[논문]맥진단 기술의 고도화를 위한 KIOM 연구 개발 현황

김영민; 김재욱

문제 정의

다음으로, 요골동맥에서 측정한 압력맥파를 패턴분류 할 수 있는 맥진지수 개발 연구에 대해 소개한다. 전통맥진에서는 가압력에 대한 맥파형의 정보가 중요한 맥진 판단기준으로 적용되어 왔다.
맥진 시뮬레이터 개발의 동향과 연계하여 본 특별호의 양과 신^[5]의 논문에서 소개하기로 하고 여기서는 다루지 않기로 한다. 따라서, 여기서는 정밀 왼팔-동맥 순환계 수치해석 연구 방향에 대해 간략히 소개한다.
먼저, 맥상에 대한 전문가들의 총의를 도출하는 연구를 소개한다. 임상에서 활용되어 온 맥상은 문헌상으로 “부(浮)/규(芤)/홍(洪)/활(滑)/삭(數)/촉(促)/현(弦)/긴(緊)/침 (沈)/복(伏)/혁(革)/뇌(牢)/실(實)/미(微)/색(濇)/세(細)/유(濡)/약(弱)/허(虛)/산(散)/완(緩)/지(遲)/결(結)/대(代)/동(動)/대(大)/장(長)/단(短)”으로 명명된 28 맥상을 기준으로 한다.
본 연구는 기존 압저항형 어레이 센서 기반 맥측정 시스템의 성능 향상을 위한 연구 방법론 및 시스템 구현에 초점을 맞추고 있다. 본 시스템은 총안용(촌/관/척 동시 측정) 맥진기 개발로 심화시킬 예정이다.
대표적으로 맥의 혈류역학적 기전 연구, 맥측정기술의 고도화, 맥상 과학화, 한양방을 아우르는 질환 관련 지표 발굴 등 다각적이고 심도 있는 연구를 통해 기술을 발전시켜왔다. 본지에서는 관련 연구들을 간단히 소개하고, 맥진단 기술의 고도화를 통해 이루고자 하는 미래 예방 의학의 진단 도구로서의 가치를 타진해보고자 한다.
왼팔-동맥 순환계 수치해석 연구는 실제 맥진을 하는 부위인 요골동맥에 대한 정밀 3차원 수치해석 모델을 만들어서, (1) 상완동맥 부위의 혈류와 압력맥파의 경계조건의 변동이 요골동맥에서의 혈류와 압력맥파의 성질을 어떠한 식으로 변동시키는지와, 장기적으로는 (2) 3차원 수치해석 모델을 심장 부위와 이를 넘는 오장육부 부위까지 확장해 나아가 장부에서의 생리적 또는 병리적 변화가 야기시키는 혈류역학적 변동 특히 요골동맥과 경동맥에서의 변동 메커니즘을 밝히는 것을 목표로 한다.
둘째, 맥파의 특성을 구분 지을 수 있는 기초 물리량을 발굴하고 맥파를 요소 물리량의 조합으로 표현하는 방법이다. 이렇게 표현된 압력맥파의 각 요소 물리량별 조합 양상과 전문가의 총의에 의해 도출된 맥상을 이루는 물리량과의 비교를 통해, 임상에서 활용될 수 있는 맥상을 개발해 가고 있다.
이러한 노력에도 불구하고, 아직 28 맥상에 대한 전문가들 사이의 일치된 의견이 없는 상황이다. 이에, 본 연구팀에서는 임상에서 자주 활용되는 주요 맥상을 선별하고 맥파의 기본 속성으로 표현하는 연구를 진행하였다. 먼저, 대한한의진단학회를 중심으로 맥상 정량화를 위한 전문가 협의체를 구성하였다.
지금까지 맥진 기술의 고도화를 위한 주요 원천 기술들을 소개하고, 이를 위한 KIOM의 연구 성과 및 비전을 살펴보았다. 앞으로의 맥진기 연구가 성공하기 위해서는 성능 향상 뿐 아니라 측정 편의성 및 의료 기기로서의 안정성 등 시장 진입을 위한 다양한 기술적 난제를 함께 해결해야한다.
압력맥파의 정량화를 위해 KIOM 맥진기 개발팀에서는 2가지 상보적인 접근법을 사용하고 있다. 첫째, 전통적인 압력맥파의 분류 기법인 맥상(脈象)에 대해 전문가들의 총의를 도출하는 연구이다. 둘째, 맥파의 특성을 구분 지을 수 있는 기초 물리량을 발굴하고 맥파를 요소 물리량의 조합으로 표현하는 방법이다.

