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| DGIST 황재윤(왼쪽부터) 교수, 이문환 박사 GIST 정의헌, 권혁상 교수.[DGIST 제공] |
[헤럴드경제=구본혁 기자] 파킨슨병·우울증과 같은 뇌질환 환자들에게 맞춤형 뇌자극 치료를 제공할 수 있는 새 기술이 등장했다.
DGIST(대구경북과학기술원) 전기전자컴퓨터공학과 황재윤 교수 연구팀이 GIST(광주과학기술원) 의생명공학과 정의헌·권혁상 교수 연구팀과 공동으로, 3D 프린팅 렌즈의 두께를 직접 최적화해 뇌의 여러 영역을 동시에 정밀 자극하는 ‘인공지능 기반 두께 전용 음향 홀로그램(TOAH)’ 기술을 개발했다.
기존 초음파 뇌 자극 기술은 초음파가 단단하고 불규칙한 두개골을 통과할 때 초점이 흐트러지고, 여러 표적에 전달되는 에너지가 불균일해지는 치명적인 한계가 있었다. 이를 극복하려면 수많은 초음파 발생기가 달린 복잡하고 값비싼 다채널 장비가 필요했다.
황재윤 교수 연구팀은 AI와 물리 기반 최적화 기술을 결합해 이 문제를 해결했다. 초음파가 두개골의 굴절을 넘어 뇌의 여러 표적에 정확히 도달할 수 있도록, 실제 3D 프린터로 제작될 렌즈의 3차원 두께 구조를 AI가 직접 설계하여 오차를 대폭 줄인 것이다.
핵심은 얇은 3D 프린팅 렌즈 단 하나와 단일 초음파 소자만으로 다중 뇌 자극이 가능하다는 점이다. 고가의 장비 없이도 초음파를 여러 뇌 영역에 동시에, 그리고 고르게 집중시킬 수 있다.
실제 쥐의 두개골 실험과 시뮬레이션 결과, 새로 개발된 기술은 기존 방식보다 초점을 훨씬 정확하게 형성하고 여러 표적에 에너지를 균일하게 전달했다. 또한 두개골에 불필요하게 집중되는 에너지를 줄여 두개골의 발열 부작용을 억제하는 성능도 크게 높였다.
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| 생쥐 두개골 환경에서 다중표적 초음파 뇌자극을 위한 음향 홀로그램 비교.[DGIST 제공] |
신경병증성 통증을 앓는 쥐의 뇌(양측 시상 부위)를 이 기술로 동시에 자극한 결과, 과도한 신경 활동이 감소하며 통증 반응이 뚜렷하게 개선되는 효과도 입증했다. 사람의 두개골 데이터를 이용한 시뮬레이션에서도 초점 정확도와 다중 표적 에너지 균형이 동일하게 향상됨을 확인했다.
이 기술의 가장 직접적인 활용처는 비츰습 뇌질환 연구‧치료 분야다. 신경변증성 통증 원인 부위를 동시 자극해 통증을 개선할 수 있고, 파킨슨병‧우울증 등 여러 뇌 부위가 관여하는 질환의 다중표적 신경조절에도 확장 적용된다.
황재윤 교수는 “AI가 렌즈의 구조를 직접 설계해 두개골 너머 여러 뇌 영역에 초음파를 정확하게 전달할 수 있게 된 것이 핵심”이라며 “단일 초음파 소자와 3D 프린팅 렌즈만으로 정밀한 다중 뇌 자극을 구현해, 향후 통증은 물론 퇴행성 뇌 질환과 정신·신경계 질환에 대해 수술이나 절개 없이 안전하게 에너지를 전달하는 환자 맞춤형 비침습 치료 플랫폼으로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘Brain Stimulation’에 7월 게재됐다.
