TcpOTcpOTcpOTcpO2222를 를 를 를 이용한 이용한 이용한 이용한 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 신경병증 신경병증 신경병증 신경병증

조기진단조기진단조기진단조기진단

연세대학교연세대학교연세대학교연세대학교 대학원대학원대학원대학원

생체공학협동과정생체공학협동과정생체공학협동과정생체공학협동과정

전기전기전기전기․․․․전자공학전공전자공학전공전자공학전공전자공학전공

김 김 김 김 진 진 진 진 태태태태

TcpOTcpOTcpOTcpO2222를 를 를 를 이용한 이용한 이용한 이용한 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 신경병증 신경병증 신경병증 신경병증

조기진단조기진단조기진단조기진단

지도 지도 지도 지도 김 김 김 김 덕 덕 덕 덕 원 원 원 원 교수교수교수교수

이 이 이 이 논문을 논문을 논문을 논문을 석사 석사 석사 석사 학위논문으로 학위논문으로 학위논문으로 학위논문으로 제출함제출함제출함제출함

2006200620062006년 년 년 년 12121212월 월 월 월 일일일일

연세대학교 연세대학교 연세대학교 연세대학교 대학원대학원대학원대학원

생체공학협동과정생체공학협동과정생체공학협동과정생체공학협동과정

전기전기전기전기․․․․전자공학전공전자공학전공전자공학전공전자공학전공

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심사위원심사위원심사위원심사위원 인인인인

심사위원심사위원심사위원심사위원 인인인인

심사위원심사위원심사위원심사위원 인인인인

연세대학교 연세대학교 연세대학교 연세대학교 대학원대학원대학원대학원

2006200620062006년 년 년 년 12121212월 월 월 월 일일일일

감사의 감사의 감사의 감사의 글글글글

먼저 2년의 대학원 생활과 본 논문이 완성되기까지 세심한 지도와 아낌없는 배려

를 해주신 김 덕원 교수님께 먼저 진심으로 감사드립니다. 그리고 논문을 쓰는데

있어 실험에 있어서 아낌없는 지도와 격려를 해주신 의과대학 내과학교실의 강

은석 교수님께 감사드립니다. 지난 대학원 생활에서 여러 가지 도움을 주시며, 가

르쳐주신 김 수찬 박사님, 남 기창 박사님 감사합니다. 그리고 의학공학교실에서

밝은 면학분위기를 만들어 주시는 김 남현 교수님, 서 활 교수님, 유 선국 교수님,

박 종철 선생님 감사드립니다. 또한 제가 의공학이란 학문의 길에 들어섰을 때 저

를 지도해 주셨던 의용전자공학과 교수님들께도 감사드립니다.

대학원을 같이 입학해서 2년의 생활동안 같이 고생하고, 즐거워하며, 이제는 서로의

길을 가게 될 원혁이형, 중훈이 수고 많았고 고마웠어요. 군대 전역 후에 대학생활

2년, 대학원 2년 저에게 가장 의미 있는 4년을 기간을 같이 보내며, 조언을 해준

현기형 고맙습니다. 박사과정 준비를 하는 성우 시험에서 좋은 결과 있어서 뜻한

바를 이뤘으면 좋겠고, 연구실에서 한 학기를 시작한 승희와 대학원 생활을 시작할

효철이형과 주형이 모두 고맙습니다. 그리고 연구실에서 석사과정을 파트타임으로

하느라 고생하시는 종정이형도 고맙습니다. 2년 동안 비록 연구실은 달랐지만 같이

보낸 정훈이형 고마습니다. 그리고 우리 의학공학교실의 살림을 책임지고 계신 정

숙이누님 고맙습니다.

의공학을 처음 공부할 때부터 같이 우정을 쌓아온 지훈이, 경진이형, 진수를 비롯

한 99학번 동기들과 공부의 열정을 불태웠던 찬욱이형과 후배 건호 및 의용전자

공학과 선․후배 여러분의 격려와 지지에 감사의 마음을 전합니다. 자주 만나지는

못하지만 기쁘거나 힘들어도 한결같이 좋은 친구로 서로에게 힘이 되어주는 초등

학교 동창들을 비롯한 여러 친구들의 우정과 사랑을 잊지 않겠습니다.

마지막으로 오늘의 제가 있기까지 끊임없는 사랑과 격려를 보내주신 저의 소중한

가족과 친지들에게 머리 숙여 감사드리며 이 작은 결실을 바칩니다.

아버지, 어머니 감사합니다.

2006년 12월

김 진태 드림

- i -

차 차 차 차 례례례례

그림 차례 ·······························································································································ⅲ

표 차례 ···································································································································ⅳ

약기호표 ·································································································································ⅴ

국문 요약 ·······························································································································ⅵ

제 1 장 서 론 ····················································································································1

제 2 장 당뇨병성 신경병증 ································································································3

제 3 장 연구 내용 ················································································································6

3.1 Photoplethysmography의 원리 ······································································6

3.1.1 Photoplethysmography(PPG) ··························································6

3.1.2 Beer-Lambert's law ··········································································8

3.2 Transcutaneous Oxygen Tension ····························································12

3.2.1 Transcutaneous Oxygen Tension ··············································12

3.2.2 TcpO2 ····································································································14

제 4 장 방 법 ······················································································································16

4.1 연구 대상 ············································································································16

4.2 측정 장비 ············································································································17

4.3 전극의 측정 위치, 시간, 온도 설정 ······························································23

4.4 측정 방법

제 5 장 결과 및 고찰 ········································································································25

5.1 정상인 손과 발의 TcpO2, TcpCO2 분석 ····················································25

- ii -

5.2 당뇨병성 신경병증 환자 손과 발의 TcpO2, TcpCO2 분석 ··················26

5.3 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 SpO2의 차이 분석 ·····················28

5.4 SpO2와 TcpO2, TcpCO2와의 상관관계 ····················································30

5.5 TcpO2를 이용한 방법의 민감도와 특이도 ················································32

제 6 장 결 론 ··················································································································35

참 고 문 헌 ··························································································································37

ABSTRACT ·························································································································42

- iii -

그림 그림 그림 그림 차례차례차례차례

그림 1. (a)정상인의 동정맥단락 (b)당뇨병성 신경병증의 동정맥단락 ···················4

그림 2. 4종류 헤모글로빈에서의 투과된 빛의 흡수율 스펙트럼 ·······························7

그림 3. PPG 측정 probe의 구조 ······················································································7

그림 4. Beer-Lambert's law 개념도 ············································································8

그림 5. 살아있는 세포를 통과한 빛의 흡수도 ·····························································10

그림 6. 살아있는 세포에서의 Beer-Lambert의 법칙 ··············································10

그림 7. (a)원래의 신호 (b)정규화 된 신호 ································································11

그림 8. TcpO2와 pO2를 동시 측정 시 측정결과 ························································13

그림 9. TCM40 측정 장비 ······························································································17

그림 10. 검지와 엄지발가락의 PPG 센서 부착 모습 ················································18

그림 11. 손과 발의 TcpO2 및 TcpCO2 전극 부착 모습 ·········································18

그림 12. 하지에서의 이상적인 TcpO2전극의 부착 위치 ··········································19

그림 13. Calibration을 마친 후의 TcpO2 및 TcpCO2의 수치 ······························22

그림 14. TCM40을 이용한 정상인 측정화면 ······························································24

그림 15. 정상인의 데이터 측정 모습 ············································································24

그림 16. 정상인의 TcpO2와 TcpCO2의 분포 ·····························································25

그림 17. 당뇨병성 신경병증 환자의 TcpO2와 TcpCO2의 분포 ·····························26

그림 18. 오른쪽 검지 SpO2와 손의 TcpO2의 상관관계(n=100) ·························31

그림 19. 오른쪽 엄지발가락 SpO2와 발의 TcpO2의 상관관계(n=100) ·············31

그림 20. 손과 발 TcpO2의 ROC curve ······································································32

- iv -

표 표 표 표 차례차례차례차례

표 1. TcpO2 전극의 종류와 측정시간에 따른 연구 사례 ·············································20

표 2. TcpO2 전극 온도에 따른 연구 사례 ······································································21

