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International Journal of Arrhythmia 2010;11(3): 16-22.
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MAIN TOPIC REVIEWS
심박동기

차의과학대학교 의과대학 내과학교실 성 정 훈  



서론

  현대 심박동기의 비약적인 발전은 서맥성 부정맥을 가진 환자들의 삶의 질과 여명을 향상시켜 왔다. 1952년 최초로 일시적인 경피적 심박동기가 소개되었고, 일시적/영구적인 심박동기는 1958년 이후 급속히 확산되면서 일시적 경정맥 조율과 영구적 조율기 삽입술도 발전되었다. 심박조율의 적응증도 넓어지는 추세이다. 한때 심박 보충이 필요한 서맥을 가진 환자를 위한 예비 기구로 밀려나기도 했지만, 심박동기는 혈역학적 이상, 전도계 장애, 빈맥성 부정맥에 대한치료로 사용되고 있다. 심박동기의 기능도 복잡해져서 신체의 순환과 대사의 요구를 만족시키기 위한 생리적인 전기적 자극을 갖게 되었다.

심박조율에 필요한 전극과 박동 생성기 원리와 기능적 요소

   심박동기 시스템은 리드(lead)라 불리는 카테터(catheter)전극과 이에 의하여 심장과 연결되어 있는 박동 생성기(pulse generator)로 구성되어 있다. 티타늄이나 스테인리스 철로 만들어진 박동 생성기는 전원 장치와 하드웨어 및 자극된 심장의 탈분극을 시작하거나, 본래의 심장 리듬을파악하는 소프트웨어를 포함한다. 박동 생성기의 트렌스시버(transceiver) 장치는 심박동기의 프로그래밍과 비침습적인 외부의 분석을 가능하게 한다. 카테터의 전극은 박동 생성기와 심근 사이의 양 방향 전류의 교환을 이루어지게 한다.

