전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2020.11 특집 요약 (p58~61)

뇌를 단련시키는 ‘재활 혁명’
VR과 센서를 이용한 재활 트레이닝

질환이나 노화로 인해 저하된 몸의 기능을 회복시키는 ‘재활 치료’에 가속도 센서와 VR(가상현실) 등 첨단 기술을 이용하려는 움직임이 나오고 있다. 환자의 움직임을 수치화해 분석함으로써 효율적인 재활을 지원하는 것이다. 뇌 연구의 발전과 더불어 뇌 활동에 착안한 재활 기술도 발전하고 있다. 재활 효과를 높일 가능성이 있는 기술들을 취재했다.

의학의 발달로 뇌졸중 환자의 생존율이 높아진 반면, 마비 등 후유증에 직면하는 환자들이 늘어나면서 재활 치료 건수는 이전보다 증가하고 있다. 2019년의 ‘고령사회 백서’에 따르면 65세 이상의 고령자가 개호가 필요하게 되는 원인 중 2위는 뇌졸중으로, 최근 10년 간 증가하고 있다.

재활 치료의 수요가 늘어나고 있는 가운데, 주목을 받고 있는 것이 재활의 고효율화에 기여하는 첨단기술이다. 지금까지 재활 치료 효과는 재활 치료를 지원하는 측의 기술과 재활을 받는 측의 의욕에 크게 의존해왔다.

물리치료사는 마비 등 장애가 남아있는 환자의 손발을 직접 움직여 가동 영역을 확대해 근력 트레이닝을 실시하지만, 자신의 지식과 과거의 경험, 감각을 기반으로 하고 있다. 다르게 말하자면, 물리치료사 개인의 경험과 기량에 따라 재활 효과의 차이가 발생할 가능성이 있다.

한편, 재활을 받는 측의 의욕이 없다면 치료 효과를 높이는 것은 불가능하다. 환자의 의욕을 불러일으키는 것도 재활 효과를 높이는데 있어 중요하다.

-- 데이터를 기반으로 한 재활 --
“보행 분석용 센서는 이용이 간편하고 효과도 높아 우리 개호 시설에서 없어서는 안될 존재가 되고 있다”(개호시설을 운영하는 와세다(早稲田)엘더리(Elderly)헬스사업단의 이토(伊藤) 매니저).

물리치료사의 트레이닝 질을 일정하게 유지하고 재활 치료를 받는 환자의 의욕을 높이는데 효과가 높다고 주목 받고 있는 것이 센서를 통해 몸의 움직임을 구체적인 수치로 계측하는 기술이다.

몸의 움직임을 수치화할 수 있게 된다면 물리치료사는 환자의 어느 곳에 초점을 맞춰 트레이닝을 실시해야 할지 파악하기 쉬워진다. 또한 환자도 자신의 몸의 움직임을 수치로 판단할 수 있기 때문에 재활의 모티베이션 향상으로 이어진다.

와세다엘더리헬스사업단은 한 기업이 개발 중이었던 보행 분석 센서를 데일리 개호 시설에서 활용해왔다. 하지만 개발처가 사업화를 단념하게 되면서 계속해서 이용할 수 없게 되는 위기에 직면했다. ‘없어서는 안될 존재’가 되어버린 보행 분석용 센서를 시설에서 계속 이용할 수 있도록 하기 위해 와세다엘더리헬스사업단은 직접 지적 재산권을 인수하는 결정을 내리게 된다. 이후 다른 시설에서도 수요가 있을 것으로 판단해 ‘AYUMI EYE’라는 명칭으로 2018년부터 외부 판매를 시작했다.

AYUMI EYE는 3축 가속도 센서가 장착된 벨트형 기기로, 이용자가 허리 부분에 착용하고 수 미터 걸으면 보행 능력을 독자적인 알고리즘으로 점수화한다. 이용자의 보행 시 상하, 좌우, 전후의 가속도 정보를 분석, 보행 속도와 보폭 등으로 알 수 있는 추진력, 좌우 균형, 리듬 등을 추정해 이를 바탕으로 종합적인 평가를 제시한다.

계측 후에는 리포트를 작성하는 시스템이기 때문에 시간 경과에 따라 보행의 수치를 기록, 비교 분석할 수 있다. 리포트에는 보행 상태를 개선하기 위한 트레이닝 메뉴도 있다. 예를 들어 추진력 스코어가 낮을 경우, 착지 시에 무릎을 지탱하는 허벅지의 대퇴 사두근을 단련하는 트레이닝을, 균형 스코어가 낮을 경우에는 골반을 안정시키기 위해 대전근과 중전근을 단련하는 트레이닝을 추천해준다.

