B I O M E D I C A L   A P P L I C A T I O N

 

 Implantable Micro Shunt Systems

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

 

Fig. 1. The photograph of the CSF patient.

 Fig. VP (ventriculo-peitoneal) shunt system with pressure control and flow control (apply MEMS Tech.).


Development of Implantable Shunt Systmes using MEMS Technology
 H. J. Yoon, S. W. Lee, M. S. Kim, H. J. Kim, K. Y. Kwon, S. W. Lee, and S. S. Yang

ABSTRACT
Hydrocephalus is a neurological disease of an abnormal increment in intracranial pressure that occurs when there is an abnormal accumulation of cerebrospinal fluid (CSF) in the ventricles and/or subarachnoid space of the brain.  The abnormal accumulation of CSF is attributed to an overproduction of CSF, an obstruction of the drainage of CSF, or a failure of the structures of the brain to reabsorb the fluid. A CSF shunt system drains cerebrospinal fluid from the brain to the abdominal cavity.  
A conventional CSF shunt System consists of a passive shunt valve and a tube. It adjusts flow rate depending on the patient's brain intracranial pressure. The valve opening pressure of the conventional CSF shunt System is not adjustable, and not able to manage the problem of over/underdrainage.  No ideal CSF shunt system exists at present. An advanced CSF Shunt design is required in order to indicate brain pressure and adjust the flow rate after implantation.  In this paper, a closed-loop control shunt system as shown in Fig. 1.  is proposed.  The micropump in this shunt system is implanted in body.  Since a high temperature and a high voltage are not allowed. thermopneumatic type, the electrostatic type and the piezoelectric type are not suitable.
The micropump of this paper is driven by the electromagnetic force. This paper presents the fabrication and tet of the electromagnetic micropump.



Fig. 3. The diagram of closed-loop controlled VP shunt systems.

 

 KOREAN ABSTRACT

Micro Systems Lab. in AJOU UNIVERSITY

*다음의 수두증 관련 한글정보는 서울대학교병원 아동의학정보에서 인용하였음을 알려드립니다.

[수두증이란?]
수두증이란 '머리에 물이 많이 차있는 증세' 라는 뜻으로, 두개내에서 정상적인 대사과정을 통하여 생성죈 물인 뇌척수액이 생성되고 일정한 총로를 거쳐 정맥혈(상시상정맥) 속으로 흘러들어가 흡수되는 과정에서 뇌척수액의 생산과 흡수기전의 불균형이나 뇌척수액 순환 통로의 폐쇄로 인하여 뇌실내 또는 구개강내에 뇌척수액이 과잉 축적되는 동적 상태를 말합니다. 쉽게 말하면, 뇌 속에서 정상적으로 일정량의 뇌척수액은 계속 생성되는데, 흡수되는 양은 상대적으로 적어서 점차로 생성된 뇌척수액이 뇌속에 축적되는 동적 현상을 말합니다.

[뇌척수액의 생리]
뇌척수액은 대부분 뇌실의 맥락총이란 곳에서 만들어지며 그 양은 1분당 0.35cc, 1일 평균 500cc에 달합니다. 정상적으로 성인에서는 150cc, 신생아에서는 50cc 정도가 두개골과 척수관내에 존재하며 이 뇌척수액은 일정한 통로를 통해서 순환하게 됩니다. 맥락총에서 만들어진 뇌척수액은 좌우 양 쪽의 측뇌실, 몬로공(Monro ), 제3뇌실, 뇌도수관 등을 통하여 제4뇌실에 도달하면 일부는 양측 루시카공(Luschka )을 경유 뇌기저조에 도달하고 일부는 마젠디공(Magendie )을 통하여 뇌대조에 이르며 척추강내 지주막하강과 연결되어 순환이 이루어지게 됩니다. 뇌기저조를 통하여 뇌표면의 지주막하강을 흘러서 올라간 뇌척수액은 상시상정맥동내의 지주막융모에서 흡수되어 정맥혈류속으로 들어감으로써 뇌척수액의 순환은 끝나게 됩니다. 뇌실계는 해부학적으로 좁은 부위가 있어 이곳에서 폐쇄가 일어날 수 있으며 지주막하강은 염증(수막염, 뇌막염), 출혈(외상, 지주막하출혈 등) 등의 병을 앓고 나면 지주막하강 및 지주막융모에 변화가 뇌척수액의 순환장애, 흡수장애를 일으킬 수 있습니다.  

