'천편일률' 벗고 '천편천율' 의료 온다

창간 51주년 기념특집
4차 산업혁명 의료를 바꾼다

구성욱 연세의대 교수(강남세브란스병원 척추신경외과· 융합의학과 의료기기산업학과)

4차 산업혁명은 디지털·생물학·물리학 등의 핵심 산업기술간의 경계가 허물어지고 융합돼 새로운 산업으로의 변화와 혁신이 초래할 것으로 예상된다.

이같은 4차 산업혁명의 대두에 따라 향후 달라질 의료기기 분야 혁신기술에 대해 소개하고, 실제 의료현장에 접목되어 사용되고 있는 의료기기 분야 기술에 대해 알아 보고자 한다.

3D프린터의 기본 원리는 3차원으로 설계한 데이터를 기반으로 다양한 재료를 사용해 한 층씩 바닥부터 윗부분까지 쌓아서 입체적 형태를 갖춘 물건을 완성하는 것이다.

2015년 Transparency Market Research에서 발표한 '3D Printing in Medical Application Market: Future Trends and Forecast' 보고서에 따르면, 의료용 3D 프린터 세계 시장 규모는 2015년 5.4억 달러에서 연평균 성장률이 15.4%로 증가해 2021년에는 12.9억 달러 규모가 될 것으로 전망되고 있다.

현재 3D 프린팅 기술을 활용해 의료기기를 생산하는 것으로는 인공관절, 척추 임플란트와 두개골 및 악안면의 재건 성형술 등의 국소부위에 활용하고 있다.

FDA에 따르면 현재까지 3D 프린팅 의료기기로 허가받은 제품은 환자 맞춤형 임플란트, 고관절 및 무릎, 척추케이지 등과 수술용 가이드, 치과용 브릿지가 포함돼 있으며, 3D 프린팅 의료기기의 국내 허가 현황으로는 2013년부터 2016년까지 총 11건의 의료기기가 허가됐으며, 주로 인공 뼈·보형재 등의 정형용품이 주를 이루고 있다.

미국 미시간 대학병원 의료진과 공대 연구진은 3D Printer를 활용해 '기관지연골연화증'을 겪는 아이의 기도 형상을 MRI로 촬영해 분석한 뒤, 3D 프린팅 기술로 맞춤형 기도 부목을 제작, 이식해 성공한 전례가 있고, 국내에서는 연세대에서 두개골 결손 환자 및 천추골 및 척추체 종양 환자에서 종양 제거 후 결손된 해부학적 구조물에 대해 티타늄 3D프린팅 기술을 이용해 환자 맞춤형 재건 수술에 성공했다.

3D 프린터의 기본 원리는 3차원으로 설계한 데이터를 기반으로 다양한 재료를 사용해 한 층씩 바닥부터 윗부분까지 쌓아 입체적인 형태를 갖춘 물건을 완성하는 것이다. ⓒ의협신문 김선경기자

또 의학교육을 위해 사체를 이용한 해부 수술 실습을 시행해 오고 있는 데, 질병 맞춤형 모델을 3D 프린팅을 이용해 제작할 경우 수술을 배우는 의사들에게 큰 도움이 될 것으로 예상되며, 실제 환자를 수술하기 전에 혈관 및 종양 환자의 실제 모델을 만들어 수술 전 정확한 수술 계획을 세우는 데 도움이 될 수도 있다.

하지만, 이를 위해서는 복잡한 인체와 유사한 모델을 개발하기 위해 여러 가지 다양한 소재를 사용해 정밀한 구조물을 만들 수 있는 최첨단 3D 프린팅 기술이 필요하다.

4차 산업혁명으로 달라질 의료기기 분야 혁신 기술

의료용 로봇은 의료 현장의 다양한 분야에 로봇기술을 융합해 보다 안전하고 편리한 의료서비스를 제공하는 시스템이다.
국제 로봇 연맹의 World Robotics 2015에 따르면, 2014년 세계 로봇시장은 2013년 149억 달러 대비 12.3% 성장해 167억 달러로 증가 했으며, 최근 5년 간 연평균 20%의 성장세를 보였다.

한국로봇산업협회에서 499개 업체를 대상으로 한 '2014 로봇산업 실태조사'에 따르면, 국내 로봇 의료기기는 2012년 이후 지속적인 성장세를 보이며 전문서비스용 로봇 시장에서 로봇 의료기기가 가장 큰 규모를 차지하고 있다.

현재 임상에서 사용되고 있는 로봇의료기기로는 수술로봇과 재활로봇으로 나눌 수 있는데, 대표적인 수술로봇제품으로는 다빈치가 가장 많이 사용되고 있으며, 모낭 및 모발의 방향을 자동으로 체크해 모발을 이식하는 모발이식용 수술로봇인 ARTAS, 이스라엘 수술용 로봇업체의 척추 수술 전문 로봇인 르네상스 등이 있으며, 국내에서는 컴퓨터단층촬영 영상을 이용한 무릎관절 수술로봇인 티솔루션원, 세브란스와 미래컴퍼니가 공동 개발한 수술로봇 레보아이 등이 있다.

