I. 서 론

체외충격파쇄석술(Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy, ESWL)은 1980년대에 임상에 도입된 혁신적인 비침습 결석 치료술로, 체외에서 발생된 충격파를 체내의 결석에 집속하여 결석을 분쇄하여 치료 효과를 얻는다.^[1,2,3,4] ESWL은 비침습적이고 보존적인 특성으로, 결석 크기가 크지 않은 경우(예. 10 mm 이하) 결석 치료에서 가장 선호하는 방법 중 하나로 추천되고 있다.

ESWL의 치료 효과는 결석 위치로 집속된 충격파에 의한 결석의 분쇄 효과에 기반한다. 충격파 세기가 임계치보다 낮으면 결석을 분쇄하지 못하며, 반대로 지나치게 높으면, 결석 분쇄 뿐 아니라 주변 신장 조직에 상처 및 출혈을 유발할 수 있다. 만일 충격파가 결석 부위가 아닌 주변 신장 조직으로 집속될 경우, 결석은 분쇄하지 못하고 주변 조직에 상처만 주게 된다. 따라서 충격파의 집속 범위 및 세기에 대한 정보를 제시하는 충격파 음장은 ESWL 장비의 치료 효과 및 안전성을 좌우하는 중요한 성능 지표이다. ESWL 충격파 음장을 기술하는 변수로 충격파 펄스의 압력, 에너지, 집속 위치 및 초점 영역의 크기 등이 있다.

ESWL 치료기의 성능 및 안전성 시험은 IEC60601-2-36(2014)에 의거하며, 치료기의 성능을 결정하는 체외 충격파 쇄석기의 음향 출력 측정은 IEC61846 (1998)을 따른다.^[5,6,7,8] 최근 본 연구팀에서 제안된 NP를 근거로 IEC61846 ED2 개정이 진행되고 있으며 개정판이 2024년 10월 출판 예정이다. 인허가 과정에서 ESWL 장비의 성능에 대한 식약처의 심사는 제조사에서 제공하는 기술 문서에 포함된 시험 성적서를 근거로 한다. 식품의약품안전처(Minster of Food and Drug Safety, MFDS)는 체외 충격파 쇄석기의 안전성 및 성능 평가 시험 방법 안내서 Guide-0784-01(2017)를 통해 쇄석기 제조사 및 공급사가 인허가 심사에 필요한 기술 문서에 포함할 장비의 성능 및 안전성에 관련된 내용을 규정하고 있다.^[9]

ESWL은 결석 치료의 표준화된 방법으로 자리잡고 있으나, 국내에는 아직 충격파 치료기의 성능과 안전성을 검사하는 공인된 시험 검사 기관이 없다. ESWL 충격파 측정을 위해 고가의 하이드로폰 및 측정 시설이 필요하고, 측정 과정에서 하이드로폰이 손상될 확률이 높으며, 숙련된 측정 기술이 요구되기 때문이다. 현재 ESWL 장비의 충격파 음향 출력을 포함하는 성능 시험 자료는 제조사 또는 공급사가 자율적으로 확보하여 기술 문서를 작성하고 있다. 식약처는 제출된 자료를 검증할 수 있는 전문 기술과 인프라를 확보하고 있지 못하며, 식약처 허가를 받은 ESWL 장비의 성능 및 음향 출력에 대한 신뢰성이 검증된 적은 없다. 그러나 본 저자들은 ESWL의 충격파 발생 방식과 동일한(식약처에서 허가된) 집속형 Extracorporeal Shock Wave Therapy(ESWT) 치료기의 음향 출력을 조사한 선행 연구를 통해서, 기술 문서에 누락된 데이터가 많고, 일부 충격파 음향 데이터의 신뢰성이 결여된 것을 확인할 수 있었다.^[10,11,12]

본 연구에서는 ESWL 장비의 성능을 좌우하는 충격파 음향 출력의 시험 검사 변수를 설명하고, 국내에서 임상 사용이 허가된 ESWL 장비의 음향학적인 출력의 분포 및 신뢰성을 분석하고자 한다. 조사 및 분석을 위한 충격파 출력 데이터는 인허가용으로 제조사가 식약처에 제출한 기술 문서로부터 수집했다. 조사된 충격파의 음향 출력의 분포를 ESWL의 치료 효과 및 안전성과 연관지어 토의하고, 기술 문서의 충실도를 높이기 위한 방법 및 임상에서 사용되는 ESWL 장비의 성능을 유지하기 위한 규제 기관의 역할 및 사후 관리의 필요성을 제안하고자 한다.

II. 재료 및 방법

충격파 에너지를 사용하여 결석을 분쇄하는 ESWL의 원리 및 충격파 발생 방식을 약술하고, 음향 출력을 평가하기 위한 측정 변수를 기술하고자 한다. 식약처에 등록된 기술 문서를 통해 국내에서 임상 사용이 허가된 ESWL 장비의 충격파 음향 출력 자료를 비교 분석했다.

2.1 ESWL 원리 및 장치

ESWL은 체외에서 생성된 충격파가 피부와 조직을 통과하고 결석 부위에 집속되어 결석을 분쇄하고 분쇄된 작은 조각들은 소변과 함께 체외로 배출되어 치료 효과를 얻는다.^[1,2,3,4] 대부분 결석은 신장 내에 위치하지만 간혹 요관에 위치하기도 한다.

Fig. 1은 ESWL 원리 및 장치의 구조를 예시한다. ESWL 장치는 충격파 발생부, 음향 커플링, 환자 이송 테이블, 결석 위치 및 분쇄 또는 분쇄 과정을 확인하기 위한 초음파 또는 엑스선 영상 장치로 구성된다[Fig. (1)]. 음향 커플링은 충격파 발생 장치와 피부 사이에, 인체 조직과 음향 임피던스가 유사한 초음파 젤 또는 물로 채워진, 충격파 집속기 끝단에 벌룬 모양으로 된 부분으로, 충격파가 피부를 통해 체내로 잘 입사 할 수 있도록 한다. 발생된 충격파는 집속기를 통해 반사되어 커플링 물질 및 피부를 통과하여 체내의 결석 부위로 집속된다.

Fig. 1.

(Color available online) Concept of Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy (ESWL) treating stone diseases in the urinary system: (left) basic components of an ESWL device, and (right) extracorporeal shock waves focused to the target stones located in the kidney or an urinary tact.

충격파에 의한 결석의 분쇄는 짧은 시간(최대 10 μs ~ 20 μs 이내) 동안 큰 압력(최대 100 MPa 이상)의 변화를 통해 결석을 파쇄하는 직접적인 효과 및 충격파에 의해 유발된 캐비테이션에서 2차적으로 발생된 강력한 압력파에 의해 결석 표면 또는 내부에 역학적인 손상을 가하는 간접적인 효과의 조합으로 해석되고 있다.^{[13,14,15,16,17,18]}

2.2 충격파 발생 방식

충격파 발생 장치 및 발생된 충격파 출력은 ESWL의 치료 효과 및 성능을 좌우한다. Fig. 2는 임상에서 사용 중인 3가지 충격파 발생 방식(Elctrohydraulic,^[13] Electromagnetic,^[19] and Piezoelectric types^[20])을 개념적으로 도시한다.

Fig. 2.

(Color available online) Principles of production of the shock waves used for extracorporeal shock wave lithotripsy: (a) ElectroHydraulic (EH) method (b) ElectroMagnetic (EM) method, and (c) PiezoElectric (PE) method.

전기 수압식(ElectroHydraulic type, EH) 충격파 발생 방식은 고전압을 인가한 두 개의 전극 사이의 방전 현상을 이용하여 충격파를 발생한다. 생성된 충격파는 타원형 반사체(집속기)를 통해서 초점 부위로 집속된다[Fig. 2(a)]. 전자기식(ElectroMagnetic type, EM)은 솔레노이드 코일에 전류 펄스를 흘려줄 때 유기된 전자기력이 코일을 둘러싼 원통형 금속판을 진동하면서 생성된 압력파를 음원으로 이용한다. 생성된 역학파 펄스는 포물선형 집속기(parabolic reflector)에서 반사되어 초점으로 집속된다[Fig. 2(b)]. 압전 소자(PiezoElectric type, PE) 방식은, 구형 구조체의 일부분에 해당하는 구조물의 내부에 다수의 압전 소자를 부착하고, 고전압 펄스를 입력하면 압전 효과에 의해 압전 소자가 물리적으로 변형하면서 압력파를 발생한다. 발생된 압력파는 구형의 구조체의 중심부로 집속된다[Fig. 2(c)].

충격파 빔이 집속되는 실제 초점 위치(Beam Focus, BF)는 집속기의 크기 및 구조에 의해 결정되는 기하학적인 초점(Geometric Focus, GF)과는 다르다. GF는 집속기의 설계값으로, 영상에서 초점을 표기하는 기준점으로 사용한다. 초점 부근에서 집속된 충격파 음장의 분포는 충격파 및 집속기의 특성 및 출력 설정에 영향을 받는다. 일반적으로 충격파의 초점 영역은 충격파의 전파 방향으로 긴 타원형 모양을 가진다. 충격파를 결석 위치에 정확히 가격하기 위해서는 집속된 충격파 음장에 대한 특성을 이해해야 한다.

2.3 음향 출력 변수

Fig. 3은 임상에서 사용되는 전기 수압식 충격파 발생 장치(Rifle-EH, Hnt Medical, Rep. Korea)로부터 측정된 전형적인 충격파 파형 p(t) 및 타원형 집속기를 통해 집속된 충격파의 초점 위치 및 초점 영역을 도시하고 있다. Fig. 3(b)에서 제시한 충격파 파형은 초점 위치에서 광학 하이드로폰(FOPH2000, RP acoustics, Germany)을 사용하여 측정하고 압력으로 변환한 것이다.

Fig. 3.

(Color available online) Parameters that characterize the focused shock wave field employed in ESWL: (a) focal location (x_f,y_f,z_f) at which the peak pressure is maximized and the ellipsoidal focal region with 𝑒_𝑥, 𝑒_𝑦,𝑒_𝑧 (the half of the 3 semi axes of ellipsoid in x, y, z directions, respectively), and (b) a typical shock wave (produced by Rifle-EH, Hnt Medical, Rep. Korea), together with the definitions of the peak pressures (P+, P-) and the pulse length (T).

(초점 위치 및 거리) 결석이 위치하도록 하는 목표(target) 위치(x_t,y_t,z_t)는 집속기의 크기 및 구조에 의해 결정되는 설계값인 기하학적인 집속 위치 GF이다. GF는 실제로 충격파의 압력이 최대가 되는 충격파 음장의 실제 집속 위치 BF[= (x_f,y_f,z_f)]와 다를 수 있다. 이러한 차이(DF = BF - GF)는 충격파의 신호의 특성 및 출력 설정값에 영향을 받는다. ESWL 시술 과정에서 영상에 표기된 충격파의 초점은 일반적으로 GF를 의미한다. 충격파를 결석 위치에 정확히 조사하기 위해서 DF에 대한 정보가 필요하다. ESWL 임상에서는 충격파의 비선형 전파 및 환자의 해부학적인 복잡성으로 인해 BF는 GF와 크게 달라질 수 있다. 초점 거리(Focal Distance, FD)는 통상적으로 집속기 끝단의 중심점을 원점으로 정의할 때, 원점에서 초점까지의 거리로 표기한다[Fig. 3(a)]. 따라서 FD는 GF를 기준으로 할 경우 z_t와 같으며, BF를 기준으로 할 경우, z_f로 정의된다. 충격파 측정 시험 검사 과정에서 충격파 측정은 주로 충격파의 크기가 가장 큰 위치인 빔 초점 BF(x_f,y_f,z_f)에서 이루어지며, 기술 문서에 제시된 초점 거리 FD는 특별한 언급이 없는 한 BF를 의미한다.

(초점 영역의 크기) 충격파 초점의 영역은 종종 충격파 전파 방향(z축 방향)으로 대칭인 길게 늘어진 타원형으로 가정한다. 타원구 초점 영역의 크기는 3차원 직교 좌표에서 정의되는 타원구의 단면의 반경인 e_x, e_y, e_z를 사용하여 표기할 수 있다[Fig. 3(a)]. 즉 초점 영역에서 단면적 FA(Focal cross sectional Area)와 초점 영역의 체적 FV(Focal Volume)은 각각 FA = π * e_x * e_y 및 FV = 4π / 3 * e_x * e_y * e_z로 정의할 수 있다. 실제로 측정된 충격파 초점 영역은 x-y 평면상에서는 대칭성을 가지고 있으나, z축 방향으로는 단면의 크기가 증가하는 비대칭성을 보인다. 충격파 음장을 측정하는 국제 규격인 IEC61846에서는 초점 영역을 P+의 -6 dB 조건을 만족하는 초점 영역의 폭 FW(Focal Width)과 초점 영역의 길이 FL(Focal Length)로 정의하고 있다. 충격파 음장의 x,y,z축 방향으로 대칭성을 가지는 타원구 모양을 가정하면, FW = 2e_x = 2e_y, FL = 2e_z가 되어 FA 및 FV는 Eqs. (1)과 (2)로 부터 계산할 수 있다.

(P+,P-,efd) 초점에서 측정된 충격파의 최대 및 최소 음압(peak positive & negative pressures: P+, P-) 및 펄스의 길이(T)는 결석 분쇄와 관련된 충격파의 음향 출력을 결정하는 핵심 평가 변수이다. P+는 충격파 압력에 의한 결석 분쇄의 직접적인 효과와 관련되어 있으며, P-는 결석 분쇄의 간접적인 효과 및 충격파의 생물학적 효과를 유발하는 핵심 기전으로 알려진 캐비테이션의 발생과 상관성이 높다. P+ 및 P-는 초점 위치에서 순간적인 역학적 특성인 반면, 초점에서의 충격파 에너지 속 밀도(focal energy flux density, efd)는, Eq. (3)과 같이 정의되는, 초점 위치에서 충격파 압력이 펄스 지속 시간(T) 동안 누적된 물리량으로, 임상적으로 충격파의 피폭량을 표현하는 핵심 변수로 자주 사용된다.

여기서 ρ는 충격파가 전파되는 매질의 밀도, c는 매질에서의 음속, T는 충격파 펄스의 길이, p(t)는 초점에서 충격파 압력, t는 시간 변수를 의미한다. 적분 시간 구간 T는 IEC61846에서 정의된 충격파의 유효 펄스의 폭이다[Fig. 3(b)].

(E) 펄스당 충격파 에너지 E는 IEC61846에서 정의된 것처럼, Eq. (4)와 같이, 초점을 통과하는 x-y 공간에서 분포하는 충격파 펄스의 에너지 속 밀도 efd(x,y,z=z_f)를 공간 적분하여 계산할 수 있다.

