심박변이도 분석기반 자율신경기능 평가법
심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 분석에 의한 자율신경 기능을 평가하는 기술은 1996년 유럽 순환기학회(European Society of Cardiology)와 북미의 조율 및 전기생리학회(North American Society of Pacing and Electrophysiology) 회원들로 구성된 국제전문위원회에서 제정한 표준, 즉 심박변이도 분석지표 관련용어 통일, 정상범위 제시, 각 지표들에 대한 신경생리학적 의미와 임상활용 분야등이 정리된 대표논문이 소개되면서 전 세계적으로 급속하게 발전되어왔다.
심박간격변이도란 연속된 심박동 간 시간간격의 진동을 믜미하고, 심박변이도란 심박간격을 분당 심박동수로 단위변환하여 표현한 것이다. 둘 다 단위만 다를 뿐 같은 개념이며, 학술분야에서는 신호처리 또는 분석측면에서 이해하기쉽고 더 정확한 정의에 해당하는 심박간격 변이도란 용어를 선호하고, 임상 또는 일반분야에서는 임상적으로 이해하기쉬운 심박 변이도란 용어를 선호한다.
심박변이도 분석은 자율신경기능을 평가하는 데 있어서 예민하면서도 비침습적인 방법이라는 장점때문에 심혈관계 의학연구와 임상 전문분야에서 많이 이용되어왔다. 특히 자율신경성 리듬장애(autonomic dysrhyth)는 여러 종류의 질환과 연관되어 있는 데, 심박변이도 분석은 자율신경계를 구성하는 교감,부교감신경 활성도와 균형, 리듬을 특성화하는 데 쉽게 이용가능하다.
심박변이도의 임상적 타당성은 태아절박가사(fetal distress)가 발행사기 전에 심박수의 현저한 변화보다 박동간 간격의 변화가 먼저 나타난다는 사실이 발견된 1965년도에 처음으로 알려졌다. 1970년대 초에는 심박변이도 분석에 의해 당뇨환자의 자율신경계 신경병증(autonomic neuropathy)을 증상이 발현되기 이전에 조기발견할 수 있음이 보고되었다. 1977년에는 심박변이도의 감소가 술후 심근경색으로 인해 사망할 위험과 관련되어 있음이 보고되었고, 1980년대 말에는 심박변이도의 감소가 급성심근경색 후 사망률의 강력한 독립변수가 되는 것으로 확인되었다. 1981년에는 파워스펙트럼 분석을 통해 심장에 대한 부교감 신경조절과 교감신경 조절을 정량적으로 평가하고 자율신경계의 균형(autonomic balance)을 정량화할 수 있는 방법이 소개되어 더욱 세밀한 기능검사가 가능하게 되었다.
심박변이도 분석은 여러가지 질병에서 자율신경계 이상이 수반되어 있는지를 평가하고, 적절한 치료법을 선택하도록 해주며, 심인성 급사(sudden cardiac death)의 위험요소를 층화(stratification)할 수 있도록 해 주는 강력한 도구로 인식되고 있다.
심박변이도 분석지표
맥파 또는 가속도맥파 파형의 피크간 간격은 심박간격(R-R Interval)을 의미한다.
심박피크는 마치 매우 규칙적으로 발생하는 것처럼 보이지만, 실제 정량적인 수치로 간격을 조사해 보면, 매 박동시마다 조금씩 달라진다. 즉,피크간 간격의 변화를 그래프 형태로 표시해보면 다음 그림과 같이 일정 범위내에서 조금 높아졌다 낮아졌다하는 무작위적인 진동형태로 보인다.
좌측과 같은 측정한 시간동안의 심박간격의 변화그래프를 RRV Tachogram이라고 부르며 문헌에 따라서는 Cycle Length Variablity, Heart Period Variability, Heart Rate Tachogram, Heart Rate Variability등으로 불리기도 한다.
일반적으로 심박간격 변이도에서 추출가능한 분석 파라미터들은 다음과 같다.
상기 파라미터들에 의해 반영되는 심박간격변이도의 세부특징들은 스트레스에 가장 민감하게 반응하는 자율신경계(교감과 부교감신경계, sympathetic and parasympathetic nervous system)의 활동양상에 많이 의존한다. 따라서 심박간격 변화패턴은 기본적인 자율신경 이상검사 이외에 스트레스 검사시에도 유용하게 활용된다.
