그 소식은 어떤 부모도 듣고 싶어하지 않는 소식이었습니다.
앨리슨(Allison)과 애덤 시드(Adam Seed) 부부는 딸 애니카(Annika)가 태어난 지 3일이 지난 후 딸이 여러 심장 결함을 안고 있음을 알게 되었습니다. 그 중에는 ‘폐동맥판폐쇄를 동반한 펠로네 증후군’이라는 희귀한 결함 조합이 있어서 혈류와 산소 공급에도 문제가 있었습니다. 3일 후, 보스턴 어린이 병원에서 애니카는 여러 위험한 개심 수술 중 첫 수술을 받았습니다.
시드 가족에게는 다행스럽게도, 업계 최고의 의사들이 애니카를 담당하고 있었습니다. 생명을 위협하는 상태를 해결하기 위해서 애니카는 2살이 될 때까지 총 6번의 수술을 받았습니다. 6살이 될 때까지는 세 번의 심장 절개 수술과 다섯 번의 심장 카테터 시술을 받았습니다. 시행착오를 거치며 의사들은 애니카의 진행 상황을 관찰하고 가장 필요한 것을 파악할 수 있었습니다.
딸의 가슴 아픈 진단을 받고 부모는 ‘완전히 무력한 기분’을 느꼈지만, 2년동안 보스턴 어린이 병원에서 적극적인 치료를 받으며 우리가 당연하게 여기는 온전한 수명을 누리는 행운이 애니카에게도 가능할 것이라는 희망을 얻었습니다.
시드 부부는 보스턴 근처에 살고 있어서 다행이었습니다. 보스턴 어린이 병원의 담당의와 팀원들은 최고의 기술을 접하고 있었고 그 중에는 ‘리빙 하트 프로젝트(Living Heart Project)’라는 비밀 무기도 있었습니다. 애니카와 같은 환자를 위해 심장 관리팀은 실물에 가까운 디지털 심장 시뮬레이션, 즉 그들의 생리학적 특이성에 맞춤화된 심장의 버추얼 트윈을 사용하여 보다 정확하고 예측 가능한 결과를 얻을 수 있도록 수술을 계획하고 실행할 수 있었습니다.
2014년에 설립된 살아있는 심장을 구현한 리빙하트 프로젝트(Living Heart Project)는 환자의 생리학적 특성에 맞게 맞춤화 할 수 있는 완전한 기능을 갖춘 3D 가상 심장을 최초로 개발하여 외과 의사가 수술 전에 치료 계획을 테스트하고 검증할 수 있도록 통합 팀을 구성하고 성공 가능성을 크게 높였습니다.
이러한 시뮬레이션은 가족들의 의사 결정에 있어 확신과 주인 의식을 높여줍니다. 시드 가족이 느꼈던 무력감은 의미가 없어집니다. 아이의 몸 안 구조와 혈관을 생생하게 3D로 볼 수 있어서 문제가 있는 부분을 확인하고 의사들이 상태를 개선하기 위해 무엇을 하려는 계획인지 이해를 할 수 있기 때문입니다. 리빙하트 프로젝트의 도움으로 의료진과 부모 모두 개인 맞춤화 된 수술의 개입을 이해하고 이러한 선택에 대한 확신을 높일 수 있습니다.
앨리슨 시드는 "이러한 가능성을 확인하는 것만으로도 크게 놀랄 수밖에 없었어요. 부모로서나 케어 팀의 일원으로서 주인 의식을 갖게 되고 병원에서 이 기술이 실제로 구현되는 것을 확인하게 되는거죠”라고 말하며, “우리 딸을 위한 희망이 차 올랐어요”라고 말했습니다.
애니카 시드는 건강한 십대가 되었습니다. 그녀의 어머니는 현재 미국 심장 협회에서 일하면서 소아 심장 건강에서의 기술의 역할을 홍보하고 있습니다. 이 살아있는 심장을 만드는데 사용된 획기적인 기술은 더 많은 장기를 모델링 하는데 적용되고 있으며 나아가 인체 전부에 적용되게 될 것입니다.
