원저 동시에측정한기저동맥과중대뇌동맥의이산화탄소반응성 : Power M-mode 도플러와전 - 후탐침고정장치의이용 아주대학교의과대학신경과학교실, 아주대학교병원의용공학팀 a 홍지만신동훈허균주인수신상건이승남 a Ji Man Hong, M.D., Dong Hoon Shin, M.D., Kyoon Huh, M.D., In Soo Joo, M.D., Sang Kun Sin, M.D., Seung Nam Lee a Department of Neurology, Ajou University School of Medicine, Suwon; Medical Engineering Team of Ajou University Hospital a, Suwon, Korea 서론 대뇌자동조절 (cerebral autoregulation) 이란혈압이나뇌관류압의광범위한변화에대해뇌혈류량을일정하게유지시키는능력이다. 1,2 저항동맥으로알려진소동맥 (arteriole) 의직경을
홍지만신동훈허균주인수신상건이승남 변화시킴으로써대뇌자동조절이조절되고있고가장영향이높은자극인자는이산화탄소 (CO 2) 이다. 이산화탄소반응성 (CO 2 reactivity) 이란이산화탄소의자극에대해뇌혈류량 (Cerebrovascular Flow, CBF) 의변화정도를의미한다. 3 뇌혈류초음파 (transcranial Doppler, TCD) 는환자에게쉽게적용이가능하고인체에특별한해가없는검사법으로 CBF 와직접적으로관계가있는대뇌기저부동맥들의속도나파형을실시간으로측정할수있는기구이다. 2 일반적으로 TCD 는 CO 2 의상승에따른대뇌기저동맥들의평균속도의변화로혈관운동반응성 (vasomotor reactivity, VMR) 을측정하고있다. 4 대뇌자동조절이정상적으로작동하지않으면이산화탄소반응성역시정상보다떨어지는것으로알려졌다. 대뇌기저부위의대형동맥이 CO 2 자극에대해일정하거나거의변화가없기때문에 5,6 혈류속도가 CBF 와비례하는것을이용하여대뇌자동조절능력을간접적으로평가한다. 현재까지 TCD 를이용한대뇌자동조절을평가하기위한혈관운동반응성에대한검사는소수의보고를제외하고는대부분전순환계에국한되어있었다. 기존에보고된후순환계의대뇌자동조절에대한연구들도다음과같은제한점이있었다. 7-11 첫째, 중대뇌동맥과기저동맥을동시에측정하더라도후두하창에서는탐지자를고정하는장치가없기때문에 CO 2 자극에대해짧은시간동안변화하는파형을지속적으로얻어내는것이 기술적으로어려웠다. 둘째, TCD 를이용하여측정한 VMR 의특성상 CO 2 농도, 혈압, 흉곽내압력등이그평균속도에영향을많이줄수있으므로 3 개개인에서전-후순환계의정확한비교를하려면각각을동시에측정하는것이매우중요함에도불구하고이에대한연구가미미하였다. 대뇌의기능을연구하는대부분의영상도구들은 (MRI, SPECT, PET) 뛰어난해상도로영상을얻을수있지만, 실시간으로변화하는이산화탄소자극에대해연속적으로영상을표현하기어렵다. 한편, 저자들은최근에개발된정확하고빠른실시간의파형분석 (spectral analysis) 을가능케하는 Transcranial power motion mode Doppler (PMD) 를이용하고, 후두하창에서잡은파형을그대로보존하고탐침의위치를지속적으로변화시키지않는고정장치를개발한다면기존 TCD 의문제점들을상당히해결할수있다고생각하였다. 즉, 전-후순환계의정확한혈관운동반응성을여러혈관에서동시에측정할수있는방법을고안하는것은 TCD 의장점을극대화시킬수있어기존의영상도구들과차별될수있다. 이는전-후혈관반응이서로다를것으로예상되는뇌졸중및전조가있거나전조가없는편두통, 고혈압성뇌병증, 졸도등의다양한혈관반응성연구에서그기전을이해하도록도움을줄수있다. 