최근 서울대병원 연구팀이 3D 프린팅과 박동성 체외 모의 순환 기술을 활용해 경피적 폐동맥판막 삽입술의 예후를 정밀하게 예측하고, 우심실 기능 호전 여부를 분석하는 혁신적인 방법을 개발했다.

이 연구는 이건희 소아암‧희귀질환극복사업의 지원을 받아 이뤄졌으며, 기존 치료법으로는 환자 개별 특성에 맞춘 예후 예측이 어려웠던 한계를 극복했다. 서울대병원은 이를 통해 향후 심혈관 질환 치료에 중요한 변화를 가져올 것으로 기대하고 있다.

경피적 폐동맥판막 삽입술은 폐동맥판막 기능 부전이 있는 환자에게 수술적 접근이 어려운 경우, 비침습적으로 인공 판막을 폐동맥에 삽입하여 우심실 기능 개선과 혈류 회복을 목표로 시행된다.

그러나 폐동맥판막 질환은 환자마다 해부학적 차이가 크기 때문에, 맞춤형 예후 예측이 필수적이다.

서울대병원 소아청소년과 김기범·소아영상의학과 이활·소아흉부외과 임홍국 교수와 경희대 기계공학과 서종민 교수로 구성된 연구팀은 환자 맞춤형 예후 예측 모델을 개발하기 위해 3D 프린팅 기술을 활용하여 환자의 심장 CT 영상을 기반으로 정확한 해부학적 모델을 제작했다.

이어 박동성 체외 모의 순환(Pulsatile Extracorporeal Circulation)을 통해 실제와 유사한 심장 상태를 체외에서 구현하고, 혈액 흐름과 판막 기능을 재현했다. 이를 통해 우심실 기능 변화와 시술 후 예후를 정확하게 예측할 수 있었다.

또한, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 분석을 통해 혈류의 흐름, 압력 분포, 에너지 손실 등을 정밀하게 분석하고, 이를 바탕으로 시술 후 발생할 수 있는 스텐트 판막 주위누출, 역류, 협착, 폐동맥 폐색 등 합병증을 예방할 수 있는 최적의 판막 삽입 위치를 확인했다.

특히, 연구팀은 우심실 수축으로 발생한 혈류와 압력을 에너지로 변환한 '등가 압력 에너지(energy equivalent pressure, EEP)'와 우심실에서 혈액을 박출할 때 필요한 기본 에너지 외 초과된 에너지를 측정하는 '잉여 혈역학 에너지(surplus hemodynamic energy, SHE)'의 변화를 분석해 시술 후 우심실 기능 호전 여부를 객관적으로 예측할 수 있는 방법을 개발했다.

이 방법을 통해 연구팀은 우심실 부하가 줄어들어 기능이 개선될 경우 혈류 효율성이 증가하고 에너지 손실이 줄어들어, SHE와 EEP의 변화가 긍정적인 방향으로 나타난다는 점을 확인했다. 이를 바탕으로 시술 전 최적의 판막 위치와 치료 방법을 미리 검토하고, 환자 맞춤형 치료를 보다 정확하게 계획할 수 있었다.

시술을 받은 31세 여성 환자 A씨는 활로사징 수술 후 우심실 확장과 기능 저하를 동반한 폐동맥 판막 역류 증상을 겪고 있었으며, 기존의 치료 방법으로는 개별적인 해부학적 특성과 기능 상태에 맞춘 예후 예측이 어려운 상황이었다.

그러나 연구팀은 A씨의 심장 CT 영상을 기반으로 3D 프린팅을 통해 정확한 해부학적 모델을 제작하고, 박동성 체외 모의 순환 기술을 통해 실제 심장 상태를 재현함으로써 예후를 정확히 예측할 수 있었다.

이 맞춤형 접근법을 통해 A씨는 발생할 수 있는 합병증을 시술 전부터 미리 예측하고 대응할 수 있었으며, 경피적 폐동맥판막 삽입술을 통해 우심실 기능이 개선됐다.

시술 후 혈류 효율성의 개선과 에너지 손실 감소가 확인되어 우심실 기능 호전이 객관적으로 입증됐으며, A씨는 합병증 없이 건강한 상태로 퇴원했다.

이번 연구는 향후 심혈관 질환 치료에서 맞춤형 접근법의 중요성을 강조하며, 경피적 폐동맥판막 삽입술 후 발생할 수 있는 합병증을 미리 예측하고 최적의 치료 방법을 제시하여 치료 성공률을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

김기범 교수(소아청소년과)는 "이번 연구를 통해 개발한 환자 맞춤형 치료 모델은 경피적 폐동맥판막 삽입술 후 발생할 수 있는 다양한 합병증을 사전에 예측해 발생을 예방하고, 우심실 기능 호전을 보다 정확하게 예측할 수 있게 해줬다"고 전했다.

그는 이어 "우심실 유출로 질환과 같이 복잡하고 다양한 모양을 가진 질환에서도 효과적인 예후 예측과 실제 치료가 가능하다는 점에서 큰 의의가 있다"고 말했다.