건강 검진기에 담긴 과학원리, 심전도

몇 달 전부터 가끔씩 가슴이 답답하고, 쥐어짜는 듯한 통증을 경험했던 이모(48)씨. 최근 들어 과중한 업무로 인해 스트레스를 받던 중, 갑작스럽게 참을 수 없는 호흡곤란과 가슴 통증이 생겨 병원을 찾았다. 

검사 결과 담당 의사는 “특별한 문제점은 발견되지 않았지만, 협심증 초기 상태일 수도 있다”라고 진단하며 “앞으로 3개월에 한번 씩은 병원에 와서 ‘심전도 검사’를 정기적으로 받아보는 것이 좋겠다”라고 권유했다. 

혹시 심장에 문제가 생긴 것이 아닌가 하고 걱정하던 이 씨는 한 숨을 돌렸지만, 이내 심전도 검사에 대한 궁금증이 생겼다. 심전도 검사에 대해 묻자 의사는 “심장의 현재 상황이나 심장 및 혈관과의 관계를 파악하는 검사”라고 설명하며 “이를 통해 심장의 활동 상태가 건강한지를 점검할 수 있다”라고 덧붙였다. 

■ 심장이 보내는 전기신호를 포착하는 심전도계 

심장은 우리 몸에 혈액을 공급하는 엔진과 같은 존재로서, 생명과 직결되는 기능을 가진 장기다. 항상 규칙적으로 박동하기 때문에, 생명이 붙어 있는 한 절대로 멈추는 법이 없다. 

하지만 심하게 놀라거나 스트레스를 받아 감정에 기복이 생기면, 호르몬 분비의 변화에 의해 심장 박동이 달라진다. 이럴 때 보통은 심장에 문제가 없는 경우, 어느 정도 시간이 흐른 뒤 예전 상태로 돌아가지만, 심장에 문제가 있는 경우에는 이상 신호를 보내게 된다. 

그런 이상 신호를 포착해 체계적으로 분석하는 기기가 바로 심전도다. ECG(electrocardiogram)라는 약자로 표시하기도 하는 심전도는 심장의 전기신호를 피부에 부착한 전극을 통해 기록하는 것으로서, 심장에 대한 검사 중에서도 가장 기본이 된다고 할 수 있다. 

전극은 신체의 여러 부위에 부착하는데, 이를 통해 심장 각 부위의 전기적 현상을 잘 이해할 수 있다. 이것은 마치 우리가 사물을 볼 때 한 쪽에서만 관찰하는 것 보다는 앞과 뒤, 그리고 위, 아래와 같이 3차원적으로 관찰해야 그 사물을 좀 더 정확히 이해할 수 있는 것과 같은 원리다. 

심전도는 각 부위의 전극에서 검출된 신호의 크기, 즉 전압을 시간에 대한 그래프로 나타낸다. 이를 통해 심장 각 부위에서 전압이 약하거나 강해진 것을 분석할 수 있으며, 심장의 리듬이 어떻게 불규칙한지, 또는 빠르거나 느린지를 알 수 있다. 

이 같은 심전도 검사는 흉통이나 호흡곤란과 같이 심장의 이상 증상이 있는 환자나 고혈압과 같이 심장에 영향을 주는 질환이 있는 환자가 검사할 때 주로 사용한다. 또한 입원이나 수술 전 환자에게는 기본적인 검사로 시행되는데, 검사 전에 특별한 준비사항이 없다는 것도 심전도 검사가 가진 장점 중 하나다. 

아래 사진은 26세 남성의 정상 심전도를 나타낸다. 파란색 상자 속의 패턴이 반복되는 것을 쉽게 알 수 있다. 가장 눈에 띄는 것은 키가 크고 날렵한 QRS파(QRS complex)형이다. QRS파는 심장 아랫부분인 심실의 기계적 수축을 뜻한다. QRS파를 중심으로 그 앞에 작은 돌기의 P파가 보인다. P파는 심장의 윗부분인 심방에 전기가 흐르면서 나타나는 파형으로 P파가 나타난 후에는 심방이 기계적으로 수축하게 된다. 

QRS파 뒤에는 P파보다 큰 돌기의 T파가 나타난다. T파는 심실이 수축한 후 다시 돌아오는, 즉 이완하는 과정과 관련이 있다. 정상 심전도의 파형은 P, QRS, T의 순서로 한 패턴이 되풀이 되는 파형이다. 
 

