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전기수술!  이제 어느 수술방에서나 외과의사라면 누구나 사용하는 필수 수술방법 입니다.  그렇지만, 그 중요도에 비해 너무나 올바른 사용법에 대해서는 덜 알려져 있기에 블로그 포스팅을 통해 한 분이라도 이해도가 높아지기를 기원합니다.

오늘 쓰는 글을 이해하기 위해서는 앞선 포스트의 글을 읽어두시는 것이 좋습니다.  혹, 오늘 처음 글을 보시는 분들을 위해 이전 포스팅 링크를 아래 걸어두겠습니다.

2008/12/09 - [수술공학] - 전기수술! 제대로 알고 합시다 (2)
2008/12/06 - [수술공학] - 전기수술! 제대로 알고 합시다 (1)


오늘의 주제는 전류밀도(current density)전기수술팁 및 전극에 대한 이야기 입니다.

일반적인 전기수술 기구의 팁은 어떻게 생겼나요?  용도에 따라 다른 팁을 사용할 수는 있지만, 가장 많이 사용하는 녀석은 한쪽 면은 넓적하고 다른 면은 얇게 생긴 형태의 팁입니다.  이런 모양의 팁을 디자인한 이유는 전류밀도에 대한 개념을 이해하시면 알 수 있습니다.

전류밀도라는 것은 파워밀도와 동일하게 사용되고 있는 용어인데, “특정 접촉면적에 전달되는 에너지의 양”을 의미합니다.  이는 전기수술에 있어 가장 중요한 파라미터의 하나입니다.  예를 들어, 아주 가는 철사줄 같은 전극을 이용하면 아주 쉽게 조직을 절개할 수 있습니다만, 수술 중 발생하는 미세 출혈에 대한 지혈을 하기가 쉽지 않습니다.  그렇다고, 중간에 수술 모드를 바꾸는 것도 상당히 귀찮은 일이죠?  이런 부분을 방지하기 위해서 약간 넓적하지만, 끝이 얇은 형태의 팁이 많이 이용됩니다.  이런 팁을 이용하면 조직절개는 얇은 쪽으로 하고, 지혈을 할 때에는 넓은 면을 이용하면 되기 때문입니다.  물론 모드는 보통 “cut”에다 놓고 하는 것이 좋습니다.  수술모드가 다르지만 수술 팁이 닿는 면적의 차이를 이용하여 다른 용도로 사용하는 것입니다. 

이쯤 되었으면 하나 퀴즈를 내 보겠습니다.  전기수술을 할 때(모노폴라) 수술을 하는 팁은 항상 절개도 되고 지혈도 잘하는데, 정작 같은 전류가 흘러들어갈 수 밖에 없는 몸에 부착한 패드(이를 다른 말로 분산 전극, dispersive electrode라고 합니다)에는 이런 작용이 일어나지 않는 것일까요?  정답은, (반전해서 보세요)

두 전극에서 나오고 들어가는 전류의 양은 동일합니다.  그렇지만 두 전극이 몸에 닿는 면적의 차이가 엄청납니다.  이로 인해 패드 쪽은 전류밀도가 낮고, 수술 팁 부분은 전류밀도가 매우 높습니다.

이런 이유 때문에, 그라운드 패드를 붙이고 관리하는 것이 매우 중요한 것입니다.  가능한 넓은 면적에 특정 지역에 전류밀도가 높아지지 않도록 항상 주의를 기울이는 것이 중요합니다.  일부 뼈가 튀어나온 자리 같은 곳에 패드가 붙어있을 경우 그 부위에 전류밀도가 높아지면서 화상을 입을 수가 있습니다.  전기수술을 하면서 가장 흔히 생길 수 있는 부작용입니다.  최근 나오는 기계 중에는 그라운드 패드에 이런 문제가 생길 경우 이를 감지하는 기술이 들어가 있는 것들이 있습니다.  REM(Return Electrode Monitors)이나 NESSY(Neutral Electrode Safety System) 등이 그런 것들인데, 이런 기능이 들어가 있는 전기수술 기구들이 당연히 더 안전하고 좋습니다.

가는 와이어 루프 형태의 전극이 위장내시경 수술을 할 때나 자궁경을 할 때 많이 이용됩니다.  이렇게 와이어가 가늘면 조직에 닿는 면적이 작아지고, 아주 깨끗하게 절단이 됩니다.  가는 와이어를 쓴다면 그다지 큰 파워를 주지 않아도 잘 동작합니다.  어떤 경우에는 가는 와이어에 일반 전기수술을 할 때와 비슷하게 높은 파워를 줄 경우에 화상을 입히는 경우도 있으니 주의해야 합니다.


Aaron 사의 disposable loop

루프를 어떻게 위치시키는 지도 중요합니다.  루프가 전극을 활성화시키기 전에 약간 조직 내에 묻히게 되면, 처음에 조직이 닿는 면적이 많아지게 되어 파워밀도가 낮아지는 현상이 나타납니다.  그렇게 되면 조직이 빨리 잘라지지 않고 주변의 정상 조직으로 열이 파급되어 화상을 입히게 될 수도 있습니다.  그러므로, 올바른 테크닉은 조직에 루프가 닿기 직전에 전극의 스위치 온을 하는 것입니다.  그리고, 재빠르게 절제를 합니다.

복강경 수술을 할 때에는 파워밀도에 따라 다양한 형태의 전극을 선택할 수 있습니다.  후크처럼 생긴 전극이 가장 쓸모가 많은데, 지혈도 어느 정도 하면서 쉽게 절개와 조직의 박리가 가능합니다.  간혹 바늘처럼 생긴 전극을 사용하는 경우도 있는데, 이런 전극은 깨끗하게 절개를 하는데 유용하지만, 지혈을 하지는 못합니다.  볼처럼 생긴 전극은 비교적 넓은 지역을 지혈을 할 때, 특히 조직에서 혈액이 oozing 할 때 사용하기 좋습니다.  주걱처럼 생긴 전극도 많이 이용되는데 이러한 파워밀도의 원리를 이용해서 적당한 각도를 이용하면 다양한 형태의 조작이 가능합니다.  

그렇기 때문에 사실 전기수술을 할 때에 적당한 수술 팁을 이용한다면 굳이 전기수술 모드를 고전압인 "coagulation"으로 놓지 않고, "cut" 만으로 지혈과 절개를 자유자재로 할 수 있습니다.   

모노폴라 전극을 이용해서 복강경 수술을 할 때 정상적인 내장기관에 화상을 방지하는데 생리식염수를 이용할 수 있습니다.  생리식염수는 전기가 잘 흐르지만 전체적으로 흘러나가서 밀도를 낮추면 되기 때문에, 어떤 경우에는 반드시 보호해야 하는 내장기관을 식염수에 담겨있도록 할 수 있습니다.   식염수를 주입하고 환자의 포지션을 적당하게 바꾸어서 보호할 내장기관을 식염수에 담그게 만든 뒤에 수술을 하는 것입니다.  참고로 전기가 잘 흐르지 않는 증류수나 글라이신 같은 액체는 이런 보호효과가 전혀 없습니다.  비슷한 방식을 자궁경 수술을 할 때에도 적용할 수 있습니다.  수술을 하지 않는 근처의 내장들을 생리식염수에 담그고 수술을 하는 것입니다.


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미래는 하이컨셉, 하이터치의 세계라고 합니다. 너무 메마르고 딱딱한 이야기보다는 글로벌 시대에 어울리는 세계 각국의 이야기, 그리고 의학과 과학을 포함한 미래에 대한 이야기의 세계로 여러분을 초대합니다.

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전기수술!  이제 어느 수술방에서나 외과의사라면 누구나 사용하는 필수 수술방법 입니다.  그렇지만, 그 중요도에 비해 너무나 올바른 사용법에 대해서는 덜 알려져 있기에 블로그 포스팅을 통해 한 분이라도 이해도가 높아지기를 기원합니다.

오늘 쓰는 글을 이해하기 위해서는 앞선 포스트의 글을 읽어두시는 것이 좋습니다.  혹, 오늘 처음 글을 보시는 분들을 위해 이전 포스팅 링크를 아래 걸어두겠습니다.


