What is Biomedical Engineering?

History

의공학의 역사1)

1. ‘인류를 위한 기술’로의 전환

제 2 차 세계대전은 인류의 기술이 대량 살상무기의 발명과 제조에 응용되어 원자폭탄과 같은 엄청난 위력의 무기가 탄생되고 그 성능이 실험되었던 비극의 현장이었다. 그래서 전쟁이 끝난 뒤 과학기술계의 많은 사람들은 인류가 개발한 기술을 인류의 행복과 복지를 위해 사용할 수 있는 방법을 찾게 되었다. 한편 의학계에서는 결핵이나 폐렴 같은 전염성 질병이 줄어든 대신 암이나 각종 심혈관계 질환과 같은 새로운 부류의 질병들이 많아짐에 따라 이러한 질병의 원인을 파악하고 진단하며 치료할 참신한 방법을 찾게 되었다. 또한 보다 양질의 의료제공을 위하여 비침습적인 진단이나 치료방법에 대한 요구도 급증하게 되었다. 제 2 차 세계대전을 통하여 눈부신 발전을 계속하고 있던 전자공학 기술은 이러한 여러 가지 측면에서의 요구를 모두 충족시키면서 급속도로 의학분야에 응용되기 시작하였다.

이에 따라 새로운 학문분야의 정립과 그 개념이 설정되기에 이르렀고 1958년 파리의 국제회의에서 처음으로 의학에 전자공학기술을 도입한 연구분야를 의용 전자공학으로 명명하기로 제창하였다. 그 후 이 분야의 학문이 급속도로 발전하여 1965년 동경에서 개최된 국제회의에서는 응용범위를 의학과 이와 관련된 생물학 전반으로 확대하였으며 응용대상인 공학분야도 전자공학뿐 아니라 유체역학, 재료역학, 제어공학, 정보공학, 고분자화학 등 응용공학 기술 전체를 총 망라하게 되었다. 또한 이 회의에서는 이 분야를 의용전자 및 생체공학이라고 정의했으며 1967년 스톡홀름 대회에서 의용 생체공학이라고 개칭하였다. 그 후 오늘날에 와서는 응용범위와 그 대상이 점점 더 확대되어 의공학으로 불리며 전체 학문의 중요한 한 분야로 자리잡게 되었다.

2. 의공학 이야기

의공학에 대한 학문적인 개념이 정립되고 그 이름이 생겨나기 훨씬 오래 전부터 의학발전에 지대한 공헌을 한 수많은 발명과 발견들이 있었다. 이러한 기술들의 응용은 기본적으로 인체를 이해하고 질병을 다루는 인류의 능력을 향상시켜준다는 의미에서 의공학이 추구하는 목표와 일치하므로 의공학의 역사로 받아들여진다.

1677 년 네덜란드의 레벤후크는 현미경을 이용해 최초의 미생물을 관찰한 후 오늘날 박테리아라고 부르는 세균을 발견하기까지 평생 동안 렌즈와 현미경의 제작과 성능향상에 헌신하였다. 1895년 독일의 물리학자 뢴트겐은 진공관인 크룩스관 실험을 통하여 방사선의 한 종류인 X선을 발견하여 각종 진단 및 검사에 필수적으로 사용되고 있다. 네덜란드의 생리학자였던 아인트호벤은 1903년에 심장의 박동 시 발생되는 전기신호인 심전도를 처음으로 기록하였고 오늘날까지 심장기능을 진단하는 기본장비로서 널리 사용되고 있다. 1957년 릴리하이는 수술 도중에 심장에 전선을 연결하여 펄스 형태의 전류를 흘림으로써 심장박동을 조절하였고 1960년에 차댁과 그레이트배치는 이식형의 인공 심장박동기를 개발하였다. 이러한 인공적인 심장기능 보조장치들의 개발은 마침내 1982년 공압식의 인공심장을 바니 클라크에게 이식하기에 이르렀다. 제 2 차 세계대전중 잠수함용 장비인 소나로 발전된 초음파기술은 그 후 의공학적 응용의 결과로 1957년 휴리와 블리스에 의해 인체내 기관에서 반사된 초음파를 이용하여 인체내 기관의 구조를 재구성한 초음파영상을 제공하게 되었다. 오늘날 초음파 기술은 인체에 거의 해가 없는 방법으로 초음파 영상 외에도 혈류의 속도측정, 초음파 에너지를 이용한 치료 등에 광범위하게 사용되고 있다. 의공학이 이룬 가장 빛나는 업적 중의 하나는 아마도 1970년에 발표된 전산화단층촬영(CT)일 것이다. 인체내 기관의 단층면의 구조를 뛰어난 해상력으로 재구성해 주는 CT의 도움으로 의사들은 환자의 체내를 컴퓨터 화면을 통하여 들여다볼 수 있게 된 것이다. 이러한 CT의 개발이 의학계에 미친 영향은 1979년 CT를 개발한 코맥과 하운스필드가 수상한 노벨 의학상이 대변해 주고 있다. 그 후 2003년 노벨 의학상을 수상한 핵자기 공명현상을 이용한 자기공명영상(MRI)까지 발전하여 방사성 동위원소를 이용한 핵의학영상과 함께 현대의학 발전에 지대한 공헌을 하고 있다.

Definition

의공학의 정의

의공학을 의미하는 의용생체공학(Biomedical Engineering), 의용공학(Medical Engineering), 생체공학(Bioengineering)등의 다양한 명칭은 아주 구체적으로는 약간씩 다른 내용을 의미하기는 하지만, 가장 포괄적인 의미에서 의공학에 대한 학문적 정의는 “공학(engineering)과 의생명과학(biomedical science) 그리고 임상의학(clinical medicine)간의 다학제간 협력활동을 통해 공학과 생물학 그리고 의학, 각 분야 지식수준을 향상시키고, 인류 건강을 증진시키기 위한 학문분야”로 설명할 수 있다. 이러한 학문적 정의에 따라 의공학 전공자들은 다음과 같은 활동을 수행하게 된다.

  1. 공학에서 사용되는 실험적 혹은 해석적 기술들을 혁신적이고도 실질적인 방법으로 응용하여 생체시스템에 대한 새로운 지식과 이해를 획득한다.
  2. 생물학과 의학을 발전시키며 또한 임상실기를 통해 제공되는 진료 수준을 향상시키기 위해 새로운 장비와 알고리즘, 공정과 시스템 등을 개발한다.

이와 같은 의공학의 학문적 정의와 실제 활동내용을 알기 쉽게 도식적으로 나타내면 그림1과 같다. 즉, 의생명과학(Biomedical Science)으로 묶여질 수 있는 기초의학이나 생물학과 임상의학의 최종목적은 “질병을 진단하고 치료하며, 장애를 극복할 수 있도록 도와주고, 나아가서 더욱 건강한 삶을 제공하기 위함”이다. 이러한 숭고한 학문적 목표 달성을 위해서는 타 학문 분야와의 협력이 필수적인데, 이중에서도 공학 분야와의 상호보완적 협력관계(synergic cooperation)에서 의공학이라는 새로운 학문분야가 탄생된 것이다. 공학(Engineering)은 “인류의 행복을 위하여 이전에 없던 새로운 것을 만들어내는 활동”이라고 볼 수 있는데 따라서 이러한 공학의 철학은 의공학에 그대로 남아있어 의생명과학 분야에서 문제해결을 위해 필요한 다양한 방법론(methodology)을 제공하는 것이 의공학의 최대 목표이다. 동시에 공학적 산물이 아닌 생체시스템이 가지고 있는 여러 가지 최적화된 특성들을 이해하고 이를 공학에 응용하고자하는 노력도 포함하는데 이로서 궁극적으로 의생명과학과 공학 양 분야의 발전을 동시에 추구하게 되는 것이다.

