설하신경 자극술의 개요

OSA는 상기도의 반복적 붕괴로 인해 수면 중 간헐적 저산소증, 음압성 흡기 노력, 그리고 각성을 유발하는 질환이다.^2,3) 이러한 병태 생리의 핵심에는 이설근 및 인두 주위 근육의 긴장도 저하가 있다. OSA 환자는 정상 수면 중 상기도 확장근(extensor) 활성이 주기적으로 감소하여 음압에 의한 기도 내벽의 허탈성(collapsibility)이 증가하고, 이에 따라 기도 저항이 급격히 상승한다.^3,4) 이러한 신경 근육 조절의 문제를 해결하기 위한 가장 표준적인 방법이 CPAP이지만, 환자의 순응도가 낮고, 마스크 누출, 이물감 등으로 장기 유지가 어렵다는 한계가 존재한다.^1,4) 따라서 상기도 신경근 조절(neuromuscular control)을 회복시키는 생리적 접근이 필요하다는 개념이 제시되었다.

설하 신경 자극술은 설근을 전기적으로 자극하여 혀의 전방 이동(protrusion)을 유도함으로써 상기도의 해부학적 직경과 탄성(compliance)을 회복시키는 원리이다.^2,3) 특히 수면 중 흡기 타이밍에 맞춰 설근의 전방 수축이 이루어질 때, 기도 폐쇄를 유발하는 음압성 힘(negative inspiratory pressure)을 효과적으로 상쇄할 수 있다. Fig. 2는 설하 신경 자극술 작동 시 상기도 안정화 기전을 보여준다. 흡기 중 설하 신경의 전기적 활성화는 설근의 전방 변위를 유발하여 혀의 뒤쪽 기도를 확장시키고 인두 붕괴를 예방하는데, 여러 전임상 연구에서 이러한 기전이 확인되었다. 동물 모델에서 설하 신경 전기 자극은 흡기 중 기도 저항을 평균 40% 이상 감소시켰으며, 이는 설근의 전방 이동 및 기도 내강 확대에서 기인하였다. 이후 인간 대상 연구에서도 상기도 압력–용적 곡선의 우측 이동이 보고되어, 기도 확장성이 생리적으로 회복됨이 입증되었다.⁴⁾

Fig. 2. Mechanism of airway stabilization during hypoglossal nerve stimulation. During inspiration, electrical activation of the hypoglossal nerve causes anterior displacement of the genioglossus muscle, enlarging the retrolingual airway and preventing pharyngeal collapse.

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결과적으로, 이러한 생리학적 배경 위에서 설하 신경 자극술은 단순히 CPAP의 대체가 아닌 상기도의 기능적 회복을 목표로 하는 치료법으로 확립되었다. 이는 “구조적 개방” 중심의 기존 외과적 수술과 달리, “신경 조절 기반”의 접근이라는 점에서 차별된다.⁴⁾

설하 신경은 혀의 주요 운동근(이설근, 설골설근[hyoglo-ssus muscle], 경돌설근[styloglossus muscle], 혀의 내근[intrinsic tongue muscles])을 지배하며, 이 중 이설근은 상기도 개방의 핵심 근육으로 작용한다.^3,4) 설하 신경은 해부학적으로 내측 분지와 외측 분지로 나뉘며, 전자는 전방 운동(protrusor) 근육을, 후자는 후방 운동(retractor) 근육을 주로 담당한다.^4,8)

이 같은 신경생리학적 기전을 기반으로 한 설하 신경 자극술에 사용되는 장치는 크게 세 가지 구성 요소로 이루어진다. 첫째, 쇄골하(subclavicular) 부위의 피하에 삽입되는 이식형 자극 발생기(implantable pulse generator)는 자극의 강도 및 타이밍을 조절하여 전기 자극을 생성하며, 각각의 환자에 맞게 프로그래밍 된다. 둘째, 설하 신경의 내측 분지에 위치하는 자극 리드(stimulation lead)는 이식형 자극 발생기로부터 전달된 전기 자극을 실제 신경에 전달하여 이설근만을 선택적으로 전방 수축시킨다. 셋째, 흉곽의 움직임을 감지하는 흡기 노력 감지 센서(inspiratory effort sensor)는 흉벽에 삽입되며, 흡기 시작 시점을 감지하여 자극을 호흡 주기와 동기화(synchronization)시키는 역할을 한다. 이 세 구성 요소가 통합되어 작동함으로써 실시간으로 수면 중의 상기도 붕괴를 예방하는 기능적 신경 조절이 가능해진다. 수면 중 흡기가 시작되면 흡기 노력 감지 센서는 흉곽의 미세한 확장 신호를 포착하고, 이를 이식형 자극 발생기로 전달한다. 이후 이식형 자극 발생기는 설정된 자극 프로토콜에 따라 설하 신경 내측 분지로 전기 자극을 보내며, 이 자극은 이설근의 전방 이동을 유도하여 혀의 뒤쪽 기도를 확장시킨다. 이러한 과정은 매 호흡 주기마다 반복되어, 수면 중 상기도의 안정성을 지속적으로 유지하도록 한다.

기존 Inspire 시스템은 일측성 자극(unilateral stimula-tion) 방식으로, 흡기 노력 감지 센서를 이용하여 자극을 흡기 주기와 동기화한다.^2,4) 이 자극을 통해 설근의 전방 수축과 함께 상기도 개방이 이루어진다. 이로 인해 무호흡-저호흡 지수(apnea-hypopnea index, AHI)가 68% 감소하고, 산소탈포화지수(oxygen desaturation index, ODI)가 70% 감소하는 등 수면 중 산소포화도가 유의하게 개선된다.²⁾ Sturm 등은 근전도(electromyography, EMG)를 이용하여 각 분지별 전기 자극에 따른 근육 반응을 정량적으로 분석하였다.⁸⁾ 이 연구에서 내측 분지 자극 시 이설근에서만 EMG 반응이 나타나는 반면, 외측 분지 자극 시에는 경돌설근과 설골설근에서 반응이 관찰되었다. 이는 설하 신경 자극술에서 근육 선택적 자극의 중요성을 입증하는 신경생리학적 근거를 제시하였으며, 이러한 선택적 자극의 중요성은 여러 연구에서 입증되었다.^4,8) Oliven 등은 2007년의 연구에서 이설근의 선택적 자극은 임계폐쇄압력(critical closing pressure, Pcrit)을 유의하게 낮춰 기도를 안정화시키는 반면, 경돌설근과 설골설근의 자극은 오히려 Pcrit를 증가시켜 기도 붕괴성을 높인다고 보고하였다.⁴⁾

한편, 2025년 Woodson 등의 연구에서는 양측성 설하 신경 자극 시스템(Genio^®, Nyxoah)의 임상시험 결과가 발표되었다.⁶⁾ 이는 하악 아래 피하에 위치한 얇은 자극 패드를 통해 양측 설하 신경을 동시에 자극하여 전체 구강 혀를 전방으로 돌출시키는 시스템으로, 혀의 중앙부까지 균일한 전방 이동을 유도한다. AHI 반응률이 63.5%, ODI 반응률이 71.3%를 기록하였으며, 기존 일측성 설하 신경 자극술 대비 혀의 뒤쪽과 구개 뒤쪽 공간이 더 늘어나 기도 개방의 범위가 유의하게 넓었다. 특히 이 시스템은 외부 조정 장치로 전원을 공급받는 무 배터리 방식으로 설계되어 배터리 교체를 위한 재수술이 필요 없다는 장점이 있다.⁶⁾

요컨대, 설하 신경 자극술의 신경생리학적 핵심은 1) 혀의 전방 운동 근육에 대한 선택적 자극,^4,8) 2) 흡기 타이밍과의 정확한 동기화,^2,4) 3) 양측 균형 조절의 세 요소로 요약할 수 있다.^4,6)

상기도 근육의 기능적 전기 자극은 1980년대 초반부터 연구되기 시작하였다. 2000년대 초, Schwartz와 Smith 등이 인간 대상 연구를 시작하였고,³⁾ 2007년 Inspire Medical Systems가 설립되면서 임상용 설하 신경 자극술 장치 개발에 착수하였다. 기술적 발전의 분수령은 2014년 Strollo 등이 다기관·전향적·단일군으로 수행한 STAR 임상시험을 통해 설하 신경 자극술의 안전성과 유효성이 처음으로 입증된 데에서 찾을 수 있다.²⁾ 이 연구는 126명의 CPAP 불순응 중등도–중증 OSA 환자를 대상으로 시행되었으며, 치료 후 중간값 AHI가 29.3/hr에서 9.0/hr로 평균 AHI가 68% 감소하고 ODI는 25.4/hr에서 7.4/hr로 평균 70% 감소하였으며, 엡워스 졸림 척도(epworth sleepiness scale, ESS)는 11.6에서 정상 범위로 개선되었다. 이후 2015년 Strollo 등은 18개월 추적 연구를 통해 치료 효과의 지속성을 확인하였고⁹⁾, 2016년 Woodson 등은 36개월 이상 추적 연구를 통해 장기간 치료 효과의 지속성을 입증하였다.⁷⁾ 2024년 Alrubaish 등의 체계적 문헌고찰에서는 총 30편의 논문과 822명의 환자 데이터를 종합 분석하였으며, Inspire 장치의 경우 단기간 AHI가 평균 20.14/hr 감소하고 ESS가 5.02점 개선되는 것으로 보고되었다.⁵⁾ 이러한 결과는 HNS가 장기적으로도 안정적인 치료 효과를 보임을 시사한다. 현재 설하 신경 자극술의 적응증은 1) 중등도–중증 OSA, 2) CPAP 불순응 또는 실패, 3) 체질량 지수 <35 kg/m², 4) 완전 원형 연구개 폐쇄(concentric palatal collapse)가 없는 경우로 제한된다. 이러한 선택 기준은 약물 유도 수면내시경검사(drug-induced sleep endoscopy)로 확인 가능하며,¹⁰⁾ 치료 반응을 예측하는 주요 요인으로 작용한다.

현재 설하 신경 자극술은 호흡 센서를 통한 closed-loop 시스템을 기반으로 하고 있으며, 향후 더욱 정밀한 맞춤형 치료를 위한 방향으로 기술 발전이 진행되리라 기대한다. 결국, 설하 신경 자극술은 단순한 “기계적 보조장치”의 영역을 넘어, 수면 중 상기도 폐쇄의 병태생리적 근원을 교정하는 치료로 자리매김하게 될 것이다.