전기전자/정보통신

NTT 기술저널_2021.5 특집 (p8~13)

NTT 의료건강 비전
바이오 디지털 트윈의 실현을 목표로

NTT는 2020년 11월에 의료건강 비전을 공개해, 바이오 디지털 트윈(Bio Digital Twin)의 실현을 위한 연구개발을 추진하고 있다. 이번 특집에서는 국내∙해외에 새롭게 설립한 연구소의 조직 체제를 소개함과 동시에, 미래의 바이오 디지털 트윈의 요소 기술이 되는 생체 정보의 취득∙분석∙예측의 최신 기술에 대해 설명한다.

목차

1. 바이오 디지털 트윈이 창조하는 데이터 구동형 의료건강 지원
의료건강 비전 및 바이오 디지털 트윈의 요소기술인 생체 정보의 취득∙분석 및 체내에서의 치료 실현을 위한 최신 기술 내용에 대해 소개한다.

2. 생활습관병 및 개호 필요에 관한 리스크와 요인 분석의 활동
생활습관병을 대상으로 한 게놈 데이터 분석과 개호가 필요한 요인으로 주목받고 있는 로코모티브신드롬(Locomotive Syndrome, 운동기능저하 증후군)을 대상으로 한 코호트 조사 데이터 분석을 소개한다.

3. 플러스적 심적 변화를 가져오는 행동변용 지원 기술
생활습관 개선을 유스케이스로 한 맞춤형 어드바이스 제시에 의한 행동변용 지원 기술에 대해 소개한다.

4. 체내 리듬의 가시화를 목표로 한 웨어러블 심부 체온 센서 기술
열의 흐름을 착안해 몸에 센서를 부착하는 것만으로 심부 체온을 측정할 수 있는 기술의 개요 및 현재 연구의 진척 상황에 대해 소개한다.

5. 생체음과 심전 신호의 새로운 계측과 해석 기술 – 퍼스널 심장 모델링에 의한 심 질환의 조기 발견∙재활 응용을 위해
장착형 음향 센서 어레이(Array)에 의한 생체음 계측 및 hitoe^®에 의한 텐솔 심전도 등의 새로운 개측 및 해석 기술과 그것들을 이용한 신호 처리∙기계학습 기술의 활동에 대해 소개한다.

6. 의료건강의 미래를 개척하는 바이오닉스 기술
생체 정보의 취득을 위한 생체기능 디바이스 기술 및 핸디캡 지원을 위한 사이버네틱스 (Cybernetics, 인공두뇌학) 기술의 활동에 대해 소개한다.

● 바이오 디지털 트윈이 창조하는 데이터 구동형 의료건강 지원

지금 인류는 유례없는 코로나19의 팬데믹을 경험하고 있다. 이에 NTT는 심신 상태의 미래 예측을 통해 미지의 리스크를 피하며, 건강하게 앞으로 희망을 간직할 수 있는 의료의 미래 실현에 공헌하기 위해, 2020년 11월에 의료건강 비전인 ‘바이오 디지털 트윈의 실현’을 발표했다.

이번 특집에서는 의료건강 비전 및 바이오 디지털 트윈의 요소기술인 생체 정보의 취득∙분석 및 체내에서의 치료 실현을 위한 최신 기술 내용에 대해 소개한다.

-- 의료 건강 분야의 새로운 기대 --
인류는 코로나19의 팬데믹의 한 가운데에 있으며, 일상생활 및 의료, 사회 시스템에 심각한 타격을 받고 있다. 감염자의 증상은 중증도, 치사율 및 예후에 있어서 지역차나 개인차가 크며, 생체의 미지 영역에 대한 광대함과 깊이를 새삼 깨닫게 된다. 지금도 여전히 시민과 의료 종사자의 안전확보, 시민생활의 유지가 최대의 과제가 되고 있다.

