1. NIRS의 일반적 특징

최근 신경질환의 진단과 발병원인에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 뇌의 혈역학과 부분적인 기능을 알고자 하는 연구 또한 많은 분야에서 이루어지고 있다[2]. 이에 비침습적으로 대뇌 산소 포화도 변화를 측정하기 위해 NIRS가 널리 사용되고 있다. 현재 임상에서 활용되고 있는 신경영상 장치 중 fMRI는 뇌의 깊이에 따른 신호를 측정할 수 있는 장점이 있으나 시간분해능이 떨어지고 다른 장치에 비해 높은 비용이 단점이다. PET는 많은 비용이 요구되고 낮은 시공간분해능과 긴 영상복원 시간이 단점으로 지적된다. 이러한 기존 신경영상 장치들의 단점을 보완하고 새로운 장점을 가진 광학을 이용한 신경 신호 측정 방법이 바로 NIRS이다. 특정한 임무를 수행할 때 뇌에서 나타나는 변화를 분석하는 등 의학 분야 및 뇌-컴퓨터 인터페이스(brain-computer interface, BCI) 분야에서 최근 주목을 받고 있다[3].

NIRS는 근적외선을 이용하며 두피에서 입사한 근적외선은 2 cm 정도의 깊이까지 흡수와 산란을 거쳐 도달하게 되며, 흡수되지 않은 근적외선은 바나나 모양의 경로를 그리며 광원으로부터 3-4 cm 떨어진 위치의 두피에 도달한다(Fig. 1) [4].

Figure 1.

Near-infrared light paths from source reaches to detector in human brain. CSF; cerebrospinal fluid.

물은 700-900 nm 파장의 근적외선에서 매우 작은 흡수계수를 가지고 있다. 이 대역의 빛은 물에 거의 흡수되지 않고 인체의 깊숙한 곳까지 침투하므로 근적외선을 이용하여 대뇌 피질의 산소포화도 변화를 관찰할 수 있다. 반면에 산소혈색소(HbO)와 탈산소혈색소(HbR)는 700-900 nm 파장 대역에서 물에 비해 상대적으로 흡수계수가 크므로, 인체에 조사된 근적외선의 강도 변화량을 분석하면 비침습적으로 HbO와 HbR의 농도 변화량을 계산할 수 있다. 생리학적으로 신경의 활성화가 산소의 공급과 사용에 불균형을 가져와 혈액 내의 HbO의 농도를 증가시키고, HbR의 농도는 감소시킨다[5]. 그러므로 NIRS는 혈액 내의 산소포화도 변화 관찰을 통하여 뇌 활성도의 변화를 알 수 있다(Fig. 2).

Figure 2.

Absorption rate of HbO, HbR, and water according to wavelength. HbO; oxyhemoglobin, HbR; deoxyhemoglobin.

실시간으로 뇌의 혈류신호를 받아서 Hbo와 HbR의 농도로 계산을 한 뒤, 기본적인 지도화(mapping)를 거쳐 실시간으로 영상화를 한다. 다양한 거리의 발광 다이오드와 수광 다이오드가 복잡한 그물(mesh)을 만들면서 전두엽의 공간적인 정보를 2D 형태로 나타내게 되며 지도화의 방식에 따라 얻는 정보를 다르게 표현할 수도 있다. 최근 연구에서는 대뇌 피질 부위별 연결성에 대한 분석을 위한 수학적 모델링 기법이 개발되면서 NIRS를 이용한 대뇌 활성도의 연구와 뇌 지도화 연구도 더 빠르게 좋은 결과들을 제시하고 있다[6]. 그렇지만, 다채널을 이용한 지도화를 위해서는 넓은 범위에 NIRS 전극을 부착하여야 하기 때문에, 머리카락이 있는 두피에 적용하기에는 제한점이 있어 주로 이마에서만 검사를 하게 되어 전두엽 평가에 그치게 된다는 단점이 있다. 최근 두피 전체에 적용이 가능한 기술적인 발전이 이루어지고 있어 향후에는 뇌파와 같이 대뇌 전체의 피질 기능을 평가할 수 있는 다채널 NIRS가 임상 및 연구 현장에 사용될 수 있을 것으로 보인다.

