서론
기계환기는 호흡부전 환자들에게 생명을 구하는 중재술이다. 그러나 기계환기 자체가 호흡부전에 대한 치료는 아니며 기계환기로 인하여 폐손상이나 횡격막손상과 같은 유해한 영향을 초래할 수 있다. 폐손상은 폐의 과팽창으로 신전손상을 일으키는 압력상해(barotrauma) 또는 용적상해(volutrauma)와 폐포의 허탈과 팽창이 반복되면서 전단력으로 야기되는 허탈상해(atelectrauma)가 주요한 두 가지 기전이다[1]. 기계환기의 부적절한 설정은 횡격막을 비롯한 호흡근의 손상을 야기하게 된다[2,3]. 부족한 환기 보조는 과도한 흡기 노력으로 호흡근의 염증반응을 유발하며 과도한 환기 보조는 호흡 욕구의 저하로 불사용위축을 초래한다[4-7]. 또한 과소한 호기말양압(positive end expiratory pressure [PEEP])은 횡격막의 편심성 수축으로 손상을 줄 수 있으며 반대로 과도한 PEEP은 횡격막 근섬유의 단축을 일으키기도 한다[8,9]. 자발호흡과 기계호흡의 부조화 또한 기계환기로 인한 폐와 횡격막 손상의 원인이 되고 환자의 예후에 영향을 미치게 된다[10-12]. 따라서 호흡부전 환자에서 기계환기 적용 시 그들의 예후를 호전시키기 위해서는 이러한 기계환기로 인한 폐손상과 횡격막손상을 최소로 하는 폐와 횡격막 보호 기계환기를 시행하는 것이 필요하다[13,14].
신경보정 환기보조(neurally adjusted ventilatory assist [NAVA])는 환아 자신의 신경호흡구동(neural respiratory drive)에 따라 환기 보조의 시기와 정도가 조절되는 기계환기의 방식이다[15,16]. 호흡중추로부터의 흡기 유발 신호는 횡격막신경를 통해 횡격막에 전기활성(electrical activity of the diaphragm [EAdi])을 유발하게 되는데 이 EAdi에 따라 기계호흡 흡기의 시작과 강도 및 호기의 시작을 결정하게 된다. NAVA의 이러한 작동원리는 호흡 보조가 과도하거나 과소해지는 것을 막고 환자와 기계환기기 사이의 상호작용을 개선하고 자발호흡과 기계호흡 사이의 부조화를 줄여줌으로써 폐와 횡격막 보호 기계환기를 이룰 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 본 종설에서는 NAVA의 기본 원리를 이해하고 그 적용 및 효과에 대하여 살펴보고자 한다.
NAVA의 기본 원리
자발호흡과 횡격막의 전기활성
자발호흡은 중추신경계 뇌간의 호흡중추에서 기원하며 폐와 호흡근의 기계수용기, 동맥혈의 산소, 이산화탄소 농도 및 pH에 대한 화학수용기, 진정, 자발적인 조절, 감정적인 자극 등 여러 기관으로부터의 피드백에 따라 주기적인 호흡의 속도와 깊이가 조절된다[17]. 호흡중추로부터의 호흡 신호는 횡격막신경을 통해 횡격막으로 전달되고 신경-근 전달 후 횡격막 근섬유들에 활동전위가 전파되고 횡격막이 수축하게 된다. 수축한 횡격막과 호흡근은 흉강 내 내압을 떨어뜨려 폐를 팽창시키고 결국 폐포 내 압력이 떨어짐으로써 기도를 통해 공기가 흡입되게 된다(Fig. 1). 이러한 과정을 신경환기 연결이라 하며 횡격막의 전기활성의 강도와 빈도에 따라 활성화되는 근섬유의 수와 근수축의 강도가 결정되게 된다.
NAVA는 EAdi에 따라 작동하는 호흡 보조이다. EAdi는 호흡중추에서 기시되는 신경 호흡 구동을 비침습적으로 호흡중추에서 가장 가까운 위치에서 측정할 방법으로 작은 센서들이 배열되어 장착된 특정 식이 튜브를 통하여 측정하게 된다. 튜브의 센서들의 위치를 위식도 경계 부위 즉 횡격막에 근접한 부위에 위치시키고 각부 횡격막(crural diaphragm)의 전기활성을 측정하게 된다. 자발호흡 시 호흡 신호가 강할수록 EAdi 값이 커지며 횡격막의 수축도 강하게 된다.
