| Address for correspondence : Lee-Suk Kim, MD, PhD, Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, College of Medicine, Dong-A University, 1 Dongdaesin-dong 3-ga, Seo-gu, Busan 602-715, Korea Tel : +82-51-240-5428, Fax : +82-51-253-0712, E-mail : [email protected] 서 론 신생아 1,000명 중 약 1~3명은 영구적인 난청을 가지고 태어난다.1) 난청으로 인한 말인지력의 저하는 말산출 능력과 의사소통 능력의 저하를 초래하고, 이는 이후에 학업과 직업 등을 포함한 다양한 사회적 활동에 큰 장애를 초래할 수 있다. 반면 난청을 가지고 태어나더라도 난청이 조기에 진단되어 조기에 치료가 시작될 경우 정상에 가까운 말언어 능력을 습득할 수 있다. 이를 위해서는 모든 신생아를 대상으로 신생아청각선별검사(universal newborn hearing screening, UNHS)를 시행하고, 선별검사를 통과하지 못한 경우 생후 3개월 이내에 난청 정밀진단 검사(diagnostic hearing test)를 시행하여 난청을 확진해야 한다. 난청이 확진된 경우 생후 6개월 이내에 보청기를 장착하고 청각재활치료를 시작해야 하며, 고도 이상의 감각신경성난청으로 보청기를 이용한 재활치료에도 말·언어 능력의 진전이 부족한 경우에는 생후 2세 이전에 인공와우이식을 시행해야 한다. 이와 같은 일련의 난청 재활 과정에 있어서 가장 중요한 출발점은 정확한 청력역치의 측정이다. 영유아의 청력역치를 측정하기 위해서 행동관찰 청력검사(출생~6개월), 시각강화 청력검사(6~36개월), 그리고 유희 청력검사(36개월 이후)와 같은 행동반응 청력검사를 시행할 수 있다. 하지만 이러한 행동반응 청력검사는 아동이 검사에 집중하고 소리에 대해 적절히 반응해야 하기 때문에, 실제 검사를 실시하기 어렵고 검사 결과도 전적으로 신뢰할 수 없는 경우가 많다. 이와 같이 행동반응 청력검사를 적절히 수행하지 못하는 영유아의 청력을 객관적으로 측정하기 위한 방법으로 전기생리학적 검사(electrophysiologic measure)가 이용될 수 있다. 이 중 청성뇌간반응(auditory brainstem response)과 청성지속반응(auditory steady-state response)의 역치는 실제 청력역치와 상관관계가 높기 때문에 영유아의 청력역치를 예측하는데 널리 이용되고 있다(Fig. 1). 본고에서는 청성뇌간반응과 청성지속반응을 이용한 영유아의 청력역치 예측에 대해 알아보고자 한다. 청성뇌간반응을 이용한 청력역치의 예측 소리 자극은 청신경 말단에서 활동 전위(action potential)를 유발하며, 이 활동 전위가 대뇌청각피질(auditory cortex)까지 전달되어 소리를 인지하게 된다. 이러한 일련의 활동 전위 중 청신경에서 뇌간에 이르는 청각전달로에서 발생하는 전위를 기록한 것이 청성뇌간반응이다. 청성뇌간반응은 I파에서 V파에 이르는 5개의 양성파(peak)로 구성된다. 이 중 I, III, V파는 잘 나타나지만 II, IV파는 잘 나타나지 않는 경우가 많으며, V파가 가장 크고 안정적으로 기록된다. V파가 나타나는 최소 자극 강도, 즉 V파의 역치를 통해 피검사의 청력역치를 예측할 수 있다(Fig. 2). 자극 조건 자극음 청성뇌간반응에 이용되는 자극음에는 주파수 특이성 없이 넓은 주파수 대역을 가지는 click음과 주파수 특이성을 가지는 tone burst음이 주로 이용된다. Click음 소리자극에 의해 청신경과 뇌간의 신경섬유에서 발생한 활 동전위가 검사기기를 통해 기록되기 위해서는, 각 신경섬유에서 방출되는 활동전위의 정밀한 동시성(synchrony)이 필요하다. 