[뉴스토마토 임삼진 기자] 의사가 장기적인 질병 위험을 예측하고 치료에 대한 신체 반응을 평가하고, 수술을 미리 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있는 환자의 ‘아바타’가 있다고 한다면 어떤 변화가 나타날까요? 디지털 쌍둥이 혹은 디지털 트윈은 이런 역할을 담당하는 각 개인의 ‘건강 아바타’라고 할 수 있습니다. 이 디지털 쌍둥이는 로봇 수술이나 완전 자율주행 자동차만큼이나 아직은 먼 이야기처럼 들리지만 빠른 속도로 우리에게 다가오고 있습니다. 비현실적으로 들렸던 이야기가 바로 우리 이야기가 되고 있습니다.
미국 국립 심장·폐·혈액연구소(National Heart, Lung, and Blood Institute)가 지난 1월 발간한 ‘디지털 쌍둥이와 심장’이라는 특집 기사를 통해 의료계에서 이뤄지고 있는 디지털 트윈 연구 상황을 상세히 소개했습니다. 빠르게 다가오는 디지털 쌍둥이의 속도는 아직 실감나는 것은 아니지만, 상당히 빠른 속도라는 것은 분명해 보입니다.
이 특집 기사에는 여섯팀의 의료 연구진과 그들의 연구 내용을 소개하고 있는데, 첫 번째는 캘리포니아 대학교 데이비스 의대(the University of California, Davis Health and School of Medicine)의 콜린 클래시(Colleen E. Clancy) 박사입니다. 그는 “진정한 개인 맞춤형 의학의 시대가 도래하고 있다”고 말합니다.
디지털 쌍둥이의 외부 링크 생성은 프로토타입을 구축하고 그것을 맞춤화하며, 사람의 신체와 환경으로부터의 피드백을 통해 그것을 동기화하거나 정기적으로 업데이트하는 방법을 파악하는 것으로 시작됩니다. 여기에는 사람의 장기, 조직, 세포, 유전자, 분자 등을 그려내고(mapping), 외부 자극으로부터의 정보를 통합하는 작업이 포함됩니다. 여기에 바이러스 노출이나 온도 변화, 녹지 근처에 사는 것과 같은 사회적 요인 등이 포함될 수 있습니다. 클랜시 박사는 “이 모든 요소는 말하자면 병원의 바깥에 존재한다. 그런데 갑자기 우리는 이 모든 것들을 하나로 통합할 수 있게 되었다”고 말합니다.
이런 개인 정보들의 집적과 통합을 통한 디지털 쌍둥이가 제대로 만들어지려면 정부, 규제 기관, 연구원, 엔지니어, 의사, 환자, 의료 및 생명공학 산업 등 거의 모든 분야의 협력이 이뤄져야 합니다. 이들 사이에 미묘한 입장 차가 있다는 것도 부정할 수 없습니다. 캘리포니아 대학교 의대 연구자들은 의료 서비스 수준을 높이고, 디지털 인간 복제 성능을 혁신하면서도 환자의 사생활과 안전을 보호할 수 있는 디지털 쌍둥이 시스템을 구축하는 방법을 논의하면서, 심장을 비롯한 가상 장기와 동맥의 3D 이미지를 포함한 부분 정보 조각들이 어떻게 치료를 개선하는 데 도움이 되도록 만들 것인지를 연구하고 있습니다.
