교신저자：백정환, 135-710 서울 강남구 일원동 50번지  성균관대학교 의과대학 이비인후과학교실
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서     론

   소아의 기관은 해부학적 구조가 작고, 주변의 지지가 불안정하며, 상처에 대한 반응이 커서 기관절개술로 인한 합병증의 빈도가 약 30~40%에 이르는 것으로 알려져 있다.^1)2)3)4)5) 일반적으로 소아 기관절개술은 기관에 난원형의 입구를 만드는 성인의 방법과는 달리, 두 번째부터 네 번째 기관까지 수직 절개로 입구를 만드는 방법을 사용하여 기관절개에 의한 술 후 기관 협착을 예방하고 기관의 성장을 유지하기 위한 술식을 사용한다. 그러나, 이러한 방법도 일부의 환자에서는 연골 골격의 손상, 이차적인 염증 및 육아종 형성에 의하여 기관 튜브 발거 후 기관절개루 위치의 협착을 초래한다.⁴⁾⁵⁾
   1985년 Ciaglia 등⁶⁾에 의해 경피적 확장 기관절개술(percutaneous dilatational tracheostomy)이 소개된 이후 고식적 기관절개술에 비하여 이 방법에 의한 좋은 결과들이 많이 발표되었다. 이 방법은 기관에 대한 외상 정도가 상대적으로 적고, 불필요한 박리가 적으며 상처 부위를 기관 튜브가 압박함으로써 출혈 등의 합병증도 적다. 또한 술 후 기관 협착의 정도가 적고, 기관의 성장에 대한 영향이 상대적으로 적은 것으로 보고되었다.⁷⁾
   하지만, 이러한 결과는 대부분 성인을 대상으로 한 것 들이다. 소아의 경우 해부학적 구조가 작아서 정확한 전방 중앙부의 삽관이 어렵고, 기관 연골의 골절을 유발할 가능성이 있으며, 조기에 기관 튜브가 이탈할 경우 치명적인 결과를 가져올 수 있어서 경피적 확장 기관절개술은 소아에서는 사용되지 않고 있다.⁷⁾
   이에 저자들은 소아 기관절개술 후 기관 협착을 최소화하기 위하여 경피적 확장 기관절개술의 장점을 살리면서 소아 환자에게 적용시 한계점을 극복하기 위한 방법을 찾고자 하였다. 피부절개에서 기관의 노출까지는 고식적 기관절개술과 같은 방법으로 진행하여 좋은 수술 시야를 확보한 후, 기관연골의 손상을 최소화하기 위하여 수직 절개 대신 연골간 막을 통한 확장 기관절개술을 고안하였다. 이 방법을 저자들은 '외과적 확장 기관절개술(surgical dilatational tracheostomy)'이라 명명하였다.
   이 연구는 성장 동물 모델에서 고식적 소아 기관절개술과 비교하여 외과적 확장 기관절개술에 의한 기관연골골격(tracheal cartilage framework)의 영향을 육안적 및 조직학적 기관연골의 변화와 기관협착의 정도 등을 분석함으로써, 외과적 확장 기관절개술의 효용성을 증명하고 향후 임상 연구의 실험적 배경을 제공하고자 하였다.

대상 및 방법

   실험동물로 성숙기 직전의 생후 12~13주령 토끼(New Zealand White, 바이오제노믹스, 경기) 7마리를 사용하였으며, 몸무게는 3050~3200 g 범위 내에 있었다. 대상 동물은 외과적 확장 기관절개술군 3마리, 고식적 기관절개술군 3마리, 대조군 1마리로 나누어서 실험을 진행하였고, 대조군은 기관절개술을 시행하지 않고 다른 실험 동물과 동일한 조건에서 사육한 후 15일째 희생시켜 기관의 표본을 얻었다(Fig. 1).
   대조군을 제외한 대상 동물은 Ketamine(35 mg/kg)과 Xylazine hydrochloride(5 mg/kg)를 근주하여 자기호흡을 유지한 상태로 전신마취를 시행하였다. 항생제는 예방적으로 수술 15분전에 Cefazolin sodium(15 mg/kg)을 1회 근주하였다.
   자극에 대한 반응으로 충분히 마취되었음을 확인 후 기관절개술을 할 전경부의 털을 제거하고 포비돈 용액으로 소독하였다. 경부 신전시 갑상연골이 피부로 돌출되는 것을 지표로 삼아서, 갑상연골 윤곽의 하연에서 5 mm부위에 1：100,000 epinephrine이 포함된 1% lidocaine을 이용해 국소 침윤 마취를 시행하였다. 국소 침윤 주사 5분 후 이 부위에 2 cm의 수평 피부 절개를 하였고 피하조직을 절제한 후 피대근(strap muscle)을 노출시켰다. 흉골설골근과 흉골갑상근을 연결하는 근막을 수직으로 절개하여 중앙부에서 양측으로 분리 후 갑상선을 정중앙에서 전기소작 또는 봉합으로 절개 분리하였다. 기관은 전방 기관막(pretracheal fascia)을 모두 박리하여 기관 연골이 윤상 연골부터 다섯번째 기관륜까지 수술시야에서 노출되도록 하였다. 기관절개술은 아래와 같은 두 가지의 방법으로 시행하였으며 모두 내경이 3.5 mm인 기관절개 튜브를 삽관하였다.