가설 설정

수치해석은 층류유동을 지배하는 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 혈액의 특성 모델링을 위해 (1) 뉴턴유체 모델과 (2) 비뉴턴유체 모델(Casson Model)을 사용하였고, 혈관의 특성 모델링을 위해 (3) Rigid Body 모델과 (4) 탄성모델(Fluid-Structure Interaction Model)을 사용하였으며, 혈류와 압력맥파의 경계조건으로 입구(상완)에서는 인체의 알려진 평균 값들을 사용하였고, 출구에서는 (5) 손가락 끝의 작은 혈관의 평균 압력 값인 30mmHg를 사용하거나 (6) 손가락 끝의 모세혈관들을 다관유동에서의 저항으로 가정하고 순환함수적 방법으로 접근하는 임피던스 경계조건^[7]을 적용하여 비교 분석하였다.

제안 방법

델파이 기법에 기반하여, 맥상에 적용 가능한 물리량 속성 7건(맥의 깊이, 빠르기, 세, 너비, 길이, 불규칙성, 긴장도)에 대한 전문가 합의()를 도출하였고, 10개 기본 맥상에 대한 물리량에 대한 총의를 도출하였다[13].
지난 호에서 강^[1]등은 한의학의 진단법을 소개하고, 이 중 절진의 꽃이라 불리는 맥진의 종류와 쓰임새를 고문헌을 통해 풀이하였다. 또한 맥진을 객관화하기 위한 노력으로 핵심 요소기술들을 센서, 측정, 신호분석, 진단연계, 임상시험 및 성능시험 기술로 분류하여 체계적으로 소개하고 발전 방향을 제시하였다. 김^[2] 등은 맥진을 객관화하는 구체적인 요소기술로서 맥진 알고리즘 개발에 관한 연구 방법론을 소개하였고, 이를 위해 전통적인 맥상을 물리량으로 전환하는 방법과 주요 10대 맥상을 판단하기 위한 시공간적 특징들을 산출하는 알고리즘을 설명하였다.
그 결과, 기상 직후에 맥력이 가장 작고, 식후에 맥력이 증가하는 경향을 보인 반면, 맥의 깊이에 있어서는 일중 변화가 거의 없는 양상으로 나타났다. 맥의 계절별 변화를 보기 위해서 사전연구 격으로 남녀 각각 1인을 선정하여 매주 1회씩 1년간 맥을 측정해 보았다. 그 결과 여름에 비해 가을철에 맥의 깊이가 급격히 낮아지는 패턴, 봄절이 겨울보다 맥의 긴장도가 높아지는 패턴, 겨울철이 여름보다 심박수가 빠르고 맥력이 세지며 심벽변이도 변화 폭이 작아지는 패턴 등의 특성을 관찰하였다.
이에, 본 연구팀에서는 임상에서 자주 활용되는 주요 맥상을 선별하고 맥파의 기본 속성으로 표현하는 연구를 진행하였다. 먼저, 대한한의진단학회를 중심으로 맥상 정량화를 위한 전문가 협의체를 구성하였다. 델파이 기법에 기반하여, 맥상에 적용 가능한 물리량 속성 7건(맥의 깊이, 빠르기, 세, 너비, 길이, 불규칙성, 긴장도)에 대한 전문가 합의(<표 1>)를 도출하였고, 10개 기본 맥상에 대한 물리량에 대한 총의를 도출하였다^[13].
