Sunday 30th April 2017,
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구글, 당뇨병 환자를 위한 스마트 콘택트 렌즈 개발을 선언하다

Yoon Sup Choi January 26, 2014 Digital Healthcare Comments Off on 구글, 당뇨병 환자를 위한 스마트 콘택트 렌즈 개발을 선언하다
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영화 터미네이터나 아이언맨을 보면 주인공이 바라보는 시야에는 많은 정보들이 디스플레이 됩니다. 바라보는 사람의 얼굴을 인식하기도 하고, 무기에 대한 정보를 주기도 하고, 수트의 전력이 부족하다든지 하는 자신의 상태를 보여주기도 합니다. 이런 공상과학 영화에서나 볼법한 일이 곧 현실로 다가올 수도 있을 것 같습니다. 구글이 구글 글래스의 시제품을 이미 베타테스트 형태로 출시하면서, 이러한 꿈 같은 일에 한 발짝 더 다가가게 되었지만, 구글은 거기에 그치지 않고 한 단계 더 나아간 실로 담대한 계획을 발표했습니다.

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구글, 혈당 측정이 가능한 스마트 컨택트 렌즈의 개발 계획을 공표

지난 1월 26일, 구글은 공식 블로그를 통해 ‘스마트 컨택트 렌즈’를 개발하는 새로운 프로젝트를 세상에 소개했습니다. 이 프로젝트의 책임자인 Babak Parviz가 직접 작성한 이 글에서 그는, 컨택트 렌즈 속에 장착한 극소형 장치를 통해서 눈물로부터 당뇨병 환자들의 혈당 수치를 정확하게 측정할 수 있게 하겠다는 프로젝트의 목표를 밝혔습니다. 오랫동안 과학자들은 눈물과 같은 체액을 통해서 어떻게 하면 혈당을 더욱 쉽고 정확하게 측절할 수 있을지를 연구해왔다고 합니다. Babak Parviz는 Google[x] 프로젝트를 통해서 칩과 센서와 같은 전자장치를 머리카락 보다도 더 얇게 극소형화 시켜서 눈물로부터 혈당을 측정할 수 있을지를 고민하게 되었다고 하였습니다.

구글은 Google[x] 라는 프로젝트들을 통해서 첨단기술 혁신을 통해서 세상을 바꿀만한 도전적인 아이디어들을 연구개발하고 있다는 것은 익히 알려진 일입니다. 구글 글래스 (Project Glass) 나 무인 운전 자동차 (Google driverless car), 그리고 성층권에 풍선을 띄워서 전 세계에 인터넷 네트워크를 제공하겠다는 프로젝트 룬 (Project Loon) 등이 이러한 ‘공상 과학 영화 같은’ Google[x] 프로젝트에 속해 있는 대표적인 예들입니다. 이번에 발표 된 스마트 컨택트 렌즈 프로젝트 역시 이 Google[x] 프로젝트의 일환으로 진행될 것임이 알려졌습니다.

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인류 19명 중 1명이 걸리는 당뇨병

당뇨병은 인슐린이라는 혈당을 조절하는 호르몬의 분비량이 부족하거나, 정상적으로 제어되지 않는 대사 질환의 일종입니다. 혈당 수치,즉 혈액 속의 포도당 수치가 너무 높아지거나 낮아지면 인슐린의 분비가 조절되어 혈당 수치를 일정하게 유지해야 하는데, 이러한 신체 기능이 제대로 작동하지 않는 질병입니다. 당뇨병은 급성 합병증을 동반하기도 합니다. 체내 인슐린이 갑자기 부족하게 되면 의식을 잃을 수도 있고, 심한 경우 사망에 이를 수도 있습니다. 또한 만성 합병증으로는 눈, 신장, 심장 등에 각종 질환을 야기시키기도 합니다.

