뇌기능 연구 및 질환 진단
인간의 뇌는 뇌신경 세포 또는 뉴런(neuron)이라고 하는 많은 신경세포로 구성돼 있다. 뇌신경 세포에 전기가 흐름으로 인해 정상적인 뇌활동이 가능해 지는 것. 뇌신경 세포에 전류가 흐르면 자기장이 발생되고 머리 주위에 자기장 분포가 형성되는데, 이를 고감도 자기센서인 스퀴드(SQUID)로 측정하는 기술이 뇌자도검사(腦磁圖檢査) 방법이다.
스퀴드(초전도양자간섭소자)는 초전도 현상을 이용한 정밀측정소자를 일컫는다. 스퀴드는 양자역학적인 측정 한계에 접근하는 감도를 갖는 고감도 센서로서, 스퀴드를 이용한 자기장 센서는 지구자기장의 100억분의 1 정도의 미약한 자기장(10-14 테슬라) 변화를 측정할 수 있다. 인류가 개발한 자기장 센서 중에서 감도가 가장 우수한 센서로서 뇌 및 심장 등에서 발생되는 미약한 자기장 측정에 필수적인 센서다.
뇌자도 측정 장치는 뇌신경 회로의 미세한 전류에 의해 발생하는 자기장 신호를 측정하는 장비로 뇌기능 연구 및 기능성 뇌질환을 진단하는데 사용된다.
또한 뇌신경의 전기 활동을 초당 1천장까지 영상화해 순간적으로 일어나는 뇌신경전류 변화를 알 수 있기 때문에 뇌에서 나타나는 인지 과정을 놓치지 않고 측정해 낼 수 있다.
한국표준과학연구원 생체신호센터 이용호 박사는 “인체(머리)는 자기장에 대해 투명하므로 뇌 내부에서 발생된 자장신호가 자기적으로 투명한 뇌를 통과돼 측정되므로 뇌조직에 의한 신호의 왜곡이 전혀 없으므로, 뇌자도 검사는 뇌의 전기적 활동을 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다”고 말했다.
그는 또 “뇌신경 회로의 미세한 전류에 의해 발생하는 뇌자도 신호를 측정하면 뇌기능 연구뿐만 아니라 지금까지 발병부 위의 정확한 진단이 어려웠던 간질, 노인성 치매, 파킨슨병, 자폐증 등 신경계질환과 태아의 뇌기능 진단이 가능하다”고 덧붙였다. 이용호 박사팀은 최근 자체 개발한 뇌자도 측정장치 제작 기술을 호주 컴퓨메딕스사에 기술 이전을 실시했다.
기술 이전 조건은 정액기술료 12억 원, 오는 2036년 동안 3.5%의 경상기술료를 받는 조건으로 향후 기술료 수입은 약 300억 원에 달할 전망이다.
이번에 기술 이전한 뇌자도 측정장치는 150개의 스퀴드 센서로 이루어진 150채널 뇌자도 측정 장치로 뇌 전체의 전기 활동 정보를 1회 측정만으로 알 수 있다. 또한 출력신호도 기존 장치에 비해 10배 이상 크다.
또한 센서의 감도가 뛰어나고 외부 자기잡음을 제거해 신호품질을 향상시켰으며 센서장치, 회로장치, 냉각장치, 자기차폐장치 등을 단순화해 경제성을 높였다.
기술 이전을 체결한 호주 컴퓨메딕스는 뇌파진단 장비와 뇌기능 분석 소프트웨어를 생산하는 글로벌 기업으로 향후 뇌자도 장비의 의료기기 승인 및 글로벌 사업화에 주력할 예정이다. 특히 뇌자도 장비의 핵심 부품인 스퀴드 센서장치, 자기차폐실 등은 국내에서 제조하여 공급할 예정이므로 관련 국내 산업의 활성화와 일자리 창출에도 크게 기여할 것으로 기대된다.
이 박사는 “뇌자도 장치는 지난 1994년부터 20여 년 간 꾸준한 연구를 통해 만들어 낸 결과물”이라며 “이번 기술이전은 정부출연기관이 기본 임무에 장기적으로 투자하는 경우 고부가가치의 원천 기술을 확보할 수 있음을 보여주는 좋은 사례”라고 말했다. 그는 또 “뇌자도 검사장치의 핵심인 스퀴드 센서의 성능은 세계 최고 수준” 이라며 “128개의 스퀴드 센서로 이루어진 128채널 뇌자도검사장치는 센서의 수가 많아 뇌 전체의 전기활동 정보를 1회의 측정으로 알 수 있다”고 설명했다.
또한 뇌 전기활동을 초당 1천장까지 영상화할 수 있어 순간적으로 일어나는 신경전류 변화를 알 수 있으며 비접촉·비침습적 진단 기술로 뇌 활동 부위에 대한 3차원적인 정보를 얻을 수 있다.
심장질환 조기진단 활용
이용호 박사를 필두로 한 한국표준과학연구원 생체신호센터 연구진은 지난 20여 년 동안 극미세 자기신호를 측정할 수 있는 스퀴드 센서 제작기술 및 이를 이용한 정밀측정기술을 연구해 왔다. 이를 통해 연구진은 심장의 미세한 전류에 의해 발생되는 자기장 신호를 측정하여 심장 질환을 간단하고 빠르게 판별할 수 있는 심자도 측정장치를 개발한 것. 기존 심전도(ECG) 장치의 경우, 심근 경색 증상이 있지만 진단 시 판별이 어려워 증상이 있음에도 정상인으로 구분돼 치료시기를 놓치는 사례가 많았다.
