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시론

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재활의학과 전재용 교수

재활의학 분야에서의 의공학의 발전

서론

 

재활의학(Rehabilitation Medicine)은 질병이나 질병 치료로 인해 잃어버리거나 저하된 신체의 ‘기능(function)’을 회복/개선시키고 환자의 삶의 질을 향상시켜 사회로의 복귀를 유도하는 의학의 분야이다[1]. 기원전 2,500년 고대 중국, 이집트, 그리스/로마 시대부터 재활의학의 일부 가 시작되었다고 볼 수 있다[2-5]. 최근 연구에서 이집트 고대 시대의 파라오 투탕카멘의 미라를 분석하였는데 파라오가 하지 장애를 앓고 있었다는 것이 밝혀졌고, 무덤에서 발견된 지팡이가 재활 보조도구로 활용되고 있었다는 것을 알아냈다. 이것은 고대 시대부터 보조도구를 활용한 재활 치료가 이루어지고 있었음을 알 수 있다 [6] (그림 1). 이처럼 약물이나 수술적 치료가 아닌 방법으로 질병을 치료, 보조하는 개념은 오래전부터 있었으나 이것이 체계화되어 의학의 범주에 본격적으로 편입된 것은 1920년대 이후이다. 1차 세계대전 이후 폭발적으로 늘어난 전쟁 부상자들의 회복과 기존의 치료법으로 해결되지 않았던 소아마비 환자들의 회복을 위해 새로운 의학에 대한 필요성이 대두되었다[7].

이러한 필요성에 따라 1929년 미국에서 Frank H. Krusen (1898~1973)에 의해 처음 Temple University Medical School에 정식 의과대학 분야로 설립(그림 2)되었다. 재활의학은 비교적 근현대에 이르러 체계화되었으므로 다른 의학 분야에 비해 짧은 역사를 가지고 있으나, 공학기술의 발전과 함께 인간 존중과 삶의 질의 향상을 중시하는 현대 의학의 특성을 기반으로 지속해서 비약적인 발전을 거듭하고 있다. 특히 현대에는 의학기술의 발전과 인류 수명의 증가로 인해 필연적으로 만성질환에 대한 의료적 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 재활의학의 중요성이 여러 분야에 걸쳐서 점점 부각되고 있다.

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▲그림 1. 최근 연구를 통해 고대 이집트 파라오인 투탕카멘이 하지 장애를 앓고 있었으며, 이를 보조하기 위해 지팡이를 재활 보조기로 사용하였음이 밝혀졌다(출처: CNN “King Tut’s ‘virtual autopsy’ reveals surprises”, 2016)

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▲그림 2. 1958년 재활의학의 발전에 공헌한 업적을 치적하기 위해 American Medical Association's Distinguished Merit Award를 받은 Dr. Krusen [8].