NIRS는 근적외선을 이용하기 때문에 안전성이 높으며 뇌의 생리적 변화를 측정하기 위해서 사용되는 다른 장비들과 비교했을 때 상대적으로 작은 크기를 가지고 있어 휴대성과 이동성이 우수하고 높은 시간해상도와 공간해상도를 가지고 있어 인체를 관찰하는데 적절하다. 그렇지만, 투과도가 높지 않아 대뇌 피질부의 평가에 국한되고, 산소포화도와 연관된 지표만을 이용하기 때문에 전기생리학적 변화가 주를 이루는 신경계 질환들의 평가에는 그 활용도가 제한적이라는 단점도 있다.

2. 기립불내증의 임상적 특징 및 병태생리

자세 변화시 심박동과 혈압의 변화는 주로 자율신경계에 의해서 이뤄지는데 사람이 누워있다가 기립하면 약 500 mL 정도의 혈액이 중력에 의해 하지의 정맥혈 저장 시스템에 머무르게 되는 혈역학적 반응을 보이게 된다. 이러한 혈액의 이동에 의해서 정맥환류(venous return) 감소, 심실 전부하(preload)의 감소가 이어지고 이에 따라 심박출량이 감소하며 뒤이어 혈압은 떨어지게 된다[7]. 이렇게 기립 시 혈압저하가 일어나면 장기의 관류압을 유지하기 위해 즉각적으로 신경조절계가 활성화되는데, 대동맥궁(aortic arch)과 경동맥동(carotid sinus)의 압력수용체에서 감지된 구심성 신경신호는 각각 미주신경과 혀인두신경을 통하여 압력반사중추(baroreflex center)로 전달되고 교감신경을 활성화시켜서 반사적인 심박동 증가와 동맥수축으로 1분 이내에 정상혈압을 회복하게 한다(Fig. 3) [8,9]. 하지만 수십 분 이상 지속적으로 기립상태를 유지하게 되면 정맥혈류의 저류 효과 외에 횡경막 하부 모세혈관의 정류압이 증가하여 수분의 이동이 일어나 중심 혈액량과 심박출양이 감소하게 되는데, 이런 경우의 혈압 보상기전으로는 혈장량을 유지하기 위하여 레닌-앤지오텐신-알도스테론계통과 같은 신경-내분비기전이 활성화되고 알도스테론 분비도 이뤄지게 된다[10]. 다양한 원인 질환에 의해 이러한 신경-체액(neuro-humoral) 보상기전이 적절히 작동하지 않는 경우 혈압이 저하되고, 이로 인한 뇌관류의 저하로 뇌실질 내 혈액공급이 감소하여 다양한 기립불내증의 증상과 심하면 의식소실까지 발생할 수 있다[11-13].

Figure 3.

Baroreflex pathways works to maintain postural normotension. Baroreceptor afferents (purple) synapse at the NTS. The vagal component of the baroreflex (sky blue) runs from the NTS to the NA and sends efferents to the SA to regulate heart rate. The adrenergic baroreflex pathway (red) runs from the NTS to the CVLM, and from there to RVLM. The adrenergic pathway continues with sympathetic efferents from the RVLM to the interomediolateral thoracic spinal cord, and from there to autonomic ganglia and to the heart, arterioles, and venules. NTS; nucleus of the tractus solitaries, NA; nucleus ambiguous, SA; sinoatrial node, CVLM; caudal ventrolateral medulla, RVLM; the rostral ventrolateral medulla.

기립불내증은 기립상태에서 정상적인 자율신경계 활동을 유지한 채 일정 기간 이상 견딜 수 없는 것으로 정의하며, 다양한 정도의 자율신경계 이상에 의해 발생하는 증후군으로서 기립저혈압, 신경탓실신, 자세기립빈맥증후군(postural orthostatic tachycardia syndrome, POTS) 등의 형태로 나타날 수 있고, 기립경사검사(Head-Up tilt table test, HUTT), 발살바수기(Valsalva maneuver, VM), 심호흡심장박동수검사(heart rate response to deep breathing, HRDB) 등을 포함한 자율신경계 기능 평가 검사들을 이용하여 진단 및 기전 연구도 함께 이루어지고 있다(Table 1) [14].

Table 1.