RRV Tachogram 그래프값들을 평균한 값이 심박주기(Heart Period)에 해당하며 이를 bmp단위로 환산한 것이 심박수(Heart Rate)에 해당한다. 심박수는 신체의 각성수준을 반영하며 보통 나이가 들면서 서서히 줄어드는 경향이 나타난다.
심박동수(Heart Rate)는 신체의 각성수준을 정량화할 때 주로 활용된다. 일반적으로 신체가 각성되거나 흥분된 상태일 경우 심박동수가 증가하게 된다.
SDNN지표가 높을수록 RRV-Tachogram의 파형진폭이 커짐을 의미한다. 즉, 심박간격이 변하는 폭이 커짐을 의미한다.
RRV 패턴은 정상범위 내에서 표준편차가 크고 복잡한 패턴일수록 외부 환경변화(Stressor)에 대한 자율신경계의 적응능력이 높아, 더욱 건강한 것으로 평가한다. 반대로 정상범위를 벗어나면서 표준편차가 작고 단조로운 패턴일수록 외부환경에 대한 대응력이 부족하므로 전반적인 자율신경 기능이 떨어져 스트레스 대처능력이 점차 낮아짐을 의미한다. 즉 SDNN이 작을수록, 즉 심박간격이 일정할수록 심박리듬의 페이스메이커(pacemaker)역할을 하는 미주신경의 조정능력이 떨어져 자그마한 외부적인 스트레스 상황에 대해서도 쉽게 자율신경계가 불안정해지므로 적응능력 또는 저항능력이 떨어지게 된다. 보통 젊고 건강한 사람일수록 SDNN이 큰 경향을 보인다.
자율신경계는 크게 교감과 부교감신경계로 구성되며 이들의 상호길항작용에 의해 균형을 유지하게 된다. 일반적으로 교감신경계는 공격,방어적인 스트레스 상황에서 주로 활성도가 높아지며 부교감신경계는 편안하고 이완된 상태에서 활성도가 높아진다.
예를 들면 초기 스트레스 상태시엔 먼저 교감신경 활성이 높아지게 되며, 이러한 높은 교감신경 활성은 심박동수 증가,혈압 및 혈당 증가, 자발근육으로의 혈류량증가, 땀분비, 내부장기로의 혈류감소등을 유발하게 된다. 반면 편안한 신체이완 상태시엔 부교감신경 활성도가 증가되어 심박동수 및 혈압감소, 침분비증가, 장운동의 증가, 잠등이 유발된다.
다음 그림과 같이 RRV Tachogram은 이러한 교감신경의 활동을 반영하는 저주파성분(Low frequency)과 부교감신경의 활동을 주로 반영하는 고주파성분(High frequency)이 미주신경(SN)의 제어아래 결정되는 기전이다. 따라서 RRV-Tachogram의 파워스펙트럼 분포는 크게 VLF, LF, HF대역으로 기능적인 분리가 가능하다.
VLF는 0.003~0.04Hz영역의 파워를 의미하며, LF는 0.4~0.15Hz 영역의 파워, HF는 0.14~0.4Hz 영역의 파워값을 나타낸다.
HF는 High Frequency의 약자로 RRV-Tachogram에서 상대적으로 빠른 리듬영역(0.15-0.4Hz)의 파워를 의미한다. 보통 자율신경계 중 부교감 신경계의 활성을 반영하는 것으로 알려져 있다.
LF는 Low Frequency의 약자로 RRV-Tachogram에서 상대적으로 느린 리듬영역(0.04-0.15Hz)의 파워를 의미한다. 보통 자율신경계 중 교감 신경계의 활성을 반영하는 것으로 알려져 있다. 이처럼 교감이 부교감 에 비해 느린 리듬에 반영되는 이유는 교감신경이 부교감신경에 비해 약 5초 지연되어 반응하는 기전에 기인한다.
참고로 서양인을 대상으로 한 기존 임상연구에 의하면, 다음과 같이 VLF, LF, HF는 보통 나이가 들면서 서서히 줄어드는 경향을 나타낸다고 알려져 있다.
자율신경계는 교감신경계와 부교감 신경계로 구성되어 있으므로 전체 자율신경활성도에 대한 교감신경활성도, 즉 상대적인 교감신경활성도는 norm LF에 의해 결정되며 상대적인 부교감신경활성도는 norm HF에 의해 결정된다. 자율신경계는 교감,부교감신경계의 상호 길항작용에 의해 발란스를 유지하므로 교감, 부교감 신경계의 상대적인 활성비율에 의해 자율신경 균형정보를 얻게된다.
