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General Principles in Hemodynamic Monitoring
혈역학 감시의 일반적 원칙
J Acute Care Surg 2017;7:2−8
Published online April 30, 2017;  https://doi.org/10.17479/jacs.2017.7.1.2
© 2017 Korean Society of Acute Care Surgery.

Hye Youn Kwon, Ji Young Jang, Keum Seok Bae, and Hongjin Shim
권혜연, 장지영, 배금석, 심홍진

Department of Surgery, Yonsei University Wonju College of Medicine, Wonju, Korea
연세대학교 원주의과대학 외과학교실
Hongjin Shim, M.D. Trauma and Surgical Critical Care, Department of Surgery, Yonsei University Wonju College of Medicine, 20 Ilsan-ro, Wonju 26426, Korea Tel: +82-31-741-0990 Fax: +82-31-741-0574 E-mail: simong3@yonsei.ac.kr
Received September 19, 2016; Revised April 12, 2017; Accepted April 14, 2017.
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

Hemodynamic monitoring continuously checks hemodynamic variables for problems so that the clinician can treat them when a patient’s vital signs are unstable. There are many different monitoring systems, and many new technologies were developed over the past three decades. It is challenging to understand the many monitoring system in the intensive care units, for example. However, all such monitoring systems are based on the general principle of monitoring oxygen transport to a peripheral organ. In this review, from conventional to recent principles, general concepts and paradigm shifts of hemodynamic monitoring will be discussed.

Keywords : Hemodynamic monitoring, Intensive care units
서론

혈역학적 감시(hemodynamic monitoring)란 혈역학적 불안정성을 보이는 중증 환자에서 진단과 치료를 목적으로 혈역학 지표들을 지속적으로 확인하는 것을 말한다[1]. 혈압, 맥박수, 중심정맥압(central venous pressure, CVP), 말초산소포화도 등의 기본적인 방법부터 일회박출량변동(stroke volume variation, SVV), 맥박압변동(pulse pressure variation, PPV), 심초음파(echocardiography), 비침습적 생체임피던스(bioimpedence) 등 다양한 방법들이 혈역학적 감시에 이용되고 있다. 외상 및 패혈증 등의 중증 환자에서 산소의 공급과 전달, 소비가 적절히 이루어지도록 하는 것이 치료의 궁극적인 목적이므로 이를 파악하기 위해 산소 전달의 시작점이 되는 심폐기능과 산소 전달의 매개가 되는 혈장량, 그리고 말초에서 산소의 교환이 이루어지는 관류(perfusion), 이 세 가지가 모두 감시의 대상이 되어야 한다. 과거에는 폐동맥카테터(pulmonary artery catheter, PAC)와 같은 침습적 방법이 심박출량 및 호흡기능을 평가하는 데 주로 사용되었다면, 현재는 비침습적 방법들이 선호되고 있는데 최근 이론적 발달과 기술적 발전으로 심폐기능뿐 아니라 혈장량 및 관류 지표에 있어서도 유용하게 평가받고 있다. 본 글에서는 현재 임상에서 사용되는 기본적인 혈역학적 감시 방법의 이론적인 배경과 원리에 대해 알아보고자 한다.

본론

혈압 측정에서의 동맥압파형(arterial pressure waveform)과 평균동맥압(mean arterial presure, MAP)

혈압은 중환자의 감시에 가장 기본이 되는 혈역학적 지표로, 혈압의 측정은 비침습적 혈압측정(non-invasive blood pressure)과 동맥혈관에 카테터 삽입을 통해 지속적으로 동맥 혈압을 측정할 수 있는 침습적 혈압 감시 방법이 있다. 동맥혈관을 이용한 침습적 혈압 감시 방법은 비침습적인 방법보다 더 정확한 것으로 알려져 있으며 중환자실에서 주로 사용되는 방법이다.