사진 1. 26세 남성의 정상 심전도(출처: wikipedia)



■ 입기만 하면 심전도를 측정할 수 있는 티셔츠형도 개발돼 

심전도를 개발한 사람은 네덜란드의 생리학자이자 의사인 ‘빌렘 에인트호벤(Willem Einthoven)’이다. 생리학에 대한 그의 관심은 인체 내를 흐르는 전기를 측정하기 위한 장치 개발로 이어졌는데, 신경 및 근육 등에 일어나는 전류를 측정하는 ‘혈전류계’를 최초로 고안해 생물전기 분야에 공헌하기도 했다. 

그러나 그의 연구는 혈전류계 개발에만 그치지 않았다. 혈전류계의 원리를 기반으로 심장에서 나타나는 전기 생리의 연구를 계속한 결과, 1901년 초기 형태의 심전도계가 만들어졌다. 하지만 당시만 해도 전선을 사람에게 연결한다는 것은 상상조차 할 수 없던 시대였기 때문에 그 대상은 ‘개’였다. 
 

사진 2. 초기 심전도계의 모습(출처: wikipedia)



개를 전선에 연결하면 타죽을 것이라 모두들 생각했지만, 에인트호벤의 생각대로 심전도 검사는 성공적이었다. 개를 대상으로 한 실험을 통해 자신감을 얻은 그는 여기서 한 발 더 나아가 의료기로서의 가능성까지 구상했다. 심장의 규칙적인 박동을 검사할 수만 있다면, 심장에서 나타나는 각종 질병과 이상 신호를 쉽게 알아낼 수 있을 것으로 생각한 것이다. 

병원 문까지 닫을 정도로 연구에 매진한 에인트호벤은 수많은 시행착오 끝에 결국 ‘단선 검류계’라는 현대적 심전도계의 초기 모델을 만든다. 이 장치는 전자선의 양극 사이에 은도금을 한 석영 선을 연결한 것으로, 심장근육의 수축 시에 발생하는 전류를 감지해 한 방향으로 통과시키는 방식이었다. 

이를 통해 에인트호벤은 심장의 수축과 완화 시에 서로 다른 뚜렷한 변화를 감지할 수 있었고, 비로소 심전도계라 부를 수 있는 기기가 탄생하게 됐다. 네덜란드 조그만 마을의 한 의사가 열정을 쏟은 덕분에, 인류는 오늘날의 심전도계를 갖게 된 것이다. 

최근에는 부경대학교 전자공학과 연구팀이 현대식 심전도계에서 한 단계 더 발전된 티셔츠 형심전도계가 개발돼 주목을 끌고 있다. 이 시스템은 온몸에 전극을 연결하는 불편을 덜고, 옷처럼 입기만 해도 간단하게 심전도 검사를 할 수 있는 기술이다. 이번에 개발한 심전도계를 통해, 앞으로는 병원에 가지 않고도 심전도 검사를 할 수 있을 것으로 보인다. 

글 : 김준래 과학칼럼니스트 

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[이달의 역사] 새로운 심장을 고동치게 하라

심장은 예로부터 생명력의 원천으로 인식됐다. 고대 이집트인들은 망자(亡者)의 심장을 저울에 올려 살아생전의 죄 무게를 가늠하는 신이 있다고 여겼으며, 천신제(天神祭)의 제물로 살아 있는 심장을 바치는 곳도 있었다. 그리스 신화 속 에로스는 사람의 심장에 황금 화살을 쏘아 사랑에 빠지게 만들거나 납화살을 쏘아 사랑을 거부하게 만들기도 했는데, 사랑의 상징인 하트(♡)가 심장과 동일한 단어인 것은 심장에 사람의 영혼과 마음이 모두 담겨 있다는 의미로 읽힌다.

17세기, 윌리엄 하비에 의해 심장은 영혼의 중심이 아니라, 혈액을 순환하는 펌프라는 사실이 밝혀졌지만, 그래도 심장의 중요성이 감소된 건 아니었다. 생존하기 위해서는 심장은 한순간도 쉬지 않고 뛰어야 했다. 심장의 박동을 방해하는 모든 종류의 상해와 질병은 단순히 불편하고 아픈 수준을 넘어 생존의 문제로 직결되기 때문이었다. 따라서 서서히 박동이 멈춰가는 심장을 지녔다는 사실은 가슴에 시한폭탄을 가지고 살아가는 것과 마찬가지였다. 그때 누군가 획기적인 생각을 해 낸다. 점점 멈춰가는 병약한 심장을 튼튼한 다른 심장으로 바꿔 줄 수는 없을까?

이 꿈같은 이야기가 현실이 된 것은 지금으로부터 꼭 47년 전이었다. 1967년 12월 3일, 남아프리카 공화국 케이프타운의 그루트슈어 병원에서 인류 최초의 사람 대 사람 심장 이식 수술이 시행됐다. 당시 집도의는 크리스티안 N. 바너드(Christiaan Neetihling Barnard, 1922~2001)라는 45세의 외과의사였다. 그의 앞에는 두 명의 환자가 누워 있었다. 한 명은 말기 심부전으로 고통 받던 루이스 와슈칸스키였고, 다른 쪽은 전날 교통사고로 뇌사 상태에 빠진 20대의 젊은 여성인 데니스 다발이었다.

세계 최초로 심장이식을 성공시킨 의사, 크리스티앙 바너드.
출처: 위키피디아



와슈칸스키는 점점 굳어가는 심장으로 죽어가는 상태였고, 다발의 심장은 아직도 힘차게 뛰고는 있지만, 뇌가 망가져 며칠 후면 저절로 멈춰버릴 운명이었다. 바너드와 18명으로 구성된 수술팀은 와슈칸스키 가슴에서 고장 난 심장을 제거하고, 건강하고 젊은 다발의 몸에서 떼어낸 심장을 이식하기 위해 일사분란하게 움직였다. 와슈칸스키의 동맥과 정맥에 연결된 다발의 심장이 타인의 몸에서 첫 박동을 시작했다. 드디어 세계 최초의 심장 이식 수술이 성공한 것이었다. 수술팀에서 환호성이 터져 나왔다. 그들은 눈앞에서 벌어진 현대의학의 기적에 기뻐하고 있었다. 특히나 5살 때 심장병을 앓던 형제를 잃은 경험을 가진 집도의 바너드의 회한과 기쁨은 더할 나위 없이 컸으리라.

아쉽게도 최초의 심장 이식이라는 드라마의 결말은 안타깝게 흘러갔다. 와슈칸스키는 수술 후 겨우 18일 만에 폐렴으로 사망해서 다발의 심장은 겨우 18일만 제 기능을 했기 때문이었다. 와슈칸스키가 수술을 받지 않았다 하더라도 18일 정도 생존하는 것은 가능한 일이었기에, 심장 이식은 성공했으나 환자의 수명 연장에는 도움이 되지 않았다는 아이러니한 결과로 끝을 맺었다.

하지만 1968년 초에 시도된 두 번째 심장 이식 수혜자는 수술 이후 18개월 동안 생존해 심장 이식이 결코 ‘실패한 환자 회복술’이 아님을 증명했다. 버나드의 심장 이식 성공과 두 번째 환자의 생존 기간 연장은 세계 각국의 심장병 환자들에게 새로운 가능성을 열어주기는 했지만, 1970년대 전반에 걸쳐 심장 이식은 그다지 활발하게 이루어지지는 못했다. 심장 이식 수술 이후 반드시 필요한 면역 억제제의 부작용이 매우 심해서 수술 이후 1년 이상 생존하는 환자가 극히 드물었기 때문이었다.

그래서 본격적인 심장 이식의 시대는 1983년부터 시작된다. 1983년은 효과가 뛰어나고 부작용이 적은 면역 억제제인 사이클로스포린이 미국식품의약국(FDA)의 승인을 받아 공식적으로 판매된 해였다. 사이클로스포린의 적용과 이식에 관련된 다른 의학적 발전의 도움에 힘입어 21세기 현재, 심장 이식의 1년 이상 생존율은 90%를 넘겼다. 또한 5년 이상 생존율도 75%를 넘어 이제 심장 이식은 명실공히 말기 심장 이상의 가장 효과적인 치료 방법으로 떠오르고 있다.

하지만 심장 이식의 성공률이 높아지자, 역설적인 문제가 드러나기 시작했다. 이식을 바라는 환자들의 수는 급증한 반면 심장 기증자의 수는 거의 늘어나지 않으며, 심각한 수요-공급의 부족으로 이식을 기다리다가 사망하는 환자들이 늘어나기 시작했던 것이다. 또한 심장은 신장과는 달리 사람마다 단 한 개뿐인데다가, 부분 이식이 가능한 간이나 골수와는 달리 전체가 모두 이식 돼야 하기 때문에 생체 이식이 불가능하다.

게다가 심장은 아직 박동이 멈추지 않은 상태에서만 이식이 가능하기에 대부분의 사체 기증자들은 심장 기증자가 될 수 없다. 즉, 심장이식은 죽은 이로부터 받아야만 하나 그 기증자가 완전한 사망 상태여서는 안 된다는 이중 조건을 모두 만족시켜야 한다. 그렇기 때문에 심장 기증자는 반드시 건강한 뇌사자여야만 해서 다른 장기에 비해 더욱더 대기 시간이 길 수 밖에 없었다.

그래서 최근에는 절대적으로 부족한 이식 가능 심장의 공급량을 늘리기 위해 다양한 시도가 행해지고 있다. 그중 하나는 2014년 10월에 호주의 세인트 빈센트 병원 의료진이 세계 최초로 성공시킨, ‘멈춘 심장’ 이식이다. 이들은 이미 동물 실험을 통해 개체가 완전히 사망하여 박동이 완전히 멈춘 심장이라도, 그 시간이 20분을 넘지 않았다면 특수한 용액으로 처리하고 산소가 함유된 따뜻한 피를 흘려 넣는 방법을 이용하여 박동을 되살릴 수 있음을 관찰한 바 있었다. 이들은 이 방법을 사람에게 적용해 각각 15분에서 20분 정도 멈췄던 사체의 신장을 세 사람의 환자에게 이식해 이들을 모두 회복시키는데 성공했다고 발표해 심장 이식의 새 장을 열었다. 이 방법을 이용한다면, 뇌사자가 아니더라도 생전에 사체 기증을 희망한 사람이라면 누구나 심장 기증자가 될 수 있으므로 더 많은 이들에게 새로운 심장을 찾아줄 수 있다.

하지만 이 방법은 어쨌든 누군가가 죽어야만 내가 살 수 있다는 생명 교환의 1:1 법칙에서 벗어나지 못한다는 근본적 한계를 지닌다. 그래서 어떤 이들은 누군가의 희생 없이도 새로운 삶을 얻을 수 있는 방법, 즉 인공심장을 연구하기도 한다. 1957년부터 동물을 이용해 시도된 인공 심장 이식술은 꾸준히 발달해 1973년 미국 유타 대학교 연구팀은 인공 심장을 단 송아지를 297일 동안 생존시키는데 성공하기도 했다. 잇단 동물 실험의 성공으로 자신감을 얻은 유타대의 윌리엄 도브리스 박사는 세계 최초로 1983년 12월 1일, 사람에게 인공 심장을 연결하는 획기적인 시도를 하게 된다.

최초의 이식 환자는 인공 심장을 연결하고 112일을 더 사는데 성공했고, 같은 시기 수술 받은 또 다른 환자는 620일을 더 살았지만, 초기의 인공 심장은 무게가 무려 170kg에 달해 이동이 불가능했기에 완벽한 생존이라고 보기엔 어려웠다. 하지만 인공 심장에 대한 이식 가능성이 있다는 소식이 알려지자 뛰어난 기술자들이 인공 심장의 개선에 뛰어들었다. 그래서 2008년 미 FDA에 의해 승인받은 인공 심장은 심장의 기능을 대신하면서도 심장보다 약간 커서 이식 수술 이후 가벼운 외부 활동도 가능하다고 한다. 현재 이 인공 심장을 이식받은 이들은 전 세계적으로 13,000여명에 달하며 초기 수술자들 중 일부는 아직도 생존해서 매일같이 인공 심장 이식 생존율의 신기록을 경신하고 있는 중이다. 끊임없이 박동하는 심장의 고동만큼 건강한 삶을 위한 인류의 노력도 끊임없이 고동치고 있는 중인 셈이다.

글 : 이은희 과학칼럼니스트

 

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