인공심장 Artificial Heart 개론
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Artificial Heart
In vitro evaluation and physiological control
인공심장박동기는 1950년대 말기에 처음 개발된 이래로 주로 서맥성 부정맥의 치료에 이용되고 있다. 1990년대 중반의 미국에서 인공심장박동기의 시술을 보면 53%는 동기능부전증후군에서, 31%는 방실결절질환에서 사용된다. 따라서 약 10-15%는 서맥성 부정맥과 관련이 없는 질환 (nonbradycardia-related conditions) 에서 이용되고 있다. 이러한 질환에는 심방세동의 예방(prevention of atrial fibrillation), 특발성 비후성 대동맥판하 협착증 (hypertrophic cardiomyopathy, idiopathic hypertrophic subaortic stenosis), 과민성 경동맥동 증후군(carotid sinus hypersensitivity), 미주신경 반응성 실신 (vasovagal syncope), QT연장 증후군(long QT syndrome)과 말기 심부전(advanced heart failure)의 치료에 이용된다. 이러한 치료에 대한 현재까지의 적응증은 2002년 개정된 인공심장박동기 치료에 대한 ACC/AHA guideline을 참조할 수 있다.
허혈성이나 비허혈성 확장성 심근병증 모두에서 약 50%의 환자는 급사를 하게 된다. 빈맥성 심실 부정맥 (ventricular tachyarrhythmias)이 가장 많은 원인이지만 서맥성 부정맥도 급사의 원인이 될 수 있으므로 1990년대 초반부터 확장성 심근병증 환자에 대한 인공심장박동기 치료가 시도되어 혈역학적인 호전이 보고 되기 시작하였다. 확장성 심근병증에서는 방실결절의 전도지연이나 양 심방간의 전도지연이 흔히 존재하고, 심한 1도 방실차단 (first degree AV block)이 있는 경우에는 승모판이 조기에 닫히게 되어 이완기 심실의 충만(diastolic filling of ventricle)이 짧아지게 되며, 승모판 폐쇄부전이 이완기말에 나타날 수 있어서 확장기의 심실 충만을 더욱 악화시킨다. 생리적인 인공심장박동기 (physiologic pacemakers) 를 이용하여 짧은 심방-심실 간격 (short AV delay)으로 조율하여 우심방-우심실을 적절한 시간 간격으로 탈분극하도록 유도함으로써 이러한 이상이 교정이 될 수 있다는 가정에서 DDD형이나 VDD형의 일반적인 인공심장박동기가 사용되었다. 그러나 이러한 치료는 좌심방-좌심실 전도지연을 교정하지는 못하며, 또한 말기 심부전 환자에서 흔히 보이는 심실내 전도장애의 결과로 나타나는 양심실간의 부조화 (incoordination)와 특히 더 중요한 현상인 심실중격과 좌심실 벽의 운동의 동시성이 사라지는 현상 (dyssynchrony)으로 인한 좌심실 기능의 저하에는 아무런 치료가 되지 못한다. 그럼에도 불구하고 초기의 연구에서는 DDD형의 인공심장박동기 치료를 받은 환자에서 좌심실 구혈률 (ejection fraction)의 의미 있는 증가와 증상의 개선이 보고 되었다. 그러나, 초기의 좋은 결과와는 달리 무작위, 전향 연구에서는 방실 전도지연의 해소만으로는 의미 있는 증상의 개선이나 심실 기능의 호전이 증명되지 않고 있다.
1990년대 후반에는 조율 부위를 달리하여 효과를 볼 수 있다는 보고들이 나오기 시작하였다. DDD형의 심실 전극을 우심실 유출로(right ventricular outflow tract)에 위치하여 조율하면 심첨부에서의 조율보다 우수하다는 보고나 His속 부위 혹은 심실중격 부위에서의 조율이 우심실 첨부에서의 조율보다 우수하다고 보고 되었다. 이는 이러한 부위에서의 조율이 보다 생리적인 심실 탈분극을 일으키기 때문에 좌심실과 심실중격 간의 수축의 동시성(synchrony or coordination)이 개선되는 것으로 인한 효과로 생각되었다.