고식적 기관절개술(Surgical conventional tracheostomy with vertical cartilage incision)
   3마리의 토끼에서 고식적 기관절개술을 시행하였다. 노출된 세 번째 기관륜의 전방 정중앙 좌우측에 Nylon 3-0 봉합사를 이용하여 지지 봉합(stay sutures)을 시행한 후 두 번째부터 네 번째까지 기관륜의 전방 정중앙에 수직절개로 기관에 개구를 하여 기관튜브를 삽입하였다(Fig. 2). 기관 연골에는 수직절개외에 다른 조작을 가하지 않았으며 지지 봉합은 술 후 제거하였다.

외과적 확장 기관절개술(Surgical dilatational tracheostomy)
   외과적 확장 기관절개술은 대상 동물 3마리에 시행하였으며 경피적 확장 기관절개술 세트(Cook Critical Care, Bloomington, IN)를 사용하였다. 먼저 16게이지 주사바늘로 세 번째와 네 번째 기관 연골 사이의 막을 통해 기관으로 삽입하여 공기가 나오는지를 확인하였다(Fig. 3). Seldinger's technique으로 1.0 mm J 유도선을 주사바늘 안으로 넣어 기관내로 들어가게 한 다음 주사바늘을 제거하였고, 이어 8 French 카테터를 유도선을 통하여 기관에 넣어 점차적인 확장을 하였다. 충분히 확장한 후 기관연골골격이 손상받지 않도록 조심스럽게 기관튜브를 삽입하고, 유도선과 확장카테터를 제거하였다.
   기관절개술 후 전기응고 방법으로 육안적 출혈이 없을 때까지 지혈을 시행하였으며, 삽관 후 기관튜브는 기관 튜브 고정 끈과 3-0 Nylon을 이용한 봉합으로 경부에 고정하였다. 기관절개술 직후 기관 튜브를 통하여 자기호흡이 잘 유지되고 있음을 확인하였다. 술 후 통증조절을 위하여 Ketorolac tromethamine 3 mg을 근주하였고, 술 후 약 1시간 정도 관찰을 하면서 상처 부위의 출혈 유무를 확인하였다. 기관 튜브를 통한 분비물의 흡인을 반복적으로 시행하여 튜브의 개방성을 유지하였고 토끼의 앞, 뒷발을 모두 테이프로 감아 발관을 예방하였다.

수술 후 관리
   기관튜브의 개방성을 수시로 확인하였고, 문제가 없는 경우엔 기관튜브는 교체를 하지 않았다. 기관튜브를 가지고 있는 동안 하루 2회 사료에 3세대 세파 항생제(세픽심 분말 0.2 g)룰 섞어주어 2차 감염을 예방하였다.
   대상 동물은 기관절개술 후 7일 동안 기관튜브를 가지고 있었고, 술 후 8일째 기관튜브를 제거하였다. 기관튜브 제거시에는 기관튜브 제거외에 다른 조작은 가하지 않았다. 기관튜브 제거 7일 후 대상 동물을 Ketamine(70 mg/kg)과 Xylazine hydrochloride(10 mg/kg)으로 전신 마취하였고, 귀정맥(ramus intermedius vein)을 통하여 Potassium chloride(20 mEq)을 정주하여 희생시킨 후 윤상 연골부터 10번째 기관륜까지 기관연골조직을 얻었다.