당뇨병은 세계적으로 19명 중에 1명이 걸리는 심각한 질병으로 알려져 있습니다. Credit Suisse Research Institute 의 분석에 따르면, 전 세계적으로 약 400 miilion 명에 달하는 사람들이 제 2형 당뇨병으로 고통받고 있으며, 그 수는 점차 증가하고 있다고 합니다. 그리고 이에 따른 의료비 지출은 매년 $376 billion 에 달하며, 이는 전체 의료비 지출의 10%에 해당하는 수치라고 합니다. 또한 2020년 까지 당뇨병 환자들은 500 million명으로 증가할 것이며, 의료비 지출은 $700 billion 까지 상승할 것으로 예상되고 있습니다.

 

혈당 측정계의 궁극적 목표: 비침습적이고 연속적인 측정

당뇨병 환자들은 자신의 혈당 수치를 하루에도 몇 번씩 측정하면서 자신의 혈당 수치를 체크해야 합니다. 전통적인 방법은 직접 바늘로 손가락 끝을 찔러 피를 낸 후, 이를 휴대용 혈당 측정계로 측정하는 것입니다. 하지만 이러한 행동을 매일, 하루에도 수차례 하는 것은 정말 불편하고도 고통스러운 일입니다. 이 때문에 당뇨병 환자들은 이것이 자신의 건강을 유지하기 위해 반드시 필요한 것임에도 불구하고, 그들이 해야 하는 것보다 훨씬 적은 빈도로 혈당을 측정한다고 합니다.

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제가 예전에 소개해드린 포스팅, “당뇨병 패러독스: 당뇨병 환자에게서 배우는 헬스케어 셀프-트레킹 기기의 조건” 에서도 언급되었듯이, 당뇨병 환자들은 이러한 불편한 UI/UX 를 가진 전통적인 혈당 측정계에 대한 심한 거부감을 가지고 있습니다. Health-IT 기술이 발달함에 따라서 이러한 당뇨병 환자들의 불편을 해소하기 위한 여러 기기들이 출시되거나 연구 개발 중에 있습니다.

이러한 혈당 측정계가 궁극적으로 목표로 하는 바는 비침습적이고 (non-invasive) 연속적인 (continuous) 혈당 측정을 가능하게 하는 것입니다. 즉, 비침습적이라는 것은 바늘로 손가락을 찔러서 피를 내거나, 신체 내부에 무엇인가를 이식하지 않을 수 있어야 한다는 것이고, 연속적이라는 것은 측정한 그 개별 시점의 혈당만 보는 것이 아니라, 지속적인 측정을 통해서 시간에 따른 변화량을 실시간으로 볼 수 있어야 한다는 것입니다. 현재의 혈당 측정은 한 순간의 사진을 찰칵 찍는 비연속적인 것이라면, 궁극적인 목적은 동영상 촬영처럼 지속적으로 측정하겠다는 것입니다.

 

구글의 스마트 컨택트 렌즈

이번에 구글이 개발을 공표한 스마트 컨택트 렌즈도 바로 이러한 비침습적이고 연속적인 혈당 측정을 목표로 하고 있습니다. Babak Parviz에 따르면, 이 스마트 컨택트 렌즈는 두 겹의 부드러운 렌즈 사이에 극소형화 된 혈당 측정 센서와 무선 칩을 장착 해서 소량의 눈물만 가지고도 혈당을 측정할 수 있게 만들어졌습니다. 이 기기는 1초에 한번씩 혈당을 측정하도록 (즉, 연속적으로 측정이 가능하도록) 설계 되었으며, 혈당이 기준치보다 올라갔거나 내려가기 시작할 때에는 LED 불빛을 이용해서 사용자의 시야에 조기에 경고 신호를 디스플레 하도록 되어 있다고 합니다. 아직은 이 기술이 완전하지는 않지만 이미 다수의 의학 연구를 마무리 지었다고 그는 언급하고 있습니다.

