단순 증상과 심장 박출률 검사로는 구분이 불가능했던 심박출률 보존 심부전(Heart Failure with Preserved Ejection Fraction, HFpEF) 진단을 인공지능(AI)으로 쉽게 해결할 수 있는 방법이 나왔다.

박경민·홍다위 삼성서울병원 순환기내과 교수팀은 AI를 활용해 수축 기능이 보존된 심부전을 예측할 수 있는 모델을 유럽심장학회 디지털헬스 관련 학술지(European Heart Journal–Digital Health, IF 4.4) 최근호에 ‘Artificial intelligence-enabled electrocardiogram model for predicting heart failure with preserved ejection fraction: a single-center study’라는 논문으로 게재했다고 4일 밝혔다.

심박출률 보존 심부전은 좌심실 박출률은 정상(50% 이상)임에도 불구하고 심장 이완기능 저하, 구조적 변화 등으로 발생한다. 심근이 종종 뻣뻣해져서 적절한 이완이 안 되기 때문에 혈액을 제대로 심장 안에 채울 수 없고 이로 인해 심실 내 충만압이 높아져 폐와 신체에 체액이 역류하여 호흡곤란, 피로, 부종과 같은 심부전 증상이 나타난다. HFpEF는 고혈압, 비만, 당뇨병, 신장질환으로 인해 초래되는 경우가 많다. 심전도, 심초음파, 나트륨이뇨펩타이드( N-termina pro-Brain Natriuretic Peptide, NT-proBNP, 심장이 부담을 받아 심실이 늘어날 때 분비되는 전구물질의 비활성 부분) 수치를 통해 진단된다. 국내외 심부전 환자의 절반 이상을 차지한다고 알려져 있다.

HFpEF는 심부전의 주요 특징인 숨참, 피로, 운동 시 불편 등과 같은 증상이 비특이적으로 발생하고, 고령, 비만, 고혈압 등 다양한 만성질환과 헷갈리기 쉬워 확진이 매우 어려운 병으로 꼽힌다. 게다가 병이 의심되더라도 진단을 위해 심장초음파에서 다양한 정밀지표를 종합적으로 분석해야 하므로, 많은 환자들이 적시에 정확한 진단을 받지 못하는 경우가 빈번한 실정이다. 

연구팀은 심박출량 보존 심부전 진단의 난제를 해결하기 위해 복잡한 검사 없이 병원에서 널리 사용하는 12유도(12 Lead) 심전도 검사 결과 값만 있어도 진단을 내릴 수 있도록 AI 모델을 만들었다. 

연구팀은 2016~2022년 삼성서울병원에서 심초음파, NT-proBNP, 12리드 심전도 검사를 모두 시행한 1만 3081명을 대상으로 유럽심장학회 기준(HFA-PEFF)을 참고해 환자 위험도에 따라 박출량 보전 심부전 그룹과 대조군으로 나눴다. 이들을 대상으로 심전도 데이터를 덴스넷-121(DenseNet-121) 기반 딥러닝(1D CNN)에 학습시켜 미세한 전기신호 패턴까지 포착하도록 AI 모델을 설계했다.

이어 환자별 임상·영상·혈액 데이터와 함께 AI가 실제 임상 현실에 가까운 조건에서 예측력을 테스트할 수 있도록 데이터셋을 학습-검증-테스트(7:1:2)로 분할하여 최대 5년(중앙값 4년) 동안 모은 데이터까지 통합 분석했다.

그 결과 연구팀은 AI 심전도 예측 모델의 성능(AUC) 0.81에 달했다고 밝혔다. 특히 고령, 비만, 당뇨병, 고혈압 등 주요 위험군에서도 0.78~0.83으로 모델 성능이 유지됐다. 또 AI가 ‘양성’으로 예측한 환자의 5년 내 심장사망 위험은 음성군 대비 10배, 심부전으로 인한 입원 위험은 5배 높아 실제 임상에서도 유용하게 쓰일 것으로 연구팀은 내다봤다. 

연구팀은 “이번 연구는 AI 기반 심전도 모델을 활용해 박출량 보존 심부전 가능성을 예측한 국내 첫 연구”라며 “세계적으로 이완기 기능 저하나 좌심실 충만압 상승을 예측하려는 시도는 있었지만 HFA-PEFF 점수를 기준으로 모델을 훈련하고 평가한 연구는 이번이 처음”이라고 강조했다.

박경민 교수는 “기존 심장초음파나 혈액검사가 없는 환자에서도 간단한 심전도검사만으로 심박출량 보존 심부전의 가능성을 조기에 의심해볼 수 있다는 점에서 진단의 사각지대를 줄이는 데 큰 의미가 있다” 며 “다른 의료기관과 협력해 외부 검증을 추가하는 연구도 지속할 예정” 이라고 밝혔다.