가슴 피부 아래에 작은 기계를 넣어 심장이 일정한 속도로 뛰도록 돕는 사람이 있습니다.
이 장치는 인공심장박동기 또는 페이스메이커(pacemaker)라고 불립니다.
심장이 너무 느리게 뛰거나 전기신호가 제대로 전달되지 않을 때, 약한 전기 자극을 보내 심장 근육이 수축하도록 돕는 의료기기입니다.
그런데 사람들은 언제부터 전기로 심장박동을 조절하기 시작했을까요?
세계 최초의 인공심장박동기는 누가 만들었으며, 처음부터 몸속에 넣을 수 있을 만큼 작았을까요?
인공심장박동기의 역사를 살펴보면 손으로 돌리던 외부 장치가 몸속에서 심장 리듬을 감지하는 작은 의료기기로 발전하기까지 여러 단계의 ‘최초’가 있었다는 사실을 알 수 있습니다.
심장은 스스로 전기를 만드는 장기다
심장은 단순히 근육의 힘만으로 움직이는 기관이 아닙니다.
오른쪽 심방에 있는 동방결절은 규칙적인 전기신호를 만들고, 이 신호는 심방과 심실로 전달됩니다. 심장 근육은 전기신호를 받은 순서에 따라 수축하면서 온몸으로 혈액을 보냅니다.
동방결절이 신호를 충분히 만들지 못하거나 심방에서 심실로 이어지는 전기 통로가 막히면 심장박동이 지나치게 느려질 수 있습니다.
심장이 느리게 뛰면 뇌와 장기로 공급되는 혈액이 부족해져 어지럼증과 피로, 호흡곤란, 실신이 나타날 수 있습니다. 심한 경우에는 생명을 위협할 수도 있습니다.
인공심장박동기는 이러한 상황에서 심장의 전기신호를 감지하고, 필요한 순간에 낮은 에너지의 전기 자극을 보내 심장박동을 돕습니다.
인공심장박동기와 심장충격기는 같은 장치일까?
두 장치는 모두 전기를 이용하지만 목적과 작동 방식은 다릅니다.
| 구분 | 인공심장박동기 | 심장충격기 |
|---|---|---|
| 주요 목적 | 너무 느린 심장박동 등을 전기 자극으로 조절 | 심실세동 같은 위험한 리듬에 충격을 전달 |
| 전기 에너지 | 심장박동을 유도하는 낮은 에너지의 자극 | 위험한 전기 활동을 정리하는 더 큰 충격 |
| 대표 사용 상황 | 서맥, 전도 장애, 일부 심부전 | 심정지와 생명을 위협하는 빠른 부정맥 |
쉽게 말하면 인공심장박동기는 느리거나 불규칙한 박동을 계속 보조하는 장치이고, 심장충격기는 특정한 위험 리듬을 한 번에 정리할 기회를 만드는 장치입니다.
‘세계 최초의 인공심장박동기’는 하나로 말하기 어렵다
인공심장박동기의 역사를 검색하면 서로 다른 연도와 인물이 등장합니다.
그 이유는 외부에서 심장을 자극한 장치, 전자식 장치, 착용 가능한 장치, 몸속에 완전히 넣은 장치가 각각 다른 시기에 등장했기 때문입니다.
| 시기 | 인물 또는 장치 | 주요 의미 |
|---|---|---|
| 1920년대 | 마크 리드웰의 전기 자극 | 사람의 심장을 전기로 자극한 초기 임상 사례 |
| 1932년 | 앨버트 하이먼의 인공심장박동기 | ‘artificial pacemaker’라는 표현을 사용한 손잡이식 장치 |
| 1950년 무렵 | 존 홉스의 외부 전자식 장치 | 심장박동 조절을 목적으로 만든 초기 전자식 장치 |
| 1952년 | 폴 졸의 경피적 심장박동 조절 | 가슴을 열지 않고 피부 밖에서 심장을 자극 |
| 1957년 | 얼 바켄의 배터리식 착용형 장치 | 콘센트 없이 작동하는 휴대 가능한 외부 심장박동기 |
| 1958년 10월 8일 | 루네 엘름크비스트와 오케 세닝 | 세계 최초의 완전 삽입형 전자식 심장박동기 |
따라서 ‘최초의 인공심장박동기’와 ‘최초의 완전 삽입형 인공심장박동기’는 구분해서 설명해야 합니다.
1920년대, 멈춘 신생아의 심장에 전기 자극을 시도하다
호주의 마취의사 마크 C. 리드웰(Mark C. Lidwill)은 1920년대에 전기 자극으로 사람의 심장박동을 회복시키는 초기 시도를 했습니다.
다만 이 장치는 현대적인 의미의 자동 심장박동기가 아니었습니다. 몸 밖의 전원과 바늘 전극을 이용해 응급 상황에서 심장을 자극하는 실험적인 장치에 가까웠습니다.
그럼에도 전기로 사람의 심장박동을 만들어낼 수 있다는 가능성을 임상 현장에서 보여줬다는 점에서 중요한 출발점으로 평가됩니다.
1932년, ‘인공심장박동기’라는 이름이 등장하다
미국의 의사 앨버트 하이먼(Albert Hyman)은 1932년 자신이 개발한 장치를 ‘인공심장박동기(artificial pacemaker)’라고 불렀습니다.
하이먼의 장치는 오늘날처럼 배터리와 전자회로가 들어간 작은 기계가 아니었습니다.
손잡이를 돌려 전기를 만들고, 바늘 전극을 통해 심장에 자극을 전달하는 구조였습니다. 전기가 끊겨도 손으로 작동할 수 있도록 기계적인 발전 방식을 사용했습니다.
당시에는 전기로 생명을 연장한다는 생각 자체에 거부감이 컸습니다. 장치는 의료계와 대중의 비판을 받았고 널리 사용되지 못했습니다.
그러나 하이먼이 사용한 이름은 이후 심장박동을 전기로 조절하는 장치를 가리키는 용어로 남았습니다.
1950년대, 전자식 심장박동기가 등장하다
1940년대 후반 캐나다에서는 저체온 상태에서 심장 기능이 어떻게 변하는지 연구가 진행되고 있었습니다.
외과의사 윌프레드 비글로와 동료들은 심장에 전기 자극을 주면 박동을 조절할 수 있다는 사실에 주목했습니다. 이 연구에 참여한 전기공학자 존 홉스(John Hopps)는 1950년 무렵 심장박동 조절을 위해 특별히 만든 외부 전자식 장치를 개발했습니다.
장치는 진공관을 사용했기 때문에 크고 무거웠으며 전원에 연결해야 했습니다. 몸속에 넣을 수도 없었습니다.
하지만 손으로 돌리는 기계가 아니라 일정한 전기 자극을 만들어내는 전자식 장치였다는 점에서 현대 심장박동기로 향하는 중요한 변화였습니다.
1952년, 가슴을 열지 않고 심장을 자극하다
미국의 심장 전문의 폴 졸(Paul Zoll)은 1952년 가슴 피부에 전극을 붙이고 몸 밖에서 전기를 전달하는 경피적 심장박동 조절 방법을 임상에 적용했습니다.
가슴을 열지 않고도 심장을 자극할 수 있다는 장점이 있었지만 높은 전압이 필요했습니다. 전기 자극은 가슴 근육까지 강하게 수축시켜 통증을 일으켰고, 오랫동안 사용하면 피부 손상이 생길 수도 있었습니다.
그래도 이 방식은 심장박동이 매우 느려지거나 멈춘 응급 상황에서 전기 자극으로 시간을 벌 수 있다는 사실을 보여줬습니다.
정전이 새로운 발명을 재촉하다
1950년대에는 심장 수술 뒤 일시적으로 전기신호 전달이 막힌 환자에게 외부 심장박동기를 사용하기 시작했습니다.
그러나 초기 장비는 벽의 콘센트에 연결해야 했습니다. 전원이 끊기거나 전선이 빠지면 심장박동을 유지하던 자극도 멈출 수 있었습니다.
1957년 미국 미네소타 지역에 정전이 발생하자 이 위험성이 현실적인 문제로 드러났습니다.
심장외과 의사 월턴 릴리하이(C. Walton Lillehei)는 공학자 얼 바켄(Earl Bakken)에게 콘센트 없이 작동하는 장치를 요청했습니다.
바켄은 트랜지스터와 배터리를 이용해 몸에 착용할 수 있는 외부 심장박동기를 만들었습니다. 장비가 작아지면서 환자는 무거운 기계와 전원선에 계속 묶여 있지 않아도 됐습니다.
