HRV의 생리기초


자율신경시스템(ANS)는 생리적 상황에서 뿐만 아니라 당뇨병성 신경병증, 심근 경색(MI) 및 울혈성 심부전(CHF) 등과 같은 여러 병리적 조건에서도 중요한 역할을 한다. 자율신경의 불균형은 교감신경 활동을 증가시키고 미주신경 톤을 감소시켜 심한 병리생리학적 부정맥과 심장 돌연사와 강력한 연관이 있다.
자율신경 상태를 평가하는 다양한 비침습성 기술 중 심장 박동변화(HRV)는 교감 미주신경 균형을 동방 결절 수준에서 평가하는 간단하고 비침습성 방법으로 떠오르고 있다. 이는 당뇨병성 신경병증, 심근경색, 돌연사 및 율혈성 심장병 등 다양한 임상 상황에서 사용되었다.
HRV 분석에서 표준 측정 간섭요소는 시간역 인덱스, 기하학적 방법 및 주파수역 요소로 구성된다. 장기 혹은 단기 기록은 실행되는 연구의 종류에 따라 결정된다.
임상 데이터의 확보는 지난 10년 동안 종합적 HRV의 감소가 모든 심장 또는 부정맥, 특히 심근경색 혹은 울혈성 심부전 이후의 위험에 놓여있는 환자의 사망률 원인을 증가하는 강력한 예측을 고려하여 발표한 수많은 연구을 기초로 하였다.
이 글은 메커니즘, 지표 및 방실 결절에 있는 ANS의 구성요소인 교감신경과 미주신경의 활동을 반영하는 표시로서, 그리고 환자 특히는 심장 사망률 위험에 있는 환자 검출과 감별의 임상 도구로서 사용하는 HRV에 대해 검토하였다.

마지막 20년 동안에 수많은 동물 및 인류에 대한 연구들이 ANS와 심장 혈관 사망률, 특히는 심근경색과 울혈성 심부전의 심장 혈관 사망률 사이의 중요한 연관을 보여주었다. ANS의 작은 변화와 그것의 불균형을 조성하는 교감신경 활동의 증가 또는 미주신경 활동의 감소는 현재 심혈관 사망률의 주된 원인으로 되고 있는 심실 빈박성 부정맥 및 심장 돌연사를 불러일으킬 수 있다. 현재 ANS의 상태를 평가할 수 있는 다양한 방법들이 있는데 심혈관 반응 검사, 생화학 및 섬광계수 검사 등이 포함된다. 이 기술들은 세포 수준의 수용체 혹은 일반적으로 접근하기 어려운 신경 전도로까지 직접 접근한다. 최근 몇 년 동안 심전도를 기초로 한 비침습성 기술이 심장의 자율제어 표기로서 사용되었다. 여기에는 HRV, 압반사 감도(baroreflex sensitivity, BRS), QT간견 그리고 심장의 단일 기외수축 후의 동박절 주기 길이의 변화에 기초로 한 새로운 방법인 심장 박동 교란(heart rate turbulence, HRT)이 포함된다. 이런 기술 중에서 HRV 분석은 동방절 수준의 교감-미주신경 균형 평가의 간단하고 비침습성 방법으로 주목받는다.

자율신경계와 심장

심장 조율 특성을 가진 여러 심장 조직의 기본은 자율적이지만 심근의 전기 및 수축성 활동은 ANS의 조절을 크게 받는다. 이 신경 조절은 교감신경과 미주신경 활동의 상호작용의 영향을 받는다. 대부분 생리적 상태에서 원심성 교감 및 부 교감신경 분지들은 반대의 기능을 한다: 교감신경계는 자율성을 향상하는 반면에 부 교감신경계는 그것을 억제시킨다. 심장 보조 조정기 세포에 대한 미주신경 자극효과는 과다분근(hyperpolarisation)을 일으키고 탈분국율을 감소시며 교감신경 자극은 심장 보조 조정기 세포의 탈분국(depolarisation)율을 증가하여 심장박동수 변동효과를 일으킨다. ANS의 두 가지 분지 모두 심장 보조 조정기 세포의 탈분극 조절로서 이온채널 활동에 영향 준다.
비정상적 ANS의 상태는 당뇨병성 신경병증과 관상동맥성 심장병 특히는 심근경색 전후 등의 여러 상태에서 입증되었다. 심장 혈관 계통 조절에 대한 자율신경의 조절장애는 교감신경 활동의 증가와 부 교감신경 톤의 감소와 연관되어 관상동맥 질병과 치사성 심실성 부정맥의 기원에 중용한 역할을 한다. 심장 허혈 또는 심근 괴사의 발생은 심장 괴사와 비수축 부분과 관련된 형상의 개변에 인한 ANS의 원심성 및 구심성 섬유의 기계적 구조변화를 일으킬 수 있다. 새로 인식된 형상은 국소 신경의 발달과 허혈 또는 괴사부위의 심근 세포층의 변성에 인한 전기적 리모델링이다. 전체적으로 볼 때, 관상동맥 질병과 심근경색의 병력을 가지고 있는 환자의 교감신경 활동의 증가와 미주신경 톤의 감소와 관련되어 있는 심장 자율 기능은 심장의 자동조절과 전기전도 및 중요하게는 혈액동력학적 변화를 조절하기 때문에 치사성 부정맥의 복잡한 형상에는 유리한 상태이다.