이러한 특징으로 인해, 한의학의 대표적 치료법인 침, 뜸, 부항 치료 후에 치료 호전 효과를 맥파 변수로 즉각 모니터링 할 수 있다. 본 연구팀에서 정상인에 대해 침자극에 의해 맥파의 변화 양상을 관찰한 바가 있는데, 유의미한 혈류량 증가와 자율신경계 반응 지표가 관찰되었다. 또한, <그림 12>에서 보이는 바와 같이 맥파 변수로 연령을 구분하는 것도 가능하다는 것을 보였다^[17].
9mm 이상의 혈관구조의 3차원 모델을 제작하였다. 수치해석은 상용코드인 ICEM-CFD(ANSYS Co., USA)을 이용하였고, 수치격자는 혈관 벽 근처에는 5개의 평행 사변형 격자층을, 내부에는 4면체 격자를 형성하였다^[6].
왼팔-동맥계의 3차원적인 구조 획득을 위해, 한국기초과학지원연구원이 보유한 3T Human MRI(Philips, Netherland)를 이용하여 건강한 20대 남성의 왼팔 혈관을 손목에서 상완까지 2차례 나누어서 촬영하여 얻은 데이터로 과 같은 3차원 수치해석 모델을 제작하였다.
왼팔-동맥계의 3차원적인 구조 획득을 위해, 한국기초과학지원연구원이 보유한 3T Human MRI(Philips, Netherland)를 이용하여 건강한 20대 남성의 왼팔 혈관을 손목에서 상완까지 2차례 나누어서 촬영하여 얻은 데이터로 <그림 1>과 같은 3차원 수치해석 모델을 제작하였다. 왼팔에 특화된 MRI 이미지를 얻기 위해 심장코일을 사용하였고, 획득된 MRA 데이터는 MIMICS(Materialize Co., Belgium) 프로그램을 이용하여 0.9mm 이상의 혈관구조의 3차원 모델을 제작하였다. 수치해석은 상용코드인 ICEM-CFD(ANSYS Co.
이러한 고전 문헌에 기술된 내용을 확인하고 맥진단 지표의 기준점으로 활용하기 위하여 맥의 일중변화()와 계절별 변화를 관찰하였다.
이를 위해, 본 혈류역학 연구팀에서는 체순환시스템 전체를 모델링하는 연구와 MRI 데이터에 기반하여 정밀한 왼팔-동맥 순환계를 재구성하는 연구의 두 접근법을 사용하여 오고 있다. 체순환시스템 전체 모델링 연구에 있어서 수치해석적 접근법은 인체 순환계의 복잡성 때문에 사실적인 3차원적 모델링을 하지 못하고 있고, 여전히 1차원적 혈관모델 수준에 머물러 있다.

이론/모형

수치해석은 층류유동을 지배하는 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 혈액의 특성 모델링을 위해 (1) 뉴턴유체 모델과 (2) 비뉴턴유체 모델(Casson Model)을 사용하였고, 혈관의 특성 모델링을 위해 (3) Rigid Body 모델과 (4) 탄성모델(Fluid-Structure Interaction Model)을 사용하였으며, 혈류와 압력맥파의 경계조건으로 입구(상완)에서는 인체의 알려진 평균 값들을 사용하였고, 출구에서는 (5) 손가락 끝의 작은 혈관의 평균 압력 값인 30mmHg를 사용하거나 (6) 손가락 끝의 모세혈관들을 다관유동에서의 저항으로 가정하고 순환함수적 방법으로 접근하는 임피던스 경계조건^[7]을 적용하여 비교 분석하였다.