만일, 초점 영역에서 충격파 음장의 공간적 분포를 가우시안 분포로 가정하면, 초점 영역에 조사된 유효 충격파 에너지는 초점에서 efd를 충격파 빔이 통과하는 유효 면적 FA(-6 dB)을 곱한 값인 E*로 과대(overestimated) 추정 할 수 있다.

역으로, E를 알고 있지만 초점에서의 efd의 정보가 없을 때, E를 초점에서 충격파 빔의 유효 면적 FA(-6 dB)으로 나눈 공간 평균값인 efd*로 과소(underestimated) 추정 할 수 있다.

초점 위치BF(x_f,y_f,z_f) 및 BF에서 충격파 펄스의 최대 압력(P+,P-) 및 에너지 속 밀도(efd), 충격파 에너지(E) 및 초점 크기(FL,FW,FA,FV)는 충격파 음장을 결정하는 핵심 변수이며 ESWL 치료 효과 및 환자의 안전에 밀접하게 관련된다.

2.4 장비 설정에 따른 충격파 음향 출력

ESWL 장치의 음향 출력은 충격파 발생 장치의 출력 설정(discharging voltage)을 변경하여 제어한다. Fig. 3에서 고려된 Rifle-EH(Hnt Medical, Rep. Korea)는 9 kV ~ 18 kV 범위에서 인가 전압을 10단계로 변화하면서 충격파의 음향 출력을 제어하고 있다. 충격파 발생 장치의 설정값이 증가하면 충격파의 음향 출력이 증가한다. 동시에 충격파 발생 장치의 설정을 증가하면 충격파의 비선형 전파 효과로 초점 위치 및 크기가 변화될 수 있다. 식약처 가이드라인[Guide-0784-01(2017)]에서는 설정된 목표 위치(GF)와 실제로 측정된 충격파 빔의 초점(BF)과의 차이(DF)에 대한 검사 항목을 포함한다.

efd는, Eq. (3)에서 정의된 것처럼, 초점에서 측정된 충격파 파형 p(t)를 제곱하여 시간 적분하여 계산한다. 선형 음향 전파 이론을 가정하면, efd는 P+가 상승하면, 2차 함수적으로(∝ P+²) 상승한다. 실제로 초점에서 충격파 파형은 높은 압력을 가지는 압력파가 비선형 전파를 하면서 형성된 최대 100 MPa 이상의 P+에 도달 후, 수 사이클 이내(10 μs ~ 20 μs 이내)에서 급격히 감쇠하는 역학파 펄스이기 때문에 선형 음향 전파 이론을 적용하기 어렵다. 실제로 관찰된 efd와 P+의 상관성은 비선형적인 양의 상관성을 유지하나 변화율은 다르다[Fig. (8)]. 충격파 성능 시험에서는 장비의 출력 설정값을 보통 최소 ~ 최대의 2단계, 또는 저, 중, 고 3단계로 구분하여 측정한다.

2.5 ESWL 장비의 음향 출력 자료 수집

충격파 쇄석기의 성능 시험 및 기술 문서 작성을 위한 식약처 가이드라인[Guide-0784-01(2017)]은 IEC 60601-2-36 및 IEC61846을 반영하여 ESWL 장비의 충격파 집속 위치[GF(x_t,y_t,z_t), BF(x_f,y_f,z_f), DF(= BF - GF), FD=z_t,z_f], 초점 크기(FW,FL,FV,FA), 최대 압력(P+, P-) 충격파 펄스 시간 및 상승 시간, 충격파 주파수, 충격파 음향 에너지(efd, E) 및 모의 결석 파쇄 시험 등을 제시하고 있다.

본 연구에서 고려된 ESWL 장치는 식약처에서 임상 사용이 허가된 제품이다. ESWL 치료기는 1998년부터 식약처의 허가를 받기 시작했지만, 기술 문서 또는 성능 시험 평가서(이하 ‘기술 문서’라 칭한다)는 2013년 2월부터 허가된 장비부터 식약처 홈페이지에서 공개되고 있다. 본 연구에서는 식약처 의료기기 전자 민원 창구(https://emed.mfds.go.kr/)에서 키워드 ‘체외충격파쇄석기’로 검색하여 ESWL 장치의 목록을 파악하고 등록된 체외 충격파 쇄석기의 기술 문서를 열람했다. 검색 결과 2023년 6월 기준 11개의 제조사(국내 3개, 국외 8개), 33개의 ESWL 제품 모델(국내 12개, 국외 21개)이 파악되었다.

Table 1은 수집된 ESWL 장치에 대한 정보를 제조사, 제품 모델, 제조국, 등록일, 충격파 발생 방식 순으로 제시하고 있다. 충격파 발생 방식은 15개의 전기수압식(EH), 16개의 전자기식(EM), 2개의 압전 방식(PE)으로 나타났다. 확인된 총 33개 제품 모델 중 기술 문서가 등록된 제품 10개에 대해 본 논문에서 정의한 제품 모델 구분 코드 Product Model ID(PMID)를 부여했다. PMID 코드 단위로 기술 문서에 제시된 상기 충격파 음향 출력의 값을 수집하여 분석했다.

III. 결 과

식약처 허가를 받은 10개의 체외충격파쇄석기의 기술 문서를 통해 수집된 음향 출력은 Table 2에 제시하고 있다. 조사된 모든 기술 문서에서 충격파의 주파수(f) 및 모의 결석 파쇄 시험 결과는 포함되어 있지 않았다. 충격파 집속 위치(GF,BF), 충격파 펄스 시간 및 상승 시간에 대한 정보는 대부분 누락되어 있어 분석에 포함할 수 없었다. Table 2는 등록된 10개의 기술 문서(12개 충격파 음장)에 대해, 충격파 출력 설정(output setting PRF), 충격파 집속 정보(FD, FW, FL) 및 충격파의 음향 출력(P+, P-, efd, E) 값을 정리하고 있다.

3.1 출력 설정 변수(output setting, PRF)

충격파 발생 장치는 2.1에서 기술된 것처럼 고전압 펄스 파워로 유도된 기계적인 진동을 음원으로 사용하여 집속을 통해 초점 영역에서 높은 압력의 충격파를 얻는다. 충격파 음향 출력의 설정(output setting)은 펄스 파워 장치의 방전 전압을 제어하는 방식으로 조절한다. 조사된 10개의 기술 문서 중 3개는 방전 전압 대신 상대적인 숫자로 출력을 제어하고 있어(M10A.EM06, M10B.EM07: levels of 1 ~ 90, M11B.PE01: 1 ~ 20 stages) 방전 전압의 값을 알 수 없다(Table 2). 방전 전압의 값을 제시한 7개의 제품(EH 2개, EM 5개)에 대한 방전 전압은 최대값이 15 kV ~ 23 kV 범위(평균 18.78 kV)를 가지며 최소값은 9 kV ~ 14 kV(평균 11.32 kV)에서 최소 ~1 kV 단위로 조절되고 있다. 방전 전압 설정 범위는, PE 방식은 자료가 제시되어 있지 않지만, EM 및 EH 충격파 발생 방식 간에 의미 있는 차이가 없는 것으로 보인다[Fig. 4(a)]

Fig. 4.

(Color available online) Distribution of the output settings in the ESWL devices: (a) discharging voltage (in kV), and (b) pulse repetition frequency (PRF in Hz).