물리치료사 등 전문가는 계측 결과를 기반으로 재활 치료 계획을 세울 수 있다. “경험칙과 근거를 통해 판단이 가능해진다. 실력이 좋은 물리치료사뿐만 아니라 누구나가 적절하게 보행 능력을 평가해 효과가 높은 트레이닝을 선택할 수 있다”라고 이토 매니저는 말한다.

-- VR 재활 치료로 지팡이 없이 보행 가능 --
게임 등에서 이용이 확대되고 있는 VR을 이용한 재활 치료 효과가 실증되고 있다. 10년 전, 소뇌 출혈로 인해 지팡이 없이는 걸을 수 없었던 한 40대 여성은 하루에 20분 정도의 VR 재활 치료를 2달 간 주 3회 지속한 결과, 지팡이 없이도 걸을 수 있게 되었다. VR 재활 치료 전에는 몸의 우측 기능 저하가 심해 스스로 손발을 제어해 움직이는 것이 어려웠다. 팔을 위로 올리는 동작만으로 균형이 무너지는 상태였다고 한다.

“VR은 상하좌우뿐만 아니라 몸의 안쪽 근육을 이용해 움직이도록 하기 때문에 재활에 적합하다”라고 여성이 이용한 재활용 의료기기 ‘mediVR 카구라(カグラ)’를 개발해 판매한 mediVR의 하라(原) 사장은 이렇게 설명한다. 하라 사장은 의사로, 기존의 재활 현장을 보면서 VR을 이용한 트레이닝이란 아이디어를 생각해냈다고 한다.

카구라는 보행이 어려운 환자가 안정적으로 보행할 수 있도록 하는 목적으로 개발되었다. 환자는 앉은 상태에서 VR을 착용하고 컨트롤러를 스스로 움직여 화면 상에 보이는 물체를 터치한다. 재활 치료를 하기 전 환자가 어느 위치까지 팔을 움직일 수 있는 지를 계측해 팔이 닿지 않는 장소에 물체가 표시되는 것을 방지하는 등 환자에 맞는 콘텐츠를 제시한다.

지팡이가 필요 없게 된 이 여성은 어떻게 VR로 걸을 수 있게 되었을까? 하라 사장에 따르면 보행에 필요한 요소는 (1) 하지 근력, (2) 자세의 균형, (3) 복수의 과제를 동시에 처리하는 뇌의 능력이라고 한다. “(1)을 단련하는 방법은 있지만, (2)와 (3)을 단련하는 방법은 실질적으로 없다. 카구라는 이 두 가지를 단련시킬 수 있다”(하라 사장).

후유증으로 (2) 자세의 균형이 무너져버리는 원인은 뇌의 기억과 실제 환자의 움직임에 미스 매치가 발생하기 때문이라고 알려져 있다. “자신의 기억과 실제 움직임에 괴리가 있기 때문에 재활 치료를 통해 보행 시의 균형을 몸이 다시 기억하도록 할 필요가 있다”(하라 사장).

통상적인 재활 치료에는 환자가 올바른 동작을 했는지 여부를 뇌에 피드백 하는 자극이 매우 적다는 것이 단점이다. 카구라는 환자가 화면 상에 나타난 물체를 터치하면 화면 상에 ‘잘했어요’라는 표시와 함께 소리가 울리며 컨트롤러가 진동한다. 시각과 청각, 촉각을 통해 올바른 동작에 성공한 것을 본인에게 피드백 해준다. 그러면 뇌가 기억해  올바른 자세의 균형을 잡을 수 있게 된다.

그 외에도 걷기 위해서는 (3)을 동시에 처리하는 능력 향상이 요구된다. 보행 시에는 주위 상황을 인지하면서 자신의 다리를 움직이는 이중 작업을 뇌가 동시에 처리해야 한다. 하지만 질환이나 노화로 이것이 잘 처리되지 못하게 되면, 주위가 산만해지고 다리가 꼬이는 등 자립 보행이 어려워진다. 카구라로 트레이닝을 할 경우, 눈에 보이는 물체를 잡고 움직이는 이중 과제를 처리하는 재활 치료를 할 수 있다.

-- 뇌 활동을 가시화 --
기존의 재활 치료는 마비된 몸이 움직이는지 여부에 착안한 트레이닝이었지만, 최근에는 손상된 뇌가 이상적인 활동을 하는지 여부를 관찰하는 요법도 등장했다. “앞으로 뇌졸중 재활 치료는 뇌를 치료하는 접근이 필요하다”(게이오대학 이공학부 생명정보과의 우시바(牛場) 조교).

이전부터 재활 치료 연구에서 뇌는 주목을 받았지만, 복잡한 장기이기 때문에 기대만큼의 연구 성과를 내지 못했다. 하지만 최근 들어 뇌의 활동 상태를 가시화하는 기술의 발달로 연구는 큰 진전을 보이기 시작했다. 손상을 입기 전의 뇌 영상과 재활 치료를 받고 몸이 움직이게 된 후의 뇌 영상을 비교한 결과, 새로운 지식을 알게 된 것이다.

