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투석환자 산염기 불균형에 대한 새로운 접근

<경기동물의료원 인도 투석 워크샵 핵심 정리>

투석을 필요로 하는 AKI 및 CKD 환자에서는 산–염기 이상이 매우 복합적인 형태로 나타나는 경우가 많습니다. 임상에서는 여전히 pH, PCO₂, HCO₃⁻를 중심으로 한 전통적인 해석 방법이 널리 사용되고 있습니다. 그러나 실제로 이러한 접근만으로는 환자의 상태를 완전히 설명하기 어려운 경우가 적지 않습니다. 특히 투석 환자에서는 전해질 변화, 저알부민혈증, 고인산혈증, 그리고 다양한 요독성 물질들이 동시에 작용하기 때문에 단순히 HCO₃⁻ 수치만으로 대사성 산증 또는 알칼리증을 판단하는 것은 한계가 분명합니다.

​전통적인 접근에서 HCO₃⁻는 대사성 요소를 반영하는 대표적인 지표로 사용되지만, 중요한 점은 HCO₃⁻가 실제로는 원인이 아니라 결과라는 것입니다. 즉, 체내에서 일어나는 다양한 이온 변화와 완충 시스템의 결과로서 HCO₃⁻가 결정되는 것이지, HCO₃⁻ 자체가 산–염기 상태를 결정하는 근본적인 변수는 아닙니다. 이러한 점에서 HCO₃⁻에만 의존한 해석은 병태생리의 본질을 놓칠 수 있습니다.

​이러한 한계를 보완하기 위해 임상적으로 매우 중요한 지표가 바로 base excess(BE)입니다. Base Excess(BE)는 말 그대로 얼마나 excess(과잉)의 산 또는 염기가 존재하는가를 수치로 표현한 값입니다. 정의를 정확히 풀어보면, 현재 혈액을 정상 상태(pH 7.40, PCO₂ 40 mmHg)로 되돌리기 위해 필요한 강산 또는 강염기의 양(mEq/L)을 의미합니다. 이 정의에서 가장 중요한 포인트는 정상 PCO₂ 조건에서라는 부분입니다. 즉, BE는 호흡성 요인을 제거한 상태에서 순수하게 대사성 성분만을 평가하는 지표입니다.

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<인도 소동물 혈액투석 워크샵 중>

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이 개념을 이해하기 위해 간단한 상황을 생각해보면 좋습니다. 어떤 환자의 pH가 낮다고 가정했을 때, 그 원인은 두 가지일 수 있습니다. 하나는 CO₂가 증가한 경우, 즉 호흡성 산증이고, 다른 하나는 체내에 산이 축적되었거나 bicarbonate가 감소한 대사성 산증입니다. 그런데 실제 임상에서는 이 두 가지가 섞여 있는 경우가 많기 때문에, 단순히 pH만으로는 어떤 문제가 얼마나 존재하는지 구분하기 어렵습니다. 이때 BE는 CO₂는 정상이라고 가정하고 계산하기 때문에, 호흡성 영향을 제거하고 남은 순수한 대사성 부분만을 보여줍니다.

​그래서 BE의 해석은 매우 직관적입니다. 값이 0에 가까우면 대사성 이상이 거의 없다는 뜻이고, 음수이면 metabolic acidosis, 양수이면 metabolic alkalosis를 의미합니다. 일반적으로 정상 범위는 -4에서 -1 정도로 제시되며, 이상적으로는 0에 가까운 상태가 가장 균형 잡힌 상태입니다. 예를 들어 BE가 -10이라면, 이 환자의 혈액을 정상 상태로 되돌리기 위해 약 10 mEq/L 정도의 염기가 필요하다는 의미이고, 반대로 BE가 +8이라면 약 8 mEq/L 정도의 산이 필요하다는 의미입니다. 즉 BE는 단순히 산증이다/알칼리증이다를 넘어서, 그 강도의 크기까지 정량적으로 보여주는 지표입니다.