NTT는 인류가 미지의 리스크를 뛰어넘어, 안심∙안전한 생활을 보내며, 각자가 원하는 행복한 삶을 꾸려 나가기 위해 심신의 건강과 더불어, 미래 희망적인 삶을 이어나갈 수 있는 것이 중요하다고 생각된다.

이를 위한 실현에는 미지의 리스크에 의한 생체 이상을 조기에 파악해 질병의 발병이나 중증화의 인과관계를 감안한 예방∙치료와 더불어, 개호가 필요한 사람이나 장애인 지원의 개별화∙최적화가 지금까지 이상으로 요구되고 있다고 생각한다.

-- 의료건강 비전인 ‘바이오 디지털 트윈의 실현’ --
이에 NTT에서는 IOWN(Innovative Optical and Wireless Network)의 구성요소 중 하나인 디지털 트윈 컴퓨팅에 의해 사람들 각자의 신체 및 심리의 정밀 사상(寫像)(바이오 디지털 트윈, BDT)을 실현하는 것을 목표로 하고 있다. BDT를 통해 심신의 상태를 예측해, 인간이 건강하게 희망적인 삶을 이어나갈 수 있도록 의료의 미래에 공헌하는 것을 비전으로 규정했다.

BDT는 개인별 사상(寫像)뿐만 아니라, 불특정다수의 개인 집합체의 사상(寫像)을 형성하는 것도 가능하다고 생각된다. 또한 여기서 말하는 의료에는 의료 종사자에 의해 제공되는 의료 외에, 헬스케어, 개호, 장애인 지원 등이 포함되어 있다.

심신의 미래를 예측하기 위해서는 ①장기 기능의 디지털 사상화(寫像化)가 필요하다. 향후 환자 수가 급증할 것으로 예측되며, 증상이 나타나면 현저하게 QoL(Quality of Life)가 저하되는 심질환에 착안해, 심장의 모델화 검토부터 착수하고 있다. 또한 생체는 환경이나 부하에 대응해 시시각각 변화하고 있다.

따라서 ②심전, 심음(心音), 혈당치 등 바이오마커의 생체 정보는 심신의 부담이 적으며, 통상 시 또는 적시에 측정하는 것이 필요하다. 뿐만 아니라, ③사람의 행동 메커니즘, 심리, 복수의 장기가 연관된 질환 등, 복안시(複眼視)적 심신상태의 예측 시뮬레이션이 필요하게 된다.

또한 미래의 예측뿐만 아니라, 구체적인 치료나 지원으로 연결시킬 필요가 있다고 보고 있으며, ④체내의 초마이크로 영역에서의 진단∙치료, ⑤개호 및 장애인 지원으로 이어지는 중추신경계로부터의 신호에 따른 사지동작의 제어에도 착목하고 있다.

이들 5가지 각 목표에 도달하기 위해 사람들을 각자 디지털 트윈화하는 기술, 각자의 개성을 파악한 심신의 비침습 실시간 센싱 기술, 심신 상태의 미래 예측 기술, 사고 및 행동의 분석 기술, 생체 적합성이 높은 재료를 이용한 인프라 더블 디바이스∙바이오 마이크로 로봇 기술, 생체 내에 있어서의 정보 전달 및 제어 기술 등의 연구 개발을 추진하고 있다.

예를 들어, 심장의 모델화에서는 심장의 우심방 압력 및 폐동맥 압력 등의 데이터 입력으로 인해 중심정맥압과 심장 박출량 등을 출력하는 혈행 동태 모델을 기반으로 심혈관 계통이 자립신경 및 혈액 용적 등을 즉시 제어하는 기능의 시뮬레이션을 시행하고 있다.

이러한 지견을 바탕으로 생활습관 및 일상의 스트레스 등으로 의한 긴 시간 축에서의 부하 조절 등, 중층적으로 작용해 전신의 항상성(恒常性)을 유지하는 기구에 주목해 검토를 추진하고 있다.

