보라빛 소를 만나기 위한 도약

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1846호(2018. 5. 16. 발행)에 기고한 원고입니다.

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간과되지만 무서운 부상, ‘뇌진탕’ 진단 기술 개발 경쟁.pdf

◾ 미식축구에서 시작된 스포츠 선수의 ‘뇌진탕’ 문제는 이슈화 되면서, 경기 중 충격을 흡수하기 위한 장비와 함께 빠르고 정확한 뇌진탕 진단 기술 개발 노력이 전개되고 있음

▸ 보스턴 의과대학 연구팀에 따르면 미국프로풋볼리그(NFL)을 포함해 미국에서 활동한 202명의 미식축구 선수들의 뇌를 분석한 결과 87%인 171명의 뇌에서 만성뇌외상병(CTE) 관련 징후가 포착되었음

▸ CTE는 퇴행성 뇌질환으로 충격에 의한 뇌 손상이 주요 원인 중 하나로 알려져 있는데, 연구용으로 뇌를 기증한 선수들은 평균 15년간 선수로 활동하였음

▸ NFL에서 선수생활을 한 111명 중에서는 단 한 명만 제외하고 전원이 CTE 징후를 나타냈으며, 대학 선수 출신 53명 중에는 48명에서 CTE 징후가 발견되었음

▸ 연구팀에 따르면 미식축구 선수들의 증상은 일반인의 뇌에서 나타나는 병변과 확연히 구분되며, 이미 미식축구가 장시간에 걸쳐 뇌에 충격을 주는 문제에 관한 연구들이 있었다고 함

▸ 얼마 전까지만 해도 NFL에서 뇌진탕의 진단은 의무실이나 탈의실에서 주로 기억력이 괜찮은지를 문진하거나 걸을 때 휘청거리는지 등을 기준으로 이루어졌음

▸ 그러다 보니 부상에서 조기 복귀를 원하는 선수는 증상을 축소해서 답을 하는 경우가 많았고, 경기 중 부상이 의심되더라도 사이드라인에서 진단하는 것은 어려웠음

▸ 미식축구가 뇌의 건강에 악영향을 미친다는 것이 객관적으로 드러나면서, 최근에는 충격을 흡수하는 헬멧 등 장비 개선이 이루어지고 있고, 부상에서 복귀까지의 과정을 가이드 해주는 프로토콜을 마련하는 등 각종 대책이 나오고 있음

▸ 아울러 경기 도중 필드에서 과학적이고 신속하게 이동식 기기를 이용한 진단법을 개발하는 등 새로운 진단 방법 개뱔도 가속화되고 있음

◾ 새로운 진단 방법 중 앞서가고 있는 것은 실리콘밸리의 벤처기업‘싱크씽크(SyncThink)’가 내놓은 ‘아이-싱크(EYE-SYNC)’라는 진단기기임

▸ 싱크씽크는 스탠퍼드 대학에서 시선 추적과 뇌진탕의 관련성을 연구해 온 잠쉬드 가자르 박사가 2009년에 설립한 기업으로, 2016년에 아이-싱크의 실용화에 성공하고 미 식품의약품안전국(FDA)의 승인을 받아 출시하였음

▸ 아이-싱크 진단기기는 VR(가상현실) 헤드셋과 태블릿으로 구성되는데, 피험자가 헤드셋을 착용하면 진단이 시작되며 헤드셋의 화면에 빛나는 점이 원형을 그리면서 움직이면 피험자는 눈으로 이 점의 움직임을 쫓기만 하면 됨

<자료> SyncThink

[그림 1] 뇌진탕 진단기기 ‘아이-싱크’

▸ 헤드셋에는 시선 추적 기능이 탑재되어 있어 두 눈의 움직임이나 흔들림을 측정하는데, 장애가 있으면 움직임이 흔들리거나 잘 따라가지 못하게 된다고 함

▸ 또한 부상 직후에 안구의 움직임을 추적하면 손상 범위를 파악할 수 있으며, 부상 후 재활하는 도중에도 회복의 흔적을 추적할 수 있다고 함

▸ 태블릿에 설치된 소프트웨어는 눈의 움직임 정도를 측정 점수와 차트로 표시해 주며, 진단 시간은 60초 이내로 소요됨

▸ 싱크씽크는 지난 2015년 임상 연구를 통해 뇌진탕뿐만 아니라 젊은 치매, ADHD(주의력결핍 과잉행동장애), 약물 사용 등 다양한 요인이 안구 운동에 영향을 미칠 수 있다는 의료 보고서를 공개한 바 있음

▸ 아이-싱크는 현재 스탠퍼드 대학과 노트르담 대학 등 12개 이상의 유명 대학에서 도입했으며, 프로 스포츠 구단으로는 처음으로 미 프로농구(NBA) 최강팀 중 하나인 골든스테이트 워리어스가 이번 시즌부터 도입하였음

