심박변이도는 어떻게 잡음에서 아침의 숫자가 되었나
1963년, American Journal of Obstetrics and Gynecology 학술지는 Edward Hon과 S. T. Lee의 논문 두 편을 연달아 실었다. 804~813쪽, 그리고 814~826쪽이었다. 첫 번째는 죽어 가는 태아의 심전도에 관한 논문이었다. 두 번째는 태아 사망에 앞서 나타나는 심박 패턴에 관한 논문이었다. Hon은 Yale의 산과 의사였고, 의사가 되기 전에 무선 기술자로 훈련받았다. 그는 분만 중 아기의 심장 박동을 연속으로 기록할 수 있는 최초의 시스템 가운데 하나를 만들었다.
이 연구를 돌아본 이후의 리뷰들은 모두 하나의 관찰을 가리킨다. 태아가 곤란 징후를 보이기 전에, 한 박동에서 다음 박동까지 걸리는 시간의 작은 변화가 먼저 달라졌다. 평균 심박수는 아직 쓸모 있을 만큼 움직이지 않았다. 문제는 박동 수에 나타나기 전에 박동 사이의 간격에 먼저 나타났다.
200년이 넘는 동안 이 작은 흔들림은 각주에 불과했다. 생리학자들은 그것을 보고, 재고, 결함처럼 들리는 이름을 붙였다. 동성 부정맥이다. 오늘날 같은 흔들림은 많은 사람이 아침 식사 전에 확인하는 숫자가 되었다. 이것은 잡음이 신호가 된 이야기다. 또한 병원의 기록 테이프에서 손목 위로 오는 길에 무엇을 잃었는지에 관한 이야기이기도 하다.
말 한 마리, 개 한 마리, 그리고 각주 하나
최초의 기록은 청진기보다 오래되었다. 1733년 영국의 성직자이자 실험가 Stephen Hales는 동물의 혈압에 관한 저서 Haemastaticks를 펴냈다. George Billman의 역사적 리뷰는 박동 사이의 시간과 동맥의 압력이 호흡에 따라 오르내린다는 사실을 처음 보고한 사람으로 Hales를 꼽는다. 그의 관찰 대상은 의식이 있는 말이었다.
1847년 독일의 생리학자 Carl Ludwig는 키모그래프를 만들었다. 그을음을 입힌 드럼이 돌면서 압력의 파형을 종이에 기록하는 장치다. 그는 개에게서 숨을 들이쉴 때 맥박이 빨라지고 내쉴 때 느려진다는 것을 기록했다. Billman은 이를 호흡성 동성 부정맥에 대한 최초의 기록으로 본다. 잠든 사이 현대의 센서가 매일 밤 포착하는 바로 그 리듬이다.
그 뒤로 약 한 세기 동안 거의 아무 일도 일어나지 않았다. 발견이 틀린 것은 아니었다. 그저 흥미롭지 않았을 뿐이다. 호흡은 맥박을 조금 바꾼다. 건강한 심장은 완벽한 박자를 지키지 않는다. 생리학자들은 이를 기계 장치에 관한 하나의 사실로 여겼다. 언덕길에서 조금 다른 음으로 웅웅대는 자동차 엔진과 비슷한 것이었다.
흔들림이 잡음처럼 보였던 이유
의학에는 이를 무시할 만한 충분한 이유가 있었다. 역사의 대부분 동안 맥박은 곧 ‘박동수’였다. 시계를 보며 15초 동안 박동을 세고 4를 곱했다. 박동수는 평균이고, 평균은 평균되는 대상들 사이의 차이를 감추도록 만들어진 것이다. 분당 60회는 1초씩 똑같은 간격이 60번 이어진다는 뜻일 수 있다. 숨을 쉴 때마다 10분의 1초씩 늘었다 줄었다 하는 간격일 수도 있다. 손목에 댄 손가락으로는 그 차이를 알 수 없다.
20세기로 넘어갈 무렵 개발된 Willem Einthoven의 현선 검류계 심전도는 박동 하나하나를 날카로운 스파이크로 보이게 했다. Einthoven이 R이라고 이름 붙인 꼭짓점이다. 처음으로 두 박동 사이의 간격을 짐작이 아니라 자로 잴 수 있게 되었다. 그러나 초기 심전도 기계는 크고, 한곳에 고정되어 있었으며, 가만히 누워 있는 환자를 짧게 기록하는 데 쓰였다. 몇 초 분량의 종이 기록은 진료실에서 쉬고 있는 심장을 보여 준다. 하루를 살아가는 심장은 보여 주지 못한다.
