의료분야에서의 AI (2)

의료기술

인공지능을 이용한 의료기술

인공지능이 진단하고 로봇이 수술한다는 말이 더 이상 공상과학에서 나올 법한 허무맹랑한 이야기가 아니다. 4차 산업혁명 시대에서는 이미 로봇과 인공지능 기술이 의료현장 곳곳에서 활용되면서 새로운 패러다임을 만들어내고 있다.

특히 로봇수술은 1999년 미국의 인튜이티브서지컬사가 다빈치를 출시한 이래로 다양한 기기들이 등장하면서 이제는 보편화된 상황이다. 최근에는 국내 대학병원들이 기존에 수술로봇이 활용되지 않던 새로운 분야에서도 다양한 기기를 활용해 수술에 성공하는 사례가 늘고 있다.

뉴로핏tES LAB

뇌 과학 전문 스타트업 뉴로핏 주식회사가 인공지능을 활용해 개인 맞춤형 정밀 뇌자극을 하는 프로그램인 뉴로핏tES LAB을 출시했다.

인공지능이 개인 MRI(자기공명영상장치) 영상을 보고 자동으로 뇌 영역을 구분하며, 분할된 구조 정보를 통해 생물학적 특성까지 고려하여 뇌 주름 하나하나까지 고려한 3차원 개인 뇌모델을 제작한다. 생성된 뇌 모델의 두피에 전극을 부착하고 각 전극 위치에서 발생하는 전류 흐름을 물리 해석을 통해 정확히 계산, 예측하여 사용자가 치료효과를 높이기 위한 최적의 자극 위치를 결정할 수 있도록 해준다.

현재 MRI영상 사용 뇌 분할은 프리서퍼라는 프로그램을 이용하는데 약 8시간~24시간이라는 긴 소요시간 탓에 진료현장에서 사용하기 어렵지만 뉴로핏 tES LAB은 1분 이내로 뇌분할이 가능해 환자 앞에서 바로 사용 가능하다.

해당 프로그램은 현재 연구용 제품으로 출시되어 삼성서울병원 재활의학과, 신경과 두 곳에 판매계약을 체결했으며, 극내 한 대학병원과 본 제품을 사용한 치료효과 검증을 위한 임상연구를 준비중이다.

의료로봇

1. 의료로봇 시장

세계적인 인구 고령화와 함께 전문 의료 인력 부족 현상이 심해지면서 의료 시스템에서 로봇이 차지하는 비중은 커질 것으로 보인다.

시장조사업체 트랙티카에 따르면 의료로봇 시장은 2016년 17억 달러에서 2021년 28억 달러로 연평균 9.7%로 성장할 전망이다. 이는 전세계 로봇 시장의 4분의 1정도이다. 또 보건의료용 로봇 출하량은 2016년 3400대에서 2021년까지 누적대수가 3만 8400대를 넘어설 것으로 보인다.

2. 의료로봇의 분류

의료로봇은 크게 수술로봇, 재활로봇, 마이크로 의료로봇, 의료서비스로봇 등 4가지로 나눌 수 있다. 수술로봇은 수술의 전 과정이나 일부를 의사 대신 또는 함께하는 로봇을 말한다. 재활로봇은 노인과 장애인 등의 재활치료와 일상생활을 돕는 로봇이며 마이크로 의료로봇은 몸 속에 투여해 관찰, 치료하는 로봇이다. 그 외 진단, 간호, 원격진료 등을 돕는 의료서비스로봇 등이 있다.

3. 수술로봇

의료로봇의 대표선수는 수술로봇이다. 수술로봇이라고 해서 로봇이나 인공지능이 직접 수술을 하는 것이 아니라 로봇의 도움을 받은 의사가 수술을 시행한다. 수술로봇은 환자 몸에 구멍을 뚫은 뒤 로봇 팔과 수술용 카메라 등을 몸 속으로 집어넣고 의사가 외부 조종석에 앉아 원격으로 조종하는 로봇이다. 사람과 달리 손 떨림이 없고 최소 절개로도 수술을 진행할 수 있다는 것이 장점이다.

4. 다빈치

미국의 인튜이티브서지컬사의 복강경 수술로봇 다빈치가 2000년 수술로봇으로서 세계 최초로 미식품의약국 승인을 받으면서 본격적인 수술로봇 시대를 활짝 열었다.