​임상적으로 BE가 중요한 이유는 HCO₃⁻보다 훨씬 안정된 지표이기 때문입니다. HCO₃⁻는 Henderson–Hasselbalch 식에 의해 CO₂와 직접적으로 연결되어 있기 때문에, 환기가 조금만 변해도 값이 흔들립니다. 예를 들어 과호흡이 발생하면 CO₂가 떨어지고, 이에 따라 HCO₃⁻도 감소하게 됩니다. 이 경우 HCO₃⁻만 보면 metabolic acidosis처럼 보일 수 있지만, 실제로는 단순한 respiratory alkalosis일 뿐입니다. 반대로 BE는 계산 과정에서 PCO₂를 정상으로 고정하기 때문에 이러한 영향을 받지 않습니다. 따라서 mixed disorder가 흔한 투석 환자에서는 HCO₃⁻보다 BE가 훨씬 신뢰할 수 있는 대사성 지표가 됩니다.

​또 하나 중요한 점은 BE가 bicarbonate deficit과 거의 동일한 개념으로 사용될 수 있다는 것입니다. 실제로 임상에서는 BE를 이용하여 bicarbonate 보충량을 계산하기도 합니다. 예를 들어 BE가 -8이고 체중이 10 kg인 환자가 있다면, 대략적인 bicarbonate deficit은 0.3 × 체중 × |BE|로 계산할 수 있습니다. 즉 0.3 × 10 × 8 = 24 mEq 정도의 bicarbonate가 필요하다고 추정할 수 있습니다. 물론 이는 단순화된 계산이며 실제 임상에서는 분할 투여와 환자의 상태를 고려해야 하지만, BE가 단순 해석을 넘어 치료 계획에도 직접적으로 연결된다는 점에서 매우 중요한 지표입니다.

​따라서 저는 HCO3-는 보지 않습니다! BE 위주로 판단합니다. 

​하지만 여기서 반드시 짚고 넘어가야 할 점이 있습니다. BE는 얼마나 산증/알칼리증이 있는가를 매우 잘 보여주지만, 그 원인을 설명하지는 못합니다. 예를 들어 BE가 -8이라면 대사성 산증이 존재한다는 것은 분명합니다. 그러나 이 수치만으로는 그 산증이 어떤 원인에서 비롯되었는지, 그리고 각각의 요소가 얼마나 기여하고 있는지까지는 알 수 없습니다. 다시 말해, BE는 전체적인 산–염기 이상의 크기는 보여주지만, 그 안을 구성하는 세부적인 원인과 기여도까지는 설명해주지 못하는 지표입니다. 즉 BE는 크기(magnitude)를 보여주지만, 구성요소(composition)를 보여주지는 않는다는 것입니다. (상세 내용 뒤에 후술)

​이 한계 때문에 Stewart 접근이나 semi-quantitative approach가 등장하게 됩니다. BE를 하나의 총합으로 보고, 그 값을 다시 여러 effect로 분해하여 각각이 얼마만큼 기여했는지를 보는 것입니다.  

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<경기동물의료원에서 사용하고 있는 반정량 계산법 엑셀, 숫자가 큰 순서대로 영향력이 큰것임>

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위 사진에서, BE가 -3.6으로 비교적 mild한 metabolic acidosis로 보이지만, 내부적으로는 lactate, chloride, albumin, phosphorus 등이 각각 다른 방향으로 작용하고 있고, 그 결과가 합쳐져서 -3.6이라는 값이 나온 것을 확인할 수 있습니다. 즉 BE는 최종 결과이고, Stewart 접근은 그 결과를 만드는 각각의 힘을 해부하는 과정이라고 이해하면 가장 정확합니다. 결론적으로 BE는 투석 환자에서 산–염기 상태를 평가할 때 반드시 확인해야 하는 핵심 지표입니다. 

​투석 환자, 특히 AKI나 CKD가 진행된 개에서는 산–염기 이상이 단순한 한 가지 문제로 끝나는 경우가 드뭅니다. 실제 임상에서는 pH가 정상 범위에 있더라도, 그 내부를 들여다보면 대사성 산증과 대사성 알칼리증, 혹은 호흡성 변화가 동시에 존재하는 mixed disorder가 흔합니다. 그래서 예전처럼 pH를 보고, 이어서 PCO₂와 HCO₃⁻를 확인한 뒤 대사성 산증이다, 보상되고 있다 정도로 결론을 내리는 방식만으로는 환자의 상태를 충분히 설명하기 어려운 경우가 많습니다. 

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​<인도 소동물 혈액투석 워크샵 중>

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전통적인 접근은 분명 여전히 유용합니다. pH가 낮으면 산증인지, 높으면 알칼리증인지 먼저 판단하고, PCO₂가 움직였는지, HCO₃⁻가 움직였는지를 보며 1차적으로 호흡성 문제인지 대사성 문제인지 구분하는 데에는 매우 실용적입니다. 또한 base excess, 즉 BE를 함께 보면 대사성 요소가 어느 정도 강하게 존재하는지 더 잘 파악할 수 있습니다. 

​실제로 BE는 정상 pH 7.40과 정상 PCO₂ 40 mmHg 조건으로 혈액을 되돌리기 위해 얼마나 많은 산 또는 염기를 넣어야 하는지를 나타내는 값이기 때문에, 환기의 영향이 섞여 있는 HCO₃⁻보다 순수한 대사성 성분을 더 잘 보여줍니다. 다시 말해 HCO₃⁻는 호흡 상태에 따라 흔들릴 수 있지만, BE는 지금 이 환자 몸 안에 대사적으로 산이 더 많은지, 염기가 더 많은지를 좀 더 직접적으로 표현해 줍니다.

​그런데 위에서도 설명했듯이, 또, 한계가 있습니다. BE는 대사성 이상이 있다는 사실은 알려주지만, 왜 그런 대사성 이상이 생겼는지, 즉 원인을 기전적으로 설명해주지는 못합니다. 예를 들어 BE가 음수이면 대사성 산증이 있다는 것은 알 수 있지만, 그것이 염소 증가 때문인지, 젖산 때문인지, 알부민 감소가 일부 상쇄하고 있는지, 인 상승이 추가적인 산증을 만들고 있는지, 혹은 눈에 보이지 않는 미측정 음이온이 있는지까지는 BE 하나만으로는 알 수 없습니다. 바로 이 지점에서 Stewart 접근이 필요해진다는 것이죠. 

​Stewart 이론은 산–염기 평형을 단순히 HCO₃⁻ 중심으로 보지 않고, pH를 실제로 결정하는 독립 변수로 PCO₂, SID, 그리고 Atot를 제시합니다. 여기서 가장 중요한 차이는 HCO₃⁻를 원인이 아니라 결과로 본다는 점입니다.  

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​즉 전통적인 방식에서는 HCO₃⁻가 낮으면 대사성 산증이라고 말하지만, Stewart 방식에서는 왜 HCO₃⁻가 낮아졌는지를 먼저 봅니다. 다시 말해 HCO₃⁻는 스스로 움직이는 주인공이 아니라, 전해질과 약산, 그리고 CO₂ 변화의 결과로 뒤따라 결정되는 값이라는 것입니다.

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이 개념을 이해하려면 SID, 즉 strong ion difference부터 차근차근 보는 것이 가장 좋습니다.  

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​SID는 생리적 pH에서 거의 완전히 해리되어 존재하는 강이온들 사이의 차이를 의미합니다. 임상적으로 가장 단순하고 실용적인 계산은 Na와 K 같은 강-양이온에서 Cl 같은 강-음이온을 빼는 방식입니다. 계산식은, SID = Na + K – Cl이며, 정상 범위는 대략 40–45 mEq/L 정도로 제시됩니다. 이 계산이 중요한 이유는, 혈장이라는 공간이 전기적으로 중성이어야 하기 때문입니다. 체내에 양전하와 음전하는 균형을 이루어야 합니다. 

​예를들어, 강양이온과 강음이온의 차이가 줄어들면 그 부족한 균형을 맞추기 위해 다른 음이온과 수소이온의 조합이 달라지게 됩니다. 그 과정에서 bicarbonate가 줄고 수소이온 농도가 상대적으로 증가하여 대사성 산증 방향으로 이동하게 됩니다. 반대로 SID가 커지면 전기적 균형을 맞추는 방식이 달라지면서 수소이온 농도는 감소하고 알칼리증 방향으로 이동하게 됩니다.

​이 말을 숫자로 풀어보면 훨씬 이해가 쉽습니다. 예를 들어 정상 환자에서 Na가 145 mmol/L이고 Cl이 105 mmol/L라고 가정하면, 단순 SID는 145 – 105, 즉 40입니다. 이것은 정상적인 산–염기 균형을 유지하기에 적절한 범위입니다. 그런데 여기에 0.9% 생리식염수를 투여하면 어떻게 될까요???? 생리식염수는 Na 154, Cl 154로 구성되어 있습니다. 

