HF, nLF, nHF가 사용되었다. VLF, LF, HF에 해당하는 주파수는 각각 0.0033- 0.04 Hz, 0.04-0.15 Hz, 0.15-0.4 Hz로 설정하였으며⁽¹⁰⁾, 0.0033 Hz 이하 주파수 대역의 파워인 ULF(ultra low frequency power)는 주로 24 시간 이상의 장기간 심박변이도 분석에 사용되므로 본 연구에서는 제외되었다.

그림. 1. 운동 후 회복 시 심박간격의 예시와 초단기 분석구간의 설정 방법

Fig. 1. Example of RRI in recovery condition after exercise and method of set up the ultra-short-term analysis interval

3. 결과 및 고찰

표 1은 피험자 30 명의 분석 구간에 따른 심박변이도의 시간 영역 및 주파수 영역 분석 결과의 평균, 표준편차, 통계 분석 결과를 보여준다. Friedman test 결과 모든 심박변이도 분석 변수들에서 분석 구간에 따른 유의한 차이를(p<0.05) 가지는 것을 확인하였다. 이는 모든 심박변이도 변수들에서 7 개 그룹의 분석 결과가 동일하지 않음, 즉 초단기 심박변이도 분석을 수행하였을 때 기존 5분 심박변이도 분석 결과와 다르게 해석될 수 있음을 의미한다.

그림 2와 그림 3은 피험자 30 명의 분석 구간에 따른 심박변이도 분석 결과의 변화와 Nemenyi 사후검정 결과를 나타내며, 그림에서 ‘*’은 Nemenyi 사후검정에서 5 분의 심전도로 분석된 기준값과 비교하여 초단기 구간의 심전도로 분석된 결과가 유의한 차이(p<0.05)를 가지는 것을 의미한다. 이것은 다양한 분석 구간으로 도출된 각각의 초단기 심박변이도 변수들이 5 분 심박변이도 변수들과 비교하였을 때 차이를 가지는지에 대한 검정으로, 사후검정 결과를 통해 각 변수 별로 통계적으로 유의미한 차이가 시작되는 분석구간을 알 수 있다. 결과적으로 5 분 심박변이도와 통계적 차이를 가지지 않기 위해서는 시간 영역의 경우 AVNN에서 180 초 이상, SDNN, SDSD, RMSSD, pNN50에서 60 초 이상의 분석 구간이 요구되었으며, 주파수 영역의 경우는 HF, LF/HF에서 30 초 이상, TP, LF에서 60 초 이상, VLF에서 120 초 이상, nHF에서 180 초 이상의 분석 구간이 요구 되었다. nLF는 Friedman test에서 분석 구간에 따른 유의한 차이를 보였을 뿐 아니라, 표 1과 그림 3을 통해 10 초 구간으로 분석된 결과와 30 초 구간으로 분석된 결과 간에 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 하지만, 사후검정에서는 어떠한 구간에서도 유의한 차이가 발견되지 않았는데, 이러한 현상은 비모수 분석 방법의 한계 때문이라 생각된다.

그림. 2. 분석 구간에 따른 심박변이도 시간 영역 분석 결과의 변화 및 통계적 유의성

Fig. 2. Change and statistical significance of the time domain analysis result of HRV according to the analysis interval

그림. 3. 분석 구간에 따른 심박변이도 주파수 영역 분석 결과의 변화 및 통계적 유의성

Fig. 3. Change and statistical significance of the frequency domain analysis result of HRV according to the analysis interval

그림 2와 그림 3에서 분석 지표별로 의미를 살펴보면 부교감 신경의 활성도를 반영하는 지표인 RMSSD, pNN50, HF의 시간에 따른 증가는 운동 후 시간이 지날수록 부교감 신경의 활성이 증가함을 나타내고 있다. 하지만, 60 초 이상의 분석 구간부터는 값의 변동이 거의 생기지 않는 것으로 보아, 60 초 이후부터는 운동 후 자율신경 활성도의 과도기적 변화가 대부분 사라진 것으로 판단된다. 마찬가지로 분석 구간이 짧아질수록 nHF가 점차 증가하는 현상은, 운동 직후에는 자율신경계의 균형을 맞추기 위해 부교감 신경이 급격히 촉진되고, 시간이 지날수록 활성도가 감소함을 보여주고 있다. TP는 자율신경계의 전체적인 활성 정도를 반영하는 지표로 시간 영역의 SDNN과 높은 상관성을 보인다고 알려져 있으며, 본 연구에서도 운동 직후 부교감 신경의 활성으로 인해 TP와 SDNN 모두 60초 이하의 구간까지 비슷하게 점차 증가하는 경향을 보인다.

