인공심장 고찰

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2015.03.29 / 2015.03.29
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본문내용: 인공심장
이번에 다룬 세미나 주제는 인공심장에 대한 것이었다. 인공심장은 현재 인공장기 중에 가장 안정성을 널리 인정받은 것으로 널리 사용되고 있다.
인간의 심혈관 순환계는 5~15L의 혈액이 필요하며, 이는 상태에 따라 변화한다. 이때 심장은 혈액을 순환하게 하는 펌프역할을 하며 혈관은 수축/팽창을 통해서 순환되는 혈액량을 조절한다. 이때 순환계의 좌심실과 우심실의 압력차이는 전압으로, 혈관의 수축/팽창은 가변저항, 판막은 다이오드로 가정하면 등가회로로 모델링 할 수 있으며, 시뮬레이션과 실제 혈류량은 일치한다.
심장은 크게 좌심실과 우심실로 나뉘는데 혈액이 순환하는 원리는 다음과 같다. 몸을 순환한 혈액은 우심실로 들어온 후에 이 혈액은 다시 폐로 보내져 산소교환을 하게 된다. 그 후 좌심실로 들어온 후에 마지막으로 다시 몸속으로 뿜어져 나가게 된다. 심장의 메카니즘을 이해하는데 가장 큰 법칙이 있는데 이는 Frank Starling`s law로 이는 심장으로 들어온 혈액과 심장에서 나가는 혈액의 양이 같다는 것을 말한다. 만약에 나가는 혈액양이 적게 되면 혈액이 심장내에 고이게 되어 심장병의 주 발병요인이 되며, 나가는 혈액양이 많아지게 되면 심장이 쪼그라지게 되어 심근괴사가 발생하게 된다.
인공심장은 크게 두 가지 타입이 존재하는데 전인공심장과 좌심실 보조장치이다. 전인공심장의 경우에는 심장 전체를 바꾸는 것이며, 좌심실 보조장치는 약해진 좌심실을 도와주는 것으로 이를 사용할 경우 큰 장점은 약해진 심장이 충분한 휴식을 취할 수 있게 하여 심장이 정상적으로 회복이 가능하도록 하는 것이다.
좌심실 보조장치에도 여러 방법으로 구현이 되는데 최초로 적용된 것은 공압식으로 심장과 같은 모양으로 만든 후에 외부장치의 공압을 이용하여 부피변화를 통해 혈액을 공급하는 방법이다. 하지만 이방법의 경우에는 뿜어내는 혈액양에 따라 크기가 결정되게 되어 인공심장의 크기가 커질 수밖에 없기 때문에 문제가 된다. 이에 따라 나온 방식은 turbo-dynamic rotary pump를 이용한 것으로 강제적으로 좌심실에서 혈액을 뽑아내는 방식이다. 이 방식의 경우에는 베어링 등에서 세어나오는 오일 등이 혈액을 오염시킬 수도 있는 문제점은 존재하지만 공압식 방법에 비해서 공간을 매우 적게 차지하고도 뿜어내는 혈류량을 자유롭게 조절 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 이경우에도 Frank Starling`s law를 만족하기 위한 adaptive한 제어기 설계가 필요하다.
현재 인공심장의 연구 추세로는 먼저 인공심장의 재료를 찾는 것으로 생체에 적합한 재료를 개발하는 것과, rotary pump에 의해서 파괴되는 혈구를 줄이기 위한 임펠러 형상을 개발하는 것, 베어링 오닐 누수 방지를 위한 방법, 압력과 유량을 측정하는 센서로 오랜 시간 사용가능하며 신뢰도가 높은 센서를 개발하는 것 마지막으로 adaptive controller를 설계하는 것이다.
인공 장기의 개발은 개발, in-vitro test(생체외 실험), 동물실험, 임상실험, commercialize 의 단계를 거치게 되는데 실험비용에 막대한 비용이 들기 때문에 Mock Circulatory System (모의 심혈관 순환계)가 이용되고 있다. 이는 전기회로 등가모델을 다시 유체역학적으로 구현한 것으로, 여러 파이프와 밸브, 펌프 등으로 이루어져있다. 이는 기존 시스템의 특성 parameter 변화에 대한 유연성이 결여되어 있고, 비효율적 교정과정을 거쳐야 하며, 수동교정으로 정확성 및 재현성이 부족하고, 복잡한 구성과 심실의 비선형성을 구현하지 못하는 문제점 등을 보완한 것이다.

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