작품의 기능
저희는 의료용 비위관의 문제점을 간단한 구조적 변형을 통해 해결하고자 했습니다. "역류 방지 비위관"은 풍선형 카테터를 부풀리는 관과 음식물을 주입하는 관인 이중관으로 이루어집니다. 삽입이 완료된 뒤 풍선을 팽창시켜 괄약근 약화로 발생하는 음식물의 역류를 물리적으로 차단합니다. 또한 풍선은 음식물 주입 직후에만 팽창시키고, 공복에는 공기를 뺄 수 있게 설계하여 식도 점막에 가해지는 부담을 줄이고 혈류 흐름을 원활히 유지할 수 있습니다.
영감의 원천
저희는 ‘단순함을 통한 혁신’이라는 다이슨 어워드의 철학에 부합하는 아이디어를 찾고자 고민하던 중, 장기 입원 환자들을 직접 인터뷰하게 되었습니다. 그 과정에서 많은 환자들이 비위관을 매우 불편하고 부담스러운 기구로 인식하고 있으며, 실제로 장기간 착용하거나 삼킴 장애를 가진 환자의 경우에는 식도괄약근 기능이 저하되어 비위관 삽입 시 음식물이나 위산의 역류 위험이 크게 증가한다는 문제점을 확인할 수 있었습니다. 이에 저희는 위장관 감압과 영양 공급을 동시에 수행하는 삼중관 구조의 Moss tube가 역류 방지에 효과적이라는 점에 주목하게 되었고, 이를 보다 단순한 형태로 변형해도 더 확실한 효과를 낼 수 있는 방법이 있을 것이라 판단했습니다. Moss tube는 구조가 복잡하고 환자에게 큰 부담이 될 수 있기 때문에, 저희는 두 개의 관만으로 구성된 보다 간결한 비위관을 고안하였습니다. 하나는 기존의 영양 주입용이고, 다른 하나는 풍선형 카테터에 연결되어 있어 필요 시 공기를 주입함으로써 역류가 발생하는 식도 하부 구간을 물리적으로 차단하는 방식입니다. 또한 공복 시에는 공기를 제거해 풍선을 수축시킴으로써 식도 점막에 가해지는 압력을 줄이고 혈류 흐름을 원활히 유지할 수 있도록 설계하였습니다.
작동원리
비위관은 코를 통해 위장관까지 연결되는 관으로, 환자에게 영양을 공급하는 역할을 합니다. ‘역류 방지 비위관’은 기존의 비위관이 가지는 역류 문제를 개선하고자 하는 용도로 만들어졌습니다. 비위관에서 역류 문제가 발생하는 원인 중, 비위관이 삽입되어 약화된 식도괄약근이 제 역할을 하지 못해 약화된 괄약근 사이로 역류가 일어나는 것에 집중하였습니다. 이에 대한 대책으로, 상부식도괄약근과 하부식도괄약근 사이에 풍선 카테터를 이용해 식도관 사이에 방파제와 같은 장벽을 건설하여, 괄약근 사이로 이루어지는 역류 현상을 방지하는 보조장치로 역할을 수행할 수 있도록 하였습니다. 역류 방지 비위관은 ‘이중 내관 구조’와 ‘풍선 카테터’로 이루어졌습니다. 이중 내관 구조는 영양분을 주입하는 등의 역할을 담당하는 관류용 관과 풍선에 공기를 불어 넣어 식도에 고정되는 역할을 하는 풍선 주입용 관으로 이루어져 있습니다. 관류용 관은 길게 이어져 위까지 향하고, 풍선 주입용 관은 풍선 카테터에 연결되어 있습니다. 이 비위관의 삽입 및 작동 순서는 다음과 같습니다. 첫째, 비강에서부터 식도, 그리고 위까지 삽입합니다. 둘째, 해당 비위관이 올바른 방향으로 삽입되었는지 관류용 관을 통한 영양분 주입, 혹은 x-ray 등의 방법으로 파악합니다. 셋째, 비위관이 잘 장착되었다면, 풍선 주입용 관에 공기를 불어 넣어 식도 내벽에 카테터를 고정합니다. 넷째, 위 방식으로 풍선이 내벽에 흡착됩니다. 풍선은 괄약근 사이에 존재하며 역류하는 위액을 방지할 뿐만 아니라 비위관 자체를 고정하는 역할을 합니다. 이에 따라 특수한 상황으로 비위관이 이탈하거나 환자에 의해 제거되는 현상 또한 예방할 수 있습니다. 마지막으로, 음식물이 소화된 후, 일정 시간이 지나면 풍선의 공기를 제거합니다. 공복 시에는 풍선 카테터가 내벽에 흡착되지 않아 자극감을 주지 않습니다.
