림프계는 인체의 주요 순환/면역계로, 림프관, 림프절, 그리고 면역기관을 포함한다. 림프 순환을 통해 몸속의 수분 균형을 조절하며, 각종 병원균으로부터 우리 몸을 보호할 수 있다. 림프관은 혈관에서 누출된 약 3~5 리터의 액체를 하루에 다시 혈류로 전달하며, 림프절에서는 이 액체에 포함된 노폐물 및 외부 감염체를 필터링하는 면역 기능을 수행한다. 림프부종은 이러한 림프의 순환이 선천적 혹은 후천적 원인으로 막히게 되어 몸의 체액 배출이 막히고 면역에 문제가 생기는 질환이다. 그 중 후천적인 원인으로 발생하는 림프부종인 이차성 림프부종은 대부분 암 치료 후 합병증으로 발생하는 경우가 많다. 유방암 치료를 받은 환자 중 최대 50%가 이 문제를 겪을 수 있는 것으로 보고되고 있다. 오늘날, 암 환자 수가 계속 증가하고 있으며, 치료 후 생존률도 높아지고 있기 때문에 림프부종 환자의 수도 자연스럽게 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 현대의학의 암 관리에서 암 치료 후의 삶의 질과 사회로의 복귀에 대한 중요성이 강조됨에 따라 림프부종의 진단과 치료가 더욱 중요하게 여겨진다. 림프부종을 진단하는 방법에는 혈량측정법, 사지둘레측정법, perometer, 생체 저항 측정법 등 다양한 기술을 적용하고 있으나 현재까지 가장 효과적이고 정확한 진단 방법은 아직 개발 중이며 조기진단이 어려운 문제점이 있다. 림프부종은 초기에 발견하면 적절한 관리를 통해 악화를 막을 수 있으나, 조직 변형이 동반되는 ISL (International Society of Lymphedema 기준) 2기 이상에서는 난치성 질환으로 발전되어 수술과 복잡한 치료 방법을 동원해도 완치가 쉽지 않다. 그러나 임상 현장에서 병원을 방문하는 환자들은 절반이상 2기 이상의 환자들이 많은 것이 현실이다 (그림 1).
▲그림 1. 의료기관을 찾는 림프부종 환자의 병기(ISL기준) 별 비율
진단 방법 중 해부학적 진단법(CT 및 MRI 등 신체 내부를 영상화 하는 기술을 이용한 진단법)은 비교적 정확하지만, 비용이 높고 환자의 부담이 크며 극초기 환자를 진단하는 데는 유용하지 못하다. 반면, 비해부학적 진단법은 비용이 낮고 환자의 참여율이 높으며 림프부종 초기에 발생하는 간질액 증가와 이에 의한 변화에 초점이 맞춰져 있으므로, 조기 진단 시스템을 구축하는 데 유리하다.
이 발명은 림프부종 환자의 피부 탄력도 저하를 정밀하게 측정하는 광학적 방법과 그를 위한 장치에 관한 것이다. 이 발명의 장치를 통해 초기 림프부종의 징후로 나타나는 피부의 탄력도 변화를 정밀하게 파악하고, 이를 기반으로 조기에 질병을 진단할 수 있다. 림프부종이 발생하면 체내 간질액 축적과 더불어 염증 및 섬유화 발생으로 피부의 경화도 발생하게 된다. 이 장치의 핵심은 이러한 피부의 변화를 핸드헬드 방식으로 사용 가능한 광학부와 피부에 진동을 주는 진동부로 구성된 장치를 이용하여 비침습적으로 비교적 간편하게 림프부종의 발생을 예측 혹은 진단할 수 있다 (그림 2).
광학부는 3축의 측정을 가능하게 하는 3개의 센서로 구성되며, 이 센서들은 진동부를 중심으로 정삼각형 형태로 배치된다. 진동부는 피부에 미세한 진동을 주어 피부의 반응을 측정하게 된다 (그림 3).
림프부종 환자의 피부는 탄력도가 저하되기 때문에 진동에 의한 피부 움직임의 파형과 주기가 변하게 되며, 이 장치를 사용하여 측정한 결과는 정상 피부와의 차이를 확연히 보인다. 진동에 응답하는 피부의 반응을 광학적으로 측정하면 아직 눈으로 확인하기 어려운 초기 림프부종도 감지할 수 있다. 이 장치의 레이저 부분은 광학적 변조를 위한 구조를 갖추고 있으며, 빔스플리터, 광학변조기, 그리고 다양한 렌즈를 포함하고 있다 (그림 4).
이를 통해 피부에 정밀하게 레이저 빔을 조준하고, 피부의 반응을 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 최종적으로, 이 장치의 출력부에서는 피부의 진동 속도, 위상 변화 등 다양한 파라미터를 출력하게 된다. 이 정보를 바탕으로 의료 전문가는 림프부종의 초기 징후를 빠르게 파악하고 적절한 치료 방법을 결정할 수 있다 (그림 5).
▲그림 2. 본 발명 장치의 구성
▲그림 3. 본 발명 장치의 핵심 진동부 및 광학부 구성
▲그림 4. 레이저 도플러 진동계 기반 광학 진동 측정부 구성
▲그림 5. 광학부 신호 변화의 측정 방법
림프부종의 진단에 피부 탄성도의 정량값이 포함되지 않은 주된 원인 중 하나는 피부 탄성도의 측정값을 정확하게 정량화하는 것이 어렵다는 점이다. 기존에 사용되던 기계식 방식의 탄성도 측정 방법은 다양한 변수에 영향을 받을 수 있어 정밀도에 한계가 있었다. 예를 들면, 압력센서의 사용 시 수검자가 적용하는 압력의 정도나, 진공 흡입기를 사용할 때의 흡입 정도 등이 측정 결과에 영향을 줄 수 있었다. 이런 방식은 환자와의 직접적인 접촉이 필요하여 환자에게 불편함을 줄 수 있었다. 하지만 본 발명은 광학적 방식을 통한 피부 탄성도의 측정을 제안한다. 이 방법은 피부와의 접촉을 최소화하면서도, 매우 정밀한 측정이 가능하다. 광학적 측정 방식은 수 나노미터 수준의 정밀도를 가지므로, 미세한 변화조차도 정확하게 측정할 수 있다. 이러한 특성은 환자의 불편함을 최소화하면서도 높은 정밀도의 측정 결과를 제공하므로, 림프부종의 조기 진단과 같은 중요한 의료 상황에서 큰 도움이 될 것이다. 결론적으로, 이 발명은 림프부종의 조기 진단에 큰 도움을 줄 수 있는 혁신적인 기술을 제공한다.
본 발명은 한국연구재단 중견연구자지원 사업 “암 수술 후 발생하는 이차성 림프부종 치료를 위한 림프 그래프트 연구”(No. NRF-2019R1A2C1009055) 및 기본연구 사업 “이차성 림프부종 중재 치료를 위한 광학적 림프 순환 조절 기술 개발”(No. NRF-2021R1F1A1056527)의 지원으로 진행되었다.
※ 전재용 교수는 2012년부터 우리 병원 재활의학과, 의공학연구소 중재의학연구개발센터 및 암병원 암환자라이프케어센터 책임교수로 재직 중이다.
현재 울산대학교 재활의학과 주임교수 및 재활연구센터 교수로 림프질환 연구 및 암재활 연구에 매진하고 있으며, 국책과제 수행을 통해 아직까지 미지의 영역인 림프계에 대한 이해의 폭을 넓히고 림프질환 환자의 효과적인 치료/진단 기술 개발을 위해 노력하고 있다