동맥류 치료를 위한 디지털 트윈

Mathieu Sanchez, Sim&Cure 최고 경영자(CEO), Montpellier, France

뇌동맥류의 효과적인 치료를 위해, 한 의료 회사가 최초로 의사가 수술 중에 임플란트 장치를 배치할 수 있도록 도와주는 디지털 트윈(물리적 사물과 소프트웨어를 융합하는 모델)을 개발했습니다. 이로써, 외과 의사는 ANSYS 구조 역학 솔루션을 사용하여 임플란트의 배치를 시뮬레이션하고 최적의 크기와 위치를 결정하여 실패 위험을 줄이고 수술 시간을 단축할 수 있었습니다.

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brain aneurysm scan

  • in vivo
    체내(In vivo)
    in vitro
    체외(In vitro)

     

    in silico
    컴퓨터 내(In silico)
     
    의료 기기는 체내(in vivo, 왼쪽), 체외(in vitro, 중앙) 및 컴퓨터 내(in silico, 오른쪽)의 세 가지 방법으로 테스트할 수 있습니다.

    뇌동맥류는 전체 인구의 약 2%가 가진 질병으로, 동맥벽의 약화로 인해 동맥이 확대되면서 발병합니다. 대부분은 증상이 없거나 건강상 문제가 없지만, 매년 동맥류 파열로 인해 약 1%가, 인체 내 파열로 인해 약 30%의 환자들이 사망합니다. 손상을 일으킬 가능성이 낮은 작은 동맥류는 일반적으로 크기를 추적하여 관리합니다. 큰 동맥류의 치료는 외과적인 방법으로 뇌를 열고, 동맥의 손상된 부분을제거한 후, 나머지 부분과 함께 고정하는 것입니다. 임상 통계 분석결과에 따르면 동맥류의 수술 옵션은 혈관 내 시술과 비교하여 나쁜 수술 결과 및 장기간의 병원 체류 및 긴 회복 시간 등의 가능성이 높다는 사실이 밝혀졌습니다. 일반적으로 혈관 내 수술은 카테터(Catheter; 체내에 삽입하여 혈액 등을 뽑아내는 도관)를 서혜부 근처의 다리 동맥에 삽입합니다. 의료 영상의 도움을 받아 외과 의사는 임플란트가 들어있는 카테터를 동맥류로 넣게 됩니다. 일단 기기가 장착이 되면, 의사는 임플란트를 팽창시키고 카테터를 제거합니다.

    여러 종류의 혈관 내 임플란트가 흐름 전환기(Flow diverters, FDs), 소낭 내부 장치(Intrasaccular devices, IDs) 및 레이저 절단 스텐트 그리고 뇌동맥류 등 질병을 치료하는 데 사용됩니다. 심혈관 연구 재단(CRF)과 미국 국립생물공학정보센터(NCBI)에 의하면, 동맥류의 단면적과 길이에 맞는 올바른 지름과 길이 및 확장을 가진 임플란트를 선택하는 것은 환자의 회복을 위하여 매우 중요합니다. NCBI가 발표한 논문에 따르면 내시경 절차의 최대 65%는 다양한 유형의 체내 위치 오차 보정으로 이루어져 있습니다. 예를 들어, 동맥류 낭 내부에 배치하도록 설계된 ID 임플란트가 너무 작으면 혈액이 그 틈을 메워 동맥류에 압력을 가할 수 있습니다. 반대로, 임플란트의 크기가 너무 크면 응고와 허혈성 뇌졸중이 발생할 수 있습니다.

    이에 대응하는 Sim & Cure의 솔루션은 바로 디지털 트윈입니다. 환자가 마취 상태에 있는 동안, 의사는 환자의 손상된 혈관 구조 및 행동 모델을 포함한 통합 소프트웨어를 실행합니다. 이 소프트웨어는 의사가 빠르고 정확하게 임플란트의 최적 크기와 최상의 결과를 얻을 수 있는 위치를 정하는 데 도움을 줍니다.

    3D printed arterial network

    뇌동맥 네트워크의 3D 프린트 모델

     

    현재 임플란트 크기 설정에 쓰이는 방법

    일반적으로 의사는 임플란트의 크기와 위치를 결정하기 위해 아래의 두 가지 방법 중 하나를 사용합니다. 하나의 접근법은 수술 직전 촬영한 3D 회전 혈관 촬영의 일부 또는 3D 스캔 측정, 2D 스캔에 대한 측정을 수행하는 것입니다. 하지만, 이 과정은 적어도 10분 이상이 소요되어 환자가 오랜 시간 마취 상태에 있어야 하며, 이는 합병증의 위험을 높입니다. 또한, 이러한 측정은 수술 과정 중 발생하는 임플란트의 변형과 움직임을 고려하지 못하므로, 효과적인 배치는 보통 의사의 기술, 경험 및 직관에 달려 있습니다.

    또 다른 방법은 3D 회전 혈관 촬영을 사용하여 혈관의 CAD(Computer-Aided Design)를 생성하는 것입니다. 그 다음 3D 프린터가 천천히 혈관의 물리적 모델을 만들게 됩니다. 이 모델은 다양한 장치의 크기 및 배치 요소를 테스트하기 위해 사용됩니다. 그러나 수술 중에 사용된 약물은 동맥의 크기와 모양을 크게 변형시키므로, 모델 제작자는 이러한 영향을 예상해야 합니다. 즉, 실제 조건은 임플란트의 크기를 결정하는데 사용된 물리적 모델과 다를 수 있습니다.

    arterial system angiography

    3D 회전 혈관촬영으로 본 동맥류가 있는 동맥계

     

    arterial aneurysm angiography

    2D 축 혈관 촬영으로 본 동맥류(동맥으로부터의원형 돌출)가 있는 동맥계

     

    "Sim & Cure는 환자 고유의 동맥 기하 구조를 기반으로 한 임플란트의 확장 및 배치를 포함하는 동맥류 치료를 위한 디지털 트윈 통합 시뮬레이션 소프트웨어를 출시한 최초의 사례입니다."

