심장의 제어시스템과 관련 의료기기

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심 은 보 강원대학교 기계의용공학과 교수 ㅣ e-mail : [email protected]

이 글에서는 인체 심장의 제어시스템에 대한 기본적인 메커니즘을 설명하고, 관련된 의료기기의 연구동향 및 향후 발 전방향에 대하여 소개한다.

심장의 제어시스템과 관련 의료기기

인체의 제어시스템-항상성

우리 인체가 외부 환경의 변화에 상관없이 체내 온 도, 혈압, 삼투압, pH, 체액의 조성 등을 일정하게 유지 하려는 성질을 항상성(Homeostasis)의 원리라고 한다.

이것은 생체 외부환경의 지속적인 변화에도 불구하고 생체가 내환경을 비교적 안정하게 유지하는 경향을 얘 기한다. 그런데, 공학적으로 볼 때 인체항상성이란 바 로 인체의 내부 제어시스템으로서 인체 기능의 정상적 작동에 결정적 영향을 미친다. 실제로 현대 생리학에서 는 이러한 항상성의 성공적 작용여부가 질환의 발생 유 무를 결정한다고 보고 있다. 생체 외부에서 어떤 외부 적인 변화(추위 등과 같은 외부적 환경 변화)가 생기면 그것은 즉각적으로 인체에 영향을 미친다. 그리고 이로 인하여 생체 내부의 밸런스가 깨진다. 그 순간 인체의 제어시스템이 작동하여 원래의 상태로 되돌리려고 하 는데, 이것이 제대로 이루어지지 못하면, 질병으로 발 현된다. 이러한 항상성 기전이 일어나기 위해서는 공학 적인 제어시스템과 유사하게 다음과 같은 몇 가지 기구 와 기전이 있어야 한다.

1) 특정한 변화를 인지할 감지기(Detector)가 있어야 함-감각수용기(Receptors)

2) 변화에 대응하여 반응하는 효과기(Effector)가 있 어야 함-근육, 분비선, 심장순환계, 호흡기, 신장, 소화기 등

3) 감지한 신호를 종합하여 효과기에 전달시키는 작 용이 필요하며 이것은 신경계와 내분비계가 담당.

제어시스템의 중추인 신경계는 감지기와 효과기를 연결 조절하는 조직으로서 신속한 단기적 반응을 주관 한다. 반면, 내분비계는 중기적/장기적 반응을 주로 주 관하는데, 혈류를 통하여 표적세포, 조직, 기관에 정보 를 전달하는 역할을 한다. 그러면 인체 항상성의 제어 공학적 특성을 살펴보기로 하자. 우선 인체에서 발현되 는 상당수의 항상성 특성은 주로 피드백 제어(Feedback control)을 통하여 이루어진다(그림 1). 외부 자극

그림 1인체 항상성을 위한 피드백 과정

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(Stimulus)에 의해서 감각수용기(Receptors)에 생긴 흥 분이 구심성 뉴런(Afferent neuron)에 의해서 반사중추 (Central nerve system)에 전해진다. 이때 원심성 뉴런 (Efferent neuron)에 의해서 효과기에 전해지기까지의 경로(Pathway) 전체를 Reflex Arc(반사궁)라고 말하며, 그 결과 운동 ・긴장 ・분비 등이 일어난다.

심장의 제어시스템

인체 심혈관계(Cardiovascular system)는 순환을 담 당하는 주요 장기시스템으로서 크게 보아 혈액(Blood), 심장(heart), 혈관(Vessels) 등 세 부분으로 구성되며, 세 포 및 조직에서 요구되는 산소, 영양분 및 호르몬 수송 을 담당하고 있다. 심혈관계의 생리학적 변화를 좌우하 는 요인들로는 심근세포의 생리적 특성, 심장의 활동상 태, 혈관과 혈액의 역학적 특성 및 신경계에 의한 자율 조절기능(ANS: Autonomous Nerve System)이 있으며, 이들의 상호작용에 의해 신체의 혈액순환이 이루어진 다. 특히 심장은 하나의 자율적인 시스템으로서 인체에 서 분리되더라도 산소와 영양분만 공급된다면 자율적

인 박동과 수축을 상당기간 지속한다. 바꾸어 말하면 심장은 하나의 독립적인 제어 시스템으로 구성되어 있 는 셈이다. 그렇다면 심장의 생리적 기능은 무엇일까?

