AI가 설계한 초음파 렌즈 하나로 뇌 여러 곳 동시에 자극[과학을읽다]

DGIST·GIST, 고가 다채널 장비 없이 비침습 뇌 자극 구현…신경병증성 통증 개선 효과 확인

인공지능(AI)이 설계한 3차원(3D) 프린팅 초음파 렌즈 하나만으로 뇌의 여러 부위를 동시에 정밀 자극하는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존처럼 수십~수백 개의 초음파 발생기를 갖춘 고가의 다채널 장비 없이도 두개골 너머 원하는 뇌 영역에 초음파를 균일하게 전달할 수 있어 퇴행성 뇌질환과 정신·신경계 질환 치료를 위한 차세대 비침습 치료 기술로 활용될 전망이다.

대구경북과학기술원(DGIST)은 황재윤 전기전자컴퓨터공학과 교수 연구팀이 정의헌·권혁상 광주과학기술원(GIST) 교수 연구팀과 공동으로 AI 기반 '두께 전용 음향 홀로그램(TOAH·Thickness-Only Acoustic Hologram)' 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 연구 결과는 뇌 자극 분야 국제학술지 '브레인 스티뮬레이션(Brain Stimulation)' 7월호에 게재됐다.

생쥐 두개골 환경에서 다중표적 초음파 뇌자극을 위한 음향 홀로그램 비교. 제안 기법(TOAH)은 실제 렌즈 구조와 두개골 환경을 함께 고려해 설계-구현 간 오차를 줄이고, 여러 목표 부위에 정확하고 균일한 초음파 자극을 전달했다. 연구진 제공

AI가 렌즈 두께 직접 설계…초음파 초점 오차 줄여

초음파를 이용한 비침습 뇌 자극은 알츠하이머병과 파킨슨병, 우울증, 만성 통증 등의 새로운 치료법으로 주목받고 있다. 하지만 초음파가 두개골을 통과하는 과정에서 굴절과 왜곡이 발생해 초점이 흐트러지고, 여러 표적에 에너지를 균일하게 전달하기 어려운 한계가 있었다. 이를 보완하려면 수많은 초음파 발생기를 제어하는 복잡한 다채널 장비가 필요해 비용과 활용성에 제약이 컸다.

연구팀은 AI와 물리 기반 최적화 기술을 결합해 실제 3D 프린터로 제작할 초음파 렌즈의 두께를 직접 설계하는 방식을 적용했다. 이를 통해 초음파의 위상과 진폭을 정밀하게 제어해 두개골의 굴절 영향을 보정하고, 원하는 위치에 3차원 초점을 정확하게 형성하도록 구현했다.

특히 얇은 3D 프린팅 렌즈와 단일 초음파 소자만으로도 여러 뇌 영역을 동시에 자극할 수 있어 기존 시스템보다 구조를 크게 단순화했다.

통증 반응 감소 확인…"비침습 뇌 치료 플랫폼 기대"

연구팀은 쥐의 두개골을 이용한 실험과 시뮬레이션을 통해 새 기술의 성능을 검증했다.

실험 결과 기존 방식보다 초점 형성 정확도가 높았고, 여러 표적에 전달되는 에너지의 균일성도 크게 향상됐다. 또 두개골에 집중되는 불필요한 에너지를 줄여 발열 위험을 낮추는 효과도 확인했다.

연구진 사진. (좌측부터) DGIST 황재윤 교수, 이문환 박사, GIST 정의헌 교수, 권혁상 교수. DGIST 제공

신경병증성 통증을 유도한 쥐의 양측 시상을 동시에 자극한 결과에서는 과도한 신경 활동이 감소하면서 통증 반응이 뚜렷하게 개선됐다. 사람 두개골 데이터를 활용한 시뮬레이션에서도 초점 정확도와 다중 표적 에너지 전달 성능이 향상되는 것으로 나타났다.

황재윤 DGIST 교수는 "AI가 렌즈 구조를 직접 설계해 두개골 너머 여러 뇌 영역에 초음파를 정확하게 전달할 수 있도록 한 것이 이번 기술의 핵심"이라며 "단일 초음파 소자와 3D 프린팅 렌즈만으로 정밀한 다중 뇌 자극을 구현한 만큼 향후 통증 치료는 물론 퇴행성 뇌질환과 정신·신경계 질환을 수술 없이 치료하는 환자 맞춤형 비침습 플랫폼으로 발전할 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망융합기술파이오니어사업 및 중견연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr