차세대 심방세동 치료법: 비침습적 경식도 고강도 집속 초음파(HIFU) 심장 절제술의 모든 것
서론: 끝나지 않는 부정맥과의 전쟁, 심방세동
현대 사회가 고령화됨에 따라 가장 흔하게 접하는 부정맥 중 하나가 바로 '심방세동(Atrial Fibrillation, AF)'입니다.
심방세동은 심장의 윗부분인 심방이 불규칙하고 매우 빠르게 뛰는 질환으로, 단순한 심장 두근거림을 넘어 뇌졸중이나 폐색전증과 같은 치명적인 합병증의 위험을 크게 높입니다.
미국에서만 220만 명 이상이 겪고 있으며
현재 심방세동의 가장 효과적인 치료법 중 하나는 '전극도자 절제술(Catheter Ablation)'입니다.
이는 혈관을 통해 가느다란 도관(카테터)을 심장으로 삽입한 뒤, 고주파 에너지를 이용해 부정맥을 일으키는 비정상적인 전기 신호 경로를 차단하는 시술입니다.
특히 발작성 심방세동 환자에게는 70% 이상의 높은 성공률을 보이며 표준 치료법으로 자리 잡았습니다
하지만 이 시술은 몇 가지 본질적인 한계를 가집니다.
첫째, 혈관을 통해 심장 내부에 직접 접근하는 '침습적' 방법이기에 감염, 출혈 등과 같은 합병증의 위험이 존재합니다
둘째, 시술 과정이 복잡하고 시간이 오래 걸리며, 높은 비용이 발생합니다
마지막으로, 만성적이거나 지속적인 심방세동 환자의 경우 재발률이 40~50%에 달해 반복적인 시술이 필요할 수 있습니다
이러한 문제들로 인해 의료계에서는 환자의 고통과 부담을 획기적으로 줄일 수 있는 '비침습적(Non-invasive)' 치료 기술에 대한 요구가 끊임없이 제기되어 왔습니다.
피부를 절개하거나 혈관을 뚫지 않고, 몸 밖에서 에너지를 전달해 목표 조직만을 정밀하게 파괴하는 기술. 이것이 바로 심방세동 치료의 미래가 가야 할 길입니다.
그리고 그 중심에 고강도 집속 초음파(High-Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 기술이 있습니다.
혁신적인 접근: 왜 '경식도' 초음파인가?
고강도 집속 초음파, 즉 HIFU는 돋보기로 햇빛을 모아 종이를 태우는 것과 유사한 원리를 이용합니다.
인체에 무해한 초음파 에너지를 몸속 한 점에 집중시켜, 그 초점 부위의 온도를 60∘C 이상으로 급격히 상승시켜 조직을 열적으로 괴사시키는 기술입니다.
외과적 수술 없이 종양을 제거하는 등 다양한 의료 분야에서 그 잠재력을 인정받고 있습니다
그렇다면 심방세동 치료에 HIFU를 어떻게 적용할 수 있을까요?
연구진들은 우리 몸의 해부학적 구조에서 기발한 해답을 찾았습니다.
바로 '식도(Esophagus)'를 이용하는 것입니다.
심방세동의 주요 원인이 되는 좌심방의 후벽은 식도와 불과 수 밀리미터(mm) 거리로 매우 가깝게 위치해 있습니다
이처럼 가까운 해부학적 위치는 식도를 통해 초음파 에너지를 심장에 전달하는 이상적인 '음향 창(Acoustic Window)'으로 활용할 수 있는 가능성을 열어주었습니다.
내시경처럼 생긴 초음파 장치를 식도에 삽입하여 심장 바로 뒤에서 초음파를 발사한다면, 갈비뼈나 폐와 같은 방해물 없이 목표 지점인 좌심방 후벽에 효과적으로 에너지를 전달할 수 있습니다.
이는 기존의 전극도자 절제술이 목표로 하는 'Maze 수술(Maze procedure)'의 효과를 외과적 절개나 혈관 접촉 없이 그대로 재현하는 것을 목표로 합니다
Maze 수술은 심방에 여러 개의 절개선을 만들어 흉터 조직을 형성함으로써 비정상적인 전기 신호의 전파를 차단하는 원리입니다
경식도 HIFU는 바로 이 절개선을 초음파 열에너지로 대체하는 혁신적인 개념입니다.
그림 1. 초음파를 이용한 비침습적 경식도 심장 수술의 개략도 (R: 오른쪽; L: 왼쪽; S: 위쪽; I: 아래쪽; PV: 폐정맥).
식도에 삽입된 초음파 애플리케이터가 초음파 빔을 좌심방 후벽으로 집중시켜 폐정맥 주변에 전기적으로 절연된 병변을 생성합니다.
정밀 타격을 위한 최첨단 무기: 위상 배열 초음파 변환기 설계
경식도 접근법의 개념은 명확했지만, 이를 구현하기 위한 기술적 과제는 결코 간단하지 않았습니다.
식도에 삽입할 수 있을 만큼 작으면서도(평균 직경 약 19 mm)
이를 위해 연구진은 '2차원 위상 배열(2D Phased Array)' 기술을 채택했습니다.
위상 배열은 수십, 수백 개의 작은 초음파 소자(element)로 구성된 변환기로, 각 소자에서 발생하는 초음파의 위상(phase)을 전자적으로 제어하여 기계적인 움직임 없이 초점의 위치와 모양을 자유자재로 바꿀 수 있는 최첨단 기술입니다
연구진은 최적의 배열 설계를 찾기 위해 세 가지 다른 디자인을 모델링하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 성능을 비교 분석했습니다.
음향 압력 계산에는 레일리-좀머펠트 적분(Rayleigh-Sommerfeld integral)이라는 물리 모델이 사용되었습니다
표 1. 음장 계산에 사용된 매질(물)의 관련 물리적(음향적) 파라미터
| 밀도, ρ | 1000 kg/m3 | | 음속, c | 1480 m/s | | 감쇠, α | 0.23 dB/cm/MHz |
1. 선형 위상 배열 (Linear Phased Array)
가장 기본적인 형태로, 64개(8x8)의 동일한 크기의 소자를 바둑판처럼 규칙적으로 배열한 디자인입니다
분석은 용이하지만, 소자 간의 간격이 초음파 파장보다 넓어질 경우 '그레이팅 로브(Grating Lobe)'라는 심각한 문제가 발생합니다
그레이팅 로브는 주된 초점 외에 원치 않는 곳에 부수적인 초점이 생기는 현상으로, 목표 지점이 아닌 주변 정상 조직에 손상을 줄 수 있어 반드시 피해야 하는 문제입니다
시뮬레이션 결과, 특히 초점을 옆으로 이동시키는 '오프-축(off-axis)' 조향 시 주 초점과 거의 비슷한 수준의 강력한 그레이팅 로브가 발생하여 임상 적용에 부적합한 것으로 나타났습니다
그림 2. 64개 소자(8x8)와 의 개구부 크기를 갖는 선형 위상 배열의 레이아웃.
이 설정에서는 모든 소자가 활성 상태입니다.
2. 준주기적 희소 위상 배열 (Quasi-Periodic Sparse Phased Array)
그레이팅 로브 문제를 해결하고, 동시에 시스템의 복잡성과 비용을 줄이기 위해 고안된 설계입니다.
전체 195개(15x13)의 소자 그리드에서 64개의 소자만을 '희소하게(sparse)' 선택하여 활성화시키는 방식입니다
이는 마치 오케스트라의 모든 악기가 동시에 연주하는 대신, 특정 악기들만 선택하여 아름다운 화음을 만드는 것과 같습니다.
또한, 소자의 크기를 위치에 따라 다르게 만드는 '테이퍼링(tapering)' 기법을 적용하여 그레이팅 로브를 효과적으로 억제했습니다
이 설계는 시뮬레이션에서 그레이팅 로브를 -6dB 이하로 크게 줄여 임상적 적용 가능성을 보여주었으며, 제작의 용이성을 고려하여 최종 프로토타입 제작 모델로 선정되었습니다
그림 3. 준주기적 희소 위상 배열의 레이아웃.