1. 박동 생성기

   전통적인 하나의 방으로 이루어진 심박동기의 박동 생성기는 전원 공급장치, 출력회로, 감지회로, 무선통신회로, 시간회로와 미세작동회로 등의 여러 중요한 기능적 요소들로 이루어져 있다.
   전원 공급장치(power source)는 두 가지 기능을 수행하는 전기 충격(electric charge)의 저장소이다. 박동 생성기 내에 전기 회로를 사용하는 동력을 제공하고, 조직으로 전류를 보내어 심장의 탈분극을 자극하는 역할을 한다. 대략10~12년의 수명을 가진 리튬-요오드 배터리가 장착된다. 기계의 정교함과 이러한 특징들의 활성이 많을수록 전류의 방출을 증가시키고 생성기의 수명(longevity)을 짧게 한다. 대부분의 박동 생성기들은 배터리의 수명이 다할 경우 경고를 보낼 수 있도록 내재적으로 배터리의 전압과 저항(impedance)을 점검하도록 설계된다. 대부분의 출력회로는 전압에 따른 조율을 수행한다. 자극 전압과 자극 전류는 심장의 저항을 통하여 충전된 콘덴서가 방전되는 것처럼 자극이 주어지는 동안 감소한다. 자발적인 심장 탈분극을 탐지하는 감지회로는 감각 증폭기(sensing amplifier), 통과대역주파수필터(bandpass filter), 역치비교식별기(threshold comparator)를 포함한다. 이러한 기능적 장치들은 박동 생성기가 상관없는 전기적 신호를 자발적 심장 탈분극처럼 해석하는 것을 방지한다. 감각 증폭기는 전극 사이를 통과하며 나타나는 전압의 차이를 확대하고, 저전압의 전기적 소음에 의한 영향을 방지한다. 예상되는 높은 강도의 입력 신호(e.g., 심실 감각회로에 의한 것처럼 보이는 양방[dual chamber] 심박동기에 의하여 심방으로 전기적 신호가 전달됨)에 증폭기가 영향을 받는 것을 방지하기 위하여, 감각 증폭기는 blanking period로 불리는 짧은 기간 동안 불능에 빠지게 된다.2
   통과대역 주파수 필터는 심장의 탈분극을 의미하는 증폭된 입력신호의 요소를 분리하고 거른다. 이 필터는 잔잔한 전기적 소음, 흉벽의 골격근의 근육전위(myopotential) 등과 같은 비교적 느리거나 매우 빠른 양상의 신호 요소들을 걸러내고, 자발적 탈분극 시 빠른 편향을 보이는 요소들을 분리한다. 탈분극 시의 내재적 혹은 약 10 ms의 빠른 편향과 재분극 시의 느린 편향은 최근 손상된 심근에서 발견된다. 느린 편향의 강도는 전극과 조직의 인터페이스가 시간에 따라 성숙되면서 감소한다.
   역치 비교 식별기는 신호를 직접 탐지한다. 고정된 참고전압(i.e.,sensing threshold)과 걸러진 출력에서 순간적인 전압을 측정함으로 식별기는 논리적 신호(i.e.,voltage pulse)를 만들어낸다. 이러한 논리적 신호는 흔히 심박조율기의 탈출 시기(escape timing)를 다시 조정하는 데 사용된다. 감지된 사건들 중에서 최소의 간격은 감지된 사건들에 의하여 만들어진 논리적 신호가 시간 회로에 의하여 무시되는 동안 성립된다. 이것은 refractory period로 불린다. 특정한 기본 간격(certain basic interval)은 박동 생성기의 전기적 시간 회로에 의하여 측정된다. 단방성(single chamber)의 심방과 심실의 조율에서 성공적인 심방과 심실 자극 사이의 자발적 심방 탈분극과 심실 탈분극 간격이 측정된다. 양방성 조율에서는 심방-심실과 심실-심방 사이의 자극 간격들이 또한 측정된다. 이러한 신호들은 예상되는 탈분극에 대한 출력회로를 작동시키거나 blanking and refractory period를 조절하는 데 사용된다. 트렌스시버 회로는 심박동기를 프로그램하는 기계와 장착 후에 조율기의 비침습적 재프로그램하는 박동성 무선주파수 혹은 자기 신호를 동반한 박동 생성기 사이의 양방향 신호전달을 가능하게 한다. 박동 생성기의 질의(interrogation)로 전기 생리학자들은 실시간 심장 내 전기흐름을 알 수 있고, 전극과심방, 심실로부터의 논리적 박동을 반영하는 채널을 확인하며, 자발적 심장 활성 박동그래프(rate histogram), 전달된 자극 박동 에너지를 얻을 수 있다. Microprocessor의 기능은 데이터의 모음, 저장, 분석, 표시를 수행하며, 심박동기에 의하여 탐지된 심장 기능과 심박동기의 평가도 가능하게한다.2