20080116.page.bme1.jpg

Major Subspecialties (주요세부전공분야)

Biomedical Instrumentation

Biomedical Instrumentation (생체계측) Instrument 의 사전적 정의는 “a tool used to facilitate work”이다. 즉 우리가 무슨 일을 수행하는데 있어서 효과적으로 우리의 일을 도와주는 도구인 셈이다. 우리는 흔히 집안 일을 할 때 - 예를 들면, 못을 박을 때 망치와 같은- 적당한 도구가 없어 대용물을 쓰면서 매우 불편하게 느낀 적이 한번쯤은 있을 것이다. 따라서 좋은 도구가 작업의 결과에 미치는 효과는 추가의 설명이 필요 없이 누구나 이해할 수 있을 것이다. 한편, instrumentation의 사전적 정의는 “1)the application or use of instruments, 2)the study, development, and manufacture of instruments, as for scientific or industrial use” 이다. 즉, instrument를 사용하는 것, 혹은 새로운 instrument를 개발, 제작하는 것을 의미한다. 만약 내가 해야만 하는 일에 적당한 도구가 없어 힘들어하고 있을 때에 적합한 instrument를 누군가 만들어준다면 얼마나 도움이 될 것인가 상상해 보라! 인체를 대상으로 하는 종합학문인 의학 분야도 예외는 아니어서 정말로 무수히 많은 instrument들이 개발되어 사용되고 있다. 그 종류는 단순한 청진기나 핀셑으로부터 최첨단 컴퓨터가 사용되는 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 에 이르기까지 다양하다. 병원에서 사용되고 있는 각종 의료장비와 기초의학에서 사용하고 있는 각종 분석 장비들은 동시대의 최첨단 기술이 총 망라된 집합체이며 이에 대한 독자 기술을 확보하지 못한 나라는 의료기술의 독립국이라 말할 수 없을 것이다. 결론적으로 현대의학의 발전은 Instrument의 발전이라고 말해도 크게 틀리지 않을 것이며 따라서 의공학에서 Biomedical Instrumentation은 가장 기본이 되는 연구주제라 할 수 있다.

일반적인 Instrumentation system의 구조와 비슷하게 Biomedical Instrumentation System의 구조는 그림 2와 같이 센서, 프로세서, 작동기의 3부분으로 나누어진다2). 센서는 주어진 입력신호를 전기에너지 형태의 출력 신호로 변환해 주는 소자를 말한다. 변환기(transducer)라는 표현과 혼용하여 사용되기도 하지만 엄밀한 의미에서 변환기는 입력신호와 출력신호의 에너지 형태가 다른 모든 소자를 의미하기 때문에 더 큰 개념으로 생각할 수 있다. 작동기는 센서와 반대의 기능을 하는 소자로서 전기에너지 형태로 주어진 입력신호를 다른 에너지 형태의 출력 신호로 변환해주는 소자이다. 프로세서는 센서의 출력신호로부터 획득한 정보에 자체적으로 가지고 있는 데이터과 알고리즘, 그리고 사용자로부터 지시된 명령을 바탕으로 일련의 지능적인 판단을 수행한다. 전체적인 instrument system의 성능이나 효능은 이러한 3가지 구성 요소 각각의 성능에 따라 결정되기 때문에 각 부분의 성능을 최적화하는 것이 생체계측분야의 주요 연구과제이다.

20080116.page.bme2.jpg

Biomedical Instrumentation에서 사용되는 센서의 종류에는 물리센서, 화학센서, 그리고 바이오센서가 있다.

물리센서는 압력, 힘, 길이, 속도, 가속도, 유량, 온도, 빛 등의 물리적 변수를 측정하는데 사용된다. 생체계측 시스템 중에서 가장 광범위하게 사용되고 있는 것이 생체전위기록장치(Biopotential Recording System)인데, 여기서 센서로 사용되는 소자는 전극(electrode)이다. 전극은 이온(ion)들에 의해 생성되는 생체전위신호를 자유전자(free electron)에 의한 전기신호로 변환하는 센서로 볼 수 있다. 임상에 사용되고 있는 생체전위기록장치로는 심전계(electrocardiograph, ECG), 뇌파계 (electroencephalograph, EEG), 근전도계(electromyograph, EMG), 안전도계(electrooculograph, EOG) 외에도 여러 가지 다양한 형태가 있다. 그러나 모든 생체전위 기록장치들은 전극에 의해 변환된 전기신호를 증폭(amplifying)하고 필터링(filtering)하여 표시(displaying)해주는 장치로 볼 수 있다. 따라서 측정 대상이 되는 생체전위신호의 특성에 따라 증폭률(gain)과 대역폭(bandwidth)이 서로 다를 뿐 모든 시스템이 근본적으로 동일한 구조인 것이다. 일반적인 전압측정에서와 같이 생체전위 측정에서도 전위차(potential difference)를 정의하기 위해서 생체조직상의 2 지점을 선택하는 방법을 리드(lead)라고 하며 일관된 측정을 위해 각 생체전위신호에 따라 표준리드가 정의되어 사용되고 있다.

화학센서는 산소농도, 이산화탄소 농도, 각종 이온 농도 등과 같이 주요한 화학 물질의 농도를 측정하는 센서를 의미한다. 화학센서 중에도 특별히 의공학 분야에서 중요하게 다루어지고 있는 생화학센서(Biochemical Sensor)의 기술적 어려움은 측정 대상 물질의 농도가 매우 낮고 수많은 방해물질(interference)의 존재 하에서 작동해야 한다는데 있다. 따라서 센서의 특성을 표현하는 변수 중에 감도(sensitivity - 입력 신호의 단위 변화에 대한 출력 신호의 변화량)와 선택도(selectivity - 여러 가지 유사 입력신호 중 측정 대상신호 만을 선별하는 능력)가 문제가 되는데, 이러한 생화학 센서의 낮은 감도와 선택도를 획기적으로 개선할 수 있는 방법으로 제안된 것이 바이오센서이다3). 바이오센서의 구조는 그림 3에 나타나 있는 대로 기존의 물리, 화학센서의 표면에 생물학적 감지요소(biological detection element)를 결합시킨 형태이다. 즉, 특정물질(analyte)이나 기질(substrate)과 선택적으로 결합 및 반응하는 생물학적감지요소의 고선택성과 고감도의 특성을 이용하기 위한 구조이다. 따라서 바이오센서에서는 사용되는 생물학적 감지요소 와 신호변환기 그리고 이 둘을 연결시키기 위한 고정방법(immobilization method)의 3가지가 핵심요소이다. 생물학적 감지요소로는 효소반응의 enzyme/substrate, 면역반응의 antibody/antigen, DNA의 상보서열간의 수소결합, 각종 receptor, microorganism, cell/tissue/organ 등이 사용된다. 이러한 생물학적 감지요소의 고정방법에는 adsorption, microencapsulation, entrapment, cross-linking, covalent bonding 등의 방법이 사용되고 있다. 마지막으로 사용되는 신호변환기로는 전기화학식(electrochemical), 광학식(optical), 압전소자(piezoelectric), 표면탄성파(surface acoustic wave), 온도감지식(thermal) 변환기 등이 사용된다. 바이오센서는 1962년 Clark가 enzyme electrode를 처음으로 제안하여 glucoseoxidase(GOD)를 O2 sensor와 결합시킨 혈당센서(glucose sensor)가 처음이다. 바이오센서의 응용분야는 크게 의료용, 환경용, 산업용으로 나눌 수 있는데 가장 큰 시장인 의료용 바이오센서로는 혈당과 같은 대사물질센서, 미생물 검출 센서, 호르몬센서, 각종 질병의 표지자(marker)용 센서등이 시판/개발되고 있다. 이외에도 환경용 센서로는 BOD(biological oxygen demand)센서를 비롯한 각종 오염물질 검출센서, 중금속 및 독성물질 검출센서, 생화학무기 검출센서 등이 있고, 산업용으로는 식품 및 생물공정용 센서로서 발효검사, 식품안전성 검사, 동,식물 질병 및 품질관리용 센서, 생물공정 계측 및 제어용 센서 등이 있다.

20080116.page.bme3.jpg

Medical Imaging

Medical Imaging4)

의학영상장치들도 앞서의 의생명계측(Biomedical Instrumentation)의 정의에 따르면 하나의 계측장치로 볼 수 있다. 그러나 오늘날 임상의학에서 의학영상이 차지하는 비중은 엄청나게 증대되고 있어서 일반적인 계측시스템과 구분하여 영상기기들을 따로 분류하는 것이 추세이다. 역사적으로 볼 때 의공학자들의 의학영상 발전에의 공헌은 괄목할 만한 것이다. 오늘날 의학영상에서 사용되고 있는 영상방식(imaging modality)은 크게 X-선영상, 초음파영상, 자기공명영상, 핵의학영상 및 광학영상 등으로 구분할 수 있다.

