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  정원식 코멘트 : 0 분류 : 컨텐츠양식 > 레포트 > 의/약학

• 본문내용

• 1. 인공 심장 이란?

   

  기능이 떨어 졌거나 약화된 심장대신 생체 내에서 기계적으로 장치하여 전신순환을 영구적으로 보조 또는 대행하도록 만든 심장. 생체 내에 이식되어 회복불능인 자연심장의 기능을 완전히 대신 할 수 있는 것으로 정의 할 수 있지만, 오늘 날에는 자연 심장 기능의 부분적인 대체 및 보완 기능을 갖는 심실 보조 장치도 중요한 부분으로 인정되고 있다.

   

  2. 등장 배경과 필요성

   

  미국 심장 학회에 따르면 심혈관계 질환으로 사망하는 미국인은 1982년도에 이미 백만 명에 이르고, 이러한 질병으로 인한 국가 경제적 손실은 약 720억$에 이른다. 우리나라의 경우에도 서울대학교 병원의 경우 연간 550명, 전국적으로는 1500여 명의 환자가 개심술을 받은 것으로 보고되고 있다. 실제로 이러한 심장 질환 환자는 연간 약 만 명에 달하고 있으며 이중 약 10% 이상이 인공심장이 완성 될 경우 우선 그 혜택을 받을 수 있는 것으로 믿어지고 있다. 국내에서는 서구에 비해 심장질환에 관심이 적은 이유로 조기 진단이 늦어 이미 상태가 악화되어 인공심장의 필요성과 수요는 외국보다 더 절실하다. 중증 또는 말기 심장질환자에게는 심장이식이 가장 좋은 치료법이나 공여심장의 부족으로 심장 이식 전 심장 대체용으로 필요하기도 하다.

   

  3. 인공 심장의 임상적용시대의 시작

   

  1982년 12월 2일 유타대학병원의 Dr.Devris가 공압식 인공심장을 영구 사용 목적으로 최과의사인 환자 Barney Clark에게 이식함으로써 인공심장의 임상적용시대가 열리게 되었다.

   

  4. 인공 심장의 기능상의 분류

   

  1)완전 인공 심장 (Total Artificial Heart: TAH)

  - 자연심장의 좌우 심방과 대동맥 및 폐동맥과 연결부위를 잘라낸 자리에 부착되어 자연심장의 기능을 완전히 대체하는 것을 기본원리로 두고 있으며 정상적 기능을 완전히 상실한 자연심장을 대체하기 위한 인공 심장.

   

  2) 보조 인공 심장 (Ventricular Assist Device: VAD)

  - 부분적으로 손상된 자연심장의 기능을 보조 해 주기 위한 심실 보조 장치이다. 이장치의 기본원리는 심실의 벽에 구멍을 뚫어 관을 하나 연결 하고, 대동맥에도 구멍을 뚫어 관을 연결시킨 후, 이관들에 혈액 펌프를 연결하여 심실의 혈액 박출 작업을 보조해 주는 장치이다. 이는 혈액의 박출 시에 대동맥에 연결된 관에 부착된 판막이 열려 혈액을 공급해 주고 이완 시에는 심실에 연결된 관에 부착되어있는 판막이 열림으로 혈액이 유입되는 원리로 작동되고 있다.

  종류로는 Lvad(좌심실 보조 장치), Rvad(우심실 보조 장치)가 있다.

   

  3)대동막내 풍선 보조 장치 (Intra Aortic Baloon pump: IABP)

  - IABP는 대퇴동맥이나 말초동맥으로부터 풍선을 부착한 관을 좌쇄골하동맥 바로 아래까지 삽입하여 풍선의 수축과 확장을 심장의 박동 주기에 맞추어 구동장치를 동작시키게 한다. 이는 심장의 확장기에 풍선이 확장되고, 수축기 직전에 풍선이 급속히 수축되어 좌심실압을 저하 시키는 역할을 맞는다.

   

  -IABP의 심기능 보조 메커니즘

  (1) 심장의 일을 풍선의 수축과 확장에 의해 감소시킴.

  (2) 심장의 산소 소비량 감소.

  (3) 관상동맥 혈류랑의 증가.