흔들림이 측정값이 되려면 두 가지 일이 일어나야 했다. 누군가 진료실 밖에서 몇 시간 동안 심장을 기록해야 했다. 그리고 누군가 중요한 일이 일어날 때 흔들림이 달라진다는 것을 보여 줘야 했다.
85파운드 배낭을 멘 물리학자
첫 번째는 Helena, Montana에서, 그것도 의사가 아닌 사람에게서 나왔다. Norman Jefferis Holter는 UCLA에서 물리학, University of Southern California에서 화학 석사 학위를 받았다. 심장내과 전문의 Harold Kennedy가 정리한 이 기술의 역사에 따르면, Holter는 처음에 직접 접촉하지 않고 신경을 자극하는 방법을 연구했다. 그러다 보스턴의 심장내과 전문의 Paul Dudley White의 방문을 계기로 심장이 더 중요한 문제라고 확신하게 되었다.
Holter는 1947년 Helena로 돌아왔다. 1940년대 후반 그는 동료 Joseph Gengerelli와 함께 처음으로 심전도를 방송했다. 무게가 약 85파운드(약 39kg)인 배낭형 송신기에서 무선으로 보낸 것이다. 피험자는 그것을 메고 운동했다. 터무니없는 물건이었지만 요점은 증명했다. 심장의 전기 신호는 사람과 함께 방을 떠날 수 있었다.
트랜지스터가 배낭을 줄였다. 1961년 Holter는 그 결과를 Science에 발표했다. 활동하는 사람의 심전도를 오랜 시간 연속으로 기록할 수 있는 휴대용 테이프 녹음기, 그리고 임상의가 긴 테이프를 빠르게 검토할 수 있도록 고안한 재생 방법이었다. 그는 이 발명을 Bruce Del Mar에게 넘겼고, 그의 회사가 최초의 임상용 시스템을 개발했다. 이런 기록은 지금도 ‘홀터 모니터’라고 불린다.
Holter의 1961년 논문은 활동하는 사람의 심장을 기록하는 것에 관한 것이지, 변이도에 관한 것이 아니다. 하지만 그의 기록 장치는 변이도 연구에 필요한 원재료를 만들어 냈다. 평범한 하루에서 얻은 수만 개의 박동 간 간격이다.
박동 사이에 귀를 기울인 산과 의사
Edward Hon의 삶은 마치 이 문제를 위해 준비된 것처럼 보인다. Neonatology on the Web의 약력에 따르면, 그는 1917년 Guangzhou 근처의 한 마을에서 호주계 중국인 가정에 태어나 호주 Tenterfield에서 자랐다. 1942년에는 시드니의 Marconi School of Wireless에서 수료증을 받았다. 이후 캘리포니아에서 의학을 공부했고, 산과 전공의 과정을 위해 Yale로 갔다. 그곳에서 그는 전자공학 연구실을 제안했고, Yale은 Markle Scholar 지원금으로 연구실 비용을 댔다.
1958년 그는 분만 중 태아 심전도를 연속으로 기록하는 시스템을 발표했다. 이어서 Lee와 함께한 1963년 논문이 나왔다. 1996년 국제 표준과 Billman의 리뷰가 모두 전하는 그들의 관찰은, 박동 사이 간격의 변화가 심박수 자체의 뚜렷한 변화보다 먼저 나타났다는 것이다. Hon이 이것을 생리학의 일반 원리로 보았는지, 아니면 분만실의 실용적인 경고 신호로만 보았는지는 기록으로는 알 수 없다. 그가 발표한 연구는 실용적이었다. 그는 자궁 수축 중의 심박 패턴을 분류했고, 그 분류는 지금도 태아 모니터링의 바탕이 된다.
그의 연구는 Roberto Caldeyro-Barcia, Konrad Hammacher의 연구와 함께 1968년 최초의 상업용 태아 모니터로 이어졌다. 이후 연속 모니터링은 많은 병원에서 일상이 되었다. 나중의 임상시험들은 그런 일상적 사용이 결과를 얼마나 개선했는지에 의문을 제기했다. 좋은 신호가 언제나 다음에 무엇을 할지에 대한 좋은 결정으로 이어지지는 않는다. HRV는 이 교훈을 거듭 다시 배우고 있다.