지속적 동맥혈압을 보면 일정한 파형을 볼 수 있는데 이것을 동맥압파형이라고 한다. 이는 측정 부위에 따라 다르게 나타나고 심장 위치에서의 상완동맥압(brachial arterial pressure)이 가장 정확한 것으로 알려져 있다. 동맥압파형은 각절흔(dicrotic notch)을 중심으로 두 부분으로 나눌 수 있는데 앞부분이 심장의 수축기 파형을, 뒷부분이 이완기 파형을 나타낸다.

동맥압파형은 말초로 이동할수록 동맥이 분지하면서 직경이 감소하여 수축기 압력이 증가하고 수축기 파형 부분이 좁아진다. 최대 수축기 압력은 증가하고 수축기압 파형이 좁아지면서 이 둘이 서로 상쇄되어 MAP는 일정한 값을 유지하게 된다. MAP는 수축기와 이완기의 두 가지 요소를 포함하고 있기 때문에 중심대동맥압을 좀 더 정확히 대변한다고 할 수 있고 측정 위치에 상관 없이 일정하기 때문에 체순환을 유지시키는 근본적인 힘으로 간주된다. MAP값을 얻는 방법은 계산하는 방법과 측정하는 방법, 두 가지가 있다. MAP 계산값(=이완기혈압+ [INLINE] (수축기혈압-이완기혈압))은 심장 박동수가 60회/분이었을 때 이완기 시간이 심장 박동의 3분의 2를 차지하는 것에 근거하고 있으므로 중증 환자에서 심장 박동수가 60회/분 이상으로 증가하는 경우, 계산에 의한 MAP보다는 직접 측정한 값이 더욱 정확하다[2]. 특별한 장치 없이 일반적으로 사용되는 중환자실 모니터에 나타나는 MAP는 계산된 값이다.

심폐 상호작용(heart-lung interaction)을 이용한 수액반응성의 평가

1) 심폐 상호작용

흉강 내의 인접한 기관인 심장, 폐, 대동맥과 대정맥은 흉강 내압의 영향을 같이 받으며 상호 간에 영향을 미친다. 특히 인공호흡을 통해 양압환기를 받고 있는 중증 환자의 경우 흉강 내압의 변화에 따라 복귀정맥혈과 말초 저항이 변하기 때문에 이 변화를 통해 환자의 혈장량과 수액반응성(fluid response)을 예측할 수 있다. 흉강 내압이 상승하면 우심장의 관점에서는 복귀정맥혈이 감소하고 후부하(afterload)가 증가하지만, 좌심장의 관점에서는 복귀정맥혈이 증가(squeeze of pulmonary blood)하고 후부하는 감소한다. 우심방의 혈류량은 좌심방에 영향을 미치기 때문에 호흡 주기에 따라 동맥압과 복귀 정맥혈은 일정한 증감의 흐름을 보이게 된다(Fig. 1) [3]. 이러한 변화는 Frank-Starling의 법칙에 따라 혈장량이 충분할 때에는 잘 나타나지 않지만, 혈장량이 부족하여 전부하(preload)가 감소한 경우 뚜렷이 나타난다(Fig. 2) [4,5].

Fig. 1.

The hemodynamic effects of positive pressure ventilation on heart-lung interactions.


Fig. 2.

Functional hemodynamic monitoring for assessing the Frank-Starling relationship in patients with spontaneous breathing activity and/or cardiac arrhythmias and/or low tidal volume and/or low lung compliance. PPV: pulse pressure variation, SVV: stroke volume variation, PLR: passive leg raising test, EEO: endexpiratory occlusion, VE: volume expansion.


2) 일회박출량변동(SVV)과 맥박압변동(PVV)

앞서 언급된 바와 같이 심폐 상호작용에 의한 혈역학적 변화는 SVV를 발생시키며 이는 혈역학적 감시에서 측정되는 여러 가지 지표들 즉, PPV, 최고대동맥혈류속도변동(peak aortic blood flow velocity variation), 대정맥직경의 호흡성변이(respiratory variation of vena cava diameter) 등의 이론적 배경이 된다. 이러한 변화의 정도를 나타내는 역동적 지표들은 MAP나 CVP 등의 정적인 지표들에 비해 환자의 합병증 및 사망률과 더 많은 연관성을 보인다[1].