외과 의사의 관점에서 본 버추얼 트윈 기술
보스턴 어린이 병원과 하버드 의대의 소아 심장 외과 의사인 데이빗 호간손(David Hoganson) 박사는 버추얼 트윈 기술로 애니카 시드와 같이 매우 복잡한 케이스의 해부학적 시술을 계획하고 수행하는데 도움을 받았습니다. 이 3D 모델 및 시뮬레이션은 소아 심장 수술의 가변성을 줄이고 결과를 향상시킬 수 있습니다.
"가장 위험한 환자들은 경험 이상의 세심한 계획이 필요합니다” 라고 호간손 박사는 말합니다. “계획을 더 잘 세우면 모든 수준에서 이윤의 폭이 커진다는 뜻이고, 이는 [임상적인] 결과가 향상된다는 뜻입니다….[이러한 기술로] 통제할 수 있는 한 모든 것들을 완벽에 가깝게 만들 수 있습니다.”
보스턴 어린이 병원의 호간손과 그의 팀은 이 최첨단 기술의 얼리어답터이자 파트너였습니다. 성공 사례가 늘어나자 이 기술이 효과가 있다는 확신과 증거도 함께 늘어났습니다. 이들이 제출한 증거 데이터와 동료 검토 논문이 출판되면서 살아있는 심장을 받아들이고 더욱 폭넓게 적용하게 됐습니다. 결과적으로는 잠재적인 치료의 기준으로 자리잡고 있습니다.
버추얼 트윈 기술이 의학에 등장한 계기
수년 동안 버추얼 트윈은 항공우주, 제조, 소비재 및 소매와 같은 다양한 산업에 적용되었습니다. 하지만 생명 과학 및 의료 산업으로 인간에게 적용하게 된 계기는 무엇일까요?
시드 가족의 경우처럼 이 이야기는 어떤 부모도 듣고 싶어하지 않는 소식으로부터 시작되었습니다.
스티브 레빈(Steve Levine)의 딸은 선천성 심장병을 가지고 태어났습니다. 좌심실과 우심실이 역전되어 심장의 자연적 기능을 방해하고 있고 나이가 들면서 약한 심실이 쇠약해질 가능성이 높았습니다. 또한 100만 분의 1의 ‘선천적으로 수정된’ 심장을 가지고 있었는데, 이는 그녀의 심장이 자궁에서부터 변화했음을 의미합니다. 이러한 변화는 그녀가 가능한 한 오래 살도록 돕고자 하는 의사들에게 수수께끼와 같았습니다.
“우리는 주변 세계를 변화시키기 위해 시뮬레이션에 의존합니다. 지금은 우리 안의 세상을 변화시킬 때입니다.”
스티브 레빈 최고 전략 책임자 및 리빙하트 프로젝트 설립자
처음 무너진 것은 그녀의 전기 시스템이었고, 의사들이 예상한 것보다 훨씬 이른 2세에 심박조율기를 쓰게 됐습니다. 일반적으로 이러한 생명을 위협하는 합병증은 30세 전후에 발생하기 때문에, 이는 그녀의 상태와 미래를 더욱 불확실하게 했습니다. 그녀가 이러한 상황에 직면하기 전에 부모로써 할 수 있는 모든 것을 하려는 레빈은 딸의 생명뿐만 아니라 비정상적인 심장 구조를 가진 모든 환자들을 위해 자신의 기술을 포함한 모든 것을 걸었습니다.
엔지니어였던 레빈은 자동차 및 항공우주 산업의 3D 충돌 시뮬레이션을 매우 상세하게 설계하는데 수 년을 보냈습니다. 그는 생각했습니다. 의료 분야에서도 비슷한 기술을 사용할 수는 없을까? 이 기술로 인간의 심장을 버추얼 모델로 구축할 수 있다면, 자동차와 항공우주 회사들이 시뮬레이션을 통해서 배우는 것과 동일한 방법으로 의료적인 결정을 내리는데 통찰력을 제공할 수 있지 않을까?
