하반신 마비환자 위한 획기적 치료법

[요약] 스위스 로잔 연방공과대(EPFL)와 브라질 알베르토 산토스 뒤몽 협회(AASDAP)는 공동연구를 통해 기능적전기자극, 체중지지시스템, 뇌–기계인터페이스(BMI) 기술을 결합해 하반신 마비환자를 위한 비침습적 치료법을 개발했다. 이번에 개발된 접근법은 부분적 신경회복과 운동능력이 개선된 환자 2명을 대상으로 실시됐다. (2019.05)

전 세계적으로 매년 50만명에 달하는 사람들이 교통사고나 다른 외상으로 인한 척추손상을 입고 있다. 특히 중상을 입은 사람들은 하반신 운동능력 손실과 감각을 대부분 잃게 된다. 움직일 수 없기 때문에 오랜 시간 침대생활을 해 욕창에 걸리거나 운동부족으로 인한 심혈관질환 같은 추가적인 증상을 겪기도 한다.

브라질 알베르토 산토스 뒤몽 연구지원협회(AASDAP)는 스위스 로잔연방공과대(EPFL) 연구진과 함께 하반신 마비환자들의 재활을 위해 새로운 비침습적 방법을 개발했다.

이 기술을 활용하면 환자들은 자신의 뇌파를 사용해 다리쪽 16개 근육에 전기 자극을 보낸다. 재래식 보행시스템과 체중지지 시스템의 도움을 받아 스스로 걷고 근력을 키우며 운동능력을 개선하는 방법을 배우게 된다. 햅틱 인터페이스는 팔에 진동신호를 보냄으로써 환자 스스로 다리 위치에 대한 정보를 제공받는다. 이는 그들 스스로 다리의 움직임에 계속 신경쓰지 않고도 다리를 움직일 수 있다는 것을 의미한다.

이 시스템은 하반신 마비 환자 2명을 대상으로 시험됐다. 임상 시험이 끝난 시점에서는 두 환자 모두 보행 보조기에 덜 의존하게 됐고 그 중 한 명은 운동성 향상이 눈에 띄게 나타났다. 의사들 역시 두 사람의 심혈관 기능과 근육량이 향상됐다는 것을 발견했다. 수술과 같은 외과적 치료에 의지하지 않고도 회복됐다는 의미이다. 이같은 연구결과는 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘사이언티픽 리포츠’에 실렸다.

뇌활동 측정과 다리를 자극하는 전극

환자들은 뇌의 전기적 활동을 기록하고 운동의도를 파악하기 위해 뇌파측정(EEG) 헤드셋을 착용했다. 또 8개의 전극을 각 다리에 부착해 걸을 때 필요한 근육을 자극했다. 간단한 예비 작동 훈련을 받은 뒤 환자들은 자신의 뇌 활동을 사용해 한 쪽 다리 근육에 전기자극을 보낸다.

AASDAP 솔라이만 쇼쿠르 박사는 “우리는 비침습적 BMI 기술을 활용해 환자가 움직이고자 하는 영상을 포착해냈다”라며 “환자들은 왼쪽 다리와 오른쪽 다리를 차레로 움직이는 것을 상상하도록 지시받았고 시스템은 이 신호를 포착해 분석한 뒤 환자가 의도한 다리 부분을 움직이도록 했다”라고 말했다.

이번에 개발된 장치를 장착하고 체중의 60~70% 정도를 지탱해주는 체중지지 장치로 고정되고 보행 보조기를 활용한 환자는 다시 걷는 법과 감각 운동기술을 향상시키는데 성공했다.

특히 장치를 장착하고 미리 정해진 궤도를 걷도록 함으로써 환자의 생리적 보행을 자극했다. 미리 정해진 궤도는 걷는 것과 관련된 하체 근육에 일정한 전기자극을 주도록 했다.

전기 자극과 진동 촉각 피드백 기술을 개발한 EPFL 재활보조로보틱스 연구팀의 모하메드 보리 연구원은 “우리는 폐쇄 루프를 통해 전기 자극을 제어함으로써 엉덩이와 무릎 각도의 차이를 보정하기 위해 필요한 전기자극을 파악했으며 이를 통해 환자의 보행을 조정할 수 있었다”라며 “이 같은 방법으로 근육을 활성화시킬 뿐만 아니라 무리한 자극으로 인한 근육 피로를 줄일 수 있다”라고 설명했다.

이번 기술으 또 다른 중요한 구성요소는 환자의 팔뚝에 웨어러블 햅틱 디스플레이를 장착해 촉각 피드백을 제공함으로써 걷는 것에 대한 감각을 되살리도록 한 것이다. 촉각 피드백은 운동의 유연성을 향상시킬 뿐만 아니라 걷는 능력에 대한 자신감까지 증가시킨 것으로 확인됐다.

죽어있는 잔여 신경 깨우기

연구자들의 접근법은 침습적 수술이 필요 없다는 점에서 특히 혁신적이다. 환자는 시뮬레이터를 통해 연습하고 인터페이스에 익숙해지기만 하면 된다. 더군다나 간단해 보이는 기술임에도 근육의 물리적 발달과 기능향상을 동시에 달성했다는 것은 놀라운 일이다.

솔라이만 쇼쿠르 박사는 “우리는 척수가 손상이 됐더라더 몇 가닥의 척수 섬유는 여전히 살아있을 것이며 단지 몇 년 동안 활성화되지 않았을 것이라는 가설에서 연구를 시작했다”라며 “이번 기술은 살아있지만 자극받지 않은 척수 섬유를 활성화시키는 것이 핵심”이라고 말했다.

AASDAP 미구엘 니콜레이 박사 역시 “척수 손상을 완전히 치료할 수 있는 마법의 탄환은 아직 없다”면서도 “다양한 기술을 결합시켜 잠들어 있는 신경을 재활하는 것에 관심을 갖는 것이 중요하다”고 강조했다.