우리나라에서는 2005년 연세대 세브란스병원에서 가장 먼저 도입하였으며, 그 해 7월 15일에 첫 로봇 수술에 성공했다. 이후 국내 유수의 병원들이 앞다퉈 다빈치를 도입하고 있다.

이용사례

최근 연세대 세브란스병원이 국내 최초로 다빈치 로봇 수술기를 이용해 신장이식 수술에 성공했다. 연세대 세브란스 병원 이식외과 허규하 교수팀은 2019년 11월 11일 신부전이 악화된 30대 남성에게 다빈치 로봇 수술기를 이용해 여동생의 신장을 이식하는데 성공했고, 환자는 특별한 합병증 없이 잘 회복해 11월 19일 퇴원했다.

다빈치 로봇을 이용했기 때문에 최대 10배 시야를 확보할 수 있었고, 로봇 기구의 자유로운 관절 운동으로 조작이 수월하고 정교한 수술이 가능했다.

5. 나비오

영국 스미스앤드네퓨사의 로봇 나비오는 인공지능 기계 학습과 증강현실(AR), 해부학, 영상 융합 등 첨단 기술이 집결된 가장 진보된 로봇이다.

나비오는 환자의 운동학적 지지를 바탕으로 3차원 해부학적 정보를 의료진에게 제공하는 시스템인 ‘이미지 프리 플랫폼’을 탑재하고 있어 로봇을 이용한 인공관절 치환술을 받는 환자는 반드시 필요한 별도의 컴퓨터 단층촬영(CT) 이미지가 필요하지 않다.

이용사례

국내 인공지능 의료 선도에 앞장서고 있는 가천대 길병원이 국내 최초 정형외과 인공지능 나비오로봇을 도입하여 무릎 인공관절 치환술에 성공했다.

이 병원 정형외과 심재앙 교수팀은 2019년 11월 20일 무릎 퇴행성관절염을 앓고 있던 70대 환자를 대상으로 인공지능 로봇 ‘나비오’를 이용한 인공관절 치환술에 성공했고 수술을 마친 환자는 현재 회복 중에 있다.

코로나19와 AI

현재 코로나 바이러스 감염증으로 인하여 세계가 떠들썩하다. 이러한 배경에서 세계 각국의 과학자들은 코로나 바이러스에 대해 빠른 조기 진단, 진료 및 치료할 수 있는 백신에 대한 연구를 하고 있다. 바로 그 중심에서 맹활약하고 있는 것이 인공지능(AI)이다.

인공지능을 활용하여 코로나19의 감염 추세를 예측하고 환자 증세에 따라 맞춤형으로 적절하게 치료하는 등 그 활용 폭이 폭넓게 확대되고 있다. AI를 통해 엄청난 양의 데이터가 치료 현장에 전송되고 있으며, 이를 통해 환자 치료가 신속하고 적절하게 이루어지고 있다는 것, 또한 거시적으로는 코로나19 감염 추세를 예측해 적절한 방역을 시도할 수 있도록 환경을 조성하고 있다. 이렇듯 AI가 현재 세계적인 전염병 대유행을 막는 최전선 역할을 하고 있다는 평가를 받고 있다.

연구사례

코로나19에 대처하기 위한 의료분야와 융합된 AI 연구들의 사례들과 성과를 알아보도록 하자.

1. 질병 확산 예측

1. 블루닷

캐나다 AI 의료 플랫폼 업체인 블루닷은 미국 질병통제센터(CDC)와 WHO보다 앞서 신종 코로나 확신을 예측했다. 이는 전 세계에서 최초로 코로나 확산을 예측한 것이다. 블루닷은 제2의 사스 사태를 방지하고자 감염병이 확산되는 경로를 집중적으로 연구하기 시작했다. 블루닷은 AI를 통해 중국 우한 지역에서 이전에 볼 수 없었던 폐렴이 다량 발생하고 있으며, 이런 상황을 그대로 놔둘 경우 어떤 위험한 사태가 발생할 것인지 예측할 수 있었다.

블루닷은 행정 정보(인구수, 지리적 위치), 바이러스의 특징(유전자 분석, 감염 방식, 잠복기) 그리고 기존 다른 감염병의 확산 양상 등을 종합해 특정 지역에 감염병이 나타날 가능성을 분석한다. 또한 Geneious와 같은 상용 생물정보학 시퀀스 데이터 분석에 사용되는 소프트웨어와 RAxML이나 BEAST 등의 공개된 데이터마이닝 알고리즘을 예측에 주로 사용한다.