두 번째로 소개된 것은 존스홉킨스 대학 트라야노바 연구실(the Trayanova Lab at Johns Hopkins University)인데요. 이들이 디지털 쌍둥이를 통해 달성하고자 하는 목표는 수술의 정확성 향상입니다. 트라야노바 연구실에서는 부정맥인 심방세동에 대한 의료적 치료인 절제술을 받기 일주일 전에 환자의 심장 이미지를 촬영합니다. 이 이미지를 바탕으로 그들은 절제술을 연습하기 위해 환자의 심장을 컴퓨터 시뮬레이션으로 만듭니다. 이런 방식으로 부정맥이 발생하는 조직을 파괴함으로써 절제할 심장 부위를 식별하는 청사진이 만들어집니다. 이후에 그들은 그것을 저장하고 수술실에 맞는 맞춤형 계획을 세웁니다. 기존 절제술은 약 50~70%의 사람들에게 효과가 있습니다. 올해 말에 종료되는 시험을 통해 외부 링크, 연구자들은 이러한 개인화된 계획을 사용하면 성공률을 높이고 합병증을 줄일 수 있는지를 연구하고 있습니다.
세 번째 소개된 MIT 링컨 연구소의 루즈베 자파리(Roozbeh Jafari) 박사는 “핵심 목표는 외부 링크 의사들과 환자들이 조치를 취할 수 있도록 작동하는 모델을 찾는 것”이라고 말합니다. 그는 올바른 모델을 찾기만 한다면, 이 디지털 쌍둥이는 잠재적으로 각 개인을 위한 무작위 시험의 역할을 할 수 있다고 지적합니다. MIT 연구팀은 환자의 심장, 심폐 시스템, 또는 관상동맥의 디지털 스캔을 사용하는 이러한 개념이 의사가 수술을 미리 연습하고 특정 절차가 필요한지, 언제 필요한지 예측하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 연구하고 있습니다.
네 번째로 소개된 미국 국립 심장·폐·혈액연구소의 보건과학 행정가인 니디 게라(Nidhi Gera) 박사는 이 개념이 연구의 여러 단계를 가속화할 수 있어서 좋다고 말합니다. 그녀는 “우리는 ‘이 사람이 치료에 어떻게 반응할 것인가? 약물 용량은 얼마가 적당한가?’를 예측할 수 있는데, ‘이 정보를 어떻게 종합하여 임상 시험을 신속하고 효과적으로 수행할 수 있을 것인가?’ 그것이 과제라는 것입니다.
다섯 번째 듀크대학교 방사선과 에산 아바디(Ehsan Abadi) 교수는 가상 시험의 이점이 엄청날 수 있다고 덧붙였습니다. 연구를 가속화함으로써 수년과 수십억 달러를 절약할 수 있을 뿐 아니라, 환자가 추가적인 검사와 영상 촬영에 노출되는 것을 줄일 수 있다는 것입니다. 또한 실제 임상 시험에서 연구할 가치가 있는 치료법을 식별하는 데 도움이 될 수 있는데, 이는 환자가 새로운 치료법을 더 빨리 이용할 수 있음을 의미합니다. 이는 심장병이나 폐질환과 같은 만성 질환뿐만 아니라 잘 알려지지 않은 희귀 질환에도 적용됩니다. 아바디 교수는 가상 임상시험이 연구의 다양화에도 도움이 될 수 있다고 덧붙였습니다. 연구에 참여할 시간이 없거나 임상시험 현장 근처에 살지 않는 사람들도 가상 인물을 통해 연구에 기여할 수 있다는 것입니다.
여섯 번째로 스탠포드 대학의 연구자들은 심혈관 질환 위험 예측을 향상시키기 위해 흉부 및 복부 의료 이미지가 전자 건강 기록의 정보를 보완할 수 있는 방법을 연구하고 있습니다. 여기에는 관상동맥과 대동맥에 칼슘 침착의 초기 징후, 간에 과도한 지방, 골밀도 감소가 예측을 개선할 수 있는 방법을 연구하는 것도 포함됩니다.