EAdi 파형의 특성
EAdi 파형은 횡격막의 근전도를 신호 여과와 신호조정 등의 과정을 통해 파형으로 나타낸 것이다[16,18]. 다양한 최대 EAdi (peak EAdi)와 최소 EAdi (min EAdi)가 반복적으로 나타나는 형태를 보인다(Fig. 2) [19]. EAdi 파형에서 상승 편향은 신경 흡기를 나타내고 EAdi파형의 하락 편향은 신경호기를 나타낸다. EAdi가 상승하는 시작점부터 peak EAdi에 도달하는 시간이 신경흡기시간이며 peak EAdi부터 다음 EAdi 상승 시점까지가 신경호기시간이 된다. 흡기 시 EAdi값이 증가하는 진폭(phasic EAdi)은 전체 횡격막의 전기활성 및 횡격막의 수축동력과 연관이 있다. EAdi 진폭은 호흡기계의 악화, 감소한 호흡 보조, 감소한 진정, 증가된 호흡 요구, 증가한 사강(dead space) 등에서 증가하게 되며 반대의 경우는 감소하게 된다. 흡기가 끝난 후에도 EAdi 신호가 지속될 경우(tonic EAdi) 이는 호기시에도 횡경막이 완전히 이완되지 못하고 지속적으로 전기활성이 상승하여 있는 것을 의미하며 호기시 폐의 허탈(derecruitment)을 막고 호기말 폐용적(end-expiratory lung volume)을 유지하기 위한 것으로 PEEP을 적용함으로써 tonic EAdi를 낮출 수 있다[20].
NAVA의 작동 원리
통상적인 기계환기기는 기계환기기의 회로에서 기도압, 기류, 또는 용적을 측정함으로써 환자의 흡기 시작 또는 끝을 인식하고 조절한다. 그러나 이러한 공기의 흐름을 통한 조절은 환자의 신경 호흡 노력과 기계환기기의 호흡 보조를 시간상으로 동기화하는데 한계가 있다. 또한 환자의 호흡 노력의 강도에 반응하여 호흡 보조의 강도가 조절되거나 Hering-Breuer 반사와 같은 폐 보호 반사의 이점을 얻는데도 제한이 있다. NAVA는 EAdi를 사용하여 호흡 보조의 시기와 강도를 조절함으로써 호흡 보조가 환자의 호흡 노력에 동기화될 뿐 아니라 강도도 호흡 노력에 비례하여 공급됨으로써 환자의 호흡근과 동일한 신경 조절하에 있는 추가적인 인공 호흡근과 같이 작용하게 된다.
NAVA에서 호흡 보조는 EAdi의 절댓값이 아닌 min EAdi에서 특정 한계치 이상의 상승(기본값은 0.5 μV로 설정)이 있을 때 흡기가 시작된다. 흡기 시 전달되는 호흡 보조는 흡기 시기 동안 나타나는 EAdi 값에 비례하여 압력이 전달되며 따라서 호흡 보조의 압력파형은 흡기 시 보이는 EAdi 파형의 형태를 따라가게 된다. EAdi 값과 그에 비례하는 흡기압력의 매칭은 매 16 ms마다 업데이트되면서 이루어지게 된다. EAdi 값과 그에 비례하여 공급되는 흡기압력과의 비례상수가 NAVA level이다. 즉 호흡 보조는 다음식과 같이 PEEP에 더해서 EAdi 값에 NAVA level (cm H2O/μV)의 배율로 곱하여진 압력으로 공급되게 된다.
Paw=(NAVA level×EAdi)+PEEP
호흡 보조의 흡기는 EAdi 값이 최고치의 70%까지 떨어졌을 때 끝나게 되고 호기로 넘어가게 된다. 만일 흡기시간이 과도하게 길어질 경우 영아에서는 1.5초, 성인에서는 2.5초에서 흡기가 끝나도록 설정되어 있다.
NAVA의 적용
NAVA 카테터(catheter) 위치시키는 방법
NAVA의 적절한 호흡 보조를 위해서는 전형적인 EAdi 신호를 얻어야 하며 이를 위해서는 NAVA 카테터를 올바르게 위치시키는 것이 필요하다. 카테터의 삽입은 먼저 비강 혹은 구강을 통해 예측되는 깊이로 삽입하고 이후 기계환기기 모니터의 EAdi catheter positioning 창에서 정확한 위치로 조정하게 된다. 예측되는 카테터의 삽입 깊이는 코-귓볼-검상돌기 길이를 측정하여 Table 1에서와 같은 공식으로 구하여 삽입한다. EAdi catheter positioning 창에서 네 개의 심전도 기록 중 중간 두 개의 기록에서 흡기 시 나타나는 EAdi 신호에 맞춰 파란색으로 강조되어 표시되는 깊이로 조절한다[21,22]. 카테터가 얕게 삽입되었을 경우에는 네 개의 심전도 중 아래쪽 심전도가 강조되게 되고 깊게 삽입되었을 경우에는 위쪽 심전도가 강조되어 나타나게 된다. 중간 두 개의 심전도에서 강조되어 나타나는 삽입 위치가 횡격막의 전기신호를 카테터에 배열된 전극 중 중심에 위치한 전극에서 가장 잘 인식하게 되는 위치이다.
