이제는 기술로 혈류를 예측한다 

의학과 공학의 융합, 메디멕스(MEDIMECS) 팀 

우리 대학교 대학원과 미래융합연구원은 다양한 전공의 대학원생들이 모임과 협력을 통해 창의적인 역량을 배양할 수 있도록 ‘Junior 융합 연구그룹’을 모집해 융·복합 사고 역량 강화를 위한 도전적인 연구에 관심을 지원하고 있다. 본 프로그램을 통해 다양한 전공의 학생들이 함께 연구함으로써 융합연구 문화의 기반을 조성할 수 있을 것으로 기대된다.

<연세소식>에서는 지원 대상자로 선발된 대학원생 연구팀을 만나 학생들의 연구 아이디어를 직접 들어보는 시간을 마련했다. 이번 호에서는 ‘좌심방이 폐색술 이후 혈류 시뮬레이션’을 연구한 팀 ‘메디멕스’의 전병환(의과학과), 박형복(의학과) 장일광(기계과)씨를 만나 연구 이야기를 들어봤다.

Q. 팀 소개 부탁드립니다 

A. 저희 팀은 간단하게 말해서 공학기술을 의료 현장에서 사용할 수 있게끔 연구를 하고 있습니다. 실제 의료현장에서 활용할 수 있는 기술을 만드는 셈이죠. 그 중에서도 저희가 연구하는 분야는 조금 특별해요. 최근 국내외 의료분야에서 환자의 CT 영상을 기반으로 실제 그 환자와 동일한 심장 구조를 가진 전산 구조물을 추출하는 기술에 대해 수요가 많습니다. 그 구조물로 어떤 치료를 시행했을 때 실제 이 환자 몸에서 혈액이 어떻게 흐르는지 시뮬레이션 해볼 수 있거든요. 저희가 담당하는 분야도 이 분야입니다. 

그래서 지금은 의료분야에서 필요한 영상처리기술, 유체역학시뮬레이션기술, 임상도메인지식을 모아 연구하기 위해 의과학과, 의학과, 기계과가 뭉친 상태입니다. 

Q. 메디멕스라는 팀은 어떻게 모이게 된 건가요? 

전 : 상당히 도전적인 주제이기도 하지만 무엇보다 전산구조물을 만들고 시뮬레이션 하는 과정을 해내려면 여러 학문 분야의 지식이 필요했어요. 저는 갖고 있는 지식이 3차원 영상처리를 연구로 한정돼있죠. 심장구조물을 추출해낼 수 있는 것만 가능한 상태인데, 이를 기반으로 시뮬레이션을 하려면 기계과 박사가, 기술에 대한 피드백과 데이터를 제공받으려면 의학과 박사가 필요했고요. 그래서 지금 참여하고 있는 두 명의 팀원에게 연락을 취해, 아이디어를 설명했고 참여를 이끌어냈습니다. 

Q. 팀 이름은 어떻게 고안한 건가요? 

A. 저희 연구에서 필요한 학문 분야를 크게 보면 의학과 공학이라고 볼 수 있습니다. 그래서 의학 (Medicine)이라는 단어와 공학(Mechanics)이란 단어를 합쳐서 메디멕스(MEDIcal MEChanicS)라고 팀 이름을 짓게 되었습니다. 이름에 팀의 속성이 잘 드러나고 부르기도 좋고 나름 잘 지었다고 생각합니다.

Q. 연구주제인 좌심방이(left atrial appendage)는 무엇인가요? 

A. 심장에는 특정기능을 하다가 퇴화되었다고 알려져 있는 부위가 있는데, 바로 ‘좌심방이’라고 하는 부위입니다. 근데 그저 기능을 하지 않는 게 아니라, 쪼그라든 모양을 하고 있는지라 혈류를 잘 흐르지 못하게 해요. 그러다 보니 혈전을 만들게 되는 주요 원인으로 알려져 있죠. 이렇게 생긴 혈전은 혈관을 떠돌다가 우리가 흔히 아는 뇌혈관 또는 심장혈관을 막아 뇌졸중, 심근경색과 같은 고위험 질병을 초래합니다.

지금까지는 혈전 생성을 방지하기 위해 이 부위를 막는 ‘좌심방이 폐색시술’이 많이 이뤄지고 있어요. 하지만 아무리 예방차원에서 한다 하더라도, 환자에게 시술이 필요한지에 대한 정확한 근거 없이 그저 경험 많고 숙련된 시술자가 시술 여부를 결정하기 때문에 적재적소에 사용되기 어렵다는 한계가 있죠. 

