정상적인 배란 주기에서는 일반적으로 한 개의 난자만이 배란이 된다. 그러나 시험관 아기 시술을 하는 경우 한 개의 난자만 채취해서는 그 성공률이 떨어진다. 왜냐하면 배란된 한 개의 난자를 회수하는 것이 매우 어렵고, 회수하더라도 100 % 수정되는 것이 아니며, 또한 수정이 되었다고 해도 자궁 내에 이식한다고 모두 임신이 되는 것이 아니기 때문이다.
이러한 이유로 많은 난자를 채취할 수 있도록 여성의 배란 주기에 맞추어 ‘과배란유도제’라는 주사약제를 사용하게 되는데 투여기간 또는 방법은 몇 가지가 있다.
배란유도제를 계속 맞다가 난자가 충분히 성숙되어 채취할 수 있는 조건이 이루어지면 초음파를 보면서 난자를 채취한다. 난자채취시에는 통증이 덜하도록 가벼운 마취를 하지만 합병증은 거의 없다. 또한 시술 시 약간의 출혈과 통증이 있을 수 있으나 대부분 견딜만 하여 2 시간 정도 안정을 취한 후 곧바로 귀가할 수 있다.
난자채취가 끝나면 남편은 수음을 하여 정액을 받아준다. 정액은 몇 가지의 처치 과정을 거치면서 활동성이 좋은 것만 골라낸다. 이렇게 처치된 정자는 난자가 들어 있는 시험관에 주입하여 수정시킨다. 만일 정자의 수가 매우 적거나 정상적인 방법으로 수정이 되지 않는 경우에는 난자 내에 정자를 주입하는 ‘난자내 정자주입술’이라는 방법을 사용하여 수정시킨다.
다음 날 아침에 난자를 유심히 관찰하면 수정이 되었는지 되지 않았는지를 확인할 수 있다. 그 방법은 두 개의 전핵을 확인하는 것이다. 한 개는 난자 자신의 전핵이고 다른 하나는 난자 내로 들어간 정자의 전핵이며 결국 이들이 서로 합쳐져 새로운 한 개의 생명체를 탄생시키는 것이다.
수정된 난자는 곧 분열을 시작하여 2-, 4-, 8-, 16-세포기 등으로 점점 세포가 나뉜다. 결국에는 수정 후 5일 정도 지나면 배반포라는 단계에까지 이르게 된다.
수정란은 보통 2-5일 사이에 이식을 하게 된다. 특수한 자궁내 이식카테터에 가장 좋은 수정란 3-4개를 채취하여 시험관으로부터 자궁 내에 옮겨주는데, 이렇게 이식된 수정란이 자궁 내에 착상이 되면 임신이 되는 것이고 착상이 되지 않으면 임신에 실패하는 것이다.
자궁 내에 이식 후 약 9-12일 정도에 혈액을 채취하여 체내의 임신호르몬(hCG)을 측정하여 그 수치를 가지고 확인한다.
각 시술기관이나 불임의 원인에 따라 약간의 차이가 있지만 시험관아기 한 번 시행 시 임신율은 대개 20-30 % 정도이다. 따라서 한 번 시술에 임신이 되지 않더라도 4-5회 정도 반복적으로 시도를 해 보아야 한다. 참고로 6 회 시술하였을 경우 전체 임신율은 약 60 % 정도이다.
우선 가장 심각한 합병증으로서 난소과자극 증후군이라는 것이 있다. 이는 과배란유도를 위한 약제를 투여함으로서 난소가 과민반응을 하는 것으로서 양측 난소가 과도하게 커지고, 배속에 물이 차며(복수), 폐에도 물이 차고(수흉), 소변양이 적어지며, 호흡곤란 등이 발생할 수 있다. 심한 경우에는 입원치료를 하여야 한다.
시험관아기 시술로 임신이 된 경우 쌍둥이 또는 세쌍둥이 등의 다태임신이 증가하며 전체적으로 보면 약 25-30 % 정도가 쌍둥이 임신이 된다. 이런 경우는 고위험임신 산모에 준하여 산전진찰을 받게 된다.
또 시험관아기시술의 경우 자궁안으로 배아를 이식하여 주어도 자궁외임신, 즉 나팔관임신이 생길 수 있다. 자궁외임신의 발생은 전체적으로 약 1 % 미만에서 발생하며 대부분 조기에 발견되므로 약물치료나 복강경 수술로 치료가 가능하다.
현재까지 시험관아기시술을 한다고 해서 기형아가 생길 가능성이 더 증가하지 않는 것으로 알려져 있다. 다시 말해서 자연적인 임신에서의 기형아 발생율인 2-3 %와 동일하다. 그러나 시험관아기시술을 하여 임신이 된 경우에는 가능하면 양수검사를 통한 염색체검사를 권하고 있다