신생아 심박까지 정밀 재현… 차세대 심혈관 시뮬레이터 국내 개발

• 경희대 연구팀, 자성 밸브 기반 고정밀 생체 모사 기술 구현

신생아의 빠른 심장 박동까지 정밀하게 구현할 수 있는 심혈관 시뮬레이터가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 경희대학교 박윤석 교수 연구팀이 사람의 대동맥 판막 구조를 모사한 소프트 자성 심장 밸브와 고정밀 심혈관 시뮬레이터를 개발했다고 19일 밝혔다.

이번 연구는 유아·소아의 고심박 상태나 고강도 운동 중 발생하는 부정맥 등 다양한 병리적 조건을 실시간으로 재현할 수 있다는 점에서 기존 기술의 한계를 넘어섰다는 평가를 받는다.

기계식·유압식 한계 넘어선 자성 기반 시스템

심혈관 질환은 전 세계 사망 원인 1위로 꼽힌다. 이를 조기에 진단하고 효과적인 치료법을 개발하기 위해서는 인체 혈압과 맥압의 실제 변화를 모사할 수 있는 정밀한 시뮬레이터가 필요하다.

하지만 기존의 기계식 밸브나 유압 펌프 방식은 구조가 복잡하고 크며, 빠르고 정교한 제어가 어렵다는 문제가 있었다. 특히 분당 300회에 달하는 신생아의 심박수나 병리적 부정맥 상황까지 구현하려면 훨씬 더 빠른 응답성과 제어 정밀도가 요구된다.

자기장 기반의 유연한 심장 밸브 개발

연구팀은 사람의 대동맥 판막처럼 3개의 판막엽으로 구성된 자성 심장 밸브를 구현했다. 탄성 고분자에 강자성 입자를 균일하게 분산시킨 이 구조물은 외부 자기장의 세기와 방향에 따라 개폐 동작을 자유롭게 수행한다. 이로써 심장 수축기와 이완기에 혈액이 한 방향으로 흐르도록 자연스러운 흐름을 재현할 수 있다.

연구팀은 이 자성 밸브를 적용해 심혈관 시뮬레이터 전체를 구성했다. 해당 시스템은 심박수 300bpm 이상의 극한 조건에서도 안정적으로 작동하며, 유아부터 성인에 이르는 다양한 혈압 파형을 1mmHg 이내 오차로 정밀하게 재현할 수 있다고 설명했다.

심장 로봇부터 의료 시뮬레이터까지 응용 기대

박윤석 교수는 “자기장을 이용해 유체의 흐름과 압력을 실시간으로 제어할 수 있기 때문에, 정상 맥압뿐 아니라 병적 상태의 비정상 파형까지도 세밀하게 모사할 수 있다”고 밝혔다.

또한 이 기술은 생체모사 시스템, 의료용 시뮬레이터, 휴머노이드 로봇 심장 등 다양한 정밀 장비에 응용 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials) 지난달 24일 자에 게재됐다.

김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr