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생명을 구하는 저비용의 심장 펌프를 설계한 학생들
AI, 모델 기반 설계 및 코드 생성을 통한 생체의료기기 개발 최적화
울혈성 심부전을 앓는 수백만 명의 환자들에게 이 질환은 치명적일 수 있습니다. 심장 이식 대기자 약 20만 명 중 실제로 이식을 받을 수 있는 환자는 약 1만 명에 불과합니다. 외과적으로 이식되는 심장 펌프인 LVAD(좌심실보조장치)는 이식을 기다리는 환자의 기대수명을 연장하고 일부 환자들에게는 장기적인 치료를 제공할 수 있습니다. 그러나 높은 비용과 제한된 접근성으로 인해 이 필수적인 치료는 많은 환자들에게 여전히 감당하기 어렵습니다.
이스탄불에 소재한 YTU(Yildiz Technical University)의 전기전자공학과의 의생명공학 부교수인 Kamuran Kadıpaşaoğlu가 바로 여기서 등장합니다. 미국에서 수십 년간 심혈관 외과 연구실을 이끌어 온 그는 현재 YTU의 PCL(Physiological Control Laboratory)을 관장하고 있습니다. 그의 학생들은 시판 중인 LVAD보다 더 스마트하고 저렴한 대안을 개발 중입니다.
"기술적으로 우리는 기존 기술을 개선하여 궁극적으로 시장에서 경쟁력 있고 신뢰할 수 있으며 효율적이고 안전하며 경제적인 펌프를 개발해 시장 공백을 메우는 것을 목표로 하고 있습니다." Kadıpaşaoğlu는 말합니다.
터키에서 단일 LVAD 비용은 수술비를 포함해 75,000달러부터 시작됩니다. Kadıpaşaoğlu는 그의 학생들이 개발한 기계적 순환보조 시스템의 비용이 그 절반 이하가 될 것이라고 말합니다. 또한, 환자가 직접 속도를 조절해야 하는 심장 펌프와 달리, 이 학생들이 개발한 기기는 실시간으로 동적으로 변화시킬 수 있도록 설계되고 있습니다.
이 연구실의 학생들은 MathWorks에서 제공하는 소속 대학의 Campus-Wide 로 이용하를 최대한 활용하여 Simulink®을 사용한 모델 기반 설계로 혁신적인 심장 펌프 시스템을 개발했습니다. MATLAB®은 그 토대를 이루었습니다.
"MATLAB는 배우기 쉽고, 여러분이 생각하는 것이 뭐든지 만들 수 있습니다."
YTU의 PCL(Physiological Control Laboratory). Kamuran Kadıpaşaoğlu와 그의 학생들은 시판 중인 LVAD보다 더 스마트하고 저렴한 대안을 개발 중입니다.
(이미지 출처: YTU Davutpaşa 캠퍼스, Physiological Control Laboratory)
"다른 소프트웨어도 시도해봤지만 모델과 시스템을 만들기가 더 어려웠습니다." 연구 조교인 Mert Yiğit이 말합니다. 그는 터빈 설계와 전산유체역학을 전공한 의생명공학 학사입니다. "MATLAB는 배우기 쉽고, 여러분이 생각하는 것이 뭐든지 만들 수 있습니다."
이 연구실의 기계적 순환보조 시스템은 배터리로 구동되는 이식형 심장 펌프, 스마트 제어기, 생체 신호 모니터링을 위한 무선 휴대형 환자 단말기로 구성됩니다. 학생들은 프로토타입에 필요한 거의 모든 하드웨어를 현장에서 직접 제작했습니다.
임상시험 단계로 나아가는 과정을 모색하던 중, 이 젊은 YTU 연구팀은 LVAD 및 기타 심장 의료기기에 대한 동물 실험을 최소화할 수 있는 방안을 고안해냈습니다. MATLAB에 실제와 유사한 심혈관 조건에서 엄격한 테스트를 가능하게 하는 하이브리드 공압-유압 모의 회로를 구축한 것입니다. 학생들은 GPU Coder™와 강력한 NVIDIA® 워크스테이션을 사용해 계산을 최적화하고 가속화했습니다.
"학생들이 이 프로젝트 전체의 원동력입니다." Kadıpaşaoğlu가 말합니다. 그들의 연구는 International Journal of Robust and Nonlinear Control에 게재되었습니다.
