Human Biosignal Analysis

생체신호분석 연구 소개

심전도 (Electrocardiogram, ECG)

1646년 Dr. Thomas Browne가 물에 떠있는 바늘을 움직이게 하는 힘을 전기(electricity)라고 명명했고, 그 뒤 개구리 등 여러 동물에서 생체 전류가 있음이 알려졌다. 현대적인 개념에서 최초의 심전도 측정 장치는 1895년 독일 의사 Willem Einthoven이 개발했는데, 약 270 kg의 거대한 전기측정기로 사람의 심장에서 생성되는 미세한 전기를 측정하여 특징적인 주기성이 있음을 확인했고 각각P, Q, R, S, T파로 명명하였다. 당시에 널리 알려진 'Disturbance curve'(데카르트의 교란 곡선) 원점이 ‘O’였기 때문에 ‘O’ 다음부터 A,B,C,D가 아닌 P, Q, R, S, T로 이름을 지었다. 심전도는 차동 증폭기로 구성되어 있는데 뇌파, 근전도, 심전도 모두 회로 검출 범위만 차이가 있을 뿐 큰 틀에서는 모두 동일하다. 임상에서 심전도는 심박수, 리듬, 파형의 모양, ST분절을 분석하여 진단에 사용한다. 수술 중 심전도는 가장 간단하고 비침습적인 심장기능 감시법으로 마취의 영향이나 수술적 자극시 순환상태에 대한 기초적인 정보를 제공한다. 마취와 수술 중에는 60%이상의 환자에서 다양한 정도의 부정맥이 발생하는 것으로 알려져 있다. 순환기능에 유해한 영향을 미치거나 위험한 심실 부정맥으로 진행할 가능성이 있는 부정맥은 빨리 발견하여 즉각적인 치료를 해야 한다.

관련연구
Kim SH, Moon YJ, Lee S, Jeong SM, Song JG, Hwang GS. Atrioventricular conduction disturbances immediately after hepatic graft reperfusion and their outcomes in patients undergoing liver transplantation. Liver Transpl. 2016 Jul;22(7):956-67.
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Chin JH, Park JY, Kim YK, Kim SH, Kong YG, Park PH, Hwang GS. Torsades de Pointes Triggered by Severe Diastolic Hypotension With Low Hematocrit in the Neohepatic Stage of Liver Transplantation: A Case Report. Transplantation Proceedings 2010, June;42(5): 1959-1962.
Park SU, Kim SH, Kwon HM, Koh GH, Nam GB, Karm MH, Kim WJ, Ku SW. Recurrent ST segment elevations in a patient with asymptomatic early repolarization during head and neck surgery: implications of vasospastic angina. J Dent Anesth Pain Med. 2018 Jun;18(3):189-193. doi: 10.17245/jdapm.2018.18.3.189. Epub 2018 Jun 29.

PPG analysis

관련연구
Kim SH, Song JG, Park JH, Kim JW, Park YS, Hwang GS. Beat-to-Beat Tracking of Systolic Blood Pressure Using Noninvasive Pulse Transit Time During Anesthesia Induction in Hypertensive Patients. Anesth Analg 2013 Jan;116(1):94-100.
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ABP measurement and waveform analysis

혈압의 개념을 처음 생각하고 측정한 사람은 영국의 생리학자이자 목사였던 Stephan Hales로 1733년 말의 동맥에 가느다란 관을 삽입하여 수직으로 247 cm까지 솟아오르는 것을 관찰하여 기록하였다. 이후 19세기말 Riva Rocci에 의해 팔에 압박하는 압박대가 개발되고 압박대의 넓이가 점차 넓어져 현대와 같은 기기로 발전하였다. 한편 혈압을 수은으로 측정하는 것을 도입한 사람은 Poiseuie이며 2 mm 직경의 수은관을 혈관에 직접 삽입하여 혈압을 측정할 수 있다는 것을 입증하였다. 침습적 혈압 측정 원리는 수액백에 채워진 생리 식염수가 Flush valve 근처에서 혈관내 압력 변화를 Transducer 내부에 있는 압력센서로 보내고 이 센서가 압력을 측정하여 혈압을 표시하게 된다. 동맥압은 심박수와 함께 심혈관계 기능을 평가하는 중요한 임상징후 중 하나이다. 특히 뇌 혈류와 관상 혈류에 중요한 영항을 미치며 좌심실 후부하를 결정짓는데 있어서도 중요하다. 따라서 혈역학적으로 불안정한 환자에서 동맥 압을 자주 측정하는 것은 매우 중요하다. 수술 중 혈압, 혈압의 변화, 동맥압 파형의 모양에 대한 분석과 수술 후 예후와의 관계에 대한 다양한 연구를 진행하고 있다.