보통 스트레스 상황에서는 공격/방어기전을 담당하는 교감신경(LF)이 복원/휴식기전을 담당하는 부교감신경(HF)보다 상대적으로 더 활성화된다.
LF와 HF의 상대적인 비율인 LF/HF, 즉 교감과 부교감의 상대적인 활성비율을 통해 자율신경 균형여부를 알 수 있다. 교감과 부교감신경의 활성비율은 LF와 HF변수의 파이비율 형식으로 나타내며 교감,부교감 활성도의 합에 해당하는 일명 전체 자율신경 활성도는 원의 크기에 대응되어 표시하도록 미국 심장학회에서는 추천하고 있다. 교감과 부교감 신경계는 어는 한 쪽이 지나치게 활성화되었을 경우엔 다른 한 쪽이 이를 저지하여 균형을 이루려고 하는 상호 조정작용을 하게 된다. 이러한 상호조정 기능이 정상적으로 잘 이뤄지고 있는지를 파악하기 위해 부교감에 대한 교감신경 활성도의 비율(자율신경 발란스 지수)을 살펴보아야 한다. 부교감 또는 교감 중 어는 한 쪽으로 활성도가 심하게 치우친 상태가 오래 유지될 경우, 활성도가 높게 유지된 해당 신경이 에너지를 소진하게 되어 결국 제기능을 잃어버릴 우려가 있다.
RRV-Tachogram로부터 구현된 확률분포의 기하학적 특징은 심기능 평가에 중요한 지표가 된다.
특히 확률분포가 뾰족한 형상인지, 아니면 평평하게 퍼진 형상인지 정보가 중요하므로 이를 정량화하는 지표로 HRV-Index가 일반적으로 사용된다. HRV-Index가 클수록 확률분포가 더 넓게 퍼진 기하학적 형상임을 나타낸다.
건강한 사람과 그렇지 못한 사람사이에 다음과 같은 확률분포 형태의 기하학적 특징차이가 있다. 보통 건강한 경우엔 왼쪽과 같이 확률분포가 낮고 옆으로 퍼진 양상을 나타내는 반면, 그렇지 못한 경우엔 오른쪽 그림과 같이 정상범위를 벗어나면서 높으며 동시에 좁은 폭을 지닌 확률분포를 나타낸다.
즉, 건강한 사람일 수록 표준범위내에서 높이가 낮고 넓게 퍼진 분포형태를 나타낸다. 이러한 분포의 기하학적 특징을 정량화하기 위해 상기 언급된 HRV-Index라는 변수를 사용하며, HRV-Index값이 클수록, 시각적으로 넓게 퍼진 분포를 나타내며 심장의 전기적 안정성을 의미하는 심기능이 건강함을 의미한다. 많은 국제 임상보고들에서 HRV-Index값이 낮은 사람일 수록 심장질환 발생확률이 높으며, 이미 발생한 심장질환에 있어서도 그 예후가 좋지않다고 알려져 있다.
다음 그래프는 HRV-Index가 높은 사람이 심장수술 후 생존기간(lifetime)이 더 길다는 연구결과 중의 하나이다.
RRV-Tachogram으로 구현한 위상그림(Phase Plot)의 점분포 패턴은 다음과 같다.
건강한 경우엔 다음그림 중 왼쪽과 같이 위상그림(Phase plot)에서 점들이 정상범위내에서 넓게 퍼진 타원형을 나타내는 반면, 건강하지 않은 경우엔 오른쪽 그림과 같이 정상범위를 벗어나면서 좁은 영역에 뭉쳐진 형태를 나타난다.
보통 점이 한곳에 작은 크기로 뭉쳐져 있으면 자율신경기능이 건강하지 않은 것으로 알려져 있다. 이러한 점분포를 정량화하기위해 간격의 차이값으로부터 계산되는 측정치들 중 가장 많이 사용되는 지표가 pNN50%(또는 pNN>50%, pNN50), NN50%, RMSSD이다
PNN50%는 전체 점의 개수 중 이웃하는 점사이의 거리가 50ms초과인 점들이 차지하는 비율을 백분율로 나타낸 것이며, RMSSD는 간격차의 제곱평균에 대한 제곱근으로 정의되는 값으로 다음그림과 같이 RMSSD가 증가할 수로 pNN50%도 증가하는 경향을 나타낸다.
참고문헌