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2009년도 Wired 기사에서 제시한 컨택트 렌즈의 LED 불빛이 들어온 모습

프로젝트의 공동 책임자인 Brian Otis의 인터뷰를 볼 수 있습니다
 

사실 이번 발표에는 이러한 스마트 컨택트 렌즈의 개발이 구글이 비밀리에 개발해오다가 세상에 깜짝 발표를 한 것처럼 되었지만, 사실은 그렇지 않습니다. 이 프로젝트의 공동 책임자인 Babak Parviz와 Brian Otis는 워싱턴 대학에서 오래 전부터 이 스마트 컨택트 렌즈 기술을 개발해왔습니다. 또한 2011년에는 마이크로소프트와 협력하여 ‘바늘 없이 혈당을 측정하는 컨택트 렌즈 (Functional Contact Lens Monitors Blood Sugar Without Needles)’를 개발하는 동일한 주제의 프로젝트가 소개되기도 하였습니다.

뿐만 아니라, 이미 2009년에 Wired 에는 Babak Parviz가 워싱턴 대학에서 진행하고 있던 이 연구가 소개된 적이 있으며, (‘디지털 컨택트 렌즈가 당신의 활력징후를 측정한다 (Digital Contacts Will Keep an Eye on Your Vital Signs)’), 2010년에는 Babak Parviz가 직접 IEEE Spectrum에 기고한 글에서 컨택트 렌즈를 이용한 증강 현실 (Augmented Reality in a Contact Lens)의 개념 및 이를 실현하기 위해 해결해야 할 이슈들을 소개하고 있습니다.

이러한 기사에서는 컨택트 렌즈를 통해서 혈당 뿐만이 아니라, 체온이나 콜레스테롤 수치, 나트륨(Sodium), 칼륨(Potassium)과 같은 전해질 수치 등의 다양한 활력징후 (vital sign)들을 측정할 수 있다고 이야기 합니다. 눈물에서는 병원에서 혈액 검사를 받을 때 측정되는 것과 동일한 생체 표지자 (biomarker) 들이 발견되며, 그 표지자들의 농도는 혈액 속의 농도와 비례한다는 것입니다. 또한 렌즈는 한번 착용하면 신체 표면에서 눈물과 오랜 시간 동안 접촉하기 때문에 이를 측정하기에 적합하다고 이야기 하고 있습니다.

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넘어야 할 기술적 장벽들

하지만 이러한 스마트 컨택트 렌즈를 개발하기 위해서는 극복해야 할 여러 기술적인 난관들이 많다고 이 기사에서는 인정하고 있습니다. 사실 2009년과 2010년에 나온 기사들이기 때문에 4-5년이 지난 지금에는 이러한 문제점들이 해결되었는지 알 수 없지만 한번 짚어보고 넘어가겠습니다. (Babak Parviz 본인이 직접 2010년 IEEE Spectrum 기사에서, 현재 렌즈를 이용한 혈당 측정은 아직까지는 작은 가능성 (glimmer)에 불과하지만, 5년에서 10년 후에는 가능하게 될 것이다고 전망하고 있기도 합니다)

첫번째 기술적인 문제는 스마트 랜즈의 기능을 구현하기 위한 각종 컨트롤 회로, 통신 회로, 안테나 등이 극소형화 되어서 작으면서도, 말랑말랑하고, 투명한 컨택트 렌즈 속에 들어가야 한다는 것입니다. 연구진은 그러한 기기들을 극소형화 하고 광전자공학적인 장치들을 사용해서 통합하는 것에 진전을 이루었다고 이야기 합니다. 물론 현재로서는 작은 렌즈 안에 아주 고도의 계산 능력을 가지는 장치를 장착하는 것은 힘들지만, 하나의 LED (발광 다이오드)를 렌즈 내에 장착시키고 RF 를 통해 무선으로 전력을 공급할 수 있는 수준에는 이르렀다고 이야기 하고 있습니다.