20080116.page.bme4.jpg

인체내부의 장기와 조직을 영상화하고자 하는 의학영상에 있어서 가장 먼저 활용된 기술은 1895년 11월 8일 뢴트겐(Wilhelm Conrad Roentgen)에 의해 발견된 X선(X-ray)이다. 1901년 제1회 노벨 물리학상의 수상으로 뢴트겐의 발견의 중요성은 공인된 셈이지만 그밖에도 X-선의 발견과 관련한 여러 가지 기억할만한 사실들이 있는데, 우선, 뢴트겐의 첫 발견에 관한 논문이 발표된 이후 1년 안에 이미 X-선에 관련된 1,000여편의 논문들이 발표되었다는 점이다. 또한 X-선에 대한 첫 번째 임상응용이 첫 발견으로부터 불과 수 개월만인 1896년2월 3일 행해졌다는 사실이다. 미국 New Hampshire의 Hanover에 사는 Eddie McCarthy라는 소년이 처음 환자였는데, 그는 2주일 전에 스케이트를 타다 넘어져 손목을 다쳤었다, 그의 주치의인 Dr. Gilman Frost가 Dartmouth에서 물리학과 교수로 있는 그의 형인 Edwin Frost에게 연락하여 환자를 Dartmouth 대학의 Reed Hall에 있는 물리실험실로 보냈고, Edwin Frost 교수는 battery-powered Crookes' vacuum tube 와 감광유리판을 사용하여 최초의 American Rontgenogram을 만들어 냈고 콜리스 골절(Colles' fracture)임을 밝혀냈다. 노출시간은 20분이었다. 그 후 10년 내지 20년 내에 방사선영상에 사용되는 증강화면, 단층촬영술(특정한 단면의 영상화기술), 그리고 회전양극관 등 X-선 영상장치의 핵심 부품들이 개발되면서 X-선 영상의 화질이 획기적으로 개선되었다. 그러나 1930년대 이후의 방사선 영상기술의 발전은 대부분 새로운 영상 시스템의 개발보다는 기존의 부품을 개선하는 방향으로 이루어졌다. 따라서 이 기간 동안에는 질환의 진행상태를 영상화하는 기술의 발전이 의공학자들보다는 임상의사들에 의한 각종 영상기법의 개발에 의존하였다. 관심있는 영역의 보이지 않는 각종 장기들을 가능한 한 비관혈적으로 영상화하는 각종의 기법들이 개발되었는데 정맥을 통한 도관의 사용이나 경구용 조영제를 이용한 혈관조영술 등이 그 예이다. 그러나 1950년대에서 시작하여 1970년대에 절정을 이룬 의학영상 기술의 혁신적인 발전을 이룩한 영상진단 장비의 개발은 대부분 의공학자들에 의해 이루어졌으며 임상의사들은 쏟아져 나오는 새로운 정보들을 이해하고 활용하느라 바쁘게 되었다. 이러한 변혁은 방사선동위원소를 이용한 영상(Radioisotope Imaging)을 기반으로 하는 핵의학(Nuclear Medicine)과 초음파 영상(Ultrasonogram)의 응용과 함께 시작되었고 이들 영상기술은 비록 제한적인 요소를 포함하기는 하지만 여태까지 볼 수 없었던 질환의 진전 상황을 비관혈적으로 영상화하는 데 성공하였다. 이 새로운 의학영상의 시대는 1970년대 초 전산화단층촬영술(Computed Tomography, CT)이 개발되면서 그 절정을 맞게 되었는데 이 방법은 인체의 단면을 뛰어난 화질로 재구성해 줌으로써 종래에 외과적 수술방법을 사용해서만 얻을 수 있었던 귀중한 정보를 제공하게 되었고 이에 따라 급속도로 활용이 증가되어 오늘날에는 수많은 진단과 치료에 있어서 표준과정으로 사용되고 있다. 의학영상분야에서 또 한번의 위대한 전기를 마련한 것은 1970년대 후반부터 개발이 시작된 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)장치인데, 1946년 미국의 퍼셀(Purcell)과 블로흐(Bloch)에 의해 각각 독자적으로 연구 발표되었고 1952년에 노벨 물리학상을 공동 수상한 핵자기공명(NMR:Nuclear Magnetic Resonance)현상에서 유래하였으며, 1973년 미국의 로터버(Paul Lauterbur)에 의해 영상화에 성공하여 핵자기공명(NMR)과 영상(Imaging)을 합친 핵자기공명영상(NMRI)으로 명칭 되었다. 이후 장비와 초전도체 코일(Superconducting Coil)을 사용한 고자장 기술의 개발로 MRI는 다른 어떤 의학영상장치 보다 급속한 발전을 이루게 되었다. 이러한 공로로 2003년도 노벨의학상은 로터버와 맨스필드(Peter Mansfield)에게 주어졌다. MRI가 CT에 비해 우수한 차이점으로는 우선 장파장의 비전리방사선(Nonionizing Radiation)을 사용하기 때문에 상대적으로 인체에 해가 적고, CT에서 처럼 X-선감쇄계수 한 개의 변수가 아닌 스핀밀도, T1, T2의 세 가지 독립변수를 사용하여 해부학적인 구조뿐 아니라 분자 구조의 구별까지도 가능하다는 점이다.

한편 현미경에서 출발한 광학영상(Optical Imaging)장치들은 다양한 형태의 내시경(Endoscopy) 개발로 임상응용이 확대, 발전되었는데 최근에는 CCD(charge-coupled device)나 CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 기술을 이용한 초소형 고감도 영상소자들과 레이저(LASER:light amplification by stimulated emission of radiation)와 같은 광원(light source), 특수렌즈, 필터 등과 같은 광학소자들을 이용하여 삼키는 캡슐형 내시경, OCT(optical coherence tomography), 공초점현미경(confocal microscope)과 같은 신개념의 광학영상 기기들이 개발되어 임상 및 기초연구에 활발하게 사용되고 있다.

최근의 의료영상 기술분야에서 주목할만한 2가지 화두는 기능적영상(functional Imaging)과 분자영상(Molecular imaging)이다. 기능적영상은 주로 PET(positron emission tomography). SPECT(single photon emission computed tomography), 그리고 MRI 등을 이용하여 기존의 해부학적인 구조영상(anatomic imaging)뿐 아니라 관심있는 조직과 장기의 기능을 영상화하려는 시도이다. 이러한 기능적영상은 질병에 따른 해부학적 변화가 일어나지 않은 초기상태에 미세한 기능상의 차이를 영상화하거나 각종 뇌기능 분석 등을 가능하게 해줌으로써 진단에 획기적인 도움을 줄 수 있다. 분 자 영상은 분자 생물학의 발달에 따라 질병 발생에 관여하는 유전자나 단백질 그리고 세포 신호 전달 체계에 대한 비밀이 점차 밝혀지고 동시에 이를 영상화 할 수 있는 영상 기술의 발달이 뒷받침 되어 가능하게 되었는데 분자 수준에서 질병의 기본적인 기전을 이해하도록 하는 영상기법이다. 이의 궁극적인 목표는 질병 전 상태를 조기 발견 치료하며, 치료 약제 개발에 있어 새로운 가능성을 제시하며, 치료 후 반응을 조기에 평가하여 치료에 따른 독성을 최소화하면서 각 환자에 적합한 맞춤 치료가 이루어지도록 하는 데 있다. 이러한 새로운 시도들은 기존의 해부학적 영상이 질병의 원인 보다는 마지막 결과인 육안적 구조의 변화를 영상화 해 왔던 것과 비교할 때 영상 분야에 있어서는 혁신적인 발상의 전환이라 할 수 있다.

한편, 컴퓨터의 성능과 네트워크 기술의 발전에 따라 X-선 영상은 물론 CT, MRI, 초음파등의 각종 의료영상들을 종전에 사용하던 필름 대신에 컴퓨터내에 디지털 데이터로 변환하여 저장하고, 네트워크로 연결된 PC 상으로 전송하는 PACS(Picture Archival and Communication System)가 개발되어 현재 많은 병원들이 필름없는 병원으로 운영되고 있다. 이러한 의료영상의 디지털화는 환자와 의사가 서로 대면하지 않은 상태에서의 진료를 의미하는 원격의료(Telemedicine/Telehealthcare)를 가능하게 하는 원동력이 되었다.