표 3. 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 평균 SpO2 ·············································28

- v -

약기호표약기호표약기호표약기호표

PPG:　photoplethysmography

NCV: nerve conduction velocity

AVS: arterial venous shunt

HbO2:　oxyhemoglobin

Hb: reduced hemoglobin

HbCo: carboxyhemoglobin

MetHb: methemoglobin

AC: alternating current

DC: direct current

TcpO2: transcutaneous oxygen tension

TcpCO2: transcutaneous carbon oxygen tension

PaO2: partial arterial oxygen tension

SpO2: oxygen saturation

ROC: receiver operating characteristic

ABI: ankle brachial index

TBI:　toe brachial index

- vi -

국 국 국 국 문 문 문 문 요 요 요 요 약약약약

TcpOTcpOTcpOTcpO2222를 를 를 를 이용한 이용한 이용한 이용한 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 신경병증 신경병증 신경병증 신경병증 조기진단조기진단조기진단조기진단

당뇨병은 유병기간이 길수록 각종 합병증을 불러오고 그 중 가장 심각한 합병

증 중의 하나가 당뇨병성 족부병변이다. 이러한 당뇨병성 족부병변의 병인은 신경

병증이 80~90%로 가장 높은 비율을 차지한다. 당뇨병성 신경병증은 당뇨병성 신

증, 당뇨병성 망막병증과 함께 당뇨병의 가장 흔한 합병증중의 하나로 임상에서는

신경전도검사(nerve conduction velocity: NCV)를 실시하여 신경병증의 유무를

진단한다. 그러나 신경전도검사는 피부에 직접적으로 최대 100㎃의 전기자극을

가하므로 피검자가 놀라거나 고통을 호소하는 경우가 많다. 따라서 환자들의 고통

을 최소화하며, 신경병증을 판별할 수 있는 검사방법이 요구되어왔다. 본 연구에

서는 TcpO2를 이용하여 비관혈적으로 신경병증이 있는 그룹과 정상인의 그룹간

의 TcpO2와 SpO2의 차이를 확인하고, TcpO2와 SpO2가 어떠한 관계인지 살펴보

았다. 또한 TcpO2 측정방법을 신경병증을 조기 진단할 수 있는 새로운 측정 방법

으로 제안하고자 하였다.

정상인 50명과 NCV를 통해 신경병증이라고 확진 받은 당뇨병 환자 50명을 대

상으로 하였다. 분석 파라미터는 TcpO2, TcpCO2, SpO2이였으며, TcpO2 및

TcpCo2 측정기를 이용하여 TcpO2, TcpCO2를 측정하였으며, PPG

(photoplethysmography) 혈류량 측정기를 사용하여 SpO2를 계산하였다. 측정은

SpO2는 양쪽 검지와 엄지발가락에 물려 1회 측정하여, TcpO2및 TcpCO2는 오른

쪽 손과 오른쪽 발에 부착하여 1회 각 15분 씩 측정하였다.

측정결과 TcpO2는 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 그룹 간에 손과 발에서 모

두 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01). SpO2는 왼쪽과 오른쪽 검지에서

는 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 간에 통계적으로 차이가 없었지만(p>0.05),

왼쪽과 오른쪽 엄지발가락에서는 SpO2의 값이 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자

- vii -

간에 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.01). SpO2와 TcpO2와의 상관관계

는, 손가락의 SpO2와 손의 TcpO2는 상관관계가 0.400(p<0.01), 발가락의 SpO2

와 발의 TcpO2는 0.471(p<0.01)로 통계적으로 유의한 상관관계를 발견하였다.

정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 그룹 간에 손과 발의 TcpO2방법을 이용하였을

때 진단율은 민감도는 66%, 특이도는 92%로 나타났다. 본 결과를 통해서 TcpO2

를 이용한 방법이 신경병증의 유무를 확인할 수 있는 사전검사 도구로 사용이 가

능할 수 있으며, 비관혈적(non-invasive)이어서 피검자에게 전혀 고통을 주지 않

으므로 피검자들에게 편의를 제공할 수 있다. 또한 혈관 폐색과 신경병증은 어느

정도 진행된 후에 발견되는 경우가 많은데, 주기적인 TcpO2 검사를 통해 혈관폐

색과 신경병증 유발이 되는 시기를 조기에 발견할 수 있어 당뇨병으로 인한 혈관

폐색과 신경병증을 예방할 수 있는 유용한 방법이 될 것으로 사료된다.

━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━

핵심 되는 말 : TcpO2, TcpCO2, SpO2, 당뇨병성 신경병증, 신경전도검사,

photoplethysmography

- 1 -

제 제 제 제 1 1 1 1 장 장 장 장 서 서 서 서 론론론론

당뇨병의 유병률은 민족이나 종족, 생활환경등에 따라 차이가 있으나 경제가 발전

하고 생활양식이 서구화됨에 따라 전 세계적으로 유병률이 증가하고 있다[1]. 이

러한 현상은 우리나라에서도 1970년대에는 1%미만으로 추정되던 것이 1980년

대 말에는 약 3%, 1990년대에는 보고자에 따라 5∼8%의 유병률을 보고하고 있

다[3]. 특히 인구의 20%를 차지하는 베이비붐(1955∼1963년생)세대가 당뇨병

이 가장 많이 발생하는 연령기인 40∼50세에 이르러 당뇨병으로 피해를 보는 국

민은 더 늘어날 것으로 예측되고 있다[1]. 그러나 더 큰 문제는 일반인들이 당뇨

병에 대해 위기의식을 느끼지 않는다는 것이다. 당뇨병은 그 유병기간이 증가할수

록 각종 합병증을 불러오며, 그 중 가장 심각한 합병증 중의 하나가 당뇨병성 족

부병변이다. 이러한 당뇨병성 족부병변의 병인은 신경병성(neuropathic), 신경-

허혈성(neuro-ischemic), 허혈성(ischemic)의 3가지로 구분되며, 원인별 빈도는

각각 50∼60%, 20∼30%, 10∼20% 정도로, 80∼90%가 당뇨병성 신경병증이

가장 높은 비율을 차지한다[2]. 당뇨병성 족부궤양은 대부분 말초신경의 손상으로

감각이 둔해져 있고, 당뇨병에 동반된 동맥경화증으로 혈액순환에 문제가 있거나,

세균에 대한 저항력 감소로 조그만 상처에도 쉽게 발의 염증으로 진행하게 된다

[3].

당뇨병성 신경병증의 증상은 각종 감각이 소실되거나, 따끔거림 (pins and

needles), 꽉 조이는 느낌, 발가락이나 발에 양말이나 솜이 닿아 있는 느낌, 통증

등과 같은 증상과 신경통, 둔통 (aching), 압박감(pressing), 경련 (cramping), 작

열통 (burning, 화끈거림), 찌르는 듯한 통증 (stabbing), 베는 듯한 통증

(lancinating) 등으로 표현된다[3].

신경병증의 진단을 위해 임상에서는 신경전도검사(nerve conduction velocity:

NCV)를 실시하여 신경병증의 유무를 진단한다. 그러나 신경전도검사는 피부에

직접적으로 최대 100㎃의 전기자극을 가하므로 피검자가 놀라거나 고통을 호소하

- 2 -

는 경우가 많다. 또한 측정시간도 20∼30분으로 긴 시간이 소요된다. 따라서 환

자들의 고통을 최소화하며, 신경병증을 판별할 수 있는 검사방법이 요구되어왔다.

이에 따라 본 연구에서는 TcpO2와 SpO2를 사용하여 새로운 검사 방법을 제안하

였다. TcpO2는 기존에 여러 분야에서 사용되었다. TcpO2를 이용한 적용사례는

Benscotter et al.(1984)은 상처 난 부위를 치료하는데 TcpO2의 수치를 이용하

여 판단하였으며[12], 이상적인 절단 정도를 결정하는데 연구되었으며, TcpO2가

30mmHg 이하일 경우로 일반적인 절단기준으로 사용하기도 하였다[16]. 또한 피

부 질환을 앓고 있는 환자들에 대한 평가의 지표로도 사용되고 있다. 반면 PPG는

비관혈적이며 사용이 간편하고 쉬워서 많은 수술실에서 마취된 환자의 SpO2를 측

정하고 관찰하는 데 사용하고 있으며 중환자의 관찰을 위해서도 상용되고 있다

[1]. PPG(photoplethsymography) 측정방법은 사용이 간편하고 빛을 이용하기

때문에 환자에게 전혀 고통을 주지 않으며 임상에 있어서 비숙련자도 쉽게 사용

할 수 있다는 큰 장점이 있다.