▸ 워리어스의 경우 아이-싱크를 통해 뇌진탕뿐만 아니라 선수의 피로 상태 정도를 측정함으로써 선수의 컨디션 관리에도 활용하고 있다고 함

◾ 아이-싱크 외에 안구 운동에 주목하여 뇌진탕 진단 시스템 및 장비의 개발을 진행하고 있는 스타트업으로는 ‘아이가이드(EyGuide)’가 있음

▸ 아이가이드는 텍사스 공과대학의 브라이언 스틸 교수가 설립한 신생 기업으로 2018년 2월에 NFL이 주최한 비즈니스 아이디어 콘테스트 ‘1st & Future(퍼스트 앤 퓨처)’에 출전해 비록 우승은 놓쳤지만 최종 후보에 오르며 주목을 받게 되었음

▸ 아이가이드가 내놓은 ‘포커스(Focus)’라는 진단 장비는 아이패드와 시선 추적 장치로 구성되어 있는데, 진단이 시작되면 눈앞에 놓인 아이패드 화면에 역시 빛나는 점이 팔자를 그리며 나타나고 피험자는 이를 눈으로 쫓으면 됨

<자료> EyGuide

[그림 2] 아이가이드의 진단기기‘포커스’

▸ 포커스 장비 역시 이를 시선 추적 기능으로 측정하고 신경 장애가 발생하지 않았는지 판정하는 방식인데, 측정 시간은 10초로 아이-싱크보다 더 빠름

▸ 포커스 진단기기는 먼저 종합격투기 경기에서 실증 실험이 진행되었으며, 현재는 펜실베이니아 주립대학 등 30개 기관에서 도입하고 있음

▸ 비즈니스 모델은 라이선스 방식으로 1개 기관당 최초 1 년간은 월 200 달러에, 2년째부터는 월 100 달러에 소프트웨어 및 하드웨어 패키지를 무제한으로 사용할 수 있음

◾ 이들에 비해 캐나다 캘거리 대학 연구팀은 뇌의 산소 수준과 혈액 흐름을 영상으로 포착함으로써 뇌진탕에 의한 뇌 손상의 징후를 진단하는 휴대용 시스템을 개발하고 있음

▸ 이 시스템은 LED 조명과 뇌 사진을 컴퓨터로 전송하는 센서가 내장된 헤드셋으로 구성되며, 근적외선 분광법으로 뇌의 이미지를 측정하는데, 그간의 연구 결과에 따르면 뇌진탕이 의심되는 경우 산소 수준 및 혈류 패턴에 변화가 발생한다고 함

<자료> University of Calgary

[그림 3] 캘거리대의 휴대형 뇌손상 진단 기기

▸ 연구팀에 따르면 뇌진탕에 의한 뇌 손상 후 몇 개월에서부터 몇 년까지 뇌에 생리적인 변화가 발생할 가능성이 있으며, 연구팀은 그러한 변화를 측정할 수 있는 휴대용 기술을 개발하고 있다고 함

▸ 현재 캘거리 앨버타 어린이 병원에서 임상 연구가 진행되고 있는데, 연구팀에 따르면 이 새로운 기술이 부상의 정도와 뇌가 얼마나 회복했는지를 진단하는 데 얼마나 도움이 되는지 확인하기 위해 젊은 환자들의 경과를 추적하고 있음

▸ 한편 퍼듀 대학에서도 뇌의 사진과 혈액 바이오 마커를 사용하여 뇌의 외상을 진단하기 위한 연구를 진행 중인데,이처럼 다양한 연구가 동시 병행적으로 이뤄지고 있다는 사실은 그만큼 뇌진탕 문제가 심각하고 동시에 비즈니스 찬스로 파악되고 있음을 시사 

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1846호(2018. 5. 16. 발행)에 기고한 원고입니다.

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모세혈관까지 선명, 8K 고화질 영상이 가져올 수술의 변화.pdf

◾ 일본 국립암연구센터 등은 2018년 3월 대장암 환자를 대상으로 ‘8K 슈퍼 하이비전 기술’ 을 이용한 복강경 수술 시스템의 임상 시험을 시작하였음

▸ 3월 14일에는 첫 임상 사례로 8K(화소수 가로 7680 X 세로 4320 픽셀) 복강경을 이용해 40대 여성의 대장암 수술이 이루어졌는데, 수술 집도의는 고화질의 깨끗한 영상을 통해 수술의 질이 향상되었다고 평했음

▸ 또한 8K 기술의 도움으로 ‘머리카락만큼 가느다란 두께’의 모세혈관도 명확하게 볼 수 있었기 때문에, 수술 중 출혈량은 불과 5mL 정도였다며 만족감을 표했음