충격파의 반복 조사 주파수(Pulse Repetition Frequency, PRF)는 단위 시간당 조사하는 충격파의 수로 정의되며, Hz를 단위로 통일하여 Table 2에 제시했다. M01C. EM01은 기술 문서에 ‘수동’ 혹은 ‘자동’으로만 표기되어 PRF 값을 알 수 없었다. PRF가 제시된 9개의 기술 문서에 대해 PRF의 최대값은 1.5 Hz ~ 6 Hz(평균 3.01 Hz)이며 최소값은 0.1 Hz ~ 0.5 Hz(평균 0.42 Hz)이다. PRF는 PE 방식 충격파 발생기에서 가장 넓은 범위(0.5 Hz ~ 6 Hz)를 가지며, EH 방식에서 가장 좁은 범위(0.1 Hz ~ 1.6 Hz)에서 설정이 가능한 것으로 나타났다[Fig. 4(b)]. 일반적으로 출력 설정(방전 전압)의 최대값이 상승할수록 PRF의 최대값이 감소하고 있다. 설정 전압이 높아질수록 방전 후 재충전되기까지 걸리는 시간이 증가하기 때문이다.

3.2 초점 거리 및 영역(FD, FW, FL)

ESWL 충격파의 집속 정보는 Fig. 3에서 정의된 것처럼, 초점까지 거리 FD 및 -6 dB 초점 영역의 크기(FW, FL)로 구분하여 제시했다(Table 2). FD는 모든 기술 문서에서 제시하고 있으며, FW 및 FL은 M07A.EH01, M05F.EM03 및 M07B.EM04를 제외한 7개의 기술 문서에서 자료가 제시되어 있다(Table 2). M05F.EM03 및 M07B.EM04는 FD를 2개(135 mm, 150 mm) 중 하나를 선택할 수 있는 집속기에 대한 옵션을 제공한다. M11B.PE01은 FW 및 FL의 크기를 3단계(작은, 중간 및 큰 초점)로 전환이 가능하며, M05F.EM03, M07B. EM04와 다르게 집속기의 교체 없이, FW 및 FL를 변경할 수 있다. 따라서 M11B.PE01는 동일 제품에서 초점 크기(FW, FL) 및 충격파 출력(P+, P-, efd, E)이 다른 3가지의 충격파 음장을 생성한다. 이러한 내용을 반영하여 Table 2에서 단일 기술 문서인 M11B.PE01은 M11B.PE01(a,b,c) 3개로 구분하여 충격파 음향 출력 분석을 수행했다. 다수의 압전 소자로 구성된 배열형 PE 방식 충격파 변환기는 인가된 전압의 위상 제어를 통해 집속기를 포함하는 충격파 변환기(하드웨어)를 변경하지 않고 충격파의 집속 특성을 전자적으로(소프트웨어로) 조절할 수 있다.

ESWL 제품별 초점 거리 FD 및 초점 영역(FW,FL)에 대한 분포는 Fig. 5에서 도시하고 있다. 10개의 ESWL 치료기에 대해 FD은 129 mm ~ 170 mm(평균 152.07 mm) 범위에서 변화한다. 충격파 발생 방식별로 FD는 EH 방식(M07A.EH01,M08A.EH02)에서 가장 작다(129 mm ~ 140 mm). PE 방식(M11B.PE01)은 FD가 165 mm로 EH 방식 보다 충분히 구별될 정도로 크다. EM 방식은 EH 및 PE 방식의 범위를 포함하는 넓은 범위(135 mm ~ 170 mm)의 값을 가진다. FD는 다양한 환자군에 대해 인체 내의 결석 위치에 도달할 수 있는 크기를 가져야 하며, 충격파 발생 방식별로 달라야 할 이유는 없다. 수집된 기술 문서가 많지 않아, Fig. 5(a)에서 도시된 충격파 발생 방식별 FD 차이에 대한 통계적인 유의성을 판단할 수는 없다.

Fig. 5.

(Color available online) Distribution of the minimum to maximum ranges in the focal geometry of the shock wave fields produced by the clinical ESWL devices: (a) Focal Distance (FD), (b) Focal Width (FW), and (c) Focal Length (FL) (▲: the value at the minimum output setting, ▼: the value at the maximum output setting, and x: the value unclear at which output setting was taken).

초점 크기(FW, FL)에 대해, M01C.EM01 및 M07C. EM05는 최대 출력의 설정에서의 값만 제시하며, M10A.EM06 및 M10B.EM07에서는 초점 크기가 어떤 출력 설정에서 측정된 값인지 모호하다(Table 2). ESWL 제품별 초점 크기의 범위를 도시하는 Fig. 5b,c에서는, FW 및 FL 범위의 시작 점(최소 출력 설정)은 내부가 채워진 정삼각형(▲), 종착점은 내부가 채워진 역삼각형(▼)으로 표기했다. 시작점과 종착점이 모두 제시된 경우는 그 사이를 실선으로 연결했다. 출력 설정이 명확하지 않은 값(M10A.EM06, M10B.EM07)은 X로 표기했다.

FW는 최소 출력 설정에서 제품별로 4.2 mm ~ 12.3 mm에서 변화하며(평균 7.42 mm, 폭 8.1 mm, 변동률 2.93배), 최대 출력 설정에서 제품별로 FW는 2 mm ~ 9 mm 범위(평균 4.34 mm, 폭 7 mm, 변동률 4.5배)에서 분포하고 있다(Table 3). 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 FW의 변동폭은 M08A.EH02에서 0.5 mm로 가장 작고, M11B.PE01c에서 8.4 mm로 가장 크다. FW 변동폭은 PE 및 EM 방식은 서로 유사하며, EH 방식보다 충분히 구별될 정도로 상대적으로 변동폭이 크다[Fig. 5(b)].

FL은 최소 출력 설정에서 제품별로 17 mm ~70 mm에서 변화하고 있으며(평균 46.04 mm, 폭 53 mm, 변동율 4.12배), 최대 출력 설정에서 제품별로 FL은 26 mm ~ 80 mm(평균 48.81 mm, 폭 54 mm, 변동률 3.08배) 범위에서 분포하고 있다(Table 3). 출력 설정 변화에 따른 FL의 변동폭은 M11B.PE01a에서 2.4 mm로 가장 작고, M11B.PE01c에서 22.5 mm로 가장 크다. 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 FL 변동 폭은 PE 및 EM 방식은 서로 유사하며, EH 방식보다 충분히 구별될 정도로 크다[Fig. 5(c)].

3.3 충격파 음향 출력

초점 위치에서, 충격파의 최대 압력(P+,P-), 에너지 속 밀도(efd) 및 충격파 음향 에너지(E)는 ESWL의 치료 효과를 좌우하는 역학적인 피폭 요소이다. 그러나 조사된 기술 문서에서 이러한 충격파 출력 정보가 충실하게 제시되지 못한 상태이다.

초점에서 충격파의 최대 양압 P+는 3개의 기술 문서(M07A.EH01, M05F.EM03, M07B.EM04)를 제외한 7개의 기술 문서에서 제시되어 있으며, 이중 2개(M01C.EM01, M07C.EM05)는 최대값만 제시하고 있다(Table 2).

충격파의 생물학적인 효과의 주요 기전인 캐비테이션과 상관성이 높은 초점에서 충격파의 최소 음압P-는 측정된 충격파 파형으로 부터 P+와 함께 동시에 수집된다. 그러나 P+ 값이 제시된 7개 기술 문서 중 57.1 %에 해당하는 4개의 기술 문서(07C.EM05, M10A.EM06, M10B.EM07, M11B.PE01)에서 P- 값이 누락되어 있다(Table 2). 즉, P-는 3개의 기술 문서(M08A.EH02, M01C.EM01, M04E.EM02)에서만 제시되어 있어, 충격파 음향 출력 항목 중 누락의 정도가 가장 심하다. P-가 제시된 3개의 기술 문서 중에서 M01C.EM01은 P-의 최대값만 제시하고 있다.

