인체의 물리적 성질을 이용한 인공장기 개발 연구

Research on the Development of Artificial Organs based on the Physical Properties of the Human Body

Abstract

4차 산업혁명의 시대는 모든 것이 데이터 중심이다. 데이터의 종류와 양이 중심이 될 수도 있고, 특수한 상황에서 요구하는 새로운 데이터가 필요할 때도 있다. 3D프린터가 다양한 분야에 활용되면서 새롭게 도전을 받는 분야들이 있다. 특히 의료 관련 분야에서 그동안 생각도 하지 못했던 새로운 시도가 일어나고 있다. 본 논문에서는 인체 데이터 중에도 인체 물성이 요구되는 분야에 연구를 가능하게 하기 위한 연구이다. 그동안 인체 장기를 활용한 연구에서는 주로 실리콘 소재로 만들어진 데이터를 활용하였다. 시신으로부터 인체 물성을 측정하고, 이 물성을 반영한 신소재를 개발하고, 3D프린터로 인공 장기를 개발한다. 이렇게 만들어진 인공장기를 활용하여 신장결석 제거용 로봇으로 수술하는 연습을 할 수 있도록 한다. 본 논문에서는 사람의 실제 장기와 유사한 첨단 소재를 개발하기 위한 일련의 연구 과정을 소개하고자 한다.

In the era of the 4th industrial revolution, everything is data-centric. The type and amount of data may be central, and new data may be required in special circumstances. As 3D printers are used in various fields, there are fields that are newly challenged. In particular, in the medical field, new attempts that have not been considered before are taking place. This paper is a study to enable research in fields that require physical properties of the human body. In the meantime, research using human organs has mainly used the materials made of silicon. We measure the physical properties of the human body from cadavers, apply these characteristics to develop new materials, and develop artificial organs with 3D printers. Using the artificial organs made in this way, you can practice surgery with a robot that removes kidney stones. In this paper, we would like to introduce a series of research processes to develop advanced materials similar to human organs.

l. 서론

1. 연구 배경

사람의 사망 원인 중 의료 사고가 3위를 차지하고, 그 의료 사고의 원인 1위가 수술 합병증이다. 수술을 진행하다가 실수를 하게 되면, 응급대처 능력이 부족하여 당황하게 되고 이로 인하여 최악의 경우 사망사고로 이어질 수도 있다. 수술 중 의료 사고가 발생하는 주요 원인은 다음과 같은 것들이다. 해부학적 경계의 판단 미숙, 수술 기구 조작의 미숙, 의도치 않은 혈관의 절개, 원치 않는 정상 장기의 손상 등으로 전문의 교육생의 수술 연습이 부족하기 때문에 일어나는 경우이다. 그러므로 이러한 의료 사고를 줄이기 위하여 의료진들의 전문성 향상을 위한 수술 시뮬레이션이 절실히 요구되고 있다.

그림 1. 사람의 사망 원인[1]

수술 시뮬레이션의 가치는 다양하다. 즉, 수술할 환부를 인공 장기로 구현하여 전문의 교육생에게 충분한 연습 기회 제공하고, 경험이 적은 의사에게 치료를 받다가 생길 수 있는 사고를 현저히 줄일 수 있다. 또한, 의료 기기의 연구개발에 활용할 수 있고, 궁극적으로 이로 인하여 국민의 의료복지 증대에 이바지하게 된다.

수술 시뮬레이션 시장의 규모는 2020년 기준으로 4 천억 원의 시장 규모를 차지하고, 2030년까지 약 2조원 규모의 시장으로 성장이 기대되며, 매년 16.9%로 가파르게 성장하고 있다. 의료계에서 꾸준히 수술 시뮬레이션에 대한 수요 재기와 전문의 교육과정의 새로운 패러다임으로 기대하고 있다[그림 2].

