다주파수 생체임피던스 저항을 이용한 당뇨병 환자의 허증 변증 예측

서 론

당뇨병은 인슐린의 절대적/상대적 결핍 또는 인슐린 저항성이 특징인 만성 대사 질환 중 하나이다¹⁾. 국제당뇨병연맹(International Diabetes Federation, IDF)의 당뇨병 유병률에 대한 추정치 및 예측에 따르면 2017년 전 세계적으로 4억 5100만 환자가 있는 것으로 추정되었으며, 2045년에는 6억 933만 명으로 증가할 것으로 예상된다²⁾. 진행성 당뇨병은 망막병증, 신경병증, 뇌혈관질환 등과 같은 여러 합병증을 유발하며 환자의 삶의 질에 심각한 영향을 미쳐 개인 및 가족, 지역 사회, 국가의 경제적 부담을 초래한다³⁾. 당뇨병의 단계에 따른 적시적 진단 및 치료는 질병의 진행을 예방하고 포도당 및 지질 대사 장애로 인한 더 심각한 합병증을 피하는 데 매우 중요하다⁴⁾.

한의학적으로 당뇨병은 소갈(消渴)로 불리며, 만성 소모성 질환으로서 허증(虛證)에 속하는 경우가 많다^5,6). 당뇨병의 한의 치료는 당뇨병이 발생한 원인 및 환자의 종합적인 건강 상태에 초점을 두며, 한의 치료의 핵심은 변증(辨證)이다. 변증은 환자의 다양한 생리적/병리적 증상과 징후를 기반으로 질병의 병리학적 징후, 위치, 특성을 포괄적으로 진단하는 한의학 고유의 진단 방법으로⁷⁾, 변증에 따른 병인 분류 및 개인별 한의 치료는 한의학적 당뇨병 치료의 특징적인 요소이다⁸⁾. 그러나 변증은 주로 임상 경험을 기반으로 한 한의사의 주관적 판단에 영향을 받는 특성이 있다⁹⁾. 따라서 변증에 대한 객관적인 판단 기준을 연구하는 것은 변증의 임상 적용에서 중요하며, 변증과 연관성이 있는 생체 지표 발견은 한의학 지식을 임상에 통합하고 객관적이고 신뢰할 수 있는 증거를 제공하는 강력한 방법 중 하나가 될 수 있다⁵⁾.

생체임피던스법은 인체에 비침습적 방법으로 미세한 전류를 인가하여 전기 저항 및 전도도를 측정하는 방법으로 신체 구성 특성 조사와 생리적 병리적 상태 진단 및 모니터링에 활용되고 있다¹⁰⁾. 특히 기존의 실험실 사용 도구로 알려진 컴퓨터 단층 촬영법, 이중 에너지 X선 흡수 측정법, 중성자 활성화법 보다 측정이 간편하며 측정 시간이 짧고 높은 반복정확성을 갖는 특징이 있어 한의학 분야에서 접근성이 높다¹¹⁾. 이전 연구에서 변증과 생체임피던스 지표의 연관성이 조사되었다. 생체임피던스 분석을 통해 계산한 건강한 사람들의 무지방질량과 성별 및 연령에 대해 조정한 에너지 소비 특성은 열증(熱證)과 양의 상관관계를 보였다^12,13). 만성피로 환자의 피부 전도도는 기허증(氣虛證)과 음의 상관성을 보였으며¹⁴⁾, 실증(實證)을 가진 급성 허혈성 뇌졸중 환자 군의 경락전기전도도는 실증을 보이지 않은 환자 군과 차이를 보였다¹⁵⁾. 이러한 기존 연구 결과는 생체임피던스가 한의학적인 변증 유형 구별에도 도움을 주는 방법으로 작용할 수 있음을 보여준다.