2008/12/06 - [수술공학] - 전기수술! 제대로 알고 합시다 (1)


전기수술을 할 준비가 다 되었다면 전기수술기기(ESU)에서 파워를 설정해야 합니다.  보통 “Cut”과 “Coagulation”으로 통용되기도 합니다만, 파워를 어떻게 설정하는지가 전기수술에 있어서는 무척 중요합니다.

파워는 에너지가 전달되는 비율로 단위로 Watt를 씁니다.  파워는 다음의 공식으로 계산합니다.  즉, 전압이나 전류를 높이면 어느 쪽이든 파워를 높이게 됩니다.

Power = Voltage x Current 

보통 일반 가전제품에도 원리는 똑같습니다.  예를 들어, 1500W의 헤어 드라이어가 있다면, 220V가 적용되므로 전류는 1500/220=6.82A를 소비합니다.   같은 기기에 100V를 꽂는다면 (다중전압기기라면), 1500/100=15A로 2.2배 많은 전류가 흐르겠지요?

파워에 대한 설명을 하는 것은 전기수술을 이해할 때 중요한 수술모드에 대한 이해에 필수적이기 때문입니다.  보통 흔히 "Cut"이라고 하는 모드는 같은 파워를 이용할 때 전류가 많이 흐르고 전압이 상대적으로 낮은 것이고, "Coagulation"이라는 모드는 전압이 높고 상대적으로 전류가 적게 흐르는 모드입니다. 

이 부분에 대한 이해가 매우 중요한데, 그 이유는 대부분의 외과의사들이 전기수술을 할 때 파워와 모드만 설정하고 사용을 하는데, 그 밑에 깔린 원리를 이해하지 못하면 전기수술 도구를 효과적으로 사용할 수 없기 때문입니다.  복잡한 수치를 알기보다는 "Cut" 모드는 전류가, "Coagulation" 모드는 전압이 높은 것이라는 것은 반드시 기억해 두시기 바랍니다.

이제 여기에서 한 가지 더 기초적인 전기물리학 공식을 알아야 합니다.  Ohm의 법칙 모두 아시죠?  공식은 모두들 잘 아시겠지만, 재미를 위해 ... (반전해서 보세요)

V = I x R (전압 = 전류 x 저항)

전기수술을 할 때 외과의사가 파워와 모드를 결정하는 것으로 어느 정도는 전압과 전류는 결정이 가능합니다.  그런데, 저항은 의사 마음대로 안되지요?  저항은 조직마다 다르니까 말입니다.  실험에 의하면 마른 손바닥 조직의 경우 약 10만 ohm 정도의 저항이 있고, 지방조직은 2000 ohm, 근육은 400 ohm 정도가 된다고 합니다.  차이가 크지요?  특히 혈액이나 근육이 저항이 낮은 것은 비교적 전해질이 많기 때문에 그렇습니다.  이러한 조직의 차이보다 더 중요한 것은, 전기수술을 하면서 조직이 마르고, 까맣게 탄소화가 되는데 이렇게 변한 조직은 갑자기 저항이 변하게 됩니다. 

다시 말해 40W 정도로 일정하게 설정을 하고, 동일한 모드로 수술을 시행한다고 해도 조직이 다르고, 동시에 팁에서 조직의 거리가 다르면 계속 다른 전압이나 전류가 조직에 흐르게 되는 것입니다.  동일한 조직에 일정한 팁과 조직의 거리를 유지하면서 동일한 속도로 수술을 진행한다면 이런 문제가 없겠지요?

일부 전기수술 기구들은 이렇게 변화하는 조직의 저항을 감지해서 파워를 조절해서 항상 일정한 전압이 전달되도록 하는 것들도 있습니다.  이를 Constant Voltage Generator 라고 하는데, 조금 비싼 전기수술 장비가 되겠습니다만, 전기수술을 할 때 절개를 하는 조직 옆으로 생기는 조직손상을 많이 줄여 줍니다. 

