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Technical Considerations of Effective Direct Cortical and Subcortical Stimulation
Korean J Clin Lab Sci 2022;54:157-162  
Published on June 30, 2022
Copyright © 2022 Korean Society for Clinical Laboratory Science.

Sung Hyuk Lim, Min Hwan Jang

Department of Neurology, Institute of Neuroscience Center, Samsung Medical Center, Seoul, Korea
Correspondence to: Sung Hyuk Lim
Department of Neurology, Samsung Medical Center, 81 Ilwon-ro, Gangnam-gu, Seoul 06351, Korea
E-mail: shlim1113@naver.com
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5344-6837
The first two authors contributed equally to this work.
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
The purpose of the direct cortical and subcortical stimulation technique is to prevent false positives caused by transcranial electrical motor evoked potentials (TceMEP) in surgery on patients with brain tumors that have occurred around the motor cortex and to preserve the correct mapping of motor areas during surgery and the corticospinal tract. In addition, it reduces the trial and error that occurs during the intraoperative neurophysiological monitoring (INM) process and minimizes the test time, so that accurate information is communicated to the surgeon with quick feedback on the test results. The most important factors of this technique are, first, examination at a stimulus threshold of a certain intensity, and second, maintaining anesthesia depth at an appropriate level to prevent false positives from occurring during surgery. The third is the installation of a multi-level channel recording electrode on the opposite side of the area of operation to measure the TceMEP waveform and the response to direct cortical and subcortical stimulation in as many muscles as possible. If these conditions are maintained, it is possible to predict causes that may occur in other factors, not false positives, from the INM test.
Keywords : Corticospinal tract, Direct cortical stimulation, Direct subcortical stimulation
서 론

경두개 전기자극 운동유발전위(transcranial electrical motor evoked potentials, TceMEP)는 뇌와 척수를 비롯한 중추신경계 손상을 막기 위한 수술에서 환자의 운동영역과 피질척수로(corticospinal tract)를 보존하는데 크게 기여하는 검사로 널리 이용되고 있다[1]. 하지만 수술 중에 운동경로를 실시간으로 평가하고 객관적으로 수치화 할 수 있는 유용한 검사임에도 불구하고 수술 중 환자의 검사 결과는 정상이었으나 수술 후 마비증상이 나타나는 위음성(false negative)이 혼재해 있어 단순히 이 검사만으로 환자의 예후를 예측하는 인자로서 한계가 있다[2, 3]. 이런 단점을 보완할 수 있는 방법으로 뇌의 운동영역을 자극하는 직접피질자극(direct cortical stimulation, DCS)과 직접피질하자극(direct subcortical stimulation, DSCS)의 시도로 환자의 운동능력을 부분적으로 세분화하여 평가할 수 있게 되어 기존의 TceMEP검사법으로 뇌 전체에 전반적인 자극으로 인한 반응으로 유발된 파형을 보는 방법 보다 더욱 신뢰도가 높은 결과를 제공할 수 있게 되었다[4]. DCS나 DSCS가 필요한 환자군은 일차운동영역(primary motor area)이나 일차감각영역(primary sensory area) 근처에 종양이 위치하여 그 경계를 구분하기가 어려운 환자이거나 종양의 위치가 피질척수로와 인접한 위치에 있어 수술 중 손상으로 인해 운동경로에 직접적인 손상이 우려되는 환자를 대상으로 한다. 직접피질자극으로 운동영역을 자극해서 특정 근육에서 나타나는 반응을 알아보는 지도화(mapping)와 이를 통해 알게 된 부위를 지속적으로 검사하는 모니터링의 개념이 존재한다. 기존의 DCS 술기는 대뇌피질에 연속적이고 지속적인 자극방식으로 같은 세기의 자극을 한자리에 10초간 양극성 자극기(bipolar stimulator)를 이용하여 자극하는 방법으로 자극 이후에 전위를 관찰할 수 있었으나 자극에 의해 뇌의 운동영역이 활성화되고 전위가 발생한 이후에 그 반응이 확산되어 발작의 위험이 있고, 한번이라도 발작이 있을 경우 동일한 위치에 반복해서 자극을 주는 일이 매우 위험하며, 수술 중 마취의 상태를 매우 낮은 수준으로 유지해야 하므로 수술을 시행하는 도중 환자의 각성위험 또한 존재했다. 무엇보다 양극성 자극기로 자극할 경우 자극기의 음극과 양극의 두 점 사이에 국소적인 자극이 발생하기 때문에 어느 정도의 자극세기에서 반응이 유발되는지 특정할 수 없어 정확한 자극의 역치(threshold) 값을 찾기 어렵고 대뇌피질의 mapping을 위한 시간이 많이 소요된다. 이런 위험인자들을 보완하기 위한 방법으로 단극성 자극기(monopolar stimulator)를 이용해 단일 자극에 의해 유발된 반응을 기록함으로써 수술 중 더 안정적으로 검사할 수 있게 되었다[5]. 이에 본 논문에서는 원활한 DCS 및 DSCS를 위한 검사 술기에 대해 고찰하고자 한다.