초점에서 efd는 2개의 기술 문서(M08A.EH02, M05F. EM03)를 제외한 8개의 기술 문서(10개 충격파 음장)에서 제시되어 있다. 이중 4개의 기술 문서(M07A. EH01, M01C.EM01, M07B.EM04, M07C.EM05)는 efd의 최대값만 제시하고 있다(Table 2). M08A.EH02는 efd의 값을 누락하고 있으나, 제시된 E의 값을 이용하여 Eq. (6)을 통해 과소 추정된 efd* 값을 표기했다. M10A.EM06에서는 efd는 단위가 J/mm²으로 되어 있는데, 대부분 기술 문서에서 사용하는 mJ/mm²으로 환산하여 Table 2에 표기했다.

충격파 에너지 E는 4개의 기술 문서[M08A.EH02, M01C.EM01, M04E.EM02, M11B.PE01(a,b,c)]에서 값을 제시하고 있으며, 이중 M01C.EM01은 E의 최대값만 제시하고 있다. 3개의 기술 문서(M07C.EM05, M10A.EM06, M10B.EM07)는 E를 제시하고 있지는 않으나, efd 값은 포함하고 있어, Eq. (5)를 이용하여 과대 추정된 E* 값을 Table 2에 제시했다.

Fig. 6은 Table 2에서 제시된 충격파 출력(P+, P-, efd, E) 범위(min ~ max)에 대한 제품별 분포를 도시하고 있다. Fig. 6에서 최소값은 내부가 채워진 정삼각형(▲), 최대값은 내부가 채워진 역삼각형(▼)으로 표기하고, 두 가지 값이 모두가 제시된 경우는 그 범위를 실선으로 연결했다. 추정된, efd* 및 E* 값은 속인 빈 삼각형과 점선을 이용하여 도시했다.

Fig. 6.

(Color available online) Distribution of the ranges of the acoustic outputs from the clinical ESWL devices: (a) P+, (b) P-, (c) efd and (d) E (▲: minimum, ▼: maximum). Note that the empty triangles are the estimated values of efd^* and E^*.

기술 문서별로 초점에서 충격파 최대 양압의 크기 P+의 최소값은 6.4 MPa ~17 MPa(평균 17.85 MPa, 폭 10.6 MPa, 변동률 2.93배) 범위에서 분포하며, P+의 최대값은 60.6 MPa ~ 126.1 MPa(평균 88.62 MPa, 폭 65.5 MPa, 변동률 2.08배)에서 변화하고 있다(Table 4). 최소 출력 설정에서 기술 문서별 P+의 최대값(17 MPa)은, 최대 출력 설정에서 기술 문서별 P+의 최소값(60.6 MPa)보다는 충분히 작은 것으로 나타났다. 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 P+의 변동폭은 M08A.EH02에서 24.0 MPa로 가장 작고, M11B. PE01a에서 110.5 MPa로 가장 크다. P+ 변동 폭은 PE 방식에 가장 크며 EM 및 EH 방식 순으로 작아진다[Fig. 6(a)].

초점에서 P-의 최소값은 ESWL 제품별로 3.42 MPa ~ 8 MPa(평균 5.71 MPa, 폭 4.58 MPa, 변동률 2.34배) 범위에서, P-의 최대값은 2.42 MPa ~ 6.58 MPa(평균 5.90 MPa, 폭 6.58 MPa, 변동률 3.72배) 사이에서 변화하고 있다(Table 4). 최소 출력 설정에서 기술 문서별 P-의 최대값(8 MPa)은, 최대 출력 설정에서 기술 문서별 P-의 최소값(2.42 MPa)보다 오히려 큰 것으로 나타났다. 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 P-의 변동폭은 M08A.EH02에서 1 MPa로 가장 작고, M04E.EM02에서 2.87 MPa로 가장 크다. P- 변동 폭은 PE 방식의 정보가 없는 상태에서 EM 방식이 EH 보다 상대적으로 큰 것으로 나타났다[Fig. 6(a)].

제품별로 efd의 최소값은 0.04 mJ/mm² ~ 300 mJ/mm² (7,500배) 범위에서, efd의 최대값은 0.74 mJ/mm² ~ 1,800 mJ/mm²(2,432배) 사이에서 변화한다(Table 5). 제품 별로 efd의 차이가 비정상적으로 큰 이유는 M10A.EM06에서 efd의 값이 통상적인 범위를 벗어난 비정상적으로 큰 값을 제시하고 있기 때문이다. 비정상적으로 추정되는 값을 제외할 경우, efd의 최소값은 0.04 mJ/mm² ~ 0.46 mJ/mm²(평균 0.18 mJ/mm², 폭 0.42 mJ/mm², 변동률 11.5배) 범위에서, 최대값은 0.74 mJ/mm² ~ 2.88 mJ/mm²(평균 1.53 mJ/mm², 폭 2.14 mJ/mm², 변동률 3.89배) 범위에서 분포한다. 최소 출력 설정에서 기술 문서별 efd의 최대값(0.46 mJ/mm²)은, P+와 유사하게, 최대 출력 설정에서 기술 문서별 efd의 최소값(0.74 mJ/mm²) 보다는 충분히 작은 것으로 나타났다. 출력 설정이 최소에서 최대로 변할 때 efd의 변동폭은 M08A.EH02에서 0.57 mJ/mm²로 가장 작고, M11B.PE01b에서 1.94 mJ/mm²로 가장 크다(Table 5). efd의 변동폭은 PE 방식이 EM 방식보다 조금 크거나 유사한 것으로 보이며, EH 방식이 가장 작은 것으로 나타났다[Fig. 6(c)].

E의 값은, M10A.EM06에서 제시된 비정상적인 efd 값으로부터 추정된 값을 제외할 경우, E의 최소값은 1.85 mJ ~ 8.48 mJ(평균 4.1 mJ, 폭 0.42 mJ/mm², 변동률 4.58배) 범위에서, 최대값은 4.65 mJ ~ 74.3 mJ(평균 4.1 mJ, 폭 6.63 mJ, 변동률 최대 15.98배) 범위에서 분포한다. efd와는 다르게 최소 출력 설정에서 기술 문서별 E의 최대값(8.48 mJ)은, 최대 출력 설정에서 기술 문서별 E의 최소값(4.65 mJ) 보다 큰 것으로 나타났다. 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 E의 변동폭은 M11B.PE01c에서 5.06 mJ로 가장 작고, M10B. EM07에서 48.07 mJ로 가장 크다(Table 5). E의 변동 폭은 충격파 발생 방식과 상관없이 유사하며, EM 방식에서 추정된 E*의 값을 고려할 경우, EM 방식이 가장 큰 것으로 나타났다[Fig. 6(d)].

3.4 설정에 따른 음향 출력의 변화

ESWL 충격파는 파형의 압력이 크기 때문에(>> 10 MPa) 비선형 전파를 하게 된다. 비선형 전파의 결과로, 충격파 출력 설정이 변경될 때 초점 영역에서 충격파 음장이 비선형적으로 달라진다. 이러한 비선형 효과로 출력 설정이 증가할 때 충격파 빔의 집속 위치 BF가 변하며, 충격파 출력 항목(P+, P-, efd)이 비선형적으로 증가한다. 초점에서 최대 압력 P+의 비선형적인 변화는, P+의 일정 비율(예. -6 dB)을 경계로 가지는 초점 영역의 크기에 영향을 준다. 초점 영역의 크기는 설정값이 변화할 때 비선형 전파 효과의 정도에 따라 커질 수도 있고 작아질 수 있다.