따라서 청성뇌간반응의 기록을 위해서는 자극음의 주파수 대역이 넓고 지속시간이 짧아, 많은 수의 신경섬유를 동시에 자극하는 것이 유리하다. Click음은 지속시간이 100 μs 로 짧고, 10 kHz 정도의 넓은 주파수 대역을 가지고 있어 청성뇌간반응을 기록하기에 가장 유리한 자극음이다. Click음은 넓은 주파수대역을 가지고 있어 와우 기저막 전체를 자극하지만, 1~4 kHz 대역에서 가장 큰 에너지를 가지고 있기 때문에 click음에 대한 청성뇌간반응의 역치는 1~4 kHz 대역의 청력역치를 반영한다. Tone burst음 주파수별 청력역치 측정에는 tone burst음이 이용된다. Tone burst음은 기본적으로 특정 carrier frequency를 가지고 있기 때문에 주파수 특이성을 가지게 되며, 이 carrier frequency를 특정 envelope function에 의해 변형한 자극음이다. 이러한 tone burst음이 변형에도 불구하고 주파수 특이성을 유지하기 위해서는 plateau를 1회 주기(cycle) 이상, 그리고 상승과 하강 시간 또한 1회 주기 이상을 가지는 것이 좋다. 따라서 tone burst음은 저주파수로 갈수록 자극음의 지속시간이 길어지게 되고, 지속시간이 길어지면 유발전위의 동시성이 저하되기 때문에 기록되는 파형이 명확치 않아 역치 판정이 어려워지는 단점이 있다. 또한 저주파수의 자극음은 와우의 첨부 방향으로 진행하는 데 시간이 소요되므로 반응의 잠복기 또한 길어진다(Fig. 3). Tone burst음에서 plateau 없이 상승과 하강 시간만을 가지는 자극음을 tone pip음이라고 한다. 자극음의 극성 자극음의 극성(stimulus polarity)에는 압축상(condensation), 희박상(rarefaction), 그리고 교대상(alternating)이 있다. 압축상의 자극음은 변환기 진동판(transducer diaphragm)을 고막쪽으로 밀어 외이도의 공기분자를 압축시키고, 압축된 공기분자는 고막과 등골을 내측으로 밀어 와우 기저막이 고실계(scala tympani)쪽으로 움직이게 한다. 희박상의 자극음은 변환기 진동판을 고막 반대쪽으로 당겨 외이도의 공기분자를 희박하게 하고, 이어 고막과 등골이 외측으로 밀리면서 와우 기저막이 전정계(scala vestibuli)쪽으로 움직이게 한다. 이러한 기저막의 움직임으로 인해 유모세포에서 전위가 발생하고, 시냅스를 통해 청신경과 뇌간의 신경섬유에 활동전위가 발생한다. 희박상 자극음이 압축상 자극음에 비해 더 큰 진폭을 가지는 반응을 유발한다. 교대상 자극음은 압축상과 희박상을 교대로 사용하여, 자극잡음(stimulus artifact)을 상쇄시킬 수 있어 흔히 사용된다. 자극음의 강도 지속시간이 긴 순음(pure tone)의 경우 자극음의 강도를 dB HL(심리음향적 단위)과 dB SPL(물리적 단위)로 정한다. 즉 정상 청력을 가진 젊은 성인에서 각 주파수별 가청역치의 평균을 0 dB HL로 정하고, 20 μPa(0.0002 dyne/cm2)을 기준 음압(P0)으로 하여 이 기준 음압에 대한 측정 음압(P1)의 비(ratio)를 대수(logarithm)로 나타낸 것을 dB SPL(dB SPL=20 logP1/P0)로 정한다. 1 kHz 자극음을 기준으로 볼 때 정상 청력을 가진 성인의 가청 역치인 0 dB HL은 7.5 dB SPL에 해당한다. 반면 click음이나 tone burst음과 같이 짧은 지속시간을 가지는 자극음의 단위는 dB nHL(normal HL, 심리음향적 단위)과 dB peSPL(peak equivalent SPL, 물리적 단위)로 정한다. 0 dB nHL은 10~15명의 정상 청력을 가진 성인에게 초당 10~20회의 빈도로 click음을 주고 구한 가청역치이다. Click음과 같이 지속시간이 매우 짧은 자극음의 물리적 음압은 실제로 측정하기 어렵기 때문에 오실로스코프(oscilloscope)에 나타나는 click 파형(voltage waveform)의 정점(peak)을 기준으로 하여, 이와 동일한 진폭을 가지는 순음의 음압(dB SPL)을 차용하되 dB peSPL로 표현한다. 