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Title Page

Contents

Abbreviations 11

Abstract 12

Chapter 1. Introduction 14

1.1. Blood circulatory system 18

1.1.1. Cardiovascular system 21

1.1.2. Cerebrovascular system 24

1.2. Autoregulation mechanisms 27

1.2.1. Autonomic nervous system 28

1.2.2. Blood pressure regulation 34

1.2.3. Cerebral autoregulation 39

1.3. Blood vessel activities 44

1.3.1. Vasomotion 44

1.3.2. Low-frequency oscillations in circulatory system 49

1.4. The aims of this study 58

Chapter 2. Materials and Methods 61

2.1. Subjects 61

2.2. Measurements 63

2.2.1. Near-infrared spectroscopy 63

2.2.2. Arterial blood pressure and Electrocardiogram 65

2.2.3. Head-up tilt test 66

2.2.4. Experimental protocol 69

2.3. Methods 71

2.3.1. Spectral analysis 71

2.3.2. Granger causal connectivity analysis 77

2.3.3. Statistical analysis 78

Chapter 3. Results 79

3.1. Low-frequency oscillation amplitude analysis 79

3.1.1. Arterial blood pressure 80

3.1.2. Cerebral oxygenation concentration change 82

3.1.3. Heart rate 88

3.2. Slopes of frequency attenuation 90

3.3. Granger causal connectivity analysis 93

3.3.1. Frequency interval 1 and 2 94

3.3.2. Frequency interval 3 99

Chapter 4. Discussion 109

4.1. Low-frequency oscillation amplitude analysis 110

4.2. The interrelationships of cerebrovascular and cardiovascular oscillations 114

Chapter 5. Conclusion 118

References 119

국문요지 130

List of Tables

Table 1. Subject characteristics 62

List of Figures

Figure 1. Blood circulatory system 20

Figure 2. Cerebrovascular system 26

Figure 3. Anatomy of sympathetic nervous system for circulation control 31

Figure 4. Simplified diagram of the effect of autonomic nervous system... 33

Figure 5. Arterial pressure control in baroreceptor system 37

Figure 6. Overall response of the arterial baroreceptor reflex for increasing... 38

Figure 7. The relationship of pressure-flow in autoregulation 41

Figure 8. The structure of vessel wall 46

Figure 9. The separation of characteristic low-frequency oscillations of five... 57

Figure 10. Cardiovascular response mechanisms for head-up tilt. 68

Figure 11. Data acquisition and experimental protocol. 70

Figure 12. Example of typical oxyhemoglobin signals and the continuous... 74

Figure 13. Example of typical oxyhemoglobin signals and the continuous... 76

Figure 14. The average amplitudes of three frequency intervals (FI-1, FI-2,... 81

Figure 15. The average amplitudes of three frequency intervals (FI-1, FI-2,... 83

Figure 16. The average amplitudes of three frequency intervals (FI-1, FI-2,... 85

Figure 17. The average amplitudes of three frequency intervals (FI-1, FI-2,... 87

Figure 18. The average amplitudes of three frequency intervals (FI-1, FI-2,... 89

Figure 19. Relative proportional amplitudes of the oscillations at three... 92

Figure 20. Average granger causalities of the FI-1 for ABP (BP), O₂Hb (O2),... 95

Figure 21. Schematic diagrams of the granger causal connectivity of FI-1... 96

Figure 22. Average granger causalities of the FI-2 for ABP (BP), O₂Hb (O2),... 97

Figure 23. Schematic diagrams of the granger causal connectivity of FI-2... 98

Figure 24. Average granger causalities of the FI-3 for ABP (BP), O₂Hb (O2),... 101

Figure 25. Schematic diagrams of the granger causal connectivity of FI-3... 103

Figure 26. Average granger causalities of the FI-3 for ABP (BP), O₂Hb (O2),... 106