활성 소자(검은색 상자)가 배열() 내에 주기적으로 분포되어 있습니다.
3. 무작위 희소 위상 배열 (Random Sparse Phased Array)
가장 진보된 형태로, 그레이팅 로브 발생의 근본 원인인 '주기성'을 파괴하기 위해 소자를 무작위로 배열하는 개념입니다
66개의 소자 중 64개를 활성화하며, 각 소자 행의 중심선을 y축 방향으로 불규칙하게 배치하여 주기성을 제거했습니다
시뮬레이션 결과, 이 설계는 초점 집중 성능은 유지하면서도 그레이팅 로브를 -9 dB 이하로 거의 완벽하게 억제하는 가장 뛰어난 성능을 보여주었습니다
이는 향후 더 정교하고 안전한 치료를 위한 차세대 배열 설계의 방향을 제시합니다.
그림 4. 무작위 희소 위상 배열의 레이아웃.
활성 소자(검은색 상자)가 배열() 내에서 y축 방향으로 무작위로 배열(x축 방향으로만 무작위 오프셋)되어 있습니다.
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| 그림 5. 선형 위상 배열, 준주기적 희소 위상 배열, 무작위 희소 위상 배열 각각에 대해 계산된 정규화된 강도의 초음파 필드 등고선. xy-평면에서 온-축 초점 A: (0, 0, 30) mm, 오프-축 초점 B: (0, -5, 30) mm, 오프-축 초점 C: (-5, 0, 30) mm에 대한 결과이며, 강도 색상 막대로 표시됩니다. |
이론적 우수성과 제작 현실성을 종합적으로 고려하여, 연구팀은 '준주기적 희소 위상 배열' 설계를 기반으로 실제 프로토타입을 제작했습니다
조직 절제에 필요한 높은 전기적 출력을 견딜 수 있도록 특수 세라믹(PZT-8)을 1.4 mm 두께로 가공하고, 다이싱 톱을 이용해 195개의 미세한 소자로 정밀하게 절단했습니다
제작된 변환기는 직경 19 mm의 의료용 하우징에 내장되었으며, 변환기에서 발생하는 열을 식히고 식도 조직을 보호하기 위한 물 순환 튜브가 포함되었습니다
이는 장시간의 시술에도 안정적인 성능을 유지하고 환자의 안전을 확보하기 위한 필수적인 장치입니다.
그림 6. (A) 프로토타입 배열의 사진. 세라믹(PZT-8)이 개 소자(64개 활성 소자 포함)로 다이싱되었습니다. (B) 하우징에 내장된 배열의 사진.
제작된 프로토타입의 성능은 두 가지 핵심 실험을 통해 철저히 검증되었습니다.
1. 음장 측정(Exposimetry) 실험
정밀 수중 음향 측정 장비(하이드로폰)를 이용해 프로토타입이 실제로 컴퓨터 시뮬레이션과 동일한 초음파 빔을 형성하는지 확인하는 과정입니다
실험 결과, 온-축 초점(정면)과 오프-축 초점(측면) 모두에서 시뮬레이션 결과와 실제 측정값이 매우 유사함을 확인했습니다
이는 설계와 제작이 의도한 대로 정확하게 이루어졌음을 의미하며, 우리가 원하는 위치에 정확하게 초음파 에너지를 전달할 수 있다는 신뢰성을 확보한 것입니다.
그림 7. 시뮬레이션(실선)과 측정(, 점선) 결과 비교.
(A) 온-축 초점 (0, 0, 30) mm, (B) 오프-축 초점 (0, -5, 30) mm.
그림 8. 음장 측정 결과. (A) 온-축 초점 A: (0, 0, 30) mm, (B) 오프-축 초점 B: (0, -5, 30) mm에 대한 yz-평면 및 xy-평면에서의 정규화된 음향 강도 등고선.
(A) 온-축 초점 (0, 0, 30) mm, (B) 오프-축 초점 (0, -5, 30) mm.