비슷한 원리로 Valleylab에서는 “Instant Response”라는 조금 더 진보한 기술을 도입했는데, 이 기술은 조직의 종류와 수술의 속도를 감안해서 자동으로 전압과 전류를 조절하는 것입니다.  전압을 일정하게 유지시키지는 않지만, 일정한도를 넘지 못하도록 합니다. 



Valleylab의 Instant Response 기술


이제 전압과 전류가 조직에 미치는 영향을 이해해야 합니다.  전압은 글자 그대로 압력과도 같아서 전류를 조직에 밀어 넣는 힘이라고 이해하시면 됩니다.  전류는 전기의 흐름이 물처럼 흘러 들어가는 양입니다.  앞서도 설명한 바와 같이 “Coagulation” 모드를 선택하면 같은 파워에서는 전압이 높게 되는 것이고, “Cut” 모드를 선택하면 전류가 많이 들어갑니다.  그러므로, “Coagulation” 모드를 이용해서 모노폴라 팁을 쓰는 경우에는 높은 전압이 흐르기 때문에 원하지 않는 전기가 주변 조직으로 튀는 현상(이를 ‘stray energy’라고 합니다)에 의해 정상 조직을 조금씩 손상시킬 우려가 있습니다.  또한, 수술을 하다가 간혹 생기는 수술장갑을 뚫고 들어오는 전기손상 역시 전압이 높게 설정되어 있는 이 모드에서 많이 발생합니다.  더구나, 모노폴라의 팁이 제대로 절연이 안되어 있는 경우에는 상당히 위험할 수 있습니다.  그렇기 때문에, 절대로 일회용 팁을 재사용하면 안됩니다.

“Cut” 모드에서는 전류가 많이 흐릅니다.  그렇지만, 전압이 낮기 때문에 엉뚱한 곳으로 튀는 일은 덜 발생합니다.  눈에는 잘 보이지 않지만(보이기도 합니다), 전기수술을 하는 동안 지속적인 스파크가 일어나는데, “Coagulation” 모드에서는 비교적 멀리 떨어져 있는 조직에 스파크가 길게 일어날 수도 있지만, “Cut” 모드에서는 짧은 스파크가 일정하게 일어나면서 높은 온도를 만들어냅니다.  절대적인 전류의 흐름이 많기 때문에, 이 모드에서 조직의 온도가 빨리 올라갑니다.

오늘은 여기까지 하겠습니다.  다음 번에는 전기수술의 전류의 밀도와 수술팁의 모양이 미치는 영향에 대해서 다루어 보겠습니다.  그럼 안전한 수술하세요 ^^;


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전공이 의학 + 공학을 한 몸인지라 병원에서 사용하는 각종 의료기기들이 저의 주 관심대상입니다. 
제가 미국에서 공부를 할 때, 인상적이었던 것들이 병원에서 간혹 의사들을 대상으로 간혹 의료기기의 원리와 그에 대한 올바른 사용법에 대한 강의를 하는 것 이었습니다.  어찌보면 상당히 의학하고는 거리가 멀어보이는 기초공학적 이야기도 있고 하지만, 그러한 원리의 이해를 무척이나 중시합니다.

유감스럽게도 국내에서의 의료기기 교육은 정말 최악(?)의 수준입니다.  기껐해야 의료기기 판매업자가 병원에 와서 매우 간단한 기능설명(이 버튼을 누르면 어떻게 되고, 수치는 얼마를 넣고, 이떻게 하시면 됩니다 수준 ...)만 하고 돌아가지요?  혹시라도 원리나 기능에 대한 심도있는 질문을 하면, 이 양반 좀 이상하네? 하는 눈으로 쳐다보는 것 같기도 하구요 ...

각설하고, 요즘의 의학은 수많은 의공학 기술들이 같이 접목되어 발전하고 있습니다.  그 만큼 의공학에 대한 이해가 중요한 시기가 되었다는 것이죠.  가끔은 의공학 관련 테마를 하나씩 잡아서 포스팅을 할까 합니다.   앞으로 몇 차례 정도는 아마도 의사들이 가장 많이 사용하는 도구인 전기수술(electrosurgery)의 원리와 그에 대한 올바른 사용법에 대해 알아보겠습니다.