본 논문에서는 TcpO2를 이용하여 비관혈적으로 신경병증이 있는 그룹과 정상인

그룹을 측정하였다. 또한 TcpO2와 SpO2의 차이를 확인, TcpO2와 SpO2사이에

관계를 살펴보았다. 위의 결과들을 바탕으로 TcpO2를 이용하여 당뇨병성 신경병

증을 조기 진단할 수 있는 새로운 가능성으로 제안하고자 하였다.

- 3 -

제 제 제 제 2 2 2 2 장 장 장 장 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 신경병증신경병증신경병증신경병증

당뇨병이란 인슐린 분비부족이나 인슐린에 대한 세포 저항성 증가로 인해 음식물

이 소화되어 얻어지는 포도당이 우리 몸에서 적절하게 사용되지 못하고 혈액 내

에 축적되는 질병이다[1].

당뇨병성 신경병증은 당뇨병성 신증, 당뇨병성 망막병증과 함께 당뇨병의 가장 흔

한 합병증중의 하나이다[3]. 당뇨병성 신경병증은 다른 합병증과 마찬가지로 고혈

당증이 말초신경병의 중요한 발병의 원인이라고 한다[3]. 당뇨병성 신경병증의 존

재는 약 200년 전부터 알려져 있었지만 당뇨병이 말초신경병증의 원인이라는 사

실은 1864년 Marshal de Calvi가 처음 보고하였다[3]. 현재까지 보고 된 당뇨병

성 신경병증의 유병률은 외국은 10∼100%, 우리나라에서는 8.8∼78.1%로 그 범

위가 아주 넓다. 이렇게 유병률이 보고자마다 많은 차이를 보이는 이유는 적용하

는 진단적 기준이 다르기 때문이다[3].

당뇨병성 신경병증은 임상양상과 침범범위가 아주 다양하기 때문에 임상적 평가

에는 감각기능, 운동기능 및 자율신경기능 등을 모두 포함하여야 하며 임상양상이

비특이적이거나, 애매한 경우에는 여러 가지 검사를 이용해서 이를 확인하거나 정

량화하여야한다. 신경병증을 통하여 많은 증상이 나타나지만, 신경병증으로 가장

많이 발생하는 증상은 신경병성 족부병변이다. 이러한 신경병성 족부병변의 증상

은 촉진 시 따뜻하고, 맥박이 잘 촉진되는 현상인데 이것은 발바닥의 동정맥단락

(arteriovenous shunt: AVS)이 교감신경긴장(sympathetic tone)에 의해 수축

된 상태로 유지되어야 하나 신경병증에 의해 교감신경이 소실되어 그림 1과 같이

동정맥단락이 열리게 되어 정상인 보다 많은 혈류가 흐르기 때문이다[4].

- 4 -

(a) (b)

그림 1. (a)정상인의 동정맥단락 (b)당뇨병성 신경병증의 동정맥단락

당뇨병성 신경병증의 진단은 대부분 문진을 통해 말초의 통증, 이상감각, 무감각,

근력약화, 저혈당 인식, 어지러움, 피부건조, 피부균열등에 대해 질문을 하게 된다.

질문을 통해 신경병증이라 생각되는 당뇨병 환자에게는 신경기능 손실을 정량적

으로 알아보기 위해 다음과 같은 방법 등을 실시한다[3].

1. 1. 1. 1. 운동기능의 운동기능의 운동기능의 운동기능의 평가평가평가평가

-기계적 근력측정: 정확하고 정량적이라는 장점이 있지만, 측정 장비가 필요하고

검사 소요시간이 길다는 문제점이 있다.

-기능시간검사: 가만히 서 있거나 일정거리를 걷는데 소요되는 시간을 측정한다.

그러나 운동기능뿐 여러 가지 요인에 의하여 영향을 받기 때문에 유용성이 떨어

진다.

-도수근력평가: 임상에서 주로 이용한다.

- 5 -

2. 2. 2. 2. 감각기능의 감각기능의 감각기능의 감각기능의 평가평가평가평가

- 촉각, 통각 및 온도 감각 등을 이용하여 평가한다.

- 최근에는 여러 가지 감각에 대한 역치를 측정하는 장비가 개발되어서 정량화

가능하다.

3. 3. 3. 3. 자율신경기능의 자율신경기능의 자율신경기능의 자율신경기능의 평가평가평가평가

- 심맥관계 검사(혈압 및 맥박의 변화)에는 기립성 저혈압 검사, 냉온 혈압 상승

검사 등이 주로 사용된다.

- 땀샘분비, 방광 기능, 장운동, 동공 수축 반사 및 누선분비, 성 기능 검사 등이

있다.

- 자율신경 기능 검사에서 주의할 점은 어떤 한 두가지 검사에 이상이 있는 것만

으로 자율신경계 이상 유무를 판정하는 것이 아니라 통합적으로 여러 가지 검사

를 병용하여 분석하여야한다

4. 4. 4. 4. 전기진단검사 전기진단검사 전기진단검사 전기진단검사

-신경전도검사: 진단을 위한 검사라기보다는 임상적으로 의심되는 환자에게 이를

확인하고 말초신경 손상의 양상을 규명하여 추적 관찰을 위한 신경기능의 정량화

가 주목적이다. 신경전도 검사를 통해 측정되는 검사치는 신경전달속도와 반응의

진폭 두 가지이다.

-근전도 검사: 근육에 침 전극을 삽입한 후, 전위의 변화를 관찰하는 검사로서 운

동신경의 손상을 진단하기 위하여 주로 이용한다. 그러나 당뇨병성 신경병증에서

는 감각신경의 장애가 더 현저하고 신경전도검사로도 팔다리의 운동신경 기능을

측정 할 수 있기 때문에 일반적으로 많이 시행되지 않는다.

- 6 -

제 제 제 제 3 3 3 3 장 장 장 장 연구 연구 연구 연구 내용 내용 내용 내용

3.1 3.1 3.1 3.1 PhotoplethysmographyPhotoplethysmographyPhotoplethysmographyPhotoplethysmography의 의 의 의 원리원리원리원리

3.1.1 3.1.1 3.1.1 3.1.1 Photoplethysmography(PPG)Photoplethysmography(PPG)Photoplethysmography(PPG)Photoplethysmography(PPG)

인체는 귀나 손과 같이 부드러운 조직을 가진 부분은 가시광선과 적외선이 부분

적으로 투과한다. 통과된 빛은 붉은 색을 가지는데 이것은 조직에 있는 혈액에 의

해 선택적으로 빛이 흡수되기 때문이다. 혈관을 통과하는 빛은 혈액 안에 들어 있

는 내용물에 따라 감쇄가 일어난다. 즉, 혈액이 많으면 많을수록 더 많은 감쇄가

일어난다. PPG는 파장에 따라서 조직에 흡수되는 빛의 흡수율(extinction

coefficient)을 이용한 방법이다.

