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역학 (의학)

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1. 개요

역학(의학)은 질병의 발생, 분포, 결정 요인을 연구하는 의학 분야이다. 히포크라테스는 질병 발생과 환경적 요인의 연관성을 최초로 연구했으며, 존 스노우는 콜레라 유행의 원인을 밝혀 '현대 역학의 아버지'로 불린다. 다카키 가네히로는 각기병의 영양학적 원인을 규명했고, 리처드 돌과 오스틴 브래드퍼드 힐은 흡연과 폐암의 연관성을 밝히는 등, 20세기에는 수학적 방법이 도입되어 연구 지평을 넓혔다.

역학 연구는 관찰 연구(기술적, 분석적 연구)와 실험 연구로 나뉘며, 인과 관계를 밝히는 것을 목표로 한다. 분석적 연구에는 생태학적 연구, 단면적 연구, 환자-대조군 연구, 코호트 연구가 있으며, 실험 연구에는 무작위 배정 임상시험, 현장 시험, 지역사회 임상시험이 있다. 역학은 건강 결과와 노출 간의 연관성을 밝히는 통계적 도구를 사용하며, 인과 관계를 추론하기 위해 브래드포드 힐 기준을 활용한다. 최근에는 분자 병리 역학 및 디지털 역학 연구가 진행되고 있으며, 한국 사회에서는 감염병 관리, 만성 질환 예방, 코로나19 팬데믹 대응 등 다양한 분야에 기여하고 있다.

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역학 (의학)
학문 분야
분야공중 보건학, 의학, 보건학, 수의학, 농학
연구 대상인구 집단 내 건강과 질병의 분포 및 결정 요인
연구 방법관찰 연구, 실험 연구
관련 학문통계학, 역사학, 사회학, 행동 과학, 유전체학, 생물 통계학
관련 직업역학자, 연구원, 보건 전문가
개요
정의인구 집단에서 건강 관련 상태나 사건의 분포와 결정 요인을 연구하고, 건강 문제를 통제하는 학문
목표질병의 원인 규명, 질병 발생 예측, 질병 예방 및 통제 전략 개발
역사
기원히포크라테스 시대로 거슬러 올라감
주요 발전존 스노의 콜레라 연구, 프랜시스의 폴리오 백신 연구
주요 개념
발생률특정 기간 동안 인구 집단에서 새롭게 발생하는 질병 건수
유병률특정 시점에 인구 집단에서 질병을 앓고 있는 사람의 비율
위험 요인질병 발생 가능성을 높이는 요인 (결정 요인)
교란 요인독립 변수와 종속 변수 모두에 영향을 미치는 요인
편향연구 결과의 타당성을 떨어뜨리는 체계적인 오류
연구 방법
관찰 연구코호트 연구
환자-대조군 연구
단면 연구
실험 연구무작위 대조 시험 (RCT)
지역 사회 시험
응용 분야
질병 감시질병 발생 추이 감시 및 유행 예측 (질병 서베일런스)
환경 역학환경 요인이 건강에 미치는 영향 연구 (환경 역학)
법의학 역학법적 문제 해결을 위한 역학적 방법 적용 (법의학적 역학)
직업 역학직업 환경이 건강에 미치는 영향 연구 (직업 역학)
동물 역학동물 질병의 분포 및 결정 요인 연구 (수의 역학)
식물 질병 역학식물 질병의 분포 및 결정 요인 연구 (식물 질병 역학)
통계
통계 도구회귀 분석, 생존 분석, 메타 분석
기타
관련 용어신데믹

2. 역사

역학의 기원은 기원 2,000년 경 히포크라테스가 질병 발생에서 환경적 요인의 영향이 중요하다고 생각한 데에서부터 찾을 수 있다. 히포크라테스는 질병 발생과 환경적 요인 간의 관계를 조사한 최초의 인물로 알려져 있으며, '풍토병'과 '유행병' 이라는 용어를 만들었다.