그래서 저희는 이런 좌심방이 폐색시술을 하기 전에 저희 기술을 통해서 먼저 결과를 예측해보는 게 어떨까 하고 생각했습니다. 기술을 통해 시술 시 현재 혈류패턴이 어떻게 변하는지를 먼저 확인하고 시술이 필요한 여부를 결정하게 도움을 주는 거죠. 

Q. 연구 주제는 어떻게 선택하게 됐나요?

A. 예전에 지도교수님께서 이끄셨던 ‘관상동맥기반 시뮬레이션 연구개발’ 컨소시움에 참여한 경험이 있었어요. 그래서 융합연구를 할 때 어떻게 접근해야 하는지 어느 정도 감도 있었고, 임상적 가치와 보람을 느낄 수 있을만한 주제라고 생각했기에 결정하게 됐습니다.  

Q. 연구는 어떤 과정으로 이뤄졌나요? 

A. 첫 단계는 환자 CT 영상에서 원하는 전산구조물을 추출해내는 작업입니다. 우리가 잘 아는 CT는 신체 정보를 3차원, 즉 있는 그대로 볼 수 있는 방법입니다. 저희 연구 주제인 좌심방뿐만 아니라, 뼈, 폐, 잡다한 혈관 등 여러 다른 장기들이 함께 영상 내에 존재하죠. 여기서 저희의 타깃인 좌심방만을 추출하기 위해 자동으로 좌심방만 찾아주는 확률기반의 영상처리 알고리즘을 구현해야 했습니다. 

이렇게 좌심방 구조물이 추출되고 나면 이를 기반으로 시뮬레이션이 수행됩니다. 시뮬레이션을 해내기 위해서는 실제 환자 심장과 최대한 똑같은 환경을 만들어야 해요. 예를 들어, 시뮬레이션에 영향을 끼칠 수 있는 중요한 정보인 심방벽의 두께, 혈류의 초기 속도, 압력정보 등을 최대한 환자의 실제 환경에 동일하게 모델링하는 과정이라고 볼 수 있습니다. 저희 팀에는 기계과뿐만 아니라, 임상적 지식을 갖고 있는 박형복 연구원이 있었기에 모델링하기가 수월했습니다.

그 후, CFD(computational fluid dynamics)라는 기술을 적용하여 혈액이 시간의 흐름에 따라 변화되는 정보를 계산하게 됩니다. CFD 기술은 날씨를 예측하기 위해 시간의 흐름에 따라 구름들이 움직이는 것을 미리 시뮬레이션으로 알아낼 수 있는 기술이기도 한데요. 저희는 날씨 대신, 환자의 몸의 혈류역학적 정보를 알아내기 위해 시뮬레이션을 하는 겁니다. 

Q. 이 연구는 현재 어떤 진행 상태인가요? 

A. 주니어 연구기간 중 계획했던 특허 및 학술대회 실적을 달성했습니다. 지금도 연구를 지속적으로 수행해, 얼마 전엔 폐색여부에 따른 혈류패턴 시뮬레이션기술을 논문에 투고하기도 했습니다. 지금은 논문 검토 상태인데, 좋은 결과를 기대해보고 있어요. 물론 응용기술을 발전시켜서 후속 연구도 계획하고 있고요. 

Q. 융합연구를 하고 나서 생긴 장점이나 특이점이 있나요? 

A. 융합연구를 하면서 느꼈던 가장 중요하게 느꼈던 부분은 다양한 학문 간 소통이었어요. 연구원들 간 서로 다른 전문지식을 가지고 있다 보니 본인이 당연하게 알고 있는 용어와 지식에 대해 이야기할 때도 이해 정도가 다를 수밖에 없잖아요. 그런데 이 때 다른 연구원들에게 상세히 설명하지 못하면 각자의 주장에 대해 이해가 잘 안 되더라고요. 그래서 학문 간 지식의 갭이 존재한다는 걸 서로 인지하고 잘 소통하도록 노력했죠. 

더불어 세미나와 같이 개인적으로 잘 알고 있는 기술의 배경에 대한 내용을 공유하는 기회를 최대한 많이 만들려고 노력했어요. 그 덕에 문제에 대해 집중하여 다각도의 관점에서 논의가 이루어질 수 있었습니다. 각자 갖고 있는 기술 조각을 끼워 맞추는 과정에서 접합이 가장 중요함을 배우는 계기가 되었습니다.