인간의 혈액에 존재하는 헤모글로빈은 크게 4종류이다. 그 종류는

oxyhemoglobin(HbO2), reduced hemoglobin(Hb), methemoglobin(MetHb),

carboxyhemoglobin(HbCO)이다. 네 가지 중 가장 많은 양을 차지하는 것은

HbO2와 Hb이다. 이 두 가지는 파장에 따라 큰 흡수율 차이를 보이는데 그 파장

은 660nm의 적색광과 940nm의 적외선광이다. 그림 2는 파장에 따른 혈액속의

헤모글로빈들의 빛의 흡수도를 보여주는 그래프로 HbO2와 Hb가 660nm에서의

흡수율이 940nm에서의 흡수율보다 큰 것을 확인할 수 있다[5]. 660nm의 적색

광에서 HbO2와 Hb의 차이가 가장 많이 생긴다. 즉 혈액량에 따른 차이를 관찰

할 수 있다. 940nm의 자외선광은 HbO2와 Hb의 감쇄계수가 큰 차이가 없어 혈

액을 제외한 다른 조직이나 성분에 의한 것으로 볼 수 있다. PPG는 이 두 가지

파장을 이용하며 660nm의 적색광으로 혈액량을 측정하고, 940nm의 적외선광을

이용해 다른 조직이나 성분을 제거해 보정해 주는 역할을 한다. 즉 2개의 빛을 이

용하여 비례수식을 사용하면 매질의 농도와 optical path length에 대한 부분이

- 7 -

소거가 되어 optical path를 신경 쓰지 않아도 되지만, 한 개의 빛만을 사용하면

Beer-Lambert's law에서 농도와 optical path length를 반드시 고려해주어야

한다.[5]

그림 3과 같이 적색광과 적외선광이 교대로 점멸하면서 손가락 끝의 모세혈관을

투과하여 반대편에 있는 광다이오드 도달하는 산란된 빛의 강도를 증폭하여 혈액

의 흐름에 의해서 나타나는 맥동성분을 얻는다[5].

그림 2. 4종류 헤모글로빈에서의 투과된 빛의 흡수율 스펙트럼

그림 3. PPG 측정 probe의 구조

- 8 -

3.1.2 3.1.2 3.1.2 3.1.2 Beer-Lambert's Beer-Lambert's Beer-Lambert's Beer-Lambert's law law law law

Beer-Lambert's law는 균일한 매질을 통과하는 입사된 빛과 투과된 빛의 감쇄

에 대한 법칙 즉, 입력된 빛의 강도는 흡수된 빛과 통과된 빛의 합과 같다는 법칙으로

식(1)과 같이 표현된다(그림 4 참조)[5].

(1) (1) (1) (1)

: 입력되는 빛의 강도

: 매질을 통과한 후의 빛의 강도

: 감쇄계수

: 매질의 농도

: 매질을 통과하는 optic path length

그림 4. Beer-Lambert's law 개념도[5]

- 9 -

빛이 조직에 조사되면 매질에 따라 감쇄가 발생한다. Beer-Lambert's law에

의해 감쇄에 영향을 주는 것은 감쇄계수(ε), 매질의 농도(c)와 optical path

length(d)이다. 여기서 c와 d는 같은 위치에서 LED로 빛을 발생시키면 같은 값

이므로 정규화를 하면 소거가 되고 감쇄계수는 어떤 파장을 사용하느냐에 의해

결정 된다[5].

살아있는 조직을 통과하여 photodiode에서 얻어지는 빛의 신호는 그림 5와 6과

같이 AC성분과 DC성분으로 구분이 된다. 여기서 AC성분은 pulsating arterial

blood에 의한 흡수된 부분을 의미하고, DC성분은 venous blood, capillary

blood, non-pulsatile arterial blood를 포함하는 tissue bed에 의해 흡수된 부분

을 의미한다. 이것은 적색광과 적외선광에서도 모두 같이 적용되며 적색광은

HbO2에 의해서 흡수가 많이 되고 상대적으로 적외선광은 덜 흡수가 되어 아래

그림 7(a)와 같은 raw signal을 얻을 수 있다. 적외선광에 의해서 얻어지는 신호

는 조직의 두께, 색 등에 의한 것으로 사람마다 다를 수 있다. 그래서 이것을 그

림 7(b)와 같이 정규화하여 맥동 혈류만을 얻게 된다. 정규화 하는 방법은 모세혈

관을 투과하여 반대편에 있는 광다이오드에 도달한 빛의 강도를 투과된 빛 중에 최

대 피크 신호로 나누어서 계산한다(수식2)[5].

(2)(2)(2)(2)

SpO2의 계산은 정규화 된 신호를 이용서 얻어진 맥동 혈류를 사용해 계산한다.

정규화를 통해 얻은 신호를 각 파장에 따른 AC/DC 신호의 ratio를 식(3)에서와

같이 구한다.

(3)(3)(3)(3)

이렇게 계산된 ratio를 통해 아래의 식(4)을 사용해 SpO2를 계산하게 된다[5,6].

- 10 -

(4)(4)(4)(4)

그림 5. 살아있는 세포를 통과한 빛의 흡수도[5]

그림 6. 살아있는 세포에서의 Beer-Lambert의 법칙[5]

- 11 -

(a) (b)

그림 7. (a)원래의 신호 (b)정규화 된 신호 [5]

PPG(photoplethysmography)의 장점은 적외선광과 적색광을 사용하여 실시간,

비관혈적으로 SpO2를 측정할 수 있다는 것이 있으며, 단점으로는 절대적인 혈류

량을 측정이 곤란하며, 심한 저체온이나 빈혈, 혈액순환장애 또는 주위에 강렬한

빛이 있거나 환자가 움직일 때는 신뢰도가 떨어진다는 단점이 있다[5].

- 12 -

3.2 3.2 3.2 3.2 Transcutaneous Transcutaneous Transcutaneous Transcutaneous Oxygen Oxygen Oxygen Oxygen TensionTensionTensionTension

3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 Transcutaneous Transcutaneous Transcutaneous Transcutaneous Oxygen Oxygen Oxygen Oxygen Tension Tension Tension Tension (TcpO(TcpO(TcpO(TcpO2222))))

경피성 산소압(Transcutaneous oxygen tension, TcpO2)의 정의는 “호흡기 시스

템으로부터 공급되는 산소의 정도이거나, 세포내로 들어가는 혈액에서의 산소의 정

도”이다[7].

TcpO2 측정법은 1970년대 Huch에 의해 개발되었으며, 동맥의 신생아의 PaO2와

높은 상관관계를 가지고 있다고 보고 되었다. TcpO2는 조직의 산소 공급과 소모

사이의 pO2를 반영한다. 이렇게 TcpO2와 PaO2가, TcpCO2와 PaCO2가 상관관계

가 높다는 연구는 많이 발표되었다[8,9]. PaO2와 PaCO2는 동맥혈 산소압과 동맥

혈 이산화탄소압으로, 동맥혈 산소압과 경피성 산소압이 높은 상관관계가 있다는

것을 의미한다. 그림 8은 성인의 TcpO2와 PaO2를 동시에 측정한 결과이다. 그림

과 같이 TcpO2와 PaO2가 거의 일치하게 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

일반적으로 신생아의 TcpO2는 PaO2와 매우 근접하나 성인의 TcpO2는 PaO2보다

15∼20% 정도 낮게 측정된다[5,10]. 반면, TcpCO2의 경우는 어른 환자에 있어

서 측정 오차가 작고 정확하다[11]. 그리고 TcpCO2의 경우는 혈액의 PaCO2 보

다 높다. 그 이유는 피하 세포의 CO2는 모세혈관의 동맥과 정맥부분사이에서

CO2 확산이 일어나기 때문이다[11].

- 13 -

그림 8. TcpO2와 pO2를 동시 측정 시 측정결과[8]

TcpO2는 여러 가지 측정요소로 인하여 그 수치가 영향을 받는다. TcpO2의 측정

값에 큰 영향을 미치는 요소들은 다음과 같다.

1. 동맥의 pO2

2. 피부의 혈류량

3. 피부의 구성: 두께, 부위, 모세관현상

4. 측정센서 밑의 모세혈관의 온도

이 중에서 동맥의 pO2와 말초의 혈류량이 TcpO2 수치에 가장 큰 영향을 미친다.

TcpO2 수치가 정상치 보다 낮을 경우는 다음과 같이 크게 두 가지이다. 첫째로

동맥의 pO2가 낮은 경우는 환자가 심폐질환 종류를 앓고 있을 수 있고, 두 번째

로 부분적인 혈류량이 감소한 경우는 발의 동맥경화, 혈관 공급의 손상 등의 증상

이 있다. 또한 낮은 TcpO2의 수치는 말초 혈관 질환과 높은 상관관계가 있다.