   

  5. 구동 방법에 따른 분류

   

  1) 공기 압축식

  - 다이아프램이라고 부르는 얇은 막을 압축 공기로 밀어줌으로써 혈액을 공급 해 주는데, 여기서 압축공기는 구동시스템에 의하여 공급되며 공기 커넥터는 보조 장치와 구동 장치를 연결시켜주는 역할을 하고 있다.

  -문제점

  공기 압축식 방법은 공기에 의하여 조절 되기 때문에 구동장치가 크고 항상 몸 밖에 나와 있어야 하므로 환자의 움직임이 제약을 받는다. 게다가 세균의 감염 등의 문제도 고려 해 봐야 한다.

  *일본의 국립순환기병에서 연구, 개발하고 도요보라는 회사에서 상품화한 공기 압축식 VAD. 혈액을 짜는 부분은 다이아프램 방식이며, 긴 관을 통하여 대동맥과 좌심실에 연결되어 좌심실의 기능을 보조해주는 장치. 공기 압축식 VAD의 구동장치 하단부에는 공기 압축식 펌프가 있고, 상단부에는 이 압축펌프를 제어하는 제어부, 그리고 푸시버튼에 의하여 여러 가지 변수들을 설정 할 수 있다.

   

  2) 전기 기계식

  - 전기 에너지를 기계적 운동으로 바꾸어 주는 장치로 예를 들면 모터나 전자석 등을 이용하여 혈액을 박출하는 시스템이 있다.

  * 세계에서 전기기계식 VAD로는 가장 발전된 노바코사의 시스템.

  전자석을 이용하여 탄성을 지닌 강철판을 끌거나 밀면서 혈액을 박출하는 원리로 전자석에 감긴 코일에 전류를 흘려주면 전자석에 자력이 생기고 이 힘에 의해 2개의 철판이 벌어진다. 이 때 혈액이 판막을 통해 유입되며, 코일의 전류를 끊으면 탄성에 의해 철판이 다시 원위치로 복원되면서 혈액 주머니를 밀게되어 혈액을 박출하는 원리를 가지고 있다. 한편 DC 모터를 사용해서 VAD시스템을 구성한 그룹도 많은데, 미국의 펜실베니아 주립 대학, 일본의 북해도 대학 팀들이 있다. 두 곳은 모두 고성능 모터인 브러시리스 DC모터를 사용 개발하고 있으며 동물 실험까지만 하고 있는 단계이다.

  3) 기존에는 공기 압축식을 많이 사용했으니 최고엔 전기 기계식이 많이 사용되며 인공심장을 잘 사용할 경우 거친 운동이 아닌 일상적 생활 정돈 가능하다.

   

  6. 최근 연구 내용 및 연구 결과

   

  1) 혈액 펌프

  혈액 펌프는 체순환과 폐순환을 위한 두 개의 혈액주머니, 그리고 좌우로 움직이는 이동 작용기 (moving actuator). 좌우심방의 압력 평형을 조절하기 위한 가변 체적 공간 (Variable Volume Space: VVS)과 가변 창 (Compliance Window)으로 구성되어져 있다. 가변 체적 공간 및 가변 창은 다른 인공심장 연구팀의 체적보상기 (Volume Compensation Chamber: VCC)의 문제점인 전체 내장부분의 복잡성 (주기적인 공기의 주입 요구)과 수술의 난이도를 감소 시키는 것으로, 체적보상기를 혈액펌프 내에 일체화 함으로써 그 단점들을 극복하였다. 본 연구팀은 기존의 완전 이식형 인공 심장 시스템을 3차원 CAD, RP(Rapid Prototyping)기법, Medical Imaging 등의 기법을 동원하여 체내 적합성과 신뢰도를 높였으며 전체적인 크기와 무게의 감소를 높였다. 높이 110mm, 너비 88mm, 두께 66mm이고 전체 무게는 785g이다. 에너지 변환부인 이동작동기는 브러쉬없는 DC 모터(S/M 566-26-A. Sierracin/Magnedyne, Carlsbad, Ca, USA)를 사용하여 3단 유성기어(기어비 44:1)와 래크기어를 거치면서 원추형 운동을 하도록 고안되어 있다.

  좌우심실은 각각 고분자 재료인 폴리우레탄(Pellethane: General Polymer)으로 제작된 혈액주머니로서 혈액과 접촉하는 부분은 매우 부드럽고 흠이 없도록 제작하였다. 각 심실의 유입 및 유출구에 인공판막을 고정하고, 수술시 미리 심방 및 대동맥, 폐동맥 등에 연결해 놓은 인공 심방(Atrial Cuffs)및 연결관 (Vascular grafts) 등과 쉽게 연결할 수 있도록 하는 연결기(Quick connector)가 붙게 된다. 좌우심실 및 작동기는 딱딱한 폴리우레탄(Isoplast 301)으로 제작된 바깥틀(Housing)에 고정하여 작동기의 심실에 대한 압축작용을 받쳐주는 역할을 하게 된다. 판막의 역류(Valvular Regurgitation)와 기관지 순환(Bronchial Circulation)에 따른 좌우 심박출량의 균형을 위해서 좌심실용 혈액 주머니를 약 10ml정도 크게 제작하였다.

  인공심장의 흉곽으로의 이식의 적합성을 높이기 위하여 컴퓨터 단층사진(CT)를 기초로 적합한 정보를 추출하였으며 이 정보를 기초로 정확환 혈관 연결을 위한 포트의 위치를 설계하고 시작품을 이용하여 cadaver fitting trial로 최종 교정한 후 한국형 인공심장의 인체용 모델을 CAD (Unigraphics, LG-EDS)를 이용하여 설계 및 구현하였다. 고분자소재에 대한 응력 집중 요소를 제거하기 위해 기존의 형대와는 달리 자유곡면들이 많이 사용 되었다.

   

  2) 생체 적합성 개선

  인공심장은 생체 내에서 혈액 및 조직과 직접, 그리고 장기간 접촉하게 되므로 혈전 형성이 최소화 되도록 해야 할 뿐만 아니라 염증 반응과 감염으로부터 효율적이며 대처 할 수 있도록 생체 재료의 표면처리법의 개발이 필수적이다.

  - 항혈전성을 위한 표면 처리

  폴리우레탄의 생체 적합성을 높이기 위한 방편으로 지렁이에서 분리한 lumbrokinase를 사용하였다. 이 단백질은 fibrinolytic activity가 다른 단백질들과 비교해 높으며, 특히 넓은 범위의 pH에서도 안정적이고 높은 온도에서도 안정적인 것으로 알려져 있다. 또한 fibrinogen에 대한 특이성이 2-3배 높은 것을 알 수 있었다. 이미 생체 재료로 사용되어지는 폴리우레탄에 LK를 고정시키는 방법은 본 연구팀에서 사용해 왔으나, 인공심장의 혈액주머니나 밸브들을 처리하기 위해서는 폴리우레탄의 변형이 가해지면 문제를 일으킬 수 있으므로, 기존의 방법을 복잡한 구조를 가진 폴리우레탄에 적용하기가 힘들었다. 그러므로 본 연구에서는 폴리우레탄에 변형을 가하지 않는 광반응들을 사용하여, LK를 고정시키는 방법을 적용하였고 이의 항혈전성과 안정성, 그리고 혈액적합성 검사 결과 in vitro 및 in vivo에서 만족할만한 결과를 얻었다.

  -항감염성을 위한 표면처리

  생체 재료로 널리 사용되고 있는 의료용 폴리우레탄(polyurethane)에 생체 재료 감염에 주원인균인 포도상구균군(staphylococci)에 대한 항균 활성을 갖는 항생 물질인 리팜피신(rifampicin)을 혼합한 후 그 표면에 광반응 물질인 polyallyamine을 광화학적으로 고정화함으로써 화학적 반응성이 좋은 아민기를 유도함과 동시에 항생제의 유리 속도를 조절할 수 있는 막을 형성하고, 이로부터 유리된 항생제가 장기적인 감염 방지에 효과가 있는지를 평가하였다. 또한 생체내 이식 시 고려해야 할 요소들, 즉, 고분자의 화학적, 형태학적, 기계적인 변화들을 다각도로 in vitro에서 분석함으로써 새로이 개발된 항감염 처리 기술에 대한 우수성을 입증하였다. 또한, TAH polymer valve membrane과 VAD cannular에 rifampicin을 처리하여 동물(양)에게 이식하여 항감염성을 평가함으로써 in vitro 실험에서 입증된 항감염 처리 기술의 개선점과 실질적인 임상에의 응용 가능성을 확인하였다.