그것은 바로 혈액을 움직이는 펌프의 역할이 가장 먼저 떠오를 것이다. 그러나 이에 못지않게 중요한 기능 하 나가 있는데, 그것은 바로 생체 리듬 생성자(Rhythm generator)로서의 역할이다. 인간은 뇌 속 생체시계에 따라 수면과 활동을 주기적으로 반복한다. 이와 병행하 여 심장은 분당 약 70회 정도 뛰고 있으며 호흡은 그에 비례하여 분당 12회 정도 이루어진다(정상적 성인남성 을 기준으로 함). 그리고 이것은 대사율, 음식섭취 횟 수, 그리고 수명과 연관되어 있다. 심장생리학적 측면 에서 볼 경우, 심장의 리듬의 세 가지로 분류될 수 있 다. 즉 심장에서 발생하는 전기적 흥분(Excitation)의 리 듬, 심장근육 수축(Contraction)/이완(Relaxation)의 반 복적 유지와 연관된 기계적인 리듬, 그리고 혈류의 박 출(Blood ejection)/채워짐(Blood filling)의 반복적 현상 인 혈류역학적 리듬으로 나눌 수 있다. 그리고 이 세 가 지 리듬들은 서로 밀접히 연관되어 있다. 즉 심장은 전 기적으로 흥분하고 그에 의하여 근육이 기계적인 수축

그림 2혈압의 항상성 유지를 위한 피드백 제어시스템

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을 발생시키며, 이로 인하여 혈액의 심실 외로의 박출 및 심실 내로의 채워짐이 이루어진다. 그러나 그 연관 성이 항상 보장되는 것만은 아니다. 예를 들어 심장의 전기적 흥분 리듬에 문제가 없더라도, 심장의 혈류역학 적 리듬에는 문제가 있을 수 있다. 심장의 건강은 심혈 관과 인체 건강에 결정적 영향을 미치는데, 바로 이 세 가지 리듬의 적절한 유지와 조화가 관건인 셈이다.

심장의 리듬, 즉 심장박동수(Heart rate)는 매우 가변 적이며, 주로 교감신경(Sympathetic nerve)/부교감신경 (Parasympathetic nerve)에 의해서 조절된다. 그런데 이 교감/부교감 신경에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하 다. 감정적 흥분이나 화를 내는 등의 자극만으로도 심 장박동을 바꾸기에 충분하다. 이외에도 혈압의 항상성 조절을 위하여 심장박동수가 그 수단으로 사용된다. 즉 어떤 원인으로 혈압이 내려가면, 우리의 경동맥(뇌와 얼굴로 가는 동맥이 분기되는 곳)이나 대동맥궁 등에 있는 혈압수용체(일종의 센서)가 그 변화를 인지한다.

그리고 그 정보를 뇌의 자율조절 중추로 보낸다. 뇌에 서는 피드백 제어를 위한 기준점과 수용체에서 온 정보 를 비교하여 혈압이 내려간 만큼 Negative Feedback을 중재한다. 그래서 뇌의 자율조절중추는 교감/부교감 신 경을 통하여 심장 페이스메이커 세포(심장의 전기적 리 듬을 주도하는 세포)의 이온채널 전도도를 변화시켜 박

동을 빠르게 한다. 이와 같은 변화가 수반 되면 혈압이 상승하게 된다. 뇌의 자율조절 중추는 심장 박동수 이외에도, 혈관저항, 심 장 근육의 파워 등을 변화시켜 혈압을 상승 하도록 한다. 그림 2는 이와 같은 혈압항상 성에 대한 개념적 모식도이다.

이러한 심장의 리듬 유지에 이상이 생기 거나 혹은 이러한 리듬 유지에 필요한 산소 /영양분 공급에 이상이 생기면 치명적인 질 환이 발생한다. 그림 3은 심장질환의 초기 증상과 질환과정 그리고 이로 인한 사망원 인을 도시한 것이다.

그림 3에서 보듯이, 심장에서 발생하는 가장 치명적 질환은 바로 관상동맥 질환과 부정맥이다. 관상동맥질 환은 돌연사의 가장 큰 원인으로 지목되고 있으며, 심 장에 혈액을 공급하는 동맥인 관상동맥(Coronary artery)이 막혀서 제 역할을 못하게 되는 질환을 얘기한 다. 반면에 부정맥은 심장의 전기적 리듬에 문제가 생 겨서 제대로 된 수축을 못하는 경우를 말한다. 심장의 전기적 리듬이 너무 빠르거나 느리거나 혹은 불규칙적 일 경우가 부정맥의 대표적인 사례들이다. 이외에도 심 근비대는 심장에 너무 큰 부하가 걸릴 경우에 발생한 다. 이러한 경우, 심장근육이 그 부하를 감당하기 위하 여 두께가 커지게 되며, 이것은 심근의 병리적인 비대 현상으로 나타난다.

심장 관련 의료기기의 기본적인 원리

심장의 이러한 리듬 이상에 따른 질병을 진단하고 치 료하기 위한 다양한 의료기기가 사용되고 있다. 진단기 기로는 심장의 기본적인 특징을 파악하기 위한 심전도 기기(ECG)에서부터, 최근 각광받고 있는 심장초음파 기, CT, MRI 등과 같은 영상기기를 들 수가 있다. 이들 의 기본적인 원리는 심장에서 일어나는 생리적인 신호 를 직접 또는 간접적인 방법을 통하여 측정하는 것이다.

