뇌 손상 환자에게 뇌 영상 분석 기술을 활용한 AI 개인 맞춤형 뇌 신경조절치료를 적용하면 뇌로 전달되는 자극이 기존 대비 20% 상승해 치료 효과를 높아지는 것으로 확인됐다.

▲ 좌측에서부터 가톨릭대학교 성빈센트병원 재활의학과 임성훈‧유연지‧윤미정 교수, 부천성모병원 재활의학과 임선‧박혜연 교수, 서울성모병원 재활의학과 박혜정 교수

 

가톨릭대학교 성빈센트병원 재활의학과 임성훈‧유연지‧윤미정 교수와 부천성모병원 재활의학과 임선‧박혜연 교수, 서울성모병원 재활의학과 박혜정 교수가 AI 기반의 뇌 분할 분석법을 적용한 개인 맞춤형 경두개 직류자극 치료(tDCS)의 효과를 분석한 결과 이 같은 사실이 밝혀졌다.

 

경두개 직류자극 치료(tDCS)는 두피 위에 위치한 전극을 통해 뇌 표면에 약한 직류자극을 보내 신경세포의 자발적인 활성을 일으켜 뇌 기능을 정상화하고 증상을 완화시키는 뇌 신경조절치료법으로, 뇌졸중 환자 및 최소의식장애 환자 등 뇌손상 환자에게 유용하다.

 

기존의 경두개 직류전기자극 치료는 뇌를 겉에서 잰 크기를 바탕으로 뇌 자극 위치를 선정하는 블라인드 방식의 10-20 시스템이 활용되고 있는데, 이 접근법은 대략적인 위치를 자극하기 때문에 목표지점으로 전류가 가지 않거나 약하게 가 치료 효과가 떨어질 수 있다는 한계점이 있다.

 

이에 임성훈 교수팀은 앞서 뉴로핏 이지연 석사‧김동현 박사 연구팀과 같이 개발한 딥 러닝 기능을 활용한 새로운 뇌졸중 뇌 분할 분석법을 뇌영상치료계획 소프트웨어 뉴로핏 테스랩( Neurophet tES LABNEUROPET tES LAB)에 적용하고, 치료 효과를 확인했다.

 

그 결과, 뇌 영상을 활용한 AI 기반 개인 맞춤형 뇌 신경조절치료법은 시뮬레이션을 통해 뇌 자극 위치와 전류값을 정확하게 계산하고 선정해 정밀한 자극이 가능하며, 뇌에 전달되는 자극(전기량)이 기존 대비 20% 상승하는 것으로 나타났다.

 

특히, 이 접근법은 손상 및 부종, 위축 등에 의해 뇌의 변화가 있거나 두개골 수술 등으로 뇌의 전기적 흐름이 급격하게 왜곡되는 경우, 뇌 손상이 심해 뇌 전기적인 흐름 변화가 많은 경우 등에 있어 안전하게 치료가 가능하다는 장점이 있다.

 

임성훈 교수는 “MRI 기반으로 한 AI 경두개 직류자극 치료는 뇌의 자극에 따른 전기적 흐름과 자극량을 최대치로 구현할 수 있어 환자에게 부작용은 최소화하는 안전하고 효과적인 치료법”이라며 “이번 연구를 통해 AI 기반 개인 맞춤형 경두개 직류전기자극(tDCS) 치료의 필요성과 기존 대비 치료 효과의 우수성을 확인했다.”고 말했다.

 

임성훈 교수 연구팀은 최근 열린 제5회 국제 뇌 자극 컨퍼런스(5th International Brain Stimulation Conference)에 참석해 세계 뇌 신경조절치료 전문가들을 대상으로 그동안의 연구성과와 AI 기반 개인 맞춤형 뇌신경조절치료의 우수성을 강의했다.

 

한편, 임성훈 교수는 현재 한국연구재단과 중소벤처기업부 및 강원도청의 지원 아래 의식장애 환자의 의식회복을 위한 경두개 직류자극 치료에 대한 연구를 부천성모병원 및 서울대병원과 공동으로 진행하고 있다.

 

그림1〕기존의 블라인드 방식을 통한 뇌 자극 위치 선정 모습(좌측)과 AI 기반의 뇌 분할 분석법을 활용한 시뮬레이션을 통해 뇌 자극 위치를 변경한 모습(우측)

뇌의 겉에서 잰 크기를 토대로 뇌 자극 위치를 정하는 기존의 블라인드 방식과 달리 AI 기반 개인 맞춤형 경두개 직류자극치료를 적용하면 적절한 뇌 자극 위치를 정확하게 분석, 설정할 수 있다. 붉은 색은 양극(ANODE), 파란색은 음극(CATHOD) 자극이다.

 

그림2〕뇌천공술 후 천공 위치와 자극점의 거리에 따른 전기적 강도

AI 기반의 뇌 분할 분석법을 활용한 시뮬레이션을 진행하면, 그래프와 같이 뇌 천공술을 받은 환자에서 천공 위치와 자극점의 거리에 따른 전기적 강도를 확인할 수 있다. 이를 통해 기존에는 경두개 직류자극치료를 시행할 수 없었던 뇌천공술 환자에서도 안전하게 경두개 직류자극 치료를 시행 할 수 있다.