깊은호흡 시 미주신경 전기자극이 호흡근 활성과 호흡능력에 미치는 효과(사례 연구)

Effect of Vagus Nerve Electrical Stimulation on Respiratory Muscle Activity and Lung Capacity during Deep Breathing (Case Study)

Abstract

Purpose: The purpose of this study was to investigate the activity of respiratory muscle and lung capacity during deep breathing with electrical stimulation of the vagus nerve. Methods: This study was conducted on 30 healthy adults in their 20s. Subjects were randomly performed to deep breathing or deep breathing with vagus nerve electrical stimulation. All subjects' diaphragm and internal oblique muscle activity were measured during deep breathing by electromyography, and lung capacity was measured by spirometry immediately after beep breathing. In the vagus nerve stimulation method, the surface electrode was cut into the left ear and then electrically stimulated using a needle electric stimulator. Results: The activity of diaphragm was significantly increased in deep breathing with vagus nerve electrical stimulation than in deep breathing. However, lung capacity did not show any significant difference according to the condition. Conclusion: Vagus nerve electrical stimulation could induce diaphragm activity more than deep breathing alone. Deep breathing with vagus nerve electrical stimulation may enhance the activity of the respiratory muscles and is expected to be an effective treatment for the elderly or COPD patients with poor breathing ability.

Ⅰ. 서 론

1. 연구의 배경 및 필요성

깊은호흡은 숨을 깊고 길게 들여 마시고 내쉬는 것으로, 가로막 및 호흡근이 강하게 수축하도록 만든다. 들숨 시 가로막 및 늑간근 등이 수축해서 호흡용적을 최대로 넓혔다가, 날숨 시 수축했던 근육들이 다시 원상복구 되면서 복부근과 함께 잔류공기를 쥐어짜듯 밖으로 밀어낸다. 이러한 작용은 호흡용적을 넓힘으로써 전신적 산소공급율을 증가시킨다(Bindu & Dharwadkar, 2013). 

또한 깊은 호흡은, 호흡근의 신장 수용체(stretch receptors)를 자극함으로써 미주신경 활성을 촉진하고(Shamita 등, 2018), 이는 혈압 및 통증을 감소시키는 효과(Busch 등, 2012; Kennedy 등, 2011) 및 심폐기능 증진의 효과가 있어 심장수술 후 환자 및 만성폐쇄성폐질환(chronic obstructive pulmonary disease; COPD) 환자의 재활 방법으로 적용되고 있다(Palau 등, 2014; Song & Lehrer, 2003).   

선행연구에서는 COPD 환자에게 깊은 호흡운동을 적용한 결과 호흡의 패턴이 일정하게 느려지고 호흡주기가 길어지는 결과를 확인하였다. 이는 깊은 호흡이 부교감신경의 항진을 촉진함으로써 호흡주기가 느려진 것이며(Raupach 등, 2008), 심장의 맥압수용기(baroreceptor)를 강화하여 숨가뿜을 감소시키는 결과도 얻을 수 있다고 하였다(Norweg & Collins, 2013).

Harinath 등(2004)은 고혈압 환자에게 깊은 호흡 적용 결과, 심박변이도에 영향을 미쳐 고혈압을 감소시키는 결과를 얻었다고 하였으며, 깊은 호흡 패턴이 시상피질수준에서 호흡계를 조절하는 신경학적 기전을 수정한 결과일 수 있다고 하였다(Telles 등, 1993). 

그 밖에도 깊은 호흡은 명상의 효과를 함께 가지므로 사회 심리적 스트레스 경감과 함께, 스트레스로 인한 심호흡계 질환을 경감시킬 수 있다고 하였다(Brown & Gerbarg, 2005; Taneja 등, 2004).

한편, 미주신경은 부교감신경의 대표적인 신경으로써 호흡중추인 숨뇌에서 기시하며, 중추와 말초 기관을 연결하는 중개자 역할을 하는 뇌신경이다. 

심장에서의 맥압수용기와 호흡근의 신장수용기 등의 호흡 패턴을 미주신경이 감지하면, 그것을 중추에 전달하고 정상적인 호흡패턴이 되도록 중추에서 조절하게 만든다. 이러한 호흡조절 기전에서 미주신경은 가교 역할을 하며, 특히 미주신경의 직접적인 자극은 부교감신경계를 항진함으로써 호흡 주기 및 혈압과 맥박을 감소시키는 결과를 보였다(Kwon & Moon, 2016). 이러한 결과를 볼 때, 미주신경의 활성은 부교감신경계의 활성을 촉진하여 호흡근 활성 및 호흡 패턴에 영향을 미칠 것으로 생각된다. 