실습 경험
LVAD 기술은 1960년대 초 인공 심장의 초기 발전 이후 크게 진화해 왔습니다. 1994년에는 미국에서 대형 외부 공압식 구동 기기가 FDA 승인을 받기도 했습니다. 후속 세대는 연속 유동식 회전 펌프 시스템으로 전환되었으며, 더 작아지고 이식 가능하며 내구성이 향상되었습니다. 그러나 한계는 여전히 존재했습니다.
Kadıpaşaoğlu는 휴스턴에 소재한 Texas Heart Institute에서 거의 20년 동안 심부전을 위한 새로운 수술 치료법을 연구해왔습니다. 그는 심장 펌프 기술과 그에 대한 접근성 문제를 직접 경험을 통해 이해하고 있습니다.
"MATLAB를 사용하기 전에는, 다른 소프트웨어로 밤새 작업하다가 오류가 발생하곤 했습니다. MATLAB로 그냥 만들 수 있다는 걸 깨달은 것이 최고의 경험이었습니다."
“터키에서 온 우리로서는 이 기기들을 재정적으로 감당하기는 쉽지 않습니다.” Kadıpaşaoğlu의 말입니다. 터키의 외과의사들은 의료기기 엔지니어들과 함께하는 연구 과정을 거치지 않았기 때문에 경험이 부족합니다. 그들은 하루나 이틀 정도 훈련한 후 환자에게 펌프를 이식하곤 했는데, 때로는 치명적인 결과로 이어지기도 했습니다.
그는 자신의 지식과 경험을 고국으로 가져와 야심찬 YTU 학생들에게 LVAD 개발에 대해 가르치고, 의료계와의 학술적 유대를 강화하며, 터키에서 저렴한 심장 펌프 제조의 기반을 마련하기 위해 노력했습니다. Kadıpaşaoğlu는 의생명공학, 전기공학 및 제어공학 분야의 진로를 선택한 학생들에게 멘토 역할을 수행하고 있습니다.
“저는 그들이 병원과 수술실에서 훈련을 할 수 있도록 돕고 있습니다. 그래야 피, 열린 가슴, 뛰는 심장을 직접 경험할 수 있으니까요.” 그는 말합니다.
Kadıpaşaoğlu는 자기 주도적 연구를 장려합니다. 아이작 뉴턴 경과 조제프-루이 라그랑주 같은 영향력 있는 과학자들의 초상화가 연구실 벽을 따라 걸려 있어 연구원들에게 영감을 줍니다. 연구 그룹에는 약 20명의 학생이 있으며, 그중 두 명 Derya Sahin 그리고 Ahmed Alhajyounis은 최우등 졸업생입니다. 학생들은 스스로 프로젝트를 기획하고, 연구비를 제안하는 과제서를 작성하며, 학술 논문의 공동 저자로도 참여하고 있습니다.
Yiğit은 팀의 최신 LVAD 프로토타입을 선보였는데, 이는 생체적합성 티타늄 합금으로 제작된 길이 7.2센티미터(2.8인치)의 경질 원통형 터빈입니다.
우리는 LVAD를 모델링하는 시스템을 자동화하려고 시도했습니다. "MATLAB를 사용하기 전에는, 다른 소프트웨어로 밤새 작업하다가 오류가 발생하곤 했습니다." Yiğit이 회상합니다. "MATLAB로 그냥 만들 수 있다는 걸 깨달은 것이 최고의 경험이었습니다." 이 연구실은 MathWorks 고객 성공 엔지니어 Marco Rossi 및 현지 MathWorks 유통업체인 Figes의 교육기관 팀으로부터 핵심적인 지원을 받았습니다.
이들의LVAD 설계에서 혈액은 베어링에 대한 윤활제 역할을 하며, 동시에 플럭스 브러시리스 DC 전기 모터의 냉각제 역할을 합니다. 또한 듀얼 모터 구조를 적용해 하나의 모터에 고장이 발생하더라도 장치가 계속 작동할 수 있도록 설계했으며, 이를 통해 환자는 병원을 방문할 수 있을 때까지 일상 활동을 지속할 수 있습니다.
