김수찬
(Soo-Chan Kim)
†iD
Copyright © The Korean Institute of Electrical Engineers(KIEE)
Key words
ANS(Autonomic Nervous System), PNS(Parasympathetic nervous System), SNS(Sympathetic nervous System), PLR(Pupil light reflex reflex), NfR(Need for Recovery score), daily life fatigue
1. 서 론
피로는 몸의 지나친 활동으로 인한 정신적, 육체적 노력으로 발생하는 나른함(lassitude) 또는 싫증(weariness)으로 정의된다(1). 지속적인 활동이나 자극 후 세포, 근육, 기관의 힘이나 민감도가 일시적으로 저하되어 모든 일에 능률의 감퇴를 가져온다(2). 피로는 다면적인 현상으로 회복을 위해 휴식이 필요하다. 그러나, 지속적 작업을 정상적으로 진행하기 어려운 상태임에도 불구하고 자각증상이 없는 경우도
있다. 자각 증상이 없는 경우에도 자율신경계의 작용으로 업무나 일상 생활을 현저히 위축시킬 수 있다. 피로감은 성인의 절반 이상이 경험하는 아주 흔한
질환으로 주관적 느낌이나 기분 상태와 밀접한 관계가 있다(3). 적절한 회복없이 스트레스에 자주 노출되면 일상 생활의 피로가 나타날 수 있고, 작업 생산성 저하, 병가, 심지어 정신 질환과 같은 사회적 문제의
주요 원인이 될 수 있다(4). 이러한 이유 때문에 피로에 대한 객관적 평가는 중요하다.
피로를 평가하는 대표적인 방법으로 피로 척도 설문지를 사용한다. 매일 피로를 평가하여 그 변화를 관찰할 수 있는 주관적 방법이다. 피로감과 관련된
질문에 답을 하는 형식으로 스스로 느끼는 피로감을 수치화 한다. 설문지 종류로는 Fatigue Severity Scale (FSS), 18개의 문항으로
숫자가 아닌 10cm 정도의 연속적인 선에 표시하는 VAS-F(Fatigue subscale of the Visual Analogue Scale)
방식, 11개 항목에 대한 예/아니오 단답형 질문으로 이루어진 NRS(The Need for Recovery Scale), 20개의 동사 표현을 사용하여
5단계의 피로도로 추정하는 SOFI(The Swedish Occupational Fatigue Inventory), 그리고 5개의 육체적 피로도와
정신적 피로도 설문으로 된 FAS(Fatigue Assessment Scale) 등으로 다양하다(5,8).
피로 척도 설문지를 이용한 방법은 객관적 근거보다는 스스로도 모호한 주관적 느낌에 의존한다. 이를 보완하고자 측정 가능한 신경계의 변화를 계측하여
피로를 정량적으로 객관화하려는 연구도 있다(2,9-12). 신경계는 중추와 말초 신경계로 나뉘며, 말초 신경계는 다시 체신경계와 자율신경계로 나뉜다(13). 자율신경계는 우리 몸을 외부 환경의 변화에 최적으로 맞추기 위해 끊임없이 내부 환경과 다양한 생리 현상을 조절하는 핵심 기관이다. 자율신경계
중 하나인 교감신경계는 혈압 증가나 심박수 증가와 같이 긴장된 상태에서 발현하여 ‘fight and run’ 반응을 관장하고, 다른 하나인 부교감신경계는
교감신경계와 반대로 ‘rest and digest’ 반응을 관장한다(14). 교감신경과 부교감신경의 활성도가 피로와 관련이 있으므로 이를 반영하는 심박수 변이도(HRV)를 사용해 피로를 정량화하는 연구도 있다(15,16). 심박수 변이도를 얻기 위해 전극이나 광센서 등의 접촉식 측정이 요구되고 분석을 위해 5분 정도의 적지 않은 측정 시간이 필요하다. 심박수 변이도(HRV,
Heart rate variability)와 같이 동공 빛반사(PLR, Pupil light reflex)도 망막에 입사되는 빛의 양을 홍채의 수축
및 이완근을 조절하는 자율신경계 반응이다. 이 반응도 교감과 부교감신경의 상태를 반영한다. 교감신경이 활성화되면 방사형 근육(radial muscle)이
수축되고 이로 인해 동공이 확장(mydriasis, dilation)되며 부교감신경이 활성화되면 원형(circular muscle)이 수축되고 이로
인해 동공이 수축(miosis, constriction)된다(9).