하지만 전극선이 피부를 뚫고 심장까지 이어지는 구조에는 감염 위험이 남아 있었습니다. 다음 목표는 전원과 회로까지 모두 몸속에 넣는 것이었습니다.
1958년 10월 8일, 세계 최초의 완전 삽입형 심장박동기
스웨덴의 의사이자 공학자였던 루네 엘름크비스트(Rune Elmqvist)와 심장외과 의사 오케 세닝(Åke Senning)은 몸속에 완전히 넣을 수 있는 인공심장박동기를 개발했습니다.
첫 환자는 43세의 기술자 아르네 라르손(Arne Larsson)이었습니다.
라르손은 심방의 전기신호가 심실로 제대로 전달되지 않는 완전 방실차단을 앓았습니다. 심장박동이 지나치게 느려지면서 의식을 잃는 발작이 반복됐고, 상태가 악화됐을 때는 하루에도 여러 차례 소생 처치를 받아야 했습니다.
그의 아내 엘세마리 라르손은 개발이 끝나지 않은 장치를 남편에게 사용해 달라고 의료진을 끈질기게 설득했습니다.
1958년 10월 8일 저녁, 스톡홀름 카롤린스카 병원에서 세닝은 두 개의 전극을 심장 표면에 연결하고 원형 심장박동기를 복부 피부 아래에 넣었습니다.
이 장치는 전원과 전자회로, 전극 연결부가 모두 환자의 몸 안에 들어간 세계 최초의 완전 삽입형 전자식 인공심장박동기로 기록됐습니다.
첫 장치는 몇 시간밖에 작동하지 못했다
최초의 삽입형 심장박동기는 성공적인 완제품이라기보다 긴 실험의 출발점에 가까웠습니다.
장치는 두 개의 트랜지스터와 충전식 니켈카드뮴 전지를 사용했고, 합성수지로 회로를 감싼 원형 구조였습니다. 무게는 약 180g이었으며 심장을 분당 약 70~80회로 자극했습니다.
그러나 첫 장치는 몇 시간 만에 작동을 멈췄습니다. 다음 날 두 번째 장치로 교체했지만 이 장치 역시 오래 사용하지 못했습니다.
배터리 수명과 전극선의 손상, 체액으로부터 회로를 보호하는 기술이 아직 충분하지 않았기 때문입니다.
그럼에도 수술의 의미는 사라지지 않았습니다. 라르손은 이후 개선된 심장박동기를 여러 차례 교체하며 일상생활로 돌아갔고, 2001년 86세로 세상을 떠날 때까지 40년 넘게 심장박동기와 함께 살았습니다.
최초의 장치는 몇 시간밖에 버티지 못했지만, 첫 환자는 발명가들보다 오래 살았습니다.
1960년, 오래 사용할 수 있는 장치가 등장하다
1958년의 장치는 완전 삽입에 성공했지만 짧은 작동 시간이 큰 문제였습니다.
미국에서는 외과의사 윌리엄 차닥(William Chardack)과 공학자 윌슨 그레이트배치(Wilson Greatbatch) 등이 더 오래 작동하는 삽입형 장치를 개발했습니다.
1960년 임상에 사용된 장치는 수은전지를 사용했고, 초기 스웨덴 장치보다 긴 기간 동안 작동할 수 있었습니다. 이후 상업 생산으로 이어지면서 심장박동기 치료가 여러 병원으로 확산됐습니다.
배터리는 심장박동기의 수명을 결정하는 핵심 부품이었습니다. 1970년대에는 리튬 계열 전지가 도입되면서 수명이 길어지고 신뢰성도 높아졌습니다.
항상 자극하던 장치가 심장의 신호를 듣기 시작하다
초기 장치는 환자의 심장이 스스로 뛰는지와 관계없이 정해진 속도로 계속 전기 자극을 보냈습니다.
그러나 심장이 정상적으로 뛰는 순간에도 자극이 계속되면 자연 박동과 인공 자극이 충돌할 수 있었습니다.
이 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 수요형 심장박동기(demand pacemaker)입니다.
수요형 장치는 심장의 전기신호를 먼저 감지합니다. 심장이 스스로 적절하게 뛰고 있으면 기다리고, 박동이 기준보다 느려지거나 빠지면 전기 자극을 보냅니다.
