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인공심장
인공심장(人工心臟, artificial heart 또는 mechanical heart)은 심장의 펌프기능을 대신해주는 인공장기이다.
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개요[편집]
인공심장은 기능이 떨어졌거나 악화된 심장 대신 생체 내에 기계적으로 장치하여 전신순환을 영구적으로 보조 또는 대행하도록 만든 심장이다.
인공심장의 목적은 다른 어떤 치료법에도 반응하지 않게 된 병든 심장을 인공펌프로 치환하고자 하는 것이다. 이런 범주에 속하는 것으로서는 인공좌심실 보조심장이나 완전인공심장이 있다. 인공심장은 기본적으로 구동기구(驅動機構:즉 에너지源과 전달기구), 혈액펌프기구 및 제어기구(制御機構)의 세 가지로 되어 있으며 에너지원으로는 유체전기(流體電氣, 배터리) 등이 이용되지만, 핵생물학적 ·화학적 에너지에 대해서도 연구가 계속되고 있다.
인공심장의 펌프는 심실판막 및 생체와의 결합부로 되어 있다. 좌심실보조심장의 심실은 1개로 관상(管狀) 또는 U자(字) 모양이고, 완전인공심장은 2개의 심실이 있어서 각각 혈류가 들어오고 나가는 통로가 공급받는 환자의 심방 및 대혈관에 대응하도록 주머니 모양으로 만들어졌다. 따라서 좌심실 보조심장에 비하여 혈액의 과류(過流)나 정체, 혈전형성이 생기기 쉽다. 재질(材質)은 폴리우레탄(polyurethane)이나 실리콘 등 의료용 합성고분자재료로 되어 있다. 인공심장의 제어기구는 심박수 ·심박출량 ·유량파형(流量波形) ·심실압력파형, 그 밖에 혈액가스분압 pH, 체온 등의 조절을 위해 필요한데, 이들의 조절이 자동적으로 되는 것이 가장 이상적이다.
인공심장을 임상에 응용한 것은 1963년 D.바케 등이 좌심실보조심장을 시도한 것이 처음이며, 1966년에 칸트로비츠 등도 비슷한 시도를 한 바 있다. 그러나 이들은 모두 단기간에 그쳤고, 오래도록 사용된 임상례는 1982년 최초로 미국의 치과의사 B.클라크의 생명을 112일간 지속시켜 주었던 자비크 7이라는 공기가동식 플라스틱심장으로, 외부에 다소 큰 동력장치가 부착되어 있다는 점이 단점이었다. 인공심장이 1957년 최초로 연구가 시작될 때는, 완전히 인공적인 심장으로 자연심장을 대치하는 것을 뜻했다. 그러나 때로는 모든 인공혈액펌프를 인공심장이라고 말한다. 따라서 여기서는 완전인공심장과 심실보조장치를 추려서 설명하기로 한다.
앞에서 말한 바와 같이 두 가지 연구과제가 같은 해인 1957년 두 연구소에서 동시에 시작되었다. 그것은 콜프와 아쿠츠에 의한 완전인공심장과 구츠로에 의한 심실보조장치이다. 심실보조장치에 관해서는 몇 해 동안 진전이 없다가 1975년 새로 임상에 사용하게 되었다. 이 보조장치는 모두 일시적으로만 사용되었기 때문에 D.바케가 1963∼1967년에 사용했던 일차적인 바이패스형 좌심실보조장치를 시술하였던 몇 가지 예는 포함되었어도 칸트로비츠와 아쿠츠가 보고한 연결식 좌심실 보조장치 2례는 포함되어 있지 않다. 좌심실 보조장치를 사용한 후에 성공적으로 심장기능이 회복된 환자수는 31%를 약간 넘는 정도였고, 그런 뒤에 완쾌되어 퇴원한 환자수는 16%에 불과했다.