2. 1. 고대

히포크라테스는 질병 발생과 환경적 요인 간의 관계를 조사한 최초의 인물로 알려져 있다.[7] 그는 '풍토병' (어떤 장소에서는 흔히 발견되지만 다른 곳에서는 그렇지 않은 질병)과 '유행병' (어떤 시기에는 나타나지만 다른 시기에는 나타나지 않는 질병)이라는 용어를 만들었다.[9] 그는 인체의 질병이 네 가지 체액 (흑담즙, 황담즙, 혈액, 가래)의 불균형으로 인해 발생한다고 믿었다. 질병의 치료는 신체의 균형을 맞추기 위해 해당 체액을 제거하거나 추가하는 것이었으며, 이는 의학에서 사혈과 식이요법의 적용으로 이어졌다.[8]

2. 2. 근대

존 스노는 19세기 콜레라 유행의 원인을 조사한 것으로 유명하며, 현대 역학의 아버지로도 알려져 있다.[13][14] 그는 사우스워크 회사가 공급하는 두 지역에서 사망률이 현저히 높다는 것을 알아차렸다. 브로드윅 거리 펌프가 소호 유행의 원인임을 확인한 것은 역학의 고전적인 예로 여겨진다. 스노는 물을 정화하기 위해 염소를 사용하고 펌프 손잡이를 제거하여 유행을 종식시켰다. 이는 공중 보건 역사상 중요한 사건으로 인식되었으며, 전 세계 공중 보건 정책 형성에 기여한 역학의 과학적 토대가 되었다.[15][16] 그러나 스노의 연구와 추가 발병을 피하기 위한 예방 조치는 당시 널리 퍼져 있던 미아스마 이론(나쁜 공기 질이 질병의 원인이라는 질병 모델)으로 인해 그의 사후에야 완전히 받아들여지거나 실행되었다.[17] 이는 빈곤한 지역의 높은 감염률을 정당화하는 데 사용되었으며, 영양 부족과 위생 불량이라는 근본적인 문제를 해결하는 대신 그의 연구에 의해 거짓으로 밝혀졌다.[17]

1854년 런던 콜레라 유행에서 콜레라 사례 클러스터를 나타내는 존 스노의 원본 지도


다카키 가네히로는 일본 해군에 다발한 각기병이 백미 위주의 식단에 원인이 있다고 주장하는 영양학설을 제창하고, 이를 실험 역학적으로 증명한 것으로 유명하다. 항해 실험 결과에 기초하여 해군 식단에 보리밥을 도입한 결과, 1885년에는 해군의 각기병이 격감했다.[120] 이러한 공적으로 1905년에 남작 작위를 수여받았으며, 후에 "보리밥 남작"이라고도 불렸다.[121] 이는 1912년에 스즈키 우메타로가 오리자닌(비타민 B1)을 발견하기 무려 27년 전의 일이다.

기타자토 시바사부로는 파상풍균을 순수 배양하고, 혈청 요법을 확립했으며 페스트균을 발견했다.

2. 3. 현대

20세기 초, 로널드 로스, 자넷 레인-클레이폰, 앤더슨 그레이 맥켄드릭 등에 의해 역학에 수학적 방법이 도입되었다.[97][98][99][100] 1920년대에는 독일계 스위스 병리학자 막스 아스카나지 등이 국제지리병리학회를 설립하여 암 및 기타 비전염성 질환의 지리적 병리학을 체계적으로 연구했다. 제2차 세계 대전 이후, 리처드 돌 등은 전염병 연구 방법을 발전시켜 암과 같은 질환을 연구했다. 지리 병리학은 감염병 역학과 결합하여 현대 역학의 기반을 다졌다.[101]

리처드 돌과 오스틴 브래드퍼드 힐이 주도한 영국 의사 연구의 1954년 결과는 흡연폐암의 관련성에 대한 강력한 통계적 증거를 제공했다.

20세기 후반, 생물의학의 발전으로 혈액, 생체 시료, 환경 내 분자 마커가 질병 발병 또는 위험 예측 인자로 확인되었다. 이러한 바이오마커와 질환의 관계를 연구하는 분자 역학이 등장했다. 특히, 생식 세포 계열의 유전적 변이와 질환의 역학을 연구하는 유전 역학 분야도 발전했다.

3. 연구 방법

역학 연구는 크게 관찰 연구와 실험 연구로 나뉜다. 관찰 연구는 자연적인 현상을 관찰하여 자료를 수집하는 방식이며, 실험 연구는 연구자가 개입하여 특정 요인의 영향을 평가하는 방식이다.

