Three Dimensional Measurement of Spontaneous, Positional, Positioning(Dix-Hallpike) and Post Head Shaking Nystagmus in Cats.

Chae, Sa Yong; Kim, Que Chic

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 41(11); 1998 > Article

Original Article

Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1998;41(11): 1383-1390.

Three Dimensional Measurement of Spontaneous, Positional, Positioning(Dix-Hallpike) and Post Head Shaking Nystagmus in Cats.

Sa Yong Chae, Que Chic Kim

Department of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, College of Medicine, The Catholic University of Korea, Seoul, Korea.

고양이에서 3차원적 안구운동 측정장치를 이용한 자발안진, 두위안진, 두위변환안진, 두진후안진의 측정

채세용 · 김규식

가톨릭대학교 의과대학 이비인후과학교실

주제어: 고양이ㆍ안진(자발, 두위, 두위변환, 두진후)ㆍ3차원적 측정.

ABSTRACT

BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Measuring the eye movements including nystagmus is an essential step in the evaluation of dizzy patients. Therefore, it is necessary to observe and record the eye movements in animal for better understanding of human vestibular function. In this study, we investigated spontaneous, positional, positioning (Dix-Hallpike), post head shaking nystagmus in normal cats.
MATERIALS AND METHODS:
In ten normal cats, we measured the eye movements in vertical, horizontal and torsional planes using magnetic search coils with eyes open (EO), and eyes open in darkness (EOD). The eye movements were recorded with the head in neutral, tilted, hanging, and Dix-Hallpike positions as well as after head-shaking.
RESULTS:
1) Positional nystagmus was present in 3 cats on the head hanging position. 2) Among the three cats which had positional nystagmus, one cat also had positioning nystagmus on Dix-Hallpike maneuver. 3) On repeated positional stimulations, the latency of nystagmus was increased and the duration and the slow phase velocity were decreased. 4) In the follow-up experiment after one month, the positional nystagmus was induced in the two same cats. 5) Spontaneous and post head shaking nystagmus were not present in any of the ten cats.

Keywords: CatㆍNystagmus(Spontaneous, Positional, Positioning (Dix-Hallpike), Post head shaking)ㆍThree dimensi-onal measurement