[수두증의 원인]
수두증의 원인은 크게 세가지로, 1) 뇌척수액의 과잉 생산 2) 뇌척수액 순환통로의 폐쇄 3) 뇌정맥동에서의 뇌척수액 흡수장애 등이 있습니다. 뇌척수액의 과잉생산으로 인한 수두증은 드물며 일부 종양에서나 볼수 있고, 뇌척수액 순환통로의 폐쇄로 생기는 수두증은 두가지의 형태를 취하는데, 뇌실계의 통로 폐쇄로 인한 수두증을 비교통성 또는 폐쇄성 수두증이라 하고 뇌실계는 정상이나 뇌지주막하 통로가 폐쇄된 경우는 교통성 수두증이라 합니다. 이 교통성 수두증은 선천성 수두증의 약 45%를 차지합니다. 또 선천성 수두증돠 후천성 수두증이 있는데 선천성 수두증은 제4뇌실보다 위쪽에서 막혀 발생되는 경우가 많으며 특히 뇌도수관의 폐쇄로 발생되는 것이 거의 70%를 차지합니다. 그외의 원인으로는 키아리기형, 댄디워커씨(Dandy-Walker)낭종, 뇌혈관 기형, 지주막 낭종, 및 뇌종양 등을 들 수 있습니다. 한편 후천성 수두증은 수막염이나 두개강내 출혈, 뇌종양 등의 합병증으로 발생할 수 있습니다.  

[수두증의 증상]
영아기에는 머리가 몸체보다 빨리 커서 비정상적으로 머리가 크고 전두부 대천문(숨구멍)이 부풀어 올라오며 두피가 얇아지고 이마와 두피의 정맥이 확장되면서 애기가 순한 경우가 많습니다. 시일이 경과되면서 양측 외전신경이 마비되너 눈이 안으로 몰리거나 양안(두눈)이 아래를 쳐다보는 현상(마치 낙조현상, 落照現像과 비슷합니다.)을 나타내고 더 진행되면 구토, 경련 등이 발생하는 수가 있습니다. 심한 경우는 머리를 두드리면 물통을 두들기는 소리가 들리기도 합니다. 2세 이상의 소아의 경우는 두통, 구토, 시력장애, 기억력장애, 지능발육저하, 뇌신경마비, 강직성 사지마비, 내분비장애 등의 증상을 나타냅니다. 진단은 단순두개골 촬영, 뇌초음파검사(sonography), 뇌전산화 단층촬영(CT), 자기공명영상(MRI)검사 등으로 내릴 수 있습니다. 가정에서는 아기 발육에 따라 지속적으로 머리둘레를 재어서 비정상적으로 크게 되면 일단 병원에서 진찰을 받게 하는 것이 수두증을 조기 진단하는데 도움이 되겠습니다. 특히 머리가 큰 아기, 출산시 머리가 커서 제왕절개한 경우, 임신 추적검사중 뇌실이 크다는 이야기를 들은 경우, 신생아기에 미숙아로 태어나 뇌실출혈이 있다고 들은 경우, 영아기에 뇌수막염을 앓은 병력이 있는 경우, 척수수막류를 갖고 태어난 경우, 신생아 패혈증의 병력이 있는 경우 등에선 영아기에 머리 둘레를 재어서 정상범위를 벗어난 경우 전문의를 찾아 진단을 받도록 하여야 합니다.  