개발 과정
다이슨 어워드의 ‘간단한 원리로 실질적인 문제를 해결한다’ 라는 취지에 맞춰 팀원들과 다양한 아이디어를 고민하던 중 장기 입원 환자의 인터뷰를 통해 비위관 삽입 과정에서 많은 환자들이 심리적·신체적 고통을 느낀다는 사실을 알게 되었고, 이를 계기로 주제를 비위관 개선으로 좁혀 나갔습니다. 초기에는 외관 개선, 삽입 방식 변경, 위치 확인 방식 등 여러 방향에서 아이디어를 구체화해 갔습니다. 그 과정에서 삽입 중 기도 차단을 막기 위한 풍선 카테터의 가능성을 떠올렸지만, 해당 방식은 이미 유사한 특허가 존재해 새로운 해결 방안을 모색해야 했습니다. 이후 비위관 삽입 이후의 문제인 ‘역류’에 주목하게 되었고, 특히 노화나 질병으로 인해 식도괄약근 기능이 저하된 환자들에게 음식물이나 위산이 식도로 역류되는 문제를 완화할 수 있는 방법을 고민하게 되었습니다. 이에 따라 삽입 이후 인체 내부에서 팽창하여 역류를 방지할 수 있는 ‘역류 방지 비위관’이라는 콘셉트를 확립하게 되었습니다. 확실한 콘셉트를 정한 후, ‘역류 방지 비위관’의 구체적인 외형과 구조에 대해 고민하게 되었습니다. 풍선 카테터의 안정적인 작동을 위해, 공기 주입용 관과 영양 공급용 관을 분리한 이중 관 구조로 설계하였습니다. 비위관에서 풍선 카테터의 위치는 식도의 상부괄약근과 하부괄약근 사이, 그 중에서도 하부괄약근 쪽에 가까운 식도 말단에 배치했습니다. 이 위치를 선택한 이유는 위 내용물이 식도로 역류하는 것을 가장 빠르게 차단할 수 있으면서도, 지속적인 위산 노출에 의한 마모나 오작동 위험을 최소화할 수 있기 때문입니다. 이러한 구조와 위치 기준을 바탕으로 3D 모델링으로 프로토타입을 제작하였습니다. 제작된 프로토타입을 바탕으로, 실제 구현 단계에서는 풍선의 재질과 작동 방식에 대한 개선이 필요하다는 점을 확인하였습니다. 우선 풍선 카테터는 저탄성 풍선으로 제작되어야 하며 과도한 압력은 점막 손상을 유발하기 때문에 최소한의 압력만으로 식도 점막에 고정되어야 합니다. 또한, 단순히 팽창 상태를 지속적으로 유지하는 것이 아니라 간헐적 수축을 통해 혈류 방해를 최소화하고 점막의 회복 시간을 확보하도록 설계하여야 합니다. 풍선이 일정 시간 간격으로 수축하고 팽창하는 구조임을 반드시 고려해야 합니다. 향후에는 다양한 사용자 환경을 반영해 구조 안정성, 삽입 편의성, 소재 개선을 중심으로 프로토타입의 완성도를 높여갈 계획입니다.
독창성
기존의 비위관 중 일부는 위장관 감압을 통해 간접적으로 역류를 줄이는 효과를 기대할 수 있지만, 약화된 괄약근과 비위관 사이의 틈을 물리적으로 막아 역류를 직접적으로 차단하는 구조는 아직 없습니다. Moss tube 역시 풍선을 위에 고정하여 관이 빠지지 않도록 하는 기능은 있지만, 역류 자체를 확실히 막기 위한 근본적인 설계는 아닙니다. 이 외에 Miller-Abbott, Harris, Cantor 튜브 등은 주로 소장 감압, 흡인, 세척 등의 목적이며, 풍선을 활용하더라도 위치 유도나 고정에 한정됩니다. 대부분의 장치는 짧은 시간 동안만 사용하는 것을 전제로 설계되어, 장기 삽입 시 환자에게 발생할 수 있는 불편과 생리적 문제를 해결하지 못합니다. 우리가 제안하는 장치는 이중 내관 구조로, 하나는 영양 공급, 다른 하나는 풍선을 부풀리는 용도입니다. 삽입 완료 후 식도상부괄약근과 하부괄약근 사이에서 풍선을 부풀리면 위 내용물이 역류하는 경로를 물리적으로 차단할 수 있습니다. 풍선은 인체에 무해한 의료용 소재로 제작되어 식도 손상을 막고, 압력 조절로 혈류 방해 없이 작동합니다. 이 구조는 센서나 전자 장치 없이도 작동하며, 단순하고 직관적인 방식으로 환자의 역류 문제를 해결할 수 있습니다. 특히 장기간 비위관을 착용해야 하는 고령 환자, 인지저하 환자, 또는 삼킴장애 환자들에게 실질적인 도움을 줄 수 있으며, 위 내용물이 입이나 식도로 역류하는 것을 막아 감염 위험을 줄입니다. 이는 단순한 발명 이상의 가치를 갖습니다. 센서 기반의 복잡한 기계 장치와 달리, 간단한 구조 변화만으로도 복잡한 문제를 해결할 수 있도록 디자인했습니다. 이처럼 구조적 설계를 통한 해결 방식은 기술보다도 사용자의 실제 불편을 깊이 있게 관찰하고 반영한 결과로, 독창성과 실현 가능성을 모두 갖춘 아이디어라 할 수 있습니다.
향후 계획
본 프로젝트 에 대해서 향후 인체 유사 모형(의료 시뮬레이터)을 활용해 삽입 안정성 및 팽창 구조의 밀폐력, 재료의 생체적합성 등에 대한 실험을 진행할 계획입니다. 또한, 의학적 자문을 바탕으로 실제 임상에서 사용될 수 있는 관의 직경, 팽창 압력 범위, 삽입 깊이 등을 구체화하고, 다양한 체형의 사용자에 맞는 커스터마이징 설계도 함께 모색할 예정입니다. 중장기적으로는 전자식 센서를 탑재해 팽창 상태 및 위치를 실시간으로 모니터링하는 기능을 추가하고, PEG 튜브 대안으로서의 응용 가능성도 검토할 것입니다. 이후 임상 협력 병원과의 공동연구를 통해 IRB 승인 하에 실제 환자 대상 테스트를 수행하고, 상용화 및 의료기기 인증을 위한 절차도 시도해 볼 계획입니다.
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