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교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학 : 한양대 공대 교수들이 말하는 미래 의공학 기술

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책소개

‘전자약’에서부터 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’까지
상상만 해 온 미래가 이미 다가와 있다면?
질병 치료에서부터 인간 증강까지, 바이오메디컬공학이 떠오르고 있다

세계 자동차 시장을 선도하고 있는 테슬라의 CEO ‘일론 머스크’가 관심을 가지고 있는 또 하나의 분야가 있는데, 그것은 바로 '뇌'다. 현재는 뇌전증과 같은 질병을 뇌에 전극을 심어 치료하는 기술을 연구하고 있지만, 궁극적으로는 우리 머릿속 생각을 컴퓨터에 업로드할 수 있는 단계까지 발전시키는 것을 목표로 하고 있다고 한다. 그리고 그는 진짜로 원숭이의 뇌에 전극을 심어 생각만으로 컴퓨터 게임을 하게 함으로써 그 가능성을 보여주었다. 먼 미래의 이야기인 줄만 알았던 현실이 생각보다 가까이 와 있는 것이다.
이런 놀라운 실험이 성공하기까지는 흔히 ‘의공학’으로도 불리는 ‘바이오메디컬공학’ 기술의 발전이 한 몫을 톡톡히 했다. 100년 전까지만 해도 우리는 X-레이 기술조차 없어 우리 몸속의 모습을 들여다보고 아픈 곳을 찾아내는 것이 어려운 시대였다. 하지만 바이오메디컬공학 기술의 발전 덕분에 이제는 수초 단위의 심장의 움직임을 영상으로 찍어낼 수 있게 되었고, 인공와우 같은 인공장기가 상용화되어 많은 사람들이 새 삶을 얻게 되었다. 뿐만 아니라 바이오메디컬공학은 먹지 않고도 질병을 치료하는 ‘전자약’, ‘인공지능’이 판독하는 CT 영상처럼 우리가 상상만 했던 현실을 이미 실현시키고 있다.
그리고 이제 바이오메디컬공학은 4차 산업혁명의 대흐름과 함께 파킨슨병, 치매와 같이 인류가 극복하지 못한 질병을 정복하기 위해, 그리고 ‘로봇 팔’과 같은 첨단 의료기기를 개발하기 위해, 궁극적으로는 ‘뇌-컴퓨터 인터페이스’ 기술을 통한 인간 증강을 위해 쉼 없이 달려나가고 있다. 바야흐로 미래 의료서비스와 인류의 복지를 책임질, ‘미래 핵심산업기술’이 된 것이다.

바이오메디컬공학이 바꿀 미래를 살아갈 MZ세대를 위해
한양대학교 공과대학 교수진이 소개하는 바이오메디컬공학 트렌드

하지만 아직까지 바이오메디컬공학은 우리에게 친숙하지 않은 분야다. 심지어 바이오메디컬공학이 이끌어 갈 미래를 살아갈 MZ세대와 청소년들에게는 더욱 그렇다. 흔히 바이오메디컬공학이 다루는 분야가 ‘의료’와 ‘치료’에만 국한되어 있을 것이란 선입견 때문이다. 그러나 바이오메디컬공학은 앞서 소개한 것처럼 '스마트 의료기기'에서 '뇌공학'까지 그 적용 범위가 굉장히 넓을 뿐만 아니라 의학, 전자공학, 컴퓨터공학, 재료공학, 생명과학 등 다양한 분야의 학문과의 융합이 필수적이기 때문에 미래 세대가 더욱 주목해야 할 분야다.
이처럼 아직 바이오메디컬공학이 낯설게 느껴지는 이들을 위해, 그리고 바이오메디컬공학을 처음 만나는 이들을 위해 한양대학교 바이오메디컬공학과 교수진이 '쉽게', 무엇보다 '흥미롭게' 바이오메디컬공학의 현 주소를 직접 소개하고자 모였다. ‘웨어러블 디바이스’, ‘뇌공학’, ‘인공지능’ 등 각자의 전공분야를 활용해 누구나 이해하기 쉬운 언어로 소개하는 바이오메디컬공학 트렌드를 읽다 보면, 어느새 바이오메디컬공학이 꿈꾸는 비전에 매료될 것이다.
‘더 건강하고, 더 행복한 삶’을 위해 달려 나가고 있는 바이오메디컬공학, 교실 밖에서 듣는 이 강의를 통해 이미 다가온 미래를 만나고, 더 나아가 세상을 더 이롭게 바꿀 꿈을 함께 꾸어보면 어떨까?