- 14 -

3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 TcpOTcpOTcpOTcpO2222의 의 의 의 의학적 의학적 의학적 의학적 적용 적용 적용 적용 사례사례사례사례

지금까지 TcpO2의 임상에서의 적용은 신생아에 대해 통상적으로 사용되었다. 그

이유는 신생아의 피부가 얇기 때문이고, 어른에 대한 임상 결과는 비교적 정확하

지 않았기 때문이다. 그러나 현재는 TcpO2를 많은 의학 분야에 적용이 되어 사용

되고 있다. 그 적용 분야에 대한 연구들이 많이 발표되었으며, 그 중의 일부는 다

음과 같다.

1.1.1.1. Benscotter et al.(1984)은 상처 난 부위를 치료하는데 TcpO2의 최소 요구사

항이 33mmHg라고 하였다[12].

2.2.2.2. Bunt et al.(1996)는 TcpO2의 값이 30mmHg 이상이 되었을 때 크거나 작은

접합 수술이 성공을 했다고 보고하였다[13].

3.3.3.3. Poet et al.(1994)은 청소년 환자들에서는 성인보다 TcpO2가 높게 측정이 되

지만 TcpO2와 PaO2와의 비율은 일정하다는 연구를 발표하였다[14].

4.4.4.4. 정상인과 심각한 PAOD(peripheral arterial occlusive disease)환자의 하지

의 온도를 37℃로 일정하게 유지하고 TcpO2의 전극을 44℃로 가열하고 측정한

결과, 정상인은 15.1mmHg가 증가하였고 PAOD (peripheral arterial occlusive

disease) 환자는 28.1mmHg가 증가해 통계적으로 유의한 차이를 확인하였다

[15].

5.5.5.5. 이상적인 절단 정도를 결정하는데 연구되었으며, 절단기준을 TcpO2가

30mmHg 이하일 경우로 일반적으로 사용하고, 장딴지와 위팔의 TcpO2의 비율을

이용하여 그 비율이 0.2이상일 경우 수술의 성공여부를 결정한 사례도 있다[16].

6.6.6.6. TcpO2는 당뇨병성 족부병변의 궤양에서 발가락 압력을 이용한 방법의 민감도

보다 높은 민감도를 보였다. 발가락의 압력을 이용한 방법의 민감도가 67%인 반

면, TcpO2를 이용한 방법의 민감도가 79%로 발표하였다[17].

7.7.7.7. 당뇨병성 피부병증 환자와 정상인을 대상으로 TcpO2를 측정한 결과, 정상인보

다 약 50% 정도 낮은 TcpO2의 결과를 보였으나, 낮은 TcpO2임에도 불구하고

- 15 -

당뇨병성 피부병증 환자들에게서 허혈(ischemia)은 나타나지 않았다[18].

8.8.8.8. TcpO2는 동맥의 질환뿐 아니라 정맥에 관련된 질환도 설명할 수 있으며, 정맥

관련 질환에서도 TcpO2의 값이 감소하는 것을 몇몇 연구를 통해서 발표되었다

[19,20].

- 16 -

제 제 제 제 4 4 4 4 장 장 장 장 방 방 방 방 법법법법

4.1 4.1 4.1 4.1 연구 연구 연구 연구 대상대상대상대상

당뇨병 병력이 없는 정상인 50명과 신경전도검사(nerve conduction velocity:

NCV)를 통해 신경병증이라 진단받은 당뇨병환자 50명을 대상으로 진행되었다.

정상인 그룹의 평균 연령은 55.4±20.5세 이고, 성비는 남자가 24명, 여자가 26

명으로 구성되었다. 정상인들의 당뇨병 유무를 사전 판별하기 위해서 혈당측정기

(LifeScan, USA)를 사용하였다. 혈당 측정은 식사 후 두 시간의 혈당수치가 140

mg/dL 미만과 식전의 혈당 수치가 100 mg/dL을 기준으로 하였으며, 이 수치를

초과하지 않은 사람을 대상으로 하였다. 당뇨병성 신경병증 환자 그룹의 평균 연

령은 60.0±13.3세 이고, 성비는 남자가 21명, 여자가 29명으로 구성되었다. 정

상인과 당뇨병성 신경병증 환자를 측정하는 실내 평균 온도는 25.8±0.64℃이였

다.

- 17 -

4.2 4.2 4.2 4.2 측정 측정 측정 측정 장비장비장비장비

TcpO2 및 TcpCO2는 상용화된 제품인 TCM40(Radiometer, Denmark)을 사용

하여 측정하였으며, TcpO2 및 TcpCO2를 측정하는 동안 그 수치를 실시간 수치

확인이 가능하다. SpO2는 TCM40에 있는 모듈을 통해 피검자의 양쪽 검지와 엄

지발가락 SpO2를 측정하였다.

TCM40을 이용하여 측정할 수 있는 TcpO2, TcpCO2, SpO2의 측정 범위 및 오

차는 각각 다음과 같다. TcpO2의 측정 범위는 0~800mmHg로 2초를 주기로 수

치가 갱신되며, 오차 범위는 5mmHg 이내이다. TcpCO2는 5~100mmHg의 범위

를 표시하며, TcpO2와 같이 2초를 주기로 그 수치가 갱신되며, 오차 범위 또한

5mmHg이내 이다. SpO2는 70~100%로 표시되며, ±3%의 오차를 갖는다[21].

그림 9는 TCM40 장비화면이다.

그림 9. TCM40 측정 장비[44]

- 18 -

4.3 4.3 4.3 4.3 전극의 전극의 전극의 전극의 위치위치위치위치, , , , 시간시간시간시간, , , , 온도 온도 온도 온도 설정설정설정설정

SpO2를 측정하는 PPG 센서는 Nellcor DS-100A Durasensor(California,

USA)를 사용하였으며, PPG 센서의 적색광 및 적외선광의 파장은 각각 660,

940nm이다. 센서는 클립안쪽의 접촉 부분에 위치한 쿠션이 측정부위에 밀착하도

록 되어 있어 주변의 빛이 들어가지 않게 만들어졌다. PPG 센서의 측정위치는 그

림 10과 같이 왼쪽과 오른쪽 검지와 엄지발가락에 전극을 물려 측정하였다.

그림 10. 검지와 엄지발가락의 PPG 센서 부착 모습

TcpO2 및 TcpCO2는 한 개의 전극을 통해 두 가지 파라미터를 동시에 측정 가능

하며 측정 위치는 그림 11과 같다.

그림 11. 손과 발의 TcpO2 및 TcpCO2 전극 부착

모습

- 19 -

SpO2 센서와 달리 TcpO2 및 TcpCO2의 전극은 측정 위치에 차이가 있었다.

그 이유는 검지와 엄지발가락에 TcpO2를 측정하는 전극을 부착하기 어렵기 때문

이다.

측정 위치의 선정은 그림14와 같이 하지에 TcpO2를 이용하여 측정할 경우 선정

한 이상적인 전극 위치를 이용하여 선정하였다[22]. 발의 경우는 그림 12에서의

1번 위치에 부착하였다. 손은 전극의 위치에 따른 측정 결과가 모두 비슷하였으

며, 살이 많은 부분, 뼈, 정맥 부분을 최대한 피하여 그림 11의 우측과 같은 위치

를 선정하였다.

그림 12. 하지에서의 이상적인 TcpO2전극의 부착 위치[22]

TcpO2 및 TcpCO2는 측정시간에 따라 TcpO2 와 TcpCO2의 결과가 다를 수 있다.

일반적으로 TcpO2 및 TcpCO2 측정 시간은 대략 10분에서 35분이며, 전극의 종류,

측정하고자 하는 조직의 부위, 조직의 두께 등 여러 요소에 따라 다르다[23]. 표 1은

TcpO2 및 TcpCO2를 측정하는 전극의 종류와 측정시간을 정리한 것으로, 측정 시간

이 10분에서 20분이 가장 많았으며, 본 논문은 이를 토대로 측정 시간을 한 부위 당

15분을 측정하였으며, TcpO2와 TcpCO2의 값이 안정적이여 그 수치가 변하지 않을

때의 값을 기록하였다.