재활의학의 탄생과 공학의 발전

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앞서 역사에서 언급한대로 재활의학이 의학의 분야에 편입되기 이전부터 전기, 열, 빛, 운동 등 물리적 방법(물리적 매개, physical agent)을 통한 중재적 질병의 치료는 공학적인 관점에서 시도되고 있었다. 실제로 16세기 중세 유럽에서는 현대에도 연구, 개발되고 있는 인공 손과 다리가 대장장이들에 의해 만들어 졌으며 환자들에 사용되었다 [9] (그림 3A). 또한 르네상스 시대로 이르러 18세기말 최초로 전기를 이용한 개구리 뒷다리의 근육 수축을 발견한 이탈리아 과학자Luigi Aloisio Galvani(1737~1798)는 의사이면서 생리학자이자 ‘물리학자’였다 [10] (그림 3B, 3C). 그는 ‘개구리 뒷다리 전기자극 실험’을 통해 전기라는 물리적 매개와 생체 신경 자극에 대한 관계 가능성을 제시하였다. 갈바니의 발견은 재미있게도 다른 물리학자인 Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745~1827)에 영감을 주어 인류 최초의 건전지인 ‘볼타전지’를 발명하는 계기를 마련한다 [12]. 이러한 물리적 매개에 의한 신체의 변화를 의학적인 관점에서 체계화하면서 재활의학이 시작되었다. Dr. Krusen은 단파투과열치료(short-wave diathermy) 등을 외상 후 장애나 통증, 수술 후 후유증을 겪고 있는 환자들에 적용하며 본격적으로 치료에 활용하기 시작하였다 [7,13,14]. 그는 400여편의 논문과 저서를 통해 물리적 매개를 이용한 재활치료의 기틀을 마련하였고 당시 공학기술에서 영감을 얻어 의학의 발전에 이바지하였다. 이처럼 재활의학은 공학과 떼려야 뗄 수 없는 관계로 서로에게 영감을 주고받으며 각자의 분야를 혹은 상대방의 분야를 발전시켜 왔다. 특히 1990년대 이후 근거중심의학(Evidence-based Medicine)으로 현대의학의 패러다임이 바뀌면서 증상과 질환에 따라 적용하는 치료 기술의 과학적인 입증이 재활의학 분야에서도 중요하게 인식되기 시작하였다 [15]. 그러나 재활의학에서 활용되는 대부분의 중재 치료 기술들은 타 의학 분야의 생물학적 기술들에 비해 공학적인 기술의 관여가 많고 보다 포괄적이고 복합적인 효과를 일으키므로 높은 수준의 융복합적 의공학에 대한 이해를 필요한다. 또한 실제 임상에 적용하기 위해서 요구되는 기술의 수준도 높은 것이 현실이다. 이에 따라 재활의학의 발전을 위해서 과거보다 더 밀접하게 공학과의 연계가 중요하게 되고, 높은 수준의 기초-중개-임상 의공학 연구가 필수가 되어 가고 있다.

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▲그림 3. (A) 16세기 중세 유럽에서 사용된 것으로 알려진 인공 다리. (B) 루이지 알로이시오 갈바니 초상화 (출처: Wikipedia, “Luigi Galvani”). (C) 갈바니의 대표적인 개구리 뒷다리 전류 자극 실험 [11].

재활의학에서 의공학의 미래

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근래에 이르러 기계학습과 인공지능의 발달로 기기와 시스템이 연결되기 시작하는 4차 산업혁명의 시작은 재활의학에서 필요로 하는 높은 수준의 공학적 기술의 기반을 제공할 수 있으며, 이는 재활의학의 혁신적인 발전을 예고한다. 최근 연구에서는 센서와 로보틱스의 발전으로 운동 중재치료를 위한 운동 재활기기와 기능 보조기를 넘어 소실된 사지를 대체할 수 있는 로봇 팔과 다리가 개발되고 있다 [16-18]. 또한 컴퓨터 비전 기술 및 영상 처리 기술의 발전으로 환자의 움직임을 과학적으로 분석하여 적절한 운동 및 중재 치료 처방을 내릴 수 있는 첨단 진단 기술이 개발되고 있다 [19-21]. 뇌, 인지 재활 영역에서는 뇌파를 측정하여 분석하고 이를 뇌 손상 및 알츠하이머 진단 혹은 치료 예후 분석에 활용하는 기술이 소개되고 있으며, 증강현실과 휴대폰 어플리케이션을 기반으로 하는 치료기기 개발도 이루어지고 있다 [22-25]. 뇌손상 및 척수 손상 환자들에는 최근 신경 재생을 유도하는 ‘스캐폴드(지지대, scaffold)’를 삽입하는 시술을 통해 적극적으로 손상된 신경을 재생하고 환자의 기능을 회복시키려는 연구도 진행되고 있다 [26-28]. 열과 전기, 빛을 이용한 치료 연구도 동물실험을 통해 근본적인 기전이 밝혀지면서 선택적 치료가 가능해져 보다 정밀한 치료가 가능해지고 있다[29-35].