하지만 현재까지 당뇨병 환자에서 변증과 생체임피던스의 연관성은 보고된 바 없다. 따라서 본 연구에서는 당뇨병의 예방 및 관리, 처방 선택에 대한 한의학의 임상적 증거 강화를 위해 당뇨병 환자의 허증 변증과 연관된 생체임피던스 지표를 확인하는 것을 목표로 한다. 당뇨병이 진행될수록 허증의 경향을 보이는 것에서 착안하여 허증에 대한 세밀한 변증 진단을 실시했으며, 이를 위해 신뢰도와 타당도가 확보된 기혈음양허손(氣血陰陽虛損) 변증 설문지를 이용하여 각 허증 변증 유형 점수를 확보하였다. 생체임피던스는 다주파수 생체 전기임피던스 측정기기를 이용하였으며, 원시 생체임피던스 변수인 저항과 리액턴스를 확보하였다. 당뇨병 환자와 건강인의 생체임피던스를 비교하여 전기적 특성을 검토하였으며, 회귀분석을 통해 변증과 연관성 있는 생체임피던스를 확인하였다.

연구대상 및 방법

결 과

1. 대상자 특성 및 군 분류 결과

대상자는 당뇨병 환자 46명, 건강인 46명으로 총 92명 모집되었으며 그 중 11명은 프로토콜 위반, 방문 일정 위반 또는 생체임피던스 및 설문지 측정 누락으로 인해 분석에서 제외되었다. 최종적으로 당뇨병 환자 40명과 건강인 41명인 총 81명의 대상자 정보가 분석에 사용되었다(Fig. 1).

Fig. 1.

Study flow chart

당뇨병 환자와 건강인의 군간 특성은 Table 1과 같다. 연령과 BMI를 포함한 신체계측 값과 혈압, 체온, 피부의 온습도는 두 군에서 유의한 차이를 보이지 않았다. 혈액 검사에서는 당뇨병 군이 건강인 군에 비해 당화혈색소, 공복혈당이 유의하게 높았고 백혈구, 호중구, 림프구 수치에서도 유의한 차이를 보였다.

Table 1.

Subject's general characteristics and blood test results

2. 당뇨병과 건강인의 변증 설문 및 생체임피던스 비교

성별을 공변량으로 한 허증 설문 및 생체임피던스의 공분산 분석 결과가 Table 2에 제시되었다. 기허증, 혈허증, 음허증, 양허증 점수는 당뇨병 환자군과 건강인 군에서 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았으나 당뇨병 환자군에서 전반적으로 높은 경향을 보였다. 생체임피던스 비교 결과에서는 5kHz 주파수 저항이 건강인 군 대비 당뇨병 군에서 통계적으로 낮았고(p=0.01), 5-250kHz 주파수 리액턴스 역시 당뇨병 군의 결과가 건강인 군보다 상당히 낮아 유의한 차이를 보였다(p<0.05).

Table 2.

Results of comparison of deficiency pattern scores and bioimpedance of DM group and HC group

3. 변증 점수와 생체임피던스의 연관성

당뇨병 환자군과 건강인 군을 분류한 후 성별을 조정한 다중 회귀모델을 사용하여 허증 점수와 생체임피던스의 연관성을 확인하였다(Table 3). 당뇨병 환자군에서 양허증 점수는 5, 50 및 250kHz 주파수의 저항 성분과 양의 상관관계를 보였다. 5kHz 주파수 저항 대비 50kHz 주파수 저항에서 연관성이 증가하였으며 250kHz 주파수 저항에서도 연관성이 유지되었다(0.11≦R2≦0.19). 그러나 당뇨병 환자군에서 양허증을 제외한 허증군, 즉 기허증, 혈허증, 음허증 점수와 생체임피던스의 연관성은 확인되지 않았다. 또한 건강인 군에서는 어떠한 연관성도 관찰되지 않았다(Table 4).

Table 3.

Multiple regression analysis of the association between Qi-Blood-in-Yang Deficiency pattern questionnaire scores and bioimpedance variables in the DM group with gender as a covariate

Table 4.