정상 청력을 가진 성인의 가청 역치인 0 dB nHL의 물리적 강도는 약 29.9 dB peSPL에 해당한다.2,3) 자극 빈도 자극 빈도는 초당 10~20회 정도가 적절하다. 자극음에 의해 흥분된 신경섬유가 안정되기 위해서는 최소한 20 ms 정도의 자극 간격이 필요한데, 자극 빈도가 많아지면 자극 간격이 짧아지기 때문에 진폭이 감소하여 파형 분석이 어려워진다. 변환기 변환기(transducer)는 검사기기에서 최초 발생한 전기신호(electrical signal)를 피검자가 들을 수 있는 음향신호(acoustic signal)로 변환하는 장치이다. 변환기에는 기도 청력 검사를 위한 supra-aural earphone, insert earphone, 그리고 골도 청력 검사를 위한 bone oscillator의 세 가지가 있으며, 임상에서는 주로 insert earphone과 bone oscillator가 이용된다(Fig. 4). Insert earphone Insert earphone은 변환기, 280 mm 길이의 튜브, 그리고 외이도에 삽입되는 충전마개(foam plug)로 구성된다(Fig. 4). 골전도로 인한 소리의 양이감쇄는 약 40~50 dB 정도이다. 따라서 supra-aural earphone을 사용할 경우, 자극음의 강도가 40~50 dB보다 클 때에는 차폐를 고려하여야 한다. 반면 insert earphone을 사용할 경우, 외이도에 삽입되는 충전마개가 외이도 연골부에만 접촉하기 때문에 양이감쇄의 효과가 커서 70 dB 정도의 자극음에서도 교차(crossover)가 일어나지 않는다. 따라서 insert earphone을 사용하면 청성뇌간반응 검사시 차폐가 필요한 경우가 거의 없어 검사가 편리한 장점이 있다. 또한 완충마개는 외이도 입구를 폐쇄하여 환경잡음을 약 30 dB 정도까지 줄여 주어, 평균가산 횟수를 줄이는 데 도움이 된다. 영유아의 경우 supra-aural earphone은 이개와 연골성 외이도를 눌러 외이도를 폐쇄시킴으로 인해 전음성 난청의 결과를 초래할 가능성이 있는데 반해, insert earphone은 외이도의 개방성을 안정적으로 유지해 주고, 어느 정도의 움직임에도 안정적으로 earphone의 위치를 유지해 준다.4) Bone oscillator 골도 청력 측정이 필요한 경우 bone oscillator를 사용한다. bone oscillator는 유양돌기 혹은 전두부에 부착하여 검사할 수 있는데 임상에서는 주로 유양돌기에 부착하여 사용한다. Click음을 자극음으로 하는 경우, insert earphone을 사용하면 넓은 주파수 범위에 걸쳐 비교적 동일한 강도의 출력을 보이는 데 반해, bone oscillator의 경우 2,000 Hz에 에너지가 집중되어 있고, 최고 출력도 35 dB nHL을 넘지 못한다.4) 차 폐 Insert earphone을 사용할 경우 click음의 양이감쇄는 약 65 dB 정도로 기도 청성뇌간반응 검사시 차폐가 필요한 경우는 드물다. 단, 일측성 난청에서 나쁜쪽 귀에 70 dB nHL 이상의 자극음을 가할 때, 혹은 반응의 잠복기가 비정상적이거나 I파가 나타나지 않을 때는 교차청취의 가능성이 있으므로 차폐를 고려하여야 한다. 차폐음으로는 광대역 잡음(broadband noise)을 사용하고, 차폐음의 크기는 50 dB nHL로 하면 거의 모든 경우에 과차폐나 저차폐의 우려 없이 안정적인 차폐가 가능하다.4) 기록 조건 기록전극은 활성전극(active electrode), 기준전극(reference electrode), 접지전극(ground electrode)으로 구성된다. 