추천사

정재승(이 책의 저자들을 존경하는 뇌공학자)
미래 사회에 막대한 영향을 미칠 학문을 꼽자면 단연 바이오메디컬공학 입니다. 장수와 삶의 질이 가장 중요한 화두가 될 미래에, 생명을 연장 하고 건강을 회복하는 기술이야말로 우리에게 가장 절실한 기술이지 않을까요! 몸에서 벌어지는 현상을 측정하고, 질병을 정확하게 진단하고, 생체재료로 인공장기를 만들어 치료하는 바이오메디컬공학은 다음 세대가 가장 주목해야 할 학문 분야 중 하나입니다.
중고등학교 학창시절엔 바이오메디컬공학을 제대로 배울 기회가 없어 늘 안타까웠는데, 한양대학교에서 이를 연구하시는 교수님들이 청소년들에게 바이오메디컬공학을 친절히 소개하는 책을 써 주셔서 무척 고맙습니다. 이 책은 뇌공학을 포함해 다양한 바이오메디컬공학 영역의 주요 개념에서부터 발전 역사, 그리고 현재 최전선의 기술까지 학문적 지형도를 선명하게 그려준다는 점에서 학생들에게 매우 유익합니다.
많은 청소년들이 이 책을 통해 바이오메디컬공학의 경이로운 세계를 경험하길 바랍니다. 도전적으로 미래를 꿈꾸는 이들에게 이 책은 바이오메디컬공학의 비전을 이해하는 충실한 가이드북이 되어 줄 것입니다.

장동선(뇌과학 박사·과학커뮤니케이터, 궁금한뇌연구소 대표)
‘타고난 우리 몸의 한계를 뛰어넘을 수 있을까?’ 인류가 늘 꿈꿔오던 이 질문에 직접 답을 할 수 있는 학문이 바로 ‘바이오메디컬공학’입니다. 살아있는 우리 몸 안을 들여다볼 수 있는 X-ray와 CT, 그리고 MRI 영상 기술, 문제가 생긴 신체의 일부를 기계와 로봇으로 대체할 수 있는 신체 증강 기술, 보이지 않는 몸 안의 병도 발견할 수 있는 나노의학, 그리고 우리의 생각과 기억을 전자칩에 담아 컴퓨터에 업로드할 수 있는 BCI 기술까지 모두 ‘바이오메디컬공학’의 영역에 포함됩니다.
먹지 않아도 되는 전자약, 냄새로 병을 진단할 수 있는 인공후각센서까지 이렇게 상상을 자극하는 여러 미래 기술들의 연구 현장이 생생하게 한 권의 책에 담겨 있습니다. 바로 [교실 밖에서 듣는 바이오메디컬공학]입니다. 미래 바이오메디 컬공학 기술의 최고 전문가들이 흥미진진하면서도 이해하기 쉽게 쓴 이 책을 진심으로 추천합니다. 미래에는 우리의 몸의 한계를 어떻게 넘어서게 될지 궁금한 분들이라면 꼭 한 번 읽어보시길 권합니다.

