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Ⅰ. 서 론
뇌졸중 환자는 건강한 대조군과 비교해서 폐기능이 감 소한다(Ezeugwu et al., 2013). 뇌줄기 위 뇌손상으로 인 해 편마비 환자의 폐활량(vital capacity)은 정상 예측치보 다 79%로 감소하고 잔기량(residual volume)은 123% 증 가되었다(Cohen et al., 1994). 건강한 대조군에 비해 뇌 졸중 환자의 강제폐활량(Forced vital capacity, FVC)은 10%, 1초간 강제날숨량(forced expiratory volume in 1 sec, FEV1)은 15% 감소하였다(Ezeugwu et al., 2013;Kubo et al., 2020). 일반적으로 뇌졸중 환자는 호흡근 약 화와 가슴벽 운동의 변형으로 폐 기능이 감소하여 제한성 호흡 패턴이 나타난다(Jung & Kim, 2017). 뇌졸중 환자의 호흡기능 부전으로 인한 FVC와 FEV1, 최대날숨유량 (peak expiratory flow, PEF)의 감소는 주로 편마비로 인 한 가로막과 호흡근 손상으로 초래될 수 있다(Voyvoda et al., 2012).
자동적 호흡(Automatic breathing)은 뇌줄기 하부 센 터에서 조절되고, 수의적 호흡(volitional breathing)은 대 뇌피질 센터에서 조절된다. 뇌손상이 뇌줄기 위에서 발생 하면 팔다리 마비가 발생하고, 마비측의 호흡근도 손상될 수 있다(Cohen et al., 1994). 뇌졸중 환자의 호흡근인 가 로막과 갈비사이근의 기능은 건측에 비해 마비측에서 감 소하였다(Kubo et al., 2020). 이로 인해 만성 뇌졸중 환 자의 들숨군과 날숨군의 근력도 크게 감소할 수 있다. 건 강한 대조군보다 들숨근의 근력 지표인 최대들숨압 (maximal inspiratory pressure, MIP)은 74.2%, 날숨근의 근력 지표인 최대날숨압(maximal expiratory pressure, MEP)은 66.7% 감소하였다(Teixeira-Salmela et al., 2005).
뇌졸중 후 편마비로 인해 마비측의 호흡근 수축이 감소 하고 가슴벽 운동성도 감소한다. 이로 인해 상대적으로 비마비측의 가로막의 운동성은 증가하고, 이러한 기전으 로 뇌졸중 환자의 호흡근의 비대칭성은 증가할 수 있다 (Kim & Jung, 2013). 마비측 가로막 두께는 호흡기능과 관련성이 있어서, 이러한 가로막 두께 감소는 뇌졸중 환 자의 호흡기능 감소에 기여한다(Jung & Kim., 2017).
현재까지 뇌졸중 환자의 마비측과 비마비측의 호흡근 의 기능을 비교한 연구는 다수 존재하지만 일반적으로 호 흡의 주 근육인 가로막의 두께와 수축률에 관한 연구로 제한되어 있다. 호흡에는 가로막 외 갈비사이근을 비롯한 여러 근육이 작용한다. 그러나 갈비사이근의 기능에 관한 연구는 상대적으로 소수의 근활성도에 관한 연구로 국한 되어 있다(Formenti et al., 2020). 특히 복장옆갈비사이 근의 운동성과 호흡을 담당하는 근육들의 근활성도를 비 교한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구의 목적은 뇌졸중 환자의 마비측과 비마비측의 호흡근 두께, 운동성, 근활 성도를 비교하고자 한다. 이를 통해 호흡근의 기능을 여 러 요소로 분석함으로써 향후 신경계 질환을 동반한 호흡 질환자의 호흡근 평가에 새로운 지표를 제시하고자 한다.