다쏘 시스템 사업부의 최고 전략 책임자인 레빈은 안전하고 효율적인 자동차와 비행기를 개발하는 것뿐만 아니라 타고 있는 사람을 포함하여 보다 지속가능한 세상을 만드는데 도움이 되겠다는 회사의 목표에서 영감을 받았습니다. 이를 마음에 새기고 그의 딸이 20대 중반 무렵이던 2014년에 리빙 하트 프로젝트를 시작했습니다. 이 프로젝트의 야심 찬 비전은 무엇이었을까요? "엔지니어링, 과학 및 생물의학 전문 지식을 통합하여 심혈관 제품 및 치료를 안전하고 효과적으로 개발하여 최첨단 과학을 환자 치료를 향상하는데 적용하는 것”입니다. 이는 전 세계 전문가들이 함께 힘을 합쳐 이전에는 없었던 것을 함께 달성할 뿐만 아니라 모든 의사들이 사용할 수 있도록 하는 것을 의미했습니다.
‘살아있는’ 심장의 구축은 기증자의 심장을 MRI 및 CI 영상으로 스캔하는 작업에서 시작하여, 과학적이고 정확한 3D를 사용하여 새로운 근육 조직 모델과 섬유 방향들을 상세하게 재구축하고 강화하게 됩니다. 이 심장은 세부적인 전기 시스템, 완벽하게 작동하는 판막, 유동실을 비롯하여 자연이 수백만 년 동안 생명 공학으로 완성한 이 복잡한 기관의 기타 세부 사항들도 필요로 합니다. 마지막으로 혈류를 위한 순환계 모델을 만들어 휴식, 스트레스 등 실질적인 인체의 내부 상태에 심장을 배치합니다. 이러한 요소들을 결합하여 살아있는 심장의 과학적으로 정확한 컴퓨터 모델을 만들어냅니다. 실제 심장과 동일한 원리로 작동하기 때문에 결과 3D 시뮬레이션은 환자와 그 가족, 심장병 전문의에 이르기까지 모든 이해 관계자에게 도움을 줍니다.
프로젝트는 성공이었습니다. 레빈은 "우리는 우리 주위의 세상을 바꾸기 위해서 시뮬레이션에 의존합니다”라고 말하며, “지금은 우리 안의 세상을 변화시킬 때입니다. 이제 우리는 인체의 버추얼 트윈을 만들어 환자를 치료하기 전에 약물이 질병에 영향을 미치는 방식부터 복잡한 수술 결과에 이르기까지, 볼 수 없는 것을 시각화, 테스트, 이해 및 예측할 수 있습니다. 버추얼 트윈은 우리 대부분을 대표하도록 구축하면서, 각각을 개인 맞춤화 할 수 있습니다.”고 말했습니다.
이제 8년차를 맞이한 리빙 하트 프로젝트는 삶을 바꾸는 것에서 산업을 바꾸는 것으로 성장했습니다. 현재 이 프로젝트는 미국 식품의약국(FDA)과 24개국 175개 이상의 회원 조직의 지원을 받고 있습니다. 병원은 이 모델을 사용하여 수술 결과를 계획하고 예측하고, 회사는 새로운 치료법을 설계하거나 동물 실험을 대체하는 데, FDA는 임상 시험에서 사람을 대체할 수 있는 모델로 평가하고 있습니다. 이러한 성공을 기반으로 정형외과 치료 개선을 위한 완전한 순환계 및 근골격계 모델 뿐만 아니라 살아있는 뇌(Living Brain), 살아있는 폐(Living Lung), 간(Liver) 등 자매 프로젝트도 이어졌습니다.