서론 내이 평형기관을 자극할 때 전정안구반사(Vestibulo-Ocular Reflex：VOR)에 의해 나타나는 안구운동을 측정하는 것은 어지러움증 환자의 내이 평형기능을 평가하는데 필수적인 방법이다. 또한, 동물에서 안구운동 변화를 관찰하는 것은 사람의 내이 평형기능을 이해하고 어지러움을 일으키는 병의 원인을 규명하는데 중요한 방법으로 현재까지 여러가지 동물을 대상으로 다양한 실험들이 진행되어 왔다. 그중에서도 고양이를 대상으로 내이 및 중추신경계에 인위적 병변을 만들거나, 1)2) 내임파액과 비중이 다른 물질을 투여한 후 안구운동의 변화를 관찰하거나 3) 온도자극 후 안진반응을 측정하거나, 4) 회전자극에 따른 전정안구반사 및 시운동성(optokinetic) 안진을 측정하는 실험 5) 등이 시도되었다. 그러나 정상 고양이에서의 자발(spontaneous) 안진이나 두위(positional) 안진, 두위변환(positioning) 안진, 두진후(post head shaking) 안진에 대한 상세한 보고는 없으며 안구운동을 정확히 측정하는 자기탐지코일(magnetic se-arch coil)을 이용하여 이를 측정한 보고는 없다. 따라서 저자들은 신경학적으로 정상인 고양이를 대상으로 내이 평형기관의 자극에 따른 안구 운동을 자기탐지코일을 이용한 3차원적 측정장치를 사용하여 자발안진, 두위안진, 두위변환안진, 두진후안진을 측정할 목적으로 연구하였다. 재료 및 방법 재료 평형기능과 관계있는 신경계의 선별검사로 걸음걸이, 머리두기(head position), 공액 안구운동(conjugate eye mo-vement), 시각과 시력, 내이평형 기능(vestibular function)과 심부체성감각 반사(proprioceptive reflex)가 정상적이고 양측 고막과 청각-이개 반사(Preyer's reflex)가 모두 정상인 고양이 10마리(체중：2.8∼4.7 kg)를 암수 구별없이 선택하여 사용하였다. 이때 시각과 시력 검사로는 위협반사(menace test), 미로검사(maze test), 시각에 의한 몸 바로두기 반사(visual placing reflex)(Fig. 1a)를 검사하였으며 내이평형기능은 인형눈 운동검사(doll's eye mo-vement)와 바로두기 반사(righting reflex)(Fig. 1b)를 검사하였고 심부체성감각 반사로는 촉각에 의한 몸 바로두기 반사(tactile placing reflex)(Fig. 1c), 앙감질 반사(hop-ping reflex)(Fig. 1d)를 검사하였다. 실험방법 각성 상태를 유지하면서 실내조명하에 눈을 뜬 상태(ey-es open, EO；명시야)와 암시야 개안 상태(eyes open in darkness, EOD；암시야)에서 각각 자발안진, 두위안진, 두위변환안진, 두진후안진을 자기탐지코일 장치 6)를 이용한 3차원적 안구운동 측정장치 7)8)를 이용하여 기록, 분석하였다. 자극장치 자극장치는 조정 컴퓨터, 모터 조절기, 모터로 구성되며 모터 조절기와 모터는 닫힌 회로로 조절(closed loop servo control)하였다. 모터는 높은 회전력을 지닌 직접 구동(direct drive brushless) 모터(Megatorque, NSK, Ja-pan) 2대를 사용하여, 2대의 모터가 마주보고 하나의 회전축으로 지면과 평행하게 놓여 각각의 모터 조절기에 따라 동시(synchronized)에 움직인다. 동물 고정틀을 모터 회전축위의 회전대 위에서 수평이동, 수평회전, 수직이동 및 90도 옆으로 기울임으로써 수직면(vertical plane), 수평면(horizontal plane), 관상면(torsional plane)에서의 회전자극을 줄 수 있게 제작하였다(Fig. 2). 동물 고정 동물의 머리고정은 본 연구실에서 고안한 상악골 핀 고정(transmaxillary pin fixation)법을 사용하였다. 