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혈관계 질환과 스텐트 시술이 혈관 및 혈류에 미치는 영향 분석

서가영(Suh GY)(Department of Surgery, Stanford School of Medicine) / gysuh at stanford.edu 2019-04-05

1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

저는 2005년 스탠포드 기계과에서 석사 과정을 시작할 때부터, 2011년 박사 과정을 마칠 때까지 하복부 대동맥 내의 혈류 유동 (Hemodynamics) 을 연구하였고, 스탠포드 병원 외과에서 포닥과 선임연구원 과정을 거친 후, 2016년 겸임교수로 임명된 후 지금까지 대동맥과 주요 동맥 중 질환이 잘 생기는 부위의 형상 및 움직임 (Vascular morphology) 연구를 진행하고 있습니다.

기계과에서 했던 Hemodynamics 연구부터 보려면, 우선 하복부 대동맥류라는 질환에 대해설명 드려야 하는데요. 이 질환은 유전적/ 환경적 원인으로 인해 혈관 내벽에 영구적이고 국소적인 손상이 생겨, 손상된 혈관 부위가 혈압을 버티지 못하고 서서히 팽창하다가 어느 임계를 넘기면 터지고 마는 병입니다. 미국 내에서는 13번째 사망 원인으로 꼽히며, 혈관 내벽이 언제 터질지 예상이 쉽지 않기에 지속적인 이미지 촬영과 모니터링이 필요합니다. 약해지고 팽창한 혈관 부위에 대동맥 사이즈의 인공혈관 (endograft)을 국소 부위 절개 후 Catheter를 이용하여 삽입하는 시술을 EndoVascular Aortic Repair (EVAR)라고 부릅니다.

EVAR 시술 시점은 보통 대동맥류 크기를 기준으로 결정되는데, 크기가 기준 미달일 경우, 정기적인 모니터링과 크기 측정을 하게 되며, 초음파나 MRI를 많이 찍습니다. 초음파는 실시간 혈류 속도 측정이 용이하나 혈관 형상을 측정하는 데에 있어서는 한계가 있고, MRI는 우수한 spatial / temporal resolution 덕분에 혈관의 형상을 자세히 촬영할 수 있지만, 촬영 시간이 길고, 조영제를 혈관 내에 주사해야 합니다. 본 연구는 하복부 대동맥 내의 혈류를 이해하고, 얼마나 유속이 증가했을 때 정체 혈류가 없어지는지 파악하기 위해 시작되었습니다 (Figure 1).

우선 팔로알토 퇴역군인 병원에서 대동맥류 진단을 정기적으로 받는 환자들을 대상으로 혈관 조영 MRI를 찍고, 특수 제작한 나무자전거로 실시간 운동을 시킨 후 다시 MRI로 혈류 속도를 측정하는 실험을 했습니다. 그리고 측정한 영상 데이터를 기반으로 하여, 하복부 대동맥 표면을 입체 모델링하고 (동영상1), 전반의 혈류를 CFD로 시뮬레이션 하였습니다. 결과값으로 산출된 유속을 베이스로 대동맥류 내의 유체 입자의 clearance time을 계산하여 정체 혈류가 어느 부위에서 시작되는지 형상화 하였습니다.

[동영상1] 하복부 대동맥과 복부 혈관 모델링 (software: SimVascular)

시뮬레이션 결과 다양한 형태의 실제 환자 대동맥류 내에서 정체 혈류 부위가 예측되었습니다. 또한, 일부 환자의 경우, 1년 혹은 그 후에 촬영한 MRI 데이터와 비교했을 때, 정체 혈류 부위의 thrombus가 증가한 것이 확인되었습니다 (Figure 2).
한 걸음 더 나아가, 자전거 타는 강도를 두 단계로 점차 높이면서, 측정한 유속을 바탕으로 시뮬레이션 한 결과, 낮은 강도로 운동하는 단계부터 이미 정체의 개선이 일어난다는 점을 발견하였습니다 (Figure 3).
이 단계는 맥박이 30프로 증가하는 정도이며 (ex: 평소 맥박이 60인 사람의 경우, 78-80 정도까지 올라는 강도의 운동. 서둘러 걷는 정도), 혈류 개선이 비지속적으로, 그러나 일정 주기 이상으로 발생할 경우, 대동맥류의 심화를 늦출 수 있다는 이전 연구자료의 뒷받침 하에, EVAR 기준에 못미치는 크기의 대동맥류 환자에게 가벼운 강도의 운동을 권유하는 것이 단순한 의사의 권유가 아닌, 예방치료의 방법으로도 활용될 수 있음을 제안하였습니다.

