뇌 자극 치료, AI가 실시간 모니터링

연세대

(왼쪽부터) 윤경호 연세대 수학계산학부 교수, 신민우 박사, 서민지 석박통합과정생. 연세대 제공.

초음파로 뇌를 자극하는 치료를 할 때 초음파의 전달 상황을 실시간으로 확인할 수 있는 인공지능(AI) 기술이 개발됐다. 

연세대는 윤경호 수학계산학부 교수 연구팀이 하버드대 의대와 공동 연구를 통해 경두개집속초음파(tFUS)를 이용한 뇌 자극 치료 시 기기 사용자가 체내 초음파 전달 상황을 신속하게 모니터링할 수 있는 AI 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 

경두개집속초음파는 신체에 물리적인 자극을 가해 치료 효과를 내는 ‘전자약’의 일종이다. 뇌의 특정 영역에 초음파를 집중시키는 방식으로 자극을 가한다. 치매, 뇌암, 간질, 파킨슨병 등 다양한 뇌 질환을 비침습적인 방법으로 치료할 수 있어 주목받고 있다. 

그러나 두개골을 넘어 뇌 내부로 초음파를 전달하는 과정에서 반사, 굴절 등 왜곡이 발생해 의도하지 않은 뇌 영역을 자극하는 의료사고가 발생할 수 있다. 이로 인해 집속초음파 전달 상황을 모니터링하는 것이 매우 중요하다.

연구팀은 ‘tFUSFormer’라는 새로운 초해상도(SR) 트랜스포머 모델을 개발했다. 이 모델은 초음파에 의해 생성된 두개골 내부 압력장을 정밀하게 시각화해 집속초음파의 전달 상황을 실시간으로 보여준다. 

연구 결과, tFUSFormer는 AI 학습에 사용된 두개골 CT 데이터 조건에서는 초음파 초점 영역의 위치를 약 91%의 정확도로 예측할 수 있었고 새로운 데이터 조건에서는 약 87%의 정확도를 보였다.

이번 연구는 수리 모델링과 계산과학 기술을 통해 AI 모델에게 경두개 초음파 전달 현상을 학습시킨 독창적인 연구라는 평가를 받았다. 

윤 교수는 “집속초음파 치료를 넘어 환자 맞춤형 정밀 치료를 위한 스마트 의료 시스템 개발의 초석이 될 것으로 예상된다”며 “경두개집속초음파의 치료 효과와 안전성을 향상시켜 다양한 뇌 질환 비침습적 치료를 앞당길 것으로 기대된다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘생물의학·건강정보학저널’에 발표됐다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]