Blood pressure changes during Head-Up Tilt test in patients with orthostatic intolerance

기립저혈압은 기립 시 정상적으로 발생하는 정맥환류 감소에 대한 보상 기전에 이상이 있을 때 발생하며, 구조적 또는 기능적 교감신경계의 차단이나 교감신경 유출을 반사적으로 조절하는 과정에 이상이 발생하였음을 시사한다. 기립저혈압은 임상적으로 몇 가지로 분류하는데 전형적인 기립저혈압은 기립 시 30-180초 이내에 수축기 혈압이 20 mmHg, 이완기 혈압이 10 mmHg 이상 감소하는 것으로 정의하고, 고혈압 환자에서는 혈압이 30/15 mmHg 이상 감소하는 것으로 정의한다[15]. 지연기립저혈압은 기립 시 적응기전장애가 서서히 나타나는 것으로 기립 시 혈압저하가 3-45분 사이에 나타나는 것을 말한다. 초기기립저혈압은 일시적인 혈압 강하(수축기 혈압 40 mmHg, 이완기 혈압 20 mmHg 이상)가 30초 이내에 나타나는 것으로 정의한다[12]. 초기기립저혈압은 자발적으로 기립을 할 때에만 나타나고, 기립경사검사에서는 혈압저하가 가볍게 나타나거나 혈압저하가 없다.

신경탓실신은 혈관미주신경실신 또는 반사실신(reflex syncope)이라고도 불리며 동맥이나 내장 압력수용체가 압박이나 팽만으로 인해 자극되면 뇌간으로 구심 신호를 전달하고 그 후 원심 신호는 미주신경을 통해 심장결절로 전달되어 서맥이 생기거나 반사로 인해 혈관확장이 생겨 혈압을 떨어뜨리는 것이 실신의 원인이 된다. 반사는 급성통증이나 감정변화에 의해 악화되지만 다른 원인 없이, 서 있거나 걸을 때 하지 정맥으로 혈액이 몰려 반사가 생기기도 한다. 서맥과 저혈압이 생기면 뇌순환이 떨어지게 되며 실신 전에 오심, 눈이 침침함, 땀, 전신 무력, 또는 거의 의식을 잃을 것 같은 증상이 선행되고 그 후 환자는 의식을 잃고 쓰러진다. 의식을 유지하기 위해선 뇌피질과 뇌간 그물활동계가 긴밀하게 잘 작동해야 하는데 이런 조직에 뇌관류 감소로 기능이상이 생기면 결국 의식 저하 상태가 올 수 있는 것이다[16].

POTS의 혈역학적 특징은 기립 시 혈압은 유지되지만, 맥박수가 과도하게 증가하고 이와 관련된 증상이 발생하며, 이러한 증상이 누우면 호전되는 것이 특징이다. POTS는 기립 시 혈압의 변화는 없으면서, 심박동이 기립 후 5-30분 이내에 30회/분 이상 증가 혹은 기립 시의 심박동 >120회/분, 기립 시 증상이 악화되고 누웠을 때 증상이 호전, 그리고 증상이 6개월 이상 지속 되는 경우에 진단할 수 있다[17,18]. POTS는 대개 신경병증성(neuropathic) POTS와 고아드레날린성(hyperadrenergic) POTS로 분류하는 것이 일반적이며[19] 그 외에 탈조건화(deconditioning) POTS, 속발성(secondary) POTS 등을 추가 분류하기도 한다.

이 중 신경병증성 POTS는 가장 흔한 형태로서 이들 환자들은 경한 말초 자율신경병증에 의해서 말초혈관이 적당한 혈관저항을 유지하지 못하여 기립 시에 횡격막 아래쪽에 있는 혈관에 정상보다 많은 혈액저류가 일어난다. 이에 뇌관류를 일정수준으로 유지하기 위하여 보상적으로 심박동과 심근수축을 증가시키게 되며, 이로 인해 처음에는 어느 정도 보상이 가능하지만, 정맥의 혈액저류는 점차적으로 증가하고, 이러한 보상작용을 초과하게 되어 증상이 나타난다[19,20].

고아드레날린성 POTS는 증상이 갑작스럽게 나타나기보다는 점차적으로 진행하는 양상으로 나타나며 대개는 기립 시에 교감신경계 활성에 의한 진전, 불안감, 심계항진을 호소한다. 고아드레날린성 POTS 환자들은 종종 기립빈맥뿐만 아니라 기립고혈압이 같이 나타나며 기립 시 노르에피네프린이 의미 있게 증가되어 나타난다[21]. 혈중 노르에피네프린이 증가되는 현상은 부분적인 자율신경계 장애, 또는 저혈량증으로 인하여 이차적으로 발생하는 것으로 알려져 있다.