또 다른 어려움은 컨택트 렌즈를 통해서 디스플레이되는 증강 현실이 사람의 안구의 움직임을 따라서 움직이도록 하는 것입니다. 사용자가 바라보는 방향을 정확히 측정하고, 증강 현실 그래픽을 사용자의 시야에 정확히 랜더링 하는 것이 필요할 것입니다. 예를 들어, 우리가 바라보는 특정 사물에 대한 설명이 렌즈에 뜬다고 한다면, 우리의 눈동자 움직임에 따라 동공에 맺히는 사물의 위치도 달라지므로, 렌즈에 디스플레이되는 설명의 위치도 따라 변해야 할 것입니다. 특히, 우리의 안구는 단속성 운동 (saccade)을 하면서 매우 빨리 움직일 때에도 이러한 기능이 잘 작동해야 한다는 것입니다.

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[추가] 충북대학교병원 내분비내과의 최형진 교수님께서 포스팅에 대하여 코멘트 하신 부분을 더 추가합니다. 

이 스마트 컨택트 렌즈에 대해서 충북대학교병원 내분비내과 최형진 교수님께서는 위와 같은 IT 기술적인 문제 뿐만이 아니라, 생물학적/의학적 부분에서도 렌즈 형태의 혈당 측정계가 정확히 혈중 포도당의 농도를 측정할 수 있는지에 대해 고려해야 한다는 점을 지적하셨습니다. 그 중의 하나가 바로 눈물이 실제 혈액 속의 포도당을 정확한 농도로, 그리고 정확한 시간에 반영할 수 있는지에 대한 부분이었습니다.

기존의 비침습적/연속적인 혈당 측정계는 혈액이 아닌 세포간질액 (interstitial fluid)을 통해서 혈당을 측정하려는 시도를 하였다고 합니다. 그런데 이 세포 간질액이 실제 혈당을 반영하는 것에 5-15분의 지연 시간이 발생한다고 합니다. 혈당은 급격히 변하기 때문에, 측정시의 이러한 시간 지연은 중요한 문제의 원인이 될 수 있다고 교수님은 지적하십니다.

이번 구글 프로젝트와 같이 세포간질액이 아닌 눈물에서 혈당을 측정하려는 시도의 경우에도 눈물이 실제 혈당 수치를 반영하는 타이밍에 시간 지연이 있거나, 혹은 눈물의 특성상 혈당의 수치 자체가 제대로 반영되지 못한다면, 설사 렌즈 속의 전자 회로가 설계한대로 완벽히 작동한다고 하더라도, 결과적으로 측정된 혈당 수치는 부정확할 수 있다는 지적이었습니다. 또한, 교수님은 “비슷한 의학적/실용적 관점에서, 눈물 희석/증발농축 보정이나, 혈액 측정치와 calibration 필요성, 센서의 재사용 여부/수명/가격 등도 중요한 해결점이 될 것으로 생각합니다” 라고도 덧붙이셨습니다.

 

안전성에 대한 문제는 해결되었는가?

마지막으로 가장 중요한 안전의 이슈를 들 수 있습니다. 눈에 직접 장착하는 기기이므로 절대적으로 안전이 보장되어야 합니다. 예를 들어, LED를 이루는 물질 중의 하나인 AlGaAs(aluminum gallium arsenide)는 독성이 있으므로, 이는 눈 속으로 들어가기 전에 생체호환적인 (biocompatible) 물질로 완전히 봉해져야 합니다. 또한, 이러한 회로에서 발생하는 열도 문제가 될 수 있습니다. 눈에 무리가 가지 않기 위해서는 약 45도 이하의 열만 발생시켜야 한다고 합니다. (발열에 관해서는 연구진이 측정한 바에 따르면 크게 문제는 없을 것이라고 합니다)

특히, 안전도를 검사하기 위해서 연구진은 시제품을 살아 있는 토끼의 안구에 착용시켜 20분간을 아무런 부작용 없는 것을 확인했다고 합니다. 하지만 그 20분 동안 그 장치의 전원을 켜지는 않았다고 하며, 그 장치의 전원을 켰을 경우에는 어떻게 되는지를 조심스럽게 더 조사해봐야 한다고 Babak Parviz 는 이야기 합니다. 제가 조사한 바에 따르면, 토끼의 안구에 장착한 실험은 이미 2008년도 MIT Tech Review 기사에 소개되고 있지만, 그 이후로 다른 동물 실험이나 ‘스위치를 올리고’ 실험한 결과는 소개되지 않고 있습니다.

