오피니언
사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 생명과학 및 의료산업에 활용되는 전산유체역학 시뮬레이션

박상신 한국에너지기술연구원 계산과학연구실 책임연구원

승인 2022-07-14 17:04
신문게재 2022-07-15 18면

임효인 기자

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

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

헤드라인 뉴스

2차공공기관 이전... 지방선거 민심 흔들까

이재명 정부 출범과 동시에 불붙은 '공공기관 2차 이전'이 6·3 지방선거를 앞두고 지역 민심을 좌우하는 변수로 떠오르고 있다. 선거 국면에 접어들면서 전국적으로 유치 경쟁과 통폐합 논란, 지역 차별 인식에 더해 수도권의 '유출 저지' 움직임까지 맞물리며 선거 판세를 흔들고 있기 때문이다. 앞서 정부는 지난해 연말을 기점으로 이전 대상 공공기관 전수조사에 착수, 최대 350개 기관 이전을 검토하고 있다. 정부는 올해 안에 공공기관 이전 원칙과 세부 일정을 담은 로드맵을 발표하고, 2027년부터 임차 청사 등을 활용한 본격적인 이전을..

#대덕특구 재창조 #융합연구혁신센터

'몇 년째 풀만 무성' 대덕특구 재창조 핵심과제 '융합연구혁신터' 착공 언제?

대덕연구개발특구(대덕특구) 재창조 핵심과제 중 하나인 융합연구혁신센터 조성이 차일피일 미뤄지고 있다. 2026년부터 운영할 예정이었지만 사업 계획 변경과 총사업비 조정 등으로 시간을 소모하며 아직 첫 삽조차 뜨지 못한 상태다. 10일 대전시 등에 따르면 유성구 신성동 옛 한스코 연구소 부지(신성동 100번지)에 설립될 융합연구혁신센터는 현재 실시설계 적정성 검토 마무리 단계를 밟고 있다. 실시설계가 적정하게 됐는지를 검토하는 것으로, 이후 공사 발주와 업체 선정을 거쳐 착공 단계에 돌입하게 된다. 융합연구혁신센터는 2022년 12월..

#중동전쟁 #소비침체 #물가인상 #자영업자

중동 전쟁 장기화에 대전 자영업 울상... "고유가 피해지원금에 희망"

중동 전쟁 장기화에 따른 소비 침체와 물가 인상으로 대전 자영업자들의 한숨이 짙어지고 있다. 어려운 경기 상황에 소비는 갈수록 줄어들고, 배달 용기와 비닐 등 가격 인상에 매출 감소와 마진율 하락으로 이중고를 겪으며 한탄 섞인 목소리가 계속되는데, 업계는 고유가 피해지원금에 실낱같은 희망을 걸고 있다. 10일 업계에 따르면 중동 전쟁 여파와 쪼그라든 소비 침체에 자영업자들의 토로가 곳곳에서 나오고 있다. 중동 전쟁 직후 나프타 수급 불안으로 배달 용기 가격 인상이 가장 큰 요인으로 꼽힌다. 자영업자들은 SNS(소셜네트워크서비스)를..