NAVA level의 설정
초기 NAVA level의 설정은 목표로 하는 압력을 공급하기 위해서 다음과 같은 식을 이용하여 구할 수 있다. Target pressure (above PEEP) in cm H2O=(peak EAdi–min EAdi) in μV×NAVA level (cm H2O/μV). 구해진 NAVA level로 설정하고 기계호흡을 NAVA 양식으로 전환하였을 때 EAdi 파형이 바뀔 수 있고 목표했던 압력과 다를 수 있다.
또 다른 NAVA level 설정 방법은 통상적인 기계호흡 중 최고 흡기압과 NAVA의 최고압력을 일치시키는 방법이다. NAVA preview window 창은 현재 적용 중인 통상적인 기계호흡의 압력곡선과 NAVA 양식으로 변경했을 때 보일 압력곡선이 다른 색깔로 표시되어 나타난다. 적용 중인 기계호흡 양식의 최고 흡기압과 NAVA 최고 흡기압이 일치되도록 NAVA level을 조정하여 설정한 후 기계호흡 양식을 NAVA 양식으로 변경하게 된다.
NAVA level을 낮은 수준에서 단계적으로 증가시키면서 적정할 수도 있다[23]. NAVA level을 낮은 수준에서 점차 증가시키면 처음에는 NAVA level이 올라감에 따라 흡기압과 일회환기량이 증가하다가(일차 반응) 이후에는 NAVA level의 증가에도 기도압과 일회환기량의 변화가 없어지게 된다(이차 반응). 일차 반응의 NAVA level은 불충분한 호흡 보조를 나타내고 이차 반응의 NAVA level 수준은 환자의 신경 호흡 요구를 충족하는 수준을 의미한다. 일차 반응에서 이차 반응으로 넘어가는 수준의 NAVA level이 적정한 NAVA level이 된다. 그러나 일차 반응과 이차 반응 부분 간의 구분이 모호해서 인식하기가 어려운 경우가 있어 임상 적용에는 논란이 있다. 그 외 매일 자발호흡 시도(spontaneous breathing trial [SBT])를 해서 SBT 중 나타나는 EAdi 진폭의 60% 수준으로 EAdi 값이 나오도록 NAVA level을 설정하거나 호흡근이 흡기압력과 용적을 만들어 내는 능력을 나타내는 지표인, 호흡보조가 없는 상태(NAVA level 0)에서의 일회환기량과 EAdi 값의 비율, 즉 neuro-ventilatory efficiency index를 구하고 그 값의 적정수준(40%)으로 호흡보조가 이루어지도록 NAVA level을 설정하는 방법들이 제시되었다[24,25].
이탈
호흡 기능의 상승이나 호흡 요구의 감소는 EAdi 파형을 감소시키게 된다. NAVA 적용 중 공급되는 흡기압은 EAdi를 따라가기 때문에 환자의 호흡 상태가 호전되면 EAdi가 감소하게 되고 NAVA level이나 진정이 일정하다면 공급되는 흡기압 또한 감소하게 된다. 따라서 환자의 호흡 상태가 호전된다면 NAVA는 자동으로 자가 이탈되는 양식으로 생각할 수 있다. 환자의 호흡 상태가 호전되어 EAdi가 감소되면 NAVA level을 낮추어 조정해 준다. 가장 쉬운 방법은 환자가 편안한 상태에서의 EAdi 값(기준 EAdi)을 확인하고 만일 EAdi 값이 감소하면 EAdi 값이 기준 EAdi 값으로 돌아오도록 NAVA level을 낮추는 것이다.
적응증 및 금기증
NAVA는 자발호흡이 있고 부분적으로 호흡 보조를 필요로 하는 모든 연령의 환자들에게 적응증이 된다. 특히 장기간의 기계환기 적용의 위험이 있거나 SBT들에서 실패하여 발관을 못 하는 환자들에게 유용하게 사용될 수 있다. EAdi 모니터링은 침습적 또는 비침습적 기계환기의 모든 양식에서 적용될 수 있으며 환자-기계환기기 상호작용 또는 환자의 신경 호흡 양상, 자발호흡의 존재 등을 판정하는 데 이용될 수 있다.
NAVA의 금기증은 호흡중추나 횡격막 신경의 이상 등 신경계 질환, 과도한 진정제 또는 신경근 차단제의 사용, 횡격막 탈장이나 심한 척추측만증 등 어떠한 원인이든 EAdi를 적절히 얻기 어려운 경우, 식도폐색과 같이 비강과 구강 삽관이 금기되어 있는 경우 등이 있겠다.