일반적으로 활성전극은 전두정중부(frontal pole zero, Fpz)나 두정부(central zero, Cz), 기준전극은 검사측 이개, 접지전극은 반대측 이개에 부착한다. 모든 전극의 저항은 3 kΩ 이하가 적당하고, 최대 5 kΩ을 넘지않도록 한다. 기록시간(analysis time)은 V파의 최대 잠복기를 고려하여 10~15 ms 정도로 설정한다. 청성뇌간반응은 매우 약한 전위을 가지는 신경반응이기 때문에 시각적으로 확인 가능한 반응을 얻기 위해서는 증폭이 필요하며, 증폭기(amplifier)를 이용해 약 100,000배 정도로 반응을 증폭하여 기록한다. 청신경과 뇌간에서 발생하는 전기신호를 제외한 불필요한 신호들, 즉 주변 전자기기의 전위, 근전위, 뇌파 등을 배제하여 신호대 잡음비를 향상시키기 위해 필터(filter)를 사용한다. 고역통과 필터(high pass filter)는 50~300 Hz, 저역통과 필터(low pass filter)는 3,000 Hz 정도로 설정한다. 필터를 사용하더라도 불필요한 잡음을 완전히 배제할 수 없기 때문에 평균가산을 통해 주변잡음을 상쇄시킨다. 평균가산 횟수는 1,000회 이상을 추천하며 만일 잡파의 혼입이 적으면 평균가산 횟수를 줄일 수 있다. 청성뇌간반응 역치를 통한 청력 역치의 예측 청성뇌간반응 역치 측정 청성뇌간반응의 역치는 V파가 나타나는 최소 강도로 정한다. 0 dB nHL이 정상 청력을 가진 성인의 click음에 대한 가청역치이지만, 정상 청력인에서 V파는 10 dB nHL 이하에서는 기록되지 않는다. 검사실마다 검사기기, 배경소음, 전기장의 상태 등이 다르고 이에 따라 정성 청력인 V파의 역치 또한 달라질 수 있기 때문에, 각 검사실마다 정상 청력을 가진 성인을 대상으로 청성뇌간반응 검사를 시행하여 정상치에 대한 기준을 가지는 것이 필요하며 항상 일정한 검사실 환경을 유지하는 것이 중요하다. 일반적으로 청성뇌간반응 역치 강도에서 V파의 잠복시간은 7.5~8.0 ms 이상이다. 자극 강도의 증가에 따라 잠복시간은 평균 0.38 ms/10 dB 정도의 비율로 감소하는데, 60 dB nHL 이상의 강도에서는 잠복시간의 단축이 현저히 줄어든다. 75~90 dB nHL 범위의 강자극에서는 V파의 잠복시간은 5.5~6.0 ms 정도이다.5) 잠복시간은 성별, 체온, 나이 등의 요인에 따라 다소간의 차이가 있으나, 역치에는 영향을 미치지 않는다. 시각적으로 확인 가능한 최소 진폭은 약 0.05 μV이다. 하지만 이는 배경잡파(background noise)에 의해 크게 영향을 받기 때문에, 검사시 배경소음을 최소화하고 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 강자극에서의 V파의 진폭은 0.5 μV 정도이고, 대개 1.0 μV를 넘지 않는다. 자극 강도가 증가할수록 진폭도 증가하는데, 잠복기와 마찬가지로 증가 정도는 비선형적이다.6) 청성뇌간반응 역치를 통한 청력 역치의 예측 Click음과 tone burst음에 대한 청성뇌간반응 역치와 순음청력역치는 강한 상관관계를 가지고 있어 청성뇌간반응 역치를 통해 순음청력역치를 예측할 수 있다.7,8,9) Sininger8)는 소아에서 click음에 대한 청성뇌간반응 역치와 평균 순음청력역치가 강한 상관관계(r=0.979)를 가지고 있다고 하였다. Stapells 등9)도 평균연령 31개월의 아동들을 대상으로 한 연구에서, notched-noise로 차페한 tone음을 이용한 청성뇌간반응 역치와 순음청력역치가 강한 상관관계를 가지고 있으며, 상관계수가 500 Hz에서 0.94, 2,000 Hz에서 0.95, 4,000 Hz에서 0.97로 거의 일대일에 가까운 상관관계를 보인다고 하였다. 