각주에서 아침의 숫자로
박동 간 간격의 250년
침상 검사에서 파워 스펙트럼까지
1970년대 내내 흔들림은 진료 현장에서 쓰이기 시작했다. Edinburgh의 David Ewing과 동료들은 당뇨병이 있는 사람들을 위한 간단한 침상 검사를 개발했다. 환자가 깊게 숨을 쉬거나, 일어서거나, 기도를 막은 채 힘을 주면, 임상의는 박동 간 간격이 얼마나 변하는지 측정했다. 변화가 작으면 심장을 조절하는 신경이 정상적으로 반응하지 않는다는 것을 시사했다. 검사는 저렴하고 빨랐으며, 호기심의 대상을 임상 도구로 바꾸었다.
1978년 M. M. Wolf가 이끈 호주 연구진은 관상동맥 집중치료실에 입원한 환자 176명을 살펴보았다. 그중 73명에게서 입원 당시 박동 간 간격의 변동으로 측정한 동성 부정맥이 나타났다. 이 그룹은 병원 내 사망이 더 적었다. 작은 연구였다. 그러나 오래된 각주가 임상의들이 무시할 수 없는 결과와 처음으로 연결된 순간이기도 했다.
그다음 공학자들이 등장했다. 1981년 MIT의 Solange Akselrod와 동료들은 Science 저널에 짧은 논문을 발표해 심박 변동에 파워 스펙트럼 분석을 적용했다. 파워 스펙트럼은 복잡한 신호를 느린 리듬, 중간 리듬, 빠른 리듬으로 나눈다. 프리즘이 빛을 나누는 것과 비슷하다. 호흡을 따르는 빠른 변동은 주로 미주신경을 반영한다. 부교감신경계의 주된 ‘브레이크’다. 더 느린 변동에는 여러 영향이 섞여 있다. 처음으로 흔들림이 신경계 자체의 판독값처럼 보였다.
이 마지막 문장이 훗날 가장 많은 수정을 필요로 했다. 이 이야기는 뒤에서 다시 하겠다.
그것을 유명하게 만든 숫자
1987년 Robert Kleiger, J. Philip Miller, J. Thomas Bigger, Arthur Moss는 심박변이도를 심장학의 유명한 용어로 만든 논문을 발표했다. 그들은 급성 심근경색 생존자 약 800명을 연구했다. 각자에게 24시간 홀터 기록이 있었다. 연구진은 그 기록으로 하루 동안의 모든 정상 박동 간 간격의 표준편차를 계산했다. 이 지표를 지금은 SDNN이라고 부른다.
이후 리뷰들의 요약에 따르면, SDNN이 50밀리초 미만인 환자는 평균 약 31개월의 추적 기간 동안 100밀리초를 넘는 환자보다 사망률이 약 5.3배 높았다. 결과는 강력했고 설명하기 쉬웠으며, Holter의 테이프를 새로운 종류의 데이터로 바꾸었다.
그 숫자가 무엇이었는지 보자. 5분 측정이 아니라 하루 전체의 기록에서 나왔다. 앱을 확인하는 건강한 사람이 아니라 막 심근경색을 겪은 사람들에게서 나왔다. 그리고 그것은 연관성이었다. 낮은 변이도는 위험이 더 높은 집단을 표시했다. 이 연구는 누군가의 SDNN을 높이면 무언가가 달라지는지를 검증하지 않았다. 2017년 리뷰에서 Fred Shaffer와 J. P. Ginsberg는 사람들을 훈련시켜 더 높은 SDNN 범주로 옮기는 것에 대해 바로 그 질문을 던지고, 답을 열어 둔다. 그 질문은 지금도 열려 있다.
1996년: 규칙서
1990년대 초에 이르자 연구실들은 서로 호환되지 않는 여러 방식으로 “HRV”를 측정하고 있었다. 1996년 European Society of Cardiology와 North American Society of Pacing and Electrophysiology는 공동 태스크포스 보고서를 Circulation에 발표했다. 측정 표준, 생리학적 해석, 임상적 활용을 다룬 보고서다. 보고서는 지표를 정의하고, 주파수 대역을 정하고, 두 종류의 기록을 설명했다. 약 5분의 짧은 기록과 24시간의 긴 기록이다.