재료 및 방법

1. 검사장비 및 설정

신경계 추적감시 장치는 Xltek Protektor IOM system (Natus Medical Incorporated, Plesanton, CA, USA)를 사용하였다. TceMEP와 DCS의 설정값은 Table 1과 같다.

Filter setting

Input range Reject threshold LFF HFF Time base (ms/div)
MEP ±2.5 mV ±1.5 mV 10 Hz 1 KHz 10
DCS or DSCS ±50 μV ±15 mV 10 Hz 3 KHz 10

Abbreviations: DCS, direct cortical stimulation; DSCS, direct subcortical stimulation; HFF, high frequency filter; LFF, low frequency filter; MEP, motor evoked potentials.



2. 검사 종류

1) 경두개 전기자극 운동유발전위(transcranial electrical motor evoked potentials, TceMEP)

근이완제나 마취 가스등 마취제의 영향으로 근육에서 측정한 복합근육활동전위(compound muscle action potential, CMAP) 파형의 진폭이 전체적으로 감소되거나 수술과정에서 운동영역의 손상으로 인해 특정부위만 감소되는지 정확히 알기 위해 수술부위와 상관없이 양쪽의 상지와 하지에 전극을 설치한다. 다만 수술에 의해 직접적인 영향을 받는 수술 반대 부위 즉 대뇌의 운동영역과 관련된 근육은 수술 후에 환자의 운동등급에 직접적인 영향을 주는 부위이기 때문에 수술 중 손상이 있을 수 있음을 고려하여 추가적으로 전극을 설치한다. 상지에는 엄지모음근(abductor pollicis brevis, APB)과 새끼벌림근(abductor digiti quinti, ADQ), 하지에는 앞정강근(tibialis anterior, TA)과 발바닥 엄지벌림근(abductor halluces, AH)에 전극을 환자의 양쪽 상지와 하지에 삽입하는 것을 기본으로 하고 여기에 수술 부위와 직접적으로 관련이 있는 수술 반대편 부위의 근육은 추가적으로 얼굴에서는 피질뇌간로(corticobulbar tract)를 평가할 수 있도록 입둘레근(orbicularis oris), 턱근(mentalis), 상지에는 삼각근(deltoid), 이두근(biceps), 자쪽손목굽힘근(flexor carpi ulnaris, FCU), 하지는 외측광근(vastus lateralis, VL), 장딴지근(gastrocnemius, GN) 등 육안적으로도 식별가능한 부피가 큰 근육에 추가로 전극을 설치한다(Figure 1). 장비에서 제공되는 채널이 많은 경우라면 더욱 세분화하여 여러 근육에서 파형을 기록할 수 있어 가능한 많이 설치하는 것이 효과적이다. 자극 부위는 international 10-20 electrode system부착법에 따라 C3, C4부위에 자극을 하지만 자극할 부위가 부득이하게 수술부위와 겹치는 경우가 많고 이런 위치에는 정확한 자극위치 선정이 어려워 원활한 자극을 할 수 없다. 이런 경우에는 어쩔 수 없이 기존의 C3, C4와 최대한 가까운 부분에 자극전극을 설치해 검사를 한다. 만일 검사가 원활하게 되지 않거나 환자의 운동등급에 위약이 없는데 검사결과에 좌우차가 있다면 점퍼케이블을 이용해 추가로 F3와 F4를 자극부위로 선택해 볼 수 있다(Figure 2). 하지만 파형의 진폭이 크고 파형이 원활하게 측정된다고 해서 검사가 정확하다고 단정지을 수는 없으며 이는 C3+F3, C4+F4의 원리로 자극된 것으로 운동피질만 선택적으로 자극된 것이 아니고 보조운동영역(supplementary motor area, SMA)까지 전반적으로 자극되어 기록된 파형이기 때문에 C3, C4에만 자극을 했을 때보다 파형의 진폭이 크게 측정된다. 이외에도 P3+P4 부위를 후 순위적으로 선택하기도 한다. 하지만 이와 같은 검사법이 유용한 것인지 수술 후 환자의 예후에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다. 또한 수술 중 검사에서는 파형의 감소가 발생하였으나 수술 후 운동등급에는 이상이 없는 위양성(false positive)을 방지하기 위해 수술 전 환자의 운동등급 확인하여 검사상 좌우차가 존재하는지 확인하고 검사의 역치 값을 반드시 측정하여 역치 만큼의 자극으로 지속적인 검사를 해야 한다. 역치 보다 강한 자극에서는 자극의 세기가 증가할수록 파형도 점진적으로 크게 측정되고 이런 상태가 지속되면 수술 중 환자에게 운동능력의 감소가 발생하더라도 발견하지 못할 가능성이 크기 때문이다.