저자들은 PMD 기능이있는 TCD 장치와자체개발한후두부탐침고정장치를이용하여재연성이뛰어나고쉽게적용할수 Table 1. Demographic characteristics and baseline hemodynamic values in enrolled healthy volunteers (n=28) Healthy volunteers (n=28) p-value General Demographic Characteristics Age, y 30.4±5.6 Female, (%) 20 (71.4) SBP, mm Hg 108±6.9 DBP, mm Hg 65.1±5.3 HR, bpm 69.4±9.3 Baseline TCD findings R MCA V 64.0±13.7 0.634 L MCA V 65.0±11.9 D MCA V 67.3±12.2 BA V 45.3±7.6 Cerebrovascular reactivity, % [(MFVmax MFVbase)/MFVbase 100] R MCA CVR 46.9±15.1 0.779 L MCA CVR 46.4±14.8 D MCA CVR 46.1±12.1 0.942 BA CVR 46.0±15.1 Decrement of CVR 35.6±6.9 Vasomotor Reserve 81.1±14.5 SBP; systolic blood pressure, DBP; diastolic blood pressure, HR; heart rate, V; velocity, L; left, R; right, D; dominant, MCA; middle cerebral artery, BA; basilar artery, CVR; cerebrovascular reactivity p>0.05 by paired t-test 대한신경과학회지제 25 권제 1 호, 2007
동시에측정한기저동맥과중대뇌동맥의이산화탄소반응성 : Power M-mode 도플러와전 - 후탐침고정장치의이용 있는 재호흡법 으로고이산화탄소자극을만들고, 건강한지원자대뇌의전- 후순환계의 CVR 을측정하여 CVR 의특성과전-후혈관계에서의상관관계를알아보고자하였다. 대상과방법 1. 대상 2006 년 5월부터 2006 년 8월까지아주대학교병원에근무하고있는의료기관종사자나의과대학학생중에서현재까지건강검진에서특별한과거병력이나두통및어지러움증상이없으며현재약물을복용하지않는건강한남 녀 28명을대상으로혈관반응검사를시행하였다. 참여한모든사람은본연구에대한설명을듣고연구동의서에승낙을한지원자들이었다. 지원자의특성은표 1에기술하였다. 2. 방법 탐침고정장치는저자들이본원응용공학팀과함께자체제작하였다 (Fig. 1-A). Power motion-mode transcranial Doppler 는 PMD 100 M (Spencer Technologies, Seattle, WA) 모델을사용하였다. 2-MHz 탐침하나가동시에 M-mode 와 spectral TCD display에사용된다. M-mode 영상 (multidepth flow display) 은평균속도에의해다가오는파는빨간색으로, 멀어지는파는파란색으로구성되고반사된초음파의양에따라더욱밝게빛이난다. 또한, 일반적인 TCD 영상 (single-depth waveform display) 이동시에같은화면에기록된다 (Fig. 1-B). 12 검사전정상호흡상태를유지하고맥박이안정되는시점을위해조용하고밝은외부빛이차단되는 TCD 검사실에서 5분동안의자에편안하게앉아있는상태에서혈압과맥박을측정하였다. 또한검사자가검사를중단해야하는맥박수치를정하기위해측정된기저치맥박에 1.1 배를곱하여이를계산하였다. TCD 검사는 2단계로진행하였다. 1단계검사 : 측두창고정장치를이용하여양측측두창을통하여 55-62 mm 깊이에 M-mode 창에서빨간색파에서가장강하게빛나는깊이를선택하여 spectral Doppler mode 를사용하여중대뇌동맥의혈류신호를측정하여 CBF 평균속도를기저수치 (Vbase) 로하였다. 검사전, 검사자는환자에게마스크밀착에대해충분히설명하고방법을직접보여주었고, 3 L 비닐 Bag 으로재호흡법을이용하여환자에게분당 15회의속도로숨을쉬게하였다. 