역학 연구의 형태
분류세부분류연구형태연구단위
관찰적 연구기술적 연구
분석적 연구생태학적 연구 (상관성 연구)인구집단
단면적 연구 (유병조사 연구)개인
환자-대조군 연구개인
코호트 연구개인
실험적 연구무작위배정 임상시험 (임상시험)환자
건강자임상시험 (현장시험)건강자
지역사회 임상시험 (지역사회 중재연구)지역사회



관찰 연구는 다시 기술적 연구와 분석적 연구로 나뉜다. 기술적 연구는 건강 관련 상태 발생의 '누가, 무엇을, 어디서, 언제'를 다루고, 분석적 연구는 건강 관련 사건의 '어떻게'를 다룬다.[43] 분석적 연구에는 생태학적 연구, 단면적 연구, 환자-대조군 연구, 코호트 연구가 있다. 실험 역학에는 무작위배정 임상시험, 건강자임상시험(현장시험), 지역사회 임상시험이 있다.[43]

'역학 삼각 관계'는 ''숙주'', ''병원체'', ''환경''의 교차점을 설명하는 데 사용된다.[49]

환자-대조군 연구와 코호트 연구에 대한 간략한 설명은 다음과 같다.


  • 환자-대조군 연구: 질병 상태를 기준으로 피험자를 선택하는 후향적 연구이다. 질병 양성인 개인 집단("사례군")과 질병 음성인 개인 집단("대조군")을 비교하여 과거의 잠재적 노출을 조사한다.
  • 코호트 연구: 노출 상태를 기준으로 피험자를 선택하고, 시간이 지남에 따라 추적 관찰하여 결과 상태를 평가한다.


실험 연구는 연구자가 특정 사례 연구에 들어가는 모든 요소를 제어한다.[43]

3. 1. 관찰 연구

관찰적 연구는 연구자가 연구 대상자에게 아무런 조치를 취하지 않은 상태에서 관찰하여 정보를 얻는 연구이다. 여기에는 기술적 연구와 분석적 연구가 있다.

역학 연구의 형태
분류세부분류연구 형태연구 단위
관찰적 연구기술적 연구
분석적 연구생태학적 연구 (상관성 연구)인구집단
단면적 연구 (유병조사 연구)개인
환자-대조군 연구개인
코호트 연구개인
실험적 연구rowspan="3" |무작위배정 임상시험 (임상시험)환자
건강자임상시험건강자
지역사회 임상시험 (지역사회 중재연구)지역사회



기술적 연구는 질병 발생을 기술하고, 분석적 연구는 질병과 요인 간의 관련성을 분석한다. 분석적 연구에는 생태학적 연구, 단면적 연구, 환자-대조군 연구, 코호트 연구가 있다.[50]

3. 1. 1. 기술적 연구

기술적 연구는 인구 집단에서 질병 발생 수준을 기술하며, 역학적 연구의 첫 단계이다.

환자-대조군 연구는 질병 상태를 기준으로 대상자를 선택하는 후향적 연구이다. 질병에 걸린 사람들의 집단("사례"군)과 질병에 걸리지 않은 사람들의 집단("대조군")을 비교한다. 대조군은 사례군과 동일한 집단에서 추출하는 것이 이상적이다. 환자-대조군 연구는 두 집단이 과거에 접했을 가능성이 있는 잠재적 노출을 조사한다.

사례대조
노출AB
비노출CD



위 표에서 관련성을 측정하기 위해 오즈비 (OR)를 계산한다. 오즈비는 사례군의 노출 오즈(A/C)를 대조군의 노출 오즈(B/D)로 나눈 값(OR = (AD/BC))이다. OR이 1보다 유의하게 크면 질병이 있는 사람이 노출되었을 가능성이 높다는 것을 의미한다. OR이 1에 가까우면 노출과 질병의 관련성이 낮을 가능성이 있다. OR이 1보다 훨씬 작으면 노출이 질병의 원인에 대한 방어 요인임을 시사한다.

환자-대조군 연구는 코호트 연구보다 빠르고 비용 효율적이지만, 회상 바이어스나 선택 바이어스와 같은 바이어스의 영향을 받기 쉽다. 적절한 대조군을 식별하는 것이 중요한 과제이며, 대조군의 노출 분포는 사례군을 생성한 집단의 분포를 대표해야 한다.