   

  3) 제어 알고리듬 개발

  인공심장에서의 심박출량의 제어는 인공심장이 생체순환계의 상태 변화에 따라 요구되는 혈액량을 자연심장에서의 조절기능과 최대한으로 동일하게 조절하는 것이 목적이다. 자연심장의 조절기전으로는 3가지로 나타낼 수 있다. 첫째는 호르몬 조절방식, 둘째는 신경에 의한 조절방식, 셋째는 심장내의 조절방식이다. 이와 같이 자연심장에서의 심박출량의 조절과 유사한 조절방식을 인공심장에 도입하기 위해서는 순환계의 혈액 요구량에 대한 정확한 정보를 알고 있어야한다. 본 연구에서는 다음과 같은 제어방식을 채택하여 심박출랴으이 제어에 적용하여 Frank-Starling 기전에 가까운 제어방식을 사용했다.

  - 전부하에 의한 제어 방식

  - 후부하에 의한 제어 방식

  -좌우 심박출량 제어 방식

  인공심장에 사용되는 전동기의 제어는 위치 및 속도제어가 모두 요구되며, 특별히 공간상의 제약 및 신뢰성 때문에 추가의 센서 사용이 극히 제한되었다. 인공심장의 제어시스템에서는 정류용 홀센서 신호를 그대로 위치 및 속도제어에 사용하였으며, 이 신호들은 일정한 각도로 회전자가 회전할 때마다 발생하게 되므로, 위치제어부에서는 홀센서의 출력 신호를 계수하여서 사전에 설정한 값에 이르면 회전방향을 바꾸어 주는 방법을 사용하였다. 이 방법은 정확하게 주어진 거리를 이동하도록 보장해주며 동시에 이동거리를 쉽게 변화시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이 신호를 마이크로프로세서의 알고리듬에 입력으로 들어가서 속도응답을 얻은 뒤에 기이 제어루프의 응답특성은 PI(Propotional and Integral)제어기에 의해 조절 되도록 하였다. 이로써 시스템의 동작 환경 하에서 최소의 에너지 손실을 보장하는 최적의 속도파형을 EPROM(Erasible Programmable Read Only Memory)에 기억시켜 놓았다가 원하는 심박동수에 해당하는 파형을 읽어서 기준속도로서 사용하면 최적 특성을 갖는 속도제어가 이루어진다. 전력 제어부는 펄스폭변조방식 (PWM)을 사용하였으며 3상의 Full Bridge 형태의 MOSFET인버터를 사용했다. 전류감시용 저항은 전류제한 및 전동기 부하로서 대동맥 압 및 폐동맥 압의 간접추정에 사용된다.

   

  4) 내부 이식형 제어기

  완전 이식형 인공심장을 실현하기 위해서는 제어장치가 체내에 이식이 될 수 있도록 소형화되어야 할뿐 아니라, 생체내의 특별한 환경 하에서도 장시간의 동작을 보장 할 수 있는 시스템이어야 한다. 이러한 내부 제어 시스템은 인공심장내의 브러쉬없는 직류 전동기를 제어하여 순환계의 생리학적 요구에 대해 충분한 심박출량을 제공하여 인공심장이 자연심장과 동일한 기능을 할 수 있도록 제어하기 위한 장치이다. 심박출량 제어는 충실한 전동기 제어에 그 기반을 두고 있으므로 전동기의 구조와 특성에 따라 제어시스템의 구성이 달라진다. 생체 이식형, 신뢰성과 안정성, 내구성 및 강인성 등과 같은 성능요건들을 적절히 만족하면서 소형인 시스템을 개발하고 이를 수행하기 위해서 기존의 제어기 문제점을 분석하고 해결했다.