심박수나 혈압을 측정하여 신경계의 활성도를 비관혈적이고 객관적으로 추정할 수 있으나, 접촉식이며 측정 시간이 다소 소요되는 등의 단점이 있다. 본
연구에서는 교감과 부교감 신경의 활성도를 반영하는 동공 빛반사를 분석하여 피로도를 정량적으로 추정할 수 있는지 살펴보았다. 이를 위해 산술연산과 달리기를
통해 정신적 피로와 육체적 피로를 각각 유발하였고, 피로의 정도는 연산의 난이도와 달리는 시간을 증가시켜 조절하였다. 설문을 통한 주관적 피로도와
동공 빛반사로 얻어진 파라미터, 그리고 생체 신호의 변화를 비교하였다.
2. 본 론
2.1 실험대상
실험 대상은 26명으로 20명의 남성(25.5±6.3세)과 6명의 여성(22±1.4세)이었다. 모든 참가자의 교정 시력은 정상이었고, 신경학적, 정신적
또는 안과학적 문제가 없음을 확인하였다. 설문 및 실험에 대한 서면 동의를 받았으며 보건복지부 공용기관생명윤리위윈회 (P01-202006-11-001)의
승인을 받아 실험을 진행하였다.
2.2 실험 환경 및 방법
피험자는 실험이 있는 전날부터 커피나 술을 섭취를 하지 않도록 하였다. 실험 전 어두운 실내 환경에 20분 정도의 적응 시간을 가졌다. 적응 시간
동안 실험 과정에 대해 다시 한번 설명을 하였다. 표 1은 주관적 피로도를 묻는 FAS 설문지이다. Michielsen 등의 설문문항에 스케일을 0에서 10으로 수정하여 만들었다(8). 실험 전과 각 실험 마다 피로도 설문을 진행하였다. 안구 운동과 동공의 크기 변화의 관찰을 용이하게 하기 위해 모니터 앞에 친레스트(head-chin
rest, 14302, 미국)를 설치하여 머리 이동을 제한하였다. 조도의 영향을 배제하고자 암막 커튼으로 외부 빛을 차단하여 실내 밝기는 0.02
lux로 유지하였다. 피험자와 모니터, 그리고 카메라 사이의 거리는 각각 185cm, 70cm였다. 전체적인 측정 환경은 그림 1과 같다.
표 1 피로 평가 단계
Table 1 Fatigue assessment scale
2.3 피로도 유발 프로토콜 및 정량적 측정 인자
정신적 스트레스와 스테인에 관해 언급된 ISO 10075( Ergonomic principles related to mental workload)을
참고하여 산술연산과 달리기를 통해 정신적, 육체적 피로도를 각각 유발하였다(17). 산술연산은 1의 자리 수, 10의 자리 수, 100의 자리 수 각각 덧셈 10문항으로 총 30문항으로 구성하였다. 산술 연산 중에는 안구 운동과
동공의 크기의 측정은 계속하였다. 산술연산 전과 후, 그리고 2km 달리기를 마칠 때마다 환자감시장치(SureSigns VM8, PHILIPS, USA)를
이용하여 혈압(수축기, 이완기), 심박수, 산소포화도(SpO2), 체온, 동공 빛반사와 같은 생체 신호의 측정과 주관적 피로도인 설문을 진행하였다.