국내 보고에서는 Kim 등10)이 평균연령 3세 4개월의 아동을 대상으로 한 연구에서 청성뇌간반응 역치와 순음청력역치가 강한 상관관계를 가지며, 500 Hz에서 0.98, 1 kHz에서 0.93, 2/4 kHz 평균 순음청력과 click 청성뇌간반응 역치간에는 0.92의 상관계수를 보인다고 하였다. 이와 같이 상관관계가 높다는 것은 두 가지 역치의 차이가 일정하다는 의미이다. 일반적으로 정상청력을 가진 피검자에서 청성뇌간반응 역치는 순음청력역치보다 약 10~15 dB 이내로 높게 측정된다.11) 하지만 이 차이는 검사 기기의 종류, 검사실의 소음 수준, 검사자의 파형 분석 기준 등 검사실의 환경에 따라 달라질 수 있기 때문에, 각 검사실마다 청성뇌간반응 역치와 순음청력역치간의 차이값을 확립하여 실제 검사결과 해석에 적용하여야 한다. 청성지속반응을 이용한 청력역치의 예측 청성지속반응은 지속적으로 가해지는 변조음(modulated tone) 자극에 의해, 청각전달로에서 지속적으로 발생하는 전기적 신호이다.10) 청성뇌간반응이 click음과 같은 짧은 지속시간을 가지는 자극음에 의해 청신경과 뇌간에서 발생하는 동기화된 활동전위를 기록하는 검사인 것과 대별된다. 청성지속반응의 발생기원(neural generator)은 자극음의 변조주파수에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다. 청성지속반응의 위상을 시간으로 환산하면 반응의 잠복기를 계산할 수 있는데, 이를 이미 발생기원이 밝혀진 다른 청각유발반응의 잠복기와 비교하여 발생기원을 추정할 수 있다. 변조주파수가 20 Hz 이하일 경우에는 일차청각피질과 연합피질이, 20~60 Hz 일 경우에는 중뇌, 시상, 일차청각피질이, 그리고 60 Hz 이상일 때는 뇌간이 발생기원으로 추정된다. 변조주파수가 낮아지면 피검자의 각성 상태가 검사 결과에 큰 영향을 미치기 때문에, 일반적으로 청성지속반응 검사는 70 Hz 이상의 변조주파수를 사용한다. 따라서 임상에서 측정하는 청성지속반응의 기원은 뇌간이라고 볼 수 있다.12) 청성지속반응의 자극음 청성지속반응에서는 순음(pure tone)의 진폭이나 주파수를 변조(modulation)시킨 변조음(modulated tone)이 자극음으로 이용된다. 이용되는 순음의 주파수를 반송주파수(carrier frequency)라고 하고 변조의 빈도를 변조주파수(modulation frequency)라고 한다. 순음의 진폭만을 변조하는 것을 진폭변조(amplitude modulation, AM), 주파수만을 변조하는 것을 주파수변조(frequency modulation, FM), 그리고 진폭과 주파수를 동시에 변조하는 것을 혼합변조(mixed modulation)라고 하며, 가장 큰 진폭의 반응을 얻을 수 있는 혼합변조음이 주로 이용되고 있다.13) 진폭변조의 다른 형태인 exponential modulation(AM2) 방식도 진폭의 크기를 증가시키며, 특히 500 Hz와 4 kHz 자극음에 대한 반응의 크기를 증가시킨다. 이렇게 진폭이나 주파수가 주기적으로 변조된 순음을 지속적으로 자극하는 청성지속반응은 자극음의 특성으로 인해 청성뇌간반응과 대비되는 다음의 몇 가지 특징을 가진다. 청성뇌간반응의 자극음은 지속시간이 매우 짧기 때문에 최대 자극 강도가 90~100 dB nHL 정도로 제한되어 있는 반면, 청성지속반응에서는 음자극이 지속적이기 때문에 최대 자극 강도가 120 dB HL 이상으로 심도 난청 환자의 잔존 청력 평가에 유용하다. 청성지속반응의 자극음은 변조된 순음이므로 주파수 특이성을 가지는데, 변조음의 실제 주파수 범위는 '반송주파수-변조주파수'에서 '반송주파수+변조주파수'까지로 반송주파수에서 가장 큰 에너지를 가지고, '반송주파수±변조주파수'에서 약한 에너지를 가진다. 변조주파수는 다양하게 설정할 수 있으나, 변조주파수가 70 Hz 이하가 되면 수면 상태 등 각성수준이 떨어질 경우 파형이 잘 기록되지 않기 때문에 실제 검사에는 70 Hz 이상의 변조주파수를 사용한다. 