자동차 엔지니어가 자동차를 만들기 전에 충돌 테스트에 사용하는 것과 동일한 첨단 기술을 사용하여 의사가 환자의 건강을 가상으로 분석하고 치료와 수술을 시뮬레이션 할 수 있다면 어떨까요? 의료 기기와 의약품을 안전성을 고려한 최소 시간과 비용으로 만을 사용하여 가상으로 설계하고 안전하게 테스트할 수 있다면 어떨까요?
이러한 시나리오를 가능하게 하고 예상보다 빨리 이루어질 수 있게 하는 것은 실제와 동일한 환경을 가상공간에 적용할 수 있는 버추얼 트윈 기술의 발전 덕분입니다. 실제로 인체의 다양한 기관의 버추얼 트윈을 만드는 데 상당한 진전이 이루어지고 있습니다.
문제의 핵심, 심장
예를 들어, 2014년에 시작된 ‘리빙하트(Living Heart) 프로젝트’에는 심혈관 연구원, 교육자, 의료 기기 개발자, 규제 기관 및 심장전문의들이 모여서 인간의 심장을 완벽한 디지털 모델로 매우 정교하고 완벽하게 작동하는 형태로 개발해냈고, 이를 실제 환자의 증상을 완화하는데 적용할 수 있었습니다.
의학 박사이자 매사추세츠주 보스턴 아동 병원 심장외과 어시스턴트 그리고 컴퓨터 3D 시각화 프로그램의 디렉터인 데이비드 호건슨(David Hoganson) 박사는 이미 이 프로젝트를 통한 결과물들을 사용하고 있습니다. "CT 스캔이나 MRI를 통해 실제 3D 이미지를 분할하여 환자 별 모델을 만들 수 있다."며 "이 모델을 사용하여 의사는 마취 상태, 식사, 운동 후 등 다양한 조건에서의 혈액 흐름에 대한 시뮬레이션 할 수 있습니다."라고 더했습니다.
보스턴 소아 병동의 외과의도 이 기술을 사용해, 사전에 가상으로 수술을 계획해 실제 수술 전에 올바른 접근 방식을 확실히 정할 수 있도록 했습니다. 호건슨은 “뿐만 아니라 이 모델이 의료 교육에도 매우 유용하다는 것을 확인할 수 있었습니다” 라며 “종이 그림은 심장 질환의 복잡성을 충분히 보여주지 못하지만 최근까지도 환자의 가족에게 환자의 상태와 필요한 절차를 설명하는데 사용되는 방법이었습니다. 하지만 3D 모델을 사용하면 훨씬 쉽습니다. 이제 부모님은 3D 안경을 쓰고 자녀의 심장 상태를 홀로그램으로 보고 수술을 이해 할 수 있습니다."라고 더했습니다.
한편, 몬트리올의 맥길(McGill) 대학의 임상 연구 어시스턴트인 크리스티나 폽(Cristina Pop)은 코로나19가 심장 질환을 가진 사람들에게 미치는 영향을 이해하는데 살아있는 심장 모델을 사용하고 있습니다.
폽은 “코로나19는 심장 부정맥 및 심부전과 같은 심각한 심혈관 합병증의 위험을 더욱 높입니다.”라며, “ 기존에 심혈관 질환을 앓고 있는 사람들은 코로나19로 인해 질병과 사망 위험이 더 높기 때문에 질병 진행을 이해하고 심장 합병증 위험이 더 높은 환자를 식별하기 위해 기저 질환이 있는 여러 환자를 모델링했습니다. 3D 모델링의 장점은 비침습적 방식으로 매우 정확하게 수행할 수 있다는 것입니다. 우리는 허용 가능한 범위의 정확도로 심부전 진행을 시뮬레이션하고 환자의 심장 상태를 더 잘 파악할 수 있었습니다”
"CT 스캔이나 MRI를 통한 실제 3D 이미지를 분할하여 환자 별 모델을 만들 수 있습니다."
보스턴 아동 병원 데이비드 호건슨 박사
한편 벨기에 디지털 헬스 기술 회사인 FEops 는 구조적 심장 중재술(structural heart interventions)을 위한 디지털 트윈 기반의 수술 계획 플랫폼을 개발했습니다.
FEops의 CEO인 매튜 드 불르(Matthieu De Beule)는 “의사들은 전통적으로 의료 영상에 의존하여 삽입물을 배치할 위치와 사용할 크기를 결정합니다.”라며, “이것은 비효율적인 프로세스로, 수술 전 계획을 세우는 데 시간이 많이 소모되며 삽입물의 크기와 위치 결정이 최선이 아닐 수도 있습니다. 잘못되면 합병증을 가져올 위험이 큽니다. 우리의 솔루션은 각 환자의 심장을 가상으로 볼 수 있기 때문에 정확도가 훨씬 뛰어나고 수술 전 계획에 드는 시간과 수술 시간을 모두 줄일 수도 있습니다”라고 말했습니다.
