(대전=세종충청뉴스) 공윤영 기자 = 실시간 혈역학(Hemodynamic) 모니터링은 심혈관 질환을 앓는 환자의 수술 전후 관리에 도움을 준다. 이에 일상에서 실시간으로 심혈관 내 압력, 유량 및 온도 측정을 제공할 수 있는 무선 인체이식형 의료기술에 대한 수요가 증가하고 있다.

KAIST(총장 이광형)는 전기및전자공학부 권경하 교수가 배터리 없이 실시간으로 심혈관 내 압력, 유량, 온도를 측정해 심혈관 기능을 진단하는 무선 심혈관 임플란트를 개발했다고 24일 밝혔다.

권경하 교수 연구팀과 미국 노스웨스턴대학교 김종욱 박사가 공동연구를 통해 개발한 이 기술은 국제 학술지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)에 4월 11일 발표됐다 (논문명 : A battery-less wireless implant for the continuous monitoring of vascular pressure, flow rate and temperature; URL: https://www.nature.com/articles/s41551-023-01022-4).

현재는 침상 모니터에 연결된 유선 테더(tether)와 함께 센서를 동맥에 삽입해 동맥압과 혈류 속도 측정이 가능하지만, 유선 인터페이스가 심혈관 손상 및 감염이나 측정 정확도 저하로 이어질 수 있으므로 병원에서 움직이지 않는 환자를 위해 일시적으로 사용하는 것으로 제한된다. 전문 의료 시설에 접근하지 않고 언제 어디서나 환자의 수술 후 모니터링을 지원하기 위해, 배터리 없이 무선으로 작동하는 임플란트 시스템을 개발하는 것이 핵심 과제다.

이에 연구팀은 무선 통신 및 무선 전력 전송 기술을 이용해 심혈관 내에서 배터리 없이 실시간으로 압력, 유속 및 온도를 측정할 수 있는 이식형 무선 측정 시스템을 개발했다. (그림 1)

연구팀은 배터리 없이 무선으로 동작하는 압력, 유속 및 온도를 측정하는 임플란트 기기를 실제로 제작해(그림 2), 돼지의 폐동맥 및 양의 대동맥과 좌심실에서 기존 임상 기기와 유사한 성능을 보이는 데 성공했다. 이러한 기술은 혈역학 기능을 객관적이고 정확하게 측정해 심장 환자의 치료와 삶의 질을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 가정 또는 병원에서 환자의 행동 제약 없이 언제든지 모바일 모니터링이 가능해진다.

연구를 주도한 권경하 교수는 “앞으로 심장판막 대동맥 이식술(TAVI) 후 경사도 및 기타 유출 검사, 뇌동맥류용 흐름 전환기 내부의 압력 및 유량 측정, 흉부 내 대동맥 내시경적 수술(TEVAR) 및 복부 대동맥류 내시경적 수술(EVAR) - 엔돌릭 감시 등 다양한 임상 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 기본연구, 우수신진연구, 지역혁신 선도연구센터 과제의 지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

1. 연구 배경

혈역학(Hemodynamics)을 실시간으로 모니터링 하는 것은 심장 건강에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있다. 임상 실무에서 심혈관 관련 수술 중기적 관리 지도를 가능하게 하여, 사망률, 장애 및 의료 비용을 감소시키고 심혈관 질환 환자의 치료 품질과 삶의 질을 향상시킨다. 현재 사용되고 있는 혈역학 기능 추적 도구는 일반적으로 외부 침상 모니터에 연결된 유선 카테터에 부착된 센서를 사용하여 동맥압 및 혈액 유속을 측정한다. 이는 병원에서 움직임이 없는 환자에게 제한적으로 적용이 가능하다. 따라서, 본 연구에서는 무선으로 전력을 공급받아 중요 심혈관 매개변수(압력, 유량 및 온도)를 고속 실시간으로 측정하여 무선으로 전송해주는 시스템을 개발하고자 하였다.

2. 연구 내용

본 연구진은 이식 장치와 착용 장치로 구성된 무선 심혈관 모니터를 개발했다 (그림1). 이식 장치는 i) 동맥/심실 내 압력, 혈류 속도 및 혈액 온도의 실시간 측정을 제공하는 바이오센서 모듈과 ii) 무선 전력 수급 및 무선 데이터 전송을 위한 무선시스템으로 구성된다. 착용 장치는 i) 이식 장치에 무선으로 전력을 공급하기 위한 전력 송신 코일, 충전 회로 및 배터리로 구성된 무선 전력 전송 모듈과 ii) 무선 데이터 수신, 표시, 분석 및 저장을 위한 사용자 인터페이스를 포함한다. 이 시스템은 심혈관계의 핵심 매개변수인 압력, 유량 및 온도를 동시에 실시간으로 측정할 수 있으며, 심장 내 또는 혈관 내에서 단독으로 사용하거나, 센서 기능을 추가하기 위해 다양한 이식 기기(인공 판막, 혈관 스텐트 등)에 부착될 수 있다. 센서에서 나온 데이터는 유한요소해석 기법을 통해 동맥 및 심실 내 압력과 혈류 속도 그리고 심부온도로 정량화된다. 연구 결과는 돼지와 양 실험에서 기존 임상 장비와의 비교를 통해 해당 측정 방법과 관련된 센서 및 시스템 동작을 검증했다.

이전 연구와 달리, 물리적 유선 연결 없이, 병원 외부에서도 개인 맞춤형, 적시에 환자의 심장 부전 및 뇌졸중 위험이 증가한 환자의 치료 전략의 기초로 사용될 수 있는 임상 등급 데이터를 제공한다. 또한, 측정된 데이터는 저전력 블루투스 통신을 통해 스마트폰 앱으로 전송하여 사용자가 실시간으로 손쉽게 확인할 수 있다. 이러한 결과는 혈역학 기능을 특성화하고, 심혈관 질환의 심각성을 평가하며, 클리닉 또는 홈에서 지속적 또는 간헐적 평가를 위한 의료기기의 안전성과 효능을 평가하는데 도움이 된다.

3. 기대 효과

일상 활동 중 환자를 지속적으로 모니터링하여 심장 장애를 진단하고 관련 치료를 평가하는 데 있어서 추가적인 잠재력이 있다. 스텐트, 클립 및 보조 판막 등 다양한 의료기기와 통합하여 혈역학 매개변수의 정확한 추정 또는 임플란트의 기능을 모니터링하는데 활용 가능할 것으로 기대된다.

송윤영 기자 다른기사 보기