- 20 -

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌 NNNN 전극전극전극전극측정시간 측정시간 측정시간 측정시간 ((((분분분분))))

10101010 15151515 20202020 30303030 35353535

Matsesn et al.[24] 22 - O

Franzeck et al.[25] 69 Transxode O

Mustapha et al.[26] 44 Radiometer O

Benscotter et al.[27] 52 Novametrix O O O

Ito et al.[28] 29 Oxymonitor O O

Mannarino et al.[29] 75 - O

Vyas et al.[30] 57 Kontron O O

Smith et al.[31] 672 Radiometer O O

Casprey et al.[32] 60 Radiometer O

표 1. TcpO2 전극의 종류와 측정시간에 따른 연구 사례

TcpO2 및 TcpCO2는 전극의 온도 또한 측정의 중요한 요소이다. 표 2는 TcpO2 전극

의 측정 온도에 따른 연구들을 정리한 것으로, 전극의 온도를 44℃로 유지하여 실험

을 진행한 경우가 가장 많았다. 이것은 피부가 43℃와 44℃ 사이의 온도까지 가열되

었을 때 충분한 동맥혈화(arterialization)가 발생하기 때문이다[11]. 이러한 피부의

가열은 두 가지 이로운 점이 있다. 가열을 함으로써 각막층을 통한 O2의 확산은 증가

한다. 또한, 피부를 가열함으로써 피부 모세혈관의 혈관이 확장되고 피부에서 혈액의

흐름이 증가한다. 이렇게 증가된 혈액의 흐름은 가열된 피부에 더욱 많은 O2를 공급

한다[11].

- 21 -

참고문헌참고문헌참고문헌참고문헌 NNNN전극 전극 전극 전극 온도온도온도온도

37373737℃℃℃℃ 43434343℃℃℃℃ 44444444℃℃℃℃ 45454545℃℃℃℃

Matsesn et al.[24] 22 O

Franzeck et al.[25] 69 O

Benscotter et al.[27] 52 O

Ito et al.[28] 29 O

Mannarino et al.[29] 75 O

Moosa et al.[33] 22 O

Vyas et al.[30] 57 O

Casprey et al.[32] 60 O O

Boyko et al.[34] 657 O O

표 2. TcpO2 전극 온도에 따른 연구 사례

Boyko(1996)은 전극의 온도를 44℃를 유지하여 발바닥 엄지발가락(plantar

hallux)의 TcpO2와 발목 혈압과의 중요한 상관관계를 규명하였으며, 몇 명의 논문에

서는 TcpO2의 임상 응용 용도로 사용할 경우 전극의 온도를 44℃를 추천하였다

[34]. 본 논문은 이러한 내용들을 바탕으로 전극의 온도를 44℃로 설정하여 실험하

였다.

TcpO2 및 TcpCO2 센서는 측정을 할 때 마다 calibration이 필요하다.

Calibration을 하기위해서는 calibration gas가 필요하며, 보통 대기압의 공기를

사용한다. 이러한 TcpO2 와 TcpCO2의 calibration은 수식 (5)와 (6)을 이용한

다.

×

(5)(5)(5)(5)

×

(6)(6)(6)(6)

- 22 -

:::: pO2의 calibration value

: pCO2의 calibration value

: 대기압 (760mmHg)

: calibration gas의 O2 함유량 (약 20.79%)

: calibration gas의 CO2 함유량 (약 7.5%)

위의 수식을 이용해 계산된 의 값은 158mmHg이고 값

은 57mmHg가 된다.

그림 13은 TcpO2, TcpCO2측정 장비인 TCM40의 calibration을 마친 상태에서

의 TcpO2와 TcpCO2의 수치를 나타낸 것이다. TcpO2와 TcpCO2의 수치가 수식

을 통한 계산 값과 calibration을 마친 후의 수치가 일치하여, calibration이 제대

로 이루어 졌음을 확인 할 수 있다.

그림 13. Calibration을 마친 후의

TcpO2 및 TcpCO2의 수치

- 23 -

4.4 4.4 4.4 4.4 측정 측정 측정 측정 방법방법방법방법

실험은 50명의 정상인과 세브란스병원 당뇨병센터에서 신경전도검사로 신경병증

이 확진된 당뇨병 환자 50명을 대상으로 하였다. 신경병증이 동반된 당뇨병 환자

중에는 5명의 혈관폐색이 있는 환자였으며, 2명의 엄지발가락 절단 환자가 있었

다. 나머지 43명의 당뇨병 환자들은 대다수가 감각이상, 찌릿찌릿한 감각, 냉감

등을 호소하였지만 혈관 폐색이나 발가락 절단환자는 아니었다.

실험은 측정하기 전 10분간 누워 안정을 취하게 하였으며, TcpO2 및 TcpCO2 측

정기를 이용하여 측정하였다. SpO2를 왼쪽, 오른쪽 검지와 왼쪽, 오른쪽 엄지발가

락에 물려 1회 측정, TcpO2 및 TcpCO2는 오른쪽 손과 오른쪽 발에 부착하여 1

회 각 15분 씩 측정하였다. 당뇨병성 신경병증 환자의 검사는 세브란스병원 당뇨

병센터 합병증 검사실 및 각 병동에서 실시하였으며, 측정 시 평균 실내 온도는

25.8±0.64℃이였다. 통계처리는 SPSS 10.0 for windows (SPSS Inc., USA)

를 이용하여 독립표본 t 검정, 상관관계, ROC(receiver operating

characteristic) 곡선을 사용하였다. 그림 14는 TCM40을 이용한 정상인 측정 시

측정 장비의 화면모습이고, 그림 15는 정상인의 측정 모습이다.

- 24 -

그림 14. TCM40을 이용한 정상인 측정화면

그림 15. 정상인의 데이터 측정 모습

- 25 -

제 제 제 제 5 5 5 5 장 장 장 장 결과 결과 결과 결과 및 및 및 및 고찰 고찰 고찰 고찰

5.1 5.1 5.1 5.1 정상인 정상인 정상인 정상인 손과 손과 손과 손과 발의 발의 발의 발의 TcpOTcpOTcpOTcpO2222, , , , TcpCOTcpCOTcpCOTcpCO2222 분석분석분석분석

정상인 50명의 경우 오른쪽 손의 TcpO2는 평균 70.7±9.5mmHg이고, 오른쪽 발

의 TcpO2는 68.7±9.6mmHg이었다. TcpCO2는 손에서는 평균

38.4±4.6mmHg, 발에서는 38.6±4.9mmHg이었다. 정상인의 TcpO2와 TcpCO2

는 손과 발에서 모두 통계적으로 유의한 차이가 없었다(TcpO2: p=0.30,

TcpCO2: p=0.88). 그림 16은 정상인 손과 발의 TcpO2와 TcpCO2의 분포를

나타낸 그림이다. 정상인 50명 중에서 44명이 TcpO2의 정상 범위인

60~95mmHg, TcpCO2의 정상 범위인 30~50mmHg가 나왔으며, 2명은

TcpCO2의 정상 범위 이상, 3명의 TcpO2의 정상 범위 이하, 1명의 TcpO2의 정

상 범위 이상이 있었다.

그림 16. 정상인의 TcpO2와 TcpCO2의 분포 (n=100)

- 26 -

5.2 5.2 5.2 5.2 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 신경병증환자 신경병증환자 신경병증환자 신경병증환자 손과 손과 손과 손과 발의 발의 발의 발의 TcpOTcpOTcpOTcpO2222, , , , TcpCOTcpCOTcpCOTcpCO2222분석분석분석분석

당뇨병성 신경병증 환자 50명의 경우 오른쪽 손의 TcpO2는 평균

62.0±9.6mmHg이고, 오른쪽 발의 TcpO2는 58.4±10.1mmHg이었다. TcpCO2

는 손에서는 평균 38.6±4.2mmHg, 발에서는 38.3±4.5mmHg이었다. 당뇨병성

신경병증 환자의 TcpO2와 TcpCO2 모두 손과 발에서 통계적으로 유의한 차이가

없었다.(TcpO2: p=0.07, TcpCO2: p=0.71). 그림 17은 당뇨병성 신경병증 환자

의 손과 발의 TcpO2와 TcpCO2의 분포를 나타낸 그림이다. 당뇨병성 신경병증

환자 50명 중에서 17명이 TcpO2의 정상 범위인 60~95mmHg, TcpCO2의 정상

범위인 30~50mmHg가 나왔으며, 나머지 33명은 TcpO2의 60mmHg 이하였다.