환자-대조군 연구의 큰 단점은 통계적으로 유의미한 결과를 얻기 위해 필요한 사례 수가 오즈비에 따라 크게 달라진다는 것이다. 오즈비가 1에 가까울수록 통계적 유의성에 필요한 사례 수는 무한대로 증가하여 낮은 오즈비에서는 환자-대조군 연구가 거의 쓸모없게 된다.

3. 1. 2. 분석적 연구

분석적 연구는 건강 현상과 다른 변수들 간의 관련성을 분석하는 연구 형태이다. 역학적 연구는 단순한 기술적 연구도 있지만, 대부분 분석적 연구에 해당한다. 분석적 역학 연구에는 다음 네 가지 형태가 있다.[50]

  • 생태학적 연구 (Ecological Studies, 혹은 상관성 연구)
  • 단면적 연구 (Cross-sectional Studies, 혹은 유병조사 연구)
  • 환자-대조군 연구 (Case-control Studies)
  • 코호트 연구 (Cohort Studies)


환자-대조군 연구는 질병 상태를 기준으로 피험자를 선택하는 후향적 연구이다. 질병이 있는 집단("사례군")과 질병이 없는 집단("대조군")을 비교한다. 대조군은 사례가 발생한 동일한 모집단에서 나오는 것이 이상적이다. 환자-대조군 연구는 두 그룹이 과거에 겪었을 가능성이 있는 잠재적 노출을 조사한다. 2×2 표가 구성되며, 노출된 사례(A), 노출된 대조군(B), 노출되지 않은 사례(C), 노출되지 않은 대조군(D)을 표시한다. 연관성을 측정하기 위해 생성되는 통계량은 교차비(OR)이며, 이는 사례의 노출 오즈(A/C)를 대조군의 노출 오즈(B/D)로 나눈 값이다.[52]

사례대조군
노출됨AB
노출되지 않음CD



OR = (AD/BC)

OR이 1보다 유의하게 크면 "질병이 있는 사람들은 노출되었을 가능성이 더 높다"는 결론이 내려지고, 1에 가까우면 노출과 질병은 관련이 없을 가능성이 높다. OR이 1보다 훨씬 작으면 노출이 질병 발생에 보호 요인임을 시사한다.

환자-대조군 연구는 일반적으로 코호트 연구보다 빠르고 비용 효율적이지만, 회상 편향 및 선택 편향과 같은 편향에 민감하다. 주요 과제는 적절한 대조군을 식별하는 것이다. 대조군의 노출 분포는 사례가 발생한 모집단의 분포를 대표해야 한다.

코호트 연구는 노출 상태를 기준으로 피험자를 선택한다. 연구 대상은 코호트 연구 시작 시점에 연구 중인 결과의 위험에 처해 있어야 한다. 코호트는 시간이 지남에 따라 후속 결과 상태를 평가하기 위해 추적 관찰된다. 코호트 연구의 예로는 흡연자와 비흡연자 코호트를 시간이 지남에 따라 조사하여 폐암 발생률을 추정하는 것이다. 사례 대조 연구와 동일한 2×2 표가 구성된다. 그러나 생성된 점 추정치는 상대 위험도(RR)인데, 이는 노출군에서 질병 발생 확률(''P''e = ''A'' / (''A'' + ''B'')를 비노출군에서 질병 발생 확률(''P''''u'' = ''C'' / (''C'' + ''D'')로 나눈 값이다.

사례비사례합계
노출AB(A + B)
비노출CD(C + D)



RR = ''P''e / ''P''u

OR과 마찬가지로, RR이 1보다 크면 연관성이 나타나며, "노출된 사람들은 질병이 발생할 가능성이 더 높았다"라고 결론을 내릴 수 있다. 전향적 연구는 사례 대조 연구보다 RR이 더 강력한 효과 측정치이고, 시간적 선후 관계를 설정할 수 있으며, 교란 변수를 더 쉽게 제어할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 비용이 더 많이 들고, 추적 관찰에서 피험자를 잃을 가능성이 더 크다.