Ⅱ. 연구 방법
1. 연구 대상자
본 연구는 뇌졸중 진단을 받은 대상자 중 선정기준에 적합한 대상자를 단순 무작위 추출 방법을 사용하여 추출 하였다. 본 연구를 시작하기 전에 연구자는 부산광역시 및 경상남도 G시 소재 종합병원, 재활의학과 의원, 재활 요양병원의 협조를 얻어 연구 대상자 모집공고 하였고, 본 연구에 자발적으로 참여할 의사가 있는 지원자를 표본 으로 모집하였다. 본 연구의 대상자 수는 표본 크기 산출 프로그램(G*Power ver. 3.1.5, Franz Faul, University of Kiel, Germany)을 사용하여 표본 수를 산출하였다. 실 험대상자 5명에게 실시한 사전실험에서 효과크기는 0.907, 유의수준은 0.05, 검정력은 90%으로 44명을 산출 되었으며 자발적으로 개인정보 수집 및 활용에 관한 동의 서와 연구 참여 동의서에 서명한 뇌졸중 환자 44명을 최 종 대상자로 선정하여 실험을 실시하였다.
대상자의 선정기준은 a) 재활의학과/신경(외)과 전문의 에게 뇌졸중 진단을 받은 6개월 이상 5년 미만의 편마비 환자, b) 노력성 폐활량(FVC)이 정상 예측치의 80%미만인 제한성 폐질환에 해당되는 자, c) 한국형 간이정신상태 검 사(MMSE-K)점수가 24점 이상인 자, d) 선천적 가슴우리 의 변형이나 갈비뼈 골절 및 폐, 신장, 내분비계, 근육뼈대 계 질환으로 인한 호흡 기능의 문제가 없는 자, e) 한국형 운동기능평가(Motor assessment scale; MAS)로 앉은 자 세 균형능력 평가 항목의 점수가 4점 이상인 자로 하였다. 그리고 제외기준은 a) 호흡관련 치료를 받고 있는 자, b) 가슴 또는 배의 수술을 받은 자, c) 부정맥, 협심증으로 인해 불안정한 심혈관계 상태를 갖고 있는 자로 하였다.
연구 대상자가 실험 중 불편함을 느끼거나 연구 참여가 어려울 경우에는 중단할 수 있음을 고지하였다. 그리고 연구에 영향을 미칠 수 있는 이해관계를 가진 경우에는 대상자에서 제외할 것이다.
2. 측정방법
1) 가로막 두께와 수축률
가로막 두께는 초음파 영상장비(ESAOTE MyLab Touch, Esaote SPA, Netherland)를 사용하여 측정하였 다. 초음파 영상은 바로 선 자세의 대상자에게 양쪽 8번 ∼9번째 갈비뼈사이 겨드랑이선을 표시 한 후, 자세를 바꿔 바로 앉도록 하여 탐촉자를 직각 방향으로 가슴벽 에 비추어서 8번∼9번째 갈비뼈사이를 직선형 탐촉자 (5.0-14.0MHz)를 사용하여 B-mode형태로 확인하였다. 가로막 두께는 가슴막 중간과 배막 중간에 밝게 보이는 평행한 2선의 거리로, 3회 측정하여 평균값을 산출하였다 (Enright et al., 2006).
휴식 시 가로막 두께(Drel)는 코마개와 폐활량계의 마우 스피스를 착용 후 가장 안정된 호흡 상태에서 측정하였 고, 최대 흡기시 가로막 두께(Dcon)는 폐 활량계의 마우스 피스를 착용 후 최대흡기압(MIP)을 2초 동안 유지한 상태 에서 측정하였다. 본 연구의 측정자내 신뢰도는 최대 흡 기시 가로막의 두께 측정에 대한 급간 상관계수(ICC(3,1))가 0.803(95% CI: 0.389∼0.947)와 0.987(95% CI: 0.962∼ 0.996)로 나타나 높은 신뢰도를 보였다.
가로막의 표준화된 수축률(Thickening ratio; TR)은 선행연구의 공식을 이용하여 산출하였다(Ueki et al., 1995)(Figure 1).