Biomechanics

Biomechanics (생체역학)5)

생체역학은 주로 기계공학 분야에서 사용되는 역학(mechanics)의 법칙들을 살아있는 생체구조에 적용함으로써 역학적 원리를 응용하여 생체의 기능을 연구하는 분야이다. 생체역학 분야는 생체의 역학적인 특성을 연구하는 기초적인 연구 분야와 기초적인 연구를 이용한 응용 분야로 나눌 수 있다. 생체역학은 기초적인 연구는 의학연구의 아주 넓은 분야를 포함하고 있다. 생체 각 조직의 기계적인 특성에 관한 연구, 심혈관계와 호흡계에서의 유체역학적 특성에 대한 연구, 생체 이식물에 대한 재료적인 특성연구와 생체 이식물의 생체 조직과의 상호작용에 대한 연구, 생체조직에서의 각종 물질에 대한 열적 물질적 교환에 대한 연구 및 생체대사 및 운동에 관여하는 여러 가지 제어 기전에 대한 연구 등 의학적 연구 각 분야에 아주 중요한 기여를 하고 있다. 이러한 기초적인 연구 분야뿐만 아니라 생체역학은 인체에 사용되는 각종 인공장기 등의 여러 가지 의료기기의 설계 및 가공에 수반되는 문제를 해결하는데 활용되고 있으며, 특히 재활의학 분야에서 사용되는 많은 검사 장비와 치료기구의 개발에 필수적인 학문으로서 자리 잡고 있다. 특히 앞으로는 로봇기술 등과 융합되어 손상된 생체의 운동 기능을 보완하거나 대체하는 기술에 대한 연구가 많이 활성화 되리라 기대된다.

생체역학 분야는 의공학의 분야 중에 가장 오래전부터 연구되고 발전되어 온 분야라 할 수 있다. 지금으로부터 100여년 전부터 인간의 운동을 체계적이고 과학적으로 해석하고 모델링하기 위해서 “생체 역학”이라는 용어가 등장하였지만, 인간의 운동에 관한 연구는 B.C. 2600년 전부터 행하여져 왔다. 레오나르도 다빈치는 인체의 구조와 밸런스의 문제에 관심을 가지고 “인체 측정도” 라는 서적을 출간하였고, 갈릴레오는 신체의 평형과 운동과의 관계를 밝히는데 공헌을 하였고, 알폰소 볼레리는 골격은 지렛대와 같은 역할을 하여 수학적 법칙에 따라 근육에 의해 움직여진다는 것을 연구하였다. 뉴톤의 운동법칙과 역학의 대발견을 통하여 생체의 근골격에 관한 연구는 큰 발전을 가져오게 된다.

생체역학의 분야를 세부 연구주제와 응용분야에 따라 분류해 보면 다음과 같다. 경조직(hard tissue)과 생체재료의 역학분야에서는 뼈와 연골등과 같은 경조직과 각종 생체재료의 특성 분석, 심장판막이나 피부와 같은 연조직(soft tissue)의 특성과 기능에 대한 연구, 세포의 각종 생명 현상에 대한 역학적 해석, 심혈관 계통에 대한 유체역학 및 동역학적 해석, 보행분석과 같은 인체의 운동에 대한 역학/동역학적 해석 등을 수행한다. 이를 의학적 응용 분야로 나누어보면 뼈와 관절에 관련된 정형외과 분야 생체역학과 근골격계의 재활의학 분야 생체역학, 스포츠의학 분야 생체역학, 심혈관계 생체역학으로 나누어진다.

생체 역학적 분석을 위해서는 고전적인 역학 분야에서 사용되는 기본적인 원리 및 연구 방법론이 필요하게 된다. 고체역학 분야에서의 기본적인 지식들인 힘과 모멘트(moment), 회전력(torque), 응력(stress)과 변형률(strain)등에 대한 지식과 이와 관련된 역학적 법칙들에 대한 지식이 필요하며 이를 측정하고 분석하는 방법론에 대한 지식 또한 필요하다. 유체역학 분야에서는 유체(fluid)와 유동(flow), 점성(viscosity)과 점성계수(coefficient of viscosity), 전단변형률 등에 대한 개념적 이해와 유체에 관련된 베르누이 방정식(Bernoulli equation) 등의 유체역학적 법칙과 원리에 대한 이해가 필요하다. 특히 유체역학에서 사용되는 연구방법인 입사광을 산란시키는 작은 입자를 사용하여 유체의 흐름을 관찰하는 유동가시화(flow visualization)기법과 유한요소기법(finite element method, FEM)으로 조직이나 혈류를 모델링하고 수학적인방정식의 해를 구하는 전산모사(computer simulation)등의 연구방법에 대한 지식이 필요하다.

생체역학의 기본적인 연구 방법은 다음과 같은 과정을 거치게 된다. (1) 연구하고자 하는 대상의 선정 및 이에 대한 개념적 모델의 구성, (2) 연구 대상의 각 세부 요소에 대한 기계적인 특성에 대한 연구 및 이들의 상호적인 관계를 설명할 수 있는 역학적 이론이나 원리의 적용, (3) 각 세부 요소간의 역학적 모델의 구성, (4) 제한 조건 등을 고려한 모델의 수식화 과정, (5) 수치적 또는 해석적 방법을 통한 모델의 해석, (6) 실험적 방법을 통한 생체시스템에서의 결과와 모델의 결과의 비교, (7) 구성된 생체역학적 모델의 응용. 이와 같은 생체역학적 연구 방법론은 한 번의 시행으로 끝나지 않고 (6)번 과정의 실제 생체시스템과의 비교를 통해서 얻어지는 오차를 최소화하기 위한 반복적인(iterative) 작업이 수행되게 된다. 구성된 개념적 모델이 너무 간단하거나 복잡하지 않은지, 적용된 역학적 법칙들이 적절한지, 사용한 생체 각 요소의 역학적 특성에 대한 데이터가 적절한지, 수식화 과정 및 계산과정에서 오류는 없는지 등을 엄밀히 검정하여 우리가 원하는 실제 생체조직과 유사한 생체역학적 모델을 구성하게 된다. 이렇게 구성된 모델을 이용하여 위에서 언급한 여러 분야에서의 생체에 대한 특성 연구 및 응용 연구를 시행하게 된다.

생체역학 분야에서 가장 활발히 연구되고 있는 분야는 근골격계에 대한 연구이며, 이에 관련된 많은 의료기기들이 연구되고 활용되고 있다. 근골격계 조직은 주변의 기계적인 환경에 가장 민감하게 반응하는 인체조직이기 때문에 생체역학분야의 관심이 집중되고 있는 분야이다. 인공관절, 척추용 고정기, 재활용 인공의수족의 인체적용 시 주변의 인체조직에 가해지는 응력해석, 미세운동 해석 등이 유한요소법에 의해 연구되었으며, 정적인 상황과 충격하중의 상황에서의 해석도 보고 되고 있다. 그리고 기계적인 전단응력이 연골세포의 생성과 대사에 미치는 영향에 대한 연구, 인공치아 표면의 고분자 피막으로 인한 기계적 특성의 변화가 골세포의 성장에 미치는 영향 연구 등 세포역학 분야의 연구도 보고 되었다. 또한 골다공증에 있어서 약물 및 호르몬의 영향에 따른 골조직의 생체 역학적 특성 변화에 대한 분석, 척추보강술에 따른 골밀도 변화 연구, 골조직의 열처리(멸균 및 면역작용 방지목적)에 따른 골조직의 기계적 특성 변화 고찰, 골다공증 환자의 척추체 골절 위험성에 관한 생체 역학적 연구 등은 임상에서 발생하는 문제점을 기계공학적으로 해석하려는 연구로 의학자-공학자간의 협동연구의 대표적인 예다.

또한 여러 가지 생체적합한 물질을 이용한 골대체물 및 보조물에 대한 연구가 활발히 시행되고 있으며, 이에 대한 생체조직과의 기계적인 적합성에 대한 연구, 새로운 생체적합성이 우수하고 기계적 특성이 우수한 생체재료에 대한 연구 또한 활발히 시행되고 있다. 그리고 교통사고 등 재해의 증가와 인구의 노령화에 따른 사지 운동 장애자가 증가하고 있어서 이들의 재활을 위한 많은 연구가 시행되고 있다. 대표적인 예가 기능적 전기자극법(Functional electrical stimulation, FES)에 대한 연구로, 근전도를 이용한 척추동작에 따른 피로도의 측정, 근전도로부터 근력산정을 위한 수학적 모델의 구축 및 기능적 근육자극에 따른 마비환자의 운동기능 회복을 위한 제어 방법의 연구 등이 시행되고 있다.

위와 같은 생체역학 분야의 연구 및 학술활동을 통해 인체 운동의 원리를 보다 과학적이고 체계적으로 이해할 수 있고 환자들을 위한 재활 기구 및 인공 장기 개발에 중요한 역할을 하고 있다.

