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문제 정의
- 본 논문에서는 요골동맥과 경동맥에서 초음파 혈액 영상을 통해 나이에 따른 혈액에코박동지수를 비교, 분석했고, 이를 기반으로 뇌졸중 환자군과 대조군에서의 혈액에코박동지수의 차이점을 논의했다. 실험을 통해 혈액에코박동지수의 다양한 변화를 확인했고, 연령이나 병리학적 증상에 따른 혈액 연구에 있어서 초음파의 활용성에 대한 가능성을 제시했다.
- 본 논문에서는 초음파를 활용한 혈액 연구를 위해 인체 요골동맥과 경동맥에서 초음파 영상을 획득하여 나이에 따른 혈액에코박동지수(pulsatility index of blood echogenicity, PIBE)를 분석했고, 뇌졸중 환자와 대조군의 요골동맥, 경동맥 혈액 영상에서의 혈액에코박동지수를 비교했다. 환자군과 대조군 실험에서는 혈액 검사를 실시하여 초음파 영상 자료와의 비교를 수행했다.
- 인체 동맥의 물리적인 특성상 혈관 직경이 굵고 깊은 곳에 위치한 경동맥은 주로 저주파로 측정되었지만[10,14,17], 요골 동맥에 대한 측정은 고주파 초음파를 활용하여 연구되었다[16]. 본 연구에서는 적혈구 응집 측정을 경동맥과 요골동맥 모두에서 측정하여 결과를 비교했다.
제안 방법
- Fig. 1에서 보는 바와 같이, 초음파 B모드 횡단면 영상에서 관심 영역(region of interest, ROI)을 추출하여 혈액 에코발생도를 계산하고, 박동 구간을 나누어 식(1)을 활용하여 혈액에코박동지수(pulsatility index of blood echogenicity, PIBE)를 계산했다.
- 본 연구에서 사용된 초음파 시스템은 2 가지로서, 하나는 의학 영상 진단에 활용되고 있는 상용화된 초음파 영상 진단 시스템(Voluson e, GE Healthcare, USA)이고, 다른 하나는 고주파를 활용한 초음파 현미경 시스템(CLI-1600, Capistrano Labs, USA)이다. 경동맥(common carotid artery, CCA)과 요골동맥(radial artery, RA)의 크기와 위치가 다르기 때문에 주파수를 고려하여 경동맥에는 저주파의 GE 초음파 시스템을 요골동맥에는 고주파 초음파 현미경 시스템을 사용했다.
- 초음파 현미경 탐촉자(35TiMHz; CLI-1600, Capistrano Labs, USA)를 의자에 앉은 피험자의 오른손 엄지손가락 근처 손목에 대고 횡단면 영상을 확인하면서 탐촉자와 손목의 각도를 조절하여 요골동맥이 초점 구역에 놓이게 했다. 경동맥에서와 마찬가지로 혈액 에코발생도의 주기적인 변화가 안정적으로 확인된 후 자료를 저장했다.
- 경동맥의 직경은 0.8 cm정도이고 피부에서의 깊이는 1 cm 정도에 있기 때문에 투과깊이를 고려하여 상용화된 GE 초음파 시스템을 이용했다. 주파수 범위가 4~12 MHz인 광대역 선형 탐촉자(12L-RS, GE Healthcare, USA)를 활용하여 피험자의 경동맥에서 초음파 영상을 획득했다.
- 25 cm 정도이기 때문에 상용화된 저주파 초음파를 통해서 혈액 영상을 획득하기에는 한계가 있다. 따라서 고주파 현미경 시스템을 사용했으며, 이 시스템은 부채꼴 모양으로 기계적 진동을 하는 프로브(CLI-1600, Capistrano Labs, USA), 35 MHz 고주파 광대역 초음파 변환기(35TiMHz, Capistrano Labs, USA) 그리고 PC 기반 초음파 영상 보드(PCB v4.3, Capistrano Labs, USA)로 구성되었다. 20 MHz의 주파수를 사용하여 요골동맥에서 초음파 영상을 획득했다.
- 1에서 기술된 바와 동일하게 경동맥은 초음파 영상 진단 시스템으로 요골동맥은 초음파 현미경을 사용하여 초음파 영상을 획득했다. 또한, 기초 임상 자료로서 혈압을 측정했고, 혈액을 채취하여 섬유소원, 혈당 농도를 측정했다.
- 횡단면 영상에서 허상이 나타나지 않도록 그리고 경동맥이 원의 모양이 되도록 탐촉자와 목의 각도를 조절했다. 초음파 영상을 관찰하면서 혈액 에코발생도(Blood echogenicity)의 주기적인 변화가 안정적으로 확인된 후 자료를 저장했다. 요골동맥 측정은 경동맥 측정과 유사한 과정을 통해 수행되었다.
- 요골동맥 측정은 경동맥 측정과 유사한 과정을 통해 수행되었다. 초음파 현미경 탐촉자(35TiMHz; CLI-1600, Capistrano Labs, USA)를 의자에 앉은 피험자의 오른손 엄지손가락 근처 손목에 대고 횡단면 영상을 확인하면서 탐촉자와 손목의 각도를 조절하여 요골동맥이 초점 구역에 놓이게 했다. 경동맥에서와 마찬가지로 혈액 에코발생도의 주기적인 변화가 안정적으로 확인된 후 자료를 저장했다.