3. 2. 실험 연구

실험적 연구는 연구자가 개입하여 특정 요인의 영향을 평가하는 방법이다. 이러한 연구는 연구계획서에 따라 엄격하고 구체적으로 진행되며, 윤리적인 문제를 신중하게 고려해야 한다.[152] 예를 들어, 연구 참여자가 적절한 치료를 받지 못하는 상황이 발생해서는 안 되며, 연구 대상 치료법은 현재 의학 지식으로 판단할 때 수용 가능해야 한다.[152]

실험적 역학 연구에는 무작위 배정 임상시험, 건강주민 대상 임상시험(현장시험), 지역사회 임상시험의 세 가지 형태가 있다.[152]

3. 2. 1. 무작위 배정 임상시험

무작위 배정 임상시험(randomized controlled trial)은 새로운 치료법의 효과를 검증하는 등, 특정 요인에 대한 노출 여부를 인위적으로 변화시키는 연구 방법이다. 실험군과 대조군의 결과를 비교하여 실험적 처치의 효과를 평가한다.

3. 2. 2. 현장시험

현장 시험은 질병 발생 위험이 높은 건강한 사람들을 대상으로 한다.[1]

3. 2. 3. 지역사회시험

실험적 처치는 한 군 또는 둘 이상의 연구집단을 대상으로 특정 요인에 대한 노출 여부를 인위적으로 변화시키는 연구방법이다. 지역사회 임상시험은 지역 사회 전체를 대상으로 중재 연구를 수행한다.

4. 인과 추론

역학은 단순히 건강 결과와 노출 사이의 상관관계를 밝히는 것을 넘어, 인과 관계를 추론하는 것을 목표로 한다. 즉, 특정 노출이 실제로 건강 결과의 원인인지 밝히는 것이 중요하다.

"상관 관계는 인과 관계를 의미하지 않는다"는 말처럼, 두 변수 사이에 상관관계가 있다고 해서 반드시 인과 관계가 있는 것은 아니다. 역학에서는 수집된 데이터와 다양한 이론을 바탕으로 인과 관계를 추론한다.

역학자들은 질병이나 사망과 같은 결과가 하나의 원인으로 발생하는 것이 아니라, 여러 원인이 복잡하게 얽혀 발생한다고 강조한다. 이러한 원인들은 필요 조건, 충분 조건, 확률적 조건 등으로 구분될 수 있다. 예를 들어, 특정 질병에 대한 항체는 그 질병을 막는 데 필요한 조건이 될 수 있다.

1965년 오스틴 브래드포드 힐이 제시한 브래드포드 힐 기준은 인과 관계를 판단하는 데 널리 사용되는 기준이다.[56] 이 기준은 다음과 같은 아홉 가지 항목으로 구성된다.

기준설명
연관성의 강도노출과 결과 사이의 연관성이 강할수록 인과 관계일 가능성이 높다.
데이터의 일관성여러 연구에서 일관된 결과가 나타날수록 인과 관계일 가능성이 높다.
특이성특정 위치와 질병을 가진 특정 집단에서만 연관성이 나타나고, 다른 설명이 없을 때 인과 관계일 가능성이 높다.
시간성원인이 결과보다 먼저 발생해야 한다.
생물학적 기울기노출량이 증가할수록 결과 발생이 증가하는 경향이 있으면 인과 관계일 가능성이 높다. (단, 예외도 존재한다.)
개연성원인과 결과 사이에 개연성 있는 메커니즘이 존재하면 인과 관계를 뒷받침한다.
일관성역학적 연구 결과와 실험실 연구 결과가 일치하면 인과 관계일 가능성이 높다.
실험실험적 증거는 인과 관계를 뒷받침할 수 있다.
유사성유사한 요인의 효과를 고려하여 인과 관계를 판단할 수 있다.



하지만 브래드포드 힐 자신도 이 기준들이 인과 관계를 확증하는 절대적인 증거는 아니며, 필수 조건도 아니라고 강조했다.[56]

역학 연구는 특정 요인이 결과를 야기했을 "가능성"을 제시할 수는 있지만, "실제로" 야기했다는 것을 증명할 수는 없다. 법의학 역학 분야에서는 개인 또는 집단에서 질병이나 부상의 특정 원인을 조사하여 법적 환경에서 인과 관계를 제시한다.

5. 한국 사회에의 기여

한국의 역학 연구는 감염병 관리, 만성 질환 예방, 건강 증진 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 수행해 왔다. 특히, COVID-19 팬데믹 상황에서 역학적 데이터와 연구 결과는 방역 정책 수립 및 시행에 핵심적인 근거를 제공했으며, 대한민국의 방역 정책은 전 세계적으로 모범적인 사례로 평가받았다.[76]

참조

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