김동욱(대한의용생체공학회 28대 회장·전북대학교 바이오메디컬공학부 교수)
바이오메디컬공학에 대한 궁금증을 일반인이나 중고교생들에게 알기 쉽게 설명할 수 있는 양질의 도서의 발행을 염원해 왔는데, 한양대학교 교수진들의 수고로 그 결실을 맺게 되었습니다. 바이오메디컬공학이 걸어온 길과 걸어가야 할 길을 알기 쉽게 풀어 낸 저자들의 혜안에 감탄합니다. 바이오메디컬공학 분야에서 다루고 있는 다양한 주제들을 망라하는 본문을 읽다 보면 의료 분야에서 활약하는 공학기술의 실체를 파악하게 됩니다. 이와 함께 첨단 의료기술의 실현이 눈앞에 펼쳐지고 있음을 실감할 때 나도 이 분야에 평생을 걸고 싶다는 욕망이 샘솟을 수 있으리라 기대합니다.

목차

추천의 말
프롤로그

1부 우리 몸을 들여다보다
1. 몸속 사진 한 장 한 장을 모으면 : X-레이 영상과 CT (임창환)
2. 뇌는 제가 잘 봅니다 : MRI (임창환)
3. 소리를 이용해 영상을 보다 : 초음파 영상기기 (임창환)
4. 몸속에선 어떤 일이 일어나고 있을까? : 핵의학영상 (장동표)

2부 장애를 넘어 신체를 증강하다
1. 손발 잃은 사람들의 희망 : 근전 인터페이스 (전자의수, 의족) (임창환)
2. 세상과 연결해 주는 인공 귀 : 보청기와 인공와우 (김인영)
3. 뇌를 통해 세상을 보다 : 인공망막 (장동표)
4. 몸짓으로 만드는 에너지 : 생체 내 에너지 하베스팅 (김선정)
5. 로봇이 벌크업을 하면 어떻게 될까? : 인공근육 (김선정)

3부 뇌 치료에서 인공두뇌까지, 뇌공학
1. 머릿속의 페이스메이커 : 뇌심부자극술 (장동표)
2. 두개골을 열지 않고 뇌를 치료하는 법 : 비침습적 뇌자극 (임창환)
3. 내 도파민 농도는 괜찮을까? : 신경전달물질 측정 기술 (장동표)
4. 너의 ‘뇌 소리’가 보여 : 뇌 신호 측정 기술 (임창환)
5. 내 뇌에 칩이 들어간다면 : 뇌-기계 인터페이스 (장동표)
6. ‘뇌’맘대로 움직이는 세상 : 뇌-컴퓨터 인터페이스 (임창환)

4부 예방에서 치료까지, 나만의 주치의를 만나다
1. 내 손 안의 작은 병원 : 원격진료와 U-healthcare (김인영)
2. 함께 자고, 먹고, 일하는 기기 : 웨어러블 헬스케어 (김인영)
3. 더 많은 정보, 더 나은 진단 : 의료 빅데이터와 디지털 헬스케어 (김인영)
4. 나에게 꼭 맞는 치료 : 맞춤 의학 (김인영)

5부 몸속 세포에서 답을 얻다
1. 우리 몸속 나노센서 로봇 : 마이크로 나노ㆍ제조기술 (최성용)
2. 별자리처럼 빛나는 세포들 : 세포막 수용체 분석 (최성용)
3. 암 치료의 원조, 면역시스템 : 면역 치료제 (최성용)
4. DNA는 범인을 알고 있다 : DNA 진단기술 (최성용)
5. 세포들의 특별한 메신저 : 나노 소포체 진단기술 (최성용)

6부 우리 뇌를 더 잘 이해해야 하는 이유
1. 뇌를 수식으로 표현하다 : 뇌신경 수학적 모델링 (김안모)
2. 인공지능을 진화시키는 뇌과학 : 뇌모방 인공지능 (김안모)
3. 생각이 업로드 되었습니다 : 뇌신경계 시뮬레이션 기술 (임창환)
4. 뇌가 사용하는 언어가 있다? : 신경코드 해독 (임창환)