규칙서는 제 역할을 했다. 마침내 서로 다른 연구실의 결과를 비교할 수 있게 되었다. 그러나 표준은 언제나 두 가지 일을 동시에 한다. 측정을 어디서나 쓸 수 있게 만들고, 자신이 설명하는 방식을 유일한 방식처럼 보이게 만든다. 태스크포스는 주로 심전도 기계로 얻은 임상 기록을 위해 규칙을 썼다. 30년이 지난 지금도 그 규칙은 소비자 기기가 보여 주는 HRV 숫자를 형성하고 있다.
단순화로 사라진 것
가장 중요한 수정은 생리학자들에게서 나왔다. Billman의 2011년 리뷰는 문제를 분명하게 정리한다. HRV는 간접 지표다. 심장의 박동조율기에 미치는 신경계의 영향을 반영하지만, 신경 활동을 직접 측정하지는 않는다. 느린 ‘저주파’ 대역이 교감신경의 ‘가속 페달’을 측정한다는 생각은 지지받지 못했고, 널리 알려진 LF/HF ‘균형’ 비율은 지금 강한 논쟁 대상이다. 호흡 중 심장 조직 자체가 늘어나는 것만으로도 신경의 입력 없이 간격이 바뀔 수 있다.
방 안에서 가장 큰 변수는 호흡이다. 느리고 깊은 호흡은 심장 박동에 나타나는 호흡 리듬을 키우며, 때로는 크게 키운다. Billman은 많은 인간 연구가 기록 중 사람들의 호흡 방식을 통제하지 않았다고 지적한다. Shaffer와 Ginsberg는 정상 범위 안에서 호흡수를 바꾸기만 해도, 평균 심박수는 전혀 바꾸지 않은 채 흔히 쓰는 HRV 지표 하나가 움직일 수 있다고 덧붙인다.
기록 길이도 그만큼 중요하다. Shaffer와 Ginsberg는 같은 공식을 쓰더라도 24시간, 단기, 초단기 값은 서로 바꿔 쓸 수 없다고 말한다. 긴 기록에는 일, 식사, 계단, 수면이 담긴 하루 전체가 들어간다. 짧은 기록은 조용한 한순간을 담는다. 짧은 안정 시 값은 24시간 값과 상관관계가 약하다. 그러니 HRV를 유명하게 만든 숫자, 즉 심근경색 생존자의 하루 단위 SDNN은 오늘날 대부분의 사람이 보는 숫자가 아니다.
어떻게 손목까지 왔나
대부분의 웨어러블에 표시되는 숫자는 Kleiger의 숫자의 사촌이지, 사본이 아니다. 보통은 RMSSD, 즉 연속한 박동 간격 차이의 제곱평균제곱근이다. RMSSD는 각 간격이 바로 앞 간격과 얼마나 다른지만 본다. 그래서 주로 미주신경을 반영하는, 호흡과 연결된 빠른 변화에 민감하다. 반면 24시간 SDNN을 좌우하는 느린 변동에는 덜 민감하다.
계산 예시
심박수는 같아도 심장은 다르다: RMSSD가 실제로 세는 것
스포츠가 RMSSD를 일상으로 가져왔다. 2013년 Daniel Plews, Paul Laursen과 동료들은 엘리트 지구력 선수들에 관한 글을 Sports Medicine에 실었다. 그들은 아침에 측정한 RMSSD의 로그값으로 선수들이 훈련에 어떻게 적응하는지 추적했다. 그 논문과 Plews의 이후 학위 논문을 통틀어 얻은 실용적인 결론은 소박하지만 유용했다. 주간 평균이 어느 하루 아침보다 훨씬 많은 것을 알려 주었다. 일주일에 유효한 측정이 몇 번만 있어도 추세를 볼 수 있었고, 하루 낮은 날 자체는 별 의미가 없었다. 이 생각이 어떻게 발전했는지는 HRV 기반 트레이닝에 관한 글에서 다뤘다.