재활로봇으로는 스위스에서 개발한 완전 척추 손상 등으로 운동 및 감각능력 없는 환자도 사용 가능한 재활로봇인 LokomatPro, 미국에서 개발된 하반신마비 환자가 서서 걸을 수 있도록 설계된 착용형 로봇인 ReWalkers 6.0 등이 있으며, 국내에서는 뇌졸중·척추손상 등으로 인한 보행 장애 환자를 위해 개발된 WalkBot_S, 의료용 보형 재활로봇인 Morning Walk, 노약자 및 장애인 근육 재활을 위한 로봇인 HEAR series 등이 있다.

2000년대 초반 인간 유전체 해독 비용이 1억 달러였던 것이 최근에는 약 100만원으로 감소되면서 각 개인의 유전 정보를 쉽게 알게 됐으며, 이와 함께 빅데이터 기술이 발전함에 따라 정밀의학의 개념이 도입됐다.

과거에는 동일한 암질환에 동일한 항암약물치료를 적용했으나, 최근에는 종양 유전체 정보를 활용해 표적항암제 치료를 환자 맞춤형으로 시행할 수 있게 됨으로써 보다 효과적으로 약물치료를 할 수 있게 됐다.

뿐만아니라 대규모 코호트 빅데이터를 활용해 환자마다 다른 유전적·환경적 요인과 질병 경력, 생활 습관 등을 사전에 인지해 환자에게 적정한 약과 용량을 적정한 시기에 사용해 환자별 최적화된 치료법을 제공하는 정밀의료 서비스를 제공할 수 있게 됐다.

나노기술은 원자나 분자수준에서 계측하고 만들며, 예측할 수 있게 하는 기술을 일컬으며, 나노기술은 전자, 통신, 환경, 생명과학, 재료공학, 방위산업, 의약, 에너지 등 폭넓은 응용성으로 사회 전반의 패러다임을 바꿔 놓을 수 있기 때문에 미국·일본·EU 등 주요 선진국들은 나노기술을 21세기 국가경쟁력을 좌우할 핵심기술로 보고 국가차원의 개발계획을 내놓고 있다.

의료기기 분야에서 나노기술의 적용은 각종 실험실 및 병원에서의 체내이식용 센서, 약물전달의 새로운 제형 또는 경로, 체내이식을 목적으로 하는 생체적합성 고기능 의료용 재료 등의 사용을 예로 들 수 있으며, 바이오칩·극미세 전자 기계 시스템(MEMS) 기술·나노로봇 등이 있다.

이 중 가시적 성과가 나타나는 분야가 DNA칩 분야인데, 미국에서는 임상용으로 이 기술이 적용된 제품에 대해 품목허가 검토 중이고, 우리나라에서도 HPV바이러스진단용 칩의 국내 제조품목허가를 한 바 있다.

전 세계 나노기술의 시장 규모는 2015년 기준 1350억달러(약 164조원)로 항암제가 주를 이루고 있으며, 2020년에는 관련 시장이 2120억달러까지 성장할 것으로 기대하고 있다. 이 가운데 항암제의 비중은 20%이며 현재 개발 중인 나노의약품 47%도 암관련 약물 및 전달체이다.

향후 나노기술을 활용해 단분자 수준의 정밀도로 바이오 물질을 감지할 수 있는 진단 소자들의 개발이 예상되며, 휴대용 진단 기기 및 나노 진단 소자가 개발돼 신속 정확한 건강 상태의 진단이 가능해질 것으로 예상된다.

또 나노구조를 이용해 유해한 생체 조직에만 특정하게 작용하는 지능형 약물 전달 및 치료 시스템이 개발돼, 암과 같은 난치병의 치료가 가능해질 것이며, 나노바이오 기술의 발전으로 손상된 조직이나 장기의 기능을 대체할 수 있는 나노기기가 개발되어 각종 신체장애의 문제들을 해결하게 될 것이다.

현재까지는 환자가 증상이 나타나면 병원에 방문해 외래 진료를 보고 검사를 받고 필요시 약물투약과 수술적 치료를 했던 의료행위가 향후 4차 산업혁명으로 미래에는 크게 달라질 것이다.

환자는 질병에 의한 증상이 나타나기 전에 혈압·혈당을 포함한 건강관리가 병원이 아닌 가정 및 일반 사회에서도 평상시 손쉽게 체크돼 관리할 수 있게 될 것이다.

또 질병이 발생하게 되면 질병에 따라 천편일률적으로 치료 방침이 결정되는 현재의 치료 시스템과는 달리 정밀의학의 도입으로 개별적인 환자에 맞는 맞춤형 처방과 각자의 환자에 맞춰 정확하게 수술을 시행할 수 있는 맞춤치료가 가능하게 될 것이다.

이를 통해 향후 미래에는 의료의 개념이 평생 건강관리의 개념으로 확대될 것으로 예상된다.