Multiple regression analysis of the association between the Qi-Blood-Yin-Yang Deficiency pattern questionnaire and bioimpedance measurements in the HC group with gender as a covariate

고 찰

변증과 연관된 생체 지표 발견은 환자와 의사의 표현을 객관적으로 제공하고 수치화된 자료로 축적하여 질병의 진단 및 치료를 위한 표준화된 접근법에 도움을 준다^5,21). 특히 당뇨병과 같은 복잡하고 합병증 높은 질병의 효과적인 한의 치료를 위해서는 변증 진단이 중요하며, 정량적이고 객관적인 변증 진단의 방법을 개발할 필요가 있다. 본 연구에서는 인체의 전기적 흐름의 특성을 반영하는 생체임피던스 검사가 당뇨병 환자의 허증 변증과 상관성이 있을 것으로 가정하고, 당뇨병 환자 변증을 위한 생체지표로서 생체임피던스의 활용 가능성을 탐색하였다. 이를 위해 당뇨병 환자군과 건강인 군의 변증 설문 및 생체 지표 수집 결과를 비교하고, 허증 변증 유형인 기허, 혈허, 음허, 양허 변증과 생체임피던스 지표인 저항, 리액턴스와의 연관성을 확인하였다.

먼저 허증 변증과 당뇨병의 연관성을 확인하기 위해 당뇨병 환자와 건강인의 변증 설문 점수 비교한 결과, 건강인 대비 당뇨병 환자에서 전반적으로 기허증, 혈허증, 음허증, 양허증 점수가 높은 경향을 보임을 확인하였다. 당뇨병 환자는 만성 소모성 질환으로 허증 경향을 보이기 쉬운 것으로 알려져 있어, 이를 반영한 것으로 해석할 수 있었다.^5,6)

당뇨병 환자와 건강인의 생체임피던스 군간 비교에서는 당뇨병 환자의 5kHz 주파수의 저항 및 5-250kHz 주파수 리액턴스가 건강인 군에 비해 유의하게 낮은 결과를 확인하였다. 당뇨병은 인슐린 분비 장애로 인한 고혈당 상태로 지속적인 혈당 증가는 혈관벽을 손실시키고 혈관 내액을 세포외액인 간질액으로 이동하게 하여 부종의 위험에 노출시킨다²²⁾. 저항은 부종을 확인하는 대표적인 지표로, 체액량과 유체의 이동, 세포의 상태를 대변한다²³⁾. 특히 생체에 인가되는 저주파수의 전류는 세포막의 절연작용으로 인해 세포외액을 통해서만 흐르므로 저주파수에서 측정된 저항은 세포외액에서의 전기적 흐름의 반대를 나타낸다²⁴⁾. 따라서 우리 연구에서 당뇨병 환자의 5kHz 주파수 저항이 건강인 대비 감소한 결과는 당뇨병 환자에서 혈관 손실로 인한 세포내액의 세포외액으로의 이동과 관련 있는 것으로 보인다. 또한 모든 혈관에는 기본 기저막에 고정된 내피 세포가 분포되어 있는데 고혈당으로 인한 혈관벽 손실은 세포의 막 파괴와 연관된다²⁵⁾. 리액턴스는 전기적으로 에너지를 저장하고 전류가 통과할 때 방전하는 세포막의 커패시터 역할을 하므로¹⁸⁾ 당뇨병 환자에서의 5-250kHz 주파수 리액턴스가 건강인 대비 감소한 결과는 당뇨병으로 인한 혈관 및 세포막 손실과 일치한다. 이러한 결과는 당뇨병 환자의 전기적 특성이 건강인과 차이가 있음을 보여주며, 저항과 리액턴스가 당뇨병 환자를 건강인과 구분할 수 있는 지표로 활용할 수 있음을 나타낸다²⁶⁾.