Biomaterials & Tissue Engineering

Biomaterials and Tissue Engineering (생체재료와 조직공학)6)

생체재료는 조직의 기능을 대체하기 위하여 체내에서 간헐적 또는 지속적으로 주위 조직과 직접 접촉하며 체액에 노출되는 인공적인 물질로서 생체의 기능을 치환 대체하기 위해 사용되는 물질을 의미한다. 생체재료를 사용하여 손상된 신체의 일부의 형태나 기능을 회복시키기 위한 수술은 기원전부터 시작되었다. (지난 2,000년에 독일의 고고학자가 발견한 3,000년된 이집트 미이라는 엄지발가락에 발가락의 구실을 대신하기위해 나무로된 보철장치가 시술되어 있었다[6].) 초기에는 생체재료의 종류나 사용이 제한적이었으나 현재에는 매우 다양한 종유의 생체재료가 개발되어 인체에 사용되고 있다. 이들 재료는 모두 인체에 대한 친화성 또는 생체 적합성이 우수한 고분자, 금속세라믹과 복합재료 등으로서 현재 일회용 주사기에서 인공심장용 재료에 이르기까지 광범위하게 이용되고 있다. 이러한 생체재료가 사용되는 분야는 치과, 정형외과, 성형외과, 그리고 이비인후과 등을 비롯한 다양한 임상영역에서 사용되고 있다.

이러한 생체재료학 분야는 질병의 진단, 치료 및 예방을 목적으로 생체 적합성이 우수한 신기능 생체재료를 설계 및 합성하고, 생체재료의 물리화학적, 기계적 독성을 분석하며, 체내의 생물학적 기능 평가를 통하여 체외 및 체내 사용을 위한 진단 및 치료 재료를 연구 개발하는 학문으로 정의할 수 있다. 사용목적에 따른 생체재료의 이용 예를 살펴보면, 우선 질병이나 사고로 인해 기능이 손상된 조직이나 장기의 대체 목적으로 인공고관절, 신장투석기, 인공심장, 인공수정체 등에 사용되는 것들이 있고, 치료를 도와주는 목적으로 수술용 실, 인공피부, 골절에 사용되는 나사(screw)나 판(plate) 등이 있으며, 약화된 기능의 개선 목적으로 콘택트렌즈를 들 수 있고, 기능적 이상을 교정하기 위한 목적으로는 인공심장박동기(cardiac pacemaker)가 사용되고 있다. 미용 문제를 교정하기 위하여 인공유방 삽입물이나 광대뼈 함몰 교정용 삽입물 등이 사용되며 진단과정에서 탐침(probe)이나 도관(catheter) 및 바이오센서 재료 등이 있고, 치료과정에서 도관, 드레인(drains), 마이크로구체(microspheres), 고분자 혹은 무기물 약물전달체(drug carrier)등 이 사용된다. 생체재료로서 만족해야할 기본적인 요구사항으로 (1)인체 내 환경에서의 생체안정성(biostability), (2) 생체적합성(biocompatibility), (3) 적당한 기능(proper function)이 만족되어야 한다. 생체적합성은 세포에 대한 적합성(cytocompatibility), 조직에 대한 적합성(tissue compatibility or histocompatibility), 혈액에 대한 적합성(hemocompatibility)을 만족하여야 한다. 또한 주변 조직을 자극하지 않아야 하며 염증반응이나 알레르기 반응을 일으키지 않아야 하고, 암을 유발하지 않으며 정상적인 대사(metabolism)과정을 교란해서는 안 된다. 적당한 기능(proper function)을 위해서는 필요한 기계적 강도와 밀도, 그리고 가공성이나 제조성이 우수해야한다. 안구, 피부나 치아용의 경우에는 광학적 성질도 중요하다. 또한 공학적 설계(engineering design)에 적합한 성질을 제공해야하고 너무 고가이어서도 안 된다. 생체재료별 특성과 응용 예를 살펴보면, 우선 고분자 재료로는 나일론, 실리콘, 테플론, 데크론, 폴리우레탄, 폴리하이드록시에스터, 콜라젠 등이 사용되고 있는데 우수한 복원력과 가공성이 우수하다는 장점이 있는 반면 기계적 강도가 충분하지 않고 시간에 따른 변형이나 체내 분해 등이 단점으로 지적된다. 사용되는 경우는 수술용 실, 인조혈관, 인공고관절용 소켓(hip socket), 인조 코, 귀 등의 연조직 대용물 및 각종 도관(catheter)등이 있다. 금속재료로는 티타늄 합금, 스테인레스 스틸, 코발트-크롬합금, 금, 백금 등이 있다. 금속재료의 장점은 충분한 강도와 연성 및 전성을 제공하지만, 부식되거나 밀도가 너무 높은 단점이 있다. 사용 예로는 인공관절, 골절치료용 나사, 판, 치과용 임플란트, 스텐트(stents)등이 있다. 세라믹재료에는 알루미늄산화물, 탄소, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite) 등이 있는데 생체적합성이 좋고 체내에서 안정하며 압축강도가 우수하다는 장점이 있으나 깨지기 쉽고, 가공이 어려우며 탄성이 작다는 단점이 있다. 가장 많이 사용되는 경우는 치과용재료와 인공관절용 소켓 등이 있다. 복합재료(composite)로는 탄소복합재료가 가장 많이 사용되는데 강도가 좋고 원하는 성질을 갖는 맞춤제작이 가능하지만 만들기가 어렵다는 단점이 있다. 인공관절이나 인공심장판막용 재료로 사용된다.

생체재료에 대한 인체의 반응은 크게 (1) 세포 및 조직의 반응과 (2) 혈액의 반응으로 나눌 수 있다. 그러나 어느 경우이던 체액에 노출된 생체재료에 대한 인체의 반응은 항상 단백질의 흡착으로 시작되며 흡착된 단백질이 향후 혈액, 세포, 조직과의 반응에서 매개체로 작용하게 된다. 표면에 흡착된 단백질이 중요한 점은 단백질이 표면에 흡착하는 과정에서 단백질의 3차 구조가 변화하여 용액상의 혈액에 있던 특성과 달라짐으로서 문제를 일으킨다는 점이다. 생체재료에 대한 세포 및 조직 반응의 초기 단계에서는 염증 반응이 미약하게 나타날 수 있으며 시간이 지나면서 이물 반응이 진행된다. 인체에 사용되는 생체재료들에 대한 인체의 후기 반응은 일반적으로 이물반응의 특징인 다핵 이물거대세포(mutinucleated foreign body giant cell)가 거의 보이지 않거나 약간 있는 정도이며 육아조직 성분들이 주로 나타난다. 생체재료에 대한 조직 반응의 또 다른 특징은 생체재료 주변으로 섬유성 포낭(fibrous capsule)의 형성이 진행되며 인체 내에서 오래 있을수록 생성되는 포낭의 두께가 두꺼워져 종국에는 섬유증(fibrosis)이 발생될 수 있다는 점이다. 이는 합목적적으로 이야기해서 우리 몸이 이물질인 생체재료를 인체와 격리시키려는 노력의 산물이라 할 수 있으며 인체에 삽입되는 각종 바이오센서의 기능 저하가 발생하는 주요 원인이다. 혈액접촉성 생체재료에 대해서는 단백질 성분으로 혈액응고 인자와 보체가 혈구성분으로는 혈소판과 백혈구가 반응을 하게 된다. 혈액응고에 관여하고 있는 혈액응고 인자와 혈소판은 각각 생체재료에 흡착된 단백질의 상태에 따라 혈액응고를 촉진시키게 되는데 혈류의 속도가 빠른 동맥혈에서는 혈소판이 주로 작용하며 혈류속도가 느린 정맥혈에서는 혈액응고 인자가 주로 작용한다. 적합한 혈액접촉성 생체재료를 사용하지 않게 되면 혈전(thrombosis), 색전(embolism), 미세색전(microembolism), 혈소판과 혈액응고인자의 소모, 혈소판 기능부전 등의 부작용이 발생할 수 있다.