재활 치료가 성공한 경우는 손상된 뇌의 주위가 손상된 부분을 대신해서 활동해 몸을 움직이는 지령을 보완해준다는 사실을 2015년, 산업기술종합연구소 등의 연구팀이 손상 전과 재활 후의 원숭이 뇌를 PET(양전자방출단층촬영)로 조사해 밝혀냈다. 또한 연구팀은 2019년, 재활 과정 중 손상 부위 부근의 뇌 영역에서 새로운 신경회로가 구축되고 있는 것을 알아냈다.

“재활 치료가 잘 진행될 때의 변화하는 뇌의 모습을 알 수 있게 되었다. 현재는 재활 치료 중에 바람직한 변화가 일어나고 있는지를 모니터링 하는 기술을 개발하고 있다”(산업기술종합연구소 인간정보연구부문의 히고(肥後) 연구그룹장). 구체적으로는 기능적 근적외분광법(Functional near-infrared spectroscopy: fNIRS)으로 모니터링 하는 방법이다.

fNIRS는 두피 위에서 근적외광을 뇌 안으로 조사(照射)해 뇌 표면 부근의 혈류 상황을 측정한다. 뇌의 혈류는 뇌 활동 상태를 반영하고 있다고 알려져 있다. 뇌가 흥분하면 산소를 필요로 하기 때문에 혈류가 빨라지고 이에 fNIRS가 반응해 신호를 검지할 수 있는 것이다.

히고 연구팀장이 이끄는 연구팀은 원숭이를 대상으로 손상 부위 부근의 뇌 기능에 관련된 신호만을 핀포인트로 모니터링 하는 기술을 개발. 현재는 사람의 뇌 활동을 계측할 수 있도록 조정하고 있다.

뇌 활동을 가시화할 수 있게 되면 본래 목적인 재활 치료를 위해 뇌의 특정 부위가 기능할 수 있도록 하는 기술 개발로 전환할 계획이다. 예를 들면 약물을 투여하거나 뇌에 직접 전기가 흐르도록 하는 접근, 활성화시키기 위한 트레이닝 등이 상정된다.

-- 올바른 뇌의 활동을 인식 --

-- 약 및 재생의료와의 상승효과 노려 --
우시바 조교에 따르면 보다 효율적으로 몸의 기능을 회복시키기 위해서는 재활 치료 외에도 다양한 접근을 병용하는 것이 필요하다고 한다.

예를 들어 신경세포에 작용하는 약물이나 신경세포 등을 이식하는 재생의료 등의 연구가 추진되고 있다. “재활 치료를 약물이나 재생의료 등과 조합해 상승 효과를 얻을 수 있다고 판단하고 있다. 유효한 조합을 찾기 위해서는 재활 치료를 통해 신경회로가 구축되는 상세한 메커니즘 해명이 반드시 필요하다”라고 우시바 조교는 강조한다.

현재는 재활 중의 원숭이 뇌 신경세포를 개별적으로 관찰해 기존 신경세포의 연결이 굵어지면서 견고해지는지, 아니면 기존에는 없었던 신경회로를 새롭게 만들어내고 있는지 등을 조사하고 있다.

상세한 메커니즘을 알 수 있게 된다면 신경회로 구축에 유효하다고 판단되는 약물 및 재생의료의 작용에 맞는 조합과 조합 순서를 정하는데 도움이 된다. 새로운 재활치료 기술과 약물 및 재생의료의 조합을 통해 움직이지 않았던 손끝이 움직이게 될 것이다.

-- 후생노동성, 재활 결과 중시 --
재활 치료 병원의 진료 보수를 결정하는 후생노동성은 재활 치료를 실시한 사실뿐만 아니라 재활 결과까지 중시하고 있다. 병원이 일부 재활 치료 입원비를 정산하기 위해서는 재활 치료의 ‘실적 지수’ 기준을 상회하지 않으면 안 된다. 재활 치료의 실적 지수는 입원 기간 중에 일상생활에 필요한 신체 기능이 어느 정도 개선되었는지를 나타내는 것이다. 재활 치료를 통해 기능이 개선되면 실적 지수 상승으로 이어지기 때문에 효과가 높은 트레이닝이 요구된다.

개호(介護) 현장에서도 자립적인 움직임을 지원하는 효과적인 프로그램을 실시할 경우, 개호 보험 제도 하에서 시설에 가산점이 부여된다. ‘재활 치료의 효과가 중시되는 움직임은 앞으로도 확대될 것이다’라고 전망하는 의료 관계자들도 많다. 첨단 기술을 이용하거나 뇌파를 측정하는 등의 새로운 접근 방법의 재활 치료가 앞으로 점차 늘어날 것으로 기대되고 있다.

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