3. 자율신경계 이상에서 NIRS를 이용한 연구

자율신경계 이상으로 인한 기립불내증에 대해 고전적으로 시행하는 검사로는 심호흡심장박동수검사, 발살바수기, 그리고 기립경사검사가 있다[22]. 심호흡심장박동수검사는 부교감신경을 평가하는 검사로 2회 시행하며 순서는 다음과 같이 시행한다 (1분간 기준값 기록→ 첫 번째 검사시행→ 2분 휴식→ 1분간 기준값 기록→ 두 번째 검사 시행→ 1분 휴식). 발살바수기는 아드레날린성 교감신경 및 부교감신경 평가 검사로 2-3회 시행한다. 검사는 다음과 같은 순서로 시행한다 (1분 기준값 기록→ 첫 번째 발살바수기 시행→ 3분 휴식→ 두 번째 발살바수기 시행→ [만일 편평정상(flat-top) 반응이 있으면 상체를 20°와 40°로 각각 올린 상태에서 시행할 수 있다]→ 2분 후에 검사 종료). 기립경사검사는 아드레날린성 교감신경 및 압반사를 평가하는 검사로 순서는 다음과 같다 (5분 동안 누운 상태에서 기준값을 기록한다→ 10분[기립저혈압, 자세기립빈맥증후군 검사의 경우] 혹은 30분[실신의 경우] 동안 기립경사검사를 시행→ 누운 상태에서 3분 기록한 후에 검사 종료) (Fig. 4) [23].

Figure 4.

Clinical application of NIRS. NIRS; near-infrared spectroscopy.

이들 검사를 시행하면서 발생하는 뇌의 혈역학적 변화를 NIRS를 이용하여 측정하고자 하는 몇몇 연구들이 최근 진행되어 왔다[24,25]. NIRS를 부착하고 기립경사검사 시행 후 미주신경성 실신을 보였던 환자들의 결과를 분석해 본 연구에서는 증상이 발생하기 전 HbO가 먼저 감소를 보였고 뒤이어 전실신(presyncope) 증상, 혈압, 심박수, 동맥혈산소분압의 감소가 순서적으로 관찰되었으며, 그 이후에 실신이 발생하는 것을 확인할 수 있었다[26]. 이는 미주신경성 실신이 말초에서의 혈압과 심박수의 조절 장애, 그리고 뇌관류의 저하로 인한 것임을 설명함과 동시에 NIRS가 뇌혈류 변화를 평가하는 데 유용하다는 것을 나타내는 연구결과였다. 정상인과 실신환자를 대상으로 뇌와 신장에서의 혈역학적 관류의 차이를 확인하기 위해 NIRS를 이마와 흉추, 요추부(T10-L1)에 부착하고 시행했던 기립경사검사에서도 실신과정에서 뇌관류 감소와 함께 역설적인 내장 혈관확장을 시사하는 내장관류의 확연한 증가 소견이 관찰되었다[27]. 경동맥 협착을 동반한 기립어지럼을 호소하는 환자들과 정상인을 대상으로 시행한 기립경사검사에서도 경동맥 협착군에서 유의한 HbO의 감소 소견을 보여 심한 경동맥협착에서 뇌의 자가조절기능의 평가에 NIRS가 유용하게 쓰일 수 있음을 보여주었다[28]. 정상인을 대상으로 발살바수기를 시행하는 동안 NIRS를 측정한 연구에서는 발살바수기로 인해 변화된 평균동맥압이 뇌혈류와 뇌산소분압에 변화를 가져온다는 것을 보여주었다[29]. 또 다른 연구에서는 두피로부터 30 mm 깊이에서 측정된 HbO와 15 mm 깊이에서 측정된 HbO값을 발살바수기시 평균동맥압과 비교 분석하였고, 이때 전체적인 혈역학적 변화가 NIRS 신호에 영향을 미칠 수 있다는 것을 나타냈다[30]. 이들 연구들은 자율신경계 기능장애 때 발생하는 뇌혈류역학 변화를 NIRS를 이용해 평가할 수 있다는 가능성을 보여준 연구들로서 그 가치들이 있다. 그렇지만, 임상적인 의미를 부여하기에는 연구에 포함된 질환별 대상군의 수가 적고, 각 NIRS 측정에 치우친 연구로 인해 임상적인 평가를 시행하는 데 한계들을 가지고 있는 연구이다. NIRS는 현재 보다 많은 채널 수를 포함해 측정 장비의 기술적인 발전을 통해 더욱 임상에 적용 가능성을 높이고 있다.

4. 그 외 신경계 질환들에 NIRS의 적용