위에서 요약한 Hemodynamics 연구를 진행하면서, 환자를 모으고 데이터를 수집하는 과정에서 어려움이 많았는데요. 이 과정에서 스탠포드 혈관외과 팀과 협업을 하였으며, 박사 졸업 후에는 좀더 심각한 상황의 질환을 연구하고 싶어서, 혈관 외과에 소속되어 Vascular morphology 연구를 진행하게 되었습니다. 개복 혹은 개흉수술과는 다르게, 스텐트를 삽입하는 시술은 외과의가 실제 혈관을 보거나 느낄 수 없으며, 실시간 C-arm 촬영을 통해, 간접적으로 스텐트가 어디쯤 위치하는지 파악하면서 목적한 부위에 스텐트를 안착 시켜야 합니다. 그렇기 때문에 주요 혈관의 형상과 평소 어느 정도 움직이는지에 대해 파악하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 평소에 큰 폭으로 접히고 늘어나는 혈관에 스텐트를 설치해야 하는 상황이라면, 어느 정도로 유연한 스텐트를 선택하는 것이 수술 후 부작용을 줄일 수 있을지,적절한 프로토콜이 확립되지 않은 상태입니다. 혈관의 형상과 움직임 파악은 수술 뿐만 아니라 차기 스텐트 개발에 있어서도 반드시 고려되어야 하는 부분이기에, 본 연구를 진행하면서 큰 규모의 의료기기 회사들의 관심을 많이 받았습니다.
본 연구는 흉부과 하복부 전체를 포괄하였으며, 소형 대동맥류, 응급수술이 필요한 크기의 대동맥류, 그리고 대동맥 박리 환자를 대상으로 들숨/날숨 상태에서 CT를 촬영하고, 흉부의 경우, 추가적으로 심장 맥동 프레임 영상도 촬영하였습니다. CT 영상을 토대로 들숨 (inspiration)과 날숨 (expiration), 심장 확장 (diastole)과 심장 수축 (systole)을 분리하여 혈관 표면을 입체 모델링하고, 형상과 움직임을 특정화하기 위한 파라미터 (length, branching angle, curvature, diameter)를 측정하였습니다. 또한, EVAR 혹은 TEVAR (흉부 EVAR)로 인해 형상과 움직임이 어떻게 바뀌는지 비교하였습니다 (Figure 4).

주요 결과만 요약하면, 대동맥과 주변 혈관은 심장 맥동과 호흡으로 인해, 길이 방향과 곡률 방향, 그리고 branching angle에서도 변화가 있었습니다. 흉부 대동맥의 경우, TEVAR 전과 비교할 때, TEVAR 후에 시술된 부위의 움직임은 감퇴하였으나, 시술과 상관없는 부위의 움직임이 유의미하게 증가하였습니다 (Figure 5). 하복부의 경우, 대동맥에서 나온 복강 동맥 (celiac artery), 상장 간동맥 (superior mesenteric artery), 좌/우 신장 동맥 (renal artery)의 움직임에 초점을 두었는데, 네 동맥 특유의 움직임이 관찰되었으며, 들숨에서 날숨으로 바뀔 때, 하복부 기관의 상향 이동을 따라 네 동맥 모두 곡률의 증가, 즉 bending을 일으켰습니다 (Figure 5, 6).

특히 Renal arterial bending은 EVAR 시술 후, 스텐트와 혈관 경계에 집중되어, 그 강도가 증가하였으며, 두 가지 다른 EVAR 시술 (snorkel EVAR vs. fenestrated EVAR)을 비교하였을 때 snorkel EVAR 의 경우, bending의 정도가 더 심했습니다 (동영상2).

[동영상2] 들숨 날숨 상태일 때 Snorkel EVAR 스텐트 (적색) 삽입된 신장혈관의 움직임

본 연구는 EVAR 시술 후 환자의 연 단위 모니터링 데이터를 수집하여 움직임 측정 결과와 연결점을 찾기 위해 아직 진행 중입니다. 이 연결 고리는 혈관 형상 파악에서 어떤 파라미터를 필수적으로 간주해야 하는지, 특정한 형상의 혈관에는 어떤 종류의 EVAR가 적합한지, 시술 후 추가된 움직임이 부작용으로 이어지는 것이 입증될 경우, 움직임 증폭을 최소화 하기 위해 어떤 모델과 사이즈의 스텐트를 선택해야 하는지에 대한 질문에 해답을 제공할 것입니다.