Figure 1
Ultrasound image of the diaphragm A) diaphragm thickness at functional residual capacity: Drel B) diaphragm thickness at total lung capacity: Dcon
2) 복장옆갈비사이근 운동성
복장옆갈비사이근 운동성(Parasternal intercostal muscle movement; PSm)은 초음파 영상장비(ESAOTE MyLab Touch, Esaote SPA, Netherland)의 일자형 도자 (5.0-14.0MHz)를 사용하여 B-mode에서 측정하였다. 대 상자에게90°로 바로 앉은 자세를 유지하도록 하고, 복장 뼈 옆 2∼3cm 공간의 2번∼3번째 늑골사이에서 피부표면 아래 1.5∼2cm 깊이에 위치한 근육을 측정하였다(Cala et al., 1998)
대상자의 휴식 시 복장옆갈비사이근 운동성을 측정하 기 위해 코마개와 폐활량계의 마우스피스를 착용 후 가장 안정된 호흡 상태에서 측정하였고, 최대 흡기시 복장옆갈 비사이근 운동성을 측정하기 위해 최대흡기압을 2초 동안 유지한 상태에서 측정하였다. 측정된 초음파 영상은 NIH Image J software(Wayne Rasband, National Institutes of Health, USA)에서 이미지로 도출시켜 근육의 두께와 각도를 측정하였다. 본연구의 측정자내 신뢰도는 휴식 시 와 최대 흡기시 복장옆갈비사이근 측정에 대한 급간 상관 계수(ICC(3,1))가 0.856(95% CI: 0.523∼0.962)와 0.828 (95% CI: 0.562∼0.939)로 나타나 높은 신뢰도를 보였다.
복장옆갈비사이근의 운동성은 선행연구의 방법을 수정 하여 휴식 시와 최대 흡기시 복장옆갈비사이근의 배쪽가 슴막(ventral pleural) 각도의 변화량을 통해 확인하였다 (Cala et al., 1998). 복장옆갈비사이근의 가슴막(ventral pleural) 각도는 2번∼3번째 갈비뼈 사이의 중간지점에서 가슴막까지 연결한 가상선이 교차하는 지점을 중심으로 양쪽 갈비뼈와 이루는 각도를 측정하였다(Figure 2).
Figure 2
Ultrasound image of the parasternal intercostal muscle A) angle of ventral pleural parasternal intercostal muscle surface at function residual capacity B) angle of ventral pleural parasternal intercostal muscle surface at total lung capacity
3) 호흡근 활성도
표면근전도(FreeEMG 300, BTS Bioengineering, Italy)를 사용하여 최대흡기압(MIP)를 측정하는 동안 마 비측과 비마비측의 호흡근 활성도를 비교하였다.
근전도 신호의 표본 추출률은 3000Hz으로 설정하였다. 측정된 근전도 신호에서 노이즈를 제거하기 위해 20Hz∼ 500Hz 구간에서 대역 통과 여과(Band pass filiting) 처리 를 하였고, 정류를 거쳐 RMS(Root-means-square)로 처 리하였다. 근전도 신호를 채집한 후 데이터는 개인용 컴퓨 터에 설치된 분석 소프트에어(SMART, BTS Bioengineering, Italy)를 이용하여 분석하였다(Lima et al., 2014)
근전도의 도자는 가로막, 바깥갈비사이근, 목빗근에 부 착하고, 활동전위를 표준화하기 위해 앉은 자세에서 실 시하였다. 접착식 근전도 표면전극(Ag/AgCl, Biopac, diameter 2cm)을 사용하였으며, 각 표면전극 간의 거리 는 2cm로 유지하였다. 근전도 전극 부착 전에 피부의 임 피던스를 감소시키기 위해 일회용 알코올 솜을 이용해 전 극 부착부위를 닦아낸 다음 근섬유의 배열방향과 평행하 게 부착하였다.
가로막의 전극은 빗장뼈 중간지점에서 아래로 연장한 가상선을 기준으로 8번∼9번째 늑골사이에 부착하였다. 바깥갈비사이근은 겨드랑이 선을 기준으로 5번∼6번째 늑골사이에 부착하였으며, 목빗근의 전극은 꼭지돌기 로부터 약 5cm 정도 떨어진 근복 부위에 부착하였다. 전 극과 근전도계에서 잡음이 발생하지 않도록 하였다 (Hawkes et al., 2007).