기관절개술에 따른 기관연골 변화의 평가
   먼저 채취한 기관 표본의 육안적 변화를 관찰하였다. Caliber를 이용하여 첫번째와 열번째 기관륜에서의 전,후 직경, 좌,우 직경을 측정하였고, 기관절개 입구 위치에서 같은 거리를 측정하였다. 각 위치에서의 단면적은 전,후방향의 직경과 좌, 우 방향의 직경값을 이용하여 π×(전후방향직경/2)×(좌우방향직경/2)으로 대략적으로 계산하였다. 기관절개에 의한 영향이 없는 위치에서의 측정값은 첫번째와 열번째 기관륜의 값을 각각 구하여 두 값의 평균치로 설정하였고, 기관절개구 위치의 값을 구하여 앞의 평균치에 대한 비(%)로 전,후 직경, 좌, 우 직경, 단면적에 대한 값을 계산하였다.

   전,후 직경과 좌, 우 직경에 대한 비(%)=

                      the length at the stoma level
  ------------------ --------------- ×100
   (the length at the 1st ring+the length at the 10th ring)/2)
   단면적에 대한 비(%) = 

                                 the cross-sectional area at the stoma level
   ---------------------------------------------------×100
   (the cross-sectional area at the 1st ring+the cross-sectional area at the 10th ring)/2)

   채취한 기관 표본 중 기관절개구 부위의 슬라이스를 10% neutral buffer formalin(NBF)에 2일간 고정을 한 후, 6% nitric acid를 이용해 1일간 탈회과정(decalcification)을 시행하였다. 탈회과정을 거친 표본을 흐르는 물에 충분히 세척하여 중화시킨 다음, 알코올로 탈수과정을 거치고 Xylene으로 처리한 후 파라핀을 침투시켜 포매조직을 만들었다. 이렇게 만들어진 포매표본을 4 μm 두께로 잘라서 슬라이드에 부착시켜 조직절편을 만들었다. 조직관찰은 Hematoxylin & Eosin으로 염색 후 광학현미경으로 관찰하였다.
   각 조직 표본은 10배와 40배 시야에서 관찰하였고 기관연골의 변형 여부, 염증 반응의 정도, 섬유화 반응의 정도, 점막의 재생정도 등을 관찰하여 기술하였다.

결     과

육안적 소견(Fig. 4)
   외과적 확장 기관절개술 군의 기관연골 조직 표본에서는 육안적으로 기관 연골의 변화는 관찰되지 않았고, 기관절개구가 있었던 연골사이 막 부위에 반흔과 연골간 간격이 약간 좁아진 소견이 관찰되었다.
   고식적 기관절개술 군의 조직 표본에서는 기관 연골이 수직 절개 자리를 중심으로 앞쪽으로 예각을 이루면서 변형되어 있는 모습을 보였다. 이 영향에 의하여 좌, 우 직경의 감소와 전, 후 직경의 증가가 특징적으로 나타났다.
   기관절개술에 의한 영향이 없는 부위와 기관절개구 부위의 비(%)는 Table 1과 같았다(Table 1). 외과적 확장 기관절개술 군에서는 직경과 단면적에서 동일한 크기를 유지하는 반면, 고식적 기관절개술 군에서는 기관절개구 부위에서 평균 좌우 직경 66.1% 감소, 전후 직경 133.1% 증가, 단면적 87.1% 감소가 관찰되었다.

조직학적 변화(Fig. 5)
   외과적 확장 기관절개술군의 조직 표본에서는 기관절개구가 있었던 연골사이 막 부위에서 섬유 조직 증식이 관찰되었고 그 정도는 주변의 기관 연골 범위 내에 있었고 기관 내강을 좁히지는 않았다. 고식적 기관절개술 군의 조직 표본에서는 기관연골의 골격은 전방 절개 자리를 중심으로 좌우로 어긋나 있었고, 기관절개구 부위에서 섬유성 조직의 증식이 두드러졌다. 이러한 변화는 대략 기관연골의 두께만큼 기관 내강으로 진행되어 있는 소견을 보였다.
   두 군간에 기관 상피세포의 변화는 큰 차이가 없었으나 고식적 기관절개술을 시행한 표본에서는 섬모를 가지지만 배상세포(goblet cell)가 없는 미성숙 점막으로 재생되어 있었다. 고식적 기관절개술군에서 많은 다핵호중구(polymorphonuclear neutrophil)의 침윤, 점막하 부종과 출혈 소견이 관찰되었다.

