DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 이상훈 교수 연구팀이 말초신경을 안전하고 효율적으로 자극할 수 있는 차세대 코일 인터페이스를 개발했다.

이번 연구는 전극을 직접 신경에 접촉하지 않고도 자기장을 이용해 신경을 비접촉 자극하는 기술의 효율성과 가능성을 크게 높였다는 점에서 의미가 크다.

최근 만성 통증, 말초신경병증, 손목터널증후군, 안면신경 마비 등 말초신경 기능 장애를 치료하기 위한 비침습(비수술·비접촉) 방법에 대한 수요가 증가하고 있다. 하지만 신경에 직접 전극을 삽입하여 자극하는 기술은 침습적이며 면역반응에 의한 반흔 (scar)조직 형성으로 접촉된 전극의 자극 성능을 급격히 떨어뜨리며 피부에 붙이는 비침습적인 전기자극은 자극 선택성의 한계와 피부트러블, 누수 전류 등의 한계가 있어 새로운 대안이 필요했다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 비접촉 말초신경 자기자극(Peripheral Magnetic Stimulation, PMS) 기술에 주목했다. 자기장을 활용하면 신경 또는 피부에 직접적인 접촉 없이 신경을 자극할 수 있지만, 기존 방식은 고전류가 필요하고 발열이 심해 활용에 제약이 있었다.

이상훈 교수팀은 이에 코일의 형상·배치·전류 방향을 통합적으로 설계해 전기장의 공간적 기울기(변화 정도)를 극대화하는 새로운 접근법을 제시했다. 
 

▲ 자기자극 기반 말초신경 코일 인터페이스 모식도 [사진=DGIST]

연구팀은 시뮬레이션을 통해 네 잎 마름모 모양의 코일이 같은 크기의 다른 코일보다 더 높은 자극 효과와 낮은 에너지 소모를 보인다는 사실을 확인했다. 

이후 3D 프린팅과 동선을 이용해 초소형 코일을 제작하고, 동물 실험을 통해 안정적인 신경 자극 효과를 검증했다. 실험 결과, 자극 중 코일 표면 온도 상승은 1~1.7℃에 불과해 안전성이 입증됐다.

또한 연구팀은 자극 신호의 상승 시간이 길수록 신경 반응이 커진다는 사실을 확인해, 단순히 전류의 세기뿐만 아니라 전기장이 지속되는 시간이 신경 활성에 중요한 역할을 한다는 원리를 제시했다. 

이는 향후 비접촉 자기장 신경자극 기술에 적용되어 ▲만성 통증 조절 ▲신경 재활 훈련 ▲선택적 신경 차단 ▲신경 반응 지도화 등 다양한 임상·공학 응용으로 확장될 수 있을 것으로 기대된다.

이상훈 교수는 “이번 연구는 전극의 직접적인 신경 접촉 없이 자기장을 이용해 신경을 정밀하게 자극할 수 있는 방법을 제시한 것”이라며, “향후 통증 치료와 신경 재활 등 의료 분야에서 실질적으로 활용할 수 있는 기반 기술로 발전시켜 나가겠다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 DGIST R&D 프로그램, 한국연구재단, 산업통상자원부·보건복지부·식품의약품안전처 지원 사업의 일환으로 수행됐으며, 연구 성과는 재활·신경공학 분야의 세계적 권위 학술지인 IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering에 게재됐다.

글. 우정남 기자 insight1592@gmail.com