▸ 이번 임상 시험은 일본 국립암연구센터 외에 NHK 엔지니어링 시스템, 올림푸스, NTT 데이터 경영 연구소가 공동으로 참여하고 있으며, 일본의료연구개발기구(AMED)의 지원사업으로 개발된 복강경 수술 시스템을 사용하고 있음

▸ 공동 연구팀에 따르면 2017년 수술 시스템 개발 과정에서 2차례 수술이 있었으며, 2018년에는 총 23명을 수술할 예정이고, 안정성과 실효성을 검증한 후 선진 의료기술을 실용화한다는 목표를 세우고 있음

<자료> xTech

[그림 1] 8K 복강경을 이용한 대장암 수술

◾ 8K 복강경은 현재 주로 사용되는 2K 풀HD 복강경에 비해 16배의 고화질 영상을 촬영할 수 있으며, 장기 손상도 줄이고 수술 참여 의사 수도 줄일 수 있는 이점이 있음

▸ 복강경 수술 건수는 최근 급속하게 증가하고 있으며, 특히 대장암 수술의 70% 이상이 복강경 수술로 이루어지고 있음

▸ 그러나 복강경 수술은 모니터에 영상을 비추고 수술을 하기 때문에 화질이 수술의 질에 영향을 주고, 조작에 제한이 생기거나 사각이 발생하는 등의 문제가 있으며, 개복 수술에 비해 수술 환자의 장기를 손상시킬 확률이 두 배 높은 것으로 나타나고 있음

▸ 8K 시스템의 가장 큰 장점은 수술의 전체상과 환부의 확대상을 동시에 볼 수 있다는 점인데, 일반 복강경 수술은 해상도가 낮기 때문에 수술 부위를 확대하려면 복강경을 환부 가까이로 옮겨야 해서 환부 확대 이미지와 전체상을 동시에 확인할 수 없었음

▸ 이번 임상시험에 사용하는 8K 복강경 수술 시스템은 일반적으로 사용되는 2K 기술에 비해 16배 고정밀 영상을 얻을 수 있기 때문에, 고정 카메라에서 항상 전체상을 촬영하기만 하면 되며, 확대하고 싶은 부위가 있다면 전체상의 일부를 떼어 확대하면 됨

<자료> xTech

[그림 2] 확대 부위(左, 4K), 전체상(右, 8K)

▸ 기존 2K 복강경 시스템에서는 특정 부위 확대를 위해 카메라를 이동하는 과정에서 좁은 수술 부위에 카메라와 수술 기구가 충돌하며 장기를 손상시키는 문제도 발생하였음

▸ 8K 시스템의 수술실은 2개의 모니터를 설치하는데, 전체상과 특정 환부의 확대 영상을 각각 모니터에 띄우고 이를 실시간으로 보면서 수술을 진행할 수 있게 한 것이 특징임

▸ 삽입한 복강경은 환부에서 떨어진 곳에 고정해도 되기 때문에 보다 넓은 작업 공간을 확보할 수 있어 수술 도중 장기 손상의 가능성을 낮출 수 있음

▸ 또한 기존 2K 시스템이 카메라를 이동시켜야 하기 때문에 집도의를 포함 보통 3명의 의사를 필요로 했다면, 고정 카메라를 사용하는 8K 복강경 시스템에서는 2명의 의사만으로 수술을 실시할 수 있어 의사 부족 문제 해소에도 기여할 수 있을 전망

◾ 복강경 수술은 개복 수술처럼 직접 장기를 보고 만질 수는 없지만 화질이 매우 선명하기 때문에 직접 보는 것 이상으로 촉감을 보완할 수 있다고 함

▸ 공동 연구팀과 수술 참여 의사들에 따르면, 8K 시스템으로 보는 영상은 개복 수술 시에 육안으로 보는 것과 흡사하거나 그 이상으로 선명하다고 함

▸ 한 의사는 8K 시스템으로 촬영한 영상을 반나절 이상 보고난 다음날 2K 복강경 시스템을 이용한 수술을 집도했는데, 백내장에 걸렸나 싶을 정도로 영상이 조악했으며, 마치 안개가 낀 것 같은 영상을 보면서 충격을 받았다고 표현하고 있음

▸ 복강경 수술은 개복 수술과 달리 직접 장기를 만질 수 없는 한계가 있지만, 8K 시스템은 직접 보는 듯한 느낌을 주는데, 이는 3D TV가 아니더라도 화소 수가 높아질 경우 심도(depth)가 잘 표현되어 마치 입체감을 느끼게 되는 것과 같은 이치임

◾ 이번 임상 시험은 복강경 수술의 정확도와 퀄리티를 개복 수술과 비슷한 수준으로 올려 놓는 것을 목표로 하고 있는데, 주요 평가항목 중 하나는 수술 중 출혈량임

