혈액투석의 원리 및 구성요소

혈액투석의 원리 및 구성요소

1. 혈액투석이란?

혈액투석은 급성 신손상 또는 말기신부전 환자에게 시행되는 신대체요법의 하나로, 투석기(Dialyzer)의 투석막을 이용하여 혈액으로부터 노폐물을 제거하고 신체 내의 전해질 균형을 유지하며 과잉의 수분을 제거하는 방법을 말합니다.

2. 혈액투석의 원리

혈액 투석의 원리는 반투과성 막(투석막)을 경계로 그 양측에 환자의 혈액과 일정한 성분으로 조성된 투석액(Dialysate)을 서로 반대 방향으로 통과시키면서 혈액 내의 노폐물을 농도 차이에 의해 제거(확산)하고 일정한 압력을 가하여 과다한 수분을 제거하는 원리(초여과)를 이용합니다.

가. 확산(Diffusion)

확산(Diffusion)이란 반투과성막을 경계로 물질의 농도가 높은 곳에 서 농도가 낮은 곳으로 물질이 이동하는 것을 말하며, 혈액 투석에서는  혈액 내의 노폐물이 투석액 쪽으로 이동하여 제거되는 효과와 적절히 구성된 투석액의 전해질과 혈액 내의 전해질의 이동을 통해 혈액 내 전해질의 균형을 이뤄주는 효과를 기대할 수 있습니다. 

노폐물과 전해질의 이동은 농도 경사가 클수록, 분자량이 작을수록, 두 용액의 흐름이 빠를수록 효과적으로 이뤄집니다.

나. 초여과(Ultrafiltration)

초여과(Ultrafiltration)란 투석막을 경계로 인위적으로 투석기에서 압력을 형성하여 수분을 혈액에서 투석액 쪽으로 이동시키는 것을 말하며, 물 분자는 극히 작아 모든 반투막을 통과할 수 있습니다. 

수분 제거율은 혈액과 투석액의 정수압 차이에 영향을 받으며, 이 정수압 차이를 막 통과압(Transmembrane pressure, TMP)으로 나타냅니다. 

막 통과압은 투석기의 양압과 음압을 모두 반영하며 양압은 투석기의 혈액 구획에서 혈장을 밀어내도록 가해지며, 음압은 투석액 구획에서 혈액 구획의 혈장액을 제거하도록 투석기의 투석액 구획에 가해집니다.

3. 혈액투석의 구성요소

가. 투석기(Dialyzer)

투석기는 혈액에서 독소나 원하지 않는 용질을 선택적으로 제거하는 여과장치로서, 여과과정은 혈액이 흐르는 한쪽 면과 투석액이 흐르는 다른 면 사이의 반투막을 이용합니다. 

모든 투석기는 혈액과 막 사이의 넓은 표면적을 제공하기 위해 설계된 평행적인 통로의 집합으로 구성되어 있으며(마치 섬유 다발처럼), 종류는 평판형 투석기, 코일형 투석기, 섬관형 투석기가 있으나, 실제 오늘날 임상에서 사용되는 모든 투석기는 원형 단면의 섬관형 투석기 (Hallow-fiber dialyzer)로서, 수만 개의 섬유들로 구성되며 각 섬유 안쪽으로는 혈액이 통과하고 바깥쪽으로 투석액이 통과하면서 투석막 표면의 구멍(pore)을 통해 확산과 초여과가 이루어집니다.
투석막은 크게 셀룰로스막(Cuprophane, Hemophan, cellulose acetate)과 합성막(polysulfone, polyamide, polyacrylonitrile)으로 나뉘며 고효율 투석기(High- flux)는 합성막을 주로 사용합니다.

나. 혈액 투석로(Vascular access)

혈액 투석을 위해서는 적절한 혈관 통로가 있어야 합니다. 

분당 200∼500mL의 속도로 혈액을 순환하기 위해서는 말초 정맥으로는 불가능하며, 일반적으로 혈관 수술을 통하여 동정맥루(Arteriovenous fistula, AVF) 또는 인조혈관을 이식하여 동정맥 인조혈관 (Arteriovenous graft, AVG)을 만들어 사용하며, 응급투석의 경우 혈액 투석용 중심정맥 도관을 삽입합니다.

