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감각 회복하고 통증 완화하는 '뉴로피드백 의족' 개발
등록일 : 2019-09-19 11:00 | 최종 승인 : 2019-10-02 17:20
김효은
세계적인 연구팀이 생체공학적인 다리 보철기기를 개발했다(사진=123RF)

[메디컬리포트=김효은 기자] 한 스타트업 업체가 공과대학과의 협력을 통해 감각을 회복하고 통증도 완화하는 차세대 의족을 개발해 화제다. 

생체 공학적 다리 보철기구는 루이지애나에 위치한 스타트업 센스아스와 스위스취리히연방공과대학은 환자 넓적다리에 남은 신경과 연결할 수 있는 기기를 개발했다. 그 결과 감각 피드백을 경험할 수 있게 했다.

연구팀은 생체 공학적인 의족을 두 명의 지원자에게 적용했다. 이 지원자들은 뉴로피드백을 경험할 수 있었으며 환상지통의 영향은 줄어들었다.

두뇌와 척수가 사지 손실에 적응해야 하기 때문에, 절단 환자는 보철 기기 사용 여부에 관계 없이 어려움을 겪고 있다(사진=123RF)

기존 다리 보철기기가 갖는 문제들

대규모 부상이나 질병으로 인해 다리 절단 수술을 받은 사람들에게 보철 기기를 권장하게 된다. 환자들은 이 의료적 기기의 도움으로 이동성을 어느 정도 회복한다. 절단 환자들은 보철 기구를 사용해 도움을 받을 수 있지만, 다리 보철기기 같은 경우 대표적인 3가지 단점이 있다.

첫 번째로 감각 피드백의 결여다. 일반적인 다리 보철기기는 절단 후 겪는 감각 상실 증상을 회복해주지 못한다. 심지어 가장 고급의 모델도 사용자들이 원하는 정도로 감각을 완전하게 되돌릴 수 없다.

두 번째로 정밀성의 결여다. 절단된 팔이나 다리 부위에 보철기기를 부착하고 있지만 가장 정확한 자세를 취하기는 어렵다. 사용자들도 다른 말단 부위의 위치 지점과 이동 방법을 정확하지 알지 못한다. 이 때문에 보철 다리로는 서있거나 걷고 있는 지형의 정확한 정보를 얻지 못한다.

세 번째로 통증 완화의 결여다. 절단 이후 상처가 아문다고 해도 환자들은 여전히 팔다리가 존재하는 것처럼 통증을 경험할 수 있으며 이를 환상지통이라고 부른다. 즉, 팔다리는 사라졌어도 통증은 지속된다는 의미다.

이 때문에 연구팀은 보철 기기 사용으로 인한 주요 문제점을 해결할 수 있는 신기술을 고안 및 개발한 것이다. 이들이 개발한 생체 공학적 다리는 감각 피드백을 제공할 뿐만 아니라 환상지통도 치료가 가능하다.

절단 환자들을 위한 새로운 생체 공학적 다리

연구팀은 환자의 넓적다리에 남아있는 잔여 신경을 활용했다. 그리고 신경 피드백을 전달하는 생체 공학적 다리와 이 신경을 연결했다. 

그 결과, 환자는 인공 다리를 통해 수술 전과 같은 감각을 느낄 수 있게 된 것이다. 이로 인해 환상지통도 사라지게 됐다.

연구팀은 상업적으로 이용 가능한 고급 보철기기를 사용해 이 생체 공학적 다리를 만들었다. 그 후, 합성 다리에 촉각 감각을 연결했다. 그리고 기기에 내장된 전자 무릎 관절이 전달하는 무릎 움직임 데이터를 수집했다. 이렇게 기기를 완성하자 생체 공학적 다리를 적용할 수 있는 지원자를 모집한 것이다.

대퇴부 절단 수술을 받은 두 명의 지원자는 현재 다리 보철 기기 사용 연구를 진행 중에 있다. 연구에 참여하고 있는 외과의는 지원자들의 대퇴부에 미세한 전극을 이식하고 이 전극을 잔여 신경과 연결했다. 이 전극은 환자의 대퇴부와 생체 공학적 다리 사이의 가교 기능을 하게 된 것이다. 

연구 저자인 마르코 붐바시레빅 박사는 "수술의 목표는 신경 내부의 올바른 위치에 이식한 전극으로 실제 같은 감각 피드백을 회복하는 것"이라고 말했다.

이후 연구팀은 센서에서 수집한 정보를 해석할 수 있는 특수 알고리즘을 개발 및 적용해 움직임과 촉각 데이터를 감지했다. 이 알고리즘은 움직임 및 촉각 정보를 신경 체계가 이해할 수 있는 자극으로 전환했다. 그 후 자극은 다시 잔여 신경으로 전달됐다.

연구팀은 환자의 대퇴부에 남아있는 잔여 신경을 활용했다(사진=123RF)

수술을 통해 생체 공학적 다리를 부착한 지원자들은 일련의 테스트를 받았다. 그 결과 연구팀은 새로운 보철기기가 얼마나 효과적이고 효율적인지 알 수 있었다. 지원자들은 연구 전에 사용했던 보철기기에 비해 산소 소비를 적게 하면서도 훨씬 쉽게 걸을 수 있게 됐다. 

그리고 감각 피드백을 받을 수 있게 돼 어려움이 줄어들었다. 두뇌 활성도 테스트 결과, 지원자들은 적절한 균형과 걸음걸이를 유지하기 위해 더 이상 집중할 필요가 없었다. 대신, 이동하면서 다른 일에 집중할 수 있게 된 것이다.

가장 어려운 모래 지형 테스트 결과, 생체 공학 다리는 지원자에게 신경 피드백을 전달해 모래 위해서 전보다도 빠르게 움직일 수 있게 됐다. 지원자들은 피드백을 통해 자신감을 얻게 됐다고 말했다. 

아울러 연구에 참여하기 전에 항상 느껴왔던 환상지통도 완화됐다고 덧붙였다. 지원자 중 한 명은 통증이 완전히 사라진 반면 나머지 한 명은 상당하게 줄어들었다고 말했다.

미국에서만 연간 18만 5,000건의 절단 수술을 진행하고 있다. 그리고 그중 54%는 당뇨병을 포함한 심혈관 질환에 의한 것이며, 45%는 외상, 2% 미만은 암으로 인한 것이다.

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