심장박동기가 일방적으로 명령하는 기계에서 심장의 신호를 듣고 필요한 순간에만 개입하는 기계로 바뀐 것입니다.
가슴을 여는 수술에서 혈관을 이용하는 방식으로
최초의 삽입형 장치는 가슴을 열고 전극을 심장 표면에 꿰매야 했습니다.
이후에는 전극선을 정맥 안으로 넣어 심장 내부까지 이동시키는 경정맥 방식이 발전했습니다.
가슴을 크게 열지 않고도 전극을 심장 안에 배치할 수 있게 되면서 수술 부담이 줄었고, 심장박동기 치료는 더 널리 시행될 수 있었습니다.
현대의 전통적인 심장박동기는 보통 쇄골 아래 피부 밑에 전기 자극을 만드는 본체를 넣고, 정맥을 통과한 전극선을 심장의 방에 연결합니다.
현대의 심장박동기는 어떻게 작동할까?
현재의 심장박동기는 크게 세 부분으로 설명할 수 있습니다.
| 구성 | 역할 |
|---|---|
| 박동 발생기 | 배터리와 전자회로를 이용해 전기 자극을 만듭니다. |
| 전극선 | 심장의 신호를 본체로 전달하고 전기 자극을 심장에 보냅니다. |
| 전극 | 자연 박동을 감지하고 필요한 순간에 심장 근육을 자극합니다. |
일부 장치는 움직임이나 호흡 변화를 감지해 활동할 때는 심장박동을 빠르게 하고, 쉴 때는 느리게 조절합니다.
또한 저장된 심장 리듬과 기기 상태를 의료진에게 원격으로 전송하는 기능도 사용됩니다.
전극선까지 없앤 무선 심장박동기
전통적인 심장박동기는 본체와 심장을 전극선으로 연결합니다. 이 전극선은 필수적인 부품이지만 오랜 시간 사용하면 손상되거나 위치가 움직일 수 있고, 감염과 관련된 문제가 생길 가능성도 있습니다.
이를 줄이기 위해 본체와 전극을 하나로 합친 무선 또는 무전극 심장박동기(leadless pacemaker)가 개발됐습니다.
무전극 심장박동기는 큰 알약 캡슐 정도의 작은 장치를 혈관을 통해 심장 안에 직접 넣습니다. 가슴 피부 밑에 별도의 본체를 만들거나 긴 전극선을 연결하지 않는다는 점이 특징입니다.
2016년 미국 식품의약국은 최초의 무전극 심장박동기 시스템을 승인했습니다. 이후 여러 심장 방의 움직임을 더 정교하게 맞추기 위한 기술도 계속 발전하고 있습니다.
다만 모든 환자가 무전극 장치에 적합한 것은 아닙니다. 필요한 박동 조절 방식과 심장 상태에 따라 의료진이 장치 종류를 결정합니다.
심장박동기가 바꾼 것은 수명만이 아니었다
심장박동기가 없던 시대에는 심한 전도 장애로 반복해서 실신하는 환자에게 사용할 수 있는 치료가 매우 제한적이었습니다.
초기 장치는 벽의 전원에 연결해야 했고, 높은 전압 때문에 통증을 일으켰습니다. 이후 배터리식 장치가 등장했고, 마침내 전원과 회로를 몸속에 모두 넣을 수 있게 됐습니다.
장치는 심장의 자연 박동을 감지하게 됐고, 환자의 활동에 따라 속도를 바꾸며, 의료진에게 상태를 원격으로 전달하는 단계까지 발전했습니다.
1958년 몇 시간밖에 작동하지 못했던 180g짜리 장치는 오늘날 수년 동안 작동하는 작고 정교한 의료기기로 바뀌었습니다.
마지막으로
세계 최초의 인공심장박동기를 한 사람의 발명으로만 설명하기는 어렵습니다.
마크 리드웰은 사람의 심장을 전기로 자극한 초기 임상 사례를 남겼고, 앨버트 하이먼은 ‘인공심장박동기’라는 이름을 사용했습니다.
존 홉스와 폴 졸은 외부 전자식 심장박동 조절을 발전시켰으며, 얼 바켄은 배터리로 작동하는 착용형 장치를 만들었습니다.