- 초음파 측정은 오전에 이루어졌고, 피험자들에게 측정 당일 오전 금식과 측정 전날 금주를 요청했다. 침대에 피험자를 눕혀 안정을 취하게 한 후 초음파 탐촉자(12L-RS; Voluson e, GE Healthcare, USA)를 경동맥이 위치한 목 부위에 대고 영상을 관찰하면서 탐촉자의 초점 구역에 경동맥이 놓이게 했다. 횡단면 영상에서 허상이 나타나지 않도록 그리고 경동맥이 원의 모양이 되도록 탐촉자와 목의 각도를 조절했다.
- 본 논문에서는 초음파를 활용한 혈액 연구를 위해 인체 요골동맥과 경동맥에서 초음파 영상을 획득하여 나이에 따른 혈액에코박동지수(pulsatility index of blood echogenicity, PIBE)를 분석했고, 뇌졸중 환자와 대조군의 요골동맥, 경동맥 혈액 영상에서의 혈액에코박동지수를 비교했다. 환자군과 대조군 실험에서는 혈액 검사를 실시하여 초음파 영상 자료와의 비교를 수행했다. 이러한 연구는 향후 적혈구 응집과 뇌졸중의 상관성에 대한 연구로 발전 가능성이 있고, 적혈구 응집의 실시간 측정을 활용한 혈액 임상 연구 증진에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 침대에 피험자를 눕혀 안정을 취하게 한 후 초음파 탐촉자(12L-RS; Voluson e, GE Healthcare, USA)를 경동맥이 위치한 목 부위에 대고 영상을 관찰하면서 탐촉자의 초점 구역에 경동맥이 놓이게 했다. 횡단면 영상에서 허상이 나타나지 않도록 그리고 경동맥이 원의 모양이 되도록 탐촉자와 목의 각도를 조절했다. 초음파 영상을 관찰하면서 혈액 에코발생도(Blood echogenicity)의 주기적인 변화가 안정적으로 확인된 후 자료를 저장했다.
대상 데이터
- 3, Capistrano Labs, USA)로 구성되었다. 20 MHz의 주파수를 사용하여 요골동맥에서 초음파 영상을 획득했다. 영상 획득 속도는 30 fps로써 최대 256 프레임의 영상을 획득하여 피험자 당 약 8초 동안의 초음파 영상 자료를 획득할 수 있었다.
- 본 임상 시험은 제주대학교병원 임상시험위원회의 승인(IRB-2011-85)을 받아 실시되었다. 뇌졸중 환자 13명과 일반인 10명을 대상으로 실험이 이루어졌고 피험자에 대한 정보는 Table 2-Old group과 같다. 측정 방식은 2.
- 본 연구에서 사용된 초음파 시스템은 2 가지로서, 하나는 의학 영상 진단에 활용되고 있는 상용화된 초음파 영상 진단 시스템(Voluson e, GE Healthcare, USA)이고, 다른 하나는 고주파를 활용한 초음파 현미경 시스템(CLI-1600, Capistrano Labs, USA)이다. 경동맥(common carotid artery, CCA)과 요골동맥(radial artery, RA)의 크기와 위치가 다르기 때문에 주파수를 고려하여 경동맥에는 저주파의 GE 초음파 시스템을 요골동맥에는 고주파 초음파 현미경 시스템을 사용했다.
- 공간 해상도를 높이기 위해 탐촉자의 주파수는 12 MHz 로 설정되었고, 동적 영역은 최대치를 사용했으며, 추가 여과기는 설정하지 않았다. 영상 획득 속도는 32 fps로써 최대 200 프레임의 영상을 획득하여 피험자 당 약 6초 동안의 초음파 영상 자료를 획득했다.
- 8 cm정도이고 피부에서의 깊이는 1 cm 정도에 있기 때문에 투과깊이를 고려하여 상용화된 GE 초음파 시스템을 이용했다. 주파수 범위가 4~12 MHz인 광대역 선형 탐촉자(12L-RS, GE Healthcare, USA)를 활용하여 피험자의 경동맥에서 초음파 영상을 획득했다. 공간 해상도를 높이기 위해 탐촉자의 주파수는 12 MHz 로 설정되었고, 동적 영역은 최대치를 사용했으며, 추가 여과기는 설정하지 않았다.
- 뇌졸중 환자 13명과 일반인 10명을 대상으로 실험이 이루어졌고 피험자에 대한 정보는 Table 2-Old group과 같다. 측정 방식은 2.2.1에서 기술된 바와 동일하게 경동맥은 초음파 영상 진단 시스템으로 요골동맥은 초음파 현미경을 사용하여 초음파 영상을 획득했다. 또한, 기초 임상 자료로서 혈압을 측정했고, 혈액을 채취하여 섬유소원, 혈당 농도를 측정했다.