7부 계속해서 진화하는 의료기기
1. 먹지 않아도 되는 약이 있다? : 전자약 (이병훈)
2. 내 몸 안의 119 구조대 : 이식형 의료기기 (이병훈)
3. 냄새로 병을 진단할 수 있을까? : 인공후각 (김안모)
4. 내 몸속의 초소형 드론: 캡슐형 내시경 (이병훈)
5. 질병을 예방하는 똑똑한 시계 : 스마트 의료기기 (최성용)
6. 빛으로 풀어내는 인체의 비밀 : 광유전학 (이병훈)

에필로그

본문중에서

세계 최고의 의료기기 회사인 미국 메드트로닉[Medtronic]의 설립자 얼 바켄[Earl Bakken]은 2009년 미네아폴리스에서 개최된 국제 바이오메디컬공학 학술대회에서 기조 강연을 하며 메드트로닉이 그간 개발한 인공심장박동기와 인슐린펌프로 인해 전 인류의 평균 수명이 2년 이상 늘어난 것으로 조사됐다고 발표했습니다. 이처럼 새로운 의료기기와 의료기술을 만들어 내는 주역은 의사도 간호사도 아닌 바로 바이오메디컬공학을 연구하는 공학자들입니다.
_프롤로그

이때도 가만히 있을 의공학자들이 아니지요. 그래서 한 번에 몸 전체를 통과할 수 있는 빔을 고안해 ‘팬 빔[fan beam]’이라는 방식을 만들어 내게 되었습니다. 팬 빔은 이름에서 알 수 있듯이 우리의 전통 무용인 부채춤에 사용되는, 얇게 펼쳐진 부채처럼 생긴 빔을 이용합니다. 그러면 한 번에 몸 전체를 촬영하는 것이 가능할 뿐만 아니라 아주 빠르게 영상을 얻을 수 있게 되지요.
_1. 우리 몸을 들여다보다

그래서 연구되고 있는 기술이 ‘화학적 에너지’를 이용한 에너지 하베스팅입니다. 바로 ‘생체연료전지’라고 불리는 기술이지요. ‘전지’라는 이름에서 알 수 있듯이 우리 몸 안에 일종의 배터리를 심어 넣는 것 입니다. 하지만 우리가 시계에 집어넣는 전지처럼 아연, 망간 등의 금속에서 에너지를 얻는 것이 아니라 우리 몸 안의 ‘포도당’이 전지의 에너지원이 되는 것이지요.
_2. 장애를 넘어 신체를 증강하다

하지만 뇌파를 이용한 BCI의 가장 중요한 응용 분야는 역시 루게릭병이나 뇌졸중 등으로 인해서 정상적인 방법으로 의사소통이 불가능한 사람과 의사소통을 하는 것입니다. BCI를 활용해서 의사소통을 하는 방식 중에서 최근 가장 널리 연구되고 있는 것은 정신적 타자기[mental speller]응용입니다. 특정한 글자를 쳐다보는 것만으로 타이핑이 가능한 기술인데요. 한 글자를 1~4초가량 쳐다보면 타이핑이 되고 정확도는 95퍼센트에 달합니다.
_3. 뇌 치료에서 인공두뇌까지, 뇌공학

현재의 바이오메디컬공학 기술을 이용하면 이러한 일상적인 검사와 진료를 원격으로 받는 것이 어렵지 않아 보입니다. 최근에 나온 혈압계나 혈당측정기 등은 가정에서 손쉽게 혈압이나 혈당을 측정할 수 있고 측정한 데이터를 스마트기기에 자동으로 저장할 수 있습니다. 이런 제품은 인터넷 쇼핑으로도 쉽게 구매할 수가 있지요. 이렇게 쌓인 데이터를 의료진에게 전송해 화상으로 진료를 받고, 처방약까지 택배로 받을 수 있다면 몇 시간을 걸쳐 기다리는 3분의 진료보다 더 효율적인 진료를 언제 어디서나 받을 수 있게 됩니다.
_4. 예방에서 치료까지, 나만의 주치의를 만나다