또한 BDT는 본인의 동의 아래, 개인 정보를 이용해 구축하고 있다. 개인 정보에는 앞에서 말한 실시간 수집되는 센싱 데이터 외에, 게놈 및 단백질과 같은 장기 기능의 분자생물학적 정보 및 생리 상태에 영향을 주는 운동 및 식사, 행동 이력 등의 정보가 포함되어 있다.

이에 따라, NTT 그룹 각 사의 자산을 활용해 개인 데이터의 수집∙활용에 대처하고 있으며 동시에, 주의 깊이 프라이버시 및 윤리 면으로의 배려를 시행해 나갈 것이다. 다양한 정보를 바탕으로 구축된 BDT를 이용함으로써, 그 사람의 사고(思考)나 주위 환경의 영향 등도 감안한 과거부터 미래에 걸친 심신 상태의 평가가 가능해진다.

개인적으로는 대처가 어려운 미지의 리스크를 예측해 피할 수 있을 것으로 생각된다. 그 외에도, 투약 효과 및 수술의 사전 시뮬레이션에 의한 치료 효과의 극대화나, 건강을 위해 식사 등을 무리하게 제어하지 않고 각자의 행동 메커니즘으로부터 도출된 무의식 중에서의 자연스러운 생활 습관의 개선 등이 기대된다. 뿐만 아니라, 고령자가 스스로 자립할 수 있는 생활 지원 등, 다양한 유스케이스로 활용되는 것을 목표로 하고 있다.

-- NTT 의료건강 분야의 연구개발 체제와 활동 테마 --
의료건강 분야는 ICT화 및 AI(인공지능) 분석의 도입이 추진되고 있으며, 원격∙비접촉∙일상∙재택에서의 최첨단 진단∙치료 기술을 도입하면서 크게 변혁하려 하고 있다. 또한, 매일 손쉽게 자신의 컨디션을 알 수 있는 웨어러블 타입의 헬스케어 디바이스는 단말기에 다양한 계측 기능이 추가되어, IoT(Internet of Things) 시대의 도래와 함께, 세계적으로 경쟁이 심각해지고 있다.

그런 배경 속에서, NTT연구소에서는 의료건강 분야의 국내 연구 거점으로서 2019년 7월에 바이오 메디컬 정보과학연구센터(BMC)를 설립했다. ICT 및 AI기술을 활용한 데이터 구동형의 의료 및 헬스케어를 창조하는 것을 미션으로 하며, 의료건강 비전의 실현을 위해 관련 연구소와 횡단적으로 연대하면서 연구 개발을 추진하고 있다.

NTT연구소에서는 바이오 디지털 트윈의 구성요소인 ‘심신의 미래 예측 기술’, ‘생체 센싱 기술(웨어러블∙원격∙비침습)’, ‘심장 이상 검지∙예지 기술’, ‘’체내 마이크로 치료 기술’ 등의 테마를 축으로 기초부터 응용 연구까지 폭넓게 추진하고 있다. 또한 2019년 7월에 설립된 해외연구 거점인 NTT Research, Inc. 생체정보처리연구소(MEI Labs)와 함께 세계적 시점을 도입해 연구 개발을 가속화해 글로벌 파트너와의 CO-이노베이션을 추진하고 있다.

뿐만 아니라, NTT그룹회사와 깊이 연계하며 의료건강 분야에서의 적용 서비스의 영역 확대를 도모하고 있다. 진보가 빠른 의료건강 분야에 있어서 빠르게 성과를 올려, 의료건강 비전에 맞는 사회 구현을 목표로 하기 위해서 NTT그룹만으로는 의료계 기술의 확립 및 사회적∙임상적∙선진적 수요의 파악이 어려운 면도 있다.