달리기는 트레드밀(A1, 샤오미, 중국) 위에서 시속 6km/h의 속도로 20분 동안 2km 달리기를 2회에 걸쳐 총 40분간 실시하였다. 움직임이
심하여 달리기를 진행하는 동안 안구 운동 측정은 실시하지 않았으며 2km 달리기를 마친 이후에 동공 빛반사를 측정하였다. 동공의 크기 및 안구 운동
측정에는 안구 추적기(eye tracker, TM3, EyeTech, USA)를 사용하였다. 초당 프레임 수는 60 frames으로 하여 시간 분해능은
17 msec였다. 눈꺼풀의 깜박임으로 인해 동공의 크기 측정에 실패했을 경우에는 5분 후 다시 동공 빛반사를 측정하였다. 빛 자극에 사용한 광원은
백색 LED(DPD-6969-1212, China)으로 최대 밝기는 100 lux였다. 200ms 동안 광자극을 가하고 약 10초 동안 측정하였다.
그림 2는 피로도 유발 프로토콜과 함께 생체 신호 측정 시점을 보여준다.
그림 2 피로도 유발 프로토콜
Fig. 2 Fatigue induction protocol
2.4 동공 빛반사(PLR) 분석
정상인의 경우, 양쪽 눈의 움직임과 동공 반응은 상관 관계가 높기 때문에 한쪽 눈만 분석해도 된다고 여러 연구에서 언급되어 있다(18,19). 양쪽 눈 모두를 분석하는 대신, 오른쪽과 왼쪽 눈의 차이가 없음을 확인한 후 한쪽 눈 만을 분석하였다.
동공 빛반사는 부교감신경의 활성도를 평가하는데 활용되어져 왔다. 인위적으로 주변의 밝기가 증가될 때 부교감신경의 지배를 받아 동공의 직경이 빠르게
수축되었다가 빛이 약화되면 교감 신경의 지배를 받아 원래 동공 직경으로 복원된다(20,21). 부교감과 교감신경이 각기 활성화되는 중간에는 2개의 신경 활성도가 모두 존재한다. 이 구간은 동공의 직경이 최소화되었다가 빠르게 회복되는 1초
동안의 구간이다(9).
동공 빛반사를 분석하는 대표적인 인자로는 BPD(Baseline pupil diameter), MCV(Maximum constriction velocity),
Mean CV(Mean constriction velocity), ACA(Absolute constriction amplitude), RCA(relative
constriction amplitude), DV1(Dilation velocity at 1s after maximum constriction),
T75(time to reach 75% of initial resting diameter during pupillary re-dilation), ACT(absolute
constriction time) 등 있다(9). BPD는 동공 빛반사 분석에 사용되는 기저라인으로 광 자극을 가하기 이전 200msec의 동공 크기의 평균을 사용하였다. ACA는 동공이 최대한
축소되었을 때의 동공의 직경과 BPD 간의 차이이다. RCA는 ACA를 BPD로 나눈 비율이다. MCV와 Mean CV는 각각 ACA 구간 사이에서의
최대 동공 수축 속력이고 평균 동공 수축 속력이다. DV1은 동공의 지름이 최소 동공 지름 지점까지 도달하게 된 후 다시 확장될 때 최소 동공 지름
지점에서 1초 후까지의 동공 팽창 속력이다. T75는 동공이 최대 수축 후 확장될 때 ACA의 75% 지점까지 복원될 때까지 걸린 시간이고, ACT는
BPD에서 ACA까지의 걸린 시간이다. 빛 자극에 따른 동공 직경의 변화와 이 변화를 정량적으로 평가하는 사용되는 각 인자를 그림 3에 실제 얻어진 전형적인 동공 빛반사 데이터와 함께 설명하였다.
그림 3 전형적인 PLR 반응 곡선과 분석에 사용되는 인자들
Fig. 3 Typical PLR response curves and factors used in the analysis
데이터 분석의 효율과 객관성을 높이기 위해 프로그램 R(ver.1.3.959)을 사용하여 파라미터를 자동 분석하였다. 원 데이터로부터 ACT 시점을
기준으로 PNS 구간과 SNS 구간으로 나뉘어 식 (1)과 같은 지수함수로 모델링하여 잡음에 대한 민감도를 제거한 후 인자를 추출하였다.
여기서, 는 신호의 크기, 는 감쇄 정도, 은 시간, 그리고 는 오프셋이다.