호흡근 활성도 값은 대상자가 최대흡기압을 2∼3초간 유발할 때 측정된 데이터 값과 안정 시 호흡에서 측정된 데이터 값을 사용하였으며, 심전도 파형인 QRS파형과 다 음 QRS파형의 사이 값을 사용하였다(Hawkes et al., 2007).
측정된 데이터는 표준화된 값을 산출하기 위해 선행연 구에서 사용한 계산식을 사용하여 해당 호흡근의 활성도 를 산출하였다. 호흡근의 활성도는 안정 호흡 시 호흡근 활성도와 최대흡기압을 유발한 호흡근 활성도의 비율 값 으로 다음공식에 넣어 산출하였다(de Andrade et al., 2005).
3. 실험절차
대상자에게 실험방법을 상세히 설명한 후 실험을 진행 하였다. 뇌졸중 환자의 마비측과 비마비측의 호흡근 기능 을 알아보기 위해 측정 순서는 가로막 두께, 복장옆갈비 사이근 운동성, 호흡근 활성도 순으로 측정을 진행하였으 며 각 검사에서 마비측과 비마비측을 총 3회씩 측정하여 수집된 결과를 평균값으로 산출하여 분석하였다. 모든 대 상자는 모든 검사를 최대들숨과 최대날숨에 지장을 주지 않는 앉은 자세에서 실시하였으며, 검사자는 사전에 측정 방법을 충분히 숙지한 임상경력 5년 이상의 물리치료사가 측정을 시행하였다(Figure 3).
Figure 3
Positioning of the ultrasound transducer on the chest wall A) Position of the ultrasound transducer to measure diaphragm thickness B) Position of the ultrasound transducer to measure parasternal intercostal muscle
4. 자료분석
본 연구에서 수집된 자료는 SPSS 24.0(IBM Corp, USA) for windows 프로그램을 이용해 분석하고, 통계적 검증을 위한 유의수준(α)은 0.05로 하였다. 연구 대상자 에 대한 일반적 특성은 기술통계를 이용하여 분석하였다. 마비측과 비마비측의 가로막 두께와 수축률, 호흡근 활성 도를 비교하기 위해 독립표본 t–검정을 사용하였다.
Ⅲ. 연구 결과
1. 대상자의 일반적 특성
본 연구의 대상자 44명 중 남자는 27명이고, 여자는 17 명이었다. 평균 연령은 58.79±8.86세이었고, 평균 신체 질량지수(Body Mass Index, BMI)는 24.75±2.14이었다. 편마비측은 남자는 오른쪽이 13명, 왼쪽이 14명이었고, 여자는 오른쪽이 9명, 왼쪽이 8명이었다(Table 1).
2. 마비측과 비마비측의 호흡근 기능 비교
최대 흡기시 가로막 두께는 비마비측이 마비측보다 유 의하게 두꺼웠다. 가로막 수축률도 비마비측이 마비측보 다 유의하게 높았다. 복장옆갈비사이근의 운동성은 비마 비측이 마비측보다 유의하게 컸다. 가로막 활성도는 마비 측이 비마비측보다 높았다. 바깥갈비사이근과 목빗근 활 성도는 마비측과 비마비측 사이에 유의한 차이가 없었다 (Table. 2)(Figure 4).
Figure 4
Results of respiratory muscle thickness, movement, and muscle activity on paretic and non-paretic side NPs: Non-Paretic side, Ps:Paretic side, Dcon: Diaphragm thickness at total lung capacity, TR: diaphragm thickening ratio, PIMm: Parasternal intercostal muscle movement, DEMG: Diaphragm activity, IEMG: Intercostal muscle activity, SCMEMG: Sternocleidomastoid muscle activity
Ⅳ. 고 찰
본 연구는 뇌졸중 환자의 마비측과 비마비측의 호흡근 두께, 운동성, 근활성도를 비교하기 위해 실시되었다. 그 결과 가로막의 두께와 수축률, 복장옆갈비사이근의 운동 성은 비마비측에서 마비측보다 크게 나타났다. 그러나 가 로막의 근활성도는 비마비측보다 마비측에서 크게 나타 났다.