이에, 국내∙해외의 의료기관∙연구기관∙대학 및 파트너 기업, NTT그룹이 보유하는 병원 등과 협업 및 공동 창조를 통해 연구 개발을 추진해 나가고 싶다고 생각한다. 이번 특집에 있어서 의료건강 비전의 실현을 위한 구체적인 연구 개발 내용은 각 기사를 참조하기 바라며 여기에서는 각 테마의 개요를 소개한다.

우선, ‘2. 생활습관병 및 개호를 필요로 하는 것에 관한 리스크와 요인 분석의 활동’에서는 개인의 성질 및 생활 습관에 맞는 보건 지도 등을 목표로, 기계학습 및 AI를 이용한 의료 발증(發症) 리스크의 예측과 요인 분석에 대해 소개한다. 이번에는 주로 게놈 정보를 고려한 질병 발증의 요인 분석과, 개호를 필요로 하게 되는 것을 예방하기 위한 로코모션도 예측에 대해 설명한다.

이어서, ‘3. 플러스적 심적 변화를 가져오는 행동 변용 지원 기술’에서는 의료비 절감 등의 사회 과제의 해결을 위해 생활 습관 개선 등에 의한 건강 증진이 과제가 되고 있다는 점에 주목하고 있다. 그 사람에 걸맞는 어드바이스 제시를 통한 생활 습관 개선(행동 변용)을 위한 연구 개발 테마에 대해 소개한다.

‘4. 체내 리듬의 가시화를 목표로 한 웨어러블 심부 체온 센서 기술’에서는 감기 및 감염증의 지표 및 불면∙우울 등의 생체 리듬의 지표가 되는 신체의 심부 체온의 생체 센싱에 대해 소개한다. 지금까지 간편한 측정이 어려웠던 심부 체온의 일상에서의 연속 모니터링을 신체에 부담이 없는 웨어러블 디바이스 기술로 실증하고 있다.

그 다음, ‘5. 생체음과 심전 신호의 새로운 계측과 해석 기술 – 퍼스널 심장 모델링에 의한 심 질환의 조기 발견∙재활 응용을 위해’에서는 장착형 음향 센서 어레이에 의한 생체음의 계측 방법 및 hitoe^®에 의한 텐솔 심전도 등이 새로운 생체 신호 계측∙해석 기술을 소개한다. 앞으로의 바이오 디지털 트윈의 핵심 기술인 퍼스널 심장 모델링 및 심장의 이상 검지∙미래 예측 기술 및 리허빌리테이션(Rehabilitation)으로의 응용에 대해 전망한다.

마지막으로, ‘6. 의료 건강의 미래를 개척하는 바이오닉스 기술’에서는 미래의 체내 마이크로 치료법을 감안해 생체계와 공학계 분야를 잇는 생체공학(바이오닉스) 기술에 주목하고 있다. ①생체계의 지식을 공학계에 활용해 생체의 형태와 움직임을 모방하는 소프트웨어 머티리얼 디바이스 기술, ②공학계의 지식을 생체계에 활용해 생체신호를 처리해 다시 생체로 환원해 움직이게 하는 생체인공두뇌학(바이오사이버네틱스) 기술에 대해 소개한다.

생체 모방 디바이스는 장기(臟器) 모델 및 다(多)장기 연결모델을 세포∙생체 레벨에서 재현∙평가 가능한 것이 기대되는 반면, 바이오사이버네틱스에서는 재활이나 핸디캡 지원을 위한 기술 제공 가치가 높아, 쌍방 모두 도전적인 연구라고 생각된다.

앞에서 말한 것처럼 의료건강 비전 ‘바이오 디지털 트윈의 실현’을 위해 다양한 기술 분야의 연구 개발 테마를 추진하기 시작하고 있다. 앞으로도 다이내믹하게 NTT그룹 관계자 여러분, 외부 파트너 여러분과 깊은 연계 및 공동 창조를 통해 연구 개발의 측면에서 사람과 사회 전체의 웰빙 향상에 공헌해 나가고 싶다.

 -- 끝 --