스탠포드 대학의 방사선학 및 생체 의학과 악샤이 차우다리(Akshay Chaudhari) 교수는 “매우 높은 차원의 데이터를 가져와서 유용하게 만드는 것”이라고 설명했습니다. 그는 디지털 쌍둥이 구축도 같은 전제를 따른다고 설명합니다. “전체적인 관점에서 볼 때, 체중 감량이나 새로운 치료 시작과 같은 잠재적인 개입을 시뮬레이션하여 주어진 시간에 환자에게 가장 좋은 것이 무엇인지 파악할 수 있지 않을까요?”라고 말합니다. 스탠포드 대학 연구원들은 디지털 쌍둥이 기술이 아직 초기 단계에 있지만, 연구된 개념은 환자와 의사가 협력해 치료를 맞춤형으로 개인화하고 건강 결과를 개선할 수 있도록 설계되었다고 지적합니다. 클랜시 교수는 “개인 맞춤형 또는 정밀 의학이라는 개념은 오래전부터 존재해 왔습니다. 이제 우리는 그것을 실현할 수 있는 지평선에 서 있는 것 같습니다. 이전에는 해보지 못했던 방식으로 말입니다.”라고 말합니다.
필립스·지멘스, 디지털 쌍둥이 기술 의료 분야 접목
디지털 트윈 기술을 의료 분야에 접목하는 데 앞장선 대표 주자는 필립스와 지멘스입니다. 첨단 시뮬레이션과 실시간 데이터 분석을 통해 환자 예후를 개선하고 운영을 간소화하며, 의료 치료를 개인화할 수 있도록 하는 것을 목표로 하고 있는 이들의 이니셔티브 가운데 대표적인 것은 심장 관리, 치료 계획 시뮬레이션, 제약 프로세스 최적화입니다.
심장 관리 분야에서 필립스는 초음파 이미지에서 환자 심장의 해부학적 세부 사항을 추출하는 첨단 도구인 다이나믹 허트모델(Dynamic HeartModel)을 개발했습니다. 이 모델은 중요한 심장 기능 매개변수를 계산하고 환자의 심장을 가상으로 하는데, 임상의가 구조적 심장 문제를 진단하고 심혈관 중재를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 지멘스는 심혈관 질환에 대한 치료 전략을 예측, 진단, 최적화하는 개인화된 AI 기반 모델인 허트 디지털 트윈(Heart Digital Twin)을 개발했습니다. 이 모델로 심장 질환에 대한 보다 정확하고 효과적인 개입을 지원하고 있습니다.
치료 계획 시뮬레이션 분야에서 필립스는 디지털 트윈을 사용해 의료 절차를 시뮬레이션함으로써 의료진이 위험 부담이 없는 가상 환경에서 치료 계획을 연습하고 개선할 수 있도록 합니다. 다양한 ‘가정(what-if)’ 시나리오를 테스트함으로써, 임상의들은 실제 환자 치료에 적용하기 전에 전략을 최적화할 수 있고, 정확성을 높일 수 있습니다.
제약 프로세스 최적화 분야에서 지멘스는 백신 개발과 제약 제조에 디지털 트윈 기술을 활용합니다. 생산 작업 흐름의 가상 복제본을 만들어 공정을 최적화하고 개발 주기를 단축하며 제품 품질과 효율성을 높이는 것입니다.
이 밖에도 필립스는 의료 장비의 예측 유지보수에 디지털 트윈을 활용하는 기술을 개발했습니다. MRI 스캐너와 같은 의료 기기의 가상 모델을 만 이 모델은 내장된 센서의 데이터로 지속적으로 업데이트되어 실시간 모니터링, 진단 및 예측 유지보수가 가능합니다. 이 접근 방식은 잠재적인 문제가 장비 가동 중단으로 이어지기 전에 식별하는 데 도움이 되며, 가장 필요할 때 중요한 장치가 계속 작동하도록 보장합니다.
필립스와 지멘스 외에 메이요 클리닉은 개인 맞춤형 암 치료를 위한 디지털 트윈을 집중 연구하고 있으며, COVID19 백신으로 유명한 아스트라제네카는 약물 테스트 및 최적화를 위한 디지털 트윈을 연구하고 있습니다.