뇌졸중으로 인한 편측 뇌손상으로 수의적 과환기 동안 마비측 가슴우리 호흡운동과 가로막의 운동 및 근활성도 는 감소한다(Lanini et al., 2003). 가로막은 마비측의 운 동성이 감소하여 상대적으로 비마비측의 운동성은 크게 증가한다(De Almeida et al., 2011). 따라서 건강한 대조 군에 비해 뇌졸중 후 편마비 환자의 마비측과 비마비측 가로막의 비대칭성은 증가한다(김난수와 정주현, 2013).
본 연구에서는 가로막의 운동성을 가로막의 두께와 수 축률 및 근활성도로 살펴보았다. 그 결과 마비측의 가로 막 두께와 수축률이 비마비측보다 유의하게 작아서, 가로 막의 비대칭성을 확인할 수 있었다. 마비측 가로막 두께 는 호흡기능과 관련성이 있어서, 이러한 가로막 두께 감 소는 뇌졸중 환자의 호흡기능 감소에 기여한다(Kim, 2018;Jung & Kim, 2017). 6주간의 흡기근 저항훈련으로 뇌졸중 환자의 가로막의 두께와 수축률이 증가되고 폐기 능이 향상되었다(Jung & Kim, 2013). 가로막의 비대칭성 도 호흡훈련을 통해 개선될 수 있지만, 적절한 중재를 받 지 않으면 비대칭성이 증가될 수 있다(김난수와 정주현, 2013). 따라서 뇌졸중 환자의 가로막의 비대칭성을 개선 하기 위해서 호흡훈련이 필요하다.
가로막이 편마비로 인한 불용(disuse)에 더욱 민감하지 만, 갈비사이근과 같은 주요 호흡근들도 영향을 받는다 (De Troyer et al., 2005). 갈비사이근의 기능을 모니터링 하면 흡기 근육의 활성화 정도를 식별하고 정량화하는 데 도움이 된다(Formenti et al., 2020;Hudson et al., 2020). 복장옆갈비사이근은 가로막을 비롯한 다른 들숨 근과 함께 들숨을 하는 동안 활성화된다(De Troyer et al., 2005). 본 연구에서 초음파로 측정한 복장옆갈비사이근 의 운동성은 마비측이 비마비측의 약 50% 정도로 큰 차이 를 보였다. 가로막과 마찬가지로 뇌졸중으로 인해 복장옆 갈비사이근에서도 마비측과 비마비측의 운동성의 비대칭 성이 크게 나타났다. 이러한 결과는 뇌졸중 환자의 호흡 근의 비대칭성이 증가한다는 선행연구와 일치한다(김난 수와 정주현, 2013).
뇌졸중 환자의 가로막과 갈비사이근의 근활성도는 비 마비측에 비해 마비측에서 감소한다(Kubo et al., 2020). 본 연구에서는 표면근전도를 이용하여 갈비사이근과 목 빗근에서는 마비측과 비마비측의 근활성도의 차이가 나 타나지 않았다. 그러나 가로막에서는 마비측이 비마비측 보다 근활성도 크게 나타나서 선행연구와 다른 결과가 도 출되었다.