주파수와 진폭을 함께 변조하는 혼합변조음을 사용할 경우 보다 큰 진폭을 가지는 반응을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 진폭을 변조할 경우 주파수 특이성이 저하되기 때문에 진폭변조는 20%를 넘지 않는 것이 좋다. 서로 다른 반송주파수를 가지는 여러 자극음을 변조주파수를 서로 다르게 하여 자극하면, 각 자극음에 대한 반응을 동시에 기록할 수 있어 검사시간을 단축할 수 있다.14) 이 경우 자극음간의 간섭을 피하기 위해 일측 귀에 가해지는 자극음간에는 1옥타브 이상의 주파수 차이를 유지하고, 80 dB HL이상의 강자극음은 사용하지 않도록 한다. 기록 조건 진폭이나 주파수가 주기적으로 변조된 순음이 지속적으로 내이를 자극하면 청각전달로에서는 자극음의 변조(modulation)에 의해 유발된 에너지가 자극음의 변조주파수와 동일한 주파수를 가지는 뇌파가 지속적으로 유발되는데 이것을 기록한 것이 청성지속반응이다. 음 자극 동안 발생한 복잡한 뇌파 중 청각전달로의 반응을 추출하는데는 fast Fourier transformation(FFT) 방식이 이용된다. 즉, 음자극 동안 time domain으로 기록된 뇌파를 FFT 방식을 통해 frequency domain으로 전환한 후 자극음의 변조주파수와 동일한 주파수를 가지는 뇌파 성분의 진폭(amplitude)과 위상(phase)을 분석하여 반응의 유무를 결정한다(Fig. 5). 반응의 유무를 결정하는 분석 방법에는 phase coherence, magnitude squared coherence(MSC), 그리고 F-test 등이 있다.14,15,16,17,18) Phase coherence를 이용하는 방식은 지속적으로 기록된 반응의 위상이 통계적으로 유의하게 일치하면 반응이 있는 것으로, 위상의 일치도에 통계적 유의성이 없으면 반응이 없는 것으로 처리하는 방식이다.14,15,16) 반응의 위상만을 분석하는 phase coherence 방식에 비해 MSC 방식은 위상과 진폭을 함께 분석하는 방식이다. 즉 위상이 일치하고 진폭이 클수록 MSC 값은 증가하는데, 반응의 MSC 값이 클수록 반응이 있을 확률은 높아지며 통계처리를 통해 반응의 유무가 결정된다.14,17) F-test 방식은 자극음의 변조주파수와 동일한 주파수를 가진 뇌파성분의 진폭이 주변 뇌파의 진폭과 통계적으로 유의한 차이가 있으면 반응이 있는 것으로 처리하는 방식이다.18) 반응의 유무는 검사기기에 내장된 자동화 판정 알고리듬(automatic detection algorithm)에 의해 결정되므로 검사가 쉽고 검사자의 주관이 배제되어 객관성을 높일 수 있는 장점이 있다. 반응의 수집을 위한 전극의 부착은 청성뇌간반응에서와 유사하다. 두정부(vertex, Cz)나 높은 이마(high forehead, Fz)에 활성(active)전극을, 검사측 유양돌기에 기준(reference)전극을, 그리고 반대측 유양돌기나 전두정중부(Fpz)에 접지(ground)전극을 부착한다. 청성지속반응 역치를 통한 청력역치의 예측 청성지속반응 역치 측정 지속적인 음자극이 가해지는 동안 발생한 뇌파를 FFT 방식에 의해 frequency domain으로 전환한 다음 자극음의 변조주파수와 동일한 주파수를 가지는 뇌파 성분을 찾아 진폭과 위상을 분석한다. 현재 임상에서는 Grason Stadler/VIASIS사의 Audera®와 Bio-Logic Systems사의 MASTER®의 두 가지 검사기기가 주로 보급되어 있는데, Audera®에서는 위상의 일치 정도, 즉 phase coherence가 통계적으로 유의한 수준(p
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