심실보조장치를 임상에 사용하는 데는 몇 가지 문제점이 있다. ① 사용하는 것이 늦고, ② 출혈경향이 있으며, ③ 여러 기관의 기능부전, ④ 우심실부전, ⑤ 높은 폐혈관저항, ⑥ 약물치료와 혈액응고방지에 대한 치료, ⑦ 좌심실첨연결관(左心室尖連結管), ⑧ 좌심실 보조장치에 의존하게 되는 일 등이다. ①의 문제는 큰 문제로, 연구팀이 사용자인 심장외과 의사가 아닐 때는 특히 문제가 된다. 언제 어떤 경우에 어떤 환자에게 이런 장치를 사용할 것인지를 결정하는 것은 대단히 중요한 문제이다. 그와 같은 결정을 내리려면 연구팀과 임상의(臨床醫) 사이에 긴밀한 협조 아래 보조장치를 충분히 이해하고 사용해야 한다. ②의 출혈경향은 초기의 텍사스 심장연구소의 모든 환자에게서 나타났다. 다른 연구소에서는 20∼30% 환자가 출혈성을 나타냈는데, 그것은 대동맥내 벌룬펌핑(balloon pumping)이나 좌심실보조장치 때문이 아니라, 앞서의 장시간 체외순환을 한 때문이다. 실제로 텍사스 심장연구소에서 좌심실보조장치를 사용한 환자들은 먼저 체외순환을 4시간 이상 시행했던 경우였다. 이 동안에 각 기관의 기능은 이미 손상을 받은 데다가, 추가로 대동맥내 벌룬펌핑과 각종 약물치료로 더욱 손상을 받게 된다. 피어스는 처음 체외순환을 중지하려고 시도한 시간부터 1시간 이상 기다리지 말도록 권장하고 있다. 우심실 기능부전이 동반되는 경우는 전체 환자의 25%였다. 이런 경우에는 양쪽 바이패스를 폐혈간 저항에 따라 실시해야 한다. 양 심실보조를 시작해서 생존한 보고사례는 아직 없다.
1970년 이후 인공심장 분야는 급속하게 발달하였는데 첫번째와 두번째 인공심장 이식수술은 텍사스 심장연구소에서 1969년과 1981년에, 세번째는 유타대학에서 1982년에 있었다. 이후 인공심장은 장기간 심장 박동을 일정하게 유지하기가 어렵고 오작동시 사망에 이르는 위험성이 있어 2000년 이후 거의 사용하지 않는다. 좌심실 보조장치(LVAD)는 개발완료되어 환자에게 시술되고 있는데 환자의 좌심실에 파이프를 연결하고 모터를 작동시켜 피를 흐르게 하여 대동맥을 통해 전신으로 피를 보낸다. 모터를 작동시키는 배터리와 컨트롤러를 착용하도록 고안되어 있는 장치이며 2012년 한국에서도 수술에 성공했다.
인공심장의 종류[편집]
기능에 따른 분류[편집]
- 완전인공심장 (Total Artificial Heart: TAH) : 완전 대체형 인공심장은 환자의 자연 심장을 완전히 제거하고 그 자리에 인공 심장을 장착하는 것을 의미한다
- 보조인공심장 (Ventricular Assist Device: VAD): Lvad (좌심실보조장치), Rvad (우심실보조장치)
- 순환 보조 장치IABP (Intra Aortic Balloon Pump):대동맥내 풍선 펌프
구동방법에 따른 분류[편집]
- 압축식
- 전기기계식
세대별 분류[편집]
- 1세대 : 신체외부 장착
- 2세대 : 신체내부 장착, 박동형
- 3세대 : 신체내부 장착, 비박동형 심실보조장치, 2010년 딕 체니 부통령 시술, 2012년 8월 삼성서울병원 첫시술, 1억1천만원
인공심장의 작동 원리[편집]
인공심장은 주로 펌프와 제어 장치로 구성되어 있다. 펌프는 심장처럼 혈액을 몸 전체로 퍼뜨리는 역할을 하고 제어 장치는 펌프의 속도와 리듬을 조절한다. 이러한 장치들은 전원 공급 장치를 통해 작동하며 외부에서 배터리를 교체하거나 충전할 수 있다.
인공시망 이식 수술[편집]
인류 최초의 심장이식 수술은 1967년 남아프리카공화국 케이프타운에서 심장외과의사 크리스천 버나드에 의해 56세의 심근경색 환자(남자)에게 시행되었다. 수술팀은 교통사고로 뇌사상태에 빠진 29세 여성의 심장을 환자에게 이식했다.