또한 이후의 기사에는 대부분 토끼에 대한 실험이 ’20분간 안전했다’ 는 것은 소개 되고 있지만, ‘전원을 끄고 한 것이다’라는 부분은 소개되지 않고 있습니다. 2008년 이후로 다른 동물에 대해 실험을 해본다든지, 20분 보다 더 오랜 시간 동안이나, 전원을 켜는 등의 후속 실험을 하지 않은 것은 아닐 것입니다만.. 이번 같은 구글의 발표에서도 새로운 연구 결과에 대한 구체적인 언급이 없는 것을 보면 지금까지의 결과가 신통치 않은 것은 아닌지에 대한 우려가 약간 들기는 합니다.

aef711f287a997b1351d010203e86d74 워싱턴 대학에서 제시한 토끼 실험의 사진

이미 구현된, 녹내장을 위한 스마트 렌즈

사실 컨택트 렌즈를 통해서 질병을 진단하고 측정하려는 더 앞선 시도가 있습니다. 스위스의 Sensimed 라는 바이오 벤처 회사가 내어 놓은 Triggerfish 라는 스마트 컨택트 렌즈는 내부에 장착된 센서를 통해 안압 (intraocular pressure) 을 측정합니다. 안구 내부의 압력을 의미하는 이 안압이 높아지면 녹내장성 시신경 손상의 가장 중요한 위험 요소 중의 하나로 꼽힙니다. 정상적인 안압을 유지하지 못할 경우 시신경 손상이나 시야 장애로 진행할 가능성이 높아지는 것이지요. 또한 녹내장 치료의 효과를 판정하는데 있어서 안압의 측정이 임상적으로 가장 중요한 평가 항목 중의 하나라고 합니다.

이 Triggerfish 는 최대 24시간 동안 환자의 눈에서 안압을 연속적으로 측정하고 이를 동반 기기에 기록하게 됩니다. 특히, 녹내장 전문가들은 하루 전체에서 안압이 자주 변하거나, 밤 중에 수치가 매우 높아지는 경우가 질병의 진행에 중요하다고 믿고 있는데, Triggerfish는 환자가 입원할 경우 24시간 동안 환자의 상태를 모니터링할 수 있게 해주는 것입니다. 이 Triggerfish 는 2009년에 유럽에서 안전성 검증을 통해 CE 마크를 획득하였으며, Sensimed의 Chief Medical Officer인 Stanley Darma 의 작년 7월 인터뷰에 따르면 FDA에서 510K 승인을 받기 위해서 심사 중에 있다고 합니다.

SENSIMED-lens-closeupSensimed의 Triggerfish

 

새로운 증강현실 플랫폼의 등장

아무튼 구글이 이 스마트 컨택트 렌즈에 대한 개발에 대한 담대한 계획을 공식 발표하자, 전 세계의 반응은 뜨거웠습니다. 구글은 현재 FDA와 함께 많은 부분을 토론하고 있지만, 아직 넘어야 할 기술적인 장벽이 많으며, 이러한 문제들을 혼자 해결하기 보다는 여러 외부 파트너들과 함께 협력하겠다는 의사를 보였습니다.

현재 구글 글래스를 포함한 많은 증강 현실 플랫폼들이 개발되고 있지만, 이 프로젝트에서 제시하고 있는 컨택트 렌즈 역시 (개발에 성공하기만 한다면) 매우 유망한 플랫폼이 될 것으로 보입니다. 일단 컨택트 렌즈라는 플랫폼 자체가 안경과 마찬가지로 지금까지 수많은 사람들이 평소에 이용해오던 것이기 때문에 이러한 플랫폼을 받아들이는 것에 심리적인 장벽이 없다는 것이 장점입니다.

더 나아가, 안경 등과는 달리 신체에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있는 부위와 직접 접촉하고 체액 (이 경우는 눈물)에서 다양한 생체 정보를 실시간으로 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. 이러한 부분은 구글 글래스를 포함한 다른 플랫폼 들이 가지지 못한 장점으로 보입니다.