그리고 1958년 루네 엘름크비스트와 오케 세닝은 아르네 라르손에게 세계 최초의 완전 삽입형 전자식 심장박동기를 적용했습니다.
첫 장치는 완벽하지 않았습니다. 불과 몇 시간 만에 멈췄지만, 그 실패는 끝이 아니라 장기간 사용할 수 있는 심장박동기 치료의 시작이 됐습니다.
오늘날 가슴 속의 작은 심장박동기에는 약 100년에 걸친 의사와 공학자, 환자와 가족의 선택이 함께 담겨 있습니다.
오늘의 핵심 정리
- 인공심장박동기는 낮은 에너지의 전기 자극으로 느린 심장박동 등을 조절합니다.
- 1920년대 마크 리드웰은 사람의 심장을 전기로 자극한 초기 임상 사례를 남겼습니다.
- 1932년 앨버트 하이먼은 ‘인공심장박동기’라는 이름을 사용했습니다.
- 1957년 얼 바켄은 배터리로 작동하는 착용형 심장박동기를 만들었습니다.
- 1958년 엘름크비스트와 세닝은 세계 최초의 완전 삽입형 전자식 심장박동기를 적용했습니다.
- 현대 장치는 심장 신호를 감지하고 필요한 순간에만 자극하며, 무전극 형태로도 발전했습니다.
자주 묻는 질문
세계 최초의 인공심장박동기를 만든 사람은 누구인가요?
무엇을 최초로 보느냐에 따라 답이 달라집니다. 앨버트 하이먼은 1932년 ‘인공심장박동기’라는 이름의 외부 장치를 소개했습니다. 세계 최초의 완전 삽입형 전자식 심장박동기는 루네 엘름크비스트가 개발하고 오케 세닝이 1958년 환자에게 삽입했습니다.
최초의 삽입형 심장박동기를 받은 사람은 누구인가요?
스웨덴의 기술자 아르네 라르손입니다. 그는 1958년 10월 8일 세계 최초의 완전 삽입형 심장박동기를 이식받았습니다.
첫 심장박동기는 얼마나 오래 작동했나요?
첫 장치는 몇 시간 만에 작동을 멈췄습니다. 바로 교체한 두 번째 장치도 오래 지속되지 못했지만, 이후 계속 개선된 장치로 교체하면서 라르손은 40년 넘게 생활했습니다.
인공심장박동기는 심장을 완전히 대신하나요?
아닙니다. 심장 근육의 펌프 기능을 대신하는 인공심장과 다릅니다. 인공심장박동기는 심장의 전기신호와 박동 속도를 조절하도록 돕는 장치입니다.
심장박동기는 계속 전기를 보내나요?
현대의 많은 장치는 심장의 자연 박동을 감지하고, 박동이 기준보다 느려지거나 필요한 신호가 빠질 때 전기 자극을 보냅니다. 환자의 상태와 설정에 따라 작동 방식은 달라질 수 있습니다.
심장박동기와 AED는 같은 장치인가요?
아닙니다. 심장박동기는 주로 느린 박동을 낮은 에너지로 조절합니다. AED는 심실세동처럼 충격이 필요한 위험한 심장 리듬을 분석하고 전기충격을 전달하는 응급장비입니다.
무전극 심장박동기는 전기를 사용하지 않나요?
전기를 사용합니다. ‘무전극’이라는 표현은 보통 별도의 긴 전극선이 없다는 뜻입니다. 본체와 전극이 하나로 합쳐진 작은 장치를 심장 안에 직접 넣습니다.
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공식 자료와 참고문헌
미국 국립의학도서관 공개논문 – 1958년 최초의 삽입형 심장박동기
미국 국립의학도서관 공개논문 – 초기 심장박동 조절과 제세동의 역사
미국 국립심장폐혈액연구소 – 인공심장박동기의 작동 원리
이 글은 인공심장박동기의 역사와 기본 원리를 설명하기 위한 정보성 콘텐츠입니다. 개인의 증상이나 심장박동기 치료 여부는 심전도와 증상, 기저질환 등을 평가한 의료진이 판단해야 합니다.
다음 이야기 예고
다음 편에서는 세계 최초의 인공심장을 소개합니다. 심장의 박동을 돕는 장치를 넘어, 혈액을 직접 펌프질하는 기계를 사람의 몸에 적용하기까지 어떤 도전이 있었는지 알아보겠습니다.
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