그림 2. 수술 시뮬레이션 시장 규모[2]

2. 연구 내용

현재 의료계에서 대표적으로 사용되고 있는 수술 연습이나 시뮬레이터들은 단점이나 한계가 존재한다. 수술 시뮬레이터는 실리콘 기반의 시뮬레이터, VR 기반의 시뮬레이터, 그리고 살아있는 동물 실험 등이 대표적인 수술 연습을 위한 종류들이다. 먼저, 실리콘 기반의 시뮬레이터는 인체 물성이 없어서 연습 효과가 현저히 떨어진다. 또한, VR 기반의 시뮬레이터는 시각적인 효과는 뛰어나지만, 손으로 전달되는 촉감을 줄 수 없는 단점이 있다. 마지막으로 동물 실험은 점차 법적으로 금지되고 있고, 윤리적인 문제로 인하여 앞으로는 사용이 점점 어려워질 것이다[그림 3].

그림 3. 기존 실리콘 기반의 인공장기 및 동물 시뮬레이터의 장단점[3]

의료계에서 필요한 수술 시뮬레이터는 바로 실제 장기의 물성이 담긴 인공 장기 기반의 시뮬레이터이다. 실제 인체 물성 기반 시뮬레이터는 실리콘의 단조로움에 비하여 실제 장기와 같이 미끈거리거나 상처를 입거나 늘어나는 등의 생물학적인 특징을 느낄 수 있어서 실전에 가까운 의미 있는 수술 연습이 가능하기 때문이다. 또한, 소프트웨어적으로 실제 살아있는 것처럼 움직임 등의 반응 효과를 줄수 있다.

그런데, 이러한 인체 물성 기반의 인공 장기 및 시뮬레이터는 존재하지 않는다[4]. 그 이유로는, 첫째, 인체데이터는 많지만, 장기의 물성 데이터는 없다. 지금까지 인체 물성 데이터는 1996년에 발표된 가브리엘 리스트가 있지만, 이것은 조직의 밀도 값만 있고, 인장력, 마찰력, 찢김, 부피 등의 다른 값은 없을 뿐 아니라, 그 값도 틀린 것들이 있다. 예를 들어, 방광은 대부분 근육으로되어 있다. 따라서 방광(urinary bladder)과 근육(muscle)의 밀도가 같지는 않지만 비슷해야 한다. 그러나 가브리엘리스트에 보면 근육과 방광의 밀도의 차이가 많이 난다[5]. 그것을 제외하면 지금까지 그 누구도 실제 장기의 물성을 측정하려고 시도해본 적이 없다. 인체 물성 대신에 의료진의 주관적인 느낌으로 해석하고 있었다.

또한, 인공 장기의 소재가 없기 때문이다. 인체 물성을 구현할 수 있는 소재가 없어서 실리콘 소재를 활용해왔는데 이는 인체 내부의 장기와 상당한 물성의 차이가 있다[그림 4]. 그러므로 실제 인체와 같은 인공 장기를 개발할 필요가 있는 것이다.

그림 4. 기존 상용소재와 실제 장기의 물성 차0

본 논문에서는 이러한 문제들을 해결하기 위하여 시신으로부터 인체 물성을 측정하고, 인체 물성을 반영한 신소재를 개발하고자 한다. 이 소재를 이용하여 3D프린터로 인공 장기를 제작한다. 이렇게 만들어진 인체물성 기반의 인공 장기를 활용하여 수술 시뮬레이터를 개발함으로써 수술을 하기 전에 반복훈련을 통하여 수술을 더 효율적으로 수행할 수 있도록 하게 된다. 또한, 물성이 적용된 인공 장기는 수술 시뮬레이터뿐만 아니라, 다양한 외과 수술 연습용으로 활용하는 등 실제환자에게 직접 할 수 없는 수술 훈련을 가능하게 함으로써 우수한 의사를 양성하는 데 많은 이바지를 할 것이다.