주관적 평가 설문지, 피로유발 경과, 그리고 동공 빛반사를 포함한 다양한 생체 신호의 상관 계수를 바탕으로 동공 빛반사의 인자 중에서 피로도 평가의
지표로 이용될 수 있는 인자를 살펴보았다. 통계 분석에는 엑셀(ver. 2018, Microsoft 사, USA)을 사용하였다.
2.5 실험 결과 및 고찰
주관적 피로도와 생체 신호
설문지를 활용한 주관적 피로도 수치와 생리적 변화를 나타내는 생체 신호인 심박수, 혈압, 산소 포화도(SpO2)를 피로도 유발 단계에 따라 비교하였다.
생체 신호는 산술연산을 따른 정신적 피로도 유발에는 큰 영향이 없었다. 그러나, 육체적 피로도를 유발하고자 한 2km 달리기 이후부터 주관적 피로도,
심박수, 수축기 혈압은 통계적으로 유의한 수준까지 증가하였다. 이완기 혈압과 산소 포화도는 2km 달리기 이후에도 큰 변화가 없었다. 피로도 유발에
있어서 간단한 산술 연산보다 육체적 움직임이 단기적으로 주관적 피로도와 생체 신호의 변화에 더 큰 영향을 미쳤다. 4km 달리기 이후 산소 포화도가
98%이하로 낮아진 것은 유산소 운동에 의한 일시적 현상으로 사료된다.
그림 4. 피로도 유발에 따른 (A) 심박수와 혈압의 변화, (B) 주관적 피로도(설문지)와 산소 포화도의 변화 (N=26)
Fig. 4 (A) Changes in heart rate and blood pressure (B) Changes in subjective fatigue
(questionnaire) and oxygen saturation according to fatigue induction _(N=26)
표 2는 피로도 유발 단계(휴식, 산술연산 후, 2km 달리기 후, 4km 달리기 후)와 주관적 피로도 수치를 기준으로 각각 생체 신호와의 상관 관계를
보여준다. 주관적 피로도는 심박수와 수축기 혈압이 통계적으로 유의한 관계를 보였으나 상관 계수는 높지 않았다. 피로도 유발 단계와의 상관 관계에서는
심박수, 수축기 혈압이 통계적 유의성을 보였다. 주관적 피로도 수치보다 피로도 유발 단계와 생체 신호가 상관 계수가 조금 더 높은 것은 피험자가 느끼는
주관적인 피로도보다 생체 신호가 더 민감하게 반영하는 것을 보여준다.
표 2 피로도 유발에 따른 생체 신호 변화 (N=26)
Table 2 Changes in vital signs according to fatigue induction
|
|
심박수
|
수축기 혈압
|
이완기 혈압
|
산소 포화도
|
|
설문을 통한 피로도
|
0.24*
|
0.13*
|
0.27
|
-0.19
|
|
피로도 유발 단계
|
0.48*
|
0.36*
|
0.25
|
-0.22
|
*: 유의 수준 p<0.05
동공 빛반사의 왼쪽과 오른쪽 눈의 상관관계
획득된 데이터를 사용하여 왼쪽과 오른쪽 데이터의 상관관계를 분석하였다. 그 결과 상관계수의 평균 0.97±0.05로 이전 연구들과 같은 통계적 유의성이
높은 상관관계를 보였다(18,19). 그림 5는 왼쪽과 오른쪽 동공의 직경 변화를 관찰한 예이다. 좌우 동공 직경을 식별하기 쉽도록 오른쪽 동공 직경에 -0.5mm의 옵셋을 더하여 그렸다. 이
결과를 바탕으로 본 연구에서도 좌측 안구 데이터에서만 동공 빛반사를 분석하였다.
