자폐 아동의 상호작용 중 심박수, 소규모 웨어러블 연구가 관찰한 것

이 연구가 다룬 질문

2020년 Scientific Reports에 실린 이 연구는 자폐 스펙트럼 장애(ASD) 아동이 여러 상호작용 활동을 할 때 심박수(HR)가 어떻게 나타나는지 관찰했습니다. 연구의 관심은 심박수를 통해 자폐를 진단하는 데 있지 않았습니다. 연구진은 상호작용 상황에서 나타나는 생리적 반응을 함께 살피는 방법이 가능한지, 그리고 그 변화가 임상 평가 점수와 어떤 관련을 보이는지를 탐색했습니다.

논문은 자폐 아동의 정서적 상태나 불편함을 외부 행동만으로 파악하기 어려울 수 있다는 문제의식에서 출발합니다. 심박수와 심박변이도는 자율신경계 활동을 살피는 지표로 사용돼 왔지만, 취학 전 ASD 아동의 인지적 또는 사회심리적 스트레스 상황을 대상으로 한 연구는 많지 않다고 설명합니다. 연구진은 심박수 상승이 ASD 취학 전 아동의 스트레스 수준과 관련될 수 있다는 가설을 세웠습니다.

참여자와 비교 집단

연구진은 로마 사피엔차대학교 인지신경과학 부서에서 진단과 추적 관찰을 받던 신경발달장애 아동 54명을 모집했습니다. 모집 기준은 30~72개월, IQ 85 이상, ASD 또는 언어장애(LD) 진단이면서 언어 이해 결손이 없는 경우였습니다. 신경학적 결함 또는 악화, 심혈관 질환이나 기타 질환의 징후, 검사 전 72시간 이내 멜라토닌을 포함한 향정신성 약물 사용, 취약 X 증후군이나 염색체 이상처럼 알려진 원인의 유전적 질환은 제외 기준이었습니다.

과제 수행 중 검사 누락 또는 평가 불완전 등 순응도 문제로 ASD 13명과 LD 17명, 총 30명이 탈락했습니다. 최종 분석에는 24명이 포함됐습니다. 평균 연령은 42.62개월(SD 8.14)이었고, ASD 그룹은 12명(남아 10명, 여아 2명), LD 그룹은 12명(남아 8명, 여아 4명)이었습니다. 두 집단의 성별 분포 차이는 통계적으로 유의하지 않았습니다(p=0.640).

모든 참여자의 지능과 유동추론 점수는 정상 범위였다고 보고됐습니다. 평균 IQ는 ASD 그룹 103.33(SD 12.85), LD 그룹 111.00(SD 8.88)이었고 집단 차이는 유의하지 않았습니다(p=0.103). 유동추론 점수는 ASD 그룹 91.92(SD 11.37), LD 그룹 111.33(SD 11.63)으로 보고됐으며, 집단 차이는 p=0.057로 통상적인 유의수준에는 도달하지 않았습니다.

임상 평가와 측정 장치

진단은 DSM-5 기준에 따라 이뤄졌고, 인지 기능에는 Leiter International Performance Scale-Revised(Leiter-R)의 시각화·추론 배터리가 사용됐습니다. 자폐 특성 평가는 Autism Diagnostic Observation Schedule, Second Edition(ADOS-2)으로 이뤄졌습니다. ADOS-2는 연령과 언어 능력에 따라 모듈을 선택하는 반구조화 직접 관찰 평가이며, 총점과 사회정서 및 제한적·반복적 행동 영역의 보정 중증도 점수를 산출할 수 있습니다.

심박수 측정 장치는 약 50달러로 기술된 저비용 프로토타입이었습니다. 흉부 벨트 안에 3리드 심전도(ECG) 센서와 무선 장치가 들어가고, 신호는 개인용 컴퓨터로 전송됐습니다. 회로는 공통 모드 성분을 줄이기 위한 계측 증폭기와 추가 증폭 단계를 포함했으며, 저주파 움직임 인공물과 기준선 변화를 줄이기 위한 고역통과 필터를 거쳤습니다. 신호는 내장 마이크로컨트롤러에서 100Hz로 표본화됐습니다.

측정 후 연구진은 오프라인 MATLAB 환경에서 심전도 신호를 분석했습니다. 유의한 QRS 피크의 크기와 피크 간 거리를 기준으로 피크를 선택하고, 이를 바탕으로 순간 심박수를 계산했습니다. 각 활동에서 평균 심박수와 표준편차를 산출했으며, 벨트나 상지 움직임 때문에 생길 수 있는 오류를 줄이기 위해 10초 범위의 이동평균 필터를 적용했습니다. 장치가 호흡 활동을 추가로 탐색할 수 있는 연결부를 갖고 있었다는 설명은 있지만, 이 연구의 보고된 분석은 심박수에 초점을 뒀습니다.