II. 인체 물성 기반의 인공 장기 개발

한국과학기술정보연구원(이하, KISTI)은 한국인의 인체골격 데이터 및 절단면 영상을 포함한 세계 최고의 인체 데이터를 보유하고 있다[6]. 또한, 인체 카데바를 대상으로 다양한 인체 데이터를 개발할 수 있는 네트워크 환경을 갖추고 있다. 본 논문에서 KISTI는 시신으로부터 인체 물성 데이터를 구축한다. 즉, 사망 후 3일 이내의 건강한 시신을 확보하여 인장, 신축, 강성, 표면마찰, 전류 반응 등의 기계적 물성을 측정하게 된다. 국내 의과대학 해부학과 협력하여 시신을 해부하여 해당 장기를 모두 적출하고, 각 조직의 물성들을 측정하는 장비를 이용하여 각 조직의 물성 데이터를 측정하게 된다[그림 5]. 다음으로 KISTI가 보유하고 있는 인체 절단면 영상[7]을 이용하여 장기의 3차원영상을 만들고, 측정한 물성 데이터값을 반영하는 과정을 진행하게 된다. 이것은 인공 장기 제작을 위하여 개발한 소재인 잉크로 인공 장기를 제작하는 3D프린팅에 활용된다.

그림 5. 인체 물성 측정 예시

또한, 생체 100명 이상 MRI를 확보하여 지방, 근육, 뼈의 부피량과 장기의 크기를 측정한다. 이는 사람마다 장기의 모양이나 크기가 다르므로 인체 물성과 함께 장기의 형상을 측정하는 것이다 이렇게 측정한 인체 물성과 3차원영상, 그리고 조직의 형상 데이터로 인체물성 데이터베이스로 구축하고 관리한다[그림 6].

그림 6. 인체 물성 데이터

우수한 소재개발 연구 인프라를 보유하고 있는 국내모 대학이 KISTI에서 구축한 인체 물성을 기반으로 인공 장기를 개발하게 된다. 인체 물성 기반의 원천 소재를 개발하고 인공 장기를 제작하게 된다. 즉, 인체 물성을 반영한 인체 데이터 맞춤형 하이드로겔 소재 합성기술을 개발한다. 인체 내부조직과 기계적 특성을 비교해가면서 최적의 소재를 개발하게 된다. 이렇게 개발된 소재는 조직별 인공 장기를 제작하기 위하여 물성별로 3D프린터용 잉크를 개발하게 된다. 개발된 잉크를 물성값의 종류대로 다중 노즐 3D프린팅 공정을 개발하여 인공 장기를 만들게 된다[그림 7].

그림 7. 인체 물성 기반 신소재 및 프린팅 공정 개발

Ⅲ. 물성 기반 인공 장기의 활용

본 논문에서는 혁신적인 비뇨기계 내시경 수술 로봇훈련을 위한 시뮬레이터를 만드는 데 활용하고자 한다. 비뇨기계를 선정한 이유는 비뇨기과 환자의 30%가 비뇨계통 결석(요석) 환자로 가장 흔한 질병 중의 하나이다. 우리나라는 2020년 기준 30만 명의 결석환자가 발생하고 있다[그림 8]. 남자가 여자보다 2~3배 많이 발생하며 20~40대 발생빈도가 가장 높지만, 최근에는 여성과 젊은 층에서도 빈번히 발생하기도 한다[8].

그림 8. 환자 수 현황(외) 및 신장결석(아래)[9]

비뇨계통 수술의 낮은 수가에 따른 병원 수입 감소와 수술 과정에서의 고의성이 아닌 의료 사고에 대한 면책제도 및 실효성 있는 대책이 없으므로 비뇨기과의 전공의 지원율이 낮고, 전국적으로 비뇨기과 전문의 수도 점차 줄어들고 있어서, 환자의 수에 비하여 국내의 수술 가능한 의사가 매우 부족한 상황이다.