심장 박동변화의 정의와 메커니즘

심장 박동변화는 비침습성 심전도 표기로서 심장 방실 결절에 있는 ANS 구성부분인 교감신경과 미주신경의 활동을 반영한다. 이는 순간 심박 수와 RR간격(정상 방실결절 탈분극의 QRS 심장 박동파형 사이의 간격) 변화의 총량을 표현한다. 따라서 HRV는 자율신경 기능의 기본 긴장성을 분석한다. ANS가 정상 활동 중인 정상 심장에서 균형을 이룬 교감-미주신경 상태와 정상 HRV을 반영하는 방실결절 사이클의 지속적인 생리적 변화가 있을 것이다. 심근 괴사로부터 손상을 받은 심장에서 ANS의 원심성 및 구심성 섬유의 활동 변화와 국소 신경성 통제는 감소한 HRV에 의해 반영된 교감-미주신경 불균형을 초래한다.

심장 박동변화의 측정

HRV의 분석은 방실결절로부터 온 연속된 RR간격의 변화에 대한 일련의 측정으로 이루어져 자율적 톤의 정보를 제공한다. 성별, 나이, 24시간 주기적 리듬, 호흡 및 신체 자세 등 다양한 생리적 요소들이 HRV에 영향을 줄 수있다. HRV의 측정은 비침습성이며 재현성이 높다. 대부분의 홀터 장비 제작사들은 요즘 HRV 분석 프로그램이 그들의 기구와 통합이 가능하다고 추천한다. 테이프 기록의 컴퓨터 분석은 향상되었지만 잘못된 박동, 이물질, 그리고 시간 간격을 변경시킬 수 있는 테이프 속도의 변경을 감별해내기 위해서는 대부분의 HRV지표 측정에 인간의 개입이 필요하다.
1996년에 유럽 심장학회(ESC)의 대책위원회와 북미 페이싱 및 심전도 학회(NASPE)에서는 HRV의 측정, 생리적 해석 및 임상 사용의 표준을 정의하고 수립하였다. 시간역 지표, 기하학적 측정과 주파수역 지표가 요즘 임상적으로 사용되는 파라미터를 구성하였다.

시간역 분석


시간역 분석은 시간 내의 심박 수 혹은 연속된 정상 심장 주기 사이의 간격의 변화를 측정한다. 연속된 심전도 기록에서 매개 QRS 파형이 검측됨으로 하여 방실결절 탈분극으로부터 온 정상 RR 간격(NN간격), 혹은 순간 심박 수가 결정된다. 계산된 시간역 변화는 간단할 수 있다. 여기에는 평균 RR 간격, 평균 심박 수, 가장 긴 RR 간격과 가장 짧은 RR 간격의 차이, 또는 심박 수의 낮과 밤 차이; 그 밖에 통계적 측정에 근거한 복합 지표들이 있다. 이런 통계학적 시간역 지표들은 두 가지 카테고리로 나뉘며 맥박간격 혹은 자기 구간에서 직접 온 변화 혹은 순간 심박 수와 인접한 NN 간격의 차이로부터 온 간격이 포함된다. 아래의 도표에 대부분의 자주 사용되는 시간역 지표들을 요약하였다. 첫 카테고리의 지표는 SDNN, SDANN 및 SD이고 두 번째 카테고리에 있는 것들은 RMSSD와 pNN50이다.
SDNN는 HRV의 전체 지수이며 기록 동안의 모든 장기적인 구성요소와 24시간 주기 리듬의 변화를 반영한다. SDANN는 5 분 동안의 평균 변화에 대한 지수이다. 이로부터 이것은 장기적인 정보를 제공한다. 신체 활동, 자세의 변화, 생리적 주기적 리듬과 같은 저주파 지수는 민감하다. SD는 일반적으로 HRV의 낮과 밤의 변경을 반영한다고 알려졌다. RMSSD와 pNN50은 시간역에서 간격의 차이를 기초로 한 가장 보편적인 지표이다. 이런 측정들은 단기 HRV 변화와 관련있으며 낮과 밤의 변화와 상관없다. 이들은 대개 미주신경의 간섭을 받는 자율신경의 톤의 변경을 반영한다. pNN50와 비하여 RMSSD는 더욱 안정적이며 임상 사용에 적합하다.

