3D프린터 통한 ‘맞춤형 인공관절 수술’, 수명연장 기대

[이데일리 이순용 기자]퇴행성관절염은 무릎을 보호하는 연골이 노화 혹은 무리한 활동으로 인해 손상되면서, 염증을 일으키는 질환이다. 연골에는 혈관이 없어 피가 닿지 않기 때문에, 혈액 속 재생인자의 역할이 이루어지지 않는다. 때문에 한 번 손상된 연골은 자체 회복되지 않아, 퇴행성관절염이 진행되면 이전처럼 회복하기 어렵다.

연골손상이 비교적 심하지 않은 퇴행성관절염 초·중기에는 신체 줄기세포를 이용해 연골세포를 재생성시키는 치료를 통해 연골을 재생시킬 수 있다. 하지만 연골이 심하게 손상되어 뼈와 뼈가 맞닿는 말기상태라면, 인공관절 수술을 진행한다.

인공관절 수술은 염증을 일으키는 관절 대신에 인체에 무해한 인공 세라믹이나 금속재질 등으로 제작된 인공관절을 무릎 내에 이식하는 수술법이다. 인공관절 수술을 시행하면, 통증의 근본적인 원인이 해결되기 때문에 극심했던 통증이 사라지게 된다. 또한 인공관절 수술 후 다리의 통증이 사라지면서 움직임이 많아지기 때문에 다리의 근육이 늘어나 힘이 생기게 된다. 통증이 사라지며 무릎의 운동성이 높아져 일상생활이 원활해지고, 적당한 스포츠와 레저 활동도 즐길 수 있다.

하지만 인공관절 수술은 환자의 몸상태, 활동량, 수술 정확성 등에 차이가 있지만, 보통 15~20년 정도의 수명을 갖는다. 제한된 수명을 가지기 때문에 수술에 앞서 시기를 잘 고려해야한다. 인공관절은 주로 재수술에 대한 부담이 없는 65세 이상의 고령 환자들에게만 수술을 권유하고 있다.

권오룡 강남 연세사랑병원 관절센터 부원장은 “퇴행성관절염 말기는 연골이 거의 없거나, 다 닳아 뼈와 뼈가 맞닿는 상태이기 때문에 통증이 극심하여 인공관절을 이식하는 수술을 진행해야 한다”며 “인공관절 수술을 통해 통증의 근본적인 원인이 사라지기 때문에 통증이 줄고 무릎 기능이 회복될 수 있다”고 말했다.

3D 프린터 이용한 ‘맞춤형 수술도구’ 제작, 정확성 및 안정성 높여

최근에는 3D프린터를 이용하여 인공관절 수술의 정확성을 높이고 수명연장까지 기대할 수 있는 수술법이 도입되어 주목을 받고 있다. 환자 개개인의 무릎에 맞는 수술도구를 제작하여 수술을 진행하는 ‘맞춤형 인공관절 수술’이다. 미국에서는 2009년부터 시행됐으며, 국내의 경우 2010년 1월에 식품의약품안전처로부터 승인을 얻은 후 본격적으로 시행됐다. 지난해 기준으로 전 세계에서 약 4만례 가량 시행된 것으로 보고되고 있다.

‘맞춤형 인공관절 수술’은 수술받기 1~2주 전 컴퓨터단층촬영(CT) 혹은 자기공명영상(MRI) 을 통해 무릎 관절의 모양과 크기를 정확하게 측정한다. 이후 환자의 무릎을 3D 입체영상으로 만들어 환자의 무릎 모양을 재현한 후, 3D프린터를 이용해 환자의 연골 병변 두께, 모양, 하지정렬에 맞는 인공관절모형을 제작한다. 이 모형에 맞게 컴퓨터와 3D 프린터를 이용하여 인공관절이 정확하게 삽입될 수 있도록 환자의 관절 모양을 절삭하는 수술도구를 제작하여 인공관절 수술을 시행한다.

맞춤형 인공관절 수술은 MRI 혹은 CT 등 3차원적인 이미지를 통해 환자의 무릎모양을 정밀하게 측정해 수술도구를 제작하기 때문에, 환자에게 맞게 관절을 잘라 인공관절을 정확하게 삽입할 수 있다. 또한 이미 제작된 수술도구를 통해 수술을 진행하므로 하지 정렬의 오차없이 정확한 수술이 가능하며, 절개 부위가 축소되며 수술 시간도 단축된다. 기존의 긴 수술시간에 따른 폐부종, 하지정맥혈전증, 폐색전증, 출혈량 증가 등의 합병증을 줄일 수 있어 수술의 안정성도 대폭 높아졌다.

‘맞춤형 인공관절 수술’, 인공관절 수명연장 기대

특히 무릎 인공관절 수술은 하지정렬을 정확히 맞추는 것이 중요하다. 하지정렬은 우리 몸의 몸무게를 지탱하는 중요한 요소로 인공관절의 수명에 지대한 영향을 미친다. 이렇게 중요한 하지정렬을 맞추는 방법으로, 로보트를 이용한 수술(Robodoc), 네비게이션을 이용하는 수술 등 여러가지가 소개되었다. 하지만, 로보트를 이용하는 수술이나 네비게이션을 이용하는 수술은 무릎 관절외에 가이드핀을 위치시킴으로써 절개부위가 커지며 감염이 발생할 수 있다. 환자의 해부학적 구조를 등록시키는 데 따른 오차 및 긴 수술시간에 따른 합병증이 발생할 가능성도 있다.

또한 사람마다 무릎 관절의 모양 및 구조가 개개인마다 다르며 인종, 생활습관, 관절염의 진행정도 등에 따라 관절의 모양도 달라지는데, 기존의 인공관절 수술은 이러한 차이를 고려하지 않고 일률적으로 같은 수술방법을 적용했다. 특히 인공관절을 삽입할 위치를 잡기 위해 관절 부위를 잘라내면서 인대 및 근육, 힘줄 등 주변 연부조직이 손상될 수 있었으며, 수술 후 부자연스러움, 하지정렬의 부조화 등의 부작용이 존재했다.

하지만 맞춤형 인공관절 수술은 수술도구를 이용하여 잘라낼 손상 조직의 위치와 각도를 정확하게 정할 수 있기 때문에 수술의 정확성이 높으며, 이에따라 인공관절의 수명 향상까지도 기대할 수 있다. 또한 지난 해까지 환자의 무릎 모형을 미국 업체에 의뢰해 약 6~8주 정도 뒤에 수술이 가능했지만, 최근 3D 프린터를 이용하여 맞춤형 수술도구를 제작하는 기술이 국내에서 개발되면서 수술도 약 1~2주 정도 후에 가능해졌다.

고용곤 연세사랑병원 원장은 “맞춤형 인공관절 수술은 정확성이 높기 때문에 수술 오차범위를 줄일 수 있어 인공관절의 수명 향상도 기대할 수 있다”며 “특히 국내에서 3D프린터를 이용해 환자 무릎 맞춤형 수술도구를 제작하는 기술이 처음으로 개발되면서, 수술 대기시간도 1~2주 정도로 짧아져 환자의 만족도도 높아졌다”고 말했다.

권오룡 강남 연세사랑병원 관절센터 부원장이 퇴행성관절염 환자에게 맞춤형인공관절 수술도구를 가지고 맞춤형인공관절 수술에 대해 설명하고 있다.