비슷한 시기에 좌심실 조율(left ventricular pacing)이나 양심실 조율(biventricular pacing)에 대한 연구가 진행되었다. 좌심실 조율 전극은 최소한의 절개를 통하여 좌심실 외막 (epicardial surface)에 위치시키거나, 일반적인 심장박동기와 같이 쇄골하정맥, 상대정맥, 우심방, 관정맥동 입구를 통하여 외측 심장정맥(lateral cardiac vein)이나 후외 심장정맥 (posterolateral cardiac vein)부위의 심외막 측에 위치시킨다. 한 연구에서는 우심실과 좌심실에서 조율을 함으로써 심한 심부전이 있고 심실내 전도장애가 있는 18명의 환자에서 좌심실 구혈률이 40% 증가하였다. 다른 11명의 환자를 대상으로 시행한 연구도 좌심실 구혈율의 증가와 핵의학 검사로 확인한 심실 활성화가 훨씬 일치하는 것이 확인이 되었다. 또 다른 18명의 환자를 대상으로 VDD형의 심장박동기로 좌심실만을 조율하여도 양심실 조율보다 좌심실 수축기말 내경 (end-systolic dimension of left ventricle)의 감소가 더욱 크고, 심박출량 (stroke volume)의 증가도 더 커지는 것이 보고 되었다. 이러한 여러 가지의 연구는 말기 심부전에서 심실 수축의 동시성의 회복(cardiac resynchronization therapy)이 방실차단을 교정하는 것보다 심기능이나 증상의 개선에 중요함을 알려주었다. 이러한 연구 결과들은 전향적, 다기관, 단일 혹은 이중 맹검, 무작위 연구가 시작하도록 하였다. 또한 심장초음파의 발전은 tissue Doppler image로 좌심실의 dyssynchrony의 정도와 좌심실에서 가장 늦게 수축을 시작하는 부위를 즉각적으로 보여줄 수 있게 되었다. 한편 over-the-wire 기술을 이용하여 관정맥동을 통한 좌심실 전극을 보다 쉽게 위치시킬 수 있게 되어 많은 기관에서 양심실 조율이 보다 쉽게 이용할 수 있게 된 점도 대단위 연구가 가능하게 하였다. 대부분의 연구에서는 환자가 느끼는 증상의 개선, 삶의 질의 향상, 안정시 심박동수의 감소, 수축기 및 이완기 혈압의 상승, 흉부 방사선에서 심장/흉곽 비의 감소, 6분 걷기 검사에서 걸은 거리(6-minute walk distance)의 증가, 좌심실 수축기 및 이완기 내경의 감소, 구혈률의 증가, 승모판 폐쇄부전의 감소, 좌심실 remodeling의 역전(reversal of left ventricular remodeling), 운동부하검사에서 최대 운동량일 때의 최대 산소 섭취량의 증가, 심전도에서 QRS군의 폭 감소, 심부전으로 인한 입원의 감소, 심근의 산소 소비량을 늘이지 않으면서도 dP/dtmax로 나타나는 좌심실 수축 기능이 개선되는 것30) 등이 의미 있게 나타났다. 또한 ICD 적응증이 되지 않는 말기 심부전 환자에서의 양심실 조율은 심실조기박동을 줄여주고, 심실빈맥의 기간도 줄이는 효과가 있다고 알려졌다. ICD 적응증이 되어 양심실조율과 제세동기를 하나의 기계로 삽입한 환자의 경우에서도 Ventak-CHF study32)나 InSync-ICD study의 소그룹 분석을 보면, 심실빈맥이나 심실세동이 줄어드는 것으로 조사되었다. 양심실 조율의 치료효과는 좌심실 수축의 비동기화 (dyssynchrony)를 재동기화(resynchronization)시키는 것이 가장 큰 이유일 것으로 생각되고 있어서 이러한 치료법을 심장의 재동기화 치료(cardiac resynchronization therapy, CRT)라고 부른다. 이러한 증상의 개선에도 불구하고 확장성 심근병증의 주요 사망 원인 중 하나인 빈맥성 심실 부정맥으로 인한 급사는 감소시키지 못하여 사망률의 감소는 유의하지 않았다.
최근의 연구인 InSync-ICD study(Europe)34)나 MIRACLE-ICD study(US and Canada)35)와 같이, 양심실 조율과 함께 제세동기(implantable cardioverter-defibrillator, ICD)를 하나의 기계로 삽입하여 증상의 호전, 좌심실 기능의 개선과 함께 사망률도 감소시킬 수 있도록 하고 있다. 이는 양심실 조율이 증상을 개선시킬 수 있는 반면 사망률의 감소는 뚜렷하지 않은 점과, ICD는 급사의 일차 및 이차 예방 효과가 있지만 말기 심부전 환자에서의 삶의 질 향상 효과나 심실 기능의 개선 효과는 없는 점에 착안하여, 두 가지 치료가 동시에 이루어지면 증상의 개선과 사망률의 감소를 모두 얻을 수 있을 것으로 기대되었기 때문이며, 현재까지는 매우 좋은 결과들을 보여주고 있다. 이들 연구 뿐 아니라 2000년 이후로 시작된 BELIEVE study, PACKMAN study, VECTOR study, PAVE study, COMPANION trial, InSync III study (Europe and Canada), InSync III study (US), CARE-HF study, InSync (US) registry 등이 현재 진행 중에 있다.
현재 ACC/AHA/NASPE guideline에 따르면 확장성 심근병증의 인공심장박동기의 Class I 적응증으로는 동기능부전증후군이나 방실차단에서의 Class I 적응증만이 인정되고 있고, Class IIa 적응증으로 허혈성이건 비허혈성이건 확장성 심근병증으로, 충분한 내과적 치료에도 불구하고 NYHA class III, IV 환자로 QRS폭 ≥ 130 ms이고, 확장기말 좌심실 직경 ≥ 55 mm이면서, 좌심실 구혈률 ≤ 35%인 환자로 되어있다. 제세동기 기능이 있는 양심실조율 심장박동기는 양심실 조율의 적응증과 제세동기의 적응증이 동시에 있는 경우에 사용한다. 환자의 준비나 수술은 일반적인 심장박동기 삽입과 동일하다. 전극은 좌심실 전극을 가장 먼저 삽입하고 이후에 우심실, 우심방 전극을 삽입한다. 좌심실 전극도 쇄골하정맥으로 삽입하고, 관정맥동에 삽입을 잘 할 수 있도록 고안된 guide catheter를 관정맥동 입구에서 2-3 cm 넣고, 풍선도자로 관정맥동 입구를 막은 뒤 조영제를 투입하여 역향적으로 심장정맥 조영술을 시행하여 후외심장정맥이나 외측 심장정맥을 확인한다. Guide wire와 over-the-wire technique를 이용하여 좌심실 전극을 위치시킨
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