사지 절단 환자에게 희소식! brain–computer interface (BCI)
오늘은 희망이 있는 소식을 전하고자 합니다. 우연하게 후배님의 페북 링크를 보다가, 재미난 동영상이 있어서 소개합니다. 미리 결론을 말씀드리면, 사고로 팔이나 다리가 절단된 분들에게 아주 희망적인 소식이라고 하겠습니다.
공장 기계에 눌려서, 혹은 교통사고와 같은 사고로 팔을 잃은 소식을 뉴스나 신문을 통해서 주변에서 심심찮게 듣게 됩니다. 실제 제 주변에는 이런 분을 아직 개인적으로 알고 있지는 않지만, 동기들이나 정형외과에 간 친구들, 그리고 정신과 선생님들까지, 이런 환자들에 대해서 이야기한 경우를 종종 들었습니다.
사지를 포함한 신체 일부가 절단된 환자들은 사고 당시의 상황 뿐만 아니라, 수술 전, 수술 후, 그리고 한동안 아니 어쩌면 평생동안, 생각보다 많은 고통을 안고 살기 때문에 특별한 관심이 필요한 것이 사실입니다.
예컨대, 한쪽 팔이 절단된 환자의 경우에는, 수술 후 한동안, 그림자 통증 혹은 환상 통증(phantom pain - 팬텀 페인)이라는 것을 겪는데, 이게 일부의 경우에는 마약성 진통제를 먹어야할 정도로 상당히 고통스럽습니다.
이 펜텀 페인은, 기본적으로 팔이 없어졌다는 것을 신경계가 인지를 하지 못하고, 지속적으로 통증 신호를 보내는 신체의 부조화 현상 때문에 발생하는 것인데요. 이런 고통은 결과적으로 환자를 힘들게 만드는 현상이기도 합니다. 통증 자체가 무언가 조치를 취하라고 만든 인체의 신호 현상인데, 팔이 잘려나갔기 때문에, 더이상 조치를 취할 수 없기 때문이죠.
하지만, 반대로 생각하게 된다면, 이런 신경계의 신호가 여전히 살아있다는 것을 의미합니다. 즉, 잘려나간 신체의 말단 부위에 아직 신경계가 살아있고, 이를 이용한 인공팔 조정이 가능하다는 것을 의미할 수 있습니다.
바로 이를 이용한 것이, brain–computer interface (BCI), mind-machine interface (MMI), direct neural interface (DNI), brain–machine interface (BMI) 로 불리는 기술들입니다. 이 경우에는 뇌에 직접적으로 무언가 조작하는 것이 아니기 때문에, direct neural interface (DNI) 라고 불러야 하겠지요.
즉, 신경계가 보내는 신호를 인지하고, 그 인지된 신호를 분석하여, 기계 혹은 로봇을 움직이는 모든 과정이 바로 brain–computer interface (BCI)의 핵심이라고 할 수 있겠네요.
물론 이론적으로는 이 부분이 너무나도 간단해 보이지만, 실제 이 부분은 아주 까다롭습니다. 기본적으로 절단된 부분 혹은 뇌에서 발생하는 신호 자체가 아주 복잡한 구조를 가지고 있고, 잡음(Noise)도 굉장히 많기 때문입니다. 그리고 그 작은 신호를 증폭시키는 과정에서 발생되는 신호 분별력, 의도 파악 등, 생각보다 고려할 사항이 많고, 그 사항을 하나하나 개선시키는 것이 이 기술의 핵심이라고 할 수 있겠습니다.
그리고 그런 과정을 단 한번에 진행할 수도 없으며, 개인별로 신호가 다르기 때문에, 이 과정은 기본적으로 한 명의 환자와 대략 2-3년 정도의 훈련을 하면서 정보를 얻고 그 정보를 토대로 분석하고, 다시 신호를 개선 시키는 등, 많은 시행착오를 겪게 됩니다.
하지만, 최근 비약적인 발전을 보인 머신 러닝 기술과 컴퓨팅 능력, 신호를 증폭시키고, 이를 해석하는 알고리즘의 발달. 전폭적인 연구비 지원과 로보틱스의 발전이 결과적으로 현재와 같은 발달을 이루게 된 것이지요.
이 동영상은 세계 최고의 의대와 병원 연구팀이 있는 존스 홉킨스 대학 팀에서 만든 영상인데, 처음부터 대략 5분간 이 기술이 어떻게 환자에게 적용되어 왔고, 어떤 가능성이 있으며, 환자가 어떻게 로봇을 생각으로 움직이는지를 보여주고 있습니다. 그리고 놀라운 사실은 이 비디오가 거의 1년 전에 만들어졌다는 사실입니다. 지금은 조금 더 개선되었겠죠.
아무쪼록, 이런 기술은 공학의 발전 만으로는 불가능합니다. 다양한 분야의 지식과 응용이 합쳐져야 가능한 것이지요. 공학의 발전, 의학의 발전, 그리고 자연과학의 발전. 저 위에 있는 행정가 공무원들이 자주 이야기처럼, 이분법적으로 분야를 나눌 시기가 아니라는 이야기입니다.
이 기술자체는 임상, 의학, 공학, 신경 과학 모든 분야가 총체적으로 망라된 기술이고, 이런 관점으로 접근해야만 결과적으로 환자에게 도움줄 수 있는 기술이 개발될 수 있고 기술을 선도할 수 있다는 사실을 간과해서는 안되겠습니다.
A Colorado man made history at the Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) this summer when he became the first bilateral shoulder-level
