| 게재 일자 : | 2019-07-11 |
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| 키워드 : | 3D, 장기, 인공장기, 3D 프린팅, 유사장기, 장기이식 |
기술이 발전하면서 수술을 시행하는 의사들을 도울 수 있는 실제와 유사한 장기 모델이 점점 가능해지고 있음.
위에서 보이는 이미지는 간엽 이미지임. 우측은 장기 기증자로부터 적출된 살과 혈액의 장기이고 좌측은 3D 프린터를 통해 플라스틱으로 층층히 만든 간엽으로 담관과 동맥, 정맥이 나타나 있음. 기술의 목표: 외과의가 복잡한 시술을 계획하고 시행하는 것을 돕고 환자들이 반응하듯 반응하는 시뮬레이터를 이용하여 새로운 외과의들을 훈련시키는 것
외과의들은 복잡한 해부학적 구조를 탐색하여 메스와 봉합사를 이용하여 정확하고 빠르게 자르고 꿰맴. 인체 구조는 표준적인 형태가 아닌 경우가 많아 이들의 일을 어렵게 함. 적절하게 준비하기 위해서 외과의들은 CT와 MRI 이미지를 통상 사용함.
그러나 점점 개별 환자를 위한 현실적인 3D 모델로 눈을 돌리고 있음.
이들 모델들은 이미 환자를 교육하거나 일반 수련을 하거나 복잡한 시술을 계획하고 실행하는 데에 사용되고 있음. 그러나 미래에 3D 모델은 실제로든 가상이든 외과의를 수련하거나 시술을 설계함에 있어 일상적인 도구가 될 것임.
2-D에서 3-D로
3D 프린트를 위해 연구자들은 CT나 MRI 스캔으로부터 연속적인 디지털 2D 슬라이스들을 먼저 결합하여 지형학적 지도를 만듦. 지도는 장기 각 층위의 복잡한 구조에 중점을 둠. 그 후 프린터가 모델을 층층이 쌓음. 때로는 잉크젯을 사용하여 수지 방울을 한 자리에 침점시키기 위해 자외선을 비추거나 한번 방출되면 굳어지는 폴리머를 압출하기도 함.
기술은 1980년대 최초로 개발되었으나 당시 프린터는 매우 고가였고 다루기가 난해하였으며 재료가 제한적이었음. 그러나 최근 몇년간 진전이 이루어져 집 안에서도 사용할 수 있게 되었고 소프트웨어와 인쇄 방법이 개선되어 과학자와 엔지니어들이 높은 정확성으로 복잡한 색과 질감의 혼합물을 출력할 수 있게 되었음. 이로써 2018년 Annual Review of Analytical Chemistry에서 개괄했듯이 보다 정확하고 현실감 있는 장기 모델을 만들어낼 수 있었음.
클리블랜드 클리닉의 소화기내과의사 니자르 자인(Nizar Zein)은 2012년 처음으로 장기 모델을 프린트하는 아이디어를 착상하였음. 그는 사람들이 3 D 프린터로 집을 지으며 기술의 잠재적 활용에 관한 기사를 읽었음. 그는 생체 기증자로부터 장기를 이식하는 방법을 좀더 안전하게 할 수 있을지 궁금해 함.
각각의 간들은 유일하며 복잡한 망 구조로 동맥, 정맥, 담도기 얽혀 있고 잘못 커트하면 기증자이건 수혜자이건 합병증과 심지어 사망에 이를 수 있음. 자인은 임상의, 이미지 전문가, 엔지니어, 소프트웨어 디자이너의 팀을 조직하여 특정 환자의 간을 레신으로부터 프린트하여 만들어냈고 수술 과정을 가이드함.
첫 시제품은 조잡했음-“정말로 플레이-도오(Play Doh)를 가지고 노는 아이 같았다” 자인은 회상함. 실제 사이즈의 3/4도 안 되는 크기였는데 완전히 투명하지 않았고 각기 다른 조직 형태에 따른 색상 코드도 부족했음. 그러나 간 기증자가 수술대 위에서 위험한 합병증을 앓는 위험한 사례를 논의할 때 외과 동료들에게 보여주기에는 충분할 정도로 가능성이 있었음. 외과의들 중 한명은 이 모델이 기증자를 구해낼 지도 모른다고 말했다고 자인은 회상함.