그림 17. 당뇨병성 신경병증 환자의 TcpO2 와 TcpCO2의 분포

(n=100)

- 27 -

정상인 50명과 당뇨병성 신경병증 환자 50명의 손과 발 TcpO2와 TcpCO2의 차

이를 보면 손과 발의 TcpCO2는 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 간에 통계적으

로 차이가 없었다(손: p=0.84, 발: p=0.77). 이처럼 정상인과 당뇨병성 신경병증

환자 간에 TcpCO2 차이가 없는 이유는 TcpCO2는 피부 혈액의 흐름에 훨씬 덜

의존적이기 때문이다[11]. 반면 TcpO2는 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 간에

유의한 차이가 있었다(손: p<0.01, 발: p<0.01).

위의 결과, 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 말초 혈류장애에 따른 영향을 보

기 위해서는 TcpCO2보다 TcpO2의 결과를 참조하는 것이 타당한 것을 확인하였

다.

- 28 -

5.3 5.3 5.3 5.3 정상인과 정상인과 정상인과 정상인과 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 당뇨병성 신경병증 신경병증 신경병증 신경병증 환자의 환자의 환자의 환자의 SpOSpOSpOSpO2222의 의 의 의 차이 차이 차이 차이 분석 분석 분석 분석

SpO2는 TCM40의 SpO2 모듈을 이용하여 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 왼쪽

과 오른쪽 검지와 엄지발가락의 SpO2를 측정하였다.

정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 발에 혈관 폐색이나 절단일 경우는 SpO2의

측정이 불가능 하였다. 이러한 혈관폐색이나 절단환자는 50명의 당뇨병 환자 중

에 7명으로 총 14%를 차지하였다. 당뇨병성 말초혈관폐색 등으로 인해서 족부병

변이 발생하거나 절단하는 환자의 수는 2.4∼3.8%로, 그 발생률이 아주 낮은 편

이나 1970∼80년대 초에 비하여 계속 증가 추세에 있다[35-37].

그룹

부위 정상인

당뇨병성

신경병증 환자

왼쪽 검지 97.20±1.67% 96.46±1.98%

오른쪽 검지 96.90±1.31% 96.34±2.12%

왼쪽 엄지발가락 98.04±1.46%****96.57±2.22%

오른쪽 엄지발가락 98.38±1.38%****97.09±2.30%

표 3. 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 평균 SpO2 (n=100)

표3은 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 평균 SpO2로서 정상인의 경우 왼쪽

검지에서는 97.2±1.67%, 오른쪽 검지는 96.9±1.31%, 왼쪽 엄지발가락은

98.04±1.46%, 오른쪽 엄지발가락은 98.38±1.38%이였다. 당뇨병성 신경병증

환자는 왼쪽 검지에서 96.46±1.98%, 오른쪽 검지는 96.34±2.12%, 왼쪽 엄지

발가락은 96.57±2.22%, 오른쪽 엄지발가락은 97.09±2.30%였다.

정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 SpO2를 통계적으로 차이를 보면 왼쪽과 오른

쪽 검지에서는 SpO2의 수치가 통계적으로 유의한 차이가 없었다(왼쪽: p=0.06,

- 29 -

오른쪽: p=0.10). 반면 엄지발가락에서는 왼쪽과 오른쪽 모두 정상인과 당뇨병성

신경병증 환자 간에 통계적으로 유의한 차이가 있었다(왼쪽: ****p<0.01,

****오른쪽:

p<0.01).

- 30 -

5.4 5.4 5.4 5.4 SpOSpOSpOSpO2222와 와 와 와 TcpOTcpOTcpOTcpO2222, , , , TcpCOTcpCOTcpCOTcpCO2222와의 와의 와의 와의 상관관계 상관관계 상관관계 상관관계

정상인과 당뇨병성 신경병증 환자의 SpO2와 TcpO2, SpO2와 TcpCO2의 상관관계

를 알아보고자 손가락의 SpO2와 TcpO2, SpO2와 TcpCO2와의 상관관계를 분석해

보았다.

그 결과, 손가락의 SpO2와 손의 TcpCO2와 약한 음의 상관관계를 보였으며(r=

-0.20, p=0.05), 발가락의 SpO2와 발의 TcpCO2는 상관관계를 보이지 않았다

(r=-0.13, p=0.22). 이는 TcpCO2 측정값이 피부 혈액의 흐름에 훨씬 덜 의존

적이기 때문인 것으로 사료된다[11]. 그림 18은 정상인과 당뇨병성 신경병증 환

자의 오른쪽 검지 SpO2와 오른손의 TcpO2의 상관관계를 나타낸 그림이며, 상관

계수가 0.40(p<0.01), 그림 19는 오른쪽 엄지발가락의 SpO2와 오른발의 TcpO2

의 상관관계를 나타낸 그림으로, 상관계수가 0.47(p<0.01)로 통계적으로 유의하

계 나타났다. 위의 결과는 유아를 대상으로 연구하였던 TcpO2가 40mmHg이상일

경우 SpO2와 상관관계가 존재하다는 이전의 연구와 유사한 결과인 것을 확인 할

수 있었다[38,39]. 보통 PaO2가 80mmHg 이상이면 PaO2의 증가에 관계없이 혈

색소가 산소로 포화되어 SpO2에는 변화가 없다. 그러나 PaO2가 60mmHg 이하로

감소하면 SaO2는 PaO2의 감소에 따라 급격하게 감소한다. 이러한 이유로 TcpO2

의 정상 범위를 60mmHg 이상으로 하는 이유이다.

- 31 -

그림 18. 오른쪽 검지 SpO2와 손의 TcpO2의 상관관계(n=100)

그림 19. 오른쪽 엄지발가락 SpO2와 발의 TcpO2의

상관관계(n=100)

- 32 -

5.5 5.5 5.5 5.5 TcpOTcpOTcpOTcpO2222를 를 를 를 이용한 이용한 이용한 이용한 방법의 방법의 방법의 방법의 민감도와 민감도와 민감도와 민감도와 특이도특이도특이도특이도

정상인 그룹과 당뇨병성 신경병증 환자 그룹을 이용하여, TcpO2를 이용한 측정방

법이 당뇨병성 신경병증 환자를 얼마나 정확하게 검출할 수 있는지 확인해 보았

다. ROC(receiver operating characteristic) 곡선은 손가락과 발가락 TcpO2를

나누어 분석하였다. 그림 20은 분석에 대한 ROC curve를 나타낸 것이다.

그림 20. 손과 발 TcpO2의 ROC curve

s

분석 결과, 손의 TcpO2보다 발의 TcpO2가 민감도와 1-특이도가 더 높은 것을

확인할 수 있다. 이는 발의 TcpO2가 손의 TcpO2보다 당뇨병성 신경병증 환자를

더 높게 검출할 수 있다는 의미로, 정량적인 수치를 확인하기 위해 정상인과 환자

를 구분하는 TcpO2의 기준값 60mmHg을 기준으로 각각의 민감도와 특이도를

계산하였을 때, 손의 TcpO2 민감도는 40%, 특이도는 98%, 발의 TcpO2 민감도

는 52%, 특이도는 92%로 나타났다.

손이나 발의 두 곳 중 한 곳이라도 이상이 있을 시의 민감도는 66%, 특이도는

- 33 -

92%이었다.

민감도는 실제 당뇨병성 신경병증 환자를 TcpO2를 이용해 당뇨환자로 검출할

수 있는 확률이고 식(7)과 같이 표시되고, 특이도는 정상인을 TcpO2를 이용해 정

상인으로 검출할 수 있는 확률로 식(8)과 같이 표시된다.