2. 본인의 대표 논문을 소개해 주세요.( 5개 이내)

1. Suh GY (co-1st), Ullery BW, Hirotsu K, Zhu YD, Lee JT, Dake MD, Fleischmann D, Cheng CP. Geometric Deformations of the Thoracic Aorta and Supra-aortic Arch Branch Vessels Following Thoracic Endovascular Aortic Repair. Vasc Endovasc Surg. 2018;52:173-180.

2. Suh GY, Choi G, Herfkens RJ, Dalman RL, Cheng CP. Three-Dimensional Modeling Analysis of Visceral Arteries and Kidneys during Respiration. Annals Vasc Surg. 2016;34:250-260.

3. Suh GY (co-1st), Ullery BW, Lee JT, Liu B, Stineman R, Dalman RL, Cheng CP. Comparative Geometric Analysis of Renal Artery Anatomy Before and After Fenestrated or Snorkel EVAR. J Vasc Surg. 2015;63:922-929.

4. Suh GY, Beygui R, Marangi R, Fleischmann D, Cheng CP. Aortic Arch Vessel Geometries and Deformations in Patients with Thoracic Aortic Aneurysms and Dissections. J Vasc Interv Radiol. 2014;25:1903-1911.

5. Suh GY, Les AS, Tenforde AS, Shadden SC, Spilker RL, Yeung JJ, Cheng CP, et al. Hemodynamic Changes Quantified in Abdominal Aortic Aneurysm with Increasing Exercise Intensity Using MR Exercise Imaging and Computational Fluid Dynamics. Annals Biomed Eng. 2011;39:2186-2202.

3. 본인의 현재 연구에서 극복해야할 할 가장 큰 문제나 어려움이 있다면?

- 현재 소속이 병원이기에, 기계과에 있을 때 힘들었던 환자 데이터 수집은 힘들지 않게 되었습니다. 그러나, 무수히 많은 환자 데이터를 해석하기 위해 디테일한 입체 모델링을 하는 과정이 많은 시간과 인력을 필요로 합니다. 자동으로 간단한 혈관 모델링을 하는 소프트웨어는 존재하지만, 자동과 수동을 동반하는 SimVascular를 사용하는 이유는 불규칙한 질환 혈관의 형상을 디테일하게 모델링하기 위해서입니다. SimVascular는 open source software이며 (simvascular.org), 스탠포드 기계과의 Alison Marsden 교수가 개발을 지속하고 있습니다. 모델링 과정의 한계를 극복하기 위해, SimVascular에 필요한 피드백을 제공하고 있지만, 더 나은 모델링 소프트웨어가 있으면 사용하기 위해 계속 서치 중입니다.

4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

- 앞으로 계속해서 더욱 의료진과 환자에게 도움이 되는 쪽으로 연구 방향을 잡고 싶습니다. 현 의료계에서 의료 데이터 관리나 진단 / 해석하는 방식은 아직 한계가 많습니다. 또한 다양한 제품군 내에서 특정 의료기기 선택은 온전히 집도의의 판단과 의료수가, 재고 사정을 기반으로 이루어집니다. 환자의 특징에 맞추어 적합한 의료기기를 선택하는 매뉴얼을 수치적 증거에 근간하여 제안할 수 있다면, 부적합한 의료기기 사용으로 인한 부작용과 재수술 빈도를 줄일 수 있을 것입니다.

5. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대해 소개 부탁 드립니다.

- 2005년부터 2011년까지의 석박사 과정은 Charles A. Taylor 전 스탠포드 기계과 교수의 연구실에서 진행하였습니다.

- 2011년 박사 졸업 후에는 혈관외과에서 겸임교수로 재직하며, 의료기기 업체 컨설팅을 동시에 하던 Christopher P. Cheng의 제안으로 두 사람이 현재 우리 연구실을 시작하였습니다. 혈관외과 치프인 Dr. Ronald Dalman의 지지와 Medtronic, Gore, Endologix 등의 회사의 지원으로 지금까지 활발하게 연구를 하고 있습니다.

6. 기계공학분야에서 학, 석, 박사를 졸업하고 현재 Medical School에 계신데. 연구 분위기나 협업 등의 여러 부분에서 차이가 있을 거 같습니다. 분위기 어떤지 알려주세요.

- 지금은 혈관 외과가 더 편안한 집처럼 느껴집니다만, 초반에는 의료 용어의 한계로 어려움을 많이 겪었습니다. 또한, 한 가지 일을 수행하기 위해 다양한 레벨의 인력이 동원되기 때문에, 의사 뿐만 아니라, 간호사, 영상 스태프, 환자 코디네이터, 의사의 스케쥴을 파악하는 비서와 두루 좋은 관계를 섭렵하는 것이 차후 연구를 용이하게 하는데 도움을 주었습니다. 대학병원인데다가, 전반적 연구활동이 활발한 분위기이고, PhD가 아주 드물긴 하지만, 없지는 않았기 때문에 MD 사이에서 차별을 느낀 적은 없었습니다.