자인은 모델을 재정립하여 2013년에는 2-D 스캔 이외에도 실물 크기의 3-D 간 모델이 외과의의 수술 계획을 어떻게 바꿀지를 연구하기 시작함. 최초의 소규모 연구는 모델이 해부학적으로 성상으로 모두 실제 장기와 일치함을 보여줌. 자인과 그의 팀 모델은 20가지 이상의 수술에 사용되어 옴. 대부분의 사례에서 모델을 활용함으로써 외과의들은 장기를 어떻게 전달하며 들어갈지를 바꾸었다고 자인은 말함. 어떤 경우 외과의들은 기증자가 적합하지 않다는 결론을 내리게 됨.
자인의 연구팀은 복잡한 간 종양의 3-D 모델을 프린트하는 데에까지 나아감. 간 종양이 장기에 어떻게 연결되어 있는지 이해하고 수술 계획을 세우기 위해서임. “우리가 환자의 해부학과 구조를 더 많이 알수록 수술은 더 좋아질 것이다” 자인은 말함.
피 흘리는 소프트 모델
장기 모델은 또한 의사를 훈련시키는 것을 도울 수 있음. 로체스터 대학 비뇨기과 의사 아메다 가지(Ahmed Ghazi)는 실제 신장 모델을 만들어 수술을 시뮬레이션하는 데에 몰입할 수 있다는 데에 영감을 받음. “나는 피 흘리는 신장처럼 보이는 무언가를 원한다” 그는 말함. 신장 외과의들은 종종 혈관들로 가득 찬 장기로부터 종양을 제거해야 하며 혈관을 차단시킨 신장 조직이 괴사하기 전까지 30분밖에 남지 않은 상황에서 수술을 완료해야 할지도 모름.
신장 모델을 만들기 위해 가지의 팀은 마치 환자 안에 있는 것처럼 시뮬레이션화된 복강 속 지방, 창자, 그리고 다른 조직들을 층화하여 만듦. “외과의들은 시작부터 마지막까지 시술을 해볼 수 있다.” 가지는 말함. 그와 그의 동료들은 교육을 위한 일반 모델 외에도 특정 수술을 시뮬레이션하기 위해 환자 개인의 스캔으로부터 만든 특수 모델도 만듦. 가지는 이 시스템을 5명의 전문가와 10명의 초보 외과의들을 이용하여 큰 신장결석을 분쇄하는 일반적이나 어려울 수 있는 시술을 테스트함. 전문가들은 모델이 매우 현실적이라고 보았고 초보 외과의들은 모두 수술 전 이 모델로 연습하는 것이 도움이 된다고 동의함.
의생명과학 이미지 전문가 니콜 웨이크(Nicole Wake) 역시 신장 모델이 어떻게 수술 계획에 영향을 미쳤는지를 살펴보고 있음. 2017년 연구에서 그녀와 그녀의 동료들은 3명의 경험 있는 외과의들에게 10가지 다른 복합 신장 수술을 검토할 것을 요청하였음. 외과의들은 처음에는 환자들의 2-D 이미지를 검토하고 수술 계획을 세웠음. 1주 정도 후에 3D 모델을 이용하여 시험을 반복하였음. 모든 경우에서 최소한 한 명의 외과의가 수술 전략을 바꾸었으며(예를 들어 어떻게 장기에 접근하고 장기를 죄일지) 계획에 보다 큰 자신감을 보임.
재료가 모델을 만듦
3D 장기 모델을 만들 때 재료는 의도했던 용도에 따라 선택한다고 진은 말함. 고형 플라스틱은 싸고 단순한 3D 시각화에 적합하며 특히 의사들이 종양의 모양, 예를 들어 혈관이나 도관의 구부러진 경로에 초점을 맞추길 원하는 경우 좋음.
