뇌 자극 치료 정확성 검증하는 뇌 팬텀 개발

- 3D 컴퓨터로 뇌와 전기적 특성 유사한 모형 제작해 뇌모델링 정확도 측정

- 전성찬+정의헌 교수, Brain Stimulation 표지 논문…뇌질환 치료 효과 제고

 

 

 

 

□ GIST(광주과학기술원) 연구팀이 컴퓨터 기반 뇌모델링의 정확도를 검증함으로써 전기적 뇌 자극을 이용한 뇌질환 치료의 효과를 높일 수 있는 뇌 팬텀*(phantom)을 제작했다. 3D 프린터를 이용한 이번 성과는 전기적 뇌 자극의 자극 양상을 예측할 수 있는 컴퓨터 기반 뇌 모델링 기술의 신뢰도를 높여 파킨슨병‧우울증 등 뇌 질환 치료에 기여할 것으로 기대된다.

 

* 팬텀: 특정 장기 혹은 생명체의 기하학적 구조와 물질적 성질이 유사한 모형. 뇌 등 신체 부위와 관련해 다양한 실험의 검증에 사용된다.

 

  ∘ GIST 정보통신공학부 전성찬 교수와 의료시스템학과 정의헌 교수(공동 교신저자)가 주도하고 정보통신공학부 김동현 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업(핵심연구), GIST 실버헬스바이오 기술개발사업, 그리고 GIST 의료시스템학과의 연구 프로젝트의 개발 교과 프로그램으로 수행되었다.

 

  ∘ 이번 성과는 뇌 자극 분야의 세계적인 권위지인 브레인 스티뮬레이션(Brain Stimulation) 9~10월호의 표지논문(Front Cover Picture Article)으로 게재되었다 (volume 8, issue 5).

* 논문명: Validation of Computational Studies for Electrical Brain Stimulation With Phantom Head Experiments

 

□ 뇌에 대한 전기자극은 각종 뇌 질환을 치료하거나 증상을 완화하고 특정 뇌 기능을 향상시킬 수 있지만, 개별 질환에 대한 맞춤형 자극 방법은 아직 규명되지 않아 임상 적용에 한계가 있다.

 

  ∘ 이를 극복하기 위해 사람 뇌의 구조적‧전자기학적 특성을 모방한 컴퓨터 기반 뇌 모델을 구현하고 전기자극에 의한 반응을 시뮬레이션으로 분석하는 연구가 진행 중이지만, 뇌 모델링이 실제 뇌의 반응과 비교해 얼마나 정확한지는 아직 검증되지 않았다.

 

□ 연구팀은 사람 뇌의 구조적‧전자기학적 특성을 모사한 ‘뇌 팬텀’을 3D 프린터를 이용해 제작하고, 뇌 팬텀에 전기자극을 가한 결과를 뇌 모델링에서의 뇌 자극 시뮬레이션 결과와 비교함으로써 컴퓨터 기반 뇌 모델의 정확성을 검증하는 데 성공했다.

 

 

 

 

(그림1) 연구팀은 인간의 뇌를 전기적 특성이 다른 3가지 영역(뇌-두개골-두피)으로 구분하고, 각각의 형상을 만들 수 있는 몰드를 제작하는 방법으로 뇌 팬텀을 만들었다. 가장 먼저 실제 뇌 영상을 기반으로 몰드(A)를 만들고, 그 안에 아가로스(agarose)-염화나트륨(NaCl) 혼합물(액체)을 특정 비율로 섞어 넣은 뒤 굳히는 방식으로 뇌의 전기적․구조적 특징과 유사한 뇌 팬텀(B)을 제작했다. 이어 두개골과 두피에 해당하는 몰드를 각각 순서대로 만들어 제작해 뇌 팬텀을 넣은 뒤, 팬텀의 표면에 자극용 전극을 부착(C-D)해 자극을 가했다. (E)는 완성된 뇌 팬텀의 모습

 

 

 

  ∘ 연구팀은 MRI(자기공명영상)를 이용해 뇌의 기하학적 구조를 해석한 뒤 3D 프린터로 뇌 구조를 반영한 틀(mold)을 만들고, 실제 뇌 조직의 전기적 특성과 유사하도록 틀 안에 아가로스*(agarose)와 염화나트륨(NaCl)을 적정 비율로 혼합해 뇌 팬텀을 제작했다. 

 

  ∘ 아가로스와 염화나트륨의 혼합물은 조합 비율에 따라 전자기학적 특성이 자유롭게 조절되는데, 일정 시간이 지나면 틀 안에서 고체로 변해 다양한 전기적 특성을 가진 뇌 팬텀을 제작할 수 있다.

 

  ∘ 연구팀이 뇌 팬텀과 컴퓨터 기반 뇌 모델링에서의 전기자극에 대한 양상을 비교한 결과, 약 10% 의 오차로 컴퓨터 기반 뇌 모델이 실제 전기 자극에서의 자극 양상을 예측할 수 있다는 것을 입증했다.

 

  ∘ 해당 연구결과로 검증된 컴퓨터 기반 뇌자극 예측기법을 이용하면 특정 자극 조건에 대한 환자별 뇌자극 효과를 미리 알 수 있고, 적절한 치료 전략을 만들어 치료 효과를 높일 수 있다.

 

 

 

(그림 3) Brain Stimulation 9-10월호 표지와 연구팀. (시계 방향) 전성찬 교수, 정의헌 교수, 김동현 박사과정생

 

 

□ GIST 전성찬 교수는 “이번 연구는 다양한 뇌 질환을 치료하는 데 활용되는 컴퓨터 기반 뇌 모델의 신뢰도를 검증하는 뇌 팬텀을 융합 연구를 통해 제작한 것”이라며 “뇌에 대한 전기 자극의 정확성을 높여 치매나 우울증 등 뇌 질환에 대한 효과적인 치료법 개발에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.     <끝>

 

 

 

대외협력팀