1) 동정맥루(AVF), 동정맥 인조혈관(AVG)

동정맥루(AVF)란 외과적으로 인접한 동맥과 정맥 안에 작은 구멍을 만들고 이 두 혈관을 접합시켜 동정맥루를 만드는 것을 말합니다. 이는 정맥으로 하여금 동맥혈이 흐르게 하여 투석에 알맞은 혈류를 얻기 위한 방법이며, 혈관 통로 형성 후 성숙 기간(약 6주)이 필요합니다.
동정맥 인조혈관(AVG)은 적합한 동정맥루를 만들기 힘든 환자에게 적용되는 방법으로, 인조혈관을 동맥과 정맥에 직선형이나 고리형의 형태로 이식하는데 외과의의 승인 하에 이식 후 2∼6주 후에 사용될 수 있습니다.

2) 혈액투석 도관 삽입

동정맥루가 준비되지 않은 상태에서 혈액투석을 시행해야 하는 경우, 응급으로 중심정맥에 혈액투석을 위한 도관 삽입을 할 수 있습니다. 

주로 내경 정맥(Internal jugular vein)과 대퇴 정맥(Femoral vein)에 삽입하며, 

일시적 투석 도관 (Temporary hemodialysis-catheter), 또는 커프가 있는 이중 내강 도관(Cuffed double-lumen catheter, 이하 Perm catheter)을 삽입합니다.

다. 투석액(Dialysate)

투석액은 투석치료에 필요한 구성요소로서 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 염소, 중탄산염, 포도당이 주입된 고도 정제수(purified water)로 구성된다.
칼슘과 마그네슘의 침전을 피하기 위해 두 가지 농축물 성분인 ‘중탄산염 성분(Bicarbonate, B액)’과 ‘산(acid, A액) 성분’을 활용합니다. 

산 성분에는 작은 양의 젖산, 초산 또는 구연산과 나트륨, 염화물, 칼륨(필요한 경우), 포도당(선택적으로) 그리고 칼슘과 마그네슘이 함유되어 있습니다.
중탄산염 농축물은 세균이 성장하는 문제를 피하고 운송과 저장비용을 줄이기 위해 가루 형태로 만들어 제공하고 있습니다. 이것을 투석이 행해지는 시간에 다시 정수된 물을 사용해 녹인다.
임상 상황에 따라서 투석액의 조성은 다양할 수 있으며, 환자에게 필요한 전해질을 첨가하거나 서로 섞이는 비율을 조정하여 나트륨, 중탄산염의 농도를 조절함으로써 환자의 전해질 균형에 도움을 줄 수 있습니다.

라. 투석기계(Dialysis machine)

투석기계는 혈액 펌프, 투석 용액 전달 장치, 적절한 안전감시 장치로 구성되어 있습니다. 

투석액과 정수된 물을 일정 비율로 혼합하여 세팅된 전도도(Conductivity)에 따라 투석액을 제공하며, 기계에 입력된 초여과량에 따라 수분 제거를 위한 TMP(Transmembrane pressure)를 조절할 수 있습니다.

마. 정수시스템(Water treatment)

1) 수질 관리의 중요성

환자들은 한번 투석 치료 동안 약 120L의 수분에 노출되고 물에 존재하는 모든 작은 분자량 물질들은 마치 환자 정맥을 통해 주사된 것처럼 직접적으로 환자 혈액 내로 접근할 수 있습니다. 

투석막은 이온을 흡수하거나 배제시키는 선택적 능력이 없으므로 식수로는 무해한 물질이라도 투석액에서는 유해할 수 있으므로 투석에 사용되는 물의 순도를 정확히 알고 조절하는 것이 매우 중요합니다. 

미국의료기구협회(AAMI, Association for the Advancement of Medical Instrumentation)에서는 혈액투석에 사용되는 물의 순도에 대해서 최소한의 기준을 제시하고 있습니다.

2) 물 처리 과정

가) 여과

 

부유입자(흙, 모래 등)를 마이크로 필터를 이용하여 기계적으로 제거합니다.

나) 활성탄 막(흡착)

과립형 활성탄을 이용하여 염소와 클로라민을 제거합니다.

다) 연수 장치(Softner)

칼슘과 마그네슘 등의 함유로 경화된 물을 나트륨 이온으로 치환하여 연성화 시키는 장치로서 나트륨은 나중에 역삼투에 의해 제거된다.

라) 역삼투(Reverse osmosis, RO)

반투과 막을 통과하여 높은 수압으로 물이 이동하는 것을 뜻하며, 투석용수 처리의 가장 효과적인 방법입니다.

마) 탈이온화

공급수로부터 이온화된 미네랄과 염분을 제거합니다.

바) 자외선 노출

UV lamp를 이용하여 최종 공급수의 미생물을 제거하는 것으로 반드시 전처리 시설(여과, 역삼투) 뒤쪽에 위치해야 합니다.

역삼투압 정수 시스템(Reverse Osmosis System, AmeriWater)

정수실 전경