마지막 단계는 센서였다. 대부분의 손목 기기는 심장의 전기적 R파를 읽지 않는다. 피부를 통해 광학적으로 맥파를 읽고, 그 파형에서 간격을 추정한다. 이 방식은 가만히 있을 때 가장 잘 작동한다. 그래서 대부분의 웨어러블은 밤 동안의 HRV를 보여 준다. 1963년 이후의 단계 하나하나가 측정을 더 쉽게 만들었다. 그리고 단계마다 그 의미가 처음 확립된 조건에서 조금씩 더 멀어졌다.
이 이야기가 실제로 뒷받침하는 것
정직하게 읽으면, 이 역사는 세 가지 주장을 뒷받침하고 네 번째 주장은 거부한다.
첫째, 흔들림은 장비의 잡음이 아니라 실제 생리 현상이다. Hales는 말에게서, Ludwig는 개에게서 그것을 보았다. 현대의 센서는 우리 몸에서 그것을 본다. 그중 빠른 부분은 주로 심장에 걸리는 미주신경 브레이크를 반영하며, 호흡을 따라 움직인다.
둘째, 흔들림은 평균보다 먼저 변할 수 있다. 그것이 분만실에서 Hon이 관찰한 것이었고, 잠을 짧게 잔 밤, 늦은 시간의 무거운 식사, 또는 술 몇 잔 뒤에 안정 시 심박수는 거의 움직이지 않는데도 HRV가 떨어질 수 있는 이유다. 이 신호는 민감하다. 특이적이지는 않다. 낮은 값은 무언가가 바뀌었다는 것을 알려 줄 뿐, 무엇이 바뀌었는지는 알려 주지 않는다.
셋째, 의미는 방법에 달려 있다. 24시간, 5분, 하룻밤은 서로 다른 측정이다. 내 숫자는 같은 방식으로, 하루 중 같은 시간에 잰 나 자신의 숫자와 비교하는 것이 가장 좋다. 나이가 들면 HRV는 낮아지고, 건강한 사람들끼리도 차이가 크다. 친구의 점수가 더 높다고 해도 나에 대해서는 거의 아무것도 말해 주지 않는다.
이 역사가 뒷받침하지 않는 주장은 가장 팔기 쉬운 주장이다. 더 높은 HRV가 그 자체로 목표이고, 그것을 높이면 더 오래 살 수 있다는 주장이다. 유명한 사망률 결과는 심근경색 생존자에게서 나왔고, 연관성이었다. 건강한 사람의 HRV를 끌어올리면 장기적인 건강이 달라진다는 것을 보여 준 사람은 아무도 없다. 숫자를 ‘부스트’해 준다고 약속하는 제품이나 계획은 조심하자. HRV는 회복을 재는 온도계이지, 온도 조절기가 아니다.
이것이 바로 Agen Band의 바탕이 된 접근법이다. Agen Band의 밤사이 HRV는 광학 센서로 계산한 파생 추정값이며, 자신의 기준선 대비 추세로 표시된다. 알아차리기 위한 웰니스 신호일 뿐, 의료 측정값이 아니고 진단도 아니다. 자세한 내용은 가이드 ‘준비도 점수는 무엇을 측정하는가’ 편에서 다룬다. 심장 질환이 있거나 걱정되는 측정값이 있다면 의사와 상담하자. 손목 추정값은 임상 검사가 아니다.
핵심 정리
200년 동안 심장 박동 사이의 작은 변이는 잘못된 이름이 붙은 각주였다. 85파운드짜리 배낭, 무선 기술자로 훈련받은 산과 의사, 그리고 몇 번의 스펙트럼 분석을 거치고서야, 간격이 평균에는 없는 정보를 담고 있다는 사실이 드러났다. 그 역사가 주는 규칙은 하나다. 숫자는 그것이 답하는 질문만큼만 좋다. 이번 주에는 하루 단위 HRV를 무시하자. 대신 7일 평균을 보자. 낮은 날이 나타나면 전날 무슨 일이 있었는지 적어 두자. 수면, 술, 힘든 운동, 이동, 늦은 식사. 한 달 안에 인구 집단 차트가 알려 줄 수 있는 것보다 자신의 패턴에 대해 더 많이 알게 될 것이다. 앞서 다룬 220 빼기 나이 공식 그리고 하루 1만 보 목표에서 보았듯이, 유용한 숫자는 자신과 비교하는 숫자다.