구조적 심장 중재술을 위한 FEops 수술 전 계획 플랫폼은 버추얼 트윈을 기반으로 합니다. (동영상 © FEops)
성공 기반 구축
‘리빙하트(Living Heart) 프로젝트’는 버추얼 트윈이 여러 분야의 경험을 결합하고 적용할 수 있는 능력을 입증했습니다. 뇌에서 시작해 폐로 이동하는 신체 내 다른 장기 및 시스템을 가상으로 모델링 할 수 있는 경로를 만들었습니다.
성공적인 뇌 모델링은 인도의 기술 회사 브레인사이트에이아이(BrainSightAI)의 작업을 촉진시켰습니다.
"각 환자의 심장을 가상으로 볼 수 있기 때문에 정확도가 훨씬 뛰어나고 수술 전 계획에 드는 시간과 수술 시간을 모두 줄일 수도 있습니다."
FEops의 CEO 매튜 드 불르(Matthieu De Beule)
BrainSightAI의 CEO 겸 공동 창립자인 라이나 엠마뉴엘(Laina Emmanuel)은 “전세계 6 명 중 1 명이 뇌 관련 질환으로 고통받고 있으며 이를 위해 2030 년까지 필요한 예상 비용이 16.3 조 달러입니다. “라며, “이는 암과 만성 호흡기 질환보다 더 큰 비용이며, 뇌 관련 장애는 시간과의 싸움인 경우가 많아서 장기 입원률이 높습니다.”라고 말했습니다.
엠마뉴엘은 가상 뇌 모델이 큰 가능성을 가지고 있다고 말하며 아래와 같이 덧붙였습니다. “휴식 상태의 MRI 스캔을 사용하면, 뇌 모델을 설계, 보정 및 검증하여 뇌 장애에 대한 구조적, 기능적 원인을 탐색할 수 있습니다. 비침습적이므로 혼수상태와 같이 움직임기 어려운 환자에게 매우 적합합니다. 인공지능을 결합하여 진단과 치료를 위한 새로운 패러다임을 구축하고 있습니다.”
리버사이드 캘리포니아 대학 BREATHE 센터 기계 공학과 조교수인 모나 에스칸다리(Mona Eskandari)는 사람 폐의 버추얼 모델 제작에도 가능성을 보고 있습니다. 에스칸다리는 “특히 코로나19는 폐 역학에서 특히 취약점을 드러냈지만 그 이전에도 폐 질환은 전 세계적으로 발병률이 높았으며 사망률의 주요 원인이었습니다.”라며, “조기 예방과 개입이 환자의 결과를 개선하는 데 중요한데도 불구하고 폐 질환의 진단은 종종 시행착오를 겪었습니다. 게다가 폐 질환은 미국에서만 수십억 달러의 비용이 듭니다.”라고 말했습니다. 그녀는 ‘리빙하트(Living Heart) 프로젝트’를 인간의 폐에도 적용할 수 있다면 많은 생명을 살리고 이러한 부담을 크게 줄일 수 있을 것으로 생각하고 있습니다. “예를 들어, ‘리빙하트(Living Heart) 프로젝트’를 폐에 반영한다면 흡입기의 입자가 어디로 도달하는지 알 수 있습니다. 인공호흡기가 폐에 작용하는 압력을 알 수 있으며 이를 통해 조직 역학 정보를 기반으로 최적의 인공호흡 방식을 사전에 고안할 수 있습니다. 또한 최근의 조사처럼 폐의 지속적인 진화 행동을 이해할 수 있고 국부적 조치와 글로벌 역학과 비교할 수 있을 것입니다.”
가상 인간을 향해서
버추얼 트윈을 사용하여 신장, 발, 피부, 세포 및 소화관 등 신체의 다른 부분을 모델링하는 데에도 큰 진전이 있었습니다. 연구원들은 시간이 지나 이러한 개별 모델을 결합하여 완전한 가상 인간을 만들 수 있기를 바라고 있습니다. 또한, 일정 기간에 공통된 증상이 발현되는 환자들을 선별하는 접근법인 코호트 모델을 기대하고 있습니다. 머신 러닝과 결합하면 이러한 모델을 활용한 새로운 접근법으로 환자들의 특정 유전적 구성에 맞춘 최상의 치료를 도울 수 있을 것입니다.
새로운 의료기기 설계를 위한 가상 임상 실험도 이러한 ‘시스템의 시스템’을 위한 적용 방식 중 하나입니다. 미국 식품의약국(FDA)은 Living Heart 모델을 사용하여 가상 환자의 포커스 그룹을 만들어 인 실리코(in silico) 임상 실험에 적용하는 5 년 프로젝트의 2년차에 접어들었습니다.