​즉 이 수액 자체의 SID는 154 – 154 = 0입니다. 혈장의 SID가 40 전후인데, SID가 0인 용액을 계속 공급하면 혈장 내 strong ion difference는 자연스럽게 감소할 수밖에 없습니다. 예를 들어 수액 투여 후 Na가 148이 되고 Cl이 118이 되었다면, SID는 148 – 118 = 30으로 떨어집니다. 이 경우 우리가 직접 bicarbonate를 건드린 것은 아니지만, chloride가 상대적으로 더 증가하여 strong ion difference가 감소했고, 그 결과 bicarbonate는 줄어들고 metabolic acidosis가 발생합니다. 

​이것이 Stewart 관점에서 말하는 hyperchloremic metabolic acidosis입니다. 즉 saline이 산성화 수액이라는 말은 pH가 산성이다라는 뜻이 아니라, 이 용액의 SID가 매우 낮기 때문에 체내 SID를 낮추고 결과적으로 산증을 유도한다는 의미입니다. 

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<인도 소동물 혈액투석 워크샵 중>

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반대로 RL, 즉 Lactated Ringer’s solution은 전혀 다르게 이해해야 합니다. RL은 Na, K, Ca, Cl, lactate로 구성되어 있고, 겉보기 SID는 대략 28 정도입니다. 이는 saline의 0보다는 훨씬 높습니다. 또한 RL에 들어 있는 lactate는 영구적인 strong anion이 아니라 대사 가능한 음이온입니다. 간에서 lactate가 대사되면 bicarbonate 생성에 기여하고, 결과적으로 임상적으로는 saline보다 훨씬 덜 산성화되고 상황에 따라 상대적인 알칼리화 효과까지 나타낼 수 있습니다. 그래서 같은 정질액이라고 하더라도, Stewart 관점에서는 어떤 수액을 쓰느냐가 곧 acid–base therapy의 일부가 됩니다. 단순히 volume을 채우는 문제가 아니라, 그 수액의 SID가 환자의 plasma SID에 어떤 영향을 줄지를 생각해야 한다는 뜻입니다.

​여기까지가 strong ion 쪽 이야기라면, Stewart 접근의 또 다른 축은 Atot입니다. Atot는 total weak acids의 약자로, 생리적 pH에서 완전히 해리되지 않고 부분적으로만 해리되는 약산들의 총량을 뜻합니다. 임상적으로 가장 중요한 구성 요소는 albumin과 phosphorus입니다. 이 둘이 왜 계산에 들어가는지는 명확합니다. 산–염기 평형은 강이온만으로 결정되지 않고, 혈장 안에 존재하는 약산 완충계의 양에도 크게 영향을 받기 때문입니다. 알부민은 음전하를 띠는 대표적인 약산이고, 인 역시 산–염기 상태에 기여하는 약산성 성분입니다. 

​따라서 albumin이 낮아지면 체내 약산 총량이 줄어들어 상대적으로 알칼리증 방향으로 작용하고, phosphorus가 높아지면 약산이 늘어나 산증 방향으로 작용합니다. Atot 증가, 특히 hyperphosphatemia는 metabolic acidosis를 유발하고, Atot 감소, 특히 hypoalbuminemia는 metabolic alkalosis를 유발한다고 설명합니다. 투석 환자에서 이 점이 특히 중요한 이유는, 실제로 이 환자들에서 저알부민혈증과 고인산혈증이 자주 함께 존재하기 때문입니다. 즉 한쪽에서는 알칼리증 방향으로, 다른 한쪽에서는 산증 방향으로 힘이 작용하므로, 최종 pH나 HCO₃⁻만 봐서는 내부의 상쇄 구조를 이해하기 어렵습니다.

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▶ Semi-quantitative approach입니다. individual process가 BE에 얼마나 기여하는지를 추정하는 방식입니다. 쉽게 말하면, 전체 metabolic component를 나타내는 BE를 여러 조각으로 분해해서 자유수분 변화가 얼마만큼 작용했는지, 염소가 얼마만큼 영향을 줬는지, 알부민은 얼마나 알칼리화시키고 있는지, 인은 얼마나 산성화시키는지, 젖산은 얼마나 기여하는지, 그럼에도 남는 미측정 이온 효과는 얼마인지를 보는 방식입니다. 