▸ 일본임상종양연구그룹(JCOG)의 ‘진행 중인 대장암에 대한 복강경 수술과 개복 수술의 완치율에 관한 무작위 비교 시험’ 결과에 따르면, 복강경 수술의 수술 출혈량 중앙값은 30mL이었음

▸ 이에 비해 2017년에 실시한 2건의 8K 복강경 수술 사례에서는 출혈량이 각각 5mL와 0mL로 억제되었으며, 올해 실시할 23건의 임상시험에서는 출혈이 30mL 이상인 환자의 비율을 전체의 25% 이하로 억제한다는 목표를 세우고 있음

▸ 출혈량 이외의 부수적 평가항목으로는 수술의 부작용 발생 비율과 완전 절제율, 개복 수술로 전환 비율, 외과 의사 2명에 의한 수술 완수 비율 등이 있음

◾ 한편 8K 복강경 수술 시스템이 장점만 있는 것은 아니며 개선 과제도 도출되고 있는데, 카메라의 소형화와 커뮤니케이션 속도의 단축이 필요할 것으로 지적되었음

▸ 8K 시스템은 복강경을 고정하고 있기 때문에 한 시점에서의 영상 밖에 얻을 수 없는데, 확대상을 얻기 위해 복강경을 환부 가까이 이동시키지 않아도 되는 것은 큰 장점이지만, 촬영 범위가 고정되어 있어 환부를 이리저리 돌려 촬영하는 것은 어렵게 되었음

▸ 따라서 향후에는 카메라를 돌려 가며 촬영할 수 있도록 유연성을 개선한다는 방침이며, 복강경에 탑재하는 카메라를 소형화하여 여러 대를 설치하는 방법도 검토 중임

▸ 집도의가 전체상에서 확대하고 싶은 부분을 잘라내는 작업을 하는 직원에게 지시를 하는 과정의 번거로움도 문제로 지적되었음

▸ 편집 직원이 수술대에서 떨어진 위치에 있는 콘솔에서 영상을 잘라내는 작업을 수행하므로, 집도의는 확대될 부분에 집게를 대고 매번 ‘이 부분을 확대해 달라’고 알려주어야 할 필요가 생기기 때문

▸ 지시한 사항이 처리될 때까지 집도의는 손을 멈추고 수술을 진행할 수 없는데, 이러한 '틈'이 생겨 버리면 의사의 리듬과 집중력이 흐트러질 위험성이 높아지게 됨

▸ 기존의 시스템은 집도의의 옆에 있는 조수가 복강경을 움직여 확대 이미지를 촬영하기 때문에 지시에 따른 번거로움은 적었는데, 8K 시스템에서도 어떻게 수술 작업의 틈이 없이 이미지 확대를 실현하느냐가 향후 개선 과제가 됨

<자료> Pinterest

[그림 3] 고화질 영상 수술 시스템의 이점

◾ 이번 임상 시험으로 얻어지는 결과는 대장암뿐만 아니라 향후 다른 영역의 치료 및 진단에 활용하는 것을 염두에 두고 있음

▸ 예를 들어, 카메라의 소형화에 성공하면 내시경 검사에도 응용할 수 있을 것이며, 고화질의 특징을 살리면 화면상으로 종양의 양성/음성 여부를 판단 할 수 있을 것으로 기대되고 있음

▸ 특히 고화질 영상을 학습한 이미지 판독 인공지능(AI)과 결합할 경우, 사람이 아닌 시스템에 의해 보다 정확한 진단이 가능할 것으로 전망되고 있음

▸ 실제로 이번 시범사업에 참여하고 있지 않지만 샤프는 자체 실증 시험을 통해 8K 이미지와 딥러닝 등을 활용한 병리 진단 시스템 구현을 목표로 하고 있으며, 이미 5G와 8K 모니터를 조합한 원격의료 시스템 개발을 진행하고 있음

▸ 샤프는 8K 이미지가 세포 단위의 입도로 조직의 팽창 여부와 색상을 표시할 수 있기 때문에, 육안으로 발견하지 못하는 작은 종양, 전이, 병변 등도 8K 이미지와 AI를 이용해 검출할 있을 것으로 기대하고 있음

▸ 또한 AI와 8K 모니터를 결합한 새로운 사업으로, 다리 등에 생긴 미세한 이상 현상을 검지하거나 거동이 수상한 사람을 구별해 내는 등 8K의 고화질 이미지 특징을 살린 비즈니스를 지속적으로 개발해 나간다는 방침

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1846호(2018. 5. 16. 발행)에 기고한 원고입니다.

▶ IITP에서 PDF 포맷으로 퍼블리싱한 파일을 첨부합니다. 가독성이 좋으니 참고하시기 바랍니다.