동물실 환경에 적응된 고양이를 실험에 앞서 최소한 2주일 전에 xylazine(3 mg/kg) 및 ketamine(20 mg/kg)을 근주하여 전신마취시킨 다음 무균적으로 견치와 피하조직에 2% xylocaine 1∼2 cc를 주사한 후 안면신경이 손상 받지 않도록 신경의 주행방향과 평행하게 작은 절개를 가하였다. 골막까지 노출하여 뼈를 노출시키고 미리 소독된 직경 2 mm의 Steinmann pin(Zimmer, Indiana, USA)을 전기 드릴을 사용하여 한쪽의 견치와에서 시작하여 상악골을 관통하여 반대편 견치와로 나오게 하였다. 따로 제작해 놓은 소형 나사를 외부로 나와있는 핀 양단에 고정해 핀의 움직임을 방지하였다. 수술후 3일간 항생제 주사와 2주간 핀주위에 항생제 연고를 발라 주었다. 실험중 동물의 머리가 움직이는 것을 방지하기 위하여 핀의 양끝을 고정상자에 있는 핀잡이(pin holder)로 고정하고, 고양이의 몸은 자루에 넣어 역시 고정상자에 Velcro로 고정시켰다. 고정상자는 모터 회전축의 동물대(animal pl-atform) 위에 조임 나사로 고정시켜 동물의 머리와 몸이 하나로 움직이게 하였다(Fig. 3). 이때 고양이 머리의 정중 시상면이 회전축과 일치하게 두어 머리의 갸웃(torsional) 운동을, 회전축과 수직으로 두어 머리의 끄덕(vertical) 운동을, 머리를 90도 눕혀 회전축에 수직으로 놓아 머리의 도리(horizontal) 운동이 일어나게 하였다. 실험중 동물의 위치및 움직임을 비디오 카메라와 모니터를 이용하여 감시하였고 실험 도중 동물의 안전에 문제가 예상되거나 동물이 이상 반응을 보이는 경우에는 즉시 조작을 중단하고 살펴 보았다. 안구운동측정 안구운동의 측정은 탐지 코일(search coil), 자기장 코일(field coil), 보정 코일(calibration coil) 및 탐지용 전기회로로 이루어진 자기장 탐지 코일 장치를 이용하였다. 탐지 코일로 사용한 안구 코일(eye coil)은 직경 약 13 mm의 투명한 반구형 실리콘 판에 직경 0.04 mm 동선을 원형과 8자형으로 감아 심어 제작하여 원형 코일은 안구의 도리 운동과 끄덕 운동을, 8자형 코일은 안구의 갸웃 운동을 측정하는데 사용하였다(Fig. 4). 첫 실험전 최소한 2주 전에 왼쪽 눈의 순막(nictating membrane)을 제거하였다. 동물을 고정한 후 0.5% pontocaine 2∼3방울을 점안하여 각막과 결막을 표면마취한 다음 왼쪽 눈의 각막위에 안구 코일을 위치시키고 중앙부를 가볍게 눌러 부착시켰다(Fig. 3). 자기장 코일은 직경 20 cm Helmholtz형 코일 2쌍을 머리 주위를 둘러싸고 있는 정육면체의 고정상자 위의 서로 마주 보는 시상면과 수평면에 1개씩 고정하여 각각 쌍을 이루도록 하고 시상코일은 안구의 도리 운동때, 수평코일은 안구의 끄덕 운동과 갸웃 운동때 안구 코일의 움직임에 따라 각 자기장에서 전압이 유도되게 하였다. 안구위치 보정 코일은 시상면의 자기장 코일과 10도씩 전후로 대각선 위치에 1쌍, 수평면의 자기장 코일과 10도씩 전후, 좌우로 대각선 위치에 2쌍, 모두 3쌍이 있어 각각 안구의 도리 운동, 끄덕 운동, 갸웃 운동때 정해진 안구의 위치가 나타내는 전압의 크기를 알 수 있게 되어 유도되는 전압을 안구위치로 환산하는 보정에 이용하였다. 보정 코일의 실제 위치각도와, 안구운동과 자기유도된 전압사이의 관계, 그 측정치의 민감도(sensitivity), 안구위치와 유도전압사이의 직선관계(linearity) 등은 모형안구를 이용하여 측정하였다. 자극방법 (1) 자발안진은 머리를 바로하고 눈이 정면을 향한 상태에서 내이의 바깥 반고리관이 지면과 평행하게 놓였을 때 모터의 움직임 없이 안구의 운동을 측정하여 완서상 속도가 초당 6도 이상의 안진이 1분간 이상 지속될 때 자발안진이 있다고 판단하였다. 9) (2) 두위안진은 머리를 관상면에서 각각 우측과 좌측으로 90도 기울였을 때와 수직면에서 180도 뒤로 머리를 젖힌 상태에서 측정하였다. 이때 모터의 움직임을 최저 한계 속도인 초당 5도로 느리게 설정하여 급격한 움직임에 따라 두위변환안진이 생기지 않도록 하였고 기록상 3개 이상의 안진이 연이어 나타날 때 두위안진이 있는 것으로 판단하였다. (3) 두위변환안진은 머리를 수직면에서 각각 45도 우측과 좌측으로 향하게 한 후 135도 뒤쪽으로 초당 85도로 회전시켜 주로 좌, 우의 뒤 반고리관이 자극되게 하였다. (4) 두진후안진은 세 평면에서 2 Hz의 주파수로 20초간 머리를 양 방향으로, 진폭 20도로 흔든 다음 안구운동을 기록하였다. 모터가 멈춘 직후의 2초 이후 세 개 이상의 안진이 연속적으로 나타날 때 안진이 있다고 판정하였다. 10)11) 모든 안진은 명시야과 암시야의 두가지 조건에서 최소한 1분동안 기록하였으며 안진이 계속 나타나는 경우 안진이 사라질 때까지 연장하여 기록하였다. 실험중 동물의 각성을 유지하기 위하여 특별한 조작은 하지 않았으며 실험하는 동안 기면을 보이는 경우는 없었다. 자극과 기록 과정을 신속하게 진행시켜 동물이 겪는 불편을 최소한으로 하였다. 자극은 매 실험마다 10분 간격으로 2회 반복하였고 추적실험은, 신경학적 검사에서 정상이더라도 두위안진 검사와 같은 특정한 검사에서는 안진이 나타날 수 있으므로, 이런 안진이 자연 소실되는 시기를 고려하여 초기 실험으로부터 1개월의 간격을 두고 같은 방법으로 추적실험을 하였다. 자료의 수집과 분석 IBM PC에서 DOS를 이용한 LABMaster A/D board (Lab Master DMA, Scientific Solutions Inc, Ohio, USA)에서 4개의 analog 채널에 3개의 눈 위치 신호와 1개의 자극 신호를 수집하며 문장 화일로 저장하였다. 즉 안구의 3차원적 운동은 채널 1, 2, 3에, 모터의 움직임은 채널 4에 각각 동시에 기록되었다(Figs. 5 and 6). 자료의 분석은 Macintosh용 분석 프로그램인 Acqkno-wledge(version 3.0)를 이용하여 눈 위치 신호를 미분하여 속도를 구한 후 컴퓨터의 그래픽 터미날 화면에서 커서를 이용하여 기록중 최대의 속도를 나타내는 연속된 3개의 파형을 골라 평균하여 완서상 속도를 산출하였다. 본 실험에서는 안진의 잠복기, 지속시간, 완서상 속도를 구하였다. 실험 장치의 특성 이 system의 직선관계는 45도까지였고 민감도는 0.05도였다. 결과 안진의 출현 빈도와 지속성 10마리의 고양이중 3마리(C2, C7, C8)에서 머리를 뒤로 젖히고 눕혔을 때 두위안진이 나타났다(Fig. 5). 이 중 한마리(C2)에서는 두위변환 안진이 양측에서 나타났다(Fig. 6). 자발안진, 두진후안진 자발안진과 두진후안진은 실험 과정중 나타나지 않았다(Table 1). 두위안진 두위안진은 머리를 좌, 우로 90도 기울였을 때에는 나타나지 않았고 뒤로 머리를 젖히고 눕혔을 때 초기실험에서 C2에서는 암시야에서만, C7, C8에서는 암시야 뿐만 아니라 명시야에서도 나타났으며, 추적실험에서 역시 C2에서는 암시야에서만, C8에서는 암시야, 명시야 모두에서 나타났으나 C7에서는 암시야, 명시야에서 모두 나타나지 않았다(Table 1). 두위변환안진 두위변환안진은 C2에서만 볼 수 있었는데 초기실험에서는 우측으로 두위변환시켰을 때 암시야에서, 좌측으로 취했을 때에는 명시야, 암시야 모두에서 나타났으며, 추적실험에서는 우측으로 취했을 때 역시 암시야에서 나타났지만 좌측으로 취했을 때에는 명시야, 암시야 어느 조건에서도 나타나지 않았다(Table 1). 안진의 특성 초기실험의 1차 자극시에 나타난 각 안진의 평균 잠복기, 평균 지속시간, 각 평면에서의 평균 완서상 속도와 표준편차는 두위안진의 경우 명시야에서 잠복기가 9.4±10.2초, 지속시간이 83.3±42.8초, 완서상 속도는 수직면에서 49.8 ±34.2도/초, 수평면에서 43.9±35.5도/초, 관상면에서 21.6±33.8도/초였으며 암시야에서 잠복기는 8.2±11.6초, 지속시간은 89.6±15.1초, 완서상 속도는 수직면에서 41.3±16.1도/초, 수평면에서 27.9±29.7도/초, 관상면에서 1.9±3.3도/초였다. 