또한, (역시 개발에 성공했다고 가정하면) 이렇게 착용한 렌즈는 구글 글래스 등의 여타 플랫폼과는 달리, 다른 사람의 눈에 잘 띄지 않기 때문에 사생활 침해나 윤리적인 이슈가 제기될 가능성도 있어 보이기는 합니다. 구글 글래스의 경우 다른 사람의 동영상을 몰래 찍거나 해서 사생활 침해 논란에 휩싸인 사례들이 있습니다. 하지만 구글 글래스는 적어도 안경을 (즉, 착용한 사람의 머리 방향을) 찍고 싶은 방향으로 돌려야 하지만, 스마트 렌즈의 경우에는 단순히 눈동자만 돌리면 되기 때문에 사생활 침해의 논란이 더 커질 수도 있겠다는 생각이 듭니다.

 

구글의 프로젝트는 이제 시작

아무튼 저는 구글에서 발표하는 이런 도전적인 프로젝트들을 보면서 정말 감탄을 금치 못할 때가 많습니다. 특히, IT 공룡인 구글이 이렇게 헬스케어 분야와의 융합을 통해서 의료의 문제를 해결하려고 한다는 점, 외부에서의 전문가들을 (이 경우에는 워싱턴 대학의 Babak Parviz와 Brian Otis) 을 적극적으로 영입하여 그러한 프로젝트를 진행한다는 점이 정말 인상 깊게 보입니다.

많은 수익을 벌어들이는 기업들은 많지만, 그런 기업들이 모두 이렇게 언제 재정적인 수익을 올릴 수 있을지도 모르는 불확실하고도 리스크가 큰 프로젝트를 진행하는 것은 아니니까요. 구글이 ‘공상 과학에 나오는 기술을 실제로 구현하겠다’ 면서 도전하는 모습을 볼 때마다 정말로 멋지게 느껴지는 것은 어쩔 수 없는 것 같습니다.

이번 발표의 말미에서 Babak Parviz는 이렇게 밝히고 있습니다.

우리는 언제나 도전적이고 괴짜와 같은 프로젝트를 찾는다고 이야기해왔다. 그리고 국제 당뇨병 연합 (International Diabetes Federation)이 ‘인류는 지금 당뇨병과의 전쟁에서 지고 있다’ 고 공표했을때, 비로소 우리는 이 프로젝트를 시작할 가치가 있다고 생각하게 되었다. We’ve always said that we’d seek out projects that seem a bit speculative or strange, and at a time when the International Diabetes Federation (PDF) is declaring that the world is “losing the battle” against diabetes, we thought this project was worth a shot.

정말 멋지지 않나요? 이러한 구글의 계획이 성공적으로 마무리 되어, 전 세계의 당뇨병 환자들이 도움을 받았으면 하는 바램입니다.

About The Author

IT와 헬스케어의 컨버젼스를 통해 사회적 가치를 창출하는 것을 화두로 삼고 있는 융합 생명과학자, 미래의료학자, 블로거, 작가입니다. 포항공대에서 컴퓨터공학과 생명과학을 복수 전공하였고, 동대학원에서 전산생물학으로 이학박사를 취득했습니다. Stanford University 방문연구원, 서울대학교 의과대학 암연구소 연구조교수, KT종합기술원 컨버전스연구소 팀장, 서울대병원 의생명연구소 연구조교수 등을 역임하였습니다. 현재 최윤섭 디지털 헬스케어 연구소의 소장이며, 국내 유일의 헬스케어 전문 스타트업 엑셀러레이터 디지털 헬스케어 파트너스 (DHP)의 대표 파트너를 맡고 있습니다. 성균관대학교 삼성융합의과학원 디지털헬스학과 초빙교수이자, VUNO, Zikto, Promisope, Souling, HB 인베스트먼트, 녹십자 홀딩스의 자문이며, 매일경제신문의 필진입니다.