“내부의 축류 방식이 참신합니다.” Yiğit이 두 개의 모터가 작은 터빈 안에 자리 잡은 것을 보여주며 말합니다. Simulink 및 Simscape™를 통해 학생들은 모터 성능 및 터빈과의 호환성을 극대화할 수 있었습니다. 반복적 전자기 시뮬레이션을 통해 최적의 모터 부품 지오메트리를 도출해 냈습니다.
각 모터의 가동 부분은 연자성 복합재로 제작되며, 그 위에 맞물려 소형 자석들을 고정하는 플라스틱 템플릿으로 구성됩니다. 또한 톱니 형태의 고정 코어에도 동일한 연자성 복합재를 사용했으며, 그 주위에 얇은 구리선을 감아 회전 부품과 상호작용하는 자기장을 생성했습니다.
초기에는 외부 업체에서 모터 하나를 제작하는 데만 1년이 걸렸습니다. "우리 팀이 모터를 직접 제작하기로 결정한 뒤에는 한 달 만에 완료할 수 있었습니다." Yiğit이 말합니다.
현실적인 심혈관 기기 테스트
이 LVAD에는 추가적인 혁신 요소들도 있습니다. 환자들은 종종 심장 펌프 속도를 운동 시에는 높이고 수면 시에는 낮추는 등 직접 조절해야 합니다. 그러나 학생들은 MATLAB으로 LVAD에 대한 비침습적 스마트 제어기를 개발 중이며, 이 제어기는 환자의 심장 펌프 데이터로부터 혈압과 같은 핵심 파라미터를 추정하고 속도를 자동으로 조절합니다. 연구팀은 Simulink Control Design™ 및 Simulink Real-Time™를 사용해 파라미터를 미세 조정했습니다.
또한 착용자의 생체 신호와 남은 배터리 충전 상태를 표시하는 무선 휴대형 환자 관리 장치 프로토타입도 개발되었습니다. 이를 통해 환자의 주치의는 실시간으로 건강 상태를 모니터링하고 데이터에 기반한 판단을 내릴 수 있으며, 필요에 따라 원격으로 펌프 속도를 조정할 수 있습니다.
YTU의 기계적 순환보조 시스템이 동물 실험 및 임상시험 단계로 나아가기 전에, 학생들은 자체적으로 개발한 고급 전자 심혈관 모델을 활용해 시제품을 더욱 정교하게 개선하고 있습니다.
"우리의 하이브리드 모의 회로는 이 시뮬레이션을 현실 세계로 구현합니다," Yiğit이 말합니다. 이 하드웨어 설정은 심혈관 모델을 기반으로 실제 생리학적 조건을 재현하여, LVAD와 같은 생체의료기기를 매우 현실적이고 안전한 환경에서 테스트할 수 있게 합니다.
"과거에는 단일 시뮬레이션이 모든 정보를 처리하는 데 1분이 소요되곤 했습니다. Jetson에서 GPU Coder를 사용하면 이제 단 10초밖에 걸리지 않습니다."
PIV(입자 영상 유속계) 스테이션. (이미지 출처: YTU Davutpaşa 캠퍼스, Physiological Control Laboratory)
이 연구실은 Simulink 및 MATLAB를 사용해 여러 시스템이 서로 직렬로 연결되어 기능하는 이 엔지니어드 시스템의 복합 심혈관계통 모델을 구축했습니다. Kadıpaşaoğlu는 한 시스템에서 단일 파라미터를 조정하면 다른 파라미터들도 연동되어 영향을 받는다고 지적합니다.
“Simulink로 심혈관계통 시뮬레이터를 구축하기는 쉽지만, 가장 어려운 부분은 원하는 환자별 결과에 맞게 조정하는 것입니다,” 그는 말합니다.
Yiğit은 연구실에서 최신 물리적 하이브리드 모의 회로 구성을 공개했는데, 유압 시스템에 연결된 물로 채워진 매끄러운 챔버 내부에 가장 최근의 LVAD 프로토타입이 장착되어 있었습니다. 그는 이러한 물리적 컴포넌트 내부에서 펌프의 유량과 압력을 제어하는 제어기를 설계하는 일이 매우 어려웠다고 설명했으며, 이는 공압 시스템이 비선형적인 특성을 갖기 때문이라고 덧붙였습니다.
“내부에 압력이 축적되기 때문에 잘못된 입력을 주면 물이 사방으로 튈 수도 있습니다.” Yiğit의 말입니다.