다섯 활동의 구성

측정은 진단 평가 6개월 뒤에 진행됐습니다. 연구진은 아동이 검사자와 상호작용하는 상황과 구조화된 책상 과제를 함께 포함하도록 다섯 활동을 배열했습니다. 전체 프로토콜은 약 20분이었고, 각 활동은 최소 4분 이상 진행됐습니다.

첫 번째 활동은 ADOS-2 자유놀이였습니다. 연구진은 아동이 검사자와 상황에 익숙해지도록 하기 위해 이를 시작 활동으로 배치했습니다. 두 번째와 네 번째 활동은 Leiter-R의 도형-배경 과제와 형태 완성 과제로, 구조화된 책상 활동의 모델로 사용됐습니다. 세 번째 활동은 ADOS-2 비눗방울 놀이였고, 다섯 번째 활동은 물체를 이용한 일상적 상호작용 기대 과제였습니다. 연구진은 세 번째와 다섯 번째 활동을 공동 주의와 공유된 즐거움이 필요한 상호작용에서 심박수를 살피기 위한 활동으로 설명했습니다.

각 활동은 기록됐고, 활동별 심박수 변화가 이후 분석 대상이 됐습니다. 연구진의 목적은 상호작용의 정도가 다른 과제에서 나타나는 반응을 비교하고, 특히 사회적 상호작용이 더 큰 과제에서 ASD와 LD 그룹의 심박수 반응이 어떻게 다른지 관찰하는 것이었습니다. 따라서 이 프로토콜은 일상에서의 지속적 모니터링이나 상용 기기의 성능 검증 연구가 아니라, 정해진 임상·연구 환경의 과제를 이용한 관찰 설계였습니다.

보고된 집단 차이와 상관 분석

논문은 전체 프로토콜과 각 개별 활동에서 ASD 그룹의 평균 심박수가 LD 그룹보다 유의하게 높았다고 보고했습니다. 반면 심박수 표준편차는 전체 프로토콜과 개별 활동 모두에서 두 집단 간 유의한 차이가 없었습니다. ASD 그룹에서 연령별 정상 심박수 범위의 상한에 더 자주 가까워졌다는 관찰도 제시됐습니다. 35세의 정상 범위를 분당 95140회로 설명한 뒤, ASD 그룹에서는 평균 심박수가 120회 초과인 참여자가 4명이었고 LD 그룹에는 없었다고 보고했습니다.

ADOS-2 총점과 활동별 심박수의 관계를 살핀 분석에서는 세 번째 활동인 비눗방울 놀이의 상관만 통계적으로 유의했습니다(r=0.415, p=0.044). 자유놀이에서는 r=0.368, p=0.077이었고, 도형-배경 과제에서는 r=0.373, p=0.073이었습니다. 다섯 번째 물체를 이용한 일상적 상호작용 기대 과제에서는 r=0.368, p=0.076이었습니다. 이 세 결과는 모두 p값이 0.05보다 커 통계적으로 유의하다고 말할 수 없습니다.

연구진은 활동 중 총 심박수를 종속 변수로 두고, 간이 IQ, 유동추론, ADOS-2 총점을 독립 변수로 포함한 단계적 선형회귀분석도 수행했습니다. 그 결과 ADOS-2 총점은 활동 중 심박수와 유의한 관련을 보였고(p=0.023), 설명된 분산의 비율은 21%(R²=0.212)로 보고됐습니다. 해당 모형에서는 간이 IQ와 유동추론 변수가 제외됐습니다. 이 수치는 연구 표본 안에서 관찰된 관련성을 뜻하며, 자폐 특성이 심박수 변화를 단독으로 결정한다는 인과적 증거는 아닙니다.

해석의 범위와 한계

연구진은 이 결과를 취학 전 ASD 아동의 상호작용 상황에서 심박수 측정을 비침습적으로 활용할 가능성을 보여주는 예비 결과로 제시했습니다. 그러나 최종 표본은 24명에 그쳤고, 54명 중 30명이 순응도 문제로 분석에서 제외됐습니다. 비교 집단도 일반 발달 아동이 아니라 언어장애 아동이었습니다. 이 설계에서는 결과를 모든 ASD 아동, 모든 연령, 모든 일상 상황에 그대로 적용할 수 없습니다.

심박수는 이 연구에서 하나의 생리 신호로 측정됐습니다. 활동 자체, 움직임, 측정 환경과 같은 요인이 관찰값에 영향을 줄 수 있으며, 논문도 더 많은 자료를 모아 행동 및 정서 상태와 연결될 수 있는 생리 패턴을 확인할 필요가 있다고 결론지었습니다. 따라서 이 연구는 심박수만으로 스트레스, 자폐 특성의 정도, 진단 또는 치료 필요성을 판정할 근거를 제공하지 않습니다. 연구가 보여준 범위는 정해진 다섯 활동 중 관찰된 집단 차이와 일부 통계적 연관성입니다.