의학기술과 공학기술의 발전은 재활의학이 다루는 분야의 확장도 가져오고 있다. 20세기 들어 암 치료의 표준화가 확립되고 선진국을 중심으로 암 치료 생존률이 높아지면서 암을 만성질환으로 관리하며 환자들의 신체적 기능을 암 치료 이전 수준으로 회복시키는 암 재활 분야의 수요가 지속해서 높아지고 있다 [36]. 암은 발생 및 치료과정에서 복잡한 생리학적, 신경학적 기능저하를 일으키므로, 환자의 회복을 위해서는 기존의 재활의학에서 주로 다루던 근골격계, 신경계를 넘어 더 다양하고 복잡한 접근을 필요로 하기 시작하였다. 림프부종은 재활의학에서 다루는 대표적인 암 치료 후유증으로 림프계가 우리 몸의 다양한 생리학적, 면역학적 기능을 담당하고 있어 이를 진단하고 치료하는 새로운 공학적인 기술을 많이 필요로 한다. 특히 림프계는 혈액과 다르게 투명하여 색이 없고 대부분 미세 장기로 이루어져 있으므로 기존의 기술로는 관찰하기가 쉽지 않았다. 최근에는 의공학기술의 지속적인 발전을 통해 광학적 방법으로 림프의 운동성을 평가하여 림프의 순환을 조기에 진단할 수 있는 진단 기술 개발[37]이나, 림프절 절재술로 소실된 림프관의 재생을 유도하는 스캐폴드 기술의 개발[38] 등이 이루어지고 있다 (그림 4).

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▲그림 4. 대표적인 암재활 분야 질환인 림프부종을 (A) 진단하기 위한 림프 운동성 평가, (B) 치료하기 위한 림프관 재생 스캐폴드 개발 최신 연구 [37, 38].

위에서 소개한 예시처럼 미래의 재활의학에서는 의공학적 기술과 기초-중개-임상을 아우르는 연구를 통해 과거 잘 알려지지 않아 경험적으로 사용하던 의료 기술의 기전을 밝혀낼 것이다. 그리고 임상 의료에서 필요한 미충족 의료 수요를 충족하기 위해 정밀하고 정확한 진단과 치료가 가능한 중재 기술을 지속해서 개발하고 활용할 것으로 예측된다.

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결론

 

Dr. Krusen의 노력을 이어받아 현대 재활의학의 기반을 확립한 Howard A Rusk (1901~1989)는 재활의학을 전통적인 치료의학(제 1 의학), 예방의학(제 2 의학)에 이은 제 3 의학(the third phase of medicine)이라고 제창하며 의료행위를 단순한 치료의 범주에서 벗어나 환자의 일상으로의 복귀까지 돕는 것으로 확장하였다. 이러한 개념을 통해 재활의학은 치료와 예방을 포함하여 광범위한 분야에 걸친 미래 의료 분야라고 할 수 있다. 현대 과학 기술의 목표 또한 과거의 지식의 탐구의 목적을 넘어 개인과 사회의 문제를 해결하는 것으로 확장되었으므로, 재활의학의 이념은 현대과학의 이념과 함께한다고 할 수 있다. 이것은 과학기술의 발전, 특히 공학의 발전은 재활의학의 발전과 서로 영향을 주고받으며 이어질 수 있다는 것을 시사한다.

반도체 기술 발전의 속도를 예측하며 반도체를 포함하는 20세기 과학기술의 눈부신 성장을 대표했던 무어의 법칙(Moore’s Law)은 21세기에 들어서 그 의미가 퇴색되며 최근 각 분야의 과학기술의 혁신(혹은 파괴성, “disruptiveness”)도 줄어들고 있다[39]. 많은 미래 학자들은 이러한 원인을 개별 분야의 기술 집적의 한계가 왔다고 판단하고 있으며, 최첨단 기술의 융합이 이제 새로운 혁신을 가져올 것이라고 예측하고 있다. 재활의학은 의학 분야 중 가장 융합적 사고를 가지고 있으며, 과거부터 공학 기술을 적극적으로 활용하였다. 4차 산업혁명의 기반이 되는 첨단 기술들은 앞서 언급한 다양한 재활의학의 의료 수요에서 활용될 수 있으며, 이러한 기술 개발이 융합적인 관점에서 의공학의 혁신성을 일으킬 수 있을 것이라 생각한다. 따라서 우리 병원 의공학연구소에서 개발되고 있는 최첨단 의공학 기술이 재활의학 분야에서 임상적으로 활용될 것으로 기대되고 있으며 더 많은 융합연구로 확장될 수 있을 것이라 생각한다.

 

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