제어 계수를 찾기 위해, 그들은 MATLAB에서 하이브리드 모의 회로의 디지털 트윈을 생성했습니다. 연구팀은 강화 학습 기반 접근법인 Q-러닝을 Statistics and Machine Learning Toolbox™와 함께 활용해 심혈관계통 제어 계수를 식별하였습니다. PCL 연구진은 자동으로 제어기를 조정하는 머신러닝 알고리즘을 개발했습니다. 이제 누군가 잘못된 입력을 입력해도 액체가 분출되는 사고는 발생하지 않습니다.
연구팀은 다른 문제들도 해결했습니다. 심혈관 모델링 데이터는 마치 스파게티가 뒤엉킨 것처럼 복잡합니다. PIV(입자 영상 유속계)라 불리는 유동 영상 기술을 통해 연구원들은 혈류 패턴과 속도를 시각화할 수 있게 합니다. 연구진은 MATLAB에서 영상 처리 및 재구성에 착수했으나, 유체동역학, 혈류 및 심혈관계통 시나리오 시뮬레이션이 계산적으로 매우 까다롭다는 사실을 발견했습니다.
MATLAB에서 PIV 이미지를 Image Processing Toolbox™로 처리하는 코드 생성 워크플로. (이미지 출처: YTU Davutpaşa 캠퍼스, Physiological Control Laboratory)
“MATLAB 포럼에서 병렬 연산에 관한 정보를 찾아보던 중, GPU Coder가 처리 속도를 높여준다는 사실을 알게 되었습니다.”라고 Yiğit은 말하며, 관련 문서가 이해하기 쉬웠다고 덧붙였습니다.
처음에는 NVIDIA Quadro® P1000 GPU 워크스테이션으로 시작했으며, 이후 NVIDIA Jetson™ TX2로 업그레이드했습니다. GPU Coder를 사용해 GPU 실행에 최적화된 CUDA® 코드를 생성함으로써, 그들은 TX2에서 심혈관 모델을 보다 효율적으로 실행할 수 있었습니다.
"과거에는 단일 시뮬레이션이 모든 정보를 처리하는 데 1분이 소요되곤 했습니다. "이제 Jetson에서 GPU Coder를 사용하면 단 10초밖에 걸리지 않습니다." Yiğit이 말합니다.
이러한 설정을 통해 학생들은 물리적 파라미터를 수시로 조정하면서 다양한 조건 하에서 심혈관 모델을 쉽게 테스트할 수 있습니다. 또한 그들은 MATLAB Coder™를 활용해 MATLAB 알고리즘을 C 및 C++ 코드로 변환하여 dSPACE® 실시간 처리 시스템에 배포함으로써 하이브리드 모의 회로를 구동할 수 있게 했습니다. 그들은 단 하나의 작동 모터만으로 환자의 생리적 상태를 모사하여 하이브리드 모의 회로에서 심장 펌프 시제품의 듀얼 모터 시스템을 성공적으로 검증했습니다.
PCL 연구진은 머신러닝을 활용해 LVAD 프로토타입의 최적 혈류 속도를 결정하기 위한 새로운 노력을 진행 중입니다. 그리고 전체 팀은 심장 펌프의 크기를 20% 줄이면서 효율성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. 그들은 또한 하이브리드 모의 회로를 더욱 소형화하여 시장에 출시하고자 합니다.
팀은 실시간 시뮬레이션 성능을 크게 향상시키기 위해 dSPACE 실시간 처리 시스템을 Jetson TX2 보드로 최종 교체할 계획입니다. 팀이 시뮬레이션 단계에서 GPU Coder를 사용함으로써 마이그레이션 과정이 원활해질 것입니다.
“우리는 어떤 기술을 우리가 구입해야 하고, 어떤 기술을 직접 만들 수 있는 것이지를 끊임없이 질문하고 있습니다.” Yiğit의 말입니다. "우리가 직접 만들 수 있다면, 우리는 그것을 중심으로 프로젝트를 진행합니다."
Kadıpaşaoğlu는 Yildiz Technical University에 연구실을 설립한 이후 목표를 훨씬 초과 달성했다고 밝혔습니다. "우리는 이제 막 이름을 알리기 시작하고 있습니다." 그는 말합니다. "우리에게 인터뷰 요청이 들어오고 있습니다. 이 연구실은 다른 대학에서 학부생들을 훈련시키기 위해 보내는 장소가 되었습니다."