민감도

× (7)(7)(7)(7)

특이도

× (8)(8)(8)(8)

:True Positive, NCV를 통해 신경병증이라 진단 받은 당뇨병 환자

:True Negative, 정상인

:False Positive, 정상인이지만, TcpO2를 통해 당뇨병성 신경병증 환자라 판

단 된 정상인

:False Negative, 당뇨병성 신경병증 환자이지만, TcpO2를 통해 정상인이라

판단된 환자

임상에서 당뇨병 환자의 말초혈관 폐색을 진단하는 방법은 가장 간편하고 많이

시행되는 수축기 발목압력을 수축기 상완압력으로 나눈 비율인 압력지표(ankle

brachial index, ABI)와, 발가락의 파형관찰, 수축기 발가락압력을 수축기 상완압

력으로 나눈 비율인 압력지표(toe brachial index, TBI), laser doppler 방법을

많이 시행한다.

ABI가 정상인의 경우 0.9이상이고, 0.5∼0.9인 경우는 보행 시 통증이 발생하는

파행(claudication) 상태이고, 0.5 이하인 경우는 쉬고 있는 상태에서도 허혈성

통증이 발생하고 0.2이하는 말단에 괴저가 발생한다[40,41]. 이러한 ABI방법의

민감도는 73%, 특이도는 95%이며[42], 발가락 파형 관찰의 민감도는 81%, 특

이도는 56%. TBI방법의 민감도는 100%, 특이도는 61%, laser doppler방법의

- 34 -

민감도는 94%, 특이도는 66%이다[43]. 위 방법들처럼 현재 사용되는 진단 방법

은 여러 가지가 있으며, 방법에 따른 민감도와 특이도도 크게 다르다. 그러나 가

장 쉽게 판단할 수 있는 ABI 방법의 민감도와 특이도는 TcpO2를 이용한 측정방

법과 민감도와 특이도가 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 ABI 방법은 빠른 시간

에 측정을 할 수 있다는 장점이 있지만 TcpO2는 측정 시간이 오래 걸린다는 단

점이 있다. 또한 실제 임상에서 사용하고 있는 신경전도검사 방법에 비해 환자들

에게 고통을 주지 않는 다는 장점이 있지만 실제 신경전도검사 방법의 민감도보

다 떨어진다. 이러한 TcpO2 방법이 현재는 많은 단점을 가지고 있지만, 연구 대

상을 현재의 정상인 50명과 당뇨병성 신경병증 50명이 아닌 더 증가하여 지속적

인 실험과 TcpO2와 당뇨병성 신경병증과의 관계를 좀더 규명하는 연구를 진행한

다면 TcpO2를 이용한 방법이 당뇨병성 신경병증 환자를 검출하여 임상에 적용될

가능성을 제시할 수 있을 것이라 사료된다.

- 35 -

제 제 제 제 6 6 6 6 장 장 장 장 결 결 결 결 론론론론

본 논문은 TcpO2, TcpCO2, SpO2를 이용하여 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자

를 측정하고, TcpO2를 이용한 당뇨병성 신경병증 환자의 조기진단 방법의 근간을

마련한 연구였다.

본 연구를 통해서 얻어진 결과는 다음과 같다.

1. 정상인 50명과 당뇨병성 신경병증 환자 50명을 대상으로 TcpO2와 TcpCO2를

측정한 결과 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 각각 손과 발에서 통계적으로

차이가 없었다(p>0.05).

2. TcpCO2는 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 간에 손과 발에서 모두 통계적으

로 차이가 없었지만(p>0.05), TcpO2는 손과 발에서 모두 통계적으로 유의한

차이가 있었다(p<0.01). 이 결과를 통해, 당뇨병성 신경병증 환자의 말초 혈류

장애에 따른 영향을 보기 위해서는 TcpCO2보다 TcpO2의 결과가 타당함을 확

인하였다.

3. 왼쪽과 오른쪽 검지에서의 SpO2 값은 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 간에

통계적으로 차이가 없었지만(p>0.05), 왼쪽과 오른쪽 엄지발가락에서는 SpO2

의 값이 정상인과 당뇨병성 신경병증 환자 간에 통계적으로 유의한 차이가 있

었다(p<0.01).

4. SpO2와 TcpO2와의 상관관계의 관찰 결과, 손가락의 SpO2와 손의 TcpO2는

상관관계가 0.400(p<0.01), 발가락의 SpO2와 발의 TcpO2는 0.471(p<0.01)

로 통계적으로 유의한 상관관계를 발견하였다.

5. 손과 발의 TcpO2를 이용하여 당뇨병성 신경병증 환자를 진단할 수 있는 방법

의 민감도는 66%, 특이도는 92%이였다.

현재 당뇨병성 신경병증을 검사하기 위해서 임상에서는 신경전도검사를 사용한

다. 신경전도검사는 신경에 직접적으로 최대 100㎃의 전기 자극을 피부에 가하므

- 36 -

로 피검자가 놀라거나 고통을 호소하는 경우가 많이 있고 소요되는 시간이 보통

20∼30분의 시간이 소요된다. 또한 신경전도검사가 신경병증을 100% 정확하게

진단하는 방법이 아니기 때문에 CPT(Current Perception Threshold)검사를 같

이 병행하여 신경병증을 진단하고 있다.

CPT검사는 3가지 중요한 신경섬유(A-beta, A-delta, C)의 기능을 독립적으

로 평가하고, 신경섬유의 기능을 정량화하는 검사 방법으로, 측정하고자 하는 피

부에 전극을 부착 후 전기 자극을 환자가 인지하는 정도를 나타낸다. 이 방법은

한 부위당 5분에서 8분정도의 시간이 소요되며, 이 방법의 민감도는 50%, 특이

도는 100%이다[44].

TcpO2를 사용하면 비침습적이며 피검자에게 전혀 고통을 주지 않으므로 피검

자들에게 편의를 제공할 수 있지만, 측정시간은 신경전도검사와 같이 20∼30분정

도 소요되고, 민감도가 임상에서 적용하여 사용하기에는 많이 미흡하다. 이러한

문제점을 보완하기 위해서는 측정시간의 단축과 민감도의 향상이 요구된다. 이를

위해 측정인원을 증가하고, 신경전도검사와 TcpO2방법의 상관관계 분석등 추가적

인 연구가 요구된다. 연구를 통한 결과를 통해 당뇨병성 신경병증을 TcpO2방법을

이용하여 진단할 수 있는 가능성을 제시하였고, 추가적인 연구가 진행된다면

TcpO2방법을 임상에 적용할 수 있을 것이라 사료된다.

- 37 -

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- 42 -

ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT

An An An An Early Early Early Early diagnostic diagnostic diagnostic diagnostic method method method method for for for for diabetic diabetic diabetic diabetic

neuropathy neuropathy neuropathy neuropathy using using using using TcpOTcpOTcpOTcpO2222

Kim, Jin Tae

Graduate Program in

Biomedical Engineering

The Graduate School

Yonsei University

Diabetic neuropathy is one of the most common diabetes related

complications including diabetic nephropathy and retinopahty. In clinical

practices, nerve conduction velocity (NCV) has been widely used as a

standard method for diagnosis of diabetic neuropathy. However, it applies

maximum current of 100㎃ to nerves causing stress and pain to patients.

In this study, as a non-invasive method, TcpO2 was utilized to investigate

the difference and relationship between TcpO2 and SpO2 of normal subject

and patients with diabetic neuropathy.

In addition, a new method of diagnosing diabetic neuropathy using TcpO2 is

suggested. 50 normal subjects and 50 diabetic patients with neuropathy

diagnosed by NCV participated in this study.

Parameters used in this study were TcpO2, TcpCO2, and SpO2. Statistical

- 43 -

significances were found from TcpO2 of hands and feet from normal and

patient groups(p<0.01). SpO2 measured from index finger of normal and

patient groups showed no statistical significance(p>0.05). On the other

hand, SpO2 measured from great toes of normal and patient groups showed

statistical significance (p<0.01). Correlation coefficient between SpO2 of

finger and TcpO2 of hand was 0.400 (p<0.01) and SpO2 of toe and TcpO2 of

foot was 0.471 (p<0.01). Both correlation values were statistically

significant. Sensitivities and specificities of the TcpO2 method were found to

be 66 % and 92 %, respectively.

This study suggests that TcpO2 method is a possibility for early diagnosis

of diabetic neuropathy.

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Key words : TcpO2, TcpCO2, SpO2, Diabetic Neuropathy, NCV