그림 5. 왼쪽 눈과 오른쪽 눈의 동공 직경 변화의 비교
Fig. 5 Comparison of changes in pupil diameter in the left and right eyes
피로도와 동공 빛반사
피로도와 동공 빛반사를 분석하여 얻은 7개이 인자(BPD, ACT, MCV, ACA, RCA, DV1, T75)의 상관 관계를 살펴보았다. 각 인자들은
정규 분포를 따르지 않았기 때문에 각 변수에 대하여 비모수 Spearman 상관 분석을 수행했다. 표 3은 표 2에서와 같이 설문을 통한 주관적 피로도 수치와 피로도 유발에 따른 상관 계수를 보여준다. 이 중에서 BPD, MCV, ACA가 통계적으로 유의한 상관관계를
보였다. 이 결과는 Wang 등이 보여준 결과와 일치하나 DV1은 본 연구에서는 통계적 유의성을 보이지 않았다(9).
표 3 피로도와 동공 빛반사 인자와의 상관 계수
Table 3 Correlation coefficient between fatigue and pupil light reflex factors
|
|
BPD
(mm)
|
ACT
(s)
|
MCV
(mm/s)
|
ACA
(mm)
|
RCA
|
DV1
(mm/s)
|
T75
(s)
|
|
설문을 통한 피로도
|
-0.36*
|
-0.11
|
-0.45*
|
-0.40*
|
0.50
|
-0.35
|
-0.06
|
|
피로도 유발 단계
|
-0.42*
|
-0.12
|
-0.52*
|
-0.48*
|
0.45
|
-0.20
|
-0.05
|
*: 유의 수준 p<0.05
표 2와 비교해 볼 때 동공 빛반사에서 얻을 수 있는 BPD, MCV, ACT는 다른 생체 신호보다 주관적 피로도와 통계적으로 유의한 높은 상관 관계를
보였다. 이 인자들은 교감신경과 관계가 깊은 것으로 피로도가 쌓이면 교감신경의 활성도가 낮아지는 것과 일치하는 결과이다. 그림 6은 피로도 유발에 따른 MCV의 변화를 보여준다. 이러한 경향은 BPD와 ACA에서도 유사하였다.
그림 6. 피로도 유발에 따른 MCV의 변화
Fig. 6 Changes in MCV according to fatigue induction
3. 결 론
피로도를 객관적으로 보여주는 지표로써 동공 빛반사의 활용 가능성을 알아보기 위해 인위적으로 피로도를 단계별로 유발하여 심박수, 혈압 등의 생체 신호와
비교하였다. 산술연산과 달리기를 통해 정신적 피로와 육체적 피로를 각각 유발하였고, 연산의 난이도와 달리는 시간을 증가시켜 피로도를 높였다. 동공
빛반사를 포함한 여러 생체 신호의 변화를 주관적 피로도와 피로 유발 정도에 따라 관찰하였다. 그 결과 동공 빛반사의 BPD, MCV, ACA가 주관적
피로도와의 상관 관계에서 통계적으로 유의하였을 뿐만 아니라 피로 유발 정도에 따라서도 통계적으로 유의하였다. 상관 계수의 크기는 주관적 피로도보다
피로 유발 정도에 따른 것에 조금 더 높았다. 생체 신호 중에서도 심박수와 혈압도 통계적 유의한 상관 관계를 보였으나 상관 계수는 동공 빛반사의 MCV보다
높지 않았다.
제안한 방법은 여전히 절대적인 수치로써 피로도를 나타내는 것은 아니며 지속적인 측정을 통해 개인에 따른 상대적 변화를 정량적으로 나타내는데 적합한
것으로 사료된다. 동공 빛반사는 피검자에게 인위적인 전극이나 활동성에 제약을 최소화하고, 사용언어, 의사 개입 등에 미치는 영향이 적을 뿐만 아니라
비접촉, 연속 측정이 가능하므로 피로도를 객관적으로 평가할 수 있는 방법으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
Acknowledgements
This work was supported by a research grant from Hankyong National University in the
year of 2019
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저자소개
He currently works for the department of Electronic and Electrical Engineering
and IT Conversion Reseach Center, Hankyong National University in South Korea.
His areas of interest include bio signal measurement and instrumentation, human-computer
interfaces, human magnetic sensitivity, and non-intrusive human fatigue estimation.