음압 환기 기술 연구의 필요성과 제안

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한선종

1. 서론

’루게릭병‘으로 잘 알려져 있는 근위축성 측삭경화증(이하 루게릭병)은 수의근의 움직임에 관여하는 신경세포가 점차 사멸하는 신경질환이다. 이 질환의 환자들은 병이 진행될수록 팔, 다리의 근육이 경련, 수축, 감소하여 활동이 불편해짐은 물론 호흡에 관여하는 근육인 호흡근이 손상될 경우에는 호흡부전으로 사망에 이르기도 한다. 이 때문에 루게릭병 중증 환자들은 ventilator라고 불리는 호흡 보조 장치의 도움으로 호흡한다. 일반적으로 사용되는 호흡 보조 장치는 외부의 공기로 폐포를 부풀리는 양압 환기 방식을 사용한다. 이 때문에 호흡 보조 장치 사용 환자에게는 폐포의 과팽창과 삽관으로 인한 압박, 접촉으로 인해 염증 등의 부작용이 발생하기도 한다. 다른 환자와 달리 루게릭병 환자의 경우는 인공호흡기의 도움이 지속적으로 필요하기 때문에 양압 환기로 인한 부작용에 취약하다.

본 탐구는 양압 환기의 부작용과 기전을 파악하고 양압 환기의 부작용을 최소화한 호흡 보조 장치의 제안을 위한 것이다.

2. 새로운 호흡 보조 장치 연구의 필요성

급성호흡곤란증후군(acute repiratory distress syndrome, ARDS)는 폐포-모세혈관막의 투과성이 증가하여 폐포강 내 부종액이 차고, 활성화된 호중구 및 시토카인으로 인한 손상, 계면활성체 및 응고체계의 이상으로 인하여 산소치료에 반응하지 않는 저산소증 및 비균질적인 급성 염증성 폐손상이 발생하는 것이다. ARDS 환자의 폐는 기저부 폐포의 염증이 존재한다. 이때 양압환기 방식의 기계환기를 시행할 경우 폐포의 과팽창으로 인한 신전손상이 발생한다. 이러한 상해 과정으로 염증성 세포가 활성화되고 염증성 매개 물질들이 증가하며 세균의 전신순환으로 전신적인 염증반응이 발생한다.

이처럼 양압 환기 방식의 기계환기에서는 폐포의 과팽창으로 인한 상해가 염증으로 이어지는 등의 부작용이 발생한다. 특히 인공호흡기의 도움을 받는 루게릭병 환자의 경우 기관 절개로 감염에 취약하며 장기적으로 인공호흡기에 의존해야 한다.

또한 삽관으로 인한 통증과 인공호흡기에 의한 압박 때문에 인공호흡기를 장시간 사용하는 환자들은 고통을 호소하기도 한다. 양압 환기 방식의 인공호흡기는 호흡을 돕는 기기일 뿐 재활의 기능 또는 질병의 진행을 늦추는 기능은 전혀 없다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 새로운 방식의 호흡 보조 장치가 필요한 것이다. 양압 환기 방식을 유지하면서도 폐포의 과팽창을 막기 위한 방안으로 기존보다 호흡량을 줄이는 저일호흡량 환기나 압력을 조절하여 허탈된 폐포를 개방시키는 폐포모집술 등의 대안이 제시되기도 하지만 기능적인 단점과 과정의 까다로움 때문에 위와 같은 문제를 해결하는 데에는 제약이 있다. 따라서 양압 환기 방식이 아닌 음압 환기, 환자 스스로의 호흡근 운동을 돕는 방식의 호흡 보조 장치의 연구가 필요하다.

3. 이론적 배경 및 선행 연구

횡격막은 배와 가슴 사이를 분리하는 근육이다. 횡격막이 수축하면 횡격막 중앙의 힘줄이 하강하여 횡격막 전체가 하강하게 되고 흉강이 넓어진다. 횡격막이 이완하면 반대로 복강이 좁아진다. 횡격막은 이와 같은 과정으로 호흡에 관여하는 호흡근이다. 루게릭병이 진행될수록 환자의 횡격막이 약해져 호흡이 어려워지는 것이다.