2. 헬스맵

실시간 세계보건지도 헬스맵(Healthmap)은 인공지능을 사용, 감시할 뿐 아니라 질병 패턴을 식별한다. 이 시스템은 코로나 바이러스 환자를 진단할 때 우편번호와 같은 환자 정보를 이용해 바이러스가 발병한 지역 또는 감염 범위를 식별할 수 있다. 모바일 앱을 통해 도서관, 지역 보건부, 정부 및 국제 여행자를 포함한 다양한 청중에게 광범위한 신종 감염병에 대한 실시간 정보가 제공받을 수 있다.

헬스맵은 온라인 전 세계 뉴스, 목격자 보고서, 전문가가 논의한 토론 및 검증된 공식 보고서를 포함해 이질적인 데이터 소스를 통합, 현재 전염병의 글로벌 상태와 인간과 동물의 건강에 끼치는 영향에 대한 통일되고 포괄적인 정보를 제공하고 있다. 자동화된 프로세스를 통해 9개 언어로 서비스한다.

2. 진단 키트 개발

코로나19로 인한 폐 손상을 AI로 진단함으로써 진단 키트를 개발할 수 있다. AI를 통해 개발과 X-ray 영상판독 시간을 대폭 단축하여 치료의 신속성과 정확성을 높이고자 하는 것이 목표이다.

1. 씨젠

씨젠은 국내 분자진단 시약 개발사이다. 씨젠은 코로나가 발생 한 후, 전 세계적으로 확산될 가능성이 매우 높다고 판단하여 회사의 모든 역량을 집중해 불과 2주 만에 코로나19 바이러스 진단키트 올플렉스(Allplex 2019-nCoV Assay)를 개발했다.

씨젠 진단시약의 혁신성은 빠른 개발뿐만 아니라 테스트의 신속성과 대량 자동검사에서 찾을 수 있다. 최종 확진 방법은 바이러스 존재 자체를 확인하는 RTPCR(실시간 역전사중합효소연쇄반응)이다. 수동검사로 진행되는 기존 검사법은 검사 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라 대량 검사가 어려운 반면, 씨젠 제품은 빠르면 4~6시간 만에 대량 검사 결과를 확인할 수 있다.

검사 결과의 신뢰성을 높이기 위해 진단검사의 전 과정을 관리할 수 있는 전과정관리물질(Whole Process Control)이 씨젠 시약의 장점이다. 참고로 대부분의 진단 제품이 2종류 유전자를 검사해 확진자를 감별하는 WHO의 지침을 따르는 반면, 씨젠은 RNA 바이러스의 빠른 변이에 대비하여 WHO 지침에 1종류의 유전자(N gene)를 추가해 총 3종류의 표적유전자를 동시에 검사하도록 개발하여 정확도를 극대화했다. 표적유전자의 종류가 추가될수록 기존 방법으로는 각각의 종류를 개별 검사해야 하기 때문에 검사 건 수가 현저히 떨어질 수밖에 없다. 하지만 씨젠은 독자적인 다중검사 시약 기술을 이용해 3종류의 코로나 유전자와 전과정관리 유전자를 포함해서 4종류 유전자까지 동시 검사를 가능케 했다.

현재 외국의 경우 대부분 병원 인력이 수동으로 검사한다. 수동일 경우 작업량이 많을 뿐 아니라 중간과정에서 오류 및 오염 발생 가능성으로 인해 결과에 대한 신뢰도가 떨어진다. 하지만 씨젠의 검사 방식은 자동검사 시스템을 이용한다. 샘플이 병원에 도착하면 핵산 추출, PCR 검사, 결과 판독, 보고 및 집계까지 기계에 넣으면 하나의 프로세스로 자동 처리된다.

씨젠은 바이오 기업을 넘어 첨단 IT 및 플랫폼 기업으로 발돋움할 계획이다. 슈퍼컴퓨터에 맞먹는 대용량 컴퓨터에 20년간의 경험과 기술을 모두 집약해 빅데이터 시스템을 구축했다. 질병 진단과 관련해 고려해야 하는 사항이 수백 가지가 넘기 때문에 인간의 분석 능력으로는 한계가 있어 인공지능(AI) 기술을 적극 활용했다. 씨젠의 비밀 병기는 SGDDS(Seegene Digitalized Development System)라고 명명됐다.