그러나 실리콘과 소프트 플라스틱, 하이드로겔과 같은 보다 스폰지 같고 유연한 재료가 좀더 현실적임. 재료의 탄력성은 생체 조직의 기계적인 특성을 모방할 수 있으며 외과의들이 종양을 제거하고 수리할 때 필요한 절개의 폭과 깊이를 측정하여 내부를 열 수 있도록 연습할 수 있는 연습용 장기를 제공함. 부드러운 모델은 압력 센서와 같은 다른 기능을 포함하여 외과의들이 준비할 때 필요한 더 많은 정보를 제공할 수 있음.
가지와 동료들은 일련의 조직 질감 모델들을 만들어냄. 직접 인쇄하는 대신 팀은 3D 프린터를 이용하여 일련의 상세한 금형을 제작함. 그리고 특수제작한 하이드로겔을 주입한다. 하이드로겔은 70퍼센트 물로 구성된 움직이는 플라스틱으로 조절되어 근육, 지방, 또는 혈관처럼 만들어짐. 그들은 심지어 액체를 포함시켜 실제 수술에서와 같이 혈관이나 다른 관을 잘라 장기를 출혈시키거나 스미게끔 만듦.
produced 미네소타 대학의 기계공학자 마이클 맥알핀(Michael McAlpine)은 외과의들을 위한 훈련 도구로 전립선의 기계적 특성을 모방한 전립선 장기 모델을 생성함. 그의 팀은 종양 환자로부터 제거한 전립선 샘플을 이용하여 단단함과 유연성 등의 특성을 테스트함. 그들은 실리콘 잉크의 화학 성분을 조정하여 중합체가 체인들 사이에서 만드는 링크들을 변화 조정함으로써 모델을 더 부드럽게 하거나 단단하게 렌더링하였으며 전립선의 특성을 복제함.
그들은 심지어 전립선 모델에 하이드로겔과 고무 실리콘으로 만든 프린트된 압력 감지 센서를 장착시킴. 이 센서는 내시경과 외과용 가위로 가해지는 힘을 측정할 수 있어 의사들이 수술실에 들어가기 전에 유용한 정보를 제공할 수 있음.
실제에서 가상으로
얼마나 많은 미국 병원들이 3D 장기 모델을 프린트하고 있는지는 분명치 않음. “대부분의 중간 내지 큰 규모의 병원에서는 최소한 시도할 것으로 추측한다” 미시간 대학 영상의학자이자 북미 영상의학회 3D 프린팅 특수이익그룹의 회장인 윌리엄 웨독(William Weadock)은 말함. 장비와 전문가를 갖춘 의료 센터는 현재 일부 종류의 장기 모델을 프린트하며 하드 플라스틱 모델의 경우 몇백 달러 이하밖에 되지 않음. Lazarus 3D와 Materialise 와 같은 회사들은 이미징 데이터로부터 장기 모델을 생성하는 것을 제안함.
그러나 규제 기관과 건강보험회사는 여전히 이 기술을 따라잡고 있음. Materialise에서 생성한 소프트웨어 패키지 하나만 FDA에 의해 환자 진단용 프린팅 파일 구성 목적으로 승인되었고 보험회사는 이들 환자 특수 모델에 아직 지불하고 있지 않음.
프린트된 장기 모델들은 몰입형 컴퓨터 기반 모델을 향한 디딤돌이 될 수 있음. 몰입형 컴퓨터 기반 모델은 증강 현실을 사용하며 외과의들은 헤드셋과 다른 도구를 사용하여 3D 영상을 관찰하고 조작함. 본래 가지는 이런 방식의 일을 시작하길 원했으나 그는 실제 모델로 옮겨감. 어떤 것을 적당한 “감”으로 가상적으로 자르는 것, 그리고 하나 또는 다른 곳을 잘랐을 때 얼마나 많이 장기가 출혈할지 아는 것은 아직 가능하지 않다. 현재 그는 가상현실회사와 작업 중임. 실제 모델을 가상 수술을 위한 소프트웨어를 개발하기 위한 현실적 도구로 제공하고 있음.
시간이 지나면 증강현실이든 프린트된 실제 모델이든 3D 이미징을 이용한 수술은 예외가 아니라 규범이 될 수 있다고 맥알파인은 말함. “나는 그것이 지극히 일상적인 일이 될 것이라고 생각한다”
원문 출처: https://www.the-scientist.com/news-opinion/how-3-d-printing-could-help-shape-surgery-66070
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