표 2는 이상의 결과를 바탕으로 제시된 회복 시 초단기 심박변이도 분석에 요구되는 최소 구간과 이전 연구⁽⁶⁾에서 제시된 안정 상태의 초단기 심박변이도 분석에 요구되는 최소 구간을 비교하여 보여준다. 본 연구에서는 Nemenyi 사후 검정에서 5분의 신호로 분석된 결과와 비교하였을 때 유의한 차이를 보이지 않기 시작한 최소 구간을 초단기 심박변이도 분석에 요구되는 최소 신호 구간으로 정의하였으며, 결과적으로 AVNN(180 초), VLF(120 초), nHF(180 초)를 제외한 대부분의 변수들에서 60 초 이상의 분석 구간에서 5 분의 심전도로 분석된 결과와 유의한 차이가 발생하지 않았다. 휴식 상태에서의 초단기 심박변이도 분석의 경우, 전반적인 심장박동수를 나타내는 AVNN 분석을 위해 10 초의 최소 구간이 요구되었지만, 회복 시 초단기 심박변이도 분석의 경우에는 AVNN 분석을 위해 180 초 이상의 긴 분석 구간을 필요로 하였다. 이는 교감 신경의 활성에 따라 감소하였던 심박간격의 변동 폭

이 안정된 상태까지 도달하는데 비교적 긴 시간이 필요하며, AVNN이 자율신경계의 과도기적 변화를 유의미하게 반영하는 것으로 생각할 수 있다. 또한, 호흡 성분 및 부교감 신경의 활성도와 관계된 RMSSD, HF, nHF 값에서 휴식 시보다 회복 시에 긴 분석 구간이 필요함을 확인할 수 있었는데, 이는 이전 연구⁽¹¹⁾ 결과로 알려져 있는 유산소 운동 직후 심박수 회복을 위한 부교감 신경의 재활성화 현상에 의한 것으로 생각할 수 있다. 운동 직후 심박변이도 분석에 사용된 신호 구간이 충분하다면 회복에 대한 전 과정이 반영될 수 있지만, 신호 구간이 짧은 경우에는 반영되기 힘들기 때문에 회복 시 부교감 신경을 반영하는 지표들이 분석 구간에 대한 영향을 크게 받는 것으로 보인다.

한 가지 더 흥미로운 사실은 안정 상태에서 240 초와 270 초의 비교적 긴 분석 구간을 요구했던 SDNN, TP, VLF 등의 변수에서 운동 후 회복 시에는 120 초 이하의 더 짧은 분석 구간을 필요로 했다는 점이다. 이러한 결과가 도출된 데에는 다양한 이유들이 있을 수 있으나 운동으로 인해 심박변이의 다양성을 나타내는 지표인 심박 복잡도(heart rate complexity)의 감소가 영향을 미칠 수 있을 것으로 사료된다. 운동 전과 운동 중, 운동 후의 심박 복잡도를 분석한 이전 연구⁽¹²⁾에서는 운동 후 심박 복잡도가 운동 전보다 낮은 결과를 보였다. 따라서, 운동 후의 낮은 심박 복잡도로 인해 분석 구간 차이에 의한 심박변이도의 절대적 변화가 감소한 것으로 추정되며, 이로써 몇 변수들에서는 안정 상태보다 더 짧은 신호 구간으로 균일한 결과를 제공한 것이라 사료된다.

초단기 심박변이도 분석은 성별과 나이에 따른 차이가 있으므로 본 연구의 결과를 일반화시키기에는 한계가 있다. 하지만, 심박변이도 분석에 대한 선행연구를 고려하였을 때 심박변이도 분석의 변수 중 우선적으로 의미 있게 활용되는 변수가 TP, SDNN, LF, HF인 것을 고려하였을 때⁽¹³⁾, 회복기 심박변이도 분석을 위해서는 최소한 60 초 이상의 신호 획득이 권장되는 것으로 보인다.

4. 결 론

본 연구에서는 모바일 기기에서 신뢰할 수 있는 심박변이도 분석 결과 제공을 위한 최소 신호 획득구간을 제시하는 것을 목표로 하였다. 운동 후 회복상태에서 얻어진 5 분의 심박 신호와 그로부터 추출된 5 분 미만의 초단기 심박 신호를 사용하여 초단기 심박변이도 분석을 하고 비교하였다. 통계분석 결과 모든 시간 영역 및 주파수 영역 변수들에서 분석 구간을 다르게 하였을 때 통계적으로 유의한 차이가 발생하였으며, 추가적인 사후검정을 통해 각 변수 별로 통계적으로 유의미한 차이가 시작되는 분석 구간을 확인하였다. 결과적으로 AVNN과 nHF에서 180 초 이상, VLF에서 120 초 이상, SDNN, SDSD, RMSSD, pNN50, TP, LF에서 60 초 이상, HF와 LF/HF에서 30 초 이상의 최소 분석구간이 요구됨을 확인하였다.

기존의 연구가 정적상태에 한정된 초단기 심박변이도 분석의 활용가능성을 검증한 것과 다르게, 본 연구는 동적 상태에서 정적상태로의 과도기적 상태를 반영한 심박변이도 변화 관찰을 포함한다는 점에서 차별성을 가진다. 하지만, 본 연구는 제한된 피험자 연령과 샘플 수, 운동 후 휴식 상태에 국한된 측정이라는 한계를 가지므로 향후 연구 대상의 확대나 다양한 동적 환경에서의 관찰을 통해 모바일 기기에서 심박변이도 분석을 위한 보다 정확한 신호 획득 구간에 대한 결과를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.