최근에는 많은 의학드라마들을 통해서 의사들이 수술하는 장면들이 TV화면으로 소개가 되는 통에, 일반인들도 수술에 사용되는 수술도구들을 많이 보셨으리라 생각합니다.  뭐 대부분 특별한 것 없습니다.  아래 그림에 나오는 것들 정도가 일반적이지요 ...  19세기 독일의 신경외과에서 사용하던 수술도구 세트입니다 (약간의 재미를 위해서 고전을 ...).



19세기 것들이라 좀 지나치게 투박하기는 하지만, 기본적으로 칼과 가위, 끌, 정, 톱과 같은 것들에다가 바느질을 해야하니까 실과 바늘 등을 보다 정교하고 편리하게 만든 것 정도라 이해하시면 됩니다.

이렇게 기계적인 수술도구들이 아직도 가장 많이 이용되고 있기는 하지만, 현대의 높은 공학기술의 발전으로 이제 슬슬 에너지를 이용한 다양한 첨단 수술도구들이 등장하고 있습니다.  시간이 되는 데로 소개하겠지만, 전기, 레이저, 초음파, 방사선 등이 그것입니다.  그 중에서도 전기를 수술에 이용한 것이 가장 오래되기도 하였고, 현재 가장 많이 쓰이고 있기도 합니다.

기본적인 에너지 기반의 수술기구들의 원리는 에너지를 우리 몸의 조직에 적절하게 주입해서 조직의 변화를 일으키고, 그에 의한 수술효과를 보는 것입니다.  그렇기 때문에 어떤 에너지가 조직에 어떤 원리로 전달되고, 그에 의한 조직의 변화가 무엇인지를 이해하는 것은 기본 중의 기본이라고 하겠습니다.  전기수술은 흔히 레이저보다 싸고, 안전하고, 사용하기 쉽다고 생각하는 의사들이 많은데, 사실 내용을 알고보면 싼 것은 사실이나 잘못 사용하면 상당히 위험할 수 있고, 기대했던 효과가 잘 나타나지 않을 수가 있습니다.

가장 기본부터 시작하겠습니다.  전기는 기본적으로 양극과 음극이 있어서 전류가 양극에서 음극으로 흐릅니다 (전자는 반대로 흐르지만).  전기가 흐르기 위해서는 이렇게 양극이 있어야 합니다.  전기수술 유닛을 살펴 보면, 양극이 하나의 기구의 끝에 같이 있는 경우에는 이를 바이폴라(bipolar) 유닛이라고 하고, 기구 끝에 극이 하나만 있으면 모노폴라(monopolar) 또는 유니폴라(unipolar) 유닛이라고 합니다.  모노폴라 유닛을 쓸 경우에 그렇다면 전기는 어디로 흘러가나요? 다른 극 하나가 어디 있지요?  외과의사들은 아시겠지만, 전기가 흘러나가는 넓적한 패드를 몸에 붙이지요?  전기는 그리로 흘러나갑니다 (아래 그림). 

패드가 붙은 자리로 전기가 흘러 나가기 때문에 사실 패드를 붙이는 자리가 중요합니다.  왼쪽 그림과 같이 넓적한 근육에 붙이는 것이 좋고, 굴곡이 있거나 혈액 순환이 좋지 않거나 해서 열을 제대로 분산시키기 어렵거나, 국소에 열이 몰릴 가능성이 있는 부위는 피해야 합니다.