동맥압파형에서 보이는 주기적인 변화의 폭을 계산하여 PPV를 알 수 있는데(Table 1, Fig. 3) [6], 이 지표를 통해 혈관 내 혈장량이 충분한지와, 수액공급을 했을 때 나타나는 혈역학적 반응을 예측할 수 있다. PPV는 양압환기를 시행하는 환자에서 적용하여야 하며 일회 호흡량이 적지 않고(<8∼12 ml/kg), 자발 호흡이 없는 규칙적인 인공호흡 환자에서 정확한 혈역학 지표를 나타낸다. 호흡수가 너무 빠르거나 부정맥이 있는 환자, 복압이 증가되어 있는 환자에서는 정확도가 낮은 것으로 보고된다[3]. PPV의 절단값(cut off value)은 13%로, 이 이상으로 측정되는 경우에는 혈장량이 충분하지 않은 것을 의미하므로 수액을 공급의 적응증이 된다. 이외에도 심폐상호작용을 이용한 혈역학적 지표들은 여러 가지가 있으며 이 중 PPV가 가장 신뢰도가 높다(Table 2) [4].

How to measure PPV

Check that cardiac rhythm is regular
Raise the tidal volume to 10 ml/kg of predicted body weight
Ensure that the patient is receiving ventilation passively or adjust further the rate, tidal volume, or degree of sedation to achieve this
Display or pint the arterial pressure waveform for 30 s
Measure the minimum and maximum pulse pressure
Calculate PPV (PPmax-PPmin)/([PPmax+PPmin]/2)×100%
A value ≥13% predicts fluid responsiveness

Reproduced from the article of Durairaj and Schmidt (Chest 2008;133:252-63) [6].

PPV: pulse pressure variation, PP: pulse pressure, PPmax: maximal PP, PPmin: minimal PP, PPmean: mean PP.


Fig. 3.

Relationship of arterial pressure wave and passive respiration. PPmax: maximal pulse pressure, PPmin: minimal pulse pressure.


Predictable value of techniques used to determine fluid responsiveness

MethodTechnologyAUCa)
Pulse pressure variation (PPV)Arterial waveform0.94 (0.93∼0.95)
Systolic pressure variation (SPV)Arterial waveform0.86 (0.82∼0.90)
Stroke volume variation (SVV)Pulse contour analysis0.84 (0.78∼0.88)
Left ventricular end-diastolic area (LVEDA) Echocardiography0.64 (0.53∼0.74)
Global end-diastolic volume (GEDV)Transpulmonary thermodilution  0.56 (0.37∼0.67) 
Central venous pressureCentral venous catheter0.55 (0.48∼0.62)

Reproduced from the article of Marik et al. (Ann Intensive Care 2011;1:1) [4].

a)AUC: area under the curve with 95% confidence intervals.


3) 수액반응성

혈장량에 대한 평가는 조직의 산소 공급을 위한 기초적인 평가인데, 패혈증과 같은 중증 환자에서 수액의 과다 공급으로 인한 폐부종, 심부전과 같은 합병증을 피하면서 정확한 수액 효과를 알아볼 수 있는 좋은 방법이 수액반응성을 평가하는 것이다[4,5]. 수액반응성은 일반적으로 수액 유발(fluid challenge)을 하였을 때 심박출량이나 일회박출량이 10∼11% 이상 증가하는 것으로 정의된다. 수액반응성은 심-폐 상호작용에 의한 혈역학적 변화에 근거하며 다음의 몇 가지 검사를 통해 알아볼 수 있다.