수술 그 자체는 성공이었지만 환자는 폐렴에 감염돼 수술할 지 18일 만에 사망하였다. 그 3일 후에 미국에서도 2세 남자아이에게 심장이식수술을 시행하였지만 6시간 반 만에 사망하였다. 바너드는 두번째로 24세 남자에게 시술하여 545일간 생존한 기록을 세웠다.
한국에서는 지난 92년 11월11일 서울 중앙병원의 송명근 박사가 처음으로 심장이식 수술에 성공했다.
뇌사자의 심장을 기증받아 실시된 이와같은 심장이식 수술 외에 '인공심장'을 이용한 이식수술 연구는 미국에서 활발하게 진행되었다.
1965년 미국 케네디 대통령은 미국인의 사망원인 1위 질환인 심장병을 근본적으로 해결하기 위해 연방정부에서 연구비를 지원하는 케네디프로젝트를 제안, 미 의회의 승인을 얻었다.
완전 인공심장을 이식하는 데 성공한 것은 1982년 미국 유타대 의대 드브리스(Devries) 교수가 말기 심장병 환자 클라크에게 사상 최초의 인공심장 '자빅(Jarvik-7)' 을 이식한 것. 냉장고 크기의 공기유압식 펌프가 환자의 혈액을 혈관으로 짜내주는 체외이식형 인공심장이다. 클라크는 1백12일 동안 생존하는 데 성공했다.
그러나 지금까지 인공심장은 좌심실 기능만 대체하는 보조 인공심장(LVAD)이었다. 또한 대부분 체외이식형으로, 환자에게는 거동을 제한해야 하는 불편이 뒤따랐다.
따라서 환자의 몸에 완전히 이식하는 체내이식형 인공심장의 개발이 과제로 떠올랐다.
미국 아비오메드(Abiomed)사는 2001년 최초의 체내이식형 인공심장 '아비오코(AbioCor)'를 개발하여 인공심장으론 처음으로 미식품의약국(FDA)의 임상시험 공인을 받았다. 2001년 7월 티타늄과 플라스틱 펌프로 만들어졌고 충전기 전기로 작동하는 이 인공심장의 이식수술이 심장병 말기 환자에게 실시되었다.
한국에서는 2001년 6월 서울대 의대 민병구 교수와 고대 안암병원 선경 교수팀이 복부이식형 인공심장 '애니바드'를 양심실 보조장치 방식으로 세계 처음으로 말기 심부전증 환자에게 수술했으나 12일 간 생존 끝에 사망했다.
인공심장 수술 원리[편집]
인공심장은 심장 기능이 심각하게 약해진 환자에게 생명을 연장하기 위해 설치하는 장치이다. 인공심장은 기본적으로 심장 기능을 대체하는 역할을 하며 일시적으로나 영구적으로 심장 기능을 대신하게 된다.
인공심장의 구성[편집]
인공심장은 크게 펌프, 배터리, 컨트롤러로 구성되어 있다. 펌프는 심장의 역할을 대신하여 피를 몸 전체로 퍼뜨리는 역할을 하며 배터리는 펌프를 작동시키는데 필요한 전력을 제공한다. 컨트롤러는 펌프의 작동 상태를 조절하고 모니터링하는 역할을 한다.
수술과정[편집]
인공심장 수술은 대개 전신마취 하에 진행되며 수술 시간은 환자의 상태와 수술의 복잡성에 따라 다르지만 대체로 몇 시간이 소요된다. 수술은 심장에 펌프를 삽입하고 컨트롤러와 연결하는 과정으로 이루어진다. 수술이 시작되면 먼저 환자의 가슴을 절개하여 심장을 드러내게 된다. 그리고 심장의 좌심실에 펌프를 삽입하고 대동맥에 펌프를 연결한다. 이렇게 하면 펌프가 심장의 피를 몸 전체로 퍼뜨리는 역할을 대신하게 된다.
펌프는 가슴 안에 위치하게 되지만 배터리와 컨트롤러는 외부에 위치하게 된다. 이들은 전선을 통해 펌프와 연결되며 이 전선은 환자의 피부를 통해 외부로 나온다. 마지막으로 환자의 상태를 지속적으로 모니터링하고 펌프의 작동 상태를 조절할 수 있도록 컨트롤러를 설정한다.