     

    더욱 정확한 솔루션을 제공하는 시뮬레이션 소프트웨어

    Sim & Cure는 새로운 방법으로, 환자가 수술을 위한 준비를 마친 이후 동맥류와 주변 혈관의 3D 모델을 생성하기 위해 3D 회전 혈관 조영술을 사용하였습니다. Sim & Cure의 소프트웨어는 동맥의 모델을 불러와 의사에게 제시함으로써, 이상적인 최종 배치 위치와 임플란트의 크기를 선택할 수 있도록 도와줍니다.

    Sim & Cure의 IDize® 소프트웨어는 다양한 크기의 임플란트 장치 모델을 통합한 체내 장치 임플란트를 시뮬레이션하므로 의사는 시뮬레이션하려는 특정 임플란트를 선택할 수 있습니다. Sim & Cure는 환자의 동맥 모델과 선택한 장치의 모델을 결합하여 ANSYS Mechanical의 입력 파일을 생성합니다. ANSYS Mechanical은 장치와 동맥의 변형, 그리고 그 상호 작용을 분석하고, 환자의 동맥에 배치된 장치의 3D 모델을 제공하며, 임플란트와 동맥류를 결합하여 보여줍니다.

    의사는 임플란트와 동맥류의 관계를 완전히 이해하기 위해, 이미지를 이동, 회전 및 확대/축소할 수 있습니다. 컬러 코딩은 임플란트가 색전증과 접촉하는 정확한 영역을 나타냅니다. 또한, 횡단면 프로파일은 임플란트와 동맥 사이의 거리를 보여줍니다. 각 시뮬레이션은 선택한 장치에 따라 10~25초 밖에 걸리지 않습니다. 의사는 어떤 임플란트를 사용할 것인지 결정하기 위해 추가로 장치와 그 크기를 선택하여 시뮬레이션 함으로써 수술을 성공적으로 이끌 수 있습니다. 5분 이내에 의사는 시뮬레이션 과정을 완료하고 최적의 장치를 선택하여 수술을 시작할 수 있습니다.

    aneurysm simulation

     

    aneurysm implant

    동맥류에 배치된 임플란트의 ANSYS Mechanical 시뮬레이션(왼쪽). 녹색으로 표시된 부분은 임플란트와 접촉하는 동맥류의 표면입니다. ANSYS Mechanical 시뮬레이션 결과는 정확하게 임플란트가 들어갈 공간을 예측하여 성공적으로 배치할 수 있도록 도와줍니다.

     

    "ANSYS Mechanical은 장치와 동맥의 변형과 그 상호 작용을 분석하고 환자의 동맥에 배치된 장치의 3D 모델을 제공합니다."

     

    긍정적인 임상 시험 결과

    일반적으로, 혈관 내 수술의 약 10%는 임플란트의 크기나 위치에 대한 문제 때문에 후속 수술이 필요합니다. 그러나 Sim & Cure의 소프트웨어로 3번의 임상 시험을 실시하고 진행했던 500건이 넘는 수술에서는 후속 수술이 필요하지 않았습니다.

    다수의 동맥류 수술에서 두 번째 또는 세 번째 임플란트가 필요할 수 있는데, 이는 일반적으로 첫 번째로 선택한 임플란트가 환자에게 삽입된 후 잘못된 크기로 판명되었기 때문입니다. 결과적으로, 수술시간이 길어지고 환자에게 합병증의 위험이 커집니다. Sim & Cure 소프트웨어를 사용한 의사의 수술당 사용 장치의 수는 과거 1.35개에서 1.05개로 줄었습니다. 이는 환자의 위험을 줄일 뿐만 아니라, 수술당 3,000유로(약 400만원)를 절약하는 효과가 있습니다. 또한, 이러한 시도는 Sim & Cure가 수술 시간을 약 30분으로 단축하여, 합병증의 위험을 줄이고 추가 비용을 절감하였음을 보여줍니다.

    smaller implant chart

    상기 히스토그램은 2016-2017년에 Sim&Cure 소프트웨어를 통해 이전보다 작은 임플란트를 사용하게 되었고, 이를 통해 합병증 위험을 얼마나 줄일 수 있었는지 보여줍니다.

     

    Sim & Cure 엔지니어들이 이 과정에서 ANSYS Mechanical을 선택한 이유는 다음과 같습니다. 첫째로, 자체 유한 요소 분석 소프트웨어를 개발하는 데 필요한 시간과 자원을 절약하고자 했으며, 둘째로 의료 분야에서 최고 수준의 정확성과 최고의 평판을 가진 솔루션을 원했습니다. ANSYS Mechanical이 두 가지 모두를 만족하였으며, 유럽의 ANSYS 고객 지원팀은 Sim & Cure 엔지니어들과 긴밀하게 협력하여 빠르고 원활하게 통합될 수 있도록 도움을 주었습니다.

    Sim & Cure는 환자들의 고유한 동맥 기하 구조를 기반으로 임플란트의 확장 및 배치를 포함하는 동맥류 치료를 위한 디지털 트윈 통합 시뮬레이션 소프트웨어를 출시한 첫 번째 사례입니다. 유럽 내 3개의 병원에서 실시된 임상 시험을 통해 후속 수술과 수술 기간이 크게 단축되었음을 확인하였습니다. Sim & Cure의 솔루션은 현재 17개국에서 사용되고 있으며, 올해 말까지 2,000건이 넘는 수술에 사용될 예정입니다.

     

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