고     찰

   이 연구는 성장 동물 모델에서 고식적 소아 기관절개술과 비교하여 외과적 확장 기관절개술에 의한 기관연골골격(tracheal cartilage framework)의 영향을 육안적 및 조직학적 기관연골의 변화와 기관협착의 정도 등을 분석함으로써 외과적 확장 기관절개술의 효용성을 증명하고자 하였다.
   소아 기관절개술은 성인과는 다른 몇 가지 특징을 갖는다. 기관이 성장 과정에 있으며, 조직 반응이 성인에 비하여 크고, 상대적으로 내강이 적어, 기관협착에 대한 증상 발현이 높다고 알려져 있다.^2)3)4)5) 따라서, 소아 기관절개술은 최소한의 외상과 안전한 방법으로 시행되어야 술 후 합병증 빈도를 낮출 수 있을 것이다. 이 목적을 위한 기관절개 방법의 변형은 최근까지 동물 실험과 임상 연구를 통하여 많이 발표되고 있다.
   Bardine 등⁸⁾은 개에서 기관절개방법을 달리한 군들을 각각 비교한 결과 기관튜브를 넣지 않은 군에선 기관 내강 면적에 차이가 없었으나, 기관튜브를 넣은 군에선 기관절개방법에 상관없이 모두 25~50%의 기관협착을 보였다고 발표하였다. Natvig와 Olving⁹⁾는 토끼 30마리를 이용하여 기관절개방법에 따른 기관의 변화를 관찰하였다. 7일간 기관튜브를 가지고 있었고, 기관튜브를 제거한지 2주 지나 기관조직을 얻어 비교한 결과 단지 경미한 기관조직의 변화를 보여, 기관절개방법 자체가 기관협착에 미치는 영향은 미흡하다고 보고하였다.
   반면, Lulenski와 Bataski¹⁰⁾는 동물 실험에서 수직절개를 이용한 경우 기관 전방부의 요면(concavity)이 소실되고, 기관내 단면적과 좌,우간 직경의 감소를 보였다고 발표하였다. Fry 등¹¹⁾과 Eliachar 등¹²⁾도 기관 절개 방법에 따라 합병증의 빈도에 차이가 있음을 보고한 바 있다.
   Miller 등¹³⁾이 소아 기관절개술의 연구에 성장중인 토끼를 사용하여 성숙기를 지난 동물 실험의 한계점을 보완하였고, 이 실험에서 기관절개방법에 따른 기관의 변화를 보고하였다. 본 연구에서는 토끼가 영유아의 기관과 유사한 크기를 가졌고, 수술 조작을 하기가 용이할 뿐만 아니라, 기관의 성장이 가져올 수 있는 영향을 감안할 수 있도록 성숙기 직전의 토끼를 실험 동물로 선정하였다.
   1985년 Ciaglia 등⁶⁾에 의해 경피적 확장 기관절개술(percutaneous dilatational tracheostomy)이 소개된 이후 고식적 기관절개술에 비해 이 방법의 유용성이 많이 발표되고 있다. 이 방법은 기관에 대한 외상 정도가 상대적으로 적고, 불필요한 박리가 적으며, 상처 부위를 기관 튜브가 압박함으로써 출혈 등의 합병증이 적다고 보고되고 있다.⁷⁾ Van Heurn 등¹⁴⁾은 성장중인 염소를 대상으로 경피적 확장 기관절개술과 고식적 소아 기관절개술을 비교하였는데, 육안적으로 후자가 전자에 비해 기관내 단면적과 좌, 우간 직경의 감소가 유의하게 높았고, 현미경적으로 후자의 경우 절개된 기관연골이 섬유성 조직에 의해 대체되었다고 보고하였다. 결과적으로 성장중인 동물에서 기관 협착이나 기관의 성장에 나쁜 영향을 주지 않는다고 하였다. Toursarkissian 등¹⁵⁾은 11명의 10대 소아 환자들에게 경피적 확장 기관절개술을 시행하여 1명을 제외하고는 술 중, 술 후 합병증이 생기지 않았다고 발표하여, 10세 이상의 소아 환자에선 고식적 기관절개술을 대신할 수 있는 안전한 방법의 하나라고 하였다.