그림 3심장질환의 발생에서 사망에 이르는 병리적 진행 과정

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1) 심전도기기 : 심장에서 일어나는 전기적 흥분을 흉 곽표면에서 측정한 것이다. 이것은 심장에서 발생 한 전기에 의하여 흉곽표면에 미약한 전압이 발생 하고 이를 측정하여 심장의 전기적 현상을 유추하 고자 하는 것이 바로 심전도이다.

2) 심장 초음파 : 심장 근육 혹은 심장 혈류 등 움직이 는 물체에 대하여 초음파를 발사하고 그 반사되는 정도를 분석하여 근육이나 혈류의 움직임을 재구 성한다.

3) CT : 심장근육 혹은 심장 관상동맥의 해부학적 이 상 여부를 발견하기 위한 장치로서 X선의 투과되 는 정도를 분석하여 영상을 재구성한다. 현재 심장 질환 진단에 매우 보편적으로 쓰이고 있다.

반 면 에 치 료 기 기 에 는 심 장 서 맥 치 료 를 위 한 Pacmaker, 관상동맥 치료를 위한 스텐트(Stent) 기구, 심실세동 제어를 위한 심장충격기, 그리고 개심수술 (Open heart surgery) 시에 사용하는 심실보조장치 (VAD: Ventricular Assist Device) 등과 같은 인공심장이 있다. 이러한 심장 관련 의료기기들의 가장 큰 치료 원 리는 원래 심장이 가진 세 가지 리듬을 정상으로 되돌 려 놓는 것으로서 다음의 사례들을 들 수가 있다.

1) 심장 Pacemaker(심박조율기) : 심실 벽에 부착되어 정기적이고 규칙적인 전기신호를 심실근육에 전달 한다. 이를 통하여 원래 자연심장의 Pacemaker세

포들이 하는 역할을 대신한다.

2) 심실제세동기(Defibrillator) : 심장 표면에 전기적인 회오리 파동이 생길 경우, 치명적인 심장마비로 이 어진다. 이러한 환자의 경우, 그 전기적인 회오리 파동을 멈추어 주기 위하여 매우 강력한 전기를 심 장에 흘린다. 이렇게 하는 경우, 그 회오리 파동이 사라지며, 원래의 전기적 리듬으로 되돌아온다.

3) 관상동맥 치료용 스텐트 : 관상동맥은 심장 표면을 둘러싸고 있는 관(冠) 모양의 세 개 혈관으로서, 심 장을 둘러싼 근육들에 충분한 산소와 영양소를 공 급하는 구실을 한다. 이러한 관상동맥이 굳어 탄력 성이 줄어들고, 군데군데 기름기가 끼는 동맥경화 증이 심해지면 혈관 협착(狹窄)이 진행되는데, 이 는 혈류 공급에 장애를 주어 우리가 일반적으로 말 하는 관상동맥 질환을 생기게 한다. 이렇게 협착된 관상동맥을 넓혀주는 치료 방법 중 가장 보편적으 로 이용되는 방법이 스텐트 시술이다. 스텐트 시술 이란 좁아진 혈관 내에 스텐트를 삽입하여 혈관을 넓히는 시술을 말한다.

4) 인공심장 : 말기 심부전 환자의 경우 혹은 개심수술 의 경우, 환자의 심장 기능을 보조하거나 대치하기 위한 장치가 바로 인공심장이다. 이것은 배터리 혹 은 외부전원을 활용하여 혈액펌프를 가동하고, 여 기에서 혈액을 혈관계로 박출한다. 이때 인공심장

그림 4치료용 심장의료기기의 사례(Pacemaker, 심실제세동기, 심실보조장치)

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의 제어장치는 환자의 심박출량(Cardiac output, 심장에서 나오는 유량)이 일정수준을 유지하도록 자동 조절한다.

심장 관련 의료기기의 신기술 발전 방향

지금까지 심장관련 의료기기는 의학혁신의 기본적 수단이 되어 왔으며, 매우 급속도로 발전해 오고 있다.

반면에 유효성이 입증된 의료기기는 오래 전에 개발된 것이라 할지라도 쉽게 대체되지는 않고 있다. 예를 들어 가장 오랜 역사를 지닌 의료기기인 심전도의 경우 1800 년대 말에 그 기본적인 장치가 제시된 것임에도 불구하 고 아직도 널리 사용되고 있다. 그러나 최근 들어 심장 관련 의료기기 신기술들이 많이 등장하고 있으며 다양 한 기기에 응용되기 시작하였다. 여기에서는 최근 주목 받고 있는 심장 관련 의료기기 신기술 방향을 소개한다.