Figure 27. The average amplitudes of FI-3 for ABP, COx, and HR signal in... 107

Figure 28. The average amplitudes of FI-3 for ABP, COx, and HR signal in... 108

초록보기

뇌혈관계와 심혈관계의 혈류역학적 파라미터에서 나타나는 저주파 진동(Low-frequency oscillation, LFO) 는 다양한 방법으로 연구되어 왔으나 그 기원에 대해 아직 명확히 밝혀지지 못하고 있다. 저주파 진동은 혈관에서 발생하는 진동현상과 높은 관련이 있으며, 이론적으로 진동하는 혈관은 높은 전도도로 인해 조직으로의 산소공급 능률이 향상되는 긍정적 효과를 보여준다. 저주파 진동은 혈압 및 혈류 변동에 대한 자율신경계 활동 및 자발적 혈관진동을 반영한다고 알려져 있다. 저주파 진동은 스펙트럴 분석을 통해 세분화될 수 있으며, 세분화된 주파수 구간 (Frequency interval, FI) 들이 대변하는 생리학적 의미는 과거 여러 연구를 통해 밝혀졌다. 0.01Hz 대역의 진동은 대사활동에 의한 endothelial 활동, 0.04Hz 대역의 진동은 신경 활동에 의한 진동, 0.1Hz 대역의 진동은 혈관 근육의 내적 활동에 의한 진동, 0.2Hz 대역의 진동은 호흡에 의한 진동, 그리고 1Hz 대역의 진동은 심박에 의한 진동을 의미한다. 본 연구에서는 뇌혈관계와 심혈관계의 혈류역학적 신호의 저주파 진동 성분을 스펙트럴 분석을 통해 자동조절을 위한 혈관 움직임의 생리학적 의미에 기반한 세가지 주파수 구간으로 나누고, 진동 진폭 및 상호인과관계 분석을 통해 자세 변화 및 노화에 의한 반응에 대해 분석하였다.

분석을 위해 혈압 (arterial blood pressure, ABP), 심전도 측정을 통한 심박 (heart rate, HR), 근적외선 분광을 통해 측정한 oxyhemoglobin (O₂Hb) 및 deoxy hemoglobin (Hb), total hemoglobin 농도 변화 신호를 동시에 연속적으로 측정하였다. 데이터는 17명의 젊은 성인 (28.4±3.5 세) 과 17명의 고령인 (69.4±8.7 세) 을 대상으로 측정되었다. 자동조절기전 발현을 위한 신체 변동은 head-up tilt (HUT) 테스트를 통해 유도되었다. 데이터는 바르게 누운 자세에서 5 분 측정 후 head-up tilt table 을 통해 45 도 각도로 세워진 자세로 5 분간 측정되었다. 저주파 진동은 측정된 신호로부터 연속적 웨이블릿 변환 (continuous wavelet transform) 을 통해 세 가지 주파수 구간 (frequency interval(FI)-1: 0.01-0.02Hz, FI-2: 0.02-0.06Hz, FI-3: 0.06Hz-0.15Hz)으로 구분되었다. 뇌혈관 및 심혈관 신호의 노화 및 자세 변동 효과 분석을 위해 각 주파수 구간의 자세 별 평균 진동진폭을 계산하였다. 그리고 그랜저 인과(Granger causality, GC) 분석을 통해 뇌혈관 및 심혈관계 간의 저주파 진동 성분의 상호인과관계가 노화 및 자세 변동에 따라 어떻게 변하는지 분석하였다.

분석 결과 저주파 진동 진폭은 젊은 성인군에서 고령군에 비해 유의하게 높았으며, ABP 및 O₂Hb, Hb 의 FI-3 진동의 경우 HUT 후 유의하게 증가하였다. FI-3 의 GC 는 젊은 성인군에서 고령군에 비해 유의하게 높았으며, ABP 와 O₂Hb, HR 과 O₂Hb 간의 GC 는 젊은 성인에서만 HUT 후에 유의하게 증가하였다. 이 결과들은 자세 변동에 따른 자동조절 기전을 위한 뇌혈관 및 심혈관계 활동은 노화에 따른 혈관 경직도 증가에 의해 감소됨을 알려준다. 또한 GC 에 의한 상호관계분석은 자세 변동에 따른 뇌혈류 자동조절 활동은 심혈관계 조절을 위한 자율신경활동과 유의한 상호연결 관계를 갖고 있으며 이는 노화에 따라 감소됨을 시사한다. 따라서 뇌혈관 및 심혈관계의 상호관계 분석은 자율신경계 및 뇌혈류 자동조절 기능의 평가를 위한 좋은 방법이 될 수 있음을 알 수 있다.

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