Fig. 1. Recorded of TceMEP waveforms using multiple channels.
Fig. 2. TceMEP stimulation using electrode jumper cable with C3+F3, C4+F4.

2) 직접피질자극(direct cortical stimulation, DCS)과 직접피질하자극(direct subcortical stimulation, DSCS)

DCS와 DSCS를 위한 기록전극의 설치는 앞서 언급한 TceMEP의 기록전극의 채널을 그대로 이용해 기록하며 가능한 많은 근육에 전극을 설치하면 환자의 운동등급을 세분화하여 평가하는데 효과적이다. DCS는 피질의 국소부위 만을 자극해서 그에 해당하는 근육에서 복합근육활동전위를 확인함으로써 그 부분의 기능을 확인하고 기능이 존재하는 부위를 피해 수술을 진행한다. 이 술기는 수술이 진행되기 전에 기능을 확인하는 기능의 매핑(mapping)으로써의 기능과 수술 중 지속적으로 같은 부위에 같은 세기의 자극으로 그 기능이 원활하게 유지되는지 확인하고 수치를 기록하는 모니터링의 기능으로 수술 중에 유용하게 사용될 수 있다. 이와는 조금 다르게 피질하(subcortex)를 자극하는 DSCS에서는 피질척수로(corticospinal tract)의 전체적인 자극으로 팔이나 다리의 근육에서 전체적으로 반응이 나올 수 있다. 하지만 DSCS는 피질자극의 지도화 개념을 포함하여 피질척수로와의 거리를 예측하는데 더 유용하게 이용된다. 종양이 피질척수로를 밀어내고 있는 형태에서는 종양을 자극할 때 복합근육활동전위가 측정되지 않지만 종양이 점차 제거되면서 피질척수로와 종양 간의 거리가 가까워지면 반응이 나타난다. 그래서 종양을 제거하기 시작하는 수술 초기에는 약 20∼25 mA 정도의 강한 자극으로 검사를 해보고 강한 자극에도 반응이 나타나지 않으면 자극을 시작한 곳으로부터 피질척수로와의 거리가 그만큼 멀다는 것을 의미하므로 안정적으로 종양을 제거할 수 있다(Figure 3) [6, 7]. 이후 파형이 나타나기 시작하면 자극하는 세기를 줄이고 자극의 세기가 3∼5 mA정도의 세기에도 반응이 나타나면 종양과 피질척수로의 거리가 3∼5 mm정도로 인식할 수 있기 때문에 수술을 중재할 수 있다(Figure 4). 그리고 최근에는 흡입기(suction)에 연결하여 사용하는 흡입기일체형 자극기(suction stimulator)의 사용으로 수술을 하는 동안 수술을 멈추지 않고 지속적으로 자극을 할 수 있어 이전보다 빠른 피드백을 제공할 수 있게 되었다(Figure 5).