수술 후 관리[편집]
인공심장 수술 후에는 환자의 상태를 지속적으로 모니터링하며 필요한 경우에는 펌프의 작동 상태를 조정한다. 또한 수술 후 감염이나 합병증을 예방하기 위한 관리가 필요하며 이는 약물 치료와 함께 정기적인 검사를 통해 이루어진다.
인공심장 수술은 심각한 심장 질환을 가진 환자에게 생명을 연장하는 중요한 치료법이다. 그러나 이는 복잡한 수술이며 그러나 이는 복잡한 수술이며 환자와 의료진 모두에게 많은 주의가 요구된다.
생명의 리듬을 위한 과학[편집]
인공 심장의 새 구상[편집]
미국의 클리블랜드 클리닉 연구소에서는 1990년대의 실용화를 목표로 종래와는 완전히 다른 새로운 발상에서 탄생된 무박동형(無拍動型) 인공 심장, 다시 말해서 맥박이 없는 인공 심장의 연구가 추진되고 있다. 진짜 심장이 펌프 작용에 의하여 혈액을 순환시키고 있는 데 비하여, 이는 스크루와 같은 프로펠러를 회전시켜 혈액을 일정한 빠르기로 흘려보내도록 되어 있다. 평소에는 체중 1kg당 매분 90cc의 혈액을 흘려보내는데, 운동량에 맞추어 프로펠러의 회전수를 증감시켜 혈액을 조절한다. 송아지를 사용한 실험에서는 진짜 심장을 인위적으로 정지시킨 다음 이 인공 심장을 장착하여 3개월 이상 생존시키는 데 성공하였다. 그리고 심장 수술 직후의 환자에게 수시간에서 5일 정도 심장의 보조로서 사용하는 임상 응용도 시작되고 있다. 이 한 예를 보아도 알 수 있듯이 인공 심장의 연구는 여러 가지 각도에서 시도되고 있다.
인간 심장과 인공심장의 차이[편집]
30억 회. 이 엄청난 숫자는 인간의 일생(여기서는 75년으로 계산)에 심장이 맥박치는 횟수인데, 무려 2억L의 혈액을 체내에 순환시키고 있다. 그리고 심장의 펌프 작용에는 2가지가 있다. 하나는 우심실에서 혈액을 폐로 보내는 작용이며, 나머지는 좌심실에서 혈액을 대동맥을 거쳐 체내로 보내는 작용이다. 이 두 가지 펌프 작용은 압력이 집중되지 않도록 완전히 균형이 유지되어야만 한다. 게다가 절대로 고장은 허용되지 않는다. 이처럼 힘겹고 정교한 일을 장기간에 걸쳐 끊임없이 하고 있는 것이 심장이다. 현대인에게는 불규칙한 생활이 강요되고 도처에 스트레스의 원인이 도사리고 있다. 이와 같은 생활에서 1년에 4000만 회나 규칙적으로 박동 작용을 계속하고 있는 심장에도 좋은 영향을 줄 리가 없어 여러 문명국에서 심장병은 주요 사망 원인이 되고 있다. 새로운 약의 개발, 의료의 진보, 페이스메이커와 인공판 등은 심장병으로 시달리는 사람을 어느 정도까지는 구해 왔다. 그러나 절망적인 심장병 환자를 살려내기에는 이들 방법으로 불충분하여, 결국 다른 사람의 심장을 이식하든지 인공 심장의 도움을 받는 수밖에 없다. 최초의 심장 이식은 1967년 12월 3일, 남아프리카공화국의 크리스천 버나드 박사에 의하여 이루어졌다. 이 때의 환자는 유감스럽게도 18일밖에 생존하지 못했지만, 현재 미국에서는 연간 60회 이상의 심장 이식이 이루어지고 있으며, 1년 생존률 70%, 5년 생존률 50%로 상당한 성공을 거두고 있다. 그런데 심장 이식을 성공시키기 위해서는 심장 제공자의 뇌가 정지된 직후에 심장이 아직 고동을 계속하고 있는, 이른바 '뇌사'의 상태에서 이식하지 않으면 안 된다. 그러나 우리나라에서는 아직 사회적·법률적으로 뇌사를 죽음이라고 인정하지 않고 있으며, 유족의 감정적인 문제도 있어서 심장 이식을 원활하게 할 수 없는 상황이다. 이와 같은 사정에서도 절망적인 심장병 환자를 살려내는 수단으로서, 인공 심장의 개발에 뜨거운 기대를 걸고 있다.
