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완벽한 보철기구 개발은 언제쯤?…보철 기술 개발에서 직면할 수 있는 문제점
2019-09-23 19:18:40
심현영
모든 보철기구가 사람의 신체에 호환될 수 있는 것은 아니다(사진=셔터스톡)

[리서치페이퍼=심현영 기자] 현대 의학 및 기술의 발전으로 잃어버린 사지를 모방한 맞춤형 보철을 착용할 수 있게 됐다. 그러나 여전히 근육의 복잡한 신경 체계를 복구하지는 못하는 한계점에 부딪힌 실정이다. 

이에따라 정상적인 팔다리의 기능을 완전히 복제하는 것은 어려운 일이다. 모든 보철기구가 사람의 신체와 호환이 될 수 있는 것은 아니다. 일부 보철기구는 지나치게 부피가 크거나 다루기 어려워 자신에게 맞는 보철기구를 구하지 못하는 사람도 있었다. 그러나 기술 및 수술 기법의 발전으로 보철기구를 원하는 사람들이라면 누구나 원하는 보철기구가 개발되고 있다.

보철기구 위치 파악하기

MIT는 보철기구를 보다 자연스럽게 움직일 수 있는 새로운 수술 방법을 개발했다. 잔여 신경과 근육 이식을 통해 사용자의 시각적 신호에 의존하지 않고 보철기구 자체가 스스로 공간의 위치를 파악하고 적용할 수 있는 압력량을 느낄수 있는 것이다. 이 방법이 고안되기 전에는 절단 환자가 의존할만한 신경 방법이 존재하지 않았다.

대부분의 절단 환자들은 공간을 측정하고 올바른 위치를 파악하기 위해 눈으로 보철기구 상태를 확인해야 한다. 이는 하나의 근육이 수축하면 다른 근육이 이완되는 주동근-길항근으로 된 근육쌍을 통해 사지를 제어할 수 없기 때문이다. 

근육쌍은 신호를 두뇌로 전달하는 동시에 사지를 보지 않아도 어디에 위치하고 있는지를 직관적으로 알 수 있게 해준다.

하지만 예전 자리에 새로운 근육을 이식하고 신경 말단을 연결하면, 절단 환자가 두뇌 신호를 전달하고 그에 상응하는 신호를 다시 받아서 마치 예전의 팔다리처럼 인공 팔다리를 기능할 수 있는 것이다.

마인드 콘트롤 보철기구

시카고대학은 연구팀은 정상적인 손처럼 기능할 수 있는 보철기구 개발을 목표로 세웠다. 체성감각 및 운동 신경과학 등을 전공으로 한 연구팀은 사람의 정신으로 조절할 수 있으며 감각 정보를 받을 수 있는 보철기구 개발을 원했다.

따라서 시스템에 여러 개의 전극을 이식해 작동할 수 있는 로봇 신경보철기술을 포함시켰다. 이 신경 전극으로 로봇 보철기구를 움직이려는 사람의 신경 활동을 감지하게 만들었다. 보철 기구를 장착한 손에는 복잡한 센서를 추가해 촉각을 모방할 수 있게 했다. 또한, 자유 공간에서 보다 민첩하게 보철 기구를 움직일 수 있게 했으며 물체를 들고 조절할 때 발생할 수 있는 여러 문제점을 해결할 수 있게 만들었다.

시카고대학 연구팀은 정상적인 손의 기능을 가진 보철기구 개발이라는 궁극적은 목표를 세웠다(사진=셔터스톡)

거대한 장애물

연구팀은 완벽한 보철 기술을 개발하면서 여러 가지 난관에 직면했다. 그중 한 가지가 운동-신경 연결성을 정밀하게 모방하는 것이다. 

하나의 팔 혹은 다리 시스템에 1만 2,000 ~ 1만 5,000개의 신경 섬유가 있다는 사실을 고려했을 때, 완벽한 움직임을 모방하기 위해 모든 신경을 개별적으로 자극하는 것은 불가능한 일이다. 

전극도 신경 섬유 중 수백 개를 단 한 번 자극할 수 있기 때문에 움직임이 부정확하다. 따라서 연구팀은 신경 섬유를 자극할 때 반응을 확인하기 위해 여러 가지 모델을 사용해야 했다.

그리고 또 다른 문제점은 두뇌-컴퓨터 인터페이스의 수명이다. 가장 정확한 자극을 파악하기 위해 전극을 두뇌에 이식할 필요가 있었다. 하지만 두뇌에서는 이러한 신경 이식을 자연스럽게 거부하고 이물질인 기기에 대응하는 것이다. 

따라서 이식한 기기의 수명은 길지가 않으며 평균 1~2년이 걸리게 된다. 이 때문에 새로운 기기를 이식하기 위해 1~2년마다 개두수술을 해야 하는 것은 실용적이지 못한 일이다. 이에 연구팀은 평생 유지할 수 있는 신경 시스템을 개발할 수 있는 방법을 찾아야 한다.

마지막으로, 두뇌 그 자체에 문제가 있을 수 있다. 두뇌 부위의 기능과 부위의 상호 연결 방법은 매우 복잡한 과학이며 아직도 완벽하게 풀리지 않은 분야이기도 하다.

하지만 현재 여러 연구팀이 같은 목표하에서 연구를 진행하고 있기 때문에 멀지 않은 미래에 절단 환자들을 위해 완벽하게 기능하는 보철기구가 개발될 수 있을 것이라는 전망이다.

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