(1) 수동적 하지거상법(passive leg raising test): 수동적 하지거상법은 수액반응성을 평가하기 위해 임상에서 가장 많이 사용되고 있는 방법으로 semi-fowler 자세를 앙와위 자세로 변경한 후 하지를 45도 올리는 검사이다. 이런 자세의 변경은 하지와 복강의 혈장액을 흉강 안으로 들어가게 하여 일시적으로 복귀정맥혈을 증가시키는 효과를 가져온다. Frank-Starling 곡선에서 수액 투여 후 심장의 전부하가 의미 있게 증가하는 군을 수액반응군으로 규정할 때, 하지거상법은 수액을 투여하지 않고 수액반응군과 비반응군을 구별할 수 있는 좋은 방법이다. 하지거상법은 심장박출지수가 환자의 기저치보다 10∼11% 이상 증가했을 때 수액반응이 있는 것으로 정의한다. 8개 임상 연구를 대상으로 한 메타분석에서 정확성에 대해 보고하고 있으며[7] 경식도 초음파와 같은 침습적 측정방법을 융합하여 맥박압이 아닌 대동맥혈류량을 직접 측정하면 자발호흡이 있는 환자에서도 수액반응성을 정확히 예측할 수 있다[8]. 하지만 복압이 16 mmHg 이상으로 증가되어 있거나 하지 혈장 용적이 적은 환자에서는 정확하지 않다.

(2) 호기말 호흡 폐쇄법(end-expiratory occlusion test): 호기말 호흡 폐쇄법은 인공호흡을 하는 환자에서 적용할 수 있는 방법으로 심장과 폐의 상호작용에 의해 발생하는 복귀정맥혈의 변화를 최소화하기 위해 잠시 호기말에 인공호흡을 중지하는 방법이다(Fig. 4). 맥박압과 심장박출지수의 증가를 결과 지표로 하였을 때 역치 5%에서 각각 area under the curve 0.957, 0.972로 정확한 예측도를 보였으며 자발 호흡이 있는 인공호흡환자에서도 PPV, SVV를 결과 지표로 하였을 때 높은 민감도를 보였다[9].

Fig. 4.

End-expiratory occlusion test. The end-expiratory occlusion (EEO) test consists in interrupting mechanical ventilation at the end of expiration during 15 seconds.


(3) 최소 수액유발검사(mini fluid challenge): 최소 수액유발검사는 100 ml의 콜로이드를 1분 동안 투여하여 적은 수액으로 최대 용적 확대 효과를 보려는 방법으로 경흉부 심초음파를 이용하여 sub-aortic velocity time index (SVT)를 측정한다. 10% 이상 SVT index가 증가했을 때 민감도는 95%, 특이도는 78%이다. 이 검사는 다량의 수액이 축적되지 않고 검사를 여러 번 시행할 수 있다는 장점이 있지만 측정장비를 준비해야 하는 단점이 있다[10].

이상의 수액반응성을 평가하기 위한 방법들은 모두 심폐상호작용에 의한 혈역학 변이에 근거하고 있기 때문에 정확한 평가를 위해 각각의 상황과 적응증에 맞는 방법을 적용하는 것이 필요하다(Fig. 5).

Fig. 5.

Decision-making process of fluid administration. SVV: stroke volume variation.


혈역학적 감시 방법의 종류

현재 임상에서 사용하고 있는 혈역학적 감시 방법은 여러 가지가 있는데, 침습적 방법으로는 식도 Doppler를 이용하여 하행대동맥의 혈류량과 혈류속도를 측정하는 Cardio-Q®와 동맥 내 혈압 감시 장치인 PiCCO®가 있으며, 최소 침습적 동맥 내 혈압 감시 장치로는 Flotrac®, LiDCO®, ProAQT®가 있다. 비침습적 방법으로 Doppler 초음파 USCOM®과 non-invasive bioreactance measurements (NICOM®), 손가락의 커프를 이용한 non-invasive continuous arterial blood pressure measurement (Nexfin®, Finapres®) 등이 있다. 최근에는 침습적인 방법보다는 사용하기 간편하고 안전하게 적용할 수 있는 비침습적 방법으로 선호되는 경향을 보인다. 비침습적 감시 방법들의 정확도는 혈역학 감시 장치의 기초라고 할 수 있는 PAC와 비교하였을 때 유사한 결과를 보이고 있으나[11] 아직 대규모 연구가 부족하고 경증환자를 대상으로 한 연구가 대부분이어서 중증 환자에서 전적으로 신뢰하기는 어렵다. 또한 비용-효율을 고려하였을 때 일반적으로 상용화하기에는 제한점이 있다[12]. 혈역학적 감시에 이용되는 기기의 종류와 특징은 Table 3과 같다[12].