검사자는재호흡도중환자의 CBF 속도가더이상상승하지않거나, CBFV 가상승하면서맥박수가기저치 Figure 1. Simultaneous insonation of the left MCA and BA (A), and their displays (B). Specific headset is applied (A). One power M-mode represents the entire signal through the left temporal window and the yellow line point out the depth of 58 mm of the left MCA, and spectral Dopplerdisplay shows flow signal from the left proximal MCA (B). Another power M-mode represents the entire signal through the posterior occipital window and the yellow line point out the depth of 80 mm of the BA, and spectral Doppler display shows flow signal from the proximal BA (C). 보다 10% 이상상승하면검사를종료하였고, CBF 속도가상승하면서환자가더이상견디지못하고숨을쉬고있던마스크를치면검사를종료하였으며그지점의 CBF 평균속도를최대수치 (Vmax) 로하였다. 2단계검사 : 1단계검사의종료후, 측두창의평균속도가 1단계검사의기저수치와비슷한정도까지회복된것을확인하고나서 2단계검사를시행하였다. 1단계검사시양측측두창중에서파형이잘잡힌편을측두창에남기고다른탐지자를후두하창에있는고정장치고리에걸고 M-mode 창에서 75-85 mm 사이의파란색파에서빛이가장강하게나타나는깊이를선택한후 spectral Doppler mode 에
홍지만신동훈허균주인수신상건이승남 나오는기저동맥의혈류신호를연속측정하며 1단계검사와같은방법으로 CBFV 최대수치를구했다 (Fig. 1-B2). 재호흡법을적용하기전과후의평균뇌혈류속도로부터평균뇌혈류속도변화비를다음과같은방법 [(MFVmax-MFVbaseline/ MFVbaseline) 100] 으로계산하여 8,13,14 CVR 상승률을측정하고이를뇌혈관반응성 (cerebrovascular reactivity, CVR) 지표로이용하였다. 재호법을종료한시간인 Vmax 가구해진시간은평균 64.2±13.3초였고맥박의증가율은 7.8±3.1% 였다. 저이산화탄소자극에대한혈관반응성을보기위하여분당 60회의속도로과호흡을 30초간시행하면서우성측두창에서 TCD 를시행하였다. 평균뇌혈류속도의변화비를다음과같은방법 [(MFVbaseline-MFVmax/MFVbaseline) 100] 으로 CVR 하강률을계산하였다. 총대뇌혈관운동예비력 (Vasomotor reserve) 은 CVR 상승률과하강률의합으로계산하였다. 9,13 3. 통계방법통계분석은 SPSS 12.0 version 을사용하였고혈관반응성의비교를위해짝지은 t-test 를시행하였고좌우및전후순환계혈관반응성을비교하기위해짝지은 t-test 를사용하였다. 또한전후반응성의상관관계를알아보기위해피어슨상관분석을시행하였으며상관지수는 r로표현하였다. p-value가 0.05 미만일때유의성이있는것으로평가하였다. 81.1±14.5% 이었다. 우성중대뇌동맥과기저동맥간의혈관반응성의상관관계를평가하기위해시행한피어슨상관관계분석에서우성중대뇌동맥과기저동맥의 CVR 은통계적으로의미있는양적선형관계를보였다 (r=0.859, p<0.001; Fig. 2). 고찰 본연구의결과는다음과같다. 1) 정상성인에서전후순환계의과이산화탄소자극에대한혈관반응은그평균수치가서로비슷하다. 2) 과이산화탄소자극에대한전후순환계의 CVR 은매우높은양적선형관계를보인다. 이결과는현재까지동시에혹은따로검사한전후순환계의혈관반응성결과들과일치하는소견이었다. 7-10 하지만기존의연구는각각의혈관반응검사에서전후순환계의반응정도의평균이서로동일하다는결과였고개개인의검사에서전-후순환계반응의상관관계까지를보여준연구는없었다. 본연구에서저자들이사용한방법은최근에개발이되어파형의 road map 역할을하는 PMD 와후두하창에서탐침고정장치를이용함으로써기저동맥의정확하고지속적인파형기록을가능케했다는점이다. 따라서이러한점은실시간으로변화하는파형의속도를측정할수있는 TCD 의장점을극대화시킬수있다는점에서본검사의신뢰성을높일수있는매우중요한 결과 총 28명의지원자가모집되었으며나이는 30.4±5.6 세였고여성이 20명으로전체의 71% 를차지하였다. 