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

[기로에 선 행정수도] 한몸이었던 행정수도·혁신도시, 국가적 과업 완성할 때

수도권에 집중된 정치와 행정의 중추 기능을 지방으로 이전하기 위해 추진된 세종 행정수도 건설. 그러나 관습헌법상 '서울이 수도'라는 헌법재판소의 위헌 결정으로 멈춰 섰고, 20여 년이 지나서야 다시금 논의가 본궤도에 오르게 됐다. 우여곡절 끝에 11일 행정수도특별법에 대한 국회 상임위 법안심사소위의 축조심사가 예정되면서다. 시간은 많지 않다. 향후 예상되는 정치적 여건과 현재 추진 중인 정부의 기관 이전 정책 등 상황에 비춰볼 때, 특별법 제정은 이번 정기국회에서 '골든타임'을 맞이한 상황이다. 특히 헌법이 정한 정기국회 시한이 불..

#상대동 유적 #계룡산성 명문기와

<속보>계룡산성 출토 명문기와, 대전 상대동유적 제작 가능성

계룡산성에서 발견되는 기와가 지금은 아파트가 들어선 대전 유성구 상대동 유적에서 제조돼 공급되었을 가능성이 처음으로 제기됐다. 김기민 부경문물연구원 수석연구원은 국립공원공단 계룡산국립공원사무소와 국립공주박물관이 함께 지난 4일 개최한 '계룡산 학술발표회'에서 계룡산성에서 출토된 기와와 수막새 등을 분석해 이같이 밝혔다. 계룡산성에서는 현재까지 글자가 적힌 103점의 명문기와가 수집되었고, 토기 외면에 포목이나 직물 등을 대고 두드려 문양을 낸 타날문양 기와가 대다수인데 타날문양의 종류는 46개 형식에 이른다. 수집된 기와 대부분 파..

#대학수학능력시험 #국어 #수학

[수능 D-10] 국어·수학 변별력 유지 전망, 막판 시간 관리 중요

2027학년도 대학수학능력시험이 열흘 앞으로 다가온 가운데 국어와 수학이 올해도 변별력 있게 출제될 것으로 전망됐다. 수험생들은 남은 기간 취약 영역을 점검하고 실전 시간 관리와 컨디션 조절에 집중해야 할 것으로 보인다. 8일 종로학원이 발표한 '2027학년도 수능 D-10 전략'에 따르면 올해 수능은 국어와 수학 모두 변별력 있는 출제 기조가 이어질 가능성이 높다. 국어는 통합수능이 도입된 2022학년도 이후 2023학년도를 제외한 4년간 어렵게 출제됐다. 수학도 통합수능 도입 이후 5년 연속 변별력 있는 출제 흐름을 이어왔다...