그러나 선행연구에서는 깊은 호흡의 효과적인 방법을 찾기 위해서, 시간이나 흡기저항을 변조할 뿐이며, 부교감신경계를 직접 자극하는 방법에 대한 연구는 없다. 깊은 호흡의 근본적 치료기전이 부교감신경계의 항진을 유도하여 자율신경계의 발란스를 맞추는 것이라면,  깊은 호흡과 함께 부교감신경을 직접 자극함으로써 호흡능력 향상에 더 많은 영향을 미칠 수 있을 것이라 생각되지만 그에 관한 근거는 부족한 실정이다.
따라서 본 연구의 목적은 효과적인 깊은 호흡 방법을 찾기 위해, 깊은 호흡 시 미주신경의 전기자극을 병행하는 것이 호흡근 활성과 호흡능력 향상을 유도할 수 있는지 확인하고자한다.

 

Ⅱ. 연구방법

1. 연구 대상

본 연구는 단일집단 전후비교설계 연구이며, 건강한 20대 성인 남녀 30명을 대상으로 하였다. 본 연구의 목적을 듣고 자발적 참여의사를 밝힌 사람에 한해 연구동의서를 작성하도록 하였다. 대상자의 선정기준은 최근 6개월 이내에 호흡능력의 감소와 통증 및 어떠한 병변에도 노출되지 않은 자를 대상으로 하였으며, 실험 4시간 전 자율신경 변화를 조절하기 위해 카페인 섭취를 금하도록 하였다.

 

2. 측정방법

1) 호흡근활성 측정

가로막 및 배속빗근의 활성 정도를 알기 위해 표면근전도(Biopac student Lab MP 36, biopac system inc, USA)를 이용하였다. 활성전극은 두 개의 스테인리스 스틸패드(stainless steel pad)로 구성되었고, 전극의 직경은 11.4 mm, 전극 간격은 20 mm로 하였다. 2개의 채널로부터 들어오는 표면 근전도 아날로그 신호는 Biopac student Lab MP 36 으로 보내져 디지털 신호로 전환한 후, 개인용 컴퓨터에서 소프트웨어(Biopac student Lab MP 36, biopac system inc, USA)를 이용하여 저장 및 분석하였다.

가로막 근활성 측정을 위해 겨드랑을 기점 앞쪽 겨드랑선과 아래서부터 위로 3번째의 늑간이 만나는 지점에 표면 근전도 전극 2개를 붙였다(Wu 등, 2017). 근전도 케이블의 음극과 양극 전극을 연결하고 팔꿈치에 레퍼런스 전극을 붙였다. 배속빗근의 활성을 측정하기 위해 ASIS를 기점으로 내하방 2 cm 영역에 표면 전극 2개를 붙이고 근전도 케이블을 연결하였다(Suehiro 등, 2018). 노이즈를 막기 위해 근전도 케이블을 피부 표면에 테이프로 고정하여 움직이지 않도록 하였다(Table 1). 

5초에 걸쳐 흡기하고, 5초에 걸쳐 호기하는 것을 1회 호흡으로 하였을 때, 3회 호흡 후 흡기시작으로부터 처음 1초와 마지막 1초를 뺀, 중간 3초간의 RMS(Root mean square)값을 기준으로 호흡근의 근활성량을 산출하였다. 

 

 Table 1. Surface EMG placement

 

2) 호흡능력 측정

호흡능력 측정을 위해 대상자는 의자에 앉게 한 후 집게로 코를 막고 숨을 크게 들이마신 후 최대로 내쉬게 하여 다시 들여 마시도록 하였다. 이때 spirometry(pony Fx, COSMED, Italy)를 이용하여 노력성 호흡량과 1초간 노력성 날숨량, 노력성 호흡량에 대한 1초간 노력성 날숨량의 비율을 측정하였다.

 

3. 중재방법

본 실험에 앞서 대상자들에게 연구절차에 대해 설명을 하였고, 오른쪽 복부의 가로막과 배속빗근에 표면 근전도 전극을 각각 붙였으며, 왼쪽 귀의 조가비 영역에도 미주신경 전기자극을 위한 전극을 연결하기 위해 표면전극을 귀의 모양에 맞게 오려 붙였다. 

본 실험에 들어가서 대상자의 오른쪽 복부의 가로막과 배속빗근에 근전도 케이블을 연결한 후 깊은 호흡을 하도록 하였다. 이때 근전도로 가로막과 배속빗근의 활성을 측정한 후, 폐활량계를 이용하여 호흡능력을 측정하였다. 그런 후 대상자의 미주신경 전기자극을 위해 침전기자극기의 전극케이블 집게를 귀의 미주신경 표재영역에 연결하여 전류를 통전한 상태로 깊은 호흡을 하도록 하였다. 이때 전과 같은 방법으로 호흡근활성과 호흡능력을 측정하였다.