Hemodynamic monitoring devices for the perioperative setting

DeviceTechniqueInvasiveContinuous measurementsSV/COSVVPPVWard
Cardio-Q®Doppler+++---
PiCCO®Thermodilution/arterial line++/-+++-
Flotrac®/LiDCO®/ProAQT®Arterial line+++++-
USCOM®Doppler--++-+
NICOM®Bioreactance-+++-+
Nexfin®Finger cuff-++--+

Reproduced from Perioperative monitoring of tissue perfusion: new developments. Annual update in intensive care and emergency medicine 2013 (Berline: Springer; 2013. p.291-9) [12].

SV: stroke volume, CO: cardiac output, SVV: stroke volume variation, PPV: pulse pressure variation, ward: general surgical ward.


산소전달과 조직 관류의 평가

심박출량과 혈장량은 조직으로의 산소 전달과 관류를 위한 기본적인 조건으로 알려져 있지만, 절대적인 인과관계를 보이는 것은 아니다. 수액반응군에서 산소 전달(DO2)이 증가하여도 이들 중 일부에서만 산소 소비량이 증가된 연구 결과들을 볼 때, 충분히 혈장량이 증가하였다고 해서 조직에 적절한 관류가 이루어졌다고 보기는 어렵다[13]. 조직의 관류을 평가하기 위해서 산소소비량을 나타내는 지표들을 이용해야 하며 실제로 젖산(lactate), 염기 결핍(base deficit), 혼합정맥산소포화도(mixed venous oxygen saturation, SmvO2) 등이 이용되고 있다. 젖산은 무산소대상의 결과물로 이것의 증가를 통해 부적절한 관류가 이루어지고 있음을 예측할 수 있다. 하지만, 간기능 부전과 같이 젖산의 제거 능력이 저하된 환자의 경우에는 결과 해석에 주의해야 한다. 염기 결핍에 의한 pH의 변화는 조직 관류를 평가할 수 있는 좋은 지표가 될 수 있지만, 변화에 따른 반응 속도가 느린 편이어서 제한점이 있다. 최근에는 위장관 점막과 설하 점막에서 이산화탄소의 분압(PCO2) 및 pH의 변화를 측정하는 방법들이 소개되어 내장 순환(splanchnic circulation)이나 말초 조직의 관류를 평가하기도 한다.

SmvO2는 체순환의 산소전달 및 산소소비량을 평가할 수 있는 지표로, PAC를 통해 폐동맥에서 채혈하여 측정한다. 산소소비량은 급격한 대사 변화가 없는 한 크게 변하지 않으므로 SmvO2는 산소 전달 능력을 평가할 때 간접적으로 사용된다. 하지만 이 값은 산소소비량에 대한 평가가 배제된 값이므로 조직 관류를 평가하기에는 한계가 있다[14]. 중심정맥에서 측정하는 중심정맥산소포화도(ScvO2)는 SmvO2보다 5∼10% 정도 낮게 측정되지만, SmvO2를 예측할 수 있어 대체적인 지표로 쓰이기도 한다[14]. 위와 같은 방법들이 산소 전달과 조직 관류의 평가에 이용되고 있다. 하지만, 순환 장애가 산소 전달 과정 중 어느 단계에서 발생하였는지 알 수 없다는 것이 현재 이용되고 있는 지표들의 한계이다.

결론

혈역학적 감시는 관류의 적절성을 평가하는 것이며 심폐기능, 혈장량 및 산소 전달과 소비까지 이루어져야 완성되었다고 할 수 있다. 이것을 적절히 평가하기 위하여 다양한 방법들이 개발되어 오고 있으며 이러한 다양한 혈역학적 감시 방법을 적절히 이용하기 위해서는 혈역학과 심폐 상호작용에 대한 전반적인 이해가 뒷받침되어야 한다.

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October 2017, 7 (2)
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