전기수술의 기본적인 원리는 가정에서 쓰는 토스터기나 헤어 드라이어와 별반 다르지 않습니다.  중고등학교 물리의 기본 이론이 적용되는 것인데요.  전류가 어떤 물체에 흐리게 되면, 열이 발생하지요?  헤어 드라이어를 예로 들면 내부에 있는 코일이 저항의 역할을 하기 때문에 코일에 열이 발생합니다.  그렇다면 전기수술은?  그렇습니다.  우리 몸이 저항역할을 하면서 전기가 국소적으로 흐르는 부위에 열이 발생하는 것이죠 ...  여기서 가장 큰 오해가 있습니다.  많은 의사들이 전기수술을 하면서 열이 전기수술도구의 팁에서 발생한다고 생각한다는 것입니다.  이것은 완전히 잘못된 것으로, 열은 팁에서 나온 전기가 우리 몸의 조직에 전달되면서 저항에 의해 발생합니다.  향후 전기수술의 원리와 올바른 사용법에 대한 추가적인 포스팅을 할 때에도 이 원리를 바탕으로 설명이 되기 때문에, 제대로 이해하고 있어야 합니다.

전기가 저항을 통해 흐르면 열이 발생하는데, 발생하는 열의 정도는 전달된 전기에너지에 비례합니다.  이는 다음의 공식으로 계산되는데, 이를 파워(electrical power, 시간당 에너지)라고 하고 단위는 와트(watt)를 씁니다. 



여기서 잠깐 ... 그렇다면 전달된 총에너지를 계산할 때 이용되는 단위는 뭐죠?  중고등학교때 물리공부 열심히 하신 분들은 알 겁니다.  보통 주울(Joule, J)을 씁니다 (그냥 알려주면 섭하니, 마우스로 긁어서 보세요). 

조직에 발생하는 열은 전달되는 에너지에 얼마나 집중이 되느냐에 따라 달라집니다.  이를 전문용어로는 열용량(heat capacity)에 반비례한다고 하는데, 쉽게 말하면 에너지가 고루 전달되는 조직의 크기/중량이 크면 열이 덜 난다는 것입니다.  예를 들어, 같은 물질에 같은 에너지가 전달되면 작은 부위에 전달된 경우가 훨씬 온도가 빨리 오릅니다.  이제 감이 오시나요?  그렇습니다.  전기수술은 전기수술 기구의 팁이 워낙 날카롭기에 높은 에너지가 아주 작은 면적의 조직에 전달됩니다.  그렇기 때문에, 팁이 닿은 조직의 온도가 빠른 속도로 오르면서 타버리는 것입니다. 

전기수술에 사용되는 전류는 직류일까요? 교류일까요?  직류는 전류가 일정하게 흐르는 것이고, 교류는 양극이 계속 변화를 합니다 (아래 그림).  얼마나 자주 변하는지를 나타낸 것이 주파수인데, 보통 가정용 교류의 경우는 50~60Hz (1초에 50~60차례 변함) 입니다. 




그런데 한 가지 의문이 남지 않습니까?  사람에게는 신경계가 있고, 신경이 전기신호를 전달해서 근육도 움직이고, 뇌가 판단도 하고, 심장도 뛰고 하는 것인데 ...  전기를 흘려도 되는 것일까요?   여기에 전기수술을 개발했던 중요한 발견이 숨어있습니다. 

인간의 신경계는 0~1000 Hz 까지의 저주파 전기에 매우 민감합니다.  그렇기 때문에, 가정용 전선에 흐르는 교류 전기에 통하게 되면 쇼크를 입게 됩니다.  그렇다면 전기수술 기구가 하는 것은 무엇일까요?  맞습니다.  인체의 신경계가 반응하지 않는 고주파 전기로 변환을 해서 전달할 수 있도록 하는 것입니다.  물론 저주파 전기도 치료에 이용할 수도 있는데, 이 경우에는 근육이 신경자극을 받아서 수축을 하겠죠?  저에너지 저주파를 이용한 전기치료 방법이 이를 이용하는데 여기에 대해서는 향후 따로 다루어 보겠습니다.

인체의 신경계는 100 kHz가 넘는 주파수에서는 전혀 자극을 받지 않습니다.  그래서, 현재 이용되는 ESU(Electrical Surgery Unit, 전기수술장치)는 대부분 200 kHz에서 5 MHz 정도에 이르는 고주파 전기를 이용합니다.

한꺼번에 너무 많은 것을 설명하려면 어려우니, 다음 번 포스팅에서 더 진도를 나가겠습니다.  오늘은 기초이론 공부하셨다 생각하세요 ^^;


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