​전통적인 방법으로 해석되지 않는, 어떤 부분이 pH에 영향을 미치는지 알 수 없는 산염기 불균형 환자에서는 이 방법은 매우 유용합니다. 즉, 산염기 불균형의 원인이hyperchloremia인지, lactate인지, phosphorus인지, 아니면 미측정 요독성 음이온인지를 훨씬 직관적으로 파악할 수 있기 때문입니다.

​Semi quantitative approach 계산방법이 존재하며, 저희 병원은 엑셀을 활용하여 계산하고 있습니다. 

​각 요소들을 하나씩 살펴보면, 이 값들이 단순한 숫자가 아니라 각각 산–염기 상태에 어떤 방향으로, 얼마나 영향을 주고 있는지를 보여주는 지표라는 것을 이해하는 것이 중요합니다.

​먼저 free water effect는 체내 수분 상태가 산–염기에 어떤 영향을 주고 있는지를 의미합니다. 이 값이 음수라는 것은 자유수분이 상대적으로 많은 상태, 즉 저나트륨혈증과 유사한 상황을 반영하며, 체액이 희석되면서 산증 방향으로 작용하고 있음을 의미합니다. 다시 말해, 단순히 수분이 많아진 것처럼 보이지만, 실제로는 전해질 농도가 희석되면서 SID가 감소하고 그 결과 산증을 유도하는 방향으로 작용하게 됩니다.

​다음으로 chloride effect는 염소가 산–염기 균형에 미치는 영향을 보여주는 항목입니다. 이 값이 음수라는 것은 염소가 상대적으로 높은 상태, 즉 hyperchloremia가 존재하며, 이는 대표적인 대사성 산증 유발 요인입니다. 염소는 강음이온이기 때문에 증가하면 SID를 감소시키고, 그 결과 bicarbonate가 감소하면서 산증이 발생하게 됩니다. 흔히 chloride와 bicarbonate는 반대로 움직인다는 표현이 바로 이 기전을 설명하는 것입니다.

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<인도 소동물 혈액투석 워크샵 중>

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Albumin effect는 단백질, 특히 알부민이 산–염기에 미치는 영향을 반영합니다. 알부민은 체내에서 중요한 약산 역할을 하기 때문에, 그 농도 변화는 산–염기 상태에 직접적인 영향을 줍니다. 이 값이 음수라는 것은 알부민이 기준보다 높은 상태로, 약산이 증가하여 산증 방향으로 작용하고 있음을 의미합니다. 반대로 알부민이 낮아지면 약산이 줄어들기 때문에 상대적으로 알칼리증 방향으로 작용하게 됩니다. 그래서 임상적으로 저알부민혈증이 있는 환자에서는 실제보다 산증이 덜한 것처럼 보이거나, 알칼리화 효과가 일부 존재할 수 있습니다.

​Phosphorus effect 역시 유사한 개념으로 이해할 수 있습니다. 인 또한 약산으로 작용하기 때문에, 농도가 증가하면 산증 방향으로 영향을 미칩니다. 따라서 이 값이 음수라는 것은 인이 상대적으로 높아 산증에 기여하고 있음을 의미하며, 특히 신부전 환자에서는 이러한 영향이 더욱 중요해집니다.

​Lactate effect는 비교적 직관적인 항목입니다. 젖산은 대표적인 강음이온이므로, 증가할수록 명확하게 대사성 산증을 유발합니다. 따라서 이 값이 음수일수록 젖산에 의한 산증 기여가 존재한다고 이해하면 됩니다.

​이제 중요한 것은, 이러한 각각의 요소들을 개별적으로 보는 것이 아니라 전체적으로 합쳐서 해석하는 과정입니다. 각각의 요소는 산증 방향 또는 알칼리증 방향으로 서로 다른 힘을 작용시키고 있으며, 이들이 모두 합쳐져 최종적인 대사성 상태를 만들어냅니다.

​그런데 여기서 한 가지 흥미로운 점이 발생합니다. 우리가 측정 가능한 요소들—즉 수분 상태, 염소, 알부민, 인, 젖산—이 모두 만들어내는 총합을 보면 상당한 산증이 예상되는 경우가 있습니다. 하지만 실제 BE 값은 그보다 덜 산성으로 나타나는 경우가 있습니다. 이는 곧, 우리가 측정하지 못한 어떤 요소가 이 산증을 일부 상쇄하고 있다는 것을 의미합니다.

​이때 등장하는 개념이 바로 XA, 즉 unmeasured ion effect입니다. 이는 말 그대로 현재 우리가 측정하지 못하고 있는 이온들이 산–염기 상태에 어떤 영향을 주고 있는가를 추정하는 개념입니다. 이 값이 양수라면, 눈에 보이지 않는 어떤 요소가 알칼리화 방향으로 작용하여 산증을 일부 완화하고 있다는 의미이고, 반대로 음수라면 미측정 음이온에 의해 추가적인 산증이 존재할 가능성을 시사합니다.

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<인도 소동물 혈액투석 워크샵 중>

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결국 이러한 접근의 핵심은 단순히 대사성 산증이다라고 끝나는 것이 아니라, 그 산증이 어떤 요소들에 의해, 어떤 방향으로, 얼마나 구성되어 있는지를 분해해서 이해하는 것입니다. 즉 하나의 숫자(BE)로 끝나는 것이 아니라, 그 숫자를 구성하는 여러 힘들을 나누어 보는 것이며, 이것이 바로 임상적으로 이 접근이 매우 강력한 이유입니다.

​이런 새로운 접근이 나온 이유도 바로 여기에 있습니다. 기존 방식은 빠르고 직관적이지만, 복합적인 투석 환자에서는 실제 병태생리를 너무 단순화해 버립니다. 예를 들어 HCO₃⁻가 낮으면 흔히 bicarbonate를 보충해야 한다고 생각하기 쉽습니다. 그러나 Stewart 방식으로 보면, 그 환자의 문제는 bicarbonate 부족이 본질이 아니라 hyperchloremia로 인한 SID 감소일 수 있습니다. 

​그렇다면 치료의 핵심은 bicarbonate를 무조건 넣는 것이 아니라 chloride load를 줄이고, saline 사용을 줄이며, 환자 상태에 맞는 higher SID fluid를 선택하는 것입니다. 마찬가지로 저알부민혈증이 있는 환자에서는 HCO₃⁻만 보면 산증이 심하지 않아 보일 수 있지만, 실제로는 저알부민에 의한 alkalinizing effect가 산증을 가리고 있을 수 있습니다. 인이 높은 환자에서도 마찬가지입니다. 

​phosphorus는 단순 전해질 이상이 아니라 산–염기 쪽에서도 acidosis를 강화하는 변수이므로, 이를 교정하는 것 자체가 acid–base management의 일부가 됩니다. 결국 Stewart 접근은 단순히 새로운 계산법이 아니라, 치료의 방향을 바꾸는 해석법입니다.

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정리하면, 

전통적인 방식은 무슨 acid–base disorder가 있는가를 빠르게 파악하는 데 유리하고, Stewart 접근은 왜 그런 disorder가 생겼는가를 상세히 뜯어서 설명하는 데 강합니다. 

그리고 투석 환자처럼 hyperchloremia, hypoalbuminemia, hyperphosphatemia, lactate 변화, uremic anion이 동시에 얽히는 환자에서는 바로 그 왜를 이해하는 것이 치료 성패를 좌우합니다. 

​HCO₃⁻는 여전히 중요하지만, 그것만 보고 있으면 결과만 보는 셈입니다. SID를 보면 chloride와 sodium이 어떻게 산–염기 상태를 끌고 가는지 보이기 시작하고, Atot를 보면 albumin과 phosphorus가 왜 pH를 가리거나 악화시키는지 이해할 수 있으며, SIG 또는 XA를 보면 눈에 보이지 않는 요독성 음이온까지 의심할 수 있게 됩니다. 그래서 이 접근은 단지 더 복잡한 이론이 아니라, 복잡한 환자를 더 정확하게 설명하고 더 적절하게 치료하기 위해 반드시 필요하다고 봐야합니다.

​글: 경기동물의료원 이광섭 내과과장