현재 가상현실, 인공지능, 3D 영상, 가상 시뮬레이션 등을 활용해 의료를 획기적으로 개선하는 사례가 전 세계적으로 나타나고 있습니다. 최근 브라질과 영국의 외과 팀이 함께 VR 기술을 사용하여 뇌가 연결된 샴쌍둥이를 안전하고 성공적으로 분리했습니다. 프랑스 H 하르트만 방사선 수술 및 방사선 치료 연구소(H. Hartmann Institute for Radiosurgery and Raditherapy)의 VORTHEx 프로젝트는 환자가 가상 현실에서 치료를 사전에 경험할 수 있도록 돕습니다. 방사선 치료의 트윈 세션을 통해 환자는 앞으로 경험하게 될 것에 대해 정신적으로 준비를 할 수 있습니다. 그리고 전 세계의 연구 기관과 의료 제공사들은 심장과 뇌 뿐만 아니라 폐, 피부, 나아가 인체 전체의 버추얼 트윈 기술을 개발, 테스트 및 사용하기 시작했습니다.
“이 심장 프로젝트는 우리가 함께 일하면 몸이 어떻게 작동하는지 체계적으로 이해하고 재현할 수 있다는 것을 증명했습니다. 다음 단계는 뇌, 간, 신장 및 폐와 같은 모든 주요 기관과 신체 시스템으로 다양화하고 구축하는 것입니다.”라고 레빈은 말했습니다. "이들의 버추얼 트윈 작업은 심장만큼 발전되지는 않았지만 살아있는 심장으로 만든 템플릿을 사용하면 훨씬 더 효율적으로 수행될 것입니다."
버추얼 트윈을 3D 프린팅과 같은 다른 기술과 결합하면 복잡한 교육 및 환자 별 솔루션을 위한 더 많은 기회를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 프랑스계 미국 스타트업 바이오모덱스(Biomodex)는 의사가 뇌동맥류 수술과 같은 복잡한 의료 시술을 리허설하는 데 사용할 수 있는 생체 사실적인 촉각 시뮬레이터를 만듭니다. 이 기술은 외과 의사 훈련을 발전시키는 데도 사용되어 더욱 안전한 시술과 개선된 결과치를 낳을 수 있습니다.
바이오모덱스의 시뮬레이터를 사용한 CHU 렌느(CHU Rennes)의 중재신경방사선 전문의 안토니 르 브라(Anthony Le Bras) 박사는 "시술 전 리허설에 이 모델을 사용하면 방식이 효과가 있는지 미리 알 수 있고 그렇지 않은 경우 어떤 의료 기기가 더 효과적인지 결정하는 데 도움이 됩니다" 라고 말했습니다. "이는 의사의 자신감을 높일 뿐만 아니라 수술 시간을 줄이고 실제 시술 중 합병증의 위험을 줄입니다."
이제 어려운 의료 시술에서의 버추얼 트윈 기술은 생명을 구할 뿐만 아니라 생활을 변하게 하고 있습니다. 이 정교한 기술은 버추얼 모델링과 시뮬레이션을 규제 프레임워크, 의료기기 개발, 맞춤형 의료 제공, 환자 및 간병인에 대한 의료 교육 제공 등과 통합하며 의료 생태계를 더욱 변화하게 만들 것입니다.
의료 산업이 버추얼 트윈의 사용을 수용함에 따라 전 세계의 혁신가들은 의료계가 지식을 얻고, 경험을 공유하고, 환자를 치료하고, 의학의 미해결 미스터리를 안전하게 해결하는 방식을 계속해서 변화시킬 것입니다.
레빈의 딸은요? 그녀는 현재 33세로 소아과 신경과학자로 MD/PhD를 하고 있으며, 아이들에게 나타나는 가장 어려운 신경학적 장애를 해결하기 위해 살아있는 뇌를 기다리고 있습니다. 그녀의 심장은 더욱 커졌고 그 언제보다 튼튼합니다.
생명 과학 및 헬스케어 산업을 위한 다쏘 시스템의 솔루션에 대해 자세히 알아보십시오 .