검사전, 지원자의혈역학적인수치는수축기혈압 108.3±6.9 mmhg, 이완기혈압 65.4±5.1 mmhg, 심박동수 69.2±9.8 회 / 분이었다. TCD 검사기저수치는우측중대뇌동맥평균속도 64.0±13.7 cm/s, 좌측중대뇌동맥평균속도 65.0±11.9 cm/s, 우성중대뇌동맥평균속도 67.3±12.2 cm/s, 기저동맥평균속도 -45.3 ±7.6 cm/s 였다. 좌- 우중대뇌동맥의평균속도는통계적으로차이가없었다 (p>0.05, paired t-test). 고이산화탄소자극에대한 CVR 으로우측중대뇌동맥 46.9±15.1%, 좌측중대뇌동맥 46.4±14.8%, 우성중대뇌동맥 46.1±12.1%, 기저동맥 46.0± 15.1% 가기저수치에비해증가되었다 (Table 1). 좌우, 전후의 CVR 은통계적으로차이가없었다 (p>0.05, paired t-test). 저이산화탄소에대한자극으로 CVR 하강률을측정하였고이는 35.6±6.9% 였으며혈관운동성예비력은기저치평균속도의 Figure 2. A scatterplot of CVR between dominant MCA and BA. The signaficant positive correlation between CVR of MCA and that of BA in healthy vounteers (n=28). Regression equation is y (CVR of BA) = 1.074 x (CVR of MCA) - 0.035, with correlation coefficint of 0.859 (p<0.001). 대한신경과학회지제 25 권제 1 호, 2007
동시에측정한기저동맥과중대뇌동맥의이산화탄소반응성 : Power M-mode 도플러와전 - 후탐침고정장치의이용 점이라고생각된다. 실제로동일한동맥의같은깊이에서도투사각도나혈관의생리적인차이에의해평균속도의오류가생길수있기때문에같은동맥에서도약 30% 이내의차이는정상으로해석하고있다. 15 현재까지정확한 TCD의파형투사는검사자가 Doppler mode 에서파형의모양을보고판단하는것외에는다른방법이없었다. 고식적 TCD검사에서는같은혈관내에서순간적인속도의변화가없기때문에검사자는탐식자의위치가변화하여도화면의파형모양을보고서탐침의위치를적절하게움직여서정확한파형을측정하였다. 하지만혈관반응성검사에서는순간적인이산화탄소변화에대한반응을보는것이기때문에이산화탄소의농도에따라평균속도가변화하는동안검사자가해당혈관의파형을놓치는순간에측정하는변수가순식간에달라지므로실제적인전후혈관계사이의반응성을비교하기가어렵다. 이러한이유로기존의연구에서는기저동맥의고정장치대신에검사자가손으로탐침을잡고검사를하면서파형의시간평균법 (time-average) 등을사용하였다. 9,11 그러나이방법도기저수치를정하는방법으로는유용하지만실시간으로변하는이산화탄소에대한혈관반응성을확인하는것에는한계가있었다. 이러한기술적인문제때문에현재까지는상용화된고정장치가있는전순환계에서대부분의혈관반응성연구가이루어졌고후순환계에서연구는소수였다. 따라서기존후두하창에서의주요문제였던정확한도플러투사 (insonation) 와지속적인고정이어려웠던기술적인면을해결했다는점이본연구의첫번째의의로사료된다. 본연구에서고이산화탄소의자극방법으로재호흡법을이용하였다. 이방법을이용한한연구에서는초기수치보다맥박은 4.6±7.8 회가상승하고혈압은 CO 2 가 10 mmhg 가변할때 5.5 ±5.0 mmhg 가변했다. 3 즉, 재호흡법은체내이산화탄소를올리는방법으로는이산화탄소흡입법등에비해장비가적게쓰이고편리하며생체활력징후들을많이변화시키지않기때문에생리적이다. 16 하지만이방법도일반적으로약 1-5 분간의이산화탄소흡입시간이필요하다. 따라서기저동맥의 CVR 을측정한소수의연구들에서도위에서언급한후두하창의지속적인탐침고정의문제를극복하기위해짧은시간동안에검사를할수있는 breath-holding 방법이주로사용되었다. 9,11 하지만이방법은호흡이멈추어진동안에흉곽내압력등에따라서상이한결과가나올수있고비교적오랫동안 ( 약 30초이상 ) 숨을멈추고있어야하며검사의재현성이다소떨어지는것으로알려져있다. 