생체재료가 많이 사용되고 있는 현대 의학에서 개선되어야할 주요 문제점들로는 혈전증(thrombosis), 생체재료 연관 감염(biomaterial-associated infections), 석회화(calcification)와 섬유성 포낭(차단층) 형성과 구축 그리고 기계적 강도의 부조화와 생체재료의 마모 등을 들 수 있다. 혈액접촉성 생체재료에서 혈전증이 발생하는 근본적 이유는 생체재료 표면에 혈관내피세포가 없는 것에 기인한다. 인체의 모든 혈액접촉성 표면은 혈관내피세포로 쌓여 있으며 혈관내피세포는 혈소판의 활성화를 억제하고, 활성화된 응고인자 V번과 VIII번을 파괴하며 활성화된 응고인자 X번과 트롬빈(thrombin)을 억제한다. 또한 응고된 혈액을 용해시키는 역할을 하기도 한다. 따라서 생체재료가 없는 상태에서는 혈액응고의 촉진과 억제가 밸런스를 이루어 아무 문제가 발생하지 않지만 생체재료가 있게 되면 혈관내피세포의 결여로 인하여 표면에서 혈액응고의 촉진이 가속되는 결과를 유발하여 혈전이 쉽게 발생하게 된다. 생체재료 연관 감염이 문제가 되는 이유는 생체재료 표면에 병원균의 부착이 잘 되며 부착된 병원균은 항생제에 대하여 평소 보다 작게는 10배에서 크게는 300배 정도까지 저항하는 능력이 증가한다. 따라서 항생제 치료에 잘 반응하지 않으므로 삽입된 생체재료를 제거한 후에 항생제 치료를 하여 감염을 완치한 후에 깨끗한 생체재료를 인체에 삽입해야만 한다. 석회화는 고분자 생체재료 또는 생물학적 재료로 만들어진 운동성 이식물에서 잘 발생하며 석회화가 진행됨에 따라 유연성의 감소와 기능부전으로 이어지게 된다. 때로는 섬유성 포낭의 형성이 인체에 긍정적인 영향을 미치기도 하지만 대부분의 경우에 삽입된 이식물의 기능부전을 유발하게 된다. 생물학적 복원력이 없는 생체재료는 하중을 받으면 마모가 진행되므로 충분한 내마모성이 없는 고분자 생체재료의 경우, 일정시간이 지나면 교체해주어야 한다.

조직공학 (Tissue Engineering)이란, “생명과학(life science)과 공학(engineering)의 기본개념과 기술을 통합 응용하여 생체조직의 구조와 기능 사이의 상관관계를 이해하고 나아가서 생체조직의 대용품을 만들어 이식함으로써 손상된 조직(tissue)과 기관(organ)의 기능을 회복시키거나 유지, 향상시키는 것을 목적으로 하는 응용 학문“이다. 조직공학의 이론적 배경은 두 가지로 요약할 수 있는데 이는 선택적 세포이식과 인공기질 (artificial matrix)의 개념이라 할 수 있다. 선택적 세포이식이란 장기 전체를 이식하지 않고 장기 중에서 필요한 조직 또는 세포만을 선택적으로 분리하여 이식한다는 개념이고, 인공기질의 개념은 세포가 조직을 형성할 때 세포외기질 (extracellular matrix, ECM)이 지지체와 같은 역할을 하며 인공적으로 만든 기질에서도 같은 효과가 나타난다는 것이다. 인공기질(scaffolds)은 세포의 성장에 필요한 기계적인 구조물로서 체외 치료(extracorporeal therapy) 장치의 경우에는 영구히 사용되지만 체내 이식형의 경우 필요에 따라 체내에서 분해되어(biodegradable) 흡수되는 형태로 개발되고 있다. 이러한 인공기질은 세포의 부착능(adhesion)과 분화(differentiation) 그리고 기능을 촉진시킬 수 있도록 만들어져야하는데 이를 위해서 재질의 표면, 3차원 구조, 그리고 제어된 형태의 약물/단백질 방출 등의 특성이 연구되고 있다. 이밖에도 인공기질내의 세포뿌리기(cell seeding), 인공기질 내 공간적 분포(spatial gradient of materials), 성장요소의 공간적 분포(gradient of growth factors), 인공기질 내 뿌려진 세포의 공간적인 분포(spatial gradients of cells), 그리고 인공기질내의 혈류공급(vascular supply) 등도 고려대상이 되는 연구주제이다. 이러한 인공기질은 포말(foam), 종이(sheet), 구슬(bead)의 형태로 만들어지거나 처음부터 복잡한 3차원 형상으로 만들어진다. 인공기질은 기본적으로 생체적합성(biocompatible)이 우수해야하고, 가공성(processable)과 멸균성(sterilizable)이 좋아야하며, 보관성(shelf life)도 만족스러워야 한다. 사용되는 재질로는 가공성이나 화학적인 변형성이 우수한 합성폴리머(synthetic polymers), 생체적합성이 우수한 ECM 물질의 생체폴리머(biopolymer), 경조직(hard tissue)용으로 사용되는 세라믹이나 복합소재 등이 사용되고 있다. 한편 조직공학에서 사용되고 있는 세포원(cell source)에 대해서는 인체세포인가 아니면 동물세포인가 하는 문제와 확보할 수 있는 세포 수(cell number) 그리고 면역학적인 관점에서의 고려 등이 중요한 문제이다. 또한 사용할 세포의 분화 정도에 따라 줄기세포, 완전 분화(terminally differentiated)된 세포, 그리고 유전공학적으로 변형된 세포 등으로 나누어볼 수 있다. 이러한 조직공학의 대상이 되는 조직으로는 피부, 연골, 뼈, 췌장, 혈관 등이 대표적으로 들 수 있고 그밖에도 심장판막, 방광, 각막, 신경, 인대 등도 연구되고 있다. 최근 줄기세포에 대한 연구가 활발해 짐에 따라 조직공학은 바이오인공장기(bio artificial organs)를 만들어낼 꿈의 기술로 큰 기대를 모으고 있다.

20080116.page.bme5.jpg

Artificial Organs

Artificial Organs (인공장기)7) 예로부터 사지의 결손에는 의수나 의족을 사용하여 그 기능을 대신하였으며 또한 굴절이상에 의한 시력 장애에는 안경으로, 난청에는 보청기로 정상기능의 유지를 추구해 왔다. 이들은 생체의 내부환경에 직접적인 영향을 주지 않는 방법을 통해 그 기능을 보충해 주는 것으로 비교적 쉽게 이행되어 왔다. 반면 생체 내부의 환경에 직결하는 장기나 조직의 기능을 인공적으로 보완하는 것은 너무나 어려운 일이었고 19세기부터 20세기에 걸쳐 의학 분야에서 하나의 꿈에 불과했다. 그러나 오늘날 고분자화학이나 메카트로닉스(mechatronics), 마이크로일렉트로닉스(microelectronics), 그리고 세포배양이나 세포융합 등의 바이오테크놀로지의 진보는 놀라운 것이어서 여러 가지의 인공장기들이 이미 성공적으로 임상에 활용되고 있으며 앞으로 생체장기 이상의 훌륭한 인공장기를 만들어 낼 가능성이 충분하다 할 수 있다.

자연치유에 의존하지 않고 절망적으로 손상된 장기를 근본적으로 치환하여 목숨을 구하는 의료기술에는 대상이 되는 장기와 똑같은 생물학적 장기로 그 기능을 대신하도록 하는 ‘장기이식(transplantation)’이 있고 인공기술로 개발한 기기로 장기의 기능을 전환시키는 ‘인공장기(artificial organs)’가 있다. 현재의 기술수준으로 볼 때 인공장기에 비해 더욱 이상적인 치료방법으로 임상에 활용되고 있는 장기이식은 이식받을 장기를 공급받는 방법에 따라 자신의 신체로부터 획득한 조직이나 장기를 이용하는 자가이식(autotransplantation), 다른 사람으로부터 제공받는 동종이식(homotransplantation), 다른 동물로부터 제공받는 이종이식(xenotransplantation)으로 나누어진다. 장기이식 중에서도 자가이식이나 동종이식이 더욱 바람직한 방법이지만 공여자의 제한으로 인한 제공 장기의 절대수 부족으로 이종장기에 대한 관심도 지속되고 있다. 최근에는 유전자조작기술을 이용하여 인간의 것으로 변형된 유전자를 가지고 있는 병균이 없는 이식장기 생산용 동물에 대한 연구가 활발하게 진행 중에 있다. 한편 현재 임상에 적용중인 인공장기로는 인공관절, 인공판막, 심실보조장치, 인공심장 박동기(pacemaker), 인공심폐기, 인공신장(혈액투석기), 인조혈관, 인조피부, 인공 뼈, 인공혈액, 인공중이(인공 달팽이관) 등이 있고, 현재 개발이 진행 중인 인공장기로는 완전이식형 인공심장, 착용형 인공폐, 체외형 간보조 시스템, 내장형 인공간, 착용형 인공신장, 인공시각 등이 있다. 인공장기는 그 기능의 구현 방법에 따라 전기기계식(electromechanical)과 바이오(bio) 인공장기로 나누어볼 수 있는데 바이오 인공장기는 앞 절에서 기술한 조직공학적인 접근에 포함된다. 현재 기술 수준에서 인공장기가 해결해야할 과제로는 생체적합성의 개선, 자연장기와 비교한 성능의 새선 및 크기의 감소, 그리고 에너지원의 해결 등이 있다.