Tables 3, 4, 5는 최소 출력 설정 및 최대 출력 설정에 대해 집속 정보(FW, FL) 및 음향 출력(P+, P-, efd, E)의 값을 제시하고 있다. 전술한 바와 같이 기술 문서에서 제시된 FD는 충격파 집속기의 설계값으로 정해지는 GF를 기준으로 한 고정값이며, 출력 설정에 따라 변화하는 집속 정보 분석에 FD는 고려하지 않았다.

출력 설정이 최소에서 최대로 변할 때 대응하는 FW 및 FL의 값은 3개의 기술 문서[M08A.EH02, M08A. EH02, M11B.PE01(a,b,c), 5개의 충격파 음장]에서만 제시하고 있다(Tables 2,3,6). 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때, FW의 값은, M08A.EH02에서 12 % 상승하지만, 나머지 4개의 충격파 음장[M08A.EH02, M11B.PE01(a,b,c)]에서는 오히려 크게 감소한다[41 % ~ 68 %, Table 3, Fig. 7(a)]. FL은, 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때, M08A.EH02 및 M04E.EH02에서는 각각 53 % 및 14 % 증가하는 반면, M11B.PE01(a,b,c)에서는 3가지 초점 영역 설정에 따라 증가(6 %) 또는 감소(11 % ~ 35 %)하고 있다[Table 3, Fig. 7(b)].

Fig. 7.

(Color available online) Changes in the acoustic output parameters of clinical ESWL devices as the output settings increase from the minimum to maximum values: (a) FW, (b) FL, (c) P+, (d) P-, (e) efd and (f) E.

출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때, FW의 값은 M08A.EH02에서는 상승하지만(R > 1, Table 3), 나머지 4개의 충격파 음장(M04E.EM02 및 M11B.PE01a,b,c)에서는 반대로 작아지고 있다(R < 1). 상승률 R > 1 영역은 비선형 전파 효과가 클 때, 초점에서 강한 비선형 전파로 인해 추가적인 충격파의 감쇠가 발생하여 P+의 증가율이 감소하여, P+를 기준으로 하는 -6 dB 영역이 증가하기 때문이다, R<1 경우는 약한 비선형 전파의 효과로 인해 초점에서 P+의 상승률이 비선형적으로 추가로 증가하여, P+를 기준으로 하는 -6 dB 영역이 감소하기 때문이다, FW과는 다르게 FL은, 3개 충격파 음장(M08A.EH02, M04E.EM02, M11B.PE01a)에서 출력 설정이 커지면 FL값이 커지나(R > 1), 나머지 2개의 충격파 음장(M11B.PE01b,c)은 출력 설정이 커지면 FL값이 작아진다(R < 1, Table 3). M11B.PE01의 동일한 충격파 변환기에 대해 집속 조건을 변경할 경우 비선형 효과의 정도가 다르게 나타나고 있다.

P+는 7개의 기술 문서에서 제출되어 있으며, 이 중 2개(M01C.EM01, M07C.EM05)는 P+의 최대값만 제시하고 있다. 출력 설정이 최소에서 최대로 변할 때 P+의 값의 변화는 5개의 기술 문서[M08A.EH02, M04E. EM02, M10A.EM06, M10B.EM07, M11B.PE01(a,b,c), 7개의 충격파 음장]에서 제시되어 있다. 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 P+ 최소값에 대한 최대값의 상승률(R)은 모두 양의 값을 가진다(Table 4). R의 최소값은 P+의 최소-최대 변동폭(W)이 가장 작은 M08A.EH02에서 1.42배의 값을 가지지만, R의 최대값은 P+의 W가 최대인 M11B.PE01a가 아닌 M10A.EM06에서 14.38배가 된다[Table 4, Fig. 7(c)].

P-의 최소-최대값의 변화는, P+의 정보를 제공하는 5개 기술 문서 중, 2개만이 제시하고 있다. 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 P- 최소값에 대한 최대값의 상승률(R)은 모두 양수이며, P+의 변동폭(W)이 작은 M08A.EH02에서 1.13배로 가장 작고, P-가 최대 변동폭을 가지는 M04E.EM02에서 최대값(1.84)을 보인다[Table 4, Fig. 7(c)]. 예상할 수 있듯이 P-의 변화는 P+의 변화 대비 최대 7.8배 이하로 작은 것으로 나타났다. P- 데이터를 제시하는 기술 문서의 부족으로, P-에 대한 충격파 발생 방식별 특성이나 경향은 파악하기 어렵다.

초점에서 efd는 자료가 확보된(제출 8개 및 추정 1개) 9개의 기술 문서 중, 4개(M07A.EH01, M01C.EM01, M07B.EM04, M07C.EM05)는 최대값만 제출되어 있어, 출력 설정이 최소에서 최대로 변할 때 efd의 변화는 5개의 기술 문서[M08A.EH02, M04E.EM02, M10A. EM06, M10B.EM07, M11B.PE01(a,b,c), 7개 충격파 음장]로 한정된다(Table 5). 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 efd의 최소값에 대한 최대값의 상승률(R)은, P+와 같이, 모두 양수이며, efd의 변동폭(W)과 같이 M08A.EH02에서 2.24배로 가장 작고, M11B.PE01b에서 22.56배로 가장 크다[Table 5, Fig. 7(e)].

E는 자료가 확보된 7개의 기술 문서(제출 4개 및 추정 3개) 중, 2개(M01C.EM01 M07C.EM05)는 E의 최소값 정보가 없다. 따라서 출력 설정이 최소에서 최대로 변할 때 E의 값의 변화는 efd와 동일하게 5개의 기술 문서(M08A.EH02, M04E.EM02, M10A.EM06, M10B.EM07, M11B.PE01)로 제한된다(Table 5). 출력 설정이 최소에서 최대로 증가할 때 E의 최소값에 대한 최대값의 상승률(R)은, E의 변동폭(W)이 가장 작은 M08A.EH02에서 2.79배로 가장 작고, E의 변동폭(W)이 가장 큰 M10B.EM07에서 6.67배로 가장 크다[Table 5, Fig. 7(f)].

IV. 토 의

임상에서 사용되는 33개의 ESWL 제품(국내 12개, 국외 21개) 중 식약처에 기술 문서가 등록된 10개(12개의 충격파 음장)에 대해 충격파의 집속 정보(FD, FW, FL) 및 음향 출력(P+, P-, efd, E)을 조사했다. 초점에서 P+의 최소값은 제품별로 6.4 MPa ~ 17 MPa에서 분포하며 제품간 최대 2.93배 차이가 났다. P+의 최대값은 제품별로 60.6 MPa ~ 126.1 MPa 범위의 값을 가지며 제품간 최대 2.08배 차이를 보인다. 초점에서 P-는 최소값이 3.42 MPa ~ 8 MPa 범위에서 분포(변동률 2.34배)하며, 최대값이 2.42 MPa ~ 6.58 MPa(변동률 3.72배)에서 변화한다. 초점에서 efd는 비정상적으로 추정되는 M10A.EM06의 값을 제외할 경우, efd의 최소값은 0.04 mJ/mm² ~ 0.46 mJ/mm²(변동률 11.5배), 최대값은 0.74 mJ/mm² ~ 2.88 mJ/mm²(변동률 3.89배) 범위에서 분포한다. E의 최소값은 1.85 mJ ~ 8.48 mJ 변동률 4.58배), 최대값은 4.65 mJ ~ 74.3 mJ(변동률 15.98배) 범위에서 분포하고 있다(Tables 2, 4, 5). 이러한 결과는 충격파의 치료 효과를 좌우하는 음향 출력이 제품별로 크게 차이가 나고 있음을 시사한다(Tables 2, 3, 4, 5). 특히 동등성의 평가에 중요한 음향 출력(P+, P-, efd, E)의 최대값은 ESWL 제품별로 2.08배, 3.72배, 3.89배, 15.98배의 큰 차이를 보이고 있다.