   경피적 확장 기관절개술을 소아에서 적용하는데는 크게 두 가지의 문제점을 지적할 수 있다. 첫째로, 작은 해부학적 구조 때문에 정확한 전방 중앙부의 삽관이 어렵고, 기관연골의 골절을 유발할 가능성이 있다는 점이다. 둘째로, 우발적으로 기관 튜브가 이탈할 경우 재삽입이 상대적으로 어려워 치명적인 결과를 가져올 수 있다는 점이다.⁷⁾
   이 연구에서는 이러한 문제점을 해결하면서 확장 기관절개술의 장점을 얻고자 고식적 소아 기관절개술과 경피부 확장 기관절개술을 종합한 방법을 시도하였다. 본 연구에서 시행한 외과적 확장 기관절개술은 좋은 수술 시야에서 기관연골 사이막을 정확히 확인하고 정중앙부위에 puncture 후 점진적인 확장술을 시행하기 때문에 일단 기관연골에 손상을 최소화할 수 있으며, 점진적인 확장술을 시행할 때도 바로 위, 아래 기관 연골이 collapse되지 않도록 주의하면서 시행할 수 있었다. 실험동물의 수가 적으나 본 연구에서는 Stoeckli 등¹⁶⁾이 경피적 확장 기관절개술에서 관찰한 기관연골의 골절 등은 관찰되지 않았다.
   또 하나의 문제는 우발적으로 기관 튜브가 이탈할 경우에 대한 예방이다. 이 실험에서는 적용하지 않았지만, 기관절개구의 위, 아래의 기관 연골에 지지 봉합(stay sutures)을 함으로써 쉽게 기도를 확보할 수 있으리라 생각된다.
이 연구는 성인에서 사용하는 경피적 확장 기관절개술 세트(Cook Critical Care, Bloomington, IN)를 이용하였다. 이 세트의 16게이지(gauge)바늘은 약 3 kg 정도의 토끼에서 기관 연골 사이 간격이 2 mm 정도임을 감안할 때 상대적으로 큰 편이었다. 그러므로, 소아용 확장 기관절개술 기구가 별도로 필요하리라 생각된다. 이 실험은 기관튜브 삽관 1주일 후에 발관하고 다시 1주일 후에 기관조직을 얻어 육안적, 조직학적 분석을 하였기 때문에 초기의 기관연골골격의 변화를 반영할 뿐 지연성 변화를 반영하지 못하고 있다. 또한, 각 군의 실험 동물의 표본수가 적기 때문에 통계적 유의성을 입증할 수가 없었다. 향후 각 군의 실험 동물 수를 늘릴 예정이며 지지 봉합을 같이 시행하여 우발적 기관튜브의 이탈과 기관튜브 교체시의 안전성을 같이 검토할 예정이다. 그리고 외과적 확장 기관절개술이 연골간 막 수평절개에 의한 기관절개술과 어떠한 차이가 있는지에 대하여 추가적인 실험을 계획하고 있다.
   비록 이 연구가 예비보고로 제한적이지만 외과적 확장 기관절개술에 비하여 고식적 수직절개를 시행한 군에서 1주일간의 기관튜브 삽관만으로도 기관 내강의 감소, 좌, 우 직경의 감소와 조직학적으로 과다한 섬유 조직 증식 등의 변화가 관찰된다는 점은 주목할 만한 소견이다.

결     론

   소수의 동물 실혐결과이지만, 기관 연골에 수직 절개를 가하는 고식적 소아 기관절개 방법과 비교하여 외과적 확장 기관절개술에서는 성장 동물 모델에서 단기간의 기관삽관후 기관연골에 미치는 영향이 적고, 기관협착의 발생이 거의 없다는 사실을 관찰하였다. 이러한 결과는 외과적 확장 기관절개술이 소아에서 단기간의 기도 유지가 필요한 경우 술 후 기관 협착 합병증을 줄이는 유용한 방법이 될 수 있음을 시사한다. 향후 소아 기관 절개술의 안정성에 필수적 요소인 조기 기관튜브 이탈 방지, 재삽관의 용이성 등에 대한 연구가 성장 동물 모델에서 추가적으로 필요하리라 생각된다.

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