인공장기와 장기이식의 역사를 살펴보면 인공장기의 첫 임상응용을 1930~1940년경이라 한다면 매 10년마다 각종 인공장기가 개발되고 동물 실험이 행해져 임상에 응용되어 왔는데, 장기이식은 인공장기에 비해 10~20년 앞서 임상에 응용되어 왔다. 현시점에서 볼 때 장기이식 쪽이 인공장기에 비해 여러 가지 면에서 우수하지만 공여장기의 절대부족이 커다란 장애가 되고 있다. 최근 장기이식의 문제점 해결을 위해 동물복제, 더 나아가 인간복제기술과 관련된 연구 결과들이 발표되고 있는 상황이지만 윤리적인 문제와 이종 간의 교차감염에 따른 문제점에 대한 해결책이 제시될 때까지 본격적인 임상응용을 기대하기는 어려울 것으로 보인다. 따라서 최소한 우리세대에서는 인공장기가 기능을 상실한 장기에 대한 현실적인 대안으로 사용될 것이 분명하다. 따라서 앞으로 인공장기의 기능을 뛰어나게 진보시킬 경우, 필요한 환자라면 언제 어디서나 누구라도 이용할 수 있도록 동일한 성능으로 대량생산할 수 있으므로 많은 사람들이 인공장기의 진보를 이루기 위한 노력을 기울이고 있는 것이다.

20080116.page.bme6.jpg

Medical Informatics

Medical Informatics (의료 정보)8)

“의료정보학”이란 환자의 진료, 의학교육, 의학연구 및 의료경영에 필요한 각종의 “정보”를 효율적으로 체계화하여 관리하는 학문으로 정의된다. 따라서 인지과학, 교육심리학, 의사결정이론, 정보과학 및 컴퓨터과학 등이 망라된 복합적인 학문분야이다. 현대사회를 흔히 “정보사회” 또는 “정보화 사회”라 일컷는데 이는 정보가 우리 인간생활 곳곳에 영향을 미치고 아울러 가치창조의 중요한 요소가 되는 사회라는 뜻이다. 이러한 정보사회의 구성에 있어서 컴퓨터는 가장 기본적인 요소가 되었다. 의료분야도 예외일 수 없는데, 환자 데이터, 임상 및 검사 데이터, 각종 논문자료 등 매일같이 쏟아지는 수많은 자료를 컴퓨터라는 매개체를 통하여 처리함으로써 진료에 효과적인 도움을 받고 있다. 그간의 여러 연구결과에 따르면 의료인들은 이러한 정보를 관리하고 접하는데 여러 가지 어려움이 있었다. 그 문제점들을 살펴보면, 임상정보의 수집, 임상적 추론에 있어서의 확률적용, 다른 임상의와의 정보교환방법, 새로운 의학지식의 보수 유지, 의료시술 시에 접하게 되는 여러 가지 의문에 대한 해답, 예측하지 못한 상황에 접했을 때 대처하는 방안 등이다. 이러한 문제점들은 일상의 의료행위나 의학연구 시 항상 직면하게 된다. 따라서 의료정보학의 일차적인 응용은 컴퓨터와 통신기술을 실제 임상에 적용하여 어떻게 이런 어려움들을 극복하여 보다 효율적인 의료서비스를 제공할 수 있게 해주느냐의 문제로 귀결지을 수 있다. 한편 전통적인 의료정보는 의료인만을 위한 의학정보였다. 인체의 해부학적인 구조와 기능, 질병의 원인, 경과, 치료에 관한 지식, 수술이나 약물에 대한 지식 등이 의학정보를 구성하였다. 그러나 현대에 와서 소비자의 주권이 존중됨에 따라 의료영역에서도 정보의 일방적인 소유를 지양하고 의료소비자의 알권리가 중요해졌다. 현대의 의료정보란 의료서비스의 공급자뿐 아니라 소비자도 이용의 주체가 되는 의료이용전반에 관한 정보를 의미한다.

인터넷은 의료소비자의 입장에서 접근하기 어려웠던 정보들을 손쉽게 찾아 얻을 수 있게 해준다. 1969년초에 알파넷(ARPAnet)이라는 군사목적의 분산 시스템 연구에서 시작된 인터넷은 근본적으로 지역적으로 떨어져있는 컴퓨터와 컴퓨터 간의 연결을 위해 하나의 고정된 통로보다는 가능한 어떤 통로로도 데이터를 보내는 것이다. 이를 위해 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol)이라 불리는 통신 프로토콜이 개발되었다. 1970년대 말부터 많은 네트워크가 생겨나기 시작했는데 어떤 것은 사적으로 어떤 것은 미국정부가 투자해서, 어떤 것은 합작으로 만들어졌다. 이렇게 해서 인터넷에 연결된 컴퓨터와 네트워크의 숫자가 기하급수적으로 늘어나 1970년 초의 4개에서 1990년에는 80,000개로, 현재는 수천만개 이상의 컴퓨터가 인터넷에 연결되어 있다. 전 세계적으로 인터넷 사용자가 폭발적으로 늘어나게 된 것은 대학이나 연구소, 기업뿐만 아니라 기존의 상용 컴퓨터 통신망에서 인터넷 접속 서비스를 제공한 뒤부터이다.

의료정보학은 비교적 새로운 학문 분야이고 아직까지 다루어져야할 분야나 범위 등이 정착되어 있지 않으나 다음과 같이 최소한 7개 분야가 포함되어야한다고 미국의료정보협회(AMIA: American Medical Informatics Association)는 권고하였다. 즉, (1)컴퓨터 조작방법 : 일반 개인용 컴퓨터의 조작방법 및 각종 소프트웨어 사용법, 활용법의 습득, (2) 통신 : 다른 유관기관 혹은 정보원을 접근하기 위한 전자 통신망의 이용방법 습득, (3) 정보의 검색과 관리 : 전산화된 정보 테이타베이스로부터 정보를 검색하고 관리할 수 있는 능력배양, (4) CAL(Computer Aided Learning) : 평생교육을 위한 컴퓨터 보조학습장치를 선택하고 활용하는 방안 제시, (5) 환자관리와 의사결정 : 환자관리를 위하여 데이타베이스와 통계프로그램을 사용하는 방법을 습득하고 의사결정에 도움을 줄 수 있도록 함, (6) 의료사무관리 : 병원 사무관리에 컴퓨터를 활용하는 방안 강구, (7) 병원정보시스템(HIS: Hospital Information System) : 병원 업무의 전산화에 대한 이해와 환자진료 정보 시스템의 활용방안 제시 등이다.

20080116.page.bme7.jpg

BME & IT/BT/NT Fusion Technology

Biomedical Engineering and IT/BT/NT Fusion Technology (의공학과 신기술)

