[사이언스칼럼] 생명과학 및 의료산업에 활용되는 전산유체역학 시뮬레이션

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

현대사회는 4차 산업혁명 시대의 핵심기술인 사물인터넷 (IoT·Internet of Things), 클라우드 (Cloud), 그리고 빅데이터 (BigData) 등의 지속적이고 눈부신 발전으로 생명과학 및 의료산업에 새로운 융합기술과 다양한 공학기술이 접목된 패러다임 형성된다. 이를 위해 생명과학과 의료산업에 전산유체역학 기반 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션의 활용이 늘어나고 있다. 이러한 최첨단 융합·공학기술의 궁극적인 목표는 제품개발과 생산에 더 나은 의약품, 우수한 의료 기기 및 환자 치료의 예후를 크게 향상시키는 것이다. 최근 몇 년간 큰 변화는 생명과학과 의료산업 분야에 컴퓨터 시뮬레이션 기반 의료 기기 및 전문 의약품 개발과 더불어 가상의 프로토 타입 (Proto-type : 다양한 요소들이 상호작용에 의해 결합돼 실제처럼 작동하는 모델)이 미국 식품의약국 (FDA)에서 실험 테스트 및 임상 시험을 보완하고 규제 승인을 가속화할 수 있는 유용한 툴로 점차 인식되고 있다는 점이다. 이 때문에 생명과학 및 의료산업 전문 기업들은 앞다퉈 컴퓨터 모델링과 시뮬레이션을 임상 시험에 통합·구축하는 연구 개발에 많은 노력과 투자를 기울이고 있다.

예를 들어, 대동맥 손상 환자가 발생했을 경우 환자의 CT 및 MRI 검사 결과 정보로부터 3차원 형상 정보를 확보하고 이를 컴퓨터 모델링·시뮬레이션에 적용해 혈액이 대동맥 혈관 전체에 어떻게 흐르며 정상적으로 흐리지 못하는 부분을 찾아 신속히 환자 치료에 활용된다. 특히, 혈관 벽면 및 혈관 자체의 물리적 영향에 의한 특성을 고려하기 위해 유체역학·구조역학을 융합한 상호작용 컴퓨터 시뮬레이션이 가능하다. 이러한 컴퓨터 시뮬레이션 결과는 3차원 시각화 모델링 데이터로 도출돼 실제 혈관에 작용하는 혈류역학적 특성을 평가하여 혈관 내 혈류 흐름 및 혈류 속도·분포, 혈관 내벽의 벽면전단응력 그리고 특정 부위의 혈관 내 혈압 등을 예측할 수 있다. 이를 통해 실제 혈관 벽면의 변형이나 파열 정도를 예측해 선제적 치료가 가능하다. 또한 혈관, 위장관 및 담도 등 혈액이나 체액의 흐름이 악성 혹은 양성질환의 발생으로 순조롭지 못할 때 좁아지거나 막힌 부위에 삽입하여 그 흐름을 정상화시키는 데 사용되는 원통형의 의료용 기구인 스텐트 삽입술에 많이 활용되는 추세이다. 이는 실제 혈관 및 장기 내에 스텐트를 삽입하였을 때 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 혈류 혹은 체액의 흐름 특성을 분석하여 스텐트의 최적 위치 선정뿐만 아니라 시술 후 혈류 및 체액의 흐름을 미리 파악하여 환자 특성에 따른 맞춤형 치료를 진행할 수 있다.

혈관 내 혈류 흐름 및 스텐트 형상 변화 예측 컴퓨터 시뮬레이터 적용 사례. 필자 제공
(출처- 김용배, 전산유체역학을 이용한 뇌동맥류의 혈류역학적 인자에 대한 분석 및 시뮬레이션 소프트웨어 개발, 이공학개인기초연구지원사업 최종(결과)보고서, 연세대 / 태성에스엔이 (TSNE), https://www.tsne.co.kr/pc/public/sub2/11-5-0.php)

이렇듯, 생명과학 및 의료산업은 인간의 기대수명 증가로 질병 예방, 진단, 치료 등 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션 적용에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 특히, 생명과학 및 의료산업은 의료장비 분야, 병원 내 다양한 질병 검사 장비 분야, 제약 및 바이오 분야, 임상 의학 분야로 구성되어 있고 최근 다양한 연구 개발에 최적의 솔루션 제공을 위해 산업 전반에 걸쳐 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션 적용이 확대되고 있다. 이를 통해 의료 시장 전반의 다양한 데이터를 빠르게 확인할 수 있으며, 생명과학 및 의료산업에서 요구되는 신제품 연구 개발의 기간 단축과 운영 방법 개선에 활용할 수 있다. 또한 환자 상태에 따른 맞춤형 치료를 제안함으로써 환자 치료에 불필요한 요소들을 최소화해 환자들의 치료 만족도를 높일 수 있다. 이러한 4차 산업혁명 시대의 생명과학 및 의료산업의 중심에는 전산유체역학 기반 컴퓨터 시뮬레이션 공학 기술이 함께한다. 박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원