Fig. 3. Motor area mapping of Direct cortical stimulation. Waveforms were recorded specifically in the hand (A) and leg (B) motor areas when stimulated with 20 mA.
Fig. 4. Direct subcortical stimulation. When stimulated around the corticospinal tract, the response is recorded even at low stimulation intensity of about 5 mA.
Fig. 5. Monopolar suction probe.

3) 마취유지

DCS를 시행하는 수술에서의 전신마취는 검사결과에 영향을 미친다[8]. 다량의 근이완제가 투여된 깊은 수준의 마취에서는 TceMEP와 DCS에서 자극을 해도 근수축이 일어나지 않기 때문에 파형이 형성되지 않는다. 또한 종양으로 인해 환자에게 위약감이 있는 경우에도 원활한 검사가 이뤄지지 않을 수 있다. 그래서 사연속자극방법(train of four, TOF)으로 정중신경(median nerve)과 후경골신경(posterior tibial nerve)을 25∼40 mA의 최대상자극(supramaximal stimulation)으로 4회 연속 자극한 뒤 엄지모음근(adductor pollicis brevis muscle)과 발바닥 엄지벌림근(abductor hallucis muscle)에서 각각 기록된 파형의 진폭이 1000 μV 이상으로 측정된 경우를 TOF 1회로 정하고 같은 조건하에 TOF가 2회 이상 측정되고 TceMEP에서도 진폭의 크기가 양측 상지와 하지에서 500 μV 이상으로 원활하게 측정될 경우 근이완제의 영향에 따른 파형의 진폭감소가 없도록 근이완제의 농도를 일정하게 유지하도록 마취과와 협조를 통해 조절한다(Figure 6) [9]. 마취에 의한 영향은 종양을 제거한 이후 수술 부위를 봉합하는 과정에서도 일정한 마취유지가 되지 않으면 수술 이후 늦게 나타나는 파형의 변화(delayed change)에 대해 판단하기 매우 어려운 상태가 되어 수술에 혼란을 가져올 수 있다. 마취에 의해 파형의 진폭이 전체적으로 감소가 되더라도 근육에 따라 감소되는 속도와 회복하는 속도가 다르기 때문에 파형의 변화에 대해 판단하기가 매우 어렵다. 따라서 수술이후에 집도의사의 검사 필요여부에 따라 마취의 심도를 조절하는 것이 좋을 것으로 생각된다.

Fig. 6. Recorded train of four with upper limb and lower limb.

4) 자극방법

전기자극의 종류에는 항전류(constant current)와 항전압(constant voltage)을 이용하는 방법이 있고 자극기는 단극성 자극기와 양극성 자극기가 주로 사용된다. 과거에는 양극성 자극기를 이용해 항전압 방식으로 대뇌 피질에 10초간 지속적으로 자극하는 방법을 이용해 검사를 했다. 하지만 마취의 심도가 낮을 경우 수술 중 각성의 위험이 있고 강한 전기 자극으로 인한 발작의 위험이 크다. 그래서 단극성 자극기(monopolar stimulator)를 이용해 항전류방식의 음극 자극(cathodal stimulation)을 이용해 좀 더 빠른 자극속도의 단일 자극의 방식으로 검사를 진행한다(Table 2). 그리고 자극기의 기준전극은 수술 부위의 동측 전두엽이나 후두엽에 삽입하는데 이는 해부학적으로 대뇌가 반구로 나뉘어져 있고 TceMEP 검사에서는 자극전극의 기준전극을 반대측 반구에 설치하는데 이런 경우 대뇌전체가 흥분되어 자극 반대측의 상지와 하지가 전체적으로 활성화되는 특징이 있어 이와 같은 현상을 방지하고 국소부위의 활성을 유발하기 위해 이와 같이 한다[10]. 최근 피질과 피질하의 자극방법에 따른 연구에 의하면 피질에서는 양극의 자극, 피질하에서는 음극자극이 더 반응을 얻기 좋다는 연구로 검사 방법의 유용성을 확인하였으나 추가연구로 검사법의 우월성 확인이 필요하다[11].

Stimulation parameters

Stimulator type Bipolar Monopolar
Filter setting LFF: 40 Hz, HFF: 250 Hz
Stimulation mode Repetitive train (300 Hz) Single train (5 pulse)
Pulse rate 30 Hz 500 Hz
Stimulation intensity (constant current) 1∼25 mA 1∼30 mA*
Sensitivity 100 μV/div 50∼100 μV/div
Time base 240 ms/div 10 ms/div

*Reference electrode: Ipsilateral frontal.

