Optimization of signal-to-noise ratio in short-duration SEP recordings by variation of stimulation rate
Vasileios Dimakopoulos et al. Clin Neurophysiol. 2023 Jun;150:89-97.
백설희
고려대학교안암병원
Introduction
체성감각유발전위검사(somatosensory evoked potential, SEP)는 체성감각신경계를 감시할 수 있는 검사로 수술중신경계감시(Intraoperative neurophysiological monitoring, IONM)에서 중요한 검사 중 하나이다. 정중신경을 자극하면 일차체성감각피질에서 형성된 파형이 20ms부근(N20)에서 측정된다. IONM에서는 수술의사에게 빠른 피드백을 주기 위해 가능한 빠르고, 일관성이 있으면서 정확한 SEP 검사가 요구된다. SEP의 신뢰성은 신호 대 잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR)로 평가할 있다. 수술 중 SEP 검사의 SNR의 최적화를 위해 대부분의 변수들에 대해 연구가 진행되었다. 하지만 자극빈도(stimulation rate)의 변화에 따른 영향은 수술 중 SEP에서는 몇몇 연구에서만 보고되었다. 자극빈도가 빨라지면 SEP 파형을 얻는 시간은 단축되는 장점이 있지만, SEP의 진폭은 감소하는 단점도 있다. 이전 연구에서는 최적은 SEP 자극빈도를 5.1Hz로 제시하였고, 각각의 사지에 교차자극을 통해 SEP 파형을 획득하였다. 본 연구에서는 사지 SEP를 각각 순차적으로 모니터링하는 경우, 보다 높은 자극빈도가 파형의 기록시간을 단축시키는 장점이 있을 것이라고 가정하였고, SNR을 결정하는 변수들을 체계적으로 변경하여 SEP검사에서 최적의 자극빈도를 찾고자 하였다.
Methods
본 연구는 총 19명(평균나이 58세)의 신경수술을 시행 받은 사람을 대상으로 하였다. 마취는 일반적인 신경수술의 표준 프로토콜에 따라 진행하였다. SEP는 20 mm 침전극을 이용하여 정중신경과 후경골신경을 자극하였고, 자극 시간은 200 μs, 자극 강도는 10-40mA로 square-wave 정전류펄스 (constant current pulse)로 자극하였다. 기록전극은 corkscrew 전극을 이용하여 10/20 시스템의 CPc-Cz 위치에 전극을 위치하여 기록하였다. 신호 측정 시 sampling rate는 20kHz, sweep speed는 상지 50ms, 하지 100msdlau, filter setting은 30 – 300Hz, 잡파 제거는 ±20 μV로 설정하였다. 본 연구에서는 자극빈도를 다양하게 하였으며, 2.7, 4.7, 8.7, 12.7, 16.7, 20.7, 24.7 그리고 28.7H로 자극하였으며, 기록은 2.7Hz, 4.7Hz에서는 300 sweeps 이상, 4.7Hz 보다 큰 자극에서는 600 sweeps 이상 하였고, 모든 기록은 최소 25 초 이상 기록하였다.
Results
● 5초 이내 N20 기록을 위한 최적의 자극빈도
자극빈도가 증가하면 sweep되는 파형의 개수도 증가하며(Fig 2a), N20의 파형의 진폭도 감소하는 경향을 보인다(Fig 2b). 각 자극 빈도마다 최적의 SNR을 계산하였을 때, 자극빈도를 12.7 Hz로 자극할 때 가장 높은 SNR을 22.9을 보였다(Fig 2c). 각 자극빈도와 SEP기록을 분석하였을 때, 12.7Hz로 자극하였을 때 가장 좋은 SNR을 보였고, 2.7Hz과 28.7Hz로 자극할 때 가장 나쁜 SNR를 보였다.
● 5초 이상 N20 기록을 위한 최적의 자극빈도
기록 시간이 긴 경우 N20의 SNR은 향상된다. 시간에 따른 SNR을 시각화해보면(Fig 5a), 2.7, 4.7, 8.7, 12.7, 그리고 16.7Hz 각각을 평가했을 때, 5초 지점에서는 12.7Hz로 자극할 때 SNR이 가장 높지만 20초 지점에서는 4.7Hz로 자극할 때 SNR이 가장 높다.
● P40 기록을 위한 최적의 자극빈도
후경골신경 SEP에서도 자극빈도에 따라 SEP P40 진폭의 감소를 보였으며, 자극빈도가 높아질수록 진폭은 감소하고 Noisesms 증가하는 양상을 보인다. 5초 기록하였을 SNR의 중앙값은 자극빈도가 4.7Hz일 때 가장 높은 결과 (SNR=19.7)을 보였다. 그리고 기록 시간이 20초까지 늘어날 때 SNR을 더 높아지는 양상(SNR=36.6)을 보였다. 따라서, 정중신경과 다르게 후경골신경 SEP에서는 모든 측정시간에서 자극빈도가 4.7Hz일 때 SNR이 가장 높은 것으로 확인되었다(Fig 7).
Conclusion
본 연구 결과, 정중신경SEP에서는 짧은 기록시간(5초)일 경우 자극빈도를 12.7Hz로 할 때 SNR 값이 가장 크고, 10초 이상의 기록시간에서는 자극빈도가4.7Hz일 때 SNR값이 가장 큰 것으로 확인되었다. 또한, 후경골신경SEP에서는 4.7Hz자극할 때 모든 기록시간에서 가장 좋은 SNR 값을 보였다. IONM에서는 수술의사에게 적시에 빠르고 정확한 피드백을 주는 것이 필요하다. 그러므로, 정중신경 SEP 감시할 때, 짦은 기록시간동안 평가하고 피드백이 필요한 경우에는 자극빈도를 12.7Hz로 하는 것이 유리할 것으로 생각된다.