원하는 조직만 파괴하는 정밀 집속초음파 수술 기술 개발
비침습적 특성을 갖는 다양한 초음파 효과를 이용하여 기존 외과 수술을 대체하려는 시도가 활발하다. 특히 이 가운데 초음파의 초점에서 약 1/100초의 짧은 시간에 생성되는 강력한 기포를(케비테이션) 이용해 주변 생체조직을 칼로 자른 듯 물리적으로 파괴할 수 있는 집속초음파 기반 생체조직 파쇄 기술은 기존의 열로 조직을 태워 없애는 하이푸(HIFU) 방식보다 실시간 케비테이션 분석을 통한 치료과정 모니터가 가능하고 치료시간이 짧다는 장점을 갖고 있다.
한국과학기술연구원(KIST)은 바이오닉스연구센터 박기주 박사가 가변압력 집속초음파를 이용하여 보다 정밀하고 미세하게 생체 조직을 파쇄할 수 있는 새로운 초음파 수술 기술을 개발 했다고 밝혔다.
박 박사는 기존 집속초음파 생체 조직 파쇄 기술에서 초음파 초점 부위뿐만 아니라 그 주변으로 2차 미세 기포들이 동시 다발적으로 발생되는 충격파 산란효과 원리를 학계 최초로 밝혀낸 바 있다. 기존 집속초음파 수술 기술은 생체조직을 물리적으로 파쇄할 수 있다는 장점이 있지만, 충격파 산란효과로 인해 정밀도가 낮아져 주요 장기 및 혈관에 밀접하게 위치한 조직 또는 종양을 제거해야 되는 경우에는 적용하기 어려웠다.
이와 같은 한계를 극복하기 위해 초음파 초점에서의 음향 압력세기를 변화시키는 방법을 고안했다. 초음파 초점에서 기포 발생 직후, 순간적으로 초점 음향 압력세기를 변화시키면 충격파 산란 효과 없이 기포의 운동성을 제어하고 이로 인해 생체 조직을 보다 정밀하게 파쇄 할 수 있다고 판단했기 때문이다. 그는 음향 시뮬레이션, 초고속 카메라 기반 인체조직 모사 및 동물 실험을 통해 실현 가능성을 검증했다.
그 결과 초점 음향 압력세기를 조절해 충격파 산란 효과없이 초음파 초점에서 수십에서 수백 마이크론 크기를 갖는 수증기 기포를 생성하고, 기포가 일정 시간 동안 지속 가능하도록 제어하고 조절 할 수 있다는 것을 확인했다. 이는 음향압력 세기가 충격파 산란 효과가 발생하기 시작하는 압력보다 낮기 때문인 것으로, 연구팀은 이를 시뮬레이션을 통해 검증했다. 또한, 초음파 초점에서 기존 집속초음파 기술 대비 훨씬 더 정밀한 수십~수백㎛ 단위로 생체조직을 미세하게 파쇄 할 수 있는 것을 동물실험 단계에서 관찰했다.
KIST 박기주 박사는 “이번에 개발한 초음파 기술은 기포의 크기 및 지속 시간을 제어하여 조직의 정밀 파쇄가 가능한 신기술이다. 기존 집속초음파 기술의 최대 단점인 충격파 산란 효과에 의한 낮은 정밀도를 보완했을 뿐만 아니라, 기포 운동 및 지속시간 제어를 통한 파쇄 범위 및 강도 조절이 가능하다. 이를 바탕으로 원하는 특정 세포만을 선택하여 파쇄하거나 탈세포화 기반 세포 이식 연구 분야에도 확대 적용이 가능 할 것으로 예상한다.”라고 말하며, “관련 핵심 초음파 기술은 국내 및 미국에 특허 출원 완료했으며, 정밀 수술 및 시술이 가능한 핸드헬드 타입 초음파 의료기기의 상용화를 목표로 후속 연구를 진행중이다.”고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업 및 한국연구재단 우수신진연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 ‘Ultrasonics Sonochemistry’ (JCR 분야 상위 1.562%) 최신호에 게재되었다.
* (논문명) Control of the dynamics of a boiling vapour bubble using pressure-modulated high intensity focused ultrasound without the shock scattering effect: A first proof-of-concept study(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350417721002418)
- (단독저자) 한국과학기술연구원 박기주 선임연구원
연구결과 개요
1. 연구배경
◯ 집속초음파 생체조직 파쇄 기술은 아직 임상에서는 사용되고 있지 않으나, 동물실험 단계에서 이 기술을 이용하여 종양을 파쇄하는 효과는 입증되었다.
◯ HIFU thermal ablation 대비 짧은 치료 시간, 조직의 물리적 파쇄 및 케비테이션 분석을 통한 실시간 치료 과정 모니터링이 가능 하므로, 임상에서 적용되는 기존 외과적 수술방식을 대체 할 수 있는 차세대 유망 비침습 초음파 수술 기술로써 많은 관심을 받고 있음.