1) 소형화

다른 여타 의료기기와 마찬가지로 심장 관련 의료기 기도 급속히 소형화되고 있다. 우선 바이오칩 기술의 발달로 심장 질환 진단에도 간단한 칩이나 시약을 사용 하는 경우가 생기고 있다. 또한 기존 초음파 등과 같은

진단용 의료기기가 휴대용으로 개발된 제품도 등장하 고 있으며, 조만간 보편화될 것으로 예측되고 있다.

2) 소프트웨어와의 접목을 통한 고부가가치화

현재 CT, MRI, 초음파 등과 같은 심장 관련 의료영상 기기의 중요성이 증대되고 있는데, 이 기기들의 경쟁력 을 좌우하는 것은 하드웨어가 아니라 소프트웨어이다.

즉 하드웨어 기술 발전은 정체되고 있는 반면에 관련 소프트웨어 기술은 급속히 발전하고 있기 때문이다. 예 를 들자면, 최근에 CT영상으로부터, 관상동맥혈관 형 상을 추출하고 여기에 CFD(전산유체역학) 기술을 적용 하여, 가상적인 관상동맥 치료 index를 얻는 것이 가능 해졌으며(미국 Heartflow사 개발), 그 임상적 유효성이 입증된 바 있다. 또한 이를 활용하면 가상적인 관상동 맥 시술 결과 예측 및 치료 유도가 가능해졌다. 향후 이 러한 기술이 심장관련 의료기기 전반에 걸쳐서 널리 확 산될 것으로 생각된다.

3) 복합화

심장 관련 의료영상기기들은 각각의 장점과 단점을 가지고 있다. 예를 들어 CT의 경우 해상도는 높지만 방 사선 피폭 등과 같은 단점을 지니고 있다 반면 MRI의

그림 5미국 Heartflow사가 개발한 관상동맥 예측 소프트웨어의 Flowchart

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기계용어해설

남성불임(Male Infertility)

남성의 병적인 요인으로 인하여 임신이 안 되는 경우를 말 하며, 전체 불임의 1/3을 차지하는 것으로 알려져 있음. 특 별한 증상은 없으나 불임의 원인이 될 만한 몇 가지 징후 로는 양쪽 고환의 크기가 작거나 어린 시절에 고환이 음낭 으로 내려오지 않아서 교정수술을 받은 경우 등이 있음.

디젤엔진(Diesel Engine)

경유 또는 중유를 연료로 압축, 점화에 따라 작동하는 왕 복운동형 내연기관

노화효과(Aging Effect)

노화에 따라 발생되는 인체의 생리적인 변화

다리기구(Leg Mechanism)

보행할 때 로봇을 지지하고 이동시키는 기구

대기압 플라즈마(Atmospheric Pressure Plasma) 1기압이나 그 이상의 압력에서 플라즈마를 발생시키는 것으로, 진공펌프와 같은 고가의 장비가 필요 없어 생산 공정에 적용이 용이함.

경우, 인체에 무해하고 정밀한 영상을 얻을 수 있지만, 진단시간이 오래 걸린다는 단점이 있다. PET(양전자단 층촬영기기) 기기는 심장 부위별 생리학적 데이터를 줄 수 있지만, 해부학적 영상은 정화고가 떨어진다. 이와

같이 장단점을 지닌 의료영상 기기를 한 환자에 복합적 으로 사용하여 진단하려는 시도들이 진행되고 있다. 예 를 들어 PET과 CT, PET과 MRI 등을 복합화하려는 임상 적 시도들이 진행되고 있다.

4) 바이오 기술과의 접목

관상동맥 협착 환자들 가운데 스텐트 시술 후에도 혈 관 내에 새롭게 생기는 내막(신생내막) 때문에 혈관이 재협착되는 경우가 20~30%나 되어 치료에 어려움을 겪 고 있다. 최근에는 약물이 스텐트에 부착되어 서서히 녹아나오면서 혈관 벽의 증식을 억제하는 약물 용출 스 텐트(Drug-eluting stent)가 도입되어 재발률을 10% 이 하로 낮출 수 있게 되었다. 이것은 바로 스텐트라는 치 료용 의료기기에 의약바이오 기술이 접목된 대표적인 사례로서 거대한 시장을 이미 형성하고 있다.

이외에도 인공 심장판막, 인공심장 혈액주머니 등에 조직공학적 바이오 기술이 접목되어 사용되고 있다. 향 후 줄기세포 시술의 혁신과 더불어 심장 의료기기의 바 이오화는 좀더 본격적으로 진행될 것으로 전망된다.

그림 6CT만을 사용한 심장영상과 PET과 CT를 복합화한 영상(심장 근육의 대사라는 생리학적 변수가 컬러로 표시되어 있음)

그림 7약물용출스텐트의 사례