마치 신무기를 장착해서 암세포만을 정교하게 공격하는 살상 로봇을 구현한 것 같은데요. 자연 나노센서 로봇인 백혈구와 마이크로ㆍ나노 제조기술이 만나 시너지를 낸 것이지요. 아직은 쥐를 대상으로 한 연구 단계이지만, 이처럼 백혈구에 항암제뿐만 아니라 퇴행성질환 치료를 위한 항산화제와 같은 다양한 신무기들이 장착된다면 미래에는 다양한 질병을 보다 효과적으로 치료할 수 있을 것이라 예상됩니다.
_5. 몸속 세포에서 답을 얻다

물론 현재는 불과 302개의 신경세포와 7,000여 개의 시냅스를 가진 단순한 생명체를 컴퓨터에 업로드하는 것도 힘든 수준이니 860억 개의 신경세포와 100조 개에 달하는 시냅스로 구성된 인간의 뇌를 컴퓨터에 업로드한다는 것은 거의 불가능에 가까워 보입니다. 그럼에도 저는 우리 인류가 ‘마인드 업로딩’이라는 궁극의 목표를 향해 계속해서 나아갈 것이라고 믿습니다. 인류의 역사를 돌이켜 보면 단 0.0001%의 가능성을 바라보고 자신의 일생을 바쳤던 수많은 과학자들과 기술자들이 있었고, 그들의 노력이 모여 지금의 과학 기술이 탄생했다는 것은 부인할 수 없는 사실이니까요.
_6. 우리 뇌를 더 잘 이해해야 하는 이유

이를 해결하기 위해 의공학자들은 정보통신기술을 바탕으로 다양한 공학기술을 융합한 최첨단 의료기술인 ‘캡슐 내시경’을 통해 이러한 문제점들을 극복하고자 하는데요. 캡슐 내시경은 우리가 일상적으로 먹는 비타민 알약 크기의 전자장치로 인체 내부를 이동하며 진단이 필요한 곳을 선택하여 촬영하고 그 정보를 무선통신을 통해 외부로 전달하는 장치입니다. 크기가 작고 위치가 고정되지 않아 이동이 자유로운 것이 마치 드론과도 같습니다.
_7. 계속해서 진화하는 의료기기

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저자소개

임창환 [저] 신작알림 SMS신청
생년월일 -

교수. 인간의 뇌와 컴퓨터를 연결하는 기술인 뇌-컴퓨터 인터페이스와 뇌조절 기술을 연구하는 뇌공학자다. 대표 저서로는 『뇌를 바꾼 공학, 공학을 바꾼 뇌』(2015), 『바이오닉맨』(2017), 『브레인 3.0』(2020), 『우리 뇌를 컴퓨터에 업로드할 수 있을까』(2020) 등이 있다.

김선정 [저] 신작알림 SMS신청
생년월일 -

교수. 생체모방공학을 연구하고 있으며 인공근육과 그 근육을 구동할 수 있는 에너지 시스템을 개발하고 있다.

김안모 [저] 신작알림 SMS신청
생년월일 -

교수. 곤충의 시각과 공간기억을 연구하고 이를 통해 가볍고 빠른 인공지능을 개발하는 연구를 수행하고 있다.

김인영 [저] 신작알림 SMS신청
생년월일 -

교수. 웨어러블 디바이스로 생체신호를 측정하고 인공지능으로 분석하는 연구를 하는 의사 과학자다.

이병훈 [저] 신작알림 SMS신청
생년월일 -

교수. 전기, 전자, 전파 기술을 이용해 인체에 부착 및 삽입이 가능한 초소형 바이오메디컬기기를 개발하는 연구를 수행하고 있다.

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