다음으로 당뇨병 환자군과 건강인 군에서의 허증과 생체임피던스의 연관성을 확인하기 위해 성별을 공변량으로 한 회귀분석을 수행하였다. 분석 결과, 당뇨병 환자군에서 기허증, 혈허증, 음허증과 생체임피던스는 연관성을 보이지 않았다. 그러나 양허증과 5, 50, 250 kHz 주파수 저항은 양의 연관성을 보였으며, 특히 50kHz 이상의 고주파수의 저항에서 더 높은 연관성이 관찰되었다. 반면 건인 군에서는 변증과 생체임피던스의 연관성을 보이지 않아 당뇨병 환자군에서 저항이 양허증 예측에 독특한 생체 지표로 작용할 수 있음을 확인하였다.

양허는 기 작용의 원천인 명문화(命門火)와 양기(陽氣)가 쇠퇴한 상태로, 특히 만성질환 및 노화로 인한 허약이 심화한 상태에서 나타난다. 피로 및 인체 에너지 대사의 비활성화, 인체 온후 작용 저하, 순환 기능의 저하 등이 양허의 증상으로 해석된다. 당뇨병은 병의 진행에 따라서 소모성 질환의 특징인 피로와 고혈당으로 인한 혈관 손상 및 말초순환장애 증상을 보이며, 중증 당뇨 합병증인 동맥경화증, 말초신경병증, 망막병증의 발생 위험은 양허 변증과 양의 상관관계가 있는 것으로 알려져 있다^27,28). 또한 당뇨병 환자는 세포 수준에서 산화 스트레스 증가 및 미토콘드리아의 ATP(adenosine triphosphate) 생산 기능 저하가 나타나는 것으로 알려져 있으며²⁹⁾, ATP 기능 장애로 인한 대사 활성 저하는 한의학적 개념의 양허로 해석할 수 있다^30,31). 크레아티닌 및 구연산염으로 확인된 미토콘드리아 기능 감소는 양허 동물모형에서 발견되었고³²⁾, 양허증 환자의 혈청에서 콜레스테롤, 이소류신, 젖산 등 6가지 에너지 대사 산물의 불균형이 확인되었다³³⁾. 또한 한약이 세포의 ATP 생산에 미치는 효과에 대한 동물실험 모델에서 보양(補陽) 한약제제가 보음(補陰) 한약제제 대비 심근세포의 ATP 생성 증가 효과가 컸다는 보고는 이를 뒷받침할 수 있다³⁴⁾.

Fig. 2.

Hypothetical relation between Yang deficiency pattern and diabetes mellitus, mitochondrial energy metabolism, and bioimpedance

ATP는 세포의 에너지 공급책으로 세포막의 전위 변화 및 전자 수송을 일으키며 정상 세포에서는 세포의 노화, 사멸을 촉진하는 활성산소(free radical) 생산을 최소화한다³⁵⁾. 그러나 세포막 전위가 지나치게 크면 활성산소가 과도하게 생성되어 인슐린을 분비하는 췌장 β 세포와 인슐린이 작용하는 간 및 근육세포에 영향을 미쳐 노화 및 당뇨병 등의 질병 발생을 유발한다³⁶⁾. 실제로 대사성 산증이나 세포의 포도당 결핍은 세포막의 전위를 변화시키고 세포 내 칼슘 이온을 과도하게 유도하여 세포 손상 및 사멸을 초래하는 것으로 보고되었다³⁷⁾. ATP는 이온에 의한 세포 간의 직접적인 이동 및 세포 간 공간 변화를 유발하는데³⁸⁾ 조직의 전도도는 생물학적 매체에 용해된 이온의 농도에 정비례하므로 이온 농도가 감소하면 생체임피던스 저항은 증가한다^39,40). 기존 연구에서 ATP 소진은 임피던스 증가와 강한 연관성을 보였으며⁴¹⁾, ATP 손실은 세포 팽창 및 세포내 및 세포 외 공간을 재분배시켜 세포외 부피의 감소를 유발하는 것으로 보고되었다⁴²⁾. 또한 허혈로 인한 ATP 고갈은 Na⁺-K⁺ 채널의 효소 합성을 억제하고 막의 이온 수송을 변경하여 생체임피던스를 증가시키는 것으로 나타났으며 허혈 동안 주파수별 생체임피던스 변화율의 차이가 관찰되었다⁴³⁾.