17 또한이방법의정상수치가외국연구에서는 1.2±0.6, 국내연구에서는 1.47±0.6 로알려졌다. 16,18 즉, 이는정상수치의절반정도가표준편차이기때문에검사의특이도 (specificity) 가높지않다는것을알수있다. 저자들은검사의 수월성을위해재호흡법에서 5% 이산화탄소를흡입하는대신에기존의방법인 5 L 비닐백을사용하던방법에서보다작은 3 L 비닐백을사용하고검사의수월성을위해대기 (room air) 공기를사용하였다. 그결과매우쉽게고이산화탄소자극을비교적빠른시간 ( 평균 64초 ) 에얻을수있었다. 검사도중마스크의밀착문제를없애기위해사전에충분히교육을한결과, 만족할만한고이산화탄소자극을줄수가있었고혈관반응검사의표준화검사인이산화탄소흡입법으로시행한 Ringelstein 등의결과와거의상응하는정도인 90% 까지평균속도가상승하는것을확인할수있었고 (52% 대 47%), 하강수치를합한혈관반응예비능력 (VMR) 은이연구결과의 95% (81% 대 85%) 를보였다. 13 수치가다소낮게나온이유는본연구가정량적인연구가아니고전후혈관반응에대한상대적인비율을보는점에주로집중하였기때문으로방법상혈압이나맥박등에영향을적게주기위하여맥박의상승을 10% 까지제한하여검사를중단하였기때문으로사료된다. 본검사는몇가지제한점이있다. 첫째, 검사도중속도가더이상올라가지않는점을 Vmax 로하여측정을하여 Vmax 의정량화를하려했지만 PaCO 2 를정확하게측정할수있는 capnometer 를사용하지않아정확한정량화검사라고할수없다. 따라서향후 capnometer 를통한정확한 CO 2 변화량에대한 CVR 수치를이용하여, 본검사법이정량화검사법이될수가있고상대적인대뇌의혈관반응을측정하는 Acetazolamide 법등을보조하는정량적방법으로발전될수있음을시사한다. 둘째, 본연구의결과는마스크의착용정도에따라이산화탄소자극의정도가달라질수있으므로검사자가환자에게미리이를교육하고환자가협조하는것이중요하며, 잘못된마스크착용을빨리발견해내는것이중요하다. 즉, 마스크착용이잘못된다면과이산화탄소자극이제대로주어지지않으면서재호흡으로숨을쉬는시간이길어지고이에따른불필요한교감신경톤의활성화로상이한결과를나타낼수있다. 본연구에서도맥박수의증가때문에검사가중단되어서다시마스크착용하고재검사를했던경우가전체의 18%(5 명 ) 이었다. 따라서초기의맥박의 110% 를검사중단의수치로사용하는것은이러한마스크착용의부적절함을미리알아내는중요한선별법이었다고생각된다. 셋째, 본검사역시 TCD 의단점중에하나인측두창이좋지않은환자에서는전후순환계 CO 2 혈관반응을측정할수가없다. 따라서일반적으로측두창이좋지않은나이가많은동양여성에서는상기방법이제한적인방법일수도있다. 하지만본연구에서는젊고건강한지원자들이었기때문에불량측두창의문제때문에검사에서제외된경우는없었다. 본연구가주로젊은여성이많이포함된 28명의
홍지만신동훈허균주인수신상건이승남 소수로 CVR 을측정하였기때문에, 향후보다다양한연령과성별에서광범위한연구가이루어져야할것으로사료된다. 마지막으로, TCD 는측정하여얻을수있는혈관의수가매우제한적이지만본검사는 2단계로이루어진좌우및전후의혈관반응성을다양하게측정할수있어전후순환계및좌우순환계의혈관반응성의차이를보이는질환들에서본검사법이유용할것으로사료된다. 결론적으로, 건강한성인의 PMD 와전후탐침고정장치를이용하여측정한중대뇌동맥과기저동맥의이산화탄소의자극에대한혈관반응성은서로동일하며강한양적선형관계가있음을알수있었다. 또한, 본검사법이여러질환에서상대적인전후혈관반응성을연구하는도구가될수있으며향후 capnometer 를이용하여 CO 2 변화수치를정량화한다면대뇌의혈관반응성을평가할수있는간편하고정량적인검사방법이될수있으리라생각된다. 감사의글 본연구수행에있어적극적이고자발적인협조를해주셨던아주의과대학생, 신경과전공의, 병동간호사여러분께진심으로감사드립니다. 그리고여러어려움과시행착오속에서도묵묵히검사를진행해준뇌혈류검사실의전미선기사께도진심으로감사의마음을전합니다. 또한후탐침자고정장치의개발에있어시간외근무까지마다하지않고장치가후두하창에잘고정될수있도록적극적으로협조해주신아주대병원의용공학팀이승남님께도깊은감사를드립니다. REFERENCES