◯ 기존 초음파 연조직 파쇄 기술은 사이즈가 큰 병변(예, 고형종양)을 물리적으로 파쇄하기에는 적합한 기술이지만, 초음파 조사 중에 발생하는 충격파 산란 효과(shock scattering effect)에 의해서 초음파 초점 부위뿐만 아니라 충격파가 산란되는 주변조직에서도 케비테이션이 추가적으로 발생 할 가능성이 높기 때문에, 정밀 미세 제거가 필요로 하는 수술인 경우 적용하기 어려움.
◯ 따라서, 기존 집속초음파 연조직 파쇄 기술보다 높은 정밀도 & 정확도와 높은 공간해상도를 갖는 동시에, 치료해야 되는 종양의 위치, 크기 및 특성에 따라 케비테이션의 생성 및 다이나믹스 제어를 통한 종양의 정밀 파쇄가 가능한 맞춤형 집속초음파 수술 기술의 개발이 필요함.
2. 연구내용
◯ 본 연구진은 초음파 초점에서 기포 발생 직후, 순간적으로 초점 음향 압력 세기를 변화시키면 충격파 산란 효과 없이 기포의 다이나믹스 제어를 통해 생체 조직을 보다 정밀 하게 제거 할 수 있지 않을까 라는 아이디어를 기반으로 음향 시뮬레이션, 초고속카메라 기반 인체조직 모사 및 동물 실험을 통해 제안하는 초음파 기술의 실현 가능성을 연구했다.
◯ 초고속카메라 실험 결과, 충격파 산란 효과 없이 초음파 초점에서 수십에서 수백 마이크론 크기를 갖는 수증기 기포의 운동 및 지속 가능 시간을 제어 및 조절 할 수 있다는 것을 발견하였다.
◯ 기포에 의해서 전방위로 산란되는 음향압력은 충격파 산란 효과가 나타나는 압력 역치(threshold value)보다 낮다는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
◯ 제안하는 기술을 이용하여 생체조직을 보다 미세하게 파쇄 할 수 있는 것을 동물실험 단계에서 관찰 하였다.
3. 기대효과
◯ 기포의 크기 및 지속시간을 제어함으로써 파쇄 범위 및 파쇄 강도를 조절 할 수 있으므로, 생체 및 종양 조직을 안전하게 제거 할 수 있는 가능성을 제시하였다.
◯ 외과적인 수술 없이 생체조직의 물리적 미세 파쇄가 가능한 초정밀 집속 초음파 수술 기술로써 향후 임상에서 적용되길 기대한다.
◯ 파쇄 범위 및 파쇄 정도를 조절하게 되면 생체조직의 완전한 파쇄 뿐 만 아니라 특정 세포만을 선택하여 파쇄하거나 또는 in situ 탈세포화(decellularisation)연구 분야에도 확대 적용이 가능 할 것으로 예상된다.
연구 결과 문답
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
기존 집속초음파 기반 생체 조직 파쇄 기술에서는 충격파 산란 효과에 의해서 초음파 초점 주변에서도 기포들이 생성 되어 목표 지점뿐만 아니라 그 주변 부위까지 파괴될 수 있음. 따라서 보다 정밀한 초음파 파쇄 기술의 개발이 필요하였음.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
이번에 개발한 초음파 파쇄 기술은 가변압력 집속초음파를 이용하여 충격파 산란효과 없이 수증기 기포의 생성 및 다이나믹스를 정밀 제어하여 생체 조직을 파쇄 하는 방식이며, 현재 까지 학계에 보고된 바가 없는 새로운 개념의 초음파 기술임. 제안 하는 기술은 기존 초음파 기술의 최대 단점인 충격파 산란 효과에 의한 낮은 정밀도와 낮은 정확도를 보완 할 수 있는 획기적인 초음파 기술임.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?
- 집속초음파 기반 생체조직 파쇄기술은 기존 외과적 수술방식을 대체 할 수 있는 차세대 유망 초음파 수술 기술인데 반해, 관련 글로벌 시장은 아직 형성 되지 않은 블루오션임.
- 핸드헬드 타입 또는 로봇 암으로 구성된 초음파 수술 기기로써, 초음파가 투과 가능한 곳에 위치한 종양조직을 비롯한 다양한 생체조직을 비침습적으로 제거 하는 분야에(의료 및 미용 목적 등) 활용 가능 할 것으로 기대함.
□ 기대효과와 실용화를 위한 과제는?
본 연구에서는 가변압력 집속초음파를 이용하여 생체조직 및 종양조직을 보다 정밀하고 미세하게 파쇄 할 수 있는 새로운 초음파 수술 기술을 개발 하였으며, 이 기술은 향후 임상에서 정밀 수술 및 시술이 필요한 환자 및 개인 대상으로 적용 될 수 있을 것으로 예상됨. 실용화 및 상용화를 위해서 기업과 협력연구를 진행 할 계획을 갖고 있으며, 성공적으로 사업화가 된다면 산업/경제적인 파급효과가 매우 클 것으로 기대됨.
의학약학 KIST (2021-08-26)