20여년 전, 카린(Karin)이라는 스웨덴 여성은 농업 사고로 인해 손목에서 몇 인치 위에 있는 오른손을 잃었다. 그 후 그녀는 환지(손이 있던 곳)에서 오는 심한 통증을 견뎌냈다.

카린은 “계속 고기 분쇄기에 손을 대고 있는 것 같은 느낌이 들었고 이로 인해 높은 수준의 스트레스가 발생했으며 다양한 진통제를 고용량으로 복용해야 했다.”고 말했다.

이러한 고통을 겪는 것 외에도 그녀는 대부분의 시간 동안 한 손으로만 생활해야 했다. 그녀가 사용할 수 있는 유일한 보철물은 불편하고 통제하기 어려웠기 때문에 일상 생활에 거의 도움이 되지 않았다.

2018년 스웨덴 생체 공학 및 통증 연구 센터(CBPR)의 연구원들은 수술과 AI의 독특한 조합을 사용하여 카린의 골격, 근육 및 신경을 생체 공학 손에 연결했으며, 이는 카린의 삶을 바꾸어 통증을 줄이고 그녀는 보철물에 대해 더 많은 통제력을 갖고 있다.

"카린은 일상 생활에서 독립적이고 안정적으로 사용할 수 있는 고도로 통합된 생체 공학적 손이라는 새로운 개념을 받은 최초의 팔꿈치 아래 절단 환자이다."고 CBPR의 창립자이자 카린 사례에 대한 논문의 주요 저자인 맥스 오티즈 카탈란(Max Ortiz Catalan)은 말했다.

“그녀가 수년간 일상 활동에서 보철물을 편안하고 효과적으로 사용할 수 있었다는 사실은 사지 손실을 겪고 있는 사람들의 삶을 변화시킬 수 있는 이 새로운 기술의 잠재력에 대한 유망한 증거이다.”고 그는 계속했다.

생체공학 손

카린의 성공의 열쇠는 연구자들이 어떻게 생체 공학적 손을 절단단(절단 후 남은 팔 부분)에 여러 수준으로 연결했는지에 있다.

먼저 그녀는 팔의 요골과 척골에 티타늄 막대를 이식하는 "골유착"이라는 시술을 받았다. 이제 이 막대가 절단단 끝에서 튀어나오고 카린은 이를 사용하여 생체공학 손을 연결하거나 분리한다.

골융합을 사용하면 일반적으로 절단단에 보철물을 연결하는 컵 모양의 장치인 소켓이 필요하지 않다. 소켓은 발한, 피부 자극 및 기타 문제를 일으킬 수 있으며, 신경을 누르기 때문에 통증을 증가시킬 수도 있다.

카린과 수석 연구원 Max Ortiz Catalan. 출처: Ortiz-Catalan et al. / 사이언스로봇공학(2023)

외과 의사들은 또한 카린의 절단단에 있는 세 개의 주요 신경 말단에서 "신경종"이라고 불리는 신경 세포 덩어리를 제거했다. 이러한 구조는 종종 절단 후에 형성되며 그루터기 통증 및 환상지 통증과 관련이 있다.

연구자들은 카린의 다리에서 채취한 전극과 근육 이식편을 사용하여 절단단의 신경과 근육을 티타늄 막대에 연결했다. 이를 통해 생체공학 손과 카린의 절단단 사이의 양방향 통신이 가능해진다. 팔의 근육과 신경이 신호를 보내고 다시 신호를 보낼 수 있다.

기존 소켓에 부착된 생체공학 손의 경우, 절단단 표면에 부착된 전극이 근육 움직임을 감지하고 이를 보철물에 대한 명령으로 변환한다. 이러한 전극은 땀, 옷의 마찰 및 기타 외부 요인의 영향을 받아 생체공학 장치의 판독값이 일관되지 않고 신뢰할 수 없는 제어로 이어질 수 있다.

이 그림은 생체공학 손이 카린의 절단단과 통합되는 방식을 보여준다. 출처: Ortiz-Catalan et al. / 사이언스로봇공학(2023)

수술 후 카린은 절단된 손을 생체 공학적 손에 대한 명령으로 움직이려고 할 때 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 AI 알고리즘을 훈련하여 팔의 신호를 변환하려고 했다.

그녀는 또한 생체공학 손의 집게손가락과 엄지손가락에 있는 센서에서 팔로 다시 전송되는 전기 펄스를 해석하는 방법을 배웠다. 이러한 신호를 기반으로 그녀는 손가락 사이에 물체를 효과적으로 잡는 데 얼마나 많은 힘이 필요한지 결정할 수 있다.

카린은 자신의 생체 공학적 손을 제어하는 AI 알고리즘을 훈련한다. 출처: Ortiz-Catalan et al. / 사이언스로봇공학(2023)

영향

보철물의 기능을 측정하는 데 사용된 두 가지 테스트(ACMC 및 SNAP)에서 카린은 동일한 실제 생체 공학적 손에 부착되었음에도 불구하고 이전에 사용했던 소켓 및 표면 전극 시스템보다 새로운 통합 시스템을 통해 더 높은 점수를 받았다. 그녀는 이전에 Ottobock의 MyoHand Variplus Speed를 사용하고 있었다.

카린은 테스트를 완료하지 않을 때 MyoHand와는 달리 다양한 자유도를 갖춘 고급 생체공학 손인 Prensilia의 Mia Hand를 사용할 수 있는 옵션을 받았다.

그녀는 약 2년 동안 양손을 사용한 경험을 바탕으로 개입 전후의 삶의 질, 장애에 대한 인식, 통증 수준을 평가하는 설문지를 작성했고 모두 개선되었다. 0에서 10까지의 척도에서 환지통의 평균 강도는 5에서 3으로 증가한 반면, 절단단의 통증은 6에서 0으로 떨어졌다.

카린은 "나에게 이 연구는 더 나은 삶을 제공했기 때문에 많은 의미가 있었다. [나는] 보철물을 더 잘 제어할 수 있게 되었지만 무엇보다도 통증이 감소했다."라고 말했다. “오늘은 약이 훨씬 덜 필요하다.”

큰 그림

카린의 고도로 통합된 생체 공학 손은 엄청난 업그레이드임에도 불구하고 여전히 그녀가 농업 사고로 잃어버린 손만큼 기능적이지는 않다. 

인간의 손은 자연에서 가장 복합적인 구조 중 하나이기 때문이다. 많은 사람들은 아직까지 복제하지 않았다. 부분적으로 개발자처럼 기계 손을 사용자의 부분 및 제외하고 통합하는 것에 대해서는 걱정할 필요가 없다.

그럼에도 불구하고 카린의 경험은 기존 생체공학을 인체에 통합하는 방식을 변경하면 기능에 큰 영향을 미치고 이를 사용하는 사람들의 삶을 크게 향상시킬 수 있음을 보여준다.

원하는 사람이라면 누구나 이러한 접근 방식을 이용할 수 있게 만드는 것이 다음 장애물이 될 것이다. 생체 공학적 손의 비용은 수만 달러에 달할 수 있으며 연구 기간 동안 카린이 받은 수술과 훈련은 미국의 전체 비용에 크게 추가될 가능성이 높다.

수석 외과의인 리카드 브로네마크(Rickard Brånemark)는 “골유합을 재건 수술, 이식된 전극 및 AI와 결합함으로써 전례 없는 방식으로 인간 기능을 복원할 수 있다.”고 말했다

"팔꿈치 아래 절단 수준에는 특별한 어려움이 있으며, 달성된 기능 수준은 전체적으로 고급 사지 재건 분야에서 중요한 이정표가 된다."라고 그는 계속했다.