7. 의공학 분야로 진학하려는 후배나 학생에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

- Multi-displinary research가 더이상 생소하지 않은 시대입니다. 의공학 분야는 공학자가 본인이 그간 연마한 관점, 사고, 문제해결 방식을 현존하는 의학계의 문제를 푸는 데에 활용할 수 있는 기회입니다. 또한 본인이 기여한 부분이 직접적으로 치료 효율 향상과 환자의 삶의 개선과 연관된다는 점에서 큰 보람을 느낄 수 있습니다. 10년 전과는 달리, 지금은 의공학 분야에서 한국의 대학이 논문도 많이 내고 있고, 학회에서 활동도 활발한 것으로 알고 있습니다. 다만, 의공학 분야로 학위를 수료하고 난 후 취업할 수 있는 선택지가 아직은 다양하지 않습니다. 얼마 전에 Gore Vascular가 한국에서 철수함으로 인해서 소아 심장질환 환자들이 Fontan 시술을 받을 스텐트가 없어 어려움을 겪는다는 뉴스를 본 적이 있습니다.
(관련 기사 1: http://www.medicaltimes.com/Users/News/NewsView.html?mode=view&ID=1125112&REFERER=NP,
관련 기사 2: https://www.mk.co.kr/news/it/view/2019/03/151857/).

국내 스텐트 시장이 작다는 이유로 아무도 개발에 뛰어들지 않게 된다면, 많은 환자들은 앞으로도 수입 스텐트에 의존하게 될 것이고, 의사들의 선택지도 제한될 것입니다. 국내 수요와 중국, 인도, 중남미 등 떠오르는 세계 수요에 응답하는 스텐트와 의료기기가 한국에서 개발되려면, 의공학 분야를 수료한 인력이 꼭 필요합니다. 20-30년 후의 비전을 가지고, 의공학 분야에 더 많은 분들이 뛰어드시게 되길 희망합니다.

8. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 지금 공부하고 계시는 많은 분들에게 하고 싶은 이야기인데요. 초중고, 학부, 대학원에다가 포닥 과정까지 거칠 수도 있는 여정은 정말 길고 힘들고 지루할 수 있습니다. 미래가 확실하지 않은데다가 주어진 일과 주변의 기대는 커지기만 하니 스트레스도 많이 받고요. 이 스트레스를 관리하는 방법은 사람마다 다 다를 텐데, 본인만의 스트레스 해소 방법을 찾는 것은 정말로 중요합니다. 제 경우는 운동을 하고 땀을 흘리고 나면, 오히려 새로운 에너지가 샘솟는 것 같았어요. 그래서 힘들 때에도 그 덕을 톡톡히 보았습니다. 요즘은 출산 후 1년이 넘도록 빠지지 않는 체중 때문에 고민하다가 복싱 체육관을 다니기 시작했고, 육아하면서 일하면서 받는 스트레스를 호쾌하게 풀고 있습니다.

스트레스 관리 방법에 대해 전 문단에서 말씀드렸는데, 같지만 다른 의미로 공부 외의 재능을 틈틈히 연마하는 것도 추천드립니다. 시간도 에너지도 본업이 아닌 다른 쪽으로 내기가 쉽지 않겠지만, 이 또한 나중에 자신을 돌아보았을 때, 삶의 충만함을 느끼게 해주는 요소라고 생각합니다. 그림이나 공예, 악기 연주나 감상, 여행, 글쓰기나 독서, 요리, 무엇이든 우리가 흔히 ‘취미활동’이라고 우선순위 낮게 잡았던 것들이 꾸준히 혹은 다양하게 하게 될 때 놀랍도록 다채로운 경험을 선사하기 때문입니다. 또한, 공부나 연구가 잘 되지 않아 좌절을 겪게 되는 상황이 왔을 때 머리를 비우고 재부팅을 할 수 있도록 도와줍니다.

두 가지 팁 다 부모님이나 선배들로부터 늘 듣는 뻔한 조언이지만, 저 개인을 지탱해주는 중요한 부분이기도 하고, 또 믿거나 말거나 하는 마음에 더 많은 분들이 지금이라도 시작해 보시길 바라는 마음에 말씀드려 보았습니다. 이 인터뷰를 보시는 많은 분들께서, 하고 싶으신 연구를 즐기면서 하실 수 있기를 기원합니다.