본 연구에서는 당뇨병 환자군에서 생체임피던스 저항이 양허증과 양의 연관성을 보였으며 이는 당뇨병으로 인한 양허증의 심화가 세포의 손상 및 세포막 전위 변화를 일으킬 수 있고 생체임피던스 저항 증가로 표현할 수 있음을 보여준다. 또한 저주파수 뿐만 아니라 고주파수의 저항 값에서도 양허 점수와 연관성이 관찰되었는데, 고주파수에서의 전기 저항은 세포외내액의 이온 구성 및 체적, 세포막 상태를 모두 반영한다는 점에서 양허증 심화가 세포외 뿐만 아니라 세포내 변화와 관련되는 것을 간접적으로 대변한 결과로 보여진다⁴⁴⁾.

본 연구는 당뇨병 환자를 대상으로 변증과 연관된 정량적 생체 지표를 발굴하는데 기여하였으나 몇 가지 한계점이 있다. 첫째, 단일 기관의 적은 샘플의 대상자가 포함되었다. 당뇨병 환자에서의 변증과 생체임피던스 요소와의 일반화 가능한 연관성을 설정하기 위해 더 큰 연구 샘플을 이용한 종단적 연구와 대규모 임상 시험이 필요하다. 둘째, 당뇨병 환자에서 나타날 수 있는 허증 외 다른 변증에 대한 조사가 부족하였다. 당뇨병 환자에서 발생될 수 있는 다른 변증과의 연관성 있는 생체 지표를 확인하기 위해서는 이를 반영한 확장형 후속 연구가 필요할 것으로 사료된다. 이러한 한계에도 불구하고, 본 연구는 한의 의료기관에서 빈번하게 사용하는 생체임피던스 측정기기를 활용하여 당뇨의 변증 유형을 유추할 수 있는 방안을 제안했다는 의의가 있다. 향후 한의 의료기관에서 활용 가능한 다양한 생체 지표와 연계된다면 객관적 한의 변증 도구의 일환으로서 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

결 론

본 연구에서는 인체의 전기적 반응이 당뇨병의 변증의 생체 지표로 활용될 수 있는 근거를 확보하기 위해 당뇨병 군과 건강인 군의 생체 임피던스 차이를 확인하고 기혈음양허손 변증 설문 결과와 비교 분석했다. 총 91명의 당뇨병 환자와 건강인을 대상으로 기허증, 혈허증, 음허증, 양허증으로 구성된 기혈음양허손 변증 설문지 점수와 생체임피던스 변수의 연관성을 확인하였다. 당뇨병 환자 군은 건강인과 5kHz 주파수 저항과 5-250kHz 주파수 리액턴스 값에서 유의한 차이를 보였다. 성별을 보정한 회귀분석에서는 당뇨병 환자 군에서만 양허증과 생체임피던스 변수인 저항 이 양의 연관성을 보였으며 50kHz 이상의 고주파수에서 연관성이 더 뚜렷하게 관찰되었다. 본 결과는 당뇨병 환자에서 세포 활동 및 에너지 저하가 양허증이 심화되는 것과 관련이 있으며 세포외내액 및 세포막 상태 변화를 반영하는 고주파수 생체임피던스 저항으로 확인할 수 있음을 보여준다. 향후 당뇨병의 다양한 증상 및 합병증을 고려한 추가 연구가 필요하며 당뇨병 환자의 진단 및 치료를 위한 변증 평가 도구로써의 생체임피던스의 활용도 검증이 필요할 것으로 예상된다.

Acknowledgments

이 논문은 한국한의학연구원 주요사업(KSN2022130)에 의하여 연구되었음.

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