2. 생체 외(In Vitro) 조직 절제 실험 가장 중요한 단계로, 실제 생체 조직을 절제할 수 있는지 확인하는 실험입니다.
신선한 돼지 심장 조직을 인체와 유사한 환경(37∘C의 식염수)에 넣고, 제작된 프로토타입으로 270 초 동안 초음파를 조사했습니다
결과는 성공적이었습니다.
초음파가 조사된 초점 부위의 온도는 조직 손상이 일어나는 50∘C 이상으로 상승했으며
이는 개발된 경식도 초음파 변환기가 심장 절제술에 요구되는 충분한 에너지를 전달하여 효과적으로 조직을 파괴할 수 있음을 실험적으로 증명한 것입니다.
그림 9. 절제된 돼지 심장 조직을 이용한 생체 외 실험 결과 사진(온-축 초점의 예).
조직에 병변과 비절제 부피가 생성되었습니다(작은 사진: xy-평면 뷰).
조직에 병변과 비절제 부피가 생성되었습니다(작은 사진: xy-평면 뷰).
미래를 향한 과제와 전망: 완벽한 비침습적 수술을 위하여
본 연구는 경식도 접근 HIFU를 통한 비침습적 심장 절제술의 실현 가능성을 성공적으로 입증했습니다.
하지만 이 기술이 실제 임상 현장에서 보편적인 치료법으로 자리 잡기까지는 몇 가지 해결해야 할 과제가 남아있습니다.
첫째, 치료 시간 단축입니다.
본 연구에서는 약 270 초의 긴 조사 시간이 필요했는데
향후 고출력 증폭 시스템을 도입하여 각 소자에 더 강한 에너지를 공급한다면, 치료 시간을 수십 초 이내로 획기적으로 단축할 수 있을 것입니다
둘째, 실시간 움직임 보정입니다.
생체 외 실험의 고정된 조직과 달리, 살아있는 동물의 심장은 호흡과 박동으로 끊임없이 움직입니다
초음파 초점이 이러한 움직임을 실시간으로 추적하고 보정하는 기술이 결합되어야만, 움직이는 목표물을 정확하게 타격할 수 있습니다.
마지막으로, 가장 중요한
실시간 영상 유도 및 온도 모니터링 기술의 통합입니다
현재는 침습적인 열전대(thermocouple)를 삽입하여 온도를 측정했지만
이를 위한 가장 유력한 기술이 바로 MRI를 이용한 실시간 온도 측정(MR Thermometry)입니다
MR Thermometry는 MRI 장비가 조직의 미세한 온도 변화를 영상으로 시각화하는 기술로, 의사가 초음파로 가열되는 부위와 온도를 실시간으로 보면서 정밀하게 시술을 제어할 수 있게 해줍니다
MRI 유도 HIFU(MR-guided HIFU)는 안전성과 정확성을 극대화하여 이 기술의 임상적 완성도를 높이는 핵심 열쇠가 될 것입니다.
결론: 심방세동 치료의 새로운 패러다임을 열다
이번 연구는 2차원 희소 위상 배열 초음파 기술을 이용한 경식도 심장 절제술이 기존의 침습적 치료법을 대체할 수 있는 혁신적인 대안이 될 수 있음을 명확히 보여주었습니다
피부 절개나 혈관 천자 없이, 내시경과 유사한 방식으로 접근하여 심장 조직을 정밀하게 절제하는 이 기술은 심방세동 치료의 패러다임을 바꿀 잠재력을 지니고 있습니다.
물론 상용화를 위해서는 고출력 시스템 개발, 실시간 움직임 보정, MRI 영상 유도 기술과의 융합 등 추가적인 연구가 필요합니다
하지만 이러한 기술적 과제들이 해결된다면, 환자들은 더 이상 수술의 고통과 합병증의 두려움 없이, 훨씬 안전하고 간편하게 심방세동을 치료받는 시대를 맞이하게 될 것입니다.
이것은 단순한 기술의 진보를 넘어, 수많은 환자들의 삶의 질을 향상시키는 의료 혁명의 시작입니다.
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