2. Lead electrode

   심박동기의 lead는 심근과 박동 생성기를 연결해준다. Lead는 전극(i.e.,cathodal tip 전극은 단극성 lead, anodal ring 전극은 양극성 lead), 전도 코일, lead의 끝을 연결해주는 장치, 박동기와의 연결을 위한 terminal pin으로 이루어져 있다. 전체 lead는 박동기에서 심근으로의 효율적인 에너지 전달을 위하여 절연 물질로 싸여있다. Lead의 전기적 배치는 단극성 혹은 양극성이다. 두 가지 배치상에서 음극이 전극의 tip이다. 단극성 배치에서는 양극은 박동 생성기의 금속 덮개이다. 양극성 배치에서 양극은 음극과 가까운 중립의 원형 전극이다. 이러한 lead의 배열에서 중요한 차이 중의 하나는 감지에 있다. 연속적인 탈분극을 일으키기 위한 최소한의 에너지를 자극 역치(stimulation threshold)라 부른다. 이 역치는 평균적인 자극의 강도와 자극 기간에 따라 정해진다. 자극의 기간이 감소하면 요구되는 전압이나 전류의 역치가 커진다. 초기 strengthduration곡선의 가파른 부분에서 박동 기간의 미세한 차이는 요구되는 자극의 역치에 주요한 영향을 미칠 수 있다.
   자극 역치는 내재적, 외재적 요인에 의하여 영향을 받는다. 심내막의 자극 역치는 다양한 생리적 상태에서 변화한다. 수면과 식사는 일반적으로 역치를 상승시키고, 운동과 체위 변화는 역치를 감소시킨다. 이러한 사건들은 교감신경의 tone을 변화시켜 이러한 작용을 하게 된다. 고혈당, 산증, 고칼륨혈증은 요구되는 자극 역치를 상승시킬 수 있다. 갑상선기능저하증과 같은 내분비적 이상은 역치를 상승시키고, 외재적 부신피질호르몬(adrenocortical hormone)과 내재적 카테콜라민은 역치를 낮춘다. 항부정맥제의 사용은 조율의 역치에 영향을 줄 수 있다. Type 1과 cordarone과 같이 심장 내 나트륨 통로를 차단하는 일부 type 3 약물은 심장 조직의 흥분을 억제하여 역치를 상승시킬 수 있다.2
   염증의 병태생리학적 기전은 lead의 장착 후 심내막의자극 역치에서 나타나는 특징적인 변화를 설명한다. 장착즉시 이에 따른 손상이 나트륨과 칼륨의 전달에 대한 세포막의 투과성을 변화시켜 자극 역치를 감소시킨다. 아급성기에서 염증, 피브린의 침착, 그리고 캡슐의 형성이 역치를 증가시키는 데 일조한다. 4주 째에는 염증 반응이 감소하기 시작하여 자극 역치의 감소를 보인다. 스테로이드를 분비하는 전극은 염증 정도를 감소시켜 일반적 lead에서 관찰되는 역치의 성숙에서보이는종모양의상승과감소를약화시킨다.2
   심박동기의 수명을 최적화하기 위하여 낮은 전극 자극을 일반적으로 사용한다. 전극 모양은 이러한 목적을 이룰 수 있게 한다. 전극 효율은 금속의 조성, 육안적 구조와 미세구조에도 의존한다. 전극에는 platinum, platinumiridium, activated carbon, titanium, elgiloy (cobalt, iron, chromium, molybdenum, nickel, magnese의 합금)을 사용하며, 전극의 작은 표면적은 자극에 필요한 에너지의 양을 감소시켜준다. 그러나 작은 표면적은 더 높은 source의 저항으로 인하여 감지에 문제가 생길 가능성을 소지한다. 더 새로운 lead의 tip은 자극 에너지에 영향을 주지 않고 감지를 위한 표면적을 최대화하기 위하여 다공성(porous)의 성질을 더 가지게 된다. 다공성 lead 전극 tip에서 방출되는 dexamethasone은 초기의 수술 후 역치와 만성적인 최대 자극 역치를 유의하게 감소시킨다. 이것은 박동생성기로 부터의 에너지 요구량을 효과적으로 낮추어준다.3
   능동적 혹은 수동적 고정 기구들의 결합은 lead가 빠지는 것을 줄여준다. 능동적 고정기구는 스프링, 효율적으로 방사되는 핀이나 바늘, 심내막에 고정되는 갈고리나 스크루를 사용한다. 전극내 심내막 스크루는 확장된 심실, 심방내 위치의 어려움, 심방 부속물의 수술을 시행받은 환자에서 효과를 인정받아 많은 관심을 얻고 있다. 수동적 고정 기구는 anchoring을 향상시키기 위하여 조직의 ingrowth를 허용하도록 설계되었다. 얇은 lead는 수동적 고정 기구에서 가장 흔하게 사용된다.

3. 심박동기의 코드

수많은 coding system이 항부정맥 기구들의 수행 기능을 확인하기 위하여 발달되어 왔다. 가장 최근의 개정된 코드는 더 새로운 기능들을 네 가지의 position에 포함하였고, 항빈맥 기구의 다섯번 째 position을 필요로 한다. 네가지의 position보다 적은 경우는 불완전한 것이다. 글자 O(어떤 특정기능의 부재를 표현)의 사용은 적절한 position에서 각각의 글자를 확인하는 데 도움을 준다.