동일한 적응증을 가지는 ESWL 제품에 대한 임상 사용 허가받기 위해서는, 허가된 제품 대비 성능의 동등성을 인정받아야 하며, 제품의 치료 효과를 좌우하는 충격파의 집속 특성(FD, FW, FL), 압력(P+,P-) 및 음향 에너지(efd, E)가 일정 범위 이내의 값을 가져야 한다. 식약처는 ESWL 장비의 동등성 여부를 판단하기 위해 공급 업체가 제출한 기술 문서에 제시된 충격파 음향 출력을 값을 확인한다. 식약처는 동등성 평가 과정에서 충격파 음향 출력 변수(P+, P-, efd, E)의 최대값이 비교 대상 모델의 값을 초과하지 않는지 확인하며, 초과하는 경우 임상 데이터를 제시하도록 요구하고 있다. 음향 출력의 최대값을 기준으로 동동성 평가를 수행하기 위해서는, 기준값으로 사용할 기존에 허가된 제품의 최대값이 제품별로 허용 범위 내에서 있어야 하고, 기술 문서에 충격파 음향 출력 항목의 최대값이 반드시 제시되어야 한다.

그러나 조사된 10개의 기술 문서(12개의 충격파 음장) 중 2개(M01C.EM01 및 M04E.EM02)만이 고려된 모든 충격파 음향 출력 변수(P+, P-, efd, E)에 대한 최대값을 제시하고 있어, 적절한 동등성 평가가 어려운 상태이다(Table 2, Table 6). 본 연구에서 조사한 결과가 보여주는 바와 같이, 기준값으로 사용할 허가된 제품의 최대값이 제품별로 큰 차이를 보이고 있다. 허가된 제품 간 충격파 음향 출력의 큰 변동성은 치료 효과 및 환자의 안전을 보증하기 어렵게 하는 요인이다. 동일한 적응증으로 허가된 ESWL 제품의 성능이 동등하려면, 제품별로 충격파 음향 출력이 일정 범위 내에서 유지될 수 있도록, 충격파 출력 항목별로 명확한 허용 기준 설정 및 이를 실행할 규제 기관의 역할이 중요하다.

조사된 기술 문서는 IEC61846 및 식약처 가이드라인에서 안내하는 충격파 출력 검사 항목에 대한 자료가 충실히 포함되지 않은 것으로 나타났다(Table 6). 본 연구에서 고려된 음향 출력 항목(output setting, PRF, FD, FW, FL, P+, P-, efd, E)을 모두 포함하는 기술 문서는 M04E.EM02가 유일하다. 반면, M05F.EM03는 충격파 출력 항목(FW, FL, P+, P-, efd, E)에 대한 자료가 전혀 없다. M07A.EH01 및 M07B.EM04에는 충격파 압력(P+,P-)이 누락되어 있으나 efd의 최대값은 제시되어 있다.

기술적으로, efd 값을 얻기 위해서는 초점에서 충격파 측정이 필요하고, 측정된 충격파 파형에서 P+ 및 P- 값을 모두 얻을 수 있기 때문에(IEC61846), efd를 제시하면서 P+ 및 P-를 누락할 수 없다. 4개의 기술 문서[M07C.EM05 M10A.EM06, M10B.EM07, M11B.PE01(a,b,c), 6개의 충격파 음장]에서는 P+가 제시되어 있으나 P-는 누락되어 있다. 초점에서 충격파가 측정되면 P+ 및 P- 값을 동시에 얻을 수 있기 때문에 기술 문서에 어느 하나가 누락 될 수 없다. 충격파의 생물학적인 효과 및 ESWL 치료 효과의 주요 기전으로 알려진 캐비테이션과 밀접한 P-의 값은 3개의 기술 문서(M08A.EH02, M01C.EM01, M04E.EM02)에서만 제공되고 있으며, 그중 M01C.EM01는 P-의 최대값만 제시하고 있다. 반면 P-을 제시하고 있는 3개의 기술 문서는 모두 대응하는 P+ 정보를 제시하고 있다.

고려된 핵심 음향 출력 항목 외에도 IEC61846 및 식약처 가이드라인은 충격파 주파수, 충격파 펄스의 유효 길이, 초음파 빔의 집속 위치, 음향 캐비테이션 등에 대한 시험 검사를 포함한다. 조사된 모든 기술 문서에서 충격파의 주파수(f) 및 모의 결석 파쇄 시험 결과는 포함되어 있지 않다. 충격파 음장의 집속 위치 BF와 집속기 설계값으로 결정되는 목표 위치인 기학학적인 초점 GF와의 차이 DF(= BF - GF))는 결석 분쇄 및 정상 조직에 대한 부작용(안전성)과 관련된 중요한 정보이나 M01C.EM01(0 mm) 및 M04E.EM02(15 mm)에서만 제시하고 있다. 충격파 소음은 M11B,PE01(82 dB)와 M08A.EH02(95.2 dB)에서만 제시되고 있다. 초점에서 efd를 계산할 때 필요한 시간 적분 구간인 충격파 펄스 길이는 M11B,PE01에서 유일하게 제시되어 있다. ESWL 치료 효과의 주요 기전으로 알려진 충격파로 유발된 캐비테이션 관련 시험 검사를 포함하는 기술 문서는 없다.

기술 문서의 충실도가 부실할수록, 즉, 기술 문서에서 핵심 충격파 출력 변수에 대한 자료의 누락 정도가 클수록, 기술 문서에 제시된 값에 대한 신뢰성을 부여하기 어렵다. 실제로 기술 문서 M10A.EM06에 제시된 efd의 값은 타 제품과 비교하여 통상적인 범위를 벗어난 비정상적인 수치이다. 이를 근거로 추정된 E*의 값 역시 타 제품군과 비교하여 전혀 다른 범위의 값을 가진다[Tables 2와 5, Fig 6(c), (d)]. 또한 M10A.EM06는 efd가 비정상적으로 크기 때문에 식약처의 동등성 평가 원칙에 의거, 추가적인 임상 시험 요구된다.

