최근 경두개 집속 초음파(tFUS)는 비침습적 신경치료 가능성으로 인해 뇌 자극 분야에서 주목을 받고 있다. 그러나 초음파가 두개골을 관통하는 과정에서 큰 왜곡을 겪게 돼 집속 초음파의 초점을 표적 뇌 영역에 정밀하게 생성하는 데 어려움을 겪고 있다.

이에, 연세대학교 수학계산학부 계산과학공학과 윤경호 교수 연구팀은 하버드의과대학 브리검 여성 병원(Brigham and Women's Hospital) 및 고려대학교와 공동 연구를 통해 경두개 집속 초음파 변환기의 조정 정보를 치료 기기 사용자에게 실시간으로 제공할 수 있는 인공지능(AI) 기반 치료 보조 시스템을 개발했다.

윤경호 교수 연구팀은 목표한 뇌 영역에 초점을 생성할 수 있도록 초음파 변환기의 공간 조정 정보를 제공하는 딥러닝 기반 네트워크 모델을 개발했다. 인공지능 학습에 필요한 트레이닝 데이터는 각 환자의 두개골 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지 데이터를 사용해 각 환자별 두개골 구조에 대한 서로 다른 두개 내 초음파 전달 특성을 반영해 구성했다.

3개의 생체 외 두개관(calvaria)을 통해 인공지능 모델의 성능을 평가했으며, 높은 공간 정확도(~99.59%의 변환기 위치 정확도, 집속 ~74.49%의 초음파 초점 일치도, 초점 중심점 기준 ~0.96㎜의 초점 위치 정확도)의 변환기 조정 정보를 실시간으로(~10㎳) 사용자에게 제공할 수 있었다.

연세대 윤경호 교수는 “본 연구는 계산과학, 의료공학, 인공지능 세 분야의 초융합 기술을 통해 환자마다 상이한 두개골의 구조 및 물성 정보를 반영해 환자 맞춤형 정밀 치료를 가능케 하는 연구로, 의료 4.0시대를 선도하는 디지털·스마트 의료 시스템 개발의 초석이 될 것”이라고 말했다.

이어 “개발된 인공지능 기반 치료 보조 시스템을 통해 경두개 집속 초음파의 치료 효과와 안전성을 제고함으로써 뇌암, 치매, 간질, 파킨슨병 등 다양한 뇌 질환의 비침습적 치료를 앞당길 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 밝혔다.

한편, 연세대 윤경호 교수, 하버드 의과대학 브리검여성병원 유승식 교수, 고려대 노건우 교수, 최민욱 박사과정이 참여한 본 연구 결과는 의료 정보 분야 최상위 저널인 ‘IEEE 바이오메디컬 앤드 헬스 인포매틱(Biomedical and Health Informatics)에 경두개 집속 초음파 치료 중 단일 요소 트랜스듀서 탐색을 위한 심층신경망: 개념 증명(Deep Neural Network for Navigation of a Single-Element Transducer During Transcranial Focused Ultrasound Therapy: Proof of Concept-다운)'란 제목으로 11월호에 게재됐다.