  첫째, 실제 이식이 가능한 크기로 소형화하였으며, 이식부위의 생체특성에 맞는 모양으로 설계되었다. 제어기를 구성하고 있는 전기회로의 집적도를 키우고 아날로그와 디지털부의 기판연결부를 기존의 전선에 의한 연결방식에서 커넥터에 의한 연결방식으로 바꿈으로써 간단하면서 안정된 제어기를 구성할 수 있었다.

  둘째, 혈액펌프 구동시 모터 구동회로에서 발생하는 열을 최소화하고 효과적으로 분산시킴으로써 이식후 제어기와 접촉하는 생체의 파괴를 막도록 하였다.

  셋째, 기존의 제어기에서 발생되거나, 결점이 있는 부분들에 대해 수정을 했으며, 소프트웨어 알고리즘으로 대체가 가능한 부분들은 하드웨어부에서 제거함으로써 하드웨어 결함의 여지를 주령ㅆ다. 이로부터 제어기의 안정성을 키울 수 있었다.

  완전이식형 인공심장의 제어기는 크게 3개의 부분 즉, 인공심장의 구동을 위한 제어알고리즘을 실행시키는 중앙 처리부와 중앙처리부의 제어에 의해 혈액펌프의 모터를 구동시키는 모터 구동부, 그리고 혈액펌프로부터의 심실간 압력신호 (IVP signal: InterVentricular Pressure signal)및 모터 구동전류를 처리하는 압력 및 전류 신호 증폭회로부로 이루어져 있으며 이들은 제어기 케이스에 의해 밀봉되어 인체에 이식될 수 있다. 중앙 처리부는 디지털 부분이고 압력 및 전류 신호 증폭 회로부는 아날로그이며 모터구동부는 디지털회로와 아날로그회로가 결합되어 있다.

   

  5) 무선 에너지 전달 및 무선 정보 전달 장치 개발

  무선 에너지 전달장치는 인체에 삽입된 인공심장에 피부를 관통하는 전선을 사용하지 않고, 피부의 안쪽과 바깥쪽에 위치한 두 코일 사이의 전자기 유도 현상을 이용하여 에너지를 공급한다. 인체에 삽입된 코일과 그 코일에 유도된 전류를 정류하여 인공심장과 제어기를 구동하는 전력을 공급하기 때문에 신뢰성이 높고, 발열현상을 최대한 억제하고, 인체에 이식하는 데 지장이 없을 만큼 부피를 죽이는 것이 매우 중요하다. 이식된 인공심장의 동작을 모니터하고 유사시에 적절한 명령에 따라 동작하도록 제어하기 위해서는 내-외부 제어기 간의 정보전송이 필요하다. 체내-외로 분리된 내-외부 장치간의 이러한 에너지 및 정보의 전달을 구현함에 있어서 본 연구에서는 경피적인 방법을 지양하고 무선전송 방법을 이용하여 시스템을 구성하였다

   

  6) 체내외 축전지 시스템 및 외부 감시 시스템

  리튬-이온 축전지를 이용하여 체내외 배터리 시스템을 구현하였다. 배터리 관리는 디지털 프로세서로 제어하는 시스템을 구현했으며 인공 심장의 용도로 충분히 성능을 보일 수 있음을 실험을 통하여 확인하였다. 외부 감시 시스템은 무선 전파(RF)를 이용하는 방안과, 휴대형 소형 컴퓨터를 이용하는 방안이 시도되고 있다.

   

  7) 동물 실험

  한국형 인공심장을 완전 치환용 인공심장 시스템 및 삽입형 심실보조 시스템의 두 가지 용도로 활용하기 위한 전임상 동물실험이 본 연구의 목적이 된다. 구체적으로는 동물 생체실험을 통해 첫째, 시스템의 해부학적 적합성(Anatomical compatibility)을 확인하고, 둘째, 제어시스템의 신뢰성을 검정하며, 셋째, 생리 상태에서의 혈역학적 변화를 관찰하며, 넷째, 시스템의 내구성을 검사하고, 다섯째, 시스템의 안전성을 점검하며, 마지막으로는 장단기 생체적합성(Biocompatibility)을 확인하고자 하였다.