   -Position I은 조율되는 chamber를 의미한다(A, atrium; V, ventricle; D, dual).
   -Positon II는 감지가 일어나는 chamber를 의미한다(A, atrium; V, ventricle; D, dual).
   -Position III는 감지된 신호에 대한 반응을 표현한다(I, inhibited; T, triggered; D, dual).
   -Position IV는 프로그램을 만들 수 있는 능력의 정도와 심박수의 조정 기전의 유무를 표현한다(M, multiprogrammable; C, communicating; R, rate response; O, no pacemaker settings can be altered).
   -Position V는 빈맥성 부정맥을 종결시키기 위한 충격을 주거나 조율을 시행하는 anti-tachycadial 기능의 존재를 가리킨다.

   Dual chamber 심장박동기가 복잡성이 증가하면서 북미조율-전기생리학 협회 코드를 개발되게 되었다.6 이 코드는 dual chamber 심장박동기의 복잡성을 좀 더 특이적으로 규정하였고, 빠른 부정맥과 느린 부정맥을 관리하는 데 있어서 심장박동기 기능을 잘 표현 할 수 있도록 하였다.

   4. 심박동기 작동 원리5

 1) 심박동기 작동에 관여하는 측정값

(1) 조율 역치
   조율 역치(pacing threshold)는 불응기를 벗어난 심근섬유를 일관되게 탈분극시킬 수 있는 가장 작은 조율 전기자극의 크기를 말한다. 조율 역치 값은 자극 크기-폭 관계(strength-duration relationship)에 따라 변한다. 심박동기가 방출하는 자극의 크기는 조율 역치에 기준하여 조율역치의 2~3배로 설정한다. 따라서 조율 역치는 낮을수록 좋은데 심박동기 삽입 시 조율 역치는 심방의 경우 1.5 V, 심실의 경우 1.0 V를 초과하지 않도록 적절한 위치를 찾아유도를 위치시켜야 한다.

(2) 감지된 자발 박동의 크기
   감지된 자발 박동의 크기(sensed amplitude)는 심박동기가 환자 자신의 자발 박동을 감지하는 능력을 말한다. 심박동기의 감지도를 설정할 때 심박동기에 입력하는 값을 감지 역치(sensing threshold)라고 하는데, 심박동기의 감지역치는 감지된 심율동의 크기보다 작게 설정해야 하는데, 이 값이 작아지면 심박동기의 감지도(예민도)가 높아져 심박동이 아닌 작은 잡음 신호도 실제 심박동으로 간주하게된다(과민 감지). 정상적인 감지 기능을 확보하기 위해서는 심방에서 감지되는 박동의 크기는 1.5 mV 이상, 심실에서는 6.0 mV 이상되어야 한다.

(3) 저항
     조율 유도의 저항(impedance)은 ohm (Ω)으로 표현되며, 조율 유도와 심내막을 통과하는 전류의 흐름을 방해하는 모든 힘의 합으로서 주로 조율 유도와 심내막 사이에서 생기는 저항의 크기에 의해 결정된다. 정상적인 유도 저항의 범위는 250~1200 Ω 정도이다. 저항이 250 Ω 이하일경우는 유도의 절연피복 손상을 시사하며, 1200 Ω 이상 높을 경우는 유도선의 골절을 의심해야 한다.

 2) 심박동기 작동 주기

(1) 조율 간격
   조율 간격(pacing interval)이란 심조율을 위하여 방출하는 조율자극의 간격, 즉 특정 조율자극이 방출된 시점으로부터 다음 조율자극의 방출까지 시간 간격을 말한다. 조율간격 가운데 감지된 자발 심박동에서 다음 조율자극의 방출 까지 시간 간격을 이탈 간격(escape interval)이라고 한다. Hysteresis 기능을 켜놓지 않으면 이탈 간격과 조율 간격이 같고, 켜놓으면 설정한 값만큼 이탈 간격이 길어진다.