신장결석을 치료하는 방법으로 체외충격파쇄석술과 역행성신요관결석제거술(Retrograde Intrarenal Surgery, RIRS)이 있다. 마취나 체내로 내시경 삽입이라는 잠재적인 위험성 없이 체외에서 간단히 결석을 제거하므로 국내의 대다수 환자가 체외충격파쇄석술을 선호한다[그림 9].

그림 9. 우리나라 신장결석 수술 현황[9]

그러나 체외충격파쇄석술의 경우 결석이 모두 제거되지 않고 남아서 재발을 일으키는 경우가 많다. 즉, 체외충격파쇄석술 치료의 결석 완치율은 65%에서 70% 로 책정하고 있다[10]. 그러므로 재발 방지를 위해서 체외충격파쇄석술을 여러 번 시행하고 있다. 그에 비하여 역행성신요관결석제거술은 체외충격파쇄석술보다 결석제거를 더 정확하고 깔끔하게 수행한다. 국내와 다르게 유럽과 미국 등의 선진국에서는 체외충격파쇄석술보다 역행성신요관결석제거술이 더 많이 시행되고 있다.

그림 10. 미국 캘리포니아 신장결석 수술 현황[11]

그림 11. 호주의 신장결석 수술 현황[12]

체외충격파 수술 후 잔류 결석에 의한 재발률보다 역행성신요관결석제거술의 실패율이 현저히 낮기 때문에 비뇨계통 결석 제거에는 역행성신요관결석제거술을 시행하는 것이 더 낫다. 우리나라도 선진국처럼 역행성신요관결석제거술이 점차 확대될 것으로 예상한다.

역행성신요관결석제기술은 수술 중에 섬세한 요관조직을 찢거나 구멍을 내는 등의 사고가 많이 발생되기 때문에 많은 수술 연습이 요구되는 수술이므로 환자와 비슷한 수술 시뮬레이터가 필요하므로 비뇨기계를 선정하였다.

국내 모 벤처기업에서 신장결석 제거 수술용 로봇을 개발 중이며, 이 로봇으로 수술하기 위하여 연습용 수술 시뮬레이터를 개발 중이다. 실리콘 기반의 시뮬레이터를 개발하였으나 연습 효과가 좋지 않아서 본 연구를 통하여 제작되는 인체 물성 기반의 인공 장기를 사용하여 실전과 같은 수술 연습 환경을 구축할 계획을 하고 있다.

그림 12. 신장결석 치료 시뮬레이터

인체 물성 기반의 인공 장기는 수술 로봇 등의 의료기기의 사용에 숙달하기 위한 수술 시뮬레이터뿐만 아니라, 실제 내과 수술을 연습하는 수술 인프라를 구축하는 데에도 활용될 것이다.

Ⅳ. 결론

인체 물성 데이터를 활용하여 인체 내 계통에 활용할 수 있으며, 신소재와 결합한 맞춤형 장기 제작이 가능해질 것이다. 이를 통하여 전문의를 준비하는 전공의나 전공의를 준비하는 의과대학생의 수술 훈련에 대한 비용이 대폭 줄어들 것으로 예상된다. 또한 수술 연습용 시뮬레이터를 사용할 경우, 해부 시신 및 동물 실험 등으로 발생할 수 있는 윤리적·법적 문제도 해결될 수 있을 것이다.

인체 물성 기반의 인공 장기 시장은 최초이기 때문에 성공적으로 진행된다면 향후 세계 시장을 선점하고, 이를 통한 수출로 경제적인 성과도 기대하고 있다. 또한. 인체 물성 데이터는 앞으로 의료계, 의학계, 산업계 등 사람과 관련이 있는 다양한 분야에서 많이 활용될 것이다

또한, 본 논문에서 논한 인체 장기뿐만 아니라, 인체골격 물성을 기반으로 하는 실제 사람의 뼈에 유사한 소재의 개발이 시도될 것으로 생각한다. 그래서 지금보다 훨씬 효과적이고, 인체 친화적인 수술이나 치료가 가능해짐으로써 의료선진화에 큰 공헌을 할 것으로 기대된다.