  - 완전 치환용 인공심장 삽입 실험

  양 및 송아지 모두에서 한국형 인공심장의 해부적합성이 확인되었다. 양(60-65Kg)의 경우 정중흉골절개술 시야에서 양쪽 늑골 1-2개씩 절제가 필요하였으며 흉골에 혈액펌프를 고정시키는 것이 정맥 환류에 유리한 것으로 판명되었다. 송아지(75-85Kg)의 경우 흉곽의 크기와 형태상 양에 비해 인공심장 삽입 자체에 관한 특별한 문제점이 발견되지 않았다. 따라서 송아지에서는 실험동물의 호흡관리에 유리한 우측개흉술을 선택하여 실험을 진행할 수 있었다. 반추동물의 특성상 기관내 삽관 과정에서 위내용물의 심한 역류가 종종 관찰되었다. 이로 인한 실험동물의 호흡 관리 문제점들을 해소하기 위해 기관절개술을 규칙적으로 시행하여 좋은 결과를 얻을 수 있었다. 인공심장 삽입후 과도한 출혈이 없는 것으로 확인되면 곧 헤파린을 지속 정주하였다. 실험동물의 부검시 기계판막 및 인공심장 내면에 혈전이 없는 것으로 확인되어 시스템의 초기 항응고성을 확인할 수 있었다. 실험동물의 체내에 삽입한 ultrasonic flow meter와 심장챔버 압력 감시장치를 통한 관찰에서 동물의 장기 생존을 위해서는 전신 관류압과 좌심방압의 보다 정교한 조절이 필요한 것으로 관찰되었다. 시스템에 의한 초기 용혈(hemolysis)은 안정적인 것으로 평가되었다.

  - 삽입형 심실보조 시스템으로의 인공심장 삽입 실험

  실험동물의 좌상복부를 이용한 혈액펌프 거치 방법에 특별한 문제점이 발견되지 않았다. 이 방법은 향후 임상 적용시에도 적용이 가능할 것으로 판단되었다. 혈액펌프는 각각 좌심방과 하행대동맥 사이에 연결시켰는데 이 시스템과 함께 향후 삽입형 보조 시스템의 궁극적인 목표인 보다 큰 혈류를 얻기 위해서는 좌심실 삽입 시스템을 동시에 개발할 필요성이 인정되었다. 삽입형 심실보조 시스템은 체외형과는 달리 시스템이 모두 체내로 삽입되기 때문에 시스템의 원활한 작동을 감시할 수 있는 모니터 시스템의 필요성이 인정되었다. 삽입형 심실보조 시스템 형태에서도 완전 치환용 인공심장 시스템과 같이 혈액손상 측면에서 안정된 초기 성적을 보였다.

   

  8) 활용 계획

  완전 이식형 인공심장은 적용 대상이 되는 환자의 심장 상태에 따라 orthotopic TAH 또는 heterotopic VAD로서 임상에 응용될 수 있다. Orthotopic TAH는 자연심장을 제거한 후 인공심장을 삽입하는 방법으로 심장 기능이 회복될 수 없다고 판단하는 환자에게 사용되며 이는 다시 공여심장이 나타날 때까지 심장이식 수술을 위한 일시적인 가교(bridge)로서 사용하는 방법과 영구치환목적으로 사용될 수 있다. 한편 Heterotopic VAD는 심장의 기능이 회복가능한 경우에 치료목적으로 자연심장을 제거하지 않고 이에 병렬로 연결하여 일정기간동안 심기능을 보조하는 역할을 수행하게 되는데 인공심장의 한쪽 심실만을 이용하여 이식형 좌심실 보조장치, 또는 우심실 보조장치로서 사용하는 방법과 두 심실의 기능이 모두 저하되어 있을 때 단일 시스템으로 이식형 양심실 보조장치의 역할을 수행하게 하는 방법이다. 현재 세계적인 추세를 고려해 볼 때 임상 적용은 완전 이식형 VAD(Ventricular Assist Device)로서 적용되는 방법이 먼저 이루어질 것으로 기대되고 있다.

   

  출처

  http://bme.snu.ac.kr/hospital/reserch/R%26D/2_2_1.htm

  http://www.japanem.or.kr/japannews/2000/05/jn03_01.html

  http://blog.naver.com/jsh8293/90030247193

  http://cafe.daum.net/realbiomedical

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