보스턴 아동 병원의 호간슨은 “이들의 목표는 동물 실험과 인체 실험에 대한 부담을 줄이면서 규제 승인을 얻기 위한 새롭고 효율적인 방법을 찾는 것입니다.”라고 설명했습니다. “이는 임상 시험을 수년에서 며칠로 줄일 수도 있을 것입니다. 이를 위해 그동안 많은 노력을 기울여왔으며 그 미래에 큰 기대를 걸고 있습니다."
그 결과물인 새로운 디지털 프로세스는 더 효율적이고 비용은 줄어들면서도 디바이스의 안전성과 효능을 엄격하게 유지합니다. 기존의 프로세스는 환자 선별과 모집, 유지에 긴 시간이 들고 번거로운 관리와 모니터링이 필요하여 종종 지연되기도 하며, 추가 비용이 발생해 환자의 새로운 치료법을 찾는데 방해가 될 수 있었습니다.
FDA의 디바이스 및 방사선 헬스 센터, 과학 및 엔지니어링 연구소의 응용 역학 부서 부국장인 티나 모리슨(Tina Morrison)은 한 보도자료에서 "모델링과 시뮬레이션은 임상 실험 설계에 정보를 제공하고, 효과의 증거를 제시하고, 연구를 진행할 가장 관련성 있는 환자를 식별하고, 제품 안전성을 평가하는데 도움이 될 수 있습니다."라며, "일부의 경우, 인 실리코 임상 실험이 인간의 임상 실험과 유사한 결과를 낳는 것으로 이미 나타났습니다."라고 말했습니다.
그리고 이것은 시작에 불과합니다. 전문가들은 이러한 프로젝트의 버추얼 트윈이 헬스케어에서 발휘할 수 있는 혁신적인 변화를 보여주는 사례라고 생각합니다. 그들은 더 이상 가상의 생리학적 인간 모델을 현실적으로 만들어 낼 수 있는지에 대한 의문은 제기하지 않고 ‘어떻게’, ‘언제’ 이루어질지를 궁금해합니다.
디지털의 변화의 힘
궁극적인 목표? 임상 치료에 르네상스를 불러오기 위해.
일리노이 공대의 디지털 의료 공학&기술 연구 및 교육 센터의 생물의학 공학 교수인 나타차 드 파올라(Natacha De Paola)는 “인간의 버추얼 트윈을 만드는 일은 맞춤형 의학 개발을 발전시키는 것입니다.”라고 말했습니다.
논리는 이렇습니다. 환자의 건강을 분석하고 최상의 치료법과 수술을 계획하는 현재의 방법은 시간이 오래 걸리고 오류가 발생하기 쉬우며 비용이 많이 듭니다. 환자의 치료를 계획하고 실행하며 관리하는 데 여러 분야의 여러 전문가와 기술자들이 관여하게 됩니다. 대부분은 이러한 전문가들이 환자의 상태에 대한 전체적인 그림을 공유하는데 제한이 따를 수밖에 없습니다. 하지만 버추얼 인간을 통해 모든 이해 관계자와 주요 구성 요소를 가상 세계로 모은다면 소통을 가로막는 벽은 무너지고 협업이 이루어질 것입니다.
드 파올라는 “버추얼 트윈이 전자 의료 기록을 보완하고, 정확하고 개별적인 치료를 위한 가이드 역할을 하는 완전히 디지털화된 헬스케어 시스템이 도래할 것입니다”라며, “이를 위해, 연구 커뮤니티, 기기 및 의약품 개발 회사, 임상 치료팀 및 시민들을 지속해서 결속시켜야 합니다. 이를 위해 숙련된 인재가 필요하고, 이들은 다중 규모의 다차원적이고 다기능을 갖춘 시스템과 팀을 이뤄야 합니다”고 말했습니다.
이러한 목표는 도전적이고 벅찬 감이 있지만 드 파올라는 의료계가 이를 달성할 만한 충분한 결단력이 있다고 확신합니다.
그녀는 “2020년은 수많은 돌파구를 찾아 이루어 낸 혁신의 한 해였습니다.”라며, “‘리빙하트(Living Heart) 프로젝트는 폐와 뇌뿐만 아니라, 인간의 생리학적 여러 요소를 모델들로 만들어 내는데 새로운 장을 열었습니다. 그러나 이것은 시작에 불과합니다. 이제 디지털 인간으로 가는 문을 열 때가 되었습니다.”고 말했습니다.
인간의 버추얼 트윈의 잠재력에 대해 더 자세히 알아보십시오.
다쏘 시스템의 패트릭 존슨(Patrick Johnson)이 버추얼 트윈 인간이 맞춤형 의학의 시대를 여는 데 어떻게 도움이 될 것이라고 이야기하는지 알아보십시오.