건강한 대조군에서는 동일한 양의 공기를 들이마실 때 피질척수로 지배를 받는 수의적 호흡이나 숨뇌척수로 지 배를 받는 자동적 호흡이나 가로막 움직임의 차이가 나타 나지 않았다. 반면 8명의 뇌졸중 환자 중 4명의 환자에게 서 수의적 호흡 시 마비측의 가로막의 움직임이 유의하게 감소하였다. 수의적 호흡을 할 때 자동적 호흡 시와 다르 게 마비측 가로막이 비마비측으로 이동하였다(Cohen et al., 1994). 그러나 Cohen 등의 연구와 다르게 뇌졸중 환 자와 건강한 대조군 사이에 자발적 호흡(Spontaneous breathing) 시 가로막의 움직임의 차이가 발견되지 않았 고, 깊은 호흡(deep breathing) 시 마비측 가로막의 움직 임의 감소가 나타났다(Voyvoda et al., 2012). 또한 일회 호흡량을 유지하는 안정 호흡(quiet breathing) 동안에는 마비측이나 비마비측의 가슴우리 용적(chest wall volumes)이 차이가 나타나지 않았으나, 과호흡(voluntary hyperventilation)을 하는 동안에는 마비측의 용적이 감 소하였다(Lanini et al., 2003). 즉 호흡 방식에 의해 가로 막의 움직임이 변화되고, 그에 따라 근육의 활성도가 변 화될 수 있다. 본 연구에서 호흡근의 활성도는 안정 호흡 시 호흡근 활성도와 최대흡기압을 유발한 호흡근 활성도 의 비율로 산출하였다. 수의적 최대 호흡 시 몸통의 경직 (spasticity)을 높여 비마비측에 비해 비정상적으로 마비 측 가로막이 활성화된 것으로 사료된다.
표면 근전도 검사는 근육에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있지만, 근육의 면적이나 모양과 운동성과 같은 가장 중요한 근육에 대한 정보를 제공하지 못하고 임상에서 활 용도가 낮다. 특히 근전도 검사에는 측정 전문가가 필요 하고, 측정된 근활성도는 소음이나 아트팩트(artifacts)에 영향을 받아 측정의 질이 낮아질 수 있다(Tagliabue et al., 2021). 이러한 검사의 특성이 가로막 근활성도에 관 한 연구에서 일관성 있는 연구결과를 도출하지 못하는 데 일부 기여했다고 사료된다. 본 연구에서도 근전도 검사로 측정한 근활성도의 표준편차가 평균값의 43 ~ 83%로 크 게 나타났다.
반면에 초음파는 다양한 호흡근육의 운동성과 구조를 평가할 수 있는 검사이다. 초음파 영상은 근육 구조의 선형 치수, 단면적, 두께 등을 평가하는 데 정확하고 재현성이 높은 검사로 지지된다(Cartwright et al., 2013). 따라서 일반적으로 초음파 검사가 신뢰도가 있지만, 측정자의 따 라 결과에 차이가 있을 수 있으므로 적절한 교육을 받은 검사자에 의해 수행되어야 한다(Wallbridge et al., 2018). 본 연구에서도 초음파 검사의 신뢰도를 높일 수 있도록 전문 교육을 받아 검사에 숙련된 연구자 1인이 측정하였다.
본 연구의 대상은 뇌졸중 진단을 받은 6개월 이상에서 5년 미만의 편마비 환자로 호흡기능에 개인의 편차가 있 을 수 있었다. 또한 근전도 검사에 관한 교육을 받은 연구 자 1인이 측정하였으나, 검사의 특성이 측정된 근활성도 의 큰 표준편차에 영향을 미쳤을 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 뇌졸중 환자의 호흡기능의 개인의 편차를 고 려하여 대상자를 선정하고, 호흡근 활성도 측정에 신뢰도 높은 검사 방법을 적용하여 연구의 제한점을 개선하는 것 이 필요하다.
Ⅴ. 결 론
본 연구는 뇌졸중 환자의 마비측과 비마비측의 호흡근 의 기능을 비교하였다. 그 결과 비마비측의 가로막의 두 께와 수축률, 복장옆갈비사이근의 운동성이 마비측보다 크게 나타났다. 이러한 마비측과 비마비측의 호흡근의 기 능의 비대칭성은 뇌졸중 환자의 호흡기능 감소에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 뇌졸중 환자의 호흡기능을 향상시 키기 위해서는 이러한 호흡근의 비대칭성을 개선시킬 수 있는 호흡근 강화훈련이 필요하다.