2. 뷰노

의료 인공지능(AI) 솔루션 개발 기업 뷰노는 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)의 전 세계 확산이 장기화 됨에 따라, 인공지능 기반 흉부 CT 영상 판독 솔루션과 흉부 엑스레이 판독 솔루션을 전세계 무료 공개한다고 밝혔다.

해당 웹 사이트가 제공하는 인공지능 기반 폐 CT 영상과 흉부 엑스레이 영상 판독 보조 서비스는 코로나19 폐렴과 관련된 병변을 자동으로 탐지하고 비정상의 정도를 정량화해 제공한다. 이러한 정보를 바탕으로 의료진은 코로나19 의심환자의 선별 및 확진 환자의 경과 관찰, 후향적 연구 등의 모든 단계에서 활용할 수 있다.

뷰노메드 렁퀀트™는 단 1분안에 폐 CT 영상을 분석해, 코로나19 소견에 해당하는 병변의 분포와 부피 정보를 제공함으로써 의료진의 신속한 진단을 보조한다. 또한 시각화된 병변 정보와 정형화된 리포트를 제공하도록 사용자 중심 인터페이스(UI)가 구현돼, 의료진이 환자의 상태와 경과를 한눈에 판단할 수 있도록 돕는다.

뷰노메드 체스트 엑스레이™-코로나19 버전은 수초 만에 흉부 엑스레이 영상을 분석, 코로나19로 인한 폐렴 진단에 도움이 되도록 의심 병변과 비정상 여부 소견을 제공한다.

3. JLK 인스펙션

JLK 인스펙션의 인공지능 폐질환 분석 솔루션은 지난번 대한결핵협회의 전국 지부에서 활용할 목적으로 납품됐던 제품이다. 회사 측은 활용 영역을 확대, 이번에는 판매처와의 계약을 통해 대한의사협회에서 활용될 예정이라고 설명했다. 제이엘케이인스펙션의 인공지능 폐질환 분석 솔루션은 소형화, 경량화 기술을 바탕으로 휴대가 가능하면서도 높은 정확도로 실시간 분석을 할 수 있다는 장점을 갖고 있다.

또한 전 세계를 휩쓴 코로나19 환자의 조기 진단 및 중증도 분류에 필요한 폐영상 정보값 제공을 통한 의료진의 조기 검진에 효과가 있음을 보여 국내외 여러 의료기관들과 협업 진행 중이다.

4. 알리바바

중국 알리바바는 지난 3월 2일 폐 CT를 통한 AI 검진 시스템을 코로나19 실전에 본격 도입했다. 알리바바의 AI는 20초 만에 96%의 정확도로 확진자를 분별해냈다. 이 AI는 고도의 컴퓨터 비전 기술을 활용해 300여장의 폐 CT 사진을 분석, 96%의 정확도로 20초 만에 환자의 코로나19 감염 여부를 파악할 수 있다. 환자 1명의 CT 사진을 검토하는 데 약 15분이 걸리는 인간보다 약 45배 빠른 판독 속도다.

이 솔루션은 코로나 확진자 5천 명 가량의 이미지와 데이터를 활용해 자연 언어 처리(NLP)와 컨볼루션 신경망(CNN, Convolutional Neural Network)을 사용하여 CT 이미지의 인식 네트워크를 훈련시켜 새로운 관상 폐렴 이미지와 일반 폐렴 이미지의 차이를 신속하게 식별할 수 있었으며, 또 AI는 병변 부위의 비율을 직접 계산하여 질병의 중증도를 정량화할 수 있다.

3. 백신 및 치료제 개발

기존 약물 재창출을 위한 스크리닝과 신약 후보물질 탐색과정에서 바이러스 정보와 의료 데이터 등을 AI가 학습·추론함으로써, 치료제 개발 기간을 대폭 단축시킬 수 있을 것으로 예상된다.

1. 인실리코 메디신

미국 바이오 스타트업인 인실리코 메디신은 AI를 활용해 우한 코로나 바이러스 백신에 적합한 분자구조를 찾았다. 인실리코 메디신의 AI는 특정 단백질과 결합하는 분자를 만들고, 사람에게 그 효과가 있는지 확인한다. AI 알고리즘이 4일 동안 특정 분자를 10만개 만들고, 이 가운데 100개를 추려냈다. 회사는 그중 7개를 골라 추가 연구를 하고 있다. 인실리코 메디신은 지난 2월 자사 홈페이지에 AI로 찾은 수백 가지 화합물 분자구조를 공개했다.

