수술 시뮬레이터·가이드·치료재료 등 맞춤형 의료기기 개발

서울아산병원 융합의학과 의료영상지능실현 연구실은 2014년 연구목적의 3D프린터 도입 후 다수의 진료과와 협업하며 환자 맞춤형 시뮬레이터 제작, 수술가이드, 결손환자 재건을 위한 보형물 등을 공동 연구해왔다고 15일 밝혔다.

서울아산병원은 지난 10년간 3D프린팅 기술로 맞춤형 의료기기를 개발하여 소아 심장 기형, 국내 첫 생체폐이식 등 의료진의 고난도 수술을 돕고 환자들의 빠른 회복을 위한 혁신적인 치료 방법을 개발해왔다. 최근에는 3D 차원을 넘어 ‘시간’의 축을 더한 4D프린팅이나 폐 보형물 임플란트를 활용하며 의술 발전을 도모하고 있다.

3D프린팅 출력물은 의료진의 수술 전 시뮬레이션 및 수술 가이드, 삽입형 보형물 등으로 활용되고 있다. 그 효과와 유용성이 다수의 논문으로 입증됐을 뿐 아니라 신의료기술 및 혁신의료기술 지정, 의료진 교육 활용 등의 성과로 이어지고 있다.

3D프린팅은 환자 맞춤형 시뮬레이터를 제작할 수 있게 해 의료진이 술기를 익히기 어려운 시술이나 처음 하는 수술의 시행착오를 줄여줬다. 도입 초기의 3D프린팅은 컴퓨터단층촬영(CT), 자기공명영상(MRI) 등의 영상자료를 활용해 실제와 크기가 같고 경도가 비슷한 재질의 3D프린팅을 출력하고, 환자 수술 전 시뮬레이션 용도로 활용됐다.

복잡한 해부학적 구조를 지닌 난치성 중증환자의 경우 치밀한 수술 계획과 실행이 필요한 데 3D프린팅이 이런 시뮬레이션을 가능하게 한 것이다.

2017년도 국내 첫 생체폐이식(박승일 심장혈관흉부외과 교수팀), 소아 복합기형 심장 수술(윤태진 소아심장외과 교수팀) 등 고난도 수술에서 의료진의 숙련도를 높이고 수술 시간을 단축하게 도와주는 시뮬레이터 역할을 했다.

특히, 최근 4D 프린팅 기술을 활용한 신장암 부분절제술에 맞춤형 수술 가이드를 적용한 연구는 매우 주목할 만한 성과다. 경윤수 건강의학과 교수팀은 기존의 신장암 수술 가이드 3D프린팅 출력물에 ‘시간’이라는 새로운 차원을 추가함으로써, 작아진 출력물이 지름 1㎝인 복강경 포트를 지나 몸속으로 들어가면 원래의 모양이 원상 복구되며, 또 일정 시간이 지나면 다시 작아지는 성질을 이용해 혁신적인 신장암 맞춤형 4D프린팅 수술 가이드를 제작했다.

신장암은 출혈량을 줄이기 위해 정교하고 빠른 로봇수술로 진행하는 경우가 많은데, 작아진 장치가 환자의 몸속에서 원래의 형태로 자동으로 복원되는 이 신장암 수술 가이드는 로봇 수술 시에도 병변만 정확히 제거할 수 있게 환자 맞춤형으로 제작되며, 사용이 끝나면 분해해서 다시 복강경 포트를 통해 제거하면 된다.

소재의 발전과 의술의 개발에 따라 의학 교육의 패러다임도 바뀌고 있다. 최근에는 인체에 삽입해도 거부반응이 없는 프린팅 소재가 개발돼 식품의약품안전처 허가를 받았거나, 미국 식품의약국(FDA)에 승인된 3D프린팅 재료를 이용한 장치 출력이 가능해져 여러 실험과 중증환자 치료에 활용 중이다.

안면재건 수술(최종우 성형외과 교수팀)에서 3D프린팅은 특히 활용도가 높다. 암이나 외상으로 결손된 부위를 보완할 인공 뼈를 출력해 환자에게 바로 식립할 수 있다. 최 교수팀은 이미 안전이 검증된 생적합 티타늄을 이용해 제작해 환자에게 적용했으며, 귀나 코 등의 결손부위는 자연스러워 보일 수 있도록 피부 질감, 색상 등을 고려한 얼굴 보형물(에피테제, Epithese)연구도 진행했다.

폐 절제 후 빈 공간이 생겨서 발생할 수 있는 부작용을 최소화하기 위한 폐 보형물 임플란트(김용희·윤재광 심장혈관흉부외과 교수팀)도 연구 중에 있다. 신체 내 빈 공간에 호흡에 방해가 되지 않은 성질을 가지는 생적합 실리콘을 3D프린팅으로 출력하여 장기 쏠림을 예방하게 된다. 이 기술은 현재 동물실험을 준비중이다.

이비인후과의 해부학적 구조를 출력해 의료진의 드릴링 실습을 가능하게 만든 측두골 유양돌기 절제술 시뮬레이터(정종우 이비인후과 교수팀)는 동물실험이나 카데바 대신 교육용으로 활용될 수 있도록 유용성 평가를 수행한 논문이 출간됐다.

증강현실(AR)과 같은 첨단 기술과 연계해 활용하는 연구도 이어지고 있다. 고범석 유방외과 교수팀이 2021년 개발한 유방암 환자 수술 가이드는 혁신의료기술로 지정돼 임상에서 사용할 수 있게 되었지만, 추가적인 생산시간과 비용 등의 단점을 보완하기 위해 3D모델링과 증강현실을 결합한 가상의 가이드를 만들어 수술 정확성을 높이는 연구를 진행 중이다.

이와 같은 서울아산병원의 이러한 기술적 진보와 연구 성과는 실제 의료현장에서 활용될 수 있도록 신의료기술 또는 혁신의료기술로 지정돼 의료연구의 부가가치를 높이고 있으며, 논문 게재나 학회 수상 등으로 국내외에서 우수성을 인정받고 있다.

인공 어깨관절 치환술 의료용 가이드(고경환 정형외과 교수팀), 안와골절 임플란트 제작 가이드(사호석 안과 교수팀) 등 4건은 신의료기술 혹은 혁신의료기술로 지정됐고, 2024년에 열린 북미방사선학회(RSNA) 내 3D프린팅 분과학회(3DP SIG)에서 4D신장암 가이드 및 폐 보형물 임플란트 제작 아이디어가 수상하기도 했다.

소아심장 수술 가이드(윤태진 소아심장외과 교수팀)는 선천성 심장기형 환자들의 치료 과정에 도입돼 14명 중 5명의 치료 방법을 바꾸기도 했다는 연구가 미국심장학회 저널 ‘JACC: Cardiovascular Imaging’에 게재됐으며, 대동맥 인공혈관 치환술 수술 가이드(김준범 심장혈관흉부외과 교수팀) 연구는 미국 흉부외과학회 학술지에 두 차례 게재된 후 해외 유명 흉부외과 의사들이 이례적으로 논평을 2개나 실으며 학계의 관심을 받았다.

의료영상지능실현연구실을 이끄는 김남국 서울아산병원 융합의학과 교수는 “10년간의 3D프린팅 연구와 기술 개발은 서울아산병원의 세계적인 의료수준에 걸맞은 새로운 치료기술을 개발해 더 안전하고 효과적인 의료 서비스를 제공하기 위한 임상 의료진의 아이디어에 기반한 것”이라며 “지속적인 연구로 의료 현장에서 실질적인 도움을 줄 수 있는 세계적인 기술을 개발하겠다”고 밝혔다.​