(2) 불응기
   불응기(refractory period)는 심박동기가 심장 안이나 밖으로부터 어떠한 전기 신호도 감지하지 못하도록 설정된 기간이다. 불응기를 설정해주는 목적은 심박동기가 조율 자극에 의한 심근의 탈분극이나 재분극 시 발생되는 심근 전위 변화를 심율동으로 감지하여 오작동하는 것을 예방하기 위함이다. 주로 T wave나 전기 자극의 afterpotential의 가지를 예방하기 위함으로 보통 기간은 125~475 ms이다.4 단일 심장 심박동기(AAI, VVI)의 경우에는 심방이나 심실 불응기만 설정하나 DDD형 심박동기에서는 심방 불응기를 방실조율 간격(AV interval, AVI)에 더하여 심실 기외수축이나 심실 조율 후 나타날 수 있는 역행성 P파를 감지하지 못하도록 심실후 심방불응기(postventricular atrial refractory period, PVARP)를 설정해 준다.

(3) 방실조율 간격
   방실조율 간격(atrioventricular interval)은 방실 조화형 심박동기에서 자발 심방 활동을 감지하거나 심방 조율자극을 방출한 후 심실 조율자극 방출까지 시간 간격을 말한다. DDD형 심박동기에는 이 간격 안에 공백 기간(blanking period)이 설정되어 있다. 이는 한 유도에서 방출되는 조율자극이 다른 유도에서 감지되어 조율 자극의 방출을 억제하는 교차통화(crosstalk) 현상을 예방하기 위한 것이다.

Table 1. Causes of sick sinus syndrome

Figure 1. Selection of pacemaker systems for patients with atrioventricular block. Decisions are illustrated by diamonds. Shaded boxes indicate type of pacemaker.
AV; atrioventricular

Figure 2. Selection of pacemaker systems for patients with sinus node dysfunction. Decisions are illustrated by diamonds. Shaded boxes indicate type of pacemaker.
AV; atrioventricular
 
공백기간도 방실조율 간격과 같이 조정이 가능하며, 대개 12~125 msec 범위로 설정한다.

(4) 히스테리시스
   심박동기의 히스테리시스(hysteresis) 기능을 작동시키면 자발적인 심박동이 감지된 다음 조율 자극을 방출까지의 이탈 간격(escape interval)을 조율 간격보다 길게 할 수 있다. 히스테리시스 간격을 설정해주면 자발 율동이 감지되면 설정된 조율 간격에 히스테리시스 간격을 더한 만큼 더 오랫동안 자발 율동의 출현을 기다리게 되고, 이 기간 동안에는 자발 율동이 감지되지 않으면 히스테리시스 간격이 완료될 때 조율자극을 방출한다. 히스테리시스 기능은 환자 자신의 자발 율동을 최대한 보장하고 심박동기에 의한 조율을 최소화하기 위해서 고안된 것이다.

(5) 최대 추적 심박수
   서맥이 주된 문제인 환자에서도 심방세동과 같은 심방빈맥성 부정맥이 동반되는 경우가 있다. DDD형 심박동기인경우에 빠른 심방 율동을 감지하여 심실을 조율함으로써 부적절하게 빠른 심실반응을 유도하여 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 조율방식을 DDI형으로 변경하거나 최대 추적 심박수(maximal tracking rate, MTR) 또는 조율박동수 상한선을 설정한다. DDD형 심박동기에서 심방 율동수가 증가하여 심방율동이 총심방불응기(total atrium refractory period, TARP) 내에 발생되면 감지되지 않아 심실 조율자극 방출이 중단되어 심율동에 심한 변화가 일어나게 된다. 이러한 심실박동수의 급격한 변화를 줄이기 위하여 MTR를 설정하고 MTR 간격과 TARP사이에 Wenckebach 간격을 설정하여 Wenckebach AV block과 같은 형태로 심실 조율자극 방출을 유도하여 가급적 완만한 최대 심박수 반응이 유의되도록 한다.

5. 심박동기의 임상적 적응증과 선택

   미국심장협회(American Heart Association)에서 제시하는 심박동기 삽입술의 적응증과 선택을 방실차단과 동결절 기능부전 및 만성섬유속 차단의 경우에 국한하여 정리하면 다음과 같다.