NAVA의 효과
폐보호 환기 측면에서 NAVA의 효과
정상적으로 폐의 과도한 신장은 (1) 흡기시간을 제한하는 반사(Hering-Breuer reflex)와 (2) 증가한 폐용적에서는 횡격막의 단축으로 흡기압력을 생성하는 흡기 근육의 능력이 점진적으로 저하되는 두 가지 기전에 의해 방지되게 된다[26-28]. 그러나 이러한 흡기시간 및 흡기압력의 감소를 통해 폐를 보호하는 기전은 통상적인 기계환기 양식의 호흡 보조에서는 제한되게 된다. 용적 또는 압력 보조 환기의 경우 환자의 신경흡기시간이나 환자의 흡기 근육이 생성하는 압력과 관계없이 설정된 시간 동안 설정된 용적이나 압력을 공급하며 압력지지환기는 설정된 흡기 종료 조건의 시간 동안 설정된 일정한 압력을 공급하게 된다. 결국 폐의 과도한 신장을 예방하는 두 기전이 효율적으로 작동하지 못하게 된다. 반면에 NAVA에서는 호흡보조의 흡기시간이 환자의 흡기노력에 밀접하게 따르므로 Hering-Breuer 반사로 환자의 흡기시간이 짧아지면 기계호흡의 흡기시간도 짧아지게 되고 결과적으로 전달되는 일회환기량이 감소되게 된다. 또한 폐용적의 증가에 따라 환자가 생성하는 압력이 감소하면 NAVA 호흡보조의 흡기압력도 흡사하게 반영되어 감소하게 된다. 또한 NAVA 양식의 호흡보조에서는NAVA level을 증가시키더라도 환자의 호흡노력이 감소하여 결국 안정된 일회환기량을 유지하게 된다[29].
횡격막 보호 환기 측면에서 NAVA의 효과
용적지향 보조환기나 압력지향 보조환기는 환자의 호흡노력과 관계없이 정해진 일회환기량을 유지하거나 정해진 압력을 전달해 주게 된다. 만일 이들의 정해진 설정이 과도할 경우 환자의 호흡 노력은 저하되고 반대로 과소할 경우엔 환자의 호흡 노력이 과도해지게 된다. 과도하거나 과소한 호흡 노력은 환자의 횡격막 상해를 유발할 수 있다. 용적지향 환기나 압력지향 환기 양식을 적용 중인 환자에서 환자의 호흡 요구가 높아져 호흡 노력이 증가될 경우 용적지향 환기에서는 자발 호흡의 증가로 인해 늘어난 환기량만큼 기계환기는 오히려 적은 양의 호흡 보조를 해주게 되고 압력지향 환기의 경우는 호흡 노력의 변화와 관계없이 일정한 압력의 호흡 보조만 하게 된다. 따라서 이들 기계환기 양식에서 환자의 호흡 노력은 지속적으로 상승하게 된다. 반대로 환자의 호흡 요구가 낮아져 호흡 노력이 감소하였을 경우 용적지향 환기에서는 오히려 호흡 보조가 증가하게 되고 압력지향 환기에서는 호흡노력과 관계없이 일정한 흡기압력이 유지되어 환자의 호흡 노력은 계속 감소하게 된다. 결국 용적지향 또는 압력지향 환기에서는 환자의 호흡 노력과 기계호흡의 호흡 보조가 적절히 조화되지 않기 때문에 환자는 계속 호흡노력이 증가되거나 감소하게 되고 이는 횡격막상해의 원인이 될 수 있다(Fig. 3) [30]. NAVA에서는 적정 NAVA level을 설정해 주면 호흡노력의 증가 또는 감소는 그에 따라 호흡보조가 동조되어 증가 또는 감소하므로 안정된 호흡 노력을 유지하도록 해줌으로써 횡격막 보호 환기를 이루게 된다.
환자-기계환기기 상호작용 측면에서 NAVA의 효과
기계환기기의 호흡 보조를 받는 자발호흡이 있는 환자들에게서 자발호흡과 기계호흡의 완전한 동조화를 이루기는 어렵다. 모든 양식의 기계호흡에서 부동조화가 발생할 수 있고 이는 폐와 횡격막의 손상을 야기할 수 있으며 기계호흡의 기간을 증가시키고 사망률을 증가시킬 수 있다[10,11,31]. 조기 흡기 종료나 기계호흡의 흡기를 촉발하지 못한 호흡노력과 같은 특정 부동기화는 횡격막의 신장 시 수축을 일어나게 하고 횡격막 근섬유의 파열과 염증을 야기하게 된다. 지연된 흡기 종료나 특히 이중 흡기 촉발과 같은 부동기화의 경우는 높은 일회환기량을 공급하여 폐손상을 야기할 수 있다.
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