생체의공학과 박기주 교수 연구팀이 초음파 기반의 ‘음향 그물’ 기술로 혈관 속 혈전과 색전을 잡아둔 후, 집속초음파로 정밀 파쇄하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 사진은 연구 개념도

생체의공학과 박기주 교수 연구 성과 발표
초음파 기반 기술로 혈관 내 원하는 곳에 활용할 수 있는 기술 개발

박기주 교수

생체의공학과 박기주 교수 연구팀이 초음파를 기반으로 한 ‘음향 그물(Acoustic net)’을 혈관 내 원하는 곳에 비침습적으로 생성해 혈관에 존재하는 혈전과 색전을 잡아둔 후, 집속초음파로 혈관 내벽 손상 없이 정밀 파쇄할 수 있는 초음파 기술을 세계 최초로 개발했다. 이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원으로 수행됐고, 연구 결과는 음향공학 분야(Acoustics)의 JCR 랭킹 1위 저널인 《Ultrasonics Sonochemistry》(IF=9.336)의 6월 호에 게재됐다.

장기간 복용 시 부작용 있는 항응고제, 새로운 치료법 개발 필요성 증가
혈전은 혈관 속에서 피가 굳어진 덩어리를 의미한다. 이 덩어리에 혈관이 막히면 혈전증이 생긴다. 혈전이 떨어져 혈류에 의해 혈관을 타고 흐르는 것이 색전인데, 체내의 다른 혈관을 막아 색전증을 유발하기도 한다. 혈전과 색전에 의해 생기는 대표적 질병은 뇌경색, 심근경색, 동맥혈전, 정맥혈전, 폐색전증, 폐경색, 심부정맥혈전증 등이다. 치료 방법은 현재 항응고제 복용, 혈전용해 요법, 혈전 치료술 등이 있다.

항응고제 복용은 보편적 치료 방법이다. 하지만 수개월 동안 복용해야 하고, 장기간 복용 시에는 합병증으로 인한 과다 출혈의 위험이 있다. ‘혈전용해 요법’은 정맥이나 동맥에 카테터(catheter)를 삽입해 약물을 투여하는 방식이다. 혈전용해는 빠르지만, 출혈의 위험성이 있다. ‘혈전 치료술’은 혈관 내에 카테터를 삽입해 혈전을 직접 제거하는 방식이다. 치료 효과가 빠르지만 침습적 혈전 분해 기술이라 혈관 파열의 위험이 존재한다. 이런 단점 때문에 출혈 위험성이 적고, 약물 사용 없이 비침습적 방법으로 혈전과 색전의 치료가 가능한 새로운 방법의 개발이 필요해졌다.

혈전은 혈관 속에서 피가 굳어진 덩어리로 혈전증과 색전증을 유발한다. 영상은 박기주 교수 연구팀이 개발한 ‘음향 그물’을 통해 혈관팬텀 실험환경에서 색전모형을 잡아두는 장면.

‘음향 그물’, 혈전 및 색전 제거 의한 비침습적 정밀 집속초음파 의료기기로 개발 가능
박기주 교수 연구팀은 이번 연구에서 서로 직각으로 마주 보는 초음파 트랜스듀서(transducers)에 의해 생성되는 배(antinode)-마디(node)로 이뤄진 정상파(standing wave)에서 배에 의해 발생하는 음향 방사력(acoustic radiation force)을 활용해 색전을 포획했다. 이는 혈관 속에서 혈류의 반대 방향으로 작용하는 음향 방사력의 세기가 혈류에 의한 색전의 항력(drag force)의 세기보다 크다는 점을 활용한 발견이었다. 또한 초음파 음향 그물의 압력 세기 및 주파수를 높이면 더 빠른 유속에서 작은 크기의 색전을 잡을 수 있다.

연구팀은 이 기술을 ‘음향 그물’로 이름 짓고, 직경 6㎜의 혈관 팬텀 실험환경에서 기술의 효과를 확인했다. 연구팀은 최대 혈류 속도 6.2㎝/s에서 1~5㎜ 크기의 색전을 초음파 음향 그물을 이용해 성공적으로 포획했다. 이후 집속초음파를 이용해 포획된 색전을 수초 내에 수-수십 마이크론 크기(㎜의 1/1000) 이하로 파쇄했다. 집속초음파를 이용한 색전의 분해는 초음파의 초점에서 발생하는 강력한 캐비테이션(cavitation, 공동현상)을 활용했다. 초음파 음향 그물에서 발생하는 음향 신호를 분석하면, 색전이 음향 그물에 포획됐는지 확인할 수 있다.

연구팀이 개발한 음향 그물 기술은 혈전과 색전 제거 시술을 위한 비침습적 정밀 집속초음파 의료기기로 개발할 수 있다. 혈관 벽에 고착돼 있거나, 혈류를 따라 이동하는 혈전의 움직임을 제어하고 혈관의 출혈 없이 파쇄할 수 있는 점이 장점이다. 박기주 교수는 “연구팀이 개발한 초음파 기반 음향 그물 기술을 이용해 기존의 혈전 제거술을 보조하는 의료기기나 색전을 조기에 진단하고 색전증을 예방하는 의료기기로 활용할 수도 있다. 기술을 확대하면 유체 내 불순물 제거 분야에 적용도 가능하다. 관련 핵심 초음파 기술은 국내 특허 출원을 완료했으며, 상용화를 목표로 동물 실험 단계에서 후속 연구를 계획 중이다”라고 밝혔다.

박기주 교수 연구팀이 개발한 음향 그물 기술은 혈전과 색전 제거 수술을 위한 비침습적 정밀 집속초음파 의료기기로 개발할 수 있다. 영상은 포획한 색전을 파쇄하는 모습

글 정민재 ddubi17@khu.ac.kr
사진·영상 생체의공학과 박기주 교수 제공

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