The Effect of Subliminal Electrical Noise Stimulation on Plantar Vibration Sensitivity in Persons with Diabetes Mellitus

Tina J. Drechsel ^1,* , Claudio Zippenfennig ¹, Daniel Schmidt ² and Thomas L. Milani ¹

Biomedicines 2022, 10, 1880

1. 서론 및 배경

-Electrical noise는 인간의 중추신경계와 말초신경계에서 발생하는 생리학적 현상이다. 특히 가늘고 짧은 신경섬유에서 channel noise는 막전위 변화를 야기한다. 이를 통해 외부 시냅스 입력 없이 활동 전위를 무작위로 자발적으로 전달 가능하다.

-Stochastic resonance에는 두가지의 설명 가능한 작용 메커니즘이 있다. 1) noise는 세포막 투과성에 영향을 미치고, 막전위를 변화시킴으로써 수용체의 민감도를 증가시킬 수 있다. 2) noise는 신경 섬유에 직접적으로 작용할 수 있다. Subthreshold한 촉각 자극(vibration)이 발생하는 경우, 자극과 소음 신호가 겹쳐져 결과적으로 자극은 역치를 초과하고 참가자에게 인식될 수 있다.

-당뇨병은 신경 섬유의 퇴화과정과 mechanoreceptor의 구조적, 양적 변화를 초래할 수 있는 질병이다. 그 결과 somatosensation이 악화될 수 있으며, 이는 당뇨병성 족부 궤양 발병의 큰 위험인자이다. 임상에서 발바닥 vibration perception threshold (VPT)을 측정하는 것은 당뇨병성 족부 궤양이 발생할 위험이 있는 환자를 감지하기 위한 중요한 지표로 간주된다. 반대로 VPT를 개선하는 것은 당뇨병성 족부 궤양의 발병을 지연시킬 수 있다.

-본 연구는 Subliminal electrical noise (SEN)가 발바닥 VPT에 미치는 영향을 조사하고자 하였다.

2. 대상 및 방법

2.1. 대상

-총 59명의 당뇨병 환자 (Table 1)

- Inclusion criteria: 18세 이상; 임신하지 않은; 최근 5년간 심각한 질병인 없는; 예후가 5년 미만인 질병이 없는; 심각한 신경학적 장애가 없는; 심각한 부정맥이 없고, 심장 박동기를 사용하지 않는; 최근 6개월간 하지 손상이 없는; 혈전증 또는 혈우병이 없는, 임상적 다리부종 및 stage 2 이상의 말초 동맥 폐색 질환이 없는;  의사소통 능력이 되는; 당뇨병 이외의 질병에서 기인하는 신경병증이 없는; 다리 및 발에 피부자극, 피부병변 또는 화상 등이 없는; 급성 어지럼증, 발열, 감염성 질환이 없고, 중추신경계에 영향을 미치는 약물을 복용하지 않는; 최근 24시간동안 술이나 약물을 복용하지 않는 환자

2.2. 측정 절차 및 장치

- Gaussian white noise (frequency 5Hz-2000Hz)가 plate electrode를 통해 적용되었다.

- 전기 소음은 0에서 0.5mA씩 증가하여 참가자가 약간 얼얼한 느낌을 느낄 정도로 증가했다. 그런 다음, 0.1 mA씩 낮추어 참가자가 더이상 얼얼함을 느낄 수 없을 정도록 낮췄다. 이 신호 레벨을 individual current perception threshold로 정의하였다.

-두 개의 전극 중 하나는 metatarsal head의 plantar surface에, 다른 하나는 forefoot의 dorsal surface에 소금물에 젖은 스폰지에 삽입하고 탄성 벨크로 스트랩을 사용하여 고정시켰다 (Fig 1).

- 양군에서 customized vibration exciter을 이용하여 VPT를 평가하였다.

- experiment 1; VPT는 좌측 엄지발가락의 metatarsal head에서 평가되었다. 각 참가자는 두 가지 무작위 측정 blocks을 거쳤다: 200Hz 진동 자극(MTH1_200Hz)과 30Hz 진동 자극(MTH1_30Hz). 각 block은 6개의 VPT 시험으로 구성되었으며, 각각 SEN이 포함된 상태와 포함되지 않은 상태에서 3개의 측정이 실행되었다. 실험당 여러번의 sinusoidal vibration burst를 적용하고, 참가자들이 진동을 느끼자마자 버튼을 누른다. 마지막으로 인식된 진동 자극과 마지막으로 인식되지 않은 진동 자극의 평균은 VPT로 결정되었다. SEN 자극은 VPT 측정과 병행하여 수행되었다. vibration exciter probe는 plantar plate 전극과 스폰지의 구멍을 통해 측정 부위의 피부에 직접 적용되었다 (Fig 1a).

-experiment 2; VPT는 좌측 세번째 metatarsal head에서 동일한 방법으로 평가되었다. probe는 외부적으로 plantar plate 전극에 적용되었고 따라서 VPT가 간접적으로 기록되었다 (Fig 1b). 실험 1에서와 같이, 각 참가자는 SEN이 있는 경우와 없는 경우 6번의 시험으로 구성된 2개의 무작위 측정 block (MTH3_200Hz & MTH3_30Hz)을 시행하였다.

3. 결과

3.1. Subliminal Electrical Noise Stimulation and Vibration Perception Threshold in Experiment 1

실험 1에서, SEN이 있는 조건과 없는 조건 사이의 주파수에 대한 VPT 또는 CoV에 대한 통계적으로 유의한 차이를 발견하지는 못했다. 기술통계적으로, 평균 VPT는 SEN이 동반된 조건에서 30Hz에서 감소했다(VPT 30 Hz without SEN vs. 30 Hz with SEN: 93.5 ± 92.3 vs. 82.3 ± 78.5)(Fig. 2a,b).

3.2. Subliminal Electrical Noise Stimulation and Vibration Perception Threshold in Experiment 2

실험 2의 데이터는 두 조건 사이의 어느 주파수에서도 VPT 또는 CoV에 대해 통계적으로 유의한 차이를 보이지 않았다 (Table 2)

4. 토론 및 결론

본 연구에서는 당뇨병이 있는 노인을 대상으로 SEN 자극이 vibration perception에 미치는 영향을 조사하였다. 저자는 plantar SEN 자극이 vibration perception을 향상시킬 것을 가정했다. 저자의 가설 및 건강한 젊은 성인과 노인의 전기 소음 자극에 대한 문헌과는 달리, 본 연구의 결과는 vibration perception에 대한 SEN 자극의 통계적으로 유의미한 영향을 입증하지 못했다.

결론: 본 연구의 결과는 thick, myelinated Aβ 섬유에 대해서만 SEN의 효과가 미미하게 존재한다는 것을 보여준다. 본 연구에 기초하여, vibration sensitivy에 대한 SEN 자극의 명확한 임상적 이점 여부는 피해야 한다. 즉 심각하게 영향을 받은 환자(신경병증)에게 SEN이 효과가 있을 것으로 사료된다.