1) 심박동기의 임상 적응증5

(1) 방실차단
   방실차단의 해부학적인 위치와 상관없이 3도 혹은 2도 방실차단이면서 다음 상황을 만족할 때

① 심부전을 포함한 서맥과 관련된 임상 증상 동반
② 증상을 동반하는 서맥을 유발할 수 있는 약제의 사용이 불가피한 경우
③ 동반 증상이 없더라도 깨어있는 상태에서 무수축이 3초 이상이거나 이탈율동이 분당 40회 미만인 경우
④ 전극도자 절제술 후 발생한 경우
⑤ 심장수술 후에 발생하여 회복을 기대하기 어려운 경우
⑥ 신경근육질환과 동반된 경우

(2) 동기능부전증후군
① 동정지를 포함하여 증상이 동반된 서맥이 확인된 경우-불가피하게 사용하는 약제에 의한 경우도 포함
② 증상이 있는 심박수 변동성 부전

(3) 만성 양속차단 및 3 섬유속 차단
① 간헐적인 3도 방실차단
② 2도 type II 방실차단
③ 교대 각차단

2) 심박동기의 임상적 선택

   환자의 현재의 부정맥 상태, 전신 상태, 미래에 예상되는 임상 경과, 심방빈맥(세동)의 유무와 동율동전환 가능성, 방실 동시성(AV synchrony)과 심방조율의 필요성, 심박수 변동성 등을 고려하여 선택한다(Figure 1,2).1

결론

   최근 들어 평균 수명의 연장과 기술의 발전은 이전에 상상하기 힘들었던 여러 가지들을 가능하게 하고 있다. 자기공명 환경에서도 문제가 없는 lead, 무선으로 작동할 수 있는 lead, 충전할 수 있는 박동기 등 기술의 발전은 계속될것이다. 하지만 꼭 필요한 환자에게 가장 적절한 기구를 시술하여 최선의 추적 관리를 하는 것은 계속하여 숙제로 남을 것이다.



References

  1. Epstein AE, DiMarco JP, Ellenbogen KA, Estes NA 3rd, Freedman RA, Gettes LS, Gillinov AM, Gregoratos G, Hammill SC, Hayes DL, Hlatky MA, Newby LK, Page RL, Schoenfeld MH, Silka MJ, Stevenson LW, Sweeney MO, Smith SC Jr, Jacobs AK, Adams CD, Anderson JL, Buller CE, Creager MA, Ettinger SM, Faxon DP, Halperin JL, Hiratzka LF, Hunt SA, Krumholz HM, Kushner FG, Lytle BW, Nishimura RA, Ornato JP, Page RL, Riegel B, Tarkington LG, Yancy CW; American College of Cardiology/American Heart Association Task Force on Practice Guidelines (Writing Committee to Revise the ACC/AHA/NASPE 2002 Guideline Update for Implantation of Cardiac Pacemakers and Antiarrhythmia Devices); American Association for Thoracic Surgery; Society of Thoracic Surgeons. ACC/AHA/HRS 2008 Guidelines for Device-Based Therapy of Cardiac Rhythm Abnormalities: a report of the American College of Cardiology/American Heart Association Task Force on Practice Guidelines (Writing Committee to Revise the ACC/AHA/NASPE 2002 Guideline Update for Implantation of Cardiac Pacemakers and Antiarrhythmia Devices): developed in collaboration with the American Association for Thoracic Surgery and Society of Thoracic Surgeons. Circulation. 2008;117;e350-e408.
  2. PHILIP J. PODRID, PETTER R. KOWEY. CARDIAC ARRHYTHMIA: mechanisms, diagnosis, and management. 2nd ed; pp 321-328.
  3. Kenneth A. Ellenbogen, Mark A. Wood. Cardiac pacing and ICDs. 4th ed; pp 47-86.
  4. 김성순. 심장부정맥의 진단과 치료; pp 151-185.
  5. 대한순환기학회. 심장학 교과서 2004; pp 636-638.
  6. Bernstein AD, Camm AJ, Fisher JD, Fletcher RD, Mead RH, Nathan AW, Parsonnet V, Rickards AF, Smyth NP, Sutton R. North American Society of Pacing and Electrophysiology policy statement. The NASPE/BPEG defibrillator code. Pacing Clin Electrophysiol. 1993;16:1776-1780.
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수술 전 심박동기 관리  2010 ;11(4)