한국전자통신연구원에서 2020년 7월 23일 근육 신호를 감지하고 해석하여 5~35mA의 전기 신호를 근육에 줘 근육의 운동을 보조하는 기술을 개발했다. 사연구팀은 가로 17cm, 세로 6cm 크기의 패치 속에 근육 신호를 감지하는 센서와 전기자극 모듈을 넣었다. 무게는 배터리를 포함해 약 950g이며 근육 신호 해석의 정확도는 98%에 달한다. 이 전기자극 장치는 고령자와 장애인의 보행을 돕는 데 사용될 전망이다.

지난 2017년 8월 미국 시냅스 바이오메디컬이 개발한 호흡 보조 장치인 NeuRxDPS가 FDA에서 횡격막 근육의 약화를 지연하는 효과를 입증받았다. NeuRxDPS를 사용하기 위해서는 흉강경 수술을 통해 양쪽 횡격막에 전극을 심는 시술이 필요하며, 외부의 휴대용 조정기로 조절이 가능하다. 배터리는 2~4년에 한 번씩 교체해야 한다. NeuRxDPS는 아직 호흡 보조 기능을 입증 받지 못해 시술 환자가 보험급여를 받을 수 없어 대중화 단계에는 접어들지 못했다.

4. 기술 제안

-횡격막 전기 자극 보조 장치-

선행 연구를 통해 호흡에 가장 크게 관여하는 호흡근이 횡격막이며 전기 자극을 통해 근육을 제어하고 이를 의료 목적에 사용하고자 하는 연구가 최근 활발하게 이루어지고 있다는 사실을 확인했다.

이 탐구를 통해 제안하고자 하는 기술은 ’횡격막 전기 자극 보조 장치‘이다. 이는 횡격막의 운동 신호를 감지하고 이에 맞는 운동 신경 세포에 전기 자극을 제공하여 횡격막의 움직임을 돕는 장치이다. 횡격막의 양쪽에 흉강경을 통하여 전극과 운동 신호를 감지하는 센서가 부착된 패치를 부착해야 한다. 인공 심장과 같이 배터리는 주기적으로 교체해야 한다. 센서가 운동 신호를 감지할 때마다 전기 자극이 발생하며 이 전기 자극으로 인해 횡격막 중심 힘줄 주변 근육이 수축하는 효과를 노린 것이다.

이 방식은 흉강 내부의 압력 변화로 환자가 자발적으로 호흡하는 음압 환기 방식이기 때문에 위에서 서술한 폐포의 과팽창 등의 문제를 피할 수 있다. 또한 전기 자극이 지속적으로 주어지며 횡격막의 운동을 보조하므로 횡격막의 기능 저하를 지연하는 효과를 기대할 수 있다.

5. 주요 연구점

1) 배터리 문제

인공 심장 박동기와 마찬가지로 별도의 배터리로 구성되어 있을 것이므로 환자는 주기적으로 배터리 교체를 위한 추가적인 비용과 시술을 감당해야 할 것이다. 배터리를 주기적으로 충전해야 하는 문제를 해결하는 것이 배터리에 관한 주요 연구점일 것이다. 이 분야는 예전부터 인공 심장 박동기의 등장과 함께 연구된 분야로 현재 체내의 마찰전기나 체내의 화학 에너지를 이용하는 방법이 주로 연구되고 있다. 배터리 충전 문제를 해결한다면 횡격막에 호흡 보조기를 장기간 부착하는 부담은 줄어들 것이다.

2) 공간적 제약

기구의 삽입을 위해 흉벽을 천공하고 천공을 통하여 기구를 삽입하는 흉강경 수술이 필요하다. 이 때문에 삽입하는 기구의 부피적 제약을 고려해야 한다. 또한 횡격막은 폐와 복부의 장기의 경계로 삽입하는 기구의 크기와 모양을 고려해야 기구를 오래 유지할 수 있다.

참고 자료

기계환기로 인한 폐손상(고려대학교 안산병원 호흡기내과, 김제형, 2014)

인공호흡기 치료의 합병증(국민건강보험공단 일산병원 횽부외과, 홍기표, 2005)

근육 신호에 맞춰 전기자극 주는 보행보조시스템 개발(ETRI, 신형철, 2020)

Diaphragm pacing failure secondary to deteriorated chest wall machines: When a good diaphragm does not suffice to take good breath iin(Respiratory Medicine Case Reports, Lila Layachi, 2015)

Mechanisms of ventilator-induced lung injury(parker JC)