상세히 살펴본 의학계에서 이뤄지고 여섯 개 연구팀의 디지털 쌍둥이 연구는 그 방향성이 어디를 향하고 있는지를 가늠하게 해줍니다. 전문가들은 건강을 위한 디지털 쌍둥이를 ‘개인 맞춤형 의료의 혁명’이라고 부릅니다. 앞선 연구에서 본 것처럼 디지털 쌍둥이는 개인의 신체, 건강 데이터, 의료 기록을 토대로 가상으로 만들어진 것이지만, 실시간 정보로 지속적으로 업데이트됩니다. 이 디지털 모델을 통해 의료 전문가나 AI 시스템, 각 개인은 건강 결과를 시뮬레이션하고 예측하며, 치료를 개인화하고, 웰빙을 최적화할 수 있습니다. 여기서 치료의 개인화, 즉 맞춤형 의료가 이루어지는 것이 핵심입니다.
디지털 쌍둥이 커다란 잠재력 중 하나는 정보 확장성
디지털 트윈의 커다란 잠재력 중 하나는 정보의 확장성입니다. 개인의 웨어러블 기기(스마트워치, 피트니스 트래커), 의료 기록(과거 진단, 처방전, 실험실 결과), 유전자 정보(DNA 검사), 실시간 생체 정보(심박수, 산소 수준, 혈당), 더 나아가서는 생활 습관 정보(수면, 운동, 식습관) 등 다양한 데이터 소스를 사용하여 생성될 수 있습니다. 가상으로 만들어진 존재이지만 데이터를 나보다 더 정확하게 수집하여 내 건강 상태를 그대로 반영한 쌍둥이인 셈입니다. 이 데이터를 분석하여 고능 AI에 의해 시뮬에이션이 이루어집니다. 이 과정을 통해 잠재적인 질병이나 건강 위험을 예측하고, 조기 경보를 발령하기도 하고 맞춤형 치료법이나 생활 습관 변화를 제안합니다. 한 걸음 더 나아가 다양한 치료나 개입이 가져올 신체에 미치는 영향과 변화를 시뮬레이션합니다.
다음 단계는 디지털 쌍둥이를 ‘의료 혁명’이라고 부르는 근거인 개인 맞춤형 의료 애플리케이션의 작동입니다. 우선은 예방 치료 기능으로 증상이 나타나기 전에 잠재적인 건강 위험에 대한 경보를 제공합니다. 맞춤형 치료 기능으로 당뇨병과 심장병 같은 만성 질환에 대한 개인 맞춤형 접근이 이뤄집니다. 수술 계획을 세우는 데도 활용되어 수술 전 절차를 최적화하기 위한 가상 리허설을 합니다. 이를 통해 수술 시간의 단축에 기여할 뿐만 아니라, 가장 적합한 수술 방법을 사전에 체크할 수 있습니다.
이밖에도 정신 건강 모니터링도 가능해서 AI를 이용한 기분 패턴을 추적해서 및 개입하기도 합니다. 의료 분야에서 활용되는 디지털 쌍둥이의 이점은 △질병의 조기 발견 △개인의 상황에 맞는 최적화된 치료 △치료 기간 단축과 의료 비용 절감 △지속적인 모니터링과 실시간 피드백 △개인 맞춤형 웰니스 플랜으로 식이요법, 운동, 생활방식 추천 등 다양합니다.
의료 분야 디지털 쌍둥이 기술은 우리 곁에 성큼 다가와 있습니다. 가까운 미래에 디지털 트윈은 개인 건강 관리의 필수적인 일부분이 될 것이며, AI 기반 가상 의사, 예측 건강 모델, 정밀 의학과 원활하게 통합될 것입니다. 기술 발전에 따라 의료 서비스 제공 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 각 개인을 위한 개별화된 맞춤형 방식으로, 사전 예방적이면서 효율적인 의료 서비스로 구현될 것입니다.
임삼진 기자 isj2020@etomato.com
이 기사는 뉴스토마토 보도준칙 및 윤리강령에 따라 강영관 산업2부장이 최종 확인·수정했습니다.
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