두위변환안진의 경우 명시야에서 잠복기가 8.3초, 지속시간이 31.5초, 완서상 속도는 수직면에서 11.3도/초, 수평면에서 24.6도/초, 관상면에서 0도였으며 암시야에서 잠복기는 7.6±0.3초, 지속시간은 42.4±1.5초, 완서상 속도는 수직면에서 13.0±0.3도/초, 수평면에서 27.7 ±0.6도/초, 관상면에서 0도였다(Table 2). 초기실험과 추적실험에 걸쳐 1차 자극시(1st trial)에 나타났던 안진은 모두 2차 자극시(2nd trial)에 다시 나타났으며 1차 자극시에 비해 2차 자극시에 안진의 잠복기는 증가했고 지속시간은 감소했으며 완서상 속도는 수직면과 수평면에서는 감소하였으나 관상면에서는 비슷하였다. 1차 자극시에 없었던 안진이 2차 자극시에 새로 나타나는 경우는 없었다(Table 2). 명시야와 암시야 모두에서 나타났던 안진의 경우 안진의 지속시간은 암시야에서 명시야보다 길었으며 잠복기와 각 평면에서의 완서상 속도는 비슷하였다(Table 2). 고찰 고양이는 전안 동물(frontally eyed animal)로 안구운동의 조절을 연구하는 모델로서 흔히 실험에 이용된다. 저자들의 실험에서 설정한 “head upright neutral posi-tion”은 고양이의 옆 반고리관의 평면이 지면과 나란하게 만든 자세로서 외이도와 외안각을 잇는 선이 23도 앞으로 기울게 하는 것과 같다. 12) 실험중 동물의 각성을 유지하기 위하여 약물이나 소음 자극 13)을 주는 방법이 보고되어 있으나 본 실험에서는 이를 위해 별도의 조작을 하지 않았고 모든 자극과 기록을 가능한 한 빠른 시간 안에 시행하여 동물의 각성상태를 유지하는데 어려움이 없었으며 실험중 각성상태의 저하를 시사하는 안구의 느린 진자 운동(slow pendular eye moveme-nt)도 안구운동의 기록에서 찾아볼 수 없었다. 이러한 이유로는 회전자극 자체가 각성상태를 유지시키는 역할을 했을 것으로 보이며 그밖에 상악 고정의 불편함, 각막 자극 및 몸체 고정의 불편함 등이 각성을 유지하는데 영향을 주었을 것으로 생각된다. 안진을 측정하는 방법에는 직접법(direct viewing), 빛 분산법(photoelectric viewing), 빛 반사법(light reflect-ion), 자기 탐지 코일법(magnetic search coil method), 전기안진검사법(electronystagmography：ENG) 등이 있다. 이 중 자기탐지법(magnetic search coil method)은 눈꺼풀의 운동과 같은 노이즈(noise)의 영향을 받지 않으며, 관상면에서의 안구운동을 측정할 수 있으며, 높은 민감도와 일정한 반응을 유지한다는 장점이 있는 반면에 장비가 복잡하고 비용이 많이 들며 사람에서 contact lens 형태로 사용할 때 불편을 줄 수 있다는 단점이 있다. 자발안진이나 두위안진을 정상 고양이에서 관찰한 보고는 많지 않다. Bhansali 들의 실험에서 3마리의 고양이에서 외림프 누공을 만들어 시간에 따른 전정 반응의 변화를 관찰하였는데 누공을 만들기 전에는 전기안진검사를 이용했을 때 어느 고양이에서도 자발안진을 찾아볼 수 없었다고 했다. 2) Waldorf 등은 유색 고양이(pigmented cat) 6마리(대조군)와 선천성 난청을 동반하는 흰색 고양이(white cat) 5마리(실험군)를 대상으로 각각 다른 간격을 가지고 세 번의 시기에 걸쳐 내이평형 반응과 시운동성 반응을 관찰하였는데 대조군에서 일정한 내이 및 시운동성 반응을 보인 반면 실험군에서는 한가지 이상의 비정상적인 반응이 모든 개체에서 시기에 따라 다른 정도로 나타났고 5마리중 3마리에서 한 번 이상 자발 또는 두위안진이 기록되었다. 5) 본 실험에서 자발안진은 어느 고양이에서도 나타나지 않았고 두위안진은 머리를 뒤로 젖히고 눕혔을 때 정상으로 보기 어려운 강한 안진이 세 마리에서 한 번 이상 기록되었다. 