데이터의 신뢰성 또는 오류를 검증할 때 종종 자체 데이터 활용할 수 있다. 본 연구에서 고려된 충격파 음향 출력 변수(P+, P-, efd)는 초점에서 측정된 충격파로 부터 수집된 것으로 물리적으로 상호 변수간의 상관성을 예상할 수 있다. 예를 들어 동일한 충격파 발생 장치에서 충격파의 최대 압력(P+, P-)이 증가하면, 음향 에너지(efd, E)는, 2.4에서 기술한 것처럼, 비선형 적이지만 양의 상관성을 가지면서 증가한다.^[10] Fig. 8은 고려된 기술 문서 중 항목별 충실도가 가장 크며, ESWL에서 가장 보편적으로 사용된 충격파 출력 변수 P+ 및 efd 값을 동시에 제시하는 8개의 기술 문서에 대한 P+ 및 efd의 상관성을 도시하는 산포도(P+ 수평축, efd 수직축)이다. 조사된 모든 충격파 발생 장치의 P+는 6.4 MPa ~ 126.1 MPa, efd는 0.04 mJ/mm² ~ 1,800 mJ/mm² 범위의 값을 가진다. Fig. 8에서 ‘x’로 표기된 비정상적인 efd 값을 가지는 M10A.EM06를 제외한 7개의 기술 문서의 데이터에 대해, P+ 및 efd는 예상된 양의 상관성을 보인다. 규제 기관이 ESWL 제품의 기술 문서에 제시된 성능 데이터의 신뢰성을 검증할 수 있는 전문성을 확보하기는 쉽지 않기 때문에, 관련 학술 단체(예. 한국음향학회, 대한의용생체공학회, 한국의물리학회 등) 또는 전문가를 활용하는 것이 필요하다.

Fig. 8.

(Color available online) Scattered relationship between the values of the most popular 2 parameters (P+ and efd) taken from the technical documents of the 7 clinical ESWL devices considered in the present study (EH: M08A.EH02, EM: M01C.EM01, M04.EM02, M07C.EM05, M10B.EM07, PE: M11B.PE01, and EM^*: M10A.EM06).

기술 문서에 치료 효과를 좌우하는 핵심 충격파 음향 출력 자료가 불충분할 경우, 성능을 파악할 수 있는 근거 자료가 부족하기 때문에, ESWL 치료기의 치료 효과 및 안전을 보증하기 어렵다. 기술 문서에 제시된 데이터의 신뢰성을 높이기 위해 공인된 시험 검사 기관의 확보가 필요하며, 기술 문서의 충실도를 개선하기 위해 기술 문서 작성 및 심의와 관련된 규제 기관의 가이드라인의 개선이 제안된다.

본 연구에서 자료 수집에 사용된 기술 문서는 11개의 제조사(국내 3개, 국외 8개), 33개의 ESWL 제품 모델(국내 12개, 국외 21개) 중 식약처에 등록된 10개를 대상으로 했다. 10개의 기술 문서 중 자료의 충실도가 낮은 것들을 다수 포함하고 있어(Table 6), 분석에 동원된 기술 문서의 수는 통계적인 분석을 수행할 만큼 충분하지 않다. 그럼에도 불구하고 조사를 위해 확보된 기술 문서는 낮은 기술 문서의 충실도, 통상적인 범위를 벗어나 신뢰성이 상실된 자료의 존재 및 ESWL 제품별 충격파 출력의 큰 변동성 등을 확인하기에는 충분하다. 향후 허가된 총 33개 제품 모델에 대한 기술 문서가 모두 확보되면, 식약처 허가 후 사용 중인 모든 ESWL 제품에 대한 충격파 발생 방식별 충격파 음향 출력의 통계적인 분석이 가능할 것으로 보인다.^[13,19,20]

기술 문서에서 충격파 초점 영역의 크기는 폭(FW)과 길이(FL)를 측정하여 제시하고 있다. 충격파 음장의 초점 영역은 2.3에서 기술하고 있는 것처럼 종종 타원구로 가정할 수 있으며, Eqs. (1)과 (2)를 이용하여, FW 및 FL로부터 초점에서 충격파 빔이 통과하는 단면적(FA) 또는 충격파 음장에 대한 초점 영역의 체적(FV)을 추정할 수 있다. FA 및 FV는 충격파로 피폭된 공간적 정보를, 일차원 정보인 FW 및 FL보다, 더 직관적으로 이해할 수 있다. Table 7은 Table 3에서 제시된 일차원 정보(FW,FL)를 Eqs. (1)과 (2)를 이용하여 2차 및 3차원 공간으로 전환된 FA 및 FV의 값을 제시하고 있다. 예상할 수 있듯이, 제품별 FA 및 FV의 변동률은 각각 12.43 배 및 29.02 배로, FW의 3.53배, FL의 2.34배 보다 매우 크다(Tables 3과 7). Fig. 9는 제품별 FA 및 FV의 분포 및 충격파 출력을 최소에서 최대로 증가할 때 제품별 FA 및 FV의 변화를 도시한다. 제품별 FA 및 FV의 분포 및 출력 설정에 따른 변동은, FW 및 FL과 동일한 경향을 보이며, FA 및 FV에서 제품별로 차이가 더 크고 분명하다.

Fig. 9.

Distribution of the ranges of (a) the Focal cross sectional Area (FA) and (b) the Focal Volume (FV) of the shock wave fields produced by the clinical ESWL devices (▲: the value at the minimum output setting, ▼: the value at the maximum output setting, and x: the value unclear at which output setting was taken), and the changes in (c) FA and (d) FV as the output settings increase from the minimum to the maximum values of the devices.

전기 에너지를 충격파로 변환하는 충격파 변환기는 사용 시간이 증가함에 따라 성능이 저하된다. 높은 전압(~20 kV)을 인가한 전극에서 발생하는 스파크 방전을 활용하는 EH 충격파 발생 방식은 충격파를 발생하면서 빠른 속도로 전극이 마모되기 때문에, EM 및 PE 방식에 비해, 사용 시간이 증가하면 충격파 발생 효율이 급격히 저하한다.^[21] 따라서 규제 기관은 허가된 ESWL 제품에 대해 일정 간격으로 적절한 시험 검사를 통해, 성능이 일정 범위 내에서 유지되도록 관리 지침을 마련해야 한다. 기존의 하이드로폰을 이용한 충격파 측정은 전문 기술 및 고가의 측정 시설이 필요하다. 사용자 또는 공급자 수준에서 ESWL 제품의 성능 유지 및 관리를 위해 ESWL QA tool kit^[22] 또는 모의 결석^[23,24] 및 인체 유사 팬텀^[25,26,27]을 활용하는 기술 등을 고려한 실용적인 시험 검사 도구의 개발이 요구된다.

V. 결 론

임상에서 사용중인 ESWL 장치 중 기술 문서가 공개된 10개의 제품에 대해 음향 출력 분포를 조사한 결과, ESWL 치료기의 치료 효과 및 안전성을 좌우하는 충격파의 음향 출력이 제품별로 크게 다른 것으로 나타났다. ESWL의 핵심 충격파 음향 출력(P+, P-, efd, E)의 최대값은 각각 제품별로 최대 2.08배, 3.72배, 3.89배, 15.98배 차이가 나고 있다. 이러한 큰 차이는 동일한 적응증으로 허가 받은 ESWL 장비의 동등성을 훼손할 가능성이 높다.

조사 결과 식약처 가이드라인에 포함된 핵심 성능 변수들의 값이 기술 문서에 충실하게 포함되지 않고 있다. 공인된 충격파 출력 시험 검사 기관이 없으며, 제조사가 자체적으로 시험 검사 자료를 확보하여 기술 문서를 작성하고 있기 때문이다. 허가된 ESWL 제품의 기술 문서에 제출된 자료의 신뢰성을 검증하고, 임상에서 사용되는 제품의 성능이 기술 문서와 동일한지 확인할 수 있도록 공인된 시험 검사 기관 확보가 필요하다. 노화로 충격파 출력이 저하될 수 있는 ESWL 제품의 특성을 고려하여, 치료기의 성능 유지 및 관리를 위해 규제 기관 주도의 사후 관리가 제안된다.