개 90분에서 소 297일[편집]
1969년, 미국 텍사스 심장 연구소의 덴튼 쿨리 박사는 절망적인 심장병 환자에게 심장 이식까지의 연결 단계로서, 세계에서 처음으로 인공 심장을 정착하였다. 이에 앞서서 1957년, 미국에서 처음으로 체내에 장착하는 방식의 인공 심장 수술이 실시되었는데, 클리블랜드 클리닉 연구소의 윌리엄 콜트 박사가 인공 심장을 체내에 장착한 개를 1시간 반 동안 생존시키는 데 성공하였다. 그 후 갖가지 형태의 인공 심장으로 실험이 되풀이되었는데, 개를 겨우 하루 생존시키는 데에 그로부터 5년의 세월이 소요되었다. 1970년에 들어서자 인공 심장 수술을 한 동물의 생존 기간은 꾸준히 늘어나 1973년에는 미국 유타대학의 로버트 저비크 박사가 개발한 인공 심장으로 송아지를 297일 동안 생존시키기에 이르렀다.
인공의 혈액 펌프와 혈액[편집]
송아지의 인공 심장 장착 성공에 자신을 얻은 연구진은 1982년 12월 1일, 마침내 유타대학에서 인체에 대한 인공 심장 영구 장착 수술을 단행하게 되었다. 수술을 받은 사람은 61세의 전 치과 의사 버니 클락 씨로, 집도(執刀)는 동 대학의 흉부 심장외과 주임인 윌리엄 도브리스 박사가 맡았다. 수술에 사용된 자빅 7형 인공 심장은 자빅 박사가 개발한 것으로서 심장의 좌우 심실에 상당하는 두 인공 심실로 이루어져 있다. 진짜 심장에서 좌우의 심실만을 적출하고, 대신 이 인공 심실을 심방 및 대동맥과 폐동맥에 연결한다. 각각의 인공 심실은 왼쪽 늑골 밑을 통한 직경 6mm의 튜브와 연결되어 있다. 그리고 컴프레서에서 깊이 2m의 튜브를 통해서 보내지는 압축공기로 인공 심실의 다이어프램(격막(隔膜)형의 판(瓣：밸브))을 움직여 혈액순환 기능을 하게 하는 구조로 되어 있다. 5시간에 이르는 수술은 성공하여 클락 씨도 한때는 회복의 증상을 보였다. 그러나 유감스럽게도 수술 후 112일째 숨을 거두었다. 클락 씨의 사망 원인은 혈전과 세균의 감염증이었는데, 인공 심장에는 두 가지가 아직 완전히 해결되지 못한 과제로 남아 있다. 클락씨 이외의 다른 여러 환자들도 이 자빅－7 인공심장을 이식받았으며, 그 중 한명은 620일 동안 생존했다. 그러나 과학자들은 1980년대 후반에 공기로 작동되는 영구인공심장의 사용을 포기했다. 환자 중에 인공심장에서 생긴 혈액응고물이 떨어져나가 뇌동맥을 막아서 뇌졸중이 일어나기도 했다. 또 이 장치에는 커다란 외부 동력원이 있어 움직이는 데 불편을 주었으며, 공기관이 피부를 뚫고 통과하여 인공심장과 연결되기 때문이다. 따라서 심장이식을 기다리는 환자에게 일시적인 대체심장으로만 사용되었다.
참고자료[편집]
- 〈인공 심장〉, 《위키백과》
- 〈인공심장〉, 《두산백과》
- 〈인공심장이식수술〉, 《시사상식사전》
- 이제베리, 〈인공심장에 대한 이해와 원리, 수술 성공 사례〉, 《티스토리》, 2023-12-06
같이 보기[편집]