2. 디어젠

국내 인공지능 신약개발기업 디어젠(Deargen)과 강근수 단국대 교수 연구팀은 최근 시판 중인 항바이러스제를 인공지능 분석해 신종 코로나19에 적용할 수 있는 치료제를 발표했다. 디어젠은 딥러닝 기반의 약물과 단백질 상호작용 예측 알고리즘을 사용해 항바이러스제를 분석했다고 한다. 해당 알고리즘은 셀프 어텐션(Self-Attention) 메커니즘을 기반으로 한다.

셀프 어텐션 메커니즘이란 약물과 단백질의 상호작용 학습 시, 약물의 전체적인 정보를 학습해 보다 현실적인 약물 구조를 고려해 그 상호작용을 예측할 수 있는 기술이다. 이를 통해 인공지능은 화학구조를 효과적으로 모델링하고 펍캠(Pubchem)의 9700만 개 화합물을 학습해 치료제의 정밀도를 높인다. 신종 코로나19 치료제로 추천받은 렘데시비르는 지난달 말 미국에서 발병한 첫 환자에게 사용돼 하루 만에 증상이 호전된 케이스가 보고된 바 있다. 현재 렘데시비르는 중국에서 신종 코로나19 환자를 대상으로 임상 3상에 들어갔다.

3. 아론티어

아론티어는 인공 지능을 활용한 신약개발, AI 기반의 단백질 구조 예측, 유전체를 활용한 암 미세환경 조절약물개발을 하는 국내 기업이다. 아론티어는 신약 후보물질을 발굴하기 위한 AI 플랫폼을 구축하고 있다. AI가 바이러스 정보, 의료데이터 등을 학습·추론하도록 노력하고 있다. 이를 통해 치료제 개발 기간을 대폭 단축시킬 수 있을 것으로 보인다.

4. 다양한 의료 서비스

위에서 설명한 사례 이외에도 여러 다양한 기업들이 코로나 바이러스 피해를 최소화하기 위해 직접적으로 생명을 다루지는 않지만 여러 방면으로 의료분야에서의 AI를 활용하고 있다. 와이즈넛의 올바른 코로나19 대처방안을 알리기 위한 챗봇 서비스, 네이버 음성비서 클로바의 코로나 능동 감시자에 대한 자동 증상 확인이 그 예이다.

참고자료

• 인공지능신문: http://www.aitimes.kr/news/articleView.html?idxno=14442
• CEONEWS: http://www.ceomagazine.co.kr/news/articleView.html?idxno=2154
• 중앙일보(헬스미디어): https://jhealthmedia.joins.com/article/article_view.asp?pno=21556
• 데일리메디: http://www.dailymedi.com/detail.php?number=854316&thread=22r06
• 최윤섭의 헬스케어 이노베이션: http://www.yoonsupchoi.com/2017/07/30/ai-medicine-3/
• 코로나19 최전방에서 활약하는 AI기술: https://www.phopick.com/post/470123
• 히트뉴스: http://www.hitnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=16123
• 헬스경향: https://www.k-health.com/news/articleView.html?idxno=47215
• 씨젠: http://www.seegene.co.kr/
• 메디소비자: http://www.medisobizanews.com/news/articleView.html?idxno=66579
• 인공지능 신문: http://www.aitimes.kr/news/articleView.html?idxno=15514
• 이데일리-2025년 수술 40% 수술로봇 담당: https://www.edaily.co.kr/news/read?newsId=01295606622653576&mediaCodeNo=257
• 청년의사-길병원, 국내 최초 정형외과 인공지능 로봇 도입: http://www.docdocdoc.co.kr/news/articleView.html?idxno=1074557
• 미디어데일-다빈치 로봇 수술기로 신장이식 성공: http://www.mediadale.com/news/articleView.html?idxno=31220
• AI가 변화시키는 헬스케어: https://yimjang.tistory.com/entry/AI-Healthcare-Impact
• 인공지능 기술의 의료 현장: http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=hyouncho2&logNo=221507688887
• 개인 맞춤형 진료: https://www.bioin.or.kr/InnoDS/data/upload/tech/81C28A0A-673C-CDDF-D8DC-A9BDD4BD20DA.pdf
• 인공지능과 헬스케어 산업 혁신: http://www.ictconference.kr/sub/pdf/day2/006(%EA%B9%80%ED%83%9C%ED%98%B8).pdf
• 의료, 바이오 분야의 인공지능: https://www.bioin.or.kr/fileDown.do?seq=42831&bid=tech

Writer: Jae-Hwan Lee