의료기기 및 제약 회사가 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션 기술로 원활하게 전환할 수 있도록 돕는 최적의 적용사례 4가지를 살펴본다. 주)

항공, 자동차 및 원자력 산업과 같은 초기 엔지니어링 시뮬레이션 사용 회사를 따라 생체의학 및 제약 회사도 제품 개발 프로세스를 단축하고 신약 출시와 관련된 상당한 비용을 줄이기 위해 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션(CM&S)을 광범위하게 채택하기 시작했다. 미국에서 신약 관련 비용은 최대 20억 달러에 이른다. 하지만 일부 의료 종사자와 회사는 여전히 이 익숙하지 않은 접근방식과 기술을 채택하기를 주저하고 있다.

의료 역사는 진정한 기술적 혁신을 초기에 채택한 회사가 새로운 시장 주도 기업으로 부상했음을 보여준다. 이전의 시장 지배적 사업자를 비롯해, 이 변화를 거부한 회사는 간단히 말해 사라졌다. 의료 분야는 이러한 변화를 수세기 전에 경험했다. 예를 들어 레오나르도 다빈치는 인체의 작동방식을 이해하기 위해 인 비보(In vivo) 접근방식, 즉 생체내 실험을 도입했다. 다시 말해, 연구자는 생체와 사체에서 시험과 실험을 수행했다.

이 접근방식은 현대적인 수술법과 같은 엄청난 혁신을 가져왔으며, 많은 생명을 구했다. 19세기 후반에 혁신가들이 인 비트로(In vitro) 시험 방식을 개발했다. 이 방식은 인 비보 실험보다 훨씬 빨랐지만 인 비보 방식을 완전히 대체하는 것은 아니었다. 인 비트로 방식에서는 연구자가 시험관과 페트리 접시에서 시험 및 실험을 수행했다. 이 방식은 대규모 제약 산업과 같은 새로운 혁신의 물결을 일으켰다.

오늘날 혁신의 기하급수적 성장을 유지하기 위해 의료 및 제약 업계는 점점 더 많은 실험을 컴퓨터에서 수행하는 시대에 들어섰으며, 인 비보 및 인 비트로 접근방식을 보완하는 이 방식을 인 실리코(In silico) 방식이라고 한다. 인 실리코 방식에는 과학과 의학을 혁신할 가능성이 존재한다. 하지만 일부 기업은 이 새로운 시험 스타일이나 단계로 전환하는 방법에 여전히 의문을 품고 있다.

점점 더 많은 기술 지지자가 시장의 선구자 및 혁신가들과 교류하면서 네 가지 최적의 적용 사례가 등장하게 됐다.



가상 인체 실험실

많은 의료용 제품, 특히 모든 약물은 인체와 직접적으로 상호작용한다. 따라서 작동 환경인 인체에서 시험하는 것이 필요하지만, 이는 매우 까다로운 작업이다. 예를 들어 특정 치료법의 성능을 시험하기 위해 위험을 감수할 수 있는지 원자를 찾는 것이 어렵거나 불가능할 수 있다. 의료 영상, 컴퓨팅 성능, 수치 알고리즘 및 모델의 진보 덕분에 이제 의료 및 제약 회사가 인체 환경을 재현할 수 있다. 필요한 경우 연구자들은 뛰어난 정밀도의 형상 및 작동 조건을 사용하여 이 인체 환경을 확장할 수 있으며, 계통적 접근방식을 통해 전체 인체를 모델링할 수 있다.

일류 기업들은 기기와 함께 기기가 상호작용하는 인체 부분도 상세하게 모델링한다. 또한 실험을 통해 이미 검증된 고급 모델을 사용하여 연조직, 뼈, 혈액 등과 같은 천연 구성요소의 복잡한 열, 구조, 유체 또는 전자기 거동을 예측한다. 다양한 환자의 활동과 병리학을 모방하는 적절한 경계 조건은 3D 모델링과 전체 인체 시뮬레이션을 수행하는 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 결정된다. 제품 개발 프로세스의 초기 개념개발 단계에서는 기기 작동방식에 대한 상세한 이해가 필수적이다. 이러한 이해를 바탕으로 오류를 찾고 최적화의 가능성을 열 수 있다.

이와 같은 고급 인체 모델의 개발은 대개 단계별로 수행되며, 각 적용 단계별로 귀중한 통찰력을 제공한다.

첫 번째 단계로, 회사는 엔지니어링 시뮬레이션을 사용하여 기기와 직접 상호작용하는 인체 요소를 추가하며, 이것이 최선의 가상 인체 상호작용 실험실 적용사례의 최초 채택 단계이다. 계속해서 연구자들은 보다 발전된 비선형 모델을 고려하거나 더 많은 물리학을 추가하여 인체의 복잡성을 흉내 내는 요소를 더해 향상된 충실도로 인체와 기기의 상호작용을 파악한다. 또한, 가능하면 차수감소(reduced-order) 모델링 방식을 사용하여 전체 인체를 포함할 때까지 신체 부위의 수를 점진적으로 확장해야 한다. 이 점진적인 접근방식을 통해 혁신적인 회사는 지속적으로 회사의 가상 시험 프로세스를 발전시켜 나간다.

예를 들어, VIRTUheart™ 프로젝트(http://virtuheart.com)에서는 의사가 최선의 치료 형태를 결정할 수 있도록 돕는다. 이 프로젝트에서는 시뮬레이션을 사용하여 환자의 관상 동맥 질환의 심각도를 더욱 정확하게 진단한다. 또 다른 예로, 스타키 히어링 테크놀로지스(Starkey Hearing Technologies) 사는 시뮬레이션을 도입하여 보청기와 착용자 모두를 고려함으로써 보청기와 보청기 컨트롤러가 안정적으로 작동하도록 보장한다.

인 실리코 시험

의학계는 인적 다양성으로 인한 특별한 문제에 직면해 있다. 즉 새 기기가 한 사람에게서 잘 작동하는 것으로는 충분한 입증이 되지 않는다. 기기 제조업체는 의료장비가 전체 목표 집단에서 예상대로 작동한다고 확신을 가지고 말할 수 있어야 한다. 일반적으로 새 기기는 프로토타입이 환자에게 위험하지 않으며 목표 집단의 생리학적, 병리학적 다양성에도 불구하고 예상된 결과를 제공함을 확인하기 위해 임상실험에서 수백 또는 수천의 환자에게 시험한다.

이러한 임상시험의 유사성과 반복성은 컴퓨터 모델과 시뮬레이션을 사용할 수 있는 명백한 기회이다. 환자별 형상과 물질 특성으로 구성된 대규모 데이터베이스에서 동일한 시뮬레이션을 수행하면 연구자는 몇 가지 주요 파라미터만을 기반으로 인 실리코 임상시험을 개발할 수 있으며 이러한 인 실리코 시험이 임상의에게 가치가 있다는 결론에 도달할 수 있다. 뿐만 아니라, 가상환자를 시험하게 되므로 부상의 위험이나 안전의 위협이 없다. 따라서 지정된 솔루션에서 극한 상황까지 테스트하여 실제 작동 범위를 결정할 수 있다.

이러한 인 실리코 임상시험 개발은 시간이 많이 걸리는 작업인데, 이는 환자별 형상, 물질 특성 및 작동 조건으로 구성된 대규모 데이터베이스의 누적이 필요하기 때문이다. 하지만 단일 환자의 인체와 기기의 상호작용을 모델링하는 것이 인 실리코 시험방식으로 전환하기 위한 첫 단계인 것은 분명하다. 의료 기기 제조업체는 임상 파트너, ANSYS와 같은 시뮬레이션 소프트웨어 공급자와 협력하여 데이터베이스에 환자별 형상(및 물질 특성)을 점진적으로 추가할 수 있다. 이러한 인 실리코 임상시험의 점진적인 도입과 확대를 통해 새로운 치료법이 실제 임상시험을 문제없이 통과할 수 있다는 확신을 더욱 높일 수 있다.

인티그레이티드 사이언티픽 서비시스 AG(Integrated Scientific Services AG, ISS)는 환자별 백내장 수술 방법을 만들기 위해 ANSYS Mechanical을 활용하는 안과 의사를 위한 임상 툴인 Optimeyes를 개발하고 있다. ISS는 각막을 비롯한 눈을 구성하는 다양한 부분의 구조 및 구성 물질에 대한 지식을 바탕으로 Optimeyes를 만들었으며, 이 과정에서 ANSYS와 협력했다. ANSYS Mechanical은 지정된 레이저 치료에서 환자에게 발생하는 각막의 변형을 계산한다.

시뮬레이션 중심 FDA 승인

최근에 미국 식품의약청(FDA) 같은 규제 기관들이 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션의 가치를 인정했으며, 시뮬레이션이 적절하게 적용된 경우 승인 프로세스에서 이를 고려하고 있다. 규제 기관들은 시뮬레이션을 도입하여 실물, 동물 및 인체 시험과 같은 다른 접근방식을 보완하도록 권장하고 있다. 아직 컴퓨터 모델링이 전체 시험에서 차지하는 비중은 작지만, MDIC(Medical Device Innovation Consortium)에 따르면 장래에 임상시험의 50% 이상을 이 접근방식이 차지하게 될 것이라고 한다.

급성장하는 이 기술을 수용하려는 여러 규제 기관의 의지가 모이면, 엔지니어링 시뮬레이션이 승인 과정의 필수 부분이 될 수 있을 것이다. 일부 의료 기기 회사는 이전에 승인을 받은 기기(및 인체와의 전자기 상호작용)의 수정 버전을 시뮬레이션 결과만 사용하여 승인을 받았다고 알려왔다. 하지만 일부 규제 기관은 이 기술에 대해 아직 잘 모르고 있거나 특정 형식으로 결과를 요구하므로, 의료 기기를 수정하거나 개발하려는 모든 회사는 초기 단계부터 자주 규제 기관과 의견을 나누어 검증 및 보고에 필요한 사항을 확인해야 한다.

이러한 상호작용을 통해 권장되는 인 실리코 승인 전략이 규제 기관과 마찬가지로 회사에서도 분명해지며, 승인에 걸리는 시간을 줄이고 비용을 최소화하는 데 있어 시뮬레이션이 중요한 역할을 할 수 있는 사례가 증가하게 된다.

개인 영역 네트워크의 가상 기반 인증

인터넷에 연결되거나 상호 연결되는 웨어러블 기기와 체내 삽입 기기가 크게 증가함에 따라, 즉 사물 인터넷이 보편화됨에 따라, 개인 영역 네트워크(body-area network, BAN)로 알려진 개별 사용자의 복합 네트워크화가 빠르게 진행되고 있다. 정기적으로 인체와 직접 상호작용하는 기기의 수는 증가하고 있지만 전자기 에너지를 흡수할 수 있는 인체의 내성은 언제나 그대로이다. 이 때문에 제품 개발자는 체내 삽입 또는 웨어러블 기기로 인한 누적 에너지가 수용 가능한 전자기장 임계값을 초과하지 않도록 보장해야 한다. 또한 이러한 기기, 특히 생명 유지에 필수적인 기기가 상호간섭하지 않는 것도 마찬가지로 중요하다.

하지만 모든 구성을 시험하는 것은 거의 불가능하며 매번 새 기기의 FCC 승인을 받는 것도 까다롭다. 이러한 것이 가능하다고 해도 임상시험에는 시간과 비용의 제약이 있다. 메디트로닉(Medtronic)과 같은 시장 주도 기업은 엔지니어링 시뮬레이션을 사용하여 기기와 인체를 모두 모델링한 후 전자파 인체 흡수율(SAR)이 착용자에게 안전한 수준 이내에 있음을 입증한다. 메디트로닉은 뉴러시뮬레이터를 개발할 때 ANSYS Maxwell을 사용하여 충전기의 작동을 시뮬레이션하고 국부적 생체 조직 내의 SAR을 예측하여 비용 증가와 지연을 방지할 수 있었다.

인 실리코 시험은 가상으로 다양한 기기를 착용하거나 체내에 삽입하고 기기 간 상호작용 또는 기기와 인체 간 상호작용을 모델링할 수 있게 만든다. 또한 서로 다른 인체 유형(남성, 여성, 어린이, 마른 체형, 보통 체형, 비만 체형 등)을 고려할 수 있게 된다.

몇 가지 예외를 제외하면, 이 접근방식이 가까운 장래에 임상시험을 완전히 대체할 것으로 예상되지는 않지만 설계자들은 이미 이 접근방식을 이용해 제품 개발 프로세스의 초기 단계에 발생 가능한 문제를 식별하고 있다.

인 실리코 혁신에 대한 두려움 극복

이 인 실리코 혁신은 의료 및 제약 혁신을 북돋우며, 합리적인 비용으로 생명을 연장할 수 있는 솔루션을 제공하게 될 것이다. 이미 인 실리코 혁신은 가상인체 실험실, 인 실리코 시험, 시뮬레이션 중심 FDA 승인, 안전하고 신뢰할 수 있는 BAN 같은 최적의 적용사례를 채택한 기업에 엄청난 비즈니스 기회를 제공하고 있다. 하지만 모든 새로운 접근방식에는 불확실성이 내재돼 있으며 투자가 필요하다는 점에서 이 기술의 변화가 두려울 수 있다.

하지만 이러한 최적의 적용사례를 가능한 한 빨리 도입하는 것이 중요하다. 인 실리코 시험을 최소한의 수준으로 구현해도 회사는 상당한 가치를 얻을 수 있다. 먼저 사업에 가장 직접적인 영향을 줄 수 있는 최적의 적용사례를 식별해야 한다. 다음으로 가장 큰 혜택을 주는 최적의 적용사례를 점진적이며 다층적으로 도입해야 한다. 점진적인 방식을 채택하면 기업이 전사적 배포를 통한 완전한 혜택을 즉시 얻을 수 없지만 적은 투자로 중요한 결과를 얻을 수 있다.

ANSYS는 이 분야와 관련된 폭넓은 경험과 다양한 자원 네트워크를 보유하고 있으며, 인 실리코 의료 제품 개발로 전환하는 과정을 안내할 준비가 돼 있다.