30명의 대상자가 가중의 오류를 줄이기 위해 무작위로 깊은 호흡을 먼저 한 후 미주신경 전기자극 병행한 깊은 호흡을 하거나, 반대로 미주신경 전기자극 병행한 깊은 호흡을 먼저 한 후 깊은 호흡을 실시하도록 하였다. 

 

1) 깊은 호흡 방법

깊은 호흡은 목이나 어깨 등 호흡 보조근에 의한 몸통의 움직임이 일어나지 않도록 거울을 마주 보면서 스스로 피드백 받도록 하였고, 들숨 시 코로 숨을 깊게 천천히 5초에 걸쳐 들이마시고, 내쉴 때는 반대로 입으로 천천히 5초에 걸쳐 숨을 내쉬게 하였다.

 

2) 미주신경 전기 자극방법

미주신경의 전기자극을 위해 왼쪽 귀 조가비 영역에 표면 근전도 전극을 귀의 모양에 맞게 오려 붙였다. 그런 후 전기 침자극기(STN-330, Stratek, Korea)의 전류케이블 집게를 전극에 연결하여 주파수 20 Hz, 파장 200 µs에서 1~5 mA의 자극으로(Straube 등, 2015) 전류를 통전하였다(Fig 1).

 

Fig 1. Measurement procedureTable 3. Respiratory muscles activity

 

4. 분석방법

본 연구의 실험결과를 분석하기 위해 SPSS 18.0 version을 이용하였다. 대상자들의 일반적 특성의 평균 비교를 위해 기술통계를 이용하여 결과를 산출하였으며, 한 집단의 두 조건에 따른 호흡근활성과 호흡능력을 비교하기 위해 paired-t 검정을 이용하여 분석하였다. 

 

Ⅲ. 연구결과

1. 연구대상자의 일반적 특성 

대상자의 일반적 특성은 아래와 같다(Table 2).

 

Table 2. General characteristics of subjects

 

2. 가로막과 배속빗근의 근활성도

가로막은 깊은 호흡만 한 것에 비해 미주신경 전기자극을 병행한 깊은 호흡에서 유의하게 근 활성이 증가하는 결과를 보였고, 배속빗근 에서는 조건에 따른 유의한 차이가 없었다(Table 3).

 

Table 3. Respiratory muscles activity

 

3. 호흡능력 비교

노력성 호흡량과 1초간 노력성 날숨량이 미주신경 전기자극을 병행한 깊은호흡에서 증가하는 경향을 보였으나 유의한 차이는 나타나지 않았다. 또한 노력성 호흡량에 대한 1초간 노력성 날숨량의 비율 역시 미주신경 전기자극을 병행한 깊은호흡에서 조금 증가하였으나 유의한 차이는 없었다(Table 4). 

 

Table 4. Comparison of lung capacity

 

Ⅳ. 고 찰

본 연구는 효과적인 깊은 호흡 방법을 찾기 위해, 깊은 호흡 시 미주신경 전기자극을 병행함으로써 호흡근활성과 호흡능력 증진에 미치는 결과를 확인하고자 본 연구를 실시하였다. 

그 결과 미주신경 전기자극을 병행한 깊은 호흡에서 가로막의 활성이 유의하게 증가되는 결과를 보였으며, 호흡능력은 증가하는 경향을 보였지만 유의한 차이를 나타내지는 못하였다. 

가로막과 배속빗근은 호흡의 중추적인 기능을 하는 호흡근이다. 특히 가로막은 들숨 시 작용근 으로써의 역할을 하며 날숨 시에 탄성에 의해 원래대로 이완되며(Nason 등, 2012), 배속빗근과 배가로근은 날숨 시 최대 활성 되어 복 내압을 상승시킴으로써 잔류 공기를 밖으로 내보내는 일을 한다(Kibler 등, 2006).

깊은 호흡은 폐의 신장 수용기(stretch receptors)를 자극하여 미주신경을 항진시키게 된다. 이는 숨뇌 영역의 배가쪽고립핵로(NTS)를 자극함으로서 들숨 날숨 페이스 전환이 이루어지도록 만든다. 본 연구에서 미주신경의 전기자극을 병행한 깊은 호흡 시에 가로막의 활성이 증가한 것은, 미주신경의 전기자극이 숨뇌의 호흡중추를 자극함으로써 들숨의 민감성을 강화하여 들숨 시 가로막의 들숨 패턴을 깊고 크게 일어나도록 한 것으로 생각된다(St-John & Paton, 2003). 다른 호흡근들에 비해 가로막과 배가로근이 선행적 수축에 의한 호흡패턴에 영향을 많이 미친다는 연구결과를 볼 때(Hodges와 Gandevia, 2000), 본 연구에서 단시간에 가로막만 활성증가가 일어날 수 있었던 것도 가로막의 민감성이 크기 때문일 것으로 생각된다. 