최근 과학기술(Science & Technolgoy)분야에서는 바야흐로 신기술(New Technology) 개발에 대한 관심이 열풍처럼 불고 있다. 가히 신기술 붐이라고 말할 수 있는 이러한 현상은 정보기술(Information Technology, IT), 바이오기술(Biotechnology, BT), 그리고 나노기술(Nanotechnology, NT)의 3대 기술이 주도하고 있다. 이러한 신기술들은 21세기 과학기술 발전의 핵심 원동력이 될 것은 물론이고 산업분야에까지 큰 영향을 줄 것으로 기대되면서 세계 각국들은 이 3대 신기술 분야에 적극적으로 투자를 아끼지 않고 있다. 3대 기술 각각의 특성과 내용을 살펴보면 우선 IT기술은 반도체와PC 그리고 컴퓨터 네트워크와 이동통신 기술이 핵심을 이루고 있으면 이미 엄청난 규모의 산업으로 성장해있다. 응용분야도 일반산업, 가정, 군사, 의료등 전 분야에 걸쳐있으며 지난 반세기 동안 우리의 삶을 획기적으로 변화시켜오고 있다. BT 기술은 오래전부터 전통적인 발효기술이나 미생물 응용기술 등이 중심이 되어오다가 1990년대 말에 시작된 인간유전체사업(Human Genome Project)9)과 함께 새롭게 확대 해석되면서 신기술 붐을 일으킨 주역이 되었다. 이러한 바이오기술은 환경분야나 농업분야에도 큰 영향을 끼치고 있지만, 결국 질병에 대한 효과적인 치료 방법의 개발과의 연결고리가 가장 중요한 목표가 되어있어 의생명과학 분야에서의 성공적인 응용 여부가 최대의 관심사이다. 2000년 미국의 클린턴 대통령이 Caltech에서 행한 연설10)로부터 촉발된 나노기술에 대한 관심은 이 기술이 우리가 이제까지 확보한 과학과 기술체계를 근본부터 뒤 바꿔 놓을 수 있는 기술이라는 점에서 앞서의 두 신기술과 다른 특성을 가진다. 1~100nm (1nm는 10-9m 에 해당)정도의 크기를 갖는 재료나 소자, 시스템에 대한 특성을 연구하고 제어하고 응용하는 기술을 의미하는 나노기술은 분자수준에서의 물질특성을 자유자재로 다룰 수 있게 한다는 의미에서 이미 반도체공정에서 집적도 향상에 기여함은 물론이고, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 버키볼(C60, Bucky ball), 금나노입자(gold nano particle) 등과 같이 전혀 새로운 특성을 갖는 재료들의 활용으로 새로운 특성을 갖는 제품들이 개발될 것으로 기대되고 있다.

20080116.page.bme8.jpg

이러한 신기술 붐을 의공학적인 측면에서 바라보면 다음과 같은 2가지의 중요한 관점을 찾아볼 수 있는데, 첫 번째는 이러한 신기술들이 독자적인 분야보다는 타 신기술들과의 연결부분에 대한 중요성이 강조되고 있다는 점이다. 그림 98에도 나타나 있듯이 BT와 IT, IT와 NT, 그리고 BT와 NT, 나아가서는 이러한 신기술 모두가 만나는 소위 IT/BT/NT 공통 영역에서 새로운 개념이나 새로운 응용기술들이 나올 것이라는 기대가 커지고 있는 것이다. 이러한 인접학문분야나 기술분야와의 연결분야에서 발생되는 새로운 학문이나 기술들을 다학제간(multidisciplinary) 학문 혹은 다학제간 기술이라고 말하기도 하고, 또는 융합기술(fusion technology)라고 부르기도 한다. 두 번 째로 이러한 신기술 분야에서 공통적으로 말하는 응용분야가 기초의학과 임상의학을 포괄하는 의생명과학 분야이다. 즉, 대부분의 신기술들이 적어도 한 가지 이상은 질병의 진단 및 치료와 관련된 응용을 목적으로 하고 있다는 것이다. 의공학은 공학과 의생명과학 간의 다학제간 학문으로 시작되어 질병의 진단과 치료에 사용될 수 있는 학문적 원리와 기술개발에 전력해 왔다. 이런 관점에서 오늘날의 신기술 붐이 성공적인 열매를 거두기 위해서는 의공학의 역할이 가장 핵심적으로 요구되고 있다고 말할 수 있다. 지난 반세기 동안 확립해온 다학제간의 협력 정신과 의생명과학 분야에의 응용 경험은 의공학이 바로 이러한 중요한 역할을 감당할 수 있다는 증거가 되는 것이다.

Characteristic

의공학의 특성

의공학이 다른 공학분야와 다른 점은 근본적으로 연구와 개발의 대상이 인체를 포함한 살아있는 생체시스템이라는 점이다. 생체시스템은 다른 공학분야에서 다루는 인간이 만든 시스템과는 달리 기본적으로 매우 복잡하며(complicated, multivariate system), 시변하고(nonstationary, time-varying system), 통계적(irreproducible, statistical system)이라는 점이다. 따라서 이러한 특성의 시스템에 대한 해석을 위해서는 제한된 정보로 주어진 시스템을 이해하기 위하여 적당한 단순화(simplification)와 개략화(approximation)가 필수적이다. 그러나 인체에 대한 측정이나 분석에서는 정확도(accuracy)와 정밀도(precision)의 확보도 필수적이다. 또한 대상 생체 시스템에 해가 가지 않도록 생체적합성(biocompatibility)과 안전성(safety)을 보장하려는 노력은 물론이고 가능한 비침습적(noninvasive), 혹은 최소침습적(minimally invasive) 접근방법의 사용과 개발에 대한 관심도 의공학만이 갖는 고유의 특성중 하나이다. 의공학 분야에서 새롭게 개발된 기술이나 제품을 인체에 적용하기 위해서는 식품의약품안전청(Food and Drug Administration)과 같은 감독기관의 엄격한 관리를 받아야한다. 이러한 관리는 제품의 인체 응용 전 허가 뿐 아니라 사용 중에 발생하는 문제에 대해서도 관련 법규에 따라 철저하게 지켜져야 한다.

Epilog

20 세기와 21세기에 걸쳐있는 우리 세대에서 인류의 문명은 발전에 발전을 거듭하여 놀라운 기술개발을 이룩하였다. 첨단 과학기술이 이끌었던 이러한 발전으로 여러 가지 문명의 이기들이 개발되어 우리는 좀더 편리하고 풍요로운 삶을 영위하게 되었으며 특히 의학 분야에서는 여러 가지 불치의 질병들이 새롭게 나타나기도 하였지만 전체적으로 볼 때 인체에 관한 지식이나 질병을 다스리는 치료수준이 놀랍게 발전하였다. 20세기에 새롭게 생겨난 ‘의공학’도 이러한 의학발전에 큰 일익을 담당한 것으로 평가되고 있으며 그 결과 의학 분야에서 의공학이 차지하는 비중이 점차 커지고 있는 상황이다. 앞으로 21세기는 인류의 과학문명이 더욱 찬란한 발전을 지속할 것이며 정보기술(IT), 바이오기술(BT), 나노기술(NT)등으로 구분되는 첨단 과학기술의 발전은 마치 19세기의 사람들이 상상할 수 없었던 많은 것들을 오늘날 우리들이 보고 듣고 사용하고 있듯이 지금의 우리가 상상할 수 없는 놀라운 일들을 우리 앞에 실현시킬 것이다.

의학분야에서 기대되는 진전을 생각해 보자. 먼저 불치의 질병에 대한 새로운 진단법이나 치료법이 차례로 개발될 것이다. 이제껏 적당한 치료방법이나 조기 진단방법이 없었던 암이나 에이즈 같은 질환에 대한 조기진단 및 치료법의 개발에 의공학의 공헌이 기대된다. 또한 기존의 진단이나 치료법들도 그것이 안고 있는 여러 가지 부작용이나 제한요소들이 사라져 환자나 일반인들이 쉽고 안전하게 검사와 치료를 받게 될 것이다.

물론 이러한 것들은 단지 예측에 불과한 것이지만 오늘날 의공학분야의 연구동향이나 기술발전 추이로 미루어 볼 때 상당 부분 실현 가능한 것들이다. 이러한 일들을 이루는 것이 앞으로 의공학 분야의 연구자들이 해결해야 할 목표이며 그들에게 부과된 의무이다. 향후 의공학이 이루어낼 의학 분야의 여러 가지 변화와 그로 인한 인류복지의 증진이 매우 크리라 기대된다.

2) John G. Webster, Ed., Medical Instrumentation Application and Design. 3rd Ed. New York, John Wiley & Sons, Inc. 1998.
3) Brian Eggins, Biosensors An Introduction. John Wiley & Sons, 1997.
4) K. Kirk Shung, Michael B. Smith, and Benjamin Tsui, Principles of Medical Imaging. Academic Press. 1992.
5) , 6) John Enderle, Susan Blanchard and Joseph Bronzino, Introduction to Biomedical Engineering. Academic Press. 2000.
7) John G. Webster, Ed., Medical Instrumentation Application and Design. 3rd Ed. New York, John Wiley & Sons, Inc. 1998.
8) 대한의료정보학회 편 보건의료정보학 현문사 1999.
research/whatisbme/biomedical.engineering.txt · Last modified: 2014/08/05 09:56 by hckim
Department of Biomedical Engineering #11315, Seoul National University Hospital, 28 YeonGeon-Dong, JongRo-Gu, Seoul 110-744, Republic of Korea
Tel: +82-2-2072-3128   Fax: +82-2-2072-1615