따라서 이 결과는 다른 신경학적 검사에서 정상이더라도 두위 및 두위 변환 안진을 꼭 검사하는 것이 중요하다는 점을 시사하고 있다. 저자들이 설정한 두위안진의 측정 조건중 머리를 각각 우측과 좌측으로 90도 기울였을 때에는 안진이 나타나지 않았으나 180도 뒤로 머리를 젖힌 상태에서는 3마리에서 안진이 기록된 것으로 보아 뒤의 조건이 앞의 조건에 비해 고양이가 일상적으로 취할 수 있는 자연스러운 위치로부터 보다 벗어난 위치이기 때문에 안진의 발생빈도가 더 높게 나타났을 것으로 생각한다. 실험결과중 한 고양이(C2)에서 나타난 두위변환안진은 수 초의 잠복기가 있고, 1분이하의 지속시간을 가지며, 두위를 계속 유지하면 약해지고, 반복 자극시 지속시간과 완서상 속도가 감소하며, 안진의 방향이 낮게 위치한 귀쪽으로 향하는 등 전형적인 Dix-Hallpike 동작 양성반응과 부합된다. 다만 처음 두위 변환 위치를 취했을 때 위로 향하는 안진이 잠시 있다가 아래로 향하는 안진으로 변한 것은 이 고양이가 머리가 최종 위치에 도달한 다음 안구를 잠시 뺨 쪽(안구의 아래쪽)으로 과도하게 움직여 잠시 고정하여 일시적으로 발생한 생리적인 안진으로 보인다. 또한 초기실험에서는 양측성으로 나타났고 추적실험에서는 우측에서만 나타나 중추성이라기 보다는 양측 혹은 일측(우측) 말초성 내이평형 기능의 이상을 의심하게 하나 병변의 정확한 위치를 찾기 위해서는 반복적인 추적실험과 함께 조직병리학적 검사가 뒤따라야 할 것으로 생각된다. 본 실험에서는 또한, 두위변환 과정중에 일어날 수 있는 목-안구반사(Cervico-Ocular Reflex：COR)에 의한 영향은 고정장치의 짜임새가 머리와 몸통을 함께 움직이므로 배제할 수 있었다고 본다. 두진후안진은 말초 및 중추성 병변에서 모두 나타날 수 있지만 전정 기능의 이상을 나타내는 민감한 소견으로 14) 발생기전에 대해 Hain 들은 자극시 머리의 속도가 비대칭적으로 말초 전정계에서 입력되어 중추신경계의 안구속도 저장 신경구조(central velocity storage)에 일시적으로 축적되었다가 자극이 끝난 후 방출되어 안진으로 나타난다고 하였다. 15) 시각 조건중, 깜깜한 데에서 눈을 뜨고 측정하는 방법은 눈을 뜨는 자체가 각성을 유지시키고 빛과 주시를 차단하여 안진의 반응을 증가시킨다. 또 내이-안구 반사회로는 안구운동 신호가 내이로 피드백이 없는 개방성 신호전달 체계(open loop system)이므로 그 자체의 불안정성(instability)이 16) 특히 시각이 차단된 상태에서는 증가되어 안진의 출현 빈도를 높이는데 기여할 수 있다. 저자들의 실험에서도 명시야에서는 관찰할 수 없던 안진이 암시야에서 출현하였으며 명시야에서 나타났던 안진이 암시야에서 지속시간이 통계적으로 유의하게 증가되는 것을 볼 수 있었다. 결론 신경학적 선별검사를 통해 정상반응을 보인 고양이 10마리를 대상으로 명시야와 암시야 조건에서 각각 자발안진, 두위안진, 두위변환안진, 두진후안진을 3차원적 안구운동 측정장치를 이용하여 기록, 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다. 정상이라고 판단한 10마리중 7마리에서는 안진의 발현이 없었으며 안진이 발현된 3마리에서는 머리를 뒤로 젖히고 누운 자세에서 두위안진이 나타났고 그중 1마리에서는 Dix-Hallpike 동작을 취할 때 두위변환 안진이 양측에서 나타났다. 재자극시 안진의 잠복기는 증가하고 지속시간과 완서상 속도는 감소하는 양상을 보였다. 1개월 후의 추적실험에서는 안진을 보였던 3마리중 2마리에서 안진이 반복되어 출현했다. 자발안진과 두진후안진은 10마리 모두에서 나타나지 않았다. 앞으로 자기탐지 코일을 이용한 3차원적 안구운동 측정이 실험동물의 평형기능 검사에 많은 기여를 할 수 있으리라 생각한다.
REFERENCES
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