3D 프린팅 이용한 환자 맞춤형 모델과 체외 모의 순환 장치로 최적화 치료 성공
체외 모의 순환 장치(in vitro mock circulation). 서울대병원 제공
심장은 2개 심방과 2개 심실로 구성돼 있고, 이들 사이에 있는 대동맥 판막·폐동맥 판막·삼첨판(三尖瓣) 판막·승모판(僧帽瓣) 판막 등 4개 판막이 혈액 역류를 막는다.
이 중 우심실과 폐동맥 사이에 있는 폐동맥 판막은 우심실이 폐로 혈액을 뿜어낸 뒤 그 혈액이 우심실로 돌아오는 것을 막는 역할을 한다. 이 판막이 열리고 닫히는데 이상이 발생한 것이 ‘폐동맥 판막 질환’이다.
서울대어린이병원 소아심장센터팀 김기범(소아청소년과)·이활(소아영상의학과)·임홍국(소아흉부외과) 교수팀은 최근 팔로사징증 환자(24)에게 3D 프린팅을 이용한 환자 맞춤형 모델과 ‘체외 모의 순환 장치’를 이용해 ‘경피적 폐동맥 판막 삽입술’을 최적화하는데 성공했다.
‘경피적 폐동맥 판막 삽입술(PPVIㆍPercutaneous Pulmonary Valve Implantation)’은 가슴을 절개하지 않고 대퇴 정맥을 통해 인공 폐동맥 판막을 넣어 폐동맥 협착이나 역류를 개선하는 최소 침습 치료법이다.
서울대병원이 이번에 새로 시행한 치료법은 다양한 크기·형태의 우심실 유출로(우심실에서 폐로 가는 혈관인 폐동맥 입구)에서 최적의 경피적 폐동맥 스텐트 판막 크기 및 삽입 위치를 정할 수 있게 도와줘 경피적 폐동맥 판막 삽입술 성공률을 높이고 부작용을 최소화할 수 있을 것으로 기대된다.
‘팔로사징증(팔로四徵症·Tetralogy of Fallot)’은 선천적으로 우심실 유출로 협착, 심실 중격(中膈) 결손, 대동맥 기승(大動脈騎乘·aortic overriding·대동맥 우위), 우심실 비대 등 4가지 해부학적 문제가 있는 심장 질환을 말한다.
팔로사징증 같이 선천적 우심실 유출로 기형이 발생해 폐동맥 판막 성형 수술을 받은 환자는 나이 들수록 판막 기능이 떨어져 역류가 발생해 우심실이 늘어나거나 판막이 좁아져(협착) 심부전(心不全)으로 악화하면 목숨을 위협할 수 있다.
이를 예방하기 위해 그동은 가슴을 열고 심장을 세운 뒤 폐동맥 판막을 교체하는 개흉·개심 수술을 해왔다.
하지만 재수술을 하면 통증 및 후유증이 큰 데다 재수술 횟수가 많아질수록 합병증 위험이 커져 수술을 대체할 치료법 개발이 절실히 필요한 상황이었다.
이에 서울대병원은 폐동맥 역류가 있는 환자에게 ‘경피적 폐동맥 판막 삽입술’을 시행하기 시작했다. 이 치료법은 수술하지 않고 경피적(經皮的·피부를 경유하는)으로 인공 판막을 넣어 좁아진 판막을 확장함으로써 폐동맥 협착이나 역류를 개선하는 시술이다.
경피적 폐동맥 판막 삽입술을 성공하려면 각 환자에 따라 다양한 크기·형태를 나타내는 우심실 유출로 질환에서 최적의 경피적 폐동맥 스텐트 판막 크기와 삽입 위치를 결정하는 것이 중요하다.
폐동맥 판막 질환의 다양한 우심실 유출로 모양(출처: Circ Cardiovasc Imaging. 2014;7:182-189)
우심실 유출로 모양은 △Type 1 Pyramidal △Type 2 Straight △Type 3 Reverse pyramidal △Type 4 Convex △Type 5 Concave로 구분된다.
폐동맥 스텐트 판막은 다양한 우심실 유출로 모양에 적응하는 특징이 있어 경피적 폐동맥 판막 삽입술을 시행할 때 각각 환자의 우심실 유출로의 다양한 크기·모양에 따라 폐동맥 스텐트 판막 크기와 삽입 위치를 다르게 해야 시술 성공률을 향상시킬 수 있다.
또한 복잡 심장 기형 환자들에 대한 컴퓨터단층촬영(CT)이나 자기공명영상(MRI) 영상을 기반으로 심장·혈관 세분화를 시행한 후 STL(stereolithography) 파일을 제작·3D 프린팅을 시행해 복잡한 해부학적 구조를 정확히 모델링하고 ‘체외 모의 순환 장치(in vitro mock circulation)’를 이용해 환자 맞춤형 치료를 하는 게 중요하다.
이번에 치료받은 팔로사징 환자(24)로 완전 교정술을 시행 받은 후 우심실 확장 및 기능 저하를 동반한 폐동맥 판막 역류가 있는 상태였다.
서울대병원 교수팀은 심장 CT 영상으로 3D 프린팅을 이용해 이 환자의 맞춤형 우심실 유출로를 실제 조직과 비슷하게 제작해 체외 모의 순환 장치에 연결했다.
이후 다양한 크기의 경피적 폐동맥 스텐트 판막을 환자 맞춤형 우심실 유출로의 다양한 위치에 삽입해 체외 모의 순환을 시행했다. 이어 연구팀은 장착된 내시경 카메라로 삽입된 스텐트 판막 상태를 확인하며 환자에게 최적화된 시술법을 찾기 위해 노력했다.
이를 통해 최적의 경피적 폐동맥 스텐트 판막 크기와 삽입 위치를 결정해 지난 2일 22㎜경피적 폐동맥 판막 삽입술을 시행한 결과, 시술에 성공해 지난 6일에 건강하게 퇴원해 환자는 현재 특별한 부작용 없이 건강한 상태다.
김기범 교수는 “이 치료법을 통해 다양한 크기와 형태의 우심실 유출로에서 최적의 경피적 폐동맥 스텐트 판막 크기와 삽입 위치를 결정한다면 경피적 폐동맥 판막 삽입술의 성공률을 높이고 부작용을 최소화할 수 있을 것”이라고 했다.
이번 연구는 이건희 소아암·희귀질환극복사업 재원으로 수행됐다.
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