연구본부소개
착용형 무선 초음파 기기로 수술 없이 뇌졸중 치료
- 등록일 : 20-12-20
- 바이오닉스연구센터 김형민 박사팀
- 조회수 : 9655
- 착용 가능한 소형 무선 초음파 뇌 자극기로 뇌졸중 재활 효능 전임상 검증
- 일상생활에서 사용하는 착용형 초음파 자극 기술 개발 발판 마련
뇌졸중은 사망률이 높고, 사망하지 않더라도 뇌에 혈액이 공급되지 않아 신경세포가 손상되면 신체를 움직이기 어려워지는 심각한 질병이다. 뇌졸중으로 손상된 뇌신경 재활을 위해 운동 요법과 뇌신경 자극 등 다양한 기술이 개발되고 있다. 그중 저강도 집속초음파 자극 기술은 수술 없이 초음파가 두개골을 통과하여 원하는 위치에 높은 정확도로 기계적인 에너지를 전달하여 신경세포를 활성 혹은 억제할 수 있어 뇌졸중 등의 신경 손상 질환의 재활 치료기술로 기대되고 있다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 바이오닉스연구센터 김형민 박사팀이 착용이 가능한 무선 저강도 집속초음파 뇌 자극기를 제작하여 뇌졸중 동물 모델에 적용, 뇌졸중으로 손상된 뇌신경의 무선 재활 치료기술을 개발했다고 밝혔다.
연구진은 2018년 소뇌 심부에 저강도 집속초음파 자극을 가하여 편마비에 의해 저하된 운동기능이 회복되는 치료법을 밝힌 바 있으며(Neurorehabil Neural Repair. 2018 Sep;32(9):777-787.), 2020년에는 뇌졸중 소뇌 심부 저강도 집속초음파 자극 치료기술이 뇌파 중 하나인 델타파의 변화와 밀접하게 연관됨을 입증하였다.(IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2020, 28(9): 2073-2079.)
이 기술을 다양한 환경에서 뇌졸중 환자의 재활 치료에 효율적으로 사용하기 위해서는 초음파 기계를 일상생활에서 편하게 착용할 수 있어야 하지만, 기존 초음파 뇌 자극기는 무겁고, 고정되어있어 마취되거나 고정된 동물을 대상으로 하는 실험에서만 사용할 수 있어 실용화가 어려웠다.
KIST 연구진은 축적된 연구 결과를 바탕으로 저강도 집속초음파를 무선으로 조정할 수 있는 약 20g의 가벼운 착용형 뇌 자극기를 개발하여 뇌졸중 쥐 모델에 사용해 운동 능력을 측정한 결과, 재활 효능이 있다는 것을 검증하였다. 뇌졸중 쥐 모델의 뇌에서 운동을 관장하는 영역에 약 426kPa의 압력을 갖는 초음파를 가하여 재활 3일 후 초음파를 가하지 않은 뇌졸중 모델과 비교했을 때 운동 능력이 유의미하게 향상되었고, 재활 7일 후에는 정상 쥐와 유사한 운동 능력을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
김형민 박사팀이 개발한 뇌 자극기는 가벼운데다 무선이어서 신체적 움직임에 따른 제약 없이도 초음파로 뇌 운동 영역을 자극함으로써 뇌졸중으로 손상된 신경의 재활이 가능하다는 것을 보여주었다. 이러한 연구 결과는 머지않아 임상 수준에서의 착용형 초음파 뇌 자극 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 김형민 박사는 “최근 착용형 뇌 자극 기술의 발전이 빠르게 이루어지고 있는 상황에서 착용형 초음파 기기를 이용한 비침습적인 뇌신경 재활 치료가 가능하다는 것을 입증했다 것이 본 연구의 의의”라며, “앞으로 자극 후 안전성과 질병 치료의 효과를 보장하기 위해서 초음파 자극을 통한 신경조절의 분자적, 세포적 메커니즘을 밝혀 및 자극 프로토콜을 최적화하는 후속 연구가 필요하다.”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 의공학 분야 국제 저널인 ‘IEEE Transactions on Biomedical Engineering’ 최신 호에 게재되었다.