하지만 표준연이 개발한 심자도 측정장치는 ECG검사로는 질환을 발견할 수 없었던 환자들을 구별해 내는 능력이 탁월해 심장질환자의 조기 진단에 효율적으로 활용될 것으로 기대된다. 또한 환자와 전혀 접촉하지 않은 상태로 심장에서 발생하는 신호를 증폭시켜 측정하기 때문에 인체에는 전혀 무해할 뿐 아니라, 30초라는 빠른 측정시간안에 신호발생원의 정확한 위치 추정이 가능하다. 여기에 심장 근육의 전기 활동을 초당 1천장까지 영상화할 수 있어 순간적으로 일어나는 심근전류 변화를 알 수 있으며 비접촉 · 비침습적 진단 기술로 심장의 활동 부위에 대한 3차원적인 정보를 얻을 수 있다. 이와 관련 연구팀은 독일 바이오마그네틱파크사에 기술이전하는 성과를 올리기도 했다. 기술 이전 조건은 선급기술료 15.5억 원, 오는 2030년까지 동안 심자도 측정장치 판매로 발생되는 매출에 3%를 경상기술료로 받게 된다. 기술료 수입은 최소 361억 원에 달할 것으로 보인다.
이 박사는 “심장에서 발생하는 자기장의 세기는 지구자기장의 1천만 분의 1이하로 매우 미약하기 때문에 이를 감지하기 위해서는 스퀴드라는 특수한 자기센서 및 정밀측정기술이 필요하다”고 말했다. 개발한 심자도 장치는 64개의 스퀴드 센서로 이루어진 64채널 심자도 측정 장치로 심장 전체의 전기 활동 정보를 1회의 측정으로 알 수 있도록 센서를 배치했다. 출력 신호가 일부 선진국에서 사용되고 있는 기존 장치에 비해 10배 이상 크다.
또한 센서의 감도가 뛰어날 뿐만 아니라 외부 자기 잡음을 제거할 수 있어 신호 품질을 향상시켰고 구동장치, 냉각장치, 자기차폐장치 등을 단순화해 경제성을 높였다. 최근에 많이 발전하고 있는 태아 심자도 또한 선천적으로 심장에 문제가 있는 태아의 심장 상태를 조기 진단하여 치료함으로써 태아 돌연사를 막을 뿐만 아니라, 태아의 심장병으로 발생할 수 있는 발달 저하 등의 문제를 조기에 해결하는데 도움을 주기도 한다. 특히 태아의 경우 심자도 측정 방법이 완전히 비침습적으로 태아 심장의 전기적 활동을 정밀하게 진단하기 때문에 유용성이 높다.
이 박사는 “독일과 첨단 의료 분야에 대한 협력이 이루어짐으로써 2020년까지 90만 명 이상의 심장질환 환자가 이 장치로 정밀 진단을 받아 심장 질환을 치료받게 될 것 될 것”이라며 “앞으로 유럽 CE마크와 FDA 인증 획득을 통해 심자도 측정장치의 신뢰성 확보에 주력할 계획”이라고 밝혔다.
[뇌 기능 작동 원리 규명 영상화 장치 개발]
뇌 과학 분야에서 ‘뇌기능 연결성’에 대한 연구는 가장 뜨거운 화두 중 하나다. 이는 단순히 어떤 기능이 뇌의 어느 위치에 해당하는지를 넘어서 뇌의 서로 다른 부분이 통신하면서 고차인지기능을 처리하는 것을 이해할 수 있게 해준다.
현재 뇌기능 연결성을 확인할 수 있는 하나의 방법으로 fMRI(기능영상 MRI)도 활용되고 있지만 뇌 모양 및 질병 유무 등 해부학적 정보는 구할 수 있었지만 뇌기능에 대한 정보는 확인이 불가능하다는 구조적 단점이 존재하고 있다.
한국표준과학연구원 생체신호센터 김기웅 박사팀은 fMRI 방식과 전혀 다른 개념인 뇌파자기공명을 고안해 뇌기능의 활동을 영상화하는 장치를 개발했으며 뇌신경 전류원으로 구성된 뇌 팬텀을 통해 이를 증명했다.
뇌파자기공명은 뇌파가 발생시키는 진동자기장이 뇌 속의 양성자를 직접 공명시키는 것을 말한다. 뇌파자기공명 방식은 뇌기능을 담당하는 특정 주파수 영역의 뇌파가 진동하는 부분을 직접 영상화하기 때문에, 뇌의 각 부분이 뇌파에 의해 연결돼 통신하는 상태인 뇌기능 연결성을 직접 파악할 수 있다.
특히 뇌파자기공명 방식은 낮은 자기장에서 뇌 기능 연결성에 대한 측정이 가능하다는 장점이 있다. 해당 방식에서 사용하는 자기장의 세기는 일반 fMRI에 비해 100만분의 일 수준이다.
김기웅 박사는 “CT, MRI, 뇌자도 장치 등을 통해 뇌의 해부학적 기능 지도화는 많이 연구됐지만 이후 단계인 뇌기능에 대한 연결성에 대한 연구는 미흡한 실정”이라며 “뇌기능 연결성을 직접 보여줄 수 있는 영상 장비를 순수 국내 기술로 개발함으로써 뇌의 신비를 푸는 열쇠가 되는 것은 물론 고가로 거래되는 의료 장비의 국제 시장에서 경쟁력을 지닐 수 있다”고 말했다.
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