휴먼 디지털 트윈 정의 및 사례

개요

디지털 트윈 기술

디지털 트윈은 현실 세계를 3D 모델로 가상화하고 다양한 데이터를 연계･시각화하여 실시간 자동관제 및 시뮬레이션 기반 분석･예측･최적화를 구현하는 융합기술로 정의할 수 있다.7) 개별 요소기술이 아닌 다양한 ICT기술이 집적된 융복합 기술에 해당한다.

<디지털 트윈 개념도>

디지털 트윈 기술 K-로드맵에 의하면 디지털 트윈 기술발전을 5단계로 정의하고 있다. ① 물리대상을 디지털 트윈으로 복제하는 모사 단계, ② 디지털 트윈 기반 물리대상 모니터링 및 관계분석을 통해 제어하는 관제 단계, ③ 디지털 트윈 모의결과를 적용한 물리대상을 최적화하는 모의 단계, ④ 최적화된 개별 물리대상들이 상호연계된 복합 디지털 트윈으로 재구성되고 물리대상 상호운영을 최적화하는 연합 단계, ⑤ 개별 및 복합 디지털 트윈에서 자율적으로 문제점을 인지하고 해결하여 물리대상을 최적화하는 자율 단계가 그것이다.

휴먼 디지털 트윈

휴먼 디지털 트윈은 메디컬 트윈(Medical Twin), 헬스 아바타(Health Avatar), 헬스케어 디지털 트윈(Healthcare Digital Twin) 등의 이름으로 기술되어 왔다. 이는 디지털 트윈의 적용 분야 특성을 반영한 정도의 차이만 있는 것으로 사람의 신체에 디지털 트윈을 적용한 기술적인 차이는 없다고 할 수 있다. 그리고 기계, 제조 등의 타 적용 분야와 비교하면 디지털 트윈의 요소 기술 중 시뮬레이션 기반 분석･예측･최적화에 있어 수치 방정식으로 표현이 가능한 기계･역학적 모델보다 딥러닝과 같은 데이터 기반의 통계 모델을 적용하는 경우가 휴먼 디지털 트윈에서는 더 많은 것이 특징이라고 할 수 있다. 이는 심장 혈류 시뮬레이션 등에서 유체역학 모델을 적용한 경우를 제외하면 외부 요인에 의한 신체의 변화가 기계･역학적으로 잘 정의된 것이 부재하기 때문일 것이다. 

인체 장기에 대한 휴먼 디지털 트윈 기술 사계

프랑스 Dassult System의 ‘The Living Heart Project’ 사례

Living Heart Project는 심혈관 연구자, 교육자, 의료 기기 개발자, 규제 기관 및 심장병 전문의들이 함께 맞춤형 디지털 인간 심장 모델을 개발하고 검증하는 데에 주력하고 있다. 디지털 인간 심장 모델은 심혈관 의학을 위한 통합 기반을 마련하고 교육, 의료 기기 설계, 테스트, 임상 진단 및 규제 과학을 위한 공통 기술 기반으로 활용할 수 있다. Living Heart Project는 상용화 가능한 심장 모델의 공동 개발과 신규 디지털 치료법을 활용하는 방법으로 개발되고 있다. 미국 FDA와의 협력으로 가상 환자를 대상으로 한 계산 모델링과 시뮬레이션을 통해 임상 시험 효율성을 향상시키고 있다. Living Heart의 3D 심장 모델을 활용한프로젝트는 심혈관 의료기기 승인을 위한 디지털 임상 근거로 심장 시뮬레이션 결과를 사용할 예정이다.

<심장 모델링 및 시뮬레이션 예시>

대동맥에 대한 휴먼 디지털 트윈 사례

혈압 조절은 심혈관 시스템에서 가장 중요한 통제 메커니즘 중 하나이며, 혈압 조절 장애는 매우 유해한 결과로 이어질 수 있다. 따라서 혈압 조절을 시뮬레이션하고 분석하는 모델 개발은 매우 중요한 영역 중 하나이다. 덴마크의 올보르(Aalborg) 대학 연구팀에서는 혈압 조절기가 위치한 인간 대동맥 아치 관련 디지털 트윈 모델을 개발하였다. 이 모델은 박동 혈류 영역과 동맥벽 영역을 결합하면서 점탄성 특성까지 고려하도록 구성하여 혈압 조절에 대한 이해를 높이고 심혈관 시스템의 건강 상태까지 평가할 수 있다.