변수 단위 설명
SDNN ms 모든 NN 간격의 표준 편차
SDANN ms 전체 기록의 5분간의 NN 간격 평균 표준 편차
SD (또는 SDSD) ms 인접한 NN 간격 사이 차이의 표준 편차
RMSSD ms 인접한 NN 간격 사이의 차이 제곱 합 평균의 제곱근
pnn50 % 50ms 이상의 인접한 NN 간격 차이의 퍼센트치

기하학적 방법

기하학적 방법은 NN 간격의 일련의 수치들을 전환하여 유도 및 구축한다. HRV 평가에는 다양한 기하학적 양식이 있다: 막대 그래프, HRV 삼각지수 및 그의 변형, NN 간격 막대 그래프의 삼각 해석 및 로렌츠 혹은 푸앵카레 계산법에 기초한 방법. 막대 그래프는 측정한 RR 간격의 총 개수와 RR 간격의 변화 사이의 연관을 평가한다. HRV의 삼각지수는 막대 그래프의 주요 정점을 삼각형으로 고려하고 기선 폭은 RR 간격 변화의 합계와 상응하다. 삼각형의 높이는 가장 많이는 RR 간격의 거리에 해당하며 삼각형의 면적은 그것을 구성하는 RR 간격의 전체 수치이다. HRV의 삼각지수는 전체 HRV의 추정치이다.
기하학적 방법은 기록된 데이터의 질에 큰 영향을 받지 않으며 쉽게 얻을 수 없는 통계적 파라미터의 대안을 제공한다. 그럼에도 불구하고 기록 시간은 20분을 넘어야 한다. 이것은 단기 기록은 기하학적 방법으로 평가할 수 없음을 말한다.
다양한 시간역과 기하학적 방법의 모든 가능성에서 ESC 대책위원회와 NASPE에서는 HRV 평가를 위한 아래 네 가지 측정 방법을 사용할 것을 추천하였다: SDNN, SDANN, RMSSD 및 HRV 삼각지수.

주파수역 분석


주파수역( 파워 스펙트럼 밀도) 분석은 심장의 방실결절 리듬에서 다양한 주파수와 진동으로 분해 한 심장 박동 신호의 주기적인 진동을 설명하여 그들의 상대 강도(변화 혹은 파워로 정의) 량의 정보를 제공한다. 도표로 나타내는 스펙트럼 분석은 흰 빛이 프리즘을 뚫고 지날 때 여러가지 색깔과 파장의 다양한 빛으로 되는 것에서 얻은 결과 비교할 수 있다. 파워 스펙트럼 분석은 두 가지 방법으로 실행될 수 있다: 1) 비모수 검증 방법으로서 다양한 주파수 구성의 개별 정점에 의해 특정되는 고속 푸리에 변환(FFT), 2) 매개 변수 방법으로서 연속되는 부드러운 스펙트럼 활동에서 추정하고 결론내리는 자기 회귀 모델. FFT가 간단하고 신속한 방법인 반면에 매개 변수 방법은 더 복잡하고 선택된 모델의 적합성이 확인되어야 한다.
FFT를 사용할 때 검퓨터에 저장된 매개의 RR 간격은 다양한 스펙트럼 주파수 대역으로 전환된다. 이 절차는 심포니 오케스트라의 소리를 분해하여 기분 노트에 주입하는 것과 비슷하다. 얻어낸 결과는 평균 RR 간격 길이로 나누어 헤르츠(Hz)로 전환될 수 있다.
파워 스펙트럼은 0~0.5 Hz의 주파수 대역으로 이루어졌으며 네개의 대역으로 분해될 수 있다: 초저 주파수 대역(ULF), 초장파 대역(VLF), 저주파 대역(LF) 및 고주파 대역(HF)

변수 단위 설명 주파수 범
전체 파워 ms2 모든 NN 간격의 변화 <0.4 Hz
ULF ms2 초저주파 <0.003 Hz
VLF ms2 초장파 <0.003–0.04 Hz
LF ms2 저주파 0.04–0.15 Hz
HF ms2 고주파 0.15-0.4 Hz
저주파/고주파 비율 저주파-고주파 파워의 비율

단기 스펙트럼의 기록(5~10분)은 VLF, HF 및 LF의 구성으로 형성되는 반면에 장기 기록은 이 세 개의 구성 외에 ULF가 추가된다. 위의 표는 가장 많이 사용되는 주파수역 지표이다. 스펙트럼의 구성은 주파수(헤르츠)와 각 구성요소의 면적(혹은 파워 스페트럼 밀도)에 의해 측정되는 진폭에 의해 평가된다. 그러므로 제곱 단위는 ms의 제곱(ms2)으로 표현하는 절대값으로 사용된다. 분포의 비대칭성으로 하여 파워 값의 자연로그(ln)가 사용될 수 있다. LF와 HF 파워는 절대값(ms2) 혹은 일반화된 값(nu)으로 표현될 수 있다. LF와 HF의 일반화는 총 파워에서 VLF 구성을 빼서 실현된다. 이물질에 인하여 한 방면으로는 소리의 효과가 낮아지지만 다른 한 면으로는 LF와 HF 구성에서의 전체 파워 변화의 효과를 최소화한다. 이것은 동일한 대상에 대한 다양한 개입 효과(점차적인 기울임)를 평가하거나 대상의 전체 파워에서 주요 차이를 비교하는 데 유용하다. 일반화된 단위는 아래와 같이 얻어진다:

LF 혹은 HF 수치 (nu) = (LF 혹은 HF (ms2))*100/ (전체 파워 (ms2) – VLF (ms2))

RR 간격의 전체 파워의 가변성은 전체적인 변화이며 네 가지 스펙트럼 대역인 LF, HF, ULF 및 VLF의 합과 연관된다. HF 요소는 일반적으로 미주신경 조절의 표적으로 정해진다. 이 요소는 호흡의 영향을 받으므로 빠른 호흡에 인해 밝혀진다. LF 요소는 교감신경과 부 교감신경 시스템 모두에 의해 조절된다. 이런 의미에서 그의 해석은 논란의 여지가 더 많다. 일부 과학자는 LF 파워를 특히 일반화된 단위에서 표현될 때 교감신경 조절 측정으로 여긴다; 다른 사람들은 이것을 교감신경과 부 교감신경 활동의 종합이라고 해석한다. 두 가지 자율신경 개입의 혼합 반응으로 합의되었다. 실질적인 측면에서 증가한 LF 요소(기울기, 정신적 또는 육체적 스트레스, 교감신경 흥분 작용의 약품)는 일반적으로 교감신경 활동의 결과라고 알려졌다. 반대로 b-아드레날린 차단은 LF 파워의 감소의 결과이다. 그러나 일부 교감신경의 과다흥분과 관련된 상태에서 예를 들면 말기 CHF의 환자의 LF 구성요소가 줄어들었다. 이는 신경 입력에 대한 방실 결절의 반응이 줄어들었음을 반영한다.
LF/HF 의 비는 전체 교감-미주신경 균형을 반영하며 이 균형을 측정하는 데 사용될 수 있다. 평범한 정상 성인이 누운 자세에서 그 비율은 보통 1~2이다.
ULF와 VLF는 매우 낮은 진동을 가진 스펱트럼 구성요소이다. ULF 구성요소는 주기적 리듬과 신경 내분비 리듬을 반영하고 VLF 구성요소는 장기 리듬을 반영한다. VLF 구성요소는 신체 활동의 주요 결정 요소로 이미 발견되었고 교감신경 활동의 표적을 목적으로 사용되었다.

시간과 주파수역 지수의 연관과 정상 참조값
시간역과 주파수역 지표 사이에는 상관관계가 수립되어 있다: pNN50과 RMSSD는 그들 자신과 HF 파워(r = 0.96)와 연관 있고, SDNN과 SDANN 지수는 전체 파워와 ULF 구성요소와 명확한 연관이 있다. 정상 참조값과 MI 환자의 심장 박동변화 표준 측정치

HRV 표준 측정의 제한성
HRV가 RR 간격의 변화를 다루고 있기 때문에 그 측정은 방실 결절 리듬 환자와 적은 수량의 이소성 박동 환자들에 한해있다. 이런 의미에서 대략 20~30%의 고위험군 심근경색 후 환자들은 잦은 이소성 박동 혹은 심방성 부정맥 특히는 심방세동의 발생 때문에 모든 HRV 분석에서 제외된다. 후자는 15~30%의 CHF 환자에서 관찰되었고 모든 HRV 분석에서 제외된다.

HRV 측정의 비선상방법(프랙털 분석)
비선상방법은 카오스 이론과 프랙털 기하학을 기초로 한다. 카오스는 다변수, 비선형 및 비주기 시스템의 연구로 인정받았다. 카오스는 자연 시스템을 다양하게 설명한다. 왜냐하면 이렇게 하면 자연의 임의성과 비주기성을 해명할 수 있기 때문이다. 건강한 심장 박동은 약간의 불규칙과 어느 정도 혼란이 있는 점을 고려하면 카오스의 이론은 HR 역학을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다. 멀지 않은 장래에 비선상 프랙털 방법이 생리적 변화에서 고위험군 상태의 과정 특히는 심근경색 이후 혹은 돌연사의 전 과정에 있는 환자의 HR 역학에 새로운 단서를 가져다줄 수 있을 것이다.
최근 데이터는 표준 HRV 측정 비교에서 프랙털 분석이 RR 변화의 이상 패턴을 검출해 내는데 더 효율적인 것으로 나타냈다.