성능/효과

(2) 혈관의 탄성이 고려된 경우 비탄성 모델에 비해 분지 주위에서 혈류가 느려지는 현상(wall sheer stress <0.4Pa에서 10%까지 차이를 보임)이 관찰되었다.
개발된 제어알고리즘을 이용하여 동일 피험자에 대해 5회 반복 측정한 결과 에서 보듯이 ±2.23도 범위 내에서 반복 정밀도 성능을 확인할 수 있었다.
맥의 계절별 변화를 보기 위해서 사전연구 격으로 남녀 각각 1인을 선정하여 매주 1회씩 1년간 맥을 측정해 보았다. 그 결과 여름에 비해 가을철에 맥의 깊이가 급격히 낮아지는 패턴, 봄절이 겨울보다 맥의 긴장도가 높아지는 패턴, 겨울철이 여름보다 심박수가 빠르고 맥력이 세지며 심벽변이도 변화 폭이 작아지는 패턴 등의 특성을 관찰하였다. 이는 고전 문헌 상의 내용과도 일치하는 패턴이다.
일중변화에 대한 임상연구(<그림 11>)에서는 20대와 40대 남/녀 40명에 대해 병원 입원실에 동일한 조건하에서 1박을 하며 2시간 마다 압력맥파를 측정하여 분석하였다. 그 결과, 기상 직후에 맥력이 가장 작고, 식후에 맥력이 증가하는 경향을 보인 반면, 맥의 깊이에 있어서는 일중 변화가 거의 없는 양상으로 나타났다. 맥의 계절별 변화를 보기 위해서 사전연구 격으로 남녀 각각 1인을 선정하여 매주 1회씩 1년간 맥을 측정해 보았다.
Low wall sheer stress 영역에서는, 에테롬성 동맥경화가 발생하기 쉬운 상태이다. 또한, 임피던스 출구경계조건을 적용한 결과, 경직 혈관모델에서 조차 상완동맥의 입력시점에 비해 요골동맥에서 압력맥파가 0.02초 정도 지연 효과가 있음이 관찰되었다.
이는 고전 문헌 상의 내용과도 일치하는 패턴이다. 이와 같이 맥의 일중변화와 계절별 변화 양상을 관찰하여 실제로 맥의 평단맥이 중요한 이유와 건강맥의 판단 기준에 계절별 요인을 감안해야 한다는 점을 확인하였다.

