Accurate measurement of peripheral tissue perfusion is necessary but challenging in diagnosing peripheral vascular insufficiency. Significant attention has also been given to in vivo near-infrared (NIR) fluorescence imaging because of deep tissue penetration due to low absorbance and scattering. In this study, a new method, ICG (indocyanine green) perfusion imaging, was developed for measuring peripheral tissue perfusion. A NIR fluorescence imaging was approached for evaluation of peripheral tissue perfusion that employs the intravenous injection of ICG dye, planar imaging with a CCD digital imaging system, and analysis of spatiotemporal dynamics. The method was evaluated using a murine model of hindlimb ischemia, and therapeutic interventions directed at stimulation of angiogenesis. Moreover, the method was applied to measure perfusion rate of human lower extremities. In this clinical application, this method presents high specificity and sensitivity to diagnose patients with peripheral vascular insufficiencies in lower extremities, compared with the standard methods, CT-angiography and ankle brachial index. These studies collectively suggest that ICG perfusion imaging is feasible method not only for therapeutic angiogenesis studies in animal experimentation but also for diagnosing and monitoring treatment effects of peripheral vascular diseases in clinical setting.
식생활의 변화와 노령 인구의 증가로 인해 말초 혈류의 장애를 초래하는 주요 질병인 당뇨, 고혈압, 고령화 등이 급격히 증가하고 있으나 말초혈관 질환 진단을 위한 정확한 선별 검사 방법은 없다. 기존에 말초조직의 혈류를 측정하는 방법으로, X선 단층촬영술 (computed tomography, CT)나 자기공명영상술 (magnetic resonance, MR) 혈관 조영영상을 통하여 혈관의 해부학적 구조의 변화로부터 혈액관류 정도를 추측하거나, 팔과 다리의 혈압을 비교함으로써 다리의 혈류를 측정하는 plethysmography 방법, 이 외에 레이져 도플러 현상을 이용한 혈류의 속도 측정 방법 등이 있다. 하지만 혈관 조영 영상 방법은 고비용으로 말초혈관 질환 진단을 위한 선별검사 방법으로는 적합하지 않으며, 현재 가장 널리 이용되고 있는 선별 검사 방법인 plethysmography는 큰 혈관을 통한 혈액관류만이 측정 가능하며 석회화되거나 또는 측부혈관(collateral vessel)을 통한 관류는 측정이 불가능한데, 이는 하지동맥경화가 진행되는 대부분의 환자에서 이상 혈관이 석회화되거나 혹은 측부혈관이 생성되고 이 혈관들을 통한 혈액 순환이 하지 관류의 대부분을 차지하고 있어 선별검사 방법으로 적합하지 못하다. 또한 레이져 도플러를 통해 측정되는 혈류 속도는 조직의 혈액관류 측정을 위한 요소로는 적당하지 않다.
따라서 본 연구에서 말초조직의 혈액관류를 정량적으로 측정하는 방법을 개발하였으며 전임상 실험과 임상 실험을 통해 개발된 방법이 신뢰할 수 있음을 입증하였다.
말초조직의 혈액관류를 정량적으로 측정하기 위해서, 근적외선 조영제인 인도시아닌 그린(ICG)과 근적외선 형광 영상 시스템을 이용하였다. 근적외선 영상법은 체내 투과도가 높아 비침습적 체내 영상기법을 위해 주목 받고 있는 방법이다. 조영제인 ICG는 근적외선인 760±50 nm 파장의 빛에 의해 활성화되고 830±50 nm 파장의 빛을 방출한다. 특히 혈관내로 주입시 대부분이 알부민과 결합하여 혈관밖으로 빠져나가지 않고 혈액을 따라서 순환하며 간에서 알부민으로부터 분리되어 배출되므로 반감기가 약 3~5분으로 매우 짧은 것이 특징이다. 따라서 ICG 형광 신호가 보이는 부분은 혈액의 흐름이 있는 부분이며, 각 국소부위에서의 ICG 약물동력학(pharmacokinetics)은 혈액관류의 정도를 반영한다. 본 연구에서는 누드마우스에 하지허혈 (hindlimb ischemia)을 유발한 후 다양한 혈액관류 정도를 보이는 조직에서 국소부위별 ICG 약물동력학을 분석하고 수학적으로 모델링하여 ICG 동력학적 특성으로부터 정량적 관류율 (perfusion rate (%/min): 국소부위의 혈류량에서 분당 순환되는 혈류량의 분율 (fraction))을 계산하였다. 하지 허혈 수술 직후 각 허혈 조직에서 관류율을 측정한 결과, 허혈조직의 수술 후 7일째의 조직 손상 정도와 높은 연관관계를 보였다. 이는 본 방법이 신뢰할 수 있음을 의미하며, 수술 직후 측정된 관류율로부터 7일 후 조직 손상 정도를 예측 가능하게 하였다. 또한 국소 부위에서 측정된 관류율을 이용하여 관류도 (perfusion map)를 제작하여, 말초 조직의 혈류량에 대한 공간적 정보를 제공해 할 수 있게 하였다. 관류도의 공간적 정보와 국소 조직의 관류율에 대한 분포 정도(histogram)을 통해서 큰 혈관과 작은 혈관의 혈류 저하를 구별하여 분석하는 것이 가능하였다. 또한 본 방법으로 기존의 혈관생성을 유도한다고 알려진 VEGF나 Comp-Angiopoietin 을 허혈 하지에 처리할 경우, 예측된 조직 손상 정도에 비해 적은 손상으로 회복됨을 측정하였다. 또한 perfusion 관류율의 회복속도는 대조군에 비해 유의하게 빠르며 측정된 결과의 민감도는 기존의 레이저 도플러 영상을 통해 측정된 것보다 탁월하였다.
다음으로, 임상 적합성을 연구하기 위해 임상용 근적외선영상시스템을 제작하였다. 말초조직 혈관질환환자와 정상대조군에서 ICG perfusion imaging을 촬영한 결과, 말초조직혈관질환 진단의 민감도와 특이도는 각각 90%, 85%로 높은 정확도를 보여 임상에서 말초혈관질환 진단을 위한 선별 검사 방법으로 활용 가능성을 제시하였다.
본 연구에서 개발된 말초조직혈류의 정량적 측정 방법은 전 임상실험에서, 혈관 생성을 유도하는 유전자나 약물 개발에서 혈류 증진 정도를 측정하는 방법으로 이용될 수 있으며, 임상에서는 말초혈관질환의 진단에서 plethysmography 진단법으로는 정상으로 분류되는 중등도의 정강 동맥 협착 (moderate tibial arterial occlusion)을 보이는 환자 등에서도 혈류 이상을 진단하는 등 기존 방법에 비해 정확하고 다양한 정보를 제공할 수 있어 임상에서 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.