[수두증의 치료]
수두증의 치료는 약물요법과 수술요법이 있는데, 약물요법은 일시적인 효과 뿐이고 장기간 사용시 약물 부작용이 심각하여 이용되지 있지 않습니다. 따라서 현재로서는 수술적 치료가 가장 확실하고 효과적인 치료법입니다. 또 수두증의 수술적 치료에서는 무엇보다도 치료시기의 선택이 중요합니다. 왜냐하면 머리둘레나 뇌의 무게는 두살까지는 급속히 커지고 증가하기 때문에 치료시기를 놓치게 되면 후에 성장하면서 심한 뇌기능장애를 일으키기 때문입니다. 가장 많이 실시되는 수술적 방법으로서 커진 뇌실과 복강을 단락관(션트 튜브)을 이용하여 서로 연결시켜주는 뇌실-복강 단락술이 있습니다. 이외에도 뇌실-심방, 뇌실-흉강, 요추지주막하-복강 단락술이 있습니다. 이중 대표적인 뇌실-복강 단락술에 대해 살펴 보겠습니다. 뇌실-복강 단락술이란 한쪽으로만 흐르게 만들어진 특수한 단락관을 통하여 측뇌실 뇌척수액을 복강으로 유도하는 수술을 말합니다. 두정부나 전두부에 피부절개를 해서 두개골에 구멍을 낸 다음 뇌실관을 삽입하여 측뇌실을 천자하고 복부 절개를 해서 복강을 연 다음 피부 밑으로 단락관을 삽입해서 터널처럼 통과시켜 측뇌실쪽의 뇌실관과 연결하고 반대쪽 끝을 복강으로 넣어서 측뇌실 뇌척수액이 이 단락관을 타고 복강으로 흘러 들어가도록 합니다. 복막강은 배의 장기를 싸고 있는 막이 이루는 공간으로 그 안에 장기가 있지는 않으며 이 부위는 수액을 흡수하는 능력이 뛰어납니다. 즉 수두증의 수술은 뇌실내 또는 두개강내 과잉 축적된 뇌척수액을 복강 등으로 배액시키는 것을 말합니다. 최근 내시경을 통하여 뇌실벽의 일부를 개방시켜 지주막하강으로 뇌척수액을 배액시키는 방법이 있는데 이는 지주막하강의 순환과 흡수가 정상적인 경우에만 적절하며 성공율은 단락술보다는 떨어지지만 (60-80%로 보고됨) 뇌척수액 순환 및 흡수 상태의 관점에서 비교할 때 단락술의 경우보다 더 정상인의 상태에 가까우며 또한 체내에 이물질적인 단락관을 삽입하지 않는 장점이 있습니다. 이물질이 삽입되면 감염의 확률이 증가하며 단락관은 막힐 수 있기에 이런 이물질을 삽입하지 않는다는 것은 그 자체가 장점이 될 수 있습니다.

 

  Related Papers
  1. W. Y. Sim, G. Y. Kim and S. S. Yang, "Fabrication of Micro Power Source (MPS) using Micro Direct Methanol Fuel Cell (uDMFC) for the Medical Application," IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2001), Interlaken, Switzerland, Jan. 2001.
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  4. Soon Young Kim, Hak Jin Kim, Jin Sung Park, Sang Sik Yang, "A Telemetry Silicon Pressure Sensor of LC Resonance Type," Design, Test, Integration and Packaging of MEMS/MOEMS 2001, Cote d'Azur, France, 2001. 4.
  5. 김학진, 양상식, “LC공진을 이용한 원격측정용 압력센서의 제작 및 실험," 2001년도 대한전기학회 하계학술대회 논문집, 대한전기학회, C, pp.1872-1874, 2001. 7.
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  9. 이상욱, 윤현중, 양상식, "인장응력이 내재된 실리코운 러버막으로 제작된 마이크로 밸브," 제4회 한국 MEMS 학술대회 논문집, 한국센서학회, pp. 110-113, 2002. 4.
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