* (논문명) Wearable transcranial ultrasound system for remote stimulation of freely moving animal
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김예브기니 박사후연구원
- (교신저자) 광주과학기술원 김재관 부교수
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 책임연구원
<그림설명>
- 일상생활에서 사용하는 착용형 초음파 자극 기술 개발 발판 마련
뇌졸중은 사망률이 높고, 사망하지 않더라도 뇌에 혈액이 공급되지 않아 신경세포가 손상되면 신체를 움직이기 어려워지는 심각한 질병이다. 뇌졸중으로 손상된 뇌신경 재활을 위해 운동 요법과 뇌신경 자극 등 다양한 기술이 개발되고 있다. 그중 저강도 집속초음파 자극 기술은 수술 없이 초음파가 두개골을 통과하여 원하는 위치에 높은 정확도로 기계적인 에너지를 전달하여 신경세포를 활성 혹은 억제할 수 있어 뇌졸중 등의 신경 손상 질환의 재활 치료기술로 기대되고 있다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 바이오닉스연구센터 김형민 박사팀이 착용이 가능한 무선 저강도 집속초음파 뇌 자극기를 제작하여 뇌졸중 동물 모델에 적용, 뇌졸중으로 손상된 뇌신경의 무선 재활 치료기술을 개발했다고 밝혔다.
연구진은 2018년 소뇌 심부에 저강도 집속초음파 자극을 가하여 편마비에 의해 저하된 운동기능이 회복되는 치료법을 밝힌 바 있으며(Neurorehabil Neural Repair. 2018 Sep;32(9):777-787.), 2020년에는 뇌졸중 소뇌 심부 저강도 집속초음파 자극 치료기술이 뇌파 중 하나인 델타파의 변화와 밀접하게 연관됨을 입증하였다.(IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2020, 28(9): 2073-2079.)
이 기술을 다양한 환경에서 뇌졸중 환자의 재활 치료에 효율적으로 사용하기 위해서는 초음파 기계를 일상생활에서 편하게 착용할 수 있어야 하지만, 기존 초음파 뇌 자극기는 무겁고, 고정되어있어 마취되거나 고정된 동물을 대상으로 하는 실험에서만 사용할 수 있어 실용화가 어려웠다.
KIST 연구진은 축적된 연구 결과를 바탕으로 저강도 집속초음파를 무선으로 조정할 수 있는 약 20g의 가벼운 착용형 뇌 자극기를 개발하여 뇌졸중 쥐 모델에 사용해 운동 능력을 측정한 결과, 재활 효능이 있다는 것을 검증하였다. 뇌졸중 쥐 모델의 뇌에서 운동을 관장하는 영역에 약 426kPa의 압력을 갖는 초음파를 가하여 재활 3일 후 초음파를 가하지 않은 뇌졸중 모델과 비교했을 때 운동 능력이 유의미하게 향상되었고, 재활 7일 후에는 정상 쥐와 유사한 운동 능력을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
김형민 박사팀이 개발한 뇌 자극기는 가벼운데다 무선이어서 신체적 움직임에 따른 제약 없이도 초음파로 뇌 운동 영역을 자극함으로써 뇌졸중으로 손상된 신경의 재활이 가능하다는 것을 보여주었다. 이러한 연구 결과는 머지않아 임상 수준에서의 착용형 초음파 뇌 자극 기술 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
KIST 김형민 박사는 “최근 착용형 뇌 자극 기술의 발전이 빠르게 이루어지고 있는 상황에서 착용형 초음파 기기를 이용한 비침습적인 뇌신경 재활 치료가 가능하다는 것을 입증했다 것이 본 연구의 의의”라며, “앞으로 자극 후 안전성과 질병 치료의 효과를 보장하기 위해서 초음파 자극을 통한 신경조절의 분자적, 세포적 메커니즘을 밝혀 및 자극 프로토콜을 최적화하는 후속 연구가 필요하다.”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업으로 수행되었으며, 이번 연구 결과는 의공학 분야 국제 저널인 ‘IEEE Transactions on Biomedical Engineering’ 최신 호에 게재되었다.
* (논문명) Wearable transcranial ultrasound system for remote stimulation of freely moving animal
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김예브기니 박사후연구원
- (교신저자) 광주과학기술원 김재관 부교수
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김형민 책임연구원
<그림설명>
[그림 1] 개발된 무선 착용형 뇌 자극 시스템을 사용한 동물 착용 예
[그림 2] (a)뇌졸중 쥐 모델의 대뇌 피질 운동 영역 저강도 집속초음파 자극 시뮬레이션 이미지(붉은 점이 초음파가 자극되는 지점) 및 (b)동물 착용형 뇌 자극 시스템을 사용하여 뇌졸중 쥐 모델 뇌 자극을 시행한 행동 분석 결과. 자동화된 동물 행동 추적 시스템으로 효능을 추적한 결과 뇌 자극을 시행한 뇌졸중 쥐(tFUS)에서 시행하지 않은 뇌졸중 쥐(Sham)에 비해 날짜가 지남에 따라 건강한 동물(Healthy) 과 유사한 활동성(붉은 선)을 회복하는 모습을 확인