후속연구

센서 및 액츄에이터 개발에 있어서는 측정 정밀도 확보를 위한 측정 부위의 인체공학적 해석 및 첨단 로봇 및 센서 기술의 융합 등이 제안되었고, 물리량 연구에 있어서는 한양방에서 사용되는 심혈관 지표와의 비교연구를 통한 맥진단 지표의 타당성 연구가 절실하다고 강조하고 있다. 또한, 유비쿼터스 헬스케어 시스템이 대체의학적 측면에서 맥진단기술 활용의 가치를 높일 수 있다는 것을 소개하고, 이를 위한 한양방 융합형 의료기술 개발로의 연구확장이 필요하다고 설명하고 있다. 이처럼 맥진단 기술은 이제 고도화 즉, 기술 성숙 단계에 진입하여 미래형 의료기술로의 사회적/상업적 접근성을 높이는 작업을 필요로 한다.
기존의 혈류역학적 연구는 심장의 기능문제, 뇌졸중, 협착증 문제 등과 같이 특정 부위의 임상적 문제의 기전 연구에 초점을 맞추었다. 반면, 맥진의 과학화를 위해서는 인체 체순환적 관점에서 접근해야 하는데, 특히 인체의 여러 부위별 혈류 변화가 요골동맥의 맥진 부위에 미치는 영향을 볼 수 있는 연구 디자인이 필요하다.
본 연구는 기존 압저항형 어레이 센서 기반 맥측정 시스템의 성능 향상을 위한 연구 방법론 및 시스템 구현에 초점을 맞추고 있다. 본 시스템은 총안용(촌/관/척 동시 측정) 맥진기 개발로 심화시킬 예정이다. 이를 위해, 기존 일자형 배열의 센서 구조를 확대하여 공간 분해력을 확보하는 연구, 멀티 가압을 위한 컴팩트형 가압 매니퓰레이터를 설계하는 연구, 가압 동기화를 통해 촌/관/척 세 부위의 맥신호를 동기화하는 연구 등이 함께 이뤄져야 할 것이다.
앞으로의 맥진기 연구가 성공하기 위해서는 성능 향상 뿐 아니라 측정 편의성 및 의료 기기로서의 안정성 등 시장 진입을 위한 다양한 기술적 난제를 함께 해결해야한다. 본 연구는 기술 고도화를 통해 핵심 원천기술을 확보하는 단계에 있고, 추후 사용성, 경제성 및 사용자의 수요를 만족하기 위해 다양한 형태로 변형될 계획이다.
지금까지 맥진 기술의 고도화를 위한 주요 원천 기술들을 소개하고, 이를 위한 KIOM의 연구 성과 및 비전을 살펴보았다. 앞으로의 맥진기 연구가 성공하기 위해서는 성능 향상 뿐 아니라 측정 편의성 및 의료 기기로서의 안정성 등 시장 진입을 위한 다양한 기술적 난제를 함께 해결해야한다. 본 연구는 기술 고도화를 통해 핵심 원천기술을 확보하는 단계에 있고, 추후 사용성, 경제성 및 사용자의 수요를 만족하기 위해 다양한 형태로 변형될 계획이다.
본 시스템은 총안용(촌/관/척 동시 측정) 맥진기 개발로 심화시킬 예정이다. 이를 위해, 기존 일자형 배열의 센서 구조를 확대하여 공간 분해력을 확보하는 연구, 멀티 가압을 위한 컴팩트형 가압 매니퓰레이터를 설계하는 연구, 가압 동기화를 통해 촌/관/척 세 부위의 맥신호를 동기화하는 연구 등이 함께 이뤄져야 할 것이다.
현재까지의 3차원적인 수치해석 모델 연구 결과, 맥진의 기전연구를 위한 정밀 모델로서의 가능성을 확인하였으나, 더 심화된 연구를 위해서는 다음의 두 가지 접근법을 모두 고려하여야 한다. 우선, 전체 순환계에 대한 3차원 수치해석 모델 개발을 위해서는 수퍼컴퓨터에 기반한 컴퓨팅 파워가 절대적으로 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	혈류역학적인 접근법의 장점은 무엇인가?	따라서, 맥진의 과학화와 원리규명을 위해서는 혈류역학적 접근법이 필요하다. 혈류역학적인 접근법은 임상연구의 막대한 비용과 시간, 임상 윤리적 문제 등에 구애받지 않고 혈류의 변인 요인들을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 혈류역학은 혈액 순환을 연구하는 것을 목적으로 심박출 특성, 혈관 저항, 혈액 점도 등의 변화가 혈류와 혈관을 따라 흐르는 압력맥파에 미치는 영향을 연구한다 [4] .
	요골동맥을 맥진할 시 측정의 불확실성을 증가시키는 요소는 무엇인가?	요골동맥은 인체에서 동맥의 흐름을 비관혈적으로 파악하기 위한 최적의 위치 중 하나로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 혈류의 저항성을 통해 맥을 진단하는 맥진의 특성상 혈관을 직접 가압하는 과정에서 생기는 외란이 측정의 불확실성을 크게 증가시키고 있다. Agnoletti [8]등 에 의하면 두 개의 토노메트리 펜 방식 맥측정 장치들 간의 원신호 비교 실험 분석 결과에서 심혈관질환 예측 주요 지표인 Radial rSBP2, Mean arterial pressure, Augmentation index(AI) 등이 유의하게 서로 다른 결과를 보였다.
	맥진은 무엇인가?	맥진은 요골 동맥 상의 이웃하는 세 지점인 촌(寸), 관 (關), 척(尺) 세 부위의 압력맥파의 특성을 감지하고 분석 해서 진찰에 활용하는 방법이다. 맥진에서 중요한 제 1차 적인 생체정보는 혈관을 타고 전달되는 심혈관계의 정보이다.

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