- 본 임상 시험은 제주대학교병원 임상시험위원회의 승인(IRB-2009-37)을 받아 실시되었다. 피험자들은 심혈관계 병력이 없는 건강한 사람 18명을 선별했다(Table 2). 초음파 측정은 오전에 이루어졌고, 피험자들에게 측정 당일 오전 금식과 측정 전날 금주를 요청했다.
성능/효과
- 건강한 피험자들을 대상으로 나이에 따른 혈액 에코박동지수를 계산한 결과, Fig. 2에서 보는 바와 같이, 전반적으로 요골동맥에서는 경동맥에서의 값에 비해 작게 나타났다. 나이가 31±1세인 젊은 세대의 요골동맥에서는 혈액에코박동지수가 0.
- 경동맥에서 혈액에코박동지수는 대조군에서 0.32±0.01인 반면, 환자군에서는 0.35±0.02로 다소 높게 나타났고, 섬유소원 농도는 대조군에서 257±43 mg/dl, 환자군에서 340±126 mg/dl로 환자 군에서 높게 나타났다.
- 경동맥에서의 평균 혈액 에코발생도는 대조군에서 55±15, 환자군에서 56±17(Fig. 5b)로 유사한 반면, 혈액 에코발생도의 변화량은 대조군에서 17±5인데 반해 환자군에서 24±8(Fig. 5d) 로 높게 나타났다.
- 혈액 에코발생도의 변화량은 적혈구 응집과 분해의 정도를 나타내기 때문에 평균값에 비해 상대적으로 요골동맥과 경동맥에서 큰 차이를 보이지 않고 있다. 또한 변화량과 평균값의 비인 혈액에코박동지수에도 영향을 주어 요골동맥보다 경동맥에서 더 큰 값을 보이고 있다.
- 본 논문에서는 요골동맥과 경동맥에서 초음파 혈액 영상을 통해 나이에 따른 혈액에코박동지수를 비교, 분석했고, 이를 기반으로 뇌졸중 환자군과 대조군에서의 혈액에코박동지수의 차이점을 논의했다. 실험을 통해 혈액에코박동지수의 다양한 변화를 확인했고, 연령이나 병리학적 증상에 따른 혈액 연구에 있어서 초음파의 활용성에 대한 가능성을 제시했다. 향후 다양한 피험자의 확보를 통한 지속적인 실험을 통해 임상적으로 활용 가능한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 20 MHz의 주파수를 사용하여 요골동맥에서 초음파 영상을 획득했다. 영상 획득 속도는 30 fps로써 최대 256 프레임의 영상을 획득하여 피험자 당 약 8초 동안의 초음파 영상 자료를 획득할 수 있었다. 초음파 현미경 시스템 설정은 Table 1에 명시했다.
- 요골동맥에서 초음파 자료가 확보된 피험자(대조군 5명, 환자군 8명)들의 혈액 검사 자료를 살펴보면, 섬유소원 농도는 대조군에서 264±38 mg/dl인 반면, 환자군에서 336±61 mg/dl로 높게 나타났다.
- 01 (old CCA,# )로 다소 낮게 나타났다. 즉, 나이에 따른 혈액에코박동지수의 결과가 요골동맥에서는 큰 차이를 보이지 않은 반면, 경동맥에서는 나이가 젊은 세대에서 혈액에코 박동지수가 높게 나타났고, 수치 분포가 넓게 나타났다. 이러한 현상은 단순히 나이에 따른 혈액 에코박동지수만으로는 해석되지 않고, 요골동맥과 경동맥의 혈류 역학적 차이에 대한 논의가 필요하다는 것을 의미한다.
- 5d) 로 높게 나타났다. 즉, 섬유소원의 증가로 인해 혈액 에코발생도의 변화량이 커져서 요골동맥과 경동맥 모두 대조군보다는 환자군에서 혈액에코 박동지수가 높게 나타났다.
- 확장말기 혈류속도는 큰 차이를 보이지 않을 정도로 미세하게 증가하지만, 최고수축기 혈류속도는 확장말기 혈류속도와는 다르게 혈액에코박 동지수에 따라서 증가한다. 즉, 한 주기 내 혈류 속도의 차이가 커짐에 따라 혈액에코박동지수가 증가함을 확인할 수 있다. 한 주기 내 혈류 속도의 변화는 가속도와 밀접한 관련이 있고 가속이 발생하면 적혈구 응집을 활성화할 수 있다는 연구 결과[10-12,31]를 토대로 본 현상은 설명될 수 있다.
후속연구
- 환자군과 대조군 실험에서는 혈액 검사를 실시하여 초음파 영상 자료와의 비교를 수행했다. 이러한 연구는 향후 적혈구 응집과 뇌졸중의 상관성에 대한 연구로 발전 가능성이 있고, 적혈구 응집의 실시간 측정을 활용한 혈액 임상 연구 증진에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
- 실험을 통해 혈액에코박동지수의 다양한 변화를 확인했고, 연령이나 병리학적 증상에 따른 혈액 연구에 있어서 초음파의 활용성에 대한 가능성을 제시했다. 향후 다양한 피험자의 확보를 통한 지속적인 실험을 통해 임상적으로 활용 가능한 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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