그리고 본 연구에서 근활성 측정 시점이 들숨 시였기 때문에, 들숨 주동근인 가로막의 활성은 유의한 증가가 있었지만, 날숨 주동근인 배속빗근은 깊은 호흡 및 미주신경 자극에 따른 유의한 차이가 없었던 것으로 추측된다.

또한 미주신경은 심장의 맥압 수용기(Baro receptors)의 민감성을 증진하여 동맥압력을 지속적으로 관찰한 후,  혈압이 상승하면 음성피드백 신호를 보내 교감신경을 억제하고 호흡을 느리게 하는 호흡조절에 관여한다. 

본 연구에서 맥압수용기의 기능을 평가하지는 않았지만, 미주신경을 전기 자극함으로써 이러한 기전이 복합적으로 작용하여 호흡근이 느리고 깊게 수축할 수 있도록 함으로써 가로막 활성에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 

호흡능력 측정에서 노력성 총폐활량과 1초간 노력성 날숨량이 미주신경 전기자극을 병행한 깊은 호흡에서 미량의 증가수치를 보였으나 유의하지는 않았다.
선행 연구에서는 미주신경의 전기 자극 시 호흡능력에 미치는 효과를 fMRI를 통해 확인한 결과 미주신경 전기자극 집단에서 대조집단에 비해 날숨 시 호흡능력이 증가되었으며, 숨뇌의 배가쪽 고립핵로 영역이 더 활성 되는 것을 보여주었다(Sclocco 등, 2019).

배가쪽 고립핵로는 폐 신장 수용기와 맥압 수용기로부터 미주신경의 큰 줄기를 통해 들숨 시 정보를 전달 받는다. 배가쪽 고립핵로는 연수의 VRG(ventral respiratory group)로 부터 들숨 시 억제성, 날숨 시 촉진성 자극을 받아 날숨 시 민감성이 증대됨으로써 호흡정보를 상위 수준에 전달한다고 하였다. 미주신경의 활성은 배가쪽 고립핵로를 자극하고 이것은 심장미주신경의 선행적 조절능력을 증진시킴으로써 교감신경의 활성을 억제한다(Schreihofer & Guyenet, 2003). 따라서 상대적으로 부교감신경의 활성에 의한 호흡 패턴으로 변화하여 깊고 느리게 호흡을 하게 된 것이라 본다. 
Clancy 등(2014)의 연구에서도 미주신경의 전기자극이 심장호흡 자가 조절력을 바꿔 부교감신경의 항진을 유도함으로써 호흡패턴에 변화를 줄 수 있을 것이라 하였으며, 심리적 스트레스나 불안 같은 교감신경이 항진되어있는 상태가 얕은 호흡 패턴으로 변화시키기 때문에, 자율신경계의 조절만으로도 호흡을 느리고 깊게 함으로써 호흡량을 조절할 수 있다고 하였다(Dick 등, 2018). 

하지만 선행연구에서는 미주신경의 전기자극 시간이 최소 15분 이상인데 반해 본 연구에서는 극히 일시적인 미주신경 전기 자극이었기 때문에 호흡에 관한 모든 면에서 유의한 수준의 증가를 보이지 않았을 것으로 생각된다.

본 연구에서 미주신경 전기자극에 따른 호흡능력에 유의한 향상을 주지는 못하였지만, 미주신경이 부교감신경의 중추적 역할을 하는 만큼, 좀 더 긴 시간동안 미주신경을 전기자극을 한 후 본 실험을 진행하였다면, 선행연구 결과와 같이 호흡능력을 증진시킬 수 있었을지도 모른다. 

본 연구에서는 깊은 호흡 시 미주신경 전기자극을 병행하면 가로막 활성을 증진시키는데 효과적임을 알 수 있었다. 그러나 단시간의 미주신경 전기 자극에 따른 전후 비교였기 때문에 지속적인 미주신경 전기자극 시 호흡근의 활성과 호흡량에 미치는 변화를 추후 확인해 볼 필요성이 있다고 생각한다.

그리고 향후 심폐기능 저하 및 교감신경이 항진되어있는 환자들에게 깊은 호흡 운동 시 미주신경 전기자극을 병행한 추가적인 연구를 통해 부교감신경의 항진을 유도하며, 호흡능력의 향상 및 심장의 부정맥에 영향을 미칠 수 있을지도 확인해 볼 필요성이 있겠다.

 

Ⅴ. 결 론

본 연구에서 깊은 호흡만 할 때 보다 미주신경 전기자극을 병행한 깊은 호흡을 할 때, 가로막의 활성이 유의하게 증가되었고, 배속빗근의 활성과 호흡능력 면에서는 유의한 증가가 없었다.

따라서 깊은 호흡 시 미주신경의 전기자극은 가로막의 활성 능력이 저하되어 있는 호흡기계 질환자들에게 부교감신경의 활성을 통한 호흡능력 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다.