<대동맥에 대한 모델링과 시뮬레이션 예시>

신체 기도에 대한 휴먼 디지털 트윈 사례

에어로졸 요법은 천식 등 호흡기 질환을 치료하는 데 사용되는 일반적인 임상 기술이다. 에어로졸 요법의 효율성은 기관 내 약물이 어떻게 배포되는지에 따라 달라진다. 최근 몇 년간, 몇 가지 흡입기 장치가 설계되어 호흡기 내 에어로졸 약물의 배포를 개선하는 데 이용되고 있다. 기관 내 성형체가 염증, 조직 반응 및 기타 부작용을 유발하기도 하고 특정 영역에 에어로졸 과다 투여 등으로 부작용이 발생하는 경우도 있다. 스페인의 UPNA 대학 연구팀에서는 신체의 기도에 대한 디지털 트윈 모델링과 입자역학 기반 시뮬레이션을 개발하였다. 환자 기도 내의 입자 침착 운동에 대한 분석으로 호흡기 질환에 대한 환자 맞춤형 치료가 가능하여 환자 상태 개선이 가능하다.

중증 경동맥 협착 탐지를 위한 휴먼 디지털 트윈 사례

영국의 스완지(Swansea) 대학 연구팀에서는 중증 실어증을 감지하는 방법에 휴먼 디지털 트윈을 적용하였다. 혈류 및 머리 진동 모델을 함께 사용하여 서로 다른 폐쇄 정도에 대한 가상 머리 진동 데이터를 생성하고 실제 머리 진동은 가상 데이터와 비교하여 좁아진 혈관의 중증도를 결정하는 기술을 개발하였다.머리 진동 데이터를 이용한 휴먼 디지털 트윈으로 정확성을 높일 수 있었으며 임상 실습에도 사용될 수 있도록 개발되었다. 본 연구는 실어증 또는 뇌졸중의 잠재력을 지속적으로 모니터링할 수 있는 휴먼 디지털 트윈의 형태로도 발전이 가능할 것으로 기대된다.

심장에 대한 휴먼 디지털 트윈 사례

독일의 뮌헨 공과대학교(Technische Universität München) 연구팀은 환자의 심장 기능을 시뮬레이션하는 수치 계산 기반 휴먼 디지털 트윈 모델을 개발하였다. 이 모델은 심장과 혈관 시스템의 전반적인 생리학적 데이터를 효율적으로 측정하고 심장 기능의 변화를 심근 조직 내의 국소적인 기계적 양에 대해서도 모델링 가능하다. 약리학적으로 유도된 돼지의 심장에 대한 in vivo 실험 데이터와 디지털 트윈 기반 모델의 예측 결과를 비교한 결과 매우 유사하게 일치하여 이 모델이 인간 신체 실험에서 측정할 수 없는 심근벽 스트레스와 변형의 변화를 모델링하고 시뮬레이션할 수 있음을 보여준 사례라 할 수 있다.

<3D 심장에 대한 시뮬레이션 모델>

발전 전망

이상으로 다양한 경우의 휴먼 디지털 트윈 연구개발 사례들을 살펴보았다. 현재까지 기술은 연구 시제품 정도의 수준이고 임상에 활용되는 경우는 극히 일부분으로 보인다. 하지만 비대면 의료 등과 같은 언택트 서비스에서는 휴먼 디지털 트윈이 매우 중요한 요소 기술로 자리를 잡아 임상에 활용이 가능한 수준으로 발전할 것으로 기대된다.
기술적 측면에서 휴먼 디지털 트윈은 사람의 인체 장기에서 세포 단위까지의 마이크로 방향을 하나의 축으로 하고 사람의 신체 일부에서 신체 전체와 유전체, 의료, 건강, 환경 정보 등까지 모델링하고 시뮬레이션이 가능한 매크로 방향을 또 하나의 축으로 발전할 것이다. 그리고 의료기기, 의료진, 환경적 요소 등이 추가적으로 디지털 트윈과 연동하고 연합하는 방향으로 발전할 것으로 예상된다.
향후 휴먼 디지털 트윈의 활용에 있어 중요성이 커질 시뮬레이션 부분은 물리법칙에 따른 수치 모델링 방법보다 딥러닝과 같은 데이터 기반의 통계적 모델이 더 많이 활용될 것으로 보인다. 현재는 모든 경우를 포함하는 데이터가 확보되지 않은 상황이라 통계적 방법에 오류가 클 수 있으나 대규모의 학습 데이터 구축과 인공지능 기술의 발전으로 이러한 오류는 매우 빠르게 줄어들 것으로 예상된다.