관련연구
Kwon HM, Moon YJ, Jung KW, Jeong HW, Park YS, Jun IG, Song JG, Hwang GS. Low Mean Arterial Blood Pressure is Independently Associated with Postoperative Acute Kidney Injury After Living Donor Liver Transplantation: A Propensity Score Weighing Analysis. Ann Transplant. 2018 Apr 10;23:236-245.
Shin WJ, Song JG, Jun IG, Moon YJ, Kwon HM, Jung K, Kim SO, Hwang GS. Effect of ventriculo-arterial coupling on transplant outcomes in cirrhotics: Analysis of pressure-volume curve relations. J Hepatol. 2017 Feb;66(2):328-337.
Kim JW, Bang JY, Park CS, Gwak M, Shin WJ, Hwang GS. Usefulness of the maximum rate of pressure rise in the central and peripheral arteries after weaning from cardiopulmonary bypass in pediatric congenital heart surgery: A retrospective analysis. Medicine (Baltimore). 2016 Dec;95(49): e5405.
Kim SK, Shin WJ, Kim JW, Park JY, Hwang GS. Prediction of hyperdynamic circulation by arterial diastolic reflected waveform analysis in patients undergoing liver transplantation. Blood Press Monit. 2016 Feb;21(1):9-15.
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Chin JH, Jun IG, Lee J, Seo H, Hwang GS, Kim YK. Can stroke volume variation be an alternative to central venous pressure in patients undergoing kidney transplantation? Transplant Proc. 2014 Dec;46(10):3363-6.

René Laennec and the stethoscope

19세기 초반까지는 심장과 폐의 소리를 환자 가슴과 등에 귀를 붙여서 청취하였다. 1816년 René Laennec가 비만 환자를 대상으로 종이 한 묶음을 말아서 실린더에 넣고 환자 등에 대어 청진한 것이 청진기의 시초로 볼 수 있다. 이후 1850년에 현대식 청진기의 형태에 가까운 원형이 개발되었고, 1902년에 이르러 소리를 모아주는 현대식 청진기가 개발되었다.

관련연구
Kim SH, Moon YJ, Kim JW, Song JG, Hwang GS Prediction of Fluid Responsiveness by a Non-invasive Respiratory Systolic Time Interval Variation Using Heart Sound Signals in Recipients Undergoing Liver Transplantation. Transplant Proc. 2017 Jun;49(5):1082-1086.

Autonomic function in healthy and ill patients

의학의 역사에서 페니실린의 발견은 인류를 감염질환의 위험에서 구한 것처럼, 근세기 마취제의 발견과 개발은 인간을 수술 시 육체적 고통에서 해방시켜주는 인류사의 위대한 업적이었다. 그러나 불행히도 아직까지 척추 마취이든, 전신 마취이든 간에 자율신경계(autonomic nervous system, ANS)에 영향을 주지 않고 마취를 수행하기는 거의 불가능하다. 또한 수술 중에는 흔히 외과적 자극이나 출혈을 동반하므로 마취 중 혈압과 심박수의 변동이 심하다. 인체는 갑작스런 혈압의 변화에 대해 압반사(baroreflex)와 같은 자율신경계 보상기전을 작동하여 혈압을 일정하게 유지하려 하지만 마취과 영역에서 사용하는 흡입마취제 등은 압반사 반응을 둔화 시키며, 특히 당뇨병 등과 같이 자율신경계의 기능이 감소되어 있는 환자는 마취 중 혈역학적 불안정성이 더욱 증가한다. HRV, BPV, BRS는 마취과 의사가 임상에서 가장 흔히 접하는 심전도와 혈압에서 추출한 자율신경계의 지표이다. 이는 다른 자율신경계의 측정법과는 달리 마취 중에 의식이 없는 환자에서도 사용될 수 있는 지표들이다. 따라서 이들의 개념, 특징 그리고 임상적 의의를 숙지하여 임상에 잘 적용할 수 있다면 마취유도 후 혈압변화의 예측, 마취 중 혈압상승의 객관적 원인규명, 출혈 중 심혈관계의 보상 정도의 평가, 수술 후 단기 혹은 장기 사망률의 예측 등의 유용한 임상적 정보를 제공해 줄 수 있을 것이다. 우리 연구실에는 미항공우주국(NASA)와 미육군병원(WRAMC) 외상센터에 있는 하체저혈량음압챔버 (lower body negative pressure chamber) 와 동일한 연구장비를 국내에서 유일하게 갖추고 있으며 건강 자원자 및 환자의 자율신경계 기능 및 저혈량성 쇼크의 치료법에 대한 여러 연구를 수행하고 있다.

관련연구
Choi WJ, Lee K, Kim YK, Song KJ, Jeong SM, Hwang GS. Vagolytic atropine attenuates cerebral vasodilation response during acute orthostatic hypotension. Korean J Anesthesiol. 2015 Dec;68(6):594-602.
Kim YK, Lee K, Hwang GS, Cohen RJ. Sympathetic withdrawal is associated with hypotension after hepatic reperfusion. Clin Auton Res. 2013 Jun;23(3):123-31.
Bang J, Park YS, Jeong SM, Song JG, Kim YK, Hwang GS. Melatonin does not attenuate dynamic cardiovascular and cerebrovascular reflex responses to acute hypotension in healthy men. Korean J Anesthesiol. 2012 Sep;63(3):245-52.
Song JG, Kim YK, Shin WJ, Hwang GS. Changes in cardiovagal baroreflex sensitivity are related to increased ventricular mass in patients with liver cirrhosis. Circ J. 2012;76(12):2807-13.
Kim YK, Hwang GS, Shin WJ, Bang JY, Cho SK, Han SM. Effect of propranolol on the relationship between QT interval and vagal modulation of heart rate variability in cirrhotic patients awaiting liver transplantation. Transplant Proc. 2011 Jun;43(5):1654-9.
Shin WJ, Kang SJ, Kim YK, Seong SH, Han SM, Hwang GS. Link between heart rate and blood pressure Mayer wave during general anesthesia. Clin Auton Res. 2011 Oct;21(5):309-17.
Shin WJ, Choi JM, Kong YG, Song JG, Kim YK, Hwang GS. Spectral analysis of respiratory-related hemodynamic variables in simulated hypovolemia: a study in healthy volunteers with spontaneous breathing using a paced breathing activity. Korean J Anesthesiol. 2010 Jun;58.

CNS monitoring, EEG analysis & Neurocritical Care

수술 중 뇌신경계 기능감시를 위해 뇌파, 뇌산소포화도, 경동맥 도플러 검사 등을 시행하고 있다. 청각유발전위나 뇌파를 스펙트럼 분석하여 산출한 바이스펙트럼 지수 등으로 전신마취 중 환자의 반응을 예측할 수 있는데 마취약제를 적정하게 사용하여 외현기억과 암묵기억의 생성을 방지하고 적절한 마취 심도를 유지하는 것이 중요하다. 수술 중 뇌파 분석, 뇌혈류자동조절을 측정하기 위한 뇌산소포화도 지표에 대한 연구를 수행중이며 신경과, 신경외과의 연구진과 다양한 협력연구를 진행하고 있다.

관련연구
Chung J, Park W, Hong SH, Park JC, Ahn JS, Kwun BD, Lee SA, Kim SH, Jeon JY. Intraoperative use of transcranial motor/sensory evoked potential monitoring in the clipping of intracranial aneurysms: evaluation of false-positive and false-negative cases. J Neurosurg. 2018 Mar 23:1-13.
Jun IG, Shin WJ, Park YS, Song JG, Kim YK, Hwang GS. Factors affecting intraoperative changes in regional cerebral oxygen saturation in patients undergoing liver transplantation. Transplant Proc. 2013 Jan-Feb;45(1):245-50.
Lee A, Kim SH, Hong JY, Hwang JH. Effect of Anesthetic Methods on Cerebral Oxygen Saturation in Elderly Surgical Patients: prospective, randomized, observational study. World J Surg. 2012 Oct;36(10):2328-34.
Song JG, Jeong SM, Shin WJ, Jun IG, Shin K, Huh IY, Kim YK, Hwang GS. Laboratory variables associated with low near-infrared cerebral oxygen saturation in icteric patients before liver transplantation surgery. Anesth Analg. 2011 Jun;112(6):1347-52.