Free running electromyogram.


고 찰

양극성 자극기를 이용한 DCS의 술기는 방법적인 측면에서 볼 때 검사 중 가장 어려웠던 부분은 국소부위만을 자극시키는 자극기의 특성, 자극세기(intensity)와 자극지속시간(duration)의 설정, 낮은 수준의 마취심도의 조절이었다. 강도가 약한 세기의 자극과 짧은 기간의 자극지속시간은 대뇌피질이 충분히 흥분할 수 없었고 결론적으로 환자에게서 반응이 나타날 때까지 지속되는 검사로 인한 수술이 지연되고 반대로 강한 세기의 자극 긴 기간의 자극지속시간은 대뇌피질의 흥분이 빠른 반면 그 흥분이 확산되고 심한 경우 전신강직간대발작(generalized tonic-clonic seizure, GTCs)으로 이어진다는 단점이 있다. 이런 경우 같은 부위에 다시 자극을 줄 수 없고 환자의 안전적인 측면을 고려했을 때 더 이상 검사를 진행하기 어렵다. 결론적으로 환자마다 제각기 다른 반응의 역치 세기를 찾는 것이 매우 어렵고 역치를 찾는다고 하더라도 free running EMG상에서 나타나는 반응이 완전히 사라진 후 다시 다른 곳을 자극해야 하며, 다시 자극을 해서 반응을 얻는다고 해도 자극의 세기가 강해서 반응이 나오는 것인지 기능이 있는 부분이지만 자극의 세기가 약해서 반응이 없는 것인지 분별하기가 어려워 부정확한 결과를 가져온다. 반면 단일 자극방법으로 검사하는 경우 대뇌가 흥분할 때까지 기다릴 필요가 없이 단일 자극으로 자극된 파형을 기록하기 때문에 자극 시간이 짧고, 자극에 대한 응답시간이 빠르며, 환자의 발작에 대한 위험성 또한 적음을 확인할 수 있었다. 뇌종양 수술의 신경계 감시에서 DCS와 DSCS는 기존의 TceMEP만 의존하던 검사에서 발생되는 위음성을 방지하고 보완하는 의미의 검사로써 충분한 가치가 있다. 그래서 최근에는 단극성 자극기를 이용하는 방법을 더 많이 이용되고 있다. 또한 기저질환이 있어 운동등급이 떨어질 환자에서는 TceMEP 검사상에서 파형이 나타나지 않을 수 있는데 DSCS 로 피질척수로가 자극될 경우 피질척수로는 마취의 영향이 TceMEP에 비해 상대적으로 적기 때문에 마취심도와 별개로 파형을 관찰할 수 있어서 수술 중 최대한 피질척수로의 손상을 방지하며 수술을 진행할 수 있다.

요 약

본 술기의 목적은 운동피질 주변에 발생한 뇌종양 환자의 수술에서 TceMEP로 인해 발생하는 위양성을 방지하고 수술 중 운동영역의 정확한 매핑과 피질척수로 보존하기 위함이다. 또한 검사과정에서 발생하는 시행착오를 줄이고 검사시간을 최소화하여 검사결과에 대한 빠른 피드백으로 수술하는 의사에게 정확한 정보를 전달함에 있다. 본 술기의 가장 중요한 요소는 첫번째로 일정 세기의 자극역치로 검사해야 하는 것과 두번째로는 일정 수준의 마취농도를 적정 수준으로 유지하는 것이 수술 중 발생하는 위양성을 막는 기본적이 요소이다. 세번째로는 수술하는 반대쪽 부위에 다중 채널을 이용한 기록전극의 설치로 최대한 많은 근육에서 TceMEP파형과 집접피질자극 및 직접피질하 자극에 대한 반응을 측정하는 것이다. 이런 조건들이 수술이 진행되는 동안 원활하게 유지된다면 검사에서 오는 위양성이 아닌 그 밖의 요인들에서 발생할 수 있는 원인들